Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines sichtbaren Bilds auf einer Pro ^¬ jektionsfläche

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erzeugen eines sichtbaren Bilds auf einer Projektionsfläche, wobei sichtbares Licht aus einem ersten Laserresonator emittiert wird, das sichtbare Licht mittels eines Ablenkelements, insbesondere eines Mikrospiegels, zur Erzeugung des Bilds in Richtung der Projektionsfläche abgelenkt wird, wobei auf dem Ablenkelement ein Lichtfleck aus sichtbaren Licht erzeugt wird. Ferner geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Solche Projektionsverfahren finden Anwendung in miniaturisierten Projektionsvorrichtungen für mobile Kommunikationsgeräte wie z. B. für Mobiltelefone, Smartphones, Tablet-Computer und Laptops. Diese Vorrichtungen weisen üblicherweise einen Laserresonator und ein oder mehrere Ablenkelemente in Form von Mikrospiegeln zum Ablenken des von dem Laserresonator emittierten Lichts auf. Der Laserresonator erzeugt auf dem Mikrospiegel einen Lichtfleck, dessen Abbildung auf die Projektionsfläche durch Auslenken des Mikrospiegels über die Projektionsfläche geführt wird. Die Projektionsfläche wird auf diese Weise nach und nach mit sichtbarem Licht abgetastet, so dass ein für einen Betrachter wahrnehmbares Bild entsteht.

Oftmals ist es bei derartigen Projektionsvorrichtungen erwünscht, zusätzliche Funktionen bereitzustellen, wie beispielsweise die Möglichkeit, Objekte innerhalb des Projektionsbereichs zu erkennen. Beispielsweise ist es wünschenswert, eine interaktive Projektion zu ermöglichen, mit welcher der Benutzer der Vorrichtung interagieren kann. Hierzu ist es in der Regel erforderlich, einen zusätzlichen Laserresonator bereitzustellen, welcher Licht in einem anderen Wellenlängenbereich emittiert.

In diesem Zusammenhang hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass die insgesamt von den Laserresonatoren abgegebene Strahlungsleistung durch Sicherheitsvorgaben beschränkt wird, welche unerwünschte Schädigungen der Augen verhindern sollen. Daher ist es beim Hinzufügen zusätzlicher Laserresonatoren oftmals erforderlich, die Strahlungsleistung desjenigen Laserresonators zu verringern, welcher das sichtbare Bild auf der Projektionsfläche erzeugt. Hierdurch wird allerdings die Helligkeit des für den Betrachter sichtbaren Bilds auf der Projektionsfläche reduziert.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bereitstellung zusätzlicher Funktionen durch einen weiteren Laserresonator zu ermöglichen, ohne die Helligkeit des projizierten Bilds zu beeinträchtigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 10 haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Lichtfleck auf dem Ablenkelement durch einen Lichtring vergrößert wird, welcher durch den zusätzlichen Laserresonator bereitgestellt wird. Dabei vergrößert sich zwar der auf die Projektionsfläche abgebildete Lichtfleck. Da der Lichtring aus für den Betrachter der Projektionsfläche unsichtbarem Licht erzeugt wird, wird die wahrnehmbare Bildqualität des Bilds auf der Projektionsfläche nicht beeinträchtigt. Zudem erlauben die Sicherheitsvorschriften bei einem vergrößerten Lichtfleck auch eine insgesamt höhere Strahlungsleistung der den Lichtfleck erzeugenden Laserresonatoren. Das bedeutet, dass die Strahlungsleistung des ersten Laserresonators, welcher das auf der Projektionsfläche sichtbare Bild erzeugt, beibehalten werden kann, sodass die Helligkeit des Bilds auf der Projektionsfläche nicht reduziert wird.

