DE102005062234B4

DE102005062234B4 - Method for improving the image quality of laser projections

Info

Publication number: DE102005062234B4
Application number: DE102005062234.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Biehlig Wolfram; Wolfgang Vogel
Original assignee: Jenoptik LDT GmbH
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: DE102005062234A1

Abstract

Verfahren zur Darstellung eines Videobildes mit einer mindestens ein intensitätsmoduliertes Lichtbündel emittierenden Quelle, die zwei oder mehrere unabhängig voneinander modulierbare Lichtbündel emittiert, sowie einer Ablenkeinrichtung zum Ablenken des Lichtbündels, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei aufeinander folgenden Bildern, die von den unabhängig voneinander modulierbaren Lichtbündeln erzeugten jeweiligen Zeilen in der Art vertauscht werden, dass diese im Auge des Betrachters eine Mittelung über beide Bilder erzeugen.A method of displaying a video image with a source emitting at least one intensity-modulated light beam which emits two or more independently modulatable light beams, and a deflector for deflecting the light beam, characterized in that in two successive images generated by the independently modulatable light beams respective lines are exchanged in such a way that they produce an averaging over both images in the eye of the observer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung von Bildfehlern bei der Laserprojektion, die durch die jeweiligen Einkoppelbedingungen, der Krümmung der Faser, der Realstruktur der Faser sowie der unterschiedlichen Transmission der Faser bedingt sind.The invention relates to a method for eliminating image errors in the laser projection, which are due to the respective Einkoppelbedingungen, the curvature of the fiber, the real structure of the fiber and the different transmission of the fiber.

Eine Vorrichtung zur Darstellung eines Videobildes mit mindestens ein intensitätsmoduliertes Lichtbündel emittierenden Quelle sowie einer Ablenkeinrichtung zum Ablenken des Lichtbündels, sowohl zum winkelproportionalen Rastern von N_P Bildpunkten in Zeilen über einen Winkel α_P als auch zum winkelproportionalen Rastern des Lichtbündels von N_Z Zeilen des Videobildes über einen Winkel α_Z ist aus EP 925 690 B1 bekannt.A device for displaying a video image with at least one intensity-modulated light beam emitting source and a deflector for deflecting the light beam, both for angle-proportional rastering of N _P pixels in lines over an angle α _P and the angle proportional rastering of the light beam of N _Z lines of the video image via an angle α _Z is off EP 925 690 B1 known.

Wenn im Folgenden von ”Quelle” gesprochen wird, ist damit nicht nur ein einziger Lichterzeuger, sondern auch jede Kombination verschiedener Lichtquellen in beliebiger Anordnung gemeint.When we speak of "source" in the following, we mean not only a single light generator, but also any combination of different light sources in any order.

Zur Videoprojektion wird ein paralleles Lichtbündel, ein Lichtstrahl oder insbesondere Laserstrahl, jeweils mit der Bild- und Farbinformation von verschiedenen Bildpunkten eines Videobildes beaufschlagt. Bei allen bekannten Systemen für die Bilderzeugung mit Lasern wird mechanisch abgelenkt.For video projection, a parallel light beam, a light beam or in particular a laser beam, in each case with the image and color information of different pixels of a video image is applied. In all known systems for imaging with lasers is mechanically deflected.

Aus der DE 43 24 849 C2 ist ein Laservideosystem bekannt, bei dem zu jedem Zeitpunkt das Lichtbündel mit unterschiedlicher Farbe und Helligkeit moduliert wird. Während es aufgrund des Rasterns unterschiedliche Bildpunkte der Fläche beleuchtet, wird es mit dem für jeden beleuchteten Bildpunkt gewünschten Informationsinhalt ausgestattet. Im Ergebnis dessen entsteht auf der Fläche ein farbiges Bild. Ein Laservideosystem dieser Art erfordert eine außerordentlich hohe Ablenkgeschwindigkeit für das Lichtbündel aufgrund der großen Anzahl von Bildpunkten. Ein sich schnell drehender Polygonspiegel wird dabei für die Zeilenablenkung und ein Schwenkspiegel für die Bildablenkung verwendet.From the DE 43 24 849 C2 For example, a laser video system is known in which the light beam is modulated at different times with different color and brightness. While it illuminates different pixels of the area due to the rasterization, it is equipped with the information content desired for each illuminated pixel. As a result, a colored picture appears on the surface. A laser video system of this type requires an extremely high deflection speed for the light beam due to the large number of pixels. A fast rotating polygon mirror is used for the line deflection and a tilt mirror for the image deflection.

