DE19819474C5

DE19819474C5 - Vorrichtung mit einem Laser

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Publication number: DE19819474C5
Application number: DE1998119474
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Phys. Retschke; Wolfgang Dr.Rer.Nat. Holota; Armin Dr. Leitel
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: DE19819474C1

Abstract

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, und 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.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Laser und einem optischen Element im Strahlengang des Lasers, das Strahlung der Wellenlängen des Lasers durchläßt und der Strahlung bezüglich Koordinaten senkrecht zu ihrer Ausbreitungsnchtung lokal variierende Phasenänderungen 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 Beleuchfung 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 zunmindest 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 phasenvershiebender 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 Stahllprodukt 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 Laserstal 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 veriingert werden.
Aus der WO 99/46623 , die eine ältere Priorität beansprucht, aber nachveröffentlicht ist, ist eine Vorrichtung mit einem Laser und einem. optischen Element im Strahlengang des Lasers, das Strahlung der Wellenlänge des Lasers durchläßt und der Strahlung bezüglich Koordinaten senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung lokal variierende Phasenänderungen aufprägt, sowie mit einem optischen System zum Sammeln der vom optischen Element ausgehenden Strahlung bekannt.
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 Strahlengang, vor dem optischen Element ein weiteres optisches System angeordnet ist, welches die Strahlüng auf das optische Element fokussiert, und daß zwischen dem optischen Element und dem im Strahlangang nachfolgenden optischen System eine Blende vorgesehen ist, mit der höhere, durch das optische Element entstehende Bezugsondergezungen ausgeblendet sind.
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 genommnen 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: ǀΔsinθǀ = ǀcosθ Δθǀ, 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 zuu 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 Transformnationsoptik 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 Fokussierungsbediagung 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 Geschwittdigkeitskomponente 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 Achlise 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, x_i, y_i) 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, x_i, y_i) maximal und minimal an jeweiligen Koordinatenpunkten x_i und y_i für die Extrema dargestellt. Die Struktur läßt sich also diesbezüglich über einen Abstand a, der durch
a2 = Mini≠⁣j [(xi – xj)2 + (yi – yi)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 Grettzen 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.
Wie vorstehend schon deutlich wurde, ist die Verschlech terung des Strahlproduktes im wesentlichen auf die Beugung an verschiedenen phasenverschiebenden Bereichen der Struktur zurückzuführen. Die erfindungsgemäß 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 λ_k, 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 λ_k gilt:
<pk 2> – <pk 2> ≥ (π/2)2
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 Inregration 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 Aaslöschung 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 Aaslöschung 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 der aus der DE 195 01 525 C1 bekannt ist, kann die phasenverschiebende Struktur insbesondere stufenförmig in Form von Bereichen ausgeführt sein, die beispielsweise Phaseaverschiebungen λ/2, λ usw. umfassen. Bei derartigen regelmäßigen Strukturen lassen sich spezielle Elementarzellen für spezifische Phasenverschiebuagen 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 Wellllenlängen λ_k 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:
1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Projektionssystem;
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 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 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 mir 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 Fernsehprojektionssysrems zu erreichen und den zur Verfügung srehenden 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 1 mit Hilfe eines Spiegels 42 durchgeführt, mit dem der Laserstrahl 40 auf die Ablenkeinrichtung gelenkt wird.
Die Ablenkeinrichtung im Ausführungsbeispiel von 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 Ablenkrichtuag 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 Ablenkrichtunng. in 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 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 ersre Versuche eine Struktur 60, wie sie nachfolgend noch näher in 2 beschrieben werden wird, eingesetzt wurde. Man könnte diese Struktur in ähnlichen Systemen, wie sie nachfolgend anhand von 2 noch weiter verdeutlicht werden, auh 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 aur unwesentlich auf Farbfehler und Verzeichnungen Rücksicht genommen werden muß.
Das Prinrip eines derartigen, die Struktur 60 enthaltenden Systems ist im einzelnen in 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 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 Lasersrrahl 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 darg stellt.
Allerdings ist die Struktur 60 in diesem Ausführungsbespiel etwas anders ausgebildet als diejenige, die aus der vorgenannten Druckschrift entnehmbar ist. Während die Struktur gemäß der Druckschrift im wesentlichen scharfkantig Bereiche aufweist, ist hier ein weicherer Übergang, de durch eine Wellerilinie angedeutet ist, vorgesehen.
Der Grund liegt darin, daß die scharfen Kanten in de Strukturen wie aus der Druckschrift bekannt ist, auch groß Beugungswinkel verusachen können, was gemäß der 2 durch eine abgerundete Struktur vermieden werden soll. Die gezeigte gerundete Struktur führt auch zur Zerstreuung de Lichtbündels über Brechung, die hier aber nicht weiter betrachtet werden kann, da dieser Anteil durch geeignet Formgebung der Struktur immer beliebig verringert werden kann.
Das hier eingesetzte Prinzip zur Speckle-Verrichtung ist gleich dem in der Druckschrift verwendeten, nämlich daß aufgrund der Verschiebung der Phasen einzelner Teillicht strahlen im Laserstrahl 12 die räumliche Kohärenz des Gesamtstrahls so gestört wird, daß Speckle-Erscheinungen auf dem Schirm 54 verringert werden.
Zum besseren Verständnis der 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 5 durch Brechungsindexänderungen erzielt werden, die durch Ionenaustausch an der Oberfläche erzeugt werden, wenn die Struktur 60 beispielsweise aus einem Stück Glas besteht.
In 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 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
√≤p 2 ≥ – ≤p≥ 2
wobei zur möglichst vollständigen Speckle-Unterdrückung
≤pk 2≥ – ≤pk≥2 ≥ (π/2)2
sein sollte mit

