DE19945026C2 - Vorrichtung mit einer Matrix aus elektrisch einstellbaren Elementen zum Erzeugen einzelner Bildpunkte von insbesondere farbigen Bitmapbildern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Matrix aus gemäß der Bildpunktinformation von Bitmap-Bildern elektrisch einstellbaren Elementen zum Erzeugen einzelner Bildpunkte insbesondere von farbigen Bitmap-Bildern mit einer Laserquelle zum Beleuchten der Matrix und mit einer Optik, mit der das auf der Matrix von elektrisch einstellbaren Elementen eingestellte Bild auf einen Schirm projizierbar ist, wobei die Matrixoberfläche die Bildinformation repräsentiert.

In den Artikeln "Diode-pumped microlasers promise portable projectors" von David Hargis und Allen Earman aus Laser Focus World, Mai 1998, Seiten 243 ff., der Produktmitteilung "Microlaser projektor shows its colors" der Firma Laser Power Co., 12277 High Bluff Dr., San Diego, Californien CA 92130, und dem Artikel in Laser Focus World von Juli 1998 "Lasers replace conventional technology in display designs", S. 145 ff., werden verschiedene Anwendungen für Laser, mit denen eine Matrix aus einstellbaren Elementen abgebildet wird, wie beispielsweise LCD-Matrixen oder DMD-Matrixen, angegeben. Die einzelnen Elemente in der Matrix werden gemäß der Bildpunktinformation von Bitmap-Bildern elektrisch eingestellt, so daß die Matrixoberfläche eine Bildinformation repräsentiert, die dann aufgrund Beleuchtung eines Lasers und Projektion mit einer Optik auf einem Schirm sichtbar gemacht wird.

LCD-Matrixen sind weitgehend bekannt. DMD-Matrixen bestehen aus einer Vielzahl von matrixartig angeordneten digital steuerbaren Kippspiegeln, die mit Hilfe einer elektrischen Spannung Hell- oder Dunkel geschaltet werden können. Grauwerte werden dadurch dargestellt, daß die elektrische Ansteuerung mit einem Pulszug erfolgt, so daß die dem jeweiligen Bildpunkt zukommende Bildhelligkeit sich im Zeitmittel zwischen Null und Eins gemäß dem Tastverhältnis des Pulszuges einstellt.

Eine weitere Möglichkeit für die Bildelemente besteht in sogenannten "Grating light valves", die neuerdings von der Firma Silicon Light in Californien entwickelt werden. Informationen darüber lassen sich über die Internet-Adresse "http://www.siliconlight.com/frames/press/Pwest.html" abfragen. Diese "grating light valves" bestehen aus kleinen, mit Aluminium beschichteten elastischen Bändern, die mit Hilfe einer elektrostatischen Spannung verbogen werden können. Durch elektrische Einstellung von geraden Bändern und verbogenen Bändern in periodischer Reihenfolge entsteht ein Beugungsmuster, aufgrund dessen die Stärke eines gebeugten Strahls erster Ordnung gesteuert werden kann. Zur Bilderzeugung wird der Strahl erster Ordnung gemäß der für den jeweiligen Bildpunkt verlangten Lichtintensität des ausgehenden Lichtbündels angesteuert.

Allen diesen Techniken ist gemeinsam, daß sie zur Bilderzeugung eine Matrix aus elektrisch einstellbaren Elementen enthalten. Daher sind die oben genannten drei Beispiele der LCD- Matrix, DMD-Matrix oder einer Matrix aus "grating light valves" nicht beschränkend zu sehen, da es bei der weiter dargestellten Problematik auf die spezielle Ausführung der Bildelemente nicht ankommt.

Ein Projektor mit LCD's ist beispielsweise in der Produktinformation "Microlaser projector shows its colors" der Laser Power Co. schematisch angegeben. Bei dieser Art Projektoren werden drei LCD-Matrixen eingesetzt, die von drei verschiedenfarbigen Lasern beleuchtet werden, deren Bildinhalt zur Darstellung eines farbigen Bildes dann zusammengefaßt und durch ein gemeinsames Projektionsobjektiv auf einen Bildschirm geworfen wird. Man kann allerdings auch eine einzige LCD-Matrix verwenden und die drei Farbauszüge für ein farbiges Bild sequentiell auf dieser Matrix darstellen, wobei dann die entsprechende Laserleistung bezüglich der aktuellen Farbe synchron mit dem eingestellten Farbauszug auf der Matrix eingestellt wird. Eine derartige Technik ist beispielsweise aus der Beleuchtung von DMD-Matrixen mit weißem Licht bekannt, wobei die einzelnen Farben dann durch ein Farbrad erzeugt werden.

In der angegebenen Produktinformation "Microlaser projector shows its colors" sind im Lichtweg zwischen den Lasern und der das Bild erzeugenden Matrix Blöcke eingezeichnet, die mit "Beamshaping and speckle elimination" bezeichnet sind. Daß Optiken vorgesehen sind, um den Strahl zu formen, "Beamshaping", ist evident, da zumindest der Laserstrahl auf die Größe der entsprechenden Matrixen angepaßt werden muß. Wie allerdings dabei eine "Specklereduction" durchgeführt werden soll, erscheint nicht trivial, da dies ein grundsätzliches Problem der Bilddarstellung mit Lasern betrifft.

