DE9015009U1

DE9015009U1 - Vorrichtung zur wenigstens zweidimensionalen Bilddarstellung nach dem Punktrasterverfahren

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Publication number: DE9015009U1
Application number: DE9015009U
Authority: DE
Original assignee: BAHR DETLEF 3300 BRAUNSCHWEIG DE; LANGHANS KNUT 2160 STADE DE
Current assignee: BAHR DETLEF 3300 BRAUNSCHWEIG DE; LANGHANS KNUT 2160 STADE DE
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1991-03-21
Anticipated expiration: 2000-11-01

Description

Volker Tegtmeyer 29.10.1990

Wendenring 20
3300 Braunschweig

Vorrichtung zur wenigstens zweidimensionalen Bilddarstellunq nach dem Punktrasterverfahren

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Problem

Für die X- und Y-Ablenkung eines Abtaststrahles eines nach dem Punktrasterverfahren dargestellten Bildes sind sogenannte Galvanometerscanner bekannt, die jedoch wegen ihrer geringen Grenzfrequenzen und der kleinen Auslenkwinkel nur für eine kleinformatige und relativ 0 einfache Bilddarstellung in Betracht kommen. Ein weiteres Problem ist die Steuerung und gegenseitige Synchronisation derartiger Ablenkeinrichtungen.

Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, daß unter Vermeidung der aufgezeigten Schwierigkeiten auch Linienraster größeren Ausmaßes, beispielsweise für Großprojektionen, erzeugt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Die

Verwendung von rotierenden Polygonspiegeln hat den Vorteil, daß relativ einfach hohe Drehzahlen und damit hohe Ablenkfrequenzen erzielt werden können.

Weiterbildung der Erfindung

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Nebenansprüchen angegeben. Dies gilt insbesondere auf die vorteilhafte Ausgestaltung in Hinblick auf eine dreidimensionale Bilddarstellung beliebiger Körper und Szenen, wobei eine Betrachtung ohne Betrachtungshilfen von jedem beliebigen Betrachtungsstandpunkt zum Display möglich sein soll.

Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch realisieren, daß, ausgehend von einer zweidimensionalen Ablenkung mit zwei Polygonspiegeln, durch diffuse Streuung des Laserstrahles an einer Projektionsfläche ein Leuchtpunkt erscheint, der 0 zweidimensional abgelenkt wird und zunächst nur ein ebenes Bild erzeugt. Wird nun zusätzlich die Projektionsfläche orthogonal, d.h. in Z-Richtung verschoben, dann erzielt man eine räumliche Tiefe, da der jeweilige Leuchtpunkt mit der Projektionsebene im durch 5 die Anordnung begrenzten Raum mitverschoben wird.

Darstellung der Erfindung

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig.l eine Vorrichtung zur wenigstens zweidimensionalen Bilddarstellung gemäß der Erfindung.

Fig.2 das Prinzip einer Anordnung zur Strahlengangfaltung in einer Vorrichtung nach Fig.l

Bei der in Fig.l dargestellten Vorrichtung ist als Lichtquelle ein Laser L vorgesehen, dessen Laserstrahl mit Hilfe eines akusto/optischen-Modulators AOM gepulst wird. Der modulierte Laserstrahl gelangt über ein erstes Linsensystem Ll an einen ersten rotierenden Polygonspiegel Pl, der den Strahl in der ersten Ablenkrichtung ablenkt. Über ein zweites Linsensystem L2 und nach Umlenkung in einer Strahlengangsfaltungsanordnung SGF gelangt der Laserstrahl über ein drittes Linsensystem L3 zu einem zweiten rotierenden Polygonspiegel P2, der eine Ablenkung des Laserstrahles in eine zweite Ablenkrichtung bewirkt.

Der Laser L arbeitet im sichtbaren Bereich des Spektrums und braucht weiter keine besonderen Spezifikationen. Der akusto/optische-Modulator AOM ist ein handelsüblicher Baustein und muß lediglich auf die Wellenlänge des Lasers L und dessen Leistung abgestimmt sein. Diese Modulatoren sind für die Ein/Aus-Modultion von Laserstrahlen üblich.

