DE19819474C1 - Vorrichtung mit einem Laser - Google Patents
Vorrichtung mit einem LaserInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung mit einem Laser (10, 20, 30) und einer Struktur (60) im Lichtweg des Lasers (10, 20, 30), die Licht der Wellenlänge lambda des Lasers (10, 20, 30) durchläßt und die dem Licht bezüglich Koordinaten x, y senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung lokal variierende Phasenänderungen p (lambda, x, y) aufprägt, sowie mit einem optischen System zum Sammeln (70) des von der Struktur ausgehenden Lichts ist im Lichtweg vor der Struktur (60) ein weiteres optisches System (68) angeordnet, welches das Laserlicht auf die Struktur (60) fokussiert.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Laser und einem optischen Element im
Strahlengang des Lasers, das Strahlung der Wellenlänge λ des Lasers durchläßt und der Strahlung
bezüglich Koordinaten x, y senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung lokal variierende
Phasenänderungen p (λ, x, y) aufprägt, sowie mit einem optischen System zum Sammeln der vom
optischen Element ausgehenden Strahlung.
Laserlicht zeichnet sich durch hohe zeitliche und räumliche Kohärenz aus. Deshalb werden bei
Beleuchtung einer Fläche Interferenzen von Teilstrahlen eines Laserlichtbündels erzeugt. Aufgrund
der Interferenzen entstehen räumlich unterschiedliche Leuchtdichten, die zudem in unterschiedlichen
Beobachtungsrichtungen beim Interferieren wegen unterschiedlicher Phasenbeziehungen variieren.
Diese Variation wird von einem Beobachter bei Neigung des Kopfes oder allein durch die
Augenbewegung als Glitzern wahrgenommen. Derartige Glitzererscheinungen sind beispielsweise bei
der Darstellung von Videobildern unerwünscht. Auch in anderen Anwendungsfällen, etwa wenn man
einen Laser zur Beleuchtung in einem Mikroskop einsetzen will, können die Helligkeitsmaxima
aufgrund der Interferenz zu einem völlig falschen Eindruck von der mikroskopisch untersuchten Probe
führen.
Derartige Interferenzmaxima werden in der Literatur als "Speckle" bezeichnet. In der DE 195 01 525 C1
werden einleitend mehrere Methoden beschrieben, mit denen diese Speckle-Erscheinungen
zumindest verringert werden können. Insbesondere für die Videoprojektion ist in der DE 195 01 525 C1
vorgeschlagen worden, ein optisches Element, das lokal unterschiedliche Phasenverschiebungen
verursacht, in den Weg des Laserlichts einzufügen. Dieses phasenverschiebende Element soll die
Kohärenz des Laserstrahls räumlich, d. h. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, stören.
Mit dem optischen Element werden insbesondere lokale Phasenverschiebungen in der
Größenordnung einer Wellenlänge bewirkt. Weiter wird vorgeschlagen, dieses phasenverschiebende
Element mit einem Antrieb periodisch schnell zu bewegen, damit die durch das Element aufgeprägten
Phasenverschiebungen auch zeitlich variieren und das Auge des Beobachters ausschließlich einen
Mittelwert von zeitlich variierenden Speckle-Mustern erfaßt.
Aufgrund der geringen Dimensionen phasenverschiebender Bereiche sind auch Beugungseffekte zu
erwarten, die eine Aufweitung des Laserstrahls bewirken. Um diese auszugleichen, wird in der DE 195 01 525 C1
vorgeschlagen, in Lichtrichtung hinter dem Element eine Sammellinse zum Bündeln von
Lichtanteilen, die in verschiedenen Richtungen gebeugt werden, vorzusehen. Für ein Videosystem,
bei dem wieder ein paralleler Strahl erzeugt werden soll, ist es in diesem Fall günstig, die Brennebene
des fokussierenden optischen Systems auf die Oberfläche des Elements zu legen.
In der DE 195 01 525 C1 werden noch weitere Beispiele angegeben, bei denen die Strahlung aus
dem Element in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird und die Parallelisierung erst am Ende dieser
Lichtleitfaser vorgenommen wird. Hier bedeutet das durch das optische System vorgenommene
Sammeln ein Fokussieren der vom optischen Element ausgehenden Strahlung auf den Kern der
Lichtleitfaser.
Bei allen diesen Beispielen vergrößert die Beugung jedoch das Strahlprodukt. Aufgrund der
Abbeschen Sinusbedingung ist nicht zu erwarten, daß das vor der Struktur gegebene Strahlprodukt
durch nachfolgende optische Systeme wiederhergestellt werden kann.
Das Strahlprodukt ist der Durchmesser des Laserstrahls multipliziert mit dem Sinus des
Divergenzwinkels. Das bedeutet, aufgrund des optischen Elements wird entweder der Strahl auf einen
größeren Durchmesser aufgeweitet, wobei die Bildauflösung bei einem Videosystem verschlechtert
wird, oder seine Divergenz muß erhöht werden. Letzteres könnte man durch eine Fokussierung der
von dem optischen Element ausgehenden Strahlung auf den Schirm erreichen, man würde dann
jedoch einen wesentlichen Vorteil der Videoprojektion mit Lasern verlieren, nämlich daß die Bildpunkte
unabhängig vom Abstand des Schirms von dem Videoprojektionsgerät scharf dargestellt werden.
Man könnte auch daran denken, die Bereiche, in denen unterschiedliche Phasenverschiebungen auf
den Laserstrahl aufgeprägt werden, entsprechend weit auszudehnen. Dies läßt sich aber nicht
beliebig weit fortsetzen. Wenn man sich den Extremfall vorstellt, daß der gesamte örtliche Bereich für
eine einzige Phasenverschiebung so groß wie der Strahldurchmesser ist, ist leicht einzusehen, daß
keine Störungen der Kohärenz mehr auftreten können.