Da Laser kohärentes Licht erzeugen, das extrem interferenzfähig ist, beobachtet man beim Abbilden eines Bildes mit Lasern immer Interferenzmaxima, die als glitzernde Flecken, die sogenannten Speckle, auftreten und beim Betrachten eines mit Laser projizierten Bildes als störend empfunden werden.

In der WO 98/20385 wurde die Speckleproblematik für den Fall der Laserprojektion mit einem gerasterten Laserstrahl eingehend beschrieben.

In dem Übersichtsartikel "Speckle Reduction in Coherent Information Processing" von Toshiaki Iwai und Toshimitsu Asakura, Proceedings of the IEEE, Bd. 84, Nr. 5, Mai 1996, sind verschiedene Möglichkeiten zur Reduktion von Speckle angegeben. Dabei ist insbesondere eine Graphik interessant, die zeigt, daß die Anzahl von Veröffentlichungen von 1970 bis 1990 ständig angestiegen ist, was ein deutlicher Hinweis darauf ist, daß bisher noch keine befriedigende Lösung für eine Speckle-Reduktion gefunden wurde.

Der Übersichtsartikel enthält theoretische Berechnungen für die Reduktion der Speckle. Weiter werden verschiedene Verfahren angegeben, in denen die räumliche oder zeitliche Kohärenz von Laserstrahlen gestört wird. Insbesondere geht man dabei von der Vorstellung aus, daß die Speckle aufgrund lokaler oder räumlicher Änderungen des Laserstrahls verwischt werden, so daß der Kontrast der Speckle verringert ist.

Eine lokale Störung der Kohärenz wurde auch in der DE 195 01 525 C1 mit Hilfe einer Phasenplatte versucht. Diese Phasenplatte befindet sich im Weg des Lasers und beaufschlagt verschiedene Teilstrahlen des Laserstrahls mit verschiedenen Phasen in der Größenordnung der Wellenlänge. Insbesondere sind die einzelnen Bereiche auf der Phasenplatte zum Erzeugen der verschiedenen Phasendifferenzen stochastisch verteilt, so daß man davon ausgehen sollte, daß die Phasen der einzelnen Teillichtstrahlen ähnlich verteilt sind wie das Licht herkömmlicher Lichtquellen.

Experimentell wurde bestätigt, daß mit einer deratigen Phasenplatte eine deutliche Speckle- Reduktion möglich ist. Allerdings wurde auch beobachtet, daß die einzelnen Strukturen in der Phasenplatte, die zu einer Phasenverschiebung geeigneter Größe eines Teilstrahl führen, zu neuen Beugungserscheinungen Anlaß geben. Die Lichtbündel aller Beugungsordnungen müssen deswegen durch eine Linse kollimiert werden, wodurch das Strahlprodukt des Laserlichts durch diese Beugung allerdings leicht verschlechtert wird. Weiter wurde boebachtet, daß das Raster der Phasenplatte im Projektionsbild erkennbar war, was darauf hinweist, daß trotz Phasenplatte möglicherweise noch ein genügend großer Speckle-Kontrast vorhanden war, der vom Auge erfaßt werden kann.

Den Nachteil des verringerten Strahlproduktes könnte man jedoch beheben, wenn man keine gesonderte Phasenplatte verwenden würde, sondern einen Schirm mit Streukörpern, bei dem durch statistische Streuung unterschiedliche Phasenverschiebung aufgrund unterschiedlicher Weglängen erzeugt werde. Versuche haben allerdings gezeigt, daß derartige Bildschirme mit Weglängendifferenzen in der Größenordnung einer Wellenlänge für verschiedene Photonen des Laserstrahls nicht zum gewünschten Erfolg, der Beseitigung der Speckle, führen.

Man könnte also annehmen, daß sich das Laserlicht, bei dem die Speckle auftreten, noch in anderen physikalischen Eigenschaften wesentlich von Licht anderer Lichtquellen unterscheidet, bei dem bisher keine Speckle beobachtet wurden.

Eine weitere physikalische Größe zur Charakterisierung einer Lichtquelle ist die Kohärenzlänge. Normales Licht weist üblicherweise wesentlich geringere Kohärenzlängen als Laserlicht auf.

In der WO 96/08116 wird berichtet, daß mit einem gepulsten Laser mit einer Pulszeit von 1 ps, also einer Kohärenzlänge von 0,3 mm, ein wesentlich geringerer Speckle-Kontrast beobachtet wurde als bei Beleuchtung derselben Leinwand mit einem He-Ne-Laser. Ob dieser beobachtete Effekt allerdings auf die verringerte Kohärenzlänge oder auf den speziellen Aufbau des Lasers zurückzuführen ist, ist a priori nicht erkennbar. Im übrigen wird die Kohärenzlänge zwar durch das Pulsen verändert, jeder Puls enthält aber, damit überhaupt eine geeignete Leuchtdichte erzeugt werden kann, eine wesentlich höhere Photonendichte als bei kontinuierlichem Betrieb, so daß eine Interferenz durch eine Vielzahl von Photonen sogar verstärkt sein sollte. Der einzige Effekt, der eine Speckle-Reduktion ermöglichen könnte, beruht auf der größeren spektralen Breite Δλ. Wie man aber über die bekannte Gleichung

mit L der Kohärenzlänge und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Breite eines Interferenzmaximums im wesentlichen proportional zur Wellenlänge λ ist, ausrechnet, kann diese spektrale Verbreiterung die beobachtete Reduktion beim Pulsen nach bisherigem Verständnis der Speckle-Entstehung nicht erklären.

