DE19645976C1

DE19645976C1 - Screen solving problem of laser beam-projected image speckling by in-depth scattering

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Publication number: DE19645976C1
Application number: DE1996145976
Authority: DE
Original assignee: LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2016-11-08

Abstract

A new, greatly-simplified laser imaging device becomes possible, using an inexpensive screen (43). The screen, or a layer within it, includes light-scattering structures (50). Novelty centres on the thickness (d) of the screen or layer. This must exceed a critical thickness dkrit, measured in the direction of incidence of the image-forming laser beam. The critical thickness is calculated as a function of the mean spacing (b) of interference maxima, known and seen as speckling (52) and which are produced by the beam at the layer- or screen surface. The following relationship sets the lower limit of required thickness: d > dkrit = b/(2(cos<2> eta )). In this expression, (cos<2> eta ) is the mean value of the square of the cosine of the scattering angle eta , of the characteristic scattering angle distribution, resulting from deflection of the laser beam at the structures (50).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Laser und einem Bildschirm zur Bilderzeugung, bei dem dieser oder eine Schicht von diesem eine Vielzahl streuender Strukturen aufweist.The invention relates to a device with a laser and a screen for Imaging, in which this or a layer of this scattering a variety Has structures.

Aufgrund der spezifischen Eigenschaften, insbesondere der hohen Energiedichte und Parallelität des Lasers eignet sich dieser neben anderen Anwendungen auch für die Projektion von Bildern. Diesbezüglich wird beispielsweise versucht, Bilder, die mittels elektrischer Ansteuerung auf einer LCD-Matrix dargestellt sind, mit einem Laser auf einen Bildschirm zu projizieren. Weiter werden Fernsehsysteme entwickelt, in denen der Laserstrahl ähnlich wie ein Elektronenstrahl einer Bildröhre über einen Bildschirm gerastert wird. Der in jedem Zeitintervall auf dem Bildschirm erzeugte Bildpunkt wird dabei mittels eines Laserstrahls ausgeleuchtet, dessen Intensität für jeden Bildpunkt gemäß der durch den Bildinhalt vorgegebenen Intensität angesteuert wird.Due to the specific properties, especially the high energy density and The parallelism of the laser is also suitable for other applications Projection of images. In this regard, an attempt is made, for example, to use images that are by electrical control are shown on an LCD matrix, with a laser on one Project screen. Television systems are also being developed in which the Laser beam scanned over a screen similar to an electron beam from a picture tube becomes. The pixel generated on the screen in each time interval is thereby used illuminated by a laser beam, the intensity of each pixel according to the the image content predetermined intensity is controlled.

Aufgrund der hohen Kohärenz von Laserlicht entstehen jedoch bei der Abbildung Interferenzmaxima, die sogenannten Speckle. Diese werden vom Auge des Beobachters als störende Lichterscheinungen, insbesondere als unerwünschtes Glitzern im Bild, wahrgenommen. Ein Fortschritt für die Bilddarstellung mit Hilfe von Lasern ist nur zu erwarten, wenn dieser störende Effekt beseitigt wird.However, due to the high coherence of laser light, imaging occurs Interference maxima, the so-called speckle. These are considered by the eye of the observer disturbing light phenomena, especially as unwanted glitter in the picture, perceived. Progress for imaging with the help of lasers is only too expect when this annoying effect is removed.

Mit der Publikation von Toshiaki Iwai und Toshimitsu Asakura, "Speckle Reduction in Coherent Information Processing", Proceedings of the IEEE, Bd. 84, Nr. 5, Mai 1996, Seiten 765-780, ist eine Übersicht über die verschiedensten bekannten Speckle-Reduktions- Methoden, vorhanden. Danach zeigt die Literatur zwischen 1970 und 1995 eine ständig zunehmende Anzahl von Publikationen auf diesem Gebiet. Das verdeutlicht, wie wichtig das Speckle-Problern in der Technik geworden ist, für das bis heute noch keine befriedigende Lösung gefunden wurde. With the publication by Toshiaki Iwai and Toshimitsu Asakura, "Speckle Reduction in Coherent Information Processing ", Proceedings of the IEEE, Vol. 84, No. 5, May 1996, pages 765-780, is an overview of the various known speckle reduction Methods, available. After that, the literature between 1970 and 1995 shows one constantly increasing number of publications in this field. That shows how important that is Speckle problems in technology has become a satisfactory one to this day Solution was found.

Die in dieser Publikation zitierte Literatur betrachtet die Speckle-Erzeugung teilweise formal- theoretisch und es wird berichtet, daß die Speckle-Reduktion im wesentlichen durch Zerstörung der zeitlichen oder räumlichen Kohärenz des Laserstrahls durchgeführt werden soll. Weiter werden Methoden angegeben, durch kurzzeitige Änderung des Abbildungsverhaltens des Laserstrahls, insbesondere auch des Strahlprofils, Speckle- Erscheinungen zeitlich zu mitteln, so daß sie aufgrund der Trägheit des Auges nicht wahrgenommen werden können.The literature cited in this publication takes a formal look at speckle production. theoretically and it is reported that the speckle reduction is essentially due to Destruction of the temporal or spatial coherence of the laser beam can be carried out should. Methods are also specified by briefly changing the Imaging behavior of the laser beam, especially the beam profile, speckle Averaging phenomena so that they do not occur due to the sluggishness of the eye can be perceived.

In der DE 195 01 525 C1 wird eine Videoprojektion mit abgelenkten Laserstrahlen beschrieben, bei der eine deutliche Reduzierung des Speckle-Effekts mittels einer Phasenplatte erzeugt wird. In der Phasenplatte werden Teilstrahlen des Laserstrahls gegeneinander phasenverzögert, so daß die Interferenzfähigkeit des Laserstrahls erniedrigt wird. Hinter der Phasenplatte befindet sich eine Linse, mit der die durch die Struktur der Phasenplatte durch Beugung entstehende Lichtaufweitung wieder kollimiert wird. Nachteilig ist bei dieser Anordnung allerdings, daß das Strahlprodukt des Lasers verringert wird. Weiter wurde festgestellt, daß das Raster der Phasenplatte im Projektionsbild erkennbar ist.DE 195 01 525 C1 describes a video projection with deflected laser beams described in which a significant reduction in the speckle effect by means of a Phase plate is generated. In the phase plate are partial beams of the laser beam phase-delayed with respect to one another, so that the interference capability of the laser beam is reduced becomes. Behind the phase plate is a lens with which the structure of the Phase plate is collimated again by diffraction of light. Disadvantageous is with this arrangement, however, that the beam product of the laser is reduced. It was also found that the grid of the phase plate can be seen in the projection image.

Eine ähnliche Methode wird gemäß der DE 195 08 754.2 A1 eingesetzt, bei der Teillichtstrahlen des Laserstrahls unterschiedlich polarisiert werden. Nachteilig ist hierbei außerdem, daß durch die dazu erforderliche, die Polarisation ändernde Einrichtung Lichtverluste auftreten.A similar method is used according to DE 195 08 754.2 A1, in which Partial light beams of the laser beam are polarized differently. The disadvantage here is moreover, that by means of the polarization-changing device required for this Loss of light occur.

Insbesondere bedeutet aber eine Verringerung des Strahlproduktes eine Aufweitung des Laserstrahls und damit eine Vergrößerung von Bildpunkten auf dem Bildschirm. Deswegen wäre es wünschenswert, die Speckle-Reduktion möglichst nahe am Bildschirm durchzuführen.In particular, however, a reduction in the blasting product means an expansion of the Laser beam and thus an enlargement of pixels on the screen. Because of that it would be desirable to have the speckle reduction as close to the screen as possible perform.

Aus Jutamulia, S. Asakura T. "Reduction of Coherent Noise Using Various Artificial Incoherent Sources", Optik 70 (1985) 2, p. 52 57 ist bekannt, daß die Speckle mit einer bewegten Leinwand beseitigt werden können, da dann eine dynamische Mittelung der Speckle im Auge erfolgt. Allerdings ist eine derartige Methode wegen technischer Schwierigkeiten bei der Bewegung der Leinwand bei sehr großen Bildern nicht empfehlenswert.From Jutamulia, S. Asakura T. "Reduction of Coherent Noise Using Various Artificial Incoherent Sources ", Optik 70 (1985) 2, p. 52 57 it is known that the speckle with a moving screen can be eliminated, since then a dynamic averaging of the Speckle occurs in the eye. However, such a method is technical Difficulties in moving the canvas with very large images are not recommendable.

