WO2000028378A1 - Projektionsanordnung mit einem projektor und einem ablenkspiegel - Google Patents

Projektionsanordnung mit einem projektor und einem ablenkspiegel Download PDF

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WO2000028378A1
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Klaus Hiller
Werner Kuhlmann
Roland Buerdorff
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Ldt Gmbh & Co. Laser-Display-Technologie Kg
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    • H04N9/3197—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using light modulating optical valves

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with a projector and a deflection mirror, in which the image projection from a projection direction strikes the deflection mirror which is movably mounted in two spatial directions and whose mirror surface deflects the projection beams with an elevation angle and an azimuth angle.
  • a projection arrangement can also be referred to as a drawing projector, since a static or moving image is generated, projected onto a projection surface and moved on it.
  • the projection surface is a wall (e.g. screen) for a front projection or a screen (e.g. matt screen) for a rear projection.
  • the projector is not limited to a specific type of image generation. Projectors can be used which write the image using a light and / or color-modulated light beam. These projectors are also known as laser projectors. However, image-mapping projectors can also be used which bring an image out of a device-internal object plane, as is known, for example, from the CRT, LCD, DMD or slide projector.
  • a deflection device for an image generated by means of a laser beam is known.
  • the image can be rotated in itself by means of a K-mirror arrangement and is then deflected by a biaxially mounted mirror in such a way that the image generated can be deflected in a limited area.
  • Image deflection is such that the image is generated in a device standing on the floor and directed onto the deflecting mirror from this position on the floor.
  • the aim of the invention is to enlarge the area of possible image display on a predetermined projection surface in an arrangement of the type mentioned at the beginning.
  • the range of the representability of a comparatively small image within a projection area that is large in relation to the image size, in particular in a projection dome, is to be expanded.
  • the location of the display area should correspond to the normal viewing habits of the
  • an image can also be displayed near the zenith and in the zenith.
  • a high-quality monochromatic, black-and-white or colored image should be able to be displayed with comparatively little effort and at the same time be so quickly movable on the projection surface that the viewer can essentially follow the movement of the image.
  • a projection arrangement with a projector and a deflection mirror is proposed, in which the image projection from a projection direction along a
  • the main projection axis meets the deflecting mirror, which is movably mounted in two spatial directions, the mirror surface of which deflects a projected light beam with an elevation angle and an azimuth angle onto a projection surface standing on a floor, the image projection being carried out from the direction of a zenith at an angle ⁇ which is less than 60 ° , related to a plumb bob from the zenith, and the deflecting mirror is arranged on the floor, furthermore the projected light beam can be deflected towards the projection surface and thus an image can be generated on the projection surface and can be moved thereon.
  • the zenith of the celestial dome or the zenith of an artificial dome, for example in a planetarium, is referred to as "zenith".
  • the fact that the deflecting mirror is arranged on the ground does not mean that it lies directly on the ground arranged above the floor surface or fastened to a wall above the floor surface or suspended from a ceiling, but it is essential that the projection is made from the direction of the zenith onto the mirror surface of the deflecting mirror.
  • the size of the angle ⁇ indicated means that the direction of the light beam that falls on the deflection mirror comes from the direction out of the zenith
  • Projection dome of a planetarium can be achieved with an image display without the image display on the projection surface being disturbed by shadowing.
  • the shadowing caused by projectors, other installations or viewers can be minimized.
  • the area around the zenith is reached without restrictions and without shadowing from the image display.
  • the projected light bundle is used to generate an image only in a partial area of the projection area and is then movable in the entire area of this projection area.
  • the movement can take place comparatively quickly, since the relatively massive projector is fixed and only the comparatively small mass of the deflection mirror has to be moved.
  • the image should not statically fill the entire projection area, as is the case for example in the cinema, but within the display area on the
  • Projection screen to be movable.
  • the image may be the same or larger than the screen. In this case, parts of the
  • Image can not be displayed. For many applications, however, it is sufficient if the size of the moving image is less than 90% based on the size of the projection surface. This is, for example, for image tracking for the
  • Scene display in the show area is advantageous when images are to be projected onto backdrop devices. Then the entire image content can always be displayed.
  • the image is a comparatively small image in many applications, for example that of a planet or
  • the image size of the image to be displayed with the projector can also be smaller than 1% of the
  • the image size can be set continuously, which can be used to simulate, for example, approaching or moving away from a vehicle in a realistic manner.
  • This zoom function can be implemented using known zoom optics or in an image-generating computer.
  • Main projection axis coincides. Then there are no image distortions due to the deflection of the image by the deflection mirror. It is particularly advantageous if the direction of the The main projection axis on the deflection mirror is a parallel to the perpendicular from the zenith. The angle ⁇ is then 0 °. Then one of the axes of rotation of the deflecting mirror delivers only one movement component to the azimuthal position and to the position elevation of the image. This allows a particularly simple assignment of the image position in the area of the projection surface.
  • the direction of the main projection axis is perpendicular to the deflection mirror from the zenith of a spherical projection dome, a 360 ° movement of the image can be realized particularly well.
  • the projector is arranged at the zenith of a projection dome and the deflection mirror is arranged on the bottom of the projection dome, the axis of rotation for adjusting the azimuth angle with the plumb line from the
  • Zenith collapses The projector is then outside on the projection dome and the beam is coupled in through a small hatch in the zenith of the projection dome.
  • the deflection mirror is located inside the projection dome.
  • a further advantageous embodiment is achieved if the deflection mirror is also arranged in the center of a spherical projection dome. Then the projection distance to everyone
  • this arrangement facilitates image generation by means of the image-imaging projectors, for example slide projectors, LCD projectors or
  • DLP projectors belong because the possible range of the depth of field of such projectors is only relatively small and no additional measures for adjusting or producing the image sharpness are required here. If the projection is carried out with such projectors from outside the center of the sphere or the image is directed onto an aspherical projection wall, it is imperative to readjust the image sharpness as a function of the image position. With larger images, parts of the image can also be blurred.
  • laser projectors This problem does not arise when using a projector which works with a writing, essentially parallel laser light beam. Images produced in this way are sharp in a very large area, which can be several meters, at every projection distance. Such projectors are known under the term “laser projectors”.
  • the image size is perceived as fixed by an observer if the deflecting mirror is arranged in relation to the position of the projection surface in such a way that the projection distance to each point on the projection surface deviates less than +/- 10% from an average projection distance. This result is achieved in particular if the observer lacks a benchmark.
  • a zoom function of the Projector to adjust the image size is not absolutely necessary. However, a deviation of +/- 20% is also acceptable for subordinate applications. If geometrically accurate image representations are required, the deviation of the projection distance should be less than +/- 5%.
  • the size of the area in which a good quality image with a deflection mirror that is not too large can be moved on the projection surface without shadowing depends first of all on the size of the projector or its components which are located in the projection dome. As will be shown below in the exemplary embodiments of the invention, this factor can be absolutely minimized.
  • the projection surface is further determined by the position of the axes of rotation of the deflection mirror in relation to the projection surface.
  • the height of the deflection mirror in relation to the horizon which is given, for example, in a projection dome, crucially determines the size of the area accessible to the image. If the axis of rotation, which produces the elevation angle, lies above the horizon, the display area is reduced, if it is below the horizon, the area in which an image display is possible increases.
  • the projection dome is a sphere, the projector is at the zenith and the deflecting mirror is opposite the zenith, on the floor.
  • the shape of the projection surface is subject to almost no restrictions, in particular in the case of a laser projector, because of the almost unlimited depth of field.
  • the projection surface can
  • a particularly favorable use of space and a very practical structure is achieved if a fixed deflection mirror is arranged to the projector, which deflects the light beam out of the projector. How the projector and where the projector is arranged in relation to the projection surface can be chosen relatively freely. It is only necessary to adhere to the condition that after the deflection through the deflection mirror the light beam runs from the direction of the zenith.
  • the deflecting mirror is arranged behind the projection lens in the image directional projector in the beam direction.
  • the deflecting mirror is provided behind the deflection device for scanning the lines in the image or behind the angle-changing transformation optics used as a rule. It is useful if the deflecting mirror is firmly connected to the projector. Because of the Simplicity of control with angular coordinates is also expedient if the fixed deflecting mirror is at an angle of 45 ° to the main projection axis from the projector. It is particularly advantageous if the projector itself is at an angle of 90 ° to the azimuthal axis of rotation of the deflection mirror.
  • the deflecting mirror can, however, also be movable in order to produce special image effects.
