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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsanzeigevorrichtung
unter Verwendung eines Lasers als Lichtquelle. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung eine Laserprojektionsanzeigevorrichtung
mit Mitteln zur Reduzierung der Darstellung kohärenzinduzierter Artefakte und
Speckles in dem Display.
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Projektionsanzeigesysteme
zur Anzeige von Videobildern sind in der Technik bekannt. Diese
Systeme können
eine weiße
Lichtquelle sein, beispielsweise eine Xenonbogenlampe, die ein oder
mehr Lichtventile oder Raumlichtmodulatoren mit entsprechender Farbfilterung
beleuchten, um ein gewünschtes
Bild zu erzeugen, wobei das Bild auf einen Betrachtungsschirm projiziert
wird.
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Laser
sind eine beliebte Lichtquelle als Alternative zu Bogenlampen für Projektionsanzeigen.
Ein potenzieller Vorteil ist ihr großer Farbfächer mit sehr gesättigten
Farben. Die Laserbeleuchtung bietet das Potenzial sehr einfacher,
kosteneffizienter optischer Systeme, die eine verbesserte Effizienz
und höheren Kontrast
in Verbindung mit bestimmten Raumlichtmodulatoren liefern. Ein Nachteil
von Lasern für
Projektionsanzeigen ist das bisherige Fehlen einer kostengünstigen
Laserquelle mit ausreichender Leistung bei sichtbaren Wellenlängen. Derartige
Laser (obwohl immer noch teuer) werden mittlerweile von JenOptik
und Lumera Laser GmbH hergestellt und sind modengekoppelte, diodengepumpte
Halbleiterlaser, von denen jeder mit einem nicht linearen, optischen System
mit einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) zur gleichzeitigen
Erzeugung roten, grünen
und blauen Lichts ausgestattet ist. Dieses System wurde von Wallenstein
in US-A-5,828,424, erteilt am 27. Oktober 1998, und in US-A-6,233,025,
erteilt am 15. Mai 2001 sowie von Nebel in US-A-6,233,089, erteilt
am 15. Mai 2001, beschrieben. Ein weiteres von Moulton in US-A-5,740,190,
erteilt am 14. April 1998, beschriebenes Beispiel wird von Q-Peak
entwickelt und ist ein Q-geschalteter DPSS-Laser mit einem OPO-System zur gleichzeitigen
Erzeugung roten, grünen
und blauen Lichts.
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Raumlichtmodulatoren
bilden eine weitere Komponente für
Laseranzeigesysteme. Beispiele zweidimensionaler Raumlichtmodulatoren
sind reflektierende Flüssigkristallmodulatoren,
wie LCOS-Modulatoren (liquid-crystal-on-silicon) von JVC, Three-Five,
Aurora und Philips sowie Mikrospiegelanordnungen, wie die DLP-Chips
(Digital Light Processing) von Texas Instruments. Die Vorteile zweidimensionaler
Modulatoren gegenüber
eindimensionaler Array-Modulatoren und Rasterabtastsystemen sind
der Wegfall der erforderlichen Abtastung, der Wegfall von Streifenartefakten
aufgrund von Ungleichmäßigkeiten
in dem Modulator-Array und
die Immunität
gegenüber
Laserrauschen bei Frequenzen oberhalb der Bildwechselfrequenz (> 120 Hz). Ein weiterer
Vorteil zweidimensionaler Raumlichtmodulatoren ist die breite Toleranz
gegenüber der
Reduzierung der räumlichen
Kohärenz
des Bebilderungsstrahls. Andererseits lassen sich einige geeignete
Modulatortechnologien ohne Probleme als eindimensionale Geräte mit hohem
Füllfaktor
herstellen, wobei die zweidimensionalen Konstruktionen stärker eingeschränkt sind.
Beispiele eindimensionaler oder linearer Raumlichtmodulatoren sind
u.a. das Grating Light Valve (GLV) von Silicon Light Machines, beschrieben
in US-A-5,311,360, erteilt am 10. Mai 1994 an Bloom et al.; der
conformale Grating-Modulator,
beschrieben in US-A-6,307,663, erteilt am 23. Oktober 2001 an Kowarz;
und der elektrooptisch reflektierende Grating-Modulator, beschrieben
in US-A-6,084,626, erteilt am 4. Juli 2000 an Ramanujan et al.
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Obwohl
leistungsstarke sichtbare Laser neue Möglichkeiten für die Konstruktion
von Projektionssystemen bieten, u.a. einen erweiterten Farbfächer und
eine vereinfachte optische Konstruktion, ist Laserlicht in anderer
Hinsicht nicht optimal für
Bildprojektionssysteme mit Raumlichtmodulatoren geeignet. Laser
sind besonders helle Lichtquellen, die im Allgemeinen ein kohärentes Licht
innerhalb eines sehr kleinen optischen Volumens ausstrahlen (Etendue
or Lagrange). Etendue ist das Produkt der Brennpunktfläche und
des Raumwinkels des Strahls im Brennpunkt. Lagrange ist das Produkt
des Brennpunktradius und der numerischen Apertur. Beispielsweise
kann ein Einmoden-Grünlaser
mit einem beugungsbegrenzten Strahl einen Lagrange-Wert von ca.
0,3 μm aufweisen,
was um ca. 15.000 mal kleiner als der Lagrange-Wert für eine konventionelle Weißlichtlampenquelle,
wie etwa eine Bogenlampe, ist. Mit einem derart kleinen Lagrange-Wert
sind Laser sehr effektiv in Rasterabtastsystemen verwendbar, einschließlich derjenigen
für Lichtpunktdrucker
und Laser-Light-Shows, bei denen eine enge Steuerung des Strahls
wünschenswert
ist.
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In
einem Bildprojektionssystem, in dem ein bildtragendes Medium, wie
ein Film oder ein Raumlichtmodulator gegen eine Mattscheibe oder
eine Zielebene bebildert wird, ist die hohe Kohärenz und der kleine Lagrange-Wert
des Lasers auf keinen Fall wünschenswert.
In einem derartigen Bebilderungssystem ermittelt sich der Lagrange-Wert
durch die lineare Größe der Projektionsfläche (Größe des Raumlichtmodulators),
multipliziert mit der numerischen Apertur der Sammellinse. Die entsprechende Einheit,
Etendue, wird ähnlich
berechnet. In vielen Weißlichtprojektionssystemen
ist die Projektionslinse recht lichtstark (beispielsweise f/3),
um so viel Licht wie möglich
zu erfassen. Dennoch überfüllt eine
typische Weißlichtlampenquelle
das Lichtventil und die Projektionslinse, so dass eine erhebliche
Lichtmenge verloren geht. In einem repräsentativen System unter Verwendung
eines üblichen
Lichtventils mit einer Diagonale von 22,86 mm (0,9 Zoll) und einer
Projektionslinse von f/3 würde
die optimale Lichtquelle einen Lagrange-Bereich von ca. 2,0 mm aufweisen,
um eine gute Füllung
ohne Überfüllung zu
erzielen. Eine übliche
Weißlichtquelle
mit einem typischen Lagrange-Wert von 2–10 mm ist andererseits nicht
ausreichend hell, um dieses repräsentative
System zu überfüllen.
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Im
Falle eines Laseranzeigesystems mit Bildflächenprojektion (im Unterschied
zur Rasterabtastung) tritt das entgegengesetzte Problem auf, dass
nämlich
die Laser zu hell sind. Zudem ist es wegen möglicher Interferenzeffekte,
wie Ringen, die sich über
das angezeigte Bild legen können,
nicht wünschenswert,
den Raumlichtmodulator mit einer kohärenten Lichtquelle zu beleuchten.
Beugungsartefakte können
durch starke, kohärente
Lichtstrahlen entstehen, die die Gitterelektrode eines Flüssigkristallscheibchens
beleuchten, zumal wenn dieses durch Staub oder andere Unreinheiten
verunreinigt ist. Eine geringere Helligkeit (oder ein höherer Lagrange-Wert
der Lichtquelle) ist daher für
derartige Laserprojektionssysteme erforderlich.
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Eine
definierte Reduzierung der Bildquellenhelligkeit kann ebenfalls
von großer
Bedeutung sein. Das optische System der Projektionsanzeige lässt sich
derart auslegen, dass das System auf Auflösung, Lichtstärke und
Einfachheit optimiert und abgestimmt ist. Durch Definition der Blendenzahl
des Systems anhand eines Kriteriums, das nicht die Lichtstärke (Lichtausbeute)
des Systems ist, lässt
sich die Spezifikation anderer Systemkomponenten vereinfachen, wie
die des Projektionsobjektivs, der Farbfilter und der Polarisationsoptik,
wodurch die Systemkosten im Vergleich mit einigen lampengestützten Projektionssystemen
drastisch sinken.
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Zwar
lassen sich Laserquellen zur Verwendung in Projektionsanzeige-Beleuchtungssystemen und
Projektionsanzeige-Bebilderungssystemen optimieren, ohne dass aber
damit der Nachteil der Speckle-Bildung beseitigt wäre. Speckle
tritt aufgrund der starken Kohärenz
(räumlich
und zeitlich) auf, die den meisten Laserquellen zueigen ist. Speckle
erzeugt eine Rauschkomponente in dem Bild, die sich als körnige Struktur
zeigt, und die die Schärfe des
Bildes mindert und für
den Betrachter störend
ist. Das Speckle-Problem sowie das Fehlen geeigneter Laserquellen
hat die Entwicklung vermarktungsfähiger, lasergestützter Anzeigesysteme
verhindert.
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In
der Technik wurden bereits viele Versuche unternommen, um Speckles
zu reduzieren. Ein gängiger
Ansatz ist die Reduzierung der zeitlichen Kohärenz durch Aufweitung der Linienbreite
des Laserlichts. Andere Ansätze
zur Reduzierung der zeitlichen Kohärenz bestehen darin, die Beleuchtungswellenfront
in einzelne Strahlen aufzuteilen und zueinander um mehr als die
Kohärenzzeit
des Lasers zu verzögern,
wie beispielsweise von Rasmussen et al in US-A-5,224,200, erteilt am 29. Juni 1993,
beschrieben. Eine dynamische Veränderung
des Speckle-Musters durch Schwingung oder dynamische Veränderung
des Schirms ist eine weitere Möglichkeit
zur Reduzierung der Sichtbarkeit des Speckle-Musters, siehe beispielsweise
US-A-5,272,473 von Thompson et al, erteilt am 21. Dezember 1993. Ein
weiterer Ansatz zur Speckle-Reduzierung umfasst die Kopplung des
Laserlichts in eine optische Mehrmodenfaser und das Schwingen dieser
Faser, um ein Mode-Scrambling zu erzielen, wie in US-A-3,588,217 von Mathisen
beschrieben, erteilt am 28. Juni 1971.