Zwei weitere Vorschläge sind in den japanischen Patentanmeldungen mit den Publikationsnummern 109591 vom 9. Mai 1991 und 189634 vom 19. August 1991 angegeben. In beiden Druckschriften wird ein aus Pulver zusammengesetzter, strukturierter Bildschirm eingesetzt. Im ersten Fall sind die Pulverkörner elektrooptisch aktiv. Mit einer Spannung am Schirm soll der Brechungsindex periodisch variiert werden, so daß die Speckle zeitlich verwischt werden. In der anderen Patentanmeldung werden als Pulver doppelbrechende kristalline Strukturen eingesetzt. Dabei wird außerdem die Polarisation des Laserstrahls zeitlich periodisch geändert, so daß dieser aufgrund der kristallinen Teilchen im Schirm periodisch unterschiedliche Wege nimmt. Auch dadurch erhofft man sich eine zeitliche Verwischung der Speckle.Two other proposals are in Japanese patent applications with the Publication numbers 109591 dated May 9, 1991 and 189634 dated August 19, 1991 specified. In both publications, a structured, composed of powder is used Screen inserted. In the first case, the powder grains are electro-optically active. With a Voltage on the screen, the refractive index should be varied periodically so that the Speckle to be blurred in time. In the other patent application are called powder birefringent crystalline structures. It also polarization of the laser beam changed periodically in time, so that this due to the crystalline Particle in the screen periodically takes different paths. This is also hoped for there is a temporal blurring of the speckle.

Insbesondere erfordert das erstgenannte Verfahren nachteiligerweise einen komplizierten Schirmaufbau durch elektrische Leitungen auf dem Bildschirm. Beide Verfahren haben außerdem den Nachteil, daß die Schirme aufgrund der speziellen Materialauswahl, doppelbrechende Kristallite oder elektrooptische Materialien geeigneter Art, keine kostengünstige Fertigung erwarten lassen. Dieser Nachteil ist vor allem deswegen von Belang, da eine großflächige Fernsehprojektion auf Laserbasis auch für den Heimbedarf geplant ist und daher die Fertigungskosten so weit wie möglich gesenkt werden müssen.In particular, the former method disadvantageously requires a complicated one Screen structure through electrical cables on the screen. Both have procedures also the disadvantage that the umbrellas due to the special material selection, birefringent crystallites or suitable electro-optical materials, none Expect inexpensive production. This disadvantage is mainly because of This is important because a large-scale television projection on a laser basis is also suitable for home use is planned and therefore the manufacturing costs must be reduced as much as possible.

Außerdem ist zweifelhaft, ob die Speckle mit diesen bisher erst theoretisch beschriebenen Methoden wirksam unterdrückt werden können. Aus der Interferenzoptik ist bekannt, daß Interferenzerscheinungen eine Breite aufweisen, die umgekehrt proportional zu den Strukturen ist, an denen eine Interferenz aufgrund Ausbreitung Huygenscher Kugelwellen zu erwarten ist. Das bedeutet, die kleinsten Speckle sind im wesentlichen durch den Durchmesser des Laserstrahls bestimmt, d. h. durch einen räumlichen Bereich, für den die Mittelung in beiden Verfahren aufgrund der Kleinheit der Pulverteilchen nicht mehr wirksam sein dürfte.In addition, it is doubtful whether the speckle with these has only been described theoretically so far Methods can be suppressed effectively. From the interference optics it is known that Interference phenomena have a width that is inversely proportional to the Structures is subject to interference due to Huygenscher propagation of spherical waves is expected. That means the smallest speckle are essentially through the Diameter of the laser beam determined, d. H. through a spatial area for which the Averaging in both methods is no longer effective due to the small size of the powder particles should be.

Wie man sich durch eine Fouriertransformierte aus der Lichtverteilung im Bereich eines Strahldurchmessers zum theoretischen Verständnis derartiger Speckle überzeugen kann, ist ferner zu erwarten, daß aufgrund der doppelbrechenden oder optisch aktiven Schichtpartikel im wesentlichen nur eine Phasenverschiebung der Lichtwellen erfolgt, die vom Auge aber gar nicht wahrgenommen wird, so daß eine Mittelung über Änderung der Polarisation des Brechungsindexes die Speckle-Erscheinungen nur wenig oder überhaupt nicht reduzieren wird.How to get a Fourier transform from the light distribution in the area of a Beam diameter to the theoretical understanding of such speckle is also to be expected due to the birefringent or optically active layer particles essentially only a phase shift of the light waves takes place, but from the eye is not perceived at all, so that an averaging over changing the polarization of the Refractive index reduce the speckle phenomena little or not at all becomes.

Andererseits erscheint es zweckmäßig, in der Nähe des Bildschirms oder sogar im Bildschirm selbst eine Maßnahme zur wirksamen Speckle-Reduktion zu treffen, damit das Strahlprodukt des Laserstrahls so wenig wie möglich beeinflußt ist.On the other hand, it seems appropriate to be near the screen or even in the Screen itself to take a measure to effectively reduce speckle so that Beam product of the laser beam is affected as little as possible.

Aufgabe der Erfindung ist es, am Schirm oder durch entsprechende Ausgestaltung des Bildschirms eine wirksame Speckle-Reduktion zu erzielen. Dabei soll darauf geachtet werden, daß diesbezüglich eine Vorrichtung mit Bildschirmdiagonalen größer als einen Meter wenig kostenaufwendig hergestellt werden kann.The object of the invention is on the screen or by appropriate design of the To achieve an effective speckle reduction. Attention should be paid to this be that in this regard a device with screen diagonals larger than one Meters can be produced at low cost.

Die Aufgabe wird ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik, der durch die beiden genannten japanischen Patentanmeldungen gegeben ist, dadurch gelöst, daß die Dicke d des Schirms oder der Schicht t, bestimmt in Ausbreitungseinrichtung eines zum Abbilden vom Laser ausgehenden Laserstrahls, größer als eine kritische Dicke d_krit ist, die sich aus dem mittleren Abstand b von durch den Laserstrahlen an einer Oberfläche der Schicht oder des Bildschirms erzeugten, als Speckle bekannten Interferenzmaxima berechnet als:The object is achieved on the basis of the prior art mentioned at the outset, which is given by the two aforementioned Japanese patent applications, in that the thickness d of the screen or layer t, determined in the propagation device of a laser beam emitting from the laser, is greater than a critical one Thickness d _crit , which is calculated from the mean distance b of interference maxima generated by the laser beams on a surface of the layer or the screen, known as speckle, is calculated as:

wobei <cos²Θ< der Mittelwert des Kosinusquadrats des Streuwinkels Θ für eine die Ablenkung des Laserstrahls an den Strukturen charakterisierende Streuwinkelverteilung ist.where <cos²Θ <is the mean of the cosine square of the scattering angle Θ for one Deflection of the laser beam at the structures characterizes the scattering angle distribution.

Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich also eine unerwartet einfache Lösung, indem die Schicht- oder Bildschirmdicke selbst nur geeignet gewählt wird. Doppelbrechende oder elektrooptische aktive Materialien sind dabei nicht unbedingt erforderlich.Compared to the prior art, there is an unexpectedly simple solution in that the layer or screen thickness itself is only chosen appropriately. Birefringent or electro-optically active materials are not absolutely necessary.

Der angegebenen Formel liegt die Auffassung zugrunde, daß Licht von in größerer Tiefe erzeugten Specklen an den dort gegebenen Strukturen gestreut wird, so daß in den Interferenzminima an der Oberfläche des Schirms ebenfalls Licht aus der Oberfläche des Schirms austritt. Damit wird der Speckle-Kontrast wirksam verringert. Die angegebene Gleichung für d_krit ergibt sich aus dieser Vorstellung in einfacher Weise, wie später näher ausgeführt wird. Bei wesentlich größeren Dicken des Schirms oder der auf dem Schirm aufgebrachten Schicht bezüglich d_krit tragen weitere Schichten zur Verringerung des Kontrastes der Speckle bei, so daß sich die Speckle vollständig verwischen sollten.The formula given is based on the view that light from speckles produced at a greater depth is scattered on the structures given there, so that light also emerges from the surface of the screen in the interference minima on the surface of the screen. This effectively reduces the speckle contrast. The given equation for d _crit results from this idea in a simple manner, as will be explained in more detail later. If the thickness of the screen or the layer applied to the screen with respect to d _{crit is} significantly greater, further layers contribute to reducing the contrast of the speckle, so that the speckle should completely blur.

Diese Lösung ist sehr einfach und läßt sich auch in kostengünstiger Weise verwirklichen, was vor allem durch die folgenden Weiterbildungen gewährleistet wird. This solution is very simple and can also be implemented in a cost-effective manner, which is guaranteed above all by the following training courses.

