DE19645978C2

DE19645978C2 - Image display device

Info

Publication number: DE19645978C2
Application number: DE1996145978
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: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2016-11-08
Also published as: DE19645978A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bilddarstellung, mit einem Laser, der bei einer vorgegebenen Wellenlänge ein aus mehreren Teilstrahlen bestehendes Laserstrahlenbündel definierter Kohärenzlänge aussendet, und mit einer im Strahlengang des ausgesendeten Laserstrahlenbündels angeordneten ersten Optikeinrichtung, die den einzelnen Teilstrahlen Phasenverschiebungen gemäß einer vorgegebenen Verteilung aufprägt.The invention relates to a device for image display, with a laser, which at a predetermined wavelength a laser beam consisting of several partial beams emits a defined coherence length, and with one in the beam path of the emitted Laser beam arranged first optical device, the individual beams Imprints phase shifts according to a predetermined distribution.

Die bekanntesten und heutzutage am weitesten verbreiteten Vorrichtungen für Laser zur Bilddarstellung sind Laserdrucker, bei denen mit einem Laserstrahl die zu druckende Information auf eine lichtempfindliche Trommel geschrieben wird, diese Trommel an den mittels Laserlicht belichteten Stellen mit einem Toner behaftet wird, der dann wiederum zum Drucken auf Papier übertragen wird.The best known and most widely used devices for lasers Image display are laser printers in which the information to be printed is displayed with a laser beam a photosensitive drum is written, this drum on the exposed by laser light Places are contaminated with a toner, which in turn is then transferred to paper for printing.

Andere Vorrichtungen, wie sie beispielsweise aus der DE 195 01 525 C1 bekannt sind, die eine gattungsmäßige Vorrichtung beschreibt, verwenden den Laser zum sequentiellen Beleuchten von Punkten auf einem Bildschirm. Aufgrund der Trägheit des Auges werden die einzelnen Lichtpunkte auf dem Bildschirm gemittelt, so daß ein Beobachter die Bildinformation als Videobild wahrnimmt.Other devices, such as are known for example from DE 195 01 525 C1, the one describes generic device, use the laser for sequential lighting Dots on a screen. Due to the sluggishness of the eye, the individual light spots are on the screen averaged so that an observer perceives the image information as a video image.

Bei beiden Arten von Vorrichtungen werden Laser insbesondere deswegen eingesetzt, um eine hohe Punktauflösung zu erzielen, die im wesentlichen wegen der hohen Parallelität von Laserstrahlen erreichbar ist. Ein weiterer Vorteil des Lasers gegenüber anderen Lichtquellen ist die hohe Energiedichte, die vor allem bei Videosystemen der genannten Art zweckmäßig ist, damit auch bei einer sehr großen Projektionsfläche mit Bildschirmdiagonalen größer als 1,50 m oder sogar Kinoleinwänden eine Bilddarstellung mit geeignet hoher Leuchtdichte möglich wird.In both types of devices, lasers are used in particular to achieve a high level To achieve point resolution, essentially because of the high parallelism of laser beams is achievable. Another advantage of the laser over other light sources is its high level Energy density, which is particularly useful in video systems of the type mentioned, and therefore also in a very large projection surface with screen diagonals larger than 1.50 m or even Cinema screens an image display with a suitably high luminance is possible.

Die diesbezüglichen Vorteile des Lasers beruhen auf der stimulierten Emission von Photonen, die allerdings auch zu hoher Kohärenz des vom Laser ausgehenden Laserstrahls führt. Diese ansonsten positive Eigenschaft der Kohärenz ist jedoch bei der Bilddarstellung störend, denn diese kann zu Interferenzstrukturen führen, die sich im dargestellten Bild als glitzernde Punkte äußern. Diese Speckle genannten Interferenzerscheinungen verfälschen die Bildwiedergabe und sind für eine optimale Bilddarstellung nicht tolerierbar.The advantages of the laser in this regard are based on the stimulated emission of photons however, the coherence of the laser beam emanating from the laser is also too high leads. However, this otherwise positive property of coherence is in the image display disturbing, because this can lead to interference structures, which can be seen as express glittering dots. Falsify these interference phenomena called speckle the image reproduction and are intolerable for an optimal image display.

In dem Übersichtsartikel "Speckle Reduction in Coherent Information Processing" von Toshiaki Iwai und Toshimitsu Asakura, Proceedings of the IEEE, Bd. 84, Nr. 5, Mai 1996, sind verschiedene Möglichkeiten zur Reduktion von Speckle angegeben. Dabei ist insbesondere eine Graphik interessant, die zeigt, daß die Anzahl von Veröffentlichungen von 1970 bis 1990 ständig angestiegen ist, was ein deutlicher Hinweis darauf ist, daß bisher noch keine befriedigende Lösung für eine Speckle-Reduktion gefunden wurde.In the review article "Speckle Reduction in Coherent Information Processing" by Toshiaki Iwai and Toshimitsu Asakura, Proceedings of the IEEE, Vol. 84, No. 5, May 1996, there are various options for reducing speckle. It is Particularly interesting is a graphic that shows that the number of publications by 1970 to 1990 rose steadily, which is a clear indication that so far no satisfactory solution for speckle reduction was found.

Der Übersichtsartikel enthält theoretische Berechnungen zur Reduktion der Speckle. Weiter werden verschiedene Verfahren angegeben, in denen die räumliche oder zeitliche Kohärenz von Laserstrahlen gestört wird. Insbesondere geht man dabei von der Vorstellung aus, daß aufgrund lokaler oder räumlicher Änderungen des Laserstrahls die Speckle verwischt werden, so daß der Kontrast der Speckle verringert ist.The review article contains theoretical calculations for reducing speckle. Continue Various methods are specified in which the spatial or temporal coherence is disturbed by laser beams. In particular, one starts from the idea that the speckle is blurred due to local or spatial changes in the laser beam be so that the contrast of the speckle is reduced.

Eine lokale Störung der Kohärenz wurde auch in der schon genannten DE 195 01 525 C1 mit Hilfe einer Phasenplatte versucht. Diese Phasenplatte befindet sich im Weg des Lasers und beaufschlagt verschiedene Teilstrahlen des Laserstrahls mit verschiedenen Phasen in der Größenordnung der Wellenlänge. Insbesondere sind die einzelnen Bereiche auf der Phasenplatte zum Erzeugen der verschiedenen Phasendifferenzen stochastisch verteilt, so daß man davon ausgehen sollte, daß die Phasen der einzelnen Teillichtstrahlen ähnlich verteilt sind wie das Licht herkömmlicher Lichtquellen.A local disturbance of the coherence was also described in DE 195 01 525 C1 Tried using a phase plate. This phase plate is in the path of the laser and acts on different partial beams of the laser beam with different phases in the Magnitude of the wavelength. In particular, the individual areas are on the Phase plate for generating the different phase differences stochastically distributed, see above that one should assume that the phases of the individual partial light beams are similar are distributed like the light of conventional light sources.

Experimentell wurde bestätigt, daß mit einer derartigen Phasenplatte eine deutliche Speckle- Reduktion möglich ist. Allerdings wurde beobachtet, daß die einzelnen Strukturen in der Phasenplatte, die zu einer Phasenverschiebung geeigneter Größe eines Teilstrahls führen, zu neuen Beugungserscheinungen Anlaß geben. Die Lichtbündel aller Beugungsordnungen müssen deswegen durch eine Linse kollimiert werden, und das Strahlprodukt des Laserlichts wurde aufgrund dieser Beugung leicht verschlechtert. Weiter wurde beobachtet, daß im Projektionsbild das Raster der Phasenplatte erkennbar war, was darauf hinweist, daß trotz Phasenplatte noch ein genügend großer Speckle-Kontrast vorhanden war, der vom Auge erfaßt werden kann.It was confirmed experimentally that with such a phase plate a clear speckle Reduction is possible. However, it was observed that the individual structures in the Phase plate, which lead to a phase shift of a suitable size of a partial beam, give rise to new signs of diffraction. The light beams of all diffraction orders must therefore be collimated by a lens and the beam product of the laser light was slightly deteriorated due to this diffraction. It was also observed that in Projection image the grid of the phase plate was recognizable, indicating that despite Phase plate still a sufficiently large speckle contrast was present, that of the eye can be detected.

Den Nachteil des verringerten Strahlproduktes könnte man jedoch beheben, wenn man keine gesonderte Phasenplatte verwenden würde, sondern einen Schirm mit Streukörpern, bei dem durch statistische Streuung unterschiedliche Phasenverschiebung aufgrund unterschiedlicher Weglängen erzeugt werden. Versuche haben allerdings gezeigt, daß derartige Bildschirme mit Weglängendifferenzen in der Größenordnung einiger Wellenlängen für verschiedene Photonen des Laserstrahls nicht zum gewünschten Erfolg der Beseitigung der Speckle führen.The disadvantage of the reduced blasting product could, however, be remedied if one did not would use a separate phase plate, but a screen with diffusers, in which due to statistical scatter different phase shift due to different Path lengths are generated. However, tests have shown that such screens with path length differences of the order of a few wavelengths for different ones Photons of the laser beam fail to achieve the desired success in removing the speckle to lead.

Man könnte also annehmen, daß sich das Laserlicht, bei dem die Speckle auftreten, noch in anderen physikalischen Eigenschaften wesentlich vom Licht anderer Lichtquellen unterscheidet, bei dem bisher keine Speckle beobachtet wurden. Eine weitere physikalische Größe zur Charakterisierung einer Lichtquelle ist die Kohärenzlänge. Normales Licht weist üblicherweise wesentlich geringere Kohärenzlängen als Laserlicht auf.One could therefore assume that the laser light in which the speckle occurs is still in other physical properties significantly from the light of other light sources differs, in which no speckle has been observed so far. Another physical The size for characterizing a light source is the coherence length. Normal light points usually much shorter coherence lengths than laser light.

In der WO 96/08116 wird berichtet, daß mit einem gepulsten Laser mit einer Pulszeit von 1 ps, also einer Kohärenzlänge von 0,3 mm, ein wesentlich geringerer Speckle-Kontrast beobachtet wurde als bei Beleuchtung derselben Leinwand mit einem He-Ne-Laser. Ob dieser beobachtete Effekt allerdings auf die verringerte Kohärenzlänge oder auf den speziellen Aufbau des Lasers zurückzuführen ist, ist a priori nicht erkennbar. Im übrigen wird zwar durch das Pulsen die Kohärenzlänge verändert, jeder Puls enthält aber, damit überhaupt eine geeignete Leuchtdichte erzeugt werden kann, eine wesentlich höhere Photonendichte als bei kontinuierlichem Betrieb, so daß eine Interferenz durch eine Vielzahl von Photonen sogar verstärkt sein sollte. Der einzige Effekt, der eine Speckle-Reduktion ermöglichen könnte, ist die größere spektrale Breite Δλ. Wie man aber über die bekannte Gleichung Δλ = λ²/L und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Breite eines Interferenzmaximums im wesentlichen proportional zur Wellenlänge λ ist, ausrechnet, kann diese spektrale Verbreiterung nach bisherigem Verständnis der Speckle-Entstehung die beobachtete Reduktion beim Pulsen nicht erklären.WO 96/08116 reports that a much lower speckle contrast was observed with a pulsed laser with a pulse time of 1 ps, ie a coherence length of 0.3 mm, than when the same screen was illuminated with a He-Ne laser . It is not possible to determine a priori whether this observed effect is due to the reduced coherence length or the special structure of the laser. Incidentally, the coherence length is changed by the pulsing, but each pulse contains, so that a suitable luminance can be generated at all, a much higher photon density than in continuous operation, so that interference by a large number of photons should even be increased. The only effect that could make a speckle reduction possible is the larger spectral width Δλ. However, as is calculated using the well-known equation Δλ = λ ² / L and taking into account the fact that the width of an interference maximum is essentially proportional to the wavelength λ, this spectral broadening can, according to the previous understanding of speckle formation, the observed reduction in pulsing not explain.

Insbesondere zeigen die Meßdaten in der WO 96/08116 noch eine kleine Speckle-Struktur. Sollte die Deutung richtig sein, daß die Speckle-Struktur im wesentlichen von der gewählten Kohärenzlänge abhängt, müßte man auch bei anderen Lichtquellen, wie beispielsweise einer Gasentladungslampe mit ähnlicher Kohärenzlänge (1 ps entspricht L ≈ 0,3 mm), ein ähnliches Speckle-Bild erzeugen können. Das wurde in der Literatur bisher nicht berichtet.In particular, the measurement data in WO 96/08116 still show a small speckle structure. Should the interpretation be correct that the speckle structure is essentially different from the one chosen Coherence length depends, you would also have to with other light sources, such as one Gas discharge lamp with a similar coherence length (1 ps corresponds to L ≈ 0.3 mm) can produce a similar speckle image. This has not been reported in the literature so far.

Diese Überlegungen zeigen, daß die Entstehung der Speckle praktisch nicht verstanden ist, so daß jede Methode der Speckle-Reduktion nur wenig begründet ist.These considerations show that the origin of the speckle is practically not understood, so that every method of speckle reduction is only slightly justified.

Dies hat technisch den Nachteil, daß man eine der Literatur entnommene Methode zur Speckle-Reduktion nicht unbedingt auf andere und nicht einmal auf ähnliche Vorrichtungen übertragen kann. Aufgrund des Fehlens einer allgemeinen Lehre zur Speckle-Entstehung, aus der man auf entsprechende Reduktionsmechanismen schließen könnte, ist es sogar denkbar, daß ein Verfahren zur Speckle-Reduktion, welches zufällig bei einem Prototyp wirksam ist, bei der Serienproduktion unüberwindliche Schwierigkeiten bereitet. Mit keinem der bekannten Verfahren kann also sichergestellt werden, daß eine genügend hohe Reproduzierbarkeit erzielt wird.Technically, this has the disadvantage that one can use a method taken from the literature Speckle reduction is not necessarily on other and not even on similar devices can transmit. Due to the lack of a general lesson on speckle formation, from which one could infer appropriate reduction mechanisms, it is even conceivable that a Process for speckle reduction, which happens to be effective in a prototype in which Series production presents insurmountable difficulties. None of the known methods can thus ensure that a sufficiently high reproducibility is achieved.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung so zu verbessern, daß eine wirkungsvolle, allgemein anwendbare und reproduzierbare Speckle-Reduktion möglich ist.The object of the invention is to improve a generic device so that a effective, generally applicable and reproducible speckle reduction is possible.

Die Aufgabe wird mittels einer Phasenverschiebungsverteilung des Laserlichts gelöst, bei der der mittlere Weg, der sich aus dem Verhältnis aus dem quadratischen Mittelwert der Phasenverschiebung, gebildet über die Verteilung, und dem Betrag des Wellenvektors
The object is achieved by means of a phase shift distribution of the laser light, in which the mean path, which is formed from the ratio of the quadratic mean of the phase shift, over the distribution, and the magnitude of the wave vector

des Laserstrahlenbündels ergibt, größer als die Kohärenzlänge L multipliziert mit einem Faktor
of the laser beam is greater than the coherence length L multiplied by a factor

ist.is.

Diese Lösung ist überraschend. Aus der DE 195 01 525 C1 hätte man erwartet, daß die mittlere Phasenverschiebung in der Größenordnung einer Wellenlänge liegen sollte. Irgendeine Verbindung zur Kohärenzlänge ist aus dieser Druckschrift nicht herleitbar.This solution is surprising. From DE 195 01 525 C1 one would have expected that the middle one Phase shift should be on the order of a wavelength. Any connection the coherence length cannot be derived from this publication.

Die aus der WO 96/08116 bekannten Ergebnisse für eine Speckle-Reduktion hätten, wie vorstehend schon ausgeführt wurde, allenfalls zu dem Schluß führen können, daß der Aufbau des speziellen Lasertyps für die Speckle-Reduktion verantwortlich ist. Die vorgenannten Überlegungen haben diesbezüglich zu Zweifeln an der Wirksamkeit einer Reduktion Anlaß gegeben, da aufgrund der hohen Photonendichte und der Phasengleichheit eigentlich erwartet werden müßte, daß immer noch genügend Photonen im gleichen Zeitintervall kohärent sind.The results for a speckle reduction known from WO 96/08116 would have the same as above has already been carried out, can at best lead to the conclusion that the construction of the special Laser types is responsible for the speckle reduction. Have the above considerations In this regard, there is reason to doubt the effectiveness of a reduction because of the high Photon density and in-phase should actually still be expected enough photons are coherent in the same time interval.

Die Erfindung ist insbesondere dadurch charakterisiert, daß die durch die Phasenverschiebung erzeugten Wegdifferenzen allgemein mindestens
The invention is particularly characterized in that the path differences generated by the phase shift generally at least

sein müssen, wofür die Lehre der WO 96/08116 überhaupt keinen Anhaltspunkt gibt. must be, for which the teaching of WO 96/08116 gives no clue at all.

