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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserprojektionsvorrichtung und ein Laserprojektionsverfahren zur Projektion von Laserstrahlen auf eine Projektionsebene.
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Stand der Technik
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Herkömmliche Beamer sind meist relativ groß, schwer und empfindlich, sodass sie sich für den mobilen Einsatz wenig eignen. Zudem haben solche Geräte einen vergleichsweise hohen Energieverbrauch und die erzeugten Farben wirken bisweilen blass, wenn z.B. Sonnenlicht auf die Projektionsfläche fällt.
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Zu den Technologien, welche in miniaturisierten Projektoren eingesetzt werden können, gehören Laserscanner. Bei Laserscannern werden von Laserdioden emittierte Laserstrahlen so bewegt, dass sie eine Projektionsfläche „abscannen“, das heißt abtasten. Dabei werden üblicherweise Laserstrahlen entlang horizontaler Abtastlinien bewegt. Wenn entlang einer Abtastlinie die gesamte horizontale Breite der gewünschten Projektionsfläche durchfahren ist, wird die Abtastlinie vertikal verschoben.
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Durch Überlagerung von Laserstrahlen unterschiedlicher Farben und durch gezieltes Projizieren und Nicht-Projizieren der Laserstrahlen, wird ein farbiges Bild erzeugt. Dies geschieht mit einer derart hohen Wiederholfrequenz, dass für das menschliche Auge ein Gesamtbild entsteht, ähnlich wie beim Scannen der Leuchtschicht eines Röhrenfernsehers mit einem Elektronenstrahl. Solche Laserscanner sind klein und erzeugen Bilder mit kräftigen Farben. Zudem arbeiten sie sehr energieeffizient, da ein Laserstrahl nur jeweils dann eingeschaltet wird, wenn er tatsächlich für die Projektion benötigt wird.
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Problematisch bei derartigen Laserscannern kann aber sein, dass das von Laserscannern auf eine Oberfläche projizierte Bild üblicherweise den so genannten Speckle-Effekt aufweist. Dieser auch als Lichtgranulationseffekt bezeichnete Speckle-Effekt entsteht durch Interferenz des kohärenten Laserlichts an Unebenheiten der Oberfläche und lässt das Bild körnig und zum Teil leicht bewegt erscheinen. Der Speckle-Effekt wird als unangenehm empfunden, was derzeit der Marktakzeptanz der Laserscanner abträglich ist.
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Um den Kontrast der Speckle-Interferenzmuster zu reduzieren, sind verschiedene Techniken bekannt. Eine dieser Techniken sieht das Erzeugen eines laufenden, örtlich modulierten Interferenzstreifensystems vor. In der
DE 197 10 660 A1 wird ein solches Interferenzstreifensystem unter Verwendung einer Ultraschallzelle erzeugt. Der scannende Laserstrahl wird dabei mittels der Ultraschallzelle in verschiedene Beugungsordnungen mit unterschiedlichen Frequenzen aufgeteilt, welche daraufhin wieder überlagert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Laserprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Laserprojektionsverfahren nach Anspruch 13.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist eine Laserprojektionsvorrichtung zur Projektion von Laserstrahlen auf eine Projektionsebene vorgesehen, mit einer steuerbaren Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung, mit einer steuerbaren optischen Ablenk-Einrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass von der Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung erzeugte Laserstrahlen mittels der Ablenk-Einrichtung abgelenkt werden und mit einer Steuereinrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass sie die Ablenk-Einrichtung steuert, von der Ablenk-Einrichtung abgelenkte Laserstrahlen auf einer Projektionsebene entlang einer Abtastlinie derart zu bewegen, dass unterschiedliche abgelenkte Laserstrahlen in der Projektionsebene auf derselben Abtastlinie verlaufen.
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Eine Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung kann jegliche Einrichtung sein, welche mehrere Laserstrahlen unter Verwendung von Halbleitertechnologien erzeugt oder emittiert. Die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung kann dabei eine so genannte „Dual Beam Diode“ sein, bei der zwei Laserdioden in einem Halbleiterkörper integriert sind. Es können auch „Quad Beam Dioden“ mit vier integrierten Laserdioden oder allgemein „Multi-Beam Dioden“ verwendet werden. Die Halbleiterschichten solcher Laserdioden sind üblicherweise hermetisch in einem so genannten „TO-CAN package“ verkapselt. Für einen miniaturisierten Laserscanner, einen „pico projector“, ist die Verwendung von 3.8mm TO-CAN-Laserdioden aufgrund ihrer geringen Größe besonders vorteilhaft. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise einen Mikroprozessor aufweisen. Die Ablenk-Einrichtung kann Spiegel und Aktoren, aber auch Blenden, Filter und andere optische Bauteile aufweisen. Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Laserprojektionsvorrichtung bereitzustellen, bei welcher sich mehrere Laserstrahlen gleicher Farbe aus unterschiedlichen Quellen für das Auge eines Betrachters derart überlagern, dass der Speckle-Effekt zumindest reduziert ist.