Wie vorstehend schon ausgeführt wurde, ist die Speckle-Größe wesentlich durch den Strahldurchmesser bestimmt. Wie man mit einfachen Betrachtungen aufgrund der Interferenzoptik berechnen kann (siehe dazu: M.I. Yoder, D.G. Youmans: "Laser radar wavelength selection and trade-offs", SPIE, Vol. 999, Laser Radar III (1988), p. 72-83), ergibt sich bei einem Abstand L des Lasers vom Schirm sowie einem Durchmesser D und einer Schwerpunktwellenlänge λ des Laserspektrums eine Speckle-Größe von . Da die Speckle-Größe aber nicht größer als der Durchmesser sein kann, gilt eine derartige Abschätzung nur für die Bedingung D² < λL.As stated above, the speckle size is significant due to the Beam diameter determined. How to with simple considerations due to the Interference optics can calculate (see: M.I. Yoder, D.G. Youmans: "Laser radar wavelength selection and trade-offs ", SPIE, Vol. 999, Laser Radar III (1988), p. 72-83), results at a distance L of the laser from the screen and a diameter D and a focal wavelength λ of the laser spectrum a speckle size of. Since the Speckle size but cannot be larger than the diameter, such applies Estimation only for the condition D² <λL.

In solchen Fällen ergibt sich die Lehre gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, daß bei einem Abstand L des Schirms vom Laser sowie einem Durchmesser D und einer Schwerpunktswellenlänge λ des vom Laser ausgehenden Laserstrahls die Beziehung D² < λL gilt, und die Dicke oder Schirmdicke größer alsIn such cases, the teaching results from a preferred further development of the Invention that at a distance L of the screen from the laser and a diameter D and a focal wavelength λ of the laser beam emanating from the laser Relationship D² <λL applies, and the thickness or screen thickness is greater than

ist.is.

Diese Schichtdicke ist ungefähr doppelt so groß wie d_krit, so daß auch eine wesentlich bessere Verwischung der Speckle und damit ein geringerer Speckle-Kontrast erwartet wird.This layer thickness is approximately twice as large as d _crit , so that a significantly better blurring of the speckle and thus a lower speckle contrast is expected.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Schirm durch eine Dicke d gekennzeichnet, bei der ein Funktionsverlauf einer Kontrastgröße K(d) in Abhängigkeit von der Dicke d einen Wert kleiner 0,20 und insbesondere kleiner gleich 0,05 annimmt, wobei dieser Funktionsverlauf der Kontrastgröße als über die auftretende maximale Lichtintensität I_max und minimale Lichtintensität I_min in einem gleichmäßig vom Laserstrahl beleuchteten Bereich bei einer jeweiligen Schichtdicke d auf einer Oberfläche des Schirms meßbar ist.According to another preferred development of the invention, the screen is characterized by a thickness d, in which a function profile of a contrast variable K (d) assumes a value less than 0.20 and in particular less than or equal to 0.05 depending on the thickness d, this function profile the size of the contrast as a measurement of the maximum light intensity I _max and minimum light intensity I _min occurring in a region uniformly illuminated by the laser beam at a respective layer thickness d on a surface of the screen.

Auch diese Dicke ist erfahrungsgemäß wesentlich größer als d_krit, es wird aber ein wesentlich geringerer Speckle-Kontrast erwartet. Zusätzlich zu der vorstehend genannten physikalischen Charakterisierung des Speckle-Kontrastes in Abhängigkeit der Dicke wird bei dieser Weiterbildung aber auch die Augenphysiologie berücksichtigt. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß Speckle unterhalb eines Kontrastes, wie er oben durch die maximale Lichtintensität und durch die minimale Lichtintensität definiert wurde, bei einem Wert von 0,2 und insbesondere von 0,05 vom Auge nicht mehr wahrgenommen werden. Damit ist gemäß dieser Weiterbildung die Schichtdicke so gewählt, daß Speckle optimal ausgelöscht sind, da sie vom Auge nicht mehr erfaßbar sind. Experience has shown that this thickness is also significantly greater than d _crit , but a significantly lower speckle contrast is expected. In addition to the physical characterization of the speckle contrast as a function of the thickness, the eye physiology is also taken into account in this development. It has been found that speckles below a contrast as defined above by the maximum light intensity and by the minimum light intensity are no longer perceived by the eye at a value of 0.2 and in particular 0.05. According to this development, the layer thickness is selected so that speckles are optimally extinguished since they can no longer be detected by the eye.

Um die Lehre gemäß der vorhergehenden Weiterbildung anzuwenden, können Messungen des Funktionsverlaufs zur Charakterisierung verschiedener Materialien durchgeführt werden. Um den Meßaufwand gering zu halten, kann man die benötigte Dicke jedoch gemäß einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung auch abschätzen.To apply the teaching according to the previous training, measurements can be taken of the course of the function to characterize different materials will. In order to keep the measurement effort low, you can use the required thickness also estimate according to another preferred development of the invention.

Gemäß dieser Weiterbildung soll dann die Dicke des Schirms gleichAccording to this development, the thickness of the screen should then be the same

sein, wobei f eine Zahl kleiner 0,20 und insbesondere kleiner gleich 0,05 undbe, where f is a number less than 0.20 and in particular less than or equal to 0.05 and

die maximale und I_min die minimale Lichtintensität innerhalb eines vom Laser gleichmäßig beleuchteten Bereichs auf einem Schirm mit der Dicke d_krit sind.the maximum and I _min the minimum light intensity within a region uniformly illuminated by the laser are on a screen with the thickness d _crit .

Folgende vorteilhafte Weiterbildungen befassen sich im wesentlichen mit der Ausbildung der streuenden Strukturen, mit denen ein erfindungsgemäßer Bildschirm möglichst einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.The following advantageous developments essentially deal with training the scattering structures with which a screen according to the invention is as simple as possible and can be manufactured inexpensively.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die mittlere Ausdehnung der streuenden Strukturen des Bildschirms kleiner als 0,5 mm und insbesondere kleiner/gleich 0,1 mm.According to a preferred development of the invention, the mean extent is scattering structures of the screen smaller than 0.5 mm and in particular smaller / equal 0.1 mm.

Wie vorstehend schon ausgeführt wurde, ist aus der Interferenzoptik bekannt, daß sehr kleine Strukturen ein sehr weit ausgedehntes Beugungsbild verursachen. Zu kleine Strukturen würden die Bildauflösung beeinträchtigen. Zu große Strukturen würden dagegen neue Speckle erzeugen können. Deswegen ist für den praktischen Einsatz der Erfindung, insbesondere bei Videosystemen mit rasterndem Laserstrahl mit einem Laserdurchmesser in der Größenordnung von Millimetern eine gemäß Weiterbildung angegebene Strukturgröße für den Bildschirm optimal.As already explained above, it is known from interference optics that very much small structures cause a very wide diffraction pattern. To small Structures would affect the image resolution. Structures that are too large would be opposed to this can create new speckle. Therefore, for the practical use of the invention, especially in the case of video systems with a scanning laser beam with a laser diameter in the order of millimeters specified according to further training Structure size optimal for the screen.

Da die Entstehung der Speckle durch streuendes Material bisher physikalisch nur wenig verstanden ist, ist die zu wählende Strukturgröße a priori nicht bekannt. Es hat sich aber gezeigt, daß der Speckle-Kontrast, und zwar insbesondere an den Rändern der das Videobild aufbauenden Bildpunkte optimal ist, wenn die mittlere Ausdehnung der streuenden Struktur des Bildschirms kleiner als 0,5 mm und insbesondere kleiner/gleich 0,1 mm ist. Since the origin of the speckle from scattering material has so far been little physical is understood, the structure size to be selected is not known a priori. But it did shown that the speckle contrast, especially at the edges of the Video image building pixels is optimal when the average extent of the scattering structure of the screen less than 0.5 mm and in particular less than or equal to 0.1 mm is.

Um ein geeignetes Streuverhalten in dem Bildschirm oder der Bildschirmschicht zu erzeugen, könnte man auch daran denken, reflektierende Körper in den Schirm oder die Schicht einzubetten. Da sehr kleine Strukturen aber zu scharfen Interferenzen führen, würde die Verminderung des Kontrastes an spiegelnden Schichten, die ein Streuverhalten an einer scharf definierten Grenzfläche zeigen, möglicherweise nicht befriedigend sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird dagegen die Reflexion aufgrund eines stochastisch verteilten Brechungsindexes erzeugt. Dabei weist der Schirm aufgrund der Struktur lokale Fluktuation bezüglich des Brechungsindexes auf.To ensure a suitable scattering behavior in the screen or the screen layer generate, you could also think of reflective bodies in the screen or the Embed layer. However, since very small structures would lead to sharp interference the reduction of the contrast on reflective layers, the scattering behavior on a show clearly defined interface, may not be satisfactory. According to one advantageous development, however, the reflection due to a stochastic distributed refractive index. Due to the structure, the screen shows local Fluctuation in the refractive index.

