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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Projektion
eines zweidimensionalen Bildes in Farbe durch Einsetzen eines mit
Elektroabsorption arbeitenden grünen Lasersystems während einer
solchen Bildprojektion, um einen niedrigen Leistungsverbrauch, hohe
Auflösung, eine miniaturisierte kompakte Größe
und ein kleines Gewicht zu erreichen.
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Es
ist allgemein bekannt, ein zweidimensionales Farbbild auf einem
Schirm basierend auf einem Paar von Scann- bzw. Führungsspiegeln
zu projizieren, die in gegenseitig orthogonalen Richtungen oszillieren,
um einen Laserstrahl, der von roten, blauen und grünen
Lasersystemen abgeleitet wird, über ein Rastermuster zu
scannen bzw. zu führen. Die roten und blauen Lasersysteme
weisen Solid-State- bzw. Festkörperhalbleiterlaser auf,
die leicht direkt mit Frequenzen in der Größenordnung
von 100 MHz moduliert und gepulst werden. Jedoch können
die gegenwärtig verfügbaren grünen Solid-State-
bzw. Festkörperlaser nicht mit so hohen Frequenzen gepulst
werden. Als eine Folge weist das grüne Lasersystem einen
infraroten diodengepumpten YAG-Kristalllaser auf, dessen Ausgangsstrahl
eine Wellenlänge in der Größenordnung
von 1060 nm hat, und einen nicht linearen Frequenzverdoppelungskristall,
der vorzugsweise im Laserhohlraum bzw. Der Laserkavität
vorgesehen ist, um zu bewirken, dass ein grüner Laserstrahl
mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von
530 nm ausgesendet wird. Ein externer akusto-optischer Modulator
wird eingesetzt, um den ausgesendeten grünen Strahl zu
pulsen.
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Obwohl
es im Allgemeinen für seinen vorgesehenen Zweck zufrieden
stellend ist, trägt das bekannte frequenzverdoppelte diodengepumpte
extern modulierte grüne Festkörperlasersystem
ungefähr zur Hälfte der Größe,
des Gewichtes und der Kosten und des elektrischen Leistungsverbrauchs
der Anordnung zur Projektion des Farbbildes bei, wodurch solche
bekannten Bildprojektionsanordnungen zur Anwendung in miniaturisierten
in der Hand gehaltenen batteriebetriebenen An wendung unpraktisch
gemacht werden, wo physische Größe, Gewicht, Kosten
und Leistungsverbrauch auf einem Minimum gehalten werden müssen.
Entsprechend ist es ein allgemeines Ziel dieser Erfindung, den Leistungsverbrauch,
die physische Größe, das Gewicht und die Kosten
einer Farbbildprojektionsanordnung zu minimieren.
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Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein alternatives grünes
Lasersystem zur Anwendung in der Farbbildprojektionsanordnung vorzusehen.
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Ein
zusätzliches Ziel ist es, eine miniaturisierte kompakte
leichtgewichtige energieeffiziente und tragbare Farbbildprojektionsanordnung
vorzusehen, die in vielen Instrumenten mit unterschiedlichen Formfaktoren
nützlich ist, insbesondere bei in der Hand gehaltenen Instrumenten.
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Um
diese Ziele und andere zu erreichen, die im Folgenden offensichtlich
werden, liegt ein Merkmal dieser Erfindung kurz gesagt in einer
Bildprojektionsanordnung zur Projektion eines zweidimensionalen
Farbbildes. Die Anordnung weist einen Träger, eine Vielzahl
von roten, blauen und grünen Lasern zum jeweiligen Aussenden
von roten, blauen und grünen Laserstrahlen, einen Scanner
bzw. eine Führungsvorrichtung zum Schwenken eines Musters
von Scann- bzw. Führungslinien im Raum in einer Arbeitsdistanz
vom Träger, wobei jede Scann- bzw. Führungslinie
eine Anzahl von Pixeln hat; und eine Steuervorrichtung auf, um zu
bewirken, dass ausgewählte Pixel durch die Laserstrahlen
beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Farbbild zu erzeugen.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine optische Anordnung
auf dem Träger zwischen den Lasern und dem Scanner vorgesehen,
um optisch zu fokussieren und kollinear die Laserstrahlen anzuordnen,
um einen zusammengesetzten Strahl bzw. Kompositstrahl zu bilden,
der auf den Scanner bzw. die Führungsvorrichtung gerichtet
ist. Der Scanner weist ein Paar von oszillierbaren Scann- bzw. Führungsspiegeln
auf, um den zusammengesetzten Strahl entlang im Allgemeinen gegenseitig
orthogonaler Richtungen mit unterschiedlichen Scann- bzw. Führungraten
und mit unterschiedlichen Führungswinkeln zu schwenken.
Mindestens eine der Führungsraten überschreitet
hörbare Frequenzen, beispielsweise über 18 kHz,
um Geräusche zu verringern. Mindestens einer der Führungsspiegel
wird durch einen Trägheitsantrieb angetrieben, um den Leistungsverbrauch
zu minimieren. Die Bildauflösung überschreitet
vorzugsweise ein Viertel der VGA-Qualität, ist jedoch typischerweise
gleich der VGA-Qualität oder überschreitet diese.