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Eine
weitere Gruppe von Despeckling-Lösungen
nutzt ein Diffusorelement, das innerhalb des Projektorsystems bewegt
oder in Schwingung gebracht wird. Dies erfolgt typischerweise auf
einer Zwischenbildebene, wie in US-A-4,035,068 von Rawson beschrieben,
erteilt am 12. Juli 1977. Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht darin,
dass die Diffusion genau auf der Bildebene auftreten muss, oder
es kommt zu einer Weichzeichnung des Bildes. Die Komplexität der Projektionslinse
wird zudem dadurch erhöht,
dass es erforderlich ist, eine Zwischenbildebene vorzusehen. Ein
Mittel zur dynamischen Variation des Speckle-Musters durch dynamische
Diffusion des Laserstrahls in der Bildebene der Vorrichtung wäre zu bevorzugen.
Ein Hologramm-Beleuchtungssystem, das diesen Ansatz nutzt, wird
von vanLigten in US-A-3,490,827,
erteilt am 20. Januar 1970, beschrieben, worin ein Diffusor im Fokus
eines Strahlaufweiters gedreht wird. Florence beschreibt in US-A-5,313,479,
erteilt am 17. Mai 1994, die Beleuchtung eines Lichtventils durch
einen rotierenden Diffusor. Diese Ansätze haben den Nachteil, dass
sie sich nicht an eine gleichmäßige, effiziente
Beleuchtung eines rechteckigen Raumlichtmodulators anpassen lassen.
Butterworth et al. beschreibt in US-A-6,005,722, erteilt am 21.
Dezember 1999, ein System, in dem eine Platte von unterschiedlicher
Dicke in der Beleuchtung eines Lichtleiterhomogenisierers gedreht
wird. Bei Verwendung mit Lasern setzen Lichtleiterhomogenisierer
allerdings entweder eine große
numerische Apertur oder eine bestimmte Länge voraus, um eine ausreichende
Gleichmäßigkeit
zu erzielen, und bietet weniger Steuerung mit weniger Freiheitsgraden
als Systeme, die mit Fliegenaugenoptiken konstruiert sind. Daher
ist es schwieriger, die Beleuchtungshelligkeit zu steuern und gleichzeitig ein
kompaktes System mit gleichmäßiger Beleuchtung
herzustellen.
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Das
von Trisnadi in US-A-6,323,984, erteilt am 27. November 2001, beschriebene
Laserprojektionssystem beschreibt eine Konstruktion, in der ein Wellenfrontphasenmodulator
verwendet wird, um ein strukturiertes Phasenprofil über den
Bebilderungsstrahl zu legen. Die Bilddaten werden mithilfe eines
linearen GLV-Raumlichtmodulators über den Strahl gelegt. Dieser
Modulator wird auf einer Zwischenebene bebildert, wo sich der Wellenfrontmodulator
befindet, und das Zwischenbild wird anschließend auf einem Schirm neu abgebildet,
wobei das Bild durch die Bewegung eines Galvanometers ausgescannt wird.
Dieses System beruht auf der Tatsache, dass ein statisches Phasenprofil,
das durch den Wellenfrontmodulator erzeugt wird, auf das Zeilenbild
in der Abtastrichtung gelegt wird. Zu jedem Zeitpunkt wird ein einzelner
Punkt des Schirms von einem Punkt auf dem Phasenprofil beleuchtet.
Die Gesamtintensität eines
einzelnen Punktes auf dem Schirm ist die "inkohärente" Addition aller Phasen. Das Phasenprofil auf
dem Wellenfrontmodulator muss derart beschaffen sein, dass sich
die Interferenzeffekte der starken und schwachen Phasen im Allgemeinen
gegenseitig eliminieren. Zwar bietet das in US-A-6,323,984 beschriebene
System eine gewisse Speckle-Reduzierung,
aber durch die Tatsache, dass sich der Wellenfrontmodulator in einer
Zwischenbildebene innerhalb des Bebilderungssystems befindet statt
innerhalb des Beleuchtungssystems, leidet die Systemleistung, da
die Phasenänderungen
dadurch begrenzt sind, dass sie die Bildqualität nicht deutlich beeinflussen. Weil
der genannte Wellenfrontmodulator eine statische Einrichtung ist,
die als ein passives, räumlich variables
Phasengitter ausgelegt ist, bietet sie weniger Kontrolle und Variation
der Phase als eine aktive Einrichtung und somit eine potenziell
kleinere Speckle-Reduzierung.
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Ein
weiterer Nachteil der Verwendung eines Lasers als Lichtquelle in
einem Bildprojektor ist die Empfindlichkeit gegenüber Interferenzen
oder das Auftreten von Beugungsartefakten in dem Lichtventil. Dies
gilt besonders für
Flüssigkristallmodulatoren, wobei
die Dünnfilmstruktur
zur Ringbildung in dem Bild aufgrund von Ungleichmäßigkeiten
in den Filmschichten führen
kann. Beugungsartefakte entstehen durch Beleuchten eines Gitterelektrodenmusters
in dem Lichtmodulator mit einem stark kohärenten Lichtstrahl.
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Es
besteht Bedarf nach einer lasergestützten Anzeigevorrichtung, die
einen Raumlichtmodulator verwendet, die Steuerung der Beleuchtungshelligkeit zur
Optimierung der Systemkonstruktion ermöglicht, eine reduzierte Speckle-Bildung
aufweist und Kohärenzartefakte
am Raumlichtmodulator beseitigt, während sie gleichzeitig einen
hohen Durchsatz aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, die eine Anzeigevorrichtung
bereitstellt, die eine Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls
mit einer Kohärenzlänge umfasst,
einen Strahlaufweiter zur Aufweitung des Lichtstrahls, einen Raumlichtmodulator,
Strahlformungsoptik zur Formung des aufgeweiteten Laserstrahls derart, dass
der Raumlichtmodulator gleichmäßig ausgeleuchtet
wird, wobei die Strahlformungsoptik einen Fliegenaugenintegrator
mit einer Anordnung von Linsenelementen umfasst; einen elektrisch
steuerbaren und adressierbaren Despeckling-Modulator mit elektrisch
unabhängig
adressierbaren Modulatorstellen zur Modifikation der zeitlichen
und räumlichen
Phase des Lichtstrahls, worin der Despeckling-Modulator innerhalb
der Strahlformungsoptik oder zwischen der Strahlformungsoptik und
dem Strahlaufweiter angeordnet ist; und einer Projektionslinse zur
Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes an einem entfernten Schirm.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Laseranzeigesystem vor, in dem Speckle
in dem projizierten Bild mithilfe eines elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators
reduziert wird, der innerhalb des Beleuchtungsteils des optischen
Systems angeordnet ist. Dieses Despeckling-Verfahren unter Verwendung einer in
dem Projektor integrierten Konstruktion bedeutet, dass die betriebliche
Leistung des Systems nicht von externen Einrichtungen, wie schwingenden Schirmen,
abhängt,
die sich in Anwendung und Konstruktion je nach Aufführungsort
voneinander unterscheiden können.
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US-A-5,704,700
beschreibt eine Laserprojektionsvorrichtung mit einer Strahlformungsoptik und
einem hinter der Strahlformungsoptik angeordneten Speckle-Eliminator.
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US-A-6,154,259
beschreibt eine Laserprojektions-Anzeigevorrichtung mit einem linearen Raumlichtmodulator,
einem Despeckling-Modulator und Abtastmitteln, denen ein Projektionsobjektiv nachgeordnet
ist.
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Keines
der genannten Dokumente beschreibt allerdings den zuvor beschriebenen
und in Anspruch 1 spezifizierten elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator.
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Da
die Despeckling-Einrichtungen innerhalb des Beleuchtungssystems
wirken und nicht in der Bebilderungsoptik, wie es sonst üblich ist,
lassen sich Speckles so reduzieren, dass sie nicht mehr wahrnehmbar
sind, ohne die Qualität
des am Schirm angezeigten Bildes zu beeinträchtigen. Durch Feinabstimmung
der Konstruktion und des Betriebs des Despeckling-Modulators innerhalb
des Beleuchtungssystems lässt
sich dieses System entweder mit einer Regelung spontan optimieren
oder auch progressiv dadurch, dass sich die Technologien für die Laserquelle
und den Raumlichtmodulator im Laufe der Zeit weiterentwickeln. Dieses
System sollte zudem mechanisch und elektrisch robust, lichtstark
und gegenüber
einer Fehlausrichtung unempfindlich sein.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
perspektivische Ansicht des Laseranzeigesystems mit einem elektrisch
steuerbaren elektrooptischen Despeckling-Modulator und einem linearen
Raumlichtmodulator gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2a eine
Schnittansicht des Laseranzeigesystems mit einem elektrisch steuerbaren
elektrooptischen Despeckling-Modulator und einem linearen Raumlichtmodulator
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2b einer
Schnittansicht einer alternativen Konfiguration für einen
Teil des in 2a gezeigten optischen Laseranzeigesystems;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Version des in der vorliegenden
Erfindung verwendeten, elektrisch steuerbaren, elektrooptischen Despeckling-Zeit-/Phasen-verzögerungsmodulators;
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4 eine
Schnittansicht der ersten Version des in der vorliegenden Erfindung
verwendeten, Zeit-/Phasenverzögerungsmodulators;
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5a eine
Darstellung des Phasenprofils der Ausgabe eines optischen Systems,
das sichtbare Speckles aufweist;
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5b eine
Darstellung des Phasenprofils der Ausgabe eines optischen Systems,
bei dem die Sichtbarkeit von Speckles reduziert ist;
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5c eine
Darstellung des Phasenprofils der Ausgabe eines elektrisch steuerbaren
Despeckling-Modulators, der Übersprechen
aufweist;
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5d eine
Kurvendarstellung der relativen Phasenverzögerung zwischen benachbarten
Modulatorstellen für
einen elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator mit lateralen
und zeitvariablen Phasenstörungen;
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6a und 6b perspektivische
Ansichten alternativer elektrisch steuerbarer Despeckling-Modulatoren, die
in der erfindungsgemäßen Laserprojektionsanzeige
verwendbar sind;
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7a und 7b die
Wirkung eines erfindungsgemäßen Modulators
in Bezug auf eine nicht beeinträchtigte
Wellenfront und auf eine verzerrte Wellenfront bei einfallendem
kollimierten Licht;
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7c und 7d die
Wirkung eines erfindungsgemäßen Modulators
in Bezug auf eine nicht beeinträchtigte
Wellenfront und auf eine abgeschnittene Wellenfront bei einfallendem
kollimierten Licht;
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8 eine
Schnittdarstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laseranzeigesystems
unter Einbeziehung mehrerer Verzögerungen
in der Größenordnung
der kohärenten
Länge;
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9 eine
Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Laseranzeigesystems unter
Verwendung eines Flüssigkristallanzeige-Lichtventils;
und
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10 eine
Schnittdarstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laseranzeigesystems
unter Verwendung eines Mikrospiegel-Array-Lichtventils.
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Die
Laseranzeigevorrichtung 100 nach einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird in perspektivischer Ansicht in 1 gezeigt
und umfasst eine Laserlichtquelle 110, die einen Laserstrahl 115 einer
gewünschten
Wellenlänge
entweder kontinuierlich oder gepulst ausstrahlt. Die Laserlichtquelle 110 kann
beispielsweise ein Festkörperlaser, ein
Faserlaser, ein Gaslaser oder ein Halbleiterlaser sein. Die Laserlichtquelle 110 ist
vorzugsweise ein diodenlasergepumpter Festkörperlaser mit einem Laserkristall
(z.B. Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4 oder Yb:YAG),
das Infrarotlichtimpulse ausstrahlt und eine nichtlineare Optik
umfasst (typischerweise optisch-parametrische Oszillatoren (OPOs),
die die Infrarotlichtimpulse von dem Laserkristall in rote, grüne und blaue
Lichtimpulse umwandeln. Für
die Laserlichtquelle 110 geeignete, modengekoppelte RGB-Laser
werden von der Lumera Laser GmbH und JenOptik hergestellt. Ein weiterer
geeigneter Laser ist der von Q-Peak entwickelte Q-switched RGB-Laser.
