DE2315658B2 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung oder beseitigung der bei laserstrahlprojektionen auftretenden granulation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine ihe zur Verminderung oder Beseitigung der Granulation bei Informaüonsprojektionen, die durch räumliche LaserstrahlmoduJation erzeugt werden.

Eine bekannte Erscheinung bei Abbildungsverfahren, die mit licht hohen Kohärenzgrades arbeiten, ist das Auftreten von Granulation, die immer dann vorhanden ist. wenn im Strahlengang statistisch streuende Medien angeordnet sind Diese können z. B. die abzubildenden Objekte selbst sein, holographische Speichermedien wie Photoemulsionen oder Projektionswände, auf denen mit Laserlicht Informationen dargestellt werden. Bei subjektiver Betrachtung erscheinen derartig erzeugte Bilder. Strichzeichnungen etc. durchzogen von einer statistischen Struktur von Intensitätsmaxima und -minima. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß die Ausdehnung einzelner, auf der Netzhaut des Betrachters abgebildeten Maxima oder Minima nur vom Pupillendurchmesser und von der Wellenlänge abhängen. Das bedeutet u. a., daß z. B. eine auf einen Schirm mit einem Laserstrahl projizierte Schrift bei größer werdender Beobachtungsentfernung von Maxima und Minima mit inmer größer werdendem Durchmesser du. Jizogen erscheint. Sobald dieser Durchmesser die Größenoi dnung der Bildelemente besitzt, sinkt die effektive Auflösung, so daß die Schrift schließlich nicht mehr gelesen werden kann. Darüber hinaus wirkt selbst bei einer Größe der Maxima und Minima, die beträchtlich unter der Bildelementgröße liegt, die Erscheinung der Granulation ermüdend auf den Beobachter.

Wegen der genannten negativen Auswirkungen der Granulation sind zahlreiche Methoden zu ihrer Beseitigung vorgeschlagen worden. Alle gehen davon aus. daß die Granulation durch eine Überlagerung mehrerer Bilder desselben Informationsgehaltes, aber mit voneinander statistisch unabhängiger Granulationsverteilung vermindert oder beseitigt werden kann. Dabei dürfen diese Teilbilder nicht miteinander interferieren, d.h. die Überlagerung der Einzelbilder muß inkohärent erfolgen. Das kann entweder dadurch geschehen, daß die Einzelbilder simultan überlagert werden, wobei das Licht dieser Bilder inkohärent zueinander ist. oder die Überlagerung geschieht durch ihre Darbietung in rascher zeitlicher Reihenfolge. Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß eine befriedigende Mitteilung der Granulation erst nach Überlagerung von 50 bis 100 Granulationsbildern erfolgt.

Die bisher bekannten Verfahren zur Granulationsbeseitigung sind in allen denjenigen Fällen wirkungsvoll und teilweise auch relativ einfach in ihrem technischen Aufwand, wu der informationsinhalt statisch dargeboten wird, wie z. B. mit Hilfe eines Diaprojektors oder eines stationären Hologramms. Hier genügt z. B. die Erzeugung von etwa 50 Bildern in V₂₅ Sekunde, um die Granulation für einen Beobachter verschwinden zu lassen Dies läßt sich leicht z. B. durch Anbringung einer bei relativ niedriger Drehzahl rotierenden Streuscheibe an geeigneter Stelle des Strahlenganges erreichen.

Wesentlich schwieriger liegt die Situation, wenn die darzustellende Information durch zeitliche, punktweise Abtastung des Bildes mit dem Laserstrahl erzeugt wird. In diesem Falle kann die Granulation nur dann beseitigt werden, wenn während der Verweilzeit des Laserstrahls in einem Bildpunkt die oben angegebenen 50 unabhängigen Granulationsmuster in zeitlicher Reihenfolge erzeugt werden. Da die Verweilzeit bei vielen Anwendungsbeispielen .(z. B. Fernsehbild) im Bereich einer Mikrosekunde oder noch weniger liegt, bedeutet

diese Forderung, daß die Granulationsmuster mit einer Rate von etwa 10 bis 100 MHz wechseln. Es wurde in der deutschen Patentanmeldung 21 50495.0 bereits ein Verfahren angegeben, das grundsätzlich einen Granulationsmusterwechsel im Bereich dieser Frequenzen S ermöglicht Es besteht darin, daß 4as zu projizierende Bild zunächst in mikroskopischer Größe auf einer sehr feinkörnigen Mattscheibe abgebildet wird. In sehr dichtem Abstand (Größenordnung etwa 1 um) rotiert eine zweite g'eiche Mattscheibe, so daß nach einer geringen Drehbewegung von etwa 0/>2 μπι ein neues Granulationsmuster entsteht