  • the light beam, which is directed onto the deflecting mirror can be redirected to a further deflecting mirror with a different mirror position with the aid of a controllable deflecting mirror. In this way, for example, when changing between the two deflecting mirrors arranged next to one another, which have different mirror positions, erratic image movements can be generated.
  • a laser projector comprises at least one brightness and / or color-modulated laser radiation source and a deflection device for line-by-line and image-based deflection of the light bundle.
  • the brightness and / or color-modulated laser radiation source and the projection head are optically connected to one another with an optical fiber in such a projector.
  • the laser radiation source is a monochrome laser radiation source or a red-green-blue laser radiation source with which light can be coupled efficiently into an optical fiber.
  • the spatial separation of light source and projection head which is possible due to the optical fiber connection, provides many design options for how the projector can be installed, for example, in a projection dome.
  • Projection head in the zenith of a projection dome poses no difficulties here. If the assemblies become smaller and lighter due to the progressive development, it is then better possible to combine the projection system in one housing.
  • the projection head contains a line mirror and an image mirror for rasterizing the
  • a transformation optical system that enlarges the scan angle is arranged in the light direction if this is necessary due to the projection conditions (image size to be achieved at a predetermined projection distance).
  • These transformation optics can also contain a controllable zoom function if the image size is to be set or varied during the image display. The electronic control of the zoom factor takes place depending on the desired image size on the Projection area, the size changes of the image due to changes in the projection distance can also be compensated for.
  • the invention can also be implemented using image-imaging projectors, for example with a film projector, a slide projector, an LCD or CRT projector.
  • a projection lens is expediently used in such projectors in order to be able to set the desired image size.
  • Temperature radiators are usually used as light sources here.
  • the projector can be divided into the light source and projection head modules.
  • the projection head contains the object plane with a projection lens assigned to it.
  • the optical connection between the modules can also be established via an optical fiber or an optical fiber bundle.
  • the advantage is used that the thermal power generated during the operation of a temperature radiator does not have to be released into the projection space.
  • a laser radiation source can also be used in the case of an image-imaging projector, but this must be expanded to illuminate the object field.
  • light transmission via an optical fiber from the laser light source to the object field is provided.
  • Possibility of light transmission between the light source and projection head in a free space a particularly favorable variant, the light having to be guided through a hatch in the projection wall or in the projection dome when the light source is installed outside the projection space.
  • the described projection systems can be combined with a pilot laser for training purposes and measuring purposes.
  • the wavelength of the pilot laser beam is not equal to the wavelengths of the projection beams.
  • the pilot laser beam can be coupled into the beam path in such a way that it represents a fixed point in the deflected image and can be moved together with the image.
  • For coupling the pilot laser beam is in particular the
  • Deflecting mirror suitable which is translucent for the wavelength of the pilot laser beam and reflects all other wavelengths.
  • the pilot laser beam can also be coupled into the beam path of the projection arrangement at another point, for example via an additional coupling mirror, the coupling taking place on the basis of the wavelengths of the pilot laser beam lying outside the visible light according to the deflection system and after the transformation optics should.
  • the direction of the pilot laser beam can in particular also correspond to the position of the main projection axis or be assigned to a specific object in the projected image.
  • the movement of the image can be tracked or automatic or manual image tracking can be detected and evaluated.
  • a first projector can be a
  • Project the scene image filling the projection surface and a second projector uses the deflection mirror to provide a comparatively small image that can be moved within the scene image and can be displayed completely independently of this scene image.
  • more than one projector each with its associated deflection mirror, is aligned with a projection surface.
  • three images that represent different objects can be moved across the projection surface completely independently of one another.
  • the images can each represent an airplane.
  • the deflecting mirrors can be arranged lying next to one another in the horizontal direction, the directions of the light bundles falling on the mirror surfaces of the deflecting mirrors also coming from here
  • the deflection mirrors can also be arranged one above the other in the vertical direction.
  • the deflection mirrors can also lie next to each other. However, it is useful if projectors with deflecting mirrors are used and the directions of the
  • the main projection axes of the light bundles coincide after the beam deflection by the respectively assigned deflection mirrors.
  • Projection ratios since all images are projected from almost the same location.
  • the condition that the projection distances of the projectors from the mean projection distance is less than +/- 10% can easily be met.
  • Angular range in which an image can be displayed without any shading occurs in particular when more than one projector is in a projection room must be arranged.
  • the position of the angular range is more favorable, for example in relation to a position of the projector in a projection dome, since images in the area of the zenith can now be displayed far below the horizon.
  • the advantage is particularly significant that images produced in this way have an almost unlimited depth of field and that the most extensive correction of image errors can be carried out.
  • Wall of a projection dome is mounted; 2: a projection arrangement according to the invention with a projection head with a deflection mirror, mounted in a projection dome with a light source outside the projection dome; 3: a projection arrangement according to the invention with a projection head with a light source outside and with a deflecting mirror with a deflecting mirror mounted in the projection dome; 4: a projection arrangement according to the invention with a projector which is mounted in the zenith of a projection dome; 5: a projection arrangement according to the invention with a rear projector
  • FIG. 7 a projection arrangement according to the invention with a plurality of projectors arranged one above the other in a projection dome.
  • the invention is described in the examples according to FIGS. 1 to 4 on the basis of a projection in a dome space, as is used for planetariums or simulation installations. Especially when using projection methods with a writing
  • FIG. 1 shows the projection space of a projection dome 1 schematically.
  • the projection dome 1 has a zenith 2 and a horizon 3.
  • the bottom 4 of the projection dome 1 lies below the horizon 3.
  • the main projection axis 5 of a projector 10 lies at an angle ⁇ to the perpendicular from the zenith 2.
  • the light from the projector 10 reaches a bottom-side, two-axis rotatably mounted deflection mirror 11, which is moved so that a projected image 6 in angular ranges around an azimuthal axis of rotation 7 at about 340 ° and around one
  • the axis of rotation elevation 8 can be moved at approximately 100 ° on the projection surface 9 without shadowing by the projector 10.
  • the projector 10 is an LCD projector.
  • the angle ⁇ is dimensioned at approximately 25 °. It can be seen that here the projected image 6 can be moved in a very large part of the projection surface 9 without any shadowing. If the inclination ⁇ of the main projection axis 5 from the projector 10 exceeds the angle of approximately 60 °, it is practically no longer possible to move a projected image 6 in the dome area below the horizon 3.
  • a larger angle ß requires a larger area of the deflection mirror 11, which has a disadvantageous effect on its movement dynamics.
  • the projection conditions deteriorate dramatically at very flat angles of incidence on the deflection mirror 11.
  • the projector 10 is located only partially in the projection dome 1 and generates the projected image 6 with the aid of a laser light beam which is deflected in terms of lines and images.
  • the projector 10 here consists of a brightness and color modulatable red, green and blue laser light source 12 and a projection head 13 with a fixed one
  • the laser light source 12 is expediently set up outside the projection dome 1. Between the laser light source 12 and the projection head 13 there are electrical connections and an optical fiber connection 15 for transmitting the brightness and color-modulated laser light beam.
  • the projection head is set up on the floor here and can have considerably smaller external dimensions than in the example in FIG. 1, so that the shadows caused by the projector 10 become even smaller. A further reduction in shadowing is achieved in that the projector 10 is arranged essentially horizontally with its main projection axis 5.
  • the main projection axis 5 ′ is deflected in a direction by a fixed deflecting mirror 14, which is attached to the light exit of the projection head 13, which is at an angle ⁇ to the perpendicular from the
  • Zenith 2 is.
  • ß 0 °.
  • the projector 10 with its red-green-blue laser light source 12 and the projection head 13 is set up outside the projection dome 1. Only the fixed deflection mirror 14 and the biaxially movable deflection mirror 11 are in the
  • the deflected brightness and color-modulated laser light beam passes through a hatch 16 into the projection dome 1, in which only the deflection mirror 14 and the deflection mirror 11 are arranged. If you choose the arrangement of the projection head so that its main projection axis 5 is parallel or at an angle ⁇ > 0 ° to the perpendicular from the zenith 2, the fixed deflection mirror can also be dispensed with here (shown in dashed lines).
  • FIG. 4 shows an advantageous arrangement of the projector 10 outside the projection dome 1.
  • the projection takes place here from the zenith 2 of the projection dome in the plumb line onto the biaxially deflecting mirror 11 arranged on the bottom side through the hatch 16.
