DE602006000011T2

DE602006000011T2 - Optisches Scan-Bildgebungssystem

Info

Publication number: DE602006000011T2
Application number: DE602006000011T
Authority: DE
Inventors: Lee Ju-Hyun; Mun Yong-Kweun
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-02-04
Also published as: US7256916B2; EP1688778B1; DE602006000011D1; EP1688778A1; JP2006221168A; US20060175545A1; KR100634539B1; KR20060090491A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Scan-Bildgebungssystem und insbesondere ein optisches Scan-Bildgebungssystem mit verbesserter Auflösung.
Mit der schnellen Entwicklung der multimediaorientierten Gesellschaft ist ein großformatiger Anzeigebildschirm in hoher Qualität gefordert. In jüngster Zeit ist ein Schwerpunkt auf die Realisierung von natürlicher Farbe in Verbindung mit hoher Auflösung gelegt.
Es sollte eine Lichtquelle wie ein Laser mit hoher Farbreinheit verwendet werden, um perfekte natürliche Farben zu erzielen. Ein Gerät mit einem Bildschirm unter Verwendung eines Lasers ist ein optisches Laserscan-Bildgebungssystem mit einem Scanner. Ein optisches Laserscan-Bildgebungssystem verwendet vorwiegend einen polygonalen drehbaren Spiegel und einen Galvanometerspiegel. Das optische Laserscan-Bildgebungssystem mit dem polygonalen drehbaren Spiegel oder dem Galvanometerspiegel ist in kleinen Abmessungen schwierig herzustellen und seine Stückkosten sind hoch.
In Bezug auf die oben genannten Probleme hat der Anmelder der vorliegenden Anmeldung ein Laserbildgebungssystem vorgeschlagen, das einen Scanner verwendet, der ein mikroelektromechanisches System (MEMS) einsetzt, das im US-Patent Nr. 6,636,339 offenbart ist.
Das Laserbildgebungssystem unter Verwendung des MEMS-Scanners ist eines der vielversprechenden Projektionsanzeigegeräte mit kleinem Formfaktor, geringem Energieverbrauch und natürlicher Farbrealisierung.
Zur Realisierung eines Laserbildgebungssystems mit großformatigem Bildschirm und hoher Auflösung unter Verwendung des MEMS-Scanners, sind eine ausreichende Abtastgeschwindigkeit, großer Abtastwinkel und große Spiegelabmessungen erforderlich.
Da ein Laserstrahl kohärentes Licht ist und starke Diffraktion auftritt, während der Laserstrahl sich ausbreitet, wenn der Laserstrahl eine geringe Breite aufweist, ist es schwierig, die Breite des Laserstrahls unendlich klein zu machen. Ebenso ist im Fachbereich bekannt, dass ein Lichtstrahl aufgrund seiner Brechnungsnatur nicht als Punkt fokussiert wird, und daher eine Grenze für die Auflösung existiert. Wenn außerdem die Ausdehnung eines Lichtstrahls, der auf ein Linsensystem einfällt, groß ist, wird die Ausdehnung des fokussierten Lichtstrahls gering.
Deshalb ist es erforderlich, dass die Ausdehnung des Lichtstrahls groß ist, so dass die Auflösung erhöht wird. Es sind eine hohe Abtastfrequenz und ein großer Wert θD erforderlich, um ein Bild in hoher Auflösung zu erhalten. Bildauflösung eines optischen Laserstrahlabtastsystems (Laserscansystem) wird durch eine optische Invariante bestimmt, die durch ein Produkt θD des Durchmessers D eines kollimatischen Strahls mit einem Strahlabtastwinkel θ dargestellt ist.
Das Verhalten eines Rasterabtastsystems ist durch θD [deg·mm] definiert. Eine VGA-Klasse und eine XGA-Klasse erfordern θD von ungefähr 7,50 bzw. ungefähr 12,0. Es ist bekannt, dass ein Produkt θD von ungefähr 22,5 erforderlich ist, um eine Anzeige in der Hochdefinitionsklasse (High Definition) zu erreichen.
θ ist ein mechanischer Abtastwinkel (Einheit: Winkelgrad) eines Scanners in einer Richtung und D ist die Breite eines Strahls, d. h. die effektiven Spiegelabmessungen (Einheit: mm) des Scanners in einem Laserscangerät.
Zur Ausbildung eines Bildgebungssystems mit hoher Auflösung sollte die Ausdehnung des Spiegels groß sein. Ebenso sollte zur Ausbildung eines großformatigen Laserbildgebungssystems mit hoher Auflösung die Abtastgeschwindigkeit hoch sein.
Wenn jedoch die Spiegelabmessungen erhöht werden, ist es aufgrund einer physikalischen Eigenschaft, wie dem Trägheitsmoment schwierig, eine maximale Betriebsgeschwindigkeit des MEMS-Scanners hoch zu setzen, so dass die Abtastgeschwindigkeit langsam wird. Deshalb ist es schwierig, die Spiegelabmessungen groß zu wählen, während die Abtastgeschwindigkeit schnell wird.
Ebenso ist es unmöglich, einen Abtastwinkel des MEMS-Scanners unendlich groß zu wählen, und daher ist der Abtastwinkel eingeschränkt.
