Titel

Projektionseinrichtung und Verfahren zum Projizieren einer Bildinformation auf eine Projektionsfläche

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Projektionseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Laserbasierte Projektionseinrichtungen mit einer Mikrospiegeleinheit zur wahlweisen Ablenkung des Laserstrahls auf verschiedene Bildpunkte der Projektions- fläche spielen eine zunehmende Rolle in tragbare Geräten wie beispielsweise Smartphones, Kameras, PDAs oder Tablet-PCs. Häufig basieren derartige Bildprojektoren auf Rasterscanverfahren, bei denen der Laserstrahl durch verstellbare Mikrospiegel der Mikrospiegeleinheit auf verschiedene Bildpunkte der Projektionsfläche abgebildet wird.

Solche Projektionseinrichtungen haben sich in Anwendungen bewährt, bei denen eine Bildinformation auf ein von dem mobilen Gerät relativ weit entfernte Projektionsfläche, wie beispielsweise eine Wand, projiziert wird. Typische Projektionsdistanzen liegen bei solchen Anwendungen im Bereich von 1 m und darüber.

Bei derartigen tragbaren Geräten besteht der Bedarf, Bildinformationen mit stark verkürzten Projektionsdistanzen zu projizieren, beispielsweise um ein Bedienfeld oder eine Tastatur in unmittelbarer Umgebung des tragbaren Geräts zu projizieren. Die bekannten Projektionseinrichtungen haben in diesem Zusammenhang den Nachteil, dass sich durch den verkürzten Projektionsabstand eine Projektionsfläche ergibt, die für viele Anwendung als zu klein angesehen wird. Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Projektionseinrichtung und ein Verfahren zum Projizieren einer Bildinformation anzugeben, welches die Projektion einer Bildinformation auf eine Projektionsfläche bei geringerer Projektionsdistanz ermöglicht, ohne die Größe der projizierten Bildinformation einzuschränken.

Die erfindungsgemäße Projektionseinrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die maximal erreichbare Ablenkung des Laserstrahls durch die Vergrößerungsoptik vergrößert wird. Es ist daher möglich, auch bei geringer Projektionsdistanz eine ausreichend große Projektionsfläche zu erhalten.

Die Mikrospiegeleinheit kann mehrere mikromechanische Spiegel aufweisen, die im Folgenden auch als Mikrospiegel bezeichnet werden. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Mikrospiegeleinheit, bei welcher die Mikrospiegeleinheit einen ersten Mikrospiegel aufweist, welcher um eine erste Achse schwenkbar ist, und einen zweiten Mikrospiegel, der um eine zweite Achse schwenkbar ist. Die zweite Achse ist bevorzugt schräg, insbesondere orthogonal, zur ersten Achse angeordnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Projektionseinrichtung eine Kollimationslinse zur Kollimation des Laserstrahls auf. Mittels der Kollimationslin- se können die von dem Laser abgegebenen Laserstrahlen im Wesentlichen parallel ausgerichtet werden. Die Kollimationslinse weist insbesondere eine Brennweite auf, welche im Bereich kleiner als 10 mm, bevorzugt im Bereich kleiner als 5 mm, besonders bevorzugt im Bereich kleiner als 3 mm, liegt. Die Kollimationslinse ist bevorzugt in einem möglichst geringen Abstand von dem Laser angeordnet, so dass ein kollimierter Laserstrahl mit möglichst geringem Durchmesser, insbesondere einem Durchmesser kleiner als 1 mm, erhalten werden kann. Beispielsweise kann der Abstand der Kollimationslinse von dem Laser im Bereich kleiner als 10 mm, bevorzugt im Bereich kleiner als 5 mm, besonders bevorzugt im Bereich kleiner als 3 mm, liegen.

Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Projektionseinrichtung eine Fo- kussierlinse zur Fokussierung des mittels der Kollimationslinse kollimierten Laserstrahls aufweist. Die Fokussierlinse kann den kollimierten Laserstrahl fokus- sieren, um seinen Durchmesser auf die Apertur der Mikrospiegeleinheit anzupassen. Zudem kann durch das Fokussieren des Laserstrahls eine Anpassung an die Vergrößerungsoptik und die Kollimationslinse ermöglicht werden.

Vorteilhaft ist es, wenn im Strahlengang des Laserstrahls zwischen der Mikrospiegeleinheit und der Vergrößerungsoptik ein Umlenkelement angeordnet ist. Über das Umlenkelement kann die Richtung des Laserstrahls verändert werden, so dass die Projektion auf eine Projektionsfläche erfolgen kann, welche gegen- über einer Austrittsebene der Mikrospiegeleinheit geneigt angeordnet ist. Somit wird es durch das Umlenkelement möglich, die Projektionseinrichtung in einem mobilen Gerät vorzusehen, welches auf einer Tischplatte anordbar ist, so dass eine Bildinformation auf die Tischplatte im Bereich vor dem mobilen Gerät projiziert werden kann. Bevorzugt ist das Umlenkelement als Spiegel, insbesondere als ebener Spiegel, oder als Prisma ausgebildet. Alternativ kann die Vergrößerungsoptik ein Umlenkelement aufweisen, beispielsweise einen konvexen Spiegel, welcher den Laserstrahl sowohl umlenken als auch den maximalen Ablenkwinkel der Mikrospiegeleinheit vergrößern kann. Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher die Projektionseinrichtung eine Korrekturlinse aufweist, welche eine einstellbare Brennweite aufweist. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass Deformationen der auf die Projektionsfläche projizierten Bildinformation durch etwaige Fehlstellungen einzelner optischer Elemente der Projektionseinrichtung zueinander durch eine Veränderung der Brennweite der Korrekturlinse ausgeglichen werden können. Insofern erlaubt diese Ausgestaltung größere Toleranzen bei der Positionierung der optischen Elemente im Strahlengang des Laserstrahls. Im Zusammenhang mit der Verwendung einer Kollimationslinse ergibt sich der Vorteil, dass über die Einstellung der Brennweite der Korrekturlinse eine Fehlpositionierung der Kollimationslinse gegenüber dem Laser ausgeglichen werden kann. Bevor- zugt ist die Brennweite der Korrekturlinse elektrisch einstellbar, so dass die Brennweite über die Vorgabe eines elektrischen Signals eingestellt werden kann.

Bevorzugt ist die Korrekturlinse als Flüssiglinse, als Flüssigkeitskristalllinse oder als Polymerlinse ausgebildet. Die Korrekturlinse kann einen flüssigen, optisch aktiven Kern aufweisen, dessen Oberflächenverlauf über den Effekt der Elektrobe- netzung steuerbar ist. Alternativ kann die Korrekturlinse einen Linsenkörper aus einem Polymer aufweisen, welcher mittels eines Aktors, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors, deformierbar ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Korrekturlinse im Strahlengang des Laserstrahls vor der Mikrospiegeleinheit angeordnet ist. Über die Korrekturlinse kann eine Korrektur des Verlaufs des Laserstrahls und dessen Fokus- sierung erfolgen, bevor der Laserstrahl auf die Mikrospiegeleinheit trifft.

Bevorzugt ist die Korrekturlinse im Strahlengang des Laserstrahls zwischen einer Fokussierlinse und der Mikrospiegeleinheit angeordnet, so dass über die Korrekturlinse eine Korrektur des bereits fokussierten Laserstrahls erfolgen kann.

