WO2023094432A1 - Projektor oder display mit scannender lichtquelle und pixeliertem array - Google Patents

Projektor oder display mit scannender lichtquelle und pixeliertem array Download PDF

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WO2023094432A1
WO2023094432A1 PCT/EP2022/082945 EP2022082945W WO2023094432A1 WO 2023094432 A1 WO2023094432 A1 WO 2023094432A1 EP 2022082945 W EP2022082945 W EP 2022082945W WO 2023094432 A1 WO2023094432 A1 WO 2023094432A1
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WO
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pixel array
light
pixel
illumination radiation
scanning
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/082945
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French (fr)
Inventor
Adrian Grewe
Marc Junghans
Roman KLEINDIENST
Siemen KUEHL
Christoph ERLER
Original Assignee
Carl Zeiss Jena Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04N9/3102—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources

Definitions

  • the invention preferably relates to an imaging unit with a light source for generating an illumination radiation and a light-modulating pixel array for generating an image by pixel-by-pixel modulation of the illumination radiation incident on the pixel array.
  • the imaging unit is characterized in that the illumination radiation has a lateral extension when impinging on the light-modulating pixel array, which is smaller than the pixel array and is guided over the pixel array by means of a scanning unit to generate an image.
  • the speckle signatures of the scanning unit and of the pixel array are superimposed or combined to generate a picture point.
  • visible speckle patterns in the resulting image can be significantly reduced as a result.
  • the invention relates to the field of illuminated systems.
  • the present invention relates to the reduction of speckle and interference patterns in displays or projectors that are illuminated by means of coherent light sources, in particular lasers.
  • lasers as an alternative to white light sources, such as xenon arc lamps, leads to a number of imaging advantages.
  • lasers allow for higher color saturation, higher power, improved efficiency and contrast.
  • HUDs have also established themselves as an advantageous source of illumination for head-up display (HUD) applications.
  • HUDs are used to display information on a virtual plane, for example in front of the windshield of a motor vehicle. A vehicle occupant or a driver of the vehicle can read the information without having to look down at the dashboard.
  • speckle the granular interference phenomena that can be observed with sufficiently coherent illumination of optically rough object surfaces.
  • the asperities of the illuminated rough surfaces can also be viewed as scattering centers emanating spherical waves of different phase that interfere in the far field.
  • a spatial structure is created with randomly distributed intensity minima and maxima.
  • Transverse speckles are more significant at greater distances, since the individual spherical wave components can be simplified as plane waves.
  • speckles are therefore caused by local phase differences within the aperture of the optical system, which are inevitably caused by the surface roughness of individual surfaces in the optical system or by the roughness of the projection screen.
  • a speckle pattern is therefore stationary and characteristic of an optical path through the system.
  • US 5,272,473 proposes a coherent light source imaging system in which a display screen is coupled to a surface acoustic wave transducer to reduce the occurrence of speckle.
  • the implementation is complex and cannot be transferred to just any display or projection arrangement.
  • a laser projector is known from US Pat. No. 8,262,235 B2, which comprises an oscillation device in which at least one optical element of the optical projection system is periodically oscillated along the optical axis of the light.
  • the oscillating element in the laser projector is designed to reduce the speckle pattern on the screen to the point that it can no longer be seen with the naked eye.
  • the oscillating change along the optical axis can degrade image quality.
  • US Pat. No. 9,541,760 B2 discloses a head-up display for a vehicle, the head-up display having a laser and a scanning system with which an image to be displayed in a driver's field of vision is generated point by point from individual points .
  • the laser is selected in such a way that the laser points on the projection surface are so small that after the enlargement of the image to be displayed in the virtual image plane are still smaller than the resolving power of the human eye.
  • WO 97/02507 proposes rotating a speckle field, which lies between the object point and an image point, about an optical axis in order to reduce the speckle pattern that can be observed in an image in a laser projector, in order to average over a number of uncorrelated fields.
  • US 2008/0304128 A1 relates to a laser projection system in which an expanded laser beam is guided onto a two-dimensional light modulator, including an LCD panel, which modulates the expanded laser beam pixel by pixel to generate an image on a projection surface.
  • a two-dimensional light modulator including an LCD panel, which modulates the expanded laser beam pixel by pixel to generate an image on a projection surface.
  • an angle-dependent scanning is impressed on the expanded laser beam.
  • a movable mirror is provided, the surface of which is imaged onto the input of a multi-mode waveguide, so that the laser beam at the input of the waveguide has different angles, which after it is expanded onto the LCD panel and projected onto the projection screen, become one averaging speckle patterns.
  • a projector comprising an image processing unit and an optical scanner is known from EP3267236 A1, in which a laser beam is guided in two directions by means of a MEMS mirror over a surface to be scanned.
  • One or more photodetectors are present on the surface to be scanned and are configured to measure the incident laser radiation in a detection area.
  • the measurement signal from the photodetector or photodetectors is transmitted to a control unit and can be used to adjust and/or control the light source or the MEMS mirror. This should make it possible to compensate for any variation in the scan amplitude of the MEMS mirror, for example due to temperature fluctuations.
  • the surface to be scanned is a light transmissive element, preferably glass.
  • An image drawn on the surface to be scanned is preferably projected onto a projection screen located behind it.
  • the image is preferably generated using the image data from the image processing unit by modulation of the driver of the light source.
  • the surface to be scanned is designed as an array of microlenses to reduce speckle patterns, so that interference between Light fields of different microlenses - and thus the occurrence of speckle - is avoided.
  • the object of the invention is to provide an imaging unit without the disadvantages of the prior art.
  • the invention relates to an image generator unit with a light source for generating an illumination radiation and a light-modulating pixel array for generating an image by pixel-by-pixel modulation of the illumination radiation incident on the pixel array, the illumination radiation having a lateral extension when it strikes the light-modulating pixel array, which is smaller is used as the pixel array and is passed over the pixel array to generate an image by means of a scanning unit in order to reduce a visibility of speckle patterns in the generated image.
  • the image unit according to the invention advantageously allows the perceptible speckle patterns in a display or projection plane to be reduced using simple means, without the image quality being reduced.
  • both a scanning unit and a light-modulating pixel array have characteristic speckle signatures for different scanning positions or pixel states.
  • each pixel becomes one
  • Light-modulating pixel arrays have a specific speckle signature that depends on the surface finish and/or the addressing state (e.g. crystal alignment in the case of an LCD (liquid crystal display)).
  • the speckle generated by a scanning unit will differ for different scanning positions.
  • the generated speckle patterns depend not only on the position of the laser beam on the mirror surface but also on the different angles of radiation, so that a speckle pattern in the light beam varies with the scanning position.
  • the speckle signatures of the scanning unit and of the pixel array are superimposed or combined to generate a pixel.
  • This is illustrated as an example in Fig. 2a) - d).
  • an illumination beam guided by the scanning unit sweeps over a pixel of the light-modulating pixel array, depending on the scanning position, different speckle patterns which result from the scanning unit are overlaid with a speckle pattern that is characteristic of the respective pixel.
  • a resulting pixel is advantageously characterized by an averaged speckle pattern with a higher spatial frequency, which an observer cannot perceive, or can only perceive to a reduced extent.
  • a reduction in the visibility of speckle patterns in the generated image is therefore preferably achieved in that the illumination radiation is guided by the scanning unit in such a way that when the pixels of the light-modulating pixel array are swept over, depending on the scanning position, different speckle patterns, which result from the scanning unit, with a for overlay the speckle pattern that is characteristic of the respective pixel.
  • the imaging unit according to the invention therefore advantageously utilizes inherent variations in the components in order to generate an image with high quality without disruptive brightness or interference patterns.
  • the light source itself can have a high level of coherence--as is desirable, for example, for holographic applications--without disturbing interference patterns (speckle) being perceptible.
  • speckle interference patterns
  • the speckle reduction is carried out by the image-generating scanning process on a pixel array - as described above - itself, without there being any reduction in image quality.
  • the illumination radiation when impinging on the light-modulating pixel array, has a lateral extent that is smaller than the pixel array.
  • the illumination radiation can preferably have a lateral extent, for example, which is smaller by a factor of 5, 10, 100 or more than the lateral extent of the pixel array. This ensures that a large number of speckle patterns are generated (and superimposed) over an individual pixel in the scanning process of the illumination radiation to produce a pixel. It is therefore preferred for the illumination radiation to be directed onto the pixel array in a bundled manner in the form of a bundle of rays.
  • the terms illumination radiation, illumination beam or bundle of rays are preferably used synonymously.
  • the illumination radiation can be collimated or focused by optical components such as lenses.
  • the speckle reduction can be achieved advantageously for a wide variety of light sources.
  • the illumination radiation is coherent radiation and/or the light source is a laser.
  • Coherence preferably describes the property of optical waves, according to which there is a fixed phase relationship between two wave trains. As a result of the fixed phase relationship between the two wave trains, spatially stable interference patterns can arise.
  • Coherent illumination radiation is desirable for holographic applications, since this is the only way to reconstruct the intensity and phase of the wave field.
  • a disadvantage of coherent irradiation is the occurrence of undesired interference patterns or speckle patterns.
  • Coherence can preferably also be understood as the ability to interfere.
  • a spatial coherence preferably represents a measure of a fixed phase relationship between wave trains perpendicular to the propagation and is given, for example, for parallel light rays.
  • Temporal coherence preferably represents a fixed phase relationship between wave trains along the direction of propagation and is given in particular for narrow-band, preferably monochromatic, light beams.
  • the coherence length preferably designates a maximum path length or propagation time difference that two light beams have from a starting point, so that when they are superimposed, a (spatially and temporally) stable interference pattern is still produced.
  • the coherence time preferably designates the time that the light needs to cover a coherence length.
  • Lasers can have coherence lengths in the micrometer range, meter range up to the kilometer range. Typical ranges for the use of lasers as light sources in imaging units are, for example, between 1 m - 100 m, which means that the lasers are excellently suited for holographic images on the one hand and can lead to unwanted (laser) speckle patterns on the other.
  • the light source is therefore a laser.
  • a narrow-band, preferably monochromatic laser with a preferred wavelength in the visible range is particularly preferred.
  • lasers preferably denote light sources which emit laser radiation
  • non-limiting examples include solid-state lasers, preferably semiconductor lasers or laser diodes, gas lasers or dye lasers.
  • LEDs light-emitting diodes
  • monochromatic light sources including, for example, light-emitting diodes (LEDs), optionally in combination with monochromators.
  • LEDs usually have shorter coherence lengths in the range of millimeters or micrometers.
  • the imaging unit comprises two or more light sources, preferably two or more monochromatic lasers and/or a polychromatic light source with an illumination radiation in two or more wavelength ranges.
  • the illumination radiation emitted by the two or more light sources is preferably guided over the light-modulating pixel array on a common optical axis and by means of the same scanning unit.
  • two or more light sources it is also possible for two or more light sources to be guided via separate scanning units.
  • illumination radiation in the red wavelength range (preferably 630 nm-700 nm), in the green wavelength range (preferably 500 nm-560 nm) and in the blue wavelength range (preferably 450 nm-475 nm).
  • a laser system with three monochromatic lasers or one polychromatic laser with laser emission in the red, green or blue (RGB) range is particularly preferred for this purpose.
  • the imaging unit preferably includes a control unit for controlling components of the imaging unit, such as the light-modulating pixel array and/or the scanning unit.
  • the control unit is preferably suitable for this purpose to output electrical control signals to the components and/or to receive them from them.
  • the control unit may include a microprocessor, a microcomputer, an integrated circuit (IC), an ASIC (application-specific integrated circuit), a programmable logic circuit (PLD), a field programmable gate array ( FPGA), a programmable logic controller and/or other electronic circuit elements, e.g. B. digital-to-analog converter, analog-to-digital converter, memory and / or (signal) amplifier include.
  • the illumination radiation or the light beam is preferably guided over the pixel array with the aid of the scanning unit.
  • the scanning unit (or a control unit connected to it) is preferably set up to guide the illumination radiation over the entire pixel array in rows or columns.
  • the scanning frequency of the scanning unit preferably designates the frequency with which the scanning unit scans the entire pixel array or the frequency with which the illumination radiation sweeps over one and the same pixel.
  • a scanning frequency of 25 Hz therefore preferably means that the scanning unit scans the entire pixel array 25 times per second or scans a specific pixel 25 times per second when scanning preferably in rows or columns.
  • the scanning frequency is more than 20 Hz, preferably more than 25 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz or more.
  • the scanning unit comprises one or more scanning mirrors, which are preferably tiltable about one or more axes.
  • the scanning unit can include a first scanning mirror, the first scanning mirror being tiltable about a first axis in order to guide the illumination radiation onto the pixel along a first direction (e.g. horizontally) and a second scanning mirror, which can be tilted about a second axis directing the illumination radiation onto the pixel along a second direction (eg, vertical).
  • the scanning mirror can preferably be a galvanometer mirror (e.g. with gimbals) or a microelectromechanical mirror (MEMS).
  • MEMS microelectromechanical mirror
  • a individual scan mirrors (with tilting in at least two axes) or a combination of two or more scan mirrors can be used.
  • the scanning unit comprises one or more lenses and/or a lens array, by means of which a movement of the illumination beam on the pixel array can be controlled.
  • at least one of the lenses can be translatable and/or rotatable.
  • the scanning unit can also have prisms and/or wedges as beam-deflecting elements.
  • the scanning unit comprises one or more diffractive optical elements, by means of which a movement of the illumination radiation on the pixel array can be controlled.
  • An exemplary scanning unit comprising diffract optical elements, which are designed as two decentered diffractive Fresnel lenses with opposite optical strengths, is described in Bawart et al. disclosed (Bawart et al. Dynamic beam steering by a pair of rotating diffractive elements Optics Communications 460 (2020) 125071).
  • AOD acousto-optic deflector
  • the light-modulating pixel array (or a control unit connected to it) is preferably set up to modulate, pixel by pixel, an illumination radiation which is incident on the pixel array.
  • the modulation is preferably an intensity and/or phase modulation of the illumination radiation.
  • the modulation takes place pixel by pixel in such a way that preferably each pixel of the light-modulating pixel array can be controlled in order to set a modulation state, i.e. a defined intensity and/or phase modulation for the area of the pixel.
  • the pixel array is preferably a two-dimensional, planar light modulator.
  • the pixel array has a plurality of pixels, preferably 100, 200, 500, 1000, 5000, 10,000, 50,000, 100,000, 500,000, 1,000,000 or more pixels.
  • the pixels are preferably arranged in a plane or surface which is preferably perpendicular to the optical axis along which the illumination radiation essentially propagates.
  • Terms such as essentially, approximately, approximately etc. preferably describe a tolerance range of less than ⁇ 20%, preferably less than ⁇ 10%, particularly preferably less than ⁇ 5%, and in particular less than ⁇ 1% and always include the exact value. Similarly, preferably describes sizes that are approximately the same. Partially describes preferably at least 5%, particularly preferably at least 10%, and in particular at least 20% or at least 40%.
  • the plurality of pixels are preferably arranged in a matrix in the pixel array; the pixels can be particularly preferably arranged in rows or columns, which leads, for example, to a rectangular pixel array with a horizontal and vertical extension. Other arrangements of the pixels in the pixel array are also conceivable, for example on concentric circles.
  • the pixels can preferably have a rectangular, square or diamond-shaped shape, but other two- or three-dimensional shapes are also conceivable; e.g. B. circular, oval, triangular, polygonal etc.
  • the array frequency of the pixel array preferably designates the frequency with which the pixel array can change the states of all pixels of the pixel array to generate an image or the frequency with which a state of an individual pixel of the pixel array can be changed to generate the image.
  • the states of the pixels of a pixel array can preferably be changed simultaneously. It can also be preferred to change the states of the pixels of a row and/or column of the pixel array simultaneously or to change the states of the individual pixels successively. While in the first case the array frequency corresponds to the frequency with which the state of all pixels is driven simultaneously, in the latter two cases the array frequency corresponds to the frequency with which the states of pixels of the same row/column are changed or the frequency with which the state of a single pixel is changed to create the image.
  • the array frequency is more than 20 Hz, preferably more than 25 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz or more.
  • the image refresh rate preferably designates that frequency at which one image per second can be generated by means of the image generator unit.
  • the refresh rate preferably corresponds to the minimum of the scan frequency and the array frequency.
  • the scanning frequency is preferably equal to or a (whole number) multiple of the array frequency and/or the array frequency is equal to or a (whole number) multiple of the scanning frequency.
  • the scanning frequency is equal to the array frequency.
  • the scanning unit also guides the illumination radiation over all pixels of the pixel array with a scanning frequency of 30 Hz. This means that the scanning unit scans the entire pixel array at a frequency of 30 Hz or scans the same pixel with a frequency of 30 Hz. also changes with an array frequency of 30 Hz. Consequently, a pixel of the image to be generated is generated or defined with a refresh rate of 30 Hz.
