EP2817967A1 - Projektionskopf für einen laserprojektor - Google Patents

Projektionskopf für einen laserprojektor

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EP2817967A1
EP2817967A1 EP13705980.4A EP13705980A EP2817967A1 EP 2817967 A1 EP2817967 A1 EP 2817967A1 EP 13705980 A EP13705980 A EP 13705980A EP 2817967 A1 EP2817967 A1 EP 2817967A1
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EP
European Patent Office
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projection head
head according
lens
fiber
fibers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13705980.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Biehlig
Andreas Zintl
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LDT Laser Display Technology GmbH
Original Assignee
LDT Laser Display Technology GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source

Definitions

  • the invention is concerned with a projection head for a laser projector, but in particular with the fiber extraction at a relatively large distance between the fibers, so with a new concept, the optical properties of the projector head with scanning laser projection improving.
  • a fiber decoupling is presented, with which there are advantages over previous solutions with fiber duo. It represents a possibility to be able to adjust the position of the crossing point between the light beams. So it is possible to place the crossing point on the polygon facets of a polygon (mirror). As a result, only lower light losses occur and edge discoloration when projecting onto a projection surface is reduced.
  • the lateral distance between the fibers is relatively large and is a few millimeters. Due to the large distance, it is possible to integrate additional adjustment aids and to use conventional fiber connectors for single fibers.
  • the light is transported from a laser source to the projection channel via an optical fiber.
  • the image quality is decisively determined by the optical design in the area between the end of the fiber duo and the biaxial scanner.
  • the divergent bundles of rays emerging from both light fibers are collimated by a collimation lens.
  • This beam offset leads to deterioration of the image quality.
  • the inhomogeneity of the brightness distribution in the image increases.
  • it can lead to edge discoloration.
  • the aperture eliminates much of the scattered light.
  • FIG. 12 "Prior Art”, such a known arrangement of the embodiment of the fiber outcoupling for a fiber duo according to the prior art is shown.
  • the laser projector the light from the laser source to the projection channel via optical fibers 100, 101 transported.
  • a collimating lens 102 collimates the diverging beams emerging from the two optical fibers 100, 101.
  • different points of impact occur on the polygonal facet mirror 104.
  • DE 10 2004 001 389 A1 discloses an arrangement and a device for minimizing edge discoloration in video projectors.
  • an image is projected onto a projection surface, which is composed of pixels.
  • the arrangement comprises at least one light beam emitting, variable in intensity light source and a Jus- day device after a fiber, containing an optical delay for symmetrizing the light beam, and a subsequent deflection.
  • the method and device for projecting an image onto a projection surface from DE 10 2008 063 222 A1 builds on a fiber of DE 10 2004 001 389 A1 and proposes to construct the deflection device with a scanner unit and suitable deflection mirrors. Furthermore, the deflection unit comprises fixed or movably arranged dichroic mirrors, etc., as well as optionally a diaphragm system.
  • DE 10 2007 019 017 A1 discloses a further method and a further apparatus for projecting an image on a projection surface, which is constructed from pixels, with at least one, an intensity changeable light source emitting a light beam and a coupling device after the fiber and a subsequent deflection device which directs the light beam onto the projection surface.
  • DE 601 24 565 T2 presents a raster laser projection system in which narrow neighboring light-conducting bundles are used in order to be able to scan several lines simultaneously on the projection screen.
  • the fiber ends are imaged by an optic on the projection screen.
  • the different primary color components red, green, blue
  • the colored points of light red, green, blue
  • three or more optical fibers are used.
  • One or more points on the projection surface must be irradiated sequentially or simultaneously by different scans within an image in order to superimpose on the projection surface the points of light emerging from the different optical fibers of the fiber bundle.
  • the possible structure of the optics after the fiber is not explained in detail.
  • the object of the invention is to improve the properties of a projection head with a simple construction, so that the image quality is also improved.
  • the invention is based on the basic idea of crossing the collimated beams on the polygonal facet mirror (intersection point), with the diaphragm also being brought to a better position without impairing the functionality in any way.
  • the known collimating lens is replaced by new decoupling systems.
  • a first converging lens produces a focal point of the beams of at least two fibers which are inclined and relatively far apart from each other, in the vicinity of the focal plane of a second converging lens, which collimates these beams.
