DE1487666A1 - Laser-Projektionseinrichtung - Google Patents

Description

OR..INB. DIÜL.-ΙΝβ. M.SC. ' . I /_fc ^, fclPL.iPHYS. DR. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLReCHT- ÖRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART — _

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Texas Instruments Incorporated Dallas, Texas* U.S.A.

Laser-Pro.jektionseinriehtung

Die Erfindung "betrifft eine Projektionseinrichtung mit einem Laser als Lichtquelle«, Laser-Lichtquellen bieten Vorteile, die übliche Lichtquellen nicht aufweiten, beispielsweise hohe Intensität, räuiiliohe Kohärenz, monochromatisohes und polarisiertes Licht. Einige dieser Vorzüge können von grösserer Bedeutung sein als die anderen,

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was von der Anwendung abhängt. Beispielsweise entfällt durch die hohe Intensität des Lasers gekoppelt mit der räumlichen Kohärenz die Notwendigkeit der Benutzung von Optiken mit grosser Öffnung, um genügend Enerige hindurchführen zu können. Bei einer üblichen Lichtquelle mit einem Wolframfaden werden bestenfalls einige wenige Prozent des Lichtes in einem üblichen Dia-Projektor nutzbar gemacht· Bei der Verwendung ei^es Lasers als Lichtquelle wird sämtliches Licht ausgenutzt,und verschiedene Ablenk- und Modulationsverfahren für das Licht benutzen die Spektralreinheit oder die lineare Polarisation des Laser-Lichtes.

Durch die Erfindung wird eine verbesserte Projektionseinrichtung geschaffen, die einen Laser als Lichtquelle aufweist.

Bei der erfindungegemässen Projektionseinrichtung wird das Laser-Licht moduliert und abgelenkt, um eine auf eine Projektionswand projezierbare Abbildung zu schaffen.

Bin Merkmal der Erfindung ist die verbesserte Intensität und Auflösung der Projektionseinrichtung. Ausserdem weist

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sie einen besseren Wirkungsgrad auf·

Mit der erfindungsgemässen Projektionseinrichtung können Fernsehbilder in erheblich grosserem Maßstab projeziert werden, als dies bisher der Fall war. .

Die erfindungsgemässe Einrichtung gibt ferner eine Lehre zur Herstellung einer Einrichtung zum horizontalen und vertikalen Ablenken eines modulierten Lichtstrahls, Ferner kann mit der erfindungsgemässen Einrichtung ein modulierter Lichtstrahl so umgesetzt werden, dass er einen linearen horizontalen Bereich überstreiehte

Weitere, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung darstellende Merkmale ergeben sieb, aus den Patentansprüchen und/oder der Erläuterung eines Ausführungabeispieles in Beschreibung und Zeichnung? das dargestellte Ausführungsl)eio_riel stellt eine besonders zwe'efcmäasige Konstruktion dar, so dass üie Ausbildung dieser erfinäungsgemässen Projektionseinriobtuug als mit zur Erfindung gehörig betrachtet werden muss. Es zeigen:

eins sohematische darstellung siner erfindungsge Laßßr-Projektions.sinrichtungf

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Jig.2 ein sehematisehes Blockdiagramm der erfindunga-

gemäsaen Einrichtung}
Pig.3 ein Faserbündel, das als Optik für das zum Projizieren

verwendete Eicht dienen kannj
Fig.4 eine sohematiache Darstellung der Modulationsein-

richtung sowie der Optik}
Fig.5 eine Kreisbahnablenkvorriehtung und Fig.6 eine Gralvanometerablenkvorrichtung.

Die nachfolgend beschriebene Projektionseinrichtung unter Verwendung'eines Lasers ist besonders zur Projektion gewerblich erzeugter Fernsehbilder geeignet, was jedoch zur Voraussetzung hat» dass die horizontalen und vertikalen Abtastfrequenzen dieselben wie beim üblichen Fernsehen sind. Jedoch iat die Erfindung nicht auf eine Projektionseinrichtung mit solchen Einschränkungen begrenzt„

Beim Fernsehen sind 525 vertikale Zeilen üblich, wohingegen mit der erfindungsgemässen Einrichtung mit 1000 Zeilen und mehr gearbeitet werden kann.