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Auch wenn vom Verlaufen von Laserstrahlen oder Projektionspunkten der Laserstrahlen auf Abtastlinien in einer Projektionsebene die Rede ist, heißt das nicht, dass entlang dieser Abtastlinie bei der Projektion von Laserstrahlen tatsächlich Laserstrahlen verlaufen müssen. Es kann auch gemeint sein, dass Laserstrahlen auf entsprechenden Abtastlinien verlaufen würden, falls Laserstrahlen konstant oder zeitweise emittiert würden. Auf diese Weise könnten Abtastpfade und/oder verschieden Ausführungsformen der Ablenk-Einrichtung beschrieben werden. Ein Projektionspunkt muss nicht zwangsläufig einen tatsächlichen Laserpunkt beschreiben, sondern kann einen Punkt bezeichnen, auf welchen ein Laserstrahl fallen würde, wenn er zu einem bestimmten Zeitpunkt emittiert würde.
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Die Projektionsebene kann eine speziell bereitgestellte und möglicherweise beschichtete Leinwand sein. Bei mobiler Verwendung der Laserprojektionsvorrichtung kann aber auch eine Wand, eine Raumdecke oder ein Objekt als Projektionsebene dienen. Die Projektionsebene muss nicht zwangsläufig eben sein, sondern kann auch eine Krümmung aufweisen. Das gewünschte Bild kann auf einem Teil der Projektionsebene, der Bildfläche, projiziert werden.
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Die Abtastlinien können über die Projektionsebene in verschiedenen Mustern gemäß verschiedenen Abtastpfaden verlaufen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Abtastlinien die Bildfläche so dicht durchsetzen, dass das entstehende Bild eine gewünschte Mindestauflösung aufweist und alle Teile des Bildes dargestellt werden können.
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Laserstrahlen aus verschiedenen Quellen weisen unterschiedliche Kohärenzeigenschaften auf, sodass sich die Interferenzmuster, welche durch dieselbe Stelle der Projektionsfläche hervorgerufen werden, voneinander unterscheiden. Dadurch mitteln sich die Maxima und Minima der jeweiligen Interferenzmuster annähernd heraus, und der subjektive Eindruck für den Betrachter ist angenehmer.
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Bild- oder Videodaten werden üblicherweise zeilenweise übertragen, also nicht als Gesamtpaket mit den Bilddaten für das Füllen der gesamten Projektionsfläche. Verlaufen die abgelenkten Laserstrahlen erfindungsgemäß auf derselben Abtastlinie, müssen der Steuervorrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur Daten entsprechend maximal einer Abtastlinie vorliegen. Es müssen also weniger Daten pro Zeiteinheit übertragen werden, was die Laserprojektionsvorrichtung anspruchsloser und damit zuverlässiger, vielseitiger und günstiger macht.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche sowie der Figuren der Zeichnung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Ablenk-Einrichtung mindestens zwei drehbare Spiegel auf, wobei jedem Spiegel ein über die Steuereinrichtung steuerbarer Aktor zugeordnet ist. Die Spiegel können als Mikrospiegel und/oder Mikrospiegelaktoren ausgebildet sein. Jedem Spiegel kann mindestens ein eigener Aktor zugeordnet sein. Es kann aber auch ein Aktor mehreren Spiegeln zugeordnet sein. Die Aktoren dienen dem Zweck, Spiegel um eine jeweilige Spiegeldrehachse zu drehen. Die Spiegeldrehachsen können im Inneren, aber auch außerhalb der jeweiligen Spiegel liegen. Es sind verschiedene Technologien bekannt, welche eingesetzt werden können, die Spiegel, insbesondere Mikrospiegel, zu drehen und/oder zu bewegen, darunter elektromagnetische Anordnungen. Die Aktoren können beispielsweise durch Elektromotoren realisiert sein. Alternativ können auch Anordnungen von Elektromagneten und Permanentmagneten eingesetzt werden. Die Spiegel können derart angeordnet und ausgebildet sein, dass durch Drehen mindestens eines ersten Spiegels um eine erste Spiegeldrehachse und durch Drehen mindestens eines zweiten Spiegels um eine zweite Spiegeldrehachse die emittierten Laserstrahlen entlang der Abtastlinien bewegbar sind. Die Spiegel können derart angeordnet und ausgebildet sein, dass die Abtastlinien auf der Projektionsfläche zickzackförmig eine Bildfläche auf der Projektionsfläche durchlaufen. Auf diese Weise kann das gesamte gewünschte Bild durch die über die Projektionsfläche geführten Abtastlinien in der Bildfläche dargestellt werden. Dabei sind verschiedene Abtastwege möglich, die flexibel auf z.B. die Methode einstellt werden können, mit welcher Bilddaten an die Laserprojektionsvorrichtung übertragen werden, sodass eine bessere Miniaturisierung realisierbar ist. Statt eines zickzackförmigen Durchlaufens kann auch eine andere Ausbildung der Abtastlinien verwendet werden. Beispielsweise können die Abtastlinien die Bildfläche jeweils von einer Seite zur anderen, z.B. von links nach rechts, durchlaufen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Ablenk-Einrichtung eine Kollimatoreinrichtung auf. Die Kollimatoreinrichtung und die Multistrahl-Diodeneinrichtung können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass vorzugsweise alle oder etwa auch nur einige der von der Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung erzeugten Laserstrahlen die Kollimatoreinheit durchqueren. Üblicherweise müssen aus verschiedenen Laserquellen erzeugte Laserstrahlen jeweils eigene Kollimatoreinrichtungen durchlaufen, da deren optische Eigenschaften auf ihre Eigenschaften hin zugeschnitten sein sollten. Wird vorteilhafterweise nur eine Kollimatoreinrichtung verwendet, verringern sich Kosten und Platzbedarf der Laserprojektionseinrichtung.
