DE19860015A1 - Einrichtung mit einem beweglichen Spiegel zum Rastern eines Lichtbündels - Google Patents

Abstract

Bei einer Einrichtung mit einem beweglichen Spiegel (12) zum Rastern eines Lichtbündels innerhalb eines Bildfeldes und mit einem teilweise durchsichtigen, teilweise reflektierenden Körper (20, 20') im Lichtweg hinter dem beweglichen Spiegel (12) ist vorgesehen, daß der Körper (20, 20') auf mindestens einer dem beweglichen Spiegel (12) zugewandten Oberfläche eine Krümmung oder Schräge aufweist, aufgrund der das vom Körper (20, 20') reflektierte Lichtbündel an jedem Auftreffpunkt des Lichtbündels beim Rastern an der Spiegelfläche (14) des beweglichen Spiegels (12) vorbeiläuft oder bei erneutem Auftreffen auf dieser in eine andere Richtung, in einen Bereich außerhalb des Bildfeldes, reflektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem beweglichen Spiegel zum Rastern eines Lichtbündels innerhalb eines Bildfeldes und mit einem teilweise durchsichtigen, teilweise reflektierenden Körper im Lichtweg hinter dem beweglichen Spiegel.

Derartige bewegliche Spiegel werden beispielsweise in der Drucktechnik und Videotechnik verwendet, um ein Laserlichtbündel sehr schnell abzulenken, damit beispielsweise ein Bild in Videonorm schnell genug dargestellt werden kann. Als Spiegel wird für die Darstellung von Videobildern, insbesondere zur Zeilenablenkung, häufig ein Polygonspiegel verwendet. Diese Spiegel weisen im wesentlichen einen Rotationskörper in Form eines gleichseitigen Polygons auf, dessen Polygonseiten als spiegelnde Facetten zur Ablenkung von Lichtbündeln ausgebildet sind.

Insbesondere, wenn es auf die Geschwindigkeit des Polygonspiegels ankommt, wird er üblicherweise unter Unterdruck und/oder einem speziellen Gas, wie Helium, betrieben, um Reibungs- und Wirbelverluste zu verringern. Das bedeutet aber auch, daß sich derartige Polygonspiegel üblicherweise in einem Gehäuse befinden, das gegen die Umgebungsatmosphäre abschirmt, und daß Licht, das sich zum und von dem Polygonspiegel fortpflanzt, durch ein oder zwei Fenster nach innen bzw. nach außen gelangt.

Derartige Fenster lassen jedoch nicht das gesamte auffallende Licht durch, sondern reflektieren einen Teil davon. Aufgrund der im wesentlichen parallelen Ausrichtung, zumindest in einem geeigneten Winkelbereich der Ablenkung, fallen die von dem Fenster zurück reflektierten Lichtbündel wieder auf den Polygonspiegel zurück und werden nochmals, allerdings versetzt zu dem ursprünglichen Winkel, abgelenkt. Bei Videobildern kann dann ein Geisterbild entstehen, das heißt ein schwaches, versetztes Bild, das in dunkleren Bildbereichen oder neben dem Bild deutlich erkennbar ist. Bei der Videodarstellung müssen derartige Geisterbilder unbedingt unterdrückt oder verhindert werden.

Man könnte daran denken, einen ungekapselten Polygonspiegel einzusetzen. Dies würde das Problem aber nicht unbedingt lösen, da wie aus der DE 43 24 849 C2 bekannt ist, auch andere optische Elemente, insbesondere mit Linsen, hinter dem Polygonspiegel angeordnet sein können, um beispielsweise den Ablenkwinkel zur Vergrößerung eines Bildes aufzuweiten, wobei sich deshalb wieder das gleiche Problem ergibt, weil das von den Linsen zurückgeworfene Licht ebenfalls zu Geisterbildern führt.

Wie insbesondere von der Vergütung von Linsen und Spiegeln bekannt ist, kann man die Transmission und die Reflexion von Licht bei durchsichtigen Körpern, beispielsweise aus Glas, durch das Aufbringen dielektrischer Schichten in weiten Bereichen ändern. Eine Unterdrückung des reflektierten Lichts durch derartige dielektrische Schichten kann aber sehr aufwendig werden, vor allen Dingen, wenn Geisterbilder nahezu vollständig unterdrückt werden sollen, wie es bei einer Projektion für ein Planetarium der Fall ist, bei der helle Sterne auf nachtschwarzem Himmel dargestellt werden müssen.

Das Problem stellt sich allerdings nicht nur bei den beispielhaft genannten Polygonspiegeln sondern bei jedem beweglichen Spiegel zur Zeilen und/oder Bildablenkung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und effektive Unterdrückung zurück reflektierter Lichtstrahlen von Körpern im Strahlengang, die eigentlich Licht durchlassen sollen, jedoch immer einen Teil reflektieren, wie Fenstern oder Linsen, nach Ablenken durch einen beweglichen Spiegel zu verhindern.

Die Aufgabe wird ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik dadurch gelöst, daß der Körper auf mindestens einer dem beweglichen Spiegel zugewandten Oberfläche eine Krümmung oder Schräge aufweist, aufgrund der das vom Körper reflektierte Lichtbündel an jedem Auftreffpunkt des Lichtbündels beim Rastern an der Spiegelfläche des beweglichen Spiegels vorbeiläuft oder bei erneutem Auftreffen auf dieser in eine andere Richtung in einen Bereich außerhalb dieses Bildfeldes reflektiert wird.

Diese einfache Lösung weicht vollständig von den üblicherweise vom Fachmann eingeschlagenen Lösungswegen ab. Der Durchschnittsfachmann hätte nach Erkennen des Problems versucht, den Reflexionsgrad des Körpers zu verringern, also in bekannter Weise geeignete dielektrische Schichten vorzusehen, mit denen das reflektierte Lichtbündel in seiner Stärke auf praktisch Null unterdrückt ist.