Wie aus der Optik bekannt ist, wird eine Änderung des Brechungsindexes, wenn nicht spezielle Maßnahmen wie Vergütung einer Oberfläche getroffen werden, auch immer zur Reflexion eines Teilstrahls führen. Da gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung ein Großteil des Streuung auf lokalen Fluktuationen des Brechungsindexes beruht, werden scharfe Grenzflächen, wie sie bei Spiegeln vorkommen, vermieden, an denen der gesamte Laserstrahl zurückgestreut wird. Die Änderung des Brechungsindexes führt so gegenüber Spiegeln zu einer wesentlich "weicheren" Streuung, so daß derartige zusätzliche Speckle vermieden werden können.As is known from optics, there will be a change in the refractive index if not special measures such as coating a surface are always taken Lead reflection of a partial beam. Since according to this development of the invention Much of the spread is due to local fluctuations in the refractive index sharp interfaces, as they occur with mirrors, avoided, on which the entire Laser beam is scattered back. The change in the refractive index thus leads to Mirror to a much "softer" scatter, so that such additional speckle can be avoided.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung enthalten die streuenden Strukturen in ihrem Inneren kleinere Strukturen, deren geringste Abmessung kleiner als 10 µm und insbesondere kleiner als 1 µm sind. Einmal erreicht man damit eine Rayleigh-Streuung für sehr große Raumwinkel, im Extremfall sogar über 4 π, da eine Ausdehnung von 1 µm in der Größenordnung einer Wellenlänge liegt. Dadurch kann die Schirmdicke möglichst gering dimensioniert werden. Weiter werden eventuelle Beugungsbilder aufgrund der kleinen Struktur im wesentlichen über den gesamten Raumwinkelbereich verteilt, so daß auch dadurch eine optimale Auslöschung der Speckle zu erwarten ist.According to another preferred development, the scattering structures contain in smaller structures inside, the smallest dimension less than 10 µm and are in particular smaller than 1 μm. Once you get a Rayleigh scatter for very large solid angles, in extreme cases even over 4 π, because an expansion of 1 µm in the Order of magnitude of a wavelength. This allows the screen thickness to be as small as possible be dimensioned. Further diffraction patterns due to the small Structure distributed essentially over the entire solid angle range, so that too optimal extinction of the speckle is to be expected.

Gemäß einer weitergehenden vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, daß der Brechungsindex innerhalb der im Schirm enthaltenen Strukturen variiert. Es wird also auch hier der vorher genannte Vorteil ausgenutzt, der sich bei Reflexion aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes ergibt. Dadurch, daß sich der Brechungsindex auch innerhalb der im Schirm enthaltenen Strukturen ändert, ist auch hier eine besonders weiche Reflexion zu erwarten, die insbesondere bei Brechungsindexdifferenzen von kleiner 0,2 zu keinen neuen Interferenzeffekten führt, so daß keine weiteren Speckle aufgrund kleinerer Strukturen innerhalb der Struktur zu erwarten sind. According to a further advantageous development, it is provided that the Refractive index varies within the structures contained in the screen. So it will be too here the previously mentioned advantage is used, which is due to reflection different refractive indices. Because the refractive index also changes within the structures contained in the screen is also a particularly soft one Reflection to be expected, especially when the refractive index differences are less than 0.2 no new interference effects, so that no further speckle due to smaller Structures within the structure are to be expected.

Wie vorstehend schon dargestellt wurde, ist es von Vorteil, eine Reflexion an einer scharfen Grenzfläche zu vermeiden. Bei nahezu kugelförmigen Strukturen mit hohem Brechungsindex ist aber zu erwarten, daß Licht, das in eine der Strukturen einfällt, in dieser gebrochen wird und auf einer anderen Oberfläche der Struktur totalreflektiert wird. Dies hätte wieder Reflexion an sehr steilen Strukturen zur Folge. Insbesondere läßt sich dieser unerwünschte Effekt gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vermeiden, wenn der Brechungsindex innerhalb der Strukturen kleiner als 1,5 ist.As already explained above, it is advantageous to have a reflection on a sharp one To avoid interface. With almost spherical structures with high Refractive index is to be expected, however, that light that falls into one of the structures in this is broken and is totally reflected on another surface of the structure. This would result in reflection on very steep structures. In particular, this can Avoid unwanted effect according to an advantageous development of the invention, if the refractive index within the structures is less than 1.5.

Alle diese vorgenannten Weiterbildungen der Erfindung lassen sich in einfacher Weise verwirklichen, wenn der Schirm aus gesintertem PTFE (Polytetrafluorethylen) (Teflon®) besteht.All of these aforementioned developments of the invention can be done in a simple manner if the screen is made of sintered PTFE (polytetrafluoroethylene) (Teflon®) consists.

Teflon® hat einen Brechungsindex zwischen 1,2 und 1,4. Es wird industriell als Granulat geliefert, das gesintert werden kann. Damit lassen sich die entsprechenden genannten Strukturgrößen von 0,1 bis 0,5 mm erzeugen. Weiter zeigen Untersuchungen beispielsweise von C.J. Speerschneider und C.H. Li in "A Correlation of Mechanical Properties and Microstructure of Polytetrafluoroethylene at Various Temperatures", Journal of Applied Physics, Volume 34, Nr. 10, vom Oktober 1963, S. 3004-3007, und Solomon Fischer und Norman Brown "Deformation of polytetrafluoroethylene from 78 to 298°K and the effects of environmental crazing", Journal of Applied Physics, Vol. 44, Nr. 10, Oktober 1973, S. 4322- 4327, innerhalb der gesinterten Körner weitere Strukturen, die als kristallin bezeichnet werden. Der Zwischenraum zwischen diesen Kristalliten ist danach mit sogenanntem amorphem Teflon® angereichert. Wenn man auch bei Polymeren kaum von einem Kristallzustand ausgehen kann, so soll doch dieser Ausdruck im folgenden weiter verwendet werden.Teflon® has a refractive index between 1.2 and 1.4. It is used industrially as granules supplied that can be sintered. This allows the corresponding ones mentioned Generate structure sizes from 0.1 to 0.5 mm. Studies also show, for example by C.J. Speeschneider and C.H. Li in "A Correlation of Mechanical Properties and Microstructure of Polytetrafluoroethylene at Various Temperatures ", Journal of Applied Physics, Volume 34, No. 10, October 1963, pp. 3004-3007, and Solomon Fischer and Norman Brown "Deformation of polytetrafluoroethylene from 78 to 298 ° K and the effects of environmental crazing ", Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 10, October 1973, p. 4322- 4327, within the sintered grains other structures called crystalline will. The space between these crystallites is then so-called Enriched with amorphous Teflon®. If you are hardly of one even with polymers Crystal state, this expression should be used in the following will.

Die Kristallite weisen nach eigenen Untersuchungen Längenausdehnungen in der Größenordnung von bis zu 0,1 mm auf, sind jedoch platten- oder nadelförmig mit einer geringen Dicke von bis zu 1 µm ausgebildet. Eigene Untersuchungen haben weiter gezeigt, daß die Brechzahldifferenz zwischen dem amorphen Teflon- und den Kristalliten. In der Größenordnung von 0,1 liegt, so daß auch die erwünschten Brechzahldifferenzen innerhalb der einzelnen Körner des Granulats vorliegen.According to their own investigations, the crystallites have linear extensions in the Size of up to 0.1 mm, but are plate-like or needle-shaped with a small thickness of up to 1 micron. Our own investigations have further shown that the refractive index difference between the amorphous Teflon and the crystallites. In the Is of the order of 0.1, so that the desired refractive index differences are within of the individual granules of the granulate.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Dicke D größer als 1 mm und insbesondere größer als 3 mm. Bei derartigen Dicken wurde ein Speckle-Kontrast nicht mehr beobachtet. Unerklärlicherweise hat sich jedoch herausgestellt, daß die Dicke zur vollständigen Vermeidung eines Speckle-Kontrastes abhängig von der Kohärenzlänge ist. According to an advantageous development of the invention, the thickness D is greater than 1 mm and especially larger than 3 mm. With such thicknesses, a speckle contrast was not observed more. Inexplicably, however, it has been found that the thickness for complete avoidance of a speckle contrast is dependent on the coherence length.