Bei Verweilzeite» des Laserstrahles von z. B. 2 ps, die den z. Z. bei digitalen Lichtablenkern erzielten Ablenkfrequenzen von 500 kHz entsprechen, ergibt sich daraus eine Umlaufgeschwindigkeit der Mattscheibe von 1 m/s. Diese Geschwindigkeit stellt, zusammen mit der erforderlichen hohen Präzision der Bewegung im μπι-Bereich eine außerordentlich hohe Anforderung an die Mechanik einer solchen Vorrichtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei Vermeidung aufwendiger Mechanik die Granulation ohne makroskopisch bewegte Mittel zu reduzieren oder zu beseitigen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Laserstrahl in der Bildebene eines ersten Objektivs durch eine Streuscheibe aufgeweitet wird und daß in einem in der Nähe eines zweiten Objektivs angeordneten transparenten Medium mittels Ultraschall Schwingungen bzw. Wellen im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse angeregt werden, wobei die Wellenlänge der Ultraschallwelle mindestens einem Durchmesser der Granulationselemente der Lichtwelle am Ort des Mediums entspricht.

Die darzustellende Information wird zunächst auf eine stillstehende Mattscheibe feriner Körnung abgebildet und das auf der Mattscheibe entstehende Bild von einem zweiten Objektiv auf dem eigentlichen Bildschirm abgebildet, während sich hinter oder vor dem Objektiv ein flüssiges oder festes Medium befindet, das von Ultraschallwellen erregt wird.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 eine schematische Anordnung zur Erläuterung,

F i g. 2 und 3 schematische Ausführunpsbeispiele von Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung sei anhand der F i g. 1 näher erläutert, die schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Laserdisplay-Systems darstellt, das mit einem digitalen Laserstrahlablenker arbeitet. Der von einem Lasergenerator G erzeugte Laserstrahl durchlauft zunächst den digitalen Lichtablenker DL und wird sodann von einem ersten Objektiv 01 in dessen Brennebene auf einer Streuscheibe Sf fokussiert. Durch Betätigung des Lichtablenkers wird in dieser Brennebene ein primäres Bild der darzustellenden Information erzeugt. Ohne die Streuscheibe Sf würde der Laserstrahl, der im allgemeinen vom Grundmodentyp ist, entsprechend den gestrichelt gezeichneten Strahlbegrenzungslinien durch das zweite Objektiv 02 auf den Schirm P fokussiert werden. Die Streuscheibe Sf verbreitert den Laserstrahl derart, daß seine Streukeule auf die Apertur des Objektives 02 fällt. Ein in die Aperturebene, die auch die Austrittspupille des Projektionssystems darstellt, gebrachter Schirm zeigt für jede Stellung des Laserstrahls auf der Streuscheibe das für das Laserlicht charakteristische Granulationsmuster. Dieses Granulationsmuster ist Ausdruck der Tatsache, daß die von der Streuscheibe ausgehende Strahlung nur noch angenähert eine Kugelwelle darstellt, deren Wellenfronten starke, feinstrukturierte Phasenschwankungen aufweisea Die Folge ist, daß auch die Intensitätsverteilung innerhalb des Fokus am Schirm P starken Schwankungen unterliegt und eine Granulationsstruktur zeigt Diese ist um so feiner, je großer die Apertur des Objektives 02 ist Jede Änderung der Phasenschwankungen der durch das Objektiv 02 hindurchtretenden Welle wird zu einer Änderung der Granulation im Fokus führea