Die hier vorgeschlagene Lösung, nämlich die Ablenkung des unerwünschten reflektierten Lichtbündels in örtliche Bereiche, bei denen ein weiteres Rasterbild nicht mehr erzeugt werden kann, ist demgegenüber wesentlich einfacher und kostengünstiger. Der Kostenvorteil ergibt sich vor allem dadurch, daß der Winkel oder die Schräge ohne großen technischen Aufwand eingehalten werden kann. Die Bemessung der Krümmung oder Schräge ist gemäß der angegebenen Lösung sehr allgemein gehalten, denn es kommt nur darauf an, daß das "Geisterbild" nicht mehr im Bildfeld erscheint. Ob es dabei in Bereiche außerhalb eines Bildschirmes reflektiert wird oder irgendwo im Lichtweg absorbiert wird ist dabei gleichgültig. Aufgrund der von der jeweiligen Projektion gegebenen Bedingungen, wie der Anordnung des Körpers, der beweglichen Spiegel und anderer Bauelemente läßt sich aber die speziellen Dimensionierung des durch die dem Fachmann bekannten optischen Reflexionsgesetze in einfacher Weise bestimmen.

Um auch Streulicht vom Geisterbild möglichst gut zu unterdrücken ist eine Blende gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, auf der das außerhalb des Bildes reflektierte Lichtbündel auftrifft. Dadurch wird das Geisterbild schon aufgrund der zur Einrichtung gehörigen Blende wirkungsvoll unterdrückt. Insbesondere, wenn die Blende in der Einrichtung selbst vorgesehen ist, gelangt nur wenig Streulicht auf die Projektionswand. Dies ist insbesondere für die Projektion von sehr hellen Sternen auf dunklem Hintergrund, wie beim Planetarium, äußerst vorteilhaft, da Streulicht durch die Adaption der Augen des Publikums auf geringe Lichtstärke bei diesem Beispiel immer wahrgenommen würde und der Eindruck des Sternenhimmels verfälscht wahrgenommmen würde, wenn das "Geisterbild" nicht so wirkungsvoll wie möglich unterdrückt würde.

Eine speziell angeordnete Blende erübrigt sich aber ganz oder zum Teil, wenn die Blende gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zumindest teilweise durch Teile des Gehäuses und/oder der optischen Bauelemente der Einrichtung ausgebildet ist. Zum Abblenden können dabei auch mechanische Fassungen der optischen Elemente dienen. Man spart auf diese Weise eine zusätzliche Blende, indem die Kippung oder Schräge des Körpers so gewählt wird, daß das außerhalb des Bildfeldes reflektierte Lichtbündel auf ein abblendend wirkendes Teil der Einrichtung fällt. Auch dadurch wird eine einfache und wirkungsvolle Unterdrückung des "Geisterbildes" mit geringem Aufwand gewährleistet.

Insbesondere wird ein Polygonspiegel gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als beweglicher Spiegel gewählt, der nicht nur schnelle Zeilenablenkungen sondern auch eine Reduzierung von Geisterbildern in einfacher Weise erlaubt. Dabei hat der Fachmann die Wahl, entweder die Krümmung oder Schräge für eine Ablenkung in Richtung der Ablenkung, oder senkrecht zur Ablenkrichtung oder aber in irgendeine Richtung dazwischen zu legen. Für die Auslegung der Ablenkung steht also ein großer Freiraum zur Verfügung. Besonders günstig hat es sich dafür allerdings gemäß einer Weiterbildung der Erfindung herausgestellt, wenn sich die Krümmung oder Schräge des teilweise durchsichtigen, teilweise reflektierenden Körpers senkrecht zur Ablenkrichtung des Polygonspiegels erstreckt. Dies ist vor allen Dingen darauf zurückzuführen, daß die Facettenflächen eines Polygonspiegels üblicherweise in Ablenkrichtung wesentlich länger als senkrecht dazu sind, so daß der Winkel der Krümmung oder der Schräge gemäß dieser Weiterbildung geringer sein kann, als die entsprechende Anordnung in Ablenkrichtung, was vorteilhafter Weise auch bedingt, daß die Einstellung wesentlich unkritischer wird.

In der Videotechnik hätte man diese Konfiguration jedoch nicht unbedingt gewählt, da dort auch ein Bildspiegel verwendet wird, aufgrund dessen von den Linsen einer nachfolgenden, den durch die Spiegel gerasterten Raumwinkelbereich vergrößernden Aufweitungsoptik zurück reflektiertes Licht dann wieder dieselben Probleme am Polygonspiegel ergeben könnte und zwar dann abhängig von der Stellung des Bildspiegels. Jedoch wurde auch in diesem Fall, bei Reflexion des unerwünschten, die Geisterbilder erzeugenden Lichtbündels in Richtung senkrecht zur Ablenkrichtung, eine effektive Unterdrückung von Geisterbildern beobachtet. Dies mag darauf zurückzuführen sein, daß die Breite des Bildes in der Regel immer größer als seine Höhe ist. Bekannte Videonormen benutzen beispielsweise Bild- Zeilenverhältnisse von 3 : 4. Der Trend geht zu immer größeren Bild-Zeilenverhältnissen, wie bei HDTV bis zu 9 : 16, so daß wohl bei Polygonspiegeln auch in Zukunft eine Ablenkung des zum Vermeiden von Geisterbildern durch die Neigung des Körpers reflektierten Lichts senkrecht zur Zeilenablenkrichtung immer möglich sein wird.

Wenn hier eine Aufweitungsoptik genannt wird, ist hier immer eine Optik genannt, deren Tangens des Ausfallswinkels und der Tangens des Einfallswinkel in einem konstanten Verhältnis stehen. Diese Optik ist daher nach der Tangensbedingung korrigiert, wobei auch Farbfehler für praktische Anwendungen minimiert sind.