Der Träger, die Laser, der Scanner, die Steuervorrichtung
und die optische Anordnung nehmen vorzugsweise ein Volumen von weniger
als dreißig Kubikzentimetern ein.
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Die
Anordnung ist austauschbar in Gehäusen von unterschiedlichen
Formfaktoren montierbar, die ein stiftförmiges, ein pistolenförmiges
oder ein blitzlichtförmiges Gerät, einen persönlichen
digitalen Assistenten, einen Umhänger, eine Uhr, einen
Computer und kurz gesagt irgendeine Form aufweisen, jedoch nicht
darauf eingeschränkt sind, und zwar aufgrund ihrer kompakten
und kleinen Größe. Das projizierte Bild kann zu
Werbungs- oder Anzeigezwecken oder für einen Fernseh- oder
Computermonitor verwendet werden und kurz gesagt für irgendeinen Zweck,
bei dem erwünscht ist, etwas anzuzeigen.
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Gemäß dieser
Erfindung weist der grüne Laser eine an der Kante emittierende
Infrarotlaserdiode auf, um einen infraroten Strahl mit einer Wellenlänge in
der Größenordnung von 1060 nm auszusenden, einen
Elektroabsorptionsmodulator zum Modulieren des infraroten Strahls,
und einen Generator der zweiten Harmonischen, um den modulierten
infraroten Strahl in einen grünen Laserstrahl mit einer
Wellenlänge in der Größenordnung von
530 nm umzuwandeln. Die Infrarot-Diode ist vorzugsweise eine Laserdiode
mit verteilter Rückkoppelung bzw. DFB-Laserdiode (Distributed
Feedback-Laserdiode), die auf einem gemeinsamen Halbleiterchip mit
dem Modulator hergestellt wird. Die Infrarot-Diode könnte
ein verteilter Bragg-Reflektor mit drei Abschnitten sein. Der Generator
für die zweite Harmonische ist vorzugsweise eine periodisch
gepolte Wellenführung.
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Dieser
grüne Laser ist energieeffizient und verbraucht viel weniger
Leistung als andere grüne Lasersysteme. Dieser grüne
Laser ist genauso bezüglich des Gewichtes leichter und
bezüglich der Größe kleiner als andere
grüne Lasersysteme. Dieser grüne Laser gestattet,
dass der Bildprojektor kompakter ist und in viel mehr Anwendungen
verwendet wird, insbesondere bei in der Hand zu haltenden Instrumenten.
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1 ist
eine Perspektivansicht eines in der Hand zu haltenden Instrumentes,
welches ein Bild in einer Arbeitsentfernung davon projiziert;
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2 ist
eine vergrößerte perspektivische Ansichte einer
Bildprojektionsanordnung zum Einbau in dem Gerät der 1;
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3 ist
eine Draufsicht der Anordnung der 2;
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4 ist
eine perspektivische Frontansicht eines Trägheitsantriebs
zur Anwendung in der Anordnung der 2;
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5 ist
eine perspektivische Rückansicht des Trägheitsantriebs
der 4;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einer praktischen Einrichtung der Anordnung
der 2,
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7 ist
ein elektrisches schematisches Blockdiagramm, welches einen Betrieb
der Anordnung der 2 abbildet;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht eines Details eines alternativen grünen
Lasersystems gemäß dieser Erfindung; und
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9 ist
ein Blockdiagramm des alternativen grünen Lasersystems
zur Anwendung bei der Anordnung der 2.
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Das
Bezugszeichen 10 in 1 bezeichnet im
Allgemeinen ein in der Hand gehaltenes Instrument bzw. Gerät,
beispielsweise einen persönlichen digitalen Assistenten,
in dem eine leichtgewichtige kompakte Bildprojektionsanordnung 20,
wie sie in 2 gezeigt ist, montiert ist
und betreibbar ist, um ein zweidimensionales Farbbild in einer variablen Entfernung
von dem Instrument zu projizieren. Beispielsweise ist ein Bild 18 in
einem Arbeitsbereich von Entfernungen relativ zum Gerät 10 gelegen.
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Wie
in 1 gezeigt, erstreckt sich das Bild 18 über
einen optischen horizontalen Scann- bzw. Führungswinkel
A, der sich entlang der horizontalen Richtung erstreckt und über
einen optischen vertikalen Scann- bzw. Führungswinkel B,
der sich entlang der vertikalen Richtung des Bildes erstreckt. Wie
unten beschrieben, besteht das Bild aus beleuchteten und nicht beleuchteten
Pixeln auf einem Ras termuster von Abtastlinien, die von einem Scanner
bzw. einer Führungsvorrichtung in der Anordnung 20 überstrichen
werden.
