DE69325911T2

DE69325911T2 - Bildverschiebungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69325911T2
Application number: DE69325911T
Authority: DE
Inventors: Lloyd Cross; Duane Dewald; Paul A. Linden
Original assignee: Advanced Laser Projection Inc
Current assignee: Alp Osaka Jp KK
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2013-09-22
Also published as: JPH08507869A; EP0664066B1; CA2144304A1; KR950703834A; EP0664066A1; EP0664066A4; WO1994008425A1; ES2134272T3; KR100296526B1; DE69325911D1; US5365288A; AU5133093A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein eine Lichtprojektionsvorrichtung und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine Vorrichtung zur Verwendung mit einem Projektor, der zum Beispiel bei der Projektion von Fernseh- oder Videobildern und ähnlich gewonnenen Bildern von durch einen Computer erzeugten oder anderen Bildinformationen auf Betrachtungsflächen verwendet wird. Im Besonderen betrifft die Erfindung ein optisches System, das zum Projizieren von Bildern variierender Größe, Kontur und Orientierung relativ zu dem Projektor entweder auf eine oder auf mehrere Betrachtungsflächen an dem Endausgang des Projektors angeordnet ist.

Hintergrund der Erfindung

Bei konventionellen Laser-Videoprojektoren werden alle der roten, grünen und blauen Lichtstrahlkomponenten zu einer horizontalen Ablenkvorrichtung oder einem drehbaren Polygonspiegel mit einer vorgegebenen Anzahl von Facetten und dann weiter durch drei Linsen, vorzugsweise 454-640 nm AR-beschichtete Hochleistungs-Achromaten, zu einer Bildablenkvorrichtung oder einem Ablenkspiegel übertragen. Die drei zwischen dem drehbaren Polygonspiegel und dem Ablenkspiegel angeordneten Linsen sind jeweils 55 mm, 25 mm zylindrisch und 55 mm bis 160 mm. Ein solcher Projektor ist in dem US-Patent 5 136 426 derselben Anmelderin beschrieben. Die Abbildung auf dem Ablenkspiegel wird dann über einen feststehenden Lenkspiegel zu einer Betrachtungsfläche gelenkt. Diese Betrachtungsfläche kann eine solide Fläche wie beispielsweise eine übliche Projektionswand oder eine feste Wand sein. Mit vorliegender Erfindung können auch andere Ablenkvorrichtungen der üblichen Art verwendet werden, so zum Beispiel die Ablenkvorrichtun gen, die in den US-Patenten 4 613 201, 4 611 245, 4 979 030 oder 4 978 202 beschrieben sind.
Dem. Fachmann ist bekannt, daß eine Abbildung, wenn sie durch einen drehbaren Lenkspiegel horizontal bewegt wird, in Reaktion auf diese Horizontalbewegung gedreht werden muß, um die Abbildung mit der richtigen Seite nach oben zu halten. Übliche Rotatorvorrichtungen oder Anordnungen zum Drehen der Abbildung in Reaktion auf die horizontale Bewegung weisen ein Dove-Prisma, einen K-Spiegel oder ein Pechan-Prisma auf. Wegen der expandierenden Eigenschaft der Abbildung oder mit anderen Worten wegen der von dem Ablenkspiegel des Projektors übertragenen divergierenden Abbildung sind eine geeignet bemessene Rotatoranordnung und der Lenkspiegel größer als erwünscht und erfordern wiederum große Motoren für ihre Bewegung.
In der Vergangenheit wurden zur Drehung der Abbildung in Reaktion auf die horizontale Verschiebung Dove-Prismen verwendet. Die US-Patente 2 966 096, 3 894 798, 4 235 535 und 4 645 318 sind Beispiele üblicher Dove-Prismen. Ein weiteres Beispiel eines herkömmlichen Dove-Prismas, das zur Drehung einer Laserabbildung in Reaktion auf die horizontale Verschiebung verwendet wird, ist ein 50,8 mm · 50,8 mm · 165,1 mm (2" · 2" · 6.5") Dove-Prisma mit einem Prismen-Eckenschnitt von 55º, wobei der Brechungsindex des Glasblocks n = 1.51 beträgt. Dieses Dove-Prisma erfordert einen 127 mm · 127 mm (5" · 5") Lenkspiegel, wiegt etwa 1150 Gramm (2.5 lbs.) und benötigt einen Drehtisch mit einer zentralen Öffnung von zumindest 76,2 mm (3"). Das US-Patent 4 235 535 beschreibt einen Projektor zum Projizieren von Bildern auf einen zylindrischen Schirm zu Zwecken des Simulierens der Ansicht eines Schiffes in einem Schiffs-Simulator. Die Abbildung wird zur Drehung in Reaktion auf ihre horizontale Bewegung auf das Dove- Prisma 13 projiziert. Die Horizontal- und Vertikalbewegung der Abbildung werden durch Schrittmotoren gesteuert. Diese Schrittmotoren können unabhängig voneinander manuell oder durch einen Computer betätigt werden. Die Geschwindigkeit der Drehung des Dove-Prismas 13 beträgt die Hälfte der horizontalen Verschiebung. Auch Spiegel wurden in der Vergangenheit für die Drehung einer Abbildung verwendet. Wie das am besten in Fig. 1 des US-Patents 3 326 077 gezeigt ist, ist eine Lampe 52 unterhalb einer Photozelle 54 direkt hinter einem Kollektivlinsensystem 56 angeordnet, welches derart ausgelegt ist, daß es von der Lampe ausgestrahltes Licht zu einem sich leicht nach innen verjüngenden Strahlenbündel kollimiert, welches das Bodenspaltmuster 50a beleuchtet. (Spalte 3, Zeilen 15-20) Es sind auch Spiegel 32, 36 und 60 beschrieben (Spalte 4, Zeile 7-11), siehe auch US-Patent 3 326 077.
