DE19710660A1 - Anordnung zur Specklereduktion mit einer Ultraschallzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduktion von Speckles im Fernfeld von einer mit einem Laser beleuchteten Fläche, z. B. bei der Laserbildprojekti­ on auf einem Bildschirm. Dazu dient eine oder mehrere Ultraschallzelle(n) im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls.

Bei der Verwendung von Lasern zur Beleuchtung oder Bilddarstellung auf ei­ ner Projektionsfläche treten aufgrund der Rauhigkeit der Fläche im Raum vor der Fläche Interferenzen durch Laufzeitunterschiede der von verschiedenen Teilen der Fläche ausgehenden Wellen. Im Auge des Betrachter führen die In­ terferenzen zu einer starken zusätzlichen Intensitätsmodulation der Helligkeits­ verteilung des Schirmes, die das Bild wie ein feines Granulationsmuster (sog. Speckles) überzieht. Dieser zusätzliche Rauschanteil im Bild reduziert die wahrnehmbare Auflösung bis Faktor 10 und führt in mehrfarbigen Laserbildern zu Farbverfälschungen durch unvollständige Farbsummation (siehe dazu z. B. J.M. Artigas, A. Felipe and M.J. Buades: "Contrast sensitivity of the visual system in speckle imagery", J.Opt.Soc.Am.A 11 (1994) pp. 2345).

In den letzten Jahren haben sich die technischen Voraussetzungen zur Realisie­ rung des Laserprojektors mit gescannten Laserstrahlen erheblich verbessert, wie z. B. in dem Artikel von C.Deter: "Laser-Display-Technologie - wo stehen wir?" in der Zeitschrift Physikalische Blätter 52 (1996) Nr. 11, Seite 1129 dar­ gestellt ist. Heute können wesentlich effizientere und kostengünstigere dioden­ angeregte Festkörperlaser oder Faserlaser bzw. auch in Zukunft Laserdioden mit einer elektrisch/optischen Effizienz von 10-30% für die monochromatische Bildprojektion in den Farben Rot, Grün, Blau (RGB) eingesetzt werden. Siehe dazu z. B. W.E.Glenn and G.J.Dixon: "Bright future projected for lasers in electronic cinemas", Laser Focus World, Nov.1993, p.73.

Unseres Wissens sind keine Methoden bekannt zur Reduktion oder sogar Eli­ mination der Laserspeckles in Laserstrahl-Projektionssystemen, die nicht gleichzeitig die Bildqualität so verschlechtern, daß die Vorteile der Laserstrah­ lung verschwindet, bzw. daß ihr Einsatz kaum technisch-wirtschaftliche Vortei­ le bringt.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Methoden zur Reduktion von Laserspeck­ les. Insbesondere in der Laser- und Elektronenstrahltechnik sind verschiedene Methoden für die Specklereduktion bekannt: Beispielhaft sollen hier nur die folgenden genannt werden: Bewegte Mattscheiben oder Phasenplatten, stati­ stisch angesteuerte Flüssigkristallzellen, Glasfaserbündel mit unterschiedlichen Laufzeiten, bewegte Glasfaser, Verbreiterung der Linienbreite der Laser, usw.

Diese Methoden funktionieren aber nur im Nahfeld des projizierten Bildpixels auf dem Projektionsschirm. Für den Beobachter im Fernfeld sind die Laufzeit­ unterschiede so klein, daß Speckles nicht verschwinden. Die Methoden zur Zerstörung der örtlichen Kohärenz führen zu einer sehr starken Strahldegrada­ tion, was zur Folge hat, daß ein evtl. wiederaufbereiteter Strahl nur noch wenig Intensität besitzt. Die bekannten Methoden zur Zerstörung der zeitlichen Kohä­ renz haben im allgemeinen nur eine sehr begrenzte Erhöhung der Emissions­ bandbreite zur Folge, und die resultierende Kohärenzlänge ist immer noch grö­ ßer als die größten Wegunterschiede von den Rändern des projizierten Pixels bis zum Beobachter. Die Verwendung kürzester Laserpulse (unter 1 ps) zur Reduktion der Kohärenzlänge des Lasers und damit Verminderung der Interfe­ renzfähigkeit des Lichtes ist mit einem enormen technischen Aufwand verbun­ den.

