DE10118662A1 - Verfahren zur Specklereduktion - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Reduktion bei der Abbildung eines mit Laserlicht beleuchteten, diffus streuenden Gegenstands auftretenden Speckle wird zur Verwendung eines marktüblichen nur hinsichtlich seiner Kohärenzlänge passend ausgewählten Lasers, insbesondere für eine Bildprojektion, Laserlicht mit einer hinreichend kleinen Kohärenzlänge verwendet und der beleuchtete Gegenstand mit volumenstreuendem Material in einer über den Gegenstand annähernd konstanten Schichtdicke versehen, wobei die Schichtdicke an die Kohärenzlänge so angepaßt wird, daß ein gwünschtes Maß der Specklereduktion erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von bei der Abbildung eines mit Laserlicht beleuchteten, diffus streuenden Gegenstands, auftretenden Speckle.

Bei der Beleuchtung eines lichtstreuenden Mediums oder Objekts mit Laserlicht wird die Homogenität des Laserlichts am Ort des Detektors, z. B. des Auges eines Betrachters oder einer Kamera, auf den der beleuchtete Gegenstand abgebildet wird, wesentlich verschlechtert, wobei sich dem Bild des beleuchteten Gegenstands eine granulare Struktur mit benachbarten Helligkeitsmaxima und -minima überlagert und den Eindruck einer Körnigkeit des beleuchteten Gegenstands erweckt. Diese auf eine räumliche Intensitätsmodulation beruhende Lichterscheinung wird als Speckle bezeichnet. Der Modulationsgrad und die Modulationsfrequenz, und damit die Deutlichkeit der Körnigkeit, hängen von dem Kohärenzgrad und der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts, der Oberflächenbeschaffenheit des beleuchten Gegenstands sowie von der Apertur des Detektors, also z. B. des Auges eines Betrachters oder einer Kamera, und seines Abstandes von dem beleuchteten Gegenstand ab.

In der Literatur sind verschiedene Methoden zur Specklereduktion vorgeschlagen worden, so z. B. die Beeinflussung der räumlichen oder zeitlichen Kohärenz des Laserlichts und die Mittelung über statistisch unabhängige Specklebilder (vgl. T. Iwai, T. Asakura, IEEE Proc. Vol. 84, 5. Mai 1996, S 765-781). Bei der letzten der genannten Methoden erhält man die statistisch unabhängigen Specklebilder z. B. durch Bewegen des beleuchteten Gegenstands, wodurch sich die Speckle zeitlich ändern. Liegt die zeitliche Änderung unter der Integrationszeit des Detektors, z. B. des Auges eines Betrachters, mitteln sich alle statistisch unabhängigen Specklebilder innerhalb dieses Zeitbereichs. Da z. B. im Falle einer Bildprojektion auf den Gegenstand, der in diesem Fall ein Projektionsschirm ist, die zeitliche Mittelung pro Pixel erfolgen muß, müßte die Mittelung in extrem kurzer Zeit durchgeführt werden, was technisch nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das unter Verwendung eines in Hinblick auf eine kurze Kohärenzlänge ausgewählten, handelsüblichen Lasers eine merkliche Reduktion der Speckle herbeiführt, die bei der Abbildung von mit diesem Laser beleuchteten Gegenständen auftreten.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß der Gegenstand mit einem im Markt als Standardlaser angebotenen und damit preisgünstigen Laser, der nur hinsichtlich seiner Kohärenzlänge ausgewählt wird, beleuchtet werden kann und durch einen einfachen Eingriff in die Struktur des beleuchten Gegenstands eine erhebliche Verminderung der Speckle erreicht wird. Ein ungemein aufwendigerer Eingriff in das Laserssytem des passend ausgewählten Lasers ist für die Specklereduktion dagegen nicht erforderlich. Der Specklekontrast C läßt sich dabei bis unter die Wahrnehmbarkeitsgrenze drücken, in jedem Fall aber unter den als tolerabel akzeptierten Wert von C = 5%. Der Specklekontrast wird definiert als die mittlere, quadratische Abweichung der Intensität eines jeden Ortes im beleuchteten Gegenstand vom Mittelwert, normiert auf das Quadrat des Mittelwerts. Die örtliche Intensitätsverteilung wird z. B. mit einer CCD-Kamera gemessen und der Specklekontrast mittels eines Auswerteprogramms bestimmt.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schichtdicke und/oder die Dicke des volumenstreuenden Materials einerseits in Hinblick auf einen guten Specklereduktionsgrad und andererseits in Hinblick auf einen ausreichenden Transmissionsgrad zum Erreichen einer geforderten Leuchtdichte optimiert. Die Specklereduktion ist um so besser, je stärker die Schichtdicke des volumenstreuenden Materials gemacht wird, jedoch nimmt mit der ansteigenden Schichtdicke der Transmissionsgrad für das Laserlicht ab, so daß die Leuchtdichte im beleuchteten Gegenstand sinkt. Mit einer geeigneten Bemessung der Schichtdicke kann daher entsprechend dem verwendeten volumenstreuenden Material und dem verwendeten Laserlicht ein Optimum an Abbildungsqualität erzielt werden. Eine gleiche Qualitätsoptimierung kann durch die Auswahl der Dichte des volumenstreuenden Materials erreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung läßt sich ein ausgewogenes Ergebnis von Abbildungsqualität und Specklereduktion dann erreichen, wenn die Schichtdicke des volumenstreuenden Materials in Hinblick auf die Bildschärfe der Abbildung des beleuchteten Gegenstands und der erzielbaren Specklereduktion optimiert wird. Um das Optimum zu erreichen, ist die Schichtdicke und/oder die Dichte des volumenstreuenden Materials so lange zu vergrößern, bis bei dem mit dem ausgewählten Laser beleuchteten Gegenstand eine Verschlechterung der Bildschärfe für den Detektor merkbar wird. Danach ist die Schichtdicke und/oder die Dichte wieder soweit zu reduzieren, bis diese Schärfeneinbuße gerade nicht mehr erkennbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft zur Laserprojektion von Bildern anwenden. Laserprojizierte Bilder zeichnen sich durch hohe Schärfentiefe und große Farbbrillianz aus, die bislang durch die von den Speckle verursachte Körnigkeit einen nicht unerheblichen Qualitätsverlust erleiden. Die Bildprojektion kann dabei im Durchlicht- oder Auflichtverfahren durchgeführt werden, wobei in jedem Fall mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Specklereduktion die Bildqualität des projizierten Bildes deutlich verbessert wird. Dabei wird eine Optimierung der Bildqualität des auf den Projektionsschirm projizierten Bildes bezüglich der Zielparameter Bildschärfe, Leuchtdichte und Specklereduktion durch Variation der Steuerparameter Schichtdicke und Dichte des in der Projektionsfläche des Projektionsschirms vorhandenen volumenstreuenden Materials erreicht.