Diese Lehre beruht auf neuen Überlegungen, die nötig waren, um die eigenen experimentellen Ergebnisse geeignet zu interpretieren. Diese werden in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen weiter unten näher dargestellt. Vor allen Dingen hat sich dabei herausgestellt, daß zur Verwirklichung dieser Lehre kleine Strukturen zur Phasenänderung von Teilstrahlen, die in der DE 195 01 525 C1 gefordert sind, vermieden werden können, so daß die Erfindung ohne die als nachteilig erkannten, aufgrund der kleinen Strukturen entstehenden Beugungserscheinungen, mit der dadurch bedingten Verschlechterung des Strahlprodukts eingesetzt werden kann.This teaching is based on new considerations that were necessary to create your own experimental Interpret results appropriately. These are in connection with the embodiments shown in more detail below. Above all, it turned out that for the realization this teaching small structures for phase change of partial beams, which in DE 195 01 525 C1 can be avoided, so that the invention without the recognized as disadvantageous, diffraction phenomena arising from the small structures, with the resulting ones Deterioration of the blasting product can be used.

Da diese Lehre aufgrund allgemeiner theoretischer Überlegungen zur Speckle-Erzeugung gewonnen wurde, die mit allen diesbezüglich durchgeführten Experimenten übereinstimmt, besteht auch keine Veranlassung, die Übertragbarkeit dieser Lehre auf die verschiedensten Vorrichtungen, wie Laserdrucker, Videogeräte oder andere Vorrichtungen zur Bilddarstellung anzuzweifeln. Eine Reproduzierbarkeit der erfindungsgemäßen Speckle-Reduktion ist daher so gut wie möglich sichergestellt.Since this teaching is based on general theoretical considerations for speckle generation that is consistent with all experiments carried out in this regard, there is also none Reason, the transferability of this teaching to various devices, such as To question laser printers, video equipment or other imaging devices. A The reproducibility of the speckle reduction according to the invention is therefore as good as possible ensured.

In der folgenden Beschreibung wird anstatt der Bezeichnung "Optikeinrichtung" auch die Bezeichnung "Struktur" verwendet. "Brechungsindex" wird auch für "Brechzahl" benutzt und "Laserlicht" wird auch für "Laserstrahlenbündel" verwendet.In the following description, instead of the term "optical device", the term is also used "Structure" used. "Refractive index" is also used for "refractive index" and "laser light" also used for "laser beam".

Wie vorstehend erwähnt wurde, können die erfindungsgemäß notwendigen Phasenverschiebungen nicht nur stochastisch verteilt sein, sondern auch einem regelmäßigen Funktionsverlauf folgen, was die Erfindung vor allem auch von den sonst in der Literatur zu findenden Speckle- Reduktionsmethoden mittels stochastischer Verschmierung der Speckle-Strukturen deutlich abhebt. Die Phasenverschiebungen können beispielsweise auch durch Spiegel verwirklicht werden, aufgrund deren Anordnung verschiedene Photonen unterschiedliche Weglängen durchlaufen.As mentioned above, the phase shifts necessary according to the invention can not only be stochastically distributed, but also follow a regular course of function, whatever the invention above all from the speckles otherwise found in the literature Reduction methods using stochastic smearing of the speckle structures clearly stands out. The phase shifts can also be implemented, for example, by means of mirrors whose arrangement different photons go through different path lengths.

Die Vorrichtung läßt sich aber auch sehr einfach mittels einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung verwirklichen, bei der die erste Struktur aus transparentem Material besteht, in welchem sich stochastisch eingeschlossene Partikel mit einem gegenüber dem umgebenden Material erhöhten Brechungsindex befinden, wobei die Phasenverschiebungen aufgrund dieser Brechungsindex- Unterschiede erzeugt werden.The device can also be very easily by means of a preferred development of the Realize invention in which the first structure consists of transparent material in which stochastically enclosed particles with an increased compared to the surrounding material Refractive index, the phase shifts due to this refractive index Differences are generated.

Damit ist die Struktur beispielsweise mit kleinen transparenten Partikeln erhöhten Brechungsindexes innerhalb eines die Partikel zusammenhaltenden Stoffes möglich. Insbesondere sind dabei handelsübliche Materialien zur Fertigung beispielsweise bei Vorsehen der ersten Struktur in einem Bildschirm einsetzbar, wobei erfindungsgemäß die Dicke des Bildschirms dann so gewählt werden muß, daß der mittlere quadratische Mittelwert der Phasenverschiebung zu einer Weglänge führt, die größer als die angegebene Größe
This makes the structure possible, for example, with small transparent particles with an increased refractive index within a substance holding the particles together. In particular, commercially available materials for manufacturing can be used, for example, when the first structure is provided in a screen, the thickness of the screen then having to be chosen according to the invention such that the mean square mean of the phase shift leads to a path length which is greater than the specified size

ist. is.

Man kann also die Dicke der Struktur, das heißt den Weg den das Laserlicht durch diese Struktur nimmt, für alle möglichen Materialien zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lehre geeignet wählen. In die Bestimmung der Dicke, beispielsweise eines Bildschirms, geht aber wesentlich der ausgewählte Brechungsindex ein. Für praktische Anwendungen, insbesondere bei Laservideosystemen mit handelsüblichen Lasern, hat sich gezeigt, daß sich die Dicke der ersten Strukturen in vernünftigen Grenzen von nur einigen Millimetern Größe verwirklichen läßt, wenn der Brechungsindex der Partikel gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gegenüber dem umgebenden Material größer als 1,2 ist.So you can see the thickness of the structure, that is, the path that the laser light goes through Structure takes, for all possible materials for realizing the invention Choose suitable teaching. The determination of the thickness, for example of a screen, goes but essentially the selected refractive index. For practical applications, In particular in the case of laser video systems with commercially available lasers, it has been shown that the thickness of the first structures within reasonable limits of only a few millimeters in size can be realized if the refractive index of the particles according to a preferred Further development of the invention compared to the surrounding material is greater than 1.2.

Aus den vorhergehenden Überlegungen wird deutlich, daß die Partikel, die zu einer stochastischen Phasenverschiebung führen, auch nicht zu groß sein dürfen, damit sich eine adäquate Phasendifferenz aufgrund des Brechungsindex oder der Weglängenunterschiede einstellt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist diesbezüglich vorgesehen, daß die Partikel in Lichtausbreitungsrichtung kleiner als 0,5 mm und insbesondere mindestens einige der Partikel kleiner als 0,1 mm sind.From the previous considerations it is clear that the particles that lead to a lead stochastic phase shift, also must not be too large for a adequate phase difference due to the refractive index or the path length differences sets. According to an advantageous development of the invention in this regard provided that the particles in the direction of light propagation less than 0.5 mm and in particular at least some of the particles are smaller than 0.1 mm.

Vorstehend wurde schon angesprochen, daß die erste Struktur in Richtung des Laserlichts nur eine geringe Ausdehnung haben sollte. Um dies zu fördern, sieht eine vorzugsweise Weiterbildung vor, daß die erste Struktur Spiegel zum Vergrößern der Phasenverschiebung aufgrund einer Verlängerung der Wellenlänge des Laserlichts enthält.It has already been mentioned above that the first structure is in the direction of the laser light should have only a small extent. To promote this, one sees preferably Further training before that the first mirror structure to increase the phase shift contains due to an extension of the wavelength of the laser light.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zur Bilddarstellung ein Bildschirm vorgesehen, wobei die erste Struktur zumindest teilweise im Bildschirm selbst oder in einer Schicht des Bildschirms angeordnet ist.In another preferred development of the invention, a is used for image display Screen provided, the first structure at least partially in the screen itself or is arranged in a layer of the screen.

Aufgrund dieser Weiterbildung ist man bei der Auslegung der ersten Struktur nicht darauf angewiesen, das Strahlprodukt des Laserstrahls zu erhalten. Man erhält also einen größeren Freiheitsgrad für die Schaffung der ersten Struktur. Der Bereich des Bildschirms ist dafür unkritisch, da ein Bildschirm beispielsweise bei einem Videosystem selbst streuen soll, damit Beobachter aus verschiedenen Richtungen das Videobild sehen können und bei einem Bildschirm eine Verringerung des Strahlprodukts sogar gefordert ist.Because of this further training, the first structure is not designed accordingly instructed to obtain the beam product of the laser beam. So you get a bigger one Degree of freedom to create the first structure. The area of the screen is for that uncritical, since a screen, for example in a video system, should scatter itself with it Observers can see the video image from different directions and at one Screen a reduction in the jet product is even required.

Insbesondere erreicht man besonders kleine erste Strukturen, wenn die Kohärenzlänge aufgrund der erfindungsgemäßen Merkmale selbst sehr klein ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist deswegen vorgesehen, daß der Laser ein Impulslaser ist, der mit einer Pulszeit kleiner 10 ps Pulsbreite betreibbar ist. Die Kohärenzlänge berechnet man einfach durch Multiplikation der Pulszeit mit der Lichtgeschwindigkeit. Das heißt, bei einem derartigen Laser beträgt die Kohärenzlänge 3 mm. Das bedeutet, daß die erste Struktur bei Pulszeiten kleiner 10 ps allgemein innerhalb weniger Zentimeter und darunter verwirklicht werden kann.In particular, particularly small first structures are achieved if the coherence length is itself very small due to the features of the invention. According to an advantageous Further training is therefore provided that the laser is a pulse laser with a Pulse time less than 10 ps pulse width is operable. The coherence length is simply calculated by multiplying the pulse time by the speed of light. That is, with one Such a laser has a coherence length of 3 mm. That means the first structure at Pulse times of less than 10 ps generally achieved within a few centimeters and below can be.

Für derartige kleine Kohärenzlängen zur deutlichen Reduktion von Specklen ist es zweckmäßig, Laser mit einer Verstärkungsbandbreite von < 100 Ghz und insbesondere < 300 Ghz einzusetzen.It is for such small coherence lengths to significantly reduce speckles expedient, lasers with a gain bandwidth of <100 GHz and in particular <300 Ghz to use.

Insbesondere bei einem Videosystem hat sich gezeigt, daß auch eine wesentliche Verbesserung erreicht werden kann, wenn die Pulsbreite und damit die Kohärenzlänge noch wesentlich kleiner gewählt wird. Demgemäß ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß wenn die Vorrichtung einen Laser für rotes, blaues und/oder grünes Licht aufweist, für mindestens eine dieser Farben ein Pulslaser vorgesehen ist, der mit einer Pulsbreite kleiner als
In particular in the case of a video system, it has been shown that a substantial improvement can also be achieved if the pulse width and thus the coherence length are chosen to be significantly smaller. Accordingly, in a preferred development of the invention it is provided that if the device has a laser for red, blue and / or green light, a pulse laser is provided for at least one of these colors which is smaller than a pulse width

- 4 ps and especially less than 2 ps if this laser is red light sends out
- 3 ps and especially less than 1.5 ps if this laser is green light sends out
- 2 ps and especially less than 1 ps if this laser has blue light sends out, is operable.

Wie man aus dieser Weiterbildung erkennen kann, erhält man damit Kohärenzlängen in der Größenordnung von bis zu 0,3 mm. Dies hat ebenfalls den Vorteil, daß man die erste Struktur sehr klein dimensionieren kann.As you can see from this training, you get coherence lengths in the Size of up to 0.3 mm. This also has the advantage of being the first Structure can be very small.

Es hat sich dabei jedoch, insbesondere bei Videosystemen, die optische Elemente im Weg des Lichtstrahls aufweisen, unerwarteterweise ein weiterer Vorteil gezeigt:However, the optical elements have got in the way, especially with video systems of the light beam, unexpectedly shown another advantage:

Aufgrund derartiger optischer Elemente ist zu erwarten, daß diese ebenfalls zu kleinen Phasendifferenzen für Photonen an unterschiedlichen Orten führen, also man bei entsprechender Auslegung derartiger optischer Elemente als erste phasenverschiebende Struktur auf entsprechende gesonderte Strukturelemente für die Verwirklichung der erfindungsgemäßen Phasendifferenzen verzichten kann.Because of such optical elements, it can be expected that they will also be too small Lead phase differences for photons at different locations, so one at appropriate design of such optical elements as the first phase shifting Structure on corresponding separate structural elements for the realization of the can dispense with phase differences according to the invention.

Als optisches System in diesem Sinne kann beispielsweise eine Aufweitungsoptik oder eine Fresnellinse vor einem Bildschirm im Strahlengang dienen, die ursprünglich für andere Zwecke, beispielsweise um einen gemäß einer Videonorm gerasterten Laserstrahl in größeren Winkeln abzulenken, eingesetzt werden.In this sense, for example, an optical expansion system or an optical system Fresnel lens in front of a screen in the beam path that was originally used for others Purposes, for example for a laser beam rastered in accordance with a video standard to divert larger angles.

Wesentlich für die Ausführung der Erfindung ist die geeignete Wahl der Kohärenzlänge. Wie man sich durch Fouriertransformation eines endlichen Wellenzuges der Länge L überzeugen kann, bedeutet eine endliche Wellenlänge immer eine spektrale Breite ΔL, die mit der Kohärenzlänge L über die Beziehung
A suitable choice of the coherence length is essential for the implementation of the invention. As can be seen by Fourier transformation of a finite wave train of length L, a finite wavelength always means a spectral width ΔL, which is related to the coherence length L

zusammenhängt. Es ist jedoch a priori nicht unbedingt erforderlich, daß jede spektrale Breite Δλ zu einer verringerten Kohärenzlänge führt. Unerwarteterweise, jedoch aufgrund des vorstehend schon angesprochenen und später eingehender dargestellten Modells verständlich, reicht es aus, wenn die spektrale Breite Δλ entsprechend groß gewählt wird, damit die sich aus der Breite ergebende Kohärenzlänge erfindungsgemäß verwirklicht werden kann.related. However, it is not a priori absolutely necessary that each spectral width Δλ to a reduced coherence length leads. Unexpectedly, however, due to the one already mentioned above and later Understandable model shown in more detail, it is sufficient if the spectral width Δλ is chosen appropriately large so that the coherence length resulting from the width can be realized according to the invention.

Diesbezüglich weist die Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine zweite Struktur auf, mit der aufgrund lokaler quantenmechanischer Störungen von Photonen im Laserstrahl die Kohärenzlänge, insbesondere durch Vergrößerung der spektralen Breite Δλ des Wellenlängenspektrums des Lasers, verkürzbar ist. Demgemäß wird also die durch die Beziehung
In this regard, according to a preferred development of the invention, the device has a second structure with which the coherence length can be shortened due to local quantum mechanical disturbances of photons in the laser beam, in particular by increasing the spectral width Δλ of the wavelength spectrum of the laser. Accordingly, it becomes through the relationship

gegebene Kohärenzlänge durch Vergrößern der spektralen Breite Δλ verkleinert.given coherence length by increasing the spectral width Δλ reduced.

Es ist bekannt, daß ein Photonenspektrum durch Energieabgabe an Moleküle oder Atome in einem von Licht durchlaufenem Material spektral verbreitert werden kann. Die entsprechenden Effekte, beispielsweise der Ramaneffekt, sind üblicherweise klein, so daß sie sich nur bedingt zum Vergrößern der spektralen Breite einsetzen lassen.It is known that a photon spectrum can be generated by the transfer of energy to molecules or atoms in can be spectrally broadened by a material traversed by light. The corresponding effects, for example the Raman effect, are usually small, so that they can only be used to a limited extent to enlarge the spectral width.

Allerdings haben eingehendere Untersuchungen gezeigt, daß sich lokale quantenmechanische Störungen auch mit speziellen geeignet ausgelegten Strukturen erzeugen lassen. Zum Verständnis der dabei auftretenden Effekte sind jedoch eingehendere theoretische Untersuchungen nötig, die nachfolgend in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen ausführlich erläutert werden.However, more detailed studies have shown that local quantum mechanical perturbations also with specially designed structures let generate. To understand the effects that occur, however, are more detailed theoretical investigations are necessary, which are described below in connection with the Exemplary embodiments are explained in detail.

Das verwendete Grundprinzip derartiger Strukturen ist, daß Photonen im Laserstrahl zeitweilig in einem engen Bereich lokalisiert sind, wodurch sich aufgrund der Unschärferelation eine kleine spektrale Verbreiterung ergibt. Bei einer geeigneten Anzahl derartiger, quantenmechanisch zu erwartenden Störungen ergibt sich eine entsprechende spektrale Breite, mit der eine Verkürzung der Kohärenzlänge über eine spektrale Verbreiterung wirkungsvoll erreicht werden kann.The basic principle used for such structures is that photons in the laser beam are temporarily localized in a narrow area, which is due to the Uncertainty relation gives a small spectral broadening. With a suitable number Such disturbances to be expected from quantum mechanics result in a corresponding one spectral width with which a shortening of the coherence length over a spectral Broadening can be achieved effectively.

Wie bei der Pulszeit kann man auch bezüglich der gegebenen Breite Δλ optimale Werte für bestimmte Vorrichtungen angeben. Aufgrund ähnlicher Überlegungen wie oben bei der Pulszeit ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die durch die Kohärenzlänge des Laserlichts gegebene oder durch das Verkürzen mit der zweiten Struktur gegebene Breite Δλ der spektralen Verteilung mit der Wellenlänge λ größer als 0,5 nm.As with the pulse time, optimal values for specify certain devices. Due to similar considerations to the above According to a preferred development of the invention, pulse time is the result of the Given the coherence length of the laser light or by shortening it with the second structure given width Δλ of the spectral distribution with the wavelength λ greater than 0.5 nm.

Gemäß dieser Weiterbildung erreicht man die gewünschte Breite Δλ der spektralen Verteilung allerdings nicht ausschließlich mittels einer zweiten Struktur. Es ist auch möglich, die Laser entsprechend der gewünschten spektralen Breite auszusuchen. Insbesondere eignen sich als Laser mit hoher Linienbreite Δλ Faserlaser.According to this development, the desired width Δλ of the spectral is achieved Distribution, however, not exclusively using a second structure. It is also possible, select the lasers according to the desired spectral width. In particular are suitable as lasers with a high line width Δλ fiber lasers.