Ein in Fig.1 dargestellter Laser arbeitet mit einer halbkugeligen Geometrie, so dass die gesamte ausgestrahlte Energie in einer einzigen räumlichen Form abgegeben wird. Dies

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erlaubt die Verwendung einer auf Ablenkung begrenzten Optik, und es wird ein Maximum an Auflösungsvermögen mit einer begrenzten optischen Öffnung sichergestellt. Eine Linse 2 dient zum Zerstreuen des vom Laser 1 emitierten Lichtes. Dann wird durch eine Kollimatorlinse 3 paralleles Licht erzeugt, das ansohliessend duroh einen Modulator 4 und einen Polarisator 5 hinduroh auf einen rotierenden Spiegel 6 fällt, der Teil einer Horizontalablenkvorriohtung 7 ist. Infolge der besonderen Bewegung des Spiegels 6 wird der modulierte Lichtstrahl in eine Kreistbahn reflektiert und auf ein Endstück 3 einer aus Fasern bestehenden ffadenoptik 9 geworfen«

Die Horizontalablenkvorrictnung 7 erzeugt eine Lissajous« Pigur mit einer Frequenz von 15 750 Hz, was der horizontalen Zeilenfrequenz beim Fernsehen entspricht. Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden Achsen der Ablenkvorrichtung mit 15 750 Hz -Sinuswellen betrieben werden, die eine Phasendifferenz von 90° aufweisen. Das Kreislichtmuster 'wird dann durch die fadenoptik in einen linearen Ablenkcereich übergeführt, und zwar mit einer nahezu verschwindenden Eücklaufzeit. Dies ist deshalb möglich, weil der Lichtstrahl vom Spiegel 6 auf das kreisförmige Endstück.8 der '

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Fadenoptik geworfen wird. Das licht geht durch die Fadenoptik hinduroh und wird von einem Endstüok 10 der Fadenoptik auf einen oszillierenden Spiegel 11 geworfen. Beim Durchlaufen der Fadenoptik 9 wird der lichtstrahl gestreut und er verlässt die Fadenoptik ale f/4-Mehtkegel. Wegen dieser Streuung muss der der Vertikalablenkung dienende oszillierende Spiegel 11 erheblich grosser sein und einen grosseren Winkelbereich überstreichen, als dies bei der Horizontalablenkvorrichtung der Fall ist.

Zur Erzeugung der Vertikalablenkungen dient ein Drehspulgalvanometer. Die vom Spiegel 11 reflektierten Strahlen fallen durch eine Pro^jektionslinse 12 hinduroh auf einen normalen Bildschirm, der nicht näher dargestellt ist·

Wie das Blockschaltbild der Fig.2 zeigt, wird ein vom laser A erzeugter Lichtstrahl von einem Modulator B moduliert. Dieser Modulator wird von einem Bildverstärker gesteuert, der das Bildeingangssignal so verstärkt, dass es zur Steuerung des Modulators geeignet ist. Der modulierte Lichtstrahl wird dann von einer Ablenkvorrichtung F in einen horizontalen Ablenkbereich transformiert und von einer Projektionsoptik G auf einen Bildschirm H ge-

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worfen. Baa Bildeingangssignal enthält einen Synchronisations impuls, der Bur Synobrooieation der Horizontal- und Vertlkalablenkvorriöhtuagen verwendet wird. Der Synphronisationsimpuls wird von einer Synchronisationsimpulsabtrenn-Bohaltung D von Bildeingangseignal separiert und einer Synohroniaationssteuersohaltung £ aufgegeben. Entsprechend dem von dieser Sohaltung abgegebenen Signal arbeiten die beiden Ablenkvorrichtungen synohron und transformieren den modulierten Lichtstrahl in modulierte Zeilensegmente» die zu einer Abbildung zusammengesetzt werden·

Es gibt drei verschiedene Sypen von Lasern, nämlich Festkörper-, Gas- und Halbleiter-Laser. Obwohl alle drei Typen kontinuierlich betrieben werden können« so gestattet lediglich der Gas-Laser einen Dauerbetrieb ohne Tiefsttemperaturkühlung.