Zur Ausbildung einer Subminiatur-Hochleistungs-Laserstrahlprojektionsanzeige wird der MEMS-Scanner, der in der Lage ist, in Hochgeschwindigkeit abzutasten, als zuverlässige Strahlabtastvorrichtung betrachtet, es ist aber, aufgrund der Wechselbeziehung zwischen Betriebsgeschwindigkeit, Betriebswinkel und Reflexionsspiegelabmessungen bei der Anlagenauslegung nicht einfach, einen Hochgeschwindigkeits-MEMS-Scanner zu konstruieren, der ein hochaufgelöstes Bild erreicht. Deshalb ist es schwierig, unter Verwendung einer derzeitigen MEMS-Fertigungstechnik einen MEMS-Scanner zu erhalten, der in der Lage ist, eine ausreichende Abtastgeschwindigkeit und einen Abtastwinkel zu erreichen, die eine Anzeige mit hoher Definition und hoher Auflösung realisieren, während eine ausreichende Spiegelabmessung erfüllt wird.
Das US-Patent Nr. 5,715,021 offenbart Verfahren und Vorrichtung zur Bildprojektion unter Verwendung linearer Lasersysteme. Jedes Linearsystem erzeugt parallel ausgegebene Strahlen in einer der drei Grund farben, die kombiniert werden, um eine einzige lineare Anordnung für weißes Licht zu bilden, die auf einen Bildschirm gerichtet und horizontal darüber geführt wird, um ein Videobild zu produzieren.
Die vorliegende Erfindung stellt ein optisches Scan-Bildgebungssystem zur Verfügung, das in der Lage ist, die Auflösung zu verbessern, ohne die Abmessungen einer Abtastfläche zu vergrößern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Scan-Bildgebungssystem gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Das nichtlineare optische Element kann eine Form aufweisen, die einem Kreisbogen folgt, dessen Mittelpunkt mit einem Mittelpunkt einer Achse des Scanners zusammenfällt.
Das Beleuchtungssystem kann ein Laserbeleuchtungssystem unter Verwendung einer Laserlichtquelle sein.
Das Beleuchtungssystem kann so ausgebildet sein, dass es eine Mehrzahl von Laserstrahlen für jede Wellenlänge emittiert, darunter R-, G- und B-Laserstrahlen, die gemäß einem Bildsignal durch einen einzigen optischen Pfad moduliert sind.
Die Pumplichtquelle kann eine Laserlichtquelle sein.
Ein von der Pumplichtquelle emittierter Pumpstrahl kann durch den selben optischen Pfad auf den Scanner einfallen wie der Abbildungsstrahl.
Die Pumplichtquelle kann einen Pumpstrahl mit einer anderen Wellenlänge als eine Wellenlänge des Abbildungsstrahls vom Beleuchtungssystem emittieren.
Das System kann ferner einen Pumpstrahlmodulator beinhalten, der auf einem Pfad eines Pumpstrahls angeordnet ist, der von der Pumplichtquelle emittiert wird, und so angeordnet, dass er eine Intensität des Pumpstrahls so moduliert, dass eine Brennweite der Linse eingestellt wird, die durch das nichtlineare optische Element ausgebildet ist.
Ein optisches Scan-Bildgebungssystem, das mindestens eines der oben beschriebenen Merkmale aufweist, kann bei einem optischen Scangerät angewendet werden.
Ein optisches Scan-Bildgebungssystem, das mindestens eines der oben beschriebenen Merkmale aufweist, kann bei einem Projektionsgerät angewendet werden, so dass ein Projektionsbild gebildet wird.
Auf diese Weise wird gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine optische Vorrichtung nach Anspruch 11 zur Verfügung gestellt.
Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich aus einer ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine Ansicht zur Definition einer minimalen auflösbaren Pixeleinheit ist;
2 eine Ansicht zur Darstellung eines Konzepts zur Verbesserung der Auflösung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine schematische Ansicht eines optischen Scan-Bildgebungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine Ansicht ist zur Erläuterung eines Selbstfokussierungsprinzips oder eines Selbstdefokussierungsprinzips in einem nichtlinearen optischen Element aus einem Material, das einen Kerr-Effekt aufweist;
5 eine Ansicht ist zur Erläuterung von Pfadveränderungen eines Strahls, der ein nichtlineares optisches Element passiert, wenn kein Pumpstrahl vorhanden ist und wenn ein Pumpstrahl vorhanden ist;
6 und 7 eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht sind, die beispielhaft einen optischen Pfad eines Abbildungsstrahls in einem optischen Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen;
8 eine Ansicht zur Erläuterung eines Strahlenbauchs in der ersten Fokalebene P1 in dem Fall darstellt, wenn kein nichtlineares optisches Element vorhanden ist; und
9 eine Ansicht ist zur Erläuterung, dass ein Strahlenbauch in der zweiten Fokalebene P2, die eine Position eines Brennpunkts eines nichtlinearen optischen Elements ist, im Vergleich zu einem Strahlenbauch in der ersten Fokalebene P1, in dem Fall, wenn ein nichtlineares optisches Element vorhanden ist, sich reduziert.
Die vorliegende Erfindung wird nun genauer mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind.
Unter der Annahme, dass der Durchmesser einer Scannerspiegelebene D ist, der Einfallswinkel eines Lichtstrahls, der auf die Spiegelebene eines Scanners einfällt, δ ist, ist der effektive Durchmesser Dmin des Scanner durch Dmin = D cos δ gegeben. Unter der Annahme, dass ein Grenzwinkel der Auflösung eines Lichtstrahls, der vom Scanner abgetastet ist, θmin ist, ist der Grenzwinkel der Auflösung für einen kreisförmigen Lichtstrahl durch θmin = 1,22 λ/Dmin gegeben und für einen quadratischen Lichtstrahl durch θmin = λ/Dmin.
