DE112006001085T5

DE112006001085T5 - Bildprojektion mit verringertem Speckle-Rauschen

Info

Publication number: DE112006001085T5
Application number: DE112006001085T
Authority: DE
Inventors: Dmitriy Yavid; Miklos Stern
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Microvision Inc
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2008-03-20
Also published as: US20060245054A1; CN101189549B; WO2006116331A3; JP2008539466A; CN101189549A; US7304795B2; JP4766708B2; WO2006116331A2

Abstract

Eine Anordnung zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, die Folgendes aufweist:
a) einen Anzeigebildschirm;
b) einen Laser zum Emittieren eines Laserstrahls mit kohärenten Wellen der gleichen Frequenz und einer Kohärenzzeit;
c) eine Bildprojektionsanordnung zum Leiten des Strahls, der auf den Bildschirm auftreffen soll, und zum Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über den Bildschirm hinweg, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt, und zum Bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen; und
d) Mittel zum Modifizieren des Bildschirms, um den Lichtstrahl, der auf den Bildschirm auftrifft, für eine Zeit einzufangen, die nicht kürzer als die Kohärenzzeit ist, und um ein zeitveränderliches Interferenzmuster zu erzeugen, in dem das Speckle-Rauschen verringert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Projizieren zweidimensionaler Bilder mit verringertem Speckle-Rauschen auf Anzeigebildschirmen.
Es ist im Allgemeinen bekannt, ein zweidimensionales Bild auf einen Anzeigebildschirm zu projizieren, und zwar basierend auf einem Paar von Scanspiegeln, die in zueinander rechtwinkligen Richtungen oszillieren, um einen Laserstrahl über ein Rastermuster hinweg zu scannen. Die bekannten Bildprojektionssysteme projizieren jedoch ein Bild einer begrenzten Auflösung, typischerweise ein Viertel eine Videographikanordnungs-(VGA = Video Graphics Array) Qualität von 640×480 Pixeln und mit Speckle-Rauschen. Als solche besitzen die bekannten Projektionssysteme und Anzeigebildschirme eine begrenzte Vielseitigkeit.
Speckle-Rauschen ist ein inhärentes Problem in laserbasierten Projektionssystemen und bewirkt eine beträchtliche Verschlechterung der Bildqualität. Ein monochromatischer (roter, blauer oder grüner) Laser emittiert einen Laserstrahl mit kohärenten Wellen der gleichen Frequenz und mit räumlicher Kohärenz, d.h. die Wellen besitzen eine feste Phasenbeziehung zueinander sowohl im Raum als auch in der Zeit. Wenn der Strahl auf einen diffusen Bildschirm trifft, werden die Wellen gestreut, indem sie von dem Bildschirm reflektiert und/oder durch den Schirm hindurch übertragen werden. Die gestreuten Wellen besitzen zufällige Phasenverzögerungen und bewegen sich entlang unterschiedlicher Richtungen fort, besitzen aber alle die gleiche Frequenz. Wenn sich derartige gestreute Wellen treffen, beispielsweise auf der Netzhaut des menschlichen Auges, erzeugen sie eine statische Verteilung konstruktiver und destruktiver Interferenz, d.h. ein Stör- bzw. Interferenzmuster, das als Speckle-Rauschen bekannt ist. Das menschliche Auge, dessen Integrationszeit in der Größenordnung von Zehnteln von Millisekunden liegt, sieht das Speckle-Rauschen als ein verschlechtertes Bild. Wenn der Laserstrahl keine vollständig kohärenten Wellen besitzt, können sich deren Phasenverzögerungen erheblich während der Zeit verändern, die die gestreuten Wellen brauchen, um den Bildschirm zu durchdringen und infolgedessen verän dert sich das Fleckenrauschmuster ebenfalls während der Integrationszeit des menschlichen Auges, wodurch der Fleckenkontrast verringert wird.
Jede kohärente Welle des Laserstrahls ist kohärent mit sich selbst, einer Eigenschaft, die als eine zeitliche Kohärenz bekannt ist. Wenn eine Welle mit einer verzögerten Kopie von sich selbst kombiniert wird, wie in einem Michelson-Interferometer, ist die Dauer der Verzögerung über die sie hinweg Interferenz erzeugt, als Kohärenzzeit der Welle bekannt. Eine korrespondierende Eigenschaft, die als Köhärenzlänge bekannt ist, wird durch Multiplizieren der Kohärenzzeit mit der Lichtgeschwindigkeit berechnet. Die Kohärenzzeit des Lasers ist umgekehrt proportional zu seiner Bandbreite. Eine wirklich monochromatische Welle besitzt eine unendliche Kohärenzzeit und eine unendliche Kohärenzlänge. In der Praxis ist jedoch keine Welle wirklich monochromatisch, da dies eine Welle von unendlicher Dauer erfordert. Als Beispiel kann ein stabilisierter Helium-Neon-Laser einen Laserstrahl mit einer Kohärenzlänge von über fünf Metern erzeugen, und die Kohärenzzeit liegt in der Größenordnung von mehreren Nanosekunden. Folglich liegt die Kohärenzzeit des Lasers im Allgemeinen im Nanosekundenbereich, während der Laserstrahl nur wenige Picosekunden braucht, um von dem Anzeigebildschirm reflektiert zu werden und/oder durch diesen hindurchzugehen.