Ein Projektionsschirm zur Durchführung der Laserprojektion zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine Projektionsfläche aus, die das erfindungsgemäß ausgelegte volumenstreuende Material enthält.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 ausschnittweise ein Laserprojektionssystem für die Bildprojektion im Durchlichtverfahren,

Fig. 2 ausschnittweise einen Schnitt eines Projektionsschirms des Laserprojektionssystems in Fig. 1 gemäß Schnittlinie II-II in Fig. 1.

Das Verfahren zur Reduktion von Speckle, die bei der Abbildung eines mit Laserlicht beleuchteten Gegenstands auf einen Detektor, z. B. im Auge eines Betrachters, auftreten, ist nachfolgend anhand eines Verfahrens zur Laserprojektion von Bildern beschrieben, bei dem mittels eines handelsüblichen Lasers, der in Hinblick auf eine möglichst kleine Kohärenzlänge seines Laserlichts ausgesucht worden ist, ein Bild auf eine Projektionsfläche projiziert wird, das von einem Betrachter betrachtet wird, Bild und Projektionsfläche also in dem den Detektor bildenden Auge des Betrachters abgebildet werden. Das beschriebene Verfahren kann aber auch zur Verbesserung von lasergestützten Verfahren der optischen Meßtechnik und z. B. auch bei der Interferometrie eingesetzt werden.

Das in Fig. 1 in perspektivischer Darstellung schematisch skizzierte Laserprojektionssystem weist eine Projektionswand 10 mit mindestens einem Projektionsschirm 11 sowie ein dem Projektionsschirm 11 zugeordnetes Laserprojektionsgerät 12 mit drei Lasern für die Grundfarben Rot, Blau und Grün auf, die entweder über separate Objektive 13 oder aber auch über ein gemeinsames Objektiv auf den Projektionsschirm 11 gerichtet sind und dort eine Projektionsfläche 14 beleuchten. Die Bildprojektion erfolgt im Ausführungsbeispiel als sog. Durchlichtprojektion, d. h. daß sich der Projektionsschirm 11 zwischen einem Betrachter und dem Laserprojektionsgerät 12 befindet.