Das US-Patent 3 549 800 beschreibt ein Laser-Displaysystem für Echtzeitdaten durch Modulieren eines Lichtstrahls aus einer Laserquelle und Projizieren des modulierten Lichts auf eine Oberfläche zur Bilderzeugung. Dieses vorbekannte Laser-Displaysystem umfaßt einen Laser, der in einer hemisphärischen Geometrie betrieben wird, so daß die gesamte ausgestrahlte Energie in einem einzigen räumlichen Modus erzeugt wird. Dies erlaubt die Verwendung eines diffraktionsbegrenzten optischen Systems und gewährleistet eine maximale Auflösung mit einer begrenzten optischen Öffnung. Eine erste Linse wird zur Zerstreuung des von dem Laser ausgehenden Lichts verwendet. Dieses Licht wird durch eine zweite Linse kollimiert und durch einen Modulator und einen Polarisator hindurch auf einen drehbaren Spiegel projiziert, der Teil einer horizontalen Ablenkvorrichtung ist. Aufgrund der Bewegung des Spiegels wird der modulierte Lichtstrahl in einem kreisförmigen Muster auf ein Ende einer faseroptischen Vorrichtung geworfen.
Dieses vorbekannte Laser-Displaysystem arbeitet mit mindestens drei Linsen, um kommerziell produzierte Fernsehbilder zu projizieren.
Fig. 1 der vorliegenden Erfindung zeigt eine herkömmliche K-Spiegelanordnung. Bei diesem K-Spiegel projiziert der Ablenkspiegel M&sub1; ein divergierendes Bild auf einen 25,4 mm · 25,4 mm (1" · 1") Spiegel M&sub2;, der wiederum auf einen 50,8 mm · 50,8 mm (2" · 2") Spiegel M&sub3; reflektiert, welcher wiederum auf einen 101,6 mm · 127 mm (4" · 5") Spiegel M&sub4; reflektiert, um die Abbildung zu drehen. Diese K-Spiegelanordnung überträgt die Abbildung dann auf den Lenkspiegel M&sub5;, der mit 177,8 mm · 152,4 mm (7" · 6") bemessen ist, um die komplette Abbildung geeignet zu lenken. Ein übliches Pechan-Prisma zur Drehung einer Abbildung ist in dem US-Patent 4 645 318 beschrieben. Herkömmliche Prismen wie die Dove- und Pechan-Prismen werden generell nach Kundenvorgabe von optischen Herstellern wie CVI in Albuquerque, New Mexico; Rocky Mountain Instrument Co. in Longmont, Colorado, und Kollmorsen Corporation in Northampton, Massachusetts, gefertigt.
Aus der Vergangenheit kennt man auch die Verwendung von Optik zum Kollimieren einer Abbildung, wie das in den US-Patenten 4 294 506 und 4 906 061 beschrieben ist. Jedoch wurde die kollimierte Abbildung damals nicht durch eine Rotatoranordnung wie beispielsweise einen K- Spiegel, ein Pechan-Prisma oder Dove-Prisma hindurch projiziert, um die Abbildung in Reaktion auf die horizontale Bewegung des Lenkspiegels zu drehen. Darüber hinaus wurde die Winkelinformation des kollimierten Bildes nach der Übertragung durch die Rotatoranordnung nicht wiederhergestellt, so daß die Abbildung weiterhin divergierte.
Das US-Patent 4 294 506 beschreibt einen Argonlaser 36, bei dem die Abbildung eine Expanderlinse 39 passiert und der eine konvexe Linse 39a und ein konkave Linse 39b aufweist, um die Abbildung in eine kollimierte Abbildung umzuwandeln, wie das am besten in Fig. 4 gezeigt ist. Nachdem das Licht auf die Facetten 32a eines drehbaren Polygonspiegels 32 auftrifft, wird der kollimierte Strahl in Richtung auf eine Ablenkfläche 34 reflektiert. Ein anamorphotisches optisches System, das eine erste konvexe Zylinderlinse 37 und eine Kondensorlinse 33 umfaßt, ist zwischen dem drehbaren Polygonspiegel 32 und der Ablenkfläche 34 angeordnet, um die kollimierte Abbildung in eine konvergierende Abbildung umzuwandeln. (Spalte 3, Zeilen 22-40)
Das US-Patent 4 906 061 beschreibt das Abtasten einer Oberfläche mit einem Laserlichtstrahl. Der Lichtstrahl wird durch eine Kollimatorlinse 2 zu einem Drehspiegel 3 projiziert, wird durch den Spiegel 3 abgelenkt und fällt durch eine fθ-Linse 4, um an der abzutastenden Oberfläche zu konvergieren. Der Drehspiegel 3 kann, wie in Fig. 1 gezeigt, einen drehbaren Polygonspiegel oder einen Pyramidenspiegel umfassen. Die Kollimatorlinse 2 ist, wie am deutlichsten in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, entlang der optischen Achse bewegbar, um die Bildfeldkrümmung zu korrigieren.