Diese Art Optik läßt sich beispielsweise durch ein im wesentlichen afokalen Linsensystem verwirklichen, also einer Optik, mit der Lichtbündel unterschiedlicher Eingangswinkel erst in definierte Orte auf eine Zwischenbildebene fokussiert werden und dann von dem jeweiligen Ort aus mit unterschiedlichen Ablenkwinkeln wieder auf einen gemeinsamen Brennpunkt gerichtet werden. Dies läßt sich im allgemeinen schon mit zwei fokussierenden Stufen erreichen, bei denen ein Brennpunkt der ersten Stufe mit einem der zweiten zusammenfällt. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß es bei Ablenkung eines Lichtbündels in zwei Richtungen, die von unterschiedlichen Orten aus abgelenkt werden, günstiger ist, einen kleinen Abstand zwischen diesen Brennpunkten zur Kompensation der unterschiedlichen Ablenkorte vorzusehen, so daß kein übliches afokales Linsensystem entsteht sondern nur eines, in dem die wesentlichen Prinzipien des afokalen Linsensystems verwirklicht sind.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Bildablenkung vorgesehen, die das von dem Polygonspiegel reflektierte Lichtbündel senkrecht zur Ablenkrichtung des Polygonspiegels rastert und das Bildfeld in dieser Richtung, also senkrecht zur Zeilenablenkrichtung, der sogenannten Bildrichtung, bestimmt. Wie vorstehend schon deutlich wurde, bedeutet dies, daß dann mit der auch Videobilder Einrichtung mittels eines gerasterten Lichtbündels darstellbar sind.

Insbesondere aufgrund des günstigen Seitenverhältnisses der verspiegelten Facette des Polygonspiegels wird ein Körper, mit dem das Geisterbild vermieden wird, bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zwischen dem Polygonspiegel und der Einrichtung zur Bildablenkung vorgesehen.

Anstatt einen speziellen Körper entsprechend auszubilden, kann man dabei zum Beispiel der erfindungsgemäß eingesetzten Krümmung auch direkt eine weitere optische Funktion zuweisen. Demgemäß ist vorgesehen, daß der Körper eine erste Linse einer Optik, insbesondere einer Relaisoptik oder einer Aufweitungsoptik ist.

Wie vorstehend schon ausgeführt wurde, werden freilaufende Polygonspiegel sowie auch solche Polygonspiegel eingesetzt, die von einem Gehäuse umgeben sind. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, daß der Polygonspiegel unter Helium und/oder Unterdruck in einem luftdichten Gehäuse eingeschlossen ist, um hohe Umdrehungszahlen zu ermöglichen, und daß der Körper ein Fenster zum Herauslassen des abgelenkten Lichts aus dem Gehäuse ist. Hier läßt sich schon die Formgebung des Fensters bzw. dessen leichte Schrägstellung ausnutzen, um die von diesem erzeugte Reflexion so auszurichten, daß keine Geisterbilder entstehen.

Da auch Bildspiegel Geisterbilder verursachen können, ist es vorteilhaft, wenn ein Bildspiegel zur Ablenkung des Lichtbündels gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung senkrecht zur Ablenkeinrichtung des Polygonspiegels innerhalb desselben Gehäuses wie der Polygonspiegel vorgesehen ist. Damit werden die Geisterbilder des Polygonspiegels sowie des Bildspiegels mit einem einzigen Körper kompensiert, der zudem auch gleichzeitig als Fenster des Gehäuses zum Luftabschluß eingesetzt werden kann. Bei dieser Weiterbildung ergibt sich auch ein weiterer günstiger Effekt. Weil der Bildspiegel dabei ebenfalls in dem Gehäuse unter Gas oder Vakuum eingeschlossen ist, läßt sich auch der Winkel eines derartigen Spiegels wesentlich schneller und reproduzierbarer einstellen, was vor allen Dingen der Qualität der Abbildung eines Videobildes zugute kommt.

Eine besonders einfache Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise dann gewährleistet, wenn der Körper eine schräg gestellte Platte ist. Eine derartige Platte kann aus Glas sein und läßt sich beispielsweise in dem vorgenannten Gehäuse als Fenster einbauen.

Insbesondere hat es sich für übliche Abmessungen eines Projektionskopfes, wie sie insbesondere auch in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen im Detail angegeben sind, als vorteilhaft herausgestellt, wenn diese Platte zur ablenkenden Fläche des beweglichen Spiegels unter einem Winkel von größer als 1° und insbesondere zwischen 2° und 10° angeordnet ist.

Statt die Platte gegenüber den Facetten des Polygonspiegels zu neigen, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung auch vorgesehen, daß die ablenkenden Facettenflächen des Polygonspiegels gegenüber dessen Rotationsachse geneigt sind.

Die Erfindung wird nachfolgend noch anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Projektionssystems mit Schrägprojektion;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Projektionskopfes zur Veranschaulichung der Prinzipien, die gemäß der Erfindung und ihrer Weiterbildungen zum Einsatz kommen;

Fig. 3 eine Darstellung eines in einem Gehäuse gekapselten Polygonspiegels aus zwei Ansichten zur Erläuterung der Entstehung und Vermeidung von Geisterbildern;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Polygonspiegels aus zwei Ansichten zur Erläuterung verschiedener Winkel und Winkelbeziehungen;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit eines besonders günstig gewählten Einfallswinkels ϑ eines Lichtbündels auf einer Spiegelfläche eines Polygonspiegels in Abhängigkeit von der Neigung der Spiegelfläche ε in Verbindung mit einem Schema zur Veranschaulichung der dargestellten Winkel.

Bevor im Einzelnen auf die Prinzipien zur Vermeidung von Geisterbildern eingegangen wird, sollen zum besseren Verständnis der Erfindung erst einige grundlegende Betrachtungen zur Videoprojektion angestellt werden.