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Die
Parallelepiped-Form des Gerätes
10 stellt nur
einen Formfaktor eines Gehäuses dar, in dem die Anordnung
20 eingebaut
sein kann. Das Gerät kann als ein Stift, als ein Funktelefon,
eine Klappvorrichtung oder eine Armbanduhr geformt sein, wie im
US-Patent Nr. 6,832,724 gezeigt,
das der gleichen Anmelderin zu eigen ist wie die vorliegenden Anmeldung
und hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel misst die Anordnung 20 weniger
als ungefähr 30 Kubikzentimeter an Volumen. Diese kompakte
kleine Größe gestattet, dass die Anordnung 20 in
Gehäusen von vielen unterschiedlichen Formen montiert wird,
groß oder klein, tragbar oder stationär, mit einer
gewissen eingebauten Anzeige 12, mit einer Tastatur 14 und
einem Fenster 16, durch welches das Bild projiziert wird.
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Mit
Bezug auf die 2 und 3 weist
die Anordnung 20 einen Festkörperlaser, vorzugsweise einen
Halbleiterlaser 22, auf, der, wenn er erregt wird, einen
hellen roten Laserstrahl mit ungefähr 635–655 nm
aussendet. Die Linse 24 ist eine biasphärische konvexe
Linse mit einer positiven Brennweite und ist wirksam, um nahezu
die gesamte Energie in dem roten Strahl zu sammeln und einen defraktions-
bzw. beugungsbegrenzten Strahl zu erzeugen. Die Linse 26 ist
eine konkave Linse mit einer negativen Brennweite. Die Linsen 24, 26 werden
durch jeweilige Linsenhalter auf einem (in 2 zur Verdeutlichung nicht
veranschaulichten) Träger in dem Gerät 10 gehalten.
Die Linsen 24, 26 formen das Profil des roten Strahls über
die Arbeitsdistanz.
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Ein
weiterer Festkörperhalbleiterlaser 28 ist auf
dem Träger montiert, und wenn er erregt wird, sendet er
einen beugungsbegrenzten blauen Laserstrahl mit ungefähr
475 bis 505 Nanometern aus. Eine weitere biasphärische
konvexe Linse 30 und eine konkave Linse 32 werden
eingesetzt, um das Profil des blauen Strahls in einer Weise analog
zu den Linsen 24, 26 zu formen.
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Ein
grüner Laserstrahl mit einer Wellenlänge in der
Größenordnung von 530 Nanometern wird nicht durch
einen Halbleiter-Laser erzeugt, sondern stattdessen durch ein grünes
Modul 34 mit einem diodengepumpten Infrarot-YAG-Kristalllaser,
dessen Ausgangsstrahl bei 1060 Nanometern ist. Ein nicht lineares
Frequenzverdoppelungskristall ist in dem Infrarotlaserhohlraum (Laserkavität)
zwischen den zwei Laserspiegeln vorgesehen. Da die Infrarot-Laserleistung
innerhalb des Hohlraums viel größer ist als die
Leistung, die außerhalb des Hohlraums gekoppelt ist, ist
das Frequenzverdoppelungselement effizienter bei der Erzeugung von
grünem Licht mit doppelter Frequenz innerhalb des Hohlraums.
Der Ausgangsspiegel des Lasers reflektiert die Infrarotstrahlung
mit 1060 nm und ist durchlässig für den gedoppelten
grünen Laserstrahl mit 530 nm. Da der korrekte Betrieb
des Festkörperlasers und des Frequenzverdoppelungselementes
eine präzise Temperatursteuerung erfordern, wird eine Halbleitervorrichtung
verwendet, die auf dem Peltier-Effekt beruht, um die Temperatur
des grünen Lasermoduls zu steuern. Ein thermoelektrischer
Kühler kann entweder die Vorrichtung aufheizen oder sie
kühlen, und zwar abhängig von der Polarität
des angelegten Stroms. Ein Thermistor bzw. Temperaturfühler
ist ein Teil des grünen Lasermoduls, um seine Temperatur
zu überwachen. Die Auslesung aus dem Thermistor bzw. Temperaturfühler
wird in die Steuervorrichtung gespeist, die den Steuerstrom für
den thermoelektrischen Kühler entsprechend einstellt.
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Wie
unten erklärt, werden die Laser im Betrieb in der Größenordnung
von 100 MHz gepulst. Die roten und blauen Halbleiterlaser 22, 28 können
direkt mit so hohen Frequenzen gepulst werden, jedoch können
es die gegenwärtig verfügbaren grünen
Festkörperlaser nicht. Als eine Folge wird der grüne
Laserstrahl, der aus dem grünen Modul 34 austritt,
mit einem akusto-optischen Modulator 36 gepulst, der eine
akustische stehende Welle innerhalb eines Kristalls erzeugt, um
den grünen Strahl zu beugen. Der Modulator 36 erzeugt
jedoch einen nicht gebeugten Strahl 38 nullter Ordnung
und einen gepulsten gebeugten Strahl 40 erster Ordnung.
Die Strahlen 38, 40 weichen voneinander ab, und
um sie zu trennen, um den unerwünschten Strahl 38 nullter
Ordnung zu eliminieren, werden die Strahlen 38, 40 entlang
eines langen geknickten bzw. umgelenkten Pfades geleitet, und zwar
mit einem Knickspiegel 42. Alternativ kann der elektrooptische
Modulator innerhalb des grünen Lasermoduls verwendet werden,
um den grünen Laserstrahl zu pulsen. Andere mögliche
Wege zur Modulation des grünen Laserstrahls weisen eine
Elektroabsorptionsmodulation auf, wie unten beschrieben, oder ein
Mach-Zender-Interferometer.
