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1. WO2009003510 - LENS FOR LASER PROJECTION

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Objektiv für Laserprojektion

Technisches Gebiet

Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Korrektur von Nichtlinearitäten, die durch Bewegungen von Lichtablenkeinrichtungen, entstehen, insbesondere der variablen Geschwindigkeit eines auf einen Schirm projizierten Spots, bei Laserprojektionssystemen, sowie ein Projektionssystem, insbesondere ein Laserprojektionssystem, mit einer solchen Vorrichtung.

Stand der Technik

Bei Projektionssystemen, die zur Bilderzeugung einen Laser und eine Ablenkeinrichtung verwenden, muss der vom Laser erzeugte Projektionsstrahl mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf der Projektionsebene bewegt werden, um das Bild zu erzeugen. Dazu wird beispielsweise ein sich sehr schnell drehender Polygonspiegel für die Zeilenablenkung und ein Schwenkspiegel für die horizontale Ablenkung verwendet. Es gibt jedoch auch in zwei Achsen schwingende (Mikro-) Spiegel, die den Einsatz zweier Spiegel unnötig machen. Um mittels eines solchen Spiegels ein Bild aufzubauen, wird dieser in eine harmonische Schwingung versetzt, die die entsprechende Ablenkung des Projektionsstrahls bewirkt.

Nachteilig daran ist jedoch, dass aufgrund der Schwingungsbewegung die Geschwindigkeit des Spots am Schirm ü-ber den Auslenkungsbereich nicht konstant ist. Dies führt dazu, dass im Randbereich des Bildes, d. h. an den Umkehrpunkten der Schwingungsbewegung, die Spotgeschwindig- keit langsamer ist, was dort bei konstanter Laserleistung in einer höheren Helligkeit resultieren würde.

Um ein gleichmäßig helles Bild zu erzeugen, wird nach dem Stand der Technik die Leistung der Laser an den Umkehr-punkten, d.h. zum Bildrand hin, gegenüber dem Wert in der Bildmitte verringert. Aufgrund dieses Dimmens an den Umkehrpunkten entsteht ein Lichtverlust von bis zu 60%.

Da die abgegebene Leistung von Lasern, insbesondere von Laserprojektoren, in der Regel aufgrund einer limitier-ten maximalen Leistung der zur Verfügung stehenden Laserquellen und auch der Anforderungen bezüglich der Augensicherheit begrenzt sein muss, ist es oft nicht möglich, einfach die Lichtintensität in der Bildmitte zu erhöhen, wodurch die mögliche Bildhelligkeit eines solchen Laser-projektionssystems limitiert ist.

Im Stand der Technik ist in der DE 10 2004 027 674Al vorgeschlagen, die Nichtlinearitäten der Spiegelschwingungen dadurch zu kompensieren, dass die Zeitspanne, während der die für die Darstellung eines Pixels verwendete Energie abgestrahlt wird, entsprechend angepasst wird. Dazu können beispielsweise bei der Verwendung eines gepulsten Laserstrahls die zeitlichen Abstände zwischen den Pulsen angepasst werden. Da ein Pixel aus einer Vielzahl von Pulsen erzeugt wird, kann über die Anzahl der den Pixel erzeugten Pulse dessen Helligkeit gesteuert werden.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass eine komplexe Ansteuerung für den Laser nötig ist. Dies bedeutet einen erheblich erhöhten elektronischen Aufwand, der wiederum das gesamte Laserprojektionssystem verteu- ert . Zudem ist auch hierbei die mögliche Bildhelligkeit reduziert .

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mittels derer durch Verringerung von Dimm-Verlusten die Effizienz eines Laserprojektionssystems erhöht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kompensieren mindestens einer Nichtlineari-tät, die durch eine Bewegung einer Lichtablenkeinrich-tung, insbesondere bei einer Schwingung von mindestens einem Ablenkspiegel, in einem Laserprojektionssystem, entsteht, - insbesondere von Variationen in einer Spotgeschwindigkeit an einer Projektionsfläche - wobei die Vorrichtung ein Linsensystem mit mindestens einer Linse auf-weist, die eine Verzeichnung bereitstellt, die die Nicht-linearität kompensiert, sowie ein Projektionssystem mit einer solchen Vorrichtung.