Bei der Projektion von Videobildern mit Hilfe von Lichtbündeln, insbesondere Laserstrahlen, ist es besonders günstig, die Ablenkeinrichtungen für das Lichtbündel von der Modulationseinrichtung und den Lasern abzukoppeln, weil dadurch ein leichter Projektionskopf möglich ist, der unabhängig von schweren Teilen, wie Transformatoren, Laserstrahlungsquellen und ähnlichem einfach zu installieren ist. Insbesondere kann dieser Projektionskopf dann an der Decke eines Zimmers befestigt werden, so daß die Projektion des Laserbildes nur wenig von eventuell herumlaufenden Zuschauern gestört wird. Dabei ist auch die Lasersicherheit erhöht, weil damit die Wahrscheinlichkeit herabgesetzt ist, daß zufällig ein Beobachter in den Bereich der Laserablenkung gerät, was beispielsweise dann gefährlich sein könnte, wenn eine der Ablenkeinrichtungen ausfällt und die volle Leistung des Lasers die Netzhaut des Auges eines Beobachters trifft.

Zur Befestigung, beispielsweise an der Decke oder dem Boden desjenigen Raumes, in dem eine Laserprojektion von Videobildern geplant ist, ist dann der Projektionskopf auf einer Grundplatte montiert, zu der alle Komponenten ausgerichtet sind, damit unabhängig vom Installationsort und den Projektionsbedingungen immer ideale Winkelbedingungen möglich sind. Wenn die Erfindung auch hier in einem Ausführungsbeispiel mit besonders günstigen Ausgestaltungen des Projektionskopfes dargestellt ist, ist sie jedoch nicht auf einen Projektionskopf beschränkt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sind auch auf Vorrichtungen zur Laserprojektion übertragbar, bei denen der Projektionskopf mechanisch­ optisch nicht von dem Laser abgetrennt ist.

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau einer derartigen Projektionseinrichtung 50 gezeigt. In einer Einrichtung 40, werden drei Lichtbündel in den Farben Rot, Grün und Blau von Lasern 34 erzeugt und anschließend mittels Modulatoren 35 bezüglich der Lichtintensität gesteuert. Anschließend werden die drei Laserlichtbündel mit einer Einrichtung 36 zu einem einzigen parallelen Strahl vereinigt und in eine Lichtleitfaser 4 eingekoppelt, die das Lichtbündel zu einem Projektionskopf 60 transportiert, wonach es in diesem ausgekoppelt wird. Innerhalb des Projektionskopfes 60 wird das ausgekoppelte Lichtbündel 5 in zwei orthogonalen Richtungen gerastert, so daß auf dem Schirm 71 ein Bild, ähnlich wie bei dem bekannten Projektionsverfahren mit Elektronenstrahlen auf dem Bildschirm einer Fernsehröhre entsteht.

Gemäß dem Beispiel von Fig. 1 wird bei Schrägprojektion gearbeitet, d. h. wenn sich das Lichtbündel 5 im Zentrum des gerasterten Bildes befindet, in Hauptprojektionsrichtung 28, trifft er unter zwei von 90° verschiedenen Winkeln Φ, χ, wie eingezeichnet, auf dem Schirm 71 auf. Das Bild ist dann nicht genau rechteckig, sondern im allgemeinsten Fall verzeichnet, wie es in Fig. 1 durch das Rasterfeld 70 angedeutet ist. Die in diesem Rasterfeld 70 durch unterbrochene Linien veranschaulichten Zeilen können dabei auch gekrümmt sein, wie später noch ausführlicher diskutiert wird.

Das so entstehende verzeichnete Bild kann man im allgemeinen durch eine Elektronik 33 korrigieren, die dafür sorgt, daß der Laserstrahl 5 so moduliert wird, wie es dem jeweils beleuchteten Auftreffort auf dem rechteckigen Schirm zukommt. Außerhalb des durch den Schirm 71 gegebenen Bildbereiches wird der Laserstrahl 5 dann dunkel getastet.

Der Projektionskopf 60 ist, wie schematisch angedeutet aus einem Polygonspiegel 12, einem Kippspiegel 16 und einer Aufweitungsoptik 37 aufgebaut. Der Polygonspiegel 12 dient dabei zum Zeilenrastern, der Kippspiegel 16 dagegen zum Rastern senkrecht zur Zeilenrichtung, der Bildrichtung.

Dieser Polygonspiegel 12 weist mehrere Spiegelflächen 14 auf. Bei einer schnellen Umdrehung des Polygonspiegels um die Drehachse 24 fällt das Licht auf jede vorbeilaufende Spiegelfläche 14 zeitabhängig mit unterschiedlichen Winkeln auf und wird so gerastert. Derartige Ablenkungen können so schnell durchgeführt werden, daß damit die Zeilen eines Videobildes gemäß jeder bekannten Videonorm abbildbar sind.

Für das Zeilenrastern werden zum Erreichen großer Bildpunktdichten und der dadurch erforderlichen hohen Geschwindigkeit üblicherweise Polygonspiegel 12 eingesetzt. Es ist aber bei geringeren Anforderungen für diesen Spiegel auch möglich, Kippspiegel einzusetzen. Bei Verringerung der Trägheit, beispielsweise durch Verkleinerung dieser Kippspiegel erwartet man ebenfalls eine Erhöhung der Geschwindigkeit, so daß allgemein ein Zeilenspiegel gemeint ist, der durch Drehung um eine Drehachse ein Zeilenrastern erlaubt, wenn auch in den folgenden Beispielen im wesentlichen nur Polygonspiegel gezeigt sind.

Die Aufweitungsoptik ist ein im wesentlichen afokales Linsensystem, das gemäß der Tangensbedingung korrigiert ist. Solche Linsensysteme eignen sich besonders zur Aufweitung des durch den Polygonspiegel 12 und Kippspiegel 16 gerasterten Winkelbereichs, da sie eine verzerrungsfreie und farbunabhängige Aufweitung des Winkelbereichs zulassen. Der Tangens des Ausgangswinkels steht dabei mit dem Tangens des Einfallswinkel in konstantem Verhältnis.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Projektionskopf gezeigt, bei dem sich die gesamte Ablenkeinrichtung in einem Gehäuse 2 befindet. Dabei wird das gemäß einer Videoinformation intensitätsmodulierte Licht, wie beschrieben, über einen Lichtleiter 4 eingekoppelt, mit einer Linse 6 parallelisiert und über zwei Spiegel 8 und 10 auf einen Polygonspiegel 12 zur Zeilenablenkung gerichtet.