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Die
Strahlen 38, 40 werden durch positive und negative
Linsen 44, 46 geleitet. Jedoch wird nur gestattet,
dass der gebeugte grüne Strahl 40 auf den Umlenk-
bzw. Knickspiegel 48 auftrifft und von diesem reflektiert
wird. Der nicht gebeugte Strahl 38 wird von einem Absorber 50 absorbiert,
der vorzugsweise auf dem Spiegel 48 befestigt ist. Die
Anordnung weist ein Paar von dichrotischen Filtern 52, 54 auf,
die angeordnet sind, um die grünen, blauen und roten Strahlen
so kollinear wie möglich zu machen, bevor eine Scann- bzw.
Führungsanordnung 60 erreicht wird. Der Filter 52 gestattet,
dass der grüne Strahl 40 dort hindurch läuft,
jedoch der blaue Strahl 56 vom blauen Laser 28 durch
den Interferenzeffekt reflektiert wird. Der Filter 54 gestattet,
dass die grünen und blauen Strahlen 40, 56 dort
hindurch laufen, jedoch der rote Strahl 58 vom roten Laser 22 durch
den Interferenzeffekt reflektiert wird.
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Die
nahezu kollinearen Strahlen 40, 56, 58 werden
auf einen stationären Ablenkspiegel 62 geleitet
und von diesem reflektiert. Die Scann- bzw. Führungsanordnung 60 weist
einen ersten Führungsspiegel 64 auf, der durch
einen Trägheitsantrieb 66 zum Oszillieren gebracht
werden kann (isoliert in den 4–5 gezeigt),
und zwar mit einer ersten Tast- bzw. Führungsrate, um die
Laserstrahlen, die vom Ablenkspiegel 62 weg reflektiert
werden, über den ersten horizontalen Führungswinkel
A zu schwenken, und einen zweiten Scann- bzw. Führungsspiegel 68,
der durch einen elektromagnetischen Antrieb 70 mit einer
zweiten Führungsrate zum Oszillieren gebracht werden kann,
um die Laserstrahlen, die vom ersten Führungsspiegel 64 weg
reflektiert werden, über den zweiten vertikalen Führungswinkel
B zu schwenken. In einer anderen Konstruktion können die
Führungsspiegel 64, 68 durch einen Zweiachsenspiegel
ersetzt werden.
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Der
Trägheitsantrieb 66 ist eine geringe elektrische
Leistung verbrauchende Hochgeschwindigkeitskomponente. Details des
Trägheitsantriebs sind in der US-Patentanmeldung mit der
Seriennr. 10/387,878, zu finden, die am 13. März 2003 eingereicht
wurde, die der gleichen Anmelderin zu Eigen ist wie die vorliegende
Anmeldung, und die hier durch Bezugnahme darauf mit eingeschlossen
wird. Die Anwendung des Trägheitsantriebs verringert den Leistungsverbrauch
der Führungsanordnung 60 auf weniger als ein Watt
und im Fall der Projektion eines Farbbildes, wie unten beschrieben,
auf weniger als zehn Watt.
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Der
Antrieb 66 weist einen bewegbaren Rahmen 74 auf,
um den Führungsspiegel 64 durch einen Scharnier
zu tragen, der ein Paar von kollinearen Scharnierteilen 76, 78 aufweist,
die sich entlang einer Scharnierachse erstrecken und zwischen gegenüberliegenden
Regionen des Scann- bzw. Führungsspiegels 64 und
gegenüberliegenden Bereichen des Rahmens angeordnet bzw.
angeschlossen sind. Der Rahmen 74 muss nicht den Führungsspiegel 64 umgeben,
wie gezeigt.
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Der
Rahmen, die Scharnierteile und der Führungsspiegel sind
aus einem einteiligen, im Allgemeinen ebenen Siliziumsubstrat hergestellt,
welches ungefähr 150 μm dick ist. Das Silizium
ist geätzt, um Omega-förmige Schlitze zu bilden,
die obere parallele Schlitzabschnitte, untere parallele Schlitzabschnitte
und U-förmige mittige Schlitzabschnitte haben. Der Führungsspiegel 64 hat
vorzugsweise eine ovale Form und kann sich frei in den Schlitzabschnitten
bewegen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel messen die
Abmessungen entlang der Achsen des ovalförmigen Führungsspiegels
749 μm × 1600 μm. Jeder Scharnierteil
misst 27 μm an Breite und 1130 μm an Länge.
Der Rahmen hat eine rechteckige Form, die 3100 μm in der
Breite und 4600 μm in der Länge misst.
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Der
Trägheitsantrieb ist auf einer im Allgemeinen ebenen gedruckten
Leiterplatte 80 montiert und ist betreibbar, um direkt
den Rahmen zu bewegen, und um durch Trägheit indirekt den
Führungsspiegel 64 um die Scharnierachse zu oszillieren.