  • image 6 succeeds in the entire space of FIG Move three-quarter ball.
  • the movement of the image 6 is possible in areas far below the horizon 3.
  • the projection surface 9 can be of almost any shape, in particular in the case of a laser projector, since extensive options for correcting image errors can be used here.
  • FIG. 9 An example of a rear projection is shown in FIG.
  • the projection surface 9 here is a translucent aspherical screen.
  • the image is projected onto the back of the screen and the image is viewed from the front.
  • the light from the projector 10 first reaches the deflecting mirror 14 and then to the bottom-side, two-axis rotatably mounted deflecting mirror 11. The latter is moved so that a projected image 6 in angular areas about an azimuthal axis of rotation 7 with about
  • FIG. 6 shows the design of a projector 10 with a laser light source 12 and a projection head 13.
  • the projector consists of the laser light source 12, deflection device 17, transformation optics 18, deflection mirror 14 and biaxially deflectable deflection mirror 11 with the drive mechanism arranged in the direction of light.
  • the laser light source 12 deflection device 17
  • transformation optics 18 deflection mirror 14
  • biaxially deflectable deflection mirror 11 with the drive mechanism arranged in the direction of light.
  • FIG. 19 are the laser radiation source 12 and the electrical controls for the operation of the laser light source, the modulation of the laser light, for the deflection device 17, the zoom function of the transformation optics 18, and the drives for the deflection mirror 11.
  • the assemblies deflection device 17, transformation optics 18, deflection mirrors 14 and biaxially deflectable deflecting mirror 11 with the drive mechanism are mounted on a frame 20 which is connected to the housing 19.
  • This housing 19 stands on the floor 4 of the projection dome 1.
  • the light source 12 and the projection head 13 can be separated.
  • the housing 19 is separate and the frame 20 is attached to the wall of the projection dome 1, for example.
  • FIG. 6 shows that an optional deflection mirror 11 is provided in the direction of the main projection axis 5 ′
  • Pilot laser beam 21 is coupled in via a partially transparent deflection mirror 14.
  • the pilot laser beam 21 is deflected by the deflecting mirror 11 with the light bundle 22 used for image generation and can therefore always be assigned to a position in the image shown.
  • FIG. 7 shows a projection room with a spherical projection surface.
  • Projection space three projectors 10, 10, 10 with associated deflecting mirrors 14, 14 ', 14 "and deflecting mirrors 11, 11', 11" according to FIG. 6 are arranged one above the other such that the directions of the main projection axes after the beam deflection by the deflecting mirror on a straight line which is identical to the lot from Zenit 2.
  • the structure of each of the three projectors corresponds to that of the projector shown in FIG. 6.
  • the three projectors are arranged in the vicinity of the geometric center of the projection dome 1.
  • the representation of the three projectors 10, 10', 10" in FIG. 7 is not in relation to the representation of the size of the projection dome 1 on a scale.
  • the projection dome 1 has a diameter of 20 meters, for example, while a single one
  • Projector 10 has the dimensions 900 mm in length, 400 mm in height and 200 mm in width.
  • FIG. 7 shows that the deflecting mirror 11 of the middle projector 1 is arranged exactly in the center of the projection dome 1.
  • the deflection mirrors 11 ', 11 "of the other projectors 10', 10" are each about 500 mm from the center. With a line opening angle of 5 °, the image 6 generated by the central projector 10 becomes approximately
  • the resulting difference in the image width of the images 6 ', 6 "from the two other projectors 10', 10" to the image 6 of the middle projector 10 is approximately 45 mm.
  • differences of the images lie in an area that is no longer detectable by the observer, in particular in the case of moving images.

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Abstract

Bei einer Projektionsanordnung mit einem Projektor (10) und einem Ablenkspiegel (11), bei der die Bildprojektion aus einer Projektionsrichtung entlang einer Hauptprojektionsachse (5) auf den in zwei Raumrichtungen beweglich gelagerten Ablenkspiegel (11) trifft, dessen Spiegelfläche ein projiziertes Lichtbündel (22) mit einem Elevationswinkel und einem Azimutwinkel auf eine auf einem Boden (4) stehende Projektionsfläche (9) ablenkt, erfolgt die Bildprojektion aus der Richtung eines Zenits (2) unter einem Winkel β, der kleiner 60° bezogen zu einem Lot aus dem Zenit (2) ist, und der Ablenkspiegel (11) am Boden (4) angeordnet ist, wobei das projizierte Lichtbündel (22) zur Projektionsfläche (9) hin ablenkbar, damit ein Bild (6) auf der Projektionsfläche (9) erzeugbar und auf dieser bewegbar ist.

Description

Proiektionsanordnunq mit einem Projektor und einem Ablenkspieαel
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Projektor und einem Ablenkspiegel, bei der die Bildprojektion aus einer Projektionsrichtung auf den in zwei Raumrichtungen beweglich gelagerten Ablenkspiegel trifft und dessen Spiegelfläche die Projektionsstrahlen mit einem Elevationswinkel und einem Azimutwinkel ablenkt. Eine derartige Projektionsanordnung kann auch als Zeichenprojektor bezeichnet werden, da ein statisches oder bewegtes Bild erzeugt, auf eine Projektionsfläche projiziert und auf dieser bewegt wird.
Die Projektionsfläche ist bei einer Frontprojektion eine Wand (z. B. Leinwand) oder bei einer Rückprojektion ein Bildschirm (z. B. Mattscheibe). Der Projektor ist dabei nicht auf eine bestimmte Art der Bilderzeugung beschränkt. Es sind Projektoren einsetzbar, die das Bild mittels eines helligkeits- und/oder farbmodulierten Lichtstrahles schreiben. Diese Projektoren sind auch als Laserprojektoren bekannt. Es sind jedoch auch bildabbildende Projektoren einsetzbar, die ein Bild aus einer geräteinternen Objektebene heraus zur Abbildung bringen, wie dies zum Beispiel beim CRT-, LCD-, DMD- oder Dia-Projektor bekannt ist.
Bekannt ist nach US 5,365,288 DEWALD eine Ablenkeinrichtung für ein mittels eines Laserstrahls erzeugtes Bild. Das Bild ist durch eine K-Spiegel-Anordnung in sich selbst drehbar und wird dann durch einen zweiachsig gelagerten Spiegel so abgelenkt, daß das erzeugte Bild in einem begrenzten Raumbereich abgelenkt werden kann. Die Anordnung der Elemente zur
Bildablenkung ist so, daß das Bild in einem auf dem Fußboden stehenden Gerät erzeugt und aus dieser bodenseitigen Position heraus auf den Umlenkspiegel gelenkt wird.
Aus dieser Anordnung ergibt sich ein praktisch nutzbarer Ablenkwinkelbereich, der bezogen zu einer horizontalen Ebene durch die Drehachse des Ablenkspiegels
- zum Fußboden hin infolge der erforderlichen Geräteabmessungen begrenzt ist und höchstens etwa 45° ohne wesentliche Bildabschattungen betragen kann, und
- zum Zenit hin infolge der sich gegen unendlich vergrößernden Spiegelabmessungen praktisch höchstens 30° sein kann-.
Somit ergibt sich für den Betrachter nur eine eingeschränkte Beobachtungsmöglichkeit, die in Richtung des Zenits stärker eingeschränkt ist als in Richtung des Bodens. Dies widerspricht aber der üblichen Betrachtungsweise von Bildern, die in der Regel „himmelwärts" projiziert werden, auch schon aus dem Grund, um Abschattungen durch andere Beobachter oder durch Bauteile zu vermeiden. Mit dieser Anordnung ist es unmöglich, Bilder in der Nähe des Zenits zu erzeugen.
Ziel der Erfindung ist es, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art den Bereich der möglichen Bilddarstellung auf einer vorgegebenen Projektionsfläche zu vergrößern. Der Bereich der Darstellbarkeit eines vergleichsweise kleinen Bildes innerhalb einer im Verhältnis zur Bildgröße großen Projektionsfläche, insbesondere in einer Projektionskuppel, soll erweitert werden. Die Lage des Darstellungsbereiches soll den normalen Sehgewohnheiten des
Beobachters entsprechen und auch in der Nähe des Zenits und im Zenit ein Bild darstellbar sein. Dabei soll mit vergleichsweise geringem Aufwand ein qualitativ hochwertiges monochromatisches, schwarz-weißes oder farbiges Bild darstellbar und gleichzeitig auf der Projektionsfläche insbesondere so schnell bewegbar sein, daß der Betrachter der Bewegung des Bildes im wesentlichen nachfolgen kann. Weiterhin soll eine Anordnung von mehreren
Projektoren möglich sein, wobei auch hier die gegenseitigen Abschattungen minimiert und der Bereich der möglichen Bilddarstellung für alle Projektoren maximiert wird.