Zur Bildablenkung des Videobildes ist ein Kippspiegel 16 mit einer Drehachse senkrecht zur Drehachse 24 des Polygonspiegels 12 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind allerdings die Winkelstellung des Kippspiegels 16 und des Polygonspiegels 12 so ausgerichtet, daß das Videobild senkrecht zu der Zeichenebene von Fig. 2 projiziert wird. In dieser Richtung befindet sich auch die Aufweitungsoptik 37, mit der das mit den Spiegeln 12 und 16 erreichbare Videobild noch vergrößert wird.

Der Projektionskopf gemäß Fig. 2 weist noch eine Besonderheit auf, denn er ist mittels eines Lagers 21 um eine Achse 18 rotierbar angeordnet. Zum Antrieb ist ein nicht gezeigter Motor vorgesehen. Aufgrund der Rotation werden für Show- und Marketinganwendungen ganz neue Möglichkeiten erschlossen, bei denen ein Videobild zeitweise in andere Richtungen projiziert werden soll.

Um diese Rotation zu ermöglichen, wird das Lichtbündel auf der Achse 18 und auch in gleicher Richtung zu dieser eingekoppelt. Um trotzdem einen schrägen Einfall auf den Polygonspiegel zu erreichen, der sich als besonders günstig herausgestellt hat, ist die schon erläuterte Umlenkung des Lichtbündels mit Hilfe der Spiegel 8 und 10 vorgesehen. Diese Spiegel sorgen dafür, daß das Lichtbündel unter einem Winkel α_e auf die Spiegelflächen 14 des Polygonspiegels 12 einfallen kann. Dieser Winkel α_e steht mit anderen Winkeln in Beziehung, wie nachfolgend anhand von Fig. 4 noch eingehender erläutert wird. Zur praktischen Verwirklichung der optischen Anordnung für die Rotation wird in den Einzelheiten ausdrücklich auf die Darstellung in Fig. 2 verwiesen.

Vorerst soll jedoch noch auf eine weitere Besonderheit eingegangen werden, die insbesondere aus Fig. 3, die einen Polygonspiegel in zwei Ansichten zeigt, deutlicher wird. Ein Polygonspiegel 12 ist nämlich üblicherweise in einem Gehäuse 13 gekapselt, damit er bei Unterdruck und/oder in einer Heliumatmosphäre betrieben werden kann, um die hohen erforderlichen Drehzahlen überhaupt zu ermöglichen. Deswegen ist üblicherweise ein Glaskörper 20 zum Abschließen des Gehäuses 13 vorgesehen.

Wenn das im folgenden beschriebene Phänomen und dessen Abhilfe auch anhand dieses Glaskörpers 20 näher erläutert wird, so gilt dasselbe jedoch auch für alle anderen Glaskörper 20' im Lichtweg, so daß die Beschreibung anhand des Glaskörpers 20 nur beispielhaft verstanden werden sollte.

Beispielsweise können auch die Linsen einer nachfolgenden Aufweitungsoptik einen ähnlichen Effekt hervorrufen. Insbesondere könnte auch der Polygonspiegel 12 zusammen mit dem Kippspiegel 16 in einem gemeinsamen Gehäuse unter Unterdruck arbeiten, wobei dann beispielsweise das Fenster auch hinter dem Kippspiegel 16 angeordnet sein könnte.

Jeder Körper aus durchsichtigem Material hat keine hundertprozentige Transmission. Das bedeutet, daß immer ein Teil des durchgehenden Lichtes zurückreflektiert wird. Je nach Stellung der Spiegel 16 oder 14 wird dieses Teillicht von den Spiegeln noch mal reflektiert und kann im Bildfeld des zu erzeugenden Videobildes ein verschobenes "Geisterbild" erzeugen. Man könnte dieses Problem dadurch mindern, daß alle Glaskörper 20 im Lichtweg besonders hoch vergütet werden, um Rückreflexionen zu verringern. Bei dem Projektionskopf von Fig. 2 wurde jedoch ein anderer Weg gewählt. Wie in Fig. 3 unten zu sehen ist, wurde der Glaskörper 20 unter einem Winkel ξ, zum einfallenden Lichtbündel angeordnet. Der Winkel ξ ist so groß gewählt, daß eventuelles vom Glaskörper zurückgeworfenes Licht in Gebiete reflektiert wird, die beim Ablenken von den Spiegeln 14 und 16 nicht erfaßt werden.

Bei dem von der ersten Linse der Aufweitungsoptik zurückgeworfenen Licht ist die Krümmung der ersten Linse ferner so gewählt, daß reflektiertes Licht nicht erneut auf die Spiegel 14 und 16 trifft. Der Winkel ξ ist so groß gewählt, daß das vom Polygonspiegel mehrfach reflektierte Licht durch den Bildspiegel 16 nicht erfaßt wird. Die Krümmung oder Schrägstellung muß dazu nicht besonders groß sein, denn es hat sich gezeigt, daß bei den Abmessungen, wie sie einleitend schon angegeben wurden, um eine Polygonspiegel möglichst optimal auszulegen, schon Winkel ξ von 1° ausreichend sind. Eine gleiche Wirkung wird bei Schrägstellung um den Winkel ψ erreicht.