  • the beams In front of the focal plane of the second convergent lens (focusing lens), the beams intersect.
  • This crossing point is imaged by the second convergent lens (collimation lens) in the plane of the polygon facet where then a second crossing point lies.
  • a lens hood is located at the first crossing point.
  • the proposed coupling optics (decoupling system or decoupling device) consists in a first embodiment only of converging lenses.
  • the coupling-out optics consists of a combination of collecting and diverging lenses. Due to the greater fiber spacing selected, each fiber has its own focusing or converging lens. Each of the lenses is in practice representative of a lens group. This is necessary so that the necessary corrections (color aberration, astigmatism, etc.) can be realized.
  • 1 shows a first variant with at least three fibers and converging lenses
  • Fig. 2 shows a further variant with at least three fibers and a combination of
  • FIG. 4 is a projected image corresponding to FIG. 3c.
  • FIG. 4 is a projected image corresponding to FIG. 3c.
  • FIG. 6 shows a basic structure of the variant in Fig. 2 with representation of the beam centers
  • FIG. 7 shows the structure in FIG. 6 with a representation of the beam diameter
  • FIG. 9 shows an axial view of a coupling-out group with a segmented mirror and nine fibers
  • FIG. 10 is a side view of a coupling-out of FIG. 9,
  • Fig. 1 1 is a representation of a fiber with adjustment aids.
  • FIG. 1 shows a first decoupling electronics 1 1 of a projection head not shown in detail with three spaced-apart fibers 1, 2, 3, which are aligned by means of associated apertures 12, 13, 14 and behind lenses 15, 16, 17 that a real Junction point Ki in front of the focal plane of a common further lens 18 (collimator lens) is located.
  • the illustrated lenses 15-17 (Fig. 1, Fig. 2) are in practice representative of a lens group, which is necessary if necessary corrections (color aberration, astigmatism, etc.) should be realized.
  • Each fiber 1, 2, 3 has its own converging lens 15 -17 (focusing lens with the focal length f-1), with apertures 12-14, which generates a focal point B in the focus of the collimating lens (focal length f 2 ).
  • the collimation is realized in the second step by the common collimating lens 18.
  • the collimating lens 18 In front of the collimating lens 18 there is a clear inclination of the beams 1 .1, 2.1, 3.1 coming from the fibers 1, 2, 3 with respect to the optical axis 19 (dash-dot line).
  • the inclination between the light beams is significantly lower in the area between the collimating lens 18 and the polygonal facet 20 than between the optical fibers 1, 2, 3 (typical factor about 8).
  • the crossing point Ki of the lenses 15-17 is imaged by the collimating lens 18 on the polygon facet mirror 20. All light beams 1 .2, 2.2, 3.2 are therefore on the polygon facet mirror 20 one above the other, ie here is a second real crossing point (pupil).
  • the decoupling electronics 21 consists of collecting and at least one diverging lens.
  • Each fiber 1, 2, 3 here also has its own converging lens (focusing lens) 15-17, which generates a virtual focal point B v in the focal plane of the collimating lens 22.
  • the collimation is realized in the second step by the common diverging lens 22.
  • the virtual crossing point K v is imaged by the collimating lens 22 on the polygon facet mirror 20, therefore, there exists a real crossing point (pupil). All light rays pass the polygon facet mirror 20 through a dot.
  • the fibers 1 -3 in the coupling-out 1 1, 21 are involved.
  • the number of fibers is typically in the range between 1 and 10. However, an absolute upper limit is not given. It is conceivable a variety of different implementations of the fiber group.
  • the fibers can also be arranged in several levels, see Fig. 3a-c. Shown are various arrangements of fiber groups in the direction of the optical axis 19 and in each case the fiber end faces of several mutually inclined fibers.
  • the optical axis 19 is located at the intersection of the two lines Ln and L 12th In the projected image of the fiber group according to FIG. 4, the image in FIG. 3c is formed in an analogous manner. (Only by the movement of the rotating polygon arise the equidistantly written lines Z 11-19 .)
  • Variant B distance between the virtual crossing point and the collimation lens (L 2 > 0)
  • Variant B distance of the focusing lenses to the second focal plane of the
  • f 2 focal length of the collimating lens (variant A: f 2 > 0, variant B: f 2 ⁇ 0)
  • Di beam diameter at the focusing lens
  • inventive couplings 10, 20 have the same beam diameter as in the prior art when using the same optical fiber on the projection screen 30 and on the facets of the polygon mirror 20.