Da der Laserliohtstrahl monochromatisch ist, ergibt die Benutzung eines einzigen Lasers ein einfarbiges Pro;jektionefcild. Der Neon-Helium-Gas-Laser erzeugt ebenso wie der Krypton-Laser ein rubinrotes Licht. Blaues und grünes Licht ionen mit Hilfe eines Argon-Lasers hergestellt werden· •Eine farbige Projektion ist durch eine Kombination dreier Laser möglich, nämlich beispielsweise der Kombination

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eines Heon- Helium- oder Krypton-lasers, welche rotes Lioht erzeugen, mit zwei verschiedenen Argon-Lasern, die blaues und grUnee Lioht hervorrufen, so dass die Kombination der drei Laeer weissee Iiioht oder jede Kombination der verschiedenen farben ergibt«

Bei einem Ausfährungebeispiel wurde ein 50 Milliwatt Helium-Neon-Gas-Laser des Modells 125 der Spectra^Physics, Mouniain View, Californien, verwendet. Die Resonatorspiegel und die Plasmaröhre des Lasers wurde auf einer festen Basis mit geeigneten Justiereinriohtungen montiert, so dass ein einfaches Einstellen möglioh war. Zusätzlich zu der Gleiohstremanregung wurde eine Hoohfrequenzanregung zur Steigerung der Ausgangsleistung um 25$ angewandt. Der halbkugelige Resonator wurde in Uniphase oder TEM-Weise betrieben. Andere Schwingungsformen wurden durch eine geeignete Spiegeleinstellung abgesondert. Die gesamte Ausgangsleistung wurde dem kugeligen Ende dadurch entnommen dass am gegenüberliegenden Ende ein flaoher Spiegel mit einem extrem hohen Reflefctionsverraögen benutzt wurde« Die Ausgangsleistung des Lasers stellte nicht notwendigerweise die Grenze dar; jedoch muss die Leistung des Lasers um so grosser sein, je grosser die Projektion und die Inten-

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eltat sein sollen.

Der Modulator B (Pig.2) war aus zwei aneinander angepassten StUoten von 45° Z-geeohnlttenen KDF, die zur Temperaturkompensation unter einem 90°Winkel gegeneinander versetat angeordnet sind. Sin derartiger Modulator ist In der USA-Patentanmeldung Serial Ho. 371 053 vom 28.Mai 1964 offenbart, die auf die Anmelderin umgeschrieben worden ist. Dieser Modulator kann mit einem Modulationswirkungsgrad von 755* innerhalb einer Bandbreite von 5 MHe mit 600 Volt Spitzenspannung und einem Kontrast von mehr als 100:1 betrieben werden. Beim Betrieb des Modulators verläuft das parallele und polarisierte Lioht des Neon-Helium-Lasers parallel ssur Aohse des Modulator-Kristalle, und es wird an diesel* ein elektrisches JPeId gelegt, der zu einer elliptisohen Polarisation des den Modulator verlassenden Lichtes führt.

Die Pig.4 zeigt den Laser, den Modulator und den Polarisator. Das linear polarisierte Lioht vom Laser 1 geht durch den Modulator 4 und verläset diesen mit einem variablen Anteil elliptisch polarisierten Liohtes entsprechend der Modulation des Lichtstrahles. Der Polari-

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eator 5, der senkrecht ssa der Sbene dee einfallenden polarisierten Lichtes ist, verwandelt den variierenden Anteil elliptisch polarisierten Lichten in einen linearpolarisierten, amplitudenmodulierten Lichtstrahl. Durch eine entsprechende Torwahl einer ursprtinglionen Vorspannung kann erreioht werden, dass beinahe kein Licht duroh den Modulator hindurohkommt. Sin guter Polarisator hat einen Durchlass von ungefähr 10 , wenn er gekreuzt ist« Von einem in den Modulator einfallenden Bildsignal passieren diesen also zwischen Hull und nahezu einhundert Prozent des einfallenden Lichtes·

Der Bildverstärker C sowie die Synobronisationssteuerschaltung S und die Synchronisationsinijuulsabtrennsohaltung D sind übliche Bauelemente der heutigen Fernsehtechnik. Der Hoohleistungsbildverstärker 0 steuert den Modulator B, wohingegen die Synohronisationssteuerschaltung E zur Erzielung eines stabilen Bildes notwendig ist; sie erzeugt eine geeignete Steuer-Wellenform für die Lichtablenkvorrichtung P. Der Bildverstärker C sollte eine Spitzenspannung von wenigstens 500 Volt für den Modulator zur Verfügung stellen, wenn die Bildeingangsspannung 1,5 Volt