Demgemäß ist es ein allgemeines Ziel dieser Erfindung, ein Bildprojektionssystem vorzusehen, das ein fleckenrauschreduziertes, scharfes und klares, zweidimensionales Bild auf einen Anzeigebildschirm projiziert.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, das Speckle-Rauschen auf projizierten Bildern zu verringern.
Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen Anzeigebildschirm selbst zu modifizieren, um das Speckle-Rauschen von Bildern, die darauf projiziert werden, zu verringern.
In Übereinstimmung mit diesen Zielen und anderen, die im Folgenden offensichtlich werden, besteht ein Merkmal dieser Erfindung kurz gesagt in einer Anordnung für und einem Verfahren zum Projizieren eines zweidimensionalen Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, wobei die Anordnung einen Anzeigebildschirm, einen Laser zum Emittieren eines Laserstrahls mit kohärenten Wellen der gleichen Frequenz und einer Kohärenzzeit, einer Bildprojektionsanordnung oder einem -modul zum Leiten des Strahls, so dass dieser auf den Bildschirm auftritt und zum Hinwegstreichen des Strahls als einem Muster von Scanlinien über den Bildschirm hinweg, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln aufweist, und um zu bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen; sowie Mittel zum Modifizieren des Bildschirms, um den Strahl, der auf den Bildschirm auftrifft, für eine Zeit einzufangen, die nicht geringer als die Kohärenzzeit ist und um ein zeitveränderliches Interferenzmuster zu erzeugen, in dem das Speckle-Rauschen verringert wird.
Gemäß einem Merkmal dieser Erfindung umfasst das Modifizierungsmittel eine Vielzahl von optischen Resonatoren, die den Strahl für eine Zeit einfangen, die vergleichbar mit der Kohärenzzeit ist oder diese übersteigt. Auf diese Weise wird der eingefangene Strahl nicht von dem Bildschirm in Picosekunden reflektiert und/oder geht nicht in Pikosekunden durch diesen hindurch, sondern wird für eine längere Zeit in der Größenordnung von Nanosekunden gehalten. Die gestreuten Wellen erzeugen ein zeitveränderliches Interferenzmuster, welches schneller als die Integrationszeit des menschlichen Auges ist. Das Auge sieht nicht die einzelnen Flecken, sondern nimmt stattdessen eine durchschnittliche, gleichförmigere Beleuchtung war.
Der Anzeigebildschirm selbst wird angepasst, um die optischen Resonatoren zu unterstützen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die optischen Resonatoren kleine Partikel photonischer Kristalle, die in den Bildschirm eingebettet sind. Jeder Partikel besitzt eine kleinere Größe als ein Pixel. Jeder Kristall besitzt vorzugsweise eine periodische dielektrische Struktur, beispielsweise Silicium, das eine Bandlücke besitzt, die die Ausbreitung eines vorbestimmten Frequenzbereichs von Licht verhindert. Da das Licht eingefangen ist, wird ein Resonanzhohlraum bzw. Hohlraumresonator geschaffen.
Der Anzeigebildschirm besteht vorzugsweise aus einem gieß- bzw. formbaren Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Gummi bzw. Kautschuk, und die photonischen Kristalle werden in das formbare Material in einem flüssigen Zustand gemischt. Sobald das formbare Material ausgehärtet ist, sind die Kristalle zufällig über den Bildschirm hinweg verteilt. Jeder Hohlraumresonator, der durch die Kristalle gebildet wird, besitzt einen sehr hohen Q-Faktor (über 10.000). Die Zeitkonstante, mit der diese Hohlräume das Licht einfangen, entspricht ungefähr der Umlaufzeit des Lichts innerhalb des Kristalls multipliziert mit dem Q-Faktor und entspricht oder übersteigt die Kohärenzzeit des Lasers.
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist es, einen Zusatz zu dem Bildschirm hinzuzufügen, wiederum um den einfallenden Strahl für eine Zeit einzufangen, die vorzugsweise die Kohärenzzeit übersteigt. Das Material des Bildschirms selbst kann ausgewählt werden, um diese Einfangeigenschaft aufzuweisen. Der Bildschirm kann fließfähiges Material, wie beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, umfassen, dessen Atome oder Moleküle mit einer Rate bewegt werden, die ausreichend ist, um das einfallende Licht einzufangen und zu verzögern.