Eine optimale Dicke ist in Abhängigkeit der Kohärenzlänge des verwendeten Laserlichts gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gegeben, bei der das Licht des Lasers eine Kohärenzlänge S aufweist und die Dicke D gleich (0,04 cm*S)^1/2 ± 25% oder größer ist. Insbesondere wurden bei einem Teflon®-Schirm, der aus einem pulverförmigem Ausgangsprodukt mit einer Korngröße im Bereich von 20 µm bis 800 µm zu einem Bildschirm mit 4 mm Dicke geformt wurde sowie bei Laserlicht mit einer Kohärenzlänge von 4 cm (laut Angabe des Herstellers des Lasers) keine Speckle mehr beobachtet.An optimal thickness is given depending on the coherence length of the laser light used according to an advantageous development of the invention, in which the light of the laser has a coherence length S and the thickness D is equal to (0.04 cm * S) ^1/2 ± 25% or greater is. In particular, in the case of a Teflon® screen, which was formed from a powdery starting product with a grain size in the range from 20 μm to 800 μm to a screen with a thickness of 4 mm, and with laser light with a coherence length of 4 cm (according to the manufacturer of the laser ) no more speckle was observed.

Außerdem wurde festgestellt, daß Laser mit einer spektralen Breite des Laserstrahls über 2 nm, also bei einer sehr geringen Kohärenzlänge und bei einem Teflon®-Schirm von 1 mm Dicke keine vom Auge erfaßbaren Speckle mehr erzeugen.It was also found that lasers with a spectral width of the laser beam over 2 nm, i.e. with a very short coherence length and with a Teflon® screen of 1 mm Thickness no longer produce speckle that can be detected by the eye.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung noch näher verdeutlicht. Es zeigen:The invention will become apparent from the following description with reference to the drawing clarified in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem Laser und einem Bildschirm zur Bilderzeugung; Fig. 1 shows a device with a laser and a monitor for image generation;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Speckle-Kontrastes bei vorgegebener Schichtdicke d; FIG. 2 shows a schematic illustration to explain the speckle contrast for a given layer thickness d;

Fig. 3 ein Diagramm eines Kontrastes als Funktion von dem Verhältnis der Lichtintensität im Interferenzmaximum und Interferenzminimum; Fig. 3 is a graph showing a contrast as a function of the ratio of the light intensity in the interference maximum and minimum interference;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schnittbilds für einen Teflon®-Schirm. Fig. 4 is a schematic representation of a sectional view for a Teflon® screen.

In der Fig. 1 ist beispielhaft eine Vorrichtung mit einem Laser und einem Bildschirm zum Abbilden von Bildern gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Farbvideobilder erzeugt. Deswegen ist hier nicht nur ein Laser, sondern drei Laser 10, 20, 30 vorgesehen, die Licht geeigneter Wellenlänge der Primärfarben zum Erzeugen der Bildpunkte eines Videobildes aussenden. Die von den Lasern 10, 20, 30 ausgehenden Lichtbündel 12, 22, 32 sind beim Ausführungsbeispiel allerdings zur Helligkeits- und Farbteuerung der Bildpunkte eines Videobildes noch nicht moduliert, da hier Gaslaser verwendet wurden, die nicht direkt von der Videofrequenz angesteuert werden können. Bei Verwendung von Laserdioden statt Gaslasern 10, 20, 30 ändert man die Intensität der Lichtbündel 12, 22, 32 direkt durch Modulation der Laser mit der für die Darstellung der Bildpunkte geeigneten Information. In FIG. 1, a device with a laser and a monitor is shown as an example of mapping images. In this embodiment, color video images are generated. For this reason, not only one laser, but three lasers 10 , 20 , 30 are provided, which emit light of a suitable wavelength of the primary colors for generating the pixels of a video image. However, the light beams 12 , 22 , 32 emanating from the lasers 10 , 20 , 30 are not yet modulated in the exemplary embodiment for brightness and color control of the pixels of a video image, since gas lasers were used here which cannot be controlled directly by the video frequency. When using laser diodes instead of gas lasers 10 , 20 , 30 , the intensity of the light bundles 12 , 22 , 32 is changed directly by modulating the lasers with the information suitable for displaying the pixels.

Zur Modulation sind hier dagegen spezielle Modulatoren 14, 24, 34 im Lichtweg der Lichtbündel 12, 22, 32 angeordnet. Die Modulatoren bestehen aus DKDP-Kristallen, mit denen die Polarisationsrichtung der Lichtbündel 12, 22, 32 geändert wird, so daß die Lichtbündel durch ein nachfolgendes Polarisationsfilter in Abhängigkelt der Ansteuerungsspannung intensitätsmoduliert ausfallen. Diese Lichtbündel werden durch ein Spiegelsystem 38 zu einem Gesamtlichtbündel 40 vereinigt, welches sich durch das weitere System als Gesamtlichtbündel 40 fortpflanzt.For modulation, on the other hand, special modulators 14 , 24 , 34 are arranged in the light path of the light beams 12 , 22 , 32 . The modulators consist of DKDP crystals with which the polarization direction of the light bundles 12 , 22 , 32 is changed, so that the light bundles are intensity-modulated by a subsequent polarization filter depending on the control voltage. These light bundles are combined by a mirror system 38 to form an overall light bundle 40 , which propagates through the further system as an overall light bundle 40 .

Das Gesamtlichtbündel 40 wird durch eine aus einem Polygonspiegel 41 und einem Schwenkspiegel 42 bestehende Ablenkeinrichtung zeilen- und bildmäßig auf einen Bildschirm 43 abgelenkt, um sequentiell einzelne Bildpunkte des zu erzeugenden Videobildes auf einem Bildschirm 43 zu beleuchten. Mittels der Modulatoren 14, 24, 34 wird dabei für jeden Bildpunkt die entsprechende Farbe und Helligkeit für ein Videobild vorgesehen.The overall light beams 40 is 42 in rows existing deflector by one of a polygon mirror 41 and a pivotal mirror and deflected image-wise onto a screen 43 to sequentially illuminate the individual image points to be produced video image on a screen 43rd The modulators 14 , 24 , 34 provide the corresponding color and brightness for a video image for each pixel.

Die beim Laserfernsehen verwendete Rastertechnik ist vom Fernsehen mit Bildröhren bekannt. Die hier verwendete Technik unterscheidet sich davon aber dadurch, daß ein Gesamtlichtbündel 40 statt eines Elektronenstrahls eingesetzt wird und die übliche magnetische Ablenkung bei Bildröhren mit einer mechanischen Rasterung über Polygonspiegel 41 und Schwenkspiegel 42 ersetzt ist. Die Rasterung ist jedoch nicht auf mechanische Hilfsmittel beschränkt. Sie kann beispielsweise auch akustoopisch durchgeführt werden.The screen technology used in laser television is known from television with picture tubes. The technique used here differs from this in that a total light beam 40 is used instead of an electron beam and the usual magnetic deflection in picture tubes is replaced by mechanical screening via polygon mirror 41 and swivel mirror 42 . However, the grid is not limited to mechanical aids. For example, it can also be carried out acousto-optically.

Weiter ist in der Fig. 1 eine Aufweitungsoptik und eine Fresnellinse dargestellt, die aber im Ausführungsbeispiel nur deswegen eingesetzt wurden, damit bei kleinen Ablenkwinkeln trotzdem ein großes Bild möglich war.Next 1 an expanding lens and a Fresnel lens is in the FIGS., But they were only used in the embodiment production so that still a large image was possible at small deflection angles.

Aufgrund der Kohärenz des Gesamtlichtbündels 40, das mit Hilfe von Lasern erzeugt wurde, ist dieses außerordentlich gut zur Erzeugung von Interferenzen geeignet. Diese ansonsten sehr positiv zu bewertende Eigenschaft von Laserstrahlen für gute Interferenzbilder ist bei einem Videoprojektionsgerät gemäß Fig. 1 aber äußerst störend. Jede kleine Störung des Lichtwegs führt nämlich zu Interferenzerscheinungen, die sich als glitzernde Punkte innerhalb jedes Bildpunktes, den sogenannten Speckle, äußert. Speckle wirken für den Bildbetrachter im allgemeinen störend und müssen beim Erzeugen eines akzeptablen Videobildes auf jeden Fall vermieden oder unterdrückt werden. Due to the coherence of the total light beam 40 , which was generated with the aid of lasers, it is extremely well suited for generating interference. This otherwise very positive property of laser beams for good interference images is extremely disturbing in a video projection device according to FIG. 1. Every small disturbance in the light path leads to interference phenomena, which are expressed as glittering points within each pixel, the so-called speckle. Speckle are generally annoying to the viewer and must be avoided or suppressed in any case when generating an acceptable video image.

