DE112006001277T5

DE112006001277T5 - Bildprojektion mit verringertem Speckle-Rauschen

Info

Publication number: DE112006001277T5
Application number: DE112006001277T
Authority: DE
Inventors: Dmitriy Yavid
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Microvision Inc
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2008-04-17
Also published as: JP4827202B2; JP2008546002A; US20060262409A1; CN100529839C; WO2006124359A2; WO2006124359A3; US7199933B2; CN101198893A

Abstract

Eine Anordnung zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, die Folgendes aufweist:
a) einen Anzeigebildschirm mit vorderen und hinteren Oberflächen und einem Array bzw. einer Anordnung von Lenslets;
b) eine Bildprojektionsanordnung zum Leiten eines Laserstrahls auf die Rückoberfläche des Bildschirms, und zum Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über die Rückoberfläche des Bildschirms hinweg, wobei sich jede Scanlinie entlang einer Scanrichtung erstreckt und eine Anzahl von Pixeln besitzt, und zum Bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild zu erzeugen, wobei der Laserstrahl eine Strahlabmessung entlang der Scanrichtung besitzt; und
c) Mittel zum Verringern des Speckle-Rauschens durch Konfigurieren jedes Lenslets, so dass es eine Lensletabmessung besitzt, und zwar entlang der Scanrichtung gemessen, die nicht geringer als die Strahlabmessung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Projizieren zweidimensionaler Bilder mit verringertem Speckle-Rauschen auf Anzeigebildschirmen, insbesondere einem Rückprojektionsbildschirm über den hinweg ein Laserstrahl gescannt wird.
Es ist im Allgemeinen bekannt, ein zweidimensionales Bild auf einen Anzeigebildschirm zu projizieren, und zwar basierend auf einem Paar von Scanspiegeln, die in zueinander rechtwinkligen Richtungen oszillieren, um einen Laserstrahl über ein Rastermuster hinweg zu scannen. Die bekannten Bildprojektionssysteme projizieren jedoch ein Bild einer begrenzten Auflösung, typischerweise ein Viertel eine Videographikanordnungs-(VGA = Video Graphics Array) Qualität von 640×480 Pixeln und mit Speckle-Rauschen. Als solche besitzen die bekannten Projektionssysteme und Anzeigebildschirme eine begrenzte Vielseitigkeit.
Speckle-Rauschen ist ein inhärentes Problem in laserbasierten Projektionssystemen und bewirkt eine beträchtliche Verschlechterung der Bildqualität. Ein monochromatischer (roter, blauer oder grüner) Laser emittiert einen Laserstrahl mit kohärenten Wellen der gleichen Frequenz und mit räumlicher Kohärenz, d.h. die Wellen besitzen eine feste Phasenbeziehung zueinander sowohl im Raum als auch in der Zeit. Wenn der Strahl auf einen diffusen Bildschirm trifft, werden die Wellen gestreut, indem sie von dem Bildschirm reflektiert und/oder durch den Schirm hindurch übertragen werden. Die gestreuten Wellen besitzen zufällige Phasenverzögerungen und bewegen sich entlang unterschiedlicher Richtungen fort, besitzen aber alle die gleiche Frequenz. Wenn sich derartige gestreute Wellen treffen, beispielsweise auf der Netzhaut des menschlichen Auges, erzeugen sie eine statische Verteilung konstruktiver und destruktiver Interferenz, d.h. ein Stör- bzw. Interferenzmuster, das als Speckle-Rauschen bekannt ist. Das menschliche Auge, dessen Integrationszeit in der Größenordnung von Zehnteln von Millisekunden liegt, sieht das Speckle-Rauschen als ein verschlechtertes Bild. Wenn der Laserstrahl keine vollständig kohärenten Wellen besitzt, können sich deren Phasenverzögerungen erheblich während der Zeit verändern, die die gestreuten Wellen brauchen, um den Bildschirm zu durchdringen und infolgedessen verändert sich das Speckle-Rauschen ebenfalls während der Integrationszeit des menschlichen Auges, wodurch der Speckle-Kontrast verringert wird.
Demgemäß ist es ein allgemeines Ziel dieser Erfindung, ein Bildprojektionssystem vorzusehen, das ein fleckenrausch- bzw. specklerauschreduziertes, scharfes und klares, zweidimensionales Bild auf einen Anzeigebildschirm, insbesondere einen Rückprojektionsschirm projiziert.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, das Speckle-Rauschen auf projizierten Bildern zu verringern.
Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen Anzeigebildschirm selbst zu modifizieren, um das Speckle-Rauschen von Bildern, die darauf projiziert werden, zu verringern.