In noch einem weiteren Ansatz wird der Bildschirm nicht modifiziert, sondern stattdessen wird die Bandbreite des Lasers erhöht. Dies dient dazu, die Kohärenzzeit zu verringern, und wiederum wird das Licht verzögert.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zum Projizieren eines Bilds auf einen Anzeigebildschirm gemäß dieser Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht der Anordnung der 1 zum Projizieren eines Bilds auf einem weiteren Anzeigebildschirm gemäß dieser Erfindung;
3 ist eine vergrößerte, perspektivische Überkopfansicht einer Bildprojektionsanordnung oder eines -moduls zur Installation in der Anordnung der 1;
4 ist eine Draufsicht des Moduls der 3;
5 ist eine Endseitenansicht des Moduls der 2;
6 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Laser-/Optikanordnung des Moduls, und zwar entlang der Linie 6-6 in 4 genommen;
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die entlang der Linie 7-7 in 1 genommen ist;
8 ist ein Elektroschemablockdiagramm, das den Betrieb des Moduls der 3 darstellt;
9 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Antriebs für das Modul der 2;
10 ist eine perspektivische Rückansicht des Antriebs der 9;
11 ist eine diagrammartige Ansicht eines Anzeigebildschirms, der gemäß dieser Erfindung modifiziert ist; und
12 ist eine diagrammartige Ansicht eines weiteren modifizierten Bildschirms.
Das Bezugszeichen 10 in 1 bezeichnet im Allgemeinen ein Gehäuse, in dem ein leichtgewichtiges, kompaktes Bildprojektionsmodul 20, wie in 2 gezeigt, angebracht ist. Das Modul 20 ist betriebsbereit, um ein zweidimensionales Bild in einer Entfernung von dem Modul auf unterschiedlichen Anzeigebildschirmen zu projizieren. Wie unten beschrieben, weist das Bild beleuchtete und unbeleuchtete Pixel auf einem Rastermuster 30 von Scanlinien auf, über die durch einen Scanner in dem Modul 20 hinweggestrichen wird.
Die Parallelepiped-Form des Gehäuses 10 stellt nur einen Formfaktor dar, in dem das Modul 20 enthalten sein kann. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel misst das Modul 20 ungefähr 30 mm × 15 mm × 10 mm oder ungefähr 4,5 Kubikzentimeter. Diese kompakte Miniaturgröße ermöglicht es, dass das Modul 20 in Gehäusen vieler verschiedener Formen, große und kleine, tragbare und stationäre, angebracht wird, von denen einige unten beschrieben werden.
Bezug nehmend auf 3 umfasst das Modul 20 eine Tragevorrichtung 16, beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte und ein Laser-/Optikgehäuse 18, in dem ein Laser 25 (siehe 6) und eine Linsenanordnung, die eine oder mehrere Linsen und vorzugsweise ein Paar von Linsen 22, 24 umfasst, die betriebsbereit sind, um einen Laserstrahl, der von dem Laser 25 emittiert wird, optisch zu modifzieren, angebracht sind.
Wie am besten in 6 zu sehen ist, ist der Laser 25 ein Festkörperlaser, vorzugsweise ein Halbleiterlaser, der bei Erregung einen Laserstrahl mit einem ovalen Querschnitt emittiert. Die Linse 22 ist eine biasphärisch konvexe Linse mit einer positiven Brennweite von ungefähr 2 mm und ist betriebsbereit, um nahezu die gesamte Energie in dem Strahl aufzusammeln und um einen beugungsbegrenzten Strahl zu erzeugen. Die Linse 24 ist eine konkave Linse mit einer negativen Brennweite von ungefähr -20 mm. Die Linsen 22, 24 werden durch entsprechende Linsenhaltevorrichtungen 26, 28 ungefähr 4 mm entfernt voneinander innerhalb des Gehäuses 18 gehalten und sind in dem Gehäuse befestigt, indem zugelassen wird, dass ein Klebstoff (aus Klarheitsgründen nicht dargestellt), der während des Zusammenbaus in die Fülllöcher 29 eingeführt wird, aushärtet. Eine Spiral- bzw. Sprungfeder 27 unterstützt die Positionierung des Lasers. Die Linsen 22, 24 formen das Strahlenprofil.
Der Laserstrahl, der aus dem Gehäuse 18 austritt, wird zu einem optionalen, stationären Abprallspiegel 32 geleitet und von diesem reflektiert. Ein Scanner ist ebenfalls auf der Platte 16 angebracht und umfasst einen ersten Scanspiegel 34, der durch einen Trägheitsantrieb 36 mit einer ersten Scanrate oszillierbar ist, um den Laserstrahl, der von dem Abprallspiegel reflektiert wird, über den ersten horizontalen Scanwinkel A hinwegzustreichen (siehe 7) und ein zweiter Scanspiegel 38, der durch einen elektromagnetischen Antrieb 42 mit einer zweiten Scanrate oszillierbar ist, um den Laserstrahl, der von dem ersten Scanspiegel 34 reflektiert wird, über den zweiten, vertikalen Scanwinkel B hinwegzustreichen (siehe 7). In einer abweichenden Konstruktion können die Scanspiegel 34, 38 durch einen einzelnen Zweiachsenspiegel ersetzt werden.
Der Trägheitsantrieb 36 ist eine Hochgeschwindigkeitskomponente mit geringem elektrischen Leistungsverbrauch. Details des Trägheitsantriebs können in der U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/387,878 , eingereicht am 13. März 2003, und der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zugewiesen und hierin durch Bezugnahme enthalten, gefunden werden. Die Verwendung des Trägheitsantriebs verringert den Leistungsverbrauch des Moduls auf weniger als ein Watt.