Dies wird beim Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines strukturierten Schirms 43 geleistet. Wie dies bewirkt werden kann, wird im folgenden anhand von Fig. 2 näher erläutert.In the exemplary embodiment, this is done with the aid of a structured screen 43 . How this can be achieved is explained in more detail below with reference to FIG. 2.

In Fig. 2 ist die Richtung des Laserstrahls 40 durch den Pfeil 46 gekennzeichnet. Der auf der rechten Seite der Fig. 2 angedeutete Bildschirm 43 weist Streukörper 50 auf, mit denen das einfallende Laserlicht in verschiedene Richtungen gestreut wird, damit unter verschiedenen Blickwinkeln sitzende Beobachter ein gleich gutes Videobild möglichst gleicher Helligkeit betrachten können.The direction of the laser beam 40 is indicated in FIG. 2 by the arrow 46 . The screen 43 indicated on the right-hand side of FIG. 2 has scattering bodies 50 with which the incident laser light is scattered in different directions, so that observers sitting at different viewing angles can view an equally good video image with the same brightness as possible.

Die Speckle-Größe ergibt sich, wie aus der Interferenzoptik bekannt, im wesentlichen durch die Größe der interferierenden Strukturen. Dabei sind die Abmessungen der kleinsten Struktur im Interferenzbild im wesentlichen durch die größte, zur Interferenzbildung beitragende Fläche gegeben. Diese ist bei den Projektionsbedingungen beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 durch den Strahldurchmesser D des Laserstrahls gegeben. Man kann, wie aus der angegebenen Literatur bekannt, abschätzen, daß die Speckle-Größe danach durch gegeben sein sollte, wobei λ die Wellenlänge, L den Abstand der Laser 10, 20, 30 vom Bildschirm 43 und D den Durchmesser des auf den Schirm auftreffenden Laserstrahls bedeutet. In der Fig. 2 ist das Auftreten eines Speckles 52 jeweils durch drei Pfeile schematisch angedeutet, die an verschiedenen Orten von der Speckle 52 genannten Interferenzerscheinung ausgeht.As is known from interference optics, the speckle size essentially results from the size of the interfering structures. The dimensions of the smallest structure in the interference image are essentially given by the largest area contributing to interference formation. In the projection conditions in the exemplary embodiment of FIG. 1, this is given by the beam diameter D of the laser beam. It can be estimated, as is known from the literature given, that the speckle size should then be given by, where λ is the wavelength, L the distance of the lasers 10 , 20 , 30 from the screen 43 and D the diameter of the incident on the screen Means laser beam. In FIG. 2, the occurrence of speckle 52 is each indicated diagrammatically by three arrows, starts the interference phenomenon referred to in different locations of speckle 52.

Da die Streukörper 50 gleichmäßig über das Material des Bildschirms 43 verteilt sind, ist davon auszugehen, daß bei einem Schnitt senkrecht zur Flächennormalen des Bildschirms 43 in jeder Schicht ähnliche Speckle-Bilder auftauchen würden. Dies ist in Fig. 2 durch Speckle 52 in größerer Tiefe angedeutet. Der Durchmesser der Speckle wird sich von denen an der Oberfläche kaum unterscheiden, da L sich bei typischen Schirmdicken d im Millimeterbereich und Abständen vom Schirm in der Größenordnung von Metern nach der oben angegebenen Formel nur wenig ändert. Die Lage der Speckle kann jedoch in verschiedenen betrachteten Tiefen unterschiedlich sein. In Fig. 2 ist der ungünstigste Fall gezeigt, bei dem ein tieferliegendes Speckle 52 und ein Speckle 52 an der Oberfläche vom Bildschirm aus betrachtet übereinanderliegen würden.Since the scattering bodies 50 are distributed uniformly over the material of the screen 43 , it can be assumed that similar speckle images would appear in a slice in a cut perpendicular to the surface normal of the screen 43 . This is indicated in Fig. 2 by speckle 52 in greater depth. The diameter of the speckle will hardly differ from that on the surface, since L changes only slightly with typical screen thicknesses d in the millimeter range and distances from the screen in the order of meters according to the formula given above. However, the position of the speckle can be different at different depths. FIG. 2 shows the worst case in which a lower-lying speckle 52 and a speckle 52 on the surface would lie one above the other when viewed from the screen.

Zur Speckle-Reduktion wählt man nun die Tiefe d groß genug, nämlich so, daß das von größeren Tiefen im Bildschirm 43 erzeugte Licht von Specklen 52 auch in lokale Bereiche von Interferenzminima an der Oberfläche fällt, so daß der Kontrast verwischt wird. Das heißt, das Licht von tiefer im Bildschirm 43 erzeugten Specklen sollte ungefähr bis zur Hälfte des mittleren Speckle-Abstands d zurückfallen.For the speckle reduction, the depth d is now chosen to be large enough, namely such that the light from speckles 52 generated by greater depths on the screen 43 also falls into local areas of interference minima on the surface, so that the contrast is blurred. That is, the light from speckles generated deeper in the screen 43 should fall back approximately to half the average speckle distance d.

Die Verteilung des von einer größeren Tiefe d bis zur Oberfläche des Schirms d zurückfallenden Lichts mit der Gesamtintensität 1 kann man für jeden Streuwinkel Θ einer auf 1 normierten Streuwinkelverteilung (fΘ) für einen Streukörper 52 ansetzen alsThe distribution of the light falling back from a greater depth d to the surface of the screen d with the total intensity 1 can be used for each scattering angle Θ of a scattering angle distribution (fΘ) standardized to 1 for a scattering body 52 as

wobei x die Weglänge des Lichts vom Streukörper 50 zur Oberfläche ist. Bei einen Θ und sehr geringen Dicken d, bei der weitere Streuungen des an die Oberfläche zurückfallenden Lichts unberücksichtigt bleiben können, läßt sich x darstellen als .where x is the path length of the light from the diffuser 50 to the surface. With a Θ and very small thicknesses d, at which further scattering of the light returning to the surface can be disregarded, x can be represented as.

Man erhält so für die kritische Dicke d_krit, bei der eine wirksame Speckle-Reduktion aufgrund zusätzlichem Licht in den Interferenzminima aus größeren Tiefen unter der Oberfläche zu erwarten ist, die GleichungThe critical thickness d _crit , at which an effective speckle reduction due to additional light in the interference minima from greater depths below the surface can be expected, is obtained in this way

wobei der Mittelwert des cos²Θ definiert ist durch:the mean of cos²Θ is defined by:

Damit ist eine Bildschirmdicke d_krit definiert, ab der man eine Reduktion der Speckle erwarten kann. Bei größeren Schichtdicken werden die Speckle noch mehr verringert, da dann der Lichtanteil durch nicht zu vernachlässigende Beiträge von tieferen Schichten eine weitere Verringerung des Kontrastes zwischen Intensitätsmaxima und Intensitätsminima liefert.This defines a screen _thickness d _crit , from which one can expect a reduction in the speckle. With larger layer thicknesses, the speckle is reduced even more, since the light component then provides a further reduction in the contrast between intensity maxima and intensity minima due to contributions from deeper layers that are not negligible.

Im Falle, daß D² < λL ist, sind die aufgrund des endlichen Strahldurchmessers D gegebenen Speckle kleiner als der Strahldurchmesser D selbst. Dann erwartet man, daß der Stahldurchmesser D die Speckle-Größe wesentlich bestimmt, man kann deswegen für b eine Abschätzung verwenden, die darauf beruht, daß b ungefähr dem doppelten Speckle- Durchmesser ist. Bei Einzelstrukturen ist nämlich die Interferenz sehr unscharf, so daß sich der Funktionsverlauf durch einfache Sinus- bzw. Kosinusfunktionen annähern läßt. Der Abstand zweier Maxima ist dann ungefähr gleich der doppelten Breite eines Maximums. Daraus ergibt sich, daßIn the case where D² <λL, they are given due to the finite beam diameter D. Speckle smaller than the beam diameter D itself. Then one expects that the Steel diameter D essentially determines the size of the speckle, which is why b use an estimate based on the fact that b is approximately twice the speckle Diameter is. In the case of individual structures, the interference is very fuzzy, so that the course of the function can be approximated by simple sine or cosine functions. Of the The distance between two maxima is then approximately twice the width of a maximum. It follows that

gewählt werden sollte, um Speckle-Erscheinungen wirksam zu verringern.should be chosen to effectively reduce speckle appearances.