Dieses Beispiel zeigt, daß es wahrscheinlich unvereinbar ist, das Strahlprodukt nur wenig zu
beeinflussen und gleichzeitig die Kohärenz des Laserstrahls lokal so stark zu stören, daß die
Speckleerscheinungen so weit wie möglich verringert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Vorrichtung so zu verbessern, daß die
Verschlechterung des Strahlproduktes durch das phasenverschiebende Element geringer ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Lichtweg vor dem optischen Element ein weiteres optisches
System angeordnet ist, welches das Laserlicht auf das Element fokussiert.
Im Folgenden soll das eine phasenverschiebende Struktur aufweisende optische Element "Struktur"
bezeichnet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet also ähnliche Strukturen, wie die Vorrichtung gemäß
DE 195 01 525 C1, auf deren Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Es sind jedoch auch
andere Strukturen denkbar, wie sie nachfolgend noch bei einem Ausführungsbeispiel eingehender
beschrieben werden.
Allerdings ist das optische System zum Sammeln des von der Struktur ausgehenden Lichts wegen der
Fokussierung vor der Struktur nicht notwendigerweise gleich dem optischen System, das aus der
DE 195 01 525 C1 bekannt ist. Die zusätzliche Fokussierung erfordert eine etwas geänderte Auslegung
des optischen Systems, wie sie aber dem Optikfachmann geläufig ist.
Die Fokussierung des weiteren optischen Systems im Lichtweg vor der Struktur als Beitrag zum
Verringern des Strahlproduktes läßt sich aus der Erkenntnis heraus verstehen, daß das Strahlprodukt
dem Sinus des Divergenzwinkels proportional ist. Eine Änderung dieses Sinus des Strahlproduktes
wirkt sich folgendermaßen aus:
|Δsinθ| = |cosθ Δθ|,
wobei θ den Divergenzwinkel bezeichnet und Δ, wie üblich, der Differenzoperator ist. Die Beziehung
macht deutlich, daß bei gleichem Δθ, beispielsweise aufgrund von Beugung, bei Verringerung des
Werts des Kosinus, die Änderung des Strahlproduktes, die durch Δ sin θ in obiger Beziehung
ausgedrückt ist, ebenfalls verringert wird. Wesentlich ist hier also, daß der
Laserstrahl unter möglichst steilem Winkel auf die Struktur auftrifft, um eine Änderung des
Strahlproduktes aufgrund von Beugung an der Struktur möglichst gering zu halten.
Die angegebene Beziehung stellt eine Vereinfachung des wahren Sachverhalts dar, der später
anhand eines Ausführungsbeispiels noch genauer dargestellt wird.
Bei einem Videoprojektionsgerät erzeugt man üblicherweise einen gerasterten parallelen
Laserstrahl, der zum sequentiellen Beleuchten einzelner Bildpunkte des Videobildes auf den
Bildschirm geworfen wird. Hier würde das optische System zum Sammeln des von der Struktur
ausgehenden Lichts zusammen mit dem weiteren optischen System ein im wesentlichen
afokales Linsensystem bilden. Derartige afokale Linsensysteme sind beispielsweise aus der
DE 43 24 849 A1 bekannt und werden gemäß dieser Druckschrift als Transformationsoptik
verwendet, um den Ablenkwinkel in Ausbreitungsrichtung des Lichts hinter einer
Ablenkeinrichtung zur Darstellung eines Videobildes zu vergrößern.
Diese Transformationsoptik weist eine Zwischenbildebene auf, die zur Ausbildung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet ist. Bei Anordnung der Struktur in der
Zwischenbildebene dieser Transformationsoptik kann man dann bei einem Videosystem auf
zusätzliche optische Systeme vor und hinter der Struktur verzichten, wodurch der Aufwand
verringert wird.
Demgemäß ist bei einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die
Vorrichtung eine Ablenkeinrichtung zum Rastern des Laserstrahls für eine Darstellung eines
Videobildes aufweist und daß das optische System sowie das weitere optische System eine
gegen Verzeichnungen und Farbfehler korrigierte Vergrößerungsoptik mit reeller
Zwischenbildebene zum Vergrößern des Videobilds bilden, wobei die Struktur in dieser
Zwischenbildebene angeordnet ist.
Allerdings würde man aufgrund der DE 43 24 849 A1 bedingt durch das oben beschriebene
Prinzip nicht unbedingt erwarten, daß sich das Strahlprodukt wesentlich verbessert, da der cos θ
bei der im Detail angegebenen Transformationsoptik nicht wesentlich verschieden von 1 ist.
Trotzdem wurde beobachtet, daß eine effektive Speckle-Verringerung bei nur unwesentlicher
Verschlechterung des Strahlproduktes mit Hilfe der in der DE 43 24 849 A1 dargestellten
Transformationsoptik möglich war.
Eine mögliche Erklärung dafür ist, daß die Zwischenbildebene, also die phasenverschiebende
Struktur selbst, auf dem Bildschirm abgebildet wird, so daß die von verschiedenen
Flächenelementen vom Bildschirm ausgehenden Teillichtbündel eine entsprechende
Phasenverschiebung aufweisen, mit der Speckle deutlich verringert werden können. Das
Strahlprodukt wurde beim Versuch offenbar nur wenig vergrößert, da die Winkelverteilung
aufgrund der Beugung an der Struktur wesentlich geringer war als der von der
Zwischenbildebene ausgehende Laserstrahl. Die Größe der einzusetzenden Strukturen kann mit
Hilfe bekannter Gleichungen für die Beugung abgeschätzt werden.
Da das Laserlicht erfindungsgemäß auf die Struktur fokussiert wird, ergibt sich gegenüber der
Lehre der DE 195 01 525 C1 ein wesentlicher Unterschied. Um die gleiche Anzahl der
Phasenverschiebungen bei der Erfindung zu verwirklichen, müßten die Teilbereiche für
verschiedene Phasenverschiebungen bei gleichen Bedingungen gegenüber der Vorrichtung
gemäß der Druckschrift auch geringere Abmessungen haben. Dies wäre aber nachteilig für das
Strahlprodukt, da die Beugung dann ebenfalls größeren Einfluß hätte.