Durch das erfindungsgemäße Vorschalten eines Linsensystems - also eines Objektivs - zwischen Spiegel und Pro-jektionsebene kann erreicht werden, dass die Verzeichnung des Linsensystems die Geschwindigkeitsschwankungen eines Spots ganz oder teilweise eliminiert. Erfindungsgemäß bewirkt also die Verzeichnung, dass der Betrag der Geschwindigkeit des auf einem Schirm projizierten Spots konstant ist oder zumindest geringere Variationen aufweist als beim Stand der Technik. Dadurch werden zeitlich äquidistante Pixel erzeugt, so dass auch bei variabler Spiegelgeschwindigkeit und konstanter Laserleistung die von dem Laser erzeugten Pixel die gleiche Helligkeit aufweisen. Das Linsensystem kann aus einer einzigen Linse bestehen, ist jedoch vorteilhafterweise aus mehreren Linsen aufgebaut, Vorteilhafterweise können auch Zylinder-linsen zum Einsatz kommen.

Die Verwendung eines f-theta-Objektivs für ein Laserprojektionssystem ist in der DE 4 324 849 beschrieben, wobei jedoch dieses verzeichnungsfrei ausgelegt ist. Demgegenüber soll jedoch die hier vorgestellte Optik das Bild ge-zielt verzeichnen, um besagten Linearisierungseffekt bereitzustellen .

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Spiegelschwingung um eine erste und eine zweite Achse erfolgt, wobei die Winkelamplituden für die erste und zweite Achse unterschiedlich sein können, wird die Verzeichnung der Abbildung auf die größere der Winkelamplituden abgestimmt. Der Spiegel selbst ist vorzugsweise ein in zwei Achsen schwingender Mikrospiegel, der bevorzugt eine Größe von 0,5 mm bis 1,5 mm aufweisen kann.

In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Verzeichnung entlang einer Richtung der Spotbewegung mittels des Linsensystems bereitgestellt werden, während entlang der anderen Achse die variierende Pixelhelligkeit wie beim Stand der Technik elektronisch, d.h. durch Ver-ringern der Laserleistung am Bildrand kompensiert wird. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang der Achsen die schnelle Bewegungsrichtung mit dem Linsensystem korrigiert wird, während entlang der langsamen Bewegungsrichtung die Lichtintensität gedimmt wird. Dadurch kann die Effizienz der Lichtausbeute um mehr als 20% gesteigert werden. In diesem Fall kann vorteilhaft ein Zylinderlinsensystem verwendet werden.

Wird, wie ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt, ein ro-tationssymmetrisches Objektiv verwendet, muss berücksichtigt werden, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Verzeichnung zunächst ein kissenförmiger Bereich projiziert wird. Um ein rechteckiges Bild zu erhalten, müssen die Ecken dieses Bereiches elektronisch ausgeblendet werden. Dies bedingt einen gewissen Lichtverlust, der jedoch von dem insgesamt erzielten Lichtgewinn übertroffen wird, so dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel noch eine gegenüber dem Stand der Technik um mindestens 10% höhere Effizienz erreicht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Linsensystem eine positive oder negative Winkelvergrößerung bereitstellt. Dadurch kann im Hinblick auf die Anforderungen der Augensicherheit insgesamt ein höherer Lichtstrom zugelassen werden, weil diese sich letztendlich auf die maximale Leuchtdichte im Projektionssystem beziehen und ein gegenüber der ursprünglichen doppelten Winkelamplitude der Spiegelschwingung durch die Abbildung vergrößerter Projektionswinkel die Leuchtdichte bei gleichem Lichtstrom reduziert .

Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Laserprojektionssystem einzusetzen, das mehrere Laserquellen unterschiedlicher Wellenlänge aufweist. Solche Laserprojektionssysteme können als Einzelgerät ausgebildet oder in Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder, PDA oder Multimediawiedergabegeräte eingebettet sein.

Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeich-nungen definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei sind die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele rein exemplarischer Natur und sollen nicht dazu verwendet werden, den Rahmen der Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele einzuschränken. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines zeitlichen

Verlaufs einer Laserleistung für die Projektion eines Bildes konstanter Helligkeit bei einem in zwei Achsen schwingenden Spiegel gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der Lichtstromverluste durch das Dimmen am vertikalen und horizontalen Bildrand als Funktion des Ablenkwinkels ( = doppelter Kippwinkel) des Spiegels;

Fig. 3 Eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäß zur Kompensation der variablen Spotgeschwindigkeit führenden Verzeichnung für verschiedene Winkelampli- tuden der Spiegelschwingung;

Fig. 4 Eine schematische Darstellung des auf einen Schirm projizierten Bildes ohne Objektiv und mit einem die erfindungsgemäße Verzeichnung bereitstellenden Objektiv;

Fig. 5 Ein erstes, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Linsensystem für monochromatisches Laserlicht;

Fig. 6 Eine schematische Darstellung der durch das in Fig. 5 dargestellte Linsensystem bereitgestellten Verzeichnung;

Fig. 7 Ein zweites, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Linsensystems für ein Laserprojektionssystem mit drei Laserwellenlängen; und

Fig. 8 Eine schematische Darstellung der durch das in Fig. 7 dargestellte Linsensystem bereitgestellten Verzeichnung .

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In auf dem flying-spot-Prinzip basierenden Projektionssystemen, vorzugsweise bei Laserprojektionssystemen, wird das für die Erzeugung des Bildes verwendete Laserlichtbündel mittels sich bewegender Spiegel abgelenkt. Der Bildinhalt wird dabei auf dem Schirm dargestellt, indem die Laserleistung durch die der momentanen Spotposition entsprechende Bildinformation moduliert wird.

Für die vertikale und horizontale Ablenkung des Laserstrahls wird der Spiegel in üblicherweise harmonische Schwingungen versetzt. Die am Häufigsten verwendete Schwingung ist eine Sinusschwingung, die eine Bewegung des Spots am Schirm bewirkt, die folgendermaßen mathematisch ausgedrückt werden kann (solche Berechnungen sind für eine sinusähnliche Schwingung auf ähnliche Weise möglich) .

Die Schwingung eines Scannerspiegels in einer Ebene

θ = θmήnωt (1)

bedingt eine Winkelgeschwindigkeit des Spiegels von

θ = 6>mωcos ωt = ω-]θ2 - θ2 (2)
Bezeichnet man den Winkel des am Spiegel reflektierten Strahls zur Achse mit 3 = 2 θ, ist der Auftreffpunkt am Schirm durch die Gleichung

yo=z-tan3 (3)

gegeben. Dies führt zu einer Spotgeschwindigkeit von


und am Rand { θ → θm und y0 — > 0 ) wegen

yo+tyo j
Ky0) - f — (5)

zu größeren Helligkeiten an den Umkehrpunkten.

An diesen Umkehrpunkten wird deshalb nach dem Stand der Technik zur Erzeugung eines gleichmäßig hellen Bildes die Laserleistung reduziert, wodurch ein Lichtverlust von bis zu 60% auftritt.

Fig. 1 zeigt ein solches gedämpftes Laserleistungssignal für ein Bild konstanter Helligkeit, wobei der Ablenkspie-gel Schwingungen in zwei Richtungen mit jeweils unterschiedlicher Periode ausführt und bei dem die Abschwächungen des Laserleistungssignals entsprechend der Spiegelbewegung zu sehen ist.

Fig. 2 zeigt die sich daraus ergebenden Lichtverluste als Funktion der Winkelamplitude der Spiegelschwingung für herkömmliche gedimmte Laserprojektoren, wobei auf der x-Achse die Winkelamplitude in ° und auf der y-Achse der Verlust in % angeben sind. Da Spiegel mit Winkelamplituden von über 10° beim gegenwärtigen Stand der Technik nur sehr aufwendig realisiert werden können, ist das bei größeren Winkeln auftretende Minimum kaum zu erreichen; die Verluste durch das Dimmen werden daher eher in einer Größenordnung von 60% liegen.

Um diese Lichtverluste zu kompensieren, wird erfindungs-gemäß nach dem Scanspiegel eine Vorrichtung, insbesondere ein Linsensystem aus mindestens einer Linse eingebracht, das eine Verzeichnung bereitstellt, die die variable Spotgeschwindigkeit aufgrund der Spiegelschwingung kompensiert .