In Übereinstimmung mit diesen Zielen und anderen, die im Folgenden offensichtlich werden, besteht ein Merkmal dieser Erfindung kurz gesagt in einer Anordnung für und einem Verfahren zum Projizieren eines zweidimensionalen Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, wobei die Anordnung einen Anzeigebildschirm mit vorderen und hinteren Oberflächen, und ein Array bzw. eine Anordnung von Linsenabschnitten bzw. Lenslets, einer Bildprojektionsanordnung oder einem -modul zum Leiten eines Laserstrahls auf die Rückoberfläche des Bildschirms und zum Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über die Rückoberfläche des Bildschirms hinweg, wobei sich jede Scanlinie entlang einer Scanrichtung erstreckt und eine Anzahl von Pixeln besitzt, und um zu Bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild zu erzeugen, wobei der Laserstrahl eine Strahlabmessung entlang der Scanrichtung besitzt; sowie Mittel zum Verringern des Speckle-Rauschens durch Konfigurieren jedes Lenslets, so dass es eine Lenslet-Abmessung besitzt, die, wenn sie entlang der Scanrichtung gemessen wird, zumindest der Strahlabmessung entspricht und vorzugsweise größer als diese ist.
Gemäß dieser Erfindung wird während des Hinwegstreichen des Laserstrahls über den Bildschirm hinweg die meiste Zeit nur ein einzelnes Lenslet durch den Laserstrahl zu jedem Zeitpunkt beleuchtet. Die Phasenkohärenz des einfallenden Strahls wird nach dem Hindurchgehen durch die Anordnung bewahrt. Am Obergang zwischen benachbarten Lenslets, beleuchtet der Laserstrahl simultan einen Teil dieser benachbarten Lenslets und zur Minimierung einer potentiellen Erzeugung von Speckle-Rauschen wird eine Polarisationsrotationsbeschichtung auf abwechselnde Lenslets aufgetragen. Dies erzeugt Licht unterschiedlicher Polarisationen, welche sich nicht gegenseitig beeinträchtigen. Die Verwendung der Polarisationsrotationsbeschichtung ermöglicht es, dass die Strahlabmessung die Lensletabmessung übersteigt.
Die neuartigen Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung betrachtet werden, sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst, sowohl hinsichtlich ihrer Konstruktion als auch ihres Betriebsverfahrens, wird jedoch gemeinsam mit zusätzlichen Zielen und Vorteilen von dieser am besten aus der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele beim Lesen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zum Projizieren eines Bilds auf einen Anzeigebildschirm;
2 ist eine perspektivische Ansicht der Anordnung der 1 zum Projizieren eines Bilds auf einem weiteren Anzeigebildschirm;
3 ist eine vergrößerte, perspektivische Überkopfansicht einer Bildprojektionsanordnung oder eines -moduls zur Installation in der Anordnung der 1;
4 ist eine Draufsicht des Moduls der 3;
5 ist eine Endseitenansicht des Moduls der 2;
6 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Laser-/Optikanordnung des Moduls, und zwar entlang der Linie 6-6 in 4 genommen;
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die entlang der Linie 7-7 in 1 genommen ist;
8 ist ein Elektroschemablockdiagramm, das den Betrieb des Moduls der 3 darstellt;
9 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Antriebs für das Modul der 2;
10 ist eine perspektivische Rückansicht des Antriebs der 9;
11 ist eine diagrammartige Ansicht eines Rückprojektionsanzeigebildschirms zur Verringerung von Speckle-Rauschen gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
12 ist eine vergrößerte Ansicht des Bildschirms der 11 während des Hinwegstreichens eines Laserstrahls;
13 ist eine diagrammartige Ansicht eines Bildschirms der 11, und der gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung modifiziert ist; und
14 ist eine Ansicht analog zu 11, und gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung modifiziert.
Das Bezugszeichen 10 in 1 bezeichnet im Allgemeinen ein Gehäuse, in dem ein leichtgewichtiges, kompaktes Bildprojektionsmodul 20, wie in 3 gezeigt, angebracht ist. Das Modul 20 ist betriebsbereit, um ein zweidimensionales Bild in einer Entfernung von dem Modul auf unterschiedlichen Anzeigebildschirmen zu projizieren. Wie unten beschrieben, weist das Bild beleuchtete und unbeleuchtete Pixel auf einem Rastermuster 30 von Scanlinien auf, über die durch einen Scanner in dem Modul 20 hinweggestrichen wird.
Die Parallelepiped-Form des Gehäuses 10 stellt nur einen Formfaktor dar, in dem das Modul 20 enthalten sein kann. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel misst das Modul 20 ungefähr 30 mm × 15 mm × 10 mm oder ungefähr 4,5 Kubikzentimeter. Diese kompakte Miniaturgröße ermöglicht es, dass das Modul 20 in Gehäusen vieler verschiedener Formen, große und kleine, tragbare und stationäre, angebracht wird, von denen einige unten beschrieben werden.
Bezug nehmend auf 3 umfasst das Modul 20 eine Tragevorrichtung 16, beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte und ein Laser-/Optikgehäuse 18, in dem ein Laser 25 (siehe 6) und eine Linsenanordnung, die eine oder mehrere Linsen und vorzugsweise ein Paar von Linsen 22, 24 umfasst, die betriebsbereit sind, um einen Laserstrahl, der von dem Laser 25 emittiert wird, optisch zu modifizieren, angebracht sind.