Dieser Weg erscheint daher unzweckmäßig, und man wird die phasenverschiebenden Bereiche
ähnlich groß wie bei der Struktur gemäß der Druckschrift wählen.
Um trotzdem möglichst viele verschiedene Phasenverschiebungen zur Darstellung eines
Bildpunktes in einem Videogerät zu erzeugen, wird die Struktur zwischen dem optischen System
und dem weiteren optischen System periodisch bewegt, so daß im Zeitmittel möglichst viele
verschiedene Strukturen zur Wirkung kommen. Deswegen weist eine Vorrichtung gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung einen Antrieb zum periodischen Bewegen der Struktur
auf.
Um die gemäß der Erfindung vorgesehene Fokussierungsbedingung während dieses
Zeitintervalls zum Beleuchten eines Bildpunktes möglichst gut einzuhalten, würde man erwarten,
daß die Struktur quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts bewegt werden müßte.
Unerwarteterweise hat sich aber gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gezeigt,
daß man eine wesentlich bessere Speckle-Unterdrückung erreicht, wenn die durch den Antrieb
bedingte Bewegung der Struktur eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der optischen
Achse aufweist.
Daß eine Bewegung in Richtung der optischen Achse, also in Ausbreitungsrichtung des
Laserlichts wesentlich wirksamer zur Verringerung der Speckle ist, war völlig unerwartet.
Die Bewegung in Richtung der optischen Achse hat neben der effektiven Speckle-Unterdrückung
einen weiteren Vorteil. Bei kleinen Strukturen kann es nämlich schwierig werden, die Struktur
genau am richtigen Ort zwischen dem optischen System und dem weiteren optischen System
anzuordnen. Die periodische Bewegung in Richtung der optischen Achse macht eine
diesbezüglich empfindliche Anordnung wesentlich unkritischer.
Um die räumliche Kohärenz möglichst vollständig zu stören, ist die Struktur gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung so ausgebildet, daß die lokale Variation der
Phasenänderung p (λ, x, y) gemäß einer stochastischen Verteilung bezüglich der Koordinaten x
und y gewählt ist.
Wie vorhergehend schon deutlich wurde, ist es zur Vermeidung einer Verschlechterung des
Strahlproduktes zweckmäßig, den Gradienten für die Funktion der Phasenänderung p (λ, xi, yi)
möglichst gering zu halten, um nicht neue Beugungserscheinungen an kleinen Strukturen, die die Phase
etwa um λ oder λ/2 verschieben, zu erzeugen. Diese Phasenänderungen werden in
der Funktion p (λ, xi, yi) maximal und minimal an jeweiligen Koordinatenpunkten xi und yi für die
Extrema dargestellt. Die Struktur läßt sich also diesbezüglich über einen Abstand a, der durch
a2 = Mini≠j[(xi - xj)2 + (yi - yj)2]
gegeben ist, charakterisieren. Dieser Abstand a ist der minimale Abstand zwischen Extrema der
Funktion p und macht deshalb bezüglich des maximalen Beugungswinkels eine Aussage für die
erwartete Verschlechterung des Strahlproduktes durch die Struktur.
Diesbezüglich hat es sich für eine geringe Strahlproduktänderung aufgrund der Struktur bei einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, wenn a bezüglich des
gegebenen Fokusdurchmessers d des Laserstrahls so ausgesucht ist, daß die Bedingung a/20 <
d < 20a erfüllt ist.
Die angegebenen Grenzen lassen sich gemäß anderer Weiterbildungen der Erfindung noch zur
effektiveren Speckle-Unterdrückung bei gleichzeitiger geringfügiger Vergrößerung des
Strahlprodukts einengen, indem beispielsweise der durch die Struktur bestimmte Abstand a
kleiner als das 10fache und insbesondere kleiner als das 1,5fache des Fokusdurchmessers d ist
und indem der durch die Struktur bestimmte Abstand a größer als der zehnte Teil und
insbesondere größer als die Hälfte des Fokusdurchmessers d ist.
Das Strahlprodukt kann vorzugsweise auch dadurch weiter verbessert werden, daß zwischen der
Struktur und dem im Lichtweg nachfolgenden optischen System eine Blende vorgesehen ist, mit
der höhere, durch die Struktur entstehende Beugungsordnungen ausgeblendet werden.
Wie vorstehend schon deutlich wurde, ist die Verschlechterung des Strahlproduktes im
wesentlichen auf die Beugung an verschiedenen phasenverschiebenden Bereichen der Struktur
zurückzuführen. Die hier gemäß der Weiterbildung eingesetzte Blende blendet derartige, das
Strahlprodukt verschlechternde abgebeugte Lichtanteile aus, so daß bei geringen Lichtverlusten
ein optimiertes Strahlprodukt erzielt werden kann.