Da sowohl die erste als auch die zweite Struktur aufgrund von Brechungsindex- Unterschieden verwirklicht werden können, ist es gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung auch möglich, die erste und die zweite Struktur in einer gemeinsamen Struktur zu integrieren. Damit erreicht man vor allem sehr kleine Strukturen zur Speckle-Reduktion, die beispielsweise auch in einem Laserdrucker Platz finden.Since both the first and the second structure due to refractive index Differences can be realized, it is according to a preferred advanced training the invention also possible the first and the second structure in a common structure to integrate. In this way, you can achieve very small structures for speckle reduction, which can also be found in a laser printer, for example.

Insbesondere hat es sich für die zweite Struktur gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, wenn die zweite Struktur eine Vielzahl im Lichtweg angeordneter phasenverschiebender Körper aufweist, die in Richtung des Lichtweges eine geringere Ausdehnung als das Zwanzigfache der Wellenlänge und insbesondere das Doppelte der Wellenlänge aufweisen. Damit wird die Linienverbreiterung aufgrund der quantenmechanischen lokalen Störung so groß, daß nur wenige Körper für eine einzustellende Breite Δλ eingesetzt werden müssen.In particular, it has been preferred for the second structure according to a preferred further training the invention is found to be advantageous if the second structure in a variety Has light path arranged phase-shifting body, which in the direction of Light path is less than twenty times the wavelength and in particular have twice the wavelength. This will widen the line due to the quantum mechanical local perturbation so large that only a few bodies for one Width Δλ to be set must be used.

Aufgrund der wesentlichen Gaußschen Verbreiterung durch die Störung eines einzelnen Körpers kann erwartet werden, daß sich die Gesamtverbreiterung bei einer Vielzahl von Körpern nur mit der Wurzel der Anzahl der Körper erhöht. Dies läßt sich jedoch umgehen. Eine wesentlich effektivere Linienverbreiterung auf der zweiten Struktur erreicht man gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß die phasenverschiebenden Körper regelmäßig geformt und gleichmäßig in einem Abstand angeordnet sind, bei dem sich die lokalen quantenmechanischen Störungen bei der Bildung einer die Störung mehrerer Körper charakterisierenden Streumatrix phasengleich addieren. Due to the substantial Gaussian broadening due to the disturbance of an individual Body can be expected to expand overall over a wide range of Bodies increased only with the root of the number of bodies. However, this can be avoided. A much more effective line broadening on the second structure is achieved accordingly a preferred development of the invention in that the phase shifting Bodies are regularly shaped and evenly spaced at a distance the local quantum mechanical perturbations in the formation of one the perturbation of several Add the scattering matrix that characterizes the body in phase.

Wie nachfolgend bei den Ausführungsbeispielen näher ausgeführt wird, ist dann die mit Hilfe der zweiten Struktur erreichte Linienbreite proportional der Anzahl der phasenverschiebenden Körper und nicht die Wurzel dieser Anzahl. Es sind also wesentlich weniger Körper für die Einstellung einer gewünschten Breite erforderlich, so daß die zweite Struktur weitaus einfacher aufgebaut und kostengünstiger gefertigt werden kann.As will be explained in more detail below with the exemplary embodiments, the is with the help the second structure achieved line width proportional to the number of phase shifting body and not the root of this number. So it's essential less body required to set a desired width, so the second Structure can be constructed much simpler and manufactured more cost-effectively.

Wie bei der Bestimmung der Kohärenzlänge bei gepulsten Lasern durch die Pulsbreite können auch für die Linienbreite optimale Werte angegeben werden. Demgemäß ist, wenn bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein Laser für rotes, grünes und/oder blaues Licht vorgesehen ist, die spektrale Breite Δλ für die einzelnen Farben
As with the determination of the coherence length in pulsed lasers by the pulse width, optimal values can also be given for the line width. Accordingly, if a laser for red, green and / or blue light is provided in a preferred development of the invention, the spectral width Δλ is for the individual colors

- Δλ <1.3 nm for red light,
- Δλ <0.9 nm for green light,
- and Δλ <0.75 nm for blue light.

Die erste Struktur kann auch aus gesintertem Granulat bestehen. Dabei hat es sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vor allen Dingen als optimal herausgestellt, wenn die Korngrößen kleiner als 0,5 mm und insbesondere kleiner als 0,1 mm sind.The first structure can also consist of sintered granules. It did it according to a preferred further development of the invention was found to be optimal, if the grain sizes are smaller than 0.5 mm and in particular smaller than 0.1 mm.

Zur Integration der ersten und der zweiten Struktur hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn Körner des Granulats aus mindestens zwei Phasen unterschiedlichen Brechungsindexes bestehen. Mit diesen Phasen läßt sich nämlich auch die zweite Struktur verwirklichen, während die Körner selbst die wesentliche Funktion der ersten Struktur übernehmen. Damit läßt sich die vorstehend genannte gemeinsame Struktur für die erste und die zweite Struktur in einfacher Weise schaffen.The integration of the first and the second structure has proven to be particularly advantageous highlighted when granules of the granules differ from at least two phases Refractive index exist. The second structure can also be used with these phases realize while the grains themselves the essential function of the first structure take over. This enables the above-mentioned common structure for the first and create the second structure in a simple way.

Die Ausbildung der zweiten Struktur in dem Granulat ist, wie vorstehend schon eingehender erläutert, gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dann optimal, wenn die Ausdehnung mindestens eines Gebiets zwischen zwei Phasengrenzen in Richtung des Wegs des Laserlichts kleiner als 20 Wellenlängen und insbesondere kleiner als 2 Wellenlängen ist.The formation of the second structure in the granulate is, as already detailed above explained, according to a preferred development of the invention, optimally when the Extension of at least one area between two phase boundaries in the direction of the path of the laser light is less than 20 wavelengths and in particular less than 2 wavelengths.

Bezüglich der genannten Anforderung an eine gemeinsame Struktur für die erste und die zweite Struktur ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung insbesondere Teflon geeignet. Teflon wird als Granulat geliefert, das gesintert werden kann. Mit Standardverfahren lassen sich die angegebenen Korngrößen kleiner als 0,5 mm erzielen. Weiter weisen die Körner sogenannte Kristallite in der Größenordnung von bis zu 1 µm Durchmesser auf, die in einer amorphen Phase eingebettet sind. Die Größe von 1 µm führt auch in die verlangte Größenordnung von etwas über zwei Wellenlängen für eine optimale zweite Struktur. Damit liegt mit Teflon ein Material vor, mit dem die Anforderungen an die Strukturen effektiv erfüllt werden können.Regarding the mentioned requirement for a common structure for the first and the according to an advantageous development of the invention, the second structure is in particular Suitable for Teflon. Teflon is supplied as granules that can be sintered. With The specified grain sizes smaller than 0.5 mm can be achieved using standard methods. The grains also have so-called crystallites in the order of magnitude of up to 1 μm Diameters that are embedded in an amorphous phase. The size of 1 µm leads also in the order of magnitude of just over two wavelengths for an optimal second structure. Teflon is a material that meets the requirements of the Structures can be fulfilled effectively.

Für Eigenschaften des Teflon-Materials wird diesbezüglich insbesondere auf die Veröffentlichungen C. J. Speerschneider und C. H. Li, "A Correlation of Mechanical Properties and Microstructure of Polytetrafluoroethylene at Various Temperatures", Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 10, Oktober 1963, Seiten 3004-3007, und Solomon Fischer und Norman Brown, Deformation of polytetrafluoroethylene from 78 to 298°K and the effects of environmental crazing", J. Appl. Phys., Bd. 44, Nr. 10, Oktober 1973, Seiten 4322-- 4327, verwiesen.For properties of the Teflon material, particular reference is made to the Publications C. J. Speerschneider and C. H. Li, "A Correlation of Mechanical Properties and Microstructure of Polytetrafluoroethylene at Various Temperatures, "Journal of Applied Physics, Vol. 34, No. 10, October 1963, pages 3004-3007, and Solomon Fischer and Norman Brown, Deformation of polytetrafluoroethylene from 78 to 298 ° K and the effects of environmental crazing ", J. Appl. Phys., Vol. 44, No. 10, October 1973, pages 4322-- 4327.

Teflon ist auch ein guter Volumenstreuer und eignet sich deshalb besonders als Bildschirmmaterial und führt bezüglich einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, bei der die erste Struktur einen Bildschirm oder eine Schicht eines Bildschirms ist, zu Vorteilen. Die aufgrund der Volumenstreuung von Teflon zu befürchtende Beeinträchtigung des Strahlproduktes spielt vorteilhafterweise keine Rolle mehr, wenn der Bildschirm aus Teflon hergestellt ist.Teflon is also a good volume spreader and is therefore particularly suitable as Screen material and leads with respect to a preferred development of the invention which is the first structure of a screen or layer of a screen. The fear of impairment due to the volume dispersion of Teflon Blasting product advantageously no longer plays a role if the screen is made of Teflon is made.

Insbesondere wird von einem Bildschirm auch eine gewisse Streuwinkelverteilung verlangt, damit Beobachter unter verschiedenen Richtungen ein beispielsweise mit dem Laser dargestelltes Videobild ansehen können.In particular, a screen is also required to have a certain scattering angle distribution, thus observers from different directions, for example with the laser can view the displayed video image.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below using exemplary embodiments and the drawing explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem Laser zur Bilddarstellung, dargestellt am Beispiel eines Videogerätes; Figure 1 shows a device with a laser for image display, shown using the example of a video device.

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Speckle-Entstehung und -Vermeidung; FIG. 2 shows a basic diagram for explaining the formation and avoidance of speckle; FIG.

Fig. 3 eine regelmäßige geformte erste Struktur zur Speckle-Reduktion für eine Vorrichtung gemäß Fig. 1; FIG. 3 shows a regularly shaped first structure for speckle reduction for a device according to FIG. 1;

Fig. 4 eine andere regelmäßig geformte erste Struktur zur Speckle- Reduktion für eine Vorrichtung gemäß Fig. 1; FIG. 4 shows another regularly shaped first structure for speckle reduction for a device according to FIG. 1;

Fig. 5 eine erste Struktur, die beispielsweise in einem Bildschirm vorgesehen werden kann, mit dem die Darstellung von Stereobilder möglich ist;5 shows a first structure, which may for example be provided in a screen on the display of stereo images is possible.

Fig. 6 eine schematische Darstellung von Strukturen in einem Teflon®- Schirm für eine Vorrichtung gemäß Fig. 1; Fig. 6 is a schematic illustration of structures in a Teflon® screen for an apparatus according to Fig. 1;

Fig. 7 eine regelmäßig geformte zweite Struktur zur Änderung der spektralen Breite eines Laserstrahls; Fig. 7 is a regularly shaped second structure altering the spectral width of a laser beam;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrens für die Struktur gemäß Fig. 7. FIG. 8 shows a schematic illustration of a production method for the structure according to FIG. 7.

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 es sind 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 Laserstrahlen 12, 22, 32 sind beim Ausführungsbeispiel allerdings zur Helligkeits- und Farbsteuerung der Bildpunkte eines Videobildes noch nicht moduliert, da hier für einige Untersuchungen Gaslaser verwendet wurden, die mit der Videofrequenz nicht direkt angesteuert werden können. Bei Verwendung von Laserdioden statt Gaslasern 10, 20, 30 ändert man die Intensität der Laserstrahlen 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, there is not only one laser here, but three lasers 10 , 20 , 30 are provided, which emit light of a suitable wavelength of the primary colors for generating the picture elements of a video image. However, the laser 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 for some examinations that are not controlled directly with the video frequency can. When using laser diodes instead of gas lasers 10 , 20 , 30 , the intensity of the laser beams 12 , 22 , 32 is changed directly by modulating the lasers with the information suitable for displaying the pixels.

Weiter hat sich gezeigt, daß insbesondere auch Faserlaser, wie später noch ausgeführt werden wird, wegen ihrer großen spektralen Breite, für eine wenig aufwendige Speckle- Reduktion vorteilhaft sind.It has also been shown that, in particular, fiber lasers, as will be explained later will be, because of their large spectral width, for a less complex speckle Reduction are beneficial.

Zur Modulation sind jedoch für die Gaslaser 10, 20, 30 spezielle Modulatoren 14, 24, 34 im Lichtweg der Laserstrahlen 12, 22, 32 angeordnet. Die Modulatoren bestehen aus DKDP- Kristallen, mit denen die Polarisationsrichtung der Laserstrahlen 12, 22, 32 geändert wird, so daß diese durch ein nachfolgendes Polarisationsfilter in Abhängigkeit der Ansteuerspannung intensitätsmoduliert sind. Weiter werden die Laserstrahlen 12, 22, 32 durch ein Spiegelsystem 38 zu einem Gesamtlichtbündel 40 vereinigt, welches sich durch das weitere System als Gesamtlichtbündel 40 fortpflanzt. For modulation, however, special modulators 14 , 24 , 34 are arranged in the light path of the laser beams 12 , 22 , 32 for the gas lasers 10 , 20 , 30 . The modulators consist of DKDP crystals with which the direction of polarization of the laser beams 12 , 22 , 32 is changed so that they are intensity-modulated by a subsequent polarization filter as a function of the control voltage. Furthermore, the laser beams 12 , 22 , 32 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 die entsprechende Farbe und Helligkeit für jeden Bildpunkt des zu erzeugenden Videobildes vorgesehen.The total light bundle 40 is deflected by a deflection device consisting of a polygon mirror 41 and a swivel mirror 42 line and picture on a screen 43 in order to sequentially illuminate individual pixels of the video image to be generated on a screen 43 . The modulators 14 , 24 , 34 are used to provide the appropriate color and brightness for each pixel of the video image to be generated.

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 durch mechanisches Rastern mittels Polygonspiegel 41 und Schwenkspiegel 42 ersetzt ist.The screening 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 rasterization by means of polygon mirror 41 and swivel mirror 42 .

Das Rastern ist allerdings nicht auf die dargestellten mechanischen Hilfsmittel beschränkt. Es kann beispielsweise auch akustooptisch durchgeführt werden.However, the rasterization is not limited to the mechanical aids shown. It can also be carried out acousto-optically, for example.

Weiter ist in der Fig. 1 eine Aufweitungsoptik 44 und eine Fresnellinse 45 dargestellt, die im Ausführungsbeispiel eingesetzt werden, damit bei kleinen Ablenkwinkeln trotzdem ein großes Bild möglich ist. Jedoch lassen sich diese optischen Elemente auch so auslegen, daß durch die Fresnellinse 45 oder die Linsen in der Aufweitungsoptik 44 lokal unterschiedliche Phasenverschiebungen erzeugt werden, die der Kohärenzlänge des Lasers angepaßt sind, indem diese ähnlich ausgebildet werden, wie später anhand der Fig. 3 und 4 deutlicher wird.Further, an expanding lens 44 and a Fresnel lens 1 is shown in FIGS. 45, which are used in the exemplary embodiment so that with small deflection angles while a large image is possible. However, these optical elements can also be designed in such a way that locally different phase shifts are generated by the Fresnel lens 45 or the lenses in the expansion optics 44 , which are adapted to the coherence length of the laser, in that they are designed similarly, as will be described later with reference to FIGS. 3 and 4 becomes clearer.

Aufgrund der Kohärenz des Gesamtlichtbündels 40, das mit Hilfe von Lasern erzeugt wurde, ist dieses außerordentlich gut zur Erzeugung von Interferenzen geeignet. Diese ansonsten positiv zu bewertende Eigenschaft von Laserstrahlen für die Interferenzoptik oder die Holographie 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 des Videobildes, 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 positive property of laser beams for interference optics or holography 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 of the video image, 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.

Üblicherweise wird die Entstehung der Speckle in der Literatur als Einphotoneninterferenz, in der in der Optik üblichen Weise durch Fortpflanzung einer Einzelwelle eines Photonenzustands, beschrieben, indem einfach Wellen addiert werden. Eine derartig vereinfachte Darstellungen widerspricht aber den folgenden experimentellen Ergebnissen:
In the literature, the formation of speckle is usually described as single-photon interference, in the manner customary in optics by propagation of a single wave of a photon state, by simply adding waves. However, such a simplified representation contradicts the following experimental results:

1. Speckles are visible on a scattering screen, but on one smooth, reflective screen not.
2. A scattering screen that shows stochastic phase shifts in the Shows magnitude of one or more wavelengths, shows nevertheless high speckle contrast.
3. A fiber laser that causes speckle on a screen during normal operation, shows none below the power threshold for the stimulated emission Speckle picture.

Daß diese Beobachtungen der einfachen Addition von Wellen, wie sie von Einphotoneninterferenzen bekannt sind, widerspricht, wird im folgenden im einzelnen begründet. Dabei bezeichnen die mit den Kleinbuchstaben x, y, oder z beginnenden Größen jeweils Vektoren.That these observations of the simple addition of waves such as that of Single photon interference is known, contradicts, in the following in detail justified. The sizes beginning with the lowercase letters x, y, or z denote sizes vectors each.