Vorstehend ist schon mehrfach der Begriff des Kontrastes erwähnt worden. Der Speckle- Kontrast K bei einer Dicke d wird im folgenden definiert alsThe concept of contrast has been mentioned several times above. The speckle Contrast K at a thickness d is defined below as

wobei I_max die Lichtintensität in einem Speckle ist und I_min die Lichtintensität in einem Interferenzminimum. Diese Größe ist in Fig. 3 abhängig vom Verhältnis aufgetragen.where I _{max is} the light intensity in a speckle and I _{min is} the light intensity in an interference _minimum . This size is plotted in Fig. 3 depending on the ratio.

Die Graphik zeigt, daß bei Erhöhung von I_min, das heißt bei größeren Dicken d, aufgrund derer die Interferenzerscheinungen durch Licht aus größeren Tiefen noch mehr "verwischt" werden, der Kontrast drastisch abgesenkt ist.The graph shows that when I _{min is increased} , that is to say with larger thicknesses d, due to which the interference phenomena are "blurred" even more by light from greater depths, the contrast is drastically reduced.

Es hat sich nun herausgestellt, daß bei Speckle-Kontrasten kleiner als 0,2 und insbesondere kleiner gleich 0,05 der Speckle-Kontrast physiologisch nicht mehr wahrnehmbar ist.It has now been found that speckle contrasts are less than 0.2 and in particular less than or equal to 0.05 the speckle contrast is no longer perceptible physiologically.

Will man also die Speckle nicht nur verringern, sondern physiologisch vollständig beseitigen, kann man die Kontrastgröße K(d) also in Abhängigkeit der Dicke messen und dann die Dicke d des Bildschirms 43 so wählen, daß K(d) kleiner als 0,2 und insbesondere kleiner als 0,05 wird.So if you want to not only reduce the speckle, but completely eliminate it physiologically, you can measure the contrast size K (d) depending on the thickness and then choose the thickness d of the screen 43 such that K (d) is less than 0.2 and in particular less than 0.05.

Ein weniger aufwendiges, nachfolgend erläutertes Verfahren zur angenäherten Bestimmung der optimalen Schichtdicke verwendet den Kontrast bei der kritischen Dicke d_krit. Zur Ermittlung des Kontrastes K(d_krit) wird dieser entweder aufgrund der obigen Überlegungen bei der kritischen Schichtdicke d_krit mathematisch abgeschätzt, wobei auch bisher nicht betrachtete Reflexion und Vielfachstreuung des von den Streukörpern ausgehenden Lichtbündels 50 berücksichtigt wird, oder man mißt den Kontrast K(d_krit) einfach bei der kritischen Dichte d_krit.A less complex method, explained below, for the approximate determination of the optimal layer thickness uses the contrast at the critical thickness d _crit . To determine the contrast K (d _crit ), this is either mathematically estimated on the basis of the above considerations for the critical layer thickness d _crit , reflection and multiple scattering of the light bundle 50 emanating from the scattering bodies which have not previously been taken into account, or the contrast K ( d _crit ) simply at the critical density d _crit .

Da sich Kontrastgrößen K näherungsweise multiplizieren, ist dann der GesamtkontrastSince contrast values K multiply approximately, the total contrast is then

Damit ergibt sich leicht eine Abschätzung für die Dicke, bei der Kontraste physiologisch nicht mehr erfaßbar sind, nämlich:This makes it easy to estimate the thickness at which the contrasts are physiological are no longer detectable, namely:

Dabei ist f eine Zahl, die beschreibt, inwieweit der Kontrast der Speckle beim Bildschirm 43 unterdrückt werden soll. Gemäß den obigen Betrachtungen ist f also eine Zahl kleiner 0,2 und insbesondere kleiner gleich 0,05, wenn der Speckle-Kontrast unter der Wahrnehmungsgrenze liegen soll.Here, f is a number that describes the extent to which the contrast of the speckle on the screen 43 is to be suppressed. According to the above considerations, f is a number less than 0.2 and in particular less than or equal to 0.05 if the speckle contrast is to be below the perception limit.

Im Ausführungsbeispiel wurde Teflon® verwendet, Ausgangsprodukt für derartige Bildschirme oder Schichten eines Bildschirms (43) ist Teflon®-Granulat mit einer Korngröße im Bereich von 20 µm bis 800 µm, die durch einen Sinterprozeß als Platte oder Schicht geformt sind. Teflon® zeigt ein sehr hohes Streuvermögen, wobei sichtbares Licht praktisch nicht absorbiert wird.In the exemplary embodiment, Teflon® was used; the starting product for such screens or layers of a screen ( 43 ) is Teflon® granulate with a grain size in the range from 20 μm to 800 μm, which are formed as a plate or layer by a sintering process. Teflon® shows a very high scattering capacity, whereby visible light is practically not absorbed.

Teflon® ist ferner ein sehr guter Volumenstreuer und hat eine Struktur, wie sie beispielsweise in dem Artikel "A Correlation of Mechanical Properties and Microstructure of Polytetrafluoroethylene at Various Temperatures", C.J. Speerschneider und C.H. Li aus Joumal of Applied Physics, Vol. 34, Nr. 10, Oktober 1963, S. 3004 bis 3007 dargestellt ist.Teflon® is also a very good volume spreader and has a structure like this for example in the article "A Correlation of Mechanical Properties and Microstructure of Polytetrafluoroethylene at Various Temperatures ", C.J. Speerschneider and C.H. Li Joumal of Applied Physics, Vol. 34, No. 10, October 1963, pp. 3004 to 3007.

Diese Struktur ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. Teflon® besteht im wesentlichen aus mehreren Körnern 50. Die verwendete Korngröße des Teflon®-Bildschirms 43 im Ausführungsbeispiel beträgt etwa 400 µm. Die Körner schließen jedoch weitere Strukturen ein, die in der Literatur als Kristallite bezeichnet werden, obwohl für eine kristallische Struktur im Sinne einer regelmäßigen Atomanordnung gegenwärtig kein experimenteller Anhaltspunkt vorliegt. Diese Strukturen 56 haben ungefähr schlangenförmigen Verlauf und weisen eine Dicke von ungefähr 0,5 µm bis 1 µm bei einer Länge von ungefähr 100 µm auf. This structure is shown schematically in FIG. 4. Teflon® essentially consists of several grains 50 . The grain size of the Teflon® screen 43 used in the exemplary embodiment is approximately 400 μm. However, the grains include other structures which are referred to in the literature as crystallites, although there is currently no experimental evidence for a crystalline structure in the sense of a regular atomic arrangement. These structures 56 have an approximately serpentine shape and have a thickness of approximately 0.5 μm to 1 μm and a length of approximately 100 μm.

Zwischen diesen "Kristalliten" 56 befindet sich eine andere Phase von Teflon®, die üblicherweise als amorphe Phase bezeichnet wird.Between these "crystallites" 56 is another phase of Teflon®, which is usually referred to as an amorphous phase.

Bei dem Bildschirm 43 des Ausführungsbeispiels wurde Teflon®-Material verwendet, welches nur einen geringfügigen Brechungsindexunterschied zwischen der amorphen Phase 54 und dem "Kristallit" 56 aufwies. Meßtechnisch wurde abgeschätzt, daß die Brechungsindexdifferenz kleiner als 0,1 war. Der Brechungsindex der einzelnen Körner 50 selbst würde nach diesen Messungen im Bereich von 1,2 bis 1 ,4 liegen.Teflon® material was used in the screen 43 of the exemplary embodiment, which had only a slight refractive index difference between the amorphous phase 54 and the “crystallite” 56 . It was estimated by measurement that the refractive index difference was less than 0.1. According to these measurements, the refractive index of the individual grains 50 themselves would be in the range from 1.2 to 1.4.

Die Dielektrizitätskonstante von Teflon® hat nach Literaturangaben den Wert 2. Über die Maxwellsche Beziehung ergäbe sich damit ein Brechungsindex von 1,4, in guter Übereinstimmung mit dieser Messung bei Laserlicht.According to the literature, the dielectric constant of Teflon® has the value 2. About the Maxwell's relationship would result in a refractive index of 1.4, which is good Accordance with this measurement with laser light.

