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Die
Erfindung betrifft eine Bildwand für eine Laserprojektion.
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Das
Verwenden von Lasern als Lichtquelle für Bildprojektionen hat zahlreiche
Vorteile, die sich aus den besonderen Eigenschaften des Lasers begründen. So
ist es auf Grund der Parallelität
eines aus der Laserlichtquelle austretenden Strahlenbündels möglich, auf
nahezu beliebig geformten Gegenständen scharfe Bilder zu projizieren.
Weiterhin kann man sich die Tatsache zu Nutze machen, dass die Laserlichtquelle
die drei Grundfarben Rot, Grün
und Blau nur mit Hilfe dreier diskreter Wellenlängen des sichtbaren Spektrums
erzeugt.
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Das
eröffnet
die Möglichkeit
von vorteilhaften kontrasterhöhenden
Beschichtungen auf Projektionsflächen.
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Ein
wesentlicher Nachteil des Laserlichts bezüglich seiner Verwendung als
Lichtquelle für
Projektoren besteht jedoch in dem Auftreten von sogenannten Speckle.
Speckle treten immer dann auf, wenn kohärente Strahlung von einer Fläche diffus
reflektiert und anschließend
von einem Detektor mit endlicher Apertur aufgenommen wird. Insbesondere
kann das menschliche Auge als ein solcher Detektor aufgefasst werden.
Die Speckle überlagern
sich mit der Bildinformation und beeinträchtigen die wahrgenommene Bildqualität in erheblichem
Maße.
Es wird der Eindruck einer Körnigkeit
eines mit Laserlicht beleuchteten Objekts erweckt. Als Specklekontrast
wird das Verhältnis
bezeichnet zwischen dem Differenzwert von Helligkeitsmaxima und
Helligkeitsminima sowie dem mittleren Helligkeitswert einer gleichmäßig beleuchteten
Fläche.
Der Specklekontrast hängt von
verschiedenen Faktoren ab. Die Parameter einer verwendeten Lichtquelle,
wie beispielsweise Wellenlänge
und Kohärenzlänge, spielen
ebenso eine Rolle wie die Struktur einer reflektierenden Bildwand
und die Apertur eines Detektors, also zum Beispiel eines menschlichen
Auges. Deshalb gibt es mehrere Ansatzpunkte für das Beseitigen oder Reduzieren
des Specklekontrasts bei Laserprojektionsverfahren.
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In
der Literatur (T. Iwai, T. Asakura, IEEE Proc. Vol 84, 1996 Seiten
765–781)
werden verschiedene Methoden der Specklereduktion diskutiert. Es werden
dabei fünf
verschiedene Ansätze
unterschieden, in die sich prinzipiell alle bekannten Verfahren bzw.
Vorrichtungen zum Beseitigen von Speckle bzw. Reduzieren des Specklekontrasts
einordnen lassen: die Steuerung der räumlichen Kohärenz, die
Steuerung der zeitlichen Kohärenz,
die räumliche
Mittlung, die zeitliche Mittlung und die digitale Bildnachbearbeitung.
Alle Verfahren und Vorrichtungen, die unter die letztgenannte Kategorie
fallen, können
hier außer Acht
gelassen werden, da sie nicht den technischen Gegenstand dieser
Erfindung betreffen.
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Für das Erfassen
des Standes der Technik ist es ebenso wichtig, die Verfahren nach
dem Ort zu unterscheiden, an dem die Parameter einer Laserprojektion
modifiziert werden. Der Specklekontrast kann sowohl durch Anpassungen
an der Lichtquelle, d.h. dem Laser, als auch durch Anpassungen an
der Projektionsfläche
und dem Detektor beeinflusst werden. Da in vielen Fällen das
Auge als Detektor dient, entfällt
der letzte Weg.
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Zahlreiche
bekannte Verfahren setzen bei der Lösung des Speckleproblems direkt
bei der Lichtquelle an oder modifizieren das Laserlicht in geeigneter
Weise direkt nach dem Austreten aus einem Projektor und damit noch
vor dem Auftreffen auf eine Bildwand.