Ein Bildbeweger für einen Lichtprojektor war im Falle einer reduzierten Größe des Lenkspiegels, der Rotatoranordnung und deren zugehöriger Motoren und Teile erwünscht. Diese Größenreduzierung des Lenkspiegels und der Rotatoranordnung erlaubt mit kleineren Motoren eine Bewegung der Abbildung mit größerer Beschleunigung und höherer Geschwindigkeit.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Bildbeweger bereitgestellt, der für die Verwendung mit einer Winkelinformationen aufweisenden Laserlichtabbildung angepaßt ist. Der Bildbeweger umfaßt eine Relaislinse oder erste Linse zum Kollimieren und zur Weiterübertragung von Winkelinformationen der Abbildung von einem Projektor-Ablenkspiegel. Eine Rotatoranordnung wie ein K-Spiegel, Pechan-Prisma oder Dove-Prisma werden zum Drehen der kollimierten Abbildung in Reaktion auf die Horizontalbewegung des Lenkspiegels verwendet. Außerdem umfaßt der Bildbeweger eine Wiederherstellungslinse oder zweite Linse, welche entweder eine Linse mit fester Brennweite oder eine Zoomlinse sein kann und welche die kollimierte Abbildung des Lichts in einer zur Winkelinformation der Abbildung von dem Projektor-Ablenkspiegel proportionalen Größe wiederherstellt. Die wiederhergestellte Abbildung wird dann zu einem Lenkspiegel projiziert und in Echtzeit auf eine Betrachtungsfläche gelenkt.
Darüber hinaus können sich die Rotatoranordnung und der Lenkspiegel unabhängig voneinander oder proportional zueinander bewegen und sind für die Projektion auf eine oder auf mehrere Betrachtungsflächen rechnerunterunterstützt. In vorteilhafter Weise kann eine Aufeinanderfolge dieser Relaislinsen, Wiederherstellungslinsen und Rotatoranordnungen alleine oder mit einem Faseroptikbündel verwendet werden, um die Abbildung auf einer von dem Projektor entfernt liegenden Betrachtungsfläche zu positionieren.

Figurenkurzbeschreibung

Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine herkömmliche K-Spiegelanordnung und einen Lenkspiegel mit einer divergierenden Abbildung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Rotatoranordnung, die zwischen der Relaislinse und der Wiederherstellungslinse angeordnet ist, die wiederum jeweils zwischen dem Ablenkspiegel und dem Lenkspiegel angeordnet sind;
Fig. 3 eine Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Ablenkspiegels, einer Relaislinse und einer Zwischenbildebene der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Darstellung einer herkömmlichen Bilderzeugung, die einen Abbildungsmaßstab Null hat;
Fig. 6 eine Darstellung der von dem Ablenkspiegel zur Relaislinse der vorliegenden Erfindung übertragenen Winkelinformation.

Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Der allgemein bei Pos. 10 angegebene Bildbeweger kann mit jedem Lichtprojektor verwendet werden, ist aber insbesondere für die Verwendung mit einem Laserlichtprojektor ausgelegt, wie zum Beispiel in dem US-Patent 5 136 426 beschrieben. Der Bildbeweger 10 vorliegender Erfindung ist vorzugsweise über dem Projektor positioniert, so daß die zentrale Achse 12 des Bildbewegers 10 mit der optischen Achse 14 des vertikalen Ablenkspiegels 16 ausgerichtet ist. Die Verwendung eines Laserlichtprojektors ist insbesondere bei vorliegender Erfindung wünschenswert, da das Bild in jeder gewünschten Entfernung von dem Projektor, das heißt von dem Ablenkspiegel 16 bis unendlich, die Schärfe behält.
Der Ablenkspiegel 16 ist ähnlich dem Bildscanner S&sub2;, wie dieser in den Fig. 1, 3 und 7 oder bei Bezugszeichen 104 in Fig. 4 des US-Patents 5 136 426 gezeigt ist. Wie in Spalte 5, Zeilen 29-48 des US-Patents 5 136 426 beschrieben und wie in den Fig. 2 und 3 der Erfindung gezeigt, umfaßt der Projektor P eine 55 mm Linse L&sub5; und eine 55 mm Zylinderlinse L&sub6;, deren Stärke in der vertikalen Richtung liegt, doch zur Verwendung mit vorliegender Erfindung ist die Linse L&sub7; vorzugsweise eine 120-125 mm Linse, um für die gewünschte Projektionsentfernung für den Bildbeweger zu sorgen, wie das später im Detail erläutert wird.