Die Linsensysteme Ll, L2, L3 und die Strahlengangfaltungsanordnung SGF sind erforderlich, um die beiden 5 Polygonspiegel Pl und P2 horizontal betreiben zu können (d.h. die Motorachsen stehen senkrecht). Normal wäre, die Polygone z.B. jeweils um 45 Grad geneigt anzuordnen, damit deren Ablenkrichtungen senkrecht aufeinander stehen.

Durch die horizontale Anordnung der beiden Polygonspiegel Pl,P2 ist der Aufbau wesentlich kompakter und der Verschleiß der schnell rotierenden Lager ist durch gleichmäßige Belastung der Lager nicht so groß wie bei vertikalem Einbau (Motorachse horizontal) mit einseitiger

Punktbelastung der Lager.

Durch die in Fig.l dargestellte Vorrichtung läßt sich ein herkömmliches Zeilenraster zeichnen, wie es in ähnlicher Weise aus der Fernsehtechnik bekannt ist. Der Unterschied besteht darin, daß hier die Zeilen auf Ebenen abgebildet werden, die räumlich gestaffelt sind. Durch Pulsen des Laserstrahls mit Hilfe des akusto/optischen Modulators AOM werden die Zeilen in definierte Punkte unterteilt. Alle Punkte können in beliebigen Kombinationen projiziert werden. Aus diesen Punkten wird schließlich das gesamte Bild zusammengesetzt. Die Auswahl der Punkte ist dabei wesentlich einfacher als die Berechnung von Ablenkfrequenzen.
Beide Polygonspiegel Pl und P2 rotieren in der hier dargestellten Anordnung im Uhrzeigersinn. Alle anderen mögliche Kombinationen des Drehsinns sind ebenfalls anwendbar. Die optischen Linsensysteme L2 und L3 sollen in erster Linie den Strahlenverlauf beeinflussen. Darüberhinaus verändern sie aber auch den Laserstrahl in sich. Um diesen Einfluß auszugleichen, wird das Linsensystem Ll in den Strahlengang gesetzt. Es bewirkt, daß auch hinter dem Polygon P2 der Laserstrahl als dünner, parallelisierter Strahl wieder austritt. Da die Ablenkrichtungen beider Polygonspiegel Pl,P2 5 orthogonal zueinander stehen, kann der Laserstrahl in zwei Koordinaten des kartesischen Raumkoordinatensystems bewegt werden. Aufgrund des sägezahnförmigen Verlaufs der Ablenkungen ergibt sich bei geeigneter Wahl der Ablenkfrequenzen auf der Mattscheibe S ein Muster von parallelen Linien (ein sog. Zeilenraster). Durch zusätzliche Hell/Dunkel-Tastung des Lasers mit Hilfe eines akusto/optischen Modulators AOM werden die einzelnen Zeilen punktförmig aufgerastert. Es entsteht ein zweidimensionales Punkteraster. Das Höhen-Breiten-

Verhältnis des Bildformates dieses Rasters wird bestimmt durch die Brennweite des Linsensystems L3 und durch den Auslenkwinkel des Polygons P2.

Die Hell/Dunkel-Modulation des Laserstrahls kann auch durch mechanische oder optoelektronische Verfahren erfolgen. Der AO-Modulator AOM hat aber den Vorteil, daß es ein handelsübliches Bauelement ist, welches sich einfach elektronisch ansteuern läßt, trägheitslos arbeitet und problemlos hohe Pulsraten erzielen kann.

Die Ablenkfrequenzen der Polygonspiegel ermitteln sich aus dem Produkt der Polygondrehzahl und der Facettenanzahl des Polygons. Sie sind so aufeinander abzustimmen, daß innerhalb einer Ablenkperiode die gewünschte Anzahl paralleler Linien einmal gezeichnet werden. Sollen beispielsweise 400 Linien gezeichnet werden, muß die Frequenz eines Polygons 400 mal höher sein als die des zweiten. Bei einer Bildwiederholfrequenz von 30 Hz (entsprechend einer Ablenkperiode von 1/30 s) ergeben sich dabei Ablenkfrequenzen von 30 Hz für den langsam rotierenden Polygon und 12 kHz für den schnell rotierenden. Es ist dabei unerheblich, welches der beiden Polygone Pl und P2 schneller dreht.Sollen nun pro Linie 20 Punkte gezeichnet werden, so ergibt dies für den akusto/optischen Modulator eine Pulsfrequenz von 240 kHz. Eine untere Bildwiederholfrequenz von 30 Hz sollte angestrebt werden, um ein möglichst flackerfreies Bild zu erzeugen.