Um möglichst geringe Lichtverluste aufgrund von Linsen in der Aufweitungsoptik sicherzustellen und auch um die Kompaktheit des Projektionskopfes gemäß Fig. 2 zu erhöhen, wurde nur ein zweistufiges afokales Linsensystem vorgesehen. Es hat sich nun unerwarteterweise gezeigt, daß sich bei Optimierung für die erste Linse selbst dann immer ein geeigneter Winkel aufgrund deren Krümmung einhalten läßt, bei dem von der ersten Linse zurückgeworfenes Licht in Raumbereiche reflektiert wird, in denen es von den ablenkenden Spiegeln 12 und 16 nicht mehr erfaßt wird.

In Fig. 3 sind noch weitere Winkel angegeben. Der dargestellte Winkel β ist der maximalen Zeilenablenkwinkel des Lichtbündels, der durch die jeweiligen aktive Spiegelfläche 14 bewirkt wird. Senkrecht dazu ist ein maximaler Ablenkwinkel γ für die Bildablenkung gegeben, der ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich ist.

Außerdem ist in Fig. 3 ein Versatz V zu sehen. Dieser Versatz V kennzeichnet den Abstand der Drehachse zu der Projektionsrichtung des Polygonspiegels 12 und wird mit dem Radius r des Polygonspiegels (siehe Fig. 3) als r.sin (α_e/2) bemessen.

Das Vorsehen eines Versatzes V ist zunächst nicht einzusehen. Er hat aber Vorteile bezüglich der optimalen Rastergeometrie und der Wahl der Winkel. Wenn nämlich der Projektionskopf einen Zeilenspiegel 12 und einen Bildspiegel 16 aufweist, deren Drehachsen orthogonal sind und wobei die rasternde Ablenkung des Lichtbündels 5 mit einem Durchmesser P in einer Zeilenrichtung um einen Winkel β und in einer Bildrichtung um einen Winkel γ erfolgt und daher die schon erwähnte Hauptprojektionsachse 28 durch die Winkel β/2 und γ/2 bestimmt ist, sowie ein Winkel δ, der später noch eingehender beschrieben wird, ergeben sich besonders günstige Rasterbedingungen, wenn das Lichtbündel 5 mit Winkeln ϑ und α_e bezogen auf die Flächennormale 23 der Spiegelfläche 14 einfällt, wobei eine in Richtung der Flächennormalen weisende und vom Zentrum der Spiegelfläche 14 ausgehende Gerade einen Schnittpunkt mit einer Geraden durch die Drehachse 24 und in deren Richtung bildet.

Wie von dem aus der Mathematik bekannten Begriff der windschiefen Geraden bekannt ist, haben Geraden im Raum allgemein keinen Schnittpunkt. Um diesen gewünschten Schnittpunkt zu verwirklichen, ist der genannte Versatz V vorgesehen, der sich aufgrund der dargestellten Voraussetzungen für verschiedenste geometrische Bedingungen mit üblicher Vektorrechnung bestimmen läßt. Insbesondere sind zum Verständnis der geometrischen Beziehungen auch die Fig. 2 und 3 hilfreich.

Weitere Winkel und Größen sind in Fig. 3 angegeben, auf die für eine Projektionskopfauslegung zur Erläuterung der verschiedenen optimalen Bedingungen ausdrücklich Bezug genommen wird. Insbesondere ist hier auch der Glaskörper 20 gezeigt, der sich zwischen Polygonspiegel 12 und Kippspiegel 16 befindet. Wie vorher schon angedeutet wurde, kann ein derartiger Glaskörper 20 auch zwischen dem Kippspiegel 16 und einem Bildschirm 22 vorgesehen sein, wie durch den Glaskörper 20' verdeutlicht ist. Jedoch gilt auch dafür, daß die Neigung ξ' so gewählt werden sollte, daß reflektiertes Licht nicht auf den Kippspiegel 16 und den Polygonspiegel 12 zurückfällt.

Insbesondere hat es sich aber als besonders günstig herausgestellt, wenn der Körper 20 oder der Körper 20' senkrecht zur Ablenkrichtung des Polygonspiegels geneigt wird, da erfahrungsgemäß eine wesentlich geringere Neigung in dieser Richtung erforderlich ist, um Geisterbilder zu vermeiden. Dabei wurde auch beobachtet, daß kleine Winkel unter 10° völlig ausreichend sind. Insbesondere sollte der Neigungswinkel der Oberflächen der Körper 20 bzw. 20' zur Projektionsrichtung größer als 1° sein und zwischen 2° und 10° liegen.

Mit derartigen kleinen Winkeln läßt sich das vorher genannte Geisterbild effektiv unterdrücken oder sogar beseitigen. Der Winkel ist aber auch klein genug, damit die unterschiedliche Brechung in dem Glaskörper 20 oder 20' aufgrund der Dispersion üblicher Materialien keine unerwünschte Farbtrennung erzeugt.

Die folgenden Angaben beziehen sich auf eine Optimierung eines Projektionskopfes bei einem Lichtbündel mit einem Durchmesser d in einer Größenordnung von 1 bis 10 mm bei einer Bildschirmdiagonalen von größer als 1 m für HDTV oder PAL. Damit ist berücksichtigt, daß alle optischen Bauteile einen Raumbedarf haben, der nicht optisch wirksam ist, wie beispielsweise Fasen, Fassungen, Gehäuse, Meß-, Steuer- und Antriebseinrichtungen usw. Der Durchmesser d des Lichtbündels ist dabei wesentlich durch die geometrische Auflösung sowie dem Abstand Projektor/Projektionsfläche bestimmt und bietet damit eine wesentliche Grundlage für die geometrische Dimensionierung aller optischen Baugruppen. Insbesondere ergibt sich damit und der eingesetzten Videonorm auch der minimal einzuhaltende Zeilenablenkwinkel β und der Bildablenkwinkel γ. Diesbezüglich haben sich bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 aufgrund mit praktischer Überlegungen die folgenden Größen als Anhaltspunkte für die Dimensionierung als besonders geeignet erwiesen:

Der Radius des Polygonspiegels r sollte um die 20 mm betragen, der Abstand d von der Drehachse 24 des Polygonspiegels sollte 40 mm betragen und der schon vorher erwähnte Versatz V sollte in dem Bereich von 0 bis 10 mm liegen. Insbesondere wurde im Ausführungsbeispiel ein Versatz V von 5 mm verwendet.

