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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung.
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Stand der Technik
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Mikrospiegel oder Mikroscanner zum Ablenken von Laserlicht werden beispielhaft in Projektionsdisplays, Kameras, zur Abstandsmessung oder in Strichcodelesern verwendet. Ein mikromechanisches Bauteil mit einem Mikrospiegel ist etwa aus der Druckschrift
DE 10 2013 220 787 A1 bekannt. Weiter offenbart die Druckschrift
DE 102015217908 A1 einen Lidarsensor mit einem beweglichen Mikrospiegel. Zum Ablenken des Laserlichts kann ein einzelner Mikrospiegel vorgesehen sein, welcher um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen schwingt. Hierbei ist die Schwingfrequenz um eine der Achsen höher als die Schwingfrequenz um die andere Achse, sodass ein sinusförmiges Muster entsteht. Ein derartiges Muster unterscheidet sich somit von einer zeilenförmigen Abtastung zumindest in der Nähe der Umkehrpunkte des Strahls bei der Schwingung um die schnelle Achse. Darüber hinaus ist bei einer derartigen Schwingbewegung die Aufenthaltsdauer des Mikrospiegels in der Nähe dieser Umkehrpunkte höher als in der Nähe der Ruhelage. Somit ist die erzielte Strahlungsverteilung nicht vollständig homogen und isotrop. Anstelle eines einzelnen Mikrospiegels können auch zwei Mikrospiegel verwendet werden, welche um zueinander senkrechte Achsen schwenkbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Erzeugen von Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen von Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 bereit. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung, welche eine Strahlungsquelle, eine Mikrospiegeleinrichtung und eine Strahlformeinrichtung aufweist. Die Strahlungsquelle ist dazu ausgebildet, mindestens einen Strahl auszusenden. Die Mikrospiegeleinrichtung weist mindestens einen schwingbaren Mikrospiegel auf, welcher dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten Strahl abzulenken. Unter „schwingbar“ ist eine periodische Auslenkung um eine oder mehrere Achsen zu verstehen. Die Strahlformeinrichtung weist mindestens ein optisches Element auf, welches holographisch-optische Elemente (HOE) und/oder Phasenmodulatoren umfasst. Bei einer Schwingbewegung des mindestens einen Mikrospiegels trifft der mindestens eine Strahl entlang einer Strahltrajektorie auf das mindestens eine optische Element, wobei das mindestens eine optische Element dazu ausgelegt ist, den mindestens einen Strahl derart zu formen und/oder abzulenken, dass Strahlung mit der vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung ausgesendet wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung. Ein Strahl wird ausgesendet und der Strahl wird mittels mindestens eines schwingbaren Mikrospiegels abgelenkt. Bei einer Schwingbewegung des mindestens einen Mikrospiegels trifft der Strahl entlang einer Strahltrajektorie auf mindestens ein optisches Element, wobei das mindestens eine optische Element holographisch-optische Elemente und/oder Phasenmodulatoren umfasst. Das mindestens eine optische Element formt den Strahl und/oder lenkt ihn derart ab, dass Strahlung mit der vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung ausgesendet wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es vorteilhafterweise, Strahlung mit einer im Wesentlichen frei vorgebbaren Strahlungsverteilung zu erzeugen. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, Strahlung mit einer im Wesentlichen homogenen und isotropen räumlichen Verteilung zu erzeugen. Durch eine geeignete Wahl des mindestens einen optischen Elements können die oben angesprochenen Einflüsse der Schwingbewegungen des Mikrospiegels oder der mehreren Mikrospiegel kompensiert werden. So kann durch eine geeignete Wahl der optischen Elemente die im Wesentlichen sinusförmige Strahltrajektorie in eine vorgegebene, vorzugsweise symmetrische Raumwinkelverteilung umgewandelt werden. Weiter kann eine isotrope, d. h. vom Raumwinkel unabhängige Strahlungsverteilung erzielt werden, indem die optischen Elemente derart angeordnet und ausgebildet werden, dass die unterschiedlichen Verweildauern der Mikrospiegel in bestimmten Schwingstellungen kompensiert werden. Dieser Aspekt ist besonders hinsichtlich der Augensicherheit von besonderer Relevanz, da dadurch die maximale Strahlungsintensität verringert werden kann.