To 1

Geht man davon aus, daß wegen der hohen Kohärenz des Lasers ein vom Ort x1 des Lasers ausgehendes Photon und ein am Ort x2 des Lasers ausgehendes Photon, jeweils mit der Wellenzahl k = 2π/λ, ausgesandt wird und diese eine feste Phasenbeziehung aufgrund der stimulierten Emission haben, würde sich bei einfacher Superposition der Wellen am Ort ein Interferenzterm
It is assumed that because of the high coherence of the laser, a photon originating from location x1 of the laser and a photon originating at location x2 of the laser, each with the wave number k = 2π / λ, are emitted, and these stimulate a fixed phase relationship Would have emission, if the waves were simply superpositioned locally, an interference term

cos{k|z - x1| - k|z - x2|}
cos {k | z - x1 | - k | z - x2 |}

ergeben, und zwar unabhängig davon, ob der Schirm spiegelt oder streut. Diese Unabhängigkeit konnte nicht nachgewiesen werden. Eine solche Auffassung, die dazu führen würde, daß ein spiegelnder Schirm Speckle zeigt, stünde auch im Widerspruch zu den das Licht beschreibenden Maxwell-Gleichungen.result, regardless of whether the screen reflects or scatters. These Independence could not be proven. Such an opinion that lead to it that a reflective screen shows speckle would also be in conflict with that Light descriptive Maxwell equations.

To 2

Wie aus dem angegebenen Interferenzterm zu entnehmen ist, sollten stochastische Phasendifferenzen, die auf Weglängen in der Größenordnung einer Wellenlänge liegen, den Interferenzterm ausmitteln. Dies widerspricht der Beobachtung.As can be seen from the specified interference term, stochastic Phase differences that are on the order of one wavelength on path lengths Averaging the interference term. This contradicts the observation.

To 3

Der Unterschied zwischen nicht-lasendem Betrieb und lasendem Betrieb weist auf einen Dichteeffekt hin. Im lasenden Betrieb ist die Photonendichte wesentlich höher. The difference between non-lasing operation and lasing operation points to one Density effect. The photon density is significantly higher in lasing mode.

Die Schlußfolgerung aus Punkt 3 macht die Existenz von Multiphotoneninterferenzen wahrscheinlich, die in der Literatur über Speckle-Erscheinungen überhaupt nicht erwähnt werden. Das hat möglicherweise dazu geführt, daß das Speckle-Problem bisher nicht befriedigend gelöst worden ist.The conclusion from point 3 makes the existence of multiphoton interference probably that is not mentioned at all in the literature on speckle phenomena will. This may have resulted in the speckle problem not yet has been satisfactorily resolved.

Multiphotoneninterferenzen seien im folgenden anhand des einfachsten Beispiels von Interferenzen zweier Photonen modellhaft betrachtet. Dabei soll von unwichtigen Normierungsfaktoren, die am prinzipiellen Ergebnis nichts ändern, abgesehen werden. Im folgenden wird die Zweiphotonen-Wellenfunktion ψ₁₂ betrachtet, deren Absolutquadrat die Wahrscheinlichkeit dafür angibt, ob zwei Photonen an einem gemeinsamen Ort oder voneinander verschiedenen Orten nachweisbar sind. Eine Wahrscheinlichkeit verschieden von Null ist wichtige Voraussetzung dafür, daß überhaupt eine Interferenz von zwei Photonen stattfinden kann.In the following, multiphoton interference is considered as a model based on the simplest example of interference between two photons. In doing so, irrelevant standardization factors that do not change the basic result should be disregarded. The two-photon wave function ψ _{12 is} considered below, the absolute square of which indicates the probability of whether two photons can be detected at a common location or from different locations. A probability other than zero is an important prerequisite for the interference of two photons at all.

Im Fall 1, der Interferenz von zwei Photonen an verschiedenen Orten x1 und x2, von denen die Photonen mit den Wellenzahlen k1 und k2 ausgehen, ergibt sich für die Zweiphotonen- Wellenfunktion:
In case 1, the interference of two photons at different locations x1 and x2, from which the photons with the wave numbers k1 and k2 originate, the following results for the two-photon wave function:

ψ₁₂ = e^ik1|z-x1| . e^ik2|z-x2| + e^ik2|z-x1|e^ik1|z-x2| ψ ₁₂ = e ^{ik1 | z-x1 |} . e ^{ik2 | z-x2 |} + e ^{ik2 | z-x1 |} e ^{ik1 | z-x2 |}

Der zweite Term ergibt sich durch Symmetrieren des ersten aufgrund der Bosestatistik, der die Photonen quantenmechanisch unterliegen.The second term is obtained by symmetrizing the first on the basis of the Bosstatistics, the the photons are subject to quantum mechanics.

Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit beider Photonen am Ort z errechnet sich daraus zu:
The probability of residence of both photons at location z is calculated from this:

ψ₁₂ψ^* ₁₂ = 2 + 2 . cos{(k1 - k2) . (|z -x1| - |z -x2|)}
ψ ₁₂ ψ ^* ₁₂ = 2 + 2. cos {(k1 - k2). (| z -x1 | - | z -x2 |)}

Vergleicht man diesen Ausdruck mit dem oben angegebenen, auf der unrealistischen Interpretation als Einphotoneninterferenz beruhenden Summe der Wellenfunktion, erkennt man daß eine mögliche Interferenz von einer spektralen Breite (k1 - k2) abhängt und nicht mehr ausschließlich von dem Wellenvektor k selbst. Das heißt, bei Laserlicht hoher Kohärenz, also bei genügend kleinem Wert von (k1 - k2) hat der Kosinus den Wert 1 und es gibt keine Interferenzen d. h. Speckle an spiegelnden Flächen. Bei streuenden Strukturen im Lichtweg können dagegen Interferenzen erzeugt werden, wie nachfolgend anhand von Fig. 2 deutlicher wird. If one compares this expression with the sum of the wave function given above based on the unrealistic interpretation as one-photon interference, one recognizes that a possible interference depends on a spectral width (k1 - k2) and no longer exclusively on the wave vector k. That is, at Laser light of high coherence, ie with a sufficiently small value of (k1 - k2), the cosine has the value 1 and there is no interference, ie speckle on reflecting surfaces. With scattering structures in the light path, on the other hand, interference can be generated, as will become clearer below with reference to FIG. 2.

Fig. 2 zeigt zwei Orte x1 und x2 und zwei Orte y1 und y2, an denen sich Streukörper, beispielsweise an zwei Orten auf dem Bildschirm 43 befinden. Mit z ist wieder der Ort bezeichnet, an dem überprüft werden soll, ob zwei Photonen überhaupt interferenzfähig sind. Dieser Ort z kann beispielsweise ein weiteres Streuzentrum im Bildschirm 43 sein oder auch die Retina im Auge des Betrachters. Fig. 2 shows two locations x1 and x2, and two places Y1 and Y2, at which scattering bodies are, for example, at two locations on the screen 43rd The location z is again used to check whether two photons are capable of interference at all. This location z can be, for example, another scatter center on the screen 43 or the retina in the eye of the beholder.

Prinzipiell müßten zur Aufstellung der Zweiphotonen-Wellenfunktion alle Anteile addiert werden, die von verschiedenen Photonen, die von den Orten x1, x2 der Laseraustrittsfläche ausgehen und über die Orte y1 und y2 zum Ort z laufen, stammen. Zum Verständnis der Speckle-Entstehung interessieren hier jedoch nur Terme, bei denen der Photonenzustand auf den Wegen z - y1 und z - y2 eindeutig durch die Wellenzahlen k1 und k2 beschrieben ist. Zur Veranschaulichung eines derartigen Zustands sind die einzelnen Weglängen in Fig. 2 mit den entsprechenden Wellenzahlen k1 und k2 gekennzeichnet.In principle, in order to set up the two-photon wave function, all parts originating from different photons originating from locations x1, x2 of the laser exit area and running through locations y1 and y2 to location z would have to be added. However, only terms in which the photon state on the paths z - y1 and z - y2 is clearly described by the wave numbers k1 and k2 are of interest here for understanding the formation of speckle. To illustrate such a state, the individual path lengths are marked in FIG. 2 with the corresponding wave numbers k1 and k2.

Das entsprechende Amplitudenquadrat führt zu einem Interferenzterm der Zweiphotonen- Wellenfunktion von:
The corresponding square of the amplitude leads to an interference term of the two-photon wave function of:

cos{k1|y1 - x1| + k2|y2 - x2| - k1|y1 - x2| - k2|y2 - x1|} 1.0cos {k1 | y1 - x1 | + k2 | y2 - x2 | - k1 | y1 - x2 | - k2 | y2 - x1 |} 1.0

Der Term wird konstant 1, wenn x1 = x2 ist, das heißt, die am Ort z interferenzfähigen Photonen werden zu einem wesentlichen Teil vom gleichen Ort der Laseraustrittsfläche und von Orten mit Abständen emittiert, bei denen die Phasendifferenz im Ausdruck 1.0 ein Vielfaches von 2π ist. Das heißt, für Zweiphotoneninterferenzen ist schon die Laseraustrittsfläche wie eine Struktur zu betrachten, aufgrund derer Interferenzen stattfinden können.The term becomes constant 1 if x1 = x2, that is, those capable of interference at location z Photons become to a large extent from the same location of the laser exit area and emitted from locations with distances where the phase difference in Expression 1.0 is a Is a multiple of 2π. That is, for two-photon interference is that Consider the laser exit surface as a structure on the basis of which interference occurs can.

Für weitere Betrachtungen sei eine Näherung des oben gegebenen Ausdrucks besprochen, die Aufschluß über das funktionale Verhalten des Interferenzterms bezüglich y1 und y2 gibt. Dazu wird angenommen, daß sich die Orte x1 sowie x2 auf einer Ebene befinden, die sich senkrecht zur Zeichenebene befindet, und y1 sowie y2 zwei Orte auf einer dazu parallelen, sich ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Ebene sind, wobei diese beiden Ebenen im Abstand A voneinander liegen. Weiter sollen die Ortsvektoren x1, y1, x2 und y2 in der Zeichenebene liegen und die Größen X1, X2, Y1, Y2 die entsprechenden projizierten Vektorkomponenten auf den die Orte x1, y1, x2, y2 enthaltenden Ebenen sein. Bei sehr großem Abstand A gegenüber den Komponenten X1, Y1, X2, Y2 kann man für jedes beliebige Paar von Komponenten X und Y auf den zugeordneten Ebenen die Näherung verwenden:
For further considerations, an approximation of the expression given above is discussed, which provides information about the functional behavior of the interference term with respect to y1 and y2. For this purpose, it is assumed that the locations x1 and x2 are located on a plane that is perpendicular to the plane of the drawing, and y1 and y2 are two locations on a plane that is parallel thereto and also extends perpendicular to the plane of the drawing, these two planes being at a distance A from each other. Furthermore, the location vectors x1, y1, x2 and y2 should lie in the plane of the drawing and the quantities X1, X2, Y1, Y2 should be the corresponding projected vector components on the planes containing the locations x1, y1, x2, y2. If there is a very large distance A from components X1, Y1, X2, Y2, you can use the approximation for any pair of components X and Y on the assigned levels:

Dann ergibt sich für das Argument nach Mittelwertbildung über x1 und x2, abgesehen von einer festen Phase, aufgrund dieser Mittelwertbildung im Argument des Kosinus
Then the argument for averaging over x1 and x2, apart from a fixed phase, results from this averaging in the argument of the cosine

wobei <X1 - X2< als Mittelwert über die Orte x1 und x2 der Laseraustrittsfläche ungefähr der Durchmesser D des Laserstrahls ist.where <X1 - X2 <as the average over the locations x1 and x2 of the laser exit area approximately that Diameter D of the laser beam is.

Die zur Interferenz fähigen Photonenpaare stammen also im wesentlichen von Abständen auf dem Bildschirm, die ganzzahlige Vielfache von 2π in der Phase ergeben, sind also im wesentlichen in der Größenordnung
The photon pairs capable of interference thus essentially originate from distances on the screen which give integer multiples of 2π in phase, that is to say essentially in the order of magnitude

voneinander entfernt. Damit läßt sich das aus Photonenpaaren bestehende Licht, das von der Ebene y kommt, bezüglich der Interferenzfähigkeit im wesentlichen mit einem Gitter vergleichen. Allerdings wird diese teilweise durch möglicherweise ungleichmäßige Streuung von Streukörpern aufgehoben, die dann zu Specklen führt.separated from each other. So that can be said Light consisting of photon pairs, which comes from the plane y, with respect to the Basically compare interference ability with a grid. However, this will partially canceled out by possibly uneven scattering of scattering bodies, the then leads to specklen.

Bei einer spiegelnden Fläche werden derartige Interferenzmaxima in großer Entfernung dagegen wieder zu einem Gesamtstrahl zusammengeführt, so daß diese Betrachtung erklärt, warum nur bei streuenden Oberflächen Speckle beobachtbar werden.In the case of a reflecting surface, such interference maxima are at a great distance on the other hand brought together again to form a total ray, so that this explanation explains why speckle can only be observed with scattering surfaces.

Es fällt auf, daß bei dem angegebenen Ausdruck 1.0 für den Kosinus überhaupt kein Beitrag von den Wegunterschieden y1 - z und y2 - z vorhanden ist. Das zeigt, daß Phasenverschiebungen im Bildschirm in der Größenordnung der Wellenlänge vor Austritt der Photonen nur einen vernachlässigbaren Beitrag zu diesem Term erbringen. Speckle aufgrund von Multiphotoneninterferenzen können also in Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnis durch eine Phasenverschiebung in der Größenordnung der Wellenlänge nicht vollständig beseitigt werden.It is striking that the given expression 1.0 makes no contribution to the cosine at all of the path differences y1 - z and y2 - z is present. It shows that Phase shifts in the screen in the order of the wavelength before the exit of the Photons only make a negligible contribution to this term. Speckle due to multiphoton interference can be in accordance with the experimental result by a phase shift in the order of magnitude Wavelength cannot be completely eliminated.

Weiter läßt sich aus dieser Interpretation erschließen, daß ein nicht im Bereich stimulierter Emission betriebener Laser keine Speckle mehr zeigt: Die Betrachtungen für x1 und x2 in einer Ebene sind nur bei einem lasenden Laser anwendbar, da nur dann der Phasenzustand an der Austrittsfläche des Lasers eindeutig bestimmt ist. Im nicht-lasenden Zustand eines Faserlasers sind dagegen die Entstehungsorte x1 und x2 der Photonen in Richtung der Glasfaser gegeneinander verschoben, so daß x1 und x2 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls weit auseinander liegen, weshalb eine Integration über x1 und x2 den Kosinusausdruck durch Mitteln verschwinden läßt.It can also be inferred from this interpretation that one that is not stimulated in the area Emission powered laser no longer shows speckle: The considerations for x1 and x2 in one level can only be used with a laser, since only then the phase state is clearly determined on the exit surface of the laser. In the non-reading state Fiber lasers, on the other hand, are the origins x1 and x2 of the photons in the direction of the Glass fiber shifted against each other, so that x1 and x2 in the direction of propagation of the Laser beam are far apart, which is why an integration over x1 and x2 Makes cosine expression disappear by averaging.

Diese Modellbetrachtungen können die Speckle-Erscheinung in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen verständlich machen. Eine Lösung des Speckle-Problems ist dadurch a priori noch nicht gefunden.These model considerations can match the speckle appearance Make experimental results understandable. One solution to the speckle problem is therefore not found a priori.

Zur Reduktion von Specklen wird nun vorgeschlagen, die Photonen auf verschiedenen Wegen mit geeigneten Phasenverschiebungen zu beaufschlagen. Zur Erläuterung soll der speziell in Fig. 2 angegebene Ortsbereich 50 betrachtet werden. Würde an dieser Stelle, in der Nähe von x1, eine Weglängenänderung um einen Betrag ΔA vorgenommen, so daß die von x1 ausgehenden Photonen unabhängig vom Zustand mit Wellenzahlen k1 oder mit k2 einen größeren Weg durchlaufen, ergibt sich eine zusätzliche Phase im Ausdruck 1.0 von
To reduce speckles, it is now proposed to apply suitable phase shifts to the photons in various ways. The local area 50 specified specifically in FIG. 2 should be considered for explanation. If, at this point, in the vicinity of x1, a path length change was made by an amount ΔA, so that the photons emanating from x1, regardless of the state with wave numbers k1 or with k2, travel a longer path, there is an additional phase in expression 1.0 of

(k1 - k2)ΔA.(k1 - k2) ΔA.

Also mittelt sich bei einem Wellenlängenspektrum bei einer Verteilung von ΔA mit einer gewissen Breite
So averaged over a wavelength spectrum with a distribution of ΔA with a certain width

der Interferenzterm 1.0 aus und Speckle sollten nicht mehr erzeugbar sein.the interference term 1.0 off and speckle should no longer be generated.

Das heißt, für eine wirksame Speckle-Reduktion ist die Bedingung
That is, the condition for an effective speckle reduction is

einzuhalten.to adhere to.

Bei näherer Betrachtung zeigt sich allerdings, daß die genaue untere Grenze für effektive Speckle-Reduktion stark von den Verteilungen abhängt, die zur Änderung der Weglänge wirksam sind. Dies wird anhand nachfolgender Beispiele noch deutlicher werden.A closer look shows, however, that the exact lower limit for effective Speckle reduction strongly depends on the distributions that change the path length are effective. The following examples will make this clearer.

