DE19710660C2 - Vorrichtung zur Beseitigung oder Reduktion von Bildspeckles - Google Patents
Vorrichtung zur Beseitigung oder Reduktion von BildspecklesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beseitigung oder Reduktion von Bildspeckles
gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Bei der Verwendung von Lasern zur Beleuchtung oder Bilddarstellung auf einer
Projektionsfläche treten aufgrund der Rauhigkeit der Fläche im Raum vor der Fläche
Interferenzen durch Laufzeitunterschiede der von verschiedenen Teilen der Fläche
ausgehenden Wellen auf. Im Auge des Betrachters führen die Interferenzen zu einer
starken zusätzlichen Intensitätsmodulation der Helligkeitsverteilung 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 Realisierung 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 dargestellt ist. Heute können wesentlich effizientere
und kostengünstigere diodenangeregte 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.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Methoden zur Reduktion von Laserspeckles.
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, statistisch 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 Laufzeitunterschiede so klein,
daß Speckles nicht verschwinden. Die Methoden zur Zerstörung der örtlichen Kohärenz
führen zu einer sehr starken Strahldegradation, was zur Folge hat, daß ein evtl.
wiederaufbereiteter Strahl nur noch wenig Intensität besitzt. Die bekannten Methoden zur
Zerstörung der zeitlichen Kohärenz haben im allgemeinen nur eine sehr begrenzte
Erhöhung der Emissionsbandbreite zur Folge, und die resultierende Kohärenzlänge ist
immer noch größer 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 Interferenzfähigkeit
des Lichtes ist mit einem enormen technischen Aufwand verbunden.
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 waves and its applications. SPIE-Proc. 194
(1979) 142-145) versucht, durch Einführen einer Ultraschallzelle in den Beleuchtungsstrahl
die räumliche Kohärenz so zu verkleinern, daß der Specklekontrast reduziert wird. Seine
Resultate zeigen aber auch bei Modulationsfrequenzen bis zu 10 MHz eine Reduktion nur
etwa um den Faktor 2. Auch beim Hintereinanderschalten von drei Ultraschallzellen mit
drei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen oder dem wiederholten Durchgang des
Lichtes durch ein und dieselbe Zelle verringert sich der Specklekontrast offenbar nur
ungenügend. In einigender Experimente verwendeten 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
genug, um den erhofften Erfolg zu bringen.
Aus der Druckschrift DE 195 01 525 C1 ist eine Vorrichtung zur Verminderung von
Bildspeckles bekannt, bei der im Strahlengang eines Lichtbündels eine Phasenplatte
angeordnet ist, um eine zeitlich variierende Phasenverschiebung zu erzeugen. Dazu wird
die Phasenplatte aus Glas senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtbündels in eine
Oszillationsbewegung versetzt.
Damit kann jedoch nur eine geringe Modulation des Specklesignals und damit auch nur
eine schwache Mittelung erfolgen. Die Reduktion der Speckles ist daher nur gering. Die
Speckles bleiben im wesentlichen bestehen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Reduktion von Bildspeckles
bei scannender Laserprojektion gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit der die störenden Speckles wirksam
reduziert werden.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß
die Vorrichtung eine Ultraschallzelle
umfaßt, die ein flüssiges Medium enthält, zur Aufteilung des Beleuchtungsstrahls in
verschiedene Beugungsordnungen mit unterschiedlichen Frequenzen, so daß nach der
Überlagerung der durch die Ultraschallzelle erzeugten Teilstrahlen ein laufendes, örtlich
tief moduliertes Interferenzstreifensystem erzeugt wird, welches innerhalb eines
beleuchteten Pixels auf dem Projektionsschirm unterschiedliche Stellen des
Projektionsschirmes ausleuchtet und damit verschiedene zeitlich veränderliche
Specklepatterns entstehen läßt, die sich im Auge des Beobachters überlagern und durch
eine geeignete zeitliche Mittelung den Specklekontrast zeitlich und/oder örtlich
ausmitteln.
Die Anordnung dient insbesondere zur Reduktion von Speckles im Fernfeld von einer mit
einem Laser beleuchteten Fläche, z. B. bei der Laserbildprojektion auf einem Bildschirm.
Dazu sind eine oder mehrere Ultraschallzelle(n) im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls
vorgesehen.