Diese Tatsache wird dadurch ausgenutzt, daß, wie in F i g. 2 gezeigt vor oder hinter dem Objektiv 02 eine Schicht T aus flüssigem oder festem Material angebracht wird, in dem sich eine oder mehrere Ultraschallwellen ausbreiten. Bekanntlich verursachen Schallwellen im Übertragungsmedium periodisch Verdünnungen oder Verdichtungen der Materie. Optisch äußert sich das in einer entsprechenden Änderung des Brechungsindexes. 1st die Schallwellenlänge ausreichend klein, so wirkt die periodische Brechungsindex-Änderung wie ein optisches Beugungsgitter: Ein senkrecht zur AusbreitungsrichJung des Schalles durch dieses Gitter hindurchtretender Lichtstrahl erfährt eine Beugung in die nullte, erste, zweite usw. Ordnung unter Beugungswinkeln, wie sie vor, der klassischen Gittertheorie her bekannt sind. Dieser nach Debye und Sears benannte Effekt ist für zahlreiche Verfahren der räumlichen und zeitlichen Modulation des Lichtes vorgeschlagen und benutzt worden. 1st die Wellenlänge des Schalles wesentlich größer als die des Lichtes, so wirkt die periodische Änderung des Brechungsindexes nicht mehr als Beugungsgitter, sondern als periodische Schliere, d. h. die Wirkung der »Störung« auf die Ausbreitung des Lichtes kann im wesentlichen nach den Gesetzen der geometrischen Optik ermittelt werden. Unter der Voraussetzung, daß die Wellenlänge der Ultraschallwelle von etwa gleicher Größenordnung ist wie der Durchmesser der Granulations-»körner« der durch sie hindurchtretenden Lichtwelle, kann diese »Schlierenwirkung« der Ultraschallwelle erfolgreich ausgenutzt werden. Die von der Schallwelle bewirkten Brechungsindexgradienten sorgen für eine Abweichung der entsprechenden Einzelanteile der Welle von der ursprünglichen Fortpflanzungsrichtung und damit für eine »Umverteilung« der Amplituden und Phasen innerhalb des Fokus, d. h. das Granulationsmuster ändert sich. Die Änderung geschieht kontinuierlich in Abhängigkeit der kontinuierlichen Änderung des von der Ultraschallwelle erzeugten Brechungsindexgradienten. Mit der richtungsgemäßigt η Modulation der Einzelanteile der Lichtwelle ist naturgemäß eine gewisse Verbreiterung des Fokus verbunden. Je kleiner der Durchmesser der Granulationskörper im Fokus ist, desto geringere, von der Schallwelle erzeugte Brechungsindexgradienten werden zu einer Änderung der Granulationsstruktur benötigt und desto geringer wird die Verbreiterung des Fokus für einen gewünschten Grad der Granulationsbeseitigung. Ceteris paribus sind also der Grad der Granulationsbeseitigung und der Fokusdurchmesser gekoppelt. Außerdem wird bei sonst gleichen Parametern die Granulation um so besser beseitigt, je größer die Apertur des Objektives 02 bei entsprechender Verbreiterung der Streukeule ist. Versuche haben gezeigt, daß bei Verhältnissen, wie sie in der Praxis der Lasergroßbildprojektion auftreten, der Grad der Granulationsbeseitigung bei einer geringen Vergrößerung des Fokus — etwa 25 bis 50 % befriedigend ausiällt.

Noch bessere Ergebnisse als mit der zuvor beschriebenen Anordnung können erzielt werden, wenn anstatt der periodischen Ultraschallwelle eine unperiodische Schallwelle verwendet wird, wobei die Korrelationslänge dieser Welle mit der der optischen Welle übereinstimmt. Näherungsweise läßt sich das durch die Anregung weiterer diskreter Ultraschallfrequenzen im selben oder einem weiteren, nachgeordneten Ausbreitungsmediüm erreichen. Die Anregung kann in einem oder mehreren Niedien erfolgen. In einer weiteren Verbesserung des beschriebenen Verfahrens wird ein weiteres Ultraschallfeld in einer zum Licht und zum ersten Ultraschallfeld senkrechten Ausbreitungsrichtung angeregt. Hiermit kann z. B. — bei gleicher Defokussierung — ein größerer Grad der Granulationsverminderung erreicht werden.

Die Positionierung der Ultraschallanordnung ist nicht auf die Ausgangsapertur des Systems beschränkt. Auch Aufstellung in Richtung auf das Primärbild oder zum Projektionsschirm ρ hin ist möglich. Entsprechend der oben gegebenen Vorschrift wird in diesen Fällen die Schallwellenlänge kleiner sein müssen.

Obwohl das Ausführungsbeispiel zunächst für die Anwendung von Informationsdarstellungen geschildert wurde, bei denen das Bild durch eine Laserstrahlabtastung erzeugt wird, so ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt. Sie läßt sich auch bei allen Darstellungen benutzen, bei denen die räumliche Laserstrahlmodulation stationär erzeugt wird, wie sie z. B. mit Hilfe eines auf einer Photoplatte befindlichen Hologramms erhalten wird. Die Ultraschallzelle kann hier entsprechend dem Erfindungsgedanken in der Austrittspupille des Systems benutzt werden.