Ein Ausführungsbeispiel des Trägheitsantriebs
weist ein Paar von piezoelektrischen Wandlern 82, 84 auf,
die sich senkrecht zur Platte bzw. Platine 80 erstrecken, und
zwar in Kontakt mit voneinander beabstandeten Teilen des Rahmens 74 an
jeder Seite des Scharnierteils 76. Ein Klebemittel kann
verwendet werden, um einen dauerhaften Kontakt zwischen einem Ende
von jedem Wandler und jedem Rahmenteil sicherzustellen. Das gegenüberliegende
Ende von jedem Wandler steht aus dem Hinterteil der Platine 80 vor
und ist elektrisch durch Drähte 86, 88 an
eine (nicht gezeigte) periodisch wechselnde Spannungsquelle angeschlossen.
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Im
Gebrauch legt das periodische Signal eine periodische Antriebs-
bzw. Treiberspannung an jeden Wandler an und bewirkt, dass der jeweilige Wandler
sich abwechselnd in der Länge ausdehnt und zusammenzieht.
Wenn der Wandler 82 sich ausdehnt, zieht sich der Wandler 84 zusammen
und umgekehrt, wodurch gleichzeitig die voneinander beabstandeten
Rahmenteile gedrückt und gezogen werden und bewirken, dass
der Rahmen sich um die Scharnierachse verdreht. Die Antriebsspannung
hat eine Frequenz, die der Resonanzfrequenz des Scann- bzw. Führungsspiegels
entspricht. Der Führungsspiegel wird aus seiner anfänglichen
Ruheposition bewegt, bis er auch um die Scharnierachse mit der Resonanzfrequenz
oszilliert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
der Rahmen und der Führungsspiegel ungefähr 150 μm
dick, und der Führungsspiegel hat einen hohen Q-Faktor.
Eine Bewegung in der Größenordnung von 1 μm
durch jeden Wandler kann eine Oszillation des Führungsspiegels mit
Führungsraten über 20 kHz bewirken.
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Ein
weiteres Paar von piezoelektrischen Wandlern 90, 92 erstreckt
sich senkrecht zur Platine 80 und in dauerhaften Kontakt
mit voneinander beabstandeten Teilen des Rahmens 74 auf
jeder Seite des Scharnierteils 78. Die Wandler 90, 92 dienen
als Rückkoppelungs- bzw. Rückmeldungsvorrichtungen, um
die Oszillationsbewegung des Rahmens zu überwachen, und
um elektrische Rückmeldungssignale zu erzeugen und entlang
Drähten 94, 96 zu einer (nicht gezeigten)
Feedback- bzw. Rückkoppelungssteuerschaltung zu leiten.
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Alternativ
kann anstelle der Verwendung von piezoelektrischen Wandlern 90, 92 zur
Rückkoppelung eine magnetische Rückkoppelung bzw.
Rückmeldung verwendet werden, wo ein Magnet auf dem Hinterteil
des Hochgeschwindigkeitsspiegels montiert ist und eine äußere
Spule verwendet wird, um das sich verändernde Magnetfeld
aufzunehmen, welches von dem oszillierenden Magneten erzeugt wird.
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Obwohl
Licht von einer Außenfläche des Führungsspiegels
weg reflektiert werden kann, ist es wünschenswert, die
Oberfläche des Spiegels 64 mit einer Spiegelbeschichtung
zu beschichten, die aus Gold, Silber, Aluminium oder einer speziell
ausgelegten, stark reflektierenden dielektrischen Beschichtung gemacht
ist.
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Der
elektromagnetische Antrieb 70 weist einen Permanentmagneten
auf, der gemeinsam auf und hinter dem zweiten Führungsspiegel 68 montiert ist,
und eine Elektromagnetspule 72, die betreibbar ist, um
ein periodisches Magnetfeld ansprechend auf den Empfang eines periodischen
Antriebssignals zu erzeugen. Die Spule 72 ist benachbart
zum Magneten, sodass das periodische Feld magnetisch mit dem permanenten
Feld des Magneten zusammenwirkt und bewirkt, dass der Magnet und
wiederum der zweite Führungsspiegel 68 oszillieren.
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Der
Trägheitsantrieb 66 oszilliert den Führungsspiegel 64 mit
einer hohen Geschwindigkeit mit einer Führungsrate von
vorzugsweise mehr als 5 kHz und insbesondere in der Größenordnung
von 18 kHz oder mehr. Diese hohe Scann- bzw. Führungsgeschwindigkeit
ist eine nicht hörbare Frequenz, wodurch Geräusche
und Schwingungen minimiert werden. Der elektromagnetische Antrieb 70 oszilliert
den Führungsspiegel 68 mit einer langsameren Scann- bzw.
Führungsrate in der Größenordnung von
40 Hz, was schnell genug ist, um zu gestatten, dass das Bild auf
einer Netzhaut eines menschlichen Auges ohne übermäßiges
Flackern Bestand hat.
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Der
schnellere Spiegel 64 schwenkt über eine horizontale
Scann- bzw. Führungslinie, und der langsamere Spiegel 68 schwenkt
die horizontale Führungslinie vertikal, wodurch ein Rastermuster
erzeugt wird, welches ein Gitter oder ein Abfolge von grob parallelen
Führungslinien ist, aus denen das Bild aufgebaut wird.