Eine bevorzugt Ausgestaltung sieht vor, dass die Korrekturlinse einen Signaleingang aufweist, welcher über eine Steuerleitung mit einer Steuereinheit zur An- steuerung der Mikrospiegeleinheit oder mit der Mikrospiegeleinheit verbunden ist. Über die Steuerleitung kann die Ansteuerung der Korrekturlinse mit der Auslenkung der Mikrospiegeleinheit synchronisiert werden, um die Auflösung des projizierten Bilds zu erhöhen. Es ist somit möglich, eine dynamische Korrektur der Projektion in Abhängigkeit von der Ablenkstellung der Mikrospiegeleinheit durchzuführen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Brennweite der Korrekturlinse in Abhängigkeit von einer Ablenkstellung der Mikrospiegeleinheit eingestellt wird. Bei einer Projektionseinrichtung, welche eine Bildinformation auf eine Projektionsfläche projiziert, deren Bildpunkte verschiede Projektionsdistanzen aufweisen, wird es somit möglich, die Brennweite der Korrekturlinse in Abhängigkeit von der Projektionsdistanz einzustellen, um eine Verbesserung der Bilddarstellung herbeizuführen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein tragbares Gerät mit einer Projektionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht.

Figur 2 zeigt das tragbare Gerät aus Figur 1 in einer schematischen Draufsicht.

Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Projektionseinrichtung in einer schematischen Darstellung.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung des Strahlengangs eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Projektionseinrichtung.

Figur 5 zeigt eine Detaildarstellung der Projektionseinrichtung gemäß Figur 4.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung des Strahlengangs eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Projektionseinrichtung.

Figur 7 zeigt eine Detaildarstellung der Projektionseinrichtung gemäß Figur 6.

Figur 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist ein tragbares Gerät 1 dargestellt, welches beispielsweise als Smartphone, Kamera, PDA oder Tablet-PC ausgebildet sein kann. Das tragbare Gerät 1 weist ein Gehäuse und eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Projektionseinrichtung 2 auf, welche als Picoprojektor ausgebildet ist. Mittels der Projektionseinrichtung 2 kann ein Bedienfeld und/oder eine Tastatur in unmittelbarer Nähe des tragbaren Geräts 1 projiziert werden. Die Projektion kann beispielsweise auf eine Tischfläche T erfolgen, auf welcher das tragbare Gerät 1 steht. Das tragbare Gerät wird dabei derart auf die Tischfläche T gestellt, dass die Projektionseinrichtung 2 in einem Abstand h von Tischfläche entfernt angeordnet ist, welcher typischerweise kleiner ist als 0,5 m. Der Abstand h kann z. B. 0, 1 m bis 0,3 m, bevorzugt 0, 1 m bis 0,15 m betragen. Eine Draufsicht auf das tragbare Gerät ist in der Figur 2 gezeigt. Es ist erkennbar, dass es zu einer trapezförmigen Verzerrung der auf die Projektionsfläche 3 projizierten Bildinformation kommt.

In der Figur 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Projektionseinrichtung 2 zum Projizieren einer Bildinformation auf eine Projektionsfläche 3 dargestellt, welche in dem tragbaren Gerät 1 Verwendung finden kann. Die Projektionseinrichtung 2 weist einen Laser 4 auf, der einen Laserstrahl erzeugt. Ferner umfasst die Projektionseinrichtung 2 eine Mikrospiegeleinheit 5 über welche die der Laserstrahl wahlweise auf einzelne Bildpunkte der Projektionsfläche abgelenkt werden kann. Die Mikrospiegeleinheit 5 weist zwei mikromechanische Spiegel 5.1 , 5. 2 auf. Ein erster mikromechanischer Spiegel 5.1 der Mikrospiegeleinheit 5 ist um eine erste Achse A schwenkbar angeordnet, um den Laserstrahl in einer ersten Richtung abzulenken. Ein zweiter mikromechanischer Spiegel 5.2 ist um eine zweite Achse B schwenkbar, welche orthogonal zu der ersten Achse A angeordnet ist. Über den zweiten mikromechanischen Spiegel 5.2 kann der Laserstrahl in einer zur ersten Richtung orthogonalen Richtung abgelenkt werden. Über die Mikrospiegeleinheit 5 kann der Laserstrahl nacheinander, insbesondere spalten- und/oder zeilenweise, über einzelne Bildpunkte der Projektionsfläche geführt werden.