Unter der Annahme, dass ein maximaler Kippwinkel der Scannerspiegelebene ±θmax ist, kann die theoretische maximal auflösbare Anzahl an Pixeln N für einen kreisförmigen Lichtstrahl durch die folgende Gleichung 1 angegeben werden. N = 2θmax/θmin = 2θmax/(1,22 λ/Dmin) ∝ θmax Dmin (Gleichg. 1)
1 ist eine Ansicht, die eine minimale auflösbare Pixeleinheit definiert.
Mit Bezug zu 1, unter der Annahme, dass ein Spotradius eines von einem Scanner 1 reflektierten Lichtstrahls und der auf eine Bildebene oder eine Objektebene eingestrahlt wird, 'a' ist, bedeutet ein Grenzwinkel der Auflösung θmin des vom Scanner 1 eingestrahlten Lichtstrahls einen solchen Winkel, dass ein Intervall zwischen Mittelpunkten des Spots einen Abstand von 'a' aufweist. Ebenso entspricht die Größe einer auflösbaren minimalen Pixeleinheit einem Radius eines Lichtstrahlspots, der auf eine Bildebene oder eine Objektebene eingestrahlt wird. Hier kann die Bildebene ein Bildschirm eines Projektionssystems oder eine Bildebene eines Bildgebungssystems unter Verwendung einer optischen Scanvorrichtung sein, z. B. eine photosensitive Mediumebene einer Druckvorrichtung. Die Objektebene kann einer Position entsprechen, an der eine Bildgebungseinrichtung, wie eine LCD, in einem Projektionssystem angeordnet ist.
2 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Konzepts zur Verbesserung der Auflösung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug zu 2 kann die vorliegende Erfindung einen Lichtspot auf einer Bildebene oder einer Objektebene mit verbesserter Auflösung bilden, die höher ist als die vom Scanner 1 bestimmte Auflösungsgrenze, indem ein optisches System zur Verfügung gestellt wird, d. h. ein Lin senelement 5, das die Auflösung zwischen dem Scanner 1 und der Bildebene oder der Objektebene verbessert.
Wie später beschrieben wird, kann das Linsenelement 5 ein nichtlineares optisches Element beinhalten, das aus einem Material mit einem Kerr-Effekt gebildet ist und eine Linse ausbildet, die automatisch ausgerichtet wird, während der Pfad eines Abbildungsstrahls verfolgt wird, der vom Scanner abgetastet wird. Das dargestellte Linsenelement 5 weist die Form einer Linse von 5 auf, die nur eine funktionale Form darstellt.
Im Vergleich zu 1, wenn das Linsenelement 5 zur Verbesserung der Auflösung zwischen dem Scanner 1 und der Bildebene oder der Objektebene, wie in 2 dargestellt, angeordnet ist, können mehrere auflösbare Lichtstrahlspots auf der Bildebene oder der Objektebene ausgebildet werden, während der Scanner 1 sich um θmin dreht, so dass im Vergleich zu 1 ein Bild mit einer größeren Anzahl an minimalen Pixeleinheiten aufgelöst werden kann. Das heißt, wenn das Linsenelement 5 wie in 2 dargestellt vorgesehen ist, ist es möglich, die Größe der minimalen Pixeleinheit kleiner auszubilden als im Falle von 1. Deshalb ist es möglich, die Auflösung eines optischen Scan-Bildgebungssystems durch die vorliegende Erfindung zu verbessern.
3 ist eine schematische Ansicht eines optischen Scan-Bildgebungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug zu 3 beinhaltet ein optisches Scan-Bildgebungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Beleuchtungssystem 10, das einen sichtbaren Lichtstrahl emittiert, der zum Ausbilden eines Bildes verwendet wird, einen Scanner 50 zum Abtasten eines vom Beleuchtungssystem 10 einfallenden Strahls, mindestens ein nichtlineares optisches Element 70, d. h. eine Kerr-Linse, und eine Pumplichtquelle 30 zum Aktivieren des nichtlinearen optischen Elements 70. Das nichtlineare optische Element 70 ist aus einem Material mit einem Kerr-Effekt hergestellt und bildet eine Linse, die automatisch ausgerichtet wird, während ein Pfad eines vom Scanner 50 abgetasteten Abbildungsstrahls verfolgt wird. Ein vom Scanner 50 abgetastetes Strahlbild wird auf einer Bildebene (oder einem Bildschirm) durch ein optisches Projektionssystem 100 gebildet.
Das Beleuchtungssystem 10 kann ein Laserbeleuchtungssystem unter Verwendung einer Laserlichtquelle sein. Mit Bezug zu 3 kann das Beleuchtungssystem 10 eine Mehrzahl von Laserlichtquellen beinhalten, die Laserlicht für jede Wellenlänge über unterschiedliche optische Pfade emittieren, und einen Farblichtkoppler 20, der die optischen Pfade des von den Laserlichtquellen emittierten und unterschiedliche Wellenlängen aufweisenden Laserlichts koppelt.
Die Laserlichtquellen können erste bis dritte Laserlichtquellen 11, 13 und 15 aufweisen, die optische Pfade von R-, G- und B-Laserlicht trennen und diese ausgeben.
Die erste bis dritte Laserlichtquelle 11, 13 und 15 können ein Feststofflaser oder ein Halbleiterlaser sein. Strahlintensitätsmodulatoren 12, 14 und 16 zum Modulieren von Laserstrahlen entsprechender Wellenlängen gemäß einem Bildsignal können vor den ersten bis dritten Laserlichtquellen 11, 13 und 15 angeordnet sein.