Ein Objektiv, welches in das projizierte Bild eine Verzeichnung

yW-f*nS (6)
/tanύ* einbringt, verändert den Ort des Laserspots am Projektionsschirm gemäß

y(S) = fton3(ß+ϊ) = yo(ß+ϊ) (7)

Erfindungsgemäß soll durch eine entsprechend gewählte Verzeichnung eine konstante Geschwindigkeit

y = f (1 + tan2 3)(ß(3) + l) + tan S^- 3 = const. (8)

des Spots am Schirm erreicht werden.

Die sich durch Lösung dieser Gleichung ergebende Verzeichnung

ß{3) = &m cot 3 aresin 1 (9)


bewirkt einen konstanten Betrag der Spotgeschwindigkeit am Schirm

y{ß) = f3m aresin — = ym arcsin(sin ωt) (10)

Im Ergebnis linearisiert ein Objektiv mit diesem Verlauf der Verzeichnung die Spotbewegung in einer Dimension, d.h. für eine Schwingungsachse des Spiegels. Für den Einsatz dieses Kompensationsverfahrens in zwei Dimensionen, d.h. für die Darstellung eines rechteckigen Bildes mit-tels eines in zwei zueinander orthogonalen Achsen schwingenden Spiegels sind analoge Überlegungen erforderlich.

Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf der Verzeichnung für verschiedene Winkelamplituden der Spiegelschwingung, wobei auf der x-Achse die Verzeichnung in % und auf der y- Achse der Winkel zur optischen Achse des Objektivs in ° aufgetragen ist.

Die Graphen 2, 4, 6 zeigen im Vergleich die Verzeichnungen für drei unterschiedliche Winkelamplituden; wobei der Graph 2 den Verlauf der Verzeichnung für einen Spiegel mit einer Winkelamplitude von 10°, Graph 4 für einen Spiegel mit einer Winkelamplitude von 15° und Graph 6 für einen Spiegel mit einer Winkelamplitude von 20° zeigt.

Da die Schwingungsamplitude den Verlauf der Verzeichnung vorgibt, kann bei Spiegelschwingung in zwei Achsen mit unterschiedlichen Amplituden die Linearisierung nur entlang einer Achse exakt sein. Bei den üblicherweise geringen Differenzen zwischen beiden Winkelamplituden wird bei Auslegung der Verzeichnung auf eine von diesen oder auf einen Zwischenwert ein Großteil der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorteile wirksam bleiben; die Variation der Spotgeschwindigkeit entlang der anderen Achse ist auch in diesem Fall noch deutlich geringer als ohne Kompensation. Verbleibende Abweichungen des Ortes und der Geschwindig-keit des Spots von Idealfall können elektronisch kompensiert werden.

Hierzu können in einer entsprechenden elektronischen Vorrichtung Informationen zu Soll- und Ist-Koordinate der projizierten Pixel in geeigneter Form gespeichert sein und die momentanen Auslenkungen des Spiegels in Echtzeit einfließen. Dieselbe elektronische Vorrichtung kann dann auch die Kompensation eines etwa beim Objektivdesign verbliebenen Farbquerfehlers übernehmen; üblicherweise in Projektoren implementierte Transformationen des Bildes wie Trapezkorrektur, Spiegelung und die Korrektur der bei flying-spot-Projektion typischen Verzerrung ("Bow") können ebenso hier angesiedelt sein.

Zudem kann die elektronische Vorrichtung dazu ausgelegt sein, einen Unterschied zwischen vorhandener und optima-ler Verzeichnung für Pixel außerhalb der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung korrigierten Schwingungsrichtung bereitzustellen.

Zudem kann die elektronische Vorrichtung vorab gespeicherte Informationen über die optischen Eigenschaften des Projektionssystems enthalten und vorteilhafterweise können zudem in Echtzeit Daten zur Elongation der Spiegelschwingungen enthalten sein.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die elektronische Vorrichtung die Kompensation der durch die Spiegelschwingung verursachte Variation der Spotbewegung mittels Dimmen und/oder Koordinatentransformation bereitstellt.

Beim Objektivdesign selbst wird man die aberrationsbe-grenzte Spotgröße, d.h. die Taille des oder der Laserbündel am Schirm so auslegen, dass sie geringfügig kleiner als die theoretische Pixelgröße bei der gewünschten Auflösung des Projektionssystems ist. Somit werden weder zu hohe Anforderungen an das Objektiv gestellt, noch wird die Auflösung durch Übersprechen der Pixelinformation beeinträchtigt. Im Verlauf der Untersuchungen hat es sich zudem herausgestellt, dass dann auch die Schärfentiefe der Projektion nicht wesentlich gegenüber dem Fall eines ohne Objektiv auf den Schirm gelenkten Laserbündels verringert ist .