Die bisher schon genannten phasenbeeinflussenden Strukturen können, wie auch aus der DE 195 01 525 C1
bekannt, durch die geometrische Ausbildung, zum Beispiel durch
unterschiedliche Schichtdicken eines Glaskörpers oder durch eine Änderung der Brechzahl, die
beispielsweise über Ionenaustausch erzeugt werden kann, ausgebildet werden. Dabei ist zu
beachten, daß sich die durch die Struktur erzeugten lokalen Phasenverschiebung bei
verschiedenen Wellenlängen λk, wie sie beispielsweise bei einem Farbvideobild im Laserstrahl
vorkommen, unterschiedlich auswirken. Für eine wirksame Speckle-Reduktion ist bei der
Auslegung dieser Struktur gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung darauf zu
achten, daß für alle λk gilt:
mit
und
wobei die Integration über den durch das weitere optische System gegebenen Laserlokus als
Fläche F auf der Struktur erfolgt und bei periodischer Bewegung für die Integration weiter der
Zeitmittelwert über die Periode genommen wird. Gemäß dieser Beziehung wird die mittlere
Phasenverschiebung für alle Wellenlängen auf größer als π/2 festgelegt, das heißt gerade auf
eine Auslöschung innerhalb einer Wellenlänge des Lichts. Das Größerzeichen in dieser
Beziehung zeigt an, daß auch noch weit größere Phasenverschiebungen erwünscht sind, die
gegebenenfalls eine wesentlich effektivere Auslöschung aufgrund der Störung der Kohärenz durch
Mittelung über mehr als eine Wellenlänge ermöglichen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Struktur
beidseitig entspiegelt ist. Damit wird erstens das Laserlicht durch die Struktur nur wenig gedämpft,
zweitens entfallen auch Mehrfachreflexionen innerhalb der Struktur, die andernfalls zu einer
Aufweitung des Strahls führen würden. Eine fehlende Unterdrückung von Mehrfachreflexionen könnte
ebenfalls eine Verringerung des Strahlproduktes zur Folge haben.
Wie auch schon aus der DE 195 01 525 C1 bekannt ist, kann die phasenverschiebende Struktur
insbesondere stufenförmig in Form von Bereichen ausgeführt sein, die beispielsweise
Phasenverschiebungen λ/2, λ usw. umfassen. Bei derartigen regelmäßigen Strukturen lassen sich
spezielle Elementarzellen für spezifische Phasenverschiebungen verschiedener Wellenlängen mit
optimalen Verteilungen p (x, y) aufbauen. Derartige unterschiedliche Elementarzellen lassen sich am
besten auf einer Struktur zusammenfügen, wenn sie quadratische, dreieckige oder sechseckige Form
aufweisen.
Wenn man die Struktur so aufbauen will, lassen sich auch Flächen festlegen, die in einem
Licht unterschiedlicher Wellenlängen aufweisenden Laserstrahl gerade bei bestimmten Wellenlängen λk die
Phasen optimal stören, um Interierenzeffekte auszuschließen. Derartige Flächenanteile werden
vorteilhafterweise gemäß der chromatischen Verteilung der eingesetzten Strahlungsquellen gewählt,
wobei auch die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip noch näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes
Projektionssystem;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung für einen optischen Aufbau gemäß der Erfindung.
Die Erfindung ist sowohl bei Mikroskopbeleuchtungen mit Lasern als auch Druckern sowie auch
Videoprojektionsgeräten und ähnlichen Anwendungen, bei denen eine Fläche möglichst gleichmäßig
mit Laserlicht beleuchtbar sein soll, anwendbar. Um möglichst viele Aspekte der
Erfindung deutlich machen zu können, wurde hier als Ausführungsbeispiel ein Videosystem für
Farbbildprojektion gewählt.
Bei dem Projektionssystem von Fig. 1 werden drei Laser 10, 20, 30 zur Steuerung von Farbton
und Helligkeit der Bildpunkte eines Videosystems eingesetzt, die im wesentlichen parallele
Laserstrahlen 12, 22, 32 erzeugen.
Im Beispiel von Fig. 1 sind für die Laser 10, 20, 30 Edelgaslaser vorgesehen. Da deren Intensität
für ein Videobild nicht schnell genug geschaltet werden kann, werden die Lichtquellen 10, 20, 30
mit konstanter Lichtleistung betrieben, und die Änderung der Lichtintensität erfolgt durch
zusätzliche Modulatoren 14, 24, 34, für die sich insbesondere DKDP-Kristalle eignen, wie dies
aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Die einzelnen Laserstrahlen 12, 22, 32 werden weiter durch dichroitische Spiegel 16, 26, 36 zu
einem gemeinsamen Lichtbündel 40 zusammengeführt, das innerhalb des
Farbprojektionssystems alle Lichtbündel vereint und das nachfolgend in einem einzigen
Strahlengang durch das Projektionssystem hindurchläuft.
Zur Bilderzeugung wird eine Ablenkeinrichtung eingesetzt, über welche die einzelnen Bildpunkte
des Videofernsehbilds sequentiell aufgebaut werden können. Man könnte nun ohne weiteres den
gemeinsamen Laserstrahl 40 durch die Ablenkeinrichtung direkt auf einen Schirm 54 ablenken.
Um aber eine besondere Kompaktheit des gesamten Fernsehprojektionssystems zu erreichen
und den zur Verfügung stehenden Platz vorteilhaft zu nutzen, ist es auch möglich, verschiedene
Einheiten des Projektionssystems an optisch nicht geradlinig miteinander verbindbaren Orten
anzubringen, wobei dann das gemeinsame Strahlenbündel 40 umgelenkt werden muß.
Eine solche Umlenkung wird beispielhaft in Fig. 1 mit Hilfe eines Spiegels 42 durchgeführt, mit
dem der Laserstrahl 40 auf die Ablenkeinrichtung gelenkt wird.
Die Ablenkeinrichtung im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 besteht aus einem Polygonspiegel 44
und einem Schwenkspiegel 46. Der Polygonspiegel 44 wird kontinuierlich gedreht und das
Lichtbündel durch die Folge der Polygonflächen zeilenmäßig abgelenkt. Die Ablenkrichtung des
Polygonspiegels 44 wird gemäß Zeichnung als X-Richtung bezeichnet. Der Schwenkspiegel 46
wird um eine Achse 48 hin- und hergeschwenkt und dient zur bildmäßigen Rasterung, wobei
seine Ablenkrichtung in Fig. 1 als Y-Richtung bezeichnet ist. Zur Schwenkung und
Synchronisation ist eine nach dem Stand der Technik bekannte Elektronik vorgesehen.