  • the pixel is preferably generated during a scanning process for a period of time while the illumination radiation irradiates or sweeps over a corresponding pixel of the pixel array.
  • a changed pixel can be generated or defined depending on a possible change in the state of the pixels on the pixel array. If the refresh rate is high enough, as in the present case, the limited integration time of the eye means that the successively generated pixels are perceived as continuous images.
  • Such an image generation by combining a scanning unit and a pixel array represents a departure from known approaches of the prior art, in which, for example, a light-modulating pixel array is irradiated with an expanded, essentially homogeneous illumination radiation.
  • the refresh rate is dictated by the array frequency of the pixel array. If the pixels of a pixel array experience a state change with a frequency of 30 Hz, a corresponding image is also generated with 30 Hz.
  • each pixel is permanently irradiated.
  • the speckle signatures of the scanning unit and of the pixel array are superimposed or combined by performing a scanning process over the pixel array to generate a pixel. While an illumination beam guided by the scanning unit sweeps over a pixel of the light-modulating pixel array, different speckle patterns, which result from the scanning unit, are superimposed with a speckle pattern that is characteristic of the respective pixel, depending on the scanning position. A resulting pixel is advantageous due to an averaged speckle pattern with a higher spatial frequency marked, which is not or only to a reduced extent perceptible to a viewer. According to the invention, different light-modulating pixel arrays can be considered.
  • the light-modulating pixel array is a liquid crystal display (LCD) and/or a mirror matrix, preferably a micromirror array, for example a digital micromirror device (DMD).
  • LCD liquid crystal display
  • DMD digital micromirror device
  • SLM spatial light modulators
  • liquid crystal displays are based on the fact that liquid crystals can influence the direction of polarization of light depending on an applied voltage.
  • a polarized illumination radiation can thus be transmitted or absorbed pixel-by-pixel by pixel-by-pixel modulation of the crystal orientation in order to generate an image.
  • the polarized light may be rotated 90 degrees in one state of the liquid crystal and not rotated in another state.
  • a polarizer may be provided on each side of the liquid crystal so that the polarization angles of the polarizers are offset by 90 degrees.
  • a liquid crystal display can include a transparent electrode installed on the inner sides of two substrates in different display modes, e.g. in a twisted nematic (TN) display mode in which liquid crystal molecules with positive (+) dielectric isotropy are arranged parallel to the substrates and with an angular difference of almost 90 degrees between the substrates, or a super twisted nematic (STN) display mode in which the liquid crystal molecules are arranged similarly to a TN display mode but twisted with an angular difference of 180 to 270 degrees between the substrates .
  • TN twisted nematic
  • STN super twisted nematic
  • Other display types such as Triple Super-Twisted Nematic etc. are also conceivable. According to the invention, a large number of different liquid crystal displays can be used.
  • a micromirror array is preferably a microelectromechanical system (MEMS) comprising a multiplicity of micromirrors for the dynamic modulation of light.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the pixels are formed by the individual (micro)mirrors, which can preferably assume discrete deflections.
  • the individual micro-mirror of the (tilting) mirror matrix can preferably be controlled electrostatically and in particular between at least two (flip) states change, with one state preferably causing the illumination radiation to be deflected to a pixel on the image to be generated and another state causing the illumination radiation to be deflected outside of the image to be generated, for example onto an absorber.
  • the DMDs can be constructed in different ways.
  • the mirrors may be connected to an underlying yoke, which yoke is in turn connected via two thin, mechanically compliant torsional hinges to support posts secured to the underlying substrate.
  • Electrostatic fields created between an underlying memory cell (e.g. SRAM), the yoke and the mirror can cause a positive or negative tilting direction.
  • the inherent variation in the speckle signatures of the scan units and pixel arrays mentioned as preferred leads to a significant reduction in speckle.
  • a preferred parameter for reducing speckle reduction depending on the application is the lateral extent of the illumination beam on the pixel array.
  • the illumination radiation has a (maximum) lateral extent when impinging on the pixel array, which is smaller by a factor of 5, 10, 100 or more than a (minimum) lateral extent of the pixel array.
  • the illumination radiation has a (maximum) lateral extent of less than 50, 30, 20, 10, 5, 4, 3, 2 or less than one pixel when it strikes the pixel array. It can also be preferred that the maximum lateral extent of the illumination radiation when impinging on the pixel array is, for example, only a factor of 0.8; 0.5; 0.2 or less the size of a pixel. Likewise, it can also be preferred that the maximum lateral extent of the illumination radiation when impinging on the pixel array is more than one pixel or more than 2, 3, 4, 5, 10 or more pixels.
  • the maximum lateral extent of the illumination radiation when impinging on the pixel array can have a size which is between 0.2 times and 50 times the size of an individual pixel.
  • the illumination radiation is directed onto the pixel array in a bundled manner in the form of a bundle of rays.
  • the lateral extent of the illumination radiation when it strikes the pixel array is preferably given by the full width half maximum (FWHM) of the light intensity.
  • the lateral extent of the illumination radiation when it strikes the pixel array thus preferably corresponds to the spot size (FHMW) of the illumination radiation on the pixel array.
  • the lateral extent of the pixel array preferably designates a minimum extent along the plane of the planar pixel array (measured through the centroid of the area). In the case of a square pixel array, the minimum lateral extent preferably corresponds to a length of the square. If the pixel array is rectangular, the minimum lateral extent preferably corresponds to the smaller of the two lengths of the rectangle. For a circular pixel array, the lateral extent is preferably given by the diameter.
  • the aforementioned preferred sizes show particularly good results with regard to a reduction of speckle patterns in the pattern produced.
  • the size of the incident illumination radiation is sufficiently small to ensure that a large number of speckle signatures (resulting from different scan positions of the scanning system) are superimposed with the speckle signature of a respective pixel to generate a picture element (corresponding to a pixel of the pixel array).
  • the magnitude of the incident illumination radiation is not so small that the speckle signatures are not effectively averaged by the scanning system and pixel array.
  • a person skilled in the art knows how to ensure a desired beam profile when the illumination radiation impinges on the pixel array by using optical components.
  • one or more lenses are present in the beam path between the scanning unit and the pixel array, by means of which it is ensured that the illumination radiation is guided onto the pixel array with a constant angle of incidence, regardless of the point of incidence.
  • the one or more lenses can preferably be a diffractive, a refractive or a Fresnel lens.
  • the one or more lenses can be positioned in such a way that the scanning unit is located in the focal point of the lens on the object side (cf. FIG. 11 ).
  • the distance between the scanning unit and the one or more lenses can also be varied in order to set a desired emission characteristic.
  • speckle signature preferably characterizes the property of the components of the imaging unit in the generated image to generate characteristic speckle patterns.
  • speckle patterns the granular interference phenomena in particular that can be observed with sufficiently coherent illumination of optically rough object surfaces.
  • the imaging unit is set up to bring about an additional phase variation of the illumination radiation through the pixel array and/or the scanning unit.
  • an increase in a variation of a speckle signature of the pixel array and/or the scanning unit can be achieved.
  • the image generator unit is set up for an additional modulation of the pixel state per generated image, with a modulation frequency of the pixel state preferably being a factor of 2, 4 or more higher than an image repetition rate of the image generator unit.
  • the expression that the image generator unit is set up preferably means that a control unit included in the image generator unit is set up to carry out the named method steps (here: modulation of the pixel state) and, for example, for this purpose on the control unit and/or an external data processing device connected to it corresponding software and/or firmware is installed.
  • the state of a single pixel can be changed several times while the eye is adding up the images.
  • a modulation frequency of the pixel states should preferably be so high that the eye cannot distinguish between the individual images.
  • a pixel preferably changes its state several times (eg 2, 4, 6 or more) within the desired refresh rate. Assuming that the image refresh rate or the frequency of the state change is sufficiently high, the pixel changes its state several times within the integration time of the eye.
  • the state perceived per frame preferably corresponds to the average of all pixel states within the frame rate. This is shown by way of example in Fig. 3, in the embodiment shown the state of the pixel changes its state 4 times within the integration time of the eye or within the desired image refresh rate (t_int).
  • a chronological sequence of different phase or amplitude values can be specified for a pixel, which only result in the phase or amplitude value desired for the generated image when integrated over the frame rate.
  • the array frequency corresponds to an integer multiple of the image refresh rate, the integer multiple corresponding to a factor, for example 2, 4, 6 or more, with which the pixel state is changed during the generation of a pixel.
  • the scanning frequency should preferably correspond at least to the modulation frequency of the pixel state or be an integral multiple of the modulation frequency of the pixel state.
  • the refresh rate can drop to 60 Hz if each pixel assumes two different states per generated image, with 4 different states the refresh rate drops to 30 Hz.
  • the imaging unit is set up for additional modulation of the scanning unit to vary the phase of the illumination radiation, with a modulation frequency of the scanning unit preferably being a factor of 2, 4, 6 or more higher than an image repetition rate of the imaging unit and/or with preferably one or several components of the scanning unit are excited to vibrate by an actuator.
  • a similar additional effect of speckle reduction can be achieved for the scanning unit if different phase values are additionally impressed on the illumination radiation faster than the eye can resolve.
  • one or more components of the scanning unit can preferably be excited to oscillate by an actuator.
  • the actuator is preferably mechanically coupled to at least one component of the scanning unit and is set up to cause the components to oscillate or vibrate.
  • the actuator can be an electrostatic, piezoelectric, electromagnetic and/or thermal actuator, for example.
  • the actuator can preferably also be in the form of an MEMS actuator and can therefore be designed to be extremely compact. Appropriate actuators, such as piezoelectric or micromechanical modulators are known in the prior art.
  • oscillating crystals can also be used as frequency generators for an actuator or act as the actuator itself.
  • the mirror surfaces of the scanning mirrors can be excited to oscillate by means of one or more actuators.
  • the vibration excitation by the actuator can take place in the mirror plane (see Fig. 4) and/or perpendicular to it (see Fig. 5).
  • Lenses, wedges, prisms or other components of preferred scanning units can also be excited to oscillate.
  • the mechanical vibrations of the components of the scanning unit advantageously lead to an additional change or modulation of the speckle signature for a respective scanning position (point of impact of the illumination radiation on the pixel array).
  • a scanning mirror or lens is excited to vibrate, the surfaces and thus the microscopic roughness of the surfaces vibrate with the additional mechanical modulation frequency, so that the speckle pattern or speckle signature on the pixel array changes with that modulation frequency even for a constant scan position.
  • the additional modulation frequency of the scanning unit can preferably be higher or lower than the scanning frequency of the scanning unit or the array frequency of the pixel array.
  • the additional modulation frequency of the scanning unit (e.g. vibration frequency of a component of the scanning unit) should be higher than the refresh rate, preferably by a factor of 2, 4, 6, 8, 10 or more.
  • the imaging unit additionally has one or more diffusers in the beam path between the light source and the light-modulating pixel array, preferably in the beam path between the scanning unit and the light-modulating pixel array.
  • a diffuser is preferably an optical element which applies an additional randomized or stochastic phase to the illumination beam.
  • a diffuser preferably has a large number of randomly distributed scattering centers at which light beams are scattered in different directions.
  • a diffuser therefore preferably causes a mixing of individual beams of an optionally collimated illumination radiation, which impinge on the diffuser at different impingement points.
  • a coherence length of the illumination radiation can be additionally reduced.
  • the diffusers can be designed as optical elements with a randomized phase or as one or more lens arrays.
  • the diffusers can also be such that their Radiation characteristics vary depending on the lateral position on the diffuser. This allows the radiation characteristics of the overall system to be modified, for example to generate a larger or smaller eyebox.
  • the diffuser is selected from a group comprising a lens array, a refractive and/or diffractive diffuser.
  • the diffuser can cause surface scattering and/or volume scattering.
  • the diffuser can be designed both as a reflective or as a transmissive optical element.
  • the scattering of the illumination radiation preferably takes place on the surface of the diffuser, which has preferably been correspondingly treated for this purpose.
  • a sheet of transparent material e.g. glass
  • may be mechanically, chemically and/or optically treated to act as a diffuser see et al US 4,035,068 for providing a diffusing sheet of glass by grinding and etching a surface.
  • a desired diffuser effect can also be specified precisely by microstructuring the surface of transparent materials.
  • a transmissive diffusion element can preferably also be designed for volume scattering, with a substantially transparent material preferably comprising scattering centers, for example transparent and/or non-transparent particles, at which the illumination radiation is phase- and/or amplitude-modulated.
  • a substantially transparent material preferably comprising scattering centers, for example transparent and/or non-transparent particles, at which the illumination radiation is phase- and/or amplitude-modulated.
  • the diffusion angle is a measure of the scattering power of a diffuser and therefore of the mixing of individual rays.
  • the diffusion angle of the one or more diffusers is between 0.5° and 35°, preferably between 1° and 20°, particularly preferably between 1° and 10°.
  • the imaging unit has two or more diffusers, which are preferably arranged one after the other at a spatial distance in the beam path.
  • the particularly preferred embodiment leads to an even better reduction of speckle and/or interference patterns.
  • the illumination radiation which is initially scattered at a first diffuser, already strikes the second diffuser at a number of different impingement points at a second diffuser. thereby become several speckle patterns superimposed at the same time.
  • the number of superimposed bundles of rays or speckle patterns on the pixel array is many times higher than would be the case with just one diffuser.
  • the arrangement of the diffusers along the optical axis one behind the other and at a spatial distance leads to an increase in the superimposition of individual beams. If the spatial frequency of the superimposed speckle patterns is sufficiently high, they cannot be resolved by the eye and therefore do not impair the image quality.
  • the diffusion angle of the first and/or second diffuser is between 0.5° and 35°, preferably 1° and 20°, particularly preferably between 1° and 10°.
  • the spatial distance between the first and second diffuser is preferably between 0.5 mm and 100 mm, preferably 1 mm to 50 mm.
  • the imaging unit can be embodied both as a display and as a projector.
  • the imaging unit is designed as a display, with the light-modulating pixel array forming a display screen and/or with the image generated by the light-modulating pixel array being projected onto a (semi)transparent display screen.
  • the image generated by the pixel array can therefore be viewed directly in transmitted light (see FIG. 10) or the image generated by the pixel array is projected onto a transparent or semi-transparent display screen which can be viewed in transmitted light.
  • the imaging unit is designed as a projector, with the image generated by the light-modulating pixel array being projected onto a reflecting, preferably diffusely reflecting, projection screen.
  • the imaging unit is used for a head-up display (HUD).
  • HUDs can incorporate volume holographic optics, which are diffractive grating structures that exhibit strong wavelength (dispersion) dependence. The viewing angle of the HUD changes with the wavelength, which results in a blurring of the HUD in broadband lighting.
  • An imaging unit for such a HUD should therefore have spectral lines that are as narrow as possible.
  • a narrow-band, preferably monochromatic illumination radiation can advantageously be provided with the aid of the imaging unit according to the invention, without the associated coherence leading to disadvantageous interference effects or speckle patterns.
  • the imaging unit comprising the scanning unit, light-modulating pixel array and other possible optical components for shaping and/or guiding the illumination radiation.
  • the imaging unit has a substrate body that is transparent to the illumination radiation and has a coupling surface via which the illumination radiation is guided within the transparent substrate body to a rear surface on which a deflection element is positioned, with the deflection element being designed in such a way that the incident illumination radiation is deflected in the direction of a front surface of the substrate body, through which the illumination radiation exits onto the light-modulating pixel array.
  • the embodiment has proven to be particularly compact.
  • the installation space that the imaging unit occupies perpendicular to the light-modulating pixel array can be greatly reduced.
  • the installation space perpendicular to the pixel array is preferably defined essentially by the spacing of the rear and front surfaces of the transparent substrate body, which can preferably be kept extremely small compared to the lateral extent of the pixel array (i.e., for example, a height and/or width).
  • the distance between the front and back surfaces of the transparent substrate body can be smaller by a factor of 5, 10, 50 or more than a maximum lateral extension of the pixel array (i.e. e.g. a height and/or width).
  • the rear and/or front surface of the transparent substrate body can be designed as flat surfaces.
  • the basic form of the transparent substrate body can be a plane-parallel plate or cuboid.
  • the front and/or rear surface can be curved.
  • the basic shape of the transparent substrate body is preferably in the form of a cuboid with a rear and front surface which are aligned parallel to one another.
  • the thickness of the cuboid i.e. the spacing of the rear and front surfaces, is preferably significantly smaller than a height and/or width of the rear and/or front surface, which are preferably adapted to the dimensions of the pixel array.
  • the thickness of the cuboid can be smaller than its height and/or width by a factor of 5, 10, 50 or more.
  • the substrate body is preferably essentially transparent with respect to the wavelength(s) of the illumination radiation.