Jede Führungslinie hat eine Anzahl von Pixeln. Die Bildauflösung
ist vorzugsweise eine XGA-Qualität von 1024×768
Pixeln. Über einen begrenzten Arbeitsbereich kann ein hochdefinierter Fernsehstandard
bzw. HDTV-Standard angezeigt werden, der 720p genannt wird, mit
1270×720 Pixeln. In einigen Anwendungen reicht eine halbe
VGA-Qualität von 320×480 Pixeln, oder eine Viertel-VGA-Qualität
von 320×240 Pixeln. Eine minimale Auflösung von
160×160 Pixeln ist erwünscht.
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Die
Rollen der Spiegel 64, 68 können umgekehrt
werden, sodass der Spiegel 68 schneller ist und der Spiegel 64 langsamer
ist. Der Spiegel 64 kann auch ausgelegt sein, um die vertikale
Scann- bzw. Führungslinie zu schwenken, wobei in diesem
Fall der Spiegel 68 die horizontale Führungslinie
schwenken würde. Auch kann der Trägheitsantrieb
verwendet werden, um den Spiegel 68 anzutreiben. Tatsächlich
kann jeder Spiegel durch einen elektromechanischen, durch einen
elektrischen, durch einen mechanischen, einen elektrostatischen,
einen magnetischen oder durch einen elektromagnetischen Antrieb angetrieben
werden.
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Der
langsamere Spiegel wird in einem Schwenkbetriebszustand mit konstanter
Geschwindigkeit betrieben, wobei während dieser Zeit das
Bild angezeigt wird. Während der Rückkehr des
Spiegels wird der Spiegel zurück in die Anfangsposition
mit seiner Eigenfrequenz geschwenkt, die beträchtlich höher
ist. Während des Rückwegs des Spiegels können
die Laser heruntergefahren werden, um den Leistungsverbrauch der
Vorrichtung zu verringern.
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6 ist
eine praktische Einrichtung der Anordnung 20 in der gleichen
Perspektive wie jener der 2. Die zuvor
erwähnten Komponenten sind auf einem Träger montiert,
der eine obere Abdeckung 100 und eine Tragplatte 102 aufweist.
Halter 104, 106, 108, 110, 112 halten
jeweils die Umlenk- bzw. Knickspiegel 42, 48,
die Filter 52, 54 und den Ablenkspiegel 62 in
gegenseitiger Ausrichtung. Jeder Halter hat eine Vielzahl von Positionierungsschlitzen
zur Aufnahme von Positionierungszapfen, die stationär an
dem Träger montiert bzw. befestigt sind. Somit sind die
Spiegel und Filter korrekt positioniert. Wie gezeigt, gibt es drei
Zapfen, wodurch zwei Winkeleinstellungen und eine seitliche Einstellung
gestattet werden. Jeder Halter kann an seiner Endposition festgeklebt
sein.
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Das
Bild wird durch selektive Beleuchtung der Pixel in einer oder mehreren
der Scann- bzw. Führungslinien aufgebaut. Wie unten genauer
mit Bezugnahme auf 7 beschrieben, bewirkt eine Steuervorrichtung 114,
dass ausgewählte Pixel in dem Rastermuster durch die drei
Laserstrahlen beleuchtet und sichtbar gemacht werden. Beispielsweise
leiten Rot-, Blau- und Grün-Leistungssteuervorrichtungen 116 bzw. 118 bzw. 120 elektrische
Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern 22, 28, 34, um
letztere zu erregen, um jeweilige Lichtstrahlen bei jedem ausgewählten
Pixel auszusenden, und um nicht elektrische Ströme zu den
roten, blauen und grünen Laserstrahlen zu leiten, um letztere
zu entregen bzw. auszuschalten, um nicht die anderen nicht ausgewählten
Pixel zu beleuchten. Das daraus resultierende Muster von beleuchteten
und nicht beleuchteten Pixeln bildet das Bild, welches irgendeine
Anzeige von durch Menschen oder Maschinen lesbaren Informationen
oder Grafiken sein kann.
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Mit
Bezug auf 1 ist das Rastermuster in einer
vergrößerten Ansicht gezeigt. Beginnend an einem
Endpunkt werden die Laserstrahlen durch den Trägheitsantrieb
entlang der horizontalen Richtung mit der horizontalen Scann- bzw.
Führungsrate zu einem entgegengesetzten Endpunkt geschwenkt,
um eine Scann- bzw. Führungslinie zu bilden. Daraufhin werden
die Laserstrahlen durch den elektromagnetischen Antrieb 70 entlang
der vertikalen Richtung mit der vertikalen Führungsgeschwindigkeit
bzw. -rate zu einem anderen Endpunkt geleitet, um eine zweite Führungslinie
zu bilden. Die Bildung von aufeinander folgenden Scann- bzw. Führungslinien
schreitet in der gleichen Weise voran.
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Das
Bild wird in dem Rastermuster durch Modulieren oder Pulsieren von
Lasern in den angeschalteten und ausgeschalteten Zustand zu ausgewählten
Zeiten unter der Steuerung des Mikroprozessors 114 oder
der Steuerschaltung durch Betrieb der Leistungssteuervorrichtungen 116, 118, 120 erzeugt. Die
Laser erzeugen sichtbares Licht und werden nur angeschaltet, wenn
ein Pixel in dem erwünschten Bild gesehen werden soll.
