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STAND DER TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum Erzeugen eines Rasterbildes.
Eine Abtastvorrichtung enthält
eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Abtaststrahls, zum Beispiel
eines Laserstrahls. Weiterhin enthält die Abtastvorrichtung eine
Zeilen-Ablenkeinheit, eine Spalten-Ablenkeinheit sowie eine Modulationseinheit.
Die Zeilen-Ablenkeinheit dient zum Führen des Abtaststrahls entlang
einer Zeilenrichtung, zum Beispiel entlang einer Horizontalen. Die
Spalten-Ablenkeinheit führt
den Abtaststrahl entlang einer quer zur Zeilenrichtung liegenden
Spaltenrichtung, zum Beispiel entlang einer Vertikalen. Mit Hilfe
der Modulationseinheit wird der Abtaststrahl gemäß einem Bildsignal moduliert.
Die Modulation erfolgt so, dass auf einer durch den Abtaststrahl
abgetasteten Fläche
ein Rasterbild mit matrixartig angeordneten Bildelementen verschiedener
Darstellungsart erzeugt wird.
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1 zeigt einen bekannten
Laserprojektor 10. Eine Lasereinheit 12 erzeugt
einen Laserstrahl 13, der auf die ebenen Flächen eines
sich drehenden Polygonspiegels 14 gerichtet ist, zum Beispiel
auf die Spiegelfläche 16.
Die La sereinheit 12 enthält außerdem eine Modulationseinheit
zum Modulieren des Laserstrahls 13, z. B. durch Vorgabe
des durch eine Laserdiode fließenden
Stromes. Der Polygonspiegel 14 rotiert um eine Drehachse 18 mit
konstanter Rotationsgeschwindigkeit, siehe Drehrichtungspfeil 20. Auf
Grund des sich durch die Drehung ändernden Einfallswinkels des
Laserstrahls 13 auf die Spiegelflächen wird der Laserstrahl 13 in
einer Zeilenrichtung, siehe Pfeil 22, zu einem Galvanometerspiegel 24 hin
abgelenkt. Durch die Bewegung einer Spiegelfläche, zum Beispiel 16, am Laserstrahl 13 vorbei wird
eine Abtastzeile erzeugt.
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Der
Galvanometerspiegel 24 ist eben und um eine Drehachse 26 drehbar
gelagert. Durch eine nicht dargestellte Antriebseinheit führt der
Galvanometerspiegel 24 eine Schwenkbewegung zwischen zwei
vorgegebenen Winkelstellungen aus, siehe Pfeil 28. Die
Stellung des Galvanometerspiegels 24 ändert sich beim Abtasten einer
Zeile nur unwesentlich. Durch die Schwenkbewegung des Galvanometerspiegels 24 wird
der vom Polygonspiegel 14 kommende Laserstrahl jedoch entlang
einer Spaltenrichtung abgelenkt, siehe Pfeil 30.
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Somit
arbeitet der Polygonspiegel 14 als Zeilen-Ablenkeinheit.
Der Galvanometerspiegel 24 arbeitet als Spalten-Ablenkeinheit.
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Der
vom Galvanometerspiegel 24 reflektierte Laserstrahl trifft
auf eine Streuscheibe 32 und erzeugt dort abhängig von
der Modulation des Laserstrahls 13 an Rasterbild 34,
das aus matrixförmig
angeordneten Bildelementen besteht.
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Nachteilig
an dem bekannten Laserprojektor 10 ist, dass aufgrund von
Interferenz-Erscheinungen bei der Darstellung des Rasterbildes 34 sogenannte Speckle-Muster
auftreten.
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Die
zum Entstehen des Speckle-Musters führenden physikalischen Zusammenhänge sind
beispielsweise in dem Buch „Optik,
Laser, Wellenleiter" von
Matt Young, Springer, 1997, Seiten 141–143 erläutert.
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Zur
Vermeidung des Speckle-Musters wurde beispielsweise in dem U.S.-Patent
Nr.
US 5 272 473 A vorgeschlagen,
den Laserstrahl zunächst
aufzuweiten. Anschließend
wird der Laserstrahl auf ein Mikrospiegelarray gelenkt, das aus
dem aufgeweiteten Laserstrahl mehrere Einzelstrahlen erzeugt, die
mit unterschiedlichen Laufzeiten und unter unterschiedli chen Winkeln
auf den Projektionsschirm auftreffen. Diese Maßnahmen sind sichtbar aufwendig.
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Aus
dem U.S.-Patent Nr
US
5 828 424 A ist ein Laserprojektor bekannt, bei dem das
Speckle-Muster auf Grund einer sehr kurzen Impulsansteuerung bei
der Modulation abgeschwächt
wird. Dieses Vorgehen erfordert jedoch eine Laserlichtquelle sehr hoher
Leistung.
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Aus
der
DE 197 268 60
C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Darstellung
eines Videobildes bekannt, bei der von verschiedenen Lichterzeugungseinheiten
zwei Lichtbündel
erzeugt werden, die durch eine geeignete Zeilen- und Spalten-Ablenkungseinheit auf verschiedene
Teilbilder eines Bildes abgebildet werden.