  • the substrate body preferably comprises a material which is an optical plastic, preferably selected from a group comprising polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin polymers (COP), cycloolefin copolymers (COC) and/or an optical glass. preferably selected from the group consisting of borosilicate glass, B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1, P-SK58A and/or P-BK7.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • COP cycloolefin polymers
  • COC cycloolefin copolymers
  • an optical glass preferably selected from the group consisting of borosilicate glass, B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1, P-SK58A and/or P-BK7.
  • the imaging unit is preferably set up so that the illumination radiation generated by the light source is deflected by the scanning unit—preferably in the form of a beam of rays as described—onto the coupling surface and guided through the substrate body in the direction of the deflection element.
  • the coupling surface can preferably have a shape that ensures that the illumination radiation experiences the least possible deflection and/or aberration when it enters the transparent substrate body.
  • the coupling surface has a concave shape, which ensures that the illumination radiation guided by the scanning unit for different scan positions enters the substrate body at an essentially perpendicular angle of incidence to the coupling surface (cf. Fig. 12).
  • the illumination radiation strikes the deflection element, which can preferably be applied directly to a rear surface of the substrate body.
  • the deflection element preferably deflects the illumination radiation in the direction of an opposite front face of the transparent substrate body.
  • the illumination radiation emerges from the material through the front surface and hits the pixel array.
  • the deflection element is a deflection hologram, which is preferably designed as a volume hologram, reflective and/or transmissive hologram.
  • the deflection element can preferably also be formed by a microstructured diffractive element and/or also by a (structured) mirror surface.
  • a diffractive deflection element for example a deflection hologram
  • undiffracted light from the illumination radiation of the zero diffraction order but also light from the illumination radiation which is diffracted into diffraction orders other than that desired for the deflection direction, can propagate as stray light in the transparent substrate body.
  • the stray light preferably denotes undiffracted light of the illumination radiation of the zeroth diffraction order, but also a different diffraction order from the nth order.
  • the imaging unit can be set up so that stray light from a diffractive deflection element is at least partially guided onto the pixel array.
  • the stray light can be used to guide light to further impact points on the pixel array, with the additional superimposition being able to bring about a further reduction in the visible speckle pattern.
  • the imaging unit can also be set up so that stray light from a diffractive deflection element leaves a surface of the substrate body without impinging on the pixel array.
  • a scanning angle range of the scanning system can be specified for this purpose in such a way that it is ensured that the stray light leaves the area of the pixel array.
  • the in-coupling surface is designed in such a way that the illumination radiation impinges on the deflection element at the same angle of incidence, regardless of the scanning position.
  • it can be preferred, for example, to use free-form optics, a biconical lens, a rotationally symmetrical lens and/or refractive or diffractive elements.
  • the rear surface of the transparent substrate body, to which the deflection element is applied can also be adapted - for example with a convex shape - in order to deflect the stray light away from the pixel array (see Fig. 15).
  • one or more diffusers can also be introduced for the above-mentioned compact image generator units in order to further reduce the visibility of speckle patterns.
  • the one or more diffusers can preferably be located between the scanning unit and the transparent substrate body, between the transparent substrate body and the pixel array, between the light source and the scanning unit, or between the deflection element and the transparent substrate body.
  • FIG. 1 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit according to the invention.
  • Fig. 2 Schematic illustration of speckle signatures a) of the pixel array and b) of the scanning unit and their superimposition for c) a scanning position and d) a pixel.
  • Fig. 3 Schematic illustration of an increase in the variation of the speckle signature of the pixel array by additional modulation of the pixel state per generated image.
  • FIG. 4, 5 Schematic illustration of an enlargement of the variation of the speckle signature of the scanning unit by excitation of vibrations of a scanning mirror along the mirror plane (Fig. 4) or perpendicular to the mirror plane (Fig. 5).
  • Fig. 6 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with a diffuser in the beam path.
  • FIG. 7 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with two diffusers in the beam path.
  • FIG. 8 Schematic illustration of a superimposition of a large number of beams of rays using two diffusers in the beam path.
  • FIG. 9 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with a lens to ensure constant angles of incidence of the illumination radiation on the pixel array.
  • FIG. 10 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit, which is designed as a display.
  • FIG. 11 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit, which is designed as a projector.
  • FIG. 12 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with a reduced installation space perpendicular to the pixel array.
  • FIG. 13 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with a reduced installation space perpendicular to the pixel array in which stray light is guided onto the pixel array.
  • FIG. 14-16 Schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with a reduced installation space perpendicular to the pixel array, in which stray light hitting the pixel array is avoided by specifying the scan angle (Fig. 14), shaping of the deflection element (Fig. 15) or design the coupling surface (Fig. 16).
  • Figure 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit according to the invention.
  • the imaging unit comprises at least one light source 1 for generating an illumination radiation 2, which is preferably guided as a bundle of rays on an optical axis.
  • the illumination radiation 2 is guided over a light-modulating pixel array 4 by means of a scanning unit 3 in order to generate an image.
  • the light source 1 can be a system of several, preferably monochromatic, lasers, which are directed onto a common optical axis by further optical components. The Diameter of the bundle of rays of the illumination radiation 2 when impinging on the
  • Pixel array 4 can be larger or smaller than the size of a single pixel, but is smaller than the entire pixel array 4.
  • the imaging unit makes use of the fact that both the scanning unit 3 and the light-modulating pixel array 4 have characteristic speckle signatures for different scanning positions or pixel states.
  • speckle signatures of the scanning unit 3 and the pixel array 4 are advantageously superimposed or combined during the scanning process when generating a pixel, so that visible or perceptible speckle patterns are reduced in the generated image.
  • Figure 2 schematically illustrates the speckle signatures of the pixel array 4 and the scanning unit 3 and their superimposition.
  • Fig. 2a illustrates a speckle signature of a pixel of the light-modulating pixel array 4.
  • the speckle signature of a pixel can depend, for example, on the surface finish and/or the driving state (e.g. a crystal orientation of an LCD display).
  • Dx denotes the size of the pixel in the scanning direction.
  • Fig. 2b) illustrates a speckle signature of a scanning unit 3 for a specific scanning position (dx).
  • the speckle signature can depend on a surface condition of a mirror surface 5, for example.
  • the speckle signatures of the pixel array (Fig. 2a) or the scanning unit (Fig. 2b) are characterized by pronounced minima and maxima, which the viewer can perceive as differences in brightness or graininess in the generated pixel or image.
  • Fig. 2c illustrates an overlay of the speckle signature of the scanning unit 3 with that of the pixel array 4 for a specific scanning position. This already leads to a higher spatial frequency of the speckle pattern and therefore lower visibility. A particularly significant reduction in the speckle pattern is achieved by generating a large number of speckle patterns (depending on the scan position) and overlaying them with the speckle signature of the pixel when sweeping over a single pixel for one and the same pixel.
  • the number of superimposed speckle patterns is equal to the number of scan steps.
  • the number of speckle patterns is infinite with less variation between individual speckle patterns. If the scanning frequency is sufficient, the human eye can no longer distinguish between these individual patterns. All speckle patterns that cannot be distinguished by the eye in terms of time are added.
  • Fig. 2d) illustrates an example of an addition of all speckle patterns occurring in the range -Dx ⁇ dx ⁇ Dx for an increment of Dx/80.
  • the contrast of the Speckle pattern ie the distance between the minima and maxima in the intensity distribution
  • is reduced so that a significant reduction in perceptible speckle patterns can be achieved.
  • FIG. 3 schematically shows an increase in the variation of the speckle signature of a pixel array 4 through additional modulation of the pixel state per generated image.
  • the state of a single pixel can be changed several times while the eye is adding up the images. To do this, the modulation frequency must be high enough that the eye cannot distinguish between the individual images.
  • a pixel can preferably change its state 4 times within the integration time of the eye or within the desired refresh rate (t_int).
  • the perceived state corresponds to the mean value of all states within t_int (see Fig. 3b), with corresponding speckle patterns advantageously superimposing or averaging each other within the integration time.
  • Figures 4 and 5 show schematic exemplary embodiments for increasing the variation of the speckle signature of the scanning unit 3 by stimulating a scanning mirror 5 to oscillate along the mirror plane 6 (Fig. 4) or perpendicularly to the mirror plane 6 (Fig. 5) by means of an actuator 7.
  • the oscillation can e.g. be effected by piezoelectric or micromechanical modulators or oscillating crystals.
  • the speckle signature of the scanning unit 3 is preferably varied at high frequency by the actuator, with the modulation frequency of the scanning unit 3 preferably being significantly higher than the image repetition frequency.
  • FIG. 4 shows a scanning mirror 5 with a cardanic suspension, which is made to oscillate along the mirror plane 6 by an actuator with a frequency transmitter 7 .
  • a scanning mirror 5 is shown in cardanic suspension, which is made to oscillate perpendicularly to the mirror plane 6 by an actuator with a frequency transmitter 7 .
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with a diffuser 8 in the beam path.
  • the diffuser 8 can be designed, for example, as an optical element with a randomized phase or as a lens array.
  • the diffuser 8 preferably effects a scattering and mixing of individual beams of the illumination radiation 2, which impinge on the diffuser 8 at different impingement points. As a result, a coherence length of the illumination radiation 2 is additionally reduced and the visibility of the speckle pattern in the generated image is reduced.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with two diffusers 8 in the beam path.
  • the two diffusers 8 are arranged one after the other in the beam path along the direction of propagation with a spatial spacing.
  • a significantly improved reduction of speckle and/or interference patterns can be achieved by means of two diffusers.
  • FIG. 8 schematically illustrates the superimposition of a multiplicity of beams of illumination radiation 2 by using two diffusers 8 in the beam path
  • the illumination radiation 2, which is scattered at the first diffuser 8 is already incident on the second diffuser 8 at a number of different impingement points at which further scattering takes place.
  • several speckle patterns are superimposed at the same time.
  • the number of superimposed bundles of rays 2 or speckle patterns on the pixel array 4 (and in the image plane) is many times higher than would be the case with only one diffuser 8 .
  • Figure 9 shows a schematic representation of a preferred embodiment of an imaging unit with a lens 9 to ensure constant angles of incidence of the illumination radiation 2 on the pixel array 4.
  • the lens 9 is preferably a refractive, diffractive or Fresnel lens.
  • the lens 9 is preferably - as shown - positioned between the scanning unit 3 and the pixel array 4 and is set up so that all beams 2 have the same angle of incidence on the pixel array 4 regardless of their spatial position (cf. Fig. 9 for two exemplary scan angles and beam paths).
  • the scanning unit 3 can be in the object-side focus of the lens 9 . This distance can be varied in order to modify the radiation characteristics of the overall system.
  • the imaging unit can be used both as a display and as a projector.
  • FIG. 10 schematically shows a preferred embodiment of an imaging unit, which is designed as a display.
  • the pixel array 4 can function as a display screen 10 and be viewed directly (shown) or the pixel array 4 can be projected onto a (semi)transparent display screen 10 which is then viewed in transmitted light (not shown).
  • FIG. 11 schematically shows a preferred embodiment of an imaging unit, which is designed as a projector.
  • the pixel array 4 is projected onto a reflective, preferably diffusely reflective, projection screen 11 .
  • Figure 12 schematically shows a preferred embodiment of an imaging unit with a reduced installation space perpendicular to the pixel array 4.
  • the imaging unit has a substrate body 14 that is transparent to the illumination radiation 2 and has a coupling surface 12, via which the illumination radiation 2 is deflected within the transparent substrate body 14 to a rear surface 15, on which a deflection element 13 is positioned.
  • the deflection element 13 is designed in such a way that the incident illumination radiation 2 is deflected in the direction of a front surface 16 of the substrate body 14 through which the illumination radiation 2 exits onto the light-modulating pixel array 4 .
  • the substrate body 14 is preferably thin in relation to the height and width of the pixel array 4 and can have the basic shape of a cuboid, with a specially shaped coupling surface 12 being present on at least one surface.
  • the in-coupling surface 12 can be shaped concavely in such a way that the illumination radiation 2 guided by the scanning unit 3 enters the substrate body 14 at an essentially vertical angle of incidence for different scanning positions.
  • the deflection element 13 can, for example, be a volume hologram, a microstructured diffractive element or also a (structured) mirror surface.
  • a diffractive deflection element e.g. volume hologram
  • FIG. 13 schematically shows a preferred embodiment of an imaging unit, in which the stray light 17 is guided at least partially onto the pixel array 4.
  • Figures 14-16 show schematic representations of preferred embodiments of imaging units according to the invention, in which stray light 17 is prevented from striking the pixel array 17.
  • the scanning angle of the scanning unit 3 is specified in such a way that the stray light 17 does not emerge from the front surface 16 onto the pixel array 4, but rather from a lower surface of the substrate body 14.
  • the back surface 15 of the transparent substrate body 14 on which the deflection element 13 is applied is adapted in such a way that the stray light 17 is deflected away from the pixel array 4 .
  • the in-coupling surface 12 is designed in such a way that all bundles of rays of the illumination radiation 2 from the scanning unit 3 impinge on the deflection element 13 at the same angle.
  • free-form optics, a biconical lens or a rotationally symmetrical lens can be used for this purpose.
  • the imaging unit according to the invention is therefore not limited in its implementation to the above preferred embodiments. Rather, a large number of design variants are conceivable, which can deviate from the solution shown.
  • the claims aim to define the scope of the invention. The scope of the claims is intended to cover the imager unit according to the invention as well as equivalent embodiments thereof.

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Abstract

Die Erfindung betrifft bevorzugt eine Bildgebereinheit mit einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung einer Beleuchtungsstrahlung (2) sowie einem lichtmodulierenden Pixelarray (4) zur Erzeugung eines Bildes durch pixelweise Modulation der auf den Pixelarray (4) einfallenden Beleuchtungsstrahlung (2). Die Bildgebereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstrahlung (2) beim Auftreffen auf das lichtmodulierende Pixelarray (4) eine laterale Ausdehnung aufweist, welche kleiner ist als das Pixelarray (4) und zur Erzeugung eines Bildes mittels einer Scaneinheit (3) über das Pixelarray (4) geführt wird. Durch eine Kombination des Scanvorgangs der Beleuchtungsstrahlung (2) über das lichtmodulierende Pixelarray (4) werden zur Erzeugung eines Bildpunktes die Specklesignaturen der Scaneinheit (3) und des Pixelarray (4) überlagert bzw. kombiniert. Vorteilhaft können sichtbare Specklemuster im resultierenden Bild hierdurch deutlich reduziert werden.

Description

PROJEKTOR ODER DISPLAY MIT SCANNENDER LICHTQUELLE UND PIXELIERTEM ARRAY
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft bevorzugt eine Bildgebereinheit mit einer Lichtquelle zur Erzeugung einer Beleuchtungsstrahlung sowie einen lichtmodulierenden Pixelarray zur Erzeugung eines Bildes durch pixelweise Modulation der auf den Pixelarray einfallenden Beleuchtungsstrahlung. Die Bildgebereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das lichtmodulierende Pixelarray eine laterale Ausdehnung aufweist, welche kleiner ist als das Pixelarray und zur Erzeugung eines Bildes mittels einer Scaneinheit über das Pixelarray geführt wird. Durch eine Kombination des Scanvorgangs der Beleuchtungsstrahlung über das lichtmodulierende Pixelarray werden zur Erzeugung eines Bildpunktes die Specklesignaturen der Scaneinheit und des Pixelarrays überlagert bzw. kombiniert. Vorteilhaft können sichtbare Specklemuster im resultierenden Bild hierdurch deutlich reduziert werden.
Hintergrund und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft das Gebiet beleuchteter Systeme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Reduzierung von Speckle- und Interferenzmustern in Displays oder Projektoren, welche mittels kohärenter Lichtquellen, insbesondere Lasern beleuchtet werden.
Die Verwendung von Lasern als Alternative zu weißen Lichtquellen, wie beispielsweise Xenonbogenlampen, führt zu einer Reihe von Vorteilen in der Bildgebung. Insbesondere erlauben Laser ein höhere Farbsättigung, eine stärkere Leistung, verbesserte Effizienz und Kontrast.
Auch für Anwendungen eines Head-Up-Displays (HUDs) haben sich Laser als vorteilhafte Beleuchtungsquelle etabliert. HUDs dienen der Darstellung von Informationen in einer virtuellen Ebene, zum Beispiel vor der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs. Ein Fahrzeuginsasse oder ein Fahrer des Fahrzeugs kann die Information ablesen, ohne den Blick auf das Armaturenbrett senken zu müssen.
Werden kohärente Lichtquellen, wie beispielsweise Laser, in Projektoren oder Displays verwendet, kann es zu unerwünschten Interferenzerscheinungen, sog. Speckle, kommen. Als Specklemuster werden insbesondere die körnigen Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen beobachten lassen.