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Der erste Spiegel und der zweite Spiegel können gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Polygonspiegel ausgebildet sein. Polygonspiegel sind im beispielsweise so ausgebildet, dass ebene Spiegelflächen miteinander bündig auf dem Mantel eines Zylinders aufgebracht sind. Eine entsprechende Spiegeldrehachse kann dann entlang der Symmetrieachse des Zylinders verlaufen. Die Aktoren können damit über die Steuereinrichtung derart angesteuert werden, dass die Polygonspiegel stets in einem gleich bleibenden Drehsinn gedreht werden. Die Bewegungen verlaufen somit gleichmäßiger, was die Beanspruchung und damit Abnutzung der Aktoren verringert und die Laserprojektionseinrichtung robuster macht.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind der erste Spiegel und der zweite Spiegel als Flachspiegel ausgebildet. Die Aktoren können in diesem Ausführungsbeispiel über die Steuereinrichtung derart angesteuert werden, dass die Flachspiegel innerhalb eines jeweils entsprechend vorgegebenen Winkelbereichs stets hin- und hergedreht werden. Dabei kann ein Spiegel, welcher die Bewegung der Laserstrahlen entlang der Abtastlinien bewirkt, in einem ersten Drehsinn schneller um die entsprechende Spiegeldrehachse gedreht werden als in dem entgegengesetzten Drehsinn. Dadurch kann erreicht werden, dass zwischen dem Abtasten einer ersten Abtastlinie und dem Abtasten der darauf folgenden Abtastlinie weniger Zeit nötig ist als für das Abtasten einer gesamten Abtastlinie. Damit kann zum Beispiel die Projektionsrate pro Zeiteinheit erhöht werden. Flachspiegel sind zudem relativ einfach und kostengünstig herzustellen. Zudem können Flachspiegel, insbesondere Mikrospiegel und/oder Mikrospiegelaktoren so klein ausgebildet sein, dass sie zur Verwendung in miniaturisierten Laserscannern und/oder Pikoprojektoren geeignet sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Steuereinrichtung eine Transformationseinheit auf. Diese kann derart ausgebildet sein, dass sie aus vorgegebenen Bild- oder Videodaten Steueranweisungen für die Steuereinrichtung erzeugt. Diese Steueranweisungen können so beschaffen sein, dass die Laserstrahlen, welche von der über die Steuereinrichtung mit den Steueranweisungen gesteuerten Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung erzeugt werden, mittels der über die Steuereinrichtung mit den Steueranweisungen gesteuerten Ablenk-Einrichtung so abgelenkt werden, dass in der Projektionsebene ein Projektionsmuster gemäß den Bild- oder Videodaten von jedem Laserstrahl separat erzeugt wird. Sind beispielsweise die Laserstrahlen als rote Laserstrahlen ausgebildet, kann durch die Laserprojektionsvorrichtung z.B. als Projektionsmuster der Rotkanal eines Bildes auf eine Wand projiziert werden. Durch die Überlagerung der Projektionsmuster, welche von verschiedenen Laserstrahlen gezeichnet werden, verringert sich der Speckle-Effekt durch Herausmitteln der Interferenzerscheinungen, wie dies bereits oben beschrieben ist. Es kann auch vorteilhaft sein, Strahlen aus mehreren Laserquellen für die Darstellung des gleichen Projektionsmusters vorzusehen, wenn die Leistung der einzelnen Laseremissionsbereiche der Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung begrenzt ist, zum Beispiel aufgrund einer begrenzten Stromversorgung oder von Wärmeentwicklung. Je nach Ausführungsform können die Laseremissionsbereiche räumlich getrennte Laserdioden, aber auch zum Beispiel voneinander beabstandete Punkte auf zum Beispiel einer Dual Beam Laserdiode sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Steuereinrichtung eine Zwischenspeichereinrichtung auf. Diese Zwischenspeichereinrichtung kann beispielsweise durch jeden üblichen elektronischen Speicher realisiert sein. Durch die Zwischenspeichereinrichtung können von der Transformationseinheit erzeugte Steueranweisungen entsprechend mindestens einer Abtastlinie vorab abgespeichert werden. Damit werden Steueranweisungen berechnet und abgespeichert, ehe sie benötigt werden. So kann beispielsweise vermieden werden, dass Steueranweisungen ausbleiben oder verspätet vorliegen, weil eine bestimmte Berechnung besonders viel Zeit benötigt. Durch die Zwischenspeichereinrichtung können auch vorgegebene Bild- oder Videodaten, aus welchen von der Transformationseinheit Steueranweisungen entsprechend mindestens einer Abtastlinie erzeugbar sind, im Voraus abgespeichert werden. So kann zum Beispiel sichergestellt werden, dass bei einer kurzfristig geringen Übertragungsgeschwindigkeit von