Die Speckle-Reduktion kann auch an anderen Orten als am Ort 50 vorgesehen werden. Beispielsweise kann der Bildschirm, wie in späteren Beispielen noch ausgeführt werden wird, eine stochastisch verteilte Weglänge mit einer Gaußschen Breite ΔA haben. Dann tritt die statistische Verbreiterung an den Orten y1 und y2 zweimal auf, das heißt, da sich die Breite von Gaußfunktionen quadratisch addiert, ergibt sich dann aus der Beziehung 1.0:
The speckle reduction can also be provided at locations other than location 50 . For example, as will be explained in later examples, the screen can have a stochastically distributed path length with a Gaussian width ΔA. Then the statistical broadening occurs twice at the locations y1 and y2, which means that since the width of Gaussian functions adds up squarely, the following results from the relationship 1.0:

Ein anderer Grenzwert für die Kohärenzlänge, bei der wirksame Speckle-Reduktion eintritt, ergibt sich ferner bei einer Gleichverteilung der Phasen, beispielsweise am Ort 50. Bei einer Gleichverteilung ist der mittlere quadratische Mittelwert bekanntermaßen gleich der Gesamtbreite durch √12, so daß man für eine wirksame Reduktion der Speckle für alle möglichen Verteilungen als unterste Grenze für eine vorgegeben Breite Δk des Laserlichts dann die Beziehung
Another limit value for the coherence length at which effective speckle reduction occurs also arises when the phases are evenly distributed, for example at location 50 . In the case of a uniform distribution, the mean square mean value is known to be equal to the total width through √12, so that the relationship is then used for an effective reduction of the speckle for all possible distributions as the lowest limit for a predetermined width Δk of the laser light

Wesentlich bei allen diesen Gleichungen ist jedoch, daß die notwendige Weglängenvergrößerung immer umgekehrt proportional zu Δk ist. Die spektrale Breite eines Laserstrahls sollte daher so groß wie möglich sein, wenn mit kleinen Weglängen ΔA eine wirksame Speckle-Reduktion erreicht werden soll.However, it is essential in all of these equations that the necessary Path length increase is always inversely proportional to Δk. The spectral width of a The laser beam should therefore be as large as possible if one with small path lengths ΔA effective speckle reduction should be achieved.

Dafür kann man beispielsweise Laser mit sehr großer spektraler Breite aussuchen. Insbesondere haben Faserlaser eine so große spektrale Breite, daß die für die Speckle- Reduktion erforderlichen Weglängendifferenzen ΔA in vernünftigen Grenzen im Millimeterbereich und darunter gehalten werden können.For example, lasers with a very large spectral width can be selected. In particular, fiber lasers have such a large spectral width that the speckle Reduction of required path length differences ΔA within reasonable limits Millimeter range and below can be kept.

Weiter ergeben sich auch bei einem gepulsten Laser in Abhängigkeit der Pulszeit geeignet große Breiten. Die entsprechende Verbreiterung ergibt sich aus einer Fouriertransformation eines endlichen Wellenzugs der Länge L zu
Furthermore, with a pulsed laser there are suitably large widths depending on the pulse time. The corresponding broadening results from a Fourier transformation of a finite wave train of length L.

Δk = 2π/L 1.2Δk = 2π / L 1.2

Zu beachten ist dabei allerdings, daß diese Breite nicht mit der Gaußschen Breite zu verwechseln ist. Diese Breite des endlichen Wellenzugs ist aus den Nullstellen der Fouriertransformierten gewonnen. It should be noted, however, that this width does not increase with the Gaussian width is confused. This width of the finite wave train is from the zeros of the Fourier transforms won.

Eine Gaußsche Breite läßt sich hier nicht allgemein angeben. Allerdings muß davon ausgegangen werden, daß ein Laser nicht genau rechteckförmig gepulst ist und deshalb die durch Fouriertransformation gewonnene Breite nicht genau dem wahren Spektrum entspricht. Deshalb ist ein Zusammenhang gemäß Gleichung 1.2 trotzdem praxisgerecht. Man sollte jedoch bei allgemeiner Berechnung der Kohärenzlängen gemäß 1.2 vorsichtig sein, da auch Beiträge unterhalb 1/10 der maximalen Intensität noch, wie bei den Beispielen Fig. 5 bis Fig. 7, für eine wirksame Speckle-Reduktion einsetzbar sind.A Gaussian latitude cannot be specified here in general. However, it must be assumed that a laser is not pulsed exactly in a rectangular shape and therefore the width obtained by Fourier transformation does not correspond exactly to the true spectrum. Therefore, a relationship according to equation 1.2 is still practical. However, one should be careful when general computation of the coherence lengths according to 1.2, as well as contributions below 1/10 of the maximum intensity still, as in the examples Fig. 5 to Fig. 7, speckle reduction can be used for effective.

Zur Formulierung der Bedingung für die Weglänge in Abhängigkeit der Kohärenzlänge zur Reduktion der Speckle kann deswegen nur die unterste mögliche Grenze für den mittleren quadratischen Mittelwert ΔA angenommen werden. Das heißt, allgemein sollte für
Therefore, to formulate the condition for the path length as a function of the coherence length for reducing the speckle, only the lowest possible limit for the mean square mean value ΔA can be assumed. That is, generally should for

eine wirkungsvolle Speckle-Reduktion erwartet werden. Allgemein gilt jedoch, je größer ΔA gewählt wird, desto effektiver werden die Speckle unterdrückt.an effective speckle reduction can be expected. In general, however, applies If larger ΔA is selected, the more effectively the speckle is suppressed.

Soll die vorzusehende Weglängendifferenz in der Größenordnung von einigen Millimetern bleiben, ist gemäß der obigen Gleichung bei Pulsbetrieb des Lasers möglichst eine Pulszeit unterhalb 10 ps, d. h. 3 mm Weglänge im Puls, einzuhalten.Should the path length difference to be provided be of the order of a few millimeters remain, according to the equation above, if possible, a pulse time for laser pulse operation below 10 ps, d. H. 3 mm path length in the pulse.

Insbesondere haben sich für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 die folgenden Werte in Abhängigkeit der Farbe der Laser 10, 20, 30 herausgestellt:
In particular, the following values have been found for the exemplary embodiment in FIG. 1 as a function of the color of the lasers 10 , 20 , 30 :

- 4 ps and in particular less than 2 ps for the red laser
- 3 ps and in particular less than 1.5 ps for the green laser and 2 ps
- and in particular less than 1 ps for the blue laser.

Da die spektrale Breite üblicherweise nicht in Wellenzahlen, sondern in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemessen wird, ist insbesondere auch die folgende Beziehung wichtig, die sich aus Gleichung 1.2 über den bekannten Zusammenhang der Wellenzahl von der Wellenlänge ergibt:
Since the spectral width is usually not measured in terms of wavenumbers but as a function of the wavelength, the following relationship is particularly important, which results from equation 1.2 about the known relationship between the wavenumber and the wavelength:

Mit diesem Ausdruck läßt sich auch die spektrale Breite Δλ eines Lasers in einfacher Weise bestimmen, bei der bei vorgegebenen Weglängendifferenzen eine Reduktion von Specklen erwartet wird. Bei nur geringen Weglängendifferenzen, um beispielsweise einen dünnen Schirm 43 einsetzen zu können, ergeben sich als optimale Werte für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 Δλ < 1,3 nm für rotes Licht, Δλ < 0,9 nm für grünes Licht und Δλ < 0,75 nm für blaues Licht. Das entspricht einer Kohärenzlänge von ungefähr 0,3 mm, so daß man erwarten kann, daß mit diesen Werten schon auf einer normalen Perlleinwand für Diaprojektion eine wirkungsvolle Speckle-Reduktion erreicht wird.With this expression, the spectral width Δλ of a laser can also be determined in a simple manner, in which a reduction of speckles is expected for given path length differences. With only small path length differences, for example in order to be able to use a thin screen 43 , the optimum values for the exemplary embodiment of FIG. 1 are Δλ <1.3 nm for red light, Δλ <0.9 nm for green light and Δλ <0 , 75 nm for blue light. This corresponds to a coherence length of approximately 0.3 mm, so that one can expect that an effective speckle reduction can be achieved with these values even on a normal pearl screen for slide projection.

Derartige Linienbreiten sind auch in einfacher Weise mit Faserlasern möglich, weshalb diese für das Ausführungsbeispiel in Fig. 1 bevorzugt werden.Such line widths are also possible in a simple manner with fiber lasers, which is why they are preferred for the exemplary embodiment in FIG. 1.

Allerdings ist in Zukunft auch eine Projektion von Stereobildern geplant. Diese kann mit Hilfe von einer Spezialbrille und einem getrennten Darstellen eines Bildes für jedes Auge eines Beobachters mit verschieden polarisiertem Licht erzeugt werden. Damit der Polarisationszustand erhalten bleibt, muß dabei allerdings auf die beispielhaft genannten Perlleinwände verzichtet werden. Deshalb ist dann die verlangte Weglänge ΔA in anderer Weise zu verwirklichen.However, a projection of stereo images is also planned in the future. This can be done with the help of special glasses and a separate presentation of an image for each eye Observer generated with different polarized light. So that Polarization state is retained, but must be based on the examples mentioned Pearl screens can be dispensed with. Therefore the required path length ΔA is different Way to realize.

Wie vorstehend anhand von Fig. 2 deutlich wurde, kann man auch entsprechend Fig. 2 am Ort 50 eine Weglängenänderung vorsehen, damit die Speckle reduziert werden.As became clear above with reference to FIG. 2, a path length change can also be provided at location 50 in accordance with FIG. 2, so that the speckle is reduced.

Ein Ausführungsbeispiel ist dafür in Fig. 3 schematisch gezeigt. Diese Figur zeigt ein Prisma 52, das in Fig. 1 jeweils zwischen dem Modulator 14, 24 und 34 und der Vereinigungseinrichtung 38 angeordnet ist. Der Ort des Prismas 52 vor der Vereinigungseinrichtung 38 ist besonders günstig, da dann durch das Prisma keine zu korrigierenden Farbfehler auftreten, die bei Anordnung hinter der Vereinigungseinrichtung 38 aufgrund verschiedener Ablenkungen der Laserstrahlen 12, 22, 23 im Gesamtlichtbündel 40 auftreten könnten.An exemplary embodiment of this is shown schematically in FIG. 3. This figure shows a prism 52 , which is arranged in each case in FIG. 1 between the modulator 14 , 24 and 34 and the combining device 38 . The location of the prism 52 in front of the merging device 38 is particularly favorable since the prism then does not cause any color errors to be corrected which, when arranged behind the merging device 38, could occur due to various deflections of the laser beams 12 , 22 , 23 in the total light beam 40 .

In Abhängigkeit vom Ort x1 bzw. x2 gemäß Fig. 2 des Photons im Laserstrahl erfolgen bei einem Prisma unterschiedliche Phasendifferenzen, die sich bei der Mittelwertbildung gemäß Beziehung 1.0 ausmitteln können, wenn die unterschiedlichen Phasendifferenzen aufgrund des Prismas 52 groß genug sind.Depending on the location x1 or x2 according to FIG. 2 of the photon in the laser beam, different phase differences occur in a prism, which can be averaged out in the averaging according to relationship 1.0 if the different phase differences due to the prism 52 are large enough.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist die größte Phasendifferenz über dem Durchmesser D ≈ <x1 - x2< des Laserstrahls 32, wie dargestellt, 2w(n - 1) mit n als Brechungsindex des Materials. Bei Glas, einem 90° Prisma und einem Durchmesser des Laserstrahls von ungefähr D = 2 mm lassen sich damit mittlere effektive, aufgrund der Phasenverschiebung durch den Brechungsindex von der einen Flanke des Laserstrahls 32 zu der anderen in der Größenordnung von 2 mm erzeugen. Bei einer größeren Kohärenzlänge des Laserstrahls werden damit die auftretenden Speckle elliptisch verformt, bei wesentlich kleineren entstehen dann Streifen. In the exemplary embodiment of FIG. 3, the largest phase difference over the diameter D ≈ <x1-x2 <of the laser beam 32 , as shown, is 2w (n-1) with n as the refractive index of the material. In the case of glass, a 90 ° prism and a diameter of the laser beam of approximately D = 2 mm, it is thus possible to produce average effective magnitudes on the order of 2 mm due to the phase shift due to the refractive index from one flank of the laser beam 32 to the other. With a longer coherence length of the laser beam, the speckle that occurs is elliptically deformed, and stripes are formed with much smaller ones.

Daß die Speckle nicht vollständig ausgelöscht werden, sondern nur als Streifen erscheinen, liegt daran, daß die Phasenverschiebungen aufgrund des Prismas 52 nur in einer Richtung wirksam werden. Zur vollständigen Auslöschung der Speckle müßten verschiedene, mindestens drei Prismen 52, in unterschiedlichen Richtungen angeordnet werden.The fact that the speckles are not completely erased, but only appear as stripes, is due to the fact that the phase shifts due to the prism 52 are only effective in one direction. To completely erase the speckle, different, at least three prisms 52 would have to be arranged in different directions.

Dagegen benötigt man bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 nur ein einziges Element 54. Dieses ist nahezu rotationssymmetrisch als Kuppel mit einer Oberfläche 56 und mit einem Hohlraum 57 ausgebildet. Die äußere Fläche 56 und die innere im Hohlraum 57 liegende Fläche 58 sind so geformt, daß eine Brechung im Material des Elements 54 zu einem Verlauf parallel zur Äquatorebene 60 führt. Damit ist sichergestellt, daß der Laserstrahl 32 bei Durchlaufen des Elements 54 die Form beibehält. Jedoch wird auch hier, wie beim Beispiel von Fig. 3, von den einzelnen Photonen je nach Ort des Eintritts in das optische Element 54 eine unterschiedliche Weglänge durchlaufen, die zu effektiven Phasenverschiebungen führt. Es wurde abgeschätzt, daß mit Hilfe dieses optischen Elements bei ähnlichen maßstäblichen Verhältnissen, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, und einem Strahldurchmesser von 2 mm Weglängendifferenzen in der Größenordnung von mehreren Zehntel Millimetern erreicht werden können, was für die oben angegebenen spektralen Breiten ausreichend ist, die Speckle wirkungsvoll zu reduzieren.In contrast, only one element 54 is required in the embodiment of FIG. 4. This is almost rotationally symmetrical as a dome with a surface 56 and a cavity 57 . The outer surface 56 and the inner surface 58 lying in the cavity 57 are shaped such that a refraction in the material of the element 54 leads to a course parallel to the equatorial plane 60 . This ensures that the laser beam 32 maintains its shape when passing through the element 54 . However, here too, as in the example in FIG. 3, the individual photons travel a different path length depending on the location at which they enter the optical element 54 , which leads to effective phase shifts. It has been estimated that with the aid of this optical element at similar scale ratios as shown in Fig. 4 and a beam diameter of 2 mm path length differences in the order of several tenths of a millimeter can be achieved, which is sufficient for the spectral widths given above is to reduce speckle effectively.

Statt der kompliziert zu fertigenden Form, die im Beispiel von Fig. 4 verwendet wurde, damit alle Lichtbündel im Hohlraum 52 parallel verlaufen, kann man, wenn man eine Strahlaufweitung toleriert, auch einfach eine Halbkugelschale aus brechendem Material zur Speckle-Reduktion einsetzen oder notfalls die zu erwartende Aufweitung des Laserstrahls mit einem weiteren optischen System korrigieren.Instead of the complicated shape that was used in the example of FIG. 4, so that all light beams in the cavity 52 run parallel, if a beam expansion is tolerated, one can simply use a hemisphere made of refractive material for speckle reduction or, if necessary, the Correct the expected expansion of the laser beam with another optical system.

Wie in den Beispielen von Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt wurde, reichen Phasendifferenzen in brechenden Materialien aus, um die entsprechende Weglängenänderung zu erreichen. Derartige Phasenänderungen sind auch von der Fresnellinse 45 und der Aufweitungsoptik 44 und eventuell sogar von der Vereinigungseinrichtung 38 zu erwarten. Diese können durchaus im Bereich von einigen Zehnteln Millimetern liegen, was bei geeignet ausgesuchter Kohärenzlänge des Lasers für die Ausbildung als erste Struktur zur Speckle-Reduktion ausreicht.As shown in the examples of Fig. 3 and Fig. 4, rich phase differences in refractive materials, in order to achieve the corresponding path length. Such phase changes can also be expected from the Fresnel lens 45 and the expansion optics 44 and possibly even from the combination device 38 . These may well be in the range of a few tenths of a millimeter, which, with a suitably selected coherence length of the laser, is sufficient for the formation as the first structure for speckle reduction.

In Fig. 5 ist schematisch ein Bildschirm 43 dargestellt, der sich ebenfalls für die Darstellung stereoskopischer specklefreier Bilder eignet. Die streuende Struktur zur Aufweitung des Raumwinkels für verschiedene Beobachter ist dabei allerdings nicht gezeigt, um das Prinzip der Speckle-Reduktion einfacher erläutern zu können. A screen 43 is shown schematically in FIG. 5, which is also suitable for displaying stereoscopic speckle-free images. However, the scattering structure for widening the solid angle for different observers is not shown in order to explain the principle of speckle reduction more easily.