Auch Y.Ohtsuka hat in mehreren Veröffentlichungen, z. B. [Y.Imai, Y.Ohtsuka: Laser speckle reduction by ultrasonic modulation. Optics Comm. 27 (1978) 18-22; Y.Ohtsuka: Spatial coherence control of a laser beam by ultrasonic wa­ ves and its applications. SPIE-Proc. 194 (1979) 142-145) versucht, durch Ein­ führen einer Ultraschallzelle in den Beleuchtungsstrahl die räumliche Kohärenz so zu verkleinern, daß der Specklekontrast reduziert wird. Seine Resultate zei­ gen aber auch bei Modulationsfrequenzen bis zu 10 MHz eine Reduktion nur etwa um den Faktor 2. Auch beim Hintereinanderschalten von drei Ultraschall­ zellen mit drei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen oder dem wiederhol­ ten Durchgang des Lichtes durch ein und dieselbe Zelle verringert sich der Specklekontrast offenbar nur ungenügend. In einigen der Experimente verwen­ deten die Autoren sogar eine rotierende Mattscheibe in Kombination mit der Ultraschallzelle, ohne wesentlich bessere Resultate zu erhalten. Wichtig dabei ist, daß die bei den Experimenten auftretenden Bandbreitevergrößerungen immer noch zu klein sind, um die Speckle im Fernfeld über ihren Durchmesser zu bewegen. Die Betrachtungen von Ohtsuka et al. betonen immer wieder die Verringerung der räumlichen Kohärenz. Diese ist aber offenbar nicht groß ge­ nug, um den erhofften Erfolg zu bringen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Arbeiten haben denn auch gezeigt, daß eine Verringerung der Kohärenz des Laserstrahls eher untergeord­ nete Bedeutung hat. Vielmehr muß die Oberfläche des Projektionsschirmes mit in die Überlegungen einbezogen werden. Wie im folgenden beschrieben, ge­ schieht dies auch in unserem Fall mit Hilfe einer Ultraschallzelle. Von Bedeu­ tung dabei ist jedoch - im Gegensatz zu den Arbeiten von Ohtsuka, der im we­ sentlichen nur die räumliche Kohärenz verändert -, daß mit Hilfe der Fre­ quenzmodulation des Laserstrahl mittels der Ultraschallzelle eine gitterförmige zeitlich wandernde Intensitätsverteilung auf dem Projektionsschirm erzeugt wird, welche den Projektionsschirm örtlich unterschiedlich stark beleuchtet und damit unterschiedliche, voneinander unabhängige, wandernde Specklemuster erzeugt, die vom Beobachter ausintegriert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, speziell für die Laserstrahlprojekti­ on eine Einrichtung zu schaffen, die die Speckles beim Beobachter weitgehend eliminiert/reduziert, die Strahlform und die Strahldichte jedoch kaum bzw. nicht ändert. Die Erfindung basiert auf der experimentellen Tatsache, daß die Specklemodulation im Auge eines Beobachters abnimmt, wenn er seinen Kopf schnell bewegt, d. h. wenn das Auge über die Specklebilder zeitlich und örtlich mittelt. Ebenso bringt eine Bewegung des Projektionsschirmes das Speckle­ muster zum Verschwinden. Das Bewegen des Projektionsschirmes ist zwar durchführbar, ist jedoch umständlich und aufwendig.

Diese Aufgabe wird durch folgenden Erfindungsgedanken gelöst: Die Bewe­ gung des Projektionsschirmes wird durch Bewegung des Projektionsstrahles ersetzt. Dazu ist es weder notwendig, daß der Bildschirm, oder das projizierte Pixel relativ gegeneinander bewegt werden, noch soll Schirm oder Pixel relativ zum Beobachter sich bewegen. Vielmehr soll das projizierte Pixel unterteilt werden und die unterteilten Gebiete innerhalb des Pixels sollen sich bewegen.