Zur Vereinfachung wird die Laseranzeigevorrichtung 100 nur
für eine
Wellenlänge
gezeigt. Diese Laser erzeugen im Allgemeinen hochwertige Einmodenstrahlen,
die eine moderate Laserlinienbreite (< 1,5 nm), kleine Lagrange-Werte (< 0,5 μm) und mäßig lange
Kohärenzlängen CL (0,1–10,0
mm) aufweisen. Die Laseranzeigevorrichtung 100 wird in
einer Schnittansicht in 2a gezeigt,
um einige Aspekte der nicht ohne weiteres in der perspektivischen
Ansicht aus 1 gezeigten Konstruktion zu
verdeutlichen.
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Die
Strahlaufweitungsoptik 120 weitet den Laserstrahl auf,
um einen kollimierten Strahl 145 zu erzeugen, der den nötigen Durchmesser
aufweist, um die Apertur der Strahlformungsoptik 180 auszufüllen. Der
Strahlaufweiter 120 kann beispielsweise ein brennpunktloses
Linsenpaar sein, wie Fachleuten aus dem Bereich der Optik bekannt
ist. Alternativ hierzu ist beispielsweise ein Galilei- oder Kepler-Strahlaufweiter
mit drei Zoom-Elementen verwendbar. Der brennpunktlose Strahlaufweiter 120 umfasst
eine divergierende Linse 125 und eine kollimierende Linse 140.
Die divergierende Linse 125 kann eine einzelne Linse oder
ein Linsenverbund sein, beispielsweise ein Mikroskopobjektiv, und
den Laserstrahl 115 in einen divergierenden Strahl 130 umwandeln.
Die kollimierende Linse 140 kann eine einzelne Linse oder
ein Linsenverbund sein und wandelt den divergierenden Strahl 130 in
einen kollimierten Strahl 145 um. Dieser kollimierte Strahl 145 wirkt mit
dem Diffusor 150 und einem elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 zusammen
und wird von der Strahlformungsoptik 180 weiter abgewandelt.
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Während die
in 1 und 2a gezeigte Laseranzeigevorrichtung
einen linearen Raumlichtmodulator 200 verwendet, der in
x-Richtung langgestreckt und in y-Richtung schmal ist, sind der
Strahlaufweiter 120 und die Strahlformungsoptik 180 anamorphotisch
konstruiert und verwenden im Allgemeinen eine entsprechende Anordnung
zylinderförmiger Linsen.
Typischerweise ist es wünschenswert,
den linearen Raumlichtmodulator 200 mit einer langen, schmalen
Linie eines gleichmäßig telezentrisch
einfallenden Lichts zu füllen.
Beispielsweise kann der Beleuchtungslichtstrahl ein einheitliches
Lichtprofil aufweisen, das sich 25–75 mm in x-Richtung des Array
erstreckt, während
das Licht in Richtung des Cross-Arrays nur eine Breite von 20–100 μm Breite beleuchtet,
und zwar typischerweise mit einem einheitlichen oder einem Gaußschen Strahlenprofil.
In dem vereinfachten Fall des Laserdisplaysystems aus 1 wird
die Cross-Array-Optik, die den Lichtstrahl auf den linearen Raumlichtmodulator 200 kondensiert
oder fokussiert, zur Vereinfachung als Cross-Array-Kondensor 195 mit
einer einzelnen Linse gezeigt.
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Im
Falle des Systems aus 1 arbeitet der Strahlaufweiter 120 für eine Laserprojektionsanzeige mit
einem linearen Raumlichtmodulator 200 nur in der Array-Richtung,
also anamorphotisch, und erzeugt eine Strahlaufweitung in Richtung
des linearen Lichtventils (x-Richtung).
In diesem Fall ist die Strahlformungsoptik 180 ebenfalls
anamorphotisch (zylinderförmiger
Querschnitt) mit optischer Leistung in x-Richtung und flachen Oberflächen in y-Richtung (mit
Ausnahme des Cross-Array-Kondensors 195). Die Strahlformungsoptik 180 umfasst
einen Fliegenaugenintegrator 175. Der Fliegenaugenintegrator 175 erzeugt
eine effiziente, gleichmäßige Beleuchtung über die
Fläche
eines linearen Raumlichtmodulators 200. Der Fliegenaugenintegrator 175 umfasst ein
erstes Linsenelement-Array 178a und ein zweites Linsenelement-Array 178b,
die typischerweise identisch sind. Die ersten und zweiten Linsenelement-Arrays 178a und 178b umfassen
eine Vielzahl von Linsenelementen mit zylinderförmiger Oberfläche, die zu
einem eindimensionalen Muster angeordnet sind. Das zweite Linsenelement-Array 178b ist
von dem ersten Linsenelement-Array 178a durch ungefähr die Brennweite
der Linsenelemente in dem ersten Linsenelement-Array 178a getrennt,
so dass jedes Linsenelement in dem ersten Linsenelement-Array 178a Licht
auf das entsprechende Linsenelement in dem zweiten Linsenelement-Array 178b fokussiert.
Andere Konstruktionen sind möglich,
in denen das erste und zweite Linsenelement-Array 178a und 178b unterschiedlich
sind, aber so abgestimmt sind, dass sie die gewünschte Beleuchtung erzeugen.
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Alternativ
hierzu können
das erste und zweite Linsenelement-Array 178a bzw. 178b in
einen einzelnen Block aus Glas oder Kunststoff integriert werden.
Die Erfindung lässt
sich auch ohne die Verwendung des zweiten Linsenelement-Arrays 178b verwenden,
insbesondere wenn ein kleiner Diffusionswinkel verwendet wird.
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Die
Strahlformungsoptik 180 umfasst zudem eine Kondensorlinse 185 und
eine Feldlinse 190, die hinter dem Fliegenaugenintegrator 175 angeordnet sind.
Das zweite Linsenelement-Array 178b wirkt mit der Kondensorlinse 185 zusammen,
um die Linsenelemente des ersten Linsenelement-Arrays 178a überlagernd
zu bebildern und eine gleichmäßige Beleuchtungsfläche an dem
linearen Raumlichtmodulator 200 zu erzeugen. Die Feldlinse 190 erzeugt
eine telezentrische Beleuchtung des linearen Raumlichtmodulators 200,
um das System gegenüber
Fokussierungsfehlern zu desensibilisieren und die gesamte numerische
Apertur der Beleuchtung zu minimieren. Die Feldlinse 190 hat
eine Nennbrennweite, die der Brennweite des Linsenelements multipliziert
mit der Vergrößerung des
Beleuchtungsbildes entspricht. Der Abstand zwischen der Feldlinse 190 und
der Kondensorlinse 185 sollte im Allgemeinen gleich der Brennweite
der Kondensorlinse 185 sein, um eine telezentrische Beleuchtung
zu erhalten. Die Brennweiten der Linsenelement-Arrays und der Kondensorlinse 185 sind
typischerweise derart gewählt,
dass sie einen ausreichenden Arbeitsabstand in Nähe des linearen Raumlichtmodulators 200 vorsehen,
so dass die Optomechanik relativ einfach zu konstruieren ist. Die einzelnen
Linsenelemente können
zwar ca. 100 μm
bis 8 mm breit sein, sind typischerweise aber 1 bis 5 mm breit.
Der Bereich der verfügbaren
Linsenelementgrößen hängt von
den verwendeten Fertigungstechnologien ab.
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Der
lineare Raumlichtmodulator 200 erzeugt zu einem gegebenen
Zeitpunkt jeweils eine einzelne Zeile 220 des Bildes. Ein
Scanner, wie beispielsweise ein Galvanometerspiegel 210,
ein rotierendes Polygon oder ein rotierendes Prisma führt die
Bildzeilen über
den Schirm, um ein zweidimensionales Flächenbild 225 am Schirm 215 zu
erzeugen. Im Falle der in 1 und 2a gezeigten
Laseranzeigevorrichtung 100 ist das System als ein Post-Objektivscanner
konfiguriert, bei dem sich das Projektionsobjektiv 205 vor
dem Galvanometerspiegel 210 befindet. Wenn der lineare
Raumlichtmodulator 200 beispielsweise eine aktive Fläche von
40 mm Länge
aufweist und die gewünschte
Bildgröße am Schirm 215 eine
Breite von 9,144 m aufweist, würde
die Projektionslinse 205 mit einer ca. 230 fachen Vergrößerung arbeiten.
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Für den linearen
Raumlichtmodulator 200 ist eine Vielzahl verschiedener
Technologien verwendbar. Wie in 1 und 2a gezeigt,
ist diese Vorrichtung ein transmissiver Modulator, der die Bilddaten
in dem Lichtstrahl durch Modulation des Lichts codiert. Diese Vorrichtung
könnte
beispielsweise eine elektrooptische Modulatoranordnung aus PLZT sein,
die die Polarisation des einfallenden Lichtstrahls pixelweise dreht.
In diesem Fall würde
das (nicht gezeigte) Polarisations-Strahlenteilungsprisma an einer
Stelle zwischen dem linearen Raumlichtmodulator 200 und
dem Galvanometerspiegel 210 angeordnet sein, um die modulierten
und nicht modulierten Teile des Lichtstrahls zu trennen. Alternativ hierzu
könnte
der lineare Raumlichtmodulator 200 eine transmissive akusto-optische
Array-Vorrichtung sein, ähnlich
wie die in von Gross in US-A-5,309,178, erteilt am 3. Mai 1994,
beschriebene Vorrichtung, die ein Phasenprofil pixelweise auf den
einfallenden Lichtstrahl legt. In diesem Fall könnte ein optisches System nach
Schlieren konstruiert werden, indem ein (nicht gezeigtes) Raumfilter
in dem Projektionsobjektiv 205 auf Fourier-Ebene angeordnet
wird. Auch reflektierende Gittermodulator-Arrays sind verwendbar, beispielsweise
ein GLV (Grating Light Valve), wie von Bloom et al in US-A-5,311,360,
erteilt am 10. Mai 1994, beschrieben, eine konforme Gittervorrichtung, wie
von Kowarz in US-A-6,307,663, erteilt am 23. Oktober 2001, beschrieben,
oder ein elektrooptisches Gitter, wie von Ramanujan et al. in US-A-6,084,626, erteilt
am 4. Juli 2000, beschrieben. In diesen Fällen muss die Laseranzeigevorrichtung 100 derart
modifiziert werden, dass sie den Lichtstrahl herunter zum Modulator
ablenkt, so dass der reflektierte Strahl zum System zurückgeworfen
wird (derartige Modifikationen werden in 1 und 2a gezeigt,
fallen aber in den üblichen
Bereich der Technik optischer Systeme).