Erfindungsgemäß wird eine Projektionsanordnung mit einem Projektor und einem Ablenkspiegel vorgeschlagen, bei der die Bildprojektion aus einer Projektionsrichtung entlang einer
Hauptprojektionsachse auf den in zwei Raumrichtungen beweglich gelagerten Ablenkspiegel trifft, dessen Spiegelfläche ein projiziertes Lichtbündel mit einem Elevationswinkel und einem Azimutwinkel auf eine auf einem Boden stehende Projektionsfläche ablenkt, wobei die Bildprojektion aus der Richtung eines Zenits unter einem Winkel ß erfolgt, der kleiner als 60°, bezogen zu einem Lot aus dem Zenit, ist und der Ablenkspiegel am Boden angeordnet ist, wobei ferner das projizierte Lichtbündel zur Projektionsfläche hin ablenkbar und damit ein Bild auf der Projektionsfläche erzeugbar sowie auf dieser bewegbar ist.
Mit -Zenit" wird der Zenit der Himmelskuppel oder der Zenit einer künstlichen Kuppel, z. B. in einem Planetarium, bezeichnet. Daß der Ablenkspiegel am Boden angeordnet ist, bedeutet nicht, daß dieser direkt am Boden liegt. Er kann über eine Halterung weit über der Bodenoberfläche angeordnet oder an einer Wand über der Bodenoberfläche befestigt oder auch von einer Decke herab abgehängt sein. Wesentlich ist jedoch, daß die Projektion aus der Richtung des Zenits auf die Spiegelfläche- des Ablenkspiegels erfolgt. Die angegebene Größe des Winkels ß bedeutet, daß die Richtung des Lichtbündels, das auf den Abienkspiegel fällt, aus der Richtung aus dem Zenit kommt. Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung gelingt es, einen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich größeren Flächenbereich, beispielsweise in einer O 00/28378 3
Projektionskuppel eines Planetariums, mit einer Bilddarstellung zu erreichen, ohne daß die Bilddarsteliung auf der Projektionsfläche durch Abschattungen gestört wird.
Weiterhin können die Abschattungen, die durch Projektoren, andere Einbauten oder Betrachter hervorgerufen werden, minimiert werden. Insbesondere wird der Flächenbereich um den Zenit herum ohne Einschränkungen und ohne Abschattungen von der Bilddarstellung erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mit dem projizierten Lichtbündel ein Bild nur in einem Teilbereich der Projektionsfläche erzeugt und ist dann im gesamten Bereich dieser Projektionsfläche bewegbar. Die Bewegung kann vergleichsweise schnell erfolgen, da der relativ massereiche Projektor feststeht und nur die vergleichsweise geringe Masse des Ablenkspiegels bewegt werden muß.
Dabei soll das Bild nicht statisch die gesamte Projektionsfläche ausfüllen, wie dies beispielsweise beim Kino der Fall ist, sondern innerhalb des Darstellungsbereiches auf der
Projektionsfläche beweglich sein. Das Bild kann für einige Anwendungen gleich oder größer als die Projektionsfläche sein. In diesem Fall können bei einer Bewegung des Bildes Teile des
Bildes nicht zur Darstellung gebracht werden. Für viele Anwendungen ist es jedoch ausreichend, wenn die Größe des bewegten Bildes kleiner als 90% bezogen auf die Größe der Projektionsfläche ist. Dies ist beispielsweise bei der Bildnachführung für die
Szenenbild-Darstellung im Show-Bereich vorteilhaft, wenn Bilder auf Kulisseneinrichtungen projiziert werden sollen. Dann ist immer auch der gesamte Bildinhalt darstellbar. Das Bild ist bei vielen Anwendungen ein vergleichsweise kleines Bild, zum Beispiel das eines Planeten oder
Flugkörpers, das auf der Projektionsfläche, zum Beispiel über die "Himmelskugel", bewegt wird. Die Bildgröße des mit dem Projektor darzustellenden Bildes kann aber auch kleiner als 1% der
Projektionsfläche sein.
Durch die Realisierung einer Zoom-Funktion im Projektor kann die Bildgröße kontinuierlich eingestellt werden, womit beispielsweise das Sich-Annähern oder das Sich-Entfernen eines Fahrzeuges wirklichkeitsnah simuliert werden kann. Diese Zoom-Funktion kann mittels einer bekannten Zoom-Optik oder in einem bilderzeugenden Rechner realisiert werden.
Die Ansteuerung des Ablenkspiegels kann vorteilhafterweise relativ einfach ausgeführt werden, wenn die Drehachse zur Einstellung des Elevationswinkels senkrecht zur Hauptprojektionsachse steht und die Drehachse zur Einstellung des Azimutwinkels mit der
Hauptprojektionsachse zusammenfällt. Dann entstehen keine Bildverzerrungen infolge der Ablenkung des Bildes durch den Ablenkspiegel. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Richtung der Hauptprojektionsachse auf den Ablenkspiegel eine Parallele zum Lot aus dem Zenit ist. Der Winkel ß ist dann 0°. Dann liefert jeweils eine der Drehachsen des Ablenkspiegels jeweils nur einen Bewegungsanteil zur azimutalen Position und zur Position Elevation des Bildes. Damit ist eine besonders einfache Zuordnung der Bildposition im Bereich der Projektionsfläche möglich.
Liegt die Richtung der Hauptprojektionsachse auf den Ablenkspiegel im Lot aus dem Zenit einer sphärischen Projektionskuppel, ist eine 360° Bewegung des Bildes besonders gut zu realisieren. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird dabei erreicht, wenn der Projektor im Zenit einer Projektionskuppel und der Ablenkspiegel am Boden der Projektionskuppel angeordnet ist, wobei die Drehachse für die Einstellung des Azimutwinkels mit dem Lot aus dem
Zenit zusammenfällt. Der Projektor steht dann außerhalb auf der Projektionskuppel und die Strahleinkopplung erfolgt durch eine kleine Luke im Zenit der Projektionskuppel. Hier ist nur noch der Ablenkspiegel innerhalb der Projektionskuppel angeordnet. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird erreicht, wenn der Ablenkspiegel außerdem noch im Mittelpunkt einer sphärischen Projektionskuppel angeordnet ist. Dann ist die Projektionsentfernung zu allen
Bereichen der Projektionskuppel gleich. Die Größe des Bildes ist dann ohne weitere Maßnahmen bei allen Winkelstellungen gleich.
Insbesondere wird durch diese Anordnung die Bilderzeugung mittels der bildabbildenden Projektoren erleichtert, zu denen zum Beispiel Dia-Projektoren, LCD-Projektoren oder
DLP-Projektoren gehören, da der mögliche Bereich der Schärfentiefe derartiger Projektoren nur relativ klein ist und hier keine zusätzlichen Maßnahmen zur Einstellung oder Herstellung der Bildschärfe erforderlich sind. Wird die Projektion mit derartigen Projektoren von außerhalb des Kugelmittelpunktes heraus durchgeführt oder das Bild auf eine asphärische Projektionswand gerichtet, ist zwingend eine Nachstellung der Bildschärfe in Abhängigkeit von der Bildposition erforderlich. Bei größeren Bildern können auch Teilbereiche des Bildes unscharf werden.
Dieses Problem tritt bei dem Einsatz eines Projektors, der mit einem schreibenden, im wesentlichen parallelen Laser-Lichtbündel arbeitet, nicht auf. Derartig erzeugte Bilder sind in einem sehr großen Bereich, der mehrere Meter betragen kann, in jeder Projektionsentfernung scharf. Solche Projektoren sind unter dem Begriff „Laser-Projektoren" bekannt.
Praktisch hat sich gezeigt, daß die Bildgröße von einem Beobachter als feststehend wahrgenommen wird, wenn der Ablenkspiegel so zur Lage der Projektionsfläche angeordnet ist, daß die Projektionsentfernung zu jedem Punkt der Projektionsfläche weniger als +/-10% von einer mittleren Projektionsentfernung abweicht. Dieses Ergebnis wird insbesondere dann erreicht, wenn dem Beobachter ein Vergleichsmaßstab fehlt. Eine Zoom-Funktion des Projektors zur Nachstellung der Bildgröße ist nicht unbedingt erforderlich. Für untergeordnete Anwendungen ist jedoch auch eine Abweichung von +/- 20% akzeptabel. Sind geometrisch genaue Bilddarstellungen erforderlich, sollte die Abweichung der Projektionsentfernung kleiner +/-5% sein.