Im allgemeinen wird eine Abbildung zunächst von dem vertikalen Ablenkspiegel 16 abgeworfen. Die Abbildung wird dann durch eine erste Linse oder Relaislinse 18 hindurchgelenkt. Vorzugsweise ist die Relaislinse 18 eine Achromatlinse zum Kollimieren der von dem Ablenkspiegel 16 bereitgestellten Winkelinformation. Durch Positionieren der Relaislinse 18 der vorliegenden Erfindung nahe dem Ablenkspiegel 16, vorzugsweise eine Brennweite der Linse 18, fängt die Relaislinse 18 die abgelenkten Abbildungen ab, bevor sie in einen großen Bereich divergieren, der die großen Rotatoranordnungen und Spiegel zusammen mit den Motoren für deren Betrieb erfordert. Die kollimierte Abbildung wird dann durch die allgemein bei Pos. 20 angegebene Rotatoranordnung hindurchgeleitet, zum Beispiel eine K-Spiegelanordnung, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, oder ein Dove-Prisma oder Pechan-Prisma, wie vorausgehend erläutert. Die kollimierte Abbildung wird anschließend zu der zweiten Linse oder Wiederherstellungslinse übertragen, die allgemein bei Pos. 22 angegeben ist, um die Zerstreuungswinkelinformation der Abbildung wiederherzustellen. Diese wiederhergestellte Abbildung wird dann zur Projektion auf eine Betrachtungsfläche 26 zu einem Lenkspiegel 24 übertragen. Die Betrachtungsfläche 26 ist als eine beliebige solide Oberfläche 26A definiert, zum Beispiel eine Projektionswand oder eine feste Wand, oder sie könnte eine Fluidfläche 26B sein, wie zum Beispiel Rauch oder ein anderes Gas oder Flüssigkeit. Wie dem Fachmann bekannt ist, unterscheidet sich die Laserprojektion von der herkömmlichen Projektion dadurch, daß die gesamte Winkelinformation des projizierten Bildes ab dem Zeitpunkt vorhanden ist, da der Laser von dem Ablenkspiegel reflektiert wird. Bei der herkömmlichen Projektion jedoch, seien es Filmprojektoren, Diaprojektoren, Kathodenstrahlröhren-Projektoren, Flüssigkristallprojektoren, Flüssigkristall-Lichttonprojektoren oder Ölfilm-Lichttonprojektoren, wird die gewünschte Abbildung auf einer Ebene geschaffen, und es wird eine Satzoptik wie eine Objektivlinse verwendet, um diese Abbildung auf die Betrachtungsfläche weiter zu übertragen. Bei der Laser-Videoprojektion werden keine Bildebenen verwendet. Stattdessen werden Laserstrahlen, die Farb- und Intensitätsinformationen enthalten, durch die horizontale Ablenkvor richtung horizontal abgelenkt, um eine TV-Zeile zu erzeugen, und jede Zeile wird durch den vertikalen Ablenkspiegel 16 vertikal positioniert, wie das in dem US-Patent 5 136 426 beschrieben ist. Somit besteht ein Laser-Videobild aus Videoinformationen und Winkelinformationen in zwei orthogonalen Richtungen. Nur wenn diese divergierende Gruppe von Laserstrahlen von einer Betrachtungsfläche aufgefangen wird, wird eine Abbildung produziert. Deshalb ist eine Abbildung in der Laser-Videoprojektionsindustrie nicht eine Abbildung im herkömmlichen optischen Sinn, sondern hier wird die Abbildung als Information definiert, die durch den Ablenkspiegel 16 übertragen wird.
In Fig. 6 wird im Abstand einer Brennweite f von der Relaislinse 18 eine Zwischenbildebene 28 gebildet. Eine Einschnürung des Strahlenbündels erfolgt an einem Punkt, der von der optischen Achse 14 um das Produkt aus der Brennweite f&sub1;&sub8; der Relaislinse 18 mit der Vektorsumme der horizontalen und vertikalen Ablenkwinkel des Laser-Videobildes verschobenen ist, wie das am besten in Fig. 6 zu erkennen ist. Deshalb werden die abgelenkten Laserabbildungen bei Ebene 28, entlang der optischen Achse 14 eine Brennweite f von der Relaislinse 18 entfernt, auf die Gauß'sche Strahleinschnürung fokussiert.
Eine Matrize der horizontal und vertikal abgelenkten Abbildung von dem Ablenkspiegel 16 bildet eine Darstellung des Videobildes auf der Ebene 28. Diese Darstellung zeigt nicht unbedingt das Detail des Bildes, weil der Strahleinschnürungsdurchmesser größer sein kann als die Breite einer Videozeile auf Ebene 28. Die Wiederherstellungslinse 22 ist so positioniert, daß ihr Brennpunkt des Abbildungsmaßstabs Null mit der Ebene 28 koinzidiert. Dann korrespondiert jeder Punkt, zum Beispiel Punkt 30B in Fig. 4, in der Ebene 28 mit einem eindeutigen horizontalen und vertikalen Winkel, der ursprünglich von der Relaislinse 18 weiterübertragen wurde, wie beispielsweise das Pixel 30A des Laser-Videobildes. Deshalb ist jeder Winkel der Wiederherstellungslinse 22 proportional zu der Verschiebung des Punktes auf der Ebene 28 von der optischen Achse 14 und der Brennweite f&sub2;&sub2; der Wiederherstellungslinse 22. Auf diese Weise wird die Winkelinformation, die das Laser-Videobild aufbaut, von der Relaislinse 18 eingefangen, kollimiert und zur Wiederherstellungslinse 22 übertragen, wodurch sie einem Umkehrprozeß unterzogen wird, um die horizontale und vertikale Ablenkung wiederherzustellen. Die Laserabbildungen werden in ihren ursprünglichen winkelförmig abgelenkten Zustand zurückversetzt, wobei die drei Farbstrahlen kollimiert werden, um die für Laserbilder charakteristische unendliche Schärfentiefe zu erhalten.
Mit anderen Worten speichert die Relaislinse 18 die Winkelinformation des Laser-Videobildes, so daß es durch die Rotatoranordnung 20 hindurch und dann zur Wiederherstellungslinse 22 bewegt werden kann, um das abgelenkte Projektionsbild wiederherzustellen. Durch Positionieren der Wiederherstellungslinse 22 derart, daß ihre hintere Brennebene mit der Zwischenbildebene 28 koinzidiert, wird das abgelenkte Projektionsbild wiederhergestellt, wobei die abgelenkten Winkel proportional zu dem Verhältnis der Brennweite der Relaislinse (f&sub1;&sub8;) zur Wiederherstellungslinse (f&sub2;&sub2;) ist, wie das nachfolgend im Detail erläutert wird.