Bild- oder Videodaten an die Steuereinrichtung dieser genug Bild- oder Videodaten vorliegen, um die Steuerung der Laserprojektionsvorrichtung weiterführen zu können, bis die Übertragungsgeschwindigkeit wieder steigt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung der Laserprojektionsvorrichtung in einem einzigen Halbleiterkörper integriert sein. Dadurch kann die Laserprojektionsvorrichtung insgesamt kleiner und damit kostengünstiger ausgebildet werden. Der Halbleiterkörper weist hier mindestens zwei voneinander getrennte Laseremissionsbereiche auf, über welche mindestens zwei Laserstrahlen voneinander unabhängig emittierbar sind. Alternativ kann die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung aber auch zwei oder mehr Halbleiterkörper aufweisen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Steuereinrichtung der Laserprojektionsvorrichtung eine Modulationseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, mindestens einen Laser-Emissionsbereich der Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung mit einer Modulationsfrequenz zu modulieren. Durch Modulieren eines Laser-Emissionsbereichs werden die Interferenzmuster des daraus emittierten Laserstrahls zeitlich verändert. Für einen Betrachter überlagern sich diese zeitlichen Veränderungen. Dadurch verringert sich der Speckle-Effekt zusätzlich, was das Bild noch angenehmer für einen Betrachter macht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Steuereinrichtung der Laserprojektionsvorrichtung eine Multi-Mode-Einheit auf, welche ausgebildet ist, mindestens einen Laser-Emissionsbereich der Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung im Multi-Mode-Betrieb zu betreiben. Im Multi-Mode-Betrieb entsteht Laserlicht mehrerer verschiedener Schwingungsmoden gleichzeitig. Die Interferenzmuster, welche von den verschiedenen Schwingungsmoden erzeugt werden, unterscheiden sich voneinander und überlagern sich für einen Betrachter. Dadurch verringert sich der Speckle-Effekt weiter, was das Bild noch angenehmer für einen Betrachter macht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Laseremissionsbereiche derart ausgebildet, dass die emittierten Laserstrahlen Wellenlängen aufweisen, welche innerhalb eines engen Wellenlängenbereichs liegen. So können zum Beispiel mehrere Laserstrahlen Wellenlängen im roten Farbspektrum aufweisen. Es kann dann sehr genau berechnet werden, wie diese Laserstrahlen mit anderen Laserstrahlen, welche z.B. im grünen oder blauen Farbspektrum sind, kombiniert werden können, um jede beliebige Farbe eines für die Projektion benötigten Farbschemas durch Farbaddition zu erzeugen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer Laserprojektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer Laserprojektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt einen beispielhaften Verlauf von Abtastlinien auf einer Projektionsfläche durch eine Laserprojektionsvorrichtung, bei der unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen in der Projektionsebene nicht auf derselben Abtastlinie verlaufen.
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5 zeigt den Verlauf von Abtastlinien auf einer Projektionsfläche gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt den Verlauf von Abtastlinien auf einer Projektionsfläche gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Laserprojektionsvorrichtung zur Projektion von Laserstrahlen auf einer Projektionsebene gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 1 weist die Laserprojektionsvorrichtung 11 zur Projektion von Laserstrahlen auf eine Projektionsebene 80 eine steuerbare Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10 auf. Diese erzeugt oder emittiert Laserstrahlen 60, 61, welche in eine Ablenk-Einrichtung 12 eintreten. Die Laserstrahlen 60, 61 können durch die Ablenk-Einrichtung 12 abgelenkt, absorbiert, gefiltert, polarisiert oder auf sonstige Weise beeinflusst werden. Die die Ablenk-Einrichtung 12 verlassenden abgelenkten Laserstrahlen 60’, 61’ werden auf die Projektionsfläche 80 gelenkt oder abgelenkt. Bei dem abgelenkten Laserstrahl 60’ handelt es sich um einen durch die Ablenk-Einrichtung 12 abgelenkten und/oder auf sonstige Weise modifizierten Laserstrahl 60, welcher die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10 verlassen hat. Beim abgelenkten Laserstrahl 61’ handelt es sich um einen durch die Ablenk-Einrichtung 12 abgelenkten und/oder sonst wie modifizierten Laserstrahl 61, welcher die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10 verlassen hat.