Zur Reduktion der in dem auf die Projektionsfläche 14 projizierten Bild vom Betrachter beobachteten Speckle wird einerseits ein passend ausgewählter Laser verwendet, dessen Laserlicht eine hinreichend kleine Kohärenzlänge aufweist, und wird andererseits die Projektionsfläche 14 mit einem volumenstreuenden Material 15 ausgefüllt, und zwar mit einer in Lichteinfallsrichtung gesehenen Schichtdicke, die über die Projektionsfläche 14 in etwa konstant ist. Die Schichtdicke ist dabei an die Kohärenzlänge des Laserlichts so angepaßt, daß eine Reduktion der Speckle um ein gewünschtes Maß eintritt. Vorteilhaft wird die Schichtdicke größer als ein 1/10 der Kohärenzlänge gemacht und beispielsweise eine Kohärenzlänge von ca. 0,3 mm gewählt. Da bei einer Durchlichtprojektion einerseits aber der Specklereduktionsgrad mit zunehmender Schichtdicke ansteigt, andererseits aber mit zunehmender Schichtdicke der Transmissionsgrad des volumenstreuenden Materials 15 für das Laserlicht sinkt, ist die Schichtdicke so ausgelegt, daß ein Optimum bezüglich der beiden konträr verlaufenden Kriterien erreicht wird. Des weiteren wird die Schichtdicke der Schicht aus volumenstreuendem Material 15 auch in Hinblick auf die Bildschärfe des auf die Projektionsfläche 14 projizierten Bildes und der erzielbaren Specklereduktion optimiert. Diese Optimierung findet in der Weise statt, daß die Schichtdicke solange verstärkt wird, bis der Betrachter eine merkliche Verschlechterung der Bildschärfe wahrnimmt. Anschließend wird die Schichtdicke wieder verkleinert, und zwar soweit, bis die erkannte Bildunschärfe wieder beseitigt ist.

Als zweiter Steuerparameter für die Optimierung von Specklereduktion, Leuchtdichte des Bildes bzw. Transmissionsgrad des volumenstreuenden Materials 15 und Bildschärfe wird die Dichte des volumenstreuenden Materials 15 verwendet, so daß mit einer geeignet gewählten Dichte und einer geeignet eingestellten Schichtdicke ein Optimierungsmaximum bezüglich der drei genannten Zielparameter. Specklereduktion, Leuchtdichte und Bildschärfe erreicht werden kann.

Das volumenstreuende Material 15 kann als Projektionsfläche 14 unmittelbar in den Bildschirm 11 eingesetzt werden oder aber auf einen transparenten Träger 16 aufgebracht und zusammen mit diesem als Projektionsfläche 14 in den Projektionsschirm 11 integriert werden. Das volumenstreuende Material 15 kann dabei auf einer oder auf beiden Seiten des transparenten Trägers 16 aufgebracht werden, aber auch in einer Zwischenschicht zwischen zwei Teilen des dann längsgeteilten Trägers 16 angeordnet werden. Ist nur eine Oberfläche des transparenten Trägers 16 mit dem volumenstreuenden Material 15 belegt, so kann die Anordnung der Projektionsfläche 14 im Projektionsschirm 11 so getroffen werden, daß das volumenstreuende Material 15 entweder dem Laserprojektionsgerät 12 oder dem Betrachter des Projektionsschirms 11 zugekehrt ist.

Als volumenstreuendes Material 15 werden verschiedene Werkstoffe verwendet. In einem ersten Ausführungsbeispiel ist das volumenstreuende Material 15 ein Opalglas, das bei einer Kohärenzlänge des Laserlichts von ca. 0,3 mm vorzugsweise mit einer Schichtdicke von 0,4 mm ausgeführt wird. Als Opalglas eignet sich hierfür beispielsweise das "Milchüberfangglas Opalica" der Fa. Schott Desag. Das Opalglas kann als Projektionsfläche 14 direkt in den Projektionsschirm 11 eingesetzt aber auch zuvor auf ein wesentlich dickeres Glassubtrat als transparenten Träger 16 aufgetragen werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird als volumenstreuendes Material 15 eine ungesinterte Folie aus Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Bei einer Kohärenzlänge von 0,3 mm hat sich eine Folienstärke von z. B. 0,2 mm als vorteilhaft erwiesen.