Insbesondere zeigen die Meßdaten gemäß der WO 96/08116 noch eine kleine Speckle- Struktur. Sollte die Deutung richtig sein, daß die Speckle-Struktur im wesentlichen von der gewählten Kohärenzlänge abhängt, müßte man auch bei anderen Lichtquellen, wie beispielsweise einer Gasentladungslampe mit ähnlicher Kohärenzlänge (1 ps entspricht L ≈ 0,3 mm), ein ähnliches Speckle-Bild erzeugen können. Davon ist nichts bekannt.

Diese Überlegungen zeigen, daß die Entstehung der Speckle praktisch nur wenig verstanden ist, so daß jede Methode der Speckle-Reduktion im wesentlichen nur auf Erfahrungswissen beruht.

In der WO 98/20385 wird nun für einen bestimmten Projektor mit rasterndem Laserstrahl vorgeschlagen, die Kohärenzlänge des Lasers geringer zu halten als es bei einer statistisch phasenverschiebenden Struktur gegeben ist, indem entweder eine entsprechende spektrale Breite erzeugt wird oder der Laserstrahl für kurze Zeiten gepulst wird.

Insbesondere das Pulsen ist interessant. Bei 100 ps Laserpulsweite wird beispielsweise eine Kohärenzlänge von 3 cm erzeugt. Bei einer entprechenden Struktur z. B. wie durch einen Teflon®-Bildschirm gegeben, in den das Licht tief eindringt und mehrfach hin- und herreflektiert wird, entsteht eine statistische Verteilung der einzelnen Lichtwege, die bei geeigneter Materialauswahl eine größere mittlere Weglänge als die Kohärenzlänge erzeugt, so daß keine Speckle mehr erwartet werden.

Eine derartige dem oben angegebenen Teflon®Bildschirm ähnliche Struktur kann bei den eingangs genannten Projektoren nicht eingesetzt werden. Eine solche Struktur, bei der beispielsweise statistische Lichtwegunterschiede im Bereich von Zentimetern erzeugt werden, müßte hier zwischen Matrix und Laser eingefügt werden. Dies ist zwar technisch möglich, würde aber die Winkelverteilung des ausgehenden Lasers so stark verändern, daß der wesentliche Vorteil eines Einsatzes von Lasern gegenüber Lampen überhaupt nicht zum Zuge kommt. Man möchte ja gerade deswegen Laser für derartige Projektoren einsetzen, weil diese besonders parallele Lichtbündel liefern und es dabei ermöglichen, auf der Matrix eine hohe gleichmäßige definierte Leuchtdichte zu erzielen.

Eine derartige Struktur müßte bei den eingangs genannten Projektoren zwischen Laser und Matrix eingefügt werden, da die Optik praktisch im wesentlichen die auf der Matrix erzeugten Speckle auf den Schirm projiziert, man also schon vor der Matrix die Kohärenz und damit die Speckle verringern muß. Selbst wenn man die Pulszeiten auf 10 ps oder sogar 1 ps verkürzen würde, um die Kohärenzlänge noch kleiner zu machen, würde eine derartige Struktur wahrscheinlich den Strahl immer noch zu weit aufweiten.

Dazu muß man sich vor Augen halten, daß bei einer Pikosekunde Pulsweite des Laserstrahls immer noch eine Kohärenzlänge von 0,3 mm vorhanden wäre, also eine Struktur verwendet werden müßte, die den Strahl in ähnlicher Größenordnung wie seinen Durchmesser aufweitet. Dies ist nicht vertretbar, insbesondere im Hinblick darauf, daß die Strukturen eine Kantenlänge, bei DMD-Matrixen liegt sie typischerweise auch nur in einer Größenordnung von Bruchteilen von Millimetern, ähnlicher Größe haben.

Der in der WO 98/20385 angegebene Weg ist also für die eingangs angegebenen Projektoren nicht gangbar.

Die oben angegebenen Betrachtungen zum Stand der Technik für die Speckle-Beseitigung scheinen überhaupt keinen gangbaren Weg aufzuzeigen, Speckle durch Störung der räumlichen Kohärenz zu beseitigen.