Der Winkel α_e sollte in der Größenordnung des Winkels β liegen, um höchste Kompaktheit zu ermöglichen. Mit der zusätzlichen Forderung, die aus Fig. 3 ablesbar ist, daß α_e größer als β/2 ist, erreicht man bei dem beispielhaft gezeigten Polygonspiegel 12 gemäß dem Ausführungsbeispiel optimale Werte für α_e = 30° und β = 26°. Dadurch ergibt sich für den Bildablenkwinkel aufgrund der darzustellenden Femsehnorm mit dem Seitenverhältnis 3 : 4 für das Ausführungsbeispiel ein Winkel γ von 20°. Der Winkel δ gemäß Fig. 4, der dort aus Gründen der Allgemeinheit von einem rechten Winkel abweicht, hat sich allerdings bei δ = 90° bezüglich des Raumbedarfs als besonders vorteilhaft herausgestellt. Weiter ist in Fig. 4 ein Punkt 26 zu sehen, der die Drehachse des Bildspiegels 10 bezeichnet.

Die in Fig. 4 gezeigten Größen s, t und w bezeichnen den Abstand der Drehachse des Bildspiegels 16 zu seiner reflektierenden Fläche in den gezeigten Richtungen.

Zur Auslegung eines Projektionskopfes, wie er beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist, sollten die folgenden Beziehungen berücksichtigt werden bzw. die folgenden Größen als Anhaltspunkt zu der Dimensionierung dienen:

• 1. Die Drehachse des Polygonspiegels 12 sollte um einen Versatz V = r.sin (α_e/2) und mit einem Abstand d < r gegenüber dem Schnittpunkt der Hauptreflexionsachse mit der Ebene der in den Zeilenspiegel einfallenden und ausfallenden Lichtstrahls verschoben sein.
• 2. Wenn die Ebene des in dem Bildspiegel einfallenden Lichtstrahls unter einem Winkel δ zur Hauptprojektionsachse steht und der ausfallende Lichtstrahl den Bildspiegel unter einem Bildablenkwinkel γ und dem Zeilenablenkwinkel β symmetrisch zur Hauptprojektionsachse verläßt, ist die Drehachse des Bildspiegels in einem Abstand w = s.sin (δ/2) von der Hauptprojektionsachse entfernt und um einen Abstand t = s.sin (δ/2) von der Ebene des aus dem Zeilenspiegel ausfallenden Lichtstrahls parallel verschoben.

Der Winkel δ sollte im optimalen Fall 90° sein. Insbesondere hat sich diesbezüglich 90° +/- 10° als besonders vorteilhaft für die Kompaktheit eines Projektionskopfes herausgestellt. Dies gilt insbesondere für eine Anordnung der Ablenkeinrichtung als Kombination aus Polygonspiegel und Kippspiegel. Auf jeden Fall sollte der Winkel δ größer als 90°-γ/2 sein, damit Abschattungen des Bildes vermieden werden. Er sollte auch nicht größer als 120° sein, da die Reflexionsverhältnisse für das Lichtbündel dann ungünstiger sind.

Der Abstand d zwischen der Achse des Zeilenspiegels zur Projektionsachse sollte ferner der Bedingung d-r < 4 cm genügen. Bei solchen Abständen ist es möglich, auf einer Relaisoptik zu verzichten, mit welcher der Ablenkpunkt des Polygonspiegels 12 mit dem Ablenkpunkt des Bildes des Spiegels 16 zur Deckung gebracht wird.

Die unterschiedlichen Ablenkpunkte der beiden Spiegel berühren die Auslegung einer nachfolgenden Aufweitungsoptik nur wenig. Aufgrund des vorgesehenen geringen Abstand können daher zusätzlich optische Elemente, wie die genannte Relais-Optik, eingespart werden, wodurch unnötige Lichtverluste vermieden werden. Bezüglich dieser Auslegung sollte auch die erste Linse der Aufweitungsoptik im Bereich von 10 mm bis 100 mm hinter dem Bildspiegel liegen, wobei sich die reflektierenden Flächen des Polygonspiegels 12 und des Bildspiegels 16 in der Eintrittspupille der Aufweitungsoptik befinden und die optische Achse der Aufweitungsoptik mit der Hauptprojektionsachse identisch ist.

Sowohl für die Kompaktheit als auch für die optischen Abbildungsfähigkeit hat es sich diesbezüglich als ganz besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Eintrittspupille der Aufweitungsoptik mit einem Abstand von weniger als 80 mm und insbesondere weniger als 30 mm vor dem ersten Linsenscheitel liegt.

In Fig. 4 ist noch ein Winkel ε eingezeichnet, der sich auf eine andere Spiegelflächenneigung einer mit unterbrochener Linie angedeuteten Spiegelfläche 14' bezieht. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wurde nämlich ein Winkel ε von 90° verwendet, weil bei allen anderen Winkeln beobachtet wurde, daß dann die Zeilen nur gekrümmt darstellbar sind. Unerwarteterweise hat sich jedoch gezeigt, daß auch andere Winkel ε möglich sind, wenn man berücksichtigt, daß Zeilenkrümmungen in der Größenordnung von 3% vom Auge kaum wahrgenommen werden. Dies reicht für die Darstellung eines Videobildes völlig aus, erbringt allerdings für CAD Anwendungen nicht die erforderliche Genauigkeit, wenn man nicht das Bild vor der Darstellung so verzerrt, daß es aufgrund des von 90° verschiedenen Spiegelflächenwinkels ε wieder entzerrt wird.

Auf den dafür erforderlichen Steuer- und Regelaufwand kann man allerdings verzichten, wenn der Einfallswinkel 8 des Lichtbündels auf die Spiegelfläche geeignet gewählt ist.