Bevorzugt ist der Laserresonator ein Laserresonator eines Halbleiterlasers. Bei dem Ablenkelement handelt es sich bevorzugt um einen Mikrospiegel, besonders bevorzugt um einen als M EMS (microelectromechanical System) ausgebildeten Mikrospiegel. Alternativ kann das Ablenkelement als semitransparenter Spiegel, beispielsweise aus Glas, ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das von dem zweiten Laserresonator emittierte unsichtbare Licht zur Erzeugung des Lichtrings mittels eines optischen Elements auf das Ablenkelement abgebildet. Als optisches Element kann beispielsweise eine Kollimationslinse zum Einsatz kommen, die einen Fres- nel-Ring aufweist. Alternativ kann ein diffraktives optisches Element (DOE) oder ein holografisches optisches Element (HOE) zur Erzeugung des Lichtrings auf dem Ablenkelement verwendet werden.

Vorteilhaft ist es, wenn der aus unsichtbarem Licht erzeugte Lichtring und der aus sichtbarem Licht erzeugte Lichtfleck sich in einem Überlappbereich überlap- pen, welcher eine Fläche aufweist, die höchstens 5% der Fläche des Lichtflecks umfasst, bevorzugt höchstens 3% der Fläche des Lichtflecks, besonders bevorzugt höchstens 1% der Fläche des Lichtflecks. Durch die Wahl eines Überlappbereichs mit derartig geringer Fläche kann das durch den zweiten Laserresonator emittierte Licht fast vollständig zur Vergrößerung des Lichtflecks Verwendung fin- den.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das unsichtbare Licht Infrarot-Licht, insbesondere Infrarot-Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 780 nm bis 1000 mm, bevorzugt im Bereich von 780 nm bis 3000 nm, beispielsweise bei 850 nm. Das sichtbare Licht, welches von dem ersten Laserresonator emittiert wird, kann eine Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 780 nm aufweisen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das unsichtbare Licht von der Projektionsfläche zurück reflektiert und detektiert wird. Anhand des detektierten unsichtbaren Lichts können Rückschlüsse auf den Abstand zwischen Laserresonator und/oder Ablenkelement einerseits und der Projektionsfläche andererseits gezogen werden. Alternativ oder zusätzlich ermöglich die Detektion des reflektierten Lichts die Bestimmung einer Oberflächenbeschaffenheit der Projektionsfläche, z. B. deren Reflektivität. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das sichtbare Licht aus mehreren ersten Laserresonatoren emittiert, wobei das Licht der mehreren ersten Laserresonatoren unterschiedliche Wellenlängen aufweist. Durch die Verwendung mehrerer Laserresonatoren, die verschiedenfarbiges Licht emittieren, kann eine mehrfarbige Abbildung auf der Projektionsfläche ermöglicht werden. Es ist möglich, die Farben zu überlagern, so dass sich Mischfarben ergeben. Beispielsweise können drei erste Laserresonatoren verendet werden, welche rotes, blaues und grünes Licht emittieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Ablenkelement, insbesondere der Mikrospiegel, zum Ablenken des Laserlichts um eine erste Schwenkachse geschwenkt, so dass das Laserlicht entlang einer ersten Richtung über die Projektionsfläche geführt werden kann. Somit kann eine erste Dimension der Projektionsfläche abgetastet werden. Besonders bevorzugt wird das Ablenkelement, insbesondere der Mikrospiegel, zum Ablenken des Laserlichts zusätzlich um eine zweite Schwenkachse geschwenkt, welche quer, insbesondere senkrecht, zu der ersten Schwenkachse angeordnet ist, so dass das Laserlicht entlang einer zweiten Richtung über die Projektionsfläche geführt werden kann. Insofern ist es möglich, zwei Dimensionen der Projektionsfläche abzutasten.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird das sichtbare Licht zur Erzeugung des Bilds zunächst mittels eines ersten Ablenkelements, insbesondere eines ersten Mikrospiegels, und dann mittels eines zweiten Ablenkelements, insbesondere eines zweiten Mikrospiegels, abgelenkt, wobei der Lichtfleck und der Lichtring auf dem ersten Ablenkelement erzeugt werden. Bevorzugt wird das erste Ablenkelement um eine erste Schwenkachse geschwenkt und das zweite Ablenkelement wird um eine zu der ersten Schwenkachse quer, insbesondere senkrecht, angeordnete, zweite Schwenkachse geschwenkt.

Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn der Abstand zwischen dem Ablenkelement und der Projektionsfläche ermittelt wird und eine Strahlungsleistung des ersten Laserresonators und/oder des zweiten Laserresonators in Abhängigkeit von dem ermittelten Abstand eingestellt wird. Die maximal zulässige Strahlungsleistung gemäß den bestehenden Sicherheitsvorgaben für Laserprojektionsvorrichtungen ist oftmals abhängig von dem Abstand von der Projektionsfläche. Durch die Ermittlung des Abstands, beispielsweise mittels eines Abstandssensors oder eines Näherungssensors, wird es möglich, die Strahlungsleistung der Laserresonatoren derart einzustellen, dass sie den für den jeweiligen Abstand zur Projektionsfläche zulässigen Wert nicht überschreiten.

In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn die Strahlungsleistung des ersten Laserresonators und/oder des zweiten Laserresonators reduziert wird, wenn der ermittelte Abstand einen vorgegebenen Mindestabstand unterschreitet. Die Strahlungsleistung kann beispielsweise auf die gemäß den jeweiligen Sicherheitsvorschriften maximal zulässige Strahlungsleistung eingestellt werden. Alternativ kann die Strahlungsleistung auf null reduziert werden, so dass der erste Laserresonator und/oder der zweite Laserresonator bei dieser Einstellung kein Licht emittieren.

Die vorstehend in Zusammenhang mit dem Verfahren zum Erzeugen eines sichtbaren Bilds auf einer Projektionsfläche erläuterten vorteilhaften Merkmale können auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines sichtbaren Bilds auf einer Projektionsfläche allein oder in Kombination Anwendung finden.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung um Erzeugen eines sichtbaren Bilds auf einer Projektionsfläche in einer schematischen Darstellung.

Figur 2 zeigt ein Diagramm der maximal zulässigen Helligkeit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von dem Abstand zur Projektionsfläche für verschiedene Größen des Lichtflecks.

Figur 3 zeigt einen durch drei Laserresonatoren erzeugten sichtbaren Lichtfleck. Figur 4 zeigt einen durch vier Laserresonatoren erzeugten Lichtfleck gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 5 zeigt eine Lichtverteilung der Lichtflecken gemäß Figur 3 und Figur 4.

Figur 6 zeigt eine Lichtverteilung des unsichtbaren Lichts zur Erzeugung eines Lichtrings.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

In der Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zum Erzeugen eines sichtbaren Bilds auf einer Projektionsfläche 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung weist mehrere in den Figuren nicht dargestellte erste Laserresonatoren auf, über welche sichtbares Licht 2, 3, 4 mit verschiedenen Wellenlängen erzeugt wird. Die Laserresonatoren können beispielsweise Laserresonatoren eines Halbleiterlasers sein. Bevorzugt erzeugten die ersten Laserresonatoren sichtbares rotes Licht 2, sichtbares gelbes Licht 3 und sichtbares blaues Licht 4, so dass durch additives Mischen dieser drei Lichtmengen die Farben des RGB-Farbraums erzeugt werden können. Insofern ist es möglich, auf der Projektionsfläche 1 ein mehrfarbiges Bild zu erzeugen.

Ferner weist die Vorrichtung 10 einen zweiten Laserresonator auf, welcher ebenfalls nicht dargestellt ist. Der zweite Laserresonator emittiert unsichtbares Licht 5, d.h. Licht mit einer Wellenlänge die außerhalb des von Menschen wahrnehmbaren Wellenlängenbereichs von 380 nm bis 780 nm liegt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das unsichtbare Licht 6 Infrarot-Licht, welches eine Wellenlänge im Bereich von 780 nm bis 1000 mm, bevorzugt im Bereich von 780 nm bis 3000 nm, beispielsweise bei 850 nm, aufweist. Das unsichtbare Licht wird bei der Vorrichtung 10 verwendet, um die Erkennung von Objekten auf der Projektionsfläche 1 zu ermöglichen, beispielsweise die Erkennung eines Fingers eines Benutzers. Das unsichtbare Licht 5 wird hierzu an der Projektionsfläche 1 zurück reflektiert und über eine Detektionseinrichtung der Vorrichtung 10 detek- tiert. Hierdurch kann beispielsweise ein interaktive Projektions- und Eingabevorrichtung gebildet werden.