Allerdings gibt es noch ein Konzept der zeitlichen Störung der Kohärenz. Dieses Prinzip könnte man bei den genannten Laser-Projektoren dadurch verwirklichen, daß das Licht der Laserquelle mit Hilfe von Lichtleitfasern geführt wird, welche schnell bewegt werden. Aufgrund der Bewegung einer Lichtleitfaser würde man erwarten, da sich einzelne Lichtstrahlen des eingespeisten Lichtbündels aufgrund der sich zeitlich ändernden Krümmung der Lichtleitfaser bei jedem Zeitpunkt unterschiedlich ausbreiten, daß verschiedene Lichtstrahlen sich am Ausgang unterschiedlich addieren, zu jedem Zeitpunkt also ein anderes Speckle-Muster verursachen, das dann zeitlich im Auge eines Beobachters ausgemittelt wird. Eine derartige Möglichkeit war bei den in der WO 98/20385 beschriebenen Laserprojektoren nicht gangbar, da dort die Belichtungszeit pro Bildpunkt nur Bruchteile von Mikrosekunden beträgt, was eine zu schnelle Bewegung einer Lichtleitfaser verlangen würde. Bei den eingangs genannten Laserprojektoren wird aber das gesamte Bild gleichzeitig beleuchtet, so daß hier nur Zeiten von 1/25 s zu berücksichtigen wären.

Dieses Konzept sollte man hier jedoch nur dann verfolgen, wenn kein anderer Weg gefunden werden kann. Erst einmal erfordert dieses Verfahren längere Lichtleitfasern, die eventuell durch die ständigen schnellen Bewegungen schnell Schaden nehmen. Weiter müssen diese Lichtleitfasern für die Großprojektion eine hohe Laserleistung transportieren, so daß zu befürchten ist, daß die Standzeiten aufgrund Degradation gering sind. Außerdem sind mechanisch bewegliche Teile, die zur Bewegung der Lichtleitfaser erforderlich wären, stör- und wartungsanfällig.

Ähnlich würde auch eine bewegte Phasenplatte wirken. Eigene Versuche mit einer rotierenden Phasenplatte bei den eingangs genannten Projektoren zeigte jedoch keine vollständige Speckleunterdrückung, so daß es äußert zweifelhaft ist, ob dieses Verfahren so verbessert werden kann, daß ein hochqualitatives specklefreies Bild möglich wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Speckle bei einer eingangs genannten Vorrichtung zu vermindern, wobei insbesondere der Stör- und Wartungsanfälligkeit Beachtung geschenkt werden soll.

Die Aufgabe wird ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik dadurch gelöst, daß die Laserquelle mit einer Pulslänge τ < 100 ps gepulst ist. Zur Speckleverminderung ist eine zwischen Laserquelle und Matrix angeordnete Struktur zum Erzeugen zeitunabhängiger statistisch verteilter unterschiedlicher Weglängen des Lichts der Laserquelle fakultativ nicht erforderlich, die für eine mittlere quadratische Abweichung vom Mittelwert der statistischen Verteilung der Weglängen ausgelegt ist, welche größer als die durch das Pulsen gegebene Kohärenzlänge c.τ, mit c der Lichtgeschwindigkeit, ist.

Gegenüber dem gattungsgemäßem Stand der Technik, bei dem kontinuierlich arbeitende Laser eingesetzt wurden, werden gepulste Laser eingesetzt. Derartige gepulste Laser sind schon aus der WO 98/20385 bekannt, das darin beschriebene Verfahren benötigt aber statistisch phasenverschiebende Strukturen mit Phasenverschiebungen in der Größenordnung der Kohärenzlänge.

Während derartige Strukturen gemäß der PCT-Schrift durch entsprechende Auslegung des Bildschirms möglich war, scheidet dieses Verfahren bei den oben genannten Projektoren aus, da die Speckle schon auf der Matrix entstehen und über die Projektionsoptik nur auf dem Schirm abgebildet werden. Unerwarteterweise hat sich aber herausgestellt, daß bei einem Versuch mit gepulsten Lasern eine stark verringerte Specklestruktur bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen zu erkennen waren, obwohl gar keine zeitunabhängige statistisch phasenverschiebenden Strukturen im Lichtweg zwischen Laser und Matrix eingesetzt wurden.

Dies ist bezüglich der oben erläuterten, bekannten Speckle-Reduktionsmechanismen nicht verständlich. Als mögliche plausible Erklärung ließe sich aber folgender Sachverhalt annehmen:
Jeder Laser hat ein gewisses Wellenlängespektrum und insbesondere hat ein kurzgepulster Laser aufgrund der Unschärferelation ein sehr breites Spektrum. Bei jeder Wellenlänge des Spektrums wird ferner ein spezielles Speckle-Muster auftreten. Bei sehr breitem Spektrum könnte man daher zur Erläuterung des beobachteten Effekts annehmen, daß das Speckle- Muster für jede Wellenlänge unterschiedlich ist, so daß sich möglicherweise bei einer sehr breiten spektralen Verteilung, wie sie bei sehr kurzen Laserpulsen zu erwarten ist, die unterschiedlichen Speckle-Muster gegenseitig ausmitteln und die bei geringer spektraler Breite beobachtete Speckleintensität dadurch stark vermindert ist.