Wie am besten in 6 zu sehen ist, ist der Laser 25 ein Festkörperlaser, vorzugsweise ein Halbleiterlaser, der bei Erregung einen Laserstrahl mit einem ovalen Querschnitt emittiert. Die Linse 22 ist eine biasphärisch konvexe Linse mit einer positiven Brennweite von ungefähr 2 mm und ist betriebsbereit, um nahezu die gesamte Energie in dem Strahl aufzusammeln und um einen beugungsbegrenzten Strahl zu erzeugen. Die Linse 24 ist eine konkave Linse mit einer negativen Brennweite von ungefähr –20 mm. Die Linsen 22, 24 werden durch entsprechende Linsenhaltevorrichtungen 26, 28 ungefähr 4 mm entfernt voneinander innerhalb des Gehäuses 18 gehalten und sind in dem Gehäuse befestigt, indem zugelassen wird, dass ein Klebstoff (aus Klarheitsgründen nicht dargestellt), der während des Zusammenbaus in die Fülllöcher 29 eingeführt wird, aushärtet. Eine Spiral- bzw. Sprungfeder 27 unterstützt die Positionierung des Lasers. Die Linsen 22, 24 formen das Strahlenprofil.
Der Laserstrahl, der aus dem Gehäuse 18 austritt, wird zu einem optionalen, stationären Abprallspiegel 32 geleitet und von diesem reflektiert. Ein Scanner ist ebenfalls auf der Platte 16 angebracht und umfasst einen ersten Scanspiegel 34, der durch einen Trägheitsantrieb 36 mit einer ersten Scanrate oszillierbar ist, um den Laserstrahl, der von dem Abprallspiegel reflektiert wird, über den ersten horizontalen Scanwinkel A hinwegzustreichen (siehe 7) und ein zweiter Scanspiegel 38, der durch einen elektromagnetischen Antrieb 42 mit einer zweiten Scanrate oszillierbar ist, um den Laserstrahl, der von dem ersten Scanspiegel 34 reflektiert wird, über den zweiten, vertikalen Scanwinkel B hinwegzustreichen (siehe 7). In einer abweichenden Konstruktion können die Scanspiegel 34, 38 durch einen einzelnen Zweiachsenspiegel ersetzt werden.
Der Trägheitsantrieb 36 ist eine Hochgeschwindigkeitskomponente mit geringem elektrischen Leistungsverbrauch. Details des Trägheitsantriebs können in der U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/387,878, eingereicht am 13. März 2003, und der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zugewiesen und hierin durch Bezugnahme enthalten, gefunden werden. Die Verwendung des Trägheitsantriebs verringert den Leistungsverbrauch des Moduls auf weniger als ein Watt.
Der elektromagnetische Antrieb 42 umfasst einen Permanentmagneten 44, der gemeinsam auf und hinter dem zweiten Scanspiegel 38 angebracht ist, und eine elektromagnetische Spule 46, die betriebsbereit ist, um ein periodisches Magnetfeld ansprechend auf den Empfang eines periodischen Antriebssignals zu erzeugen. Die Spule 46 ist benachbart zu dem Magneten 44, so dass das periodische Feld magnetisch mit dem permanenten Feld des Magneten 44 interagiert und bewirkt, dass der Magnet und dieser seinerseits den zweite Scanspiegel 38 oszilliert. Die Spule 46 wird durch eine aufrechte Wand 48, die mit der Platte 16 verbunden ist, getragen.
Der Trägheitsantrieb 36 oszilliert den Scanspiegel 34 mit einer hohen Geschwindigkeit mit einer Scanrate die vorzugsweise größer als 5 kHz ist und insbesondere in der Größenordnung von 18 kHz oder mehr liegt. Diese hohe Scanrate liegt bei einer unhörbaren Frequenz, wodurch Geräusche und Vibration minimiert werden. Der elektromagnetische Antrieb 42 oszilliert den Scanspiegel 38 mit einer langsameren Scanrate in der Größenordnung von 40 Hz, was ausreichend schnell ist, um es zu ermöglichen, dass das Bild auf einer menschlichen Augennetzhaut ohne übermäßiges Flimmern besteht.
Der schnellere Spiegel 34 streicht über eine horizontale Scanlinie hinweg, und der langsamere Spiegel 38 streicht über die horizontale Scanlinie vertikal hinweg, wodurch ein Rastermuster erzeugt wird, welches ein Netz oder eine Sequenz annähernd paralleler Scanlinien ist, aus denen das Bild konstruiert wird. Jede Scanlinie besitzt eine Anzahl von Pixeln. Die Bildauflösung besitzt vorzugsweise die VGA-Qualität von 640×480 Pixeln. In einigen Anwendungen ist eine einhalbfache VGA-Qualität von 320×480 Pixeln oder eine einviertelfache VGA-Qualität von 320×240 Pixeln ausreichend. Minimal ist eine Auflösung von 160×160 Pixeln erwünscht.