Hier können die ersten bis dritten Laserlichtquellen 11, 13 und 15 ein Halbleiterlaser sein, der Laserstrahlen von R-, G- und B-Wellenlängen emittiert, einen ausgegebenen Laserstrahl entsprechender Wellenlänge gemäß einem Bildsignal moduliert und diesen ausgibt. In diesem Fall sind die in 3 dargestellten Strahlintensitätsmodulatoren 12, 14 und 16 weg gelassen.
Der Farblichtkoppler 20 kann zum Beispiel erste bis dritte dichromatische Spiegel 21, 23 und 25 beinhalten. Mit Bezug zu 3 reflektiert der erste dichromatische Spiegel 21 einen roten Laserstrahl R, der von der ersten Laserlichtquelle 11 emittiert ist. Der zweite dichromatische Spiegel 23 reflektiert einen grünen Laserstrahl G, der von der zweiten Laserlichtquelle 13 emittiert ist, und transmittiert den roten Laserstrahl R, der von der Seite des ersten dichromatischen Spiegels 21 einfällt, so dass er dem optischen Pfad des roten und grünen Laserstrahls R und G entspricht. Der dritte dichromatische Spiegel 25 reflektiert einen blauen Laserstrahl B, der von der dritten Laserlichtquelle 15 emittiert ist, und transmittiert den roten und grünen Laserstrahl R und G, die von der Seite des zweiten dichromatischen Spiegels 23 einfallen, so dass sie dem optischen Pfad des roten, grünen und blauen Laserstrahls R, G und B entsprechen. Durch den Farblichtkoppler 20 werden die optischen Pfade des roten, grünen und blauen Laserstrahls R, G und B, die von der ersten bis dritten Laserlichtquelle 11, 13 und 15 emittiert sind, in einen vereint und dem Scanner 50 zugeführt. Hier kann ein Totalreflexionsspiegel anstelle des ersten dichromatischen Spiegels 21 angeordnet sein.
Das Beleuchtungssystem 10 unter Verwendung einer Laserlichtquelle emittiert eine Mehrzahl von Laserstrahlen für jede Wellenlänge, z. B. R-, G- und B-Laserstrahlen, die gemäß einem Bildsignal moduliert sind, über einen einzigen optischen Pfad.
Hier stellt 3 ein Beleuchtungssystem 10 dar, das drei Laserlichtquellen aufweist, die R-, G- und B-Laserlicht emittieren, was nur ein Beispiel ist, und die Konstruktion des Beleuchtungssystems 10 kann auf verschiedene Weise modifiziert sein.
Der Scanner 50 kann ein Scanner sein, der in der Lage ist, einen einfallenden Strahl in beide Richtungen abzutasten. Als Alternative kann der Scanner 50 ein Scanner sein, der in eine Richtung abtastet. Der Scanner, der in der Lage ist, in beide Richtungen abzutasten, kann ein MEMS-Scanner sein oder ein Galvanometerspiegelscanner. Der Scanner, der in der Lage ist, in eine Richtung abzutasten, kann ein polygonaler drehbarer Spiegel mit einer Mehrzahl von Abtastspiegelebenen sein. 3 stellt beispielhaft einen MEMS-Scanner dar, der als Scanner 50 verwendet wird.
Da nicht nur ein Strahl zum Ausbilden eines Bildes aus dem Beleuchtungssystem 10, sondern auch ein Pumpstrahl von der Pumplichtquelle 30 in den Scanner 50 einfallen, kann die Spiegelebene bevorzugt eine Totalreflexionsbeschichtung aufweisen, so dass die Spiegelebene des Scanners 50 nicht durch die Pumpstrahlenergie in hoher Intensität beschädigt wird.
Das optische Projektionssystem 100 kann ein optisches Bildrelaissystem, wie eine Projektionslinseneinheit sein. Ebenso kann das optische Projektionssystem 100 eine f-θ Linse aufweisen.
Das optische Scan-Bildgebungssystem der vorliegenden Erfindung kann bei einem optischen Gerät, wie einem Projektionsgerät oder einem optischen Scangerät, angewendet werden.
Das heißt, das optische Scan-Bildgebungssystem kann für ein Projektionsgerät verwendet werden, das ein optisches Bildrelaissystem als optisches Projektionssystem 100 aufweist, so dass es ein eindimensionales oder zweidimensionales Projektionsbild bildet, z. B. eine Projektionsanzeige, wie ein Projektor oder ein Projektionsfernsehgerät oder ein am Kopf zu tragendes Anzeigesystem, das ein Bild auf der Retina eines Benutzers bildet. Da die Projektionslinseneinheit im Fachbereich eines Projektionsgeräts bekannt ist, wird eine detaillierte Beschreibung hierzu ausgelassen.
Ebenso kann ein optisches Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine f-θ Linse als optisches Projektionssystem 100 aufweisen, so dass es als optisches Scangerät eines Bilddarstellungsgeräts, wie eines Druckers, verwendet werden kann. Hierbei tastet das optische Scangerät ein Bild in beide Richtungen ab.
Das nichtlineare optische Element 70 ist aus einem Material gebildet, das einen Kerr-Effekt aufweist. Kerr-Effekt bedeutet, dass, wenn Licht einer starken Intensität auf ein Material einfällt, das einen hohen nichtlinearen optischen Koeffizienten dritter Ordnung aufweist, der Brechungsindex des Materials sich proportional zur Lichtintensität verändert.