Beim Auftreffen auf eine raue Oberfläche - beispielsweise beim Auftreffen auf einen Projektionsschirm - wird Laserlicht unter diversen Winkeln reflektiert und es tritt eine zufällige räumliche Interferenz des kohärenten Laserlichts mit sich selbst auf. Die resultierende Interferenz der kohärenten Lichtstrahlung bewirkt konstruktive und destruktive Interferenz. Für das menschliche Auge tritt dieser Bildfehler in Form sichtbarer Körnungen bzw.
Specklemuster auf.
Die Unebenheiten der beleuchteten rauen Oberflächen können auch als Streuzentren betrachtet werden, von denen Kugelwellen unterschiedlicher Phase ausgehen, die im Fernfeld interferieren. Es entsteht eine räumliche Struktur mit zufällig verteilten Intensitätsminima und - maxima. Als dreidimensionale Interferenzerscheinung gibt es longitudinale und transversale Speckle, die von der jeweiligen longitudinalen und transversalen Kohärenz abhängen.
Transversale Speckle haben in größerer Entfernung höhere Signifikanz, da sich die einzelnen Kugelwellenanteile als ebene Wellen vereinfachen lassen.
Die Speckle werden mithin durch lokale Phasendifferenzen innerhalb der Apertur des optischen Systems verursacht, welche zwangsläufig durch die Oberflächenrauheit einzelner Flächen im optischen System oder auch durch die Rauheit des Projektionsschirms entstehen. Ein Specklemuster ist daher ortsfest und charakteristisch für einen optischen Pfad durch das System.
Im Stand der Technik gibt es eine Reihe von Ansätzen, um die nachteilige Wirkung von Specklemustern auf die Bildqualität zu verringern.
In US 5,272,473 wird ein Bildgebungssystem mit kohärenter Lichtquelle vorgeschlagen, bei dem ein Displaybildschirm mit einem Wandler zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen gekoppelt wird, um das Auftreten von Speckle zu reduzieren. Die Implementation ist jedoch aufwendig und kann zudem nicht auf beliebige Displays oder Projektionsanordnungen übertragen werden.
Aus US 8,262,235 B2 ist ein Laserprojektor bekannt, welcher eine Oszillationsvorrichtung umfasst, bei der mindestens ein optisches Element des optischen Projektionssystems periodisch entlang der optischen Achse des Lichtes oszilliert wird. Das oszillierende Element im Laserprojektor soll das Specklemuster auf dem Bildschirm so weit reduzieren, dass es mit bloßem Auge nicht mehr erkannt werden kann. Die oszillierende Änderung entlang der optischen Achse kann jedoch die Bildqualität mindern.
US 9,541 ,760 B2 offenbart ein Head-up-Display für ein Fahrzeug, wobei das Head-up-Display einen Laser und ein Scanning-System aufweist, mit denen ein in einem Sichtfeld eines Fahrers des Fahrzeugs darzustellendes Bild aus einzelnen Punkten punktweise erzeugt wird. Zu Vermeidung unerwünschter Helligkeitsunterschiede wird der Laser derart gewählt, dass die Laserpunkte auf der Projektionsfläche so klein sind, dass diese nach der Vergrößerung des darzustellenden Bildes in der virtuellen Bildebene immer noch kleiner sind als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges.
Aus US 4,035,068 und US 5,313,479 ist es bekannt, zur Reduzierung von Speckle beweglichen Diffusoren einzusetzen, um durch eine lokale Phasenmodulation Specklemuster über die Integrationszeit des Beobachters/Detektors zu mitteln und deren Sichtbarkeit zu reduzieren.
WO 97/02507 schlägt vor, zur Verringerung der in einem Bild beobachtbaren Specklemuster in einem Laserprojektor ein Specklefeld, welches zwischen dem Objektpunkt und einem Bildpunkt liegt, um eine optische Achse zu drehen, um über mehrere unkorrelierte Felder zu mitteln.
US 2008/0304128 A1 betrifft ein Laserprojektionssystem bei dem ein aufgeweiteter Laserstrahl auf einen zweidimensionalen Lichtmodulator, u.a. ein LCD-Panel, geführt wird, welcher zur Erzeugung eines Bildes auf einer Projektionsfläche den aufgeweiteten Laserstrahl pixelweise moduliert. Um die Sichtbarkeit von Speckle im projizierten Bild zu reduzieren, wird dem aufgeweiteten Laserstrahl ein winkelabhängiges Scanning eingeprägt. Zu diesem Zweck wird ein beweglicher Spiegel bereitgestellt, dessen Oberfläche auf den Eingang eines Multi- Moden-Wellenleiters abgebildet wird, sodass der Laserstrahl am Eingang des Wellenleiters unterschiedliche Winkel autweist, welche nach dessen Aufweitung auf das LCD-Panel und Projektion auf den Projektionsschirm zu einer Mittelung von Specklemustern führt.
Aus EP3267236 A1 ist ein Projektor umfassend eine Bildverarbeitungseinheit und ein optischer Scanner bekannt, bei dem ein Laserstrahl mittels eines MEMS-Spiegels in zwei Richtungen über eine zu scannende Fläche geführt wird. Auf der zu scannende Fläche liegen einer oder mehrere Photodetektoren vor, welche dafür konfiguriert sind, in einem Detektionsbereich die einfallende Laserstrahlung zu messen. Das Messsignal des oder der Photodetektoren wird an eine Steuereinheit übermittelt und kann zur Anpassung und/oder Steuerung der Lichtquelle oder des MEMS-Spiegels genutzt werden. Hierdurch soll es ermöglicht werden etwaige Variation in der Scanamplitude des MEMS-Spiegels beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, auszugleichen.
Die zu scannende Oberfläche ist ein lichtdurchlässiges Element, bevorzugt Glas. Ein Bild, welches auf die zu scannende Oberfläche gezeichnet wird, wird vorzugsweise auf ein dahinterliegenden Projektionsschirm projiziert. Das Bild wird bevorzugt anhand der Bilddaten der Bildverarbeitungseinheit durch Modulation des Treibers der Lichtquelle erzeugt. Für eine Reduktion von Specklemuster wird in einer bevorzugten Ausführungsform die zu scannende Oberfläche als ein Array von Mikrolinsen ausgeführt, sodass eine Interferenz zwischen Lichtfeldern unterschiedlichen Mikrolinsen - und mithin das Auftreten von Speckle - vermieden wird.
In Bezug auf die Ansätze des Standes der Technik besteht ein Bedarf an Verbesserung. Insbesondere können die Ansätze zur Reduktion der Specklemuster gleichzeitig zu einer Verminderung der Bildqualität führen oder sind in Bezug auf die Umsetzung aufwendig. Es wäre daher wünschenswert eine Vorrichtung bereitzustellen, welche mit einfachen Mitteln eine wirksame Specklereduktionen erlaubt, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bildgebereinheit ohne die Nachteile des Standes der Technik bereitzustellen. Insbesondere war es eine Aufgabe der Erfindung eine Bildgebereinheit bereitzustellen, welche mit einfachen, konstruktiven Mitteln eine wirksame Reduktion von Specklemustern erlaubt und gleichzeitig eine ausgezeichnete Bildqualität gewährleistet.
Zusammenfassung der Erfindung
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Bildgebereinheit mit einer Lichtquelle zur Erzeugung einer Beleuchtungsstrahlung sowie einem lichtmodulierenden Pixelarray zur Erzeugung eines Bildes durch pixelweise Modulation der auf den Pixelarray einfallenden Beleuchtungsstrahlung, wobei die Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das lichtmodulierende Pixelarray eine laterale Ausdehnung aufweist, welche kleiner ist als das Pixelarray und zur Erzeugung eines Bildes mittels einer Scaneinheit über das Pixelarray geführt wird, um eine Sichtbarkeit von Specklemustern im erzeugten Bild zu reduzieren.
Hierbei wird vorteilhaft ausgenutzt, dass bei der Erzeugung eines Bildpunktes Specklemuster, welche von der Scaneinheit und dem lichtmodulierenden Pixelarray resultieren, überlagert werden und somit höherfrequente vorzugsweise nicht mehr sichtbare Specklemuster im erzeugten Bild darstellen.
Die erfindungsgemäße Bildeinheit erlaubt es vorteilhaft mit einfachen Mitteln die wahrnehmbaren Specklemuster in einer Display- oder Projektionsebene zur reduzieren, ohne dass die Bildqualität vermindert würde.
Erfindungsgemäß wird hierbei ausgenutzt, dass sowohl eine Scaneinheit als auch ein lichtmodulierendes Pixelarray für unterschiedliche Scanpositionen bzw. Pixelzustände charakteristische Specklesignaturen aufweisen. Insbesondere wird jeder Pixel eines lichtmodulierenden Pixelarrays eine spezifische Specklesignatur aulweisen, welche von der Oberflächenbeschaffenheit und/oder dem Ansteuerungszustand (beispielsweise einer Kristallausrichtung im Falle eines LCD (engl. liquid crystal display)) abhängt. Ebenso werden sich auch die von einer Scaneinheit erzeugten Speckle für unterschiedliche Scanpositionen unterscheiden. Im Falle einer spiegelbasierten Scaneinheit werden die erzeugten Specklemuster neben der Position des Laserstrahls auf der Spiegelfläche ebenso von der unterschiedlichen Winkelabstrahlung abhängen, sodass ein Specklemuster im Lichtstrahl mit der Scanposition variiert.
Durch eine Kombination eines Scanvorgangs eines Lichtstrahles über ein Pixelarray werden zur Erzeugung eines Bildpunktes die Specklesignaturen der Scaneinheit und des Pixelarrays überlagert bzw. kombiniert. In Abb. 2a) - d) ist dies beispielhaft illustriert. Während ein von der Scaneinheit geführter Beleuchtungsstrahl einen Pixel des lichtmodulierenden Pixelarrays überstreicht, werden in Abhängigkeit der Scanposition verschiedene Specklemuster, welche von der Scaneinheit resultieren mit einem für den jeweiligen Pixel charakteristischen Specklemuster überlagert. Ein resultierender Bildpunkt ist vorteilhaft durch ein gemitteltes Specklemuster mit höherer räumlicher Frequenz gekennzeichnet, welches für einen Betrachter nicht oder nur in reduziertem Maße wahrnehmbar ist.
Eine Reduktion der Sichtbarkeit von Specklemustern im erzeugten Bild wird mithin vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Beleuchtungsstrahlung von der Scaneinheit derart geführt wird, dass bei einem Überstreichen der Pixel des lichtmodulierenden Pixelarrays in Abhängigkeit der Scanposition verschiedene Specklemuster, welche von der Scaneinheit resultieren, mit einem für den jeweiligen Pixel charakteristischen Specklemuster überlagern.
Vorteilhaft nutzt die erfindungsgemäße Bildgebereinheit mithin inhärente Variationen der Komponenten aus, um im Ergebnis ein Bild mit hoher Qualität ohne störende Helligkeits- oder Interferenzmuster zu erzeugen. Die Lichtquelle selbst kann hierbei eine hohe Kohärenz aufweisen - wie diese beispielweise für holographische Anwendungen wünschenswert ist - ohne, dass störende Interferenzmuster (Speckle) wahrnehmbar sind. Zur Erzeugung einer bereits substanziellen Reduktion der wahrnehmbaren Specklemuster ist es weder notwendig, die Kohärenz des Lichtstrahles zu vermindern noch den Beleuchtungsstrahl zusätzlich abzulenken, zu (de-)fokussieren, zu rotieren oder durch einen Mikrolinsenarray zu führen. Stattdessen erfolgt die Speckle-Reduktion durch den bilderzeugenden Scanprozess auf einem Pixelarray - wie vorgehend beschrieben - selbst, ohne dass es zu einer Verminderung der Bildqualität kommt.
In dieser Hinsicht stellt die Erfindung eine Abkehr von bekannten Ansätzen der Technik dar.
Im Falle der Verwendung von lichtmodulierenden Pixelarrays ist es im Stand der Technik üblich diese mittels aufgeweiteter, möglichst homogener Beleuchtungsstrahlen zu illuminieren. Die Erzeugung des Bildes erfolgt durch eine pixelweise Modulation des aufgeweiteten Beleuchtungsstrahles, welcher den gesamten Pixelarray möglichst homogen beleuchtet.
Erfindungsgemäß ist es stattdessen bevorzugt vorgesehen, dass beim Auftreffen auf das lichtmodulierende Pixelarray die Beleuchtungsstrahlung eine laterale Ausdehnung aufweist, welche kleiner ist als das Pixelarray. Bevorzugt kann die Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixelarray beispielsweise eine laterale Ausdehnung aufweisen, welche um einen Faktor 5, 10, 100 oder mehr kleiner ist die laterale Ausdehnung des Pixelarrays. Hierdurch wird gewährleistet, dass im Scanvorgang der Beleuchtungsstrahlung über einen einzelnen Pixel eine Vielzahl von Specklemustern zur Erzeugung eines Bildpunktes generiert (und überlagert) werden. Für die Beleuchtungsstrahlung ist es mithin bevorzugt, dass diese gebündelt in Form eines Strahlenbündels auf den Pixelarray geführt wird. Die Begriffe Beleuchtungsstrahlung, Beleuchtungsstrahl oder Strahlenbündel werden bevorzugt synonym verwandt. Durch optische Komponenten wie z.B. Linsen kann die Beleuchtungsstrahlung entsprechend kollimiert oder fokussiert werden.
Die Specklereduktion kann vorteilhaft für verschiedenste Lichtquellen erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beleuchtungsstrahlung eine kohärente Strahlung und/oder die Lichtquelle ein Laser. Kohärenz bezeichnet bevorzugt die Eigenschaft von optischen Wellen, wonach es zwischen zwei Wellenzügen eine feste Phasenbeziehung gibt. Als Folge der festen Phasenbeziehung zwischen den beiden Wellenzügen können räumlich stabile Interferenzmusters entstehen. Für holographische Anwendungen ist eine kohärente Beleuchtungsstrahlung wünschenswert, da nur auf diese Weise eine Rekonstruktion der Intensität und Phase des Wellenfeldes möglich ist. Nachteilig an einer kohärenten Bestrahlung ist das Auftreten unerwünschter Interferenzmuster bzw. Specklemuster. Kohärenz kann bevorzugt auch als Interferenzfähigkeit verstanden werden.
Hinsichtlich der Kohärenz kann zwischen einer zeitlichen und räumlichen Kohärenz unterschieden werden. Eine räumliche Kohärenz stellt bevorzugt ein Maß für eine feste Phasenbeziehung zwischen Wellenzügen senkrecht zur Ausbreitung dar und ist beispielsweise für parallele Lichtstrahlen gegeben. Eine zeitliche Kohärenz stellt bevorzugt eine feste Phasenbeziehung zwischen Wellenzügen entlang der Ausbreitungsrichtung dar und ist insbesondere für schmalbandige, vorzugsweise monochromatische Lichtstrahlen gegeben.
Die Kohärenzlänge bezeichnet bevorzugt einen maximalen Weglängen- oder Laufzeitunterschied, den zwei Lichtstrahlen von einem Ausgangspunkt aufweisen, damit bei ihrer Überlagerung noch ein (räumlich und zeitlich) stabiles Interferenzmuster entsteht. Die Kohärenzzeit bezeichnet bevorzugt die Zeit, die das Licht benötigt, um eine Kohärenzlänge zurückzulegen. Laser können Kohärenzlängen im Mikrometerbereich, Meterbereich bis hin zum Kilometerbereich aufweisen. Typische Bereiche für die Verwendung von Lasern als Lichtquellen in Bildgebereinheiten sind beispielweise zwischen 1 m - 100 m, wodurch sich die Laser einerseits hervorragend für holographische Abbildungen eignen und anderseits zu unerwünschten (Laser-)Specklemustern führen können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle daher ein Laser. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen schmalbandigen, vorzugsweise monochromatischen Laser mit einer bevorzugten Wellenlänge im sichtbaren Bereich (vorzugsweise 400 nm bis 780 nm).
Im Sinne der Erfindung bezeichnen Laser bevorzugt Lichtquellen, welche Laserstrahlung aussenden, nicht abschließende Beispiele umfassen Festkörperlaser, vorzugsweise Halbleiterlaser bzw. Laserdioden, Gaslaser oder Farbstofflaser.
Auch andere Lichtquellen, vorzugsweise kohärente Lichtquellen, können bevorzugt Verwendung finden. Bevorzugt sind schmalbandige Lichtquellen, vorzugsweise monochromatische Lichtquellen, wozu beispielsweise Leuchtdioden (LEDs), optional in Kombination mit Monochromatoren gehören. LEDs weisen zumeist im Vergleich zu Lasern geringere Kohärenzlängen im Bereich von Millimetern oder Mikrometern auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Bildgebereinheit zwei oder mehr Lichtquellen, vorzugweise zwei oder mehr monochromatische Laser und/oder eine polychromatische Lichtquelle mit einer Beleuchtungsstrahlung in zwei oder mehr Wellenlängenbereichen. Die von den zwei oder mehr Lichtquellen ausgesendete Beleuchtungsstrahlung wird bevorzugt auf einer gemeinsamen optischen Achse und mittels derselben Scaneinheit über das lichtmodulierende Pixelarray geführt. Es ist aber auch möglich, dass zwei oder mehr Lichtquellen über separate Scaneinheiten geführt werden.