Die Größe des Bereiches, in dem ein Bild mit guter Qualität mit einem nicht zu großen Ablenkspiegel auf der Projektionsfläche ohne Abschattungen bewegbar ist, ist zunächst von der Baugröße des Projektors oder seiner Baugruppen, die sich in der Projektionskuppel befinden, abhängig. Wie weiter unten in den Ausführungsbeispielen der Erfindung gezeigt wird, kann dieser Faktor absolut minimiert werden. Die für die Bildprojektion ausnutzbare Größe der
Projektionsfläche wird weiterhin durch die Lage der Drehachsen des Ablenkspiegels bezogen zur Projektionsfläche bestimmt. Der Höhe des Ablenkspiegels bezogen auf den Horizont, der beispielsweise in einer Projektionskuppel gegeben ist, bestimmt die Größe des der Bilddarstellung zugänglichen Bereiches maßgeblich. Liegt die Drehachse, die den Elevationswinkel erzeugt, oberhalb des Horizontes, verkleinert sich der Darstellungsbereich, liegt sie unterhalb des Horizontes, vergrößert sich der Bereich, in dem eine Bilddarstellung möglich ist. Im Extremfall ist die Projektionskuppel eine Kugel, der Projektor befindet sich im Zenit und der Ablenkspiegel befindet sich gegenüber dem Zenit, am Boden. Die Form der Projektionsfläche unterliegt, insbesondere bei einem Laser-Projektor, wegen der nahezu unbegrenzten Schärfentiefe fast keinerlei Einschränkungen. Die Projektionsfläche kann die
Innenfläche oder die Außenfläche einer Kugel, eines Kugelabschnitts oder einer Kugelschicht oder eine den genannten Grundformen entsprechende asphärisch gewölbte Fläche sein; sie kann aber auch aus einer ebenen Fläche bestehen oder aus mehreren Teilen einer solchen Fläche zusammengesetzt, völlig unregelmäßig geformt und/oder dynamisch bewegt sein.
Eine besonders günstige Raumausnutzung und ein sehr praktikabler Aufbau wird erreicht, wenn zu dem Projektor ein feststehender Umlenkspiegel angeordnet ist, der das Lichtbündel aus dem Projektor umlenkt. Wie der Projektor und wo der Projektor in Bezug zur Projektionsfläche angeordnet ist, ist relativ frei wählbar. Es muß nur die Bedingung eingehalten werden, daß das Lichtbündel nach der Umlenkung durch den Umlenkspiegel aus der Richtung des Zenits verläuft.
Der Umlenkspiegel ist bei einem bildabbildenden Projektor in Strahlenrichtung hinter dem Projektionsobjektiv angeordnet. Bei einem Laser-Projektor mit einem schreibenden Lichtbündel ist der Umlenkspiegel hinter der Ablenkeinrichtung für das Scannen der Zeilen im Bild oder hinter der im Regelfall eingesetzten winkelverändernden Transformationsoptik vorgesehen. Zweckmäßig ist es, wenn der Umlenkspiegel mit dem Projektor fest verbunden ist. Wegen der Einfachheit der Steuerung mit Winkelkoordinaten ist es weiterhin zweckmäßig, wenn der feststehende Umlenkspiegel in einem Winkel von 45° zur Hauptprojektionsachse aus dem Projektor steht. Dabei ist es besonders günstig, wenn der Projektor selbst mit einem Winkel von 90° zur azimutalen Drehachse des Ablenkspiegels steht. Der Umlenkspiegel kann jedoch auch beweglich sein, um besondere Bildeffekte zu erzeugen. So kann zum Beispiel das Lichtbündel, das auf den Ablenkspiegel gerichtet ist, mit Hilfe eines steuerbaren Umlenkspiegeis auf einen weiteren Ablenkspiegel mit einer anderen Spiegelstellung umgesteuert werden. Damit können zum Beispiel beim Wechsel zwischen den zwei nebeneinander angeordneten Ablenkspiegeln, die unterschiedliche Spiegelstellungen haben, sprunghafte Bildbewegungen erzeugt werden.
Ein Laser-Projektor umfaßt mindestens eine helligkeits- und/oder farbmodulierte Laserstrahlungsquelle und eine Ablenkeinrichtung zum zeilenmäßigen und bildmäßigen Ablenken des Lichthündels. Für die Verwendung der Laserprojektoren in Projektionsräumen ist es besonders günstig, wenn bei einem solchen Projektor die helligkeits- und/oder farbmodulierte Laserstrahlungsquelle und der Projektionskopf mit einer Lichtleitfaser optisch miteinander verbunden sind. Die Laserstrahlungsquellen, ist eine monochrome Laserstrahlungsquelle oder eine Rot-Grün-Blau-Laserstrahlungsquelle, mit der Licht effizient in eine Lichtleitfaser einkoppelbar ist. Die durch die Lichtleitfaserverbindung mögliche räumliche Trennung von Lichtquelle und Projektionskopf liefert viele Gestaltungsmöglichkeiten, wie der Einbau des Projektors zum Beispiel in eine Projektionskuppel erfolgen kann.
Durch die räumliche Trennung der Baugruppen bereitet es keine Schwierigkeiten, die heute noch verhältnismäßig schwere und große Laserstrahlungsquelle neben oder unter die Projektionskuppel zu stellen und den vergleichsweise kleinen Projektionskopf in der Projektionskuppel oder auf der Projektionskuppel anzuordnen. Selbst eine Anordnung des
Projektionskopfes im Zenit einer Projektionskuppel bereitet hier keine Schwierigkeiten. Wenn die Baugruppen durch die fortschreitende Entwicklung kleiner und leichter werden, ist es dann besser möglich, das Projektionssystem in einem Gehäuse zusammenzufassen.
Der Projektionskopf enthält einen Zeilenspiegel und einen Bildspiegel zum Rastern des
Lichtstrahles. Weiterhin ist in Lichtrichtung nachfolgend eine die Scan-Winkel vergrößernde Transformationsoptik angeordnet, wenn diese aufgrund der Projektionsverhältnisse (zu erzielende Bildgröße bei einer vorgegebenen Projektionsentfernung) erforderlich ist. Diese Transformationsoptik kann auch eine steuerbare Zoom-Funktion enthalten, wenn die Bildgröße eingestellt oder während der Bilddarstellung variiert werden soll. Die elektronische Steuerung des Zoomfaktors erfolgt in Abhängigkeit von der gewünschten Bildgröße auf der Projektionsfläche, wobei sich auch die Größenänderungen des Bildes infolge von Änderungen des Projektionsabstandes ausgleichen lassen.
Die Erfindung ist aber auch mit Verwendung bildabbildender Projektoren realisierbar, beispielsweise mit einem Filmprojektor, einem Dia-Projektor, einem LCD- oder CRT-Projektor.
Bei derartigen Projektoren wird zweckmäßigerweise ein Projektionsobjektiv verwendet, um die gewünschte Bildgröße einstellen zu können. Üblicherweise werden hier Temperaturstrahler als Lichtquellen eingesetzt. Auch hier kann der Projektor in die Baugruppen Lichtquelle und Projektionskopf aufgeteilt werden. Im Unterschied zum Laser-Projektor enthält der Projektionskopf die Objektebene mit einem dieser zugeordneten Projektionsobjektiv.
Die optische Verbindung zwischen den Baugruppen kann auch über eine Lichtleitfaser oder ein Lichtleitfaserbündel hergestellt werden. Hier kommt insbesondere der Vorteil zur Anwendung, daß die bei dem Betrieb eines Temperaturstrahlers entstehende Wärmeleistung nicht in den Projektionsraum abgegeben werden muß.
Jedoch kann auch bei einen bildabbildenden Projektor eine Laserstrahlungsquelle Verwendung finden, die allerdings zur Beleuchtung des Objektfeldes aufgeweitet werden muß. Hier ist ebenfalls die Lichtübertragung über eine Lichtleitfaser von der Laserlichtquelle zum Objektfeld vorgesehen. Bei einer festen Installation ist unabhängig von der Art des Projektors auch die
Möglichkeit der Lichtübertragung zwischen Lichtquelle und Projektionskopf im freien Raum eine besonders günstige Variante, wobei bei einer Aufstellung der Lichtquelle außerhalb des Projektionsraumes das Licht durch eine Luke in der Projektionswand oder in der Projektionskuppel geführt werden muß.