Der schematische Aufbau eines solchen typischen Laserprojektors der nach dem scannenden Prinzip arbeitet ist aus 1 zu entnehmen. Lichtquelle ist ein Laser, der die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau erzeugt. Die Bildinformation wird aus der Videoquelle (input modul) geliefert. Diese Information wird über akusto-optische Modulatoren auf die einzelnen Primärfarben übertragen. Das modulierte Licht wird anschließend über dichroitische Spiegel zusammengeführt und in eine Lichtleitfaser (optical fiber) eingekoppelt. Diese Lichtleitfaser verbindet die Lasereinheit (laser unit) mit dem Projektionskopf (scan unit). Der Projektionskopf ist elektronisch mit der Modulationseinheit synchronisiert. Mit ihm wird das Bild in Analogie zum Bildaufbau bei der Kathodenstrahlröhre (mit einem Elektronenstrahl) Zeile für Zeile mit dem Laserstrahl auf dem Schirm erzeugt.The schematic structure of such a typical laser projector that works on the scanning principle is out 1 refer to. Light source is a laser that generates the three primary colors red, green and blue. The image information is supplied from the video source (input module). This information is transmitted via acousto-optic modulators to the individual primary colors. The modulated light is then combined via dichroic mirrors and coupled into an optical fiber. This optical fiber connects the laser unit to the projection unit (scan unit). The projection head is electronically synchronized with the modulation unit. With it, the image is generated in line with the image structure in the cathode ray tube (with an electron beam) line by line with the laser beam on the screen.

Der zeilenweise Bildaufbau mit dem Laserprojektor ist in 2.1 prinzipiell dargestellt. Das Bild wird z. B. beginnend von der obersten Zeile, Zeile für Zeile aufgebaut. Die Scanrichtung einer einzelnen Zeile kann z. B. von links nach rechts orientiert sein. Im Scannerkopf befinden sich zwei Spiegelsysteme, die die horizontale bzw. vertikale Ablenkung des Lichtstrahles bewirken. Die Auslenkung in horizontaler Richtung (Zeilenrichtung) erfolgt durch einen Polygonspiegel, der z. B. 25 ebene Flächen (Facetten) besitzt. Jede Einzelfläche schreibt eine Zeile, so dass nach einer vollständigen Umdrehung des Polygonspiegels nacheinander 25 Zeilen geschrieben werden. Die vertikale Auslenkung erfolgt durch einen Galvanometerspiegel. Er sorgt dafür, dass die einzelnen Zeilen untereinander geschrieben werden und so ein vollständiger Bildaufbau möglich ist.The line by line image construction with the laser projector is in 2.1 shown in principle. The picture is z. Starting from the top line, line by line. The scanning direction of a single line can, for. B. be oriented from left to right. In the scanner head are two mirror systems that cause the horizontal or vertical deflection of the light beam. The deflection in the horizontal direction (row direction) is performed by a polygon mirror, the z. B. has 25 flat surfaces (facets). Each individual surface writes a line, so that after a complete revolution of the polygon mirror, 25 lines are successively written. The vertical deflection is done by a galvanometer mirror. He ensures that the individual lines are written among each other and so a complete image structure is possible.