Die Farbe von jedem Pixel wird durch eine oder mehrere der Farben
der Strahlen bestimmt. Irgendeine Farbe im sichtbaren Lichtspektrum
kann durch selektive Übereinanderlage von einer oder mehreren
der roten, blauen und grünen Lasern gebildet werden. Das
Rastermuster ist ein Gitter, welches aus einer Vielzahl von Pixeln
in jeder Zeile und aus einer Vielzahl von Zeilen aufgebaut ist.
Das Bild ist ein Bitmap von ausgewählten Pixeln. Jeder
Buchstabe oder jede Zahl, irgendeine Grafik oder ein Logo und auch
maschinenlesbare Strichcodesymbole können als ein Bitmap-Bild
geformt werden.
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Wie
in 7 gezeigt, wird ein hereinkommendes Videosignal
mit vertikalen und horizontalen Synchronisationsdaten genauso wie
mit Pixel- und Taktdaten zu Rot-, Blau- und Grünpuffern 122, 124, 126 unter
der Steuerung des Mikroprozessors 114 gesendet. Die Speicherung
eines vollen VGA-Rahmens erfordert viele Kilobytes und es wäre
wünschenswert, genügend Speicher in den Puffern
für zwei volle Rahmen bzw. Frames zu haben, um zu ermöglichen,
dass ein Rahmen bzw. Frame geschrieben wird, während der
andere Rahmen verarbeitet und projiziert wird. Die gepufferten Daten
werden zu einem Formatierungselement 128 unter der Steuerung
eines Geschwindigkeitsprofilelementes 130 und zu Rot-,
Blau- und Grün-Nachschautabellen (LUTs = look up tables) 132, 134, 136 gesendet,
um inhärente innere Verzerrungen zu korrigieren, die durch
das Scannen bzw. Führen erzeugt werden, genauso wie geometrische
Verzerrungen, die durch den Winkel der Anzeige des projizierten
Bildes verursacht werden. Die resultierenden Rot-, Blau- und Grün-Digitalsignale
werden in Rot-, Blau- und Grün-Analogsignale durch Digital/Analog-Wandler
(DACs = digital to analog converters) 138, 140, 142 umgewandelt.
Die Rot- und Blau-Analogsignale werden zu Rot- und Blau-Lasertreibern
(LDs = laser drivers) 144, 146 gespeist, die auch
mit den Rot- und Blau-Leistungssteuervorrichtungen 116, 118 verbunden
sind. Das Grün-Analogsignal wird zu einem akusto-optischen Modul-(AOM)-Hochfrequenz-(HF)-Treiber 150 und wiederum
zum grünen Laser 34 geleitet, der auch mit einem
Grün-Lasertreiber 148 und mit der Grün-Leistungssteuervorrichtung 120 verbunden
ist.
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Rückkoppelungssteuerungen
bzw. Regelungen sind auch in 7 gezeigt,
die Rot-, Blau- und Grün-Fotodiodenverstärker 152, 154, 156 aufweisen, die
mit Rot-, Blau- und Grün-Analog/Digital-(A/D)-Wandlern 158, 160, 162 und
wiederum mit dem Mikroprozessor 114 verbunden sind. Wärme wird
durch einen Thermistor- bzw. Temperaturfühlerverstärker 164 überwacht,
der mit einem A/D-Wandler 166 und wiederum mit dem Mikroprozessor
verbunden ist.
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Die
Führungsspiegel 64, 68 werden von Treibern 168, 170 angetrieben,
die mit analogen Treibersignalen von den Digital/Analog-Wandlern
bzw. DACs 142, 147 gespeist werden, die wiederum
mit dem Mikroprozessor verbunden sind. Rückkoppelungsverstärker 176, 178 detektieren
die Position der Führungsspiegel 64, 68 und
sind mit Rückkoppelungs-A/D-Wandlern 180, 182 und
wiederum mit dem Mikroprozessor verbunden.
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Eine
Leistungsmanagement- bzw. Leistungsregelungsschaltung 184 ist
betreibbar, um die Leistung zu minimieren, während sie
schnelle Anschaltzeiten gestattet, vorzugsweise dadurch, dass der
grüne Laser immer eingeschaltet gehalten wird, und dadurch,
dass der Strom der roten und blauen Laser gerade unter der Laser-Schwelle
bzw. Erregungsschwelle gehalten wird.
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Eine
Lasersicherheitsabschaltungsschaltung 186 ist betreibbar,
um die Laser abzuschalten, wenn detektiert wird, dass irgendeiner
der Scann- bzw. Führungsspiegel 64, 68 außer
Position ist.
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Wie
zuvor beschrieben, beträgt das grüne Modul 34,
welches einen diodengepumpten Infrarot-YAG-Kristalllaser und ein
nicht lineares Frequenzverdoppelungskristall hat, genauso wie den
akusto-optischen Modulator 36 zu ungefähr der
Hälfte der Größe, des Gewichtes, der
Kosten und des elektrischen Leistungsverbrauches der Bildprojektionsanordnung 20 bei. 9 bildet
schematisch ein alternatives grünes Lasersystem ab, welches
die Größe, das Gewicht, die Kosten und den Leistungsverbrauch
verringert und die Anordnung 20 besser geeignet für
in der Hand zu haltende Anwendungen macht, wie beispielsweise für
das Gerät 10. 8 bildet
ein Detail des Systems der 9 ab.