Die beschriebenen Projektionssysteme sind für Trainingszwecke und Meßzwecke mit einem Pilot-Laser kombinierbar. Dabei ist die Wellenlänge des Pilot-Laserstrahls ungleich der Wellenlängen der Projektionsstrahlen. Der Pilot-Laserstrahl ist in den Strahlengang so einkoppelbar, daß dieser einen festen Punkt im abgelenkten Bild repräsentiert und mit dem Bild zusammen bewegbar ist. Zur Einkopplung des Pilot-Laserstrahles ist insbesondere der
Umlenkspiegel geeignet, der für die Wellenlänge des Pilot-Laserstrahles lichtdurchlässig ist und alle anderen Wellenlängen reflektiert. Der Pilot-Laserstrahl kann jedoch auch an einer anderen Stelle in den Strahlengang der Projektionsanordnung eingekoppelt werden, zum Beispiel über einen zusätzlichen Einkoppelspiegel, wobei die Einkopplung auf Grund der außerhalb des sichtbaren Lichts liegenden Wellenlängen des Pilot-Laserstrahles nach dem Ablenksystem und nach der Transformationsoptik erfolgen sollte. Die Richtung des Pilot-Laserstrahles kann insbesondere auch der Lage der Hauptprojektionsachse entsprechen oder einem bestimmten Objekt im projizierten Bild zugeordnet sein.
Mit einem auf die Wellenlänge des Pilot-Laserstrahles eingestellten richtungsempfindlichen Empfänger kann die Bewegung des Bildes verfolgt werden oder eine automatische oder eine manuelle Bildverfolgung kann erfaßt und ausgewertet werden.
Aus der obigen Beschreibung der Projektionsanordnung, die mit einem Projektor und einem Ablenkspiegel arbeitet, ergeben sich auch die Vorteile, wenn mehr als ein Projektor in einem Projektionsraum aufgestellt werden. Dabei kann zum Beispiel ein erster Projektor ein die
Projektionsfläche ausfüllendes Szenenbild projizieren und ein zweiter Projektor liefert mit Hilfe des Ablenkspiegels ein vergleichsweise kleines Bild, das innerhalb des Szenenbildes bewegbar und völlig unabhängig von diesem Szenenbild darstellbar ist.
Eine weitere Variante ist, daß mehr als ein Projektor mit jeweils zugeordneten Ablenkspiegeln zu einer Projektionsfläche ausgerichtet sind. Somit können zum Beispiel drei Bilder, die verschiedene Objekte darstellen, völlig unabhängig voneinander über die Projektionsfläche bewegt werden. Die Bilder können zum Beispiel je ein Flugzeug darstellen. Dabei können die Ablenkspiegel in horizontaler Richtung nebeneinander liegend angeordnet sein, wobei auch hier die Richtungen der Lichtbündel, die auf die Spiegelflächen der Ablenkspiegel fallen, aus der
Richtung des Zenits verlaufen.
Die Ablenkspiegel können in vertikaler Richtung auch übereinander liegend angeordnet sein. Die Ablenkspiegel können dazu noch nebeneinander liegen. Zweckmäßig ist es jedoch wenn Projektoren mit Umlenkspiegeln eingesetzt werden und die Richtungen der
Hauptprojektionsachsen der Lichtbündel nach der Strahlumlenkung durch die jeweils zugeordneten Umlenkspiegel zusammenfallen.
Somit sind alle Abienkspiegel mit einem geringen Abstand voneinander genau übereinander angeordnet. Damit ergeben sich für alle Projektoren nahezu die gleichen
Projektionsverhältnisse, da die Projektion aller Bilder aus dem nahezu gleichen Ort erfolgt. Hier kann die Bedingung, daß die Projektionsentfernungen der Projektoren von der mittleren Projektionsentfernung kleiner +/- 10% beträgt, leicht eingehalten werden.
Besonders vorteilhaft ist gegenüber bekannten Projektionsanordnungen der vergrößerte
Winkelbereich, in dem eine Bilddarstellung ohne irgendeine Abschattung möglich ist. Dieser Vorteil tritt insbesondere dann ein, wenn mehr als ein Projektor in einem Projektionsraum angeordnet werden müssen. Außerdem ist die Lage des Winkelbereiches zum Beispiel bezogen auf eine Stellung des Projektors in einer Projektionskuppel günstiger, da jetzt Bilder im Bereich des Zenits bis weit unterhalb des Horizontes dargestellt werden können. Bei Einsatz eines Projektors der mit einem schreibenden Laser-Lichtbündel arbeitet, kommt insbesondere der Vorteil zum Tragen, daß derartig hergestellte Bilder eine nahezu unbegrenzte Schärfentiefe haben und daß eine weitestgehende Korrektur von Bildfehlern vorgenommen werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Projektionsanordnung mit einem Projektor, der an der
Wand einer Projektionskuppel montiert ist; Fig. 2: eine erfindungsgemäße Projektionsanordnung mit einem Projektionskopf mit Umlenkspiegel, montiert in einer Projektionskuppel mit einer Lichtquelle außerhalb der Projektionskuppel; Fig. 3: eine erfindungsgemäße Projektionsanordnung mit einem Projektionskopf mit einer Lichtquelle außerhalb und mit einem Umlenkspiegel mit Ablenkspiegel in der Projektionskuppel montiert; Fig. 4: eine erfindungsgemäße Projektionsanordnung mit einem Projektor, der im Zenit einer Projektionskuppel montiert ist; Fig. 5: eine erfindungsgemäße Projektionsanordnung mit einem Rückprojektor mit
Umlenkspiegel; Fig. 6: den Aufbau eines Projektors mit Umlenkspiegel, Fig. 7: eine erfindungsgemäße Projektionsanordnung mit mehreren übereinander angeordneten Projektoren in einer Projektionskuppel.
Die Erfindung wird in den Beispielen nach den Figuren 1 bis 4 anhand einer Projektion in einem Kuppelraum beschrieben, wie dieser für Planetarien oder Simulationsaniagen Verwendung findet. Insbesondere bei Anwendung von Projektionsverfahren mit einem schreibenden
Lichtstrahl sind jedoch auch andere beliebig geformte Projektionswände verwendbar, da hier weitestgehende Korrekturmögiichkeiten für Bildverzerrungen zur Verfügung stehen und das Bild in jeder Ebene scharf ist, wie dies in Figur 5 am Beispiel einer Rückprojektion gezeigt ist. Daher ist ein Projektor mit einem schreibenden Laserlichtstrahl hier besonders geeignet, wie er beispielhaft in Figur 6 gezeigt wird. In den Figuren bezeichnen gleiche Ziffern gleiche Merkmale. Figur 1 stellt den Projektionsraum einer Projektionskuppel 1 schematisch dar. Die Projektionskuppel 1 hat einen Zenit 2 und einen Horizont 3. Im Beispiel liegt der Boden 4 der Projektionskuppel 1 unterhalb des Horizonts 3. Die Hauptprojektionsachse 5 eines Projektors 10 liegt in einem Winkel ß zum Lot aus dem Zenit 2. In Lichtrichtung gesehen gelangt das Licht aus dem Projektor 10 auf einen bodenseitig angeordneten, zweiachsig drehbar gelagerten Ablenkspiegel 11 , der so bewegt wird, daß ein projiziertes Bild 6 in Winkeibereichen um eine azimutale Drehachse 7 mit etwa 340° und um eine Drehachse Elevation 8 mit etwa 100° auf der Projektionsfläche 9 bewegbar ist, ohne daß eine Abschattung durch den Projektor 10 vorhanden ist. Der Projektor 10 ist im dargestellten Beispiel ein LCD-Projektor.
Im gezeigten Beispiel ist der Winkel ß mit etwa 25° bemessen. Es ist ersichtlich, daß hier das projizierte Bild 6 in einem sehr großen Teil der Projektionsfläche 9 ohne irgendwelche Abschattungen bewegt werden kann. Überschreitet die Schrägstellung ß der Hauptprojektionsachse 5 aus dem Projektor 10 dem Winkel von etwa 60°, ist es praktisch nicht mehr möglich, im Kuppelbereich unterhalb des Horizontes 3 ein projiziertes Bild 6 zu bewegen.