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Eine Steuereinrichtung 40 ist mit der steuerbaren optischen Anlenk-Einrichtung 12 und der steuerbaren Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 40 ist dazu ausgebildet, von der Ablenk-Einrichtung 12 abgelenkte Laserstrahlen 60’, 61’ auf der Projektionsebene 80 entlang einer Abtastlinie 99 zu bewegen. Unterschiedliche abgelenkte Laserstrahlen 60’, 61’ verlaufen in der Projektionsebene 80 auf derselben Abtastlinie 99. Dies ist dadurch realisiert, dass die Steuereinrichtung 40 an die Ablenk-Einrichtung 12 und die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10 entsprechende Steueranweisungen sendet. Mit anderen Worten werden die Bestandteile der Ablenk-Einrichtung 12, zum Beispiel Spiegel, Blenden, Filter, Absorber oder Polarisierer, gemäß Steueranweisungen durch die Steuereinrichtung 40 so bewegt bzw. betätigt, dass unterschiedliche abgelenkte Laserstrahlen 60’, 61’ in der Projektionsebene 80 auf derselben Abtastlinie 99 verlaufen.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Laserprojektionsvorrichtung zur Projektion von Laserstrahlen auf eine Projektionsebene gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform weist die Laserprojektionsvorrichtung 11 zur Projektion von Laserstrahlen auf eine Projektionsebene 80 eine steuerbare Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10 auf, welche zwei voneinander getrennte Laseremissionsbereiche 13, 15 enthält. Der Laseremissionsbereich 13 erzeugt einen Laserstrahl 60, der Laseremissionsbereich 15 erzeugt einen Laserstrahl 61. Die erzeugten Laserstrahlen 60, 61 treten in eine Kollimatoreinrichtung 30 ein, welche Bestandteil der Ablenk-Einrichtung 12 ist. Im weiteren Verlauf treffen die Laserstrahlen 60, 61 auf einen ersten Spiegel 50 und einen zweiten Spiegel 54. Gemäß der zweiten Ausführungsform werden die Laserstrahlen 60, 61 dabei zuerst vom zweiten Spiegel 54 und dann vom ersten Spiegel 50 abgelenkt.
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Dem ersten Spiegel 50 ist ein über die Steuereinrichtung 40 steuerbarer Aktor 51 zugeordnet. Der erste Spiegel 50 ist um eine erste Spiegeldrehachse 52 drehbar, und der Aktor 51 ist so ausgebildet, dass er den ersten Spiegel 50 um die erste Spiegeldrehachse 52 drehen kann. Die erste Spiegeldrehachse 52 steht dabei senkrecht auf der Zeichnungsebene. Der erste Spiegel 50 ist als Flachspiegel ausgebildet, welcher vom Aktor 51 um Winkel innerhalb eines ersten Winkelbereichs hin- und herbewegt wird.
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Dem zweiten Spiegel 52 ist ein über die Steuereinrichtung 40 steuerbarer Aktor 55 zugeordnet. Der zweite Spiegel 54 ist um eine zweite Spiegeldrehachse 56 drehbar, und der Aktor 55 ist so ausgebildet, dass er den zweiten Spiegel 54 um die zweite Spiegeldrehachse 56 drehen kann. Die zweite Spiegeldrehachse 56 liegt in der Zeichnungsebene. Der zweite Spiegel 54 ist als Flachspiegel ausgebildet, welcher vom Aktor 55 um Winkel innerhalb eines zweiten Winkelbereichs hin- und herbewegt wird.
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Die erste Spiegeldrehachse 52 und die zweite Spiegeldrehachse 56 sind windschief. Die geometrischen Projektionen der ersten Spiegeldrehachse 52 und der zweiten Spiegeldrehachse 56 auf die Projektionsfläche 80 stehen senkrecht aufeinander. Die Spiegel 50, 54 und die Aktoren 51, 55 sind weitere Bestandteile der Ablenk-Einrichtung 12.