Wie am besten in Fig. 6 dargestellt ist, wäre die minimale Öffnung der Relaislinse 18 das Produkt aus dem größten Vollablenkwinkel der Abbildung von dem Ablenkspiegel 16 und der Brennweite f der Relaislinse 18. Mit anderen Worten, wenn die Relaislinse 18 im Abstand einer Brennweite f&sub1;&sub8; von dem Ablenkspiegel 16 angeordnet ist, muß die freie Öffnung der Relaislinse 18 groß genug sein, um den gesamten Fächer der Laserabbildungen an diesem Punkt einzufangen. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Relaislinse 18 einen Durchmesser von 31,5 mm.
In Fig. 3 ist die bevorzugte Ausführungsform des Bildbewegers 10 gezeigt. Die horizontale Ablenkvorrichtung des Projektors P oder der drehbare Polygonspiegel überträgt die Lichtstrahlen, wie vorstehend erläutert, durch die Linsen L&sub5;, L&sub6;, L&sub7; hindurch zu dem vertikalen Ablenkspiegel 16. Der Ablenkspiegel 16 des Projektors P ist an einem Galvanometer oder einer anderen Vorrichtung befestigt, wie in dem US-Patent 5 136 426 beschrieben, um das Videobild vertikal von dem Projektor P zur Relaislinse 18 abzulenken. Die Relaislinse 18 hat den Effekt der Weiterübertragung der Winkelinformation des Projektionsbildes, während sie die vorher kollimierten Laserstrahlen entlang der optischen Achse exakt eine Brennweite F von der Relaislinse entfernt auf die Strahleinschnürung fokussiert, wie vorstehend erläutert. Die Relaislinse 18 ist vorzugsweise ein Achromat mit einem Durchmesser von 31,50 mm und einer Brennweite von 100 mm. Diese Relaislinse ist entweder bei Melles Girot of Irvine, Kalifornien, (Artikel-Nr. 1LAO126) oder Newport of Irvine, Kalifornien (Artikel-Nr. PACO73) erhältlich. Die Zwischenbildebene 28 wird unter Verwendung einer Bildrotator-Anordnung, vorzugsweise eine in den Fig. 2 und 3 gezeigte K-Spiegel-Anordnung, um die optische Achse gedreht. Die K-Spiegelanordnung 20 weist die beiden 35,56 mm · 54,61 mm (1.4" · 2.15") Aluminiumspiegel und einen 19,05 mm · 40,64 mm (.75" · 1.6") frontflächenverbesserten Aluminiumspiegel auf, die derart montiert sind, daß keine Verschiebung der optischen Achse 14 auftritt. Die Spiegelanordnung kann aus einem 190,5 mm · 190,5 mm (7.5" · 7.5") Glasmaterial hergestellt sein, das bei Newport in Irvine, Kalifornien (Artikel-Nr. 75700ER.3) erhältlich ist. Der Spiegel 20B, dessen Länge vorzugsweise 40,64 mm (1.6") beträgt, ist direkt an der Innenbohrungsfläche 32A eines Drehtisches 32 montiert, und Spiegel 20A, 20C, die vorzugsweise jeweils eine Länge von 54,61 mm (2.15") haben, sind in einem Winkel von 120º relativ zueinander an einem Präzisionsmaschinenblock montiert. Der Maschinenblock 43 ist ebenfalls an dem Tisch 32 befestigt und hat eine Länge von 91,44 mm (3.600"). Der Scheitelpunkt 20D der Spiegel 20A, 20C ist vorzugsweise 22,68 mm (.893") von dem Spiegel 20B beabstandet angeordnet, wobei der Spiegel 20B vorzugsweise eine charakteristische Dicke von 2,997 mm (.118") hat. Der Durchmesser der Bohrung des drehbaren Tisches 32 beträgt 76,2 mm (3.00"). Wie vorstehend erläutert, führt die Drehung des Tisches 32 zu einer Drehung oder zu einem "Flippen" des Bildes um die optische Achse 14.
Die Fassung 36 der Wiederherstellungslinse befindet sich an einem Drehtisch 38. Die Tische 32, 36 sind für eine kontinuierliche 360º-Drehung um die zentrale Achse 12 des Bildbewegers ausgelegt. Die Tische 32, 36 können unabhängig voneinander in Reaktion auf Signale gedreht werden, die von einem Computer 46 erzeugt werden oder proportional zu jedem Tisch 32, 36. Vorzugsweise ist die Wiederherstellungslinse 22 eine motorisierte Zoomlinse, die durch den Schrittmotor 52 angetrieben wird, um eine Fernbewegung der Zoomlinse zur Änderung der Größe des Projektionsbildes zu ermöglichen. Dadurch ändert sich, während die Brennweite der Zoomlinse eingestellt wird, die Größe des Projektionsbildes, doch die Scharfeinstellung des Bildes wird nicht beeinträchtigt. Die in der bevorzugten Ausführungsform gezeigte Zoomlinse ist eine 85-210 mm motorisierte Zoomlinse, die von Schneider Corporation of Woodbury, New York, hergestellt wird. Nachdem sich die Abbildung durch die Zoomlinse hindurchbewegt, divergiert die Abbildung bei einer Geschwindigkeit, die durch die Brennweite der Zoomlinse zu dem Lenkspiegel 24 festgelegt wird.
Die Winkelinformations-Relaislinse 18 kann derart gewählt werden, daß übliche Diaprojektor- oder Videokameralinsen als Endlinse 22 verwendet werden können. Jedoch muß darauf geachtet werden sicherzustellen, daß keine Aberrationen, Feldkrümmung und Verzeichnungen eingeführt werden.