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Diese
Verfahren weisen den Nachteil auf, dass sie alle mit Einschränkungen
bei der Qualität des
Laserlichts oder mit Restriktionen bei der Konstruktion der Laserlichtquellen
und/oder des Projektors verbunden sind. Solche Restriktionen beinhalten zum
Teil erhebliche Hindernisse oder Erschwernisse bei der technischen
Umsetzung. Daher grenzt sich die vorliegende Erfindung ausschließlich gegenüber denjenigen
bekannten Verfahren ab, bei denen Speckleeffekte durch Modifikationen
an einer Bildwand verringert werden. Im Folgenden wird der Stand
der Technik auf diesem eingeschränkten
Bereich der Specklereduktion dargestellt.
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In
DE 101 18 662 A1 wird
eine Bildwand mit reduziertem Specklekontrast vorgestellt, die auf
einer Volumenstreuung des Lichts in einem geeigneten Bildwandmaterial
beruht. Als Beispiel für
ein solches Material wird PTFE angeführt. Ein Nachteil dieses Verfahrens
besteht in der Notwendigkeit, die Kohärenzlänge des verwendeten Laserlichts
an die Dicke einer PTFE-Beschichtung anzupassen. Damit ist wiederum
eine Einschränkung
für die
Vielfalt der verwendbaren Projektoren verbunden.
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Ein
weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine derartige
Volumenstreuung nicht die Möglichkeit
zu einer kontrasterhöhenden Beschichtung
des PTFE-Materials eröffnet.
Mit einer derartigen Beschichtung [siehe C. Rickers, M. Vergöhl, C.P
Klages: Applied Optics 41, No 16, 3097-3106 (2002)] werden beispielsweise
nur die drei diskreten Wellenlängen
der Grundfarben Rot, Grün
und Blau einer Laserlichtquelle, nicht aber von anderen Lichtquellen
stammendes Fremdlicht, in geeigneter Weise zu einem Betrachter bzw.
Detektor remittiert. Dadurch wird der Kontrast des entstehenden Bildes
erhöht
und so die Bildqualität
wesentlich verbessert.
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Aus
US 5.272.473 A ist
ein Verfahren bekannt, bei dem an eine Bildwand eine Schallquelle angeordnet
wird. Die von der Schallquelle erzeugten akustischen Wellen durchlaufen
die Bildwand, welche somit zum Schwingen angeregt wird. Durch die schwingende
Bildwand werden je nach Schwingungszustand von den reflektierten
Laserlichtstrahlen verschiedene Specklemuster erzeugt, die während der
Integrationszeit eines Detektors gemittelt werden und somit den
Specklekontrast verringern. Nachteilig bei diesem Verfahren hat
sich erwiesen, dass sich je nach Schallfrequenz und Bildwanddimension
Wellenbäuche
und Wellenknoten ausbilden, die eine unregelmäßige Verteilung des Specklekontrasts
zur Folge haben.
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Eine
alternative Lösung
zum Verhindern von Speckleeffekten ist aus
JP 2000081602 A bekannt. Hierbei
wird eine Bildwand verwendet, welche ein Flüssigkristallmaterial umfasst.
Wird an dieses Flüssigkristallmaterial
ein hochfrequentes Niederspannungssignal angelegt, vibrieren die
Flüssigkristallmoleküle, an denen
die Laserlichtstrahlen reflektiert werden, geringfügig mit
einer Frequenz von über
60 Hz. Die vibrierenden Flüssigkristallmoleküle bewirken
wiederum sehr schnell variierende Specklemuster, welche durch deren
Mittelung den Specklekontrast verringern. Ein Nachteil dieser Lösung besteht
in der Starrheit derartiger Bildwände. Bei Anwendungen bei denen
eine flexible Bildwand erforderlich ist, können Flüssigkristallbildwände nicht
eingesetzt werden. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus den technologisch
bedingten begrenzten Abmessungen von Flüssigkristallbildwänden. Eine
kontrasterhöhende Beschichtung
derartiger Bildwände,
wie oben beschrieben, ist ebenfalls nur schwer realisierbar.
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Bildwand
für eine
Laserprojektion zu schaffen mit der die Nachteile des Standes der
Technik überwunden
werden. Insbesondere soll eine Bildwand geschaffen werden, bei der
der Specklekontrast über
die gesamte Bildwandoberfläche
weitestgehend gleichmäßig reduziert
wird und bei der es keine Einschränkungen hinsichtlich der Anwendbarkeit
verschiedener Laserlichtquellen gibt.