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Aus
der
DE 41 23 511 A1 ist
ein Verfahren und eine Anordnung zu rechnergesteuerten Belichtung
von photoempfindlichen Materialien bekannt. Mit Hilfe eines Modulators
wird über
eine schrittweise verstellbare Ablenkeinrichtung jeweils ein Teilbild
der Belichtungsvorlage auf die lichtempfindliche Oberfläche projiziert
und alle Lichtpunkte des Teilbildes gleichzeitig belichtet. Ein
Hinweis auf eine Vermeidung von Speckle-Mustern wird nicht gegeben.
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Die
Anzahl der mit bekannten Abtastvorrichtungen darstellbaren Bildpunkte
ist außerdem
eingeschränkt.
Dies führt
unter anderem dazu, dass die projizierte Bildgröße bei noch vertretbarer Auflösung beschränkt ist.
Die Auflösung
bezeichnet in diesem Zusammenhang die Anzahl der Bildelemente pro
Bezugsstrecke, zum Beispiel pro Inch (24,5 mm), in Zeilenrichtung
bzw. in Spaltenrichtung.
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Es
ist die der Erfindung zugrundeliegende Problematik, einfach aufgebaute
Abtastvorrichtungen anzugeben, die im Vergleich zu den bekannten Abtastvorrichtungen
verbesserte Leistungsmerkmale haben. Insbesondere soll in den mit
diesen Abtastvorrichtungen projizierbaren Rasterbildern kein Speckle-Muster
auftreten. Außerdem
soll eine Verwendung der Abtastvorrichtungen und ein zugehöriges Abtastverfahren
angegeben werden.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch eine Abtastvorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass beim Verwenden nur einer
Strahlungsquelle und einer Zeilen-Spalten-Abtasteinheit mit vertretbarem technischen
Aufwand nur eine beschränkte
Anzahl von Bildelementen pro Rasterbild dargestellt werden kann.
Derzeit sind beispielsweise 1000 mal 1000 Bildelemente mit einer
solchen Abtastvorrichtung darstellbar. Weiterhin geht die Erfindung
von der Erkenntnis aus, daß bei
Abtastvorrichtungen, bei der der Laserstrahl eine Oberfläche direkt
beschreibt und dort ein reelles Bild erzeugt, keine den Strahlungsgang
des Laserstrahls beeinflussende optische Elemente zusätzlich zur
Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit eingesetzt
werden müssen.
Damit gibt es aber auch keine störenden
Randverzerrungen bei der Darstellung eines Rasterbildes, wie sie
bei der Verwendung von Linsensystemen auftreten.
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Deshalb
wird bei der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung
das Gesamtbild in mehrere Teilbilder zerlegt, die ohne zusätzliche
Maßnahmen
verzerrungsfrei nebeneinander projiziert werden. Bei verschiedenen
Aspekten der Erfindung werden die Teilbilder durch den Einsatz unterschiedlicher
technischer Maßnahmen
erzeugt.
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Bei
einer Abtastvorrichtung gemäß einem ersten
Aspekt der Erfindung enthält
die Abtastvorrichtung zusätzlich
zu den eingangs genannten Einheiten mindestens eine weitere Strahlungsquelle zum
Erzeugen eines weiteren Abtaststrahls sowie eine weitere Modulationseinheit
zum Modulieren des weiteren Abtaststrahls. Der weitere Abtaststrahl
wird in einem anderen Winkel als der eingangs erwähnte Abtaststrahl
auf die Zeilen und/oder Spalten-Ablenkeinheit gerichtet. Die weitere
Modulationseinheit moduliert den weiteren Abtaststrahl gemäß dem Bildsignal
derart, dass auf der durch den weiteren Abtaststrahl abgetasteten
Fläche
ein weiteres Rasterbild erzeugt wird. Beide Rasterbilder bzw. alle
Rasterbilder sind Teilbilder eines zum Bildsignal gehörenden Gesamtbildes.
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Durch
diese Maßnahme
wird erreicht, dass zwar eine weitere Strahlungsquelle und eine
weitere Modulationseinheit verwendet werden müssen, dass andererseits jedoch
die Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit mehrfach
genutzt werden kann. Die Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit dient nämlich zum
Ablenken zweier Abtaststrahlen, die jeweils ein eigenes Teilbild
erzeugen. Die Teilbilder sind auf der abgetasteten Fläche beispielsweise
nebeneinander oder untereinander angeordnet. Beide Abtaststrahlen
werden gleichzeitig oder mit zeitlichem Versatz zueinander moduliert.
Bei einer Alternative wird nur eine Modulationseinheit zum Modulieren
beider Abtaststrahlen eingesetzt. Eine Umschalteinheit dient zum
Wechsel von der Modulation des einen Abtaststrahls zur Modulation
des anderen Abtaststrahls.