Diese Aufgabe wird im Sinne der Erfindung mit Hilfe einer laufenden Ultra­ schallwelle mit hohem Beugungswirkungsgrad in Kombination mit dem Streu­ verhalten des Projektionsschirmes gelöst. Durch die in den Strahlengang des Laserscanners eingesetzte laufende Ultraschallwelle wird der Laserstrahl in verschiedene Ordnungen gebeugt. Die verschiedenen Beugungsordnungen ha­ ben durch die Beugung an der Ultraschallwelle unterschiedliche Frequenzen (gemäß den Gesetzten der Beugung an einer wandernden Dichtewelle). Durch eine geeignete Linse können die verschiedenen Beugungsordnungen auf dem Projektionsschirm überlagert werden (Fig. 3). Es resultieren ein oder mehrere mit der Differenzfrequenz der interferierenden Beugungsordnungen modulier­ te(s) laufende Interferenzmuster innerhalb des beleuchteten Pixel auf dem Pro­ jektionsschirm. Dieses Interferenzmuster hat die Form von laufenden hell­ dunkel Streifen (Interferenzstreifen). Auf dem Projektionsschirm wird nun von jeder hellen Zone ein unterschiedliches Specklemuster im Raum erzeugt. Dabei gehl die momentane Oberflächenrauhigkeit/Topographie des Projektionsschir­ mes in die Specklebildung ein. Durch die Bewegung des Interferenzmusters - gegeben durch die Frequenzverschiebung der sich überlagernden Beugungs­ ordnungen - über die Pixelfläche des zu erzeugenden Bildflecks, ergibt sich für jede Beleuchtete Zone (helle Interferenzstellen) ein unterschiedliches, sich be­ wegendes Specklefeld. Der Beobachter sieht nun die Überlagerung aller durch das bewegte Lichtmuster erzeugten Specklebilder gleichzeitig. Durch den Inte­ grationsprozeß im Auge wird dadurch der Specklekontrast örtlich und zeitlich ausgemittelt. Für das Auge des Beobachters sind die Speckle verschwunden.

Für die Erzeugung von frequenzverschobenen Beugungsordnungen an einem laufenden Gitter wurden im vorliegenden Fall eine Ultraschallwelle verwendet, die mittels eines schwingenden Piezoelementes in einem flüssigen Medium (z. B. Wasser, Toluol, Alkohol) erzeugt wurde. Wichtig ist dabei das Beibehal­ ten einer guten Strahlkollimierung und einem großen Beugungswirkungsgrad. Für die Erzeugung wandernder Interferenzmuster können die ±1te, ±2te, ±3te etc. Beugungsordnungen separat oder zusammen verwendet werden.

Die Geschwindigkeit des laufenden Interferenzmusters wird an das Scanner­ system angepaßt bezüglich der Faktoren: Integrationszeit des Auges, Bildfre­ quenz, Anzahl der projizierten Pixel pro Bild, Geometrie des Zuschauerraumes etc.

Die einzige Anforderung an den Bildschirm ist, daß er nicht als optischer Spie­ gel im eigentlichen Sinne ausgebildet ist. Dies ist keine Einschränkung für die Erfindung, denn nach Reflexionen am Spiegel entstehen keine oder nur geringe Speckles und ein Spiegel ist ohnehin ausgeschlossen, da in einem solchen Falle die Projektionsgeometrie nur für einen Raumpunkt erfüllt wäre und deshalb ein Beobachten des Bildes mehr oder weniger ausgeschlossen wäre.

Um die Aufspaltung des Laserstrahls durch die Ultraschallwelle in Teilstrahlen zu erreichen, sind die beugenden Strukturen als sinusförmige Dichtewellen oder als andere periodische (oder quasi-periodischer) Dichtewellenprofile aus­ zubilden. Dies kann beispielsweise durch den Debye-Sears-Effekt oder den Bragg-Effekt erreicht werden. Mann könnte sich aber auch an andere bewegte Beugungsgitter anlehnen, wie z. B. rotierende Phasen- oder Amplitudengitter, Oberflächenwellen etc.