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Vielzahl von optischen Elementen auf, welche holographisch-optische Elemente und/oder Phasenmodulatoren umfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist das mindestens eine optische Element dazu ausgelegt, Strahlung mit einer arrayförmigen oder zeilenförmigen Strahlungsverteilung zu erzeugen. Bei Verwendung eines kontinuierlichen Strahls kann beispielsweise erreicht werden, dass anstelle eines Sinusmusters einzelne im Wesentlichen zueinander parallele Zeilen ausgesendet werden. Bei einem gepulsten Strahl können beispielsweise anstelle der auf der sinusförmigen Trajektorie liegenden Lichtpulse bzw. Strahlungspulse entsprechende an einem Raster ausgerichtete Lichtpulse bzw. Strahlungspulse ausgesendet werden. Insbesondere können die Lichtpulse in einem gleichmäßig verteilten arrayförmigen Raster ausgesendet werden. Dadurch ist eine pixelförmige Abrasterung möglich. Insbesondere eine Auswertung von Reflexionen bei Lidarsensoren wird durch die Verwendung von äquidistanten bzw. äquiangularen Strahlungsverteilungen vereinfacht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist das mindestens eine optische Element dazu ausgelegt, Strahlung mit einer Strahlungsverteilung zu erzeugen, welche in einem zentralen Raumwinkelbereich eine höhere Intensität aufweist als in einem peripheren Raumwinkelbereich. Allgemein kann das mindestens eine optische Element derart ausgebildet sein, dass die Strahlungsverteilung in einem beliebigen Raumwinkelbereich eine höhere Intensität aufweist. Eine unterschiedliche Intensitätsverteilung kann in vielen Anwendungsbereichen von Vorteil sein, beispielsweise bei Fahrzeugscheinwerfern oder zur gezielten Ausleuchtung von Objekten in einem Lidarsystem.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung weist die Strahlformeinrichtung eine erste Ebene mit arrayförmig angeordneten ersten optischen Elementen und eine zweite Ebene mit arrayförmig angeordneten zweiten optischen Elementen auf. Die optischen Elemente der ersten Ebene sind dazu ausgebildet, den entlang der Strahltrajektorie auftreffenden Strahl auf vorgegebene optische Elemente der zweiten Ebene abzulenken. Die optischen Elemente der zweiten Ebene lenken den Strahl derart ab, dass jeweilige Ablenkrichtungen zueinander parallel sind. Die erste Ebene dient somit dazu, eine bestimmte Strahlungsverteilung zu erzeugen, während die optischen Elemente der zweiten Ebene der Kollimierung dienen. Vorzugsweise ist die zweite Ebene parallel zur ersten Ebene. Gemäß weiteren Ausführungsformen sind sowohl die optischen Elemente der ersten Ebene als auch die optischen Elemente der zweiten Ebene dazu ausgebildet, den Strahl abzulenken.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfassen die Phasenmodulatoren räumliche Modulatoren für Licht (Spatial Light Modulator, SLM). Insbesondere können aktive Phasenmodulatoren verwendet werden. Dadurch können in verschiedenen Segmenten der Strahlformeinrichtung unterschiedliche Phasenmuster bzw. optische Funktionen verwendet werden. Durch Ansteuern der Phasenmodulatoren kann der mit dem Strahlung abgescannte Bereich dynamisch adaptiv angepasst werden. Insbesondere können nur relevante Bereiche ausgeleuchtet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung ein Mikrolinsenarray mit einer Vielzahl von Mikrolinsen auf, wobei das mindestens eine optische Element den Strahl derart formt und/oder ablenkt, dass dieser jeweils im Wesentlichen zentral auf die Mikrolinsen trifft. Das Mikrolinsenarray ermöglicht eine zusätzliche Strahlformung in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung. Durch die Ausrichtung des Strahls auf das Mikrolinsenarray kann eine optimale Lichtausbeute und Lichtverteilung erzielt werden. Insbesondere kann eine Strahlaufweitung erzielt werden. Die Vorrichtung kann vorteilhafterweise koaxial verwendet werden. Das Mikrolinsenarray kann aufgebaut sein wie das aus der Druckschrift