Um trotz der verhältnismäßig geringen Projektionsdistanz ein möglichst großes Bild auf der Projektionsfläche 3 zu erhalten, weist die Projektionseinrichtung 2 eine im Strahlengang des Laserstrahls nach der Mikrospiegeleinheit 5 angeordnete Vergrößerungsoptik 6 zur Vergrößerung der durch die Mikrospiegeleinheit 5 erreichbaren Ablenkung des Laserstahls auf. Die Vergrößerungsoptik 6 ist als konvexer Spiegel ausgebildet, welcher einerseits eine Vergrößerung der auf die Projektionsfläche projizierten Bildinformation bewirkt und andererseits den aus der Mikrospiegeleinheit 5 austretenden Laserstrahl in Richtung der Projektionsfläche umlenkt. Die Figuren 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Projektionseinrichtung 2 gemäß der Erfindung. Die Projektionseinrichtung 2 umfasst einen Laser 4 sowie eine Kollimationslinse 7 zur Kollimation des von dem Laser erzeugten Lichts. Im Strahlengang nach der Kollimationslinse 7 ist eine Fokussier- linse 8 angeordnet, welche den kollimierten Laserstrahl fokussiert und damit eine

Anpassung des Laserstrahls an die Apertur der Mikrospiegeleinheit 5 ermöglicht. Die Projektionseinrichtung 2 weist eine Vergrößerungsoptik 6 auf, welche als Vergrößerungslinse ausgebildet ist. Im Strahlengang zwischen der Mikrospiegeleinheit 5 und der Vergrößerungsoptik 6 kann optional ein in den Figuren 4 und 5 nicht dargestelltes Umlenkelement, beispielsweise ein Spiegel oder ein Prisma, vorgesehen sein, über welches der Laserstrahl in Richtung der Projektionsfläche 3 umgelenkt werden kann.

Die Figuren 6 und 7 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel einer Projektionseinrichtung 2 gemäß der Erfindung. Zusätzlich zu den im Zusammenhang mit der Projektionseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Elementen umfasst die Projektionseinrichtung 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine Korrekturlinse 9 mit einer elektrisch einstellbaren Brennweite. Die Korrekturlinse 9 ist als Flüssiglinse, als Flüssigkeitskristalllinse oder als Polymerlinse ausgebildet, welche durch das Anlegen eines elektrischen Steuersignals 11 einstellbar ist. Die Korrekturlinse 9 ist im Strahlengang zwischen der Fo- kussierlinse 8 und der Mikrospiegeleinheit 5 angeordnet. Über die Einstellung der Brennweite der Korrekturlinse 9 ist es möglich, eine Fehlpositionierung der Kollimationslinse gegenüber dem Laser auszugleichen. Die Einstellung kann automatisch mittels einer Steuereinheit 10 oder manuell durch einen Benutzer erfolgen. So ist es bei der Projektionseinrichtung 2 möglich, die Schärfe der auf der Projektionsfläche 3 abgebildeten Bildinformation einzustellen.

Die Steuereinheit 10 der Projektionseinrichtung 2 ist sowohl mit der Korrekturlin- se 9 als auch mit der Mikrospiegeleinheit 5 verbunden. Über dir Steuereinheit 10 erfolgt eine synchronisierte Steuerung der Brennweite der Korrekturlinse 9 und der Auslenkung der Mikrospiegeleinheit 5, so dass der Brennpunkt des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Auslenkung des Laserstrahls durch die Mikrospiegeleinheit 5 eingestellt werden kann. Insofern kann der Laserstrahl während der Projektion dynamisch korrigiert werden. Die Ansteuerung der Korrekturlinse 9 erfolgt somit mit derselben Frequenz, mit welcher die Mikrospiegeleinheit 5 zur Ansteuerung der einzelnen Bildpunkte betrieben wird.