Der elektromagnetische Antrieb 42 umfasst einen Permanentmagneten 44, der gemeinsam auf und hinter dem zweiten Scanspiegel 38 angebracht ist, und eine elektromagnetische Spule 46, die betriebsbereit ist, um ein periodisches Magnetfeld ansprechend auf den Empfang eines periodischen Antriebssignals zu erzeugen. Die Spule 46 ist benachbart zu dem Magneten 44, so dass das periodische Feld magnetisch mit dem permanenten Feld des Magneten 44 interagiert und bewirkt, dass der Magnet und dieser seinerseits den zweite Scanspiegel 38 oszilliert. Die Spule 46 wird durch eine aufrechte Wand 48, die mit der Platte 16 verbunden ist, getragen.
Der Trägheitsantrieb 36 oszilliert den Scanspiegel 34 mit einer hohen Geschwindigkeit mit einer Scanrate die vorzugsweise größer als 5 kHz ist und insbesondere in der Größenordnung von 18 kHz oder mehr liegt. Diese hohe Scanrate liegt bei einer unhörbaren Frequenz, wodurch Geräusche und Vibration minimiert werden. Der elektromagnetische Antrieb 42 oszilliert den Scanspiegel 38 mit einer langsameren Scanrate in der Größenordnung von 40 Hz, was ausreichend schnell ist, um es zu ermöglichen, dass das Bild auf einer menschlichen Augennetzhaut ohne übermäßiges Flimmern besteht.
Der schnellere Spiegel 34 streicht über eine horizontale Scanlinie hinweg, und der langsamere Spiegel 38 streicht über die horizontale Scanlinie vertikal hinweg, wodurch ein Rastermuster erzeugt wird, welches ein Netz oder eine Sequenz annähernd paralleler Scanlinien ist, aus denen das Bild konstruiert wird. Jede Scanlinie besitzt eine Anzahl von Pixeln. Die Bildauflösung besitzt vorzugsweise die VGA-Qualität von 640×480 Pixeln. In einigen Anwendungen ist eine einhalbfache VGA-Qualität von 320×480 Pixeln oder eine einviertelfache VGA-Qualität von 320×240 Pixeln ausreichend. Minimal ist eine Auflösung von 160×160 Pixeln erwünscht.
Die Rollen der Spiegel 34, 38 könnten umgekehrt werden, so dass der Spiegel 38 der schnellere und der Spiegel 34 der langsamere ist. Der Spiegel 34 kann ebenfalls ausgelegt sein, um über die vertikale Scanlinie hinwegzustreichen, in welchem Fall der Spiegel 38 über die horizontale Scanlinie hinwegstreichen würde.
Der Trägheitsantrieb kann ebenfalls verwendet werden, um den Spiegel 38 anzutreiben. In der Tat könnte jeder der beiden Spiegel durch einen elektromechanischen, elektrischen, mechanischen, elektrostatischen, magnetischen oder elektromagnetischen Antrieb angetrieben werden.
Das Bild wird durch selektive Beleuchtung von Pixeln in einer oder mehreren der Scanlinien konstruiert. Wie unten im größeren Detail mit Bezugnahme auf 8 beschrieben, bewirkt eine Steuervorrichtung, dass ausgewählte Pixel in dem Rastermuster 30 durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden. Beispielsweise leitet eine Stromsteuervorrichtung 50 einen elektrischen Strom zu dem Laser 25, um letzteren zu erregen, um Licht bei jedem ausgewählten Pixel zu emittieren, und leitet keinen elektrischen Strom zu dem Laser 25, um letzteren zu enterregen, um die anderen nicht ausgewählten Pixel nicht zu beleuchten. Das entstehende Muster von beleuchteten und nicht beleuchteten Pixeln weist das Bild auf, welches jegliche Anzeige einer menschen- oder maschinenlesbaren Information oder Graphik sein kann. Anstelle einer Stromsteuervorrichtung, könnte ein akusto-optischer Modulator verwendet werden, um den Laserstrahl weg von jeglichem erwünschten Pixel abzulenken, um das Pixel nicht zu beleuchten, indem nicht zugelassen wird, dass der Laserstrahl den ersten Scanspiegel erreicht.
Bezug nehmend auf 7 ist das Rastermuster 30 in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. Beginnend bei Punkt 54 wird der Laserstrahl durch den Trägheitsantrieb entlang der horizontalen Richtung mit der horizontalen Scanrate zu einem Punkt 56 hinweggestrichen, um eine Scanlinie zu bilden. Daraufhin wird der Laserstrahl durch den elektromagnetischen Antrieb entlang der vertikalen Richtung mit der vertikalen Scanrate zu dem Punkt 58 hinweggestrichen, um eine zweite Scanlinie zu bilden. Die Bildung aufeinander folgender Scanlinien schreitet in der gleichen Art und Weise voran.