  • Another requirement is a positive distance between focusing and collimating lenses:
  • the focal length of the collimating lens should also match the beam diameters of the two beams and their distances.
  • the usable diameter of a lens is about half the amount of its focal length, so it applies:
  • a reduction in size is further achieved by a combination of the two variants (A and B) with a telescope 30.
  • the telescope 30 is introduced between the fiber outcoupling and the Polygonfacettenapt 20 in the optical path.
  • the optical scheme is shown in Fig. 6 and Fig. 7 for the variant B.
  • variant A the arrangement is mutatis mutandis.
  • a diaphragm 31 can be positioned at the output-side crossing point of the fiber extraction.
  • the distance of the diverging lens 21 to the aperture 31 is Li.
  • the polygon facet mirror 20 is at the focal point of the second telescope lens (output pupil of the telescope 30).
  • the telescope 30 reduces the angle of inclination of the light beams after fiber extraction by a factor of approximately 8.
  • the light beam is widened by the same factor.
  • the overall length can be shortened considerably.
  • Using a segmented mirror 40 another constructive alternative with respect to the space problem in the area of the focusing lenses 41-49 is given.
  • the number of fibers 1, 3, 9 shown in FIG. 8 and their arrangement is only an example here. Due to the segmented mirror 40, a good spatial separation of the three focusing optics 42, 48, 49 shown is possible.
  • FIG. 9 an axial view of a coupling-out with the segmented mirror 40 with the incorporated 9 fibers.
  • the ninth fiber lies exactly in the axial direction.
  • the different hatchings in the segmented mirror 40 show the inclination of the individual mirror segments whose size is a few millimeters.
  • a side view of the coupling-out group 51 from FIG. 9 is shown in FIG. 10.
  • Fig. 1 1 shows that ample space for necessary Justage Anlagenn 50 can be created by this design proposal.
  • Possible adjustment aids 50 are, for example, rotatable plane parallel plates or optical wedges. Thus, then the fine adjustment of the beam position and / or beam tilt can be made.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Projektionskopf für einen Laserprojektor mit einer Faserauskopplung bei relativ großem Abstand zwischen den Fasern, also mit einem neuen Konzept die optischen Eigenschaften des Projektorkopfes bei scannender Laserprojektion verbessernd. Dazu wird eine Faserauskopplung vorgestellt, mit der sich gegenüber bisherigen Lösungen mit Faserduo Vorteile ergeben. Es stellt eine Möglichkeit dar, die Lage des Kreuzungspunktes (K1) zwischen den Lichtstrahlen (1.1,2.1,3.1) einstellen zu können. So ist es möglich, den Kreuzungspunkt auf die Polygonfacetten eines Polygonspiegels (20) zu legen. Dadurch treten nur noch geringere Lichtverluste auf und Randverfärbungen beim Projizieren auf eine Projektionsfläche (30) werden reduziert. Der laterale Abstand zwischen den Fasern (1,2,3) ist relativ groß und beträgt einige Millimeter. Durch den großen Abstand ist es möglich, zusätzliche Justagehilfsmittel zu integrieren sowie konventionelle Faserstecker für Einzelfasern zu verwenden.

Description

BESCHREIBUNG
Projektionskopf für einen Laserprojektor
Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Projektionskopf für einen Laserprojektor, insbesondere jedoch mit der Faserauskopplung bei relativ großem Abstand zwischen den Fasern, also mit einem neuen Konzept die optischen Eigenschaften des Projektorkopfes bei scannender Laserprojektion verbessernd. Dazu wird eine Faserauskopplung vorgestellt, mit der sich gegenüber bisherigen Lösungen mit Faserduo Vorteile ergeben. Es stellt eine Möglichkeit dar, die Lage des Kreuzungspunktes zwischen den Lichtstrahlen einstellen zu können. So ist es möglich, den Kreuzungspunkt auf die Polygonfacetten eines Polygon(spiegels) zu legen. Dadurch treten nur noch geringere Lichtverluste auf und Randverfärbungen beim Projizieren auf eine Projektionsfläche werden reduziert. Der laterale Abstand zwischen den Fasern ist relativ groß und beträgt einige Millimeter. Durch den großen Abstand ist es möglich, zusätzliche Justagehilfsmittel zu integrieren sowie konventionelle Faserstecker für Einzelfasern zu verwenden.