Die Rollen der Spiegel 34, 38 könnten umgekehrt werden, so dass der Spiegel 38 der schnellere und der Spiegel 34 der langsamere ist. Der Spiegel 34 kann ebenfalls ausgelegt sein, um über die vertikale Scanlinie hinwegzustreichen, in welchem Fall der Spiegel 38 über die horizontale Scanlinie hinwegstreichen würde. Der Trägheitsantrieb kann ebenfalls verwendet werden, um den Spiegel 38 anzutreiben. In der Tat könnte jeder der beiden Spiegel durch einen elektromechanischen, elektrischen, mechanischen, elektrostatischen, magnetischen oder elektromagnetischen Antrieb angetrieben werden.
Das Bild wird durch selektive Beleuchtung von Pixeln in einer oder mehreren der Scanlinien konstruiert. Wie unten im größeren Detail mit Bezugnahme auf 8 beschrieben, bewirkt eine Steuervorrichtung, dass ausgewählte Pixel in dem Rastermuster 30 durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden. Beispielsweise leitet eine Stromsteuervorrichtung 50 einen elektrischen Strom zu dem Laser 25, um letzteren zu erregen, um Licht bei jedem ausgewählten Pixel zu emittieren, und leitet keinen elektrischen Strom zu dem Laser 25, um letzteren zu enterregen, um die anderen nicht ausgewählten Pixel nicht zu beleuchten. Das entstehende Muster von beleuchteten und nicht beleuchteten Pixeln weist das Bild auf, welches jegliche Anzeige einer menschen- oder maschinenlesbaren Information oder Graphik sein kann. Anstelle einer Stromsteuervorrichtung, könnte ein akusto-optischer Modulator verwendet werden, um den Laserstrahl weg von jeglichem erwünschten Pixel abzulenken, um das Pixel nicht zu beleuchten, indem nicht zugelassen wird, dass der Laserstrahl den ersten Scanspiegel erreicht.
Bezug nehmend auf 7 ist das Rastermuster 30 in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. Beginnend bei Punkt 54 wird der Laserstrahl durch den Trägheitsantrieb entlang der horizontalen Richtung mit der horizontalen Scanrate zu einem Punkt 56 hinweggestrichen, um eine Scanlinie zu bilden. Daraufhin wird der Laserstrahl durch den elektromagnetischen Antrieb entlang der vertikalen Richtung mit der vertikalen Scanrate zu dem Punkt 58 hinweggestrichen, um eine zweite Scanlinie zu bilden. Die Bildung aufeinander folgender Scanlinien schreitet in der gleichen Art und Weise voran.
Das Bild wird in dem Rastermuster 30 durch Erregen oder An- und Aus-Pulsieren des Lasers zu ausgewählten Zeiten unter Steuerung eines Mikroprozessors oder der Steuerschaltung durch Betrieb der Leistungssteuervorrichtung 50, oder durch Halten des Lasers auf und Ablenken des Laserstrahls zu ausgewählten Zeiten durch Betrieb eines akusto-optischen Modulators, erzeugt. Der Laser erzeugt sichtbares Licht und wird angeschaltet, oder sein Strahl wird in geeigneter Weise abgelenkt, nur wenn ein Pixel in dem erwünschten Bild gesehen werden soll. Das Rastermuster ist ein Netz, das aus mehreren Pixeln auf einer Linie und mehreren Linien besteht. Das Bild ist eine Bitmap ausgewählter Pixel. Jeder Buchstabe oder jede Zahl, jegliche graphische Darstellung oder Logo, und sogar maschinenlesbare Strichcodesymbole können als ein Bitmap-Bild ausgebildet werden.
7 zeigt ebenfalls einen lichtdurchlässigen Anschluss oder Fenster 60 auf dem Gehäuse 10 und durch welches das Bild projiziert wird, und zwar in eine Richtung im Allgemeinen senkrecht zu der gedruckten Leiterplatte 16. Wieder mit Bezugnahme auf 4 besitzt der optische Pfad des Laserstrahls einen vertikalen Schenkel 62 zwischen dem Laser-/Optikgehäuse 18 und dem Abprallspiegel 32, einen geneigten Schenkel 64 nach links zu dem Scanspiegel 34 hin, einen horizontalen Schenkel 66 nach rechts zu dem Scanspiegel 38 hin, und einen nach vorne verlaufenden Schenkel 68 (siehe 7) in einer Richtung zu dem Fenster 60 und senkrecht zu der Platte 16 hin. Das Bild kann auf jegliche lichtdurchlässige bzw. durchscheinende oder reflektierende Oberfläche, wie beispielsweise den Bildschirm 12, der wie unten erklärt, gemäß dieser Erfindung angepasst ist.