DE 102015217908 A1 bekannte Feld mikro-optischer Elemente.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist das mindestens eine optische Element weiter dazu ausgebildet, durch Formen und/oder Ablenken des Strahls Verzeichnungen zu korrigieren. Optische Abbildungsfehler, insbesondere in peripheren Raumwinkelbereichen können durch geeignet gewählte optische Elemente ausgeglichen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der entlang der Strahltrajektorie auftreffende Strahl durch arrayförmig angeordnete erste optische Elemente einer ersten Ebene auf entsprechende arrayförmig angeordnete zweite optische Elemente einer zweiten Ebene abgelenkt. Die zweiten optischen Elemente lenken den Strahl derart ab, dass jeweilige Ablenkrichtungen zu einander parallel sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens formt das mindestens eine optische Element den Strahl und/oder lenkt ihn derart ab, dass dieser jeweils im Wesentlichen zentral auf Mikrolinsen eines Mikrolinsenarrays trifft.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Schrägansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen von Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung entlang der Ebene X1;
- 3 eine schematische Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung entlang der Ebene X2;
- 4 eine beispielhafte Strahlungsverteilung;
- 5 eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung mit einer weiteren möglichen Strahlungsverteilung; und
- 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen von Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung illustriert. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Strahlungsquelle 2, welche eine Laserquelle umfasst, die einen Strahl L aussendet, beispielsweise einen Lichtstrahl im sichtbaren Bereich oder einen Strahl im Infrarotbereich. Die Strahlungsquelle 2 kann den Strahl L kontinuierlich oder gepulst aussenden. Die Strahlungsquelle 2 kann auch mehrere Strahlen L aussenden, oder mehrere Strahlen zu einem einzigen Strahl kombinieren. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle 2 einen ersten Laser aufweisen, welcher Licht im roten Wellenlängenbereich aussendet, einen zweiten Laser, welcher Licht im blauen Wellenlängenbereich aussendet, und einen dritten Laser, welcher Licht im grünen Wellenlängenbereich aussendet. Die Strahlen des ersten, zweiten und dritten Lasers können mittels optischer Elemente kombiniert werden.
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Im Strahlengang der Strahlungsquelle 2 ist eine Mikrospiegeleinrichtung 3 angeordnet, welche einen schwingbaren Mikrospiegel 30 umfasst, der um eine erste Achse A1 mit einer schnelleren ersten Frequenz schwingt und um eine zur ersten Achse A1 senkrechte zweite Achse A2 mit einer langsameren zweiten Frequenz schwingt. Falls der Mikrospiegel 30 um eine der Achsen A1, A2 resonant schwingt, wird dadurch ein sinusförmiges Muster erzeugt, welches beispielhaft in einer virtuellen Ebene E1 eingezeichnet ist. Anstelle eines 2D-Mikrospiegels kann die Mikrospiegeleinrichtung 3 auch zwei oder mehrere um zueinander senkrechte Achsen schwingbare 1D-Mikrospiegel aufweisen.
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Im Strahlengang hinter der Mikrospiegeleinrichtung 3 befindet sich eine Strahlformeinrichtung 4 mit einer Vielzahl von optischen Elementen 40. Die optischen Elemente 40 sind in den 2 und 3 detaillierter dargestellt.
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Die 2 zeigt hierbei eine Querschnittsansicht der Vorrichtung entlang einer zentralen Schnittebene X1 und die 3 zeigt eine Querschnittsansicht der 1 entlang einer peripheren Schnittebene X2.
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Die Strahlformeinrichtung 4 umfasst demnach eine erste Ebene 41 und eine zweite Ebene 42, welche jeweils eine Vielzahl von arrayförmig angeordneten optischen Elementen 40 aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform sind die optischen Elemente 40 holographisch-optische Elemente. Beispielsweise können die holographisch-optischen Elemente Fresnelsche Zonenplatten umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann jedem holographisch-optischen Element eine eigene Fresnelsche Zonenplatte zugeordnet werden. Vorzugsweise umfassen die holographisch-optischen Elemente Volumenhologramme, wobei die Strahlumlenkung durch Beugung am Volumengitter realisiert wird. Während in den 1 bis 5 optische Elemente 40 illustriert sind, welche den Strahl L transmittieren, können auch reflektierende optische Elemente 40 verwendet werden. Die holographisch-optischen Elemente 40 werden vorzugsweise durch Belichtung einer dünnen Folie hergestellt.