Es ist den Erfindern bewußt, daß eine derartige Erklärung möglicherweise einer eingehenden Untersuchung nicht standhält, da angeblich auch schon in der Röntgenspektroskopie Speckle beobachtet wurden, also selbst in einem physikalischen Gebiet, bei dem die spektrale Verteilung der Photonen außerordentlich breit ist. Was auch immer die Ursache für die beobachtbare Speckleverringerung bei kurzen Laserpulsen sein mag, hier kommt es für eine erfindungsgemäße Vorrichtung einzig darauf an, daß es funktioniert, ohne daß eine nähere wissenschaftliche Begründung notwendig ist. Es ist wegen des Fehlens einer vollständigen Speckletheorie auch nicht auszuschließen, daß die dargestellte Specklereduktion auf einer komplizierter Wechselwirkung zwischen Kohärenzlänge und Schirm beruht. Bei praktischen Versuchen wurde eine übliche Kinoleinwand verwendet. Sollte daher beim Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung noch eine ungenügend hohe Specklestruktur erkennbar sein, wird empfohlen, unterschiedliche Leinwände auszuprobieren. Insbesondere eignet sich als Bildschirmmaterial auch Telefon®.

Bei einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung können Restspeckle noch weiter, bei extrem kurzen Pulsen sogar bis unter die Beobachtbarkeitsgrenze, vermindert werden, wenn sich gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung zwischen der Laserquelle und der Matrix ein Element vorgesehen ist, das eine zeitabhängige Phasenverschiebung verursacht. Dies wird gemäß einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß das Element eine bewegliche, insbesondere rotierende Phasenplatte ist.

Wie vorher schon dargestellt wurde, war dies völlig unerwartet, da vorherige Versuche mit bewegten Phasenplatten ohne gepulste Laser kein befriedigendes Resultat zeigten.

Wie ferner beobachtet wurde, verringert sich die Stärke und Anzahl der Speckle vor allen Dingen dann, wenn die Pulslänge sehr klein ist. Deswegen ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Pulslänge τ sogar kleiner als 10 ps ist.

Die folgende Weiterbildungen befassen sich vor allen Dingen mit der in der Aufgabe gestellten Forderung, daß die Vorrichtung möglichst wartungsfrei sein sollte, bzw. eine Wartung nicht zu aufwendig sein sollte.

Bei derartigen Matrixen ergibt sich nämlich eine weitere Problematik. Wenn ein Element ausfällt, wird der diesem Element zugeordnete Bildinhalt immer als schwarzer Fleck oder als heller Fleck, je nach Zustand, auf dem Bildschirm erscheinen. Bei einer großen Anzahl von Bildpunkten ist die Wahrscheinlichkeit für den Ausfall eines Elements natürlich wesentlich höher als bei einer geringen Anzahl von Bildelementen.

Um diese Wahrscheinlichkeit zu vermindern, ist vorgesehen, daß die Matrix nur eine verringerte Anzahl von Elementen für ein Teilbild enthält und das Gesamtbild aus Teilbildern gerastert wird. Diese vorzugsweise Weiterbildung der Erfindung ist also dadurch gekennzeichnet, daß eine Rastereinrichtung vorgesehen ist, mit der die Matrix zum Zusammensetzen eines Gesamtbildes aus Teilbildern rasterbar ist, wobei auf der Matrix synchron zum Rastern das jeweilige Teilbild darstellbar ist.

Insbesondere vereinfacht sich die Weiterbildung dann, wenn das Teilbild nur aus ein bis zwei Zeilen eines Bildes besteht. In diesem Fall ist die Rastereinrichtung beispielsweise nur ein einfacher Galvanometerspiegel, der die Bildrasterung senkrecht zur Zeilenrichtung vornimmt.

Wie vorstehend schon deutlich wurde, sollen nicht nur monochrome Bilder dargestellt werden. Dazu ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, daß die Laserquelle Lichtbündel mindestens dreier Farben emittiert.

Mit jedem Lichtbündel einer Farbe wird dabei jeweils ein Farbauszug eines Farbbildes dargestellt. Durch entsprechendes Zusammenfassen von den drei oder mehr Farbauszügen auf drei oder mehr Matrixen ergibt sich dann das Gesamtbild. Ferner kann eine einzige Matrix für alle Farbauszüge eingesetzt werden, die sequentiell eingestellt werden, wobei die Laser entsprechender Farbe synchron dazu eingeschaltet werden. Letzteres muß schnell genug erfolgen, damit das Auge eines Beobachters die mindestens drei Farbauszüge zeitlich mitteln kann.

Um auch hier die Ausfallwahrscheinlichkeit zu verringern, was sich außerdem auch in geringeren Kosten der gesamten Vorrichtung bemerkbar macht, ist vorgesehen, daß die Lichtquelle weniger als drei Primärlaser enthält und die Erzeugung von mindestens einem der Lichtbündel mit verschiedenen Farben aus dem Licht der Primärlaser durch mindestens einen nichtlinearen Prozess erfolgt.