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Bei
einer Abtastvorrichtung gemäß einem zweiten
Aspekt enthält
die Abtastvorrichtung zusätzlich
zu den eingangs genannten Einheiten mindestens eine weitere Strahlungsquelle,
eine weitere Zeilen-Ablenkeinheit, eine weitere Spalten- Ablenkeinheit sowie
eine weitere Modulationseinheit. Die weitere Strahlungsquelle erzeugt
einen weiteren Abtaststrahl. Der weitere Abtaststrahl wird durch
die weitere Zeilen-Ablenkeinheit entlang einer weiteren Zeilenrichtung
geführt,
die beispielsweise parallel zur eingangs genannten Zeilenrichtung
liegt oder mit dieser Zeilenrichtung übereinstimmt. Die weitere Spalten-Ablenkeinheit
führt den
weiteren Abtaststrahl entlang einer quer zur weiteren Zeilenrichtung
liegenden weiteren Spaltenrichtung. Die weitere Spaltenrichtung
liegt beispielsweise parallel zur eingangs genannten Spaltenrichtung
oder stimmt mit dieser Spaltenrichtung überein. Die weitere Modulationseinheit moduliert
den weiteren Abtaststrahl gemäß dem Bildsignal
derart, dass auf der durch den weiteren Abtaststrahl abgetasteten
Fläche
ein weiteres Rasterbild erzeugt wird. Das Rasterbild ist ein Teilbild
eines zum Bildsignal gehörenden
Bildes. Bei der Abtastvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt arbeiten
demzufolge zwei herkömmliche
Abtastvorrichtungen zur Erzeugung von Teilbildern eines Gesamtbildes
zusammen. Das Bildsignal wird durch eine Ansteuervorrichtung so
aufbereitet, dass jede Modulationseinheit mit einem Bildsignal angesteuert
wird, das die Bildinformationen des durch diese Modulationseinheit
zu modulierenden Teilbildes enthält.
Es muss darauf geachtet werden, dass die Teilsysteme so zueinander ausgerichtet
sind, dass die Teilbilder im Gesamtbild „nahtlos" nebeneinander angeordnet werden. Eine Synchronisation
zwischen den Teilsystemen wird dann eingesetzt, wenn durch die Synchronisation sichtbare
Verbesserungen der Bildqualität
erzielbar sind.
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Die
Bildelemente beider Rasterbilder werden bei einer Weiterbildung
gleichzeitig abgetastet. Dies erfordert eine Zwischenspeicherung
eines Gesamtbildes, wie sie beispielsweise aus der digitalen Fernsehtechnik
bekannt ist. Alternativ können
die Teilbilder jedoch auch hintereinander erzeugt werden, wobei
zunächst
die Bildelemente des einen Bildes und dann die Bildelemente des
anderen Bildes dargestellt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, ohne Zwischenspeicherung
des Gesamtbildes das Teilbild aus untereinander liegenden Teilbildern
zusammenzufügen;
falls im Bildsignal zuerst die Bildinformation für Bildelemente in oberen Zeilen
und danach für
die Bildelemente in unteren Zeilen übertragen werden. Außerdem läßt sich
eine Modulationseinheit zum Modulieren beider Abtaststrahlen verwenden,
wenn die Teilbilder zeitlich nacheinander erzeugt werden.
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Eine
Abtastvorrichtung gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung enthält zusätzlich zu den eingangs genannten
Einheiten eine Teilbild-Ablenkeinheit zum Führen des eingangs erwähnten Abtaststrahls
entlang einer Aufreihrichtung. In der Aufreihrichtung sind mehrere
Teilbilder des zum Bildsignal gehörenden Bildes auf der abgetasteten
Fläche
aufgereiht.
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Bei
der Abtastvorrichtung gemäß dritten
Aspekt wird ein Abtaststrahl demzufolge dreimal abgelenkt – an der
Zeilen-Ablenkeinheit,
an der Spalten-Ablenkeinheit und an der Teilbild-Ablenkeinheit. Durch
diese Maßnahme
wird erreicht, dass im Vergleich zu bekannten Abtastvorrichtungen
trotz der Verwendung von Teilbildern nur eine zusätzliche
Einheit, nämlich
die Teilbild-Ablenkeinheit erforderlich ist. Die Teilbild-Ablenkeinheit
schaltet zwischen den verschiedenen Teilbildern beispielsweise nach
der Darstellung eines ganzen Teilbildes um.
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Bei
einer Weiterbildung der Abtastvorrichtung gemäß dritten Aspekt wird eine
weitere Teilbild-Ablenkeinheit eingesetzt, die den Abtaststrahl entlang
einer quer zur Aufreihrichtung liegenden weiteren Aufreihrichtung
führt,
in der ebenfalls mehrere Teilbilder des zum Bildsignal gehörenden Bildes
aufgereiht werden. Die Teilbilder lassen sich beim Einsatz zweier
Teilbild-Ablenkeinheiten gemäß einer zweidimensionalen
Matrix anordnen. Die Anzahl der Bildelemente in Zeilenrichtung und
die Anzahl der Bildelemente in Spaltenrichtung lässt sich so mit einem vertretbaren
technischen Aufwand wesentlich erhöhen. Ohne weiteres sind derzeit
vier Teilbilder mit jeweils 1000 mal 1000 Bildelementen erzeugbar.