Bei einem Laserprojektor wird das Licht von einer Laserquelle zum Projektionskanal über eine Lichtleitfaser transportiert. Die Bildqualität wird dabei entscheidend vom Optikdesign im Bereich zwischen dem Ende des Faserduos und dem zweiachsigen Scanner bestimmt. Die aus beiden Lichtfasern austretenden divergenten Strahlenbündel werden durch eine Kollima- tionslinse kollimiert. Gleichzeitig kommt es infolge des Abstandes des Faserduos zu unterschiedlichen Auftreffpunkten auf dem Polygon. Dieser Strahlversatz führt zur Verschlechterung der Bildqualität. Insbesondere verstärkt sich die Inhomogenität der Helligkeitsverteilung im Bild. Zudem kann es zu Randverfärbungen kommen. Die Blende eliminiert einen Großteil des Streulichtes.
In Fig. 12 >Stand der Technik< ist eine derartig bekannte Anordnung der Ausführung der Faserauskopplung für ein Faserduo nach dem Stand der Technik dargestellt. Beim Laserprojektor wird das Licht von der Laserquelle zum Projektionskanal über Lichtleitfasern 100, 101 transportiert. Durch eine Kollimationslinse 102 werden die aus den beiden Lichtleitfasern 100, 101 austretenden, divergierenden Strahlenbündel kollimiert. Gleichzeitig kommt es infolge des lateralen Abstandes der Fasern 100, 101 im Faserduo zu unterschiedlichen Auftreffpunkten auf dem Polygonfacettenspiegel 104.
Aus der DE 10 2004 001 389 A1 sind eine Anordnung und eine Vorrichtung zur Minimierung von Randverfärbungen bei Videoprojektoren bekannt. Dabei wird ein Bild auf eine Projektionsfläche projiziert, das aus Bildpunkten aufgebaut ist. Die Anordnung umfasst mindestens eine ein Lichtbündel aussendenden, in der Intensität veränderbare Lichtquelle und eine Jus- tageeinrichtung nach einer Faser, enthaltend ein optisches Delay zur Symmetrisierung des Lichtstrahls, und eine sich anschließende Ablenkeinrichtung.
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche aus der DE 10 2008 063 222 A1 baut auf eine Faser der DE 10 2004 001 389 A1 auf und schlägt vor, die Ablenkeinrichtung mit einer Scannereinheit und geeigneten Umlenkspiegeln aufzubauen. Des Weiteren umfasst die Ablenkeinheit fest oder beweglich angeordnete dich- roitische Spiegel etc. sowie gegebenenfalls ein Blendensystem.
Die DE 10 2007 019 017 A1 offenbart ein weiteres Verfahren und eine weitere Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche, welches aus Bildpunkten aufgebaut ist, mit mindestens einer ein Lichtbündel aussendenden, in der Intensität veränderbaren Lichtquelle und einer Auskoppeleinrichtung nach der Faser und einer sich anschließenden Ablenkeinrichtung, die das Lichtbündel auf die Projektionsfläche leitet.
Die DE 41 40 786 A1 beschäftigt sich mit einem Projektionssystem, in dem enge Faserbündel zur optischen Verbindung zwischen Lichtquelle und Projektor verwendet werden. Die aus den einzelnen Fasern austretenden Lichtbündel werden über eine Optik auf dem Projektionsschirm abgebildet. Durch ein optisches Element zur Stahlvereinigung lassen sich verschiedenen Bildinhalte überblenden. Der Aufbau der Optik wird nicht näher erläutert.