Das Bild wird in dem Rastermuster 30 durch Erregen oder An- und Aus-Pulsieren des Lasers zu ausgewählten Zeiten unter Steuerung eines Mikroprozessors oder der Steuerschaltung durch Betrieb der Leistungssteuervorrichtung 50, oder durch Halten des Lasers auf und Ablenken des Laserstrahls zu ausgewählten Zeiten durch Betrieb eines akusto-optischen Modulators, erzeugt. Der Laser erzeugt sichtbares Licht und wird angeschaltet, oder sein Strahl wird in geeigneter Weise abgelenkt, nur wenn ein Pixel in dem erwünschten Bild gesehen werden soll. Das Rastermuster ist ein Netz, das aus mehreren Pixeln auf einer Linie und mehreren Linien besteht. Das Bild ist eine Bitmap ausgewählter Pixel. Jeder Buchstabe oder jede Zahl, jegliche graphische Darstellung oder Logo, und sogar maschinenlesbare Strichcodesymbole können als ein Bitmap-Bild ausgebildet werden.
7 zeigt ebenfalls einen lichtdurchlässigen Anschluss oder Fenster 60 auf dem Gehäuse 10 und durch welches das Bild projiziert wird, und zwar in eine Richtung im Allgemeinen senkrecht zu der gedruckten Leiterplatte 16. Wieder mit Bezugnahme auf 4 besitzt der optische Pfad des Laserstrahls einen vertikalen Schenkel 62 zwischen dem Laser-/Optikgehäuse 18 und dem Abprallspiegel 32, einen geneigten Schenkel 64 nach links zu dem Scanspiegel 34 hin, einen horizontalen Schenkel 66 nach rechts zu dem Scanspiegel 38 hin, und einen nach vorne verlaufenden Schenkel 68 (siehe 7) in einer Richtung zu dem Fenster 60 und senkrecht zu der Platte 16 hin. Das Bild kann auf jegliche lichtdurchlässige bzw. durchscheinende oder reflektierende Oberfläche, wie beispielsweise den Bildschirm 12, der wie unten erklärt, gemäß dieser Erfindung angepasst ist.
Wie in 8 gezeigt, sendet ein Host 80 die Bitmap-Bilddaten 82 zu einem Speicherpuffer 70, der durch eine Speichersteuervorrichtung 72 gesteuert wird. Die Speicherung eines vollständigen VGA-Rahmens würde ungefähr 300 Kilobytes erfordern, und es wäre wünschenswert, ausreichend Speicher in dem Puffer 70 für zwei vollständige Rahmen (600 Kilobytes) zu haben, um zu ermöglichen, dass ein Rahmen durch den Host beschrieben wird, während ein weiterer Rahmen gelesen und projiziert wird. Andererseits, wenn die Größe des Puffers kleiner als ein vollständiger Rahmen ist, dann kann die Steuervorrichtung 72 beginnen, Linien darzustellen, nachdem der Speicher seine maximale Speicherkapazität mit von dem Host gesendeten Daten erreicht hat, oder es kann simultanes Lesen aus und Schreiben in den Puffer stattfinden. Ein Rahmensynchronisationssignal 86 wird durch den Host an die Steuervorrichtung 72 gesendet.
Der erste Scanspiegel 34, der ebenfalls als der Hochgeschwindigkeits- oder X-Achsenspiegel bekannt ist, wird durch einen Trägheitsantrieb 36 angetrieben und durch die Speichersteuervorrichtung 72 gesteuert. In ähnlicher Weise wird der zweite Scanspiegel 38, der ebenfalls als der Niedriggeschwindigkeits- oder Y-Achsenspiegel bekannt ist, durch den elektromagnetischen Antrieb 42 angetrieben und wird durch die Speichersteuervorrichtung 72 gesteuert. Da das Bild während sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsscans des X-Achsenspiegels projiziert wird, wird jede zweite Linie von Bilddaten in umgekehrter Reihenfolge angezeigt. Folglich muss der Host entweder die Bilddaten in den Puffer in umgekehrter Reihenfolge schreiben, oder die Speichersteuervorrichtung muss die Bilddaten in umgekehrter Reihenfolge lesen.
Der X-Achsenspiegel besitzt ein sinusförmiges Geschwindigkeitsprofil. In einem gegebenen Zeitintervall streicht der Laserstrahl über mehr Pixel in der Mitte jeder Scanlinie hinweg als an den Enden jeder Scanlinie. Um eine Bildverzerrung zu vermeiden, sollte entweder die Speichersteuervorrichtung 72 die Pixel mit einer variablen Taktungsrate takten, oder der Host sollte den Puffer 70 mit Daten füllen, in denen die Größe der Pixel variiert wird. Eine variable Taktungsrate ist die bevorzugte Technik, da sie ermöglicht, dass Pixel einer festen Größe mit anderen Anzeigen geteilt werden.
Die Ausgabe des Puffers ist ein digitales Signal 84, welches rahmensynchronisiert mit dem Host ist, und takt- und liniensynchronisiert mit dem X-Achsenspiegel 34. Dieses digitale Signal wird an einen Modulator 88 gesendet, der seinerseits den Laser 25 steuert.