Das in X- und Y-Richtung gerasterte gemeinsame Lichtbündel 40 wird nach der Ablenkung durch
eine Transformationsoptik 50 geführt, deren Wirkungsweise in der DE 43 24 849 A1 dargestellt
ist. Zum Verständnis des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 ist hier nur wichtig, daß der
Ablenkwinkel und damit das projizierte Fernsehbild durch die Transformationsoptik 50 vergrößert
wird. Dazu wird durch die Transformationsoptik, bei welcher der Ort der Ablenkeinrichtung eine
Eintrittspupille nach üblicher optischer Nomenklatur ist, in eine der Eintrittspupille durch die
Transformationsoptik zugeordnete Austrittspupille abgebildet.
Nach Verlassen der Transformationsoptik 50 wird der gemeinsame Laserstrahl 40 auf eine
Fresnellinse 52 und danach auf einen Bildschirm 54 geworfen, auf dem es von einem Betrachter
in Richtung der Pfeile als Bildpunkt des Videobildes sichtbar wird.
Prinzipiell könnte man das Fernsehbild direkt auf einen Schirm 54 werten, der, wenn er als
Mattscheibe ausgebildet ist, Licht in alle möglichen Richtungen streuen würde. Aber auch bei
einer Mattscheibe hängt die Lichtintensität in Beobachtungsrichtung stark vom Winkel des
auftreffenden Lichtbündels ab, so daß bei besonders großen Fernsehbildern an den Bildrändern
eine geringere Intensität als im Zentrum entstehen würde. Die unterschiedliche Intensität könnte
man zwar auch durch Änderung der Lichtintensität an den Lichtquellen 10, 20, 30 gleichmäßig
aussteuern, jedoch gibt es auch einen wesentlich vorteilhafteren Weg: Eine Feldlinse, wie sie
hier durch die Fresnellinsen 52 verwirklicht ist, parallelisiert nämlich das aus der
Transformationsoptik 50 unter verschiedenen Winkeln austretende Licht in Richtung zum
Beobachter. Gemäß den Gesetzen der Linsenoptik wird das Licht dann am besten in Richtung
der Pfeile parallelisiert, wenn der Brennpunkt der Fresnellinse 52 in der Austrittspupille der
Transformationsoptik 50 liegt.
Zur Auslegung der Transformationsoptik 50 wird insbesondere auf die DE 43 24 849 A1
verwiesen. Diese Transformationsoptik ist ein im wesentlichen afokales Linsensystem, das zwei
Stufen aufweist, wobei sich zwischen erster und zweiter Stufe eine Zwischenbildebene befindet,
in die für erste Versuche eine Struktur 60, wie sie nachfolgend noch näher in Fig. 2 beschrieben
werden wird, eingesetzt wurde. Man könnte diese Struktur in ähnlichen Systemen, wie sie
nachfolgend anhand von Fig. 2 noch weiter verdeutlicht werden, auch an anderen Orten
einsetzen, beispielsweise direkt hinter den Lasern 10, 20, 30 oder zwischen den Modulatoren 14,
24, 34 und den dichroitischen Spiegeln 16, 26, 36, wobei dann im Einzellichtweg jeweils eine
Struktur mit entsprechender Optik einzusetzen wäre, und somit der Aufwand steigt. Andererseits
läßt sich an diesen Orten eine recht einfache Optik verwenden, da dort nur unwesentlich auf
Farbfehler und Verzeichnungen Rücksicht genommen werden muß.
Das Prinzip eines derartigen, die Struktur 60 enthaltenden Systems ist im einzelnen in Fig. 2
schematisch dargestellt, wobei beispielhaft ein Laserstrahl 12 gezeigt ist, der in Richtung des
Pfeils 61 längs einer optischen Achse 62 in das System einfällt.
Bei Verwendung eines Laserstrahls treten Interferenzeffekte beim Abbilden auf einen Schirm 54
auf, die als unerwünschte Glitzererscheinungen wahrgenommen werden, die sogenannten
Speckle. Die Anordnung von Fig. 2 dient dazu, die lokale und/oder zeitliche Kohärenz der
Laserstrahlen zu verändern, um die Speckle-Erscheinung zu verringern. Mit Hilfe der Struktur 60
werden dem Laserstrahl lokal unterschiedliche Phasenverschiebungen gemäß der Koordinaten x
und y aufgeprägt. Wie diese Strukturen aussehen können, ist im einzelnen in der DE 195 01 525 C1
dargestellt.
Allerdings ist die Struktur 60 in diesem Ausführungsbeispiel etwas anders ausgebildet als
diejenige, die aus der vorgenannten Druckschrift entnehmbar ist. Während die Struktur gemäß
der Druckschrift im wesentlichen scharfkantige Bereiche aufweist, ist hier ein weicherer
Übergang, der durch eine Wellenlinie angedeutet ist, vorgesehen.
Der Grund liegt darin, daß die scharfen Kanten in den Strukturen wie aus der Druckschrift
bekannt ist, auch große Beugungswinkel verursachen können, was gemäß der Fig. 2 durch eine
abgerundete Struktur vermieden werden soll. Die gezeigte gerundete Struktur führt auch zur
Zerstreuung des Lichtbündels über Brechung, die hier aber nicht weiter betrachtet werden kann,
da dieser Anteil durch geeignete Formgebung der Struktur (60) immer beliebig verringert werden
kann.
Das hier eingesetzte Prinzip zur Speckle-Verringerung ist gleich dem in der Druckschrift
verwendeten, nämlich daß aufgrund der Verschiebung der Phasen einzelner Teillichtstrahlen im
Laserstrahl 12 die räumliche Kohärenz des Gesamtstrahls so gestört wird, daß Speckle-
Erscheinungen auf dem Schirm 54 verringert werden.