Dies ermöglicht
die Darstellung eines Gesamtbildes mit 2000 mal 2000 Bildelementen
in Zeilenrichtung bzw. Spaltenrichtung.
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Bei
Weiterbildungen werden Abtastvorrichtungen gemäß verschiedener Aspekte der
Erfindung in einer Abtastvorrichtung kombiniert. Durch die Kombination
lassen sich Gesamtbilder mit noch mehr Bildelementen darstellen,
weil die Nachteile des einen Aspekts durch die Vorteile eines anderen
Aspekts ausgeglichen werden können.
Die bei der Anwendung eines Aspekts durch den vertretbaren technischen
Aufwand gesetzte Grenze lässt
sich durch die Kombination weiter zu mehr Bildelementen hin verschieben.
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Bei
einer nächsten
Weiterbildung gehört
das Bildsignal zu einem Bild, das durch eine einzige Aufnahmeeinheit
erzeugt worden ist. Alternativ ist das Format des Bildes standardisiert.
Bei einer nächsten Alternative
wird das Bildsignal zuvor gemäß einem standardisierten Übertragungsverfahren übertragen. Die
angegebenen Kriterien dienen zur Festlegung eines Gesamtbildes.
Ein Gesamtbild enthält
in der Regel mehrere Bereiche, die durch fließende Übergänge miteinander verbunden sind.
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Die
Erfindung betrifft Abtastvorrichtungen zur Vermeidung von Speckle-Mustern.
Die Erfindung geht von den in 3 dargestellten
Zusammenhängen
aus. Das Auflösungsvermögen des
Auges 60 eines Betrachters beträgt etwa 1 Winkelminute. Zwei Bildpunkte 62 und 64 werden
also noch getrennt voneinander wahrgenommen, wenn sie für das Auge 60 unter
einem Winkel 66 erscheinen, der etwa 1 Winkelminute beträgt. Mit
dem Laserprojektor könnte nun
eine so hohe Anzahl von Bildpunkten 62, 64 innerhalb
eines bestimmten Bildbereichs geschrieben werden, dass der Abstand
s der Bildpunkte deutlich unter der Auflösungsgrenze des Auges liegt.
In diesem Fall würden
keine Speckle-Muster durch das Auge 60 aufgelöst werden
können.
Die in 2 dargestellte Fläche des
Pfeils 50 würde
homogen ausgeleuchtet erscheinen.
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Für einen
Betrachtungsabstand d zwischen Auge 60 und Bildpunkten 62, 64 von
beispielsweise 4 m ergibt sich bei einer Winkelminute der Abstand
s von zwei noch auflösbaren
Bildpunkten zu 1,2 mm, weil gilt: s = d × 1' (1) 1' = 2, 909 × 10–4rad (2)wobei s und
d der in 3 dargestellte
Abstand s bzw. der Betrachtungsabstand d sind. 1' bezeichnet eine Winkelminute.
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Um
bei diesem Beispiel deutlich unter der Auflösungsgrenze des Auges zu liegen,
müsste
zum Beispiel ein Bildpunktabstand von 0,5 mm geschrieben werden.
Soll ein Bild mit einer Größe von 1
m mal 1 m erzeugt werden, das üblicherweise
aus einem Mindestabstand von 4 m betrachtet wird, so müssten 2000
Bildelemente je Zeile und 2000 Zeilen geschrieben werden, um keine
Speckle-Muster zu sehen. Eine so große Menge von Bildelementen
lässt sich mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtungen
und deren Weiterbildungen mit vertretbarem technischen Aufwand darstellen.
Deshalb sind die erfindungsgemäßen Abtastvorrichtungen
und ihre Weiterbildungen insbesondere zur Vermeidung von Speckle-Mustern geeignet.
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Durch
den Einsatz der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtungen
und ihrer Weiterbildungen müssen
auch bei sehr vielen Bildelementen pro Gesamtbild die Bauteile nur
mit technisch im Rahmen liegenden Frequenzen angesteuert werden.
Mechanische Bauteile lassen sich beispielsweise aufgrund ihrer Trägheit nur
mit relativ geringen Frequenzen hin und her bewegen, bzw. bei vorgegebenen
Frequenzen nicht beliebig groß gestalten.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand
der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Darin zeigen:
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1 einen bekannten Laserprojektor
in schematischer Darstellung, (2 gestrichen)
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3 Bildpunkte, mit deren
Hilfe die Beziehung für
das Auslösungsvermögen des
menschlichen Auges erläutert
wird,
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4 einen Laserprojektor mit
zwei Lasterstrahlquellen und zwei Zeilen-Spalten-Ablenkeinrichtungen,
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5 einen Laserprojektor mit
zwei Laserstrahlquellen und einer Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit, und
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6 einen Laserprojektor mit
einer Laserstrahlquelle und drei Ablenkeinheiten.
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4 zeigt einen Laserprojektor 100 mit zwei
Laserstrahlquellen 102 und 104 und zwei Zeilen-Spalten-Ablenkeinheiten 106 und 108.