9-10 stellen isoliert den Trägheitsantrieb 36 dar. Wie in der zuvor erwähnten U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/387,878 , eingereicht am 13. Mai 2003, erwähnt, kontaktiert ein oberes Paar von piezoelektrischen Wandlern 110, 112 beabstandete Teile eines Rahmens 114 über dem Scanspiegel 34 und ist elektrisch durch die Drähte 116, 118 mit einer periodisch alternierenden Spannungsquelle verbunden. Im Gebrauch bewirkt die periodische Quelle, dass sich die Wandler 110, 112 alternierend in der Länge ausdehnen und zusammenziehen, wodurch bewirkt wird, dass sich der Rahmen 114 um eine Anlenkungsachse 120 verdreht. Der Scanspiegel 34 ist mit dem Rahmen an gegenüberliegenden Enden der Anlenkungsachse verbunden und oszilliert um die Anlenkungsachse mit einer Resonanzfrequenz.
Ein unteres Paar von piezoelektrischen Wandlern 122, 124 kontaktiert voneinander beabstandete Stellen des Rahmens 114 unterhalb des Scanspiegels 34. Die Wandler 122, 124 dienen als Rückkopplungs- oder Aufnehmmechanismen, um die Oszillationsbewegung des Rahmens zu überwachen und um elektrische Rückkopplungssignale zu erzeugen und entlang der Drähte 126, 128 zu einer Rückkopplungssteuerschaltung zu leiten.
Die durch die Wandler 110, 112 induzierten Vibrationen werden jedoch durch die Wandler 122, 124 detektiert und neigen dazu, die Rückkopplungssignale zu korrumpieren, wodurch das projizierte Bild negativ beeinflusst wird. Folglich werden die Antriebs- und Aufnehmmechanismen vorzugsweise unterschiedlich gemacht, beispielsweise indem nicht beide Mechanismen auf dem piezoelektrischen Effekt basieren. Einer der Mechanismen basiert auf einem unterschiedlichen Typ von Mechanismus. Beispielsweise ist, wie in 10 gezeigt, ein Magnet 130 zusammenwirkend hinter dem Spiegel 34 zur gemeinsamen Oszillation mit diesem angebracht, und eine elektromagnetische Rückkopplungsspule 132 ist, wie in 9 gezeigt, benachbart zu dem Magnet 130 angebracht. Die Spule 132 fühlt das periodische, elektromagnetische Feld ab, das durch die Bewegung des Magneten induziert wird und ist immun gegenüber Vibrationen von den Wandlern 110, 112.
Zurück zu 1-2 kehrend, ist der Bildschirm 12 schwenkbar auf dem Gehäuse 10 an Schwenkpunkten 14 an irgendeiner einer Vielzahl von Positionen angebracht. Zum Beispiel liegt, wie in 1 gezeigt, der Bildschirm 12 in einer vertikalen Ebene, und das Bitmap-Bild des Rastermusters 30 wird durch das Fenster 60 durch das Modul 20 auf den vertikalen Bildschirm projiziert, der eine Bildebene definiert. Der Bildschirm 12 kann nach hinten geneigt werden, um einen stumpfen Winkel mit der Horizontalen zu bilden, und zwar für eine bequemere Ansicht von der Vorderseite des Gehäuses aus, wodurch eine weitere Bildebene definiert wird.
Andere Winkel, einschließlich spitzer Winkel, könnten ebenfalls eingesetzt werden. Wie in 2 gezeigt, kann der Bildschirm 12 zu einer Winkelposition geschwenkt werden, in der der Bildschirm das Gehäuse 10 in einer gekippten Position trägt, in welchem Fall, das Bild nicht auf den Bildschirm 12 projiziert wird, sondern stattdessen auf eine entfernte Anzeigeoberfläche projiziert wird, wie beispielsweise einen entfernten Anzeigebildschirm 40, der noch eine weitere Bildebene definiert. Ein Betätiger 134 wird manuell heruntergedrückt, um die Bildprojektion zu starten. Auf diese Weise kann in dem Ausführungsbeispiel der 1-2 das Bild an Bord des Gehäuses 10 auf dem Bildschirm 12 in irgendeiner einer Vielzahl von Winkelpositionen projiziert werden, oder von Bord des Gehäuses auf dem entfernten Bildschirm 40, oder einer anderen analogen Anzeigeoberfläche.
Wie oben beschrieben, erleiden die Bilder auf den Bildschirmen 12, 40 eine Verschlechterung aufgrund von Speckle-Rauschen primär da der Laser 25 kohärente Wellen besitzt, die sich zerstreuen, wenn der Laserstrahl von den Bildschirmen 12, 40 reflektiert wird und/oder durch diese hindurchgeht und diese gestreuten Wellen sich vereinigen, um ein stationäres Interferenzmuster zu bilden. Wie oben beschrieben, liegt die Kohärenzzeit des Lasers 25 im Allgemeinen im Nanosekundenbereich, während die Durchgangszeit der gestreuten Wellen in der Größenordnung von Picosekunden liegt.