Der Bildschirm 43 gemäß Fig. 5 besteht im wesentlichen aus einem teildurchlässigen Spiegel 62 und einem weiteren Spiegel 64. Zwischen dem Spiegel 64 und dem halbdurchlässigen Spiegel befindet sich ein lichtbrechendes transparentes Material 66, das erstens für die Stabilität des Bildschirms 43 sorgt und zweitens ermöglicht, daß der Spiegel bei vorgegebener Kohärenzlänge dünner gehalten werden kann, da der Brechungsindex des Materials 66 die erwünschten Phasenänderungen vergrößert.The screen 43 shown in FIG. 5 consists essentially of a partially transparent mirror 62 and another mirror 64. Between the mirror 64 and the semitransparent mirror there is a light-refractive transparent material 66 , which firstly ensures the stability of the screen 43 and secondly enables the mirror to be kept thinner for a given coherence length, since the refractive index of the material 66 increases the desired phase changes .

Das Gesamtlichtbündel 40 fällt nun auf den teildurchlässigen Spiegel 62 auf, wobei ein Teil zurückgeworfen wird. Ein anderer Teil fällt auf den Spiegel 64 und wird zurückreflektiert, so daß sich unterschiedliche Lauflängen ergeben. Insbesondere ergibt sich auch eine Verteilung der Weglängen, da einige Teillaserstrahlen, wie in Fig. 5 zu sehen, mehrfach reflektiert werden. Dadurch entsteht im austretenden Licht die gewünschte Weglängendifferenz zur Vermeidung von Speckle.The total light beam 40 now strikes the partially transparent mirror 62 , with a portion being reflected. Another part falls on the mirror 64 and is reflected back, so that different run lengths result. In particular, there is also a distribution of the path lengths, since some partial laser beams, as can be seen in FIG. 5, are reflected several times. This creates the desired path length difference in the emerging light to avoid speckle.

Ein Bildschirm der gewünschten Art kann beispielsweise aus einer beidseitig aufgerauhten Glasscheibe bestehen, auf der die Spiegel 62 und 64 aufgedampft werden. Für dünnere, leichtere Bildschirme 43 bietet sich auch handelsüblich erhältliche, verspiegelte Mylarfolie an, die auf der unverspiegelten Seite teilverspiegelt werden kann. Eine Unebenheit zum Streuen des Lichts in verschiedene Richtungen kann dabei durch eine lokal inhomogene Wärmebehandlung erfolgen, welche die Mylarfolie in kleinen Bereichen verzieht.A screen of the desired type can, for example, consist of a glass pane roughened on both sides, on which the mirrors 62 and 64 are evaporated. For thinner, lighter screens 43 , commercially available, mirrored Mylar film is also available, which can be partially mirrored on the non-mirrored side. An unevenness to scatter the light in different directions can be achieved by locally inhomogeneous heat treatment, which warps the Mylar film in small areas.

Mehrere Alternativen zu dem Schirm gemäß Fig. 5 sind beispielsweise durch Vorsehen eines Schirms aus Streukörpern gegeben, die aber möglicherweise durch Streuung die Polarisation des Lichts ändern und daher keine Darstellung von Stereobildern erlauben.Several alternatives to the screen according to FIG. 5 are provided, for example, by providing a screen made of scattering bodies, which, however, possibly change the polarization of the light due to scattering and therefore do not allow the display of stereo images.

Bei solchen Schirmen kann der Bildschirm aus gesintertem Granulat geformt werden bzw. aus phasenverschiebenden Körpern, die eine entsprechende Weglängenänderung erzeugen. Bei Körnern des Durchmessers δ liegen die unterschiedlichen Wege durch das Korn ungefähr zwischen 0 und δ, so daß man bei einem Brechungsindex-Unterschied Δn gegenüber der Umgebung des Korns bei Durchlaufen eines Korns maximal Weglängendifferenzen von (Δn - 1)δ erwartet, was einer mittleren quadratischen Weglängenänderung bei angenommener Gleichverteilung von ungefähr (Δn - 1)δ/12^1/2 entspricht. Bei einer Dicke d des Schirms durchläuft der Laserstrahl ungefähr im Mittel d/δ Körner. Die mittleren quadratischen Abweichungen bezüglich der Weglänge addieren sich bei mehreren Körner quadratisch, so daß also bei einer Dicke d eines Bildschirms 43 eine mittlere quadratische Abweichung von ungefähr
With such screens, the screen can be formed from sintered granules or from phase-shifting bodies which produce a corresponding change in path length. For grains of diameter δ, the different paths through the grain are approximately between 0 and δ, so that with a difference in refractive index Δn compared to the surroundings of the grain when passing through a grain, maximum path length differences of (Δn - 1) δ are expected, which is an average quadratic path length change assuming a uniform distribution of approximately (Δn - 1) δ / 12 ^1/2 . At a thickness d of the screen, the laser beam passes through approximately d / δ grains on average. The mean square deviations with respect to the path length add up in the case of a plurality of grains, so that with a thickness d of a screen 43 an average square deviation of approximately

erwartet wird.is expected.

Versuche haben gezeigt, daß sich insbesondere Teflon, das aus Granulat gesintert und zu einem Schirm geformt wird, gut zur Auslöschung von Specklen eignet. Teflon® hat eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2. Das heißt, aufgrund der Maxwellschen Beziehung erwartet man einen Brechungsindex von 1,4. Da in der Literatur keine Angaben über den Brechungsindex gefunden wurden, wurden eigene Messungen durchgeführt, die zeigten, daß man in den Körnern einen Brechungsindex von 1,2 bis 1,4 erwartet.Experiments have shown that, in particular, Teflon, which is sintered from granules and an umbrella, is well suited for extinguishing speckles. Teflon® has one Dielectric constant of about 2. That is, due to Maxwell's relationship one expects a refractive index of 1.4. Since there is no information in the literature about the Refractive index were found, own measurements were carried out, which showed that a refractive index of 1.2 to 1.4 is expected in the grains.

Bei den genannten Versuchen zur Speckle-Reduktion wurden Bildschirme 34 aus Teflon® mit mittleren Korngrößen von δ ≈ 0,4 mm eingesetzt.In the experiments mentioned for speckle reduction, screens 34 made of Teflon® with average grain sizes of δ ≈ 0.4 mm were used.

Gemäß der oben angegebenen Gleichung würde daher ein Teflonschirm aus Granulat mit Korngrößen von δ ≈ 0,4 mm, bei einem Brechungsindex von 1,4 und bei 4 mm Dicke, Weglängendifferenzen entsprechend dem quadratischen Mittelwert von ΔA ≈ 0,15 mm erzeugen. Das heißt, aufgrund der theoretischen Überlegungen in Verbindung mit Fig. 2 könnte ein derartiger Schirm Speckle bei Laserlicht mit einer Kohärenzlänge von ΔA . √12 ≈ 0,5 mm auslöschen.According to the equation given above, a Teflon screen made of granulate with grain sizes of δ ≈ 0.4 mm, with a refractive index of 1.4 and 4 mm thickness would produce path length differences corresponding to the root mean square of ΔA ≈ 0.15 mm. That is, on the basis of the theoretical considerations in connection with FIG. 2, such a screen could speckle with laser light with a coherence length of ΔA. Erase √12 ≈ 0.5 mm.

Tatsächlich hat sich gezeigt, daß die Speckle bei einem derartigen Schirm sogar bei einer Kohärenzlänge von 4 cm, nach Angabe des Laserherstellers, nicht mehr sichtbar waren. Dies steht zunächst im Widerspruch zur Erwartung. Die obige Abschätzung für die quadratische Weglängendifferenz ist zwar sehr grob, genauere Rechnungen, die auch unterschiedliche Weglängen durch Streuung an den Körnern in Betracht ziehen, haben jedoch gezeigt, daß die abgeschätzte Größe maximal um einen Faktor 2 bis 3 zu klein ist. Das heißt, es besteht hier immer noch eine große Diskrepanz zwischen der theoretisch errechneten Kohärenzlänge, bei der die beobachtete Speckle-Reduktion möglich ist, und der Angabe der Kohärenzlänge des Laserherstellers.In fact, it has been shown that the speckle with such an umbrella even with one Coherence length of 4 cm, according to the laser manufacturer, were no longer visible. This is initially contrary to expectation. The above estimate for the quadratic Path length difference is very rough, more accurate calculations, which are also different Consider path lengths by scatter on the grains, however, have shown that the estimated size is at most a factor of 2 to 3 too small. That is, it exists there is still a large discrepancy between the theoretically calculated Coherence length at which the observed speckle reduction is possible and the specification of the Coherence length of the laser manufacturer.

Es ist daher anzunehmen, daß bei Teflon ein zusätzlicher Effekt zur Wirkung kommt, mit dem die Speckle effektiver ausgelöscht werden können. Zur Klärung wurde dazu die Abhängigkeit von der Kohärenzlänge untersucht. Bei einem Faserlaser mit ungefähr 500 nm Wellenlänge und einer spektralen Breite von 2 nm, also ungefähr 0,2 mm Kohärenzlänge, hat sich gezeigt, daß die Speckle schon bei einer 1 mm dicken Teflonschicht nicht mehr wahrnehmbar waren. Bei dieser Dicke zeigte der Laser mit 4 cm Kohärenzlänge aber noch deutliche Speckle-Erscheinungen. Das heißt, die Auslöschung der Speckle erfolgt mit Sicherheit in Abhängigkeit von der Kohärenzlänge und die oben näher ausgeführten Modellvorstellungen sollten anwendbar sein.It can therefore be assumed that with Teflon an additional effect comes into effect with which the speckle can be wiped out more effectively. For clarification, the Dependence on the coherence length examined. For a fiber laser with approximately 500 nm Wavelength and a spectral width of 2 nm, i.e. approximately 0.2 mm coherence length, It has been shown that the speckle is no longer even with a 1 mm thick Teflon layer were noticeable. At this thickness, however, the laser still showed a coherence length of 4 cm clear speckle appearances. This means that the speckle is also deleted Security depending on the coherence length and those detailed above Models should be applicable.

Die Auflösung dieser Diskrepanz ist im Teflonmaterial selbst zu sehen. Teflon hat nämlich eine sehr komplexe Struktur, die in Fig. 6 schematisch dargestellt ist.The resolution of this discrepancy can be seen in the Teflon material itself. This is because Teflon has a very complex structure, which is shown schematically in FIG. 6.

Die Fig. 6 zeigt die Körner 67 eines Teflonschirms schematisch, denen der vorher genannte Brechungsindex von 1,2 bis 1,4 zuzuordnen ist. Wie schon aus der einleitend zitierten Literatur bekannt ist, weisen jedoch auch die Körner 67 eine Struktur auf. In diesen liegen nämlich sogenannte Kristallite 68 in einer amorphen Phase 69 eingebettet. Bei dem verwendeten Teflonmaterial wurden Kristallite 68 mit Längen in der Größenordnung von 100 µm bei sehr geringen Dicken von mehreren Mikrometern bis hinunter zu 1 µm beobachtet. FIG. 6 schematically shows the grains 67 of a Teflon screen, to which the above-mentioned refractive index of 1.2 to 1.4 can be assigned. As is already known from the literature cited in the introduction, however, the grains 67 also have a structure. This is because so-called crystallites 68 are embedded in an amorphous phase 69 . With the Teflon material used, crystallites 68 with lengths in the order of 100 µm with very small thicknesses of several micrometers down to 1 µm were observed.

In Zwischenräumen zwischen den Kristalliten 68 befindet sich amorphes Material 69, dessen Brechungsindex-Differenz zu den Kristalliten 68 nach eigenen Messungen in der Größenordnung 0,1 liegen sollte. Wegen des geringen Brechungsindexes ist allerdings von dieser aus Kristalliten 68 und dem amorphen Material 69 gebildeten zweiten Struktur keine Weglängenänderung zu erwarten.Amorphous material 69 is located in the spaces between the crystallites 68 , the refractive index difference of the crystallites 68 from the crystallites 68 should be in the order of 0.1 according to our own measurements. Because of the low refractive index, however, no change in path length is to be expected from this second structure formed from crystallites 68 and amorphous material 69 .

Allerdings kann diese von den Kristalliten und dem amorphen Material gebildete zweite Struktur die Kohärenzlänge aufgrund folgender Überlegungen beeinflussen:However, this second can be formed by the crystallites and the amorphous material Structure influence the coherence length based on the following considerations:

Von einer Welle definierter Wellenlänge kann, wie man sich durch Fouriertransformation überzeugt, nur gesprochen werden, wenn sich diese Welle vom negativ Unendlichen zum positiv Unendlichen erstreckt. Bei irgendeiner Störung, beispielsweise wenn der Wellenzug aufgrund eines Pulsens begrenzt ist, oder wenn das durch die Welle geführte Quant in einem lokal begrenzten räumlichen Bereich einen anderen Zustand annimmt, muß dagegen mit einer spektralen Verbreiterung gerechnet werden.A wave of a defined wavelength can be transformed by Fourier transformation can only be convinced if this wave changes from the negative infinite to the positive infinity stretches. In the event of any malfunction, for example if the Wave train is limited due to a pulse, or if that is guided by the wave Quantum takes on a different state in a locally limited spatial area, on the other hand, spectral broadening must be expected.

Diese Eigenschaft hat ihren Ausdruck in der allgemein gültigen Unschärferelation gefunden, bei der die Wellenlänge einer Materiewelle mit ihrem Impuls verknüpft ist.This property is expressed in the general uncertainty principle found in which the wavelength of a matter wave is linked to its impulse.

So ist eine Welle, die sich nur über einen begrenzten Raumbereich, die Kohärenzlänge, erstreckt, immer spektral verbreitert, wie folgende Rechnung zeigt: So a wave that is only over a limited space, the coherence length, extends, always spectrally broadened, as the following calculation shows:

Bei einem einzelnen Photon mit einem Wellenzug der Kohärenzlänge L und einem Wellenvektor k₀, dessen Welle bezüglich der Länge L auf die Photonenzahl 1 normiert ist, setzt man an:
For a single photon with a wave train of coherence length L and a wave vector k ₀ , the wave of which is normalized with respect to length L to the number of photons 1, the following is used:

sonst Nullotherwise zero

In bekannter Weise erhält man durch Fouriertransformation mit dem Operator
In a known manner, one obtains by Fourier transformation with the operator

im k-Raum den Ausdruck:
in k-space the expression:

Man erhält also ein Spektrum, dessen spektrale Breite durch die Kohärenzlänge L bestimmt ist. Dieser Effekt der spektralen Verbreiterung läßt sich, wie vorstehend schon gezeigt, mit Hilfe gepulster Laser ausnutzen.A spectrum is thus obtained, the spectral width of which is determined by the coherence length L. is determined. This effect of the spectral broadening can be done as above shown, using pulsed lasers.

Für die weiteren Betrachtungen wird nun die Verteilung P
For the further considerations, the distribution P

P(k, k₀) = |k|k₀|²
P (k, k ₀ ) = | k | k ₀ | ^2nd

eingeführt, die in üblicher Weise die Wahrscheinlichkeit beschreibt, ein mit dem Wellenvektor k₀ erzeugtes Photon mit dem Wellenvektor k zu detektieren. introduced, which describes the probability in the usual way to detect a photon generated with the wave vector k ₀ with the wave vector k.

Weiter müssen zum besseren Verständnis der Kohärenzlänge die folgenden Ausführungen vorausgeschickt werden:Furthermore, for a better understanding of the coherence length, the following must Versions are sent ahead:

Im Ortsraum sagt die Kohärenzlänge aus, in welchem Abstand zwei Photonzustände fester Phasenbeziehung noch miteinander interferieren können, da Interferenz eine Überlagerung der Amplitude beider Photonen am gleichen Ort zur gleichen Zeit voraussetzt. Eine ähnliche Interpretation ergibt sich im k-Raum: Eine feste Phasenbeziehung kann nur aufrechterhalten werden, wenn zwei Wellenzüge annähernd die gleiche Wellenzahl haben. Bei zu großer spektraler Verbreiterung wird aufgrund der sich zeitlich schnell ändernden Phasenbeziehung jegliche phasenabhängige Superposition ausgemittelt.In local space, the coherence length tells us at what distance two photon states fixed phase relationship can still interfere with each other, since interference is a Superposition of the amplitude of both photons at the same location at the same time assumes. A similar interpretation arises in k-space: a fixed one Phase relationship can only be maintained when two wave trains are approximately have the same wavenumber. If the spectral broadening is too large, the rapidly changing phase relationship any phase dependent Superposition averaged.

Diese Betrachtung verdeutlicht, daß es für eine Störung der Kohärenz gar nicht darauf ankommt, einen sehr kurzen Wellenzug zu erhalten, sondern allein darauf, wie stark das Spektrum verbreitert ist. Bei zwei unendlich langen Wellen mit unterschiedlicher Wellenzahl mitteln sich die relativen Phasen bei Lauflängendifferenzen mit einer Phasendifferenz von 2π oder einem Vielfachen davon aus, so daß man für eine beliebige spektrale Breite ebenfalls eine zum Begriff der Kohärenzlänge äquivalente, sogenannte effektive Kohärenzlänge bilden kann.This consideration clarifies that it is not due to a disturbance of coherence at all depends on getting a very short wave train, but solely on how strong that Spectrum is broadened. With two infinitely long waves with different The number of waves averages the relative phases with run length differences Phase difference of 2π or a multiple thereof, so that one for any spectral width also a so-called equivalent to the term coherence length can form effective coherence length.