Für eine farbliche Bildgebung kann es beispielsweise bevorzugt sein, eine Beleuchtungsstrahlung im roten Wellenlängenbereich (vorzugsweise 630 nm - 700 nm), im grünen Wellenlängenbereich (vorzugsweise 500 nm - 560 nm) und im blauen Wellenlängenbereich (vorzugsweise 450 nm - 475 nm) bereitzustellen.
Besonders bevorzugt wird zu diesem Zweck ein Lasersystem mit drei monochromatischen Lasern oder einem polychromatischen Laser mit einer Laseremission jeweils im roten, grünen oder blauen (RGB) Bereich bereitgestellt.
Zur Steuerung von Komponenten der Bildgebereinheit, wie des lichtmodulierenden Pixelarrays und/oder der Scaneinheit, umfasst die Bildgebereinheit bevorzugt eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist bevorzugt geeignet zu diesem Zweck elektrische Steuersignale an die Komponenten auszugeben und/oder von diesen zu empfangen. Ohne Beschränkung kann die Steuereinheit beispielsweise einen Mikroprozessor, einen Mikrocomputer, eine integrierte Schaltung (IC), ein ASIC (engl. application-specific integrated circuit, deutsch anwendungsspezifische integrierte Schaltung), eine programmierbare logische Schaltung (PLD), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine speicherprogrammierbare Steuerung und/oder sonstige elektronische Schaltungselemente, z. B. Digital-Analog-Wandler, Analog- Digital-Wandler, Speicher und/oder (Signal-) Verstärker, umfassen.
Der Fachmann erkennt, dass bevorzugte Verfahrensschritte, welche im Zusammenhang mit der Bildgebereinheit zur Erzeugung eines Bildes offenbart werden, bevorzugt von der Steuereinheit vorgenommen werden können. Bevorzugt kann zu diesem Zweck auf der Steuereinheit oder einer mit dieser verbundenen externen Datenverarbeitungseinheit eine entsprechende Software und/oder Firmware installiert vorliegen.
Ein Führen der Beleuchtungsstrahlung bzw. des Lichtstrahles über das Pixelarray erfolgt bevorzugt mithilfe des Scaneinheit.
Bevorzugt ist die Scaneinheit (bzw. eine mit dieser verbundenen Steuereinheit) dafür eingerichtet, die Beleuchtungsstrahlung zeilen- oder spaltenweise über das gesamte Pixelarray zu führen. Die Scanfrequenz der Scaneinheit bezeichnet bevorzugt die Frequenz, mit der die Scaneinheit den gesamten Pixelarray abtastet bzw. die Frequenz, mit welcher die Beleuchtungsstrahlung ein und dasselbe Pixel überstreicht. Eine Scanfrequenz von 25 Hz meint mithin bevorzugt, dass die Scaneinheit 25 Mal pro Sekunde das gesamte Pixelarray abtastet bzw. ein bestimmtes Pixel beim vorzugsweise zeilen- oder spaltenweisen Abtasten 25 Mal pro Sekunde überstreicht.
In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Scanfrequenz mehr als 20 Hz, bevorzugt mehr als 25 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz oder mehr.
Für die Scaneinheit kommen verschiedene System in Betracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Scaneinheit einen oder mehrere Scanspiegel, welche bevorzugt um eine oder mehrere Achsen verkippbar vorliegen. Beispielsweise kann die Scaneinheit einen ersten Scanspiegel umfassen, wobei der erste Scanspiegel um eine erste Achse verkippbar ist, um die Beleuchtungsstrahlung auf dem Pixel längs einer ersten Richtung (z.B. horizontal) zu führen und einen zweiten Scanspiegel, welcher um eine zweite Achse verkippbar ist, um die Beleuchtungsstrahlung auf dem Pixel längs einer zweiten Richtung (z.B. vertikal) zu führen. Bevorzugt kann es sich bei dem Scanspiegel um einen Galvanometerspiegel (beispielsweise mit kardanischer Aufhängung) oder einen mikroelektromechanischen Spiegel (MEMS) handeln. Für die Scaneinheit kann ein einzelner Scanspiegel (mit Verkippung in mindestens zwei Achsen) oder eine Kombination von zwei oder mehr Scanspiegeln Einsatz finden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Scaneinheit einen oder mehrere Linsen und/oder ein Linsenarray, mittels derer eine Bewegung des Beleuchtungsstrahles auf dem Pixelarray steuerbar ist. Zu dem Zweck kann mindestens eine der Linsen translatierbar und/oder rotierbar vorliegen. Ebenso kann die Scaneinheit als strahlablenkende Elemente Prismen und/oder Wedges aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Scaneinheit eines oder mehrere diffraktive optische Elemente, mittels derer eine Bewegung der Beleuchtungsstrahlung auf dem Pixelarray steuerbar ist. Eine beispielhafte Scaneinheit umfassend diffrakte optische Elemente, welche als zwei dezentrierte diffraktive Fresnel-Linsen mit entgegengesetzten optischen Stärken ausgebildet sind, wird in Bawart et al. offenbart (Bawart et al. Dynamic beam-steering by a pair of rotating diffractive elements Optics Communications 460 (2020) 125071 ).
Auch andere Scansysteme sind denkbar. Beispielsweise kann die Verwendung eines akustooptischen Deflektors (AOD) bevorzugt sein. Ebenso können die verschiedenen Techniken selbstverständlich kombiniert werden.
Bevorzugt ist das lichtmodulierende Pixelarray (bzw. eine mit diesem verbundene Steuereinheit) dafür eingerichtet, eine Beleuchtungsstrahlung, welche auf das Pixelarray einfällt, pixelweise zu modulieren. Bei der Modulation handelt es sich bevorzugt um eine Intensitäts- und/oder Phasenmodulation der Beleuchtungsstrahlung. Die Modulation erfolgt pixelweise dahingehend, dass bevorzugt jeder Pixel des lichtmodulierenden Pixelarrays ansteuerbar ist, um einen Modulationszustand, d.h. eine definierte Intensitäts- und/oder Phasenmodulation für den Bereich des Pixels einzustellen. Der Pixelarray ist vorzugsweise ein zweidimensionaler, flächiger Lichtmodulator.
In bevorzugten Ausführungsformen weist der Pixelarray eine Vielzahl von Pixeln, vorzugsweise 100, 200, 500, 1000. 5000, 10 000, 50 000 100 000, 500 000, 1 000 000 oder mehr Pixel auf.
Vorzugsweise sind die Pixel in einer Ebene bzw. Fläche angeordnet, welche vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse steht, entlang deren sich die Beleuchtungsstrahlung im Wesentlichen ausbreitet.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10%, besonders bevorzugt weniger als ± 5 %, und insbesondere weniger als ± 1 % und umfassen stets den exakten Wert. Ähnlich beschreibt bevorzugt Größen, die ungefähr gleich sind. Teilweise beschreibt bevorzugt zu mindestens 5 %, besonders bevorzugt zu mindestens 10 %, und insbesondere zu mindestens 20 % oder zu mindestens 40 %.
Die Vielzahl der Pixel sind in dem Pixelarray vorzugsweise matrixförmig angeordnet, besonders bevorzugt kann eine zeilen- bzw. spaltenweise Anordnung der Pixel sein, welche beispielsweise zu einem rechteckigen Pixelarray mit einer horizontalen und vertikalen Ausdehnung führt. Ebenso sind auch andere Anordnungen der Pixel in dem Pixelarray, beispielsweise auf konzentrischen Kreisen denkbar.
Die Pixel können vorzugsweise eine rechteckige, quadratische oder rautenförmige Form aufweisen, aber auch andere zwei- oder dreidimensionale Formen sind denkbar; z. B. kreisförmig, ovalförmig, dreieckig, polygonal etc.
Die Arrayfrequenz des Pixelarray bezeichnet bevorzugt die Frequenz, mit der das Pixelarray die Zustände sämtlicher Pixel des Pixelarrays zur Erzeugung eines Bildes ändern kann bzw. die Frequenz, mit welcher ein Zustand eines einzelnen Pixels des Pixelarrays zur Erzeugung des Bildes geändert werden kann. Die Zustände der Pixel eines Pixelarrays können vorzugsweise simultan geändert werden. Es kann auch bevorzugt sein, die Zustände der Pixel einer Zeile und/oder Spalte des Pixelarrays simultan zu ändern oder die Zustände der einzelnen Pixel sukzessive zu ändern. Während im ersten Fall die Arrayfrequenz der Frequenz entspricht, mit welcher der Zustand sämtlicher Pixel simultan angesteuert wird, entspricht die Arrayfrequenz in den beiden letzteren Fällen jener Frequenz, mit welcher die Zustände von Pixeln derselbe Zeile/Spalte geändert oder jener Frequenz, mit welche der Zustand eines einzelnen Pixels zur Erzeugung des Bildes geändert wird.
In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Arrayfrequenz mehr als 20 Hz, bevorzugt mehr als 25 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz oder mehr.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet die Bildwiederholfrequenz bevorzugt jene Frequenz, mit welcher mittels der Bildgebereinheit ein Bild pro Sekunde erzeugt werden kann.
Die Bildwiederholfrequenz entspricht bevorzugt dem Minimum aus Scanfrequenz und Arrayfrequenz. Bevorzugt ist die Scanfrequenz gleich oder ein (ganzzahliges) Vielfaches der Arrayfrequenz und/oder die Arrayfrequenz gleich oder eine (ganzzahliges) Vielfaches der Scanfrequenz.
Die Erzeugung eines Bildes mittels der Bildgebereinheit soll im Folgenden anhand eines nicht beschränkenden Beispiels verdeutlicht werden, bei welchem die Scanfrequenz gleich der Arrayfrequenz ist. Beispielsweise kann es zur Erzeugung eines Bildes vorgesehen sein, dass der Zustand sämtlicher Pixel des Pixelarrays simultan mit einer Arrayfrequenz von 30 Hz geändert wird. Die Scaneinheit führt die Beleuchtungsstrahlung ebenfalls mit einer Scanfrequenz von 30 Hz über sämtliche Pixel des Pixelarray. D.h. die Scaneinheit tastet den gesamten Pixelarray mit einer Frequenz von 30 Hz ab bzw. überstreicht die Beleuchtungsstrahlung entsprechend ein und dasselbe Pixel mit einer Frequenz von 30 Hz. Der Zustand der jeweiligen Pixel, welche von der Beleuchtungsstrahlung mit einer Frequenz von 30 Hz überstrichen werden, ändert sich ebenfalls mit einer Arrayfrequenz von 30 Hz. Mithin wird ein Bildpunkt des zu erzeugenden Bildes mit einer Bildwiederholfrequenz von 30 Hz erzeugt bzw. definiert. Der Bildpunkt wird hierbei vorzugsweise während eines Scanvorgangs für eine Dauer erzeugt, während die Beleuchtungsstrahlung einen korrespondierenden Pixel des Pixelarrays bestrahlt bzw. diesen überstreicht. Mit jedem erneuten Scanvorgang kann in Abhängigkeit einer etwaigen Zustandsänderung der Pixel am Pixelarray ein veränderter Bildpunkt erzeugt bzw. definiert werden. Ist die Bildwiederholfrequenz wie im vorliegenden Fall hoch genug, führt die begrenzte Integrationszeit des Auges dazu, dass die sukzessive erzeugten Bildpunkte als kontinuierliche Bilder wahrgenommen werden.
Ein derartige Bilderzeugung durch Kombination einer Scaneinheit und eines Pixelarrays stellt eine Abkehr von bekannten Ansätzen des Standes der Technik dar, bei denen beispielsweise ein lichtmodulierenden Pixelarray mit einer aufgeweiteten im Wesentlichen homogenen Beleuchtungsstrahlung bestrahlt wird. In jenen Fällen ist die Bildwiederholfrequenz durch die Arrayfrequenz des Pixelarrays vorgegeben. Erfahren die Pixel eines Pixelarrays eine Zustandsänderung mit einer Frequenz von 30 Hz, wird ein entsprechendes Bild ebenfalls mit 30 Hz erzeugt. Bei einer aufgeweiteten im Wesentlichen homogenen Beleuchtungsstrahlung wird jeder Pixel dauerhaft bestrahlt.
Die erfindungsgemäße Einführung einer zusätzlichen Scaneinheit mit der die jeweiligen Pixel nicht dauerhaft bestrahlt werden, sondern bei dem die Beleuchtungsstrahlung in sich wiederholenden Scanvorgängen über den Pixelarray geführt wird, liegt für einen Fachmann nicht nahe, sondern erscheint vordergründig redundant.
Wie eingangs erläutert, wurde erfindungsgemäß jedoch erkannt, dass durch die Durchführung eines Scanvorgangs über das Pixelarray zur Erzeugung eines Bildpunktes die Specklesignaturen der Scaneinheit und des Pixelarrays überlagert bzw. kombiniert werden. Während ein von der Scaneinheit geführter Beleuchtungsstrahl einen Pixel des lichtmodulierenden Pixelarrays überstreicht, werden in Abhängigkeit der Scanposition verschiedene Specklemuster, welche von der Scaneinheit resultieren, mit einem für den jeweiligen Pixel charakteristischen Specklemuster überlagert. Ein resultierender Bildpunkt ist vorteilhaft durch ein gemitteltes Specklemuster mit höherer räumlicher Frequenz gekennzeichnet, welches für einen Betrachter nicht oder nur in reduziertem Maße wahrnehmbar ist. Erfindungsgemäß können verschiedene lichtmodulierende Pixelarrays in Betracht kommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das lichtmodulierende Pixelarray ein Flüssigkristalldisplay (engl. liquid crystal display LCD) und/oder eine Spiegelmatrix, vorzugsweise ein Mikrospiegelarray, beispielsweise ein Digital Micromirror Device (DMD). Auch andere Flächenlichtmodulator (engl. spatial light modulator SLM) können zum Einsatz kommen.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Flüssigkristalldisplays bekannt, welche für die Erfindung eingesetzt werden können.
Im Allgemeinen basieren Flüssigkristalldisplays darauf, dass Flüssigkristalle in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen können. Durch eine pixelweise Modulation der Kristallorientierung kann somit eine polarisierte Beleuchtungsstrahlung pixelweise transmittiert oder absorbiert werden, um eine Bild zu erzeugen. Beispielsweise kann das polarisierte Licht in einem Zustand des Flüssigkristalls um 90 Grad gedreht sein und in einem anderen Zustand nicht gedreht werden. Um ein LCD mit einem absorbierenden Zustand oder einem durchlässigen Zustand zu schaffen, kann auf jeder Seite des Flüssigkristalls ein Polarisator vorgesehen sein, so dass die Polarisationswinkel der Polarisatoren um 90 Grad versetzt sind.
Ein Flüssigkristalldisplay kann beispielsweise eine transparente Elektrode umfassen, die auf den Innenseiten von zwei Substraten in verschiedenen Anzeigemodi installiert ist, z.B. in einem twist-nematischen (TN) Anzeigemodus, in dem Flüssigkristallmoleküle mit positiver (+) dielektrischer Isotropie parallel zu den Substraten angeordnet und mit einer Winkeldifferenz von fast 90 Grad zwischen den Substraten verdreht sind, oder einem super twist-nematischen (STN) Anzeigemodus, in dem die Flüssigkristallmoleküle ähnlich wie in einem TN- Anzeigemodus angeordnet, aber mit einer Winkeldifferenz von 180 bis 270 Grad zwischen den Substraten verdreht sind. Auch andere Anzeigetypen wie Triple Super-Twisted Nematic etc. sind denkbar. Erfindungsgemäß können eine Vielzahl verschiedener Flüssigkristalldisplays zum Einsatz kommen.
Ein Mikrospiegelarray ist vorzugsweise ein mikroelektromechanisches System (MEMS) umfassend eine Vielzahl von Mikrospiegeln zur dynamischen Modulation von Licht. Bei einer (Kipp-)Spiegelmatrix bzw. einem Mikrospiegelarray, vorzugsweise einem DMD, werden die Pixel durch die einzelnen (Mikro-)Spiegel gebildet, welche vorzugsweise diskrete Auslenkungen annehmen können. Die einzelnen Mikrospiegel der (Kipp-)Spiegelmatrix können vorzugsweise elektrostatisch angesteuert werden und insbesondere zwischen mindestens zwei (Kipp-)Zuständen wechseln, wobei bevorzugt ein Zustand eine Ablenkung der Beleuchtungsstrahlung zu einem Bildpunkt auf dem zu erzeugenden Bild bewirkt und ein anderer Zustand eine Ablenkung der Beleuchtungsstrahlung außerhalb des zu erzeugenden Bildes bewirkt, beispielsweise auf einen Absorber.