Die Ausfallwahrscheinlichkeit wird dadurch verringert, daß die Wahrscheinlichkeit des Ausfallens eines Lasers geringer ist als die von einer Vielzahl von Lasern. Daß beispielsweise ein Laser kostengünstiger ist als drei Laser ist selbstverständlich. Allerdings wird dieses Verfahren erst dadurch möglich, daß die Pulszeiten sehr gering sind. Bei Pulsen im Pikosekundenbereich lassen sich nichtlineare Prozesse mit Konversionswahrscheinlichkeit größer als 40% verwirklichen. Erst durch die hohe Spitzenleistung in den Pulsen ist ein besonders effektives Erzeugen dreier Laserstrahlen, beispielsweise mit ausschließlich ein oder zwei Primärlasern möglich.

Insbesondere ist bei einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, daß die Lichtquelle einen optisch parametrischen Oszillator (OPO) aufweist. Bezüglich dieser Technik und die nichtlineare Konversion wird vor allen Dingen auf die WO 96/08116 verwiesen, gemäß der diese Technik jedoch nur bei rasternden Laserprojektoren eingesetzt wird.

Der Einsatz eines OPO's ist vor allen Dingen bei der Großprojektion, wie beispielsweise Kinoanwendungen, empfehlenswert, da sich damit entsprechend große Leistungen realisieren lassen.

Im Konsumerbereich bis zu 2 m Bildschirmdiagonale sind derartige Laserleistungen nicht unbedingt erforderlich. Diesbezüglich wird in der Laserquelle ein Diodenlaser vorgesehen, dem insbesondere noch ein Verstärker nachgeschaltet ist. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist entsprechend dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lichtbündel vorgegebener Wellenlänge durch drei optische Komponenten in Reihe, eine Hochleistungslaserdiode mit Wellenlängen oberhalb von 800 nm, ein Verstärker und ein nichtlinearer Kristall zur Frequenzvervielfachung, erzeugbar ist.

Hier ergibt sich ein besonderer Vorteil des Pulsens. Dadurch, daß bei derartigen geringen Pulsbreiten eine hohe Spitzenleistung und dadurch wiederum eine Frequenzkonversionswahrscheinlichkeit über 40% möglich ist, lassen sich heute gut verfügbare Hochleistungslaserdioden im Infrarotbereich als Primärquelle verwenden, die dann die entsprechenden Farben für die Laserlichtbündel zur Beleuchtung der einzelnen Farbauszüge liefern. Bei einer Wellenlänge von 900 nm und Frequenzverdopplung entsteht ein Ausgangsstrahl von 450 mm, also ein blauer Laserstrahl, der bisher mit Laserdioden hoher Standzeit bei entsprechend geforderter Leistung von mehreren Watt für die Großprojektion bisher nicht erreicht wurde.

Weitere Besonderheiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Projektors mit LCD-Matrixen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Projektors, bei dem eine Zeile beleuchtet oder gerastert wird;

Fig. 3 einen schematischen Aufbau für einen möglichen bei den Projektoren gemäß Fig. 1 und 2 einsetzbaren Diodenlasers.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Projektionsgerät werden für die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau drei Laser 1, 1', 1'' eingesetzt, deren Laserstrahl durch eine Einrichtung 2,2' oder 2'' zur Strahlformung ohne Speckleverringerung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, geleitet wird.

Die Laserstrahlen sind polarisiert, so daß sie von dem im Lichtweg der Einrichtung 2, 2' oder 2'' folgenden Polarisationsstrahlteilern 3, 3' und 3'' auf den in diesem Beispiel verwendeten LCD- Matrixen 4, 4' oder 4'' geworfen werden. Bei LCD-Matrixen erfolgt die Einstellung der Bildpunktinformation über Polarisationsänderung, so daß die von den Matrixen 4, 4' und 4'' ausgehenden mit Bildinformation beaufschlagten Lichtstrahlen von den Polarisationsstrahlteilern 3, 3' und 3'' durchgelassen werden und in einer speziellen Einrichtung 5, die hier ein X-Prisma zur Strahlvereinigung ist, für die man aber auch dichroitische Spiegel verwenden kann, zusammengefaßt wird. Hinter dieser Einrichtung 5 entsteht so eine Überlagerung der auf den LCD-Matrixen 4, 4' und 4'' eingestellten Farbauszüge. Das von der Einrichtung 5 kommende Lichtbündel wird dann über eine Projektionsoptik 6 auf einen Schirm 7 geworfen.

Bei dem aus der Literatur bekannten Beispiel werden für die Laser 1, 1' und 1'' kontinuierlich betriebene Laser eingesetzt. Über die Art der Strahlformung und der Specklereduzierung ist nichts bekannt.

Hier wird vorgeschlagen, in den Einrichtungen 2, 2' und 2'' ausschließlich eine Optik für eine Strahlformung vorzusehen und die Laser 1, 1' und 1'' mit Pulsen der Länge kleiner als 100 ps, oder besser sogar 10 ps, zu betreiben. Es wurde festgestellt, daß damit eine wirksame Speckleunterdrückung möglich ist. Weiter wurde beobachtet, daß die Speckleintensität bei Vorsehen von rotierenden oder bewegten Phasenplatten in den Einrichtungen 2, 2' oder 2'' und insbesondere bei extrem kurzen Pulsen unter 10 ps sogar unter die Beobachtungsgrenze sank.