Gemäß dieser Erfindung wird der Anzeigebildschirm 12, 40 modifiziert, wie schematisch in 11 gezeigt, um beispielsweise eine Vielzahl von optischen Resonatoren 140, vorzugsweise kleine Partikel von photonischen Kristallen, die in dem Bildschirm eingebettet sind, zu umfassen. Jeder optische Resonator fängt den einfallenden Strahl für eine Zeit ein, die vergleichbar mit der Kohärenzzeit ist und diese vorzugsweise übersteigt, wodurch der Strahl bei dem Bildschirm nicht für Picosekunden sondern für Nanosekunden gehalten wird. Die Wellen des Laserstrahls werden durch die Resonatoren gestreut und erzeugen ein zeitveränderliches Interferenzmuster, welches durch das menschliche Auge gemittelt wird, wodurch das Speckle-Rauschen verringert wird.
Jeder photonische Kristallpartikel besitzt eine kleinere Größe als ein Pixel. Jeder Partikel besitzt eine periodisch dielektrische Struktur, zum Beispiel Silicium, das eine Bandlücke besitzt, die die Ausbreitung eines vorbestimmten Frequenzbereichs von Licht verhindert. Da das Licht gefangen ist, wird ein Hohlraumresonator geschaffen.
Die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators hängt von der Frequenz des Laserstrahls ab. Ein roter, blauer oder grüner Strahl wird drei unterschiedliche Frequenzen besitzen, so dass drei unterschiedliche Kristalle unterschiedlicher Resonanzfrequenzen verwendet werden müssen, wenn das auf den Bildschirm projizierte Bild in Farbe ist.
Der Anzeigebildschirm besteht vorzugsweise aus einem gieß- bzw. formbaren Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Gummi bzw. Kautschuk, und die photonischen Kristalle werden in das formbare Material in einem flüssigen Zustand gemischt. Sobald das formbare Material ausgehärtet ist, sind die Kristalle zufällig über den Bildschirm hinweg verteilt. Jeder Hohlraumresonator, der durch die Kristalle gebildet wird, besitzt einen sehr hohen Q-Faktor (über 10.000). Die Zeitkonstante, mit der diese Hohlräume das Licht einfangen, entspricht ungefähr der Umlaufzeit des Lichts innerhalb des Kristalls multipliziert mit dem Q-Faktor und entspricht oder übersteigt die Kohärenzzeit des Lasers.
Der Anzeigebildschirm kann für ein Vorderprojektionssystem reflektierend sein, oder kann für ein Rückprojektionssystem durchlässig sein. Die Kristallpartikel müssen nicht eingebettet sein, sondern können ebenfalls als eine Beschichtungsschicht auf eine Hauptoberfläche des Bildschirms aufgebracht werden.
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist es, einen Zusatz zu dem Bildschirm hinzuzufügen, wiederum um den einfallenden Strahl für eine Zeit einzufangen, die vorzugsweise die Kohärenzzeit übersteigt. Das Material des Bildschirms selbst kann ausgewählt werden, um diese Einfangeigenschaft aufzuweisen. Wenn die Pfadlänge der Photonen länger ist als die Kohärenzlänge des Lasers, gibt es keine Interferenz zwischen Photonen, die von den vorderen und hinteren Oberflä chen des Bildschirms reflektiert werden. Der Bildschirm kann ein fließfähiges Material, wie beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas umfassen, dessen Atome oder Moleküle sich durch die Brown'sche Bewegung (siehe 12) bewegen, oder durch Erwärmen (siehe den Pfeil in 12) des fließfähigen Materials bewegt werden, um das Interferenzmuster zu verändern, so dass es zeitveränderlich ist, wobei sich das fließfähige Material mit einer Rate bewegt, die schneller als die Integrationszeit des menschlichen Auges ist.
In noch einem weiteren Ansatz wird der Bildschirm nicht modifiziert, sondern stattdessen die Bandbreite des Lasers erhöht. Dies dient der Verringerung der Kohärenzzeit und wieder wird das Speckle-Rauschen verringert.
Was als neu beansprucht und durch das Patent geschützt werden soll, ist in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Bildprojektionsmodul innerhalb eines Gehäuses ist betriebsbereit, um zu bewirken, dass ausgewählte Pixel in einem Rastermuster beleuchtet werden, um ein Bild auf einem Anzeigebildschirm mit VGA-Qualität zu erzeugen. Der Bildschirm wird modifiziert und/oder die Bandbreite eines Lasers wird erhöht, um das Speckle-Rauschen in dem Bild zu verringern.