Zum einen erfordert ein größerer Winkel ß eine größere Fläche das Ablenkspiegels 11 , was sich nachteilig auf seine Bewegungsdynamik auswirkt. Andererseits verschlechtern sich die Projektionsverhältnisse bei sehr flachen Einfallswinkeln auf den Ablenkspiegel 11 dramatisch.
Der zugehörige elektromechanische Antrieb und die elektronische Steuerung des
Ablenkspiegels 11 in den zwei Winkelkoordinaten kann verhältnismäßig einfach ausgeführt werden, wenn die azimutale Drehachse 7 eine Parallele zum Lot auf den Zenit 2 darstellt und die Drehachse Elevation 8 in einer Parallelen zum Horizont 3 liegt. Noch einfacher wird die Steuerung, wenn die Hauptprojektionsachse 5 auf den Ablenkspiegel 11 mit der Richtung der azimutalen Drehachse 7 übereinstimmt. Im Normalfall wird daher der Winkel ß = 0° gewählt.
Im Beispiel nach Figur 2 befindet sich der Projektor 10 nur zum Teil in der Projektionskuppel 1 und erzeugt das projizierte Bild 6 mit Hilfe eines zeilenmäßig und bildmäßig abgelenkten Laserlichtstrahls. Der Projektor 10 besteht hier aus einer helligkeits- und farbmodulierbaren Rot- Grün-Blau-Laserlichtquelle 12 und einem Projektionskopf 13 mit einem feststehenden
Umlenkspiegel 14 und dem zweiachsig bewegbaren Ablenkspiegel 11. Zweckmäßigerweise ist die Laserlichtquelle 12 außerhalb der Projektionskuppel 1 aufgestellt. Zwischen der Laserlichtquelle 12 und dem Projektionskopf 13 bestehen elektrische Verbindungen und eine Lichtleitfaserverbindung 15 zur Übertragung des helligkeits- und farbmodulierten Laserlichtstrahles. Der Projektionskopf ist hier auf dem Fußboden aufgestellt und kann gegenüber dem Beispiel in Figur 1 wesentlich kleinere Außenabmessungen haben, so daß die Abschattungen durch den Projektor 10 noch geringer werden. Eine weitere Verringerung der Abschattung wird dadurch erreicht, daß der Projektor 10 mit seiner Hauptprojektionsachse 5 im wesentlichen horizontal angeordnet wird. Durch einen feststehenden Umlenkspiegel 14, der am Lichtaustritt des Projektionskopfes 13 befestigt ist, wird die Hauptprojektionsachse 5' in eine Richtung umgelenkt, die im Winkel ß zum Lot aus dem
Zenit 2 ist. Im Beispiel ist ß = 0°.
In Figur 3 ist der Projektor 10 mit seiner Rot-Grün-Blau-Laserlichtquelle 12 und dem Projektionskopf 13 außerhalb der Projektionskuppel 1 aufgestellt. Nur der feststehende Umlenkspiegel 14 und der zweiachsig bewegbare Ablenkspiegel 11 befinden sich in der
Projektionskuppel. Das abgelenkte helligkeits- und farbmodulierte Laser-Lichtbündel gelangt durch eine Luke 16 in die Projektionskuppel 1 , in der nur noch der Umlenkspiegel 14 und der Ablenkspiegel 1 1 angeordnet sind. Wählt man die Anordnung des Projektionskopfes so, daß seine Hauptprojektionsachse 5 parallel oder im Winkel ß >0° zum Lot aus dem Zenit 2 steht, kann auch hier auf den feststehenden Umlenkspiegel verzichtet werden (gestrichelt dargestellt).
Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Anordnung des Projektors 10 außerhalb der Projektionskuppel 1. Die Projektion erfolgt hier aus dem Zenit 2 der Projektionskuppel im Lot auf den bodenseitig angeordneten zweiachsig auslenkbaren Ablenkspiegel 11 durch die Luke 16. Hier gelingt es, das Bild 6 im gesamten Raum der Dreiviertel-Kugel zu bewegen. Die Bewegung des Bildes 6 ist jedoch in Bereiche bis tief unterhalb des Horizontes 3 möglich. Ohne daß die Auslenkung des Ablenkspiegels 11 vom Lot aus gemessen wesentlich größer als 60° sein muß, kann die überwiegend große Fläche des Kugelraumes unterhalb des Horizonts 3 vom bewegten Bild erreicht werden. Die in den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Kuppelprojektionen auf eine Projektionsfläche 9 sind natürlich auch genauso verwendbar, wenn die Projektionsfläche 9 transparent ist und der Beobachter das Bild von außerhalb der Kuppel betrachtet. Die Projektionsfläche 9 kann insbesondere bei einem Laser-Projektor nahezu beliebig geformt sein, da hier weitreichende Möglichkeiten zur Korrektur von Bildfehlern einsetzbar sind.
In Figur 5 wird ein Beispiel einer Rückprojektion dargestellt. Die Projektionsfläche 9 ist hier ein lichtdurchlässiger asphärischer Bildschirm. Die Bildprojektion erfolgt auf die Rückseite des Bildschirmes und das Bild wird von der Vorderseite her betrachtet. In Lichtrichtuπg gesehen gelangt das Licht aus dem Projektor 10 zunächst auf den Umlenkspiegel 14 und dann auf den bodenseitig angeordneten, zweiachsig drehbar gelagerten Ablenkspiegel 11. Letzterer wird so bewegt, daß ein projiziertes Bild 6 in Winkelbereichen um eine azimutale Drehachse 7 mit etwa
340° und um eine Drehachse Elevation 8 mit etwa 90° bewegbar ist und von einem geeignet geformten Bildschirm darstellbar ist. Figur 6 zeigt die Ausführung eines Projektors 10 mit einer Laserlichtquelle 12 und einem Projektionskopf 13. Der Projektor besteht aus den in Lichtrichtung angeordneten Baugruppen Laserlichtquelle 12, Ablenkeinrichtung 17, Transformationsoptik 18, Umlenkspiegel 14 und zweiachsig auslenkbaren Ablenkspiegel 11 mit dem Antriebsmechanismus. In einem Gehäuse
19 befinden sich die Laserstrahlungsquelle 12 und die elektrischen Steuerungen für den Betrieb der Laserlichtquelle, die Modulation des Laserlichts, für die Ablenkeinrichtung 17, die Zoom-Funktion der Transformationsoptik18, und die Antriebe für den Ablenkspiegel 11. Die Baugruppen Ablenkeinrichtung 17, Transformationsoptik 18, Umlenkspiegel 14 und zweiachsig auslenkbaren Ablenkspiegel 11 mit dem Antriebsmechanismus sind auf ein Gestell 20 montiert, das mit dem Gehäuse 19 verbunden ist. Dieses Gehäuse 19 steht auf dem Boden 4 der Projektionskuppel 1. Wie in Figur 3 gezeigt ist, kann eine Trennung von Lichtquelle 12 und Projektionskopf 13 vorgenommen werden. In diesen Fall steht das Gehäuse 19 separat und das Gestell 20 ist zum Beispiel an der Wand der Projektionskuppel 1 befestigt. Weiterhin ist in Figur 6 gezeigt, daß in Richtung der Hauptprojektionsachse 5'auf den Ablenkspiegel 11 optional ein
Pilot-Laserstrahl 21 über einen teildurchlässigen Umlenkspiegel 14 eingekoppelt wird. Der Pilot-Laserstrahl 21 wird mit dem zur Bilderzeugung dienenden Lichtbündel 22 durch den Ablenkspiegel 11 abgelenkt und ist somit immer einer Position im dargestellten Bild zuordenbar.