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Das
alternative grüne Lasersystem weist einen Infrarotlaser 200 zum
Aussenden eines Infrarotstrahls mit einer Wellenlänge von
ungefähr 1060 nm auf. Der Laser 200 ist vorzugsweise
eine wellenlängenstabilisierte kantenemittierende Laserdiode,
die, wie in 8 gezeigt, ein DFB-Laser (DFB
= distributed feedback) ist, der mit einer Laserwellenführung auf
einem Halbleiterchip oder einem Substrat 202 hergestellt
ist. Der Laser 200 könnte auch ein DBR-Laser (DBR
= distributed Bragg reflector) sein.
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Ein
Elektroabsorptionsmodulator (EAM) 204 ist eine Halbleitervorrichtung,
die gestattet, dass die Intensität des infraroten Strahls,
der durch die Laserdiode 200 ausgesendet wird, über
eine elektrische Spannung, basierend auf dem Franz-Keldysh-Effekt, gesteuert
wird. Der Elektroabsorptionsmodulator 204 weist eine Modulatorwellenführung
mit Elektroden auf, um ein elektrisches Feld in einer Richtung senkrecht
zu dem modulierten Infrarotstrahl aufzubringen, um dessen optische
Transmission bzw. Durchlässigkeit zu steuern. Im Vergleich
zu dem akustooptischen Modul 36 arbeitet der Elektroabsorptionsmodulator 204 mit
viel geringeren Spannungen, er erfordert weniger Leistung und arbeitet
mit sehr hohen Modulationsgeschwindigkeiten. Eine Modulationsbandbreite von
zig Gigagherz kann erreicht werden.
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Vorteilhafterweise
ist der Elektroabsorptionsmodulator bzw. EAM 204 in der
DFB-Laserdiode auf dem gleichen Chip 202 integriert. Obwohl
der Elektroabsorptionsmodulator ein getrennter Chip sein kann, gestattet
eine solche Integration eine bessere Anpassung der Laserwellenlänge
an den EAM-Bandspalt und eliminiert die Notwendigkeit einer Ausrichtung
zwischen getrennten Chips. Eine Verjüngung, wie in 8 abgebildet,
koppelt den infraroten Strahl, der von der Laserdiode emittiert
wird, mit der darunter liegenden EAM-Wellenführung.
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Der
modulierte Strahl, der von dem Elektroabsorptionsmodulator bzw.
EAM 204 ausgegeben wird, wird in ein Kristall zur Erzeugung
einer zweiten Harmonischen (SHG-Kristall, SHG = second harmonic
generating) gekoppelt, das entweder eine Bulk- bzw. Massenvorrichtung
ist (wie beispielsweise KTP) oder eine Wellenführung 206,
wie in 9 abgebildet. Eine Wellenführung wird
wegen ihrem höheren Umwandlungswirkungsgrad bevorzugt und
vorzugsweise wird eine lange periodisch gepolte Lithium-Niobat-Wellenführung
(PPLN-Wellenführung, PPLN = periodically poled lithium
niobate) verwendet, um den hereinkommenden modulierten infraroten
Strahl mit einer Wellenlänge von ungefähr 1060
nm in einen herausge henden modulierten grünen Strahl mit
einer Wellenlänge von ungefähr 530 nm umzuwandeln.
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Um
die Stabilität der Wellenlänge des infraroten
Strahls aufrechtzuerhalten, wird ein thermoelektrischer Kühler 208 eingesetzt,
um den Laser 200 auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Es kann eine Anforderung geben, die Temperatur der SHG-Wellenführung 206 ebenfalls
zu stabilisieren.
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Da
die Umwandlung vom infraroten zum grünen Licht proportional
zum Quadrat der Intensität der Ausgangsleistung des infraroten
Laserstrahls ist, sollte die Modulation, die von dem Elektroabsorptionsmodulator
bzw. EAM ausgeführt wird, kalibriert werden, wenn eine
lineare Variation der Ausgabe des grünen Lasers gewünscht
ist.
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Was
als neu und durch die Patentschrift zu schützen beansprucht
wird, wird in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
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Zusammenfassung
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FARBBILDPROJEKTIONSANORDNUNG UND VERFAHREN,
WELCHES EIN DURCH ELEKTOABSORPTION MODULIERTES GRÜNES LASERSYSTEM
EINSETZT
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Ein
leichtgewichtiges, kompaktes Bildprojektionsmodul arbeitet derart,
dass es bewirkt, dass ausgewählte Pixel in einem Rastermuster
beleuchtet werden, um ein Bild mit hoher Auflösung in VGA-Qualität
in Farbe zu erzeugen. Ein durch Elektroabsorption moduliertes grünes
Lasersystem wird wegen Energieeffizienz und zur Verringerung von Größe
und Gewicht des Moduls eingesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
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Zitierte Patentliteratur
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