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Ein
Diffusor 150 ist zwischen der Laserlichtquelle 110 und
der Strahlformungsoptik 180 angeordnet, um die Helligkeit
oder den Etendue-Wert des Laserlichts an die Bebilderungsanforderungen
des Projektionssystems anzupassen. In Falle der Laseranzeigevorrichtung 100 aus 1 und 2a,
die mit einem linearen Raumlichtmodulator 200 versehen ist,
ist der Diffusor 150 nominell ebenfalls eindimensional.
Der Diffusor 150 streut also nur Licht entlang der Länge des
Lichtventil-Arrays (in der Fig. die x-Richtung), während er
den Strahl in y-Richtung praktisch unverändert lässt. Der eindimensionale Diffusor 150 erzeugt
eine Streuung oder Diffusion, die gerade ausreicht, um das Lichtventil
wirksam zu beleuchten und nicht genügend Streulicht auf das Bild lässt. Beispiele
eindimensionaler Diffusoren sind u.a. Beugungsliniengeneratoren,
wie von MEMS Optical erhältlich,
und elliptische holografische Diffusoren, wie von der Physical Optics
Corp. erhältlich.
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Der
Diffusor 150 wird in dem optischen Beleuchtungssystem der
Laseranzeigevorrichtung 100 eingesetzt, um die Helligkeit
der Lichtquelle zu reduzieren (den Lagrange-Wert zu erhöhen). Der
Diffusorwinkel θD und die Position des Diffusors 150 sind entsprechend
wählbar.
Der Lagrange-Wert des Systems wird von dem Produkt der halben Breite
des Beleuchtungsstrahlenprofils am Diffusor 150 und dem halben
Winkel des vom Diffusor 150 gestreuten Lichts bestimmt.
Der gewünschte
Lagrange-Wert des Systems kann von der jeweiligen Bildauflösung abgeleitet
werden, der wiederum von der Auflösung des linearen Raumlichtmodulators 200 und
den Bebilderungseigenschaften des Projektionsobjektivs 205 abhängt. In
dem typischen lampengestützten
Projektor bestimmt sich der Lagrange-Wert des Systems nach der Notwendigkeit
zur Maximierung der Systemlichtausbeute. Das Projektionsobjektiv
für die
Laseranzeige muss daher eine Blendenzahl im Bereich von f/7 bis
f/15 aufweisen, statt von f/3, wie für lampengestützte Systeme
nach dem Stand der Technik erforderlich. Das eigentliche Konstruktionsziel
für die Blendenzahl
hängt von
den Bebilderungskriterien zur Bestimmung der Qualität der Linse
ab (beispielsweise könnten
die Bebilderungskriterien nach Rayleigh oder Sparrow angewandt werden).
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Beispielsweise
ergibt die Kombination eines 40 mm langen linearen Raumlichtmodulators 200 und
eines Projektionsobjektivs 205 mit Blende f/10 einen Lagrange-Zielwert
des Projektionssystems von ca. 1,0 mm in X-Richtung. In diesem Beispiel
kann der Diffusor 150 einen halben Winkel θD = 5,0° aufweisen
und in dem Beleuchtungssystem so angeordnet sein, dass dieses durch
einen kollimierten Strahl mit 22 mm Durchmesser beleuchtet wird.
In diesem Beispiel ist der Lagrange-Wert des Laserlichts auf ca. 0,3 μm bis 1,0 μm reduziert,
und ein gerichteter Reflexionsstrahl mit Blendenzahl f/10 könnte auf
den linearen Raumlichtmodulator 200 geworfen werden, vorausgesetzt,
das dazwischen angeordnete optische System hat die richtige Vergrößerung und
Linsenstruktur. Die Wahl des geeigneten Diffusors 150, des
Lagrange-Werts oder der Helligkeit der effektiven Laserlichtquelle
lässt sich
auf die Anforderungen des optischen Systems abstimmen, wodurch die Lichtausbeute
des Systems verbessert und die optische Konstruktion im Vergleich
mit einem traditionellen lampengestützten System vereinfacht wird.
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Obwohl
der Diffusor 150 die Kohärenz des Laserlichts in einem
gewissen Maße
reduziert, reicht die Kohärenz
des Laserlichts noch aus, um in dem austretenden Strahl Speckles
zu erzeugen. Wenn diese Speckles nicht weiter reduziert werden,
sind sie sowohl am linearen Raumlichtmodulator 200 als auch
am Schirm 215 als unerwünschte,
willkürliche Variation
der Lichtstärke
erkennbar. Der Fliegenaugenintegrator 175, der den linearen
Raumlichtmodulator 200 hauptsächlich gleichmäßig beleuchtet,
verstärkt
auch die Wirkung des Diffusors 150 in Bezug auf Despeckling
und Artefakt-Beseitigung. Dies ist auf die vielen, sich überlagernden
Anteile des Diffusors 150 auf dem linearen Raumlichtmodulator 200 und
somit auf dem Bild am Schirm 215 zurückzuführen. Obwohl das resultierende
Speckling innerhalb des Beleuchtungslichts am linearen Raumlichtmodulator 200 und
am Schirm 215 in Größe und Stärke im Vergleich
zu einem ähnlichen
System ohne Fliegenaugenintegrator 175 deutlich reduziert
ist, können
die verbleibenden Speckles in kritischen Anwendungen weiterhin störend sein.
Eine Projektionsanzeige, die mit einer sehr starken Vergrößerung am
Schirm und einem Schirm mit hoher Verstärkung arbeitet, während die
Betrachter den Schirm im Grenzbereich des menschlichen Auflösungsvermögens betrachten,
ist eine derart kritische Anwendung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserprojektionsvorrichtung
bereitzustellen, die eine Kombination interner Mittel nutzt, um die
Ausgabe eines pixelweise arbeitenden optischen Systems einem Despeckling
zu unterziehen. Speckling in einem derartigen System kann reduziert
werden, wenn die räumliche
und zeitliche Phase benachbarter Pixel oder Pixelgruppen nicht vollständig übereinstimmt. 5a zeigt
ein örtlich
einheitliches Phasenprofil, das sich über eine Gruppe von Pixeln
erstreckt und Speckle aufweist. Die vorliegende Erfindung verwendet
Mittel (einschließlich
eines elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160),
um das in 5a gezeigte Phasenprofil über einen
Lichtstrahl derart zu verändern,
dass dieses dem in 5b gezeigten Profil ähnlich ist. 5b zeigt
ein willkürliches
Phasenprofil, bei dem zu einem bestimmten Moment benachbarte Regionen
entlang der x-Richtung unterschiedliche Phasenprofile aufweisen. Ebenfalls
geeignet wäre
eine Geometrie, die ein periodisches oder quasiperiodisches Profil
erzeugt, wie in 5b gezeigt, das beispielsweise Übersprechen zwischen
benachbarten Modulatorstellen erzeugen kann. Zwar dienen periodische
oder quasiperiodische Phasenprofile dazu, Speckle zu reduzieren, aber
es werden unter Umständen
andere, unerwünschte
Artefakte durch derartige periodische Phasen-strukturen eingebracht.
Aus diesem Grund besteht die bevorzugte, erfindungsgemäße Betriebsart darin,
ein Phasenprofil wie in 5b zu
erzeugen. In einem bevorzugten Aus-führungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung umfasst die Laserprojektionsanzeigevorrichtung 100 einen
elektrisch steuerbaren, elektrooptischen Despeckling-Modulator 160 mit
einer Reihe von Modulatorstellen, die Steuersignale zur Erzeugung örtlicher,
willkürlicher
Phasenänderungen
des einfallenden Lichts empfangen, was dazu beiträgt, die
Sichtbarkeit von Speckles in den vom System angezeigten Bildern
zu reduzieren. Es sei darauf hingewiesen, dass keine 1:1-Beziehung
zwischen den Pixeln des Raumlichtmodulators in dem optischen System
und den Modulatorstellen des elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160 bestehen
muss. Das optische System braucht durchaus nicht pixelweise zu arbeiten
und könnte
beispielsweise ein analoges Medium, wie einen Film, zur Bildmodulation
verwenden.
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Der
in der erfindungsgemäßen Laseranzeigevorrichtung 100 verwendete
elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 erzeugt
eine ausreichende Phasenveränderung
in dem Lichtstrahl, so dass der Betrachter oder das Betrachtungssystem
ein specklereduziertes Bild erhält,
wenn der Modulator in Verbindung mit einem entsprechenden optischen System
verwendet wird. Durch unabhängige
elektrische Adressierung der Modulatorstellen kann jede Stelle in
dem elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 Phasenverzögerungen
in dem Lichtstrahl in Bezug auf die benachbarten Stellen einbringen.
Eine unterschiedliche Spannung oder Spannungsdauer wird an jede
Stelle (oder Gruppe von Stellen) angelegt, so dass eine Phasen verzögerung erzeugt
wird, die mehreren Ausbreitungswellen in dem Licht entspricht. Diese
Veränderung
des Phasenprofils trägt
zu einer deutlichen Reduzierung der Specklesichtbarkeit bei. Durch
Wahl einer Spannungsverteilung, die räumlich eine abgewandelte Phasenfront
erzeugt und diese zeitlich variiert, wird sowohl eine räumliche
als auch eine zeitliche Phasenvariation in den Lichtstrahl eingebracht.
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Der
elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 ist Teil
des optischen Systems der Laserprojektionsanzeige derart, dass dessen
steuerbare, räumlich
willkürlich
veränderliche
Phasenprofile zu einer Specklereduzierung führen. Der elektrisch steuerbare
Despeckling-Modulator 160 reduziert Speckle
durch eine Reduzierung der Kohärenz
oder einer willkürlichen
räumlichen
und/oder zeitlichen Veränderung
der Phase in einem Lichtstrahl. Die Einbindung des elektrisch steuerbaren
Despeckling-Modulators 160 in das optische System dient
dazu, das Phasenprofil eines Lichtstrahls wirksam zu zerhacken,
indem das Brechungsindexprofil in dem Medium, durch das das Licht
tritt, verändert
wird.
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3 zeigt
ein erstes Beispiel eines elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160 der Bauart,
die in der Laserprojektionsanzeige der vorliegenden Erfindung verwendbar
ist. Der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 ist
eine bemusterte Vorrichtung mit einer Sammlung adressierbarer Modulatorstellen,
die kontrollierte Zeit- oder Phasenverzögerungen in Bezug zu benachbarten
Pixeln gemäß Signalen
oder Daten erzeugen, die an einzelne Modulatorstellen angelegt werden.
Die Parallelanmeldung USSN 09/924,619, eingereicht am 8. August
2001, von Ramanujan et al, und US-A-2 003 020 880 enthalten eine
detailliertere Beschreibung der Konstruktion und des Betriebs von
Despeckling-Modulatoren.
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Der
elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 umfasst
ein elektrooptisches Massensubstrat 370 mit einer Reihe
einzelner Modulatorstellen 350, 355, 360 usw.