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Die vom ersten Spiegel 50 und vom zweiten Spiegel 54 abgelenkten Laserstrahlen 60, 61 durchlaufen eine Ausgangsoptik 32, welche ebenfalls Bestandteil der über die Steuereinrichtung 40 steuerbaren Ablenk-Einrichtung 12 ist. Die Ausgangsoptik 32 kann dabei Linsen, Filter, Blenden, Polarisationsfilter, Absorber und andere optische und mechanische Bauelemente enthalten, welche die Laserstrahlen 60, 61 auch unabhängig voneinander modifizieren können. Die Ausgangsoptik 32 kann auch ein für die Laserstrahlen 60, 61 durchsichtiges Fenster sein. Der abgelenkte Laserstrahl 60’ trifft die Projektionsfläche 80 innerhalb einer gewünschten Bildfläche 95 im Projektionspunkt 68. Der abgelenkte Laserstrahl 61’ trifft die Projektionsfläche 80 innerhalb der gewünschten Bildfläche 95 im Projektionspunkt 69. Erfindungsgemäß werden die Kollimatoreinrichtung 30, die Spiegel 50, 54, die Ausgangsoptik 32 und die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10 über die Steuereinrichtung 40 so gesteuert, dass sich die abgelenkten Laserstrahlen 60’, 61’ in der Projektionsebene 80 im Wesentlichen immer auf derselben Abtastlinie 99 bewegen. Anders gesagt liegen zu einem bestimmten Zeitpunkt alle Projektionspunkte 68, 69 auf der Abtastlinie 99, entlang der sie sich bewegen. Mögliche Ausbildungsformen der Abtastlinien werden im Folgenden in Bezug auf die Fig. und 6 beschrieben.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Laserprojektionsvorrichtung zur Projektion von Laserstrahlen auf eine Projektionsebene gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Gemäß 3 weist die Laserprojektionsvorrichtung 11‘ gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine steuerbare Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10‘ auf, welche zwei voneinander getrennte Laseremissionsbereiche 13, 15 aufweist. In 3 werden die Laserstrahlen 60, 61 von den Laseremissionsbereichen 13, 15 erzeugt bzw. emittiert. Bei den Laseremissionsbereichen 13, 15 kann es sich um voneinander getrennte, einzelne Halbleiterbauteile handeln, aber auch um jegliche andere Einrichtung, welche mehr als einen Laserstrahl mit Halbleitertechnologien erzeugt oder emittiert. Insbesondere kann die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10‘ eine sogenannte „Dual Beam-Diode“ sein, bei der zwei Laserdioden in einem Halbleiterkörper integriert sind. Es können auch „Quad Beam-Dioden“ verwendet werden, bei denen vier Laserdioden integriert sind. Bei Dual Beam-Dioden bzw. Quad Beam-Dioden entsprechen die Laseremissionsbereiche verschiedenen funktionalen Bereichen der integrierten Halbleiterkörper, welche jeweils Laserstrahlen 60, 61 erzeugen oder emittieren.
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Die von den Laseremissionsbereichen 13, 15 emittierten oder erzeugten Laserstrahlen 60, 61 können dann, wie oben in Bezug auf die 1 und 2 erläutert, von der Ablenk-Einrichtung 12 abgelenkt und/oder auf sonstige Weise modifiziert werden.
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Gemäß der dritten Ausführungsform ist eine Steuervorrichtung 40‘ sowohl mit der Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10‘ als auch mit der Ablenk-Einrichtung 12 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 40‘ kann dabei nicht nur steuern, wie und wohin die Laserstrahlen 60, 61 durch die Ablenk-Einrichtung 12 abgelenkt und ob bzw. wie sie darüber hinaus modifiziert werden. Die Steuereinrichtung 40‘ kann außerdem die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10‘ steuern. Damit kann über die Steuereinrichtung 40‘ beeinflusst werden, wie, wann und mit welchen Eigenschaften von den Laseremissionsbereichen 13, 15 Laserstrahlen 60, 61 emittiert oder erzeugt werden.
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Insbesondere weist gemäß der dritten Ausführungsform die Steuereinrichtung 40‘ eine Modulationseinrichtung 46 und eine Multi-Mode-Einrichtung 48 auf. Die Modulationseinrichtung 46 kann dabei mindestens einen Laseremissionsbereich 13, 15 mit einer Modulationsfrequenz modulieren. Die Modulationsfrequenz kann dabei von der Größenordnung von 100 MHz sein, kann aber ebenfalls von der Größenordnung von 1 GHz sein. Die mit der Modulationsfrequenz ausgeführte Modulation kann eine Amplitudenmodulation sein. Alternativ kann die Modulation eine Frequenzmodulation sein. Von einem modulierten Laseremissionsbereich kann ein modulierter Laserstrahl erzeugt oder emittiert werden. Modulierte Laserstrahlen erzeugen auf der Projektionsebene 80 zeitlich veränderliche Interferenzmuster, wobei die Modulationsfrequenz so gewählt werden kann, dass die zeitliche Veränderung vom menschlichen Auge nicht auflösbar ist. Für das menschliche Auge bzw. die menschliche Wahrnehmung können sich die Interferenzmuster zu verschiedenen Zeitpunkten überlagern, so dass sich der Speckle-Effekt verringert.
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Die Multi-Mode-Einrichtung 48 ist so ausgebildet, dass sie mindestens einen Laseremissionsbereich 13, 15 im Multi-Mode-Betrieb betreiben kann. Dies kann zusätzlich oder anstatt einer Modulation der Laseremissionsbereiche 13, 15 durch die Modulationseinrichtung 46 erfolgen. Obwohl die in 3 veranschaulichte dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorsieht, dass die Laserprojektionsvorrichtung 11 sowohl eine Multi-Mode-Einrichtung 48 als auch eine Modulationseinrichtung 46 aufweist, kann eine Laserprojektionsvorrichtung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung auch nur eine der Multi-Mode-Einrichtung 48 und der Modulationseinrichtung 46 aufweisen oder auch beide oder auch keine der beiden.