Die DE 601 24 565 T2 stellt ein Raster-Laserprojektionssystem vor, bei dem enge benachbarte Lichtleitbündel verwendet werden, um auf dem Projektionsschirm gleichzeitig mehrere Linien scannen zu können. Die Faserenden werden durch eine Optik auf dem Projektionsschirm abgebildet. Die verschiedenen primären Farbanteile (Rot, Grün, Blau) werden von verschiedenen Lichtleitfasern transportiert. Damit alle Farbtöne erzeugt werden können, müssen die farbigen Lichtpunkte (Rot, Grün, Blau) auf der Projektionsfläche überlagert werden. Dazu werden drei oder mehr Lichtleitfasern verwendet. Es müssen ein oder mehrere Punkte auf der Projektionsfläche nacheinander oder gleichzeitig von verschiedenen Scans innerhalb eines Bildes bestrahlt werden, damit es auf der Projektionsfläche zu einer Überlagerung der Lichtpunkte, welche aus den verschiedenen Lichtleitfasern des Faserbündel austreten, kommt. Der mögliche Aufbau der Optik nach der Faser wird nicht näher erläutert.
Hier stellt sich die Erfindung die Aufgabe, bei einfachem Aufbau die Eigenschaften eines Projektionskopfes zu verbessern, so dass auch die Bildqualität verbessert wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Der Erfindung liegt die Grundidee zugrunde, die kollimierten Strahlen am Polygonfacettenspiegel zu kreuzen (Kreuzungspunkt), wobei des Weiteren die Blende an eine bessere Position gebracht wird, ohne dass die Funktionalität in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Dazu wird die bekannte Kollimationslinse durch neue Auskoppelsysteme ersetzt. Eine erste Sammellinse erzeugt einen Brennpunkt der Strahlenbündel wenigstens zweier Fasern, die zueinander geneigt und voneinander relativ weit getrennt angeordnet sind, in der Nähe der Brennebene einer zweiten Sammellinse, die diese (beiden) Strahlenbündel kollimiert. Vor der Brennebene der zweiten Sammellinse (Fokussierungslinse) kreuzen sich die Strahlenbündel. Dieser Kreuzungspunkt wird von der zweiten Sammellinse (Kollimationslinse) in die Ebene der Polygonfacette abgebildet wo dann ein zweiter Kreuzungspunkt liegt. Eine Streulichtblende liegt im ersten Kreuzungspunkt.
Die vorgesehene Auskoppeloptik (Auskoppelsystem bzw. Auskoppeleinrichtung) besteht in einer ersten Ausführung nur aus Sammellinsen. In einer weiteren Variante besteht die Auskoppeloptik aus einer Kombination von Sammel- und Zerstreuungslinsen. Aufgrund der größer gewählten Faserabstände besitzt jede Faser eine eigene Fokussierungs- bzw. Sammellinse. Jede der Linsen steht in der Praxis stellvertretend für eine Linsengruppe. Dies ist notwendig, damit die notwendigen Korrekturen (Farbfehler, Astigmatismus usw.) realisiert werden können. Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 eine erste Variante mit wenigstens drei Fasern und Sammellinsen,
Fig. 2 eine weitere Variante mit wenigstens drei Fasern und einer Kombination von
Sammel- und Zerstreuungslinsen,
Fig. 3a-c verschiedene Anordnungen von Fasergruppen in Blickrichtung der optischen
Achse,
Fig. 4 ein projiziertes Bild entsprechend der Fig. 3c,
Fig. 5 eine Darstellung der für die Berechnung notwendigen Abstände zur quantitativen Auslegung der Auskopplung anhand der Variante in Fig. 2,
Fig. 6 ein prinzipieller Aufbau der Variante in Fig. 2 mit Darstellung der Strahlmitten,
Fig. 7 der Aufbau in Fig. 6 mit Darstellung der Strahldurchmesser,
Fig. 8 eine Seitenansicht einer Auskoppelgruppe der Variante in Fig.2 mit einem segmentierten Spiegel,
Fig. 9 eine axiale Ansicht einer Auskoppelgruppe mit einem segmentierten Spiegel und neun Fasern,
Fig. 10 eine Seitenansicht einer Auskoppelgruppe aus Fig. 9,
Fig. 1 1 eine Darstellung einer Faser mit Justagehilfsmitteln.