Mit Hilfe der Ultraschallzelle wird die Oberfläche des Projektionsschirmes mit in die
Überlegungen einbezogen. Mit Hilfe der Frequenzmodulation des Laserstrahls mittels der
Ultraschallzelle wird z. B. eine gitterförmige, zeitlich wandernde Intensitätsverteilung auf
dem Projektionschirm erzeugt, welche den Projektionschirm örtlich unterschiedlich stark
beleuchtet und damit unterschiedliche, voneinander unabhängige, wandernde
Specklemuster erzeugt, die vom Beobachter ausintegriert werden können.
Durch die Erfindung wird insbesondere speziell für die Laserstrahlprojektion eine
Einrichtung geschaffen, 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 Specklemuster zum Verschwinden. Das Bewegen des
Projektionsschirmes ist zwar durchführbar, ist jedoch umständlich und aufwendig.
Die Erfindung basiert insbesondere auf den folgenden Erfindungsgedanken: Die Bewegung
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.
Dazu ist eine laufende Ultraschallwelle mit hohem Beugungswirkungsgrad in
Kombination mit dem Streuverhalten des Projektionsschirmes vorgesehen. Durch die in
den Strahlengang des Laserscanners eingesetzte laufende Ultraschallwelle wird der
Laserstrahl in verschiedene Ordnungen gebeugt. Die verschiedenen Beugungsordnungen
haben 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 Projektionschirm überlagert
werden (Fig. 3). Es resultieren ein oder mehrere mit der Differenzfrequenz der
interferierenden Beugungsordnungen modulierte(s) laufende Interferenzmuster innerhalb
des beleuchteten Pixel auf dem Projektionsschirm. 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
geht die momentane Oberflächenrauhigkeit/Topographie des Projektionsschirmes in die
Specklebildung ein. Durch die Bewegung des Interferenzmusters - gegeben durch die
Frequenzverschiebung der sich überlagernden Beugungsordnungen - über die Pixelfläche
des zu erzeugenden Bildflecks, ergibt sich für jede Beleuchtete Zone (helle
Interferenzstellen) ein unterschiedliches, sich bewegendes Specklefeld. Der Beobachter
sieht nun die Überlagerung aller durch das bewegte Lichtmuster erzeugten Specklebilder
gleichzeitig. Durch den Integrationsprozess 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 Beibehalten 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 Scannersystem
angepaßt bezüglich der Faktoren: Integrationszeit des Auges, Bildfrequenz, 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 Projektionschirmes. 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 Bildfleckdurchmesser 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 Schriftzügen 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 lichttransmittierenden Schirmen bzw. bei einer gescannten Ausleuch
tung von Hologrammen verwendet werden.
Claims (12)
1. Vorrichtung zur Beseitigung oder Reduktion von Bildspeckles bei scannender
Laserbildprojektion, bei der ein Beleuchtungsstrahl eines Projektors aufgeteilt wird und die
Teilstrahlen mittels einer Linse auf einem Projektionsschirm überlagert werden, gekenn
zeichnet durch eine Ultraschallzelle, die ein flüssiges Medium enthält, zur Aufteilung des
Beleuchtungsstrahls in verschiedene Beugungsordnungen mit unterschiedlichen
Frequenzen, so daß nach der Überlagerung der durch die Ultraschallzelle erzeugten
Teilstrahlen ein laufendes, örtlich tief moduliertes Interferenzstreifensystem erzeugt wird,
welches innerhalb eines beleuchteten Pixels auf dem Projektionsschirm unterschiedliche
Stellen des Projektionsschirmes ausleuchtet und damit verschiedene zeitlich veränderliche
Specklepatterns entstehen läßt, die sich im Auge des Beobachters überlagern und durch
eine geeignete zeitliche Mittelung den Specklekontrast zeitlich und/oder örtlich
ausmitteln.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 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 gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein
strahlformendes Element zusätzlich dreht oder anderweitig bewegt wird, so daß
sich die Teilstrahlen zusätzlich auf dem Projektionsschirm bewegen.
4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sich ein Modulator hinter, vor, oder innerhalb einer
Scannereinrichtung befindet.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sich der Modulator in einer Zwischenbildebene eines
Projektionsobjektives des Projektors befindet.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Modulator gleichzeitig für die drei Grundfarben
verwendet wird.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
für jede Farbe ein separater Modulator verwendet wird.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Modulator mindestens zwei getrennte Lichtstreifen oder Pixels innerhalb des
Projektionsstrahls erzeugt.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich zum Modulator weitere optische Elemente das Strahlprofil zusätzlich
mitformen.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Aufprojektionsschirm gescannt wird.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Rückprojektionsschirm gescannt wird.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Hologramm zur Bildwiedergabe gescannt wird.
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