Das von den ersten Laserresonatoren emittierte, sichtbare Licht 2, 3, 4 und das von dem zweiten Laserresonator emittierte, unsichtbare Licht 5 wird mittels eines ersten Ablenkelements 6 und eines zweiten Ablenkelements 7 in Richtung der Projektionsfläche 1 abgelenkt. Das erste Ablenkelement 6 und das zweite Ablenkelement 7 sind als Mikrospiegel ausgestaltet, insbesondere als Mikrospiegel in Form eines MEMS. Das erste Ablenkelement 6 ist um eine erste Schwenkachse schwenkbar und das zweite Ablenkelement 7 ist um eine zweite Schwenkachse schwenkbar, wobei die erste und die zweite Schwenkachse quer, insbesondere senkrecht, zueinander angeordnet sind. Zur Erzeugung des Bilds auf der Projektionsfläche 1, wird das erste Ablenkelement 6, insbesondere periodisch, um die erste Schwenkachse geschwenkt und das zweite Ablenkelement 7 wird, insbesondere periodisch, um die zweite Schwenkachse geschwenkt, so dass die Projektionsfläche 1 zeilenweise bzw. spaltenweise abgetastet wird.

Das sichtbare Licht 2, 3, 4 erzeugt auf dem ersten Ablenkelement 6 einen Lichtfleck 8 mit einem Durchmesser D. Erfindungsgemäß erzeugt das unsichtbare Licht 5 auf dem ersten Ablenkelement 6 einen Lichtring 9, welcher den aus sichtbarem Licht 2, 3, 4 gebildeten Lichtfleck 8 derart vergrößert, dass ein vergrößerter Lichtfleck 8' auf dem ersten Ablenkelement 6 gebildet wird.

In der Figur 2 ist die maximal zulässige Helligkeit H der Vorrichtung 10 aus Figur 1 gemäß der Lasersicherheitsnorm IEC 60825-1 Ed3 für Laser der Klasse 2 dargestellt. Die Helligkeit H in Lumen ist über dem Abstand L des ersten Ablenkelements 6 von der Projektionsfläche 1 aufgetragen. Als Parameter der Helligkeit H ist der Durchmesser D, D' des Lichtflecks 8, 8' angegeben, welcher durch das auf das erste Ablenkelement fallende Licht 2, 3, 4, 5 erzeugt wird. Es ist zu erkennen, dass die maximal zulässige Helligkeit H umso größer ist, je größer der Durchmesser D, D' des auf das erste Ablenkelement 6 fallenden Lichts 2, 3, 4, 5 ist. Das bedeutet, dass bei Wahl eines größeren Durchmessers D, D' des Lichtflecks 8, 8' auf dem ersten Ablenkelement 6 eine höhere gesamte Helligkeit H auf der Projektionsfläche 1 ermöglicht werden kann.

Die Figur 3 zeigt einen Lichtfleck 8, welcher durch das sichtbare Licht 2, 3, 4 der drei ersten Laserresonatoren erzeugt wird. Das sichtbare Licht 2, 3, 4 überlagert sich derart, dass ein nicht-kreisförmiger Lichtfleck 8 gebildet wird. Abweichend davon kann der Lichtfleck 8 kreisförmig sein. Als Durchmesser D des Lichtflecks 8 wird der großmögliche Abstand zweier Punkte auf der Begrenzungslinie des Lichtflecks 8 aufgefasst.

Wie in der Figur 4 dargestellt, erzeugt das unsichtbare Licht 5, welches von dem zweiten Laserresonator emittiert wird, einen Lichtring 9, welcher den sichtbaren Lichtfleck 8 zu einem Lichtfleck 8' vergrößert, der einen größeren Durchmesser D' aufweist als der Durchmesser D des sichtbaren Lichtflecks 8. Zur Erzeugung des Lichtrings 9 kann ein optisches Element eingesetzt werden, insbesondere eine Kollimationslinse, die einen Fresnel-Ring aufweist, oder ein diffraktives optisches Element oder ein holografisches optisches Element.