Der Laserprojektion sind jedoch hinsichtlich der Auflösung, wie jedem anderem Projektionsverfahren, physikalische Grenzen gesetzt. Zunächst muss der Durchmesser des Strahles auf dem Schirm der erforderlichen Bildauflösung angepasst sein, d. h. der Strahldurchmesser auf dem Projektionsschirm darf nicht zu groß oder zu klein sein. Die zweite Begrenzung erfolgt durch die erforderliche Modulationsgeschwindigkeit des Lichtes im akusto-optischen Modulator. Für die Erzeugung eines Bildes im XGA-Format ist beispielweise eine Pixelfrequenz von etwa 60 MHz erforderlich. Das ist die Frequenz mit der die einzelnen Pixel beim Schreiben einer Zeile aufeinander folgen. Für eine gute Bildqualität sind dann möglichst kleine Anstiegs- und Abfallzeiten bei der Modulation erforderlich. Bei dem angegebenen Bildformat müssen diese kleiner als etwa 10 ns sein. Das ist derzeit relativ hart an der physikalisch erreichbaren Grenze. Eine dritte wesentliche Forderung für die Erreichung einer hohen Auflösung ist eine hohe Rotationsgeschwindigkeit des Polygonspiegels. Bei einer Bildfrequenz von 50 Hz und XGA-Auflösung sowie 25 Facetten ist eine Rotationsgeschwindigkeit von etwa 100000 U/Minute erforderlich und das fehlerfrei über viele Stunden oder Tage.Laser projection, however, has physical limitations in terms of resolution, like any other projection technique. First, the diameter of the beam on the screen must be adjusted to the required image resolution, i. H. The beam diameter on the projection screen must not be too big or too small. The second limitation is provided by the required modulation speed of the light in the acousto-optic modulator. For example, producing a picture in XGA format requires a pixel frequency of about 60 MHz. This is the frequency with which the individual pixels follow each other when writing a line. For a good image quality then the smallest possible rise and fall times in the modulation are required. For the given image format, they must be less than about 10 ns. This is currently relatively hard on the physically achievable limit. A third essential requirement for achieving a high resolution is a high rotational speed of the polygon mirror. With a frame rate of 50 Hz and XGA resolution and 25 facets, a rotation speed of about 100,000 U / minute is required and the error-free over many hours or days.

Um höhere Bildauflösungen zu erreichen, z. B. SXGA, UXGA oder QXGA, sind höhere Rotationsgeschwindigkeiten und Modulationsfrequenzen erforderlich. Aus der oben genannten EP 925 690 B1 ist eine Lösung bekannt, bei der die Quelle zwei unabhängig voneinander modulierbare Lichtbündel emittiert, von denen das erste mit der Videoinformation zum Beleuchten eines jeweils durch Rastern angesteuerten ersten Bildpunktes und das zweite mit der Videoinformation zum Beleuchten eines zweiten Bildpunktes moduliert sind. Der schematische Aufbau ist aus 3 zu entnehmen.To achieve higher image resolutions, z. As SXGA, UXGA or QXGA, higher rotational speeds and modulation frequencies are required. From the above EP 925 690 B1 a solution is known in which the source emits two independently modulatable light beams, of which the first one is modulated with the video information for illuminating a first pixel respectively driven by rasterization and the second one with the video information for illuminating a second pixel. The schematic structure is made 3 refer to.