und
Die Fläche F, die in die genannten Integrationen eingeht, ist durch die Ausdehnung des Laserstrahls auf der Struktur gegeben. In 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 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 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 θ_Beug 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 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 θ_Beug berücksichtigt.
Man kann mit Hilfe der bekannten Regeln aus der Fehlerfortpflanzung, die für jede Faltung, wie hier, zur Abschätzung geeignet sind, für einen Winkel θ_aus des von der Struktur 60 ausgehenden Strahls ansetzen:
√θ aus = θ 2 + θ Beug 2
Der Aufweitungswinkel aufgrund der Beugung, charakterisiert durch θ_Beug trägt also dann geringfügig zu Baus bei, wenn der Einfallswinkel 6 wesentlich größer als θ_Beug 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 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 θ_Beug abschätzen. Für allgemeine Strukturen wird man nicht die gleichmäßige wellenförmige Funktion gemäß 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 θ_Beug bei Beugung n-ter Ordnung ungefähr
n⋅λ/2a
Betrachtet man nur die erste Ordnung, können die Bedingungen abgeschätzt werden, bei denen die Beugung an der Struktur 60 zum Ausgangswinkel θ_aus und damit zur Parallelität des Ausgangsstrahles nicht mehr beiträgt:
θ >> λ/2a
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 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 Zeitmitte-lung 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 θ_Beug 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 Beziehun gen angeben:
a/20 < d < 20⋅a
und insbesondere a < 10d beziehungsweise a < 1,5d 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 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 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 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

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, und 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.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antrieb (74) zum periodischen Bewegen des optischen Elementes (60) vorgesehen ist.
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.
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, x_i, y_i) Maxima und Minima mit jeweiligen Koordinaten x_i und y_i aufweist, für die ein minimaler Abstand a mit a2 = Mini≠⁣j[(xi – xj)2 + (yi – yi)2] für alle Koordinatenpaare x_i, y_i, x_j, y_j, mit den Indizes i und j gegeben ist und dieser Abstand bezüglich dem auf dem optischen Element (60) durch das weitere optische System (68) gegebenen Fokusdurchmesser d des Laserstrahls die Bedingung a/20 < d < 20a erfüllt.
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.
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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl aus verschiedenen Teillaserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen λ_k besteht, auf welche das optische Element (60) aufgrund der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich wirkt und daß für alle λ_k gilt ≤pk 2≥ – ≤pk≥2 ≥ (π/2)2 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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (60) beidseitig entspiegelt ist.