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Ein im Multi-Mode-Betrieb betriebener Laseremissionsbereich 13, 15 erzeugt oder emittiert Laserlicht mehrerer Schwingungsmoden gleichzeitig. Ein von einem solchen Laseremissionsbereich 13, 15 emittierter Laserstrahl 60, 61 weist also mehrere Schwingungsmoden auf, welche beim Auftreffen auf die Projektionsebene 80 jeweils unterschiedliche Interferenzmuster erzeugen können. Diese überlagern sich für das menschliche Auge bzw. die menschliche Wahrnehmung, was den Speckle-Effekt verringern kann.
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Die Laserprojektionsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist gemäß 3 weiterhin eine Transformationseinrichtung 42 auf. Die Transformationseinrichtung 42 kann aus vorgegebenen Bild- oder Videodaten Steueranweisungen erzeugen. Mittels der Steueranweisungen kann die Steuereinheit 40‘ die Multistrahl-Laserdiodeneinrichtung 10‘ und/oder die Ablenk-Einrichtung 12 steuern. Die Steueranweisungen können dabei so beschaffen sein, dass die entsprechend der Steueranweisungen emittierten oder erzeugten Laserstrahlen 60, 61 gemäß den Steueranweisungen von der Ablenk-Einrichtung 12 so abgelenkt und/oder modifiziert werden, dass in der Projektionsebene 80 ein Projektionsmuster gemäß den vorgegebenen Bild- oder Videodaten erzeugt wird. Dabei kann das Projektionsmuster von jedem abgelenkten Laserstrahl 60’, 61’ separat erzeugt werden.
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Das Projektionsmuster kann beispielsweise einem bestimmten Farbkanal eines zu projizierenden Bildes entsprechen, insbesondere dem Rot-Kanal. So können beispielsweise mehrere Laserstrahlen 60, 61 solche Wellenlängen aufweisen, dass die Überlagerung dieser Laserstrahlen in der menschlichen Wahrnehmung als im Wesentlichen Rot wahrgenommen wird. Insbesondere können die mehreren Laserstrahlen Wellenlängen im roten Farbspektrum aufweisen. Die mehreren Laserstrahlen können auch im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge aufweisen. Erzeugen mehrere Laserstrahlen, im in 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel zwei Laserstrahlen 60, 61, also beispielsweise das gleiche Projektionsmuster, welches dem Rot-Kanal eines zu projizierenden Bildes entspricht, überlagern sich in der menschlichen Wahrnehmung die beiden Projektionsmuster. Die unterschiedlichen abgelenkten Laserstrahlen 60’, 61’ erzeugen auf der Projektionsebene 80 jeweils unterschiedliche Interferenzmuster, welche sich in der menschlichen Wahrnehmung überlagern, was zu einer Reduzierung des Speckle-Effekts führen kann.
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4 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Verlauf von Abtastlinien von einer Projektionsfläche durch eine Laserprojektionsvorrichtung, welche nicht derart ausgebildet ist, dass unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen in der Projektionsebene auf derselben Abtastlinie verlaufen.
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4 zeigt schematisch eine Frontalansicht auf eine Projektionsebene 80. Die Abbildung ist nicht maßstabsgetreu. Auf der Projektionsebene 80 soll innerhalb der gewünschten Bildfläche 95 ein Bild entstehen. Die Projektionsebene 80 ist zur Vereinfachung der Beschreibung mit einem Koordinatensystem in Z- und X-Richtung versehen, welches einem Ursprung 82 entspringt. In der beispielhaften Laserprojektionsvorrichtung gemäß 4 verläuft der Projektionspunkt 168 eines ersten abgelenkten Laserstrahls zu einem ersten Zeitpunkt t1 entlang einer ersten Abtastlinie 197. Ein zweiter Laserprojektionspunkt 169 befindet sich zum selben Zeitpunkt t1 auf einer zweiten Abtastlinie 199. Die Steuervorrichtung der beispielhaften Laserprojektionsvorrichtung gemäß 4 muss also Steueranweisungen gemäß für die beiden Abtastlinien 197, 199 gleichzeitig bereitstellen.