Um höhere Bildauflösungen zu erreichen, z. B. SXGA, UXGA oder QXGA, sind höhere Rotationsgeschwindigkeiten und Modulationsfrequenzen erforderlich. Um die damit verbundenen extremen Anforderungen noch beherrschen zu können, kann man eine Modifikation des oben beschriebenen Scanprinzips verwenden. Dabei kann man 2 oder mehr Zeilen gleichzeitig auf den Schirm scannen. Beispielhaft betrachten wir hier den Fall zweier gleichzeitig geschriebener Zeilen, dies gelingt unter Verwendung eines sogenannten Faserduos, wie im oben genanntem EP 925 690 B1 beschrieben. Bei einem Laserprojektor mit Faserduo sind zwei Modulationseinheiten (jeweils: Rot, Grün und Blau) erforderlich, die unabhängig voneinander arbeiten aber auch mit dem Scanner synchronisiert sind. Jede Modulationseinheit moduliert Licht, das in eine andere Faser eingekoppelt wird. Beide Fasern verbinden, wie bisher, die Lasereinheit mit dem Scanner. Im Scanner tritt das Laserlicht aus den Fasern aus und beleuchtet den gleichen Facettenspiegel. Wenn der Austrittswinkel geeignet justiert ist, so werden auf diese Weise mit einer Facette gleichzeitig zwei Zeilen des Bildes erzeugt, siehe 2.2. Dadurch halbieren sich die Anforderungen an Rotationsgeschwindigkeit und die Anstiegszeiten bei der Projektion und es sind so auch höhere Auflösungen erreichbar. Jeweils ein schwarz und grau dargestelltes Zeilenpaar wird gleichzeitig geschrieben. Schwarze und grau dargestellte Zeilen werden durch verschiedene Fasern erzeugt.To achieve higher image resolutions, z. As SXGA, UXGA or QXGA, higher rotational speeds and modulation frequencies are required. In order to be able to master the associated extreme requirements, one can use a modification of the scanning principle described above. You can scan 2 or more lines on the screen at the same time. By way of example we consider here the case of two simultaneously written lines, this succeeds using a so-called fiber duo, as in the above-mentioned EP 925 690 B1 described. A laser projector with fiber duo requires two modulation units (each: red, green and blue) that work independently of each other but are also synchronized with the scanner. Each modulation unit modulates light that is coupled into another fiber. Both fibers connect, as before, the laser unit with the scanner. In the scanner, the laser light emerges from the fibers and illuminates the same facet mirror. If the exit angle is properly adjusted, two facets of the image are simultaneously created in this way, see 2.2 , This halves the requirements for rotational speed and the rise times in the projection and thus higher resolutions can be achieved. In each case a black and gray represented pair of lines is written simultaneously. Black and gray lines are created by different fibers.

Für die Laserprojektion werden Multimodefasern benutzt, die die erforderlichen hohen Lichtleistungen transportieren können. Das Strahlprofil nach der Faser ist u. a. abhängig von den Einkoppelbedingungen, der Krümmung der Faser sowie der Realstruktur der Faser. Außerdem ist die Transmission der Fasern unterschiedlich.For laser projection multimode fibers are used, which can transport the required high light output. The beam profile after the fiber is u. a. depending on the coupling conditions, the curvature of the fiber and the real structure of the fiber. In addition, the transmission of the fibers is different.

Dadurch treten z. B. im weißen Bild erhebliche Bildfehler auf. Das Bild wird inhomogener und es treten auch farbige Störungen auf, die durch das unterschiedliche Ausbreitungsverhalten der drei Farbanteile der Lichtstrahlen, Rot, Grün und Blau, bedingt sind.As a result, z. B. in the white image significant aberrations. The picture becomes more inhomogeneous and also colored disturbances occur, which are due to the different propagation behavior of the three color components of the light rays, red, green and blue.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das aus dem Stand der Technik bekannte gattungsgemäße Verfahren bzw. das Videosystem so zu verbessern, dass diese so entstehenden Bildfehler und Inhomogenitäten beseitigt werden.The object of the invention is therefore to improve the known from the prior art generic method or the video system so that these resulting image errors and inhomogeneities are eliminated.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass von Bild zu Bild die Zeilen in der Art vertauscht werden, die im Auge des Betrachters eine Mittelung über beide Bildvarianten erzeugen, und sich daraus dem Betrachter ein Bild mit stark reduzierten Bildfehlern ergibt. Erfindungsgemäß werden die Unterschiede zwischen den benachbarten Zeilen bzw. Fasern ausgeglichen. Bei zwei aufeinander folgenden Bildern werden die Zeilen ausgetauscht, wie in 4 dargestellt wird. Hierbei stellen z. B. die schwarze Zeile die von der Faser 1 und die hellgraue Zeile die von der Faser 2 erzeugte Zeile dar. Durch die Mittelung über beide Bilder im Auge des Betrachters entsteht das verbesserte Bild. Durch dieses so genannte Zeilen-Switching werden die Unterschiede ausgeglichen.According to the invention, the object is achieved by interchanging the lines in the manner from image to image that produce an averaging over both image variants in the observer's eye, and from this results to the viewer an image with greatly reduced image aberrations. According to the invention, the differences between the adjacent lines or fibers are compensated. For two successive pictures, the lines are exchanged, as in 4 is pictured. Here are z. For example, the black line represents the line produced by fiber 1 and the light gray line represents the line produced by fiber 2. Averaging over both images in the viewer's eye produces the improved image. This so-called row switching compensates for the differences.