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beträgt. Ein zweistufiger Bildverstärker üblicher Bauart mit Gleichstrom-Wiedereinführung stellt die höchstmögliche Bildqualität sicher·

Die Projektionsoptik (Ablenkvorrichtung F und Projektionsoptik G) umfasst' die Horizontalablenkvorrichtung, die Fadenoptik und die Vertikalablenkvorrichtung,, Die Hauptaufgabe der Horizontalablenkvorrichtung ist das Uinwcndeln des Lichtstrahles in einen Kreisbahnablenkbereich., Es ist bekannt, dass verschiedene Ablenkmueter durch eine entsprechende Kombination von Spannungen mit verschiedenen Phasendifferenzen erzeugt werden können. Ein Beispiel ist ein Lissa^ous-Muster, das mit einem Oszilloskopf

erzeugt werden kann. Ein Kreis lässt sich durch die Kombinations zweier Sinuswellen gleicher Amplitude, jedoch mit 90° Phasendifferenz herstellen. Unter Benutzung dieses Prinzips wurde die in Pig.5 dargestellte Horizontalablenkvorrichtung geschaffen. Sie weist zunächst einen .piezo«' elektrischen Wandler 21 mit einem Resonanzstab 20 und dem Spiegel 6 auf. Der piezoelektrische Wandler erregt den Resonanzstab, an dessen Ende der Spiegel befestigt ist_o Der Resonanzstab dient als mechanischer Umformer, der die

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von zwei Sinussignalen mit 90° Phasendifferenz am Wandler erzeugten Auelenkungen verstärkt. Diese Bewegung verursacht eine Rotation des Spiegels auf Kreisbahnen.

Der piezoelektrische Wandler ist ein üblicher Bleititanatzirkonat-Wandler, beispielsweise vom Typ Clevit Nr.60 099., und der Eesonanzstab yLst beispielsweise ein Quarzstab mit 0_t25 mm Durchmesser. Der Spiegel ist ein kreisförmiger Konkavspiegel mit 1,27 mm Durchmesser.

Als Horizontalablenkyorrichtung kann aber nicht nur ein piezoelektrischer Wandler verwendet werden. Ein Spiegel kann an zwei einen Winkel von 90° bildenden Drähten aufgehängt sein. Wenn der Spiegel in einem Magnetfeld angeordnet wird und beide Drähte mit zwei Sinusströmen mit 90° Phasendifferenz gespeist werden, so wird der Sx;iegel so ausgelenkt, dass eine kreisbahnfürmige Ablenkung entsteht.

Der auf den Spiegel 6.auffallende Lichtstrahl wird daher in einer Kreisbahn abgelenkt und auf das Endstück 8 der Fadenoptik 9 geworfen. Diese ist in Fig.3 besonders dargestellt und sie dient zur Umwandlung der kreisbahnför-

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migen Ablenkung in einen linearen Ablenktereich, wobei die Rüoklaufzeit nahezu Null iat. Auf das Ende einer Easer oder eines Fadens der Fadenoptik auffallendes Licht wird längs dieses Fadens entlang geleitet und am anderen Ende des Fadens ausgestrahlt. Eine Interferenz zwischen den Liohtstrahlen der einzelnen Fäden oder Fasern wird dadurch verhindert, dass jeder Faden oder jede Faser mit einem undurchsichtigen Material überzogen wird. Die Fadenoptik 9 weist eine Lage von optischen Fäden odor Fasern auf, die am einen Ende flach und am anderen Ende zu einer Kreisanordnung aufgebogen ist. Die Optik ist aus Mehrfaserstreifen zusammengesetzt. Ein Mehrfaserstreifen kann sich beispielsweise aus 6x6 optisch klaren Fäden oder Fasern zusammensetzen, die einen Durchmesser von 10 Mikron sowie einen überzug haben und zu einem einzigen Strang zusammengeschmolzen sind. Diese Stränge werden dann Seite an Seite zu einem Streifen zusammengeklebt. Eine Anzahl von Streifen sind zur Bildung des geraden Endes zusammengesetzt, und sie werden am anderen Ende zur Bildung der Kreisform um ein Rohr herum angeordnet und in dieser Lage mit einer im Schrumpfsitz aufgebrachten Kunstetoffhülse gesiehevt. Naoh dem Aufbringen eines Epoxyetreifens ist die Optik nach dem Polieren der Enden fertiggestellt. Dies ist jedoch nicht