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Die
Lösung
des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird bei
der Projektion von Laserlicht eine Bildwand verwendet, welche mindestens
eine für
Laserlicht transparente Schicht und mindestens eine das Laserlicht
reflektierende Schicht umfasst, wobei die reflektierende Schicht
flexibel ausgebildet wird und die transparente Schicht eine höhere Steifigkeit
gegenüber
der reflektierenden Schicht aufweist, so dass auf die Bildwand treffendes Laserlicht
die transparente Schicht durchdringt und an der Oberfläche der
zumindest einen reflektierenden Schicht der Bildwand reflektiert
wird, wobei zumindest die Oberflächenstruktur
der reflektierenden Schicht während
des Projektionsvorgangs zeitlich derart verändert wird, dass ein auf einen
Punkt der reflektierenden Schicht treffender Laserlichtstrahl in Abhängigkeit
von einer Zeitfunktion in unterschiedliche Richtungen reflektiert
wird.
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Das
Verändern
der Oberflächenstruktur
der reflektierenden Schicht ist dahingehend zu verstehen, dass einzelne
Oberflächenelemente,
die jeweils so klein sind, dass diese von einem Detektor nicht als einzelne
Punkte aufgelöst
werden können,
in ihrer Ausrichtung zu dem einfallenden Laserlicht verkippt werden.
Diese Verkippung führt
dazu, dass die Winkelverteilung des von einem Oberflächenelement
reflektierten Lichtstrahls zeitlich geändert wird. Da das Specklephänomen auf
die Interferenz von Wellenzügen
benachbarter Punkte einer Bildwand zurückzuführen ist, wird durch diesen
lokal begrenzten, aber über
die gesamte Oberfläche
verteilten Kippvorgang auch das jeweilige Specklemuster geändert. Der
Eindruck eines Speckles bei der Betrachtung des Projektionsbildes
wird reduziert, wenn während
der Integrationszeit des Detektors ausreichend viel verschiedene
Specklemuster entstehen. Dadurch wird von dem Detektor, der auch
ein menschliches Auge sein kann, nur ein gemittelter Helligkeitswert
wahrgenommen und das störende
granulare Helligkeitserscheinungsbild verschwindet. Im Falle eines
menschlichen Auges müssen
innerhalb von 50 ms ausreichend viele Specklemuster erzeugt werden,
da die Integrationszeit bei einem menschlichen Auge in dieser Größenordnung
liegt.
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Die
transparente Schicht kann starr oder ebenso wie die reflektierende
Schicht flexibel ausgebildet sein, weist jedoch auf jeden Fall eine
höhere Steifigkeit
gegenüber
der reflektierenden Schicht auf. Dabei kann die transparente Schicht
als ein Substrat ausgebildet sein, auf welches die flexible Schicht
aufgetragen wird. Unter reflektierender Schicht ist jedoch nicht
nur eine homogene Ebene, bestehend aus einem Material zu verstehen,
vielmehr umfasst der Begriff reflektierende Schicht beispielsweise
auch ein flexibles Substrat mit einer reflektierenden Beschichtung
oder ein Schichtsystem, bestehend aus verschiedenen Einzelschichten.
Die reflektierende Schicht kann ferner eine Oberflächen rauhigkeit
aufweisen, die zu einer diffusen Reflexion des Lichtes führt, ähnlich wie
bei einer konventionellen Bildwand.
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Bei
einer Ausführungsform
erfolgt das Verändern
der Oberflächenstruktur
der reflektierenden Schicht mit einer geeigneten Frequenz im Bereich von
1 Hz bis 100 Hz. Dabei ist die Veränderungsfrequenz während eines
Projektionsvorgangs nicht zwangsläufig konstant zu halten sondern
kann in diesem Bereich variieren. Da eine Laserprojektion auf einer
Bildwand entsteht, indem ein Flächenelement innerhalb
einer Zeiteinheit mehrfach von einem Laserlichtstrahl abgerastert
wird (nachfolgend scannen genannt), ist dabei zu beachten, dass
zwischen Scannfrequenz des Laserlichtstrahls und der Veränderungsfrequenz
der Oberflächenstruktur
der reflektierenden Schicht keine Interferenz auftritt. Bei Interferenz
beider Frequenzen ist ein Reduzieren der Speckleeffekte nicht möglich.