Da die Pulse sehr kurz sind und Frequenzkonversion bei derartigen Pulslängen bei entsprechend hoher Leistung in der Größenordnung 100 Watt eine nichtlineare Konversionswahrscheinlichkeit über 40% erzielt werden kann, kann man die drei, Laser 1, 1' und 1'' auch durch die bekannte OPO-Technik ersetzen, so daß nur ein einziger Laser nötig ist. Ein anderes Beispiel für einen Laser, der sich ebenfalls für Frequenzmischung und Summierung eignet, wird später anhand von Fig. 3 beschrieben.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß man auch nur Teilbilder aus Matrixen zusammensetzen kann. Aus der Laserquelle 10 wird ein Gesamtlichtbündel erzeugt und mit Hilfe eines anamorphotischen Linsensystems als Lichtbündel 12 aufgeweitet. Das Lichtbündel 12 fällt im Beispiel von Fig. 2 auf eine Matrix 14, die nur aus einer einzigen Bildzeile besteht und deren Bildpunkte bezüglich der drei Grundfarben moduliert. Beispielsweise kann diese Matrix 14 eine Zeile aus "grating light valves" sein. Mit einem weiteren anamorphotischen Linsensystem 16 wird das reflektierte aufgeweitete Laserlichtbündel 12 wieder auf einen Punkt 18 fokussiert, der auf einem Spiegel 20 liegt. Der Spiegel wird, wie bei der bekannten Rastertechnik, schnell hin- und hergeschwenkt. Derartige Galvanometerspiegel sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Die so aus dem virtuellen Punkt 18 ausgehende Bildpunktinformation wird anschließend mittels einer Projektionsoptik 6 als Bild sichtbar gemacht.

Wie vorher schon deutlich wurde, kann die hier eingesetzte Laserquelle 10 in unterschiedensten Arten aufgebaut sein. Als Beispiel können hierzu drei Quellen eingesetzt werden, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt sind. Eingangsseitig besteht sie aus einem Fabry-Perot-Dioden-Laser- Oszillator 22 mit aktiver Modenkopplung. Zum Erzeugen des Pulsens sowie der Leistung sind eine Hochfrequenzquelle HF und eine Gleichstromquelle DC vorgesehen, die in Fig. 3 schematisch eingezeichnet sind.

Mit Hilfe dieses Oszillators 22 werden kurze Lichtimpulse mit einer Dauer von weniger als 10 ps, einer Wiederholfrequenz von 2 bis 6 GHz und einer mittleren Leistung von mindestens 3 Watt erzeugt. Dadurch entsteht eine Impulsleistung von bis zu 100 Watt, so daß in einem nichtlinearen Kristall 24 am Ausgang der Struktur von Fig. 3 bei Frequenzverdopplung eine Konversion von über 40% erreicht werden kann.

Der Laseroszillator ist für Wellenlängen von 920 nm bzw. 1060 nm ausgelegt, so daß man durch die Frequenzverdopplung Ausgangslicht von 460 nm, Blau, oder 530 nm, Grün, erzeugen kann. Für Rot sind geeignete Laserdioden hoher Leistung auf dem Markt, so daß der Aufwand für eine Laserquelle zum Erzeugen der Farbe Rot noch wesentlich geringer als bei der in Fig. 3 gezeigten Quelle gehalten werden kann.

Die Einzelheiten des Aufbaus können der schematischen Darstellung von Fig. 3 direkt entnommen werden. Zum Erreichen der angegebenen Leistung von ungefähr 3 Watt wird die mittlere Leistung von 10-100 mW des Oszillators 22 noch mit einem Trapezverstärker 26 im Lichtweg verstärkt. Weiter befindet sich im Lichtweg direkt hinter dem Oszillator 22 ein Gitter 28 zur Wellenlängeselektion. Das Gitter 28 kann auch durch eine Lichtleitfaser mit Bragggitter ersetzt werden.

Die oben beschriebenen Komponenten sind zur Vermeidung von Rückstreuung durch Isolatoren 30 und 32 getrennt. Weiter sind Umlenkspiegel 34 und 36 zur Faltung und Verkürzung des Lichtwegs vorgesehen. Mit ebenfalls in Fig. 3 dargestellten λ/2 Platten 38 und 40 wird die geeignete Polarisation an der jeweiligen Stelle eingestellt. Die eingezeichneten Ellipsen deuten schematisch optische Systeme an, mit denen jeweils eine optimale Strahlformung für die in Fig. 3 gezeigten Komponenten vorgenommen wird.

Der Trapezverstärker 26 emittiert im kontinuierlichem Betrieb eine typische Ausgangsleitung von 4 Watt. Allerdings wird die Leistung durch die Transmission der Isolatoren 30 und 32 etwas erniedrigt, wobei man jedoch immer noch mit einer typischen Leistung von ungefähr 3 Watt rechnen kann. Die Verstärkung der Pikosekunden-Pulse ändert weder das Spektrum der Pulse noch deren Pulslänge. Die maximale Pulsspitzenleistung beträgt ungefähr das 60fache der Eingangsleistung, so daß für die Frequenzverdopplung im nichtlinearen Kristall 24 eine Spitzenleistung von bis zu 180 Watt zur Verfügung steht.