Zum besseren Verständnis der Fig. 2 ist an ihrem oberen Rand ein Koordinatenkreuz x, y, z
eingezeichnet. Bei diesem zeigt die Achse z in die Richtung der optischen Achse 62, und die
Koordinaten x und y bilden ein senkrechtes, zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 12
orthogonales, bezüglich der Struktur (60) definiertes Koordinatensystem x, y. An einem Punkt
mit den Ortskoordinaten x und y wird einem Laserstrahl spezifisch für seine Wellenlänge λ beim
Durchlaufen der Struktur 60 eine Phasenverschiebung p (λ, x, y) aufgeprägt. Derartige
Phasenverschiebungen können durch Brechungsindexänderungen erzielt werden, die durch
Ionenaustausch an der Oberfläche erzeugt werden, wenn die Struktur 60 beispielsweise aus
einem Stück Glas besteht.
In Fig. 2 ist eine andere Möglichkeit angedeutet, nämlich daß örtliche Erhebungen 64 und
Vertiefungen 66 je nach Ort x, y die gewünschte Phasenverschiebung verursachen.
Allgemein läßt sich die Phasenverschiebung als Funktion der Koordinaten x, y und der
Wellenlänge λ als
p (λ, x, y)
darstellen. Die Funktion p ist bei dem Beispiel von Fig. 2 proportional der Funktion z (x, y) der
nach rechts weisenden Fläche der Struktur 60. Die mittlere quadratische Abweichung der Phase
bei einer beliebigen Funktion p ist
wobei zur möglichst vollständigen Speckle-Unterdrückung
sein sollte
mit
mit
und
Die Fläche F, die in die genannten Integrationen eingeht, ist durch die Ausdehnung des
Laserstrahls auf der Struktur gegeben. In Fig. 2 ist ein Durchmesser d eines kreisförmigen
Laserstrahlfokus eingezeichnet. Hier ist die Fläche F also ein Kreis mit dem Durchmesser d.
Um die Speckle möglichst effektiv zu verringern, sollte die Phasenänderung, wie sie oben als
mittlere quadratische Abweichung definiert ist, mindestens π/2 betragen. Das heißt, Halbwellen
mit zu negativer Intensität verschobener Phase werden dann beim Auftreffen auf dem Schirm 54
Interferenzen von positiven Halbwellen auslöschen, wodurch die maximalen Intensitäten in den
Speckle-Mustern reduziert werden.
Eine derartige Struktur 60 zur Phasenverschiebung, wie sie in Fig. 2 angedeutet ist, weitet den
Strahl aber über Beugung auf. Um diese Aufweitung möglichst gering zu halten, ist ein erstes
optisches System 68 vorgesehen, mit dem der Laserstrahl 12 auf die Struktur 60 fokussiert wird,
und ein zweites optisches System 70, welches das von der Struktur ausgehende Licht wieder
parallelisiert. Das Licht fällt damit unter einem in Fig. 2 gezeigten Winkel 9 in die Struktur 60 ein.
Beugungserscheinungen auf der Struktur können zu einer Verbreiterung des Strahls führen, die
wir im folgenden mit dem Winkel θBeug bezeichnen, wie er sich als Aufweitung eines Strahls
geringstmöglichen Durchmessers als Konuswinkel eines von der Struktur 60 ausgehenden
Lichtstrahls auswirken würde. Bei Brechung an der welligen, in Fig. 2 gezeigten Struktur würde
auch noch eine weitere Aufweitung in die Abschätzung eingehen, die aber an den folgenden
Betrachtungen nichts Wesentliches ändert, wenn man diesen Beitrag in θBeug berücksichtigt.
Man kann mit Hilfe der bekannten Regeln aus der Fehlerfortpflanzung, die für jede Faltung, wie
hier, zur Abschätzung geeignet sind, für einen Winkel θaus des von der Struktur 60 ausgehenden
Strahls ansetzen:
Der Aufweitungswinkel aufgrund der Beugung, charakterisiert durch θBeug, trägt also dann nur
geringfügig zu Baus bei, wenn der Einfallswinkel 6 wesentlich größer als θBeug ist. Dann würde das
Strahlprodukt aufgrund der Struktur 60 nur wenig verschlechtert.
Deswegen wird der Laserstrahl 12 zur Optimierung des Strahlproduktes mit dem optischen
System 68 auf die Struktur 60 fokussiert und mit dem zweiten optischen System 70 wieder
aufgeweitet, um θ so groß wie möglich zu halten.
An der Struktur 60 ist gemäß Fig. 2 noch eine Größe a eingezeichnet, die den Abstand zwischen
einem Maximum und einem Minimum der Funktion p kennzeichnet. Mit Hilfe dieser Größe läßt
sich ein Wert für θBeug abschätzen. Für allgemeine Strukturen wird man nicht die gleichmäßige
wellenförmige Funktion gemäß Fig. 2, sondern eine mehr stochastische Verteilung p (λ, x, y)
gemäß den Koordinaten x und y wählen. Dann bezeichnet der kleinste Abstand a den
größtmöglichen Beugungswinkel und ist damit für die folgende Abschätzung von
wesentlich.
Nach den bekannten Beugungsgleichungen ist θBeug bei Beugung n-ter Ordnung ungefähr
Betrachtet man nur die erste Ordnung, können die Bedingungen abgeschätzt werden, bei denen
die Beugung an der Struktur 60 zum Ausgangswinkel θaus und damit zur Parallelität des
Ausgangsstrahles nicht mehr beiträgt:
Wie aus der vorhergehenden Diskussion erkennbar ist, hängt die Unterdrückung von
Beugungseffekten im wesentlichen auch davon ab, welche Beugungsordnung n man betrachtet.
Im Ausführungsbeispiel ist eine Blende 72 vorgesehen, mit der die Beugungsordnungen n < 1
ausgeblendet werden, damit sie das Strahlprodukt des Ausgangsstrahls möglichst nicht
beeinflussen.
Zu diesem Zweck bildet man die Blende 72 so aus, daß praktisch nur ein durch den
Eingangswinkel θ als Ausgangswinkel bestimmter Lichtkonus durchgelassen wird, wie es auch in
Fig. 2 schematisch angedeutet ist.