Fig. 1 zeigt eine erste Auskoppelektronik 1 1 eines nicht näher dargestellten Projektionskopfes mit drei voneinander beabstandeten Fasern 1 , 2, 3, die mittels zugeordneten Blenden 12, 13, 14 sowie dahinter befindlichen Linsen 15, 16, 17 so ausgerichtet sind, dass ein reeller Kreuzungspunkt K-i vor der Brennebene einer gemeinsamen weiteren Linse 18 (Kollimatorlinse) liegt. Die dargestellten Linsen 15-17 (Fig. 1 , Fig. 2) stehen in der Praxis stellvertretend für eine Linsengruppe, die notwendig ist, wenn notwendige Korrekturen (Farbfehler, Astigmatismus etc.) realisiert werden sollten. Jede Faser 1 , 2, 3 besitzt eine eigene Sammellinse 15 -17 (Fokussierungslinse mit der Brennweite f-ι), mit Blenden 12-14, die im Fokus der Kollimationslinse (Brennweite f2) einen Brennpunkt B erzeugt. Die Kollimierung wird im zweiten Schritt durch die gemeinsame Kollimationslinse 18 realisiert. Vor der Kollimationslinse 18 liegt eine deutliche Neigung der aus den Fasern 1 , 2, 3 kommenden Strahlen 1 .1 , 2.1 , 3.1 bzgl. der optischen Achse 19 (Strich - Punkt - Linie) vor. Dadurch wird ein relativ großer lateraler Abstand zwischen den Faserenden von Faser 1 , 2, 3 untereinander erreicht. Die Faserenden benötigen somit keine gemeinsame Konfektionierung mehr. Die Neigung zwischen den Lichtstrahlen ist im Bereich zwischen Kollimationslinse 18 und Polygonfacette 20 deutlich geringer als zwischen den Lichtleitfasern 1 , 2, 3 (typischer Faktor ca. 8). Der Kreuzungspunkt K-i der Linsen 15-17 wird durch die Kollimationslinse 18 auf dem Polygonfacettenspiegel 20 abgebildet. Alle Lichtstrahlen 1 .2, 2.2, 3.2 liegen daher am Polygonfacettenspiegel 20 übereinander, d.h. hier liegt ein zweiter reeller Kreuzungspunkt (Pupille).
Nach Fig. 2 besteht die Auskoppelelektronik 21 aus Sammel- und wenigstens einer Zerstreuungslinse. Jede Faser 1 , 2, 3 besitzt auch hier eine eigene Sammellinse (Fokussierungslinse) 15-17, die in der Brennebene der Kollimationslinse 22 einen virtuellen Brennpunkt Bv erzeugt. Die Kollimierung wird im zweiten Schritt durch die gemeinsame Zerstreuungslinse 22 realisiert.
Vor der Zerstreuungslinse 22 liegt eine deutliche Neigung der aus den Fasern 1 , 2, 3 kommenden Strahlen 1.1 , 2.1 , 3.1 bzgl. der optischen Achse 19 (Strich - Punkt - Linie) vor. Dadurch wird ein relativ großer lateraler Abstand zwischen den Faserenden von Faser 1 und 2 sowie 2 zu 3 erreicht. Die Neigung zwischen den Lichtstrahlen ist im Bereich zwischen Kollimationslinse 22 und Polygonfacettenspiegel 20 deutlich geringer als zwischen den Lichtleitfasern (typischer Faktor 8-10).
Der virtuelle Kreuzungspunkt Kv wird durch die Kollimationslinse 22 auf den Polygonfacettenspiegel 20 abgebildet, daher existiert hier ein reeller Kreuzungspunkt (Pupille). Alle Lichtstrahlen gehen am Polygonfacettenspiegel 20 durch einen Punkt.
Es müssen nicht unbedingt drei Fasern 1 -3 in die Auskoppeloptik 1 1 , 21 eingebunden werden. Die Zahl der Fasern liegt typischerweise im Bereich zwischen 1 und 10. Eine absolute obere Grenze ist jedoch nicht gegeben. Es ist eine Vielzahl verschiedener Realisierungen der Fasergruppe denkbar. Dabei können die Fasern auch in mehreren Ebenen angeordnet werden, siehe Fig. 3a-c. Dargestellt sind verschiedene Anordnungen von Fasergruppen in Blickrichtung der optischen Achse 19 und dabei jeweils die Faserendflächen mehrerer zueinander geneigten Fasern. Die optische Achse 19 liegt im Kreuzungspunkt der beiden Linien Ln und L12. Im projizierten Bild der Fasergruppe nach Fig. 4 bildet sich die in Fig. 3c in analoger Weise ab. (Erst durch die Bewegung des rotierenden Polygons entstehen die äquidistant geschriebenen Zeilen Z11-19.)