Die beschriebene Anordnung kann vorteilhafter Weise auch für eine dreidimensionale Bilddarstellung verwendet werden. Dabei wird das vom xy-Strahlablenksystem erzeugte Punkteraster nicht mehr auf eine stationäre Mattscheibe sondern über einen Spiegel auf eine rotierende

Projektionsfläche in Form einer eingängigen Schraubenfläche aus diffus reflektierendem, durchscheinendem Material gerichtet. Durch Rotation der Projektionsfläche mit der Drehzahl n₃ wird jeder Bildpunkt des vom XY-Ablenksystem erzeugten zweidimensionalen Bildes in z-Richtung verschoben. Mit Hilfe dieser Anordnung kann jeder Punkt im von der Projektionsfläche überstrichenen Projektionsraum in Form kartesischer Raumkoordinaten angesteuert werden.

Um ein Bildlaufen zu verhindern, ist die Phasenstabilität zwischen den einzelnen bilderzeugenden Komponenten (Pl, P2, Projektionsfläche und AOM) von besonderer Bedeutung. In diesem Fall werden die Polygondrehzahlen, die Drehzahl der Projektionsfläche und die Steuersignale für den AO-Modulator AOM elektronisch aufeinander synchronisiert. Zu diesem Zweck bedient man sich der Positionsdetektoren PD in Abbildung 1. Es handelt sich um Reflexionslichtschranken, die jeden Durchgang einer Polygonfacette detektieren. Mit Hilfe einer Elektronik läßt sich daraus die Ablenkfrequenz und die momentane Stellung des jeweiligen Polygons ermitteln. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Drehzahl des Polygons Pl elektronisch sehr genau gesteuert. Sein Positionsdetektor PD gibt somit das Sollsignal vor. Eine PLL Schaltung (phase locked loop) vergleicht dieses Signal mit dem Istsignal PD des Polygons P2 und regelt die Drehzahl des zweiten Polygons P2 solange nach, bis beide Polygone phasensynchron laufen. In ähnlicher Weise wird der Antriebsmotor der Projektionsfläche auf den Polygonspiegel Pl synchronisiert. Der AO-Modulator AOM wird ebenfalls elektronisch synchronisiert. Da er trägheitslos arbeitet, stellt dieser Vorgang regelungstechnisch kein Problem dar.

Obwohl die Vorrichtung zur Ausübung des erfinderischen Verfahrens ein mechanisch optisches System ist, ist die Dynamisierung trägheitslos, da alle mechanischen Drehbewegungen konstant bleiben können und der Bildinhalt ausschließlich elektronisch mit Hilfe des Modulators AOM gesteuert werden kann. Die Steuerung des Systems kann digital erfolgen durch einen Rechner und/oder ein spezielles elektronisches Steuergerät. Die Anordnung benötigt zur Darstellung eines Bildpunktes nur Steuersignale zur zeitlich definierten Hell/Dunkel-Tastung des Laserstrahles. Die Ausgabe solcher Steuersignale durch einen Rechner kann mit bekannten Mitteln erfolgen.

Ersetzt man die rotierende Schraubenfläche durch eine ebene ortsfeste Projektionsfläche, so läßt sich das System ähnlich wie ein Monitor oder Fernseher einsetzen." In diesem Fall wird die Elektronenbildröhre praktisch durch die Laserstrahlablenkeinheit ersetzt und es lassen 0 sich ebene Bilder und Grafiken erzeugen. Bei

entsprechender Ansteuerung läßt sich diese Anordnung als Fernsehprojektor einsetzen. Ist der Laser sehr leistungsstark, so lassen sich damit Großbildprojektionen auf weite Entfernungen realisieren. 25