Die Laserstrahlquelle 102 bzw. 104 entspricht
in ihrem Aufbau einer bekannten Laserstrahlquelle, zum Beispiel
der Lasereinheit 12, siehe 1.
Die Laserstrahlquelle 102 bzw. 104 enthält auch
eine Modulationseinheit zum Modulieren eines abgestrahlten Laserstrahls 110 bzw. 112,
der auf die Zeilen-Spalten-Ablenkheit 106 bzw. 108 gerichtet
ist.
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Die
Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 106 bzw. 108 hat
den Aufbau einer bekannten Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit, zum Beispiel
den Aufbau der in 1 dargestellten
Ablenkeinheit. So enthält
die Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 106 einen rotierenden
Polygonspiegel und einen schwenkbaren Galvanometerspiegel. Die Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 108 enthält ebenfalls
einen eigenen rotierenden Polygonspiegel und einen eigenen schwenkbaren
Galvanometerspiegel. Aus der Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 106 bzw. 108 tritt
ein abgelenkter Laserstrahl 114 bzw. 116 aus.
Der Laserstrahl 114 schreibt auf eine Projektionsfläche, zum
Beispiel auf eine tapezierte Wand 118, ein erstes Teilbild 120,
das matrixförmig angeordnete
Bildelemente enthält.
Im Teilbild 120 werden Bildinhalte der oberen Hälfte eines
Gesamtbildes dargestellt, das mit Hilfe eines Bildsignals 122 übertragen
wird.
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Der
abgelenkte Laserstrahl 116 schreibt unmittelbar unter das
erste Teilbild 120 auf der tapezierten Wand 118 ein
zweites Teilbild 124. Das Teilbild 124 gibt den
unteren Teil des Gesamtbildes wieder und enthält ebenfalls matrixförmig angeordnete
Bildelemente.
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Die
Zeilen-Spalten-Ablenkeinheiten 106 und 108 sind
so zueinander positioniert, dass die Grenze zwischen den Teilbildern 120 und 124 durch
einen Betrachter 126 nicht wahrgenommen werden können.
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Das
Bildsignal 122 wird mit Hilfe einer Steuerschaltung 128 bearbeitet.
Dabei wird für
das Teilbild 120 ein Modulationssignal 130 erzeugt,
das zum Ansteuern der Modulatoreinheit in der Laserstrahlquelle 102 genutzt
wird. Zur Erzeugung des Teilbildes 124 wird in der Steuerschaltung 128 ein
Modulationssignal 132 erzeugt, mit dessen Hilfe die Modulationseinheit
in der Laserstrahlquelle 104 angesteuert wird.
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Die
Steuerschaltung 128 erzeugt außerdem ein Synchronsignal 134 bzw.
ein Synchronisationssignal 136 zum Synchronisieren der
Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 106 bzw. 108. Die
Steuerschaltung 128 lässt
sich ohne Verwendung eines Mikroprozessors oder unter Verwendung
eines Mikroprozessors realisieren. Bei einer Gesamtbild-Wiederholfrequenz von
50 Hz beträgt
auch die Bildwiederholfrequenz des Teilbildes 120 bzw.
des Teilbildes 124 50 Hz. Die Steuerschaltung 128 steuert
den Laserprojektor 100 so, dass die Teilbilder 120 und 124 gleichzeitig
geschrieben werden. Beispielsweise werden die Laserstrahlen 114 und 116 synchron
zueinander geführt. Das
bedeutet, dass die Laserstrahlen 114 und 116 gleichzeitig
Matrixelemente mit der gleichen Matrixposition im Teilbild 120 bzw. 124 abtasten,
zum Beispiel beginnend mit dem Matrixelement 0,0 in der linken oberen
Ecke eines Teilbildes. Die Steuerschaltung 128 speichert
in einer nicht dargestellten Speichereinheit zunächst die Bildinformation des
Teilbildes 120. Mit dem Empfangen der ersten Bildinformation
für ein
Bildelement des Teilbildes 124 wird dann mit dem gleichzeitigen
Schreiben der beiden Teilbilder 120 und 124 begonnen.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung wird ein Gesamtbild in der Steuerschaltung 128 vor
dem Ansteuern der Laserstrahlquellen 102, 104 und
der Zeilen-Spalten-Ablenkeinheiten 106, 108 zum
Schreiben dieses Bildes gespeichert.
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Der
Laserprojektor 100 wird unter anderem eingesetzt, um beim
Betrachter 126 die Wahrnehmung von Speckle-Mustern zu verhindern.
Dies lässt sich
dann erreichen, wenn der Abstand A zwischen tapezierter Wand 118 und
Betrachter 126 den oben erläuterten Beziehungen genügt.
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Wird
der Laserprojektor 100 mit kleinerem Abstand zwischen tapezierter
Wand 118 und Betrachter eingesetzt, so ist für den Betrachter 126 zwar ein
Speckle-Muster wahrnehmbar, jedoch lassen sich auf der tapezierten
Wand 118 wesentlich mehr Bildelemente darstellen als mit
bisher eingesetzten Laserprojektoren, zum Beispiel als mit dem Laserprojektor 10,
siehe 1.