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Zum
Erzielen einer gleichmäßigen Reduktion
des Specklekontrasts über
die gesamte Oberfläche
einer Bildwand ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn das Verändern der
Oberflächenstruktur
der reflektierenden Schicht über
die gesamte Oberfläche
der reflektierenden Schicht verteilt in Oberflächenabschnitten erfolgt, die
kleiner sind als das Auflösungsvermögen eines
Detektors des reflektierten Laserlichts.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt das Verändern
der Oberflächenstruktur
der reflektierenden Schicht durch Verbiegen der reflektierenden
Schicht. Dabei kann das Verbiegen der reflektierenden Schicht periodisch,
mit über die
Oberfläche
der reflektierenden Schicht verteilter regelmäßiger Verbiegungsstruktur oder
mit einer unregelmäßigen Verbiegungsstruktur
erfolgen. Wichtig ist dabei nur, dass der gesamte Oberflächebereich der
reflektierenden Schicht, der zur Laserprojektion verwendet wird,
vom Verbiegen erfasst wird. Das Verbiegen der reflektierenden Schicht
ist beispielsweise realisierbar, indem Druck oder Zug zumindest auf
die reflektierende Schicht ausgeübt
wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden Abstandshalterelemente zwischen der transparenten Schicht
und der reflektierenden Schicht angeordnet. Die Abstandshalterelemente
schaffen den Freiraum, welchen eine reflektierende Schicht gegenüber einer
transparenten Schicht benötigt,
um ein Verbiegen der reflektierenden Schicht zu ermöglichen.
Abstandshalterelemente sind jedoch nicht zwangsläufig notwendig, wenn die transparente
Schicht ebenfalls flexibel ausgebildet ist und das Verbiegen der
reflektierenden Schicht zusammen mit der transparenten Schicht erfolgen kann.
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Bei
flexibel ausgebildeten Abstandshalterelementen kann das Verbiegen
der reflektierenden Schicht beispielsweise durch das Eindrücken der
Abstandshalterelemente erfolgen. Abstandhalterelemente können jedoch
auch starr ausgebildet werden. In diesem Fall kann das Verbiegen
der reflektierenden Schicht beispielsweise durch das Ausüben von Druck
auf die reflektierende Schicht in Bereichen zwischen den Abstandshalterelementen
realisiert werden.
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Der
auf die reflektierende Schicht auszuübende Druck oder/und Zug kann
beispielsweise durch ein piezoelektrisches Element erzeugt werden, welches
in Bezug zur transparenten Schicht hinter der reflektierenden Schicht
angeordnet ist. Alternativ kann das piezoelektrische Element als
vorzugsweise rückseitig
auf die reflektierende Schicht aufgetragene piezoelektrische Schicht
ausgebildet werden. In beiden Fällen
kann durch Anlegen einer Spannung an zwei sich gegenüberliegenden
Elektroden des piezoelektrischen Elements bzw. der piezoelektrischen Schicht
eine Verformung dieses Elements bzw. dieser Schicht herbeigeführt werden,
welche sich auf die Form der reflektierenden Schicht überträgt.
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In ähnlicher
Weise kann die Verformung auch durch elektrostatische Kräfte erfolgen.
Bei dieser Vorgehensweise wird die reflektierende Schicht vorzugsweise
rückseitig
mit einem leitfähigen
Material beschichtet, welches als Elektrode dient. Beim Anlegen
einer Spannung zwischen dieser und einer weiteren Elektrode kann
eine Kraft auf die reflektierende Schicht ausgeübt werden. Auch dadurch wird
ein Verbiegen der reflektierenden Schicht wie oben beschrieben erreicht.
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Eine
zusätzliche
Möglichkeit
zum Reduzieren des Specklekontrasts besteht darin, zwischen der
transparenten Schicht und der reflektierenden Schicht einer Bildwand
mindestens eine teiltransparente Schicht anzuordnen. Aufgrund der
dadurch entstehenden Reflektionen eines Teiles des Laserlichts zwischen
teiltransparenter Schicht und reflektierender Schicht lässt sich
ein zusätzliches
Verkippen der letztendlich durch die transparente Schicht zurückreflektierten
Laserlichtstrahlen realisieren. Dabei entstehen innerhalb der Integrationszeit
eines Detektors zusätzliche
Specklemuster, welche zur Mittelung der Speckle-Helligkeitswerte
innerhalb der Integrationszeit des Detektors beitragen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird die reflektierende Schicht einer erfindungsgemäßen Bildwand
nach einer bekannten Verfahrensweise als Schichtsystem bestehend
aus mehreren Einzelschichten derart ausgebildet, dass bevorzugt
die diskreten Wellenlängen
der mittels Laser abgestrahlten drei Grundfarben Rot, Grün und Blau
zu einem Detektor remittiert, von einem Fremdlicht stammende Lichtstrahlen
hingegen nicht zum Detektor remittiert werden. Dadurch lässt sich
der Kontrast einer Laserprojektion erhöhen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Fig. zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Bildwand
im Ruhezustand,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung durch die Bildwand gemäß 1 in
einem Arbeitszustand,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine alternative erfindungsgemäße Bildwand.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Bildwand 1 ist
in 1 schematisch als Schnitt dargestellt. Die Bildwand 1 umfasst
eine für
Laserlicht transparente Schicht 2, eine das Laserlicht
reflektierende Schicht 3 und eine piezoelektrische Schicht 4,
die in direktem Kontakt mit der reflektieren Schicht 3 steht.