Claims

Eine Anordnung zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, die Folgendes aufweist: a) einen Anzeigebildschirm; b) einen Laser zum Emittieren eines Laserstrahls mit kohärenten Wellen der gleichen Frequenz und einer Kohärenzzeit; c) eine Bildprojektionsanordnung zum Leiten des Strahls, der auf den Bildschirm auftreffen soll, und zum Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über den Bildschirm hinweg, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt, und zum Bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen; und d) Mittel zum Modifizieren des Bildschirms, um den Lichtstrahl, der auf den Bildschirm auftrifft, für eine Zeit einzufangen, die nicht kürzer als die Kohärenzzeit ist, und um ein zeitveränderliches Interferenzmuster zu erzeugen, in dem das Speckle-Rauschen verringert wird.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Bildschirm entweder aus einem Kunststoff oder einem Gummi- bzw. Kautschukmaterial besteht.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Laser entweder ein roter, blauer oder grüner Laser ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das Modifizierungsmittel eine Vielzahl von optischen Resonatoren umfasst, die den Strahl einfangen, der auf den Bildschirm auftrifft, und zwar für eine Zeit, die die Kohärenzzeit übersteigt.
Anordnung gemäß Anspruch 4, wobei die Resonatoren photonische Kristallpartikel sind, die in den Bildschirm eingebettet sind.
Anordnung gemäß Anspruch 5, wobei jeder Partikel so dimensioniert ist, dass er kleiner als ein Pixel ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, und ein Gehäuse mit einem Fenster durch welches der Laserstrahl hinwegstreicht und wobei der Bildschirm auf dem Gehäuse angebracht ist.
Ein Verfahren zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, das die folgenden Schritte aufweist: a) Emittieren eines Laserstrahls, der kohärente Wellen der gleichen Frequenz und eine Kohärenzzeit besitzt; b) Leiten des Strahls, so dass er auf einen Anzeigebildschirm auftrifft, und Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über den Bildschirm hinweg, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt, sowie Bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen; und c) Modifizieren des Bildschirms und Einfangen des Strahls, der auf den Bildschirm auftrifft, und zwar für eine Zeit, die nicht geringer als die Kohärenzzeit ist, um ein zeitveränderliches Interferenzmuster zu erzeugen, in dem das Speckle-Rauschen verringert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, sowie das Bilden des Bildschirms aus entweder einem Kunststoff oder einem Gummi- bzw. Kautschukmaterial.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Emittierungsschritt durch entweder einen roten, blauen oder grünen Laser ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Einfangschritt den auf den Bildschirm auftreffenden Strahl für eine Zeit einfängt, die die Kohärenzzeit übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der unterstützende Schritt durch Einbetten photonischer Kristallpartikel in dem Bildschirm ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, sowie die Dimensionierung jedes Partikels so dass er kleiner als ein Pixel ist.
Ein Anzeigebildschirm zur Verringerung von Speckle-Rauschen in einem Bild, das auf den Bildschirm projiziert wird, der Folgendes aufweist: Mittel zum Modifizieren des Bildschirms, um einen Laserstrahl einzufangen, der auf den Bildschirm auftrifft, und zwar für eine Zeit die nicht geringer als eine Kohärenzzeit des Strahls ist, und zum Erzeugen eines zeitveränderlichen Interferenzmusters, in dem das Speckle-Rauschen verringert wird.
Anzeigebildschirm gemäß Anspruch 14, wobei der Bildschirm aus entweder einem Kunststoff oder einem Gummi- bzw. Kautschukmaterial besteht.
Anzeigebildschirm gemäß Anspruch 14, wobei das Modifizierungsmittel eine Vielzahl von optischen Resonatoren umfasst, die den Strahl einfangen, der auf den Bildschirm auftrifft, und zwar für eine Zeit, die die Kohärenzzeit übersteigt.
Anzeigebildschirm gemäß Anspruch 16, wobei die Resonatoren photonische Kristallpartikel sind, die in dem Bildschirm eingebettet sind.
Anzeigebildschirm gemäß Anspruch 17, wobei jeder Partikel so dimensioniert ist, dass er kleiner als jedes Pixel des Bilds ist.
Eine Anordnung zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, die Folgendes aufweist: a) einen Anzeigebildschirm; b) einen Laser zum Emittieren eines Laserstrahls mit kohärenten Wellen der gleichen Frequenz, einer Bandbreite und einer Kohärenzzeit; c) eine Bildprojektionsanordnung zum Leiten des Strahls, der auf den Bildschirm auftreffen soll, und zum Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über den Bildschirm hinweg, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt, und zum Bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen; und d) Mittel zum Erhöhen der Bandbreite, um die Kohärenzzeit zu verkürzen, wodurch das Speckle-Rauschen verringert wird.
Eine Anordnung zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, die Folgendes aufweist: a) einen Anzeigebildschirm mit Partikeln; b) einen Laser zum Emittieren eines Laserstrahls mit kohärenten Wellen der gleichen Frequenz und einer Kohärenzzeit; c) eine Bildprojektionsanordnung zum Leiten des Strahls, der auf den Bildschirm auftreffen soll, und zum Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über den Bildschirm hinweg, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt, und zum Bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen; und d) Mittel zum Verändern einer Phasenverzögerung des Strahls, der auf den Bildschirm auftrifft, und zwar durch Bewegung der Partikel, und zum Erzeugen eines zeitveränderlichen Interferenzmusters, in dem das Speckle-Rauschen verringert wird.