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5 zeigt den Verlauf von Abtastlinien auf einer Projektionsfläche gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 5 verlaufen erste Abtastlinien 297 parallel zur X-Richtung, welche parallel zu längeren Seiten der Bildfläche 95 verläuft, welche horizontal ausgerichtet ist. Zweite Abtastlinien 299 verlaufen zwischen den ersten Abtastlinien 297 und verbinden jeweils einen End- und einen Anfangspunkt aufeinander folgender erster Abtastlinien 297. Erfindungsgemäß verlaufen Projektionspunkte 268, 269 mehrerer unterschiedlicher abgelenkter Laserstrahlen entlang derselben Abtastlinie, zum in 4 dargestellten Zeitpunkt t1 beispielsweise auf einer horizontalen Abtastlinie 297. Mit den Projektionspunkten 268, 269 ist hier gemeint, dass an diesen Punkten zu bestimmten Zeitpunkten sichtbare Laserpunkte entstehen würden, wenn entsprechende Laserstrahlen 60, 61 zeitnah emittiert würden. Die in 5 gezeigten Abtastlinien können beispielsweise von der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert werden. Beispielsweise kann die erste Spiegeldrehachse 52 in einer Ebene mit der Z-Achse angeordnet werden und die zweite Spiegeldrehachse 56 in einer Ebene mit der X-Achse angeordnet werden. Während einer Bewegung des ersten Spiegel 50 kann der zweite Spiegel 54 zunächst bewegungslos gehalten werden, so dass sich Projektionspunkt 68, 69, 268, 269 unterschiedlicher abgelenkter Laserstrahlen 60‘, 61‘ aufgrund der Drehung des ersten Spiegel 52 in einem ersten Drehsinn horizontal auf einer ersten Abtastlinien 297 bewegen. Bewegt sich dann der erste Spiegel 52 in einem zweiten, dem ersten Drehsinn entgegengesetzten Drehsinn, kann der zweite Spiegel 56 so bewegt werden, dass die Projektionspunkte 268, 269 sich auf einer schrägen, zweiten Abtastlinie 299 bewegen. Dabei kann vorhergesehen sein, dass nur, wenn Projektionspunkte entlang horizontaler Abtastlinien 297 verlaufen, tatsächlich Laserprojektionen auf die Bildfläche stattfinden, das heißt sichtbare Laserpunkte entstehen.
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Die Laserprojektionsvorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass in der Projektionsebene 80 von jedem abgelenkten Laserstrahl 60’, 61’, dasselbe Projektionsmuster separat erzeugt wird. Beispielsweise kann gemäß einem Projektionsmuster von einem ersten abgelenkten Laserstrahl 60‘ zum Zeitpunkt t1 ein sichtbarer Laserpunkt am Projektionspunkt 269 erzeugt werden. Zu einem späteren Zeitpunkt wird sich der zweite Projektionspunkt 268 eines zweiten abgelenkten Laserstrahls 61‘ an dem Ort befinden, an dem sich zum Zeitpunkt t1 der erste Projektionspunkt 269 des ersten abgelenkten Laserstrahls 60‘ befand. Dann kann zum zweiten Zeitpunkt t2 von dem zweiten abgelenkten Laserstrahl 61‘ ebenfalls ein sichtbarer Laserpunkt erzeugt werden. Für einen Beobachter können sich die zu den Zeitpunkten t1 und t2 jeweils am gleichen Ort erzeugten sichtbaren Laserpunkte überlagern und so den Speckle-Effekt reduzieren.
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6 zeigt den Verlauf von Abtastlinien auf einer Projektionsfläche gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 6 verlaufen dritte Abtastlinien 397 jeweils parallel zueinander, und vierte Abtastlinien 399 jeweils parallel zueinander. Die vierten Abtastlinien 399 verbinden jeweils einen End- und einen Anfangspunkt aufeinander folgender dritter Abtastlinien 397.
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Erfindungsgemäß verlaufen Projektionspunkte 368, 369 mehrerer unterschiedlicher abgelenkter Laserstrahlen entlang derselben Abtastlinie, zum in 4 dargestellten Zeitpunkt t3 auf einer vierten Abtastlinie 399. Die in 5 gezeigten Abtastlinien können beispielsweise von der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert werden. Die Spiegeldrehachsen 52, 56 können wie in Bezug auf 5 beschrieben angeordnet werden, wobei der zweite Spiegel 56 kontinuierlich gedreht wird. Die Drehung des zweiten Spiegels 56 erfolgt dabei beispielsweise langsamer als die Drehung des ersten Spiegels 52.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen können die erzeugten Laserstrahlen 60, 61 derart von der Kollimatoreinrichtung (30) kollimiert und von der Ablenk-Einrichtung (12, 30, 32, 50, 54) abgelenkt und/oder auf sonstige Weise modifiziert werden, dass auf der Projektionsfläche 80 die jeweiligen „fast axes“ der abgelenkten Laserstrahlen 60‘, 61‘ entlang der Abtastlinie 99 ausgerichtet sind, entlang der sich die abgelenkten Laserstrahlen 60‘, 61‘ auf der Projektionsfläche 80 bewegen. „Fast axes“ sind dabei Richtungen, in welchen sich Laserstrahlen, abhängig von der Erzeugung und insbesondere der Kollimation, schneller verbreitern als in andere Richtungen. In 4, 5 und 6 ist dies durch eine elliptische Form der stark vergrößert gezeichneten Projektionspunkte 168, 169, 268, 269, 368, 369 veranschaulicht, wobei die Hauptachse der Ellipse jeweils entlang der entsprechenden Abtastlinie 197, 199, 297, 299, 397, 399 ausgerichtet ist. Die Kollimatoreinrichtung (30) kann alternativ auch so ausgebildet sein, dass die Projektionspunkte im Wesentlichen kreisförmig sind, beispielsweise durch die Verwendung zweiter Zylinderlinsen in der Kollimatoreinrichtung (30).
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Obwohl die Erfindung vorliegend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf keineswegs beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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