Durch Verwendung mehrerer Zellen hintereinander (typischerweise 2 bis 3 Zellen) kann die Form der Interferenzstreifen modifiziert werden. Ebenso kön­ nen die Gittervektoren der Ultraschallwelle gegeneinander verdreht werden, was zu einer weiteren Reduktion der Speckles führen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren und der dazugehörigen Beschreibungen schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Entstehung der Speckles im Raum vor einem Bildschirm im Nahfeld,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Entstehung der Speckles im Raum vor einem Bildschirm im Fernfeld,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Strahlgeometrie bei der Laserpro­ jektion mit einer Ultraschallzelle,

Fig. 4 eine Aufzeichnung einer Kamera der gesehenen Intensitätsverteilung im Fernfeld des Bildflecks a) ohne Ultraschallwelle, b) mit Ultra­ schallwelle und

Fig. 5 eine Aufzeichnung einer Kamera der gesehenen Intensitätsverteilung im Fernfeld des Bildflecks bei Modulation des Laserstrahls mit einer Ultraschallwelle und einem Laserscanner.

Fig. 1 zeigt Speckles im Nahfeld des Projektionsschirmes. Bei 10 mm Entfer­ nung von einem Bildfleck eines einfallenden Projektionsstrahls von 10 mm Durchmesser haben die Speckles einen Durchmesser der Größenordnung von 0.76 µm bei der Wellenlänge λ = 633 nm. Durch eine relative Phasenver­ schiebung zwischen dem unteren und oberen Rand des Pixels von bis zu 2π ist es möglich, ein Speckle über seinen Durchmesser zu verschieben und dadurch im Auge des Beobachters örtlich und zeitlich wegzumitteln.

Fig. 2 zeigt Speckles im Fernfeld des Projektionsschirmes entsprechend der Situation bei Laser-Großbildprojektion mit einem Beobachtungsabstand von 5 m und einem Bildfleckdurchinesser von 10 mm. Die Speckles am Ort des Beobachters sind bereits mit etwa 0.4 mm relativ groß. Eine relative Phasen­ schiebung des oberen zum unteren Rand des Beleuchtungsstrahls bringt nur eine unmerkliche Verschiebung des Speckles beim Beobachter, eine Reduktion des Specklekontrastes ist dadurch nicht möglich.

Fig. 3a) zeigt die Strahlgeometrie für die Reduktion der räumlichen Kohärenz der vom Bildschirm gestreuten Lichtverteilung. Die durch die Ultraschallwelle entstehenden Beugungsordnungen mit unterschiedlicher Frequenz werden nach Durchgang durch eine entsprechende Linse auf dem Projektionsschirm überla­ gert. Dabei entsteht auf dem Projektionsschirm ein laufendes Interferenzmuster welches über die Oberfläche wandert. Die dabei entstehenden, zeitlich ändern­ den Specklemuster werden vom Beobachter über die Zeit integriert. Je nach Scanning-Geometrie und Anwendung wird es nach Fig. 3b) notwendig, bis zu drei Ultraschallzellen mit unterschiedlicher Frequenz und evtl. unterschiedli­ cher Gittervektorrichtung zusammenzubauen.

Fig. 4 zeigt eine Aufzeichnung einer Kamera der gesehenen Intensitätsvertei­ lung im Fernfeld des Bildflecks a) ohne Ultraschallwelle, der Beobachter sieht ein ausgeprägtes Specklemuster; b) mit Ultraschallwelle, der Specklekontrast ist unter die Beobachtungsgrenze gekommen.

Fig. 5 zeigt eine Aufzeichnung einer Kamera der gesehenen Intensitätsvertei­ lung im Fernfeld des Bildflecks bei Modulation des Laserstrahls mit einer Ul­ traschallwelle und einem Laserscanner.