Die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen sind relativ hoch. Die Fasern müssen hinsichtlich Lage und Winkel sehr genau angeordnet werden (tolerierbare Abstandsfehler etwa 0,5 - 2 μηη). Die notwendigen Abstände in den Varianten nach Fig. 1 (Variante A) und Fig. 2 (Variante B) lassen sich jedoch berechnen (Fig. 5).
Dabei stehen die Symbole für
Li : Abstand Polygonfacette zur Kollimationslinse
L2 : Variante A: Abstand erster Kreuzungspunkt zur Kollimationslinse (L2 < 0)
Variante B: Abstand virtueller Kreuzungspunkt zur Kollimationslinse (L2 > 0)
L3 : Variante A: Abstand der Fokussierungslinsen zur ersten Brennebene der Kollimationslinse
Variante B: Abstand der Fokussierungslinsen zur zweiten Brennebene der
Kollimationslinse
L4 : Abstand Faserende zur Sammellinse
θι : Winkel zwischen beiden Teilstrahlen vor der Polygonfacette
θ2 : Winkel zwischen beiden Teilstrahlen nach den Lichtleitfasern
f : Brennweite des zu ersetzenden Systems (Abb. 1 )
f-ι Brennweiten der Fokussierungslinsen
f2 : Brennweite der Kollimationslinse (Variante A: f2 > 0, Variante B: f2 < 0) D-i : Strahldurchmesser an der Fokussierungslinse
D2 : Strahldurchmesser an der Kollimationslinse
DRand: Randstärke der Fokussierungslinse
S : lateraler Abstand der Lichtstrahlen an den Fokussierungslinsen.
Die folgenden Berechnungen gelten für den paraxialen Fall. Es gelten die Newtonschen Abbildungsgleichungen:
1 1 1 1 1 1
Ά L3 L fl ^2 und für die Winkel gilt die folgende Relation:
Erwünscht ist, dass die erfindungsgemäßen Auskopplungen 10, 20 bei Verwendung der gleichen Lichtleitfaser auf dem Projektionsschirm 30 und auf den Facetten des Polygonspiegels 20 den gleichen Strahldurchmesser wie nach dem Stand der Technik besitzen.
Diese Invarianz ergibt folgende Bedingung:
L4
Für die weiteren Rechnungen werden die Größen f-ι, f2, L-ι, θι vorgegeben, alle anderen daraus berechnet. Nach elementaren Umformungen ergibt sich aus obigen Gleichungen: θ2 = θ,—
Λ
Die unabhängigen Größen werden nun weiter eingeschränkt, was unter Betrachtung der Variable S erfolgt. Diese Variable ist eine kritische Größe. Für eine sinnvolle konstruktive Lösung sollte S deshalb bevorzugt größer als der Strahldurchmesser + dem Linsenrand der Fokussierungslinsen sein.
Für kleine Winkel gilt dann:
VarianteA s = (L3 + f2 - L2 ß21 > Dl + D Rand
VarianteB : s = Ll0l + (L3 + f2 )ß2 \ > Dx + D Rand
Eine weitere Forderung ist ein positiver Abstand zwischen Fokussierungs- und Kollimations- linsen:
L3 + f2 = fi + Λ > ο
Die Brennweite der Kollimationslinse sollte zudem zu den Strahldurchmessern der beiden Lichtstrahlen und deren Abständen passen. Der nutzbare Durchmesser einer Linse ist etwa die Hälfte des Betrages seiner Brennweite, es gilt also:
Eine analoge Bedingung gilt an den Fokussierungslinsen:
2
Die Gesamtlänge der Anordnung
Lges = h + f2 + L3 + L4 = L, + f2 + f,
sollte nicht zu groß sein. Aus diesen Bedingungen können nun sinnvolle Werte von f-ι , f2, L-i ermittelt werden.
Eine Reduktion der Baugröße gelingt des Weiteren durch eine Kombination der beiden Varianten (A und B) mit einem Fernrohr 30. Dazu wird das Fernrohr 30 zwischen der Faserauskopplung und dem Polygonfacettenspiegel 20 in den optischen Weg eingebracht. Das optische Schema ist in Fig. 6 sowie Fig. 7 für die Variante B dargestellt. Für Variante A ist die Anordnung sinngemäß gleich.