Wie in 8 gezeigt, sendet ein Host 80 die Bitmap-Bilddaten 82 zu einem Speicherpuffer 70, der durch eine Speichersteuervorrichtung 72 gesteuert wird. Die Speicherung eines vollständigen VGA-Rahmens würde ungefähr 300 Kilobytes erfordern, und es wäre wünschenswert, ausreichend Speicher in dem Puffer 70 für zwei vollständige Rahmen (600 Kilobytes) zu haben, um zu ermöglichen, dass ein Rahmen durch den Host beschrieben wird, während ein weiterer Rahmen gelesen und projiziert wird. Andererseits, wenn die Größe des Puffers kleiner als ein vollständiger Rahmen ist, dann kann die Steuervorrichtung 72 beginnen, Linien darzustellen, nachdem der Speicher seine maximale Speicherkapazität mit von dem Host gesendeten Daten erreicht hat, oder es kann simultanes Lesen aus und Schreiben in den Puffer stattfinden. Ein Rahmensynchronisationssignal 86 wird durch den Host an die Steuervorrichtung 72 gesendet.
Der erste Scanspiegel 34, der ebenfalls als der Hochgeschwindigkeits- oder X-Achsenspiegel bekannt ist, wird durch einen Trägheitsantrieb 36 angetrieben und durch die Speichersteuervorrichtung 72 gesteuert. In ähnlicher Weise wird der zweite Scanspiegel 38, der ebenfalls als der Niedriggeschwindigkeits- oder Y-Achsenspiegel bekannt ist, durch den elektromagnetischen Antrieb 42 angetrieben und wird durch die Speichersteuervorrichtung 72 gesteuert. Da das Bild während sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsscans des X-Achsenspiegels projiziert wird, wird jede zweite Linie von Bilddaten in umgekehrter Reihenfolge angezeigt. Folglich muss der Host entweder die Bilddaten in den Puffer in umgekehrter Reihenfolge schreiben, oder die Speichersteuervorrichtung muss die Bilddaten in umgekehrter Reihenfolge lesen.
Der X-Achsenspiegel besitzt ein sinusförmiges Geschwindigkeitsprofil. In einem gegebenen Zeitintervall streicht der Laserstrahl über mehr Pixel in der Mitte jeder Scanlinie hinweg als an den Enden jeder Scanlinie. Um eine Bildverzerrung zu vermeiden, sollte entweder die Speichersteuervorrichtung 72 die Pixel mit einer variablen Taktungsrate takten, oder der Host sollte den Puffer 70 mit Daten füllen, in denen die Größe der Pixel variiert wird. Eine variable Taktungsrate ist die bevorzugte Technik, da sie ermöglicht, dass Pixel einer festen Größe mit anderen Anzeigen geteilt werden.
Die Ausgabe des Puffers ist ein digitales Signal 84, welches rahmensynchronisiert mit dem Host ist, und takt- und liniensynchronisiert mit dem X-Achsenspiegel 34. Dieses digitale Signal wird an einen Modulator 88 gesendet, der seinerseits den Laser 25 steuert.
9–10 stellen isoliert den Trägheitsantrieb 36 dar. Wie in der zuvor erwähnten U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/387,878, eingereicht am 13. Mai 2003, erwähnt, kontaktiert ein oberes Paar von piezoelektrischen Wandfern 110, 112 be abstandete Teile eines Rahmens 114 über dem Scanspiegel 34 und ist elektrisch durch die Drähte 116, 118 mit einer periodisch alternierenden Spannungsquelle verbunden. Im Gebrauch bewirkt die periodische Quelle, dass sich die Wandler 110, 112 alternierend in der Länge ausdehnen und zusammenziehen, wodurch bewirkt wird, dass sich der Rahmen 114 um eine Anlenkungsachse 120 verdreht. Der Scanspiegel 34 ist mit dem Rahmen an gegenüberliegenden Enden der Anlenkungsachse verbunden und oszilliert um die Anlenkungsachse mit einer Resonanzfrequenz.
Ein unteres Paar von piezoelektrischen Wandlern 122, 124 kontaktiert voneinander beabstandete Stellen des Rahmens 114 unterhalb des Scanspiegels 34. Die Wandler 122, 124 dienen als Rückkopplungs- oder Aufnehmmechanismen, um die Oszillationsbewegung des Rahmens zu überwachen und um elektrische Rückkopplungssignale zu erzeugen und entlang der Drähte 126, 128 zu einer Rückkopplungssteuerschaltung zu leiten.
Die durch die Wandler 110, 112 induzierten Vibrationen werden jedoch durch die Wandler 122, 124 detektiert und neigen dazu, die Rückkopplungssignale zu korrumpieren, wodurch das projizierte Bild negativ beeinflusst wird. Folglich werden die Antriebs- und Aufnehmmechanismen vorzugsweise unterschiedlich gemacht, beispielsweise indem nicht beide Mechanismen auf dem piezoelektrischen Effekt basieren. Einer der Mechanismen basiert auf einem unterschiedlichen Typ von Mechanismus. Beispielsweise ist, wie in 10 gezeigt, ein Magnet 130 zusammenwirkend hinter dem Spiegel 34 zur gemeinsamen Oszillation mit diesem angebracht, und eine elektromagnetische Rückkopplungsspule 132 ist, wie in 9 gezeigt, benachbart zu dem Magnet 130 angebracht. Die Spule 132 fühlt das periodische, elektromagnetische Feld ab, das durch die Bewegung des Magneten induziert wird und ist immun gegenüber Vibrationen von den Wandlern 110, 112.