Jede Modulatorstelle 350 weist einen Verzögerungsbereich 380 auf,
durch den ein Lichtstrahl 320 eine Zeit- oder Phasenverzögerung in Bezug zu dem elektrischen
Feld erfährt,
das zwischen einer oberen Elektrode 385 und einer unteren
Elektrode 400 angelegt wird. Der Lichtstrahl 320 tritt
in das elektrooptische Massensubstrat 370 durch eine Eintrittsfacette 340 ein,
wonach es durch den Modulator tritt und aus der Austrittsfacette 345 austritt.
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Es
gibt zahlreiche elektrooptische Materialien, aus denen der elektrisch
steuerbare Despeckling-Modulator hergestellt werden kann, u.a. Lithiumniobat,
Lithiumtantalat und PLZT. Zur Vereinfachung bezieht sich die weitere
Besprechung der Parameter für
den elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator auf die Verwendung
von Lithiumtantalat bei einer Beleuchtung mit 633 nm, aber selbstverständlich ist die
Geometrie auf eine Vielzahl von Materialien und Beleuchtungswellenlängen anwendbar.
Wenn ein anderes Material verwendet wird, ist darauf zu achten,
dass die richtigen Achsen verwendet werden. Beispielsweise kann
die Verwendung von PLZT in einer derartigen Vorrichtung Phasenverzögerungen aufgrund
des größeren elektrooptischen
Koeffizienten entlang der Modulatorstelle erzeugen, die um mehrere
Größenordnungen
größer sind.
Das Kristall muss jedoch so ausgerichtet werden, dass das angelegte
elektrische Feld mit dem optischen Feld durch die entsprechenden
Kristallachsen interagiert.
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Im
Falle von Lithiumtantalat wird die Geometrie hier als y-cut gezeigt,
was bedeutet, dass sich das Licht in y-Richtung fortpflanzt und
dass das elektrische Feld in z-Richtung angelegt wird. Um beste Ergebnisse
zu erzielen, wird das durch den Modulator tretende Licht in x-Richtung (Querrichtung)
polarisiert. Im Rahmen der Besprechung des elektrisch steuerbaren
Despeckling-Modulators wird die Lichtausbreitungsrichtung hier als
die c-Achse bezeichnet, um eine Verwechslung zwischen der Kristallachse
und der Ausbreitungsachse zu vermeiden. (Hinweis : 3, 4 und 6 verwenden das Standardkoordinatensystem
für elektrooptische
Kristalle, während 1, 2, 8, 9 und 10 ein
typisches optisches Koordinatensystem mit Lichtausbreitung in der
z-Achse verwenden.) Andere Schnitte und Geometrien des Kristalls
sind ebenfalls verwendbar, allerdings ist in diesem ersten Beispiel
der y-cut optimal.
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4 zeigt
einen Schnitt des elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160,
wobei sich ein Lichtstrahl 320 entlang der y-Achse des
Modulators ausbreitet. Eine Antireflexionsbeschichtung der Eintritts-
und Austrittsfacetten des Modulators kann vorteilhaft sein. Da die
Vorrichtung die Phasenfronten wirksam ablenkt, sei darauf hingewiesen,
dass das in den Modulator eintretende Licht aus mehreren Lichtquellen
gleichzeitig stammen kann. Der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 kann
gleichzeitig mit verschiedenen Wellenlängen und Winkeln betrieben
werden.
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Eine
einzelne Modulatorstelle lässt
sich als der Bereich zwischen den oberen und unteren Elektroden 385 bzw. 400 definieren.
Ein Lichtstrahl, wie in x-Richtung von 3 definiert,
breitet sich entlang des Kristalls zwischen den oberen und unteren
Elektroden 385 bzw. 400 aus. Das durch den Bereich
tretende Licht unterliegt einer folgendermaßen definierten Phasenänderung Δϕ: Δϕ = (π/λ) n3 r33 1 V/d (1)
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Wie
in Gleichung 1 gezeigt, ist die Phasenänderung Δϕ eine Funktion der
angelegten Spannung V, der Länge
der Ausbreitung 1, der Distanz zwischen den Elektroden d, der Wellenlänge des Lichts λ, des Brechungsindex
n und des Koeffizienten r33 für
die „y-cut" Geometrie von Lithiumtantalat.
Unter Berücksichtigung
realistischer Herstellungsparameter, wie Ausbreitungslängen von
5–50 mm,
einer Dicke von 500 μm
und einer Beleuchtungswellenlänge
im roten Spektrum, können
Phasenverzögerungen
von mehreren Wellenlängen
für Betriebsspannungen
zwischen 0 V und 160 V erzeugt werden. Selbstverständlich können sämtliche
Eingabeparameter geändert
werden, um eine stärkere
oder geringere Verzögerung
entlang eines gegebenen Kanals oder einer Modulatorstelle zu erzeugen.
Alle Verzögerungen
wurden nach Distanz oder nach Wellenzahl dargestellt. Verzögerung kann
als Zeitverzögerung
erörtert
werden, gegeben durch die Distanz der Verzögerung, geteilt durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Lichts in dem Medium.
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Wie
in 3 gezeigt, ist eine Vielzahl von Modulatorstellen 350, 355, 360 durch
mehrere Regionen definiert, wie die im Schnitt in 4 gezeigte. Jede
Modulatorstelle ist durch eine obere Elektrode 385 und
eine untere Elektrode 400 definiert. Es kann sinnvoll sein,
auf einer Seite der Vorrichtung eine unbemusterte Elektrode zu verwenden,
anstatt die obere und untere Elektrode zu bemustern. Dies ermöglicht die
Modulation durch verschiedene Spannungen, die an die Elektroden
auf einer Seite der Vorrichtung angelegt werden. Der Despeckling-Modulator
ist in dem Sinne elektrisch steuerbar, dass die Vorrichtung aus
einer Reihe von Modulatorstellen besteht, die durch eine bemusterte
Elektrodenstruktur adressiert werden, und die einzeln oder in Gruppen
auf vorbestimmte, angelegte Steuerungssignale ansprechen können. Jede
Modulatorstelle lässt
sich einzeln mithilfe unterschiedlicher Spannungen, unterschiedlicher
Adresszeiten oder Kombinationen daraus betreiben. Der elektrisch
steuerbare Despeckling-Modulator 160 ist als analoger spannungsgesteuerter Modulator,
als pulsbrei tenmodulierte Vorrichtung oder als Kombination daraus
verwendbar. Die an den Despeckling-Modulator angelegten Steuersignale können aus
einem Regelkreis abgeleitet werden, der die Reduzierung sichtbarer
Speckles oder des Kontrasts überwacht
und dann die Treibersignale so regelt, dass die Speckles nicht zunehmen
oder dass diese reduziert werden. Eine gegebene Elektrode in x-Richtung
kann weniger als eine Wellenlänge
bis zu mehreren Millimetern breit sein.
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Es
kann sinnvoll sein, die Polaritäten
der oberen und unteren Elektroden periodisch umzuschalten oder einen
Austastimpuls einzubringen. Ein derartiger bipolarer Betrieb ermöglicht die
Ableitung von Raumladung in dem elektrooptischen Massensubstrat 370.
Da die Betriebsspannungen recht hoch sein können und da das optische Feld
möglicherweise
nicht deutlich abgegrenzt ist, können
die Elektrodenunterseiten mit beispielsweise SiO2 bemustert sein,
das als Pufferschicht 405 dient (siehe 4). Um
eine Bogenbildung in der Luft zu verhindern, kann zudem eine Deckschicht 410 aus
Acryl oder einem anderen Isolationsmaterial aufgebracht werden.
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Die
für den
elektrisch steuerbaren elektrooptischen Despeckling-Modulator 160 aus 3 und 4 gezeigte
Struktur ist nur ein Beispiel dieser Art von Despeckling-Modulatoren,
das in einer Laserprojektionsanzeige verwendbar ist. Ein zweites
derartiges Beispiel ist in der Schnittansicht von 6a gezeigt,
wo jede Modulatorstelle aus einer Reihe von Elektroden 420–435 besteht,
die entlang der y-Achse des Kristalls beabstandet sind. Eine Modulatorstelle kann
mithilfe aller Elektroden oder einer Untermenge der Elektroden aktiviert
werden, beispielsweise der Elektroden 420, 425 und 430,
womit eine variable Verzögerung
sogar mit einer einzigen Treiberspannung erreicht wird. Jede Elektrode
(die unterschiedliche Längen
aufweisen) kann derart angesteuert werden, dass die angelegte Spannung
in Verbindung mit der Elektrodenlänge verschiedene bekannte Bruchteile
einer Wellenverzögerung
ergeben kann. Beispielsweise kann die erste Elektrode eine Verzögerung um
eine 1/8 Welle erzeugen, die zweite um eine 1/16 Welle, die dritte
um eine 1/32 Welle usw. Die angelegte Spannung kann derart eingestellt
werden, dass die gleiche Elektrodenlänge die gleiche Anzahl von
Wellenlängenverzögerungen
für unterschiedliche
Lichtwellenlängen
erzeugt. Außerdem
können die
Elektroden einzeln innerhalb jeder Modulatorstelle zeitlich moduliert
werden, wodurch sich die Phase weiter zufällig variieren lässt.
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6b zeigt
ein weiteres Beispiel eines elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators,
der in einer Laserprojektionsanzeige verwendbar ist. Der Modulator
besitzt eine höhere
Komplexität,
aber im Vergleich mit dem in 6a gezeigten
eine größere Kontrolle.
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6b zeigt
unterschiedliche lokale Elektrodengeometrien zwischen benachbarten
Modulatorstellen. Durch Beabstandung der Elektroden 390, 392, 395 innerhalb
einer Modulatorstelle (beispielsweise 350) und durch Staffelung
der Elektroden 390, 397, 399 zwischen
benachbarten oder nahe gelegenen Modulatorstellen ist der Modulator
weniger anfällig
gegenüber
den in 5c gezeigten elektrischen Übersprechungseffekten. Ähnliche
Ergebnisse lassen sich dadurch erzielen, indem man zwischen Elektroden
zwischen benachbarten Modulatorstellen 350, 355, 360 sowie
innerhalb einer einzelnen Stelle 350 Platz lässt. Da
der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator im Grunde ein Phasenzerhacker ist,
der dazu vorgesehen ist, die Phasenfronten des einfallenden Lichts
in örtlichen
Bereichen willkürlich zu
verändern,
kann die Einbringung von Übersprechungseffekten
zwischen den Modulatorstellen zu dem gewünschten Ergebnis beitragen,
indem weitere Phasenveränderungen
eingebracht werden. Für
den Fall, dass der Konstrukteur die Übersprechungseffekte ausschließen möchte, müssen die
Elektroden ausreichend beabstandet sein, um Übersprechen zu verhindern.
Es sei darauf hingewiesen, dass neben den in 3, 6a und 6b gezeigten
auch andere exemplarische Strukturen für den elektrisch steuerbaren
Despeckling-Modulator möglich
sind, die in einer erfindungsgemäßen Laserprojektionsanzeigevorrichtung 100 zum
Einsatz können
kommen.
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Da
das Auftreten von Speckles durch räumliche Veränderung des lateralen Phasenprofils
oder durch zeitliche Veränderung
zwischen benachbarten Regionen reduzierbar ist, kann der Betrieb
des elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators so modifizierbar
sein, dass beide Ziele erreicht werden. Im ersten Fall wird eine
laterale elektrische Feldverteilung als Funktion der Adressierung
der Elektroden errichtet. Diese Verteilung definiert ihrerseits
eine laterale Phasenstörung.