DMDs können unterschiedlich konstruiert sein. Beispielsweise können die Spiegel mit einem darunter liegenden Joch verbunden sein, wobei das Joch wiederum über zwei dünne, mechanisch nachgiebige Torsionsscharniere mit Stützpfosten verbunden ist, welche auf dem darunter liegenden Substrat befestigt sind. Elektrostatische Felder, die zwischen einer darunter liegenden Speicherzelle (z.B. SRAM), dem Joch und dem Spiegel entstehen, können eine positive oder negative Kipprichtung bewirken.
Vorteilhaft führt die inhärente Variation der Specklesignaturen der bevorzugt genannten Scaneinheiten und Pixelarrays zu einer deutlichen Reduktion von Speckle. Ein bevorzugter Parameter, um die Speckle-Reduktion anwendungsabhängig zu reduzieren, stellt zudem die laterale Ausdehnung des Beleuchtungsstrahles auf dem Pixelarray dar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixelarray eine (maximale) laterale Ausdehnung auf, welche um einen Faktoren 5, 10, 100 oder mehr kleiner ist als eine (minimale) laterale Ausdehnung des Pixelarrays.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixelarray eine (maximale) laterale Ausdehnung von weniger als 50, 30, 20, 10, 5, 4, 3, 2 oder weniger als einem Pixel auf. Es kann auch bevorzugt sein, dass die maximale laterale Ausdehnung der Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixelarray beispielsweise nur einen Faktor 0,8; 0,5; 0,2 oder weniger der Größe eines Pixels beträgt. Ebenso kann es auch bevorzugt sein, dass die maximale laterale Ausdehnung der Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixelarray mehr als ein Pixel oder mehr als 2, 3, 4, 5, 10 oder mehr Pixel beträgt.
In bevorzugten Ausführungsformen kann die maximale laterale Ausdehnung der Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixelarray eine Größe aufweisen, welche zwischen einem 0,2fachen und 50fachen der Größe eines Einzelpixels beträgt.
Für die Beleuchtungsstrahlung ist es bevorzugt, dass diese gebündelt in Form eines Strahlenbündels auf den Pixelarray geführt wird. Die laterale Ausdehnung der Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixelarray ist bevorzugt durch die Halbwertsbreite (Full Width Half Maximum, FWHM) der Lichtintensität gegeben. Die laterale Ausdehnung der Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixelarray entspricht somit bevorzugt der Spotgröße (FHMW) der Beleuchtungsstrahlung auf dem Pixelarray. Die laterale Ausdehnung des Pixelarrays bezeichnet bevorzugt eine minimale Ausdehnung entlang der Ebene des flächigen Pixelarrays (gemessen durch den Flächenschwerpunkt). Im Falle eines quadratischen Pixelarrays entspricht die minimale laterale Ausdehnung bevorzugt einer Länge des Quadrates. Im Falle einer Rechteckform des Pixelarrays entspricht die minimale laterale Ausdehnung bevorzugt der kleineren der beiden Längen des Rechteckes. Für einen kreisförmigen Pixelarray ist die laterale Ausdehnung bevorzugt durch den Durchmesser gegeben.
Die vorgenannten bevorzugten Größen zeigen besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf eine Reduktion von Specklemustern im erzeugten Muster. Einerseits ist die Größe der auftreffenden Beleuchtungsstrahlung hinreichend klein, um zu gewährleisten, dass zur Erzeugung eines Bildpunktes (korrespondierend zu einem Pixel des Pixelarrays) eine Vielzahl von Specklesignaturen (resultierend aus unterschiedlichen Scanpositionen des Scansystems) mit der Specklesignatur eines jeweiligen Pixels überlagert werden. Andererseits ist die Größe der auftreffenden Beleuchtungsstrahlung nicht zu gering, als dass die Specklesignaturen vom Scansystem und Pixelarray keine wirksame Mittelung erfahren.
Ein Fachmann weiß, durch Verwendung optischer Komponenten ein gewünschtes Strahlprofil beim Auftreffen der Beleuchtungsstrahlung auf dem Pixelarray zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt im Strahlengang vor dem Pixelarray eine oder mehrere Linsen und/oder ein Linsenarray vor, mittels derer die laterale Ausdehnung der Beleuchtungsstrahlung beim Auftreffen auf den Pixelarray eingestellt wird, vorzugsweise mittels derer eine kleinere Spotgröße der Beleuchtungsstrahlung auf dem Pixelarray gewährleistet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt im Strahlengang zwischen der Scaneinheit und dem Pixelarray eine oder mehrere Linsen vor, mittels derer gewährleistet wird, dass die Beleuchtungsstrahlung unabhängig von dem Auftreffpunkt auf dem Pixelarray mit einem konstanten Einfallswinkel auf das Pixelarray geführt wird. Die eine oder mehrere Linsen kann bevorzugt eine diffraktive, eine refraktive oder eine Fresnel-Linse sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die eine oder mehrere Linsen derart positioniert werden, dass sich die Scaneinheit im objektseitigen Brennpunkt der Linse befindet (vgl. Abb. 11 ). Der Abstand zwischen Scaneinheit und der einen oder den mehreren Linsen kann zudem variiert werden, um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik einzustellen.
Die inhärente Variation der Specklesignaturen handelsüblicher Scaneinheiten und Pixelarrays führt vorteilhaft bereits zu einer deutlichen Abnahme wahrnehmbarer Specklestrukturen bzw. - muster im erzeugten Bild. Der Begriff der Specklesignatur kennzeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt die Eigenschaft der Komponenten der Bildgebereinheit im erzeugten Bild charakteristische Specklemuster zu generieren. Wie eingangs erläutert, werden als Specklemuster insbesondere die körnigen Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen beobachten lassen. Zur Erzeugung eines Bildpunktes können hierbei vorteilhaft eine Vielzahl von Specklesignaturen des Scansystems (resultierend aus unterschiedlichen Scanpositionen) mit der Specklesignatur eines jeweiligen Pixels (in Abhängigkeit von dessen Zustandswert) überlagert werden.
Um die Specklereduktion weiter zu verstärken, kann es bevorzugt sein, für die Beleuchtungsstrahlung eine zusätzliche Phasenvariation durch die Scaneinheit und/oder durch das Pixelarray einzuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bildgebereinheit dafür eingerichtet, durch das Pixelarray und/oder die Scaneinheit eine zusätzliche Phasenvariation der Beleuchtungsstrahlung zu bewirken. Hierdurch kann eine Vergrößerung einer Variation einer Specklesignatur des Pixelarrays und/oder der Scaneinheit erreicht werden.
Zur Vergrößerung einer Variation einer Specklesignatur des Pixelarrays und/oder der Scaneinheit kommen verschiedene Ansätze in Betracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bildgebereinheit für eine zusätzliche Modulation des Pixelzustandes pro erzeugtem Bild eingerichtet, wobei bevorzugt eine Modulationsfrequenz des Pixelzustandes einen Faktor 2, 4 oder mehr höher ist, als eine Bildwiederholungsrate der Bildgebereinheit. Der Ausdruck, dass die Bildgebereinheit eingerichtet ist, meint bevorzugt, dass eine von der Bildgebereinheit umfasste Steuereinheit zur Ausführung der benannten Verfahrensschritte (hier: Modulation des Pixelzustandes) eingerichtet ist und beispielsweise zu diesem Zweck auf der Steuereinheit und/oder einer mit dieser verbundenen externen Datenverarbeitungsvorrichtung eine entsprechende Software und/oder Firmware installiert vorliegt.
Analog zu einer Amplitudenmodulation z.B. bei Lichtquellen kann der Zustand eines Einzelpixels mehrmals geändert werden, während das Auge die Bilder aufaddiert. Vorzugsweise sollte eine Modulationsfrequenz der Pixelzustände derart hoch sein, dass das Auge die Einzelbilder nicht unterscheiden kann. Vorzugsweise ändert ein Pixel innerhalb der gewünschten Bildwiederholfrequenz mehrmals (z.B. 2, 4, 6 oder mehr) seinen Zustand. Unter der Vorrausetzung, dass die Bildwiederholfrequenz bzw. die Frequenz der Zustandsänderung hinreichend groß ist, ändert der Pixel mithin innerhalb der Integrationszeit des Auges mehrmals seinen Zustand. Der pro Bild wahrgenommene Zustand entspricht vorzugsweise dem Mittelwert aller Pixelzustände innerhalb der Bildwiederholungsfrequenz. Beispielhaft ist dies in der Abb. 3 dargestellt, wobei in der gezeigten Ausführungsform der Zustand des Pixels innerhalb der Integrationszeit des Auges bzw. innerhalb der gewünschten Bildwiderholfrequenz (t_int) 4 Mal seinen Zustand ändert.
Bei einem Flüssigkristalldisplay kann zur Umsetzung einer Modulationsfrequenz des Pixelzustandes beispielweise eine zeitliche Abfolge verschiedener Phasen- bzw. Amplitudenwerte für einen Pixel vorgeben werden, welche erst zeitlich integriert über die Bildwiederhohlrate den für das erzeugte Bild gewünschte Phasen- bzw. Amplitudenwert ergeben.
Die Arrayfrequenz entspricht in der bevorzugten Ausführungsform einem ganzzahligen Vielfachen der Bildwiederholungsfrequenz, wobei das ganzzahlige Vielfache einem Faktor, beispielsweise 2, 4, 6 oder mehr entspricht, mit dem der Pixelzustand während der Erzeugung eines Bildpunktes verändert wird.
Die Scanfrequenz sollte vorzugsweise mindestens der Modulationsfrequenz des Pixelzustandes entsprechen oder ein ganzzahliges Vielfaches der Modulationsfrequenz des Pixelzustandes darstellen.
Beispielsweise kann bei einer Arrayfrequenz von 120 Hz und einer Scanfrequenz von 120 Hz die Bildwiederholungsfrequenz auf 60 Hz sinken, sofern jeder Pixel zwei verschiedene Zustände pro erzeugtem Bild annimmt, bei 4 verschiedenen Zuständen sinkt die Bildwiederholungsfrequenz auf 30 Hz.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Bildgebereinheit für eine zusätzliche Modulation der Scaneinheit zur Phasenvariation der Beleuchtungsstrahlung eingerichtet, wobei bevorzugt eine Modulationsfrequenz der Scaneinheit einen Faktor 2, 4, 6 oder mehr höher ist, als eine Bildwiederholungsrate der Bildgebereinheit und/oder wobei bevorzugt eine oder mehrere Komponenten der Scaneinheit durch einen Aktuator zu Schwingungen angeregt werden.
Für die Scaneinheit kann ein ähnlicher zusätzlicher Effekt der Specklereduktion erreicht werden, wenn schneller als das Auge es auflösen kann, der Beleuchtungsstrahlung zusätzlich verschiedene Phasenwerte aufgeprägt werden.
Bevorzugt können zu diesem Zweck eine oder mehrere Komponenten der Scaneinheit durch einen Aktuator zu Schwingungen angeregt werden. Vorzugsweise liegt der Aktuator zu diesem Zweck zu mindestens einer Komponente der Scaneinheit mechanisch gekoppelt vor und ist dafür eingerichtet die Komponenten in Schwingungen bzw. Vibrationen zu versetzen. Der Aktuator kann beispielsweise ein elektrostatischer, piezoelektrischer, elektromagnetischer und/oder thermischer Aktuator sein. Vorzugsweise kann der Aktuator auch als MEMS- Aktuator und somit äußerst kompakt ausgeführt vorliegen. Entsprechende Aktuatoren, wie piezoelektrische oder mikromechanische Modulatoren, sind im Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise können auch Schwingquarze als Frequenzgeber für einen Aktuator eingesetzt werden oder als Aktuator selbst fungieren.
Im Fall eines Scansystem umfassend einen oder mehrere Scanspiegel, können mittels einer oder mehrere Aktuatoren beispielsweise die Spiegelflächen der Scanspiegel zu Schwingungen angeregt werden. Die Schwingungsanregung durch den Aktuator kann in der Spiegelebene (vgl. Abb. 4) und/oder senkrecht dazu (vgl. Abb. 5) erfolgen. Ebenso können Linsen, Wedges, Prismen oder andere Komponenten bevorzugter Scaneinheiten zu Schwingungen angeregt werden.
Vorteilhaft führen die mechanischen Schwingungen der Komponenten der Scaneinheit zu einer zusätzlichen Änderung bzw. Modulation der Specklesignatur für eine jeweilige Scanposition (Auftreffpunktes der Beleuchtungsstrahlung auf dem Pixelarray). Im Falle der Schwingungsanregung eines Scanspiegel oder einer Linse schwingen die Oberflächen und mithin mikroskopische Rauheiten der Oberflächen mit der zusätzlichen mechanischen Modulationsfrequenz, sodass sich das Specklemuster bzw. die Specklesignatur auf dem Pixelarray mit jener Modulationsfrequenz auch für eine gleichbleibende Scanposition ändert.
Die zusätzliche Modulationsfrequenz der Scaneinheit kann vorzugsweise höher oder niedriger sein, als die Scanfrequenz der Scaneinheit oder die Arrayfrequenz des Pixelarrays.
Vorzugsweise sollte die zusätzliche Modulationsfrequenz der Scaneinheit (z.B. Schwingungsfrequenz einer Komponente der Scaneinheit) höher als die Bildwiederhohlfrequenz sein, vorzugsweise um einen Faktor von 2, 4, 6, 8, 10 oder mehr.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Bildgebereinheit zusätzlich im Strahlengang zwischen Lichtquelle und lichtmodulierendem Pixelarray, vorzugweise im Strahlengang zwischen Scaneinheit und lichtmodulierendem Pixelarray einen oder mehrere Diffusoren auf.
Ein Diffusor ist bevorzugt ein optisches Element, welches dem Beleuchtungsstrahl eine zusätzliche randomisierte bzw. stochastische Phase aufträgt. Bevorzugt weist ein Diffusor eine Vielzahl zufällig verteilter Streuzentren auf, an denen Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen gestreut werden.
Wie in Abb. 8 illustriert, bewirkt ein Diffusor mithin bevorzugt eine Durchmischung einzelner Strahlen einer ggf. kollimierten Beleuchtungsstrahlung, welche auf den Diffusor an verschiedenen Auftreffpunkten auftreffen. Hierdurch kann eine Kohärenzlänge der Beleuchtungsstrahlung zusätzlich vermindert werden. Die Diffusoren können als optische Elemente mit randomisierter Phase oder auch als ein oder mehrere Linsenarrays ausgebildet sein. Bevorzugt können die Diffusoren auch derart beschaffen sein, dass ihre Abstrahlcharakteristik abhängig von der lateralen Position auf dem Diffusor variiert. Dadurch kann die Abstrahlcharakteristik des Gesamtsystems modifiziert werden, um z.B. eine größere oder kleinere Eyebox zu generieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Diffusor ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Linsenarray, refraktiver und/oder diffreraktiver Diffusor.
Der Diffusor kann eine Oberflächenstreuung und/oder Volumenstreuung bewirken. Der Diffusor kann sowohl als ein reflektives oder als ein transmissives optisches Element ausgebildet sein.
Im Falle einer Oberflächenstreuung erfolgt die Streuung der Beleuchtungsstrahlung bevorzugt an der Oberfläche des Diffusors, welche zu diesem Zweck vorzugsweise entsprechend behandelt wurde. Beispielsweise kann eine Scheibe aus einem transparenten Material (beispielweise Glas) mechanisch, chemisch und/oder optisch behandelt werden, um als Diffusor zu wirken (vgl. u.a. US 4,035,068 für die Bereitstellung einer Diffusionsscheibe aus Glas durch Schleifen und Ätzen einer Oberfläche). Mittels einer Mikrostrukturierung der Oberfläche transparenter Materialien kann zudem eine gewünschte Diffusor-Wirkung präzise vorgeben werden.
Ein transmissives Diffusionselement kann vorzugsweise auch für eine Volumenstreuung ausgebildet sein, wobei vorzugsweise ein im Wesentlichen transparentes Material Streuzentren, beispielsweise transparente und/oder intransparente Partikel, umfasst, an denen die Beleuchtungsstrahlung phasen- und/oder amplitudenmoduliert wird. Im Falle einer Volumenstreuung ist es bevorzugt einen dünnschichtigen Diffusor zu verwenden, sodass wie beschrieben eine Reduktion von Specklemustern erreicht werden kann, ohne dass jedoch die Leistung stark gemindert würde.
Ein Maß für das Streuvermögen eines Diffusors und mithin der Durchmischung einzelner Strahlen ist der Diffusionswinkel. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Diffusionswinkel des einen oder der mehreren Diffusoren zwischen 0,5° und 35°, vorzugsweise zwischen 1 ° und 20°, besonders bevorzugt zwischen 1° und 10°.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Bildgebereinheit zwei oder mehr Diffusoren auf, welche vorzugsweise nacheinander mit einem räumlichen Abstand im Strahlengang angeordnet vorliegen. Die besonders bevorzugte Ausführungsform führt zu einer nochmals verbesserten Reduktion von Speckle- und/oder Interferenzmustern.