Gemäß dieser Betrachtung berechnet sich diese effektive Kohärenzlänge L' für jede Verteilung durch:
According to this consideration, this effective coherence length L 'is calculated for each distribution by:

k - k₀ _Kohärenz . L' = 2πk - k ₀ _coherence . L '= 2π

Wesentliche Größe ist dabei der Mittelwert der Wellenvektordifferenz. Dieser Mittelwert muß allerdings noch geeignet definiert werden.The main variable is the mean value of the wave vector difference. This mean must still be defined appropriately.

Bei jeder schnell genug gegen unendlich abfallenden Verteilung läßt sich eine Gaußsche Breite
With any distribution that falls fast enough against infinitely falling, a Gaussian latitude can be found

mit k₀ als Mittelwert der Verteilung k angeben. Allerdings kann diese Gaußsche Breite bei der oben berechneten Verteilung nicht angegeben werden, da der Integrand wegen des Terms sin²(k - k₀)L/2 bei großen Wellenzahlen k immer noch große Beiträge liefert.with k ₀ as the mean of the distribution k. However, this Gaussian latitude cannot be given for the distribution calculated above, since the integrand still makes large contributions due to the term sin ² (k - k ₀ ) L / 2 for large wave numbers k.

Der Grund für das Auftreten hoher Wellenzahlen ist durch die steilen Flanken bei ±L/2 im Ortsraum gegeben. Dieser für die Berechnung angenommene steile Anstieg ist jedoch physikalisch nicht realistisch. Deshalb ist es vernünftig, die Integration bei der Ausführung des Integrals zur Berechnung der Gaußschen Breite bis zu einer begrenzten Anzahl von Schwingungen durchzuführen. Die dadurch entstehende Unsicherheit bezüglich des Integrationswegs läßt sich dann auf folgende Weise beseitigen:The reason for the occurrence of high wave numbers is due to the steep flanks at ± L / 2 im Given space. However, this steep increase assumed for the calculation is not physically realistic. That is why it is sensible to integrate when executing of the integral for calculating the Gaussian width up to a limited number of To perform vibrations. The resulting uncertainty regarding the Integration paths can then be eliminated in the following way:

Wie vorstehend schon dargestellt wurde, hängt der Wert des Gaußschen Integrals stark davon ab, wie steil die Flanken ansteigen bzw. abfallen, was durch eine begrenzte Integrationslänge berücksichtigt werden kann. Es ist jedoch auch zu erwarten, daß sich die für die Kohärenzlänge zu berücksichtigende Breite abhängig von der Form ändert.As has already been shown above, the value of the Gaussian integral depends strongly depending on how steep the flanks rise or fall, which is indicated by a limited Integration length can be taken into account. However, it is also expected that the width to be considered for the coherence length changes depending on the shape.

Deshalb muß ein Formfaktor f eingeführt werden, mit dem unterschiedlichen Cutoffs bei hohen Frequenzen Rechnung getragen wird:
A form factor f must therefore be introduced that takes account of different cutoffs at high frequencies:

(k - k₀)² _Kohärenz = f(k - k₀)² _Gauss (k - k ₀ ) ² _coherence = f (k - k ₀ ) ² _Gauss

Daraus bildet man mit der obigen Gleichung für die Wahrscheinlichkeitsverteilung P
The equation for the probability distribution P is then used to form this

Der Ausdruck in den eckigen Klammem enthält keine physikalischen Größen mehr und kann deshalb nur als cutoffabhängige Konstante, zumindest für unendlich große Integrationsbereiche, angesehen werden.The expression in the square brackets no longer contains physical quantities and can therefore only be used as a cutoff-dependent constant, at least for infinitely large ones Areas of integration.

Zum Ausrechnen des Werts für die eckige Klammer fehlt nun nur noch ein Wert für den Formfaktor f. Dieser läßt sich aber leicht durch die vernünftige Annahme herleiten, daß die effektive Kohärenzlänge L' bei dem oben angenommenen Wellenzug der wirklichen Kohärenzlänge L gleich ist. Damit kommt man zu dem Ergebnis, daß bei den angegebenen funktionellen Zusammenhängen der Wert des Ausdrucks in den eckigen Klammern gleich (2π)² zu setzen ist, damit sich L' = L ergibt.To calculate the value for the square brackets, only one value for the form factor f is missing. However, this can easily be derived from the reasonable assumption that the effective coherence length L 'is the same as the real coherence length L in the wave train assumed above. This leads to the conclusion that the value of the expression in the square brackets must be set to (2π) ² for the given functional relationships, so that L '= L results.

Die vorstehenden Betrachtungen ermöglichen es, die ansonsten divergierenden Integrale, die bei den folgenden Rechnungen auftreten, zu beseitigen und endliche, physikalisch sinnvolle Ergebnisse zu erhalten.The above considerations enable the otherwise divergent integrals, that occur in the following calculations, and finite, physical get meaningful results.

Wie aus den obigen Berechnungen deutlich wurde, ergibt sich bei einem endlichen Wellenzug und/oder einer endlichen spektralen Breite eine effektive Kohärenzlänge, d. h. eine Länge oberhalb derer bei Verschiedenheit zweier beliebiger Wege eines Photons keine Interferenz mehr auftreten kann.As became clear from the above calculations, the result is a finite one Wave train and / or a finite spectral width an effective coherence length, d. H. a length above that where two arbitrary paths of a photon differ interference can no longer occur.

Quantenmechanisch ist das mit Hilfe der Unschärferelation verständlich. Eine Verbreiterung einer spektralen Verteilung bedeutet eine Impulsverbreiterung, die sich auf eine begrenzte Ortsunschärfe beim Nachweis eines Photons auswirkt.This is understandable quantum mechanically with the help of the uncertainty principle. A Broadening of a spectral distribution means a broadening of impulses that are based on a limited location blur affects the detection of a photon.

Die Unschärferelation ist andererseits dadurch bedingt, daß bei einem räumlich begrenzten Meßprozeß eine Impulsverbreiterung aufgrund einer Impulsaufnahme durch das Meßgerät zu erwarten ist. Da es für die prinzipielle Gültigkeit der Unschärferelation gleichgültig ist, von welcher Art der Meßprozeß ist, ist der wesentliche physikalische Prozeß nicht durch das Meßgerät selbst bedingt, sondern durch die von diesem ausgelöste Störung des zu vermessenden Teilchens. Analog zum Meßprozeß muß dann von jeder Störung eine ähnliche Verbreiterung erwartet werden.The uncertainty principle, on the other hand, is due to the fact that with one spatial limited measuring process a pulse broadening due to a pulse recording the measuring device is to be expected. Since it is for the basic validity of the uncertainty principle it is irrelevant what kind of measuring process is, the essential physical Process not caused by the measuring device itself, but by the latter triggered disturbance of the particle to be measured. Analogous to the measuring process a similar broadening is expected from each disturbance.

Die folgenden Rechnungen lassen sich auch ohne Einführung des quantenmechanischen Impulses vollständig durchführen. Statt dessen wird hier durchgehend der Wellenvektor k verwendet. Diese Rechnungen stimmen trotzdem mit der quantenmechanischen Interpretation überein, da k aufgrund der Planckschen Beziehung dem Impuls einer Welle proportional ist.The following calculations can also be done without introducing the quantum mechanical Complete the pulse. Instead, the wave vector k used. These calculations are still correct with the quantum mechanical Interpretation since k due to Planck's relationship is the momentum of a wave is proportional.

Ein Teilchen mit dem Wellenvektor k₀ wird mit der Amplitude
A particle with the wave vector k ₀ becomes with the amplitude

k|k₀
k | k ₀

als Teilchen mit dem Wellenvektor k nachgewiesen. Diese läßt sich durch Transformation aus dem Ortsraum berechnen als
detected as particles with the wave vector k. This can be calculated from the local space by transformation

wobei eine lokale Störung über die Streumatrix S eingeführt wird als
where a local disturbance is introduced via the scattering matrix S as

Man erkennt aus dieser Gleichung, daß falls die Streumatrix S einen Beitrag liefert, der nur in einem engen räumlichen Bereich verschieden von 0 ist, die Amplitude k|k₀ dann ähnliche Integrale enthält, wie sie beim Spektrum für eine endliche Kohärenzlänge auftraten. Man erwartet daher auch mathematisch eine Änderung der effektiven Kohärenzlänge bei örtlichen Störungen. Verbreiterungen des Spektrums durch örtliche Störungen, wie die Absorption und Emission eines Photons durch Moleküle oder Atome, sind beispielsweise beim Ramaneffekt experimentell beobachtet worden und sollen im folgenden nicht näher betrachtet werden.It can be seen from this equation that if the scattering matrix S makes a contribution that differs from 0 only in a narrow spatial area, the amplitude k | k ₀ then contains integrals similar to those that occurred in the spectrum for a finite coherence length. A mathematical change in the effective coherence length for local disturbances is therefore expected. Broadening of the spectrum due to local disturbances, such as the absorption and emission of a photon by molecules or atoms, have been experimentally observed, for example, in the Raman effect and will not be considered in more detail below.

Aus den Gleichungen läßt sich aber erschließen, daß auch dann eine spektrale Verbreiterung mit geringerer effektiver Kohärenzlänge zu erwarten ist, wenn sich das Photon lokal in einem vom Emissionszustand verschiedenen Zustand befindet, dann aber im ursprünglichen Zustand beobachtbar wird. Beispielsweise wird man dann auch spektrale Verbreiterungen bei Durchgang eines Photons durch einen örtlich begrenzten Körper erwarten, in dem das Photon einen etwas unterschiedlichen Wellenvektor aufgrund eines von 1 verschiedenen Brechungsindexes aufweist.From the equations, however, it can be deduced that a spectral one is also then Broadening with a lower effective coherence length is to be expected if that Photon is locally in a state different from the emission state, but then becomes observable in the original state. For example, you will then spectral broadening when a photon passes through a local one Expect bodies in which the photon has a slightly different wave vector due to a refractive index different from 1.

Aufgrund dieser Überlegungen kann nun die effektive Länge bei einem dünnen einzelnen Körper berechnet werden, nämlich bei einem Photon mit einer Amplitude A, mit der Kohärenzlänge L sowie dem Wellenvektor k₀, das in einem am Ort x = b befindlichen Körper der Dicke a und mit dem Brechungsindex n den Wellenvektor nk₀ aufweist. Der Zustand für einen derartigen Wellenzug ist dann im Ortsraum:
Based on these considerations, the effective length can now be calculated for a thin individual body, namely for a photon with an amplitude A, with the coherence length L and the wave vector k ₀ , which is in a body of thickness a and located at x = b the refractive index n has the wave vector nk ₀ . The state for such a wave train is then in the local area:

Bei dieser Gleichung wurden die Phasen als Faktoren so geschrieben, daß direkt erkennbar ist, daß Betrag und Phase an jeder Grenzfläche die richtigen Werte annehmen, damit die Welle stetig ist. Faßt man die Exponenten zusammen, ergibt sich folgende Darstellung, welche die weiteren Berechnungen vereinfacht:
In this equation, the phases were written as factors so that it can be seen immediately that the magnitude and phase at each interface take the correct values so that the wave is continuous. If one summarizes the exponents, the following representation results, which simplifies the further calculations:

Für die Amplitude
For the amplitude

ergibt sich bis auf Trivialfaktoren, wie A*A, der folgende Ausdruck mit Δk = k₀ - k:
apart from trivial factors such as A * A, the following expression results with Δk = k ₀ - k:

Mit den oben angegebenen Gleichungen erhält man für die effektive Kohärenzlänge L' in der Näherung a << L aufgrund der obigen Ausführung zum Ermitteln der effektiven Kohärenzlänge die einfache Beziehung
The equations given above give the simple relationship for the effective coherence length L 'in the approximation a << L on the basis of the above embodiment for determining the effective coherence length

Die effektive Kohärenzlänge ist also aufgrund der Störung wesentlich kürzer als die Kohärenzlänge selbst. Bei sehr großen Kohärenzlängen ist der Effekt allerdings sehr klein. Die räumliche, durch den Körper der Dicke a gegebene Störung müßte in wesentlich kleineren Bereichen als 1 µm wirken, damit sich ein meßbarer Effekt ergibt.The effective coherence length is therefore significantly shorter than that due to the disturbance Coherence length itself. However, with very large coherence lengths, the effect is very great small. The spatial disturbance given by the body of thickness a should be in areas smaller than 1 µm act so that a measurable effect results.

Eine andere Beurteilung ergibt sich, wenn man die Wirkung mehrerer Körper betrachtet. Wird mit S_1,2 = |k₁k₂| die quantenmechanische Streumatrix für einen einzelnen Körper bezeichnet, mit der ein quantenmechanischer Zustand mit dem Wellenvektor k₂ in einen Zustand mit dem Wellenvektor k₁ überführt wird, erhält man für m Körper die Gesamtmatrix:
Another assessment arises when one looks at the effect of several bodies. If S _1,2 = | k ₁ k ₂ | The quantum mechanical scattering matrix for a single body, with which a quantum mechanical state with the wave vector k _{2 is converted} into a state with the wave vector k ₁ , gives the total matrix for m body:

Dieses Integral läßt sich unter folgenden Bedingungen einfach ausführen. Die Länge L wird dabei wieder sehr groß gegenüber der Dicke des Körpers a angenommen, so daß der sinΔkL-Term in 1.0 durch eine δ-Funktion angenähert werden kann. Weiter werden in allen S-Matrixen konstante Phasen weggelassen, da bei diesen Rechnungen nur die Absolutquadrate der Matrizen interessieren. Dann kann bei verschiedenen Körpern, die jeweils im Abstand b_j vom Nullpunkt angeordnet sind, die Amplitude k_l+1|k_l gemäß 2.0 mit für die Ausführung der Integration korrekter Normierung angesetzt werden als
This integral can be easily carried out under the following conditions. The length L is again assumed to be very large compared to the thickness of the body a, so that the sinΔkL term in 1.0 can be approximated by a δ function. Furthermore, constant phases are omitted in all S-matrixes, since only the absolute squares of the matrices are of interest in these calculations. Then the amplitude k _{l + 1} | k _l according to 2.0 can be set as for different bodies, which are each arranged at a distance b _j from the zero point, as for the implementation of the integration

Dabei entspricht die Diracsche Funktion δ dem sin(kL) enthaltenden ersten Summanden und die Funktion T dem Summanden mit dem sin(ka)-Term in Gleichung 2.0.The Dirac function δ corresponds to the first summand containing sin (kL) and the function T the summand with the sin (ka) term in equation 2.0.

Dann erhält man für die Amplitude nach Integration:
Then you get for the amplitude after integration:

Die Integration vereinfacht sich im wesentlichen wegen des dominanten Beitrags der δ- Funktionen. Die Summenbildung über verschiedene Körper enthält also nur eine Addition der Phasen aufgrund der verschiedenen Orte b_j der Körper der Dicke a.The integration is essentially simplified due to the dominant contribution of the δ functions. The sum formation over different bodies thus only contains an addition of the phases due to the different locations b _{j of} the bodies of thickness a.

Um die spektrale Breite über die Wellenvektoren zu berechnen, muß nun wieder nur der Ausdruck
In order to calculate the spectral width over the wave vectors, only the printout has to be done

∫(k_m - k₁)²|k_m|S_m,1|k₁|²d(k_m - k₁)
∫ (k _m - k ₁ ) ² | k _m | S _{m, 1} | k ₁ | ² d (k _m - k ₁ )

berechnet werden. Die δ-Funktionsanteile tragen dazu nicht bei, sondern nur die Summenquadrate über die Phasen. Bei Auswertung des Integrals ergibt die Integration über die Phasensummen die Anzahl m der Körper, wenn die Orte b der einzelnen Körper statistisch verteilt sind. Andererseits ergibt sich ein Wert von m² bei der speziellen Wahl, daß die Wegdifferenzen b_j multipliziert mit dem Wellenvektor sich zwischen den Körpern um ganzzahlige Vielfache von 2π unterscheiden.be calculated. The δ function components do not contribute to this, but only the sum squares over the phases. When evaluating the integral, the integration over the phase sums gives the number m of bodies if the locations b of the individual bodies are statistically distributed. On the other hand, there is a value of m ² with the special choice that the path differences b _j multiplied by the wave vector differ between the bodies by integer multiples of 2π.

Man erhält also allgemein die Gleichung für die Kohärenzlänge von m Körpern
In general, the equation for the coherence length of m bodies is obtained

bei der m_eff die effektive Anzahl von Körpern ist, die im stochastischen Fall gleich der Wurzel der Anzahl der Körper ist, jedoch bei Wahl der Abstände der Körper gemäß der angegebenen Phasenlage von ganzzahligen Vielfachen von 2π bis zu einem Wert von m ansteigen kann.where m _{eff is} the effective number of bodies, which in the stochastic case is the root of the number of bodies, but if the distances between the bodies are selected, they can increase from integer multiples of 2π to a value of m according to the phase position specified.

Damit läßt sich das Verhalten des Lichts im Teflon besser verstehen, denn die effektive, im Teflon zur Wirkung kommende Kohärenzlänge sollte nach diesen Betrachtungen aufgrund der Kristallite 68 verkleinert sein.This makes it easier to understand the behavior of light in Teflon, because according to these considerations the effective coherence length that is effective in Teflon should be reduced due to the crystallites 68 .