Die ungeradzahligen Zeilen (1, 3, 5 usw.) werden z. B. durch einen Laserkanal 1 erzeugt, während die geradzahligen Zeilen (2, 4, 6 usw.) durch einen Laserkanal 2 erzeugt werden. Im darauf folgenden Bild werden nun die ungeradzahligen Zeilen (1, 3, 5 usw.) durch den Laserkanal 2 erzeugt, während die geradzahligen Zeilen (2, 4, 6 usw.) durch den Laserkanal 1 erzeugt werden. Im darauf folgenden Bild erfolgt dann eine erneute Rückschaltung usw.The odd-numbered lines (1, 3, 5, etc.) are z. B. generated by a laser channel 1, while the even-numbered lines (2, 4, 6, etc.) are generated by a laser channel 2. In the following image, the odd-numbered lines (1, 3, 5, etc.) are now generated by the laser channel 2, while the even-numbered lines (2, 4, 6, etc.) are generated by the laser channel 1. In the following picture, a new switchback takes place, etc.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildverbesserung ist auch auf mehr als zwei Fasern mit der Mittelung auf mehr als zwei Einzelbilder anwendbar. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Unterschiede der zu mittelnden Zeilen so gering wie möglich gehalten werden.The image enhancement method of the present invention is also applicable to more than two fibers averaged over more than two frames. Particularly good results are achieved if the differences in the lines to be averaged are kept as low as possible.

Der Zeilentausch lässt sich günstigerweise über die Ansteuerung des Galvanometerspiegels, der für die vertikale Positionierung der Zeilen verantwortlich ist, realisieren.The line exchange can be conveniently realized by controlling the Galvanometerspiegels, which is responsible for the vertical positioning of the lines.