4 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Selbstfokussierungsprinzips oder eines Selbstdefokussierungsprinzips in einem nichtlinearen optischen Element 70 aus einem Material, das einen Kerr-Effekt aufweist. In 4 ist nur ein Teil des nichtlinearen optischen Elements 70 dargestellt.
Mit Bezug zu 4, wenn ein Strahl mit einem räumlichen Intensitätsprofil, z. B. ein Pumpstrahl von der Pumplichtquelle 30, auf das nichtlineare optische Element 70 einfällt, das aus einem Material gebildet ist, das einen Kerr-Effekt aufweist, weist eine Veränderung des Brechungsindex des Mediums eine räumliche Verteilung auf, die dem räumlichen Intensitätsprofil entspricht. Wenn das Intensitätsprofil des Strahls achsensymmetrisch ist und eine geeignete Verteilung in radialer Richtung aufweist, ist der Betrag einer induzierten nichtlinearen Veränderung des Brechungsindex Δn(r) auch proportional zum Intensitätsprofil I(r) des Lichts. Hier stellt 'r' eine Entfernung von einer Mittelachse eines Strahls dar.
4 stellt dar, dass eine Verteilung einer Brechungsindexveränderung ähnlich einer Gauss-Verteilung im nichtlinearen optischen Element 70 induziert wird, wenn ein auf das nichtlineare optische Element 70 einfallender Strahl ein Laserlicht eines Gauss-Modus TEM₀₀ ist. Das Medium des nichtlinearen optischen Elements 70 dient durch den Betrag der oben beschriebenen induzierten nichtlinearen Veränderung des Brechungsindex als konvexe (oder konkave) Linse, was Selbstfokussierung (oder Selbstdefokussierung) genannt wird. Wenn in 4 ein paralleler Strahl mit einem Intensitätsprofil des Gauss-Modus TEM₀₀ auf das nichtlineare optische Element 70 einfällt, dient das nichtlineare optische Element 70 durch eine Selbstfokussierung als konvexe Linse.
Wenn der Betrag der nichtlinearen Veränderung des Brechungsindex Δn(r) positiv ist, d. h., wenn der Brechungsindex proportional zur Intensität des Lichts größer wird, dient das nichtlineare optische Element 70 als konvexe Linse. Wenn hingegen der Betrag der nichtlinearen Veränderung des Brechungsindex Δn(r) negativ ist, d. h., wenn der Brechungsindex umgekehrt proportional zur Intensität des Lichts größer wird, dient das nichtlineare optische Element 70 als konkave Linse.
Es ist daher möglich vorzusehen, dass das nichtlineare optische Element 70 entweder als konvexe Linse oder als konkave Linse dient, indem in geeigneter Weise ein für das nichtlineare optische Element 70 verwendetes Material ausgewählt wird.
Indessen kann das nichtlineare optische Element 70 im optischen Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Form aufweisen, die einem Kreisbogen folgt, dessen Mitte mit einem Drehpunkt des Scanners 50 übereinstimmt, so dass eine Verzerrung eines Strahlpfads minimiert wird, wie es in 3 dargestellt ist.
Die Pumplichtquelle 30 kann eine Laserlichtquelle sein. Ebenso kann die Pumplichtquelle 30 einen Pumpstrahl in einer Wellenlänge emittieren, die sich von einer Wellenlänge des Abbildungsstrahls unterscheidet, der vom Beleuchtungssystem 10 emittiert ist.
Im optischen Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung fällt der Pumpstrahl entlang eines Pfads in den Scanner 50 ein, der mit einem Abbildungsstrahl zusammenfällt und daher kann der Pumpstrahl auf das nichtlineare optische Element 70 einstrahlen, während er dem Pfad des Abbildungsstrahls folgt.
Zu diesem Zweck kann das optische Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ferner einen optischen Pfadkoppler beinhalten, d. h. einen dichromatischen Spiegel 27, der einen von der Pumplichtquelle 30 emittierten Pumpstrahl reflektiert und einen Strahl vom Beleuchtungssystem 10 transmittiert, so dass die obigen optischen Pfade vereint werden.
In diesem Fall fällt der Pumpstrahl auf den Scanner 50 entlang eines Pfads ein, der mit dem Abbildungsstrahl zusammenfällt und wird vom Scanner 50 abgetastet, so dass eine nichtlineare optische Brechungsindexveränderung für das nichtlineare optische Element 70 erzeugt wird, während der Pfad des Abbildungsstrahls verfolgt wird. Durch den obigen Prozess dient das nichtlineare optische Element 70 als Linse, während der Pfad des Abbildungsstrahls verfolgt wird.
5 ist eine Ansicht zur Erläuterung von Veränderungen des Pfads eines Strahls, der ein nichtlineares optisches Element passiert, wenn kein Pumpstrahl vorliegt und wenn ein Pumpstrahl vorliegt. Wie in einer unterbrochenen Linie in 5 dargestellt ist, dient das nichtlineare optische Element 70 nicht als Linse, wenn kein Pumpstrahl vorliegt, so dass ein Streuwinkel des Strahls sich überhaupt nicht ändert. Wenn hingegen, wie in einer durchgezogenen Linie in 5 dargestellt, der Pumpstrahl eingestrahlt wird, so dass die nichtlineare Brechungsindexveränderung erzeugt wird, die eine Linse im nichtlinearen optischen Element 70 bildet, dient das nichtlineare optische Element 70 als Linse, so dass ein Streuwinkel des Strahls sich verändert. In 5 fällt ein von der Seite des Scanners 50 divergierender Strahl auf das nichtlineare optische Element 70, das als konvexe Linse dient, die den einfallenden divergierenden Strahl kondensiert.