Im Falle der zeitlichen Veränderung
kann das gleiche Feldprofil an verschiedenen Stellen verwendet werden.
Die relativen Felder werden jedoch zeitlich so variiert, dass benachbarte
Regionen zueinander nicht phasengleich sind. Ideal ist eine Kombination
beider Betriebsarten, wie in 5d gezeigt.
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Ein
elektrisch steuerbarer Despeckling-Modulator 160 kann die
Phasenfronten des einfallenden Lichts verzerren oder zerhacken.
Konzeptionell wird dieser Effekt in 7a und 7b für kollimiertes Licht
gezeigt, wobei planparallele Wellenfronten 325 bei Nenneinfall
auf den Modulator 160 gelenkt werden. Wie in 7a gezeigt,
wird eine Treiberspannung von null Volt an den Modulator 160 angelegt, und
die Wellenfronten 325 treten unverändert aus. Wie in 7b gezeigt,
werden Spannungen an die Modulatorstellen 350 angelegt,
worauf verzerrte Wellenfronten 330 aus der Einrichtung
austreten. 7c und 7d zeigen
gleiche Fälle,
wobei ein elektrisch steuerbarer Despeckling-Modulator 160 im
konvergenten Raum innerhalb eines optischen Systems angeordnet ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Wellenfrontenstörungen nicht
maßstäblich dargestellt
sind und nur das allgemeine Konzept verdeutlichen sollen. Hierbei
handelt es sich nicht notwendigerweise um Wellenfronten, die um
1 λ beabstandet sind.
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Zwar
kann ein elektrisch steuerbarer Despeckling-Modulator 160 Wellenfronten
verzerren, indem er räumliche
und zeitliche Phasenstörungen
erzeugt, aber die Einflussmöglichkeit
des Modulators auf das Auftreten von Speckles hängt auch von der Konstruktion
des Systems ab, in dem dieser zum Einsatz kommt. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich hauptsächlich
auf den Fall, in dem der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator
im Vergleich mit der Kohärenzlänge (Δϕ << CL) der Lichtquelle
eine kleine Verzögerung
entlang einer Modulatorstelle erzeugt. Laser können Kohärenzlängen im Bereich von Millimeterbruchteilen
bis zu mehreren Metern aufweisen (0,1–5,0 mm für rote/grüne/blaue OPO-Laser (optisch
parametrischer Oszillator), während
der lithiumtantalatgestützte
Despeckling-Modulator nur eine geringe Wellenverzögerung erzeugt.
Wie zuvor dargelegt, ist diese Vorrichtung verwendbar, um zeitveränderliche
Wellenfrontverzerrungen oder -abweichungen zu erzeugen, nicht jedoch,
um die räumliche oder
zeitliche Kohärenz
in einer geeigneten Weise direkt zu verändern. Die zeitlich und räumlich variable Phase
ist verwendbar, um die Speckles in dem projizierten Bild zu verändern oder
zu mitteln, wodurch sich die Wahrnehmbarkeit von Speckles reduziert, wenn
die Veränderungen
schneller sind als die Reaktionszeit des menschlichen Auges.
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Ein
elektrisch steuerbarer Despeckling-Modulator wäre jedoch in einem System verwendbar,
in dem die erzeugte Phasenverzögerung
der Größenordnung
der Kohärenzlänge der
Lichtquelle entspricht (Δϕ ~
CL). Beispielsweise strahlt eine typische Weißlichtquelle,
wie eine Bogenlampe, Licht mit einer Kohärenzlänge CL und
einer Breite von nur einigen Wellenlängen aus, was mit der Phasenverzögerung einer
lithiumtantalatgestützten
Einrichtung vergleichbar ist. Alternativ hierzu könnte ein
elektrisch steuerbarer Despeckling-Modulator mit ca. 1,0 mm Verzögerung mit
einem Laser von kleiner Kohärenzlänge (z.B.
ein OPO-Laser) kombiniert werden, um eine grundlegende Übereinstimmung
von Verzögerung und
Kohärenzlänge (Δϕ ~
CL) zu erzielen. In diesen Fällen ist
der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator in dem optischen System auf
verschiedene Weise verwendbar, um die räumliche und zeitliche Kohärenz direkt
zu verändern.
Wenn die steuerbare Phasenverzögerung
die Kohärenzlänge des
Lichts aus der Lichtquelle (Δϕ >> CL) wesentlich überschreitet,
lassen sich noch größere Effekte
mit einem elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 realisieren.
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Die
Effektivität
des elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160 zur
Reduzierung der Sichtbarkeit von Speckles hängt von der Struktur und Leistung
der jeweiligen Vorrichtung ab (3, 6a und 6b zeigen
exemplarische Vorrichtungen) und der Weise, in der diese in einer
Laseranzeigevorrichtung 100 verwendet wird. Ein elektrisch steuerbarer
Despeckling-Modulator 160 kann beispielsweise vor dem ersten
Linsenelement-Array 178a des Fliegenaugenintegrators 175 angeordnet werden,
wie in 1 und 2a gezeigt, oder in dem Fliegenaugenintegrator 175,
wie in 2b gezeigt, oder nach dem zweiten
Linsenelement-Array 178b des Fliegenaugenintegrators 175.
In dem auf einem typischen Fliegenaugenintegrator basierenden optischen
System zur Beleuchtung einer eindimensionalen Vorrichtung (Raumlichtmodulator 200) ist
die Anzahl (N) von Linsenelementen in jedem Linsenelement-Array
(178a und 178b) relativ klein, wobei ca. 6–20 Linsenelemente
ein adäquat
gleichmäßiges Licht
erzeugen. Zum Vergleich ist der typische Raumlichtmodulator 200 beispielsweise
ein Array, der eine relativ hohe Anzahl (M) eng gepackter Pixel umfasst,
wobei 256 bis 4096 Pixel für
die meisten Anwendungen ausreichen. Die Anzahl (P) von Modulatorstellen
in dem elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 aus 1 und 2 wird durch die Effektivität zur Reduzierung
sichtbarer Speckles bestimmt und hängt nicht unmittelbar von der
Anzahl (N) der Linsenelemente oder der Anzahl(M) Modulatorpixel
ab.
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Angenommen,
der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 arbeitet
unter der Bedingung, dass die durch ihn eingebrachte Phasenänderung
oder Verzögerung
in Bezug zur Kohärenzlänge (Δϕ << CL) des Laserlichtstrahls
relativ klein ist (einige wenige Wellenlängen gegenüber einigen wenigen mm), dann
ist der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 verwendbar,
um die Wellenfronten der Lichtstrahlen lokal zu verändern, wie
in 7a–d
gezeigt. In diesem Fall sind viele Modulatorstellen je Linsenelement
vorhanden (P >> N). Um die Wellenfronten
der Bebilderungsstrahlen innerhalb des Beleuchtungssystems zu modifizieren
(zu verzerren), wird der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 im
Fernfeld der Bebilderungsebene (oder in einer der konjugierten Ebenen)
verwendet. Im System aus 1, wo sich der elektrisch steuerbare
Despeckling-Modulator 160 vor dem ersten Linsenelement-Array 178a befindet,
und wo der Linsenelement-Array konjugiert zu dem linearen Raumlichtmodulator 200 bebildert
wird, ist der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 minimal
zum Linsenelement-Array um mehr als die Tiefenschärfe (DOF)
versetzt und am besten im Fernfeld der konjugierten Ebene (ca. > 10·DOF).
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Wenn,
wie in 2b gezeigt, der elektrisch steuerbare
Despeckling-Modulator 160 zwischen dem ersten Linsenelement-Array 178a und
dem zweiten Linsenelement-Array 178b und in Nähe des zweiten
Linsenelement-Arrays 178b angeordnet ist, ist der elektrisch
steuerbare Despeckling-Modulator 160 definitionsgemäß im Fernfeld
des ersten Linsenelement-Arrays angeordnet und kann daher die Wellenfrontstruktur
phasenverändern.
Da das optische System absichtlich so konstruiert werden kann, dass das
Licht die Linsenelemente des zweiten Linsenelement-Arrays 178b unterfüllt, lässt sich
der erforderliche Füllfaktor
für den
elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 reduzieren,
was alternative und weniger anspruchsvolle Elektrodenadressierungen
der Modulatorstellen ermöglicht.
Der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 könnte ebenfalls
nach dem zweiten Linsenelement-Array 178b und zwischen
dem zweiten Linsenelement-Array 178b und der Kondensorlinse 185 angeordnet
werden. Für
diese verschiedenen Fälle
wirken sich die von dem elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 induzierten
Wellenfrontaberrationen auf die lokalisierte Interferenz der Wellenfronten
aus, die zur Erzeugung von Speckles beiträgt. Diese Konfiguration kann
zudem die Qualität
der Bebilderung durch die Strahlformungsoptik beeinträchtigen,
wodurch an den Kanten des beleuchteten Bereichs eine gewisse Weichzeichnung
auftritt.
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Wenn
in diesem Fall der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 Phasenänderungen oder
Verzögerungen
erzeugt, die in Bezug zur Kohärenzlänge (Δϕ << CL) des Laserlichts
relativ klein sind, kann der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator
in dem optischen System so positioniert werden, dass er eher wie
ein Diffusor arbeitet, der Licht streut oder beugt, anstatt die
Bebilderungswellenfronten in dem Beleuchtungssystem zu verändern. In
diesem Fall ist die Anzahl der Modulatorstellen im Vergleich mit
der Anzahl von Linsenelementen (P >> N) groß und der
elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 befindet
sich im Nahfeld der Bebilderungsebene in dem Beleuchtungssystem. Der
elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 befindet
sich demnach unmittelbar vor oder hinter dem ersten Linsenelement-Array 178a und
sollte in dem Nahfeld (< 10·DOF) der
konjugierten Bildebene liegen (konjugiert zur Bildebene am Raumlichtmodulator 200).
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Wenn
der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 andererseits
unter der Bedingung arbeitet, dass die von ihm eingebrachte Phasenänderung
oder Phasenverzögerung
die gleiche Größenordnung
aufweist wie die Kohärenzlänge des Lichts
(Δϕ ~
CL) aus der Laserlichtquelle 110,
dann kann die Vorrichtung die relative zeitliche Kohärenz des
Lichts für
einen Lichtstrahl in Bezug zu einem anderen direkt betreffen. Wenn
in diesem Fall die Anzahl der Modulatorstellen mit der Anzahl der
Linsenelemente identisch ist (P = N) und wenn die Modulatorstellen
so ausgerichtet sind, dass sie einem gegebenen ersten Linsenelement-Array 178a entsprechen,
wird die zeitliche Kohärenz
für den
Lichtstrahl, der durch ein gegebenes Linsenelement und eine gegebene
Modulatorstelle tritt, in Bezug zu den anderen geändert. Jeder
Strahl erzeugt ein eigenes Speckle-Muster in dem beleuchteten Bereich
am linearen Raumlichtmodulator 200, aber die gemeinsamen Speckle-Muster
unterliegen einer zeitlichen Abänderung,
wenn die einzelnen Modulatorstellen willkürlich angesteuert werden. In
diesem Fall kann sich der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 vor dem
ersten Linsenelement-Array 178a befinden, jedoch ohne eine
strenge Positionsbeschränkung
im Fernfeld oder Nahfeld. Der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 kann
zwischen dem ersten Linsenelement-Array 178a und dem zweiten
Linsenelement-Array 178b oder unmittelbar hinter dem zweiten
Linsenelement-Array 178b angeordnet sein. Diese Konfiguration
kann noch besser arbeiten, wenn die Phasenverzögerung deutlich größer (2× bis 3× oder mehr)
als die Kohärenzlänge ist
(Δϕ > CL).