Damit ist der Bildschirm 43 durch folgende Eigenschaften vorteilhaft charakterisiert:
Die mittlere Ausdehnung der Streukörper 50 des Bildschirms ist 400 nm, also kleiner als 0,5 mm und größer als 0,1 mm. Weiter erfolgt die Streuung aufgrund lokaler Fluktuation bezüglich des Brechungsindexes, nämlich des Brechungsindexes zwischen den Streukörpern 50 und des Brechungsindexes des Streukörpers (1,2 bis 1,4) selbst. Bei den Kristalliten 56 enthalten die Streukörper 50 in ihrem Inneren kleinere Strukturen, deren geringste Abmessung kleiner als 10 µm und sogar nur 0,5 bis 1 µm sind. Meßtechnisch konnte auch sichergestellt werden, daß der Brechungsindex innerhalb der im Schirm enthaltenen Strukturen variiert.The screen 43 is thus advantageously characterized by the following properties:
The mean dimension of the scattering bodies 50 of the screen is 400 nm, that is to say less than 0.5 mm and greater than 0.1 mm. Furthermore, the scattering occurs due to local fluctuation with respect to the refractive index, namely the refractive index between the scattering bodies 50 and the refractive index of the scattering body (1.2 to 1.4) itself. With the crystallites 56 , the scattering bodies 50 contain smaller structures in their interior, the smallest of which Dimensions are smaller than 10 µm and even only 0.5 to 1 µm. In terms of measurement technology, it was also possible to ensure that the refractive index varied within the structures contained in the screen.

Totalreflexion an den Korngrenzen der Streukörper 50 wird ferner weitestgehend vermieden, da der Brechungsindex kleiner als 1,5 ist.Total reflection at the grain boundaries of the scattering bodies 50 is also largely avoided since the refractive index is less than 1.5.

Bei Laserlicht mit einer Kohärenzlänge von 4 cm wurde weiter beobachtet, daß sich ein Speckle-Kontrast unterhalb von 0,05 ergibt, wenn der Teflon®-Schirm (43) eine Dicke d zwischen 3 mm und 4 mm aufweist. Diese Dicke ist mit allen vorhergehenden Betrachtungen in Übereinstimmung. Seltsamerweise hat sich jedoch gezeigt, daß bei Laserlicht mit einer größeren spektralen Verbreiterung, d. h. einer Kohärenzlänge kleiner als 1 mm, eine wesentlich geringere Dicke erforderlich war als bei den Versuchen mit einer Kohärenzlänge von 4 cm. Dies läßt sich einmal darauf zurückführen, daß der Kontrast nicht nur durch die Streuungen in dem Material des Bildschirms 43 bedingt ist, sondern auch durch eine über die BeziehungIn the case of laser light with a coherence length of 4 cm, it was further observed that a speckle contrast below 0.05 results when the Teflon® screen ( 43 ) has a thickness d between 3 mm and 4 mm. This thickness is consistent with all previous considerations. Strangely, however, it has been shown that laser light with a larger spectral broadening, ie a coherence length of less than 1 mm, required a much smaller thickness than in the experiments with a coherence length of 4 cm. This can be attributed to the fact that the contrast is not only due to the scatter in the material of the screen 43 , but also due to the relationship

für die Kohärenzlänge S, die Wellenlänge λ und Breite Δλ der spektralen Verteilung gegebene Verschmierung der Speckle aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen des Laserlichts. Wie vorstehend schon dargestellt wurde, hängt die Speckle-Größe auch von der Wellenlänge ab und würde eine Kontrast-Reduktion aufgrund eines Wellenlängenspektrums plausibel machen.for the coherence length S, the wavelength λ and Width Δλ of the spectral distribution given the smear of the speckle different wavelengths of laser light. As has been shown above, the speckle size also depends on the wavelength and would reduce contrast make plausible based on a wavelength spectrum.

Der angegebene Kontrast ist daher nicht nur durch Licht aus unterschiedlicher Tiefe gegeben, sondern wird auch durch andere Effekte beeinflußt, die scharfe Interferenzen verringern können. Dazu gehört beispielsweise auch eine Polarisationsänderung und die endliche Linienbreite Δλ. Diese ist in den obigen formelmäßigen Angaben für den Kontrast K(d) allgemein berücksichtigt, da diese Größe rein phänomenologisch über Meßwerte beobachtbarer Intensitäten I_max und I_min definiert ist.The specified contrast is therefore not only given by light from different depths, but is also influenced by other effects that can reduce sharp interference. This includes, for example, a change in polarization and the finite line width Δλ. This is generally taken into account in the formulas given above for the contrast K (d), since this variable is defined purely phenomenologically by the observable intensities I _max and I _min .

Im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 wurden Laser verschiedener Spektrallinien eingesetzt, um die optimale Teflondicke bei verschiedenen Spektralbreiten, d. h. unterschiedlichen Kohärenzlängen herauszufinden. Es ergab sich damit für Teflon® eine annähernde Wurzelbeziehung, die sich am besten beschreiben läßt alsIn the exemplary embodiment in FIG. 1, lasers of different spectral lines were used in order to find out the optimal Teflon thickness at different spectral widths, ie different coherence lengths. This resulted in an approximate root relationship for Teflon®, which can best be described as

d = (0,04 cm*S)^1/2 ± 25%d = (0.04 cm * S) ^1/2 ± 25%

für die Dicke der optimalen Speckle-Reduktion. Optimale Speckle-Reduktion heißt hier, daß die Speckle physiologisch nicht mehr erfaßbar sind.for the thickness of the optimal speckle reduction. Optimal speckle reduction here means that the speckle are no longer physiologically detectable.

Dadurch, daß die angegebene Näherung durch Beobachtungen erfaßt wurde, erklärt sich auch der große Fehler von 25%, da hier die subjektive Beurteilung eine Rolle spielen, ob Speckle nun sichtbar sind oder nicht. Der große Fehler ergibt sich vor allem durch den geringen geforderten Kontrast k = 0,05.The fact that the indicated approximation was determined by observations explains itself also the big mistake of 25%, since the subjective assessment plays a role here, whether Speckle are now visible or not. The big mistake comes mainly from the low required contrast k = 0.05.

Die dargestellte Lösung, Speckle bei einem Videogerät gemäß Fig. 1 durch Auswahl eines geeigneten Schirms und einer geeigneten Schirmdicke wirkungsvoll zu vermeiden, stellt gegenüber den sonst in der Literatur dargestellten Methoden zur Vermeidung von Speckle eine außerordentlich einfache Lösung dar, die es auch gestattet, Videogeräte der genannten Art kostengünstig und wartungsfreundlich herzustellen.The solution shown to effectively avoid speckle in a video device according to FIG. 1 by selecting a suitable screen and a suitable screen thickness represents an extraordinarily simple solution compared to the methods for avoiding speckle otherwise shown in the literature, which also allows video devices of the type mentioned inexpensive and easy to maintain.

Claims

1. Device with a laser ( 10 , 20 , 30 ) and a screen ( 43 ) for image generation, in which this or a layer of this has a plurality of scattering structures ( 50 ), characterized in that the thickness d of the screen ( 43 ) or the layer, determined in the direction of propagation of a laser beam ( 40 ) emitting from the laser ( 10 , 20 , 30 ), is greater than a critical thickness d _crit , which is derived from the mean distance b from the laser beam to a surface of the Layer or the screen generated interference maxima known as speckle ( 52 ), calculated as: where <cos²Θ <is the mean value of the cosine square of the scattering angle Θ for a scattering angle distribution characterizing the deflection of the laser beam ( 40 ) on the structures ( 50 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that at a distance L of the screen ( 43 ) from the laser ( 10 , 20 , 30 ) and a diameter D and a center wavelength λ of the laser beam emanating from the laser, the relationship D² <λL applies and the thickness or layer thickness d is greater than is.

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized by a thickness d, in which a function curve of a contrast variable K (d) depending on the thickness d assumes a value less than 0.20 and in particular less than or equal to 0.05, wherein this Function course of the contrast size as The maximum light intensity I _max and minimum light intensity I _{min can be measured} in a region uniformly illuminated by the laser beam ( 40 ) at a respective layer thickness d on a surface of the screen ( 43 ).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the thickness is the same , where f is a number less than 0.20 and in particular less than or equal to 0.05 I _{max is} the maximum and I _{min is} the minimum light intensity within a region which is uniformly illuminated by the laser ( 10 , 20 , 30 ) on a screen ( 43 ) with the thickness d _crit .

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the average dimension of the scattering structures ( 50 ) of the screen ( 43 ) is less than 0.5 mm and in particular less than / equal to 0.1 mm.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the screen has local fluctuations with respect to the refractive index due to the structures ( 50 ).

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the scattering structures ( 50 ) contain smaller structures ( 56 ) inside, the smallest dimension of which is less than 10 µm and in particular less than 1 µm.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the refractive index varies within the structures contained in the screen ( 50 , 56 ).

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the refractive index within the structures ( 50 , 56 ) is less than 1.5.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the screen ( 43 ) consists of sintered PTFE (Teflon®).

11. The device according to claim 10, characterized in that the thickness d is larger than 1 mm and in particular larger than 3 mm.

12. The apparatus of claim 10 or 11, characterized in that the light of the laser ( 10 , 20 , 30 ) has a coherence length S and the thickness d = (0.04cm * S) is ^1/2 ± 25% or greater.