Dieses wird im Einzelnen anhand von Fig. 5 erläutert, bei der im rechten Teil eine schematische Darstellung in zwei Ansichten gezeigt ist, um den Winkel 9 besser zu verdeutlichen. Dabei wurde auch der gleiche Winkel ε wie in der Fig. 4 als Winkel zwischen Spiegelflächennormalen 23 und Drehachse, eingezeichnet. Im oberen Teil ist die Abhängigkeit des Winkels ε von diesem Einfallswinkel ϑ bei optimaler Wahl als Kurve 32 gezeigt. Die Abweichung von der Kurve 32 bestimmenden Punkte 30 ist durch die angegebene Voraussetzung einer zugelassenen Krümmung von 3% gegeben. Der Toleranzbereich ist etwa so groß, wie dies durch die Punktdicke dargestellt ist.

Die eingezeichnete Kurve 32 wurde mit Hilfe einer Kurvenanpassung gewonnen. Die Kurve läßt sich formelmäßig beschreiben durch

ϑ = ±√22,5°.ε' + 45° ± 4°

mit

= ε' ± 4°.

Unter Verwendung dieser Gleichung läßt sich der Einfallswinkel ϑ, wie in der Fig. 5 gezeigt ist, für jedes ε so bestimmen, daß der Aufwand für eine Entzerrung der dargestellten Bilder mittels Speichern und Recheneinheiten, wie sie schematisch mit dem Bezugszeichen 33 in Fig. 1 dargestellt ist, verringert wird. Insbesondere bezüglich der Recheneinheit ist auszuführen, daß diese bei großen Korrekturen sehr aufwendig werden kann, da die üblichen Rechenzeiten zum Entzerren bei mehreren Megahertz Videofrequenz nicht ausreichen, so daß man für eine exakte Bilddarstellung ohne eine derartige Optimierung bei anderen Winkeln nicht umhin kommen würde, komplexe Transputersysteme einzusetzen.

Die oben näher angegebenen Optimierungen für einen Videoprojektionskopf können unter anderen Bedingungen natürlich auch verändert werden. So läßt sich beispielsweise ein Kippspiegel statt des angegebenen Polygonspiegels 12 einsetzen. Weiter könnte auch für eine der beiden Ablenkeinrichtungen, Bildspiegel oder Polygonspiegel, ein akusto-optischer Modulator eingesetzt werden. Dabei sind zwar die üblichen Ablenkwinkel γ und β kleiner, was jedoch durch eine geeignete Aufweitungsoptik ausgeglichen werden könnte. Die angegebenen Werte sind aber im wesentlichen unabhängig von derartigen Änderungen und es wird dem Fachmann leicht sein, die Angaben beim Ersetzen einzelner Komponenten durch deren alternative Ausführungsformen entsprechend zu modifizieren.

Durch die Erfindung werden Geisterbilder effektiv unterdrückt. Die Art der Unterdrückung, wie sie allgemein in den Ansprüchen festgelegt ist, läßt sich aber auch bei den vorstehend genannten Modifikationen von Projektionsköpfen mittels einer entsprechenden Dimensionierung immer effektiv durchführen.

Claims (13)

1. Einrichtung mit einem beweglichen Spiegel (12) zum Rastern eines Lichtbündels innerhalb eines Bildfeldes und mit einem teilweise durchsichtigen, teilweise reflektierenden Körper (20, 20') im Lichtweg hinter dem beweglichen Spiegel (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (20, 20') auf mindestens einer dem beweglichen Spiegel (12) zugewandten Oberfläche eine Krümmung oder Schräge aufweist, aufgrund der das vom Körper (20, 20') reflektierte Lichtbündel an jedem Auftreffpunkt des Lichtbündels beim Rastern an der Spiegelfläche (14) des beweglichen Spiegels (12) vorbeiläuft oder bei erneutem Auftreffen auf dieser in eine andere Richtung in einen Bereich außerhalb dieses Bildfeldes reflektiert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Blende, auf der das außerhalb dieses Bildfeldes reflektierte Lichtbündel auftrifft.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende zumindest teilweise durch Teile des Gehäuses und/oder den optischen Bauelementen im Strahlengang und/oder mechanischer Fassungen optischer Bauelemente ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Spiegel (12) ein Polygonspiegel mit an seinen Polygonseiten verspiegelten Facettenflächen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Krümmung oder Schräge des teilweise durchsichtigen, teilweise reflektierenden Körpers (20, 20') senkrecht zur Ablenkrichtung des Polygonspiegels erstreckt.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Bildablenkung (16) vorgesehen ist, die das von dem Polygonspiegel reflektierte Lichtbündel senkrecht zur Ablenkeinrichtung des Polygonspiegels rastert und das Bildfeld in dieser Richtung bestimmt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Körper (20, 20') zwischen dem Polygonspiegel und der Einrichtung zur Bildablenkung (16) vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (20, 20') eine erste Linse einer Optik, insbesondere einer Relaisoptik oder einer Aufweitungsoptik, ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Polygonspiegel unter Gas oder Vakuum in einem luftdichten Gehäuse (2, 13) eingeschlossen ist, um hohe Umdrehungszahlen zu ermöglichen, und der Körper (20, 20') ein Fenster zum Herauslassen des abgelenkten Lichts aus dem Gehäuse (2, 13) ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bildspiegel (16) zur Ablenkung des Lichtbündels senkrecht zur Ablenkrichtung des Polygonspiegels innerhalb des Gehäuses (2, 13) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (20) eine schräggestellte Platte ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte zur ablenkenden Fläche unter einem Winkel (ξ, ξ', ψ, ψ') von größer als 1° und insbesondere zwischen 2° und 10° angeordnet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ablenkenden Facettenflächen eines als beweglicher Spiegel (12) ausgebildeten Polygonspiegels gegenüber dessen Rotationsachse geneigt sind.