In sinnvoller Weise kann eine Blende 31 an den ausgangsseitigen Kreuzungspunkt der Faserauskopplung positioniert werden. Der Abstand der Zerstreuungslinse 21 zur Blende 31 ist Li . Der Polygonfacettenspiegel 20 befindet sich im Brennpunkt der zweiten Fernrohrlinse (Ausgangspupille des Fernrohres 30). Durch das Fernrohr 30 wird der Neigungswinkel der Lichtstrahlen nach der Faserauskopplung um ca. einen Faktor 8 reduziert. Gleichzeitig wird der Lichtstrahl um den gleichen Faktor aufgeweitet. Dadurch kann die Baulänge erheblich gekürzt werden. Unter Verwendung eines segmentierten Spiegels 40 ist eine weitere konstruktive Alternative bezüglich des Platzproblems im Bereich der Fokussierungslinsen 41 - 49 gegeben. Die Zahl der in Fig. 8 dargestellten Fasern 1 , 3, 9 sowie deren Anordnung ist hier nur beispielhaft. Durch den segmentierten Spiegel 40 ist eine gute räumliche Trennung der drei dargestellten Fokussierungsoptiken 42, 48, 49 möglich.
Nach Fig. 9, einer axialen Ansicht einer Auskoppelgruppe mit dem segmentierten Spiegel 40 mit den eingebundenen 9 Fasern. Dabei liegt die neunte Faser exakt in axialer Richtung. Die unterschiedlichen Schraffuren im segmentierten Spiegel 40 zeigen die Neigung der einzelnen Spiegelsegmente, deren Größe bei einigen Millimetern liegt. Eine Seitenansicht der Auskoppelgruppe 51 aus Fig. 9 zeigt Fig. 10.
Fig. 1 1 zeigt, dass durch diesen konstruktiven Vorschlag reichlich Platz für notwendige Justagehilfen 50 geschaffen werden kann. Mögliche Justagehilfen 50 sind dabei beispielsweise drehbare Planparallelplatten oder optische Keile. Damit kann dann die Feinjustage von Strahllage und / oder Strahlneigung vorgenommen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Projektionskopf für einen Laserprojektor, mit einer ein Lichtbündel aussendenden Lichtquelle und einer Auskoppeleinrichtung (1 1 , 21 ) nach der Faser (1 -9), dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (1 -9) mit relativ großem Abstand zueinander eingebunden sind und durch die Auskoppeleinrichtung (1 1 , 21 ) die kollimierten Strahlen (1 .1 - 9.1 ) am Ort des Polygonfacettenspiegels (20) gekreuzt werden.
2. Projektionskopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppeleinrichtung (1 1 , 21 ) jeder Faser (1 -9) zugeordnete Sammellinsen (15-17, 41 -49) sowie eine zentrale Linse (18, 22) umfasst, wobei die zentrale Linse (18, 22) eine Sammellinse oder eine Zerstreuungslinse ist.
3. Projektionskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander beabstandeten Fasern (1 - 9) so ausgerichtet sind, dass ein reeller Kreuzungspunkt (K-i) vor der Brennebene der zentralen Linse (18) liegt.
4. Projektionskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (1 -9) so ausgerichtet sind, dass in der Nähe der Brennebene der zentralen Linse (22) ein virtueller Brennpunkt (Bv) erzeugt wird, wobei die Kollimierung danach durch die zentrale Linse (22) erfolgt.
5. Projektionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fernrohr (30) zwischen der Faserauskopplung und dem Polygonfacettenspiegel (20) im optischen Weg eingebracht ist.
6. Projektionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein segmentierter Spiegel (40) im Bereich der Sammellinsen (41 -49) eingebunden ist.
7. Projektionskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im segmentierten Spiegel (40) die einzelnen Spiegelsegmente verschieden geneigt sind.
8. Projektionskopf nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammellinsen (15-17, 41 -49) durch eine Linsengruppe gebildet werden.
9. Projektionskopf nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feinjustage von Strahlenlage und / oder Strahlenneigung eine Justagehilfe (50) im Bereich der Blenden und Sammellinsen (41 -49) eingebunden sind.
10. Projektionskopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Justagehilfe (50) beispielsweise drehbare Planparallelplatten oder optische Keile sind.
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