DE19501525C1 - Interference prevention system for coherent light bundle - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vermindern von innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls erfaßbaren Interferenzen eines kohärenten Lichtbündels mit vorgegebener Wellenlänge durch in diesem Zeitintervall über eine Phasenplatte bewirkte, zeitlich variierende Phasenverschiebungen im Lichtbündel. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Beleuchtung einer Fläche mit einem kohärenten Lichtbündel innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mit einer im Strahlengang des Lichtbündels angeordneten Phasenplatte, mit der das Lichtbündel innerhalb des Zeitintervalls mit zeitlich variierenden Phasenverschiebungen beaufschlagbar ist.The invention relates to a Method for reducing within a predetermined time interval detectable interference of a coherent light beam with a given wavelength by time-varying effects caused by a phase plate in this time interval Phase shifts in the light beam. Further The invention relates to a device for Illumination of a surface with a coherent light beam within one predetermined time interval with one arranged in the beam path of the light beam Phase plate with which the light beam within the time interval with temporal varying phase shifts can be applied.
Für Lichtzeiger bei Vorträgen mit Lichtbildern oder zur Beleuchtung eines Objekts in einem Mikroskop werden häufig Lichtbündel verwendet. Außerdem ist die technische Anwendung von gerasterten Lichtbündeln zur Darstellung eines Videobildes oder zur Erstellung eines Ausdrucks bei einem Laserdrucker über eine größere Fläche bekannt. Wegen der guten Parallelität und der damit möglichen guten Abbildungseigenschaften einzelner Bildpunkte werden dabei oft Laser-Lichtbündel eingesetzt.For light pointers during lectures with photographs or for illuminating an object in A microscope often uses light beams. In addition, the technical Use of rasterized light beams for displaying a video image or for Creation of a printout with a laser printer known over a larger area. Because of the good parallelism and the possible good imaging properties individual pixels are often used with laser light beams.
Insbesondere Laserlicht zeichnet sich durch hohe zeitliche und räumliche Kohärenz aus. Deshalb entstehen bei Beleuchtung einer Fläche Interferenzen von beispielsweise an der beleuchteten Fläche gestreuten Teilstrahlen eines Laserlichtbündels. Aufgrund der Interferenzen entstehen räumlich unterschiedliche Leuchtdichten, die zudem bei unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen wegen unterschiedlicher Phasenbeziehungen bei der Interferenz variieren. Diese Variation wird als Glitzern wahrgenommen und ist beispielsweise bei der Darstellung von Videobildern unerwünscht.Laser light in particular is characterized by high temporal and spatial coherence out. For this reason, interference from, for example, arises when a surface is illuminated partial beams of a laser light beam scattered on the illuminated surface. Because of of the interferences arise spatially different luminances, which moreover different observation directions due to different phase relationships vary in interference. This variation is called glitter perceived and is, for example, in the display of video images undesirable.
Derartige glitzernde Beleuchtungsstrukturen werden in der Literatur als "Speckle" bezeichnet. Sie können insbesondere auf zweierlei Weise beobachtet werden:Such glittering lighting structures are known in the literature as "speckle" designated. In particular, they can be observed in two ways:
- - Das an einer streuenden Oberfläche abgelenkte Licht wird bei einem Meßverfahren mittels einer Meßsonde aufgezeichnet. Das Meßergebnis vermittelt die sogenannten objektiven Speckle. Diese treten beispielsweise bei einem Laserdrucker auf, bei dem eine unterschiedliche Helligkeitsverteilung innerhalb eines Bildpunktes in einer photosensitiven Schicht aufgezeichnet wird.- The light deflected on a scattering surface is used in a measuring process recorded by means of a measuring probe. The measurement result conveys the so-called objective speckle. These occur, for example, in a laser printer in which a different brightness distribution within a pixel in one photosensitive layer is recorded.
- - Das gestreute Laserlicht wird durch ein abbildendes System auf eine Bildfläche, beispielsweise die Netzhaut des menschlichen Auges eines Betrachters, abgebildet. Auf dieser Bildfläche erscheint das störende statistische Interferenzmuster mit in der Helligkeit verstärkten Bildelementen und dunkleren Bildelementen, bei denen sich das Licht mehr oder weniger auslöscht.- The scattered laser light is applied to an image area by an imaging system, for example, the retina of a viewer's human eye. On The disturbing statistical interference pattern appears in this image area in the Brightness intensified picture elements and darker picture elements, in which the Light more or less extinguishes.
Aus der Literatur sind verschiedene Verfahren zur Reduzierung der Anzahl oder Helligkeit dieser störenden Speckle bekannt. Die Verfahren lassen sich grundsätzlich in die drei folgenden Kategorien einteilen:Various methods for reducing the number or are known from the literature Brightness of this annoying speckle is known. The procedures can basically be in divide the three following categories:
- - Verringerung der zeitlichen Kohärenz,- reducing coherence over time,
- - Verringerung der räumlichen Kohärenz,- reducing spatial coherence,
- - schnelle Bewegung der Speckle, dadurch keine störende Speckelerscheinung.- Fast movement of the speckle, therefore no annoying speckle phenomenon.
Die zeitlichen Kohärenz soll gemäß B. Dingel und S. Kawata, "Speckle - free image in a laser - diode microscope using the optical feedback effect", Optics Letters, April 1 (1993), Vol. 18, No. 7, Seiten 549-551, durch eine Modulation der Laserpumpleistung aufgehoben werden. Bei Gaslasern und bei diodengepumpten Festkörperlasern ist eine solche Methode nicht realisierbar.According to B. Dingel and S. Kawata, "Speckle - free image in a laser-diode microscope using the optical feedback effect ", Optics Letters, April 1 (1993), Vol. 18, No. 7, pages 549-551, by modulating the laser pump power To get picked up. One is for gas lasers and for diode-pumped solid-state lasers such a method cannot be implemented.
Die räumlichen Kohärenz wird beispielsweise gemäß S. Jutamulia und T. Asakura, "Reduction of coherent noise using various artificial incoherent sources", Optik 70 (1985), Seiten 52 bis 57, durch eine mit einem Vibrator bewegte Multimodefaser zur Lichtübertragung verringert. Aufgrund der Bewegung des Lichtleiters entstehen Phasenverschiebungen der im Lichtleiter geführten Lichtstrahlen durch Veränderung ihres Weges, so daß zeitlich unterschiedliche Modenmuster abgebildet werden, die sich bei Mittelung über ein bestimmtes Zeitintervall kompensieren sollen. Dieses bekannte Verfahren zur Verringerung der Speckle über die Bewegung des Lichtleiters ist aber lediglich geeignet, die unterschiedlichen Moden, die sich beim Durchgang des Laserlichts durch eine Multimodefaser einstellen, zeitlich zu variieren, so daß sich bei der Abbildung auf einer photoempfindlichen Schicht annähernd gleiche Helligkeiten ergeben, indem die verschiedenen Interferenzmuster der einzelnen Moden "verwischt" werden. Das aus der Lichtleitfaser austretende Licht ist aber immer noch teilkohärent, so daß sich nach Abbildung auf einem Schirm durch die Abbildung des Auges immer noch subjektive Speckle ergeben können.The spatial coherence is, for example, according to S. Jutamulia and T. Asakura, "Reduction of coherent noise using various artificial incoherent sources", optics 70 (1985), pages 52 to 57, by a multimode fiber moved with a vibrator for Light transmission reduced. Due to the movement of the light guide Phase shifts of the light beams guided in the light guide due to changes their way, so that temporally different fashion patterns are mapped, which compensate for averaging over a certain time interval. This well known The method for reducing the speckle is through the movement of the light guide only suitable, the different fashions, which are in the passage of the Adjust laser light through a multimode fiber to vary in time, so that at the brightness on the photosensitive layer is approximately the same result by "blurring" the different interference patterns of the individual modes will. The light emerging from the optical fiber is still partially coherent, so that after imaging on a screen by imaging the eye always can still result in subjective speckle.