Die transparente Schicht 2, welche ebenso wie die reflektierende
Schicht 3 flexibel ausgebildet ist, weist jedoch eine höhere Steifigkeit
gegenüber
der reflektierenden Schicht 3 auf und erfüllt die
Funktion einer Halteplatte.
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Die
reflektierende Schicht 3 ist als Schichtsystem, bestehend
aus mehreren graphisch nicht dargestellten Einzelschichten, nach
bekannten Verfahren derart ausgebildet, dass die diskreten Laserlichtwellenlängen für die drei
Grundfarben Rot, Grün und
Blau bevorzugt von der Schicht 3 reflektiert werden. Dadurch
wird der Kontrast einer entstehenden Projektion verstärkt und
somit die Bildqualität
weiter verbessert.
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Zwischen
der transparenten Schicht 2 und der reflektierenden Schicht 3 sind
Abstandshalterelemente 5, ähnlich wie bei einer Folientastatur
angeordnet.
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Auf
die Bildwand 1 projiziertes Laserlicht durchdringt somit
die transparente Schicht 2, wird von der Schicht 3 zurück durch
die transparente Schicht 2 reflektiert und dort von einem
nicht dargestellten Detektor, wie beispielsweise einem menschlichen
Auge aufgenommen.
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Erfindungsgemäß wird während des
Projektionsvorganges an zwei nicht dargestellten Elektroden der
piezoelektrischen Schicht 4 eine Spannung derart angelegt,
dass es zu einem periodischen Verbiegen der piezoelektrischen Schicht 4 und
somit zum Verviegen der mit dieser verbundenen reflektierenden Schicht 3 mit
einer bestimmten Frequenz im Bereich zwischen 1 Hz und 100 Hz kommt.
Ein Schnitt durch die Bildwand 1 während eines derartigen Arbeitszustandes
ist in 2 schematisch dargestellt. Das Verbiegen der reflektierenden
Schicht 3 bewirkt, dass ein auf einen Punkt der Bildwand 1 auftreffender
Laserlichtstrahl innerhalb einer Verbiegungsperiode in unterschiedliche
Richtungen reflektiert wird und somit unterschiedliche Specklemuster erzeugt
werden. Aufgrund der Trägheit
des menschlichen Auges wird von diesem nur ein gemittelter Helligkeitswert
der einzelnen Specklemuster eines Laserlichtstrahls erfasst und
somit der Specklekontrast reduziert.
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Die
Größe der Abstandshalterelemente 5, deren
Abstand zueinander und die Verbiegungsfrequenz der piezoelektrischen
Schicht 4 und somit der reflektierenden Schicht 3 sind
dabei derart aufeinander abzustimmen, dass ein lichtstarkes und
specklearmes Projektionsbild entsteht.
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In 3 ist
der Schnitt durch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bildwand 6 schematisch
dargestellt. Zusätzlich
ist zwischen einer transparenten Schicht 7 und einer reflektierenden
Schicht 8, unmittelbar auf der transparenten Schicht 7 eine
teiltransparente Schicht 9 angeordnet. Dadurch wird ein
Teil des Laserlichts, das auf die Bildwand 6 trifft, mehrfach
zwischen der teiltransparenten Schicht 9 und der reflektierenden
Schicht 8 hin und her reflektiert. Treten diese Laserlichtstrahlen letztendlich
durch die transparente Schicht 7 und werden vom menschlichen
Auge aufgenommen, werden innerhalb der Integrationszeit des Auges
zusätzliche
Specklemuster erzeugt, welche den Specklekontrast durch Mittelung
der einzelnen Specklemuster innerhalb der Integrationszeit des Auges
weiter herabsetzen.