Zurück zu 1–2 kehrend, ist der Bildschirm 12 schwenkbar auf dem Gehäuse 10 an Schwenkpunkten 14 an irgendeiner einer Vielzahl von Positionen angebracht. Zum Beispiel liegt, wie in 1 gezeigt, der Bildschirm 12 in einer vertikalen Ebene, und das Bitmap-Bild des Rastermusters 30 wird durch das Fenster 60 durch das Modul 20 auf den vertikalen Bildschirm projiziert, der eine Bildebene definiert. Der Bildschirm 12 kann nach hinten geneigt werden, um einen stumpfen Winkel mit der Horizontalen zu bilden, und zwar für eine bequemere Ansicht von der Vorderseite des Gehäuses aus, wodurch eine weitere Bildebene definiert wird. Andere Winkel, einschließlich spitzer Winkel, könnten ebenfalls eingesetzt werden. Wie in 2 gezeigt, kann der Bildschirm 12 zu einer Winkelposition geschwenkt werden, in der der Bildschirm das Gehäuse 10 in einer gekippten Position trägt, in welchem Fall, das Bild nicht auf den Bildschirm 12 projiziert wird, sondern stattdessen auf eine entfernte Anzeigeoberfläche projiziert wird, wie beispielsweise einen entfernten Anzeigebildschirm 40, der noch eine weitere Bildebene definiert. Ein Betätiger 134 wird manuell heruntergedrückt, um die Bildprojektion zu starten. Auf diese Weise kann in dem Ausführungsbeispiel der 1–2 das Bild an Bord des Gehäuses 10 auf dem Bildschirm 12 in irgendeiner einer Vielzahl von Winkelpositionen projiziert werden, oder von Bord des Gehäuses auf dem entfernten Bildschirm 40, oder einer anderen analogen Anzeigeoberfläche.
Wie oben beschrieben, erleiden die Bilder auf den Bildschirmen 12, 40 eine Verschlechterung aufgrund von Speckle-Rauschen primär da der Laser 25 kohärente Wellen besitzt, die sich zerstreuen, wenn der Laserstrahl von den Bildschirmen 12, 40 reflektiert wird und/oder durch diese hindurchgeht und diese gestreuten Wellen sich vereinigen, um ein stationäres Interferenzmuster zu bilden.
Gemäß dieser Erfindung wird anstelle der oben diskutierten Vorderseitenprojektionsbildschirme 12, 40, ein Rückprojektionsbildschirm 200, wie in 11 dargestellt, eingesetzt und modifiziert, um das Speckle-Rauschen zu verringern. Der Bildschirm 200 besitzt eine Rückoberfläche 202, eine vordere Oberfläche 204 und eine Anordnung von Lenslets 206, die darin enthalten sind. Jeder Lenslet besitzt eine positive oder eine negative Lichtleistung und ist vorzugsweise eine sphärische Linse, könnte aber auch eine zylindrische Linse oder eine torische Linse sein, in der die Krümmung der vorderen Oberflächen sich in zueinander orthogonalen Richtungen unterscheiden. Die Lenslets sind vorzugsweise in zueinander orthogonalen linearen Zeilen und Spalten angeordnet.
Der von dem Bildprojektionsmodul 20 projizierte Laserstrahl ist schematisch in 11 durch das Bezugszeichen 210 gezeigt und wird in beiden Scanrichtungen, wie durch den zweispitzigen Pfeil 208 gezeigt, durch den Scanner innerhalb des Moduls 20 oszilliert. Der Laserstrahl trifft auf und wird hinweggestrichen über die Rückoberfläche 202 des Bildschirms 200. Jedes Lenslet fokussiert den auftreffenden Laserstrahl auf einen Brennpunkt auf einer Bildebene 212, nach dem das Licht mit einem Betrachtungswinkel 214 auseinander läuft. Der Betrachtungswinkel entspricht in etwa dem Lensletdurchmesser (in dem Fall eines sphärischen Lenslets) geteilt durch seine Brennweite. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Lensletdurchmesser ungefähr 0,2 mm, die Brennweite zu der Bildebene beträgt ungefähr 0,3 mm und der Betrachtungswinkel ist ±20°. Der Betrachtungswinkel kann durch Variieren des Lensletdurchmessers und/oder der Brennweite verändert werden.
Der einfallende bzw. auftreffende Laserstrahl 210 besitzt kohärente, oder im Wesentlichen kohärente Wellen. Nach dem Passieren durch einen Lenslet 206, behält der Laserstrahl 210 größtenteils seine Phasenkohärenz und beeinträchtigt nicht sich selbst, wodurch ein Speckle-Rauschen vermieden wird. Ein Merkmal dieser Erfindung versucht sicherzustellen, dass zumindest die meiste Zeit nur ein Lenslet gleichzeitig durch den Laserstrahl beleuchtet wird. Dies ist in 12 dargestellt, in der sich Laserstrahl 210 bei Position A nur ein einzelnes Lenslet 206 beleuchtet. Dies ist ebenfalls bei Position B gezeigt, wo der Laserstrahl 210 nur ein einzelnes Lenslet beleuchtet. Etwas Einwirkung bzw. Störung ist möglich, wenn sich der Laserstrahl bei Position C befindet, bei der der Laserstrahl auf einer „Kuppe" bzw. Scheitelpunkt 216 zwischen zwei benachbarten Lenslets trifft und der Laserstrahl folglich simultan diese beiden benachbarten Lenslets beleuchtet.