Eine ebenfalls bekannte schnelle Bewegung der Speckle, beispielsweise so schnell, daß das Auge aufgrund seiner Trägheit die Speckle nicht mehr erfassen kann, läßt sich durch eine Bewegung der streuenden Oberfläche, beispielsweise des Bildschirms bei einem Videosystem, erreichen. Dadurch entsteht zwischen den Streuzentren und dem menschlichen Auge eine Relativbewegung. Die Speckleverteilung variiert dann auf der Netzhaut des Auges und wird verwischt. Dies ist in einem Videosystem, insbesondere bei großen Bildschirmen, allerdings nur mit großem Aufwand durchführbar. Außerdem ist dieses Verfahren für die Beleuchtung in einem Mikroskop nicht anwendbar, da das Objekt bei der Beobachtung ruhen soll.Another known rapid movement of the speckle, for example so fast that the eye can no longer grasp the speckle due to its sluggishness by moving the scattering surface, for example the screen a video system. This creates between the scattering centers and the human eye a relative movement. The speckle distribution then varies on the Retina of the eye and is blurred. This is in a video system, in particular with large screens, but can only be carried out with great effort. also this method is not applicable for illumination in a microscope, because the Object should rest during observation.
Ein ähnlicher Effekt ergibt sich durch zeitliche Änderung eines Phasengitters, das eine mit der Wellenlänge vergleichbare Gitterkonstante aufweist, wodurch sich schnelle Winkeländerung des austretenden Strahlenbündels ergeben (EP 0 162 595 A1).A similar effect results from temporal Change of a phase grating, one with the wavelength has comparable lattice constant, whereby rapid change in the angle of the emerging radiation beam result (EP 0 162 595 A1).
Man könnte allerdings in Umkehrung des Prinzips der bewegten Oberfläche den Laserstrahl mit kleiner Auslenkung relativ zur Bildwand bewegen. Überraschenderweise werden die Speckle dadurch nicht beeinflußt. Das läßt sich allerdings verstehen, wenn man berücksichtigt, daß der Laser eine ebene Wellenfront besitzt und durch das Auftreffen der quer bewegten Wellenfront keine Änderungen in der räumlichen bzw. zeitlichen Kohärenz relativ zur Bildfläche eintreten kann. Andererseits kommt das gestreute Laserlicht, das ja erst das Bild im Auge erzeugt von einem relativ zum Auge unbewegten Streuzentrum. Dadurch kann es nicht zu einer Relativbewegung und damit zu keiner Verringerung der Speckle auf der Netzhaut kommen.However, one could reverse the principle of the moving surface Move the laser beam with a small deflection relative to the screen. Surprisingly, this does not affect the speckle. That can be however, if you take into account that the laser has a flat wavefront owns and no changes in the impact of the transverse wavefront spatial or temporal coherence can occur relative to the image surface. On the other hand, there is the scattered laser light, which only creates the image in the eye a scattering center that is immobile relative to the eye. As a result, it cannot become one Relative movement and therefore no reduction in speckle on the retina come.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Anzahl oder der Helligkeit der Speckle besteht im Einbringen einer sich drehenden Streuscheibe in den Strahlengang. Da durch die Streuscheibe die gute Parallelität des Lichtbündels aufgehoben wird und gestreutes Laserlicht sich praktisch nicht wieder kollimieren läßt, ist dieses Verfahren mit einer sehr hohen Verlustleistung verbunden. Another way to reduce the number or brightness of the speckle consists of inserting a rotating lens into the beam path. Thereby the diffuser the good parallelism of the light beam is lifted and scattered Laser light can practically not be collimated again very high power loss.
Hieraus ergibt sich, daß alle bisherigen Lösungen zur Problematik der Speckle unbefriedigend und insbesondere bei der Erzeugung von Videobildern unter Verwendung großer Bildschirme nicht einsetzbar sind. Insbesondere ist auch keine befriedigende Lösung für die Verminderung subjektiver Speckle, die erst auf der Netzhaut des Auges des Betrachters eines Videobildes entstehen, bekannt.From this it follows that all previous solutions to the problem of speckle unsatisfactory and especially when generating video images below Use of large screens cannot be used. In particular, there is none satisfactory solution for reducing subjective speckle that is only on the Retina of the eye of the viewer of a video image are known.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, die eine Reduzierung des Kontrastes subjektiver Speckle in einem Bild ohne wesentliche Verluste in der Laserleistung erlauben. Insbesondere soll das Verfahren auch bei einem Videosystem anwendbar und in einem ein Lichtbündel rasternden Videosystem ohne wesentliche Lichtverluste einsetzbar sein.Proceeding from this, the object of the invention is a method and a Finding a device that reduces the contrast in subjective speckle allow an image without significant loss in laser power. In particular, should the method can also be used in a video system and in a light beam rastering video system can be used without significant loss of light.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Lichtbündel (1) mittels der Phasenplatte (2) in Teillichtbündel unterschiedlicher Phasenverschiebung aufgespalten wird, wobei nebeneinanderliegende Teillichtbündel mehr als zwei Wellenlängen voneinander beabstandet sind.The object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset in that the light beam ( 1 ) is split into partial light beams with different phase shifts by means of the phase plate ( 2 ), partial light beams lying next to one another being spaced apart by more than two wavelengths.
Bei der Erfindung wird keine Lichtleitfaser verwendet, sondern statt dessen eine geeignete Phasenplatte eingesetzt. Phasenplatten sind in der Optik zur Phasenverschiebung von Lichtbündeln bekannt. Insbesondere verwendet man in der Optik häufig λ/2-Platten, λ/4-Platten und andere Platten für eine definierte Phasenverschiebung. Als Phasenplatte wird hier jedes definiert phasenverschiebende optische Element verstanden.No optical fiber is used in the invention, but instead one suitable phase plate used. Phase plates are used in optics Phase shift of light beams known. In particular one uses in the Optics often λ / 2 plates, λ / 4 plates and other plates for a defined Phase shift. Each phase shift is defined here as a phase plate understood optical element.
Phasenplatten statt der aus der Literatur bekannten Lichtleitfasern zu verwenden hat den Vorteil, daß Phasenverschiebungen definiert auf Teillichtbündel von Lichtbündeln aufgebracht werden können. Bei Lichtleitern lassen sich im wesentlichen nur verschiedene Moden intensitätsmäßig verändern.Phase plates must be used instead of the optical fibers known from the literature the advantage that phase shifts defined on partial light bundles of light bundles can be applied. In the case of light guides, essentially only change the intensity of different modes.
Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Phasenplatte lassen sich sogar subjektive Speckle verringern, da auf jedem Punkt der Netzhaut Licht mit definierten Kohärenzeigenschaften zeitlich so variiert wird, daß sich Interferenzmaxima und Interferenzminima innerhalb eines Zeitintervalles unterhalb der Zeitkonstanten der Trägheit des Auges zumindest teilweise auslöschen. When designing the phase plate according to the invention, it can even be subjective Reduce speckle as light is defined at every point on the retina Coherence properties are varied in time so that interference maxima and Interference minima within a time interval below the time constant of the At least partially eliminate the sluggishness of the eye.
