Laser Speckle Reduktion
Neue Maßstäbe in Preis und Baugröße dank neuer Aktortechnologie
Date: May 2011
Published by: Laser+Photonik
Original publication in German (PDF available): http://www.laser-photonik.de/dl/LP110102.html
Original publication in English (PDF available): http://www.laser-photonics.eu
Es gibt schon einige Ansätze zur Reduktion von Laser Speckle. Aber keiner ist so kompakt und preisgünstig wie die Lösung dieses Schweizer Jungunternehmens: Elektroaktive Polymere lassen einen Diffusor schwingen. Mit potentiellen 6x9x1mm Baugröße schielt Optotune auf den Markt für Picoprojektoren.
Laser bieten viele Vorteile gegenüber anderen Lichtquellen. Die tiefe Divergenz ermöglicht präzise Kontrolle sehr hoher Lichtleistungen. Dies macht Laser besonders attraktiv für Projektionssysteme, die neben dem breiteren Farbspektrum auch den Vorteil der „Fokusfreiheit“ haben. Laser haben jedoch ein inherentes Problem: Speckle. Auf optisch rauen Oberflächen entstehen lokale Interferenzen, die sich ich einem körnigen Fleckenmuster manifestieren. Dieses Rauschen stört bei Bildprojektionen und vermindert die Auflösung von Messsystemen.
Bisherige Lösungsansätze
Es gibt diverse Ansätze um das Speckle-Problem in den Griff zu bekommen. Rotierende Diffusoren zerstören die zeitliche und örtliche Kohärenz des Lasers und „verschmieren“ somit das Specklemuster. Die notwendige Mechanik hinter diesem Prinzip beschränkt allerdings die Miniaturisierung und ist aufgrund der konstanten Reibung anfällig auf Störungen. Ein ähnlicher Effekt lässt sich mittel Spiegel erzeugen, die im Mikrometerbereich hin und her bewegt werden. Dieser reflektive Ansatz ist jedoch auch nicht besonders kompakt, polarisationsabhängig und meist weniger effektiv als der Ansatz mit Diffusoren. Wird Laserlicht durch eine Glasfaser geführt besteht die Möglichkeit diese vibrieren zu lassen. Ein solches System lässt sich aber verständlicherweise nicht in kleine Projektoren integrieren. Eine mechanisch stabile und kompakte Lösung lässt sich mit breitbandigen Lasern realisieren. Dabei geht allerdings gerade eines der wichtigsten Argumente für Laser, nämlich die hohe Lichtleistung, verloren. Ein weiterer Ansatz wäre das Objekt bzw. die Leinwand vibrieren zu lassen. Bei den meisten Anwendungen kommt dies jedoch nicht in Frage.
Schnelle Kreisbewegungen dank elektroaktiven Polymeren
Ähnlich wie der rotierende Diffusor aber um Größenordnungen kompakter und billiger funktioniert der Laser Speckle Reducer (LSR) der Optotune AG, eine Neuentwicklung aus der Schweiz. Das Prinzip ist einfach: Ein Diffusor wird auf eine elastische Membrane aufgebracht und mittels elektroaktiver Polymere hin und her bewegt (siehe Graphik). Mit der richtigen Elektrodengeometrie und entsprechender Ansteuerung lässt sich eine planare, kreisförmige Schwingung des Diffusors erzeugen mit lateralen Auslenkungen von 100 bis 500 Mikrometer bei Frequenzen um die 300 bis 800 Hertz, je nach Baugröße. Das Geheimnis dahinter sind Aktoren, die aus elektroaktiven Polymeren (EAP) bestehen, auch künstliche Muskeln genannt: Auf der Ober- und Unterseite eines dünnen Elastomerfilms werden dehnbare elektrisch leitende Flächen aufgebracht. Legt man eine Spannung zwischen die zwei Elektroden an, dann laden diese sich nach dem Prinzip eines Plattenkondensators auf, ziehen sich somit gegenseitig an und quetschen so den elastischen Film zusammen. Da das Volumen konstant bleibt, dehnen sich diese Elektroden seitlich aus, theoretisch um bis zu 40%, und bewegen so schließlich den Diffusor.
Kompakt, effektiv und günstig
Der größte Vorteil dieser Technologie ist die äußerst kompakte Bauform. Während ein großzügig ausgelegtes Design für einen 10mm breiten Diffuser eine Gesamtgröße von 22x22x1mm einnimmt, lässt sich z.B. für eine Diffusorgröße von 2x4mm eine Gesamtgröße von 6x9x1mm erreichen. Im Vergleich zur eindimensionalen Rotationsbewegung ist der Ansatz der zweidimensionalen Kreisbewegung auch effektiver, da so ein größerer Bereich der Diffusoroberfläche zum Einsatz kommt. Weitere Vorteile des LSR sind auf die Basistechnologie der EAP zurückzuführen. Er funktioniert ohne Mechanik, ist somit komplett geräuschlos, langlebig und kann in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden. Zudem ist die Leistungsaufnahme extrem gering. Preismäßig ist der LSR heute noch bei einigen hundert Euro angesiedelt. Da die Materialen grundsätzlich günstig sind und sich die Produktionsprozesse komplett automatisieren lassen, dürfte der Preis mit steigendem Volumen im einstelligen Eurobereich zu liegen kommen.Die maximal erreichbare Specklereduktion hängt vom gesamten optischen System ab. Starke Reduktion ist zu erwarten bei hoher Frequenz und starker Auslenkung der Kreisbewegung, möglichst feinen Abmessungen der Diffusorstrukturen und langen Integrationszeiten des Betrachters. Wie bei allen Ansätzen basierend auf Diffusoren muss man eine Erhöhung der Divergenz des Lasers in Kauf nehmen, und diese Erhöhung ist gerade bei sehr feinen Strukturen signifikant. Im optischen Design müssen daher unter Umständen zusätzliche Sammellinsen eingeplant werden, um den Laser wieder zu kollimieren. Zu beachten gilt desweiteren die Anforderung an die Elektronik. Die Ansteuerung des LSR ist zwar simpel und sehr leistungsarm, doch sind oft elektrische Spannungen bis 300V notwendig, um die gewünschte Auslenkung der Elektroden zu erreichen. Batteriebetriebene Geräte müssen daher eine Elektronik zur Spannungskonvertierung vorsehen, die ungefähr 40mm2 PCB-Fläche kostet.
Der Durchbruch für laserbasierte Picoprojektoren?
Die kleine Baugröße und günstigen Preisaussichten lassen all jene aufhorchen, die an laserbasierten Picoprojektoren arbeiten. Stückzahlen von mehreren Millionen werden vorausgesagt, sofern die Projektoren in ein Handy passen und eine gute Bildqualität liefern. Momentan herrscht ein Kopf an Kopf rennen zwischen LED- und laserbasierten Systemen. Mit dem LSR der Optotune AG ist zumindest schon mal das Problem der Laserspeckle gelöst. Laser sind auch in größeren Projektoren im Vormarsch insbesondere im Kinobereich, wo starke Lichtleistungen und höchste Bildqualität gefragt sind. Neben Bildprojektionssystemen findet der LSR auch Einsatz in laserbasierten Messsystemen, wo die Präzision der Messungen durch das Specklerauschen limitiert wird. Eine weitere Anwendung ist in Spezialbeleuchtungen z.B. für Überwachungskameras, Nachtsichtgeräte oder biometrische Erkennungssysteme. Um weit entfernte Objekte oder spezifische Geometrien zu Beleuchten werden NIR-Laser eingesetzt. Und wiederum ist man froh um eine kompakte Lösung zur Specklereduktion.
