DE102005041968A1

DE102005041968A1 - Optical system for projecting multi-colored image or image pattern, has diffractive micro-optical structures provided on each of multiple optical carriers in optical path of laser beam sources, where structures modify laser beams

Info

Publication number: DE102005041968A1
Application number: DE200510041968
Authority: DE
Inventors: Mirko Riethmueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-03
Filing date: 2005-09-03
Publication date: 2007-03-08

Abstract

The system has laser beam sources with emission wavelengths in fundamental colors such as red, green, and blue, where the laser beam sources emit laser beams in fundamental colors red (1), green (2) and blue (3). Multiple diffractive micro-optical structures are provided on each of multiple optical carriers in optical path of the laser beam sources, where the diffractive structures modify the laser beams and are aligned together. A projection screen (7) e.g. projection layer, represents and superimposes modified light rays produced by the diffractive structures. An independent claim is also included for a method for modifying and superimposing coherent or partially coherent laser radiation for projecting a multi-colored image.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System und Verfahren zur Modifizierung und Überlagerung kohärenter oder teilkohärenter Laserstrahlung zur Projektion eines mehrfarbigen Bildes bzw. Bildmusters.The The invention relates to an optical system and method for Modification and overlay coherent or more coherent Laser radiation for projection of a multi-colored image or image pattern.

Die Vielfalt und Häufigkeit von Laserstrahlquellen im industriellen und wissenschaftlichen Einsatz hat in den letzten Jahren enorm zugenommen. Neben dem Einsatz der Laserstrahlung z. B. in der Materialbearbeitung, der Medizintechnik, der Halbleiterindustrie sowie der Messtechnik finden Laser zunehmend Anwendung beispielsweise bei Licht-Show-Veranstaltungen zu Produktpräsentationen und zur Unterhaltung sowie für Entertainment- und Virtual-Reality-Anwendungen. Laserstrahlquellen zeichnen sich durch gute Kollimierbarkeit, Fokussierbarkeit, Schmalbandigkeit sowie Kohärenz aus.The Variety and frequency of laser beam sources in industrial and scientific use has increased enormously in recent years. In addition to the use of Laser radiation z. B. in material processing, medical technology, The semiconductor industry and metrology are increasingly finding lasers Application for example at light show events for product presentations and for entertainment as well as for Entertainment and virtual reality applications. Laser beam sources are characterized by good collimability, focusability, Narrow band and coherence out.

Häufig wird die Darstellung von farbigen Abbildungen mittels Laserstrahlung durch den Einsatz von Lasern, die die Grundfarben Rot, Grün und Blau emittieren, realisiert. Nach dem heutigen Stand der Technik stehen beispielsweise diodengepumpte Festkörperlaser zur Verfügung, welche die Grundfarben Rot, Grün, Blau mit den Wellenlängen 628 nm, 532 nm, 446 nm generieren. Die Kombination von Laserstrahlquellen mit einer Emissionswellenlänge in den Grundfarben Rot, Grün, Bau werden allgemein als so genannte RGB-Laser bezeichnet.Frequently becomes the representation of colored images by means of laser radiation through the use of lasers emitting the primary colors red, green and blue, realized. For example, according to the current state of the art diode-pumped solid-state lasers to disposal, which the basic colors red, green, Blue with the wavelengths Generate 628 nm, 532 nm, 446 nm. The combination of laser sources with an emission wavelength in the basic colors red, green, Construction is commonly referred to as a so-called RGB laser.

Ein weiteres mögliches Prinzip der Bereitstellung von Laserstrahlung verschiedener Wellenlängen ist die Auskopplung von frequenzmodulierten Intensitätsanteilen einer oder mehrerer primärer Laserstrahlquellen in kaskadenartiger Anordnung ( DE 101 14 146 A1 , US 2001/0010698 A1).Another possible principle of providing laser radiation of different wavelengths is the decoupling of frequency-modulated intensity components of one or more primary laser beam sources in a cascade-like arrangement ( DE 101 14 146 A1 , US 2001/0010698 A1).