Da die Phasenplatte nur auf die Phasen von Teillichtbündeln wirkt und eine Streuung im Gegensatz zum Stand der Technik durch geeignete Ausbildung der Phasenplatte vermeidbar ist, wird die Intensität des Lichtbündels praktisch nur unwesentlich herabgesetzt.Since the phase plate only acts on the phases of partial light beams and scatter in contrast to the state of the art by suitable formation of the phase plate is avoidable, the intensity of the light beam becomes practically insignificant reduced.
Eine weitere Reduktion der Helligkeit oder Anzahl subjektiver Speckle wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erzielt, daß im vorbestimmten Zeitintervall mindestens einem Teillichtbündel relativ zu einem anderen Teillichtbündel im Lichtbündel eine Phasenverschiebung von ungefähr einer halben Wellenlänge aufgeprägt wird.A further reduction in brightness or number of subjective speckle is according to an advantageous development of the method according to the invention achieved by that in the predetermined time interval at least one partial light beam relative to one other partial light beams in the light beam a phase shift of approximately one half wavelength is embossed.
Aufgrund dieser Phasenverschiebung um die halbe Wellenlänge lassen sich mindestens zwei Interferenzbilder erzeugen, deren erstes ein Interferenzminimum am Ort eines Interferenzmaximums des zweiten Interferenzbildes und umgekehrt aufweist. Da sich bei geeigneter zeitlicher Variation der Phasenverschiebung, insbesondere wenn beide Interferenzbilder gleich lang auf der Netzhaut abgebildet werden, die Strukturen in den beiden Interferenzbildern vollständig aufheben, lassen sich subjektive Speckle sogar vollständig beseitigen.Because of this phase shift by half the wavelength, at least generate two interference images, the first of which creates an interference minimum at the location of one Interference maximum of the second interference image and vice versa. That I with suitable temporal variation of the phase shift, especially if both Interference images are imaged on the retina for the same length, the structures in the subjective interference speckle can even be completely canceled out eliminate completely.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung geht von einer gattungsgemäßen Vorrichtung aus und löst die zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß die Phasenplatte so ausgestattet ist, daß unterschiedliche Phasenverschiebungen auf nebeneinanderliegende Teillichtbündel aufprägbar sind, deren Abstand größer als die doppelte Wellenlänge des kohärenten Lichts im Lichtbündel ist.A device according to the invention is based on a device of the generic type and achieves the underlying object in that the Phase plate is equipped so that different phase shifts adjacent partial light beams can be embossed, the spacing of which is greater than that is twice the wavelength of the coherent light in the light beam.
Die Vorrichtung enthält die beim obengenannten Verfahren eingesetzte Phasenplatte. Deshalb gelten die beim beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile auch für die Vorrichtung. Weiter läßt sich die Vorrichtung durch die geringe Anzahl von Bauelementen auch auf einfache und kostengünstige Weise fertigen und eignet sich somit besonders auch für die Massenproduktion von Videosystemen.The device contains the phase plate used in the above method. Therefore, those mentioned in the inventive method described apply Advantages for the device too. Furthermore, the device can be the small Manufacture and also number of components in a simple and inexpensive manner is therefore particularly suitable for the mass production of video systems.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung wird die zeitlich variierende Phasenverschiebung über eine Anordnung zur Bewegung der Phasenplatte oder zur Erzeugung akustischer Wellen in der Phasenplatte und/oder auf einer ihrer im Strahlengang des Lichtbündels liegenden Oberfläche aufgeprägt. In a preferred development of the device, the time-varying one Phase shift via an arrangement for moving the phase plate or Generation of acoustic waves in the phase plate and / or on one of them in the Beam path of the light beam on the surface.
Mit der genannten Bewegung werden zeitlich verschiedene Teillichtbündel phasenverschoben, so daß sich die unerwünschten Interferenzbilder auf einer Bildfläche, beispielsweise auf der Netzhaut, ausmitteln können. Bei einer Schwingungsanregung sorgen die verschiedenen Maxima und Minima von Dickenschwingungen bzw. von Oberflächenschwingungen für verschiedene Phasenverschiebungen. Wenn die Schwingung auch als Welle über die Phasenplatte läuft, werden wie bei der Bewegung der Phasenplatte unterschiedliche Teillichtbündel gegeneinander phasenverschoben, so daß derselbe Effekt der Überlagerung unterschiedlicher Teillichtbündel innerhalb eines Zeitintervalls erfolgt, das durch die Augenträgheit oder die Belichtungszeit beim Belichten einer photosensitiven Schicht gegeben ist. Wenn man die Kohärenz möglichst statistisch aufheben will, kann man zur Schwingungsanregung ein Piezokristall oder eine magnetisch bewegte Membran, wie bei einem Lautsprecher, verwenden, das oder die von einem Rauschgenerator angesteuert wird.With the aforementioned movement, different partial light beams are created out of phase so that the unwanted interference images on one Image area, for example on the retina. At a The various maxima and minima of provide vibration excitation Thickness vibrations or surface vibrations for different Phase shifts. If the vibration also as a wave over the phase plate runs, as with the movement of the phase plate, different partial light beams out of phase with each other, so that the same effect of superimposition different partial light beams within a time interval, which by the Inertia or the exposure time when exposing a photosensitive layer given is. If you want to remove the coherence as statistically as possible, you can go to Vibration excitation such as a piezo crystal or a magnetically moved membrane on a speaker, use that from a noise generator is controlled.
Beide Ausführungen zeigen, daß die Anordnung vorteilhafterweise sehr einfach aufgebaut ist und keine Schwierigkeiten für die Fertigung bereitet. Insbesondere wirkt sich dies für die Massenproduktion von Videogeräten günstig aus.Both versions show that the arrangement is advantageously very simple is built up and presents no difficulties for the production. Works in particular this is favorable for the mass production of video devices.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Phasenplatte und die Anordnung so ausgestaltet, daß sie Phasenverschiebungen um die halbe Wellenlänge zulassen und die Bewegung der Phasenplatte oder der Einkopplung akustischer Wellen in die Phasenplatte und/oder deren Oberfläche so ausführbar ist, daß sich im Zeitmittel innerhalb des bestimmten Zeitintervalls Interferenzmaxima und Interferenzminima auf einer durch das Lichtbündel beleuchtbaren Fläche kompensieren.According to a preferred development of the device according to the invention, the Phase plate and the arrangement designed so that they have phase shifts around allow half wavelength and the movement of the phase plate or the coupling acoustic waves in the phase plate and / or the surface of which can be executed, that in the time average within the certain time interval interference maxima and Compensate for interference minima on an area that can be illuminated by the light beam.
Wie schon oben bei einer Weiterbildung des Verfahrens erläutert wurde, lassen sich die Speckle durch zwei um die halbe Wellenlänge verschobene Interferenzbilder nicht nur reduzieren, sondern sogar vollständig beseitigen.As already explained above in a further development of the method, the Don't just speckle through two half-wavelength interference images reduce, but even completely eliminate.
Üblicherweise lassen, abgesehen von Absorption, alle Stoffe einen Teilstrahl eines Lichtbündels durch und reflektieren einen Teilstrahl. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Phasenplatte als reflektierende Umlenkung für das Lichtbündel ausgebildet ist. Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Phasenplatte für das Lichtbündel durchlässig.Apart from absorption, all substances usually leave a partial jet of one Beam of light through and reflect a partial beam. A preferred training the invention provides that the phase plate as a reflective deflection for the Beam of light is formed. In another advantageous development of the The method according to the invention is permeable to the phase plate for the light beam.