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Ein
elektrisch steuerbarer Despeckling-Modulator 160, der unter
der Bedingung arbeitet, dass die von ihm eingebrachte Phasenänderung
oder Phasenverzögerung
die gleiche Größenordnung
wie die Kohärenzlänge (Δϕ ~
CL) des Lichts aus der Laserlichtquelle 110 aufweist,
so dass der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator die relative
zeitliche Kohärenz
des durchtretenden Lichts direkt beeinflussen kann, kann in der
Laseranzeigevorrichtung 100 mit einer Anzahl (P) von Modulatorstellen versehen
sein, die größer als
die Anzahl (N) von Linsenelementen ist (P > N). In diesem Fall ist der elektrisch
steuerbare Despeckling-Modulator verwendbar, um die Kohärenz räumlich über jedem
Linsenelement-Array zufällig
zu verän dern
und somit auch über
dem Raumlichtmodulator 200 und dem Schirm 215.
In diesem Beispiel wird der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 nicht
zur Änderung
der Wellenfronten mit kleinen Phasenaberrationen verwendet, sondern
zur Änderung
der Kohärenz
eines räumlichen
Bereichs relativ zum anderen und zur wirksamen Synthetisierung einer
nahezu kohärenten Lichtquelle.
Wenn die Anzahl von Modulatorstellen geringfügig größer als die Anzahl von Linsenelementen
ist (beispielsweise P = 8·N),
kann der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 zunächst vor dem
ersten Linsenelement-Array 178a angeordnet sein, aber ohne
eine strenge Positionseinschränkung des
Fern- oder Nachfeldes (solange die Modulatorstellen klein genug
sind, um Licht zu beugen, zu streuen oder diffus zu machen). In
diesem Fall wird der Lichtstrahl, der durch jedes Linsenelement
tritt, in relativ große
benachbarte Bereiche aufgeteilt, wobei die zeitliche Kohärenz unter
den Regionen variiert. Wenn viele Modulatorstellen in Bezug zur
Anzahl der Linsenelemente vorhanden sind (P >> N),
so dass der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 eher
wie ein Diffusor wirkt, dann sollte der Despeckling-Modulator 160 in
dem Nahfeld des ersten Linsenelement-Arrays 178a angeordnet
sein. In diesem Fall kann sich der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 unmittelbar
vor oder unmittelbar hinter dem Linsenelement-Array 178a befinden
und sollte in dem Nahfeld (< 10·DOF) der
konjugierten Bildebene liegen (konjugiert zur Bildebene am Raumlichtmodulator 200).
Diese Konfigurationen können
noch besser arbeiten, wenn die Phasenverzögerungen deutlich größer (2× bis 3× oder mehr)
als die Kohärenzlänge sind
(Δϕ > CL).
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Zusammenfassend
gesagt, ist die Laseranzeigevorrichtung 100 darauf ausgelegt,
ein projiziertes Bild auf einem entfernten Schirm 215 zu
erzeugen, das frei von wahrnehmbaren Speckles ist, indem eine Kombination
aus Reduktions-/Dekorrelationstechniken zur Anwendung kommt. Die
Verwendung des Diffusors 150 definiert nicht nur den effektiven
Lagrange- oder Etendue-Wert des Lichts neu, sondern trennt auch
den kohärenten
einfallenden Lichtstrahl in eine Vielzahl kleinerer, räumlich weniger
kohärenter
Wellenfronten auf. Die Verwendung eines Lichtintegrationssystems,
wie des Fliegenaugenintegrators 175, das das Licht in Strahlen
aufteilt, die wieder abgebildet werden, um eine gleichmäßige Beleuchtungsfläche zu erzeugen,
erzeugt eine weitere Speckle-Reduzierung, indem sich die vielen
lokalen Beiträge
des Diffusors über
dem Schirm überlagern.
Die Verwendung des elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160 ist
ein Mittel, um die lokale Phase von Teilen des Beleuchtungslichts
zu unterbrechen, und zwar relativ zu anderen Teilen des Beleuchtungs- Lichts, wodurch sich
die lokalen räumlichen
und/oder zeitlichen Kohärenzbeziehungen verändern. Dies
ermöglicht
eine Änderung
der lokalen Wellenfrontphasenstrukturen, der zeitlichen Kohärenzbeziehungen
zwischen den Wellenfronten oder der zeitlichen Kohärenz über den
Raumbereichen. Zudem sei darauf hingewiesen, dass zur Speckle-Reduzierung
in der Laseranzeigevorrichtung 100 der Diffusor 150 an
einen Bewegungsmechanismus befestigt sein kann, der den Diffusor
einer linearen, rotierenden oder zufälligen Bewegung unterzieht,
so dass sich der Diffusor 150 um mindestens die charakteristische
Merkmalsgröße der Diffusionsoberfläche bewegt.
Die Bewegungsfrequenz muss schneller sein als die Flimmerfrequenz
(> 40 Hz). Die Sichtbarkeit
der Speckles wird weiter durch Dekorrelation des Specklemusters
durch Zeitmittelwertbildung der Position und Größe der Speckles in den lokalen
Bereichen über
die volle räumliche
Ausdehnung des Bildes gemindert.
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Je
nach Konstruktion und Betrieb kann der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 den
Lichtstrahl ausreichenden Phasenstörungen unterziehen, etwa durch
Beugung oder Streuung, um den Lagrange- oder Etendue-Wert der Lichtquelle messbar
zu erhöhen.
Im Falle von Projektionssystemen, die mit einem linearen Raumlichtmodulator 200 konstruiert
sind, der eine relativ kohärente
Beleuchtung in Array-Richtung benötigt, kann eine kleinere Änderung
des Lagrange-Werts der Quelle durch den elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 ausreichen,
um die Bebilderungsanforderungen des Projektionssystems zu erfüllen. In
diesem Fall kann die Laseranzeigevorrichtung 100 ohne Diffusor 150 konstruiert
werden.
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Es
sei zudem darauf hingewiesen, dass die Cross-Array-Optik in 1 und 2a ein
vereinfachtes optisches System mit nur einer zylindrischen Linse
darstellt, den Cross-Array-Kondensor 195. Der Cross-Array-Kondensor 195 konditioniert
den Lichtstrahl in Cross-Array-Richtung,
um diesen zur Interaktion mit dem linearen Raumlichtmodulator 200 zu optimieren.
Es sei darauf hingewiesen, dass mehrere zylindrische Linsenelemente
für diese
Strahlenkonditionierung verwendbar sind. Außerdem sei darauf hingewiesen,
dass einige der Linsenelemente innerhalb der Laseranzeigevorrichtung 100 vor
dem linearen Raumlichtmodulator 200 sphärisch sein können und
den Array sowie die Cross-Array-Strahlen formen. Das Projektionsobjektiv 205 könnte zudem (nicht
gezeigte) zylindrische Linsen umfassen, um eine weitere Steuerung
der Punktbildung in Array-Richtung oder in Cross-Array-Richtung
am Schirm 215 zu erzeugen. Desgleichen könnte die (nicht
gezeigte) Cross-Array-Optik vor dem elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 angeordnet sein,
um den Lichtstrahl vorab so zu konditionieren, dass die Interaktion
des Lichts durch den elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 optimiert wird.
In diesem Fall würde
der Cross-Array-Kondensor 195 oder ein Äquivalent den Cross-Array-Lichtstrahl,
der aus dem elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 austritt,
für die
Eingabe in den linearen Raumlichtmodulator 200 optimieren.
Es sei darauf hingewiesen, dass strahlenhomogenisierende Optiken
als Alternative zu dem Fliegenaugenintegrator verwendbar sind. Konkret
wäre ein
Integrationsbalken/Kaleidoskop in einer alternativen Konstruktion für die Strahlformungsoptik 180 verwendbar,
um eine gleichmäßige Beleuchtung
und eine Speckle-Reduzierung in Zusammenarbeit mit dem Diffusor 150 und dem
elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 zu erreichen.
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8 zeigt
eine alternative Konstruktion für die
Laseranzeigevorrichtung 100, in der ein Strahlenteiler-Array 240 verwendet
wird, um Verzögerungsdifferenzen
in den Lichtweg einzubringen und so die Kohärenz des zusammengesetzten
Laserstrahls 250 zu reduzieren. Der Strahlenteiler-Array 240 umfasst eine
Anordnung von (R) teilreflektierenden Spiegeln, die eine Reihe von
Strahlen 245 mit optischen Lichtweglängendifferenzen (Δd) zwischen
benachbarten Strahlen 245 erzeugen, die mindestens die
Größenordnung
der Kohärenzlänge des
Lasers aufweisen. Die Lichtwegdifferenzen (Δd) weisen dieselbe Größenordnung
auf wie die Kohärenzlänge CL der Laserlichtquelle 110. Die
Spiegel des Strahlenteiler-Array 240 wären teilweise transmittierend
und teilweise reflektierend, wobei das Reflexionsvermögen progressiv
von dem ersten Spiegel (241a) zum letzten Spiegel (241e)
zunimmt. Obwohl der Strahlenteiler-Array 240 als Array
von Spiegeln dargestellt ist, sind auch Prismen-Arrays und andere
Strukturen verwendbar. Der Strahlenteiler-Array 240 arbeitet
als Strahlenaufweiter, wobei die R Strahlen zur Erzeugung eines verbundenen
Laserstrahls 250 dienen. Die R Strahlen erstrecken sich
jedoch über
unterschiedliche Lichtweglängen
(Δd1, Δd2, Δd3, etc...), die mit der Kohärenzlänge CL vergleichbar
sind, wobei die zeitliche Kohärenz
des Lichts über
der räumlichen
Ausdehnung des Eingabesteuerung 250 variiert. Idealerweise
sind die jeweiligen R Strahlen 245 zeitlich zueinander
inkohärent.
Das Schema ist jedoch weiterhin nutzbar, auch wenn sich die zeitliche
Kohärenz
langsamer ändert,
so dass die Gruppen der Strahlen 245 zueinander kohärent sind,
da diese Gruppierungen zu zeitlich willkürlichen Änderungen neigen, während der
kohärente
Ausstrahlungszustand der Laserlichtquelle 110 zeitlich
schwankt.