Im obigen optischen Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann das nichtlineare optische Element 70, d. h. die Kerr-Linse, aus einem Material gebildet sein, das leicht auf die Wellenlänge des Pumpstrahls anspricht, so dass eine nichtlineare Brechungsindexveränderung erzeugt wird, die eine Linse bildet, aber keine nichtlineare Eigenschaft in Bezug auf den Abbildungsstrahl (z. B. R-, G- und B-Strahl) aufweist. Das heißt, es ist bevorzugt, dass das nichtlineare optische Element 70 aus einem Material gebildet ist, das eine Wellenlängenselektivität aufweist, das in einem Wellenlängenbereich und einem Intensitätsbereich des Abbildungsstrahls keinen Linseneffekt aufweist.
Eine physikalische Grundlage zur Erzeugung eines Kerr-Effekts beinhaltet verschiedene Faktoren (thermischer Faktor, molekulare Umordnung, elektronischer Faktor und so weiter). Da eine hohe Pixelfrequenz, die einem Bildpixel entspricht, erforderlich ist, um ein Bild in hoher Auflösung zu realisieren, ist ein Kerr-Medium mit einer Ansprechzeit in Hochgeschwindigkeit von Vorteil. Allgemein ist eine Ansprechzeit eines Materials auf thermisch-physikalischer Grundlage am längsten, eine Ansprechzeit eines Materials auf physikalischer Grundlage einer molekularen Umordnung weist eine mittlere Geschwindigkeit auf und eine An sprechzeit eines Materials auf einer elektronisch-physikalischen Grundlage ist am kürzesten. Deshalb ist es vom Gesichtspunkt der Ansprechzeit besonders wünschenswert, dass ein Kerr-Material auf einer elektronisch-physikalischen Grundlage für das nichtlineare optische Element 70 verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass das nichtlineare optische Element 70 eine nichtlineare Wellenlängenselektionscharakteristik für den sichtbaren Abbildungslaserstrahl und den Pumpiaserstrahl aufweist und aus einem Material gebildet ist, das für sichtbares Licht transparent ist und eine Veränderung des Brechungsindex für sichtbares Licht bewirkt. Ebenso ist es bevorzugt, dass das nichtlineare optische Element 70 aus einem Material gebildet ist, das einen hohen nichtlinearen optischen Koeffizienten dritter Ordnung mit einer ausreichend kurzen Ansprechgeschwindigkeit einer nichtlinearen optischen Charakteristik aufweist und eine ausreichende nichtlineare optische Brechungsindexveränderung in einem Pumpstrahlenergiebereich bewirkt.
Die Pumplichtquelle 30, d. h. der Pumplaser, sollte eine Lichtenergie auf einem Niveau aufweisen, die in der Lage ist, eine ausreichende Veränderung des optischen Brechungsindex für das nichtlineare optische Element 70 zu bewirken, und eine Wellenlänge aufweisen, die sich von den Abbildungsstrahlen unterscheidet. Ebenso ist es bevorzugt, dass an der Pumplichtquelle 30 ein Pumplichtintensitätsmodulator 35 anzubringen ist, so dass eine Brennweite einer Linse, die vom nichtlinearen optischen Element 70 gebildet ist, eingestellt wird.
Ein Medium, das einen Kerr-Effekt aufweist, das zum Ausbilden des nichtlinearen optischen Elements 70 verwendet wird, und eine geeignete Pumplichtquelle dafür sind wie folgt: CS2 (flüssiger Schwefelkohlenstoff) + Nd:YAG-Pumplaser, Halbleiterverstärkungsmedium + Nd-YAG-Laser mit kontinuierlicher Welle (cw) oder vom gepulsten Typ, reine nemati sche Flüssigkristalle (NLCs) oder mit Farbstoff (oder C60) dotierte NLCs + cw sichtbarer/UV-Lichtlaser, anorganisch dotiertes Hybridglas + sichtbarer Laser.
Da ein Intervall zwischen dem nichtlinearen optischen Element 70 und der Bildebene, z. B. ein Bildschirm, sich in Abhängigkeit von der Entfernung von der Abtastmittelachse verändert, verändert sich die Spotgröße über eine gesamte Bildebene in Abhängigkeit von der Entfernung der Abtastmittelachse in dem Fall, in dem eine Brennweite einer durch das nichtlineare optische Element 70 gebildeten Linse konstant ist. Zum Beispiel ist eine Spotgröße an der Kante der Bildebene größer als eine Spotgröße in der Mitte der Bildebene, weil eine Bildebene an der Kante der Bildebene nach einem Fokus gelegen ist, wenn das nichtlineare optische Element 70 eine solche Brennweite aufweist, dass ein Fokus in der Mitte der Bildebene gelegen ist.
Deshalb ist es bevorzugt, um eine feste Spotgröße über die gesamte Bildebene einzuhalten, dass das optische Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennweite des nichtlinearen optischen Elements 70 einstellen kann, so dass die gleiche Spotgröße an jeglicher Position der Bildebene durch Steuern der Pumpstrahlintensität gebildet wird.