Mit beiden Weiterbildungen wird der Lichtverlust durch einen unerwünschten Teilstrahl wirksam unterbunden. Die möglichst vollständige Reflexion oder Durchlässigkeit der Phasenplatte läßt sich beispielsweise durch dünne Schichten, wie aus der Vergütung von Linsen und Spiegeln bekannt, verwirklichen.With both developments, the loss of light is caused by an undesirable one Partial beam effectively prevented. The most complete reflection possible Permeability of the phase plate can be achieved, for example, through thin layers, such as known from the remuneration of lenses and mirrors.
Eine erfindungsgemäße Phasenplatte kann man beispielsweise mit einer Glasplatte, durch die das Lichtbündel hindurchgeht, bzw. einen Spiegel zur Reflexion des Lichtbündels ausbilden, die bzw. der durch einen Schallschwinger als Bewegungsanordnung an der Oberfläche zur Schwingungen angeregt wird. Die so erzeugten Dickenschwingungen können bei geeigneter Frequenz und Amplitude die Phasenverschiebung einzelner Teilbündel des Lichtbündels zeitlich ändern, so daß die Speckle, wie oben beim Verfahren beschrieben, zum Verschwinden gebracht werden.A phase plate according to the invention can be used, for example, with a glass plate, through which the light beam passes, or a mirror for reflecting the Form light beam, which by a sound oscillator as Movement arrangement on the surface is excited to vibrate. The so Thickness vibrations generated at a suitable frequency and amplitude Change the phase shift of individual sub-beams of the light beam over time, so that the Speckle can be made to disappear as described above in the procedure.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist dagegen vorgesehen, daß die Phasenplatte auf mindestens einer der Oberflächen, durch die das Lichtbündel hindurchgeht bzw. von der es reflektiert wird, eine phasenverschiebende Struktur aufweist, die abhängig vom Ort des Durchgangs bzw. der Reflexion der Teillichtbündel im Lichtbündel verschiedene Phasenverschiebungen erzeugt, und daß die Anordnung als Bewegungsanordnung für eine Bewegung der Phasenplatte zur Änderung des Orts des Durchgangs oder der Reflexion des Lichtbündels ausgestaltet ist.In a preferred development of the device, however, it is provided that the Phase plate on at least one of the surfaces through which the light beam passes through or from which it is reflected, a phase-shifting structure has, depending on the location of the passage or the reflection of the partial light beam generated different phase shifts in the light beam, and that the arrangement as a movement arrangement for a movement of the phase plate to change the location the passage or reflection of the light beam is configured.
Vorteilhafterweise ist bei dieser Weiterbildung ein größerer Freiheitsgrad für die Auslegung der Phasenplatte gegeben als bei der Schwingungsanregung. Während bei letzterer die Reduktion der Speckle auch von physikalischen, die Ausbreitung akustischer Wellen und Schwingungen bestimmender Parameter abhängig ist, läßt sich durch das Strukturieren der Phasenplatte eine beliebige definierbare Phasenverschiebung verschiedener Teillichtbündel erreichen, wie aus den weiter unten beschriebenen Weiterbildungen noch deutlicher wird.Advantageously, in this development there is a greater degree of freedom for the Design of the phase plate is given as for the vibration excitation. While at the latter the reduction of speckle also from physical, the spread Acoustic waves and vibrations are dependent on determining parameters by structuring the phase plate any definable Achieve phase shift of different partial light beams, as from the below described further training becomes even clearer.
Eine Bewegungsanordnung, wie sie bei der dargestellten Weiterbildung der Erfindung mit einer strukturierten Phasenplatte eingesetzt werden kann, könnte beispielsweise eine Dreh- oder Kippbewegung der Phasenplatte erzeugen.A movement arrangement as used in the illustrated development of the invention could be used with a structured phase plate, for example generate a rotating or tilting movement of the phase plate.
Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch eine Bewegungsanordnung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung herausgestellt, bei der die Phasenplatte mittels der Bewegungsanordnung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtbündels oszillierbar ist.However, a movement arrangement according to one has proven to be particularly advantageous preferred development of the invention in which the phase plate by means of the movement arrangement perpendicular to the direction of propagation of the light beam is oscillatable.
Damit lassen sich besonders schnelle und definierte Phasenverschiebungen erreichen. In einem Ausführungsbeispiel wurde beispielsweise als Bewegungsanordnung ein Piezokristall verwendet, der eine Bewegungsamplitude über 200 Mikrometer erzeugte. Bei den verwendeten phasenverschiebenden Strukturen auf der Phasenplatte von ungefähr 2 Mikrometern lassen sich somit selbst bei nur 10 Hz Anregungsfrequenz Phasenverschiebungen im Millisekundenbereich verwirklichen. Dieses Zahlenbeispiel zeigt weiter, daß man bei Anregungsfrequenzen im Kilohertzbereich und höher sogar Änderungsgeschwindigkeiten im Megahertzbereich erreichen kann. Diese Geschwindigkeiten sind für die meisten einleitend genannten Anwendungen ausreichend.This enables particularly fast and defined phase shifts to be achieved. In One embodiment was used, for example, as a movement arrangement Piezo crystal used, which generated a movement amplitude over 200 microns. With the phase shifting structures used on the phase plate of approximately 2 micrometers can be achieved even with an excitation frequency of only 10 Hz Realize phase shifts in the millisecond range. This numerical example further shows that at excitation frequencies in the kilohertz range and even higher Can achieve rates of change in the megahertz range. These Speeds are for most introductory applications sufficient.
Bei Verwendung eines einfachen Schwingquarzes als Bewegungsanordnung ist vorteilhafterweise ein kaum nennenswerter Aufwand erforderlich, der bei einer Kippbewegung oder einer Rotation der Phasenplatte mit ähnlicher Geschwindigkeit sehr hoch werden könnte. Deshalb eignet sich eine Vorrichtung gemäß dieser Weiterbildung vor allem für die Massenproduktion, wie sie zukünftig für Videosysteme mit gerasterten Lichtquellen zu erwarten ist.When using a simple quartz crystal as a movement arrangement Advantageously, a hardly noteworthy effort required for a Tilting movement or a rotation of the phase plate at a similar speed could get very high. A device according to this is therefore suitable Further training especially for mass production, as it will be for video systems in the future with screened light sources is to be expected.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die phasenverschiebende Struktur der Phasenplatte ein Raster von Zonen auf, bei dem einige Zonen Phasenverschiebungen gegenüber den in anderen Zonen auftretenden Phasen verursachen, die um eine halbe Wellenlänge voneinander verschieden sind.According to another preferred development of the invention, the phase shifting structure of the phase plate on a grid of zones in which some zones phase shifts from those occurring in other zones Cause phases that differ from each other by half a wavelength.
Aufgrund des Rasters lassen sich beispielsweise durch Masken- und Wafersteptechniken, wie sie beispielsweise aus der Halbleitertechnik bekannt sind, auch große Flächen mit kleinen phasenverschiebenden Strukturen kostengünstig versehen, wodurch eine Massenproduktion von Phasenplatten ermöglicht wird.Due to the grid, for example, by masking and Wafer step techniques, such as are known for example from semiconductor technology, even large areas with small phase-shifting structures are inexpensive provided, which enables mass production of phase plates.