In einem Beispiel lässt man die zeitliche Ansteuerung des Galvanometerspiegels stationär (Sägezahnprofil), führt aber eine Änderung der Grundfrequenz des Galvanometerspiegels gegenüber dem Fall ohne Zeilentausch durch. Betrachten wir zunächst den Fall ohne Zeilentausch: Das SXGA-Format hat 1024 Zeilen im Bild, das entspricht 512 Doppelzeilen. Unter Berücksichtigung der vertikalen Bildlücke betragen die Zahl der Doppelzeilen je Bild 575 (Bruttozeilen), d. h. 63 Doppelzeilen würden in der vertikalen Bildlücke dunkel getastet und 575 Facettenwechsel sind für den Aufbau des Bruttobildes notwendig (Drehfrequenz bei 25 Facetten und 50 Hz Bildfrequenz: 1.15 kHz). Da dann pro Bruttobild eine ganze Zahl von Doppelzeilen vorliegt, würden mit jeder Faser bzw. jedem Laserkanal immer die gleichen Bildzeilen beleuchtet. Würde man nun die Zahl der Bruttozeilen pro Bruttobild auf 575,5 festlegen, dann würde gerade der erwünschte Fall des Zeilentausches zwischen den Fasern auftreten (die Rotationsgeschwindigkeit des Polygonspiegels bleibe konstant bei 1.15 kHz). Die Grundfrequenz des Galvanometerspiegels müsste also im Beispiel von 50 Hz auf den Wert 50 Hz·575/575,5 = 49,9566 Hz verschoben werden. Natürlich wäre auch eine entsprechende Änderung der Rotationsfrequenz des Polygonspiegels bei festgehaltener Frequenz des Galvanometerspiegels möglich. Die Ergebnisse sind nochmals in Tabelle 1 zusammengefasst. Darüber hinaus ist noch ein zweites Beispiel mit UXGA aufgeführt. Tabelle 1: Zusammenfassung der Parameter (erstes Ausführungsbeispiel) Bildformat Zeilenzahl Bruttozeilenzahl mit Bildlücke Rotationsfrequenz Bildfrequenz ohne Zeilentausch Bildfrequenz mit Zeilentausch SXGA 1024 1150 (575) 1.15 kHz 50 Hz 49,9566 Hz UXGA 1200 1300 (650) 1.56 kHz 60 Hz 59,9539 Hz In one example, the timing of the galvanometer mirror is allowed to be stationary (saw tooth profile), but performs a change in the fundamental frequency of the galvanometer mirror compared to the case without a line change. Let's look first at the case without a line change: The SXGA format has 1024 lines in the picture, which corresponds to 512 double lines. Taking into account the vertical image gap, the number of double lines per image is 575 (gross lines), ie 63 double lines would be darkened in the vertical image gap and 575 facet changes are necessary for the construction of the gross image (rotation frequency with 25 facets and 50 Hz image frequency: 1.15 kHz) , Since then there is an integer number of double lines per gross image, the same image lines would always be illuminated with each fiber or each laser channel. If we now set the number of gross lines per gross image to 575.5, then the desired case of the line exchange between the fibers would occur (the rotational speed of the polygon remains constant at 1.15 kHz). The fundamental frequency of the galvanometer mirror would therefore in the example of 50 Hz to the value 50 Hz · 575 / 575.5 = 49.9566 Hz be moved. Of course, a corresponding change in the rotational frequency of the polygon mirror would be possible at fixed frequency of the galvanometer. The results are summarized again in Table 1. In addition, a second example with UXGA is listed. Table 1: Summary of parameters (first embodiment) image format number of lines Gross number of lines with gap rotation frequency Frame rate without line exchange Frame rate with line exchange SXGA 1024 1150 (575) 1.15 kHz 50 Hz 49.9566 Hz UXGA 1200 1300 (650) 1.56 kHz 60 Hz 59.9539 Hz

In einem zweiten Ausführungsbeispiel betreibe man den Galvanometerspiegel nichtstationär. Das heißt man steuere ihn von Bild zu Bild alternierend so an, dass jede Faser gerade die andere Zeile beleuchtet.In a second embodiment, the galvanometer mirror is operated non-stationary. That means one steers it alternately from picture to picture in such a way that each fiber illuminates just the other line.

Bei dem genannten Verfahren werden die an der oberen oder unteren Bildkante liegenden Zeilen dann dunkel getastet, wenn sie außerhalb des darzustellenden Bildes liegen, d. h. auch hier würden die beiden Fasern alternierend dunkel getastet.In the mentioned method, the lines lying at the upper or lower edge of the image are then darkened when they are outside the image to be displayed, i. H. Here too, the two fibers would be alternately darkened.

Claims

A method of displaying a video image with a source emitting at least one intensity-modulated light beam which emits two or more independently modulatable light beams, and a deflector for deflecting the light beam, characterized in that in two consecutive images generated by the independently modulatable light beams respective lines are exchanged in such a way that they produce an averaging over both images in the eye of the observer.

A method according to claim 1, characterized in that the odd-numbered lines of an image are generated by a laser channel 1 and the even-numbered lines through the laser channel 2 and in the subsequent image the odd-numbered lines through a laser channel 2 and the even-numbered lines through the laser channel 1, and then a downshift of the laser channels for the purpose of renewed row exchange takes place.

A method according to claim 1 and 2, characterized in that the line exchange takes place via the control of the galvanometer mirror.

A method according to claim 3, characterized in that the temporal control of the galvanometer mirror is carried out stationary while changing the fundamental frequency of the galvanometer.

A method according to claim 3, characterized in that the control of the galvanometer mirror takes place alternately from image to image in such a way that each fiber just illuminates the other line.