Zu diesem Zweck kann das optische Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ferner einen Pumpstrahlmodulator 35 beinhalten, der eine Pumpstrahlintensität moduliert, so dass eine Brennweite des nichtlinearen optischen Elements 70 eingestellt wird, damit die gleiche Spotgröße an jeglicher Position der Bildebene durch Steuern der Pumpstrahlintensität gebildet werden kann. Durch den Pumpstrahlmodulator 35 kann eine feste Spotgröße über die gesamte Bildebene eingehalten werden.
Da die Intensität des Pumpstrahls, der auf das nichtlineare optische Element 70 eingestrahlt wird, so moduliert werden kann, dass die gleiche Spotgröße an jeglicher Position auf der Bildebene durch eine einfache Struktur und Einfügen des Pumpstrahlmodulators 35 ausgebildet werden kann, erfordert das optische Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kein kompliziertes optisches Korrektursystem, um das Problem der Spotgrößenveränderung zu lösen, und dadurch ist seine optische Konstruktion einfach.
Indessen kann das optische Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ferner einen Pumpstrahlteiler 90 zwischen dem nichtlinearen optischen Element 70 und dem optischen Projektionssystem 100 beinhalten, so dass der Pumpstrahl eliminiert wird, der das nichtlineare optische Element 70 passiert hat. Da die Wellenlänge des Pumpstrahls sich von der des Abbildungsstrahls unterscheidet, kann der Pumpstrahlteiler 90 einen Bandkantenfilter aufweisen, der den Abbildungsstrahl transmittiert und den Pumpstrahl abschneidet.
Ebenso mit Bezug zu 3 kann das erfindungsgemäße optische Scan-Bildgebungssystem ferner eine Kondensorlinse 40 auf einem optischen Pfad vor dem Scanner 50 beinhalten, so dass eine auf den Scanner 50 eingestrahlte Strahlausdehnung reduziert wird. Die Kondensorlinse 40 kann aus einer Linse oder einer Kombination von mehreren Linsen bestehen und kann im Beleuchtungssystem 10 enthalten sein. Wenn die Kondensorlinse 40 eine auf den Scanner 50 eingestrahlte Strahlausdehnung reduziert, können die Abmessungen der Spiegelebenen des Scanners 50, z. B. eines MEMS-Scanners, noch weiter reduziert werden.
Ein Auflösungsverstärkungseffekt beim erfindungsgemäßen optischen Scan-Bildgebungssystem wird unten mit Bezug zu einem Fall beschrieben, in dem der auf den Scanner 50 einfallende Abbildungsstrahl ein nichtparalleler Strahl wird, der auf die erste Fokalebene P1 vor dem nichtlinearen optischen Element 70 fokussiert ist.
Die 6 und 7 sind eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht, die beispielhaft einen optischen Pfad eines Abbildungsstrahls in einem optischen Scan-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Pumplichtquelle 30, der Pumpstrahlteiler 90 und der Pumpstrahl sind der Einfachheit halber ausgelassen.
Mit Bezug zu den 6 und 7, wird ein sichtbarer Laserstrahl, der vom Beleuchtungssystem 10 eingestrahlt ist, durch die Kondensatorlinse 40 auf die erste Fokalebene P1 fokussiert.
Durch einen Linseneffekt, der durch Einstrahlen des Pumpstrahls erhalten ist, fokussiert das optische Element 70 den divergierenden Strahl, der die erste Fokalebene P1 passiert, auf die zweite Fokalebene P2, so dass sein Strahlenbauch kleiner ist als der Strahlenbauch in der ersten Fokalebene P1.
Hierbei ist aus einem Vergleich der 8 und 9 ersichtlich, dass, wenn das nichtlineare optische Element 70 vorgesehen ist, der Strahlenbauch der zweiten Fokalebene P2 im Vergleich zum Strahlenbauch in der ersten Fokalebne P1 reduziert werden kann, so dass, im Vergleich zum Fall ohne Verwendung des nichtlinearen optischen Elements 70, eine kleine minimale Pixeleinheitsgröße erreicht werden kann und dadurch die Auflösung verstärkt wird.
8 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Strahlenbauchs in der ersten Fokalebene P1 im Fall, bei dem kein optisches Element 70 vorgesehen ist. 9 ist eine Ansicht zur Erläuterung, dass sich ein Strahlenbauch in der zweiten Fokalebene P2, die eine Position eines Brennpunkts des nichtlinearen optischen Elements 70 ist, im Vergleich zu ei nem Strahlenbauch in der ersten Fokalebene P1 in dem Fall verringert, in dem das nichtlineare optische Element 70 vorgesehen ist.
In 8 ist die erste Fokalebene P1 eine Objektebene. In 9 ist die zweite Fokalebene P2 eine Objektebene. Das heißt, die erste Fokalebene P1 ist eine alte Objektebene, wenn das nichtlineare optische Element 70 nicht vorgesehen ist, und die zweite Fokalebene P2 ist eine neue Objektebene, die erhalten wird, wenn das nichtlineare optische Element 70 zwischen der ersten Fokalebene P1 und dem optischen Projektionssystem 100 vorgesehen ist.
Hierbei wird gemäß dem erfindungsgemäßen optischen Scan-Bildgebungssystem die Brennweite einer Linse 70', die durch das nichtlineare optische Element 70 gebildet ist, in Abhängigkeit von der Position von der Mittelachse verändert, indem die Intensität des Pumpstrahls eingestellt wird, der auf das nichtlineare optische Element 70 eingestrahlt wird, wobei der in 9 dargestellte Pumpstrahlmodulator 35 verwendet wird, die zweite Fokalebene P2 kann die gleiche Ebene wie die Bildebene bilden, z. B. einen Bildschirm, so dass die Spotgröße, die auf der Bildebene hinter der Fokalebene P2 vom optischen Projektionssystem 100 gebildet wird, konstant gehalten werden kann. In 9 ist die Linse 70' eine virtuell dargestellte Linse, die durch das nichtlineare optische Element 70 gebildet ist.