Außerdem ist bezüglich der Reduzierung von Speckelanzahl oder Helligkeit vorteilhaft, daß sich mit solchen Techniken sehr kleine Strukturen für die Phasenverschiebungen herstellen lassen, also sehr viele Teillichtbündel bezüglich ihrer Kohärenzeigenschaften geändert werden können. Das heißt, eventuell vorhandene Restspeckle werden dann so klein, daß sie durch die durch Zäpfchen und Stäbchen in der Netzhaut gegebene Auflösung nicht mehr wahrnehmbar werden. Die Weiterbildung fördert damit auch die wirksame Reduktion von Speckle.It is also advantageous in terms of reducing the number of speckles or brightness, that with such techniques there are very small structures for the phase shifts Have a lot of partial light beams produced with regard to their coherence properties can be changed. This means that any remaining speckle will be like this small that it is given by the suppositories and rods in the retina Dissolving becomes imperceptible. The further training also promotes the effective reduction of speckle.
Dadurch, daß in den Zonen des Rasters Phasenverschiebungen der halben Wellenlänge erzeugt werden, läßt sich der oben näher beschriebene Effekt ausnutzen, daß sich die beiden aus der Phasenverschiebung ergebenden Interferenzbilder vollständig kompensieren, die Speckle also vollständig unterdrückt werden können.The fact that in the zones of the grid phase shifts of half the wavelength generated, the effect described in more detail can be exploited that the both interference images resulting from the phase shift completely compensate, so the speckle can be completely suppressed.
Bei Videosystemen werden, wenn ein Farbbild erzeugt werden soll, mehrere, üblicherweise drei Lichtbündel mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt. Man könnte dann die vorher beschriebenen Phasenplatten, die im wesentlichen Phasenverschiebungen von einer halben Wellenlänge erzeugen, für jede Wellenlänge vor Zusammenführen der einzelnen Lichtbündel verschiedener Wellenlänge einsetzen.In video systems, if one color image is to be produced, several, Usually three light beams with different wavelengths are used. Man could then use the previously described phase plates, which are essentially Generate half-wavelength phase shifts for each wavelength insert before combining the individual light beams of different wavelengths.
Bei mehreren Wellenlängen im Lichtbündel sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, daß die phasenverschiebende Struktur auf der Phasenplatte für jede Wellenlänge Zonen für Phasenverschiebungen von einer halben Wellenlänge gegenüber anderen Zonen aufweist.In the case of several wavelengths in the light beam, a preferred further development of the Invention before that the phase shifting structure on the phase plate for each Wavelength Zones for half-wavelength phase shifts other zones.
Damit läßt sich der Aufwand für ein Videosystem vorteilhaft auf ein Drittel reduzieren, indem für die Beseitigung der Speckle nur eine statt dreier Phasenplatten verwendet werden müssen.This can advantageously reduce the effort for a video system to a third, using only one instead of three phase plates for the removal of the speckle Need to become.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Zonen gleicher Phasenverschiebungen auf der Phasenplatte nach einem statistischen Muster verteilt.In a preferred development of the invention, the zones are the same Phase shifts distributed on the phase plate according to a statistical pattern.
Dadurch werden größere Strukturen vermieden, mittels derer Interferenzmuster höherer Ordnung, also neue Speckle, entstehen könnten. Bei statistischer Anordnung phasenverschiebender Strukturen auf der Phasenplatte werden derartige Speckle vermieden.This avoids larger structures by means of their interference pattern higher order, i.e. new speckle, could arise. With a statistical arrangement phase shifting structures on the phase plate become such speckle avoided.
Das statistische Muster läßt sich beispielsweise so erzeugen, daß beim Entwurf einer Phasenplatte für jede Zone mit Hilfe eines Randomgenerators bestimmt wird, ob diese Zone keine Phasenverschiebung oder eine Phasenverschiebung um die halbe Wellenlänge bei dem an diesem Ort aus- oder eintretenden Teillichtbündel verursachen soll. Bei mehreren Wellenlängen wird man auch die Wellenlänge zur Auslegung der betreffenden Zone mit Hilfe des Randomgenerators bestimmen.The statistical pattern can be generated, for example, so that a Phase plate for each zone is determined using a random generator to determine whether this Zone no phase shift or a phase shift by half Cause wavelength at the partial light beam emerging or entering at this location should. If there are several wavelengths, the wavelength is also used to interpret the Use the random generator to determine the zone in question.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Phasenplatte zur unterschiedlichen Phasenverschiebung der Teillichtbündel mit Erhebungen oder Schichten versehen.According to another preferred development of the invention, the phase plate for different phase shifts of the partial light beams with elevations or Provide layers.
Sowohl Erhebungen als auch dünne Schichten lassen sich für die Massenherstellung billig und definiert auf eine Phasenplatte aufbringen. Insbesondere sind chemisches Ätzen, Sputtertechniken oder Aufdampfen dafür geeignet. Vor allem können mit diesen Techniken sehr kleine Strukturen definiert und mit steilen Kanten hergestellt werden, was zum Verringern der Speckle mittels sehr fein strukturierter phasenverschiebender Strukturen ebenfalls förderlich ist.Both surveys and thin layers can be used for mass production Apply cheaply and defined on a phase plate. In particular are chemical Etching, sputtering techniques or vapor deposition are suitable for this. Above all, with Using these techniques, very small structures are defined and manufactured with steep edges be what to reduce the speckle using very finely structured phase-shifting structures is also beneficial.
Die genannten Erhebungen und dünnen Schichten ermöglichen auch eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung, bei der die Phasenverschiebung durch die Höhe der Erhebungen bzw. die Dicke der dünnen Schicht bestimmt ist.The elevations and thin layers mentioned also enable a preferred one Development of the invention in which the phase shift by the amount of Elevations or the thickness of the thin layer is determined.
Dadurch sind die physikalischen Effekte für die Phasenverschiebungen gut definiert und man kann mit einfachen Modellrechnungen bei der Auslegung der Phasenplatten die Reduktion der Speckle nachvollziehen, so daß die zu verwendende phasenverschiebende Struktur für die Fertigung von Phasenplatten beim Entwurf optimal auf die Vermeidung der Speckle ausgelegt werden kann. Diese Optimierung fördert ebenfalls in vorteilhafter Weise die Reduktion der Speckle.As a result, the physical effects for the phase shifts are well defined and you can use simple model calculations when designing the phase plates understand the reduction of the speckle, so that the one to be used phase-shifting structure for the production of phase plates during design can be optimally designed to avoid speckle. This optimization also promotes the reduction of speckle in an advantageous manner.
Die gleichen Vorteile ergeben sich auch bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung, bei der auf der Phasenplatte mehrere Schichten mit unterschiedlichen Brechzahlen vorgesehen sind, oder die Phasenplatte aus Schichten verschiedener Brechzahlen besteht.The same advantages also result in another development of the invention, in the case of several layers with different refractive indices on the phase plate are provided, or the phase plate from layers of different refractive indices consists.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind auf der Phasenplatte phasenändernde Erhebungen oder Schichten weniger als 10 Mikrometer und insbesondere weniger als 3 Mikrometer voneinander beabstandet. Dies ist vorteilhaft, da wegen dieser Bemessung sehr viele Strukturen zur Wirkung kommen, was besonders für die Aufhebung der räumlichen Kohärenz förderlich ist.According to an advantageous development, phase changes are on the phase plate Elevations or layers less than 10 microns and especially less than 3 Micrometers spaced apart. This is advantageous because of this dimensioning very many structures come into effect, especially for the lifting of the spatial coherence is beneficial.