Bekannte Projektionssysteme auf der Basis von Lasern, welche Strahlung in den drei Grundfarben emittieren erzeugen durch das zeilenweise Ablenken eines aus den Grundfarbanteilen zusammengesetzten Laserstrahls ein Bild auf der Projektionsfläche ( DE 101 35 418 B4 ). Der Farbton und die Intensität des zusammengesetzten Laserstrahls wird durch die Überlagerung von rotem, grünem und blauem Laserlicht erzeugt. Diese Systeme bieten die Möglichkeit der Projektion statischer und bewegter Bilder auf der Projektionsfläche. Für den Aufbau eines solchen Systems sind neben der RGB-Strahlquelle aufwendige Spiegel- und Ablenksysteme notwendig.Known projection systems based on lasers, which emit radiation in the three primary colors, generate an image on the projection surface by deflecting a laser beam composed of the primary color components by lines. DE 101 35 418 B4 ). The hue and intensity of the composite laser beam is generated by the superposition of red, green and blue laser light. These systems offer the possibility of projecting static and moving images on the screen. For the construction of such a system in addition to the RGB beam source complex mirror and deflection systems are necessary.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Anwendung von diffraktiven Strukturen, die von einem RGB-Lasersystem emittierten Lichtwellen so zu modifizieren, dass auf einer Projektionsfläche durch Überlagerung der roten, grünen und blauen Intensitätsanteile ein Bild bzw. Bildmuster dargestellt wird. Durch die Anordnung wird eine einfache Projektion mehrfarbiger statischer Bilder bzw. Bildmuster auf verschiedenen Projektionsflächen ermöglicht, wobei prinzipiell auf aufwendige Spiegel- und Ablenksysteme verzichtet werden kann.task the invention is, using diffractive structures, to modify the light waves emitted by an RGB laser system so that on a projection screen by overlay the red, green and blue intensity components a picture or pattern is displayed. By the arrangement becomes a simple projection of multicolored static images or image patterns on different projection surfaces allows in principle waived elaborate mirror and deflection systems can be.

Zur Lösung der Aufgabe enthält das optische System und Verfahren zur Modifizierung und Überlagerung kohärenter oder teilkohärenter Laserstrahlung zur Projektion eines mehrfarbigen Bildes bzw. Bildmusters erfindungsgemäß:

• Laserstrahlquellen mit den Emissionswellenlängen in den Grundfarben Rot, Grün und Blau,
• Aufeinander abgestimmte diffraktive mikrooptische Strukturen auf je einem optischen Träger im Strahlengang der Laserstrahlquellen, welche die Grundfarben Rot, Grün und Blau emittieren,
• Projektionsfläche zur Darstellung und Überlagerung der von diffraktiven Strukturen erzeugten modifizierten Lichtwellen.

To achieve the object, the optical system and method for modifying and superimposing coherent or partially coherent laser radiation for the projection of a multicolor image or image pattern according to the invention comprises:

• laser beam sources with the emission wavelengths in the primary colors red, green and blue,
• Matching diffractive micro-optical structures on each one optical carrier in the beam path of the laser beam sources, which emit the primary colors red, green and blue,
• Projection surface for displaying and superimposing the modified light waves generated by diffractive structures.

Laserquellen emittieren häufig einen Strahl mit einer annähernd gaußförmigen Intensitätsverteilung. Für die Darstellung eines Bildes bzw. Bildmusters ist es notwendig, die von Lasern emittierte Strahlung durch geeignete Optiken zu modifizieren.laser sources emit frequently a beam with an approximate Gaussian intensity distribution. For the Representation of an image or image pattern, it is necessary, the Laser radiation emitted by suitable optics to modify.

Zur Formung komplexer Intensitätsverteilungen in einer Signalebene aus einem einfallenden Laserstrahl sind Diffraktive Optische Elemente geeignet, die durch beugende mikrooptische Strukturen ein Strahlungsfeld durch komplexe Veränderungen der Amplitude und/oder der Phase gezielt modifizieren.to Forming complex intensity distributions in a signal plane from an incident laser beam are diffractive Optical elements suitable by diffractive micro-optical structures Radiation field due to complex changes in amplitude and / or to selectively modify the phase.