Der aus dem unsichtbaren Licht 5 erzeugte Lichtring 9 und der aus dem sichtbarem Licht 2, 3, 4 erzeugte Lichtfleck 8 überlappen sich in einem Überlappbereich, welcher eine Fläche aufweist, die höchstens 5% der Fläche des Lichtflecks 8 um- fasst, bevorzugt höchstens 3% der Fläche des Lichtflecks 8, besonders bevorzugt höchstens 1% der Fläche des Lichtflecks 8.

In der Figur 5 ist die Verteilung des Lichtstroms des sichtbaren Lichts 2, 3, 4 auf dem ersten Ablenkelement 6 dargestellt, welches den sichtbaren Lichtfleck 8 erzeugt. Ferner zeigt Figur 5 die Verteilung des Lichtstroms des vergrößerten Lichtflecks 8', welcher aus dem sichtbaren Lichtfleck 8 und dem unsichtbaren Lichtring 9 gebildet ist. Die Figur 6 zeigt die Verteilung des Lichtstroms des unsichtbaren Lichts 5, welches den Lichtring 9 auf dem ersten Ablenkelement 6 erzeugt. Bei der Vorrichtung 10 zum Erzeugen eines sichtbaren Bilds auf einer Projektionsfläche wird ferner der Abstand L zwischen dem Ablenkelement 6 und der Projektionsfläche 1 ermittelt. Zur Ermittlung dieses Abstands L kann beispielsweise ein Abstandssensor oder ein Näherungssensor verwendet werden. In Abhängigkeit von dem ermittelten Abstand L wird die Strahlungsleistung der ersten Laserresonatoren und/oder des zweiten Laserresonators eingestellt. Insbesondere wird die Strahlungsleistung der ersten Laserresonatoren und/oder des zweiten Laserresonators reduziert, wenn der ermittelte Abstand L einen vorgegebenen Mindestabstand unterschreitet. Die Strahlungsleistung wird dabei bevorzugt auf die für den ermittelten Abstand L maximal zulässige Strahlungsleistung eingestellt. Alternativ kann die Strahlungsleistung bei Unterschreiten des Mindestab- stands auf null reduziert werden so dass die ersten Laserresonatoren und/oder der zweite Laserresonator bei dieser Einstellung kein Licht emittieren.

Durch diese Maßnahmen kann vermieden werden, dass die maximal zulässige Strahlungsleistung bzw. Helligkeit bei einem geringen Abstand L überschritten wird. Diese Situation kann beispielsweise dann auftreten, wenn ein Objekt oder eine Person in den Bereich zwischen dem ersten Ablenkelement 6 und der Projektionsfläche 1 gelangt, so dass das von dem ersten Ablenkelement 6 abgelenkte Licht 2, 3, 4, 5 auf das Objekt bzw. die Person fällt.

Mit der vorstehend beschrieben Vorrichtung 10 kann ein sichtbares Bild auf einer Projektionsflächel erzeugt werden, wobei sichtbares Licht 2, 3, 4aus einem ersten Laserresonator emittiert wird, das sichtbare Licht 2, 3, 4 mittels eines Ablenkelements 6, insbesondere eines Mikrospiegels, zur Erzeugung des Bilds in Richtung der Projektionsfläche 1 abgelenkt wird, wobei auf dem Ablenkelement 6 ein Lichtfleck 8 aus sichtbaren Licht 2, 3, 4 erzeugt wird, wobei unsichtbares Licht 5 aus einem zweiten Laserresonator emittiert wird, wobei auf dem Ablenkelement 6 ein Lichtring 9 aus dem unsichtbaren Licht 5 erzeugt wird, welcher den Lichtfleck 8 vergrößert. Es ist damit möglich einen zweiten Laserresonator, beispielsweise zur Integration zusätzlicher Funktionen, in der Vorrichtung zu verwenden, ohne dass dabei ein Einschränkung der Helligkeit des projizierten Bilds hingenommen werden muss.