Bei der Bemessung der Abstände ist allerdings zu bedenken, daß Zonen in der Größenordnung einiger Wellenlängen selbst Quellen Huygenscher Kugelwellen sind. Deswegen dürfen die Strukturen auch nicht zu klein sein und nicht weniger als 2 Wellenlängen betragen, damit die Parallelität des ausgehenden Lichtbündels möglichst erhalten bleibt. Für die Praxis haben sich Zonenabmessungen im Bereich von 1,5 bis 2 Mikrometern als geeignet erwiesen.When dimensioning the distances, it should be borne in mind that zones in the Order of magnitude of some wavelengths even sources are Huygenscher spherical waves. That is why the structures must not be too small and not less than 2 wavelengths, so the parallelism of the outgoing light beam remains as possible. In practice, zone dimensions in the range of 1.5 to 2 microns have been found to be suitable.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein erstes optisches abbildendes System zum Erfassen des die Phasenplatte verlassenden Lichts vorgesehen. Mit diesem optischen System werden die eventuell an den Strukturen gebeugten Lichtstrahlen vereinigt und Verluste verringert. According to another preferred development of the invention, there is a first optical one imaging system for capturing the phase plate leaving light provided. With This optical system is used to diffract the structures Beams of light pooled and losses reduced.
Die Verluste werden insbesondere dann noch weiter verringert, wenn gemäß einer weitergehenden vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung das erste optische System das gesamte von der Phasenplatte kommende Lichtbündel erfaßt.The losses are reduced even further if, according to a further preferred further development of the invention the first optical System detects the entire light beam coming from the phase plate.
Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist ein zweites optisches System, dessen lichteingangsseitiger Brennpunkt im lichtausgangsseitigen Brennpunkt des ersten optischen Systems liegt, vorgesehen.According to a preferred development of the invention, there is a second optical one System whose focal point on the light input side is on the focal point on the light output side of the first optical system is provided.
Damit entsteht durch die beiden optischen Systeme ein afokales Linsensystem, also ein Linsensystem, welches das Lichtbündel im wesentlichen nur bezüglich der Winkeldivergenz des von der Phasenplatte ausgehenden Lichts beeinflußt. Die Parallelität des Hauptstrahles bleibt dann erhalten.The two optical systems thus create an afocal lens system, i.e. a Lens system, which essentially only with respect to the light beam Angle divergence of the light emanating from the phase plate is affected. The The parallelism of the main beam is then maintained.
Die Erfindung ist vor allem in einem Videosystem vorteilhaft anwendbar. Vor allem in diesem treten die als störend empfundenen subjektiven Speckle auf. Die Anwendung des Verfahrens erlaubt im Gegensatz zum zitierten Stand der Technik sogar eine vollständige Auslöschung der Speckle, ohne daß wie bei der rotierenden Streuscheibe wesentliche Lichtverluste auftreten.The invention can be advantageously used especially in a video system. Especially in the subjective speckle, which is perceived as disturbing, occurs to him. The application In contrast to the cited prior art, the method even allows one complete extinction of the speckle without having to do as with the rotating lens substantial light losses occur.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Videobildes mittels einer Rastereinrichtung zum bild- und zeilenmäßigen Rastern eines mit einem Videosignal modulierten Lichtbündels auf einem Schirm ist die Phasenplatte bezüglich des Strahlengangs des Lichtbündels vor der Rastereinrichtung angeordnet.According to a preferred development of the device according to the invention Generation of a video image by means of a raster device for image and line-by-line rastering of a light beam modulated with a video signal The phase plate is in front of a screen with respect to the beam path of the light beam arranged the grid device.
Bei einer derartigen Anordnung befindet sich die Phasenplatte in einem Bereich, in dem das Lichtbündel senkrecht zur Ausbreitungsrichtung sehr schmal ist. Dadurch ergibt sich gegenüber einer Anordnung der Phasenplatte hinter der Rastereinrichtung ein wesentlich verringerter Aufwand.With such an arrangement, the phase plate is located in an area in which the light beam perpendicular to the direction of propagation is very narrow. This gives compared to an arrangement of the phase plate behind the grid device much less effort.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be described in more detail by way of example with reference to the drawing explained. It shows
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verringerung von Speckle, Fig. 1 shows an inventive device for reducing speckle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Phasenplatte mit phasenverschiebender Struktur in Seitenansicht, die in der Vorrichtung von Fig. 1 einsetzbar ist, FIG. 2 shows a schematic illustration of the phase plate with a phase-shifting structure in side view, which can be used in the device from FIG. 1, FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Phasenplatte mit einer anderen phasenverschiebenden Struktur als in Fig. 2 für Lichtbündel mit drei verschiedenen Wellenlängen, Fig. 3 is a schematic representation of a phase plate with another phase-shifting structure as in Fig. 2 for various light beams of three wavelengths,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Phasenplatte als in Fig. 2 oder 3, bei der über unterschiedliche Brechungsindizes eine Phasenverschiebung erreicht wird, Fig. 4 is a schematic representation is achieved when a phase shift about different refractive indices of another phase plate as in Fig. 2 or 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer phasenverschiebenden Struktur in Draufsicht, Fig. 5 is a schematic diagram of a phase-shifting structure in plan view,
Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel als in Fig. 1, bei der das Licht in eine Lichtleitfaser eingekoppelt ist, Fig. 6 shows another embodiment as in Fig. 1, in which the light is coupled into an optical fiber,
Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel als in Fig. 6, bei dem sich die Phasenplatte zwischen einem Linsensystem und einer Lichtleitfaser befindet, Fig. 7 shows another embodiment as in Fig. 6, in which the phase plate is located between a lens system and an optical fiber,
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit einer reflektierenden Phasenplatte. Fig. 8 shows an embodiment with a reflective phase plate.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Vorrichtung, bei der ein Lichtbündel 1 auf eine Phasenplatte 2 einfällt, auf deren Austrittsfläche des Lichtbündels eine phasenverschiebende Struktur 3 aufgebracht ist. Diese verändert die relativen Phasen von Teillichtbündeln des Lichtbündels 1. Die phasenverschiebende Struktur 3 wird später, bezugnehmend auf die Fig. 2 und 3, im Detail dargestellt.The embodiment shown in FIG. 1 shows a device in which a light beam 1 is incident on a phase plate 2 , on the exit surface of the light beam a phase-shifting structure 3 is applied. This changes the relative phases of partial light beams of the light beam 1 . The phase-shifting structure 3 will be shown in detail later with reference to FIGS. 2 and 3.
An die Phasenplatte 2 ist eine Bewegungsanordnung 4 gekoppelt, welche die Phasenplatte 2 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtbündels 1 so bewegt, daß zeitlich variierend verschiedene Teillichtbündel im Lichtbündel 1 eine unterschiedliche relative Phasenverschiebung beim Durchgang durch die Phasenplatte 2 erfahren.At the phase plate 2 is a moving assembly 4 is coupled which moves the phase plate 2 perpendicular to the propagation direction of the beam 1 so that time-varying different partial light beams in the light beam 1 experience a different relative phase shift in passing through the phase plate. 2
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde bei einem Videosystem eingesetzt, bei dem das Lichtbündel mit der Videoinformation moduliert wurde und mechanisch zur Erzeugung eines Fernsehbildes über einen Schirm gerastert wurde. Sie befand sich dabei zwischen einer Rastereinrichtung und einer Einrichtung zur Modulation des Lichtbündels 1.The device according to FIG. 1 was used in a video system in which the light beam was modulated with the video information and was mechanically scanned over a screen to produce a television picture. It was located between a raster device and a device for modulating the light beam 1 .