Anstelle des Schlierenverfahrens kann auch ein in der Nähe des Objektivs im Strahlengang befindlicher durch Ultraschallwellen in seiner Lage oder Kontur veränderlicher z. B. prismatischer Körper das KiId auf dem Bildschirm um eine Strecke bewegen, die klein gegenüber dem Auflösungselement des Büdes ist.

Nach F i g. 3 wird ein von einem Lasergenerator G erzeugter Laserstrahl durch den Strahlablenker DL so bewegt, daß der Strahl in der Brennebene eines nachgeordneten Objektivs 01 ein Bild der darzustellenden Information zeichnet. Eine in der Brennebene befindliche Mattscheibe M weitet den im allgemeinen in der Grundmode befindlichen Laserstrahl zu einer Streukeule, die auf ein zweites Objektiv 02 fällt. Dies Objektiv bildet das primäre Bild auf dem eigentlichen Projektionsschirm P ab. auf dem die Information subjektiv oder objektiv beobachtet werden soll. Die von jedem Punkt des Primärbildes ausgehende Streukeulc steift näherungsweise eine Kugelwelle dar, deren Phasenfront gewissen Schwankungen unterworfen ist. Ohne Einführung der Mattscheibe M wird der in der Grundmode befindliche Laserstrahl hinter der Brennebene des ersten Objektives 01 den durch die gestrichelten Begrenzungslinien angedeuteten Verlauf nehmen. Am Ort des Fokus auf dem Projektionsschirm P ist die Weflenfront -ben und die Intensitätsverteilung homogen. Durch die Rauhigkeit des Schirmes P wird der Strahl in einem weiten räumlichen Kegel zurückgestreut Da alle ElementarweHen der rückgestreuten Welle statistisch unterschiedliche Phasen besitzen, aber im allgemeinen zueinander einen Kohärenzgrad von nahezu 1 besitzen, kommt es zu der objektiv und subjektiv zu beobachtenden Granulation.

Die Umwandlung des in der Grundmode befindlichen Laserstrahls in einen aufgeweiteten Streustrahl finden an der Granulationserscheinung zunächst nichts, sorgt jedoch dafür, daß die Intensitätsverteilung im Fokus am Schirm P nicht mehr homogen ist, sondern die für die Granulation typischen Schwankungen aufzeigt. Außerdem ist die Wellenfront nicht mehr eben, sondern von unregelmäßiger Struktur.

Aufgrund der beschriebenen Struktur der Wellen front im Fokus führt jede Bewegung dieses Fokuspunktes auf dem Schirm, die um die Weite eines

■ο Granulationspunktes hinausgeht, zu einer Änderung der Granulationsstruktur des vom Schirm Prückgestreuten Lichtes in seinem Fernfeld. Beobachtet z. B. eine Person das vom Laser erzeugte Bild aus einer Entfernung, bei der die einzelnen Granulationselemente im Bildelement nicht mehr aufgelöst werden, so erhält der Beobachter bei jeder der erwähnten Bewegungen den Eindruck eines anderen Granulationsmusters auf seiner Netzhaut.

Wenn nun das von der Mattscheibe M auf den

Projektionsschirm P geworfene Bild mit hoher Fre-

ϊο quenz um einen Bruchteil der Ausdehnung eines Bildelementes, aber um mehrere Granulationselementdurchmesser bewegt wird, d.h. die Amplitude eines ultraschallgesteuerten Mediums ausgenutzt wird, kann ebenfalls eine erhebliche Granulationsminderung erzielt werden.

Hinter dem Objektiv 02 befindet sich ein Medium aus einem Material, das durch Ultraschallwellen von der Wellenlänge in der Größenordnung der Objektivapertur angeregt werden kann. Eine bevorzugte Ausführung besteht aus einer länglichen Quarzplatte 5. die 711 akustischen Eigenschwingungen angeregt wird. In diesem Falle ändert sich die Dicke der Platte in der Mitte mit maximaler Amplitude, während die Amplitude der Dickenänderung an den Schmalseiten verschwindet.