Im Strahlengang zwischen der Mikrospiegeleinheit 5 und der Vergrößerungsoptik 6 kann optional ein in den Figuren 6 und 7 nicht dargestelltes Umlenkelement, beispielsweise ein Spiegel oder ein Prisma, vorgesehen sein, über welches der Laserstrahl in Richtung der Projektionsfläche 3 umgelenkt werden kann.

Anhand der Darstellung in Figur 8 soll nachfolgend ein Verfahren zum Projizie- ren einer Bildinformation auf eine Projektionsfläche beschrieben werden. Bei diesem Verfahren kann eine Projektionseinrichtung 2 gemäß einer dem in den Figuren 6 und 7 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel Verwendung finden.

Bei dem Verfahren wird ein Laserstrahl mittels eines Lasers 4 erzeugt und durch eine Mikrospiegeleinheit 5 wahlweise auf verschiedene Bildpunkte der Projektionsfläche 3 abgelenkt. Die durch die Mikrospiegeleinheit erreichbare Ablenkung des Laserstrahls wird über eine Vergrößerungsoptik 6 vergrößert, welche im Strahlengang nach der Mikrospiegeleinheit angeordnet ist. Bei dem Verfahren erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt S1 der Start der Projektion, wobei die Projektionseinrichtung 2 eine Initialisierungssequenz durchlaufen kann, um die Mikrospiegeleinheit 5 und die Korrekturlinse 9 zu initialisieren. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird eine als Testinformation ausgebildeten Bildinformation auf die Projektionsfläche 3 projiziert. In einem dritten Verfah- rensschritt S3 erfolgt die Ausrichtung der Bildinformation auf der Projektionsfläche 3 sowie die Einstellung der Bildschärfe anhand der Veränderung der Brennweite der Korrekturlinse 9. In einem vierten Verfahrensschritt S4 wird geprüft, ob die Projektion den Anforderungen genügt. Falls erforderlich, kann der zweite und dritte Verfahrensschritt wiederholt werden, um die Projektion zu verbessern.

In einem fünften Verfahrensschritt S5 wird der Bereich berechnet, in welchem die Brennweite der Korrekturlinse 9 eingestellt werden kann, um eine möglichst scharfe Abbildung auf der Projektionsfläche 3 zu erhalten. In einem sechsten Verfahrensschritt S6 wird die Einstellung der Brennweite der Korrekturlinse 9 mit der Einstellung der Auslenkung des Laserstrahls durch die Mikrospiegel 5.1 , 5.2 der Mikrosiegeleinheit 5 synchronisiert. In einem siebten Verfahrensschritt S7 erfolgt die Projektion des korrigierten Bilds auf die Projektionsfläche 3.

Bei den vorstehend beschriebenen Projektionseinrichtungen 2 und dem entsprechenden Verfahren zum Projizieren einer Bildinformation auf eine Projektionsfläche kann die Abbildung der Bildinformation vergrößert werden, so dass die Projektion der Bildinformation auf eine Tischplatte mit geringer Projektionsdistanz unter Verwendung einer herkömmlichen Mikrospiegeleinheit 5 möglich ist. Die beschriebenen Projektionseinrichtungen lassen sich kompakt und kosteneffizient herstellen. Die Positionierung der einzelnen optischen Elemente untereinander, insbesondere der Kollimationslinse 7 gegenüber dem Laser 4, kann bei der Projektionseinrichtung 2 nach dem dritten Ausführungsbeispiel größeren Toleranzen unterlegen sein, da eine Korrektur durch die Korrekturlinse 9 möglich ist. Der Benutzer der Projektionseinrichtung 2 nach dem dritten Ausführungsbeispiel kann die Schärfe der Abbildung auf der Projektionsfläche 3 durch Veränderung der Brennweite der Korrekturlinse 9 einstellen.