Die Synchronisation der Polygone Pl und P2 kann vereinfacht werden, indem man sie mechanisch koppelt (z. B. durch Zahnräder oder Zahnriemen). Zusätzlich kann der Motor für die rotierende Projektionsfläche gekoppelt 0 werden. Dadurch wäre eine elektronische Synchronisation nicht mehr erforderlich.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird von einer einfarbigen Abbildung ausgegangen. Bei Verwendung von

Weißlichtlasern oder mehreren Lasern verschiedener Farbkomponenten, deren Einzelstrahlen zu einem Strahl vereinigt werden und deren Farbkomponenten getrennt angesteuert werden können, ist auch eine farbige Darstellung möglich.

Durch Verkämmen der Zeilenraster mehrerer xy-Ablenksysteme kann die Bildauflösung wesentlich erhöht werden. Das Verkämmen kann man sich so vorstellen, daß man zwischen die Zeilen des ersten Rasters die Zeilen des zweiten Rasters legt usw. Auch der Ersatz des einen Laserstrahles durch mehrere eng beieinander liegende parallele Strahlen, die unabhängig voneinander moduliert werden können, führt zu einer ähnlichen Verschachtelung und damit zu einer Erhöhung der Auflösung.

Die zwischen den beiden Polygonspiegeln Pl,P2 vorgesehene Strahlengangfaltungsanordnung SGF kippt die Ablenkrichtung des ersten Polygonspiegels Pl um 90 Grad.

Dies geschieht über zwei Prismen oder zwei Spiegel. Das Prinzip dieser Anordnung wird im einzelnen anhand der Fig.2 näher erläutert.

Der erste Spiegel Sl lenkt das horizontale Strahlenbündel nach unten auf den zweiten Spiegel S2, der es zur Seite spiegelt. Da der zweite Spiegel S2 geneigt eingebaut ist, treffen die von oben kommenden Strahlen in unterschiedlicher Höhe auf den zweiten Spiegel und treten somit in unterschiedlicher Höhe aus der Anordnung aus. D.h. wenn der Laserstrahl auf dem oberen Spiegel Sl von 0 hinten nach vorne abtastet, dann wandert er unten hinter dem zweiten Spiegel S2 von oben nach unten.

Claims

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur wenigstens zweidimensionalen Bilddarstellung nach dem Punktrasterverafahren mit Hilfe eines pulsierenden Laserstrahls und wenigstens zwei je einer Bilddimension zugeordneten Ablenksystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die für die X- und Y-Ablenkung dienenden Ablenksysteme aus je einem rotierenden Polygonspiegel (P1,P2) bestehen, die zueinander frequenz- und phasensynchronisiert und im Strahlengang so zueinander angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Ablenkrichtungen senkrecht zueinander stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Polygonspiegel (P1,P2) achsparallel zueinander angeordnet sind und daß zwischen den beiden Polygonspiegeln eine nicht komplanare optische Ablenkanordnung (SGF) zur Strahlengangfaltung vorgesehen ist, welche die Ablenkrichtung des ersten Polygonspiegels (Pl) um 90 Grad dreht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die nicht komplanare Anordnung (SGF) aus jeweils zwei um 45 Grad geneigten Spiegeln (Sl,S2) bzw. Prismen besteht, deren Einfallsebenen senkrecht zueinander stehen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur farbigen Abbildung mehrere, den Farbkomponenten entsprechende Farbstrahlen, von denen jeder für sich in der Intensität moduliert wird, zu einem gemeinsamen Bildstrahl

vereinigt werden und vereinigt zur Abbildung ausgelenkt werden.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschachtelung der

Bilder mehrere zweidimensionale Ablenksysteme vorgesehen sind, deren jeweiligen Abtaststrahlen ineinander verkämmt sind, wodurch die Bildauflösung erhöht wird.
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6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß zur räumlichen Bilddarstellung eine dritte Ablenkeinheit vorgesehen ist, die als schraubenförmig gewundene Projektionsfläche ausgebildet ist und um eine in Richtung der Z-Achse verlaufende Hochachse rotiert.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Polygonspiegel (P2) und der in Z-Richtung verschiebbaren Projektionsfläche eine Fresnellinse angeordnet ist.