Der Lenkspiegel 24 wird vorzugsweise in einer schwenkbaren Fassung 40 gehalten und durch einen linearen Schrittmotor 42 bewegt, der zum vertikalen Kippen des Spiegels 24 und folglich des Projektionsbildes angeordnet ist. Der Lenkspiegel 24 der bevorzugten Ausführungsform ist 88,9 mm · 101, 6 mm (3.5" · 4.0") und kann aus dem gleichen Spiegelmaterial geschnitten werden wie die K-Spiegelanordnung. Die Bewegung des Bildes vertikal wird durch Aus- oder Einfahren des Arms 44 des an dem Lenkspiegel 24 befestigten Schrittmotors 42 bewirkt. Die Bewegung des Bildes horizontal wird durch Drehen des Lenkspiegels 24 an dem Tisch 38 bewirkt. Die Verwendung von Schrittmotoren für die Bewegung der Tische 32, 38, der Zoomlinse 22 und des Lenkspiegels 24 wird bevorzugt, weil sie in der Lage sind, für eine wiederholbare Bewegung, ein Hochhaltemoment und eine Positionsstabilität zu sorgen. Mit Mikroschrittschaltung sind Horizontalwinkelauflösungen von 1/1000º oder weniger möglich. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein 150 ounce-inch Schrittmotor verwendet, der bei New England Affiliated Technologies of Lawrence, Massachusetts, (Artikel-Nr. 2198350), erhältlich ist. Bei Verwendung von Servomotoren könnte eine Stellungsrückkopplungsvorrichtung wie ein digitaler Absolutkodierer für den Antrieb der Elektronik verwendet werden. Für die beste Auflösung (d. h. 1/20 Grad) benötigt der Kodierer zumindest 16 bits, 65536 pro Umdrehung. Alternativ könnten ein Relativpositionskodierer und ein Zähler verwendet werden. Schrittmotoren 48 und 50 werden jeweils zur Dre hung der Tische 32 und 38 um die Bildbewegerachse verwendet, wie das nachstehend im Detail erläutert wird.
Wie vorstehend erwähnt, bestimmt das Verhältnis der Brennweiten der Relaislinse 18 (f&sub1;&sub8;) und der Wiederherstellungslinse 22 (f&sub2;&sub2;) das Projektionsentfernungsverhältnis des Projektionsbildes. Wenn zum Beispiel die Brennweite der 31,5 mm Relaislinse 18 100 mm beträgt und die Wiederherstellungslinse 22 eine Brennweite von 85 mm hat, wird ein Projektionsentfernungsverhältnis von 4.8 : 1 erreicht (Bildbreite : Entfernung zur Betrachtungsfläche). Wenn die Linse 22 eine Brennweite von 210 mm hat, erreicht man ein Projektionsentfernungsverhältnis von 11.86 : 1.
Wenn die Relaislinse 18 eine Brennweite von 50 mm hat (die halbe Brennweite der bevorzugten Ausführungsform), dann ist auch die Zwischenbildebene halb so groß, - und die Projektionsentfernungsverhältnisse für die Wiederherstellungslinse 22 verdoppeln sich bei gleicher Brennweite:
f&sub2;&sub2; = 85 mm: Projektionsentfernungsverhältnis = 9.6 : 1
f&sub2;&sub2; = 210 mm: Projektionsentfernungsverhältnis = 23.7 : 1
Wird die Wiederherstellungslinse 22 derart gewählt, daß ihre Brennweite ausreichend kurz ist, wie zum Beispiel bei Verwendung einer 22,8 mm Linse statt einer 85-210 mm Linse der bevorzugten Ausführungsform, können so niedrige Projektionsentfernungsverhältnisse wie 1.1 : 1 erreicht werden.
Durch Vergrößern der Brennweite der Relaislinse 18 kann die Anzahl der bei dem drehbaren Polygonspiegel verwendeten Facetten erhöht werden. Die größere Anzahl von Facetten bei dem drehbaren Polygonspiegel reduziert den Ablenkwinkel . Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Bildbewegers 10 kann diese Reduzierung des Ablenkwinkels durch eine Relaislinse 18 mit längerer Brennweite ausgeglichen werden, was die Größe der Zwischenbildebene 28 vergrößern würde, wodurch wiederum die Winkelgröße der Abbildung nach Durchlaufen der Wiederherstellungslinse 22 vergrößert wird. Deshalb können HDTV oder andere Formate, die hohe Ablenkgeschwindigkeiten mit kurzen Projektionsentfernungsverhältnissen erfordern, ohne Erhöhung der Geschwindigkeit des drehbaren Polygonspiegels produziert werden. Da eine höhere horizontale Ablenkgeschwindigkeit entscheidend ist für HDTV und da die Polygonspiegel im Falle höherer Geschwindigkeiten in der Herstellung schwierig und teuer sind, ist dies ein wirtschaftlicher Weg für das Erreichen einer HDTV-Videoleistung, ohne die Fähigkeit zu opfern, große Bilder aus kurzen Entfernungen zu projizieren. Ein ähnlicher Ausgleich für einen verringerten Ablenkwinkel kann erreicht werden durch die Verkürzung der Brennweite der Linse L&sub7; des Laser-Videoprojektors.