Aus den obigen Beziehungen geht auch hervor, daß man a möglichst wesentlich größer als die
Wellenlänge λ machen sollte. Das hat zur Folge, daß auf der Struktur 60, da auch der
beugungsbegrenzte Strahldurchmesser d in dieser Größenordnung liegt, nur wenige Erhebungen
64 und Vertiefungen 66 der Struktur 60 zur Wirkung kommen. Das heißt, die Kohärenz des
einfallenden Lichtstrahls ist nur wenig gestört. Deswegen ist ein Antrieb 74 vorgesehen, mit dem
die Struktur beispielsweise senkrecht zur optischen Achse bewegt werden kann. Verschiedene
Strukturen werden während der Bewegung in den Laserstrahl gefahren, so daß bei einem
Videoprojektionsgerät aufgrund der Trägheit des Auges die in infinitesimalen Zeitintervallen
entstehenden, unterschiedlichen Speckle-Muster überlagert werden, wodurch auftretende
Interferenzmaxima im günstigsten Fall nicht mehr wahrgenommen werden.
Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, daß zur Verminderung von Speckle-Erscheinungen eine
Bewegung in z-Richtung, das heißt in Richtung der optischen Achse 62, noch wesentlich
effektiver ist als eine Bewegung in x- oder y-Richtung. Dieser Effekt ist wenig verstanden, es
wird jedoch vermutet, daß dadurch, daß bei Bewegung in z-Richtung zu verschiedenen
Zeitpunkten unterschiedlich viele Vertiefungen 66 und Erhebungen 64 in den Laserstrahlfokus
geführt werden, die Speckle-Muster in jedem infinitesimalen Zeitintervall so stark voneinander
abweichen, daß die Zeitmittelung der Speckle-Muster bei dieser Art der Bewegung wesentlich
effektiver erfolgt, als bei gleicher Anzahl von Vertiefungen 66 und Erhebungen 64 bei
senkrechter Bewegung.
Die Bewegung in z-Richtung hat weiter den Vorteil, daß eine eventuelle kritische Justierung der
Struktur 60 bezüglich der Foki der optischen Systeme 68 und 70 aufgrund der Bewegung in z-
Richtung entfallen kann, da während der Bewegung immer der optimale Ort getroffen wird.
Damit wird weiter ein scharfes Abbilden von Artefakten, wie Staub oder Bearbeitungsfehler,
vermieden.
Aus den vorhergehenden Erläuterungen sollte deutlich geworden sein, daß es auf einen
besonders großen Winkel θ ankommt, für den oben eine Abschätzung gegeben ist. Weiter ist
ebenfalls der zu betrachtende Beugungswinkel θBeug im wesentlichen durch den Laserfokus d und
den vorher definierten Abstand a bestimmt. Insbesondere bei d < a findet praktisch keine
Beugung statt, man muß jedoch einen Antrieb 74 einsetzen. Man macht sich dabei also nur die
beschriebene Zeitmittelung zunutze und verzichtet praktisch vollständig auf die Störung der
räumlichen Kohärenz. Im Falle d << a ist mit Beugungseffekten zu rechnen, so daß der Winkel θ
sehr groß gewählt werden muß.
Aufgrund dieser Überlegungen lassen sich zur optimalen Ausbildung der Struktur 60 auch die
folgenden Beziehungen angeben:
und insbesondere a < 10d beziehungsweise a < 1,5d
sowie a < d/10 beziehungsweise d/2.
sowie a < d/10 beziehungsweise d/2.
Allerdings ist, wenn bei der Auslegung d << a gewählt wird, ein Antrieb 74 erforderlich.
Wenn die Struktur 60 beispielsweise ein Glaskörper ist, könnte neben der Beugung noch ein
weiterer strahlaufweitender Prozeß wesentlich werden.
Ein aus der Struktur 60 austretender Laserstrahl 21 wird im allgemeinen ein Teil des Lichts
wieder in die Struktur 60 zurückreflektiert, der an der anderen Seite dann wieder in die
Ausgangsrichtung der Struktur 60 zurückreflektiert wird und dann mit einer Ortsverschiebung und
geändertem Winkel austreten kann. Auch solche Mehrfachreflexionen können zu einer
Verbreiterung des Strahls führen und verschlechtern damit das Strahlprodukt. Um diesen Effekt
ebenfalls zu verringern, ist vorgesehen, daß die Struktur 60 sowohl auf der Lichteintritts- als
auch auf der Lichtaustrittsseite breitbandig entspiegelt ist. Zusätzlich gewinnt man damit den
Vorteil, daß das gesamte Licht 12, das in das System gemäß Fig. 2 einfällt, auch wieder aus
diesem ausfällt, wobei allerdings geringfügige Anteile der Lichtintensität durch große
Beugungswinkel aufgrund der Blende 72 ausgangsseitig nicht mehr zur Verfügung stehen.
Während vorangehend anhand von Fig. 2 ein System beschrieben wurde, wie es beispielsweise
bei Laserstrahlen 12, 22, 32 einer definierten Wellenlänge X einsetzbar ist, kann man durch
entsprechende Wahl der Funktion p (λ, x, y) für die Struktur 60 auch die Kohärenz für
Laserstrahlen 40 mit mehreren Wellenlängen räumlich und zeitlich stören, wobei dann die obigen
Betrachtungen für alle im Laserstrahl auftretenden Wellenlängen anzuwenden sind. Man spart
dadurch in einem Videoprojektionsgerät optische Systeme ein, da ein derartiges System nur
einmal in einen einzigen Strahlengang, beispielsweise für den Laserstrahl 40, eingesetzt werden
muß. Man kann sogar auf ein eigenes derartiges System ganz verzichten, wenn man sich den
Aufbau der Transformationsoptik 50 als afokales Linsensystem zunutze macht und die Struktur
60 analog zum Aufbau von Fig. 2 in die Zwischenbildebene der Transformationsoptik 50 einsetzt.