Figur 7 zeigt einen Projektionsraum mit einer sphärischen Projektionsfläche. In dem
Projektionsraum sind drei Projektoren 10, 10, 10 mit zugehörigen Umlenkspiegeln 14, 14', 14" und Ablenkspiegeln 11 , 11', 11" gemäß der Figur 6 so übereinander angeordnet, daß die Richtungen der Hauptprojektionsachsen nach der Strahlumlenkung durch die Umlenkspiegel auf einer Gerade die mit dem Lot aus dem Zenit 2 identisch ist. Jeder der drei Projektoren entspricht im Aufbau dem Projektor, der in Figur 6 dargestellt ist. Die drei Projektoren sind in der Nähe des geometrischen Mittelpunktes der Projektionskuppel 1 angeordnet. Somit ist die Projektionsentfernung von allen Projektoren 10, 10', 10" zu allen Teilen der Projektionsfläche 9 ungefähr gleich groß. Die Darstellung der drei Projektoren 10, 10', 10" in Figur 7 ist im Verhältnis zur Darstellung der Größe der Projektionskuppel 1 nicht in einem Maßstab. Die Projektionskuppel 1 hat zum Beispiel einen Durchmesser von 20 Meter, während ein einzelner
Projektor 10 die Abmessungen 900 mm in der Länge, 400 mm in der Höhe und 200 mm in der Breite hat. In Figur 7 ist gezeigt, daß der Ablenkspiegel 11 des mittleren Projektors 1 genau im Zentrum der Projektionskuppel 1 angeordnet ist. Die Ablenkspiegel 11', 11" der anderen Projektoren 10', 10" sind jeweils etwa 500 mm von der Mitte entfernt. Bei einem Zeiienöffungswinkel von 5° wird das Bild 6, das vom mittleren Projektor 10 erzeugt wird, etwa
900 mm breit. Die sich ergebende Differenz in der Bildbreite der Bilder 6', 6" aus den zwei anderen Projektoren 10', 10" zu dem Bild 6 des mittleren Projektors 10 ist etwa 45 mm. Damit liegen die maximal möglichen Größenunterschiede der Bilder in einem Bereich, der insbesondere bei bewegten Bildern vom Beobachter nicht mehr erfaßbar ist.
Bezugszeichenliste
Projektionskuppel 1 Zenit 2
Horizont 3
Boden 4
Hauptprojektionsachse 5
Bild 6 azimutale Drehachse 7
Drehachse Elevation 8
Projektionsfläche 9
Projektor 10
Ablenkspiegel 11 Lichtquelle 12
Projektionskopf 13
Umlenkspiegel 14
Lichtleitfaser 15
Luke 16 Ablenkeinrichtung 17
Transformationsoptik 18
Gehäuse 19
Gestell 20
Pilot-Laserstrahl 21 Lichtbündel 22

Claims

Patentansprüche
1. Projektionsanordnung mit einem Projektor (10) und einem Ablenkspiegel (11), bei der die
Bildprojektion aus einer Projektionsrichtung entlang einer Hauptprojektionsachse (5) auf den in zwei Raumrichtungen beweglich gelagerten Ablenkspiegel (11) trifft, dessen Spiegelfläche ein projiziertes Lichtbündel (22) mit einem Elevationswinkel und einem Azimutwinkel auf eine auf einem Boden (4) stehende Projektionsfläche (9) ablenkt, wobei die Bildprojektion aus der Richtung eines Zenits (2) unter einem Winkel ß erfolgt, der kleiner als 60°, bezogen auf ein Lot aus dem Zenit (2), ist, und der Ablenkspiegel (11) am Boden (4) angeordnet ist, wobei das projizierte Lichtbündel (22) zur Projektionsfläche (9) hin ablenkbar, damit ein Bild (6) auf der Projektionsfläche (9) erzeugbar und auf dieser bewegbar ist.
2. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mit dem projizierten
Lichtbündel (22) nur auf einer Teilfläche der Projektionsfläche (9) ein Bild (6) erzeugbar ist und dieses Bild im Bereich der Projektionsfläche (9) bewegbar ist.
3. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehachse (8) zur Einstellung des Elevationswinkels senkrecht zur Hauptprojektionsachse (5) steht und eine
Drehachse (7) zur Einstellung des Azimutwinkels mit der Hauptprojektionsachse (5) zusammenfällt.
4. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ß = 0° ist.
5. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptprojektionsachse (5) mit dem Lot aus dem Zenit (2) einer Projektionskuppel (1 ) zusammenfällt.
6. Projektionsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor (10) im
Zenit (2) einer Projektionskuppel (1 ) und der Ablenkspiegel (11 ) am Boden der Projektionskuppel angeordnet ist, wobei die Drehachse (7) für die Einstellung des Azimutwinkels mit dem Lot aus dem Zenit (2) zusammenfällt.
7. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ablenkspiegel (1 1 ) so zur Lage der Projektionsfläche (9) angeordnet ist, daß die Projektionsentfernung zu jedem Punkt der Projektionsfläche weniger als +/-10% von einer mittleren Projektionsentfernung abweicht.
8. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Projektor (10) und dem Ablenkspiegel (11 ) ein Umlenkspiegel (14) angeordnet ist, der das vom
Projektor (10) kommende Lichtbündel (22) so umlenkt, daß die Richtung der Hauptprojektionsachse (5) des Lichtbündels (22) nach der Umlenkung durch den Umlenkspiegel (14) unter dem Winkel ß aus dem Zenit gerichtet ist.
9. Projektionsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel
(14) feststehend angeordnet ist.
10. Projektionsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche des Umlenkspiegels (14) unter einem Winkel von 45° zur Hauptprojektionsachse (5) des aus dem Projektor (10) kommenden Lichtbündels (22) steht und weiterhin in einem Winkel von 45° zum Lot aus dem Zenit (2) angeordnet ist.
11. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor (10) ein Laser-Projektor ist, der eine mit der Bildinformation modulierbare Laserstrahlungsquelle als Lichtquelle (12) und Ablenkeinrichtung (17) zum zeilenmäßigen und bildmäßigen Ablenken des
Lichtbündels (22) umfaßt.
12. Projektionsanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) des Laser-Projektors eine monochrome Laserstrahlungsquelle oder eine Rot-Grün-Blau- Laserstrahlungsquelle ist.
13. Projektionsanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (17) einen Zeilenspiegel und einen Bildspiegel zum Rastern des Lichtbündels (22) und eine Transformationsoptik (18) enthält, mit welcher die Winkelablenkungen des Lichtbündels (22) in Zeilenrichtung und in Bildrichtung einstellbar sind.
14. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor (10) ein bildabbildender Projektor ist, wobei die Lichtquelle eine Laserstrahlungsquelle oder ein Temperaturstrahler ist.
15. Projektionsanordnung nach Anspruch 11 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtleitfaser vorgesehen ist, die mit ihrem einen Ende mit einer Lichtquelle (12) verbunden ist und mit Ihrem anderen Ende mit der Ablenkeinrichtung (17) in einem Projektionskopf (13) des Laser-Projektors oder mit einem Objektfeld des bildabbildenden Projektors optisch verbunden ist.
16. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Pilot-Laserstrahl
(21 ), dessen Lichtwellenlänge ungleich der(den) Wellenlänge(n) des(der) Lichtbündel(s) (22) ist, in den Strahlengang zur Projektion des Bildes (6) so einkoppelbar ist, daß der Pilot-Laserstrahl (21) einem festen Punkt im abgelenkten Bild (6) zugeordnet ist, wobei er bevorzugt mit der Lage der Hauptprojektionsachse (5) zusammenfällt und mit Hilfe des Ablenkspiegels (11 ) zusammen mit dem Bild (6) auf der Projektionsfläche (9) bewegbar ist.
17. Projektionsanordnung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß der Pilot-Laserstrahl (21 ) über einen für seine Wellenlänge durchlässigen Umlenkspiegel (14) einkoppelbar ist.
18. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zu einer
Projektionsfläche ein erster Projektor (10) angeordnet ist, der ein die Projektionsfläche ausfüllendes Szenenbild (6) projiziert, und weiterhin zu der Projektionsfläche ein zweiter Projektor (10') mit einem zugehörigen Ablenkspiegels angeordnet ist, wobei der zweite Projektor (10') vergleichsweise kleines Bild (6') projiziert, das innerhalb des Szenenbildes bewegbar und völlig unabhängig von diesem Szenenbild (6) darstellbar ist.
19. Projektionsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als der eine Projektor (10) mit jeweils zugeordneten Ablenkspiegeln (11', 11") zu einer Projektionsfläche (9) ausgerichtet sind.
20. Projektionsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkspiegel (11 , 11', 11") in horizontaler Richtung nebeneinander liegend angeordnet sind und die Richtungen der Lichtbündel (22), die auf die Spiegelflächen der Ablenkspiegel (11 , 11 ', 11") fallen, aus der Richtung des Zenits verlaufen.
21. Projektionsanordnung nach Anspruch 19 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkspiegel (11 , 11', 11 ") in vertikaler Richtung übereinander liegend angeordnet sind.
22. Projektionsanordnung nach Anspruch 21 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der Hauptprojektionsachsen der Lichtbündel (22) nach der Umlenkung durch die jeweils zugeordneten Umlenkspiegel (14) zusammenfallen.
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