Der Bildbeweger 10 ist ein afokales Teleskop (die Kombination der Linsen 18 und 22 bei korrekter Fokussierung), das auch als Strahlexpander wirkt. Wenn ein Laserstrahl ausgeweitet wird, wird sein Durchmesser durch die Vergrößerung des Teleskops vergrößert (welche wiederum das Verhältnis der Brennweiten des Linsen 18 und 22, d. h. f&sub2;&sub2;/f&sub1;&sub8; ist) und seine Divergenz um dasselbe Verhältnis verringert. Daher hat der die Maschine verlassende Strahl bei Verwendung von langen Projektionsentfernungsverhältnissen einen kleineren Ablenkwinkel (das Bild ist also kleiner), einen größeren Strahldurchmesser und eine geringere Strahldivergenz. Bei einigem Abstand von dem Projektor sind die Strahlen groß und das Bild ist klein, so daß das Bild nicht sehr genau ist. Bei großen Entfernungen divergiert der Strahl nicht in dem Maße wie bei einem kürzeren Projektionsentfernungsverhältnis, aber das Bild ist ebenfalls klein. Solange der Laserstrahldurchmesser kleiner ist als die Abtastzeile, ist die Bildqualität ausreichend.
Wenn zum Beispiel f&sub1;&sub8; = 100 und f&sub2;&sub2; = 200, so ist die Vergrößerung 2.0. Das Bild wäre halb so groß, wenn es von einer Projektionsfläche aufgefangen wird, wie es im Falle eines nicht vorhandenen Bildbewegers gewesen wäre. Die die Linse 22 verlassenden Strahldurchmesser wären zweimal so groß wie der Durchmesser, wenn keine Bildbeweger vorhanden wäre, und die Divergenz würde die Hälfte betragen. Durch Halbieren der Bildgröße und Halbieren der Strahldivergenz (was über lange Entfernungen fast wichtiger ist als der den Projektor verlassende Strahldurchmesser) bleibt die Bildqualität bei großer Entfernung erhalten. Ein Bild ausreichender Qualität entsteht jedoch erst nach einigen Metern (feet) Entfernung von dem Projektor, da der Strahldurchmesser in der Nähe des Projektors größer ist als eine Videozeile und das Bild verschwommen aussieht. Projektionsentfernungsverhältnisse von mehr als 7 : 1 waren in der vergangenen Zeit schwer erreichbar, aber mit vorliegender Erfindung wurden, wie bereits erwähnt, durch die Verwendung von f&sub1;&sub8; = 50 mm und f&sub2;&sub2; = 210 mm Verhältnisse von 23.7 : 1 erreicht. Umgekehrt funktioniert dies auch, um ein Projektionsentfernungsverhältnis 1.1 : 1 zu erreichen, wie vorstehend erläutert. Das Projektionsentfernungsverhältnis 1.1 : 1 erreicht man durch die Verwendung einer Relaislinse 18 mit einer Brennweite von 100 mm und einer Wiederherstellungslinse 22 mit einer Brennweite von 22,8 mm. Ein Qualitätsbild, das ein Qualitätsbild bleibt, wenn es auf eine 18,29 m (60 feet) oder mehr von dem Projektor P entfernte Betrachtungsfläche projiziert wird, läßt sich in einer Entfernung von weniger als 0,3048 m (1 foot) von dem Lenkspiegel 24 erzeugen.
Es wird auch erwogen, eine Relaislinse, Rotatoranordnung und Endlinse in Folge anzuordnen, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, um zum Beispiel den in dem US-Patent 5 136 426 beschriebenen Projektor fern von einer Betrachtungsfläche zu positionieren. Ein Projektor könnte zum Beispiel in einem Raum eines Gebäudes positioniert und ein Bild nach oben durch ein Loch im Boden des darüberliegenden Raumes hindurch auf eine Betrachtungsfläche in dem Raum über dem Projektor weiterübertragen werden.
Ebenfalls erwägt man, die Zwischenbildebene 28 auf ein Faseroptikbündel zu projizieren, wobei das andere Ende des Bündels als Eingang in die Endlinse 22 dient. Dies würde eine größere Flexibilität bei der Positionierung des Bildes ermöglichen, jedoch mit einem möglichen Verlust an Helligkeit und Auflösung. Ein Beispiel eines Faseroptikbündels wird von Galileo Optics of Starbridge, Massachusetts, hergestellt.

Eliminierung der Bilddrehung

Bei Verwendung einer Rotatoranordnung 20 mit einem Lenkspiegel 24 war in der Vergangenheit die Drehung der Anordnung 20 mit der Drehung des Spiegels 24 gekoppelt, so daß die Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Rotatoranordnung 20 beim Schwenken durch den Drehtisch 38 nach links oder rechts exakt die Hälfte jener des Lenkspiegels 24 betragen.
Bei der Verwendung von Schrittmotoren wie die Motoren 42, 48, 50 und 52 ohne eine mechanische Kopplung zwischen diesen, muß der initialen Geschwindigkeit nicht Null, die man im Geschwindigkeitsprofil einer Bewegung vorfindet, Rechnung getragen werden. Wenn die Steuerung des Schrittmotors eine Bewegung bzw. einen Schritt ausführt, setzt sie den Motor augenblicklich mit einer initialen Geschwindigkeit Vi in Bewegung, gefolgt von einer Geschwindigkeitszunahme bis zur Endgeschwindigkeit Vf mit einer Beschleunigung A. Bei Annäherung an das Ziel führt der Motor eine Verzögerung von -A durch, erreicht wieder Vi und stoppt daraufhin. Die übliche Maßeinheit für Geschwindigkeit und Beschleunigung ist Schritte/Sekunde bzw. Schritte/Sekunde/Sekunde.