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5 zeigt einen Laserprojektor 150 mit zwei
Laserstrahlquellen 152 und 154 und mit einer Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 156.
Die Laserstrahlquelle 152 enthält beispielsweise einen Halbleiterlaser,
der rotes Laserlicht eines Laserstrahls 158 erzeugt. Die
Laserstrahlquelle 154 hat denselben Aufbau wie die Laserstrahlquelle 152 und
erzeugt ebenfalls rotes Licht, das in einem Laserstrahl 160 abgestrahlt
wird. Die Laserstrahlen 158 und 160 werden beide
auf die Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 156 gerichtet, deren
Aufbau dem Aufbau einer bekannten Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit bis auf die geeignet zu wählenden
Abmessungen entspricht, zum Beispiel dem Aufbau der in 1 gezeigten Ablenkeinheit.
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Somit
enthält
die Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 156 einen rotierenden
Polygonspiegel und einen schwenkbaren Galvanometerspiegel. Die Laserstrahlen 158 und 160 werden
unter verschiedenen Winkeln auf den Polygonspiegel gerichtet. Somit
liegen die Laserstrahlen 158 und 160 quer zueinander und
schliessen einen Winkel W1 zueinander ein. Aus der Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 156 treten
deshalb zwei abgelenkte Laserstrahlen 162 und 164 aus.
Der in 2 gestrichelt dargestellte
Laserstrahl 162 ist der durch die Ablenkung des ebenfalls
gestrichelt dargestellten Laserstrahls 158 der Laserstrahlquelle 152 entstehende
Laserstrahl. Der Laserstrahl 164 wird durch die Ablenkung
des Laserstrahls 160 erzeugt. Deshalb sind die Laserstrahlen 160 und 164 mit
durchgezogenen Linien dargestellt.
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Die
Laserstrahlen 162 und 164 liegen beim Austritt
aus der Ablenkeinheit 156 quer zueinander und schliessen
einen Winkel W2 ein. Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Winkel
W2 den gleichen Wert wie der Winkel W1. Die Winkel W1 und W2 werden
so gewählt,
dass auf einer Projektionswand 166 zwei Teilbilder 168 und 170 ohne
sichtbaren Übergang
dargestellt werden. Das Teilbild 168 enthält den oberen
Teil der Bildelemente eines Gesamtbildes, das mit Hilfe eines Bildsignals 172 übertragen
wird. Zur Darstellung des Teilbildes 168 wird das Bildsignal 172 durch
eine Steuerschaltung 174 bearbeitet. Die Steuerschaltung 174 erzeugt
aus dem Bildsignal 172 ein Teil-Bildsignal 176,
das zur Ansteuerung der Laserstrahlquelle 174 und damit
zur Erzeugung der Laserstrahlen 160 und 164 genutzt
wird. Außerdem
erzeugt die Steuerschaltung 174 ein Synchronsignal 178 zur
Ansteuerung der Zeilen-Ablenkeinheit 156. Das Teilbild 170 enthält die unteren
Bildelemente des im Bildsignal 172 enthaltenen Gesamtbildes.
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Die
Steuerschaltung 174 erzeugt aus dem Bildsignal 172 des
Gesamtbildes ein weiteres Teil-Bildsignal 180, das die
Bildinformation zur Darstellung der Bildelemente des unteren Teils
des Gesamtbildes enthält.
Das Teil-Bildsignal 180 dient zur Ansteuerung der Modulatoreinheit
in der Laser strahlquelle 152 und damit zur Erzeugung der
Laserstrahlen 158 und 162.
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Bei
einer Bildwiederholrate des Gesamtbildes von 50 Hz beträgt bei einem
Ausführungsbeispiel auch
die Bildwiederholrate der Teilbilder 168 und 170 50
Hz. Bei der Darstellung eines Gesamtbildes wird zunächst die
Bildinformation zu den Bildelementen für die Darstellung des Teilbildes 168 in
einer nicht dargestellten Speichereinheit gespeichert. Werden auch
die Bildsignale des unteren Teilbildes 170 empfangen, so
werden die Laserstrahlquellen 152 und 154 gleichzeitig
angesteuert. Beginnend mit dem oben links liegenden Bildelement
wird jedes Teilbild 168 und 170 zeilenweise von
oben nach unten geschrieben. Beispielsweise werden Bildpunkte an
gleichen Positionen im Teilbild 168 und 170 gleichzeitig beschrieben.
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Der
Laserprojektor 150 lässt
sich bei geeigneter Wahl des Abstandes A2 zwischen Projektionswand 166 und
einem Betrachter 182 dazu einsetzen, die Wahrnehmung von
Speckle-Mustern
durch den Betrachter 182 zu vermeiden. Die Wahl des Abstandes
A2 wurde oben anhand der 3 erläutert. Der Abstand
A2 muss so gewählt
werden, dass der Abstand zweier benachbarter Bildpunkte des Teilbildes 168 bzw.
des Teilbildes 170 unterhalb der Auflösungsgrenze des Auges des Betrachters 182 liegt.