Vorteilhaft wird, wie in Abb. 8 gezeigt, hierbei ausgenutzt, dass die Beleuchtungsstrahlung, welche zunächst an einem ersten Diffusor gestreut wird, an einem zweiten Diffusor bereits an mehreren, verschiedenen Auftreffpunkten auf den zweiten Diffusor auftrifft. Hierdurch werden mehrere Specklemuster zeitgleich überlagert. Die Anzahl der überlagerten Strahlenbündel bzw. Specklemuster auf dem Pixelarray (sowie in der Bildebene) ist um ein Vielfaches höher, als es mit nur einem Diffusor der Fall wäre. Die Anordnung der Diffusoren entlang der optischen Achse hintereinander und mit einem räumlichen Abstand führt mithin zu einer Potenzierung der Überlagerung einzelner Strahlen. Ist die räumliche Frequenz der überlagerten Specklemuster hinreichend hoch, können diese vom Auge nicht aufgelöst werden und stören somit nicht die Bildqualität.
In bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Diffusionswinkel des ersten und/oder zweiten Diffusors zwischen 0,5° und 35°, vorzugsweise 1 ° und 20°, besonders bevorzugt zwischen 1 ° und 10°. Der räumliche Abstand zwischen ersten und zweiten Diffusor beträgt bevorzugt zwischen 0,5 mm und 100 mm, vorzugsweise 1 mm bis 50 mm.
Die Bildgebereinheit kann sowohl als Display als auch Projektor ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bildgebereinheit als ein Display ausgebildet, wobei das lichtmodulierende Pixelarray einen Displayschirm bildet und/oder wobei das von dem lichtmodulierende Pixelarray erzeugte Bild auf einen (semi-)transparenten Displayschirm projiziert wird. In der bevorzugten Ausführungsform kann das vom Pixelarray erzeugte Bild mithin direkt im Durchlicht betrachtet werden (vgl. Abb. 10) oder aber das vom Pixelarray erzeugte Bild wird auf einen transparenten oder semitransparenten Displayschirm abgebildet, welcher im Durchlicht betrachtet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bildgebereinheit als ein Projektor ausgebildet, wobei das von dem lichtmodulierenden Pixelarray erzeugte Bild auf einen reflektierenden, vorzugsweise diffus reflektierenden, Projektionsschirm projiziert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bildgebereinheit für ein Head-Up-Display (HUD) verwendet. HUDs können volumenholographische Optiken enthalten, bei denen es sich um beugende Gitterstrukturen handelt, die eine starke Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) aufweisen. Der Betrachtungswinkel des HUDs ändert sich dadurch mit der Wellenlänge, was in einer Unschärfe des HUD bei breitbandiger Beleuchtung resultiert. Eine Bildgebereinheit für ein solches HUD sollte daher möglichst schmalbandige Spektrallinien aufweisen. Vorteilhaft kann mithilfe der erfindungsgemäßen Bildgebereinheit eine schmalbandige, vorzugsweise monochromatische Beleuchtungsstrahlung bereitgestellt werden, ohne dass die damit einhergehende Kohärenz zu nachteiligen Interferenzeffekten bzw. Specklemuster führt.
Für die Anordnung der Bildgebereinheit umfassend Scaneinheit, lichtmodulierendes Pixelarray sowie möglichen weiteren optischen Komponenten zur Formung und/oder Führung der Beleuchtungsstrahlung sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bildgebereinheit einen für die Beleuchtungsstrahlung transparenten Substratkörper mit einer Einkoppelfläche auf, über welche die Beleuchtungsstrahlung innerhalb des transparenten Substratkörpers zu einer Rückfläche gelenkt wird, an welcher ein Umlenkelement positioniert vorliegt, wobei das Umlenkelement derart ausgebildet ist, dass die auftreffende Beleuchtungsstrahlung in Richtung einer Vorderfläche des Substratkörpers umgelenkt wird, durch welche die Beleuchtungsstrahlung auf das lichtmodulierende Pixelarray austritt.
Die Ausführungsform hat sich als besonders kompakt erwiesen. Insbesondere kann der Bauraum, den die Bildgebereinheit senkrecht zum lichtmodulierenden Pixelarray einnimmt, stark reduziert werden. Vorzugsweise ist der Bauraum senkrecht zum Pixelarray im Wesentlichen durch die Beabstandung der Rück- und Vorderfläche des transparenten Substratkörpers vorgegeben, welche vorzugsweise im Vergleich zur lateralen Ausdehnung des Pixelarrays (d.h. beispielsweise einer Höhe und/oder Breite) äußerst klein gehalten werden kann. In bevorzugten Ausführungsformen kann der Abstand zwischen der Vorder- und Rückfläche des transparenten Substratkörpers, um einen Faktor 5, 10, 50 oder mehr kleiner sein als eine maximale laterale Ausdehnung des Pixelarrays (d.h. z.B. einer Höhe und/oder Breite).
Die Rück- und/oder Vorderfläche des transparenten Substratkörpers können als plane Flächen ausgebildet sein. So kann der transparente Substratkörper beispielsweise in der Grundform als planparallele Platte bzw. Quader vorliegen. Es ist jedoch auch möglich, dass Vorder- und/oder Rückfläche gekrümmt ausgebildet sind.
Als Grundform weist der transparente Substratkörper vorzugsweise die Form eines Quaders auf mit einer Rück- und Vorderfläche, welche parallel zueinander ausgerichtet vorliegen. Vorzugsweise ist die Dicke des Quaders, d.h. die Beabstandung der Rück- und Vorderfläche, deutlich kleiner als eine Höhe und/oder Breite der Rück- und/oder Vorderfläche, welche vorzugsweise an die Dimensionierung des Pixelarray angepasst sind. Beispielsweise kann die Dicke des Quaders um einen Faktor 5, 10, 50 oder mehr kleiner sein als dessen Höhe und/oder Breite. Der Substratkörper ist vorzugsweise im Wesentlichen transparent in Bezug auf die Wellenlänge(n) der Beleuchtungsstrahlung.
Bevorzugt umfasst der Substratkörper ein Material, welches ein optischer Kunststoff ist, vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Cycloolefin-Polymere (COP), Cycloolefin-Copolymere (COC) und/oder ein optisches Glas ist, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend, Borosilikatglas, B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1 , P-SK58A und/oder P-BK7. Die Bildgebereinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, dass die durch die Lichtquelle erzeugte Beleuchtungsstrahlung mittels der Scaneinheit - wie beschrieben vorzugsweise in Form eines Strahlenbündels - auf die Einkoppelfläche abgelenkt und durch den Substratkörper in Richtung des Umlenkelementes geführt wird.
Die Einkoppelfläche kann vorzugsweise eine Form aufweisen, welche es gewährleistet, dass die Beleuchtungsstrahlung beim Eintritt in den transparenten Substratkörper eine möglichst geringe Ablenkung und/oder Aberration erfährt. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass die Einkoppelfläche eine konkave Form aufweist, welche es gewährleistet, dass die von der Scaneinheit geführte Beleuchtungsstrahlung für unterschiedliche Scanpositionen unter einem im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel zur Einkoppelfläche in den Substratkörper eintritt (vgl. Abb. 12).
Im transparenten Material des Substratkörpers trifft die Beleuchtungsstrahlung auf das Umlenkelement, welches vorzugsweise direkt auf einer Rückfläche des Substratkörpers aufgebracht sein kann. Das Umlenkelement lenkt die Beleuchtungsstrahlung bevorzugt in Richtung einer gegenüber gelegenen Vorderfläche des transparenten Substratkörpers. Durch die Vorderfläche tritt die Beleuchtungsstrahlung aus dem Material aus und trifft auf das Pixelarray.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Umlenkelement ein Umlenkhologramm, welches vorzugsweise als Volumenhologramm, reflektives und/oder transmissives Hologramm ausgebildet ist. Das Umlenkelement kann vorzugsweise auch durch ein mikrostrukturiertes diffraktives Element und/oder auch durch eine (strukturierte) Spiegelfläche gebildet werden.
Im Falle eines diffraktiven Umlenkelementes, beispielsweise einem Umlenkhologramm, kann ungebeugtes Licht der Beleuchtungsstrahlung der nullten Beugungsordnung, aber auch Licht der Beleuchtungsstrahlung welches in andere Beugungsordnungen als der für die Umlenkrichtung gewünschten gebeugt wird, als Störlicht im transparenten Substratkörper propagieren.
Während beispielsweise ein diffraktives Umlenkelement dafür eingerichtet ist, die Beleuchtungsstrahlung mit einer n-ten Ordnung in Richtung des Pixelarrays zu führen, bezeichnet im Sinne das Störlicht bevorzugt ungebeugtes Licht der Beleuchtungsstrahlung der nullten Beugungsordnung, aber auch ein von der n-ten verschiedenen Beugungsordnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Bildgebereinheit dafür eingerichtet sein, dass Störlicht eines diffraktiven Umlenkelementes mindestens teilweise auf das Pixelarray geführt wird. Vorteilhaft kann durch das Störlicht Licht auf weitere Auftreffpunkte auf dem Pixelarray geführt werden, wobei die zusätzliche Überlagerung eine weitere Reduktion der sichtbaren Specklemuster bewirken kann. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Bildgebereinheit auch dafür eingerichtet sein, dass Störlicht eines diffraktiven Umlenkelementes eine Oberfläche des Substratkörpers verlässt, ohne auf das Pixelarray zu treffen. Beispielsweise kann ein Scanwinkelbereich des Scansystems zu diesem Zweck derart vorgegeben werden, dass ein Verlassen des Störlichtes außerhalb des Bereiches des Pixelarrays gewährleistet wird. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass die Einkoppelfläche derart gestaltet wird, dass die Beleuchtungsstrahlung unabhängig von der Scanposition unter einem gleichen Einfallswinkel auf das Umlenkelement auftrifft. Zu diesem Zweck kann es beispielsweise bevorzugt sein, eine Freiformoptik, eine bikonische Linse, rotationssymmetrische Linse und/oder refraktive oder diffraktive Elemente, zu verwenden. Weiterhin kann ebenso die Rückfläche des transparenten Substratkörpers, auf die das Umlenkelement aufgebracht wird, angepasst werden - beispielsweise mit einer konvexen Form - um das Störlicht vom Pixelarray wegzulenken (vgl. Abb. 15).
Bevorzugt können auch für die vorgenannten kompakt ausgebildeten Bildgebereinheiten einer oder mehrere Diffusoren eingebracht werden, um eine Sichtbarkeit von Specklemustern weiter zu reduzieren. Die einen oder mehreren Diffusoren können vorzugsweise zwischen Scaneinheit und transparentem Substratkörper, zwischen transparentem Substratkörper und Pixelarray, zwischen Lichtquelle und Scaneinheit oder zwischen Umlenkelement und transparentem Substratkörper liegen.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen und Abbildungen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Kurzbeschreibunq der Abbildungen
Abb. 1 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bildgebereinheit.
Abb. 2 Schematische Illustration von Specklesignaturen a) des Pixelarrays und b) der Scaneinheit sowie deren Überlagerung für c) eine Scanposition und d) einen Bildpunkt.
Abb. 3 Schematische Illustration einer Vergrößerung der Variation der Specklesignatur des Pixelarrays durch zusätzliche Modulation des Pixelzustandes pro erzeugtem Bild.
Abb. 4, 5 Schematische Illustration einer Vergrößerung der Variation der Specklesignatur der Scaneinheit durch Schwingungsanregung eines Scanspiegels entlang der Spiegelebene (Abb. 4) oder senkrecht zur Spiegelebene (Abb. 5). Abb. 6 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit einem Diffusor im Strahlengang.
Abb. 7 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit zwei Diffusoren im Strahlengang.
Abb. 8 Schematische Illustration einer Überlagerung einer Vielzahl von Strahlenbündeln durch Verwendung zweier Diffusoren im Strahlengang.
Abb. 9 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit einer Linse zur Gewährleistung konstanter Einfallwinkel der Beleuchtungsstrahlung auf dem Pixelarray.
Abb. 10 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit, welche als ein Display ausgebildet ist.
Abb. 11 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit, welche als ein Projektor ausgebildet ist.
Abb. 12 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit einem reduzierten Bauraum senkrecht zum Pixelarray.
Abb. 13 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit einem reduzierten Bauraum senkrecht zum Pixelarray bei dem Störlicht auf das Pixelarray geführt wird.
Abb. 14-16 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit einem reduzierten Bauraum senkrecht zum Pixelarray bei dem ein Auftreffen von Störlicht auf dem Pixelarray vermieden wird durch Vorgabe des Scanwinkels (Abb. 14), Formung des Umlenkelementes (Abb. 15) oder Gestaltung der Einkoppelfläche (Abb. 16).
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bildgebereinheit.
Die Bildgebereinheit umfasst mindestens eine Lichtquelle 1 zur Erzeugung einer Beleuchtungsstrahlung 2, welche vorzugsweise als Strahlenbündel auf einer optischen Achse geführt wird. Mittels einer Scaneinheit 3 wird die Beleuchtungsstrahlung 2 zur Erzeugung eines Bildes über ein lichtmodulierendes Pixelarray 4 geführt. Die Lichtquelle 1 kann ein System aus mehreren, vorzugsweise monochromatischen Lasern sein, die durch weitere optische Komponenten auf eine gemeinsame optische Achse gelenkt werden. Der Durchmesser des Strahlenbündels der Beleuchtungsstrahlung 2 beim Auftreffen auf das
Pixelarray 4 kann größer oder kleiner als die Größe eines Einzelpixels sein, aber ist kleiner als das gesamte Pixelarray 4.
Zur Reduktion von Specklemustern nutzt die erfindungsgemäße Bildgebereinheit aus, dass sowohl die Scaneinheit 3 als auch das lichtmodulierende Pixelarray 4 für unterschiedliche Scanpositionen bzw. Pixelzustände charakteristische Specklesignaturen aulweisen.
Vorteilhaft werden im Scanvorgang bei der Erzeugung eines Bildpunktes die Specklesignaturen der Scaneinheit 3 und des Pixelarrays 4 überlagert bzw. kombiniert, sodass im erzeugten Bild sichtbare bzw. wahrnehmbare Specklemustern reduziert werden.
Abbildung 2 illustriert schematisch die Specklesignaturen des Pixelarrays 4 und der Scaneinheit 3 sowie deren Überlagerung. Abb. 2a) illustriert eine Specklesignatur eines Pixels des lichtmodulierenden Pixelarrays 4. Die Specklesignatur eines Pixels kann beispielsweise von der Oberflächenbeschaffenheit und/oder dem Ansteuerungszustand (z.B. einer Kristallausrichtung eines LCD-Displays) abhängen. Dx bezeichnet die Größe des Pixels in Scanrichtung. Abb. 2b) illustriert eine Specklesignatur einer Scaneinheit 3 für eine bestimmte Scanposition (dx). Im Falle einer spiegelbasierten Scaneinheit 3 kann die Specklesignatur beispielsweise von einer Oberflächenbeschaffenheit einer Spiegelfläche 5 abhängen.
Für sich genommen sind die Specklesignaturen des Pixelarrays (Abb. 2a) oder der Scaneinheit (Abb. 2b) durch ausgeprägte Minima und Maxima gekennzeichnet, welche vom Betrachter als Helligkeitsunterschiede bzw. Körnung im erzeugten Bildpunkt bzw. Bild wahrgenommen werden können.
Abb. 2c) illustriert eine Überlagerung der Specklesignatur der Scaneinheit 3 mit der des Pixelarrays 4 für eine bestimmte Scanposition. Dies führt bereits zu einer höheren räumlichen Frequenz des Specklemusters und mithin geringerer Sichtbarkeit. Eine besonders deutliche Reduktion der Specklemuster wird dadurch erzielt, dass beim Überstreichen eines Einzelpixels für ein und denselben Bildpunkt eine Vielzahl von Specklemustern (in Abhängigkeit der Scanposition) generiert und mit der Specklesignatur des Pixels überlagert werden.
Bei einem schrittweisen Scanvorgang ist die Anzahl der überlagernden Specklemuster gleich der Anzahl der Scanschritte. Bei einer analogen Bewegung ist die Zahl der Specklemuster infinit mit einer geringeren Variation zwischen einzelnen Specklemustern. Bei hinreichender Scanfrequenz kann das menschliche Auge diese Einzelmuster nicht mehr unterscheiden. Dabei werden alle Specklemuster, die vom Auge zeitlich nicht unterschieden werden können, addiert. Abb. 2d) illustriert beispielhaft eine Addition aller im Bereich -Dx < dx < Dx auftretenden Specklemuster für eine Schrittweite von Dx/80. Ersichtlich wird der Kontrast der Specklemuster (d.h. der Abstand der Minima und Maxima in der Intensitätsverteilung) verringert, sodass eine deutliche Reduktion wahrnehmbarer Specklemuster erzielt werden kann.