Es ist wünschenswert, die Beschleunigung der Rotatoranordnung 20 derart einzustellen, daß die Rotatoranordnung 20 in dem Moment, in dem der Lenkspiegel 24 aufhört zu beschleunigen und sich mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen beginnt, einen Winkel durchschritten hat, der exakt die Hälfte des Winkels des Lenkspiegels 24 beträgt. Daher beginnen beide gleichzeitig ihre Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, wobei ihre jeweiligen Drehungen derart koordiniert sind, daß die Bilddrehung während der Bewegung eliminiert wird.
Der Lenkspiegel 24 hat eine initiale Geschwindigkeit Vi&sub1;, eine Endgeschwindigkeit Vf&sub1; und eine Beschleunigung A&sub1;. Die Rotatoranordnung 20 hat eine initiale Geschwindigkeit Vi&sub2;, eine Endgeschwindigkeit Vf&sub2; = (Vf&sub1;)/2, und es wird die Beschleunigung A&sub2; berechnet.
Die Beschleunigungszeit t zum Lenken des Spiegels 24 ist
t = (Vf&sub1; - Vi&sub1;)/A&sub1;.
Der am Ende der Beschleunigung für den Lenkspiegel 24 zurückgelegte Weg wird gegeben durch:
x = Vi&sub1;(t) + (1/2) (A&sub1;)t²
Der Weg, den die Rotatoranordnung 20 in der Zeit t zurücklegen muß, ist die Hälfte des Wertes von x, oben, weshalb:
x/2 = Vi&sub2;(t) + (1/2) (A&sub2;)t²
wobei A&sub2; gelöst wird
A&sub2; = (x - 2Vi&sub2;(t)/t²
Beispiel: Die Tische 32 und 38, die in Fig. 3 dargestellt sind, werden so bewegt, daß keine Bilddrehung sichtbar ist.
Tisch 38 Initialgeschwindigkeit: 400 Schritte/ Sek.
Tisch 38 Endgeschwindigkeit: 10000 Schritte/Sek.
Tisch 38 Beschleunigung: 10000 Schritte/Sek./Sek.
Tisch 32 Initialgeschwindigkeit: 400 Schritte/Sek.
t = (10000-400)/10000 = 0,96 Sekunden
x = 400(0,96) + (1/2)(10000)(0,96)² = 4992 Schritte am Ende der Beschleunigung (von dem Tisch 38 zurückgelegter Weg),
weshalb sich die Beschleunigung der Rotatoranordnung 20 an dem Tisch 32 wie folgt berechnet:
A&sub2; = (4992-2(400)(0,96))/0,96²
A&sub2; = 4583,3 Schritte/Sek./Sek.
Indem die Beschleunigung des Tisches 38 10000 Schritte/Sek./Sek. und die des Tisches 32 4583,3 Schritte/Sek./Sek. beträgt, hat die Rotatoranordnung 20 etwa die Hälfte der Beschleunigung des Lenkspiegels 24.
Der Computer 46 für den Betrieb der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein IBM kompatibler 80386SX von NEC Boxborough, Massachusetts (Vertreiber), wenngleich auch jeder andere Computer mit ähnlichen Merkmalen verwendet werden könnte.
Die vorstehende Offenbarung und Beschreibung der Erfindung dienen lediglich deren Darstellung und Erläuterung. Verschiedene Änderungen hinsichtlich Größe, Form und Material sowie hinsichtlich der Details des Ausführungsbeispiels sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung, die für die Verwendung mit einem Projektor angepaßt ist, umfassend:

- eine erste Linse (18), die eine divergierende Abbildung kollimiert, um ein kollimierte Abbildung zu schaffen;

- eine Rotatoranordnung (20), die die kollimierte Abbildung dreht, und

- einen Lenkspiegel (24), der die Abbildung in Echtzeit auf eine Betrachtungsfläche (26) projiziert,

- wodurch die Rotatoranordnung (20) die kollimierte Abbildung in Reaktion auf die horizontale Bewegung des Lenkspiegels (24) dreht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine zweite Linse (22), die die kollimierte Abbildung zu einer wiederhergestellten divergierenden Abbildung rekonstruiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Projektor ferner einen Ablenkspiegel (16) aufweist, der divergierendes Laserlicht projiziert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher sich der Lenkspiegel (24) unabhängig von der Rotatoranordnung (20) bewegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher sich der Lenkspiegel (24) proportional zur Rotatoranordnung (20) bewegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schrittmotor (48) zum Bewegen der Rotatoranordnung (20).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schrittmotor (42) zum Bewegen des Lenkspiegels (24).

8. Vorrichtung nach Anspruch b und/oder 7, ferner umfassend einen Computer zur Steuerung der Bewegung des Schrittmotors.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend einen drehbaren Polygonspiegel (Horizontal-Scanner) mit einer vorgegebenen Anzahl von Facetten, der mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit drehbar ist, und eine Projektorlinse (L7), die zwischen dem Ablenkspiegel (16) und dem Polygonspiegel angeordnet ist, wodurch der Projektor eine divergierende Abbildung produziert, die zur Schaffung einer kollimierten Abbildung durch die erste Linse (18) kollimiert wird, wobei, wenn die Anzahl der Facetten des Polygonspiegels über die vorgegebene Anzahl von Facetten erhöht wird, die Brennweite der Projektorlinse (L7) reduziert oder die Brennweite der ersten Linse (18) vergrößert werden kann, um unter Beibehaltung der vorgegebenen Geschwindigkeit des Polygonspiegels hohe Ablenkgeschwindigkeiten und kurze Projektionsentfernungsverhältnisse zu schaffen.