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Andererseits
lässt sich
der Projektor 150 aber auch bei einem Abstand A2 zwischen
Projektionswand 166 und Betrachter 182 einsetzen,
der kleiner als der zur Vermeidung der Wahrnehmung von Speckle-Mustern
erforderliche Abstand ist. Jedoch lässt sich dann im Vergleich
zu bekannten Anordnungen eine viel größere Anzahl von Bildelementen
auf der Projektionswand 166 darstellen als bisher. Dies kann
für die
Ausleuchtung einer größeren Fläche oder
für eine
höhere
Auflösung
bei gleicher Bildgröße genutzt
werden. Die Speckle-Muster
lassen sich bei kleinem Abstand A2 durch andere Maßnahmen
vermeiden, die auch bisher eingesetzt worden sind, zum Beispiel
durch eine Teflon-beschichtete Projektionswand 166, durch
eine Impulsansteuerung der Laserstrahlquellen 152 oder
durch Verwenden einer Einheit zur Laserstrahlaufweitung und eines
Mikrospiegelarrays.
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6 zeigt einen Laserprojektor 200 mit
einer Laserstrahlquelle 202, einer Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 204 und
einer Spalten-Ablenkeinheit 206.
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Die
Laserstrahlquelle 202 enthält einen Laser mit einem bekannten
Aufbau, zum Beispiel einen Halbleiterlaser, der rotes Laserlicht
eines Laserstrahls 208 erzeugt. Die Laserstrahlquelle 202 enthält außerdem eine
nicht dargestellte Modulationseinheit, mit deren Hilfe die Intensität des Laserstrahls geändert werden
kann, beispielsweise in einem An/Aus-Modus oder mit einer mehrfachen
Abstufung, zum Beispiel von 256 Stufen.
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Die
Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 204 dient zum Ablenken des
Laserstrahls 208 entlang einer horizontalen Zeilenrichtung und
entlang einer vertikalen Spaltenrichtung. Die Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 204 hat
einen Aufbau, der auch bei bekannten Laserprojektoren verwendet
wird, siehe beispielsweise 1.
So enthält
die Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 204 einen sich drehenden
Polygonspiegel und einen Galvanometerspiegel. Aus der Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 204 tritt
ein abgelenkter Laserstrahl 210 aus, der auf die Spalten-Ablenkeinheit 206 trifft.
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Die
Spalten-Ablenkeinheit 206 enthält einen Galvanometerspiegel,
mit dessen Hilfe der Laserstrahl 210 in vertikaler Spaltenrichtung
abgelenkt wird, um als Laserstrahl 212 ein Teilbild 216 und
als Laserstrahl 214 ein Teilbild 218 abzutasten.
Die Teilbilder 216 und 218 werden auf einer Projektionswand 220 dargestellt.
Das Teilbild 216 ist über
dem Teilbild 218 angeordnet. Der Laserprojektor 200 stellt
die Teilbilder 216 und 218 so auf der Projektionswand 220 dar,
dass ein Betrachter 222 die Grenze zwischen den beiden
Teilbildern 216 und 218 nicht wahrnehmen kann.
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Die
Teilbilder 216 und 218 gehören zu einem Gesamtbild, das
mit Hilfe eines Bildsignals 224 übertragen wird. Das Bildsignal 224 ist
beispielsweise ein genormtes Fernsehsignal oder ein genormtes Videosignal.
In einer Steuerschaltung 226 wird das Bildsignal 224 bearbeitet.
Die Steuerschaltung 226 erzeugt zur Ansteuerung des Modulators
in der Laserstrahlquelle 202 ein Modulationssignal 228,
das im Wesentlichen dem Bildsignal 224 entspricht. Die
Bildwiederholrate des Gesamtbildes und die Bildwiederholrate jedes
Teilbildes ist gleich und beträgt
beispielsweise 50 Hz.
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Weiterhin
erzeugt die Steuerschaltung 226 ein Synchronisationssignal 230 zur
Ansteuerung der Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 204.
Das Synchronisationssignal 230 unterscheidet sich dadurch
vom Synchronisationssignal zur Ansteuerung einer bekannten Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit 204,
dass es bewirkt, dass der Galvanometerspiegel zur Ablenkung in Spaltenrichtung
mit doppelter Frequenz geschwenkt wird. Dadurch wird erreicht, dass
innerhalb der Bildwiederholrate von 50 Hz zwei Teilbilder 216, 218 nacheinander
abgetastet werden können.
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Ein
Synchronisationssignal 232 wird in der Steuerschaltung 226 zur
Synchronisation der Ablenkeinheit 206 erzeugt. Das Synchronisationssignal 232 bewirkt,
dass der Galvanometerspiegel in der Ablenkeinheit 206 unmittelbar
nach dem Darstellen des letzten Bildelementes des Teilbildes 216 und
vor dem Darstellen des ersten Bildelementes des Teilbildes 218 um
einen vorgegebenen Winkel geschwenkt wird. Dadurch wird das Teilbild 218 unterhalb
des Teilbildes 216 dargestellt. Nach der Darstellung des letzten
Bildelementes des Teilbildes 218 bewirkt das Synchronisationssignal 232 ein
Zurückschwenken des
Galvanometerspiegels in der Ablenkeinheit 206 in seine
Ausgangsposition, so dass das erste Bildelement des nächsten Teilbildes 216 abgetastet
werden kann. Der Galvanometerspiegel in der Ablenkeinheit 206 schwingt
demzufolge mit einer Frequenz von 100 Hz.