Gemäß dieser Erfindung wird der Lensletdurchmesser, und zwar entlang der Scanrichtung gemessen, zumindest gleich groß, vorzugsweise aber größer als der Strahldurchmesser des Laserstrahls gemacht, wiederum gemäß Messung entlang der Scanrichtung. Wie in 12 gezeigt, ist die Strahlausdehnung, z.B. die Breite des Strahls im Querschnitt, geringer als die Breite des Lensletdurchmessers. Dieses Merkmal stellt sicher, dass es nicht zu viele Scheitelpunkte gibt und dass die meiste Zeit nur ein Lenslet gleichzeitig durch den auftreffenden Laserstrahl beleuchtet wird. Andererseits kann der Lensletdurchmesser nicht zu groß gemacht werden und muss in der Tat kleiner als die Breitenabmessung von jedem virtuellen Pixel des Bilds gehalten werden, bei Betrachtung entlang einer Scanlinie, um nicht die Bildauflösung zu beeinträchtigen.
Eine weitere Verbesserung bei der Verringerung des Speckle-Rauschens ist in 13 dargestellt, wo eine Polarisationsrotationsbeschichtung 218 auf abwechselnde Lenslets aufgetragen wird. In diesem Fall emittieren die beiden benachbarten Lenslets Licht unterschiedlicher Polarisationen und wirken nicht störend aufeinander ein, um ein Speckle-Rauschen zu erzeugen, wenn der einfallende Strahl einen Scheitelpunkt 216 beleuchtet. In 13 stellen die vertikalen Pfeile eine Polarisation dar, während die x die senkrechte Polarisation darstellen. Die Beschichtung 218 befindet sich auf der Rückoberfläche 202. Zellglas bzw. Cellophan ist ein anisotropes Material, welches sich wie eine Halbwellenplatte (half-wave plate) verhält, und ist das bevorzugte Material für die Beschichtung 218. Wenn die Beschichtung 218 verwendet wird, kann die Strahlabmessung größer als die Lensletabmessung sein.
Zusätzlich zur Verringerung des Speckle-Rauschens ist eine schwarze (lichtabsorbierende) Maske 220 mit Öffnungen auf der Bildebene 212 positioniert, wobei die Öffnungen in der Maske zulassen, dass das fokussierte Licht durch diese hindurchgeht. Die Maske mit Öffnungen erhöht den Kontrast der beleuchteten Pixel, insbesondere beim Vorhandensein von starkem Umgebungslicht, wie beispielsweise Sonnenlicht.
Durch Ersetzen der Lenslets durch Mikrospiegel sind die hierin ausgedrückten Ideen auf Frontprojektionsbildschirme anwendbar.
Der Laserstrahl 210 kann eine einzelne Wellenlänge zur Verwendung beim Projizieren monochromatischer Bilder besitzen, oder kann ein zusammengesetzter Laserstrahl mehrerer Wellenlängen (rot, blau und grün) aus mehreren Laserquellen zur Verwendung beim Projizieren von Farbbildern sein.
Es wird erkannt werden, dass jedes der oben beschriebenen Elemente oder zwei oder mehr gemeinsam ebenfalls eine nützliche Anwendung in anderen Arten von Konstruktionen finden können, die von den oben beschriebenen Arten abweichen.
Während die Erfindung als in einer Bildprojektionsanordnung enthalten dargestellt und beschrieben wurde, um Bilder auf einen Bildschirm zu projizieren, der modifiziert wurde, um das Speckle-Rauschen zu verringern, sowie als Verfahren zum Projizieren von Bildern auf einen Bildschirm, soll sie nicht auf die gezeigten Details beschränkt sein, da verschiedene Modifikationen und strukturelle Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Art und Weise abzuweichen.
Ohne weitere Analyse wird das Vorangehende das Wesentliche der vorliegenden Erfindung vollständig offenbaren, so dass andere durch Anwenden des gegenwärtigen Wissens diese für verschiedene Anwendungen in einfacher Weise anzupassen können, ohne Merkmale auszulassen, die vom Standpunkt des Standes der Technik wesentliche Charakteristiken der generischen oder spezifischen Aspekte dieser Erfindung darstellen und daher sollten und ist beabsichtigt, dass derartige Anpassungen innerhalb des Begriffsinhalts und Entsprechungsbereichs der folgenden Ansprüche enthalten sind.
