Die Vorteile von Laserlicht umfassend nutzen
In der Bildprojektionstechnik haben Laser gegenüber anderen Lichtquellen erhebliche Vorteile: Mit den kompakten, wartungsfreien und energieeffizienten Lasermodulen lassen sich helle, farbintensive und brillante Bilder erzeugen. Bei deren Betrachtung wird das Bild jedoch «fleckenartig» wahrgenommen. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden die Ursachen des Problems gründlich untersucht, um Lösungen zur Unterdrückung der Flecken realisieren zu können.
Viele Vorteile, aber ein gravierender Nachteil
Herkömmliche Lichtquellen für Kinoprojektoren haben eine beschränkte Lebensdauer von wenigen Monaten – bei nachlassender Leistung und einer damit einhergehenden Abnahme der Bildqualität. Es würde sich also anbieten, diese Lichtquelle durch Lasertechnologie zu ersetzen, denn Laser halten deutlich länger und sind zudem praktisch wartungsfrei. Doch führen die vom Laser ausgesandten langen Wellenzüge zu unerwünschten Interferenzeffekten, welche bei der Bildbetrachtung durch das menschliche Auge als «Fleckenstruktur» oder schimmernder «Schleier» wahrgenommen werden: Die sogenannten Speckles. Dieser Effekt führt auch bei laserbetriebenen Head-up-Displays (HUDs) oder Barcodelesern zu inakzeptablen Einbussen in der Bild- oder Scanqualität. Laser können deshalb in der Projektionstechnik erst dann zum Einsatz kommen, wenn es gelungen ist, den Speckle-Effekt zu unterdrücken.
Identifikation von Schlüsselparametern
Die Wahrnehmbarkeit der Speckles kann mittels eines Diffusors unterdrückt werden, der die störende Fleckenstruktur verwischt. Der Laser Speckle Reducer (LSR), wie er von der Firma Optotune bereits heute auf dem Markt angeboten wird, ist ein solcher Diffusor. Er basiert auf einem elektroaktiven Polymer als Aktuator. Die entscheidenden Parameter des Aufbaus, wie die Positionierung des LSRs und die Struktur der Diffusoren sowie deren Bewegungsmuster, wurden bislang rein experimentell mit Hilfe von Beobachtungen ermittelt. Das Ziel der Masterarbeit war es nun, das Phänomen der Speckle-Entstehung von Grund auf physikalisch zu verstehen und rechnerisch zu modellieren. Auf diesem Weg soll der Einfluss der verschiedenen Parameter systematisch untersucht werden können, um damit das bestehende Produkt zu verbessern und Designregeln für die Verwendung in unterschiedlichen Anwendungskontexten zu entwickeln.
Vom Speckle-Modell zu einer Vielzahl von Anwendungen
Die Modellierung der Speckle-Muster hat sich als äusserst rechenintensiv herausgestellt: Von jedem Punkt auf der Leinwand muss die Ausbreitung von Millionen von Wellenzügen bis auf die Netzhaut des Auges berechnet werden. Da die Berechnungen zudem sehr anfällig auf nicht echte, rein numerische Nebeneffekte sind, wurde ein entsprechender Algorithmus von Grund auf neu geschrieben. Um das anschliessend damit erstellte Modell zu überprüfen, hat man die Resultate mit Messungen verglichen – wobei sich eine ausgezeichnete Übereinstimmung zeigte. Es ist gelungen, wichtige Schlüsselparameter für die Laserprojektionen zu identifizieren und damit erste noch offene Designfragen für die nächste Generation der LSRs zu beantworten. Die Komplexität der Fragestellung wurde im Laufe der Arbeit erst sichtbar. Es gelang, diese zusammen mit dem Industriepartner Optotune im Rahmen eines KTI-Projekts weiterzuführen.
Über den Verfasser der Arbeit
Mit der Masterarbeit «Modellierung und Charakterisierung von Laserspeckles und deren Unterdrückung durch einen Laserspeckle-Reducer der Firma Optotune» hat Gabriel Speziga seinen Titel als Master of Science in Engineering (MSE) erworben. Betreut wurde er am Institut für Angewandte Mathematik und Physik im Schwerpunkt für Angewandte Optik. Im Anschluss an sein Studium hat Gabriel Speziga eine Stelle an der ZHAW angenommen und im Rahmen des oben genannten KTI-Forschungsprojekts die Entwicklung der Laserprojektion erfolgreich vorangetrieben.
Betreuer: Christoph Stamm