Die Verstärkung der aus dem Oszillator 22 austretenden Strahlung in einem kontinuierlich angeregten Halbleiterverstärker zeichnet sich gegenüber einer anderen Lösung mit einem einzigen Hochleistungsdiodenlaser 22 ohne Verstärker auch dadurch aus, daß die thermische Last des Verstärkers 26 konstant ist und daß aufgrund der kurzen Lichtpulse keine Zerstörung in der Art erfolgt, wie sie in der Fachwelt als "catastrophical optic damage" (COD bekannt ist), die bei dieser Art von Lasern mit Verstärkern selbst bei hohen Leistungen nicht auftritt.

Der nichtlineare Kristall 24 ist ein quasiphasenangepaßter Kristall, dessen Einzelstrukturen durch schraffierte Flächen in der Fig. 3 angedeutet sind. Für diesen eignet sich als Material z. B. KTP oder LiTaO₃. Dabei zeichnet sich ein KTP-Kristall allerdings gegenüber LiTaO₃ dadurch aus, daß er sogar bei Raumtemperatur eine hohe zu KNbO₃ vergleichbare Konversionseffizienz hat. Die spektrale Akzeptanzbreite von KTP beträgt ferner ungefähr 0,2 nm bei einer Kristallänge von 1 cm und perfekter Periodizität der Domänenstruktur (Periodenlänge 5,7 µm), die für einen effiziente Konversion in quasiangepaßten Kristallen zweckmäßig ist. Die Akzeptanzbandbreite entspricht der Bandbreite der Strahlung des Oszillators 22 bei einer Pulslänge von 5 ps.

Die so erzeugbare Leistung von über einem Watt ist für kommerzielle Geräte auf Laserbasis ausreichend.

Der Fachmann wird erkennen, daß Änderungen innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche leicht möglich sind. So läßt sich beispielsweise die Leistung des Oszillators 22 absenken und ein Verstärker mit größerer Verstärkungsleistung 26 einsetzen. Wie schon erwähnt, kann man auch mit einem einzigen OPO und verschiedenen Frequenzverdopplungen und Frequenzsummierungen sowie einer einzigen Eingangslaserquelle alle 3 Laserstrahlen erzeugen.

Weiter ist die Anzahl Drei der Farbauszüge für die. Darstellung von Farbbildern nicht begrenzend. Es ist auch möglich, die Anzahl der Farben und damit der Farbauszüge zu erhöhen, um ein qualitativ hochwertigeres Bild zu erzeugen.

Es ist zu erwarten, daß die Großprojektion aufgrund der dargestellten Technik für den Konsumerbereich erschwinglich werden wird. Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß aufgrund der hohen gepulsten Leistungen auch eine Großprojektion für Kino- und Showanwendungen möglich ist.

Die dargestellten Projektoren können außerdem klein genug gehalten werden, um sie in einer Aktentasche unterzubringen, so daß erwartet werden kann, daß derartige Projektoren auch für Präsentationen bei Messen eingesetzt werden. Ein weiterer Anwendungsbereich ist der Ersatz üblicher Monitore mit entsprechend großer Bildschirmdiagonale mit sehr kleinen Projektoren für die Arbeit am Computer.

Claims (9)

1. Vorrichtung mit einer Matrix (4, 4', 4'', 14) aus elektrisch gemäß der Bildpunktinformation von Bitmap-Bildern einstellbaren Elementen zum Erzeugen einzelner Bildpunkte, insbesondere von farbigen Bitmapbildern, mit einer Laserquelle (1, 1', 1'', 10) zum Beleuchten der Matrix (4, 4', 4'', 14) und mit einer Optik (6), mit der das auf der Matrix (4, 4', 4'', 14) von elektrisch einstellbaren Elementen eingestellte Bild auf einen Schirm (7) projizierbar ist, wobei die Matrixoberfläche die Bildinformation repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle mit einer Pulslänge τ < 100 ps gepulst ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Laserquelle (1, 1', 1'', 10) und der Matrix (4, 4', 4'', 14) ein zeitabhängiges Phasenverschiebungselement vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenverschiebungselement eine bewegliche, vorzugsweise rotierende Phasenplatte, ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle Lichtbündel (12) mindestens dreier Farben emittiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle weniger als drei Primärlaser enthält und die Erzeugung von mindestens einem der farbigen Lichtbündel der verschiedenen Farben aus dem Licht der Primärlaser aufgrund mindestens einem nichtlinearen Prozess erfolgt.

6. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen optisch parametrischen Oszillator aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Laserquelle ein Diodenlaser (22) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Laserquelle ein Verstärker (26) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lichtbündel vorgegebener Wellenlänge durch drei optische Kompo­ nenten in Reihe, eine Hochleitungslaserdiode (22) mit Wellenlängen oberhalb von 800 nm, einen Verstärker und einen nichtlinearen Kristall (24) zur Frequenzvervielfa­ chung, erzeugbar ist.