Als volumenstreuendes Material 15 können weiterhin verschiedene disperse Systeme, so z. B. Gele oder Dispersionslacke, verwendet werden. Hierzu zählen auch PTFE- haltige Lacke, die unterhalb der Sintertemperatur aushärten. Als Beispiel wird der PTFE-Lack "Klüberplus S03-105" der Fa. Klüber verwendet, der bei Raumtemperatur aushärtet. Der Vorteil der Lacke ist darin begründet, daß auf einfache und kostengünstige Weise eine optimale Schichtdicke auf einem transparenten Träger 16 eingestellt und auf beliebig gekrümmten Oberflächen einfach und kostengünstig homogene Transmissions- und Streubedingungen geschaffen werden können. Der Vorteil des speziellen Klüberplus-Lacks liegen in dessen Eigenschaft, schon bei Raumtemperatur auszuhärten, so daß er dadurch auf temperaturempfindliche, transparente Substrate als Träger 16, z. B. Kunststoff, aufgebracht werden kann. Zu den als volumenstreuenden Material 15 brauchbaren dispersen Systemen zählt auch eine PTFE-Beschichtung auf einem transparenten Träger 16.

Anstelle der beschriebenen Durchlichtprojektion kann die Laserprojektion auch als Auflichtprojektion vorgenommen werden, bei der Betrachter und Laserprojektionsgerät 12 sich auf der gleichen Seite des Projektionsschirms 11 befinden.

Claims (24)

1. Verfahren zur Reduktion von bei der Abbildung eines mit Laserlicht beleuchteten, diffus streuenden Gegenstands auftretenden Speckle, dadurch gekennzeichnet, daß Laserlicht mit einer hinreichend kleinen Kohärenzlänge verwendet wird, daß der beleuchtete Gegenstand mit volumenstreuendem Material (15) in einer, in Lasereinfallsrichtung gesehen, über den Gegenstand in etwa konstanten Schichtdicke versehen wird und daß die Schichtdicke an die Kohärenzlänge so angepaßt wird, daß ein gewünschtes Maß der Specklereduktion erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des volumenstreuenden Materials (15) bezüglich des Transmissionsgrads für das Laserlicht und des Specklereduktionsgrads optimiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des volumenstreuenden Materials (15) bezüglich des Transmissionsgrads für das Laserlicht und des Specklereduktionsgrads optimiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des volumenstreuenden Materials (15) bezüglich der Bildschärfe der Abbildung des beleuchteten Gegenstands und der erzielbaren Specklereduktion optimiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des volumenstreuenden Materials (15) bezüglich der Bildschärfe der Abbildung des beleuchteten Gegenstands und der erzielbaren Specklereduktion optimiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke größer gewählt wird als 1/10 der Kohärenzlänge.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohärenzlänge ca. 0,3 mm gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Material Opalglas verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des Opalglases mit 0,4 mm ausgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material eine ungesinterte PTFE- Folie verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienstärke ca. 0,2 mm gewählt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material ein disperses System verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als disperses System ein Gel verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als disperses System eine PTFE-Beschichtung verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als disperses System ein Dispersionslack verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als disperses System ein PTFE-haltiger Lack verwendet wird, der unterhalb der Sintertemperatur, vorzugsweise bei Raumtemperatur, aushärtet.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand einen transparenten Träger (16) aufweist und das volumenstreuende Material (15) auf mindestens eine Oberfläche des transparenten Trägers (16) aufgetragen wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand einen transparenten Träger (16) aufweist und das volumenstreuende Material (15) zwischen zwei Teilen des transparenten Trägers (16) angeordnet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Träger (16) aus Glas oder Kunststoff hergestellt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-19, gekennzeichnet durch seine Verwendung bei der Laserprojektion von Bildern, indem als beleuchteter Gegenstand eine Bildprojektionsfläche (14) verwendet wird, die mit volumenstreuenden Material (15) ausgefüllt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserprojektion im Durchlichtverfahren durchgeführt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserprojektion im Auflichtverfahren durchgeführt wird.

23. Projektionsschirm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 20-22, gekennzeichnet durch eine das volumenstreuende Material (15) enthaltende Projektionsfläche (14).

24. Projektionsschirm nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke und Dichte des volumenstreuenden Materials (15) so eingestellt ist, daß ein Optimum an Bildschärfe, Leuchtdichte und Specklereduktion für einen ein auf die Projektionsfläche (14) projiziertes Bild betrachtenden Betrachter erreicht ist.