Die obigen Betrachtungen galten für einen Körper mit Brechungsindex n gegenüber Vakuum. Hier ist jedoch nur die Brechungsindex-Differenz der Kristallite 68 gegenüber dem amorphen Material wichtig. Mit dem gemessenen Wert von 0,1 für die Brechungsindex-Differenz muß also
The above considerations applied to a body with refractive index n versus vacuum. Here, however, only the refractive index difference of the crystallites 68 compared to the amorphous material is important. With the measured value of 0.1 for the refractive index difference must therefore

mit ungefähr 10 angesetzt werden. Der Wert für a unter der Wurzel muß aufgrund der unterschiedlichen Lage der Kristallite 69 zum Lichtweg und der Dicke gemittelt werden. Aufgrund der S-Matrix Abhängigkeit von 1/a, ist dabei über 1/a zu mitteln, das heißt kleinere Dicken liefern beim Mitteln den größten Beitrag. Eine entsprechende Abschätzung aufgrund der in Fig. 6 schematisch gezeigten Struktur von Teflon führt zu a ≅ 2 µm.be set at about 10. The value for a under the root must be averaged due to the different position of the crystallites 69 in relation to the light path and the thickness. Due to the S-matrix dependency on 1 / a, over 1 / a is to be averaged, i.e. smaller thicknesses make the greatest contribution when averaging. A corresponding estimate based on the structure of Teflon shown schematically in FIG. 6 leads to a ≅ 2 μm.

Allerdings liegen im Mittel bei 100 µm Länge der Kristallite 68 nur ungefähr sechzig Kristallite 68 im Weg des Laserstrahls, so daß man von einem m_eff von ungefähr 8 ausgehen muß. Mit diesen Werten erhält man für eine Kohärenzlänge von 4 cm des in den Bildschirm 43 einfallenden Laserstrahls 40 eine effektive Kohärenzlänge von etwa 0,4 mm im Teflon, in guter Übereinstimmung mit der weiter oben abgeschätzten auftretenden mittleren Weglänge von ungefähr 0,5 mm für die experimentell gefundene Dicke von 4 mm zur Auslöschung der Speckle.However, with an average length of 100 μm, the crystallites 68 are only approximately sixty crystallites 68 in the path of the laser beam, so that an m _eff of approximately 8 must be assumed. With these values, an effective coherence length of approximately 0.4 mm in Teflon is obtained for a coherence length of 4 cm of the laser beam 40 incident on the screen 43 , in good agreement with the mean path length of approximately 0.5 mm, estimated further above, for the experimentally found thickness of 4 mm to extinguish the speckle.

Es ergibt sich aus den angegebenen Gleichungen noch eine weitere Konsequenz. Bei Materialien mit einer ähnlichen zweiten Struktur hängt die mittlere Phasendifferenz von der Wurzel der Dicke ab. Andererseits ist die Änderung der Kohärenzlänge über m_eff von dem Reziprokwert der Wurzel der Dicke abhängig, so daß sich aus der Bedingung L < ΔA für eine wirkungsvolle Speckle-Reduktion bei gegebener Kohärenzlänge L eine kritische Dicke d_krit
There is a further consequence from the given equations. For materials with a similar second structure, the mean phase difference depends on the root of the thickness. On the other hand, the change in the coherence length over m _{eff is} dependent on the reciprocal of the root of the thickness, so that a critical thickness d _crit results from the condition L <ΔA for an effective speckle reduction for a given coherence length L.

d_krit = √κ . L
d _crit = √κ. L

ergibt, oberhalb derer eine wirkungsvolle Speckle-Reduktion möglich ist.results above which an effective speckle reduction is possible.

Dabei ist allgemein κ eine Materialkonstante von der Dimension einer Länge, in welche die Abhängigkeit von Brechungsindex, Differenzen der Brechungsindizes, Korngrößen usw. eingehen. Diese Beziehung erlaubt es, statt komplizierten Rechnungen über die genannten Parameter durchzuführen, für Materialien, die sowohl eine erste Struktur zur Erzeugung der Weglänge als auch eine zweite Struktur zur Verringerung der Kohärenzlänge enthalten, bei einer Kohärenzlänge die Materialkonstante zu messen und diese dann zur Berechnung anderer Dicken für andere Kohärenzlängen zu verwenden.In general, κ is a material constant of the dimension of a length into which the dependence on refractive index, differences in refractive indices, grain sizes etc. come in. This relationship allows you to do more complicated calculations than that perform parameters mentioned for materials that both have a first structure for Generation of the path length as well as a second structure to reduce the Contain coherence length, measure the material constant for a coherence length and then use this to calculate other thicknesses for other coherence lengths.

Wäre keine zweite Struktur im Bildschirm 43 gegeben, ergäbe sich für die mittlere quadratische Abweichung eine Wurzelabhängigkeit, so daß für d_krit ~ L² anzunehmen wäre.If there were no second structure on screen 43 , there would be a root dependency for the mean square deviation, so that d _crit ~ L ² would have to be assumed.

Für das angegebene Teflon mit 0,4 mm Korngröße wurde eine Materialkonstante von κ = 0,4 mm ± 25% bestimmt. Der große angegebene Fehler ist vor allem darauf zurückzuführen, daß die Dicke, bei der keine Speckle mehr beobachtbar waren, subjektiv bestimmt wurde.For the specified Teflon with 0.4 mm grain size, a material constant of κ = 0.4 mm ± 25% determined. The big error indicated is mainly on it attributable to the fact that the thickness at which speckles were no longer observable was subjective was determined.

Wie aus den oben dargestellten Rechnungen deutlich ist, kann man ferner die Kohärenzlänge deutlich effektiver verringern, wenn man regelmäßige zweite Strukturen einsetzt, bei denen im wesentlichen von Körper zu Körper ein Abstand eingehalten wird, der ein ganzzahliges Vielfaches der Phasendifferenz von 2π ist.As is clear from the calculations presented above, the Reduce coherence length significantly more effectively if you have regular second structures uses, in which a distance is maintained from body to body, which is an integer multiple of the phase difference of 2π.

Eine derartige zweite Struktur 70, die vorteilhafterweise in dem Videoprojektionsgerät gemäß Fig. 1 zwischen Modulatoren 14, 24, 34 und Vereinigungseinrichtung 38 angeordnet wird, damit Farbfehler nicht berücksichtigt werden müssen, ist in Fig. 7 gezeigt. Wie diese im einzelnen gefertigt werden kann, wird nachfolgend noch näher anhand der Fig. 8 erläutert.Such a second structure 70 , which is advantageously arranged in the video projection device according to FIG. 1 between modulators 14 , 24 , 34 and combining device 38 so that color errors do not have to be taken into account, is shown in FIG. 7. How this can be produced in detail is explained in more detail below with reference to FIG. 8.

Die Struktur besteht aus einem Siliziumsubstrat 72, aus dem mehrere Körper 74 herausgeätzt wurden. Anschließend wurde das Silizium oxidiert, so daß die Körper 74 aus transparentem Siliziumoxid bestehen. Die Oxidationszeit wurde so gewählt, daß auf dem Substrat auch eine Siliziumdioxidschicht 76 einer Dicke entsteht, bei dem diese als dielektrischer Spiegel für einen einfallenden Laserstrahl 32 wirkt.The structure consists of a silicon substrate 72 from which a plurality of bodies 74 have been etched out. The silicon was then oxidized so that the bodies 74 consist of transparent silicon oxide. The oxidation time was chosen so that a silicon dioxide layer 76 with a thickness is also formed on the substrate, at which it acts as a dielectric mirror for an incident laser beam 32 .

Oberhalb der Struktur 70 ist weiter ein Spiegel 78 angeordnet, der in Verbindung mit dem dielektrischen Spiegel 76 den Laserstrahl 32 mehrfach hin- und herreflektiert. Im Spiegel 78 sind zwei Öffnungen 80 und 82 vorgesehen, durch die der Laserstrahl 32 ein- und ausfällt.Above the structure 70 there is also a mirror 78 which, in conjunction with the dielectric mirror 76, reflects the laser beam 32 back and forth several times. Two openings 80 and 82 are provided in the mirror 78 , through which the laser beam 32 falls and falls.

In der Fig. 7 sind weiter die Strecken a und b angegeben, die sich auf die obigen mathematischen Ableitungen beziehen.In FIG. 7, the distances a and b are also given, which relate to the above mathematical derivations.

Die Dimensionen sind allerdings in Fig. 7 nicht maßstabsgerecht dargestellt. Während der Laserstrahl 32 durchaus einen Durchmesser von mehreren Millimetern haben kann, sind die Dicken der Körper 74 möglichst in der Größenordnung von 2 bis 20 Wellenlängen zu halten, damit gemäß obigen Ausführungen die Kohärenzlänge möglichst gering wird. Die Höhe der Körper 76 sollte ferner möglichst groß sein, damit der Laserstrahl 32 möglichst gleichmäßig durch die zweite Struktur 74 fällt.However, the dimensions are not shown to scale in FIG. 7. While the laser beam 32 can certainly have a diameter of several millimeters, the thicknesses of the bodies 74 are to be kept in the order of magnitude of 2 to 20 wavelengths, so that the coherence length is as short as possible according to the above statements. The height of the bodies 76 should also be as large as possible so that the laser beam 32 falls through the second structure 74 as evenly as possible.

In den Physikalischen Blättern 52, 1996, Nr. 7 und 8, Seiten 661-664, "Photonische Bandstruktur in makro-porösem Silizium", ist ein Verfahren angegeben, mit dem Dicken von Körpern von 2,3 µm mit Höhen bis zu nahezu 0,1 mm hergestellt werden konnten. Die Fig. 8 dient zur Erläuterung des Verfahrens.In the Physical Sheets 52 , 1996, No. 7 and 8, pages 661-664, "Photonic band structure in macro-porous silicon", a method is specified with the thickness of bodies of 2.3 microns with heights up to almost 0 , 1 mm could be produced. Fig. 8 is used to illustrate the method.

Eine hoch n-dotierte Siliziumscheibe 86 wird dabei an der Oberfläche, beispielsweise mit einem Lithographieschritt strukturiert. Im vorliegenden Beispiel zur Erzeugung einer zweiten Struktur zur Änderung der Kohärenzlänge ist die Ausbildung eines Streifenmusters erforderlich, im Gegensatz zu dem Artikel, der die Herstellung von Mikroporen beschreibt. A highly n-doped silicon wafer 86 is structured on the surface, for example with a lithography step. In the present example for producing a second structure for changing the coherence length, the formation of a stripe pattern is required, in contrast to the article which describes the production of micropores.

Die Körper 74 werden dann in einer Flußsäurelösung 90 elektrochemisch herausgeätzt. Die großen Höhen bei geringen Breiten der Körper 74 erreicht man dadurch, daß nur an Orten hoher Elektronendichte im Silizium eine Ätzung erfolgt. Zum Erzeugen freier Elektronen wird das Substrat von hinten mit UV-Licht 92 bestrahlt. Die höchsten Elektrondichten erreicht man dort, wo anfänglich, beispielsweise über den Lithographieschritt, eine Vertiefung erzeugt wurde. Je größer die Vertiefung ist, desto größer wird der Effekt des lokal selektiven Ätzens zum Herausarbeiten der Körper 74.The bodies 74 are then electrochemically etched out in a hydrofluoric acid solution 90 . The great heights with small widths of the bodies 74 are achieved by etching only in places of high electron density in the silicon. To generate free electrons, the substrate is irradiated with UV light 92 from behind. The highest electron densities are reached where an indentation was initially created, for example via the lithography step. The larger the depression, the greater the effect of the locally selective etching for working out the bodies 74 .

Um ein Elektropolieren der Siliziumscheibe 86 zu vermeiden, sind geringe Ströme bei Spannungen von 1 bis 2 V erforderlich, die über einen Potentiostaten 94 eingestellt und über ein Meßgerät 96 kontrollliert werden. Eine Kennlinie für günstige Strom- und Spannungswerte ist in dem genannten Artikel angegeben.In order to avoid electropolishing of the silicon wafer 86 , low currents at voltages of 1 to 2 V are required, which are set by means of a potentiostat 94 and controlled by a measuring device 96 . A characteristic curve for favorable current and voltage values is given in the article mentioned.

Die obigen Beispiele zeigen, daß erfindungsgemäß eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Reduktion der Speckle gegeben sind. Wichtig ist dabei, daß die Weglänge einzelner Photonen auf die Kohärenzlänge abgestimmt ist. Um möglichst günstige, für praktische Bedingungen geeignete Größen für die Kohärenzlänge zu erhalten, läßt sich diese durch Auswahl der Laser 10, 20, 30 oder von Pulszeiten oder auch durch eine zweite Struktur auf die gewünschten Bedingungen auslegen.The above examples show that there are a multitude of possibilities for reducing the speckle according to the invention. It is important that the path length of individual photons is matched to the coherence length. In order to obtain the most favorable sizes for the coherence length that are suitable for practical conditions, this can be designed for the desired conditions by selecting the lasers 10 , 20 , 30 or pulse times or also by means of a second structure.

Claims

1. Device for image display, with a laser ( 10 ; 20 ; 30 ), which emits a laser beam ( 12 ; 22 ; 32 ) of a defined coherence length (L) consisting of several partial beams at a predetermined wavelength (λ), and with one in the beam path of the emitted laser beam ( 12 ; 22 ; 32 ) arranged first optical device ( 43 ; 44 ; 45 ; 52 ; 67 ), which impresses phase shifts on the individual partial beams according to a predetermined distribution, characterized in that the average path, which results from the ratio a quadratic mean of the phase shift, which is formed over the predetermined distribution, and the magnitude of the wave vector (k = 2π / λ) of the laser beam ( 12 ; 22 ; 32 ), greater than the coherence length (L) multiplied by a factor 1 / ( 12 ) is ^1/2 .

2. Device according to claim 1, characterized in that the first optical device ( 44 ; 45 ; 52 ; 43 ; 67 ) consists of transparent material, in which there are stochastically enclosed particles ( 67 ) with an increased refractive index compared to the surrounding material, wherein the phase shifts are generated on the basis of the resulting refractive index differences.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the refractive index of the particles ( 67 ) compared to the surrounding material is greater than 1.2.

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the particles ( 67 ) in the beam path are less than 0.5 mm and in particular at least some of the particles ( 67 ) are less than 0.1 mm.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first optical device ( 44 ; 45 ; 52 ; 43 ; 67 ) mirror ( 62 , 64 ; 78 ) for increasing the phase shift due to an extension of the path length of the laser beam ( 12th , 22 , 32 ) contains.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a screen ( 43 ) is provided for displaying the generated image and that the first optical device ( 44 ; 45 ; 52 ; 43 ; 67 ) is the screen ( 43 ) itself or is formed as a layer of the screen ( 43 ).

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the laser ( 10 , 20 , 30 ) has a gain bandwidth of greater than 100 GHz and in particular of greater than 300 GHz.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the laser ( 10 , 20 , 30 ) is a pulse laser which can be operated with a pulse time of less than 10 ps.

9. The device according to claim 8, characterized in that it comprises a laser ( 10 , 20 , 30 ) for red light, blue light and / or green light, and for at least one of these colors a pulse laser is provided which is smaller with a pulse width as
4 ps and in particular less than 2 ps if this laser ( 10 , 20 , 30 ) emits red light,
3 ps and in particular less than 1.5 ps if this laser ( 10 , 20 , 30 ) emits green light,
2 ps and in particular less than 1 ps if this laser ( 10 , 20 , 30 ) emits blue light,
is operable.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that a second optical device ( 67 , 68 , 69 ; 74 ) is provided with which the coherence length due to local quantum mechanical disturbances of photons in the laser beam ( 12 , 22 , 32 ), in particular by enlarging a spectral width (Δλ) of the wavelength spectrum of the laser ( 10 , 20 , 30 ), can be shortened.

11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the width (Δλ) given by the coherence length of the laser beam ( 12 , 22 , 32 ) or by shortening with the second optical device ( 67 , 68 , 69 ; 74 ) the spectral distribution is greater than 0.5 nm.

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the first and the second optical device ( 67 , 68 , 69 ; 74 ) are integrated in a common optical device ( 67 , 68 , 69 ).

13. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that the second optical device ( 67 , 68 , 69 ; 74 ) has a plurality of phase-shifting body ( 74 ) arranged in the beam path, which in the direction of the beam path has a smaller extent than twenty times the wavelength and in particular have twice the wavelength.

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the phase-shifting body ( 74 ) are regularly shaped and arranged evenly at a distance at which the local quantum mechanical disturbances add up in phase in the formation of a scattering matrix characterizing the disturbance of several bodies ( 74 ).

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that a laser ( 10 , 20 , 30 ) for red light, green light and / or blue light is provided, and the spectral width (Δλ) for the individual colors greater than 1.3 nm for red light, greater than 0.9 nm for green light and greater than 0.75 nm for blue light.

16. The device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the first optical device ( 44 ; 45 ; 52 ; 43 ; 67 ) consists of sintered granules with grain sizes smaller than 0.5 mm and in particular smaller than 0.1 mm.

17. The apparatus according to claim 16, characterized in that grains ( 67 ) of the granules consist of at least two phases ( 67 , 62 ) of different refractive indices.

18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the expansion at least an area between two phase boundaries in the direction of the beam path less than twenty Wavelengths and in particular less than two wavelengths.

19. Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the first optical device ( 44 ; 45 ; 52 ; 43 ; 67 ) consists at least partially of sintered PTFE (Teflon®).

20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the first optical device ( 44 ; 45 ; 52 ; 43 ; 67 ) is a screen ( 43 ) or a layer of a screen ( 43 ).