Diese beugenden Strukturen können durch geeignete Algorithmen am Computer generiert werden. Die Diffraktiven Optischen Elemente sind dabei für die spezifischen Eigenschaften des primären Laserlichtstrahls berechnet, wie z.B. für dessen Wellenlänge und dessen Strahlprofil. Vorteilhafterweise werden die beugenden Amplituden und/oder Phasenstrukturen auf geeignete optische Träger aufgebracht.These diffractive structures can be generated by suitable algorithms on the computer. The diffractive ones Optical elements are here for calculates the specific properties of the primary laser light beam, such as. For its wavelength and its beam profile. Advantageously, the diffractive Amplitudes and / or phase structures applied to suitable optical carrier.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the schematic drawings be explained in more detail. It demonstrate:

1 Ausführungsform der Anordnung des optischen Systems mit Diffraktiven Optischen Elementen aus separaten optischen Trägermaterial im Strahlengang der roten, grünen und blauen Laserstrahlung 1 Embodiment of the arrangement of the optical system with diffractive optical elements of separate optical carrier material in the beam path of the red, green and blue laser radiation

2 Ausführungsform der Anordnung des optischen Systems mit Diffraktiven Optischen Elementen auf einem gemeinsamen optischen Trägermaterial im Strahlengang der roten, grünen und blauen Laserstrahlung 2 Embodiment of the arrangement of the optical system with diffractive optical elements on a common optical carrier material in the beam path of the red, green and blue laser radiation

Für die Darstellung eines mehrfarbigen Bildes bzw. Bildmusters auf einer Projektionsfläche wird das darzustellende Bild bzw. Bildmuster in seine Grundfarbanteile Rot, Grün und Blau zerlegt. Die Bildinformation des roten Farbanteils dient zur Generierung eines Diffraktiven Optischen Elements I (DOE I). Analog dazu dienen die Grün- und Blauinformation zur Generierung von DOE II und DOE III.For the presentation of a multicolor image on a projection screen becomes to be displayed image or pattern in its basic color components red, Green and Blue decomposed. The image information of the red color portion is used for Generation of a Diffractive Optical Element I (DOE I). Analogous this is what the green and blue information for the generation of DOE II and DOE III.

Zur Wiedergabe des mehrfarbigen Bildes bzw. Bildmusters wird das Diffraktive Optische Element DOE I (4) im Laserstrahl mit der roten Wellenlänge (1) so angeordnet, dass die von den diffraktiven Strukturen erzeugte Intensitätsverteilung auf einer Projektionsfläche sichtbar wird. Analog erfolgt die ausgerichtete Anordnung des Diffraktiven Optischen Elements DOE II (5) im grünen Laserstrahl (2) bzw. des Diffraktiven Optischen Elements DOE III (6) im blauen Laserstrahl (3) zur Sichtbarmachung auf der gleichen Projektionsfläche.To reproduce the multicolor image or pattern, the diffractive optical element DOE I ( 4 ) in the laser beam with the red wavelength ( 1 ) are arranged so that the intensity distribution generated by the diffractive structures is visible on a projection surface. Analogously, the aligned arrangement of the diffractive optical element DOE II ( 5 ) in the green laser beam ( 2 ) or the diffractive optical element DOE III ( 6 ) in the blue laser beam ( 3 ) to visualize on the same screen.

Die von den DOE I (4), DOE II (5) und DOE III (6) erzeugten roten, grünen und blauen Intensitätsverteilungen werden in der Projektionsfläche (7) zur Überlagerung gebracht. Die Zusammensetzung des ursprünglichen Bildes erfolgt aus der Überlagerung der einzelnen roten, grünen und blauen Bildinformation. Auf der Projektionsfläche (7) entsteht eine additive Farbmischung, welche das Ausgangsbild bzw. -bildmuster repräsentiert.Those of the DOE I ( 4 ), DOE II ( 5 ) and DOE III ( 6 ) are red, green and blue intensity distributions in the projection surface ( 7 ) brought to overlay. The composition of the original image is based on the superimposition of the individual red, green and blue image information. On the projection screen ( 7 ), an additive color mixture is created which represents the original image or pattern.