Aufgrund der Verwendung der Struktur 60 treten allerdings etwas unterschiedliche Lichtwege
innerhalb der Transformationsoptik 50 auf, die aber durch eine entsprechende Auslegung dieser
Optik, die mit den heute verfügbaren Optikrechnern ohne weiteres durchführbar ist,
berücksichtigt werden sollten.
Insbesondere hat das Einfügen des Systems hinter der Ablenkeinrichtung 44, 46 noch den
Vorteil, daß der Laserstrahl bei der Bilddarstellung sehr schnell bewegt wird, und zwar auf jeden
Fall wesentlich schneller als es durch einen Motor als Antrieb 74 möglich ist, so daß man
erwartet, daß diese Ablenkung schon zu einer effektiven zeitlichen Mittelung von Speckle-
Mustern führt und man gegebenenfalls ganz auf einen Antrieb 74 verzichten kann.
Claims (11)
1. Vorrichtung mit einem Laser (10, 20, 30) und einem optischen Element (60) im Strahlengang
des Lasers (10, 20, 30), das Strahlung der Wellenlänge λ des Lasers (10, 20, 30) durchläßt
und der Strahlung bezüglich Koordinaten x, y senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung lokal
variierende Phasenänderungen p (λ, x, y) aufprägt, sowie mit einem optischen System (70)
zum Sammeln der vom optischen Element ausgehenden Strahlung, dadurch
gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor dem optischen Element (60) ein weiteres optisches
System (68) angeordnet ist, welches die Strahlung auf das optische Element (60) fokussiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkeinrichtung (44, 46)
zum Rastern des Laserstrahls für die Darstellung eines Videobildes vorgesehen ist, und daß
das optische System (70) sowie das weitere optische System (68) eine gegen Verzeichnungen
und Farbfehler korrigierte Vergrößerungsoptik mit reeller Zwischenbildebene (50) zum
Vergrößern des Videobildes bilden, wobei das optische Element (60) in dieser
Zwischenbildebene angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antrieb (74) zum
periodischen Bewegen des optischen Elements (60) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Antrieb (74)
bedingte Bewegung des optischen Elements (60) eine Geschwindigkeitskomponente in
Richtung der optischen Achse (62) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale
Variation der Phasenänderung p (λ, x, y) des optischen Elements (60) gemäß einer
stochastischen Verteilung vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Phasenänderung p (λ, xi, yi) Maxima und Minima mit jeweiligen Koordinaten xi und yi
aufweist, für die ein minimaler Abstand a mit
a2 = Mini≠j[(xi - xj)2 + (yi - yj)2]
für alle Koordinatenpaare xi, yi, xj, yj mit den Indizes i und j gegeben ist und dieser Abstand bezüglich dem auf dem optischen Element (60) durch das weitere optische System (68) gegebenem Fokusdurchmesser d des Laserstrahls die Bedingung erfüllt.
a2 = Mini≠j[(xi - xj)2 + (yi - yj)2]
für alle Koordinatenpaare xi, yi, xj, yj mit den Indizes i und j gegeben ist und dieser Abstand bezüglich dem auf dem optischen Element (60) durch das weitere optische System (68) gegebenem Fokusdurchmesser d des Laserstrahls die Bedingung erfüllt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das optische Element
(60) bestimmte Abstand a kleiner als das 10fache und insbesondere kleiner als das 1,5fache
des Fokusdurchmessers d ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das optische
Element (60) bestimmte Abstand a größer als der zehnte Teil und insbesondere größer als die
Hälfte des Fokusdurchmessers d des Laserlichts auf dem optischen Element (60) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
optischen Element (60) und dem im Strahlengang nachfolgenden optischen System (70) eine
Blende (72) vorgesehen ist, mit der höhere, durch das optische Element (60) entstehende
Beugungsordnungen ausgeblendet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl
aus verschiedenen Teillaserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen λk besteht, auf
welche das optische Element (60) aufgrund der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich
wirkt und daß für alle λk gilt
mit
und
wobei die Integration über den durch das weitere optische System (68) gegebenen Laserfokus als Fläche F erfolgt und bei periodischer Bewegung der Zeitmittelwert über die Periode genommen wird.
mit
und
wobei die Integration über den durch das weitere optische System (68) gegebenen Laserfokus als Fläche F erfolgt und bei periodischer Bewegung der Zeitmittelwert über die Periode genommen wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das optische
Element (60) beidseitig entspiegelt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998119474 DE19819474C5 (de) | 1998-04-30 | 1998-04-30 | Vorrichtung mit einem Laser |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1998119474 DE19819474C5 (de) | 1998-04-30 | 1998-04-30 | Vorrichtung mit einem Laser |
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DE19819474C5 DE19819474C5 (de) | 2004-01-15 |
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DE (1) | DE19819474C5 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10343028A1 (de) * | 2003-09-16 | 2005-05-04 | Zeiss Carl | Vorrichtung zum Verstellen der optischen Verzögerung in einem Strahlengang |
US8279514B2 (en) | 2007-01-24 | 2012-10-02 | Osram Ag | Optoelectronic device |
Citations (2)
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DE4324849A1 (de) * | 1993-07-23 | 1995-02-16 | Schneider Rundfunkwerke Ag | Projektionssystem zum Projizieren eines Farbvideobilds und zugehörige Transformationsoptik |
DE19501525C1 (de) * | 1995-01-19 | 1996-04-04 | Schneider Rundfunkwerke Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Vermindern von Interferenzen eines kohärenten Lichtbündels |
-
1998
- 1998-04-30 DE DE1998119474 patent/DE19819474C5/de not_active Expired - Fee Related
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DE4324849A1 (de) * | 1993-07-23 | 1995-02-16 | Schneider Rundfunkwerke Ag | Projektionssystem zum Projizieren eines Farbvideobilds und zugehörige Transformationsoptik |
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DE19819474C5 (de) | 2004-01-15 |
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