Was als neu beansprucht und durch das Patent geschützt werden soll, ist in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Bildprojektionsmodul innerhalb eines Gehäuses ist betriebsbereit, um zu bewirken, dass ausgewählte Pixel in einem Rastermuster beleuchtet werden, um ein Bild auf einem Anzeigebildschirm in VGA-Qualität zu erzeugen. Der Bildschirm ist mit einer Anordnung von Lenslets vorgesehen, um das Speckle-Rauschen in dem Bild zu verringern.

Claims

Eine Anordnung zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, die Folgendes aufweist: a) einen Anzeigebildschirm mit vorderen und hinteren Oberflächen und einem Array bzw. einer Anordnung von Lenslets; b) eine Bildprojektionsanordnung zum Leiten eines Laserstrahls auf die Rückoberfläche des Bildschirms, und zum Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über die Rückoberfläche des Bildschirms hinweg, wobei sich jede Scanlinie entlang einer Scanrichtung erstreckt und eine Anzahl von Pixeln besitzt, und zum Bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild zu erzeugen, wobei der Laserstrahl eine Strahlabmessung entlang der Scanrichtung besitzt; und c) Mittel zum Verringern des Speckle-Rauschens durch Konfigurieren jedes Lenslets, so dass es eine Lensletabmessung besitzt, und zwar entlang der Scanrichtung gemessen, die nicht geringer als die Strahlabmessung ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung einen Laser zum Emittieren des Laserstrahls aufweist.
Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei der Laser entweder ein roter, blauer oder grüner Laser ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Lensletabmessung größer als die Strahlabmessung ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Lenslets der Reihe nach entlang der Scanrichtung angeordnet sind und sich eine Polarisationsrotationsbeschichtung auf abwechselnden Lenslets befindet.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei jedes Lenslet eine sphärische Krümmung besitzt.
Anordnung gemäß Anspruch 1, sowie eine Maske mit Öffnungen auf einer Bildebene der Anordnung von Lenslets.
Anordnung gemäß Anspruch 7, wobei die Maske den darauf auftreffenden Laserstrahl absorbiert.
Ein Verfahren zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, das die folgenden Schritte aufweist: a) Emittieren eines Laserstrahls; b) Leiten des Laserstrahls, so dass er auf eine Rückoberfläche eines Anzeigebildschirms auftrifft, und Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über die Rückoberfläche des Bildschirms hinweg, wobei sich jede Scanlinie entlang einer Scanrichtung erstreckt und eine Anzahl von Pixeln besitzt, sowie bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um ein Bild zu erzeugen, wobei der Laserstrahl eine Strahlabmessung entlang der Scanrichtung besitzt; und c) Bilden des Bildschirms mit einer Anordnung von Lenslets und Konfigurieren jedes Lenslets, so dass es eine Lensletabmessung besitzt, bei Betrachtung entlang der Scanrichtung, die nicht geringer als die Strahlabmessung ist, wodurch das Speckle-Rauschen verringert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Emittierschritt durch entweder einen roten, blauen oder grünen Laser ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Lensletabmessung größer als die Strahlabmessung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, sowie das Anordnen der Lenslets hintereinander entlang der Scanrichtung; und das Auftragen einer Polarisationsrotationsbeschichtung auf abwechselnde Lenslets.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei jedes Lenslet eine sphärische Krümmung besitzt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, sowie das Positionieren einer Maske mit Öffnungen auf einer Bildebene der Anordnung von Lenslets.
Ein Anzeigebildschirm zur Verringerung von Speckle-Rauschen in einem Bild, das durch einen Laserstrahl auf den Bildschirm projiziert wird, der Folgendes aufweist: eine Anordnung von Lenslets, die hintereinander entlang einer Scanrichtung angeordnet sind, wobei jedes Lenslet eine Lensletabmessung besitzt, und zwar entlang einer Scanrichtung gemessen, die nicht geringer als eine Strahlabmessung, wiederum entlang der Scanrichtung gemessen, des Laserstrahls ist.
Anzeigebildschirm gemäß Anspruch 15, sowie eine Polarisationsrotationsbeschichtung auf abwechselnden Lenslets.
Anzeigebildschirm gemäß Anspruch 15, wobei jedes Lenslet eine sphärische Krümmung besitzt.
Eine Anordnung zum Projizieren eines Bilds mit verringertem Speckle-Rauschen, die Folgendes aufweist: a) einen Anzeigebildschirm mit vorderen und hinteren Oberflächen, und einer Anordnung von Lenslets, die hintereinander entlang einer Scanrichtung angeordnet sind; b) eine Bildprojektionsanordnung zum Leiten eines Laserstrahls auf die Rückoberfläche des Bildschirms, und zum Hinwegstreichen des Strahls als ein Muster von Scanlinien über die Rückoberfläche des Bildschirms hinweg, wobei sich jede Scanlinie entlang der Scanrich tung erstreckt und eine Anzahl von Pixeln besitzt, und um zu bewirken, dass ausgewählte Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild zu erzeugen; und c) eine Polarisationsrotationsbeschichtung auf abwechselnden Lenslets, um das Speckle-Rauschen zu verringern.