Die Herstellung der Ultraschallzelle ist bekannt und denkbar einfach. In einem Demonstrator wurden Zellen aus Glas, aber auch aus Messing oder einem an­ deren Material verwendet. Die Zellen werden durch Fenster mit der nötigen Transparenz abgeschlossen. Der anregende Schwinger kann z. B. aus Piezoke­ ramik bestehen, aber auch aus anderen Materialien wie z. B. Quarz. Die Anre­ gungsfrequenzen liegen im Bereich von 1 bis 10 MHz. Auch andere Frequenz­ bereiche können verwendet werden. Diese hängen u. a. von der Scannerfre­ quenz, der Integrationszeit des Beobachters und der Oberflächenrauhigkeit des Projektionsschirmes ab. Die Ultraschallzelle kann z. B. mit Wasser, Alkohol, Toluol, etc. betrieben werden. Dieses Medium sollte entsprechende Transpa­ renz aufweisen und eine kleine Absorption zeigen, da sonst unerwünschte loka­ le Aufheizungen mit entsprechenden Brechungsindexänderungen störend auf­ treten können. Es ist aber auch möglich, das Trägermaterial der Ultraschallwel­ le als Festkörper (Glas, Kristall etc.) auszubilden.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Beseitigung der Speckles mit der Ultra­ schallzelle im Sinne der Erfindung nicht nur bei Projektionssystemen, die Vollbilder projizieren, sondern auch bei der Projektion von Schriftzugen und Zeichnungen eingesetzt werden kann.

Weiterhin kann die Ultraschallzelle im Sinne der Erfindung nicht nur bei Auf­ projektion auf Schirme, sondern auch zur Speckleminderung bei Rückprojekti­ on von lichttransnuttierenden Schirmen bzw. bei einer gescannten Ausleuch­ tung von Hologrammen verwendet werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles bei scannender Laserbild­ projektion, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Ultraschallzelle der Beleuchtungsstrahl des Projektors in verschiedene Beugungsordnungen mit unterschiedlichen Frequenzen aufgeteilt wird und daß dieser nach Überlage­ rung der Teilstrahlen mittels einer Linse auf dem Projektionsschirm ein laufen­ des, örtlich tief moduliertes Interferenzstreifensystem erzeugt, welches inner­ halb des beleuchteten Pixels auf dem Projektionsschirm unterschiedliche Stel­ len des Projektionsschirmes ausleuchtet und damit verschiedene zeitlich verän­ derliche Specklepatterns entstehen, die sich im Auge des Beobachter überla­ gern und durch eine geeignete zeitliche Mittelung den Specklekontrast zeitlich und/oder örtlich ausmitteln.

2. Vorrichtung zur Beseitigung von Biidspeckles, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle nur einer Ultraschallzelle mehrere Zellen mit gleicher Richtung des Gittervektors oder mit unterschiedlicher Richtung des Gittervektors und unterschiedlichen Werten der Modulationsfrequenz verwendet werden.

3. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Ultraschallzelle andere entsprechende Strahlmodulationsvor­ richtungen, beispielsweise in Form elektrooptischer Modulatoren oder sonst eines optischen transnuttierenden oder reflektierenden Elementes mit den ge­ nannten und beschriebenen Eigenschaften eingebracht werden.

4. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlformende Element sich zusätzlich dreht oder andersweitig bewegt wird, so daß sich die Teilstrahlen zusätzlich auf dem Projektionsschirm bewegen.

5. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Modulator hinter, vor, oder innerhalb der Scan­ nereinrichtung befindet.

6. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Modulator in einer Zwischenbildebene des Pro­ jektionsobjektives des Bildprojektors befindet.

7. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulator gleichzeitig für die drei Grundfarben ver­ wendet wird.

8. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Farbe ein separater Modulator verwendet wird.

9. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Modulator mindestens zwei getrennte Lichtstreifen oder Pixels innerhalb des Projektionsstrahls erzeugt.

10. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Modulator weitere optische Elemente das Strahlprofil zusätzlich mitformen.

11. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufprojektionsschirm gescannt wird.

12. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückprojektionsschirm gescannt wird.

13. Vorrichtung zur Beseitigung von Bildspeckles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hologramm zur Bildwiedergabe gescannt wird.