Farbquerfehler können in gewissen Grenzen zugelassen und elektronisch kompensiert werden, indem die Information über die entsprechende Ortsabweichung am Schirm bei der Umwandlung der Bildinformation in den Laserstrom berück-sichtigt wird.

Fig. 4 zeigt schematisch die auf einer Projektionsfläche ausgeleuchteten Bildbereiche, für: ein erzeugtes Bild ohne erfindungsgemäße Vorrichtung 8, ein erzeugtes Bild mit erfindungsgemäßer Vorrichtung 10, wobei der Bereich 12 den dann nutzbaren rechteckigen Bereich angibt. Aufgrund der vom Abstand zur optischen Achse abhängigen kissenför-migen Verzeichnung entstehen nicht nutzbare Ecken 14, die elektronisch ausgeblendet werden müssen. Trotz dieser Ausblendung kann dennoch mit der erfindungsgemäßen Vor-richtung ein Lichtgewinn von ungefähr 10% gegenüber dem Stand der Technik erzielt werden.

Alternativ können auch Zylinderlinsensysteme zur Anwendung kommen; beispielsweise kann die Bewegung des Spots für die schnelle Achse, d. h. die horizontale Ablenkung, kompensiert werden und die Nichtlinearität entlang der anderen Achse wie beim Stand der Technik dadurch, dass der Laser am Bildrand gedimmt wird. In diesem Fall betragen die Lichtverluste die Hälfte dessen, was man ohne Objektiv in Kauf zu nehmen hätte.

In letzter Konsequenz kann das Objektiv aus zueinander orthogonal orientierten Zylinderlinsensystemen oder sogar Freiformflächen bestehen, um im zweidimensionalen Fall eine Abhängigkeit der Verzeichnung von beiden orthogonalen Winkelkoordinaten ohne Mischterm zu erzielen; somit würde man zu guter Letzt noch die oben beschriebenen her- vorstehenden Ecken und die damit verbundenen Lichtverluste vermeiden.

Fig. 5 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Linsensystems, das für monochromati-sches Licht, d.h. eine Laserwellenlänge ausgelegt ist. Mittels des in Fig. 5 schematisch dargestellten Linsensystems wird für monochrome Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 540 nm und einem maximalen Winkel des Scanspiegels von 10° und einem Projektionsabstand von 1 m die in Fig. 6 schematisch dargestellte Verzeichnung erzielt. Das Linsensystem ist so ausgelegt, dass die aberrationsbedingte Spotgröße kleiner als die nominelle Pixelgröße bei VGA-Auflösung ist, so dass in dem endgültig aufgebauten Bild keine Unscharfebeiträge aufgrund eines Übersprechens der Pixelinformation entstehen.

Fig. 7 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Linsensystems für ein Laserprojektionssystem mit drei Laserwellenlängen, die Licht im Bereich von 450 nm, 540 nm und 640 nm abgeben. Der an-genommene Kippwinkel des Scannerspiegels beträgt in diesem dargestellten Ausführungsbeispiel 5° und der Projektionsabstand ist wiederum 1 m. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel kann beispielsweise für Fernsehgeräte zum Einsatz kommen. Die von dem Linsensystem in Fig. 7 bereitgestellte Verzeichnung ist in Fig. 8 dargestellt.

Genauso ist, wie im Beispiel für den monochromen Laser auch hier aberrationsbedingte Spotgröße geringer als die Pixelgröße, damit keine zusätzlichen Unscharfen in das projizierte Bild eingeführt werden.

Offenbart wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kompensieren von mindestens einer Nichtlinearität , die durch eine Bewegung einer Lichtablenkeinrichtung, insbesondere durch eine Schwingung von mindestens einem Ab-lenkspiegel in einem Laserprojektionssystem, entsteht, wobei die Vorrichtung ein Linsensystem mit mindestens einer Linse aufweist, das eine Verzeichnung bereitstellt, die die Nichtlinearitäten kompensiert, sowie ein Projektionssystem, insbesondere ein Laserprojektionssystem, mit einer solchen Vorrichtung.