Entsprechend wirkt die Quarzplatte wie ein Doppelprisma variabler Brechkraft. Bringt man die Platte mit einer der beiden Hälften vor das Objektiv 02. so läßt ..ie bei Anregung zu Dickenschwingungen das aus dem Objektiv tretende Lichtbündel im Takte ihrer Schwingungen um einen im allgemeinen kleinen Winkelbetrag oszillieren. Entsprechend bewegt sich der Fokus F des Laserstrahls auf der Projektionswand P Ist die Amplitude dieser oszillierenden Bewegung größer als die durchschnittliche Größe der Granulationselemente.

so sieht ein Beobachter aus einer Entfernung, aus der er die einzelnen Intensitätsschwankungen im Fokus nicht mehr auflösen kann, eine von der ersten unabhängige Granulationsstruktur.

Bei ausreichend großer Amplitude der Dickenschwin-

jo gungen und genügend kleiner Granulationsstruktur im Fokus wird die Anzahl der unabhängigen Granulationsstrukturen, die der Beobachter wahrnimmt, so groß, daß eine Mittelung der beobachteten Granulation bei nur geringem Verlust an Bildauflösung eintritt Die Anzahl der vom Beobachter gesehenen, unabhängigen Granulationsstrukturen kann wesentlich erhöht werden, wenn die Oszillationsbewegung des Fokus nicht linear, sondern zweidimensional erfolgt In einer Erweiterung des Erfindungsgedankens wenden daher zwei Schwingungsplatten in den Strahlengang gebracht wobei eine Platte S gegen die andere S' um die Systemachse um 90° gedreht ist

In einer weiteren Modifikation der Erfindung kann in der Nähe des Objektives 01 eine weitere Schwingung*- platte S" angebracht werden, deren Schwingung zu einer Bewegung des Laserfokus auf der Mattscheibe M führt. Die Schwingungen beider Hatten erfolgen derart synchron und mit einer solchen Amplitude und

Richtung, daß der Laserfokus am Projektionsschirm P ruht. Durch das Zusammenwirken beider Schwingungen wird eine zeitliche Änderung der Granulation im Fokus am Projektionsschirm verursacht, ohne daß eine Auflösungseinbuße hingenommen werden muß.

Das Verfahren ist auch bei Abbildungs-Systemen m stationärer, räumlicher Laserstrahlmodulation, wie si z. B. bei Verwendung von Hologrammen auftril einsetzbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

,3 15 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verminderung oder Beseitigung der Granulation bei IiüonnationsprGJeküonen, die durch räumliche Laserstrahlmodulation erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in der Bildebene eines ersten Objektivs {01) durch eine Streuscheibe (St) aufgeweitet wird und daß in einem in der Nähe eines zweiten Objektivs (02) angeordneten transparenten Medium «° (T) mittels Ultraschall Schwingungen bzw. Wellen im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse angeregt werden, wobei die Wellenlänge der Ultraschallwelle mindestens einem Durchmesser der Granulationselemente der Lichtwelle am Ort des Mediums entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Ultraschallwelle aus einem Gemisch von Ultraschallfrequenzen besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im selben oder einem gesonderten Medium ein zweites Ultraschallfeld erzeugt wird, dessen Ausbreitungsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lich'es und des erstgenannten Uliraschdllfeldes liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des zweiten Objektivs (02) ein dessen Apertur ausfüllender durchsichtiger fester Körper (S) zu Ultraschalldickenschwingung~n angeregt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich neben dem ersien Körper (S) ein zweiter Körper (S) von gleichen Eigenschaften im Strahlengang befindet, der gegenüber dem ersten um die Systemachse um 90° gedreht ist und dessen sich mit hoher Geschwindigkeit yeriodisch verändernde Charakteristik ebenfalls durch Ultraschall erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder b, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Nähe des ersten Objektivs (01), das das Zwischenbild erzeugt, ein oder zwei zu Ultraschallschwingungen angeregte prismatische Körper (S") befinden, die das Zwischenbild derart bewegen, daß die auf dem Projektionsschirm (P) auftretende Bewegung des Bildes kompensiert wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Objektiven (01,02), die hinter einem digitalen Lichtablenker (DL) angeordnet sind, eine Streuscheibe (Sf^ angeordnet ist und hinter dem zweiten Objektiv (02) eine Schicht (T) aus flüssigem Material angebracht ist. das von einer Ultraschallwelle angeregt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusatzlich im Strahlengang eine weitere Schicht aus einem flüssigem Medium angeordnet ist, das zu Ultraschallschwingungen angeregt wird, deren Ausbreitungsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichtes und des Schallfeldes der ersten Schicht liegt.