Zur Verminderung der Anzahl von Speckle und deren Helligkeit wurde die Phasenplatte 2 durch die Bewegungsanordnung 4 zu schnelleren Oszillationen als 10 Hz angeregt. Diese Frequenz ist dafür ausreichend, daß die Augenträgheit die Bewegung der Phasenplatte 2 nicht mehr empfindet, so daß bei unterschiedlicher Position der Phasenplatte 2 auftretende Interferenzbilder ausgemittelt werden. Dadurch können die Speckle reduziert werden.In order to reduce the number of speckles and their brightness, the phase plate 2 was excited by the movement arrangement 4 to oscillate faster than 10 Hz. This frequency is sufficient for the inertia to no longer feel the movement of the phase plate 2 , so that interference images occurring when the phase plate 2 is in a different position are averaged out. This can reduce the speckle.
Die phasenverschiebende Struktur 3 auf der Phasenplatte 2 hatte bei dieser Anwendung Strukturen in der Größe von 1,5 Mikrometern bis 2 Mikrometern. Die Phasenplatte wurde mittels der Bewegungsanordnung 4 über Abstände von 200 Mikrometer periodisch ausgelenkt. Innerhalb einer Periode werden also noch 100mal mehr Phasenverschiebungen durchgeführt als für die Trägheit des Auges notwendig ist. Praktische Versuche haben gezeigt, daß diese schnellen Phasenverschiebungen im Lichtbündel 1 zur Beseitigung der Speckle in einem Videosystem völlig ausreichen.In this application, the phase-shifting structure 3 on the phase plate 2 had structures in the size of 1.5 micrometers to 2 micrometers. The phase plate was periodically deflected by means of the movement arrangement 4 over distances of 200 micrometers. Within a period, 100 times more phase shifts are carried out than is necessary for the sluggishness of the eye. Practical tests have shown that these rapid phase shifts in the light beam 1 are completely sufficient to eliminate the speckle in a video system.
Für die Bewegungsanordnung 4 wurde im Ausführungsbeispiel ein Piezokristall eingesetzt, der sogar noch wesentlich schnellere Schwingungen zuläßt. Höhere Frequenzen können beispielsweise bei der Photographie zweckmäßig sein, bei der die Belichtungszeit das Zeitintervall bestimmt, in der die unerwünschten Interferenzbilder erfaßt werden.In the exemplary embodiment, a piezo crystal was used for the movement arrangement 4 , which allows even faster vibrations. Higher frequencies can be useful, for example, in photography, in which the exposure time determines the time interval in which the undesired interference images are recorded.
Das Lichtbündel 1 tritt hinter der Phasenplatte 2 wieder aus. An den kleinen Strukturen in der phasenverschiebenden Struktur 3 wird das Lichtbündel 1 aber auch durch Beugung abgelenkt, so daß nicht nur ein Lichtbündel 5 aus der Phasenplatte 2 austritt, sondern auch eine zusätzliche Beugungsintensität 6 entsteht. Damit die Lichtintensität im Beugungsbild 6 für die Erzeugung eines Videobildes nicht verlorengeht, sind im Ausführungsbeispiel ein erstes optisches System 7 und ein zweites optisches System 8 vorgesehen. Das erste optische System ist dabei so ausgelegt, daß es nahezu den vollen Winkel des Beugungsbildes 6 erfaßt.The light beam 1 emerges again behind the phase plate 2 . At the small structures in the phase-shifting structure 3 , the light beam 1 is also deflected by diffraction, so that not only does a light beam 5 emerge from the phase plate 2 , but also an additional diffraction intensity 6 is created. In order that the light intensity in the diffraction image 6 is not lost for the generation of a video image, a first optical system 7 and a second optical system 8 are provided in the exemplary embodiment. The first optical system is designed so that it captures almost the full angle of the diffraction pattern 6 .
Der bildseitige Brennpunkt des ersten optischen Systems 7 liegt an dem gleichen Ort 9 wie der objektseitige Brennpunkt des zweiten optischen Systems 8. Durch die beiden optischen Systeme 7 und 8 wird so ein afokales Linsensystem gebildet, bei dem ein einfallendes paralleles Lichtbündel 1 wieder als paralleles Lichtbündel 10 ausfällt. Gleichzeitig ist aber auch das Licht im Beugungsbild teilweise parallelisiert, so daß ein aus der Vorrichtung nach Fig. 1 parallel auslaufendes Lichtbündel 10 nahezu die gleiche Intensität wie das einlaufende Lichtbündel 1 hat.The focus on the image side of the first optical system 7 lies at the same location 9 as the focus on the object side of the second optical system 8 . An afocal lens system is thus formed by the two optical systems 7 and 8 , in which an incident parallel light bundle 1 fails again as a parallel light bundle 10 . At the same time, however, the light in the diffraction pattern is also partially parallelized, so that a light bundle 10 running out in parallel from the device according to FIG. 1 has almost the same intensity as the incoming light bundle 1 .
Die im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 verwendete Phasenplatte 2 besteht aus Glas. Ihre phasenverschiebende Struktur 3 ist in Fig. 2 gezeigt. Auf der Phasenplatte 2 befinden sich zur Ausbildung der phasenverschiebenden Struktur Erhebungen 12. Diese können durch chemisches Ätzen oder Sputterätzen durch eine Maske oder aber auch durch Deposition dünner Schichten, beispielsweise durch Aufdampfen, aufgebracht werden. Im Ausführungsbeispiel wurden die Erhebungen 12 durch Ätzen der Oberfläche der Phasenplatte 2 erzeugt.The phase plate 2 used in the exemplary embodiment of FIG. 1 consists of glass. Its phase-shifting structure 3 is shown in FIG. 2. Elevations 12 are located on the phase plate 2 to form the phase-shifting structure. These can be applied by chemical etching or sputter etching through a mask or else by deposition of thin layers, for example by vapor deposition. In the exemplary embodiment, the elevations 12 were produced by etching the surface of the phase plate 2 .
Die Erhebungen 12 betragen eine halbe Wellenlänge. Auf dem Bildschirm bzw. auf der Netzhaut des Auges werden deswegen zwei Interferenzbilder entgegengesetzter Phase gebildet, die durch die Bewegung der Phasenplatte mittels der Bewegungsanordnung 4 entstehen und aufgrund der Trägheit des Auges ausgemittelt werden. Da die beiden Interferenzbilder sich gegenseitig ergänzen, können so die Speckle vollständig ausgelöscht werden.The elevations 12 are half a wavelength. For this reason, two interference images of opposite phases are formed on the screen or on the retina of the eye, which are created by the movement of the phase plate by means of the movement arrangement 4 and are averaged out on account of the inertia of the eye. Since the two interference images complement each other, the speckle can be completely erased.
Während in Fig. 2 das Prinzip für nur eine Wellenlänge gezeigt ist, müssen dagegen bei einem Farbvideobild drei Laserwellenlängen für die einzelnen Farben unterschiedlich zur Interferenz gebracht werden. Dazu dient eine Phasenplatte 2 mit einer in der Fig. 3 gezeigten phasenverschiebenden Struktur 3. Statt wie im vorangehenden Beispiel die Erhebungen 12 für eine einzelne Wellenlänge herauszuätzen, sind hier drei verschiedene Ätztiefen für drei verschiedene Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ vorgesehen, die jeweils ein Teillichtbündel um die halbe Wellenlänge verschieben. Damit gleichmäßige Strukturen, die ein neues Interferenzbild erzeugen könnten, vermieden werden, sind die Vertiefungen für die unterschiedlichen Wellenlängen ungleichmäßig über die Oberfläche der Phasenplatte verteilt. Für die Auslegung der Ätzmasken wurde für das Ausführungsbeispiel ein statistisches Muster verwendet, das gleichmäßige Strukturen weitgehend ausschließt.While the principle for only one wavelength is shown in FIG. 2, in contrast, three laser wavelengths for the individual colors must be brought to interference differently in a color video image. A phase plate 2 with a phase-shifting structure 3 shown in FIG. 3 is used for this. Instead of etching out the elevations 12 for a single wavelength as in the previous example, here three different etching depths are provided for three different wavelengths λ₁, λ₂ and λ₃, each of which shifts a partial light beam by half the wavelength. In order to avoid uniform structures that could generate a new interference pattern, the depressions for the different wavelengths are distributed unevenly over the surface of the phase plate. For the design of the etching masks, a statistical pattern was used for the exemplary embodiment, which largely rules out uniform structures.