Die diffraktiven optischen Strukturen der Elemente DOE I, DOE II und DOE III können separat [(4), (5), (6)] auf je einem optischen Trägermaterial aufgebracht und in den Strahlengang der roten, grünen und blauen Laser eingestellt werden. Alternativ zur vorgenannten Ausgestaltung ist es auch möglich, diese Strukturen auf ein gemeinsames Trägermaterial (8) aufzubringen.The diffractive optical structures of elements DOE I, DOE II and DOE III can be separated [( 4 ) 5 ) 6 )] are each applied to an optical carrier material and set in the beam path of the red, green and blue lasers. As an alternative to the aforementioned embodiment, it is also possible to apply these structures to a common carrier material ( 8th ).

Vorteilhafterweise eignen sich als Projektionsfläche (7) beispielsweise ebene, sphärische oder anders gekrümmte Flächen sowie Flächen aus Nebelwänden, Wasservorhängen oder anderen streuenden Materialien.Advantageously, suitable as a projection surface ( 7 For example, flat, spherical or otherwise curved surfaces and surfaces of fog walls, water curtains or other scattering materials.

Eine möglicherweise störende nullte Beugungsordnung, die demjenigen Strahlungsanteil entspricht, der ungebeugt durch die diffraktiven Elemente hindurch tritt und unter Umständen als heller punktförmigen Bereich im Zentrum der Intensitätsverteilung auftreten kann, kann durch geeignete Blenden abgeschattet werden. Vorteilhaft ist, die roten, grünen und blauen Laserstrahlen in einem speziellen Winkel auf die Diffraktiven Optischen Elemente anzuordnen.A possibly disturbing zeroth order of diffraction, which corresponds to the proportion of radiation, which passes unbowed through the diffractive elements and in certain circumstances as bright punctiform Area in the center of the intensity distribution can occur, can be shaded by suitable apertures. Advantageously, the red, green and blue laser beams at a specific angle to the diffractive ones To arrange optical elements.

Eine weitere Möglichkeit der Unterdrückung einer Intensitätserhöhung durch die nullte Beugungsordnung ist die Anordnung von Diffraktiven Optischen Doppelelementen im Strahlengang (Patentanmeldung 10 2004 035 498.8).A another possibility the suppression of one Intensity increase by the zeroth diffraction order is the arrangement of diffractive optical double elements in the beam path (patent application 10 2004 035 498.8).

Für die Generierung des gesamten sichtbaren Farbspektrums eines Bildes ist die Anordnung von Laserstrahlquellen in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau notwendig. Gegenstand der Erfindung ist ferner auch die Anordnung einer von drei, mindestens jedoch zwei, abweichenden Anzahl von Lasern.For the generation of the entire visible color spectrum of an image is the arrangement of Laser sources in the three primary colors red, green and blue necessary. The invention also relates to the arrangement one of three, but at least two, different number of Lasers.

Claims

Optical system and method for modifying and superimposing coherent or partially coherent laser radiation for projecting a multicolor image, comprising: laser beam sources having emission wavelengths in the primary colors red ( 1 ), Green ( 2 ) and blue ( 3 ), • Matched diffractive micro-optical structures on each one optical carrier in the beam path of the laser beam sources, which emit the primary colors red, green and blue ( 4 ) 5 ) 6 ), Projection surface, preferably a projection plane, for the representation and superimposition of the modified light waves produced by diffractive structures (US Pat. 7 ).

Optical system according to claim 1, characterized that one of three, but at least two, different number be arranged by laser sources in the optical system.

Optical system according to claim 1, characterized in that a plurality of diffractive micro-optical structures are located on a common optical carrier ( 8th ).

Optical system according to claim 1, characterized that the diffractive micro-optical structures can not be changed the optical axes of the laser beam sources are installed.

Optical system according to claim 1, characterized that the projection screen not flat, but spherical shaped or otherwise curved surfaces as well as surfaces from fog walls, water curtains or other scattering materials.

Optical system according to claim 1, characterized that by exchanging the diffractive micro-optical structures an image or image sequence is generated.

Optical system according to claim 1, characterized that in the beam path the diffractive micro-optical structures downstream optical imaging elements, such as Lenses are installed.