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Da
der typische Laserstrahl 115 ein ungleichmäßiges Lichtstärkenprofil
aufweist (ein Gaußsches Profil
ist üblich),
ist auch jeder Strahl 245 ungleichmäßig, ebenso wie der zusammengesetzte
Laserstrahl 250. Wie in dem System aus 1 gezeigt, wird
der Diffusor 150 eingesetzt, um den Lagrange- oder Etendue-Wert
der Quelle auf die Bebilderungsanforderungen abzustimmen. Der Diffusor 150 trägt zudem
dazu bei, den zusammengesetzten Laserstrahl 250 gleichmäßiger und
weniger kohärent
zu machen. Wie zuvor beschrieben, wird der Fliegenaugenintegrator 175 verwendet,
um die Gleichmäßigkeit
der Beleuchtung zu verbessern und die Sichtbarkeit der Speckles
am Raumlichtmodulator 200 zu reduzieren. In diesem Fall
ist das erste Linsenelement-Array 178a jedoch so konstruiert,
dass jeder Strahl 245 M Linsenelemente beleuchtet, so dass
jeder Strahl 245 in eine gleichmäßige Beleuchtung am Lichtventilumgewandelt
wird. Somit sind insgesamt mindestens M × R Linsenelemente in jedem
ersten und zweiten Linsenelement-Array 178a bzw. 178b vorhanden.
Der Effekt am Schirm 215 besteht darin, dass jeder der
R Laserstrahlen sein eigenes feines Speckle-Muster erzeugt, das
vom Diffusor, den M Linsenelementen des Fliegenaugenintegrators,
die von einem gegebenen Strahl benutzt werden, und dem Schirm vorgegeben
ist. Die M × R
Speckle-Muster addieren sich inkohärent, um somit eine Mittelung auch
ohne Verwendung eines elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160 oder
der Bewegung des Diffusors 150 zu erzeugen. Dieses Maß der Speckle-Reduzierung
kann zwar in bestimmten weniger kritischen Anwendungen ausreichend
sein, aber für
kritische Anwendungen wird die Laseranzeigevorrichtung 100 aus 8 durch
Hinzufügen
eines elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160 weiter
verbessert. Da die zeitliche Kohärenz
in dem zusammengesetzten Laserstrahl 250 bereits deutlich variabel
ist, kann der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 verwendet
werden, um die Phasenwellenfronten in den Strahlen 245 zu
verändern, vorausgesetzt,
die angewandte Phasenänderung
ist in Relation zu der Kohärenzlänge (Δϕ << CL) klein. Wie
bereits besprochen, kann der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 in
der Laseranzeigevorrichtung 100 vor dem ersten Linsenelement-Array 178a positioniert
werden (siehe 8), so dass sich dieser in dem
Fernfeld befindet (außerhalb
der Tiefenschärfe
(DOF)) der konjugierten Bildebene der Strahlformungsoptik 180.
Wie zuvor beschrieben, kann der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 in
dem nachgeordneten Fernfeld der konjugierten Bildebene angeordnet
sein, und zwar in Nähe des
zweiten Linsenelement-Array 178b, und zwar entweder vorher,
wie in 2b, oder nachher. Alternativ
hierzu und wenn der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 Phasenänderungen
erzeugt, die mit der Kohärenzlänge (Δϕ ~
CL) vergleichbar sind, kann der Modulator
verwendet werden, um die zeitliche und räumliche Kohärenz über Bereichen in jedem der
M Linsenelemente zu variieren, wo diese Bereiche relativ groß sind,
verglichen mit der Wellenlänge
des Lichts (weder Streuung noch Diffusion).
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Bislang
wurde die vorliegende Erfindung für eine Laseranzeigevorrichtung,
die sowohl einen elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 als auch
einen Raumlichtmodulator verwendet, in Bezug auf die Verwendung
eindimensionaler Lichtmodulatoren beschrieben. Es gibt eine große Vielzahl
zweidimensionaler (flächiger)
Raumlichtmodulatoren, die in elektronischen Projektionssystemen
verwendbar sind, wobei Flüssigkristall-Lichtventile
(LCDs) und mikromechanische Spiegel-Arrays (einschließlich DMDs
(Digital Mirror Devices) von Texas Instruments) die bekanntesten
sind. In Bezug zu der Laseranzeigevorrichtung aus 1 hat
der Wechsel von einem eindimensionalen Raumlichtmodulator zu einem
zweidimensionalen Raumlichtmodulator vor allem die Konsequenz, dass
die Beleuchtungsoptik und der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 modifiziert
werden müssen,
um zweidimensional arbeiten zu können.
In diesem Fall verwendet der Fliegenaugenintegrator 175 typischerweise
ein Fliegenaugen-Linsenelement-Array 178(a,b), das in einem
zweidimensionalen Muster ausgelegt ist, wobei diese Linsenelemente
sphärische
Oberflächen
aufweisen. Der Diffusor 150 erzeugt eine kontrollierte zweidimensionale
(oder sphärische)
Diffusion statt einer eindimensionalen Diffusion, wie sie in dem
linearen System aus 1 bevorzugt wird. Derartige
Diffusoren sind als holografische Diffusoren von Physical Optics
Corp. oder als willkürliche
Mikrolinsen-Arrays von Coring-Rochester Photonics Corp. erhältlich.
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Die
verschiedenen Beispiele des elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulators 160 aus 3, 4, 6a und 6b sind
eindimensionale oder lineare Vorrichtungen. Es ist möglich, einen zweidimensionalen
elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 zu konstruieren,
indem man eine Reihe dieser Vorrichtungen übereinander stapelt oder indem
man eine Reihe dieser Vorrichtungen in dem optischen System versetzt
anordnet. Selbstverständlich
können
auch andere Bauarten von elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulatoren 160 konstruiert
werden, die andere elektro-optische Materialien verwenden, die für eine zweidimensionale Struktur
besser geeignet sind, und die dann in einer Laseranzeigevorrichtung
mit einem zweidimensionalen, bildmodulierenden Raumlichtmodulator-Array angeordnet
werden könnten.
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Beispielsweise
zeigt 9 eine Schnittansicht einer Laseranzeigevorrichtung 100 mit
einem flächenartigen
Modulator-Array, z.B. einem LCD. Wie zuvor strahlt die Laserlichtquelle 110 einen
Laserstrahl 115 aus, der durch die Strahlaufweiteroptik 120,
den Diffusor 150 und die Strahlformungsoptik 180 vorkonditioniert
wird, um einen Raumlichtmodulator (Flüssigkristallanzeige 255)
zu beleuchten. Wie bereits erwähnt,
tragen der Diffusor 150, der Fliegenaugenintegrator 175 und
der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 zur
Reduzierung des Vorhandenseins von Speckles über zwei Dimensionen an dem
Raumlichtmodulator und dem Schirm 215 bei. Im Unterschied
zu dem System aus 1 wird in dem System aus 9 das
zweidimensionale Schirmbild nicht durch Abtasten erzeugt, sondern mithilfe
eines Projektionsobjektivs 205, um den Raumlichtmodulator
(Flüssigkristallanzeige 255)
direkt auf dem Schirm 215 abzubilden. Das Licht der Beleuchtung
tritt durch einen Vorpolarisator 260 und einen Polarisationsstrahlenteiler 265.
Die Flüssigkristallanzeige 255 moduliert
das Beleuchtungslicht gemäß den angelegten
Steuerungssignalen durch pixelweise Drehung des Polarisationszustands
dieses Lichts. Der modulierte bildführende Lichtstrahl 275, der
von dem Projektionsobjektiv 205 auf den Schirm 215 gelenkt
wird, wird durch polarisationsgedrehtes Licht gebildet, das vom
Polarisationsstrahlenteiler 265 zurückgeworfen wird. Der Nenn-Polarisationsanalysator 270 wird
in Querrichtung verwendet, um den Dunkelzustand zu definieren. Da
die typische Laserquelle polarisiertes Licht abstrahlt, ist es ggf.
nicht notwendig, den Vorpolarisator 260 in der Laseranzeigevorrichtung 100 aus 9 zu
verwenden. In diesem Fall wäre
es erforderlich, dass der Laserstrahl 115, wie von der
Laserlichtquelle 110 ausgestrahlt, ausreichend polarisiert
wird (z.B. 100:1), und dass weder der Diffusor 150 noch
der elektrisch steuerbare Despeckling-Modulator 160 diesen
Polarisationskontrast wesentlich verschlechtern.
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10 zeigt
ebenfalls eine Schnittansicht einer Laserprojektionsvorrichtung
unter Verwendung eines mikromechanischen Spiegel-Arrays 280,
wie beispielsweise des DLP-Chips von Texas Instruments. Im Unterschied
zu Systemen, die einen Flüssigkristall-Raumlichtmodulator
verwenden, der auf den kontrollierten Polarisationseffekten beruht,
um Licht zu modulieren, nutzt der mikromechanische Spiegelarray 280 eine
pixelweise Winkelsteuerung der Lichtstrahlen. Dieses System ist
im Wesentlichen das gleiche wie das in 1 gezeigte,
mit dem Unterschied, dass die Beleuchtung über das mikromechanische Spiegel-Array 280 hinaus
in einer Apertur 290 konvergiert. Einzelne Pixel werden
mithilfe von Mikrospiegeln gebildet, die das Licht entweder durch die
Apertur 290 auf das Projektionsobjektiv 205 oder auf
eine Blende 285 (z.B. eine Schlierenblende) richten. Die
Pixelhelligkeit wird durch Auswahl des Zeitverhältnisses innerhalb eines Bildfeldes
gesteuert, für
das Licht durch die Linsenöffnung 290 gerichtet wird.
Diese Art von System lässt
sich entweder mit einem zweidimensionalen Raumlichtmodulator-Array, einem
zweidimensionalen Fliegenaugensystem und einem zweidimensionalen
elektrisch steuerbaren Despeckling-Modulator 160 aufbauen,
wie in 10 gezeigt, oder alternativ
hierzu mit einem eindimensionalen Raumlichtmodulator-Array, einem
eindimensionalen Fliegenaugensystem und einem eindimensionalen elektrisch
steuerbaren Despeckling-Modulator 160 und einem Scanner,
beispielsweise dem in 1 verwendeten Galvanometer.
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Zur
Vereinfachung wurde die vorliegende Erfindung anhand eines einzelnen
Laserstrahls und eines einzelnen Raumlichtmodulators erläutert, obwohl sich
die Erörterung
im weiteren Sinne auf eine Vollfarben-RGB-Projektionsvorrichtung
bezogen hat. Es sei darauf hingewiesen, dass ein System mit separaten
roten, grünen
und blauen Lichtstrahlen aufgebaut werden kann, die getrennte Lichtwege
nehmen, um die entsprechenden roten, grünen und blauen Raumlichtmodulatoren
zu beleuchten. Die modulierten Lichtstrahlen würden typischerweise mithilfe
eines X-Prismas farblich kombiniert, bevor sie aus dem Projektionsobjektiv
heraustreten, und der resultierende Lichtstrahl würde auf
dem Schirm abgebildet, um ein polychromes Bild zu erzeugen. Die
getrennten roten, grünen
und blauen Lichtstrahlen können
aus drei getrennten Lasern stammen, aus einem OPO-Laserpaket unter
Verwendung einer Kombination aus nicht linearen Optiken zur Ausgabe
von drei Strahlen, oder aus einem OPO-Laserpaket, das so integriert
ist, dass ein einzelner Weißlicht-Laserstrahl
ausgegeben wird, der anschließend
farblich aufgeteilt wird.