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Die
Teilbilder 216 und 218 sind wiederum aus matrixförmig angeordneten
Bildelementen dargestellt und werden durch den Projektor 200 nacheinander
abgetastet, wobei zunächst
die Bildelemente des Teilbildes 216 und dann die Bildelemente
des Teilbildes 218 abgetastet werden.
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Der
Laserprojektor 200 wird eingesetzt, um bei einem Abstand
A3 zwischen Betrachter 222 und Projektionswand 220 die
Wahrnehmung von Speckle-Mustern beim Betrachter 222 zu
vermeiden. Andererseits lässt
sich der Projektor 200 auch einsetzen, um wesentlich mehr
Bildelemente als mit herkömmlichen
Projektoren darzustellen. Wird dabei der zur Vermeidung der Wahrnehmung
von Speckle-Mustern erforderliche Abstand A3 unterschritten, so
lassen sich zur Vermeidung der Wahrnehmung von Speckle-Mustern die
aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen anwenden.
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Obwohl
die Laserprojektoren 100, 150 und 200 zur
Vereinfachung der Erläuterung
mit monochromen Laserstrahlquellen erläutert worden sind, werden bei
anderen Ausführungsbeispielen
an Stelle einer monochromen Laserstrahlquelle drei Laserstrahlquellen
zur Erzeugung von Laserstrahlen verschiedener Frequenz verwendet.
Durch additive Farbmischung wird eine Farbdarstellung auf der Projektionswand
oder auf einer Streuscheibe erreicht. Dafür benötigte Steuerschaltungen sind
bekannt und werden, wie anhand der 4, 5 und 6 erläutert,
abgewandelt.
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Zur
vereinfachten Darstellung und Erläuterung wurde auch nur auf
zwei Teilbilder 120, 124; 168, 170 bzw. 216, 218 Bezug
genommen, die untereinander angeordnet waren. Bei anderen Ausgestaltungen
der Laserprojektoren 100, 150 und 200 werden
jedoch zweidimensional angeordnete Teilbilder erzeugt. Der Laserprojektor 100 enthält dann
beispielsweise zur Erzeugung von vier Teilbildern vier Laserstrahlquellen
und vier Zeilen-Spalten-Ablenkeinheiten, die jedoch durch die Steuerschaltung
gemäß einem
Bildsignal für
das Gesamtbild angesteuert werden. Der Laserprojektor 150 würde dann
vier Laserstrahlquellen enthalten, die auf eine Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit
unter verschiedenen Winkeln gerichtet sind. Der Laserprojektor 200 würde eine
zusätzliche
Ablenkeinheit für
die Anordnung der Teilbilder in Zeilenrichtung enthalten.
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Bei
anderen Ausführungsbeispielen
werden Laserprojektoren eingesetzt, die Kombinationen der in den 4, 5 bzw. 6 dargestellten
Prinzipien enthalten. Beispielsweise werden bei vier Teilbildern
und einer Anwendung der Prinzipien aus 4 und 5 vier Laserstrahlquellen
eingesetzt, die auf zwei Zeilen-Spalten-Ablenkeinheiten strahlen.
Dabei sind zwei Laserstrahlquellen jeweils einer Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit zugeordnet.
Die Steuerschaltung steuert alle vier Laserstrahlquellen und die
beiden Zeilen-Spalten-Ablenkeinheiten
an.
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Bei
einer Kombination der in 4 und 6 gezeigten Prinzipien werden
bei vier Teilbildern zwei Laserstrahlquellen, zwei Zeilen-Spalten-Ablenkeinheiten
und zwei zusätzliche
Ablenkeinheiten verwendet. So können
zwei der in 6 gezeigten
Anordnungen horizontal nebeneinander in einem Laserprojektor angeordnet
werden. Die Steuerschaltung steuert dann beide Laserstrahlquellen,
beide Zeilen-Spalten-Ablenkeinheiten
und beide zusätzlichen
Ablenkeinheiten gemäß einem
Bildsignal für
ein Gesamtbild an.
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Bei
einer Kombination der in den 5 und 6 dargestellten Prinzipien
werden bei einer Unterteilung des Gesamtbildes in vier Teilbilder
zwei Laserstrahlquellen, eine Zeilen-Spalten-Ablenkeinheit und eine
zusätzliche
Ablenkeinheit eingesetzt. Die zusätzliche Ablenkeinheit ermöglicht bei
einer Ablenkung des einfallenden Laserstrahls in Spaltenrichtung
die Darstellung von vier untereinander angeordneten Teilbildern.
Bei einer Ablenkung des einfallenden Laserstrahls durch die zusätzliche
Ablenkeinheit in Zeilenrichtung wird ein Gesamtbild aus 2 mal 2 Teilbildern
in Zeilenrichtung bzw. Spaltenrichtung erzeugt.