Die inhärente Variation der Specklesignaturen von handelsüblichen Scaneinheiten und Pixelarrays ist zumeist bereits hinreichend für eine deutliche Specklereduktion. Um diese noch zu verstärken, kann eine zusätzliche Phasenvariation sowohl durch die Scaneinheit 3 als auch das Pixelarray 4 eingeführt werden.
Abbildung 3 zeigt schematisch eine Vergrößerung der Variation der Specklesignatur eines Pixelarrays 4 durch zusätzliche Modulation des Pixelzustandes pro erzeugtem Bild.
Analog zu einer Amplitudenmodulation, z.B. bei Lichtquellen, kann der Zustand eines Einzelpixels mehrmals geändert werden, während das Auge die Bilder aufaddiert. Dazu muss die Modulationsfrequenz hoch genug sein, dass das Auge die Einzelbilder nicht unterscheiden kann.
Wie in Abb. 3a) gezeigt, kann vorzugsweise ein Pixel innerhalb der Integrationszeit des Auges bzw. innerhalb der gewünschten Bildwiederholfrequenz (t_int) 4 Mal seinen Zustand ändern. Der wahrgenommene Zustand entspricht dem Mittelwert aller Zustände innerhalb von t_int (vgl. Abb. 3b), wobei sich korrespondierende Specklemuster innerhalb der Integrationszeit vorteilhaft überlagern bzw. mitteln.
Abbildungen 4 und 5 zeigen schematisch beispielhafte Ausführungsformen zur Vergrößerung der Variation der Specklesignatur der Scaneinheit 3 durch Schwingungsanregung eines Scanspiegels 5 entlang der Spiegelebene 6 (Abb. 4) oder senkrecht zur Spiegelebene 6 (Abb. 5) mittels eines Aktuators 7. Die Schwingung kann z.B. durch piezoelektrische oder mikromechanische Modulatoren oder Schwingquarze bewirkt werden. Bevorzugt wird Specklesignatur der Scaneinheit 3 durch den Aktuator hochfrequent variiert, wobei die Modulationsfrequenz der Scaneinheit 3 vorzugsweise deutlich höher ist als die Bildwiederhohlfrequenz.
In Abb. 4 ist ein Scanspiegel 5 mit kardanischer Aufhängung gezeigt, welcher durch einen Aktuator mit Frequenzgeber 7 entlang der Spiegelebene 6 zum Schwingen gebracht wird. In Abb. 5 wird ein Scanspiegel 5 in kardanischer Aufhängung gezeigt, welcher durch einen Aktuator mit Frequenzgeber 7 senkrecht zur Spiegelebene 6 zum Schwingen gebracht wird.
Darüber hinaus können im Strahlengang, vorzugsweise zwischen Scaneinheit 3 und Pixelarray 4 zusätzliche Elemente eingebracht werden, die eine Specklesignatur hinzufügen. Bevorzugt sind beispielsweise Diffusoren, welche die Specklevarianz beim Scanvorgang erhöhen. Abbildung 6 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit einem Diffusor 8 im Strahlengang. Der Diffusor 8 kann beispielsweise als optisches Element mit randomisierter Phase oder auch als ein Linsenarray ausgebildet sein. Der Diffusor 8 bewirkt bevorzugt eine Streuung und Durchmischung einzelnen Strahlen der Beleuchtungsstrahlung 2, welche auf den Diffusor 8 an verschiedenen Auftreffpunkten auftreffen. Hierdurch wird eine Kohärenzlänge der Beleuchtungsstrahlung 2 zusätzlich vermindert und eine Sichtbarkeit des Specklemusters im erzeugten Bild reduziert.
Abbildung 7 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit zwei Diffusoren 8 im Strahlengang. Die beiden Diffusoren 8 liegen im Strahlengang entlang der Ausbreitungsrichtung nacheinander mit einem räumlichen Abstand angeordnet vor. Mittels zweier Diffusoren kann eine nochmals deutlich verbesserte Reduktion von Speckle- und/oder Interferenzmuster erzielt werden.
Abbildung 8 illustriert schematisch die Überlagerung einer Vielzahl von Strahlenbündeln der Beleuchtungsstrahlung 2 durch Verwendung zweier Diffusoren 8 im Strahlengang
Die Beleuchtungsstrahlung 2, welche an dem ersten Diffusor 8 gestreut wird, trifft an dem zweiten Diffusor 8 bereits an mehreren, verschiedenen Auftreffpunkten auf, an denen eine weitere Streuung erfolgt. Hierdurch werden mehrere Specklemuster zeitgleich überlagert. Die Anzahl der überlagernden Strahlenbündeln 2 bzw. Specklemuster auf dem Pixelarray 4 (sowie in der Bildebene) ist um ein Vielfaches höher, als es mit nur einem Diffusor 8 der Fall wäre.
Dies wird insbesondere deutlich, wenn man die Anzahl überlagernder Strahlenbündel 2 bzw. Specklemuster auf dem zweiten Diffusor 8 und auf dem Pixelarray 4 vergleicht. Ist die räumliche Frequenz der Specklemuster hoch genug können diese vom Auge nicht aufgelöst werden. Darüber hinaus überlagern sich Strahlenbündel 2 die lateral weiter voneinander entfernt sind, als es im Falle eines einzelnen Diffusors 8 der Fall ist. Dadurch wird die räumliche Kohärenz der Lichtquelle reduziert. Ist die Kohärenzlänge der Lichtquelle ausreichend gering, entstehen keine wahrnehmbaren Specklemuster. Die Aufweitung des Strahlenbündel 2 ist in Abbildungen 7 und 8 angedeutet und entspricht vorzugsweise einem Diffusionswinkel
Abbildung 9 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit einer Linse 9 zur Gewährleistung konstanter Einfallswinkel der Beleuchtungsstrahlung 2 auf dem Pixelarray 4.
Bei der Linse 9 handelt es sich bevorzugt, um eine refraktive, diffraktive oder Fresnel-Linse. Bevorzugt wird die Linse 9 - wie gezeigt - zwischen Scaneinheit 3 und Pixelarray 4 positioniert und ist dazu eingerichtet, dass alle Strahlenbündel 2 unabhängig von ihrer räumlichen Position denselben Einfallswinkel auf dem Pixelarray 4 aufweisen (vgl. Abb. 9 für zwei beispielhafte Scanwinkel und Strahlverläufe). Dazu kann z.B. die Scaneinheit 3 im objektseitigen Fokus der Linse 9 stehen. Dieser Abstand kann variiert werden, um die Abstrahlcharakteristik des Gesamtsystems zu modifizieren.
Die Bildgebereinheit kann sowohl als Display oder auch als Projektor verwendet werden.
Abbildung 10 zeigt schematisch eine bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit, welche als ein Display ausgebildet ist. Zur Verwendung als Display kann das Pixelarray 4 als Displayschirm 10 fungieren und direkt betrachtet werden (gezeigt) oder aber das Pixelarray 4 wird auf einen (semi-)transparenten Displayschirm 10 projiziert, welcher dann im Durchlicht betrachtet wird (nicht gezeigt).
Abbildung 11 zeigt schematisch eine bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit, welche als ein Projektor ausgebildet ist. Zur Ausbildung als Projektor wird das Pixelarray 4 auf einen reflektierenden, vorzugsweise diffus reflektierenden, Projektionsschirm 11 projiziert.
Abbildung 12 zeigt schematisch eine bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit mit einem reduzierten Bauraum senkrecht zum Pixelarray 4.
Zu diesem Zweck weist die Bildgebereinheit einen für die Beleuchtungsstrahlung 2 transparenten Substratkörper 14 auf mit einer Einkoppelfläche 12, über welche die Beleuchtungsstrahlung 2 innerhalb des transparenten Substratkörpers 14 zu einer Rückfläche 15 gelenkt wird, an welcher ein Umlenkelement 13 positioniert vorliegt. Das Umlenkelement 13 ist derart ausgebildet, dass die auftreffende Beleuchtungsstrahlung 2 in Richtung einer Vorderfläche 16 des Substratkörpers 14 umgelenkt wird, durch welche die Beleuchtungsstrahlung 2 auf das lichtmodulierende Pixelarray 4 austritt.
Der Substratkörper 14 ist im Verhältnis zur Höhe und Breite des Pixelarrays 4 vorzugsweise dünn ausgestaltet und kann die Grundform eines Quaders aufweisen, wobei an mindestens einer Fläche eine speziell geformte Einkoppelfläche 12 vorliegt. Zur Verminderung von Ablenkungen oder Aberrationen kann die Einkoppelfläche 12 derart konkav geformt sein, dass die von der Scaneinheit 3 geführte Beleuchtungsstrahlung 2 für unterschiedliche Scanpositionen unter einem im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel in den Substratkörper 14 eintritt.
Das Umlenkelement 13 kann z.B. ein Volumenhologramm, ein mikrostrukturiertes diffraktives Element oder auch eine (strukturierte) Spiegelfläche sein. Im Falle eines diffraktiven Umlenkelementes (z.B. Volumenhologramm) kann ungebeugtes Licht der nullten Beugungsordnung, aber auch Licht, welches in andere Beugungsordnungen als der gewünschten gebeugt wird, als Störlicht 17 im transparenten Substratkörper 14 propagieren.
TI Abbildung 13 zeigt schematisch eine bevorzugten Ausführungsform einer Bildgebereinheit, bei der das Störlicht 17 mindestens teilweise auf das Pixelarray 4 geführt wird.
Hierdurch kann Licht gleichzeitig an mehreren Punkten auf das Pixelarray 4 gelenkt werden, um auf diese Weise sichtbare Speckle weiter zu reduzieren.
Die Abbildungen 14-16 zeigen schematische Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bildgebereinheiten, bei denen ein Auftreffen von Störlicht 17 auf dem Pixelarray 17 vermieden wird.
In Abbildung 14 wird der Scanwinkel der Scaneinheit 3 derart vorgegeben, dass das Störlicht 17 nicht aus der Vorderfläche 16 auf das Pixelarray 4 austritt, sondern aus einer unteren Fläche des Substratkörpers 14.
In Abbildung 15 ist die Rückfläche 15 des transparenten Substratkörpers 14 auf dem das Umlenkelement 13 aufgebracht wird, derart angepasst, dass das Störlicht 17 vom Pixelarray 4 wegegelenkt wird.
In Abbildung 16 ist Einkoppelfläche 12 derart gestaltet, dass alle Strahlenbündel der Beleuchtungsstrahlung 2 von der Scaneinheit 3 unter dem gleichen Winkel auf das Umlenkelement 13 treffen. Beispielsweise kann hierzu eine Freiformoptik, eine bikonische Linse oder eine rotationssymmetrische Linse verwendet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Alternativen zu den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, um die Erfindung auszuführen und zu der erfindungsgemäßen Lösung zu gelangen. Die erfindungsgemäße Bildgebereinheit beschränkt sich in ihren Ausführungen somit nicht auf die vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl von Ausgestaltungsvarianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung abweichen können. Ziel der Ansprüche ist es, den Schutzumfang der Erfindung zu definieren. Der Schutzumfang der Ansprüche ist darauf gerichtet, die erfindungsgemäßen Bildgebereinheit sowie äquivalente Ausführungsformen dieser abzudecken.
Bezugszeichenliste
1 Lichtquelle
2 Beleuchtungsstrahlung
3 Scaneinheit
4 lichtmodulierendes Pixelarray
5 Scanspiegel
6 Spiegelebene
7 Aktuator
8 Diffusor
9 Linse
10 Displayschirm
11 Projektionsschirm
12 Einkoppelfläche
13 Umlenkelement
14 transparenter Substratkörper
15 Rückfläche des Substratkörpers
16 Vorderfläche des Substratkörpers
17 Störlicht

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Bildgebereinheit mit einer Lichtquelle (1 ) zur Erzeugung einer Beleuchtungsstrahlung (2) sowie einem lichtmodulierenden Pixelarray (4) zur Erzeugung eines Bildes durch pixelweise Modulation der auf den Pixelarray (4) einfallenden Beleuchtungsstrahlung (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstrahlung (2) beim Auftreffen auf das lichtmodulierende Pixelarray (4) eine laterale Ausdehnung aufweist, welche kleiner ist als das Pixelarray (4) und zur Erzeugung eines Bildes mittels einer Scaneinheit (3) über das Pixelarray (4) geführt wird, um eine Sichtbarkeit von Specklemustern im erzeugten Bild zu reduzieren.
2. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstrahlung (2) eine kohärente Strahlung ist und/oder die Lichtquelle (1 ) ein Laser ist.
3. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebereinheit zwei oder mehr Lichtquellen (1 ), vorzugweise zwei oder mehr monochromatische Laser umfasst.
4. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Scaneinheit (3) einen oder mehrere Scanspiegel (5), Linsen, Prismen, Wedges und/oder diffraktive optische Elemente (DOEs) umfasst.
5. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das lichtmodulierende Pixelarray (4) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend ein Flächenlichtmodulator (engl. Spatial Light Modulator (SLM)), ein Flüssigkeitskristalldisplay (LCD) und/oder ein Mikrospiegelarray.
6. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstrahlung (2) beim Auftreffen auf das Pixelarray (4) eine laterale Ausdehnung aufweist, welche um einen Faktoren 5, 10, 100 oder mehr kleiner ist als das Pixelarray (4) und/oder wobei die Beleuchtungsstrahlung (2) beim Auftreffen auf das Pixelarray (4) eine laterale Ausdehnung von weniger als 50, 30, 20, 10, 5, 4, 3, 2 oder weniger als einem Pixel aufweist. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Scanfrequenz der Scaneinheit (3) und/oder eine Arrayfrequenz des Pixelarrays (4) mindestens 20 Hz, vorzugweise mindestens 25 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz oder mehr beträgt. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung einer Variation einer Specklesignatur des Pixelarrays (4) und/oder der Scaneinheit (3) die Bildgebereinheit dafür eingerichtet durch das Pixelarray (4) und/oder durch die Scaneinheit (3) eine zusätzliche Phasenvariation der Beleuchtungsstrahlung (2) zu bewirken. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung einer Variation einer Specklesignatur des Pixelarrays (4) die Bildgebereinheit für eine zusätzliche Modulation des Pixelzustandes pro erzeugtem Bild eingerichtet ist, wobei bevorzugt eine Modulationsfrequenz des Pixelzustandes einen Faktor 2, 4, 6 oder mehr höher ist als eine Bildwiederholungsrate der Bildgebereinheit. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung einer Variation der Specklesignatur der Scaneinheit (3) die Bildgebereinheit für eine zusätzliche Modulation der Scaneinheit (3) zur Phasenvariation der Beleuchtungsstrahlung (2) eingerichtet ist, wobei eine Modulationsfrequenz der Scaneinheit (3) einen Faktor 2, 4, 6 oder mehr höher ist als eine Bildwiederholungsrate der Bildgebereinheit und/oder wobei bevorzugt eine oder mehrere Komponenten der Scaneinheit (3) durch einen Aktuator (7) zu Schwingungen angeregt werden. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebereinheit zusätzlich im Strahlengang zwischen Lichtquelle (1 ) und lichtmodulierendem Pixelarray (4), vorzugweise im Strahlengang zwischen Scaneinheit (3) und lichtmodulierendem Pixelarray (4), einen oder mehrere Diffusoren (8) aufweist. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebereinheit zwei oder mehr Diffusoren (8) umfasst, welche nacheinander mit einem räumlichen Abstand im Strahlengang angeordnet vorliegen. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebereinheit als ein Display ausgebildet ist, wobei das lichtmodulierende Pixelarray (4) einen Displayschirm (11 ) bildet und/oder wobei das von dem lichtmodulierenden Pixelarray (4) erzeugte Bild auf einen (semi-)transparenten Displayschirm (11 ) projiziert wird. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebereinheit als ein Projektor ausgebildet ist, wobei das lichtmodulierende Pixelarray (4) auf einen reflektierenden Projektionsschirm (11 ) projiziert wird. Bildgebereinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebereinheit einen für die Beleuchtungsstrahlung (2) transparenten Substratkörper (14) aufweist mit einer Einkoppelfläche (12) über welche die Beleuchtungsstrahlung (2) innerhalb des transparenten Substratkörpers (14) zu einer Rückfläche (15) gelenkt wird, an welcher ein Umlenkelement (13) positioniert vorliegt, wobei das Umlenkelement (13) derart ausgebildet ist, dass die auftreffende Beleuchtungsstrahlung (2) in Richtung einer Vorderfläche (16) des Substratkörpers (14) umgelenkt wird durch welche die Beleuchtungsstrahlung (2) auf das lichtmodulierende Pixelarray (4) austritt.
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