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dae einzige Herstellungeverfahren fUr die ffadenoptik, Jedoch wurde festgestellt, dass ee das einfaohate ist. Auch muse die fadenoptik nicht die abgebildete Form haben, sondern sie kann jede geeignete Form aufweisen.

in einem linearen Bereich abgelenkte Licht, das das finde tiiok 10 der Fadenoptik 9 verlässt, trifft auf den Spiegel 11 der Vertikalablenkvorrichtung auf. Eine Ausführungsform dieser Vorrichtung ist in Fig.1 dargestellt

können bei der Vertikalablenkvorriohtung sowohl piezoelektrische als auch elektromagnetische Vorrichtungen verwendet werden. Ein Versuch wurde mit einem piezoelektrisch angetriebenen Spiegel zur vertikalen Lichtstrahlablenkung durchgeführt, wozu zwei piezoelektrische Zweielementen» kristallwandler als Auslenkelemente für den Spiegel 11 herangezogen wurden.

Bei dem dargestellten Auaführungebeispiel wird ein Spiegelgalvanometer verwendet. Wie die Pig.6 zeigt, weist ein Magnet 31 zwei Polschuhe 32 und 33 auf, zwiechen denen eine Spule 34 aus einem aufgehängten Torsionsdraht 35 angeordnet ist, so dass eine Lagerung entfällt. Auf der Spule ist

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der Spiegel 11 montiert. Dieser empfängt Licht vom Endstück 10 der Fadenoptik 9 und wirft es durch die Projektionelinse 12 hindurch. Der Spiegel schwingt nach beiden Richtungen und projeziert so jede Zeile des horizontalen Ablenkmusters auf einen Bildsahina. Auf diese Weise wird eine Rücklaufzeit von weniger als elnerliillieekünde bei einer Ablenkung von mehr als 10° mit kleinen Spiegeln erreicht. Das Galvanometer wird mit positiven und negativen Stromimpulsen gesteuert, die mit einer Sägezahn-Wellenform kombiniert sindr

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Claims (1)

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   Patentansprüche ι

   1. Projektionseinrichtung mit einer lichtquelle zum Projizieren eines Bildes auf einen großen Bildschirm» gekennzeichnet durch einen Laser (1) als Lichtquelle sowie durch eine vom zu projezierenden Bild gesteuerte Modulat lötvorrichtung (4» 5) und Ablenkvorrichtungen (6, 7t 9, 11) für den Lichtstrahl.

   2. Projektionseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Intensitätsmodulationsvorriohtung (4» 5)· 3· Projektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine erste Ablenkvorrichtung (6, 7» 9) zur zeitlichen Auflösung des Lichtstrahles in räumliche, linienförmige Ablenkbereiche, sowie eine zweite Ablenkvorrichtung (11) zur Ablenkung des Lichtstrahles senkreoht zur Richtung der linienförmigen Ablenkbereiche·

   4· Projektionseinrichtung nach Anspruoh 3» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ablenkvorrichtung eine Faseroder Fadenoptik (9) mit einem kreisförmigen (8) und einem geradlinigen Ende (10) aufweist·

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   5· Projektionseinrichtung naoh einem oder mehreren der vor-» hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet» daß die Modulationsvorrichtung ein die Polarisation des Lichtstrahles ändernder elektro-optisoher Modulator (4, 5) ist·

   6. Projektionseinrichtung naoh Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein Kristallmodulator (4, 5) zur Änderung des. parallelen, in einer Eöene polarisierten Lichtes in elliptisch pcferisiertes Licht ist.

   7. Projektionseinrichtung naoh einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ablenkvorrichtung einen piezoelektrischen Wandler (21) der Art aufweist, daß ein mit ihm verbundener Spiegel (6) Schwingungen in einer kreisförmigen Lissajous-Figur ausführt.

   8. Projektionseinrichtung naoh einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ablenkvorrichtung einen um eine Achse oszillierenden Spiegel

   (11) aufweist.

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