Die zweite Fokalebene P2 ist eine Objektebene, auf der zum Beispiel eine LCD-Abbildungseinrichtung eines LCD-Projektors angeordnet ist. Ein auf der zweiten Fokalebene P2 realisiertes virtuelles Bild wird durch ein optisches Bildrelaissystem auf dem Bildschirm gebildet, das als optisches Projektionssystem 100 angewendet wird. Der Bildschirm entspricht einem allgemeinen Bildschirm, der ein Projektionsbild des Projektionsgeräts zeigt. Ebenso entspricht, wenn das Projektionsgerät ein am Kopf getragener Typ ist, der Bildschirm der Retina des Benutzers.
Hier ist im Fall, bei dem das nichtlineare optische Element 70 nicht vorgesehen ist, die erste Fokalebene P1 eine Objektebene und eine Ebene, auf der eine LCD-Abbildungseinrichtung eines LCD-Projektors angeordnet ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen optischen Scan-Bildgebungssystem kann, da der Strahlenbauch eines vom nichtlinearen optischen Element 70 auf eine Objektebene fokussierten Lichtstrahls noch weiter verringert werden kann, eine minimale Pixeleinheitsgröße reduziert werden und dadurch kann die Auflösung verstärkt werden, ohne dass die Abmessungen der Abtastebene des Scanners 50 vergrößert werden.
Das erfindungsgemäße optische Scan-Bildgebungssystem kann die Auflösung verbessern, ohne dass die Abmessungen der Abtastebene vergrößert werden, indem das nichtlineare optische Element vorgesehen ist, das aus einem Material mit einem Kerr-Effekt hergestellt ist, und indem eine Linse ausgebildet ist, die automatisch ausgerichtet wird, während ein Pfad eines Abbildungsstrahls, der vom Scanner abgetastet wird, zwischen dem Scanner und dem optischen Projektionssystem verfolgt wird.
Deshalb ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ohne Einschränkung bei den physikalischen Abmessungen des Scanners, die Auflösung zu erhöhen.
Während die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug zu beispielhaften Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen in Form und Details hierzu vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Optisches Scan-Bildgebungssystem umfassend: ein Beleuchtungssystem (10) so ausgebildet, dass ein Abbildungsstrahl emittiert wird; und einen Scanner (50) so ausgebildet, dass er den vom Beleuchtungssystem (10) einfallenden Abbildungsstrahl ablenkt; dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: ein nichtlineares optisches Element (70) aus einem Material mit einem Kerr-Effekt; eine Pumplichtquelle (30) so ausgebildet, dass sie einen Pumpstrahl emittiert; und einen optischen Pfadkoppler so ausgebildet, dass er den Pumplichtstrahl mit dem Abbildungsstrahl derart kombiniert, dass der Pumpstrahl und der Abbildungsstrahl kolinear durch das nichtlineare optische Element (70) transportiert werden, und wobei das nichtlineare optische Element (70) so ausgebildet ist, dass es automatisch mit dem Abbildungsstrahl ausgerichtet wird, und derart, dass der einfallende Pumpstrahl eine nichtlineare optische Brechungsindexänderung am nichtlinearen optischen Element (70) erzeugt, so dass eine Linse im nichtlinearen optischen Element (70) ausgebildet wird.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei das nichtlineare optische Element (70) eine Form aufweist, die einem Kreisbogen folgt, dessen Mittelpunkt mit einem Mittelpunkt einer Achse des Scanners (50) zusammenfällt.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumplichtquelle eine Laserlichtquelle ist.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei ein von der Pumplichtquelle (30) emittierter Pumpstrahl auf den Scanner (50) durch den selben optischen Pfad einfällt wie der Abbildungsstrahl.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumplichtquelle (30) so ausgebildet ist, dass ein Pumpstrahl mit einer anderen Wellenlänge als eine Wellenlänge des Abbildungsstrahls vom Beleuchtungssystem (10) emittiert wird.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Pumpstrahlmodulator (35), der auf einem Pfad eines Pumpstrahls angeordnet ist, der von der Pumplichtquelle (30) emittiert wird, und so angeordnet, dass er eine Intensität des Pumpstrahls so moduliert, dass eine Brennweite der Linse eingestellt wird, die durch das nichtlineare optische Element (70) ausgebildet ist.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Pumpstrahlteiler (90) so ausgebildet, dass er einen von der Pumplichtquelle (30) emittierten und durch das nichtlineare optische Element (70) verlaufenden Pumpstrahl eliminiert.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Kondensatorlinse (40) so ausgebildet, dass sie eine Abmessung eines auf den Scanner (50) eingestrahlten Strahls auf einem optischen Pfad vor dem Scanner (50) verringert.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beleuchtungssystem ein Laserbeleuchtungssystem mit einer Laserlichtquelle ist.
Optisches Scan-Bildgebungssystem nach Anspruch 9, wobei das Beleuchtungssystem so ausgebildet ist, dass es eine Mehrzahl von Laserstrahlen für jede Wellenlänge mit R-, G- und B-Laserstrahlen emittiert, die gemäß einem Bildsignal durch einen einzigen optischen Pfad moduliert sind.
Optische Vorrichtung umfassend ein optisches Scan-Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.