Die Phasenplatte 2 gemäß Fig. 3 ist zur Reduktion von Speckle bezüglich Anzahl und Helligkeit bei Licht dreier verschiedener Wellenlängen geeignet. Allerdings sind auch Phasenverschiebungen von Licht einer Wellenlänge um die Hälfte einer anderen Wellenlänge möglich. Für spezielle Anwendungen, bei der die Speckle noch besser ausgelöscht werden sollen, sind kompliziertere Phasenplatten 2 zweckmäßig, deren phasenverschiebende Struktur 3 dann am besten mit einem Rechner optimiert wird. Für den genannten Anwendungsfall bei einem Videosystem wurden jedoch mit einer Phasenplatte gemäß Fig. 3 schon außerordentlich gute Ergebnisse erzielt.The phase plate 2 according to FIG. 3 is suitable for reducing speckle in terms of number and brightness in the light of three different wavelengths. However, phase shifts of light of one wavelength by half of another wavelength are also possible. For special applications in which the speckle is to be extinguished even better, more complicated phase plates 2 are expedient, the phase-shifting structure 3 of which is then best optimized with a computer. For the application mentioned in a video system, however, extremely good results have already been achieved with a phase plate according to FIG. 3.
Fig. 4 zeigt eine phasenverschiebende Struktur mit etwas unterschiedlichem Aufbau. Während in den Beispielen von Fig. 2 und Fig. 3 eine Phasenverschiebung durch unterschiedliche Weglängen im Glas realisiert wurde, zeigt Fig. 4 ein Beispiel für eine phasenverschiebende Struktur 3, bei der die Phasenverschiebungen mittels Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes n₁, n₂, n₃ erzeugt werden. Derartige Schichten lassen sich beispielsweise auf eine Phasenplatte 2 aufdampfen. Die Dimensionierung und Fertigung derartiger Schichten ist aus der Vergütung von Linsen und Spiegeln bekannt. Fig. 4 shows a phase-shifting structure with a slightly different structure. While in the examples of FIG. 2 and FIG. 3 a phase shift was realized by different path lengths in the glass, FIG. 4 shows an example of a phase shifting structure 3 , in which the phase shifts are generated by means of layers of different refractive indices n 1, n 2, n 3. Layers of this type can be vapor-deposited onto a phase plate 2 , for example. The dimensioning and production of such layers is known from the coating of lenses and mirrors.
Während die Fig. 2 bis 4 die Seitenansichten von phasenverschiebenden Strukturen 3 zeigten, ist in Fig. 5 eine Aufsicht dargestellt. In Fig. 5 ist zu erkennen, daß zur Herstellung ein aus rechteckigen Zonen 14 gebildetes Raster 16 vorgegeben wird. Die Ätztiefen oder die aufzubringenden dünnen Schichten für die einzelnen Phasenverschiebungen unter Berücksichtigung der Wellenlängen in den Zonen wurde nach einem statistischen Muster vorgenommen. In Fig. 5 sind nur 3 dünne Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes n₁, n₂, n₃ im Raster 16 angedeutet.While the Fig. 2 to 4 show side views of the phase-shifting structures 3 is a plan view in FIG. 5. In Fig. 5 it can be seen that is set for the preparation of a polymer formed from rectangular zones 14 position 16. The etching depths or the thin layers to be applied for the individual phase shifts taking into account the wavelengths in the zones was carried out according to a statistical pattern. In Fig. 5 only 3 thin layers with different refractive indices n₁, n₂, n₃ are indicated in grid 16 .
Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel als in Fig. 1. Das zweite optische System 8 kann hier entfallen, da das Licht durch das erste optische System 7 direkt in eine Glasfaser 16 eingekoppelt wird, wobei ein sehr paralleler Strahl wegen der damit verbundenen Lichtverluste unerwünscht ist. FIG. 6 shows another exemplary embodiment than in FIG. 1. The second optical system 8 can be omitted here, since the light is coupled directly into a glass fiber 16 through the first optical system 7 , a very parallel beam being undesirable because of the associated light losses is.
Eine ähnliche Anordnung ist auch in Fig. 7 gezeigt, jedoch befindet sich dort die Phasenplatte 2 zwischen dem ersten optischen System 7 und der Glasfaser 16.A similar arrangement is also shown in FIG. 7, but the phase plate 2 is located there between the first optical system 7 and the optical fiber 16 .
Während die vorhergehenden Beispiele durchsichtige Phasenplatte 2 zeigten, ist in Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in der die phasenverschiebende Struktur 3 reflektierend ausgebildet wurde. Das Lichtbündel 1 wird dabei durch die Phasenplatte 2 umgelenkt.While the previous examples showed transparent phase plate 2 , FIG. 8 shows an exemplary embodiment in which the phase-shifting structure 3 was designed to be reflective. The light beam 1 is deflected by the phase plate 2 .
Die vorangehenden Beispiele zeigen erfindungsgemäße Vorrichtungen, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterdrückung von Speckle einsetzen. Zur Erläuterung wurden nur vereinfachte Beispiele gezeigt. Wie vorstehend ausgeführt, kann die phasenverschiebende Struktur noch besser mit Hilfe einer Nachbildung von Interferenzbildern in einem Rechner optimiert werden.The preceding examples show devices according to the invention which Use methods according to the invention for suppressing speckle. For Explanation was shown only simplified examples. As stated above the phase shifting structure can be improved with the help of a replica of Interference images can be optimized in a computer.
Die erfindungsgemäße Phasenplatte 2 ist, wie vorhergehend schon angesprochen wurde, auch durch andere Möglichkeiten als die phasenverschiebende Struktur 3 verwirklichbar. Es ist beispielsweise auch möglich, Schallwellen in eine als Phasenplatte 2 wirkende Glasplatte einzukoppeln, so daß durch die Oberflächenwellen eine der Fig. 2 ähnliche Struktur entsteht. Wenn die Glasplatte so dimensioniert ist, daß sich die Welle schnell über die Oberfläche bewegt, läßt sich auch die die gesamte Platte bewegende Bewegungsanordnung 4 vermeiden. Als einzige Anordnung muß nur ein Generator zur Erzeugung von Schallwellen, wie ein Piezokristall oder eine magnetisch angeregte Membran vorgesehen werden.The phase plate 2 according to the invention can, as already mentioned above, also be realized by means other than the phase-shifting structure 3 . For example, it is also possible to couple sound waves into a glass plate acting as phase plate 2 , so that a structure similar to that of FIG. 2 is created by the surface waves. If the glass plate is dimensioned such that the shaft moves quickly over the surface, the movement arrangement 4 moving the entire plate can also be avoided. The only arrangement that has to be provided is a generator for generating sound waves, such as a piezo crystal or a magnetically excited membrane.
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| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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