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Zusätzlich zur Beugung des Strahls L können die optischen Elemente 40 zur Wellenlängenselektion oder Winkelselektion ausgebildet sein. Insbesondere ergibt sich bei holographisch-optischen Elementen durch die Beugung des Strahls L eine Wellenlängen- und Winkelselektivität. Die Selektivität der holographisch-optischen Elemente kann durch eine geeignete Wahl der Dicke des holographischen Materials und durch die Brechungsindexmodulation eingestellt werden.
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Weiter können die optischen Elemente 40 bestimmte Wellenlängenbereiche filtern. Vorzugsweise wird somit nur ein Strahl L aus einer definierten Richtung mit einer definierten Wellenlänge von den optischen Elementen 40 abgelenkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die optischen Elemente 40 Phasenmodulatoren und besonders bevorzugt SLMs umfassen. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die optischen Elemente 40 sowohl holographisch-optische Elemente als auch Phasenmodulatoren umfassen. Die optischen Elemente 40 sind dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von einer Auftreffrichtung des Strahls L auf die optischen Elemente 40 den Strahl L derart umzuformen bzw. abzulenken, dass er in eine vorgegebene Abstrahlrichtung umgelenkt wird. Durch geeignete Wahl der optischen Elemente 40 kann dadurch eine im Wesentlichen beliebige Strahlungsverteilung erzeugt werden.
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Die optischen Elemente 40 können somit allgemein zum Formen des Lichtstrahls, worunter etwa das Beugen des Lichtstrahls verstanden wird, oder zum Ablenken bzw. Umlenken des Lichtstrahls, das heißt zur Richtungsänderung, ausgebildet sein.
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In dem in den 1 bis 3 illustrierten Aufbau sind die ersten optischen Elemente 40a der ersten Ebene 41 dazu ausgebildet, den entlang der sinusförmigen Strahltrajektorie auf die ersten optischen Elemente 40a auftreffenden Strahl auf entsprechende zweite optische Elemente 40b der zweiten Ebene 42 abzulenken. Der abgelenkte Strahl überstreicht die zweite Ebene 42 zeilenförmig. Die optischen Elemente 40a der ersten Ebene 41 wandeln somit die sinusförmige Strahlungsverteilung bzw. Strahlungsverteilung in eine zeilenförmige Strahlungsverteilung bzw. Lichtverteilung beim Auftreffen auf die zweite Ebene 42 um. Bei Verwendung von gepulstem Laserlicht werden die auf der sinusförmigen Trajektorie gelegenen Lichtpulse durch die optischen Elemente 40a der ersten Ebene 41 auf gleichmäßig arrayförmig angeordnete Auftreffpunkte der zweiten Ebene 42 abgelenkt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein erstes optisches Element 40a der ersten Ebene 41 den Strahl L auf das nächstgelegene zweite optische Element 40b der zweiten Ebene 42 ablenken. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann die Ablenkung auch derart durchgeführt werden, dass die Lichtausbeute optimiert bzw. maximiert wird. Der Strahl L kann somit mit höchstmöglicher Effizienz und Abbildungsqualität durch die optischen Elemente 40 abgelenkt werden.
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Die zweiten optischen Elemente 40b der zweiten Ebene 42 sind dazu ausgebildet, den unter einem im Allgemeinen von 0 Grad relativ zur optischen Akte verschiedenen Auftreffwinkel auftreffenden Strahl L zu kollimieren. Vorzugsweise wird somit der Strahl L im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Ebene 42 ausgesendet. Die Strahlformeinrichtung 4 ist somit dazu ausgelegt, den Strahl L in Strahlung mit einer im Wesentlichen arrayförmigen bzw. zeilenförmigen Strahlungsverteilung umzuformen, wie in einer virtuellen Ebene E2 illustriert. Dadurch entsteht ein pixelförmiges, äquidistantes Raster.
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Während die erste Ebene 41 und die zweite Ebene 42 in den 2 und 3 als voneinander beanstandet eingezeichnet sind, kann gemäß weiteren Ausführungsformen die zweite Ebene 42 auch direkt auf der ersten Ebene 41 angeordnet sein.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann anstatt zweier verschiedener Ebenen 41 und 42 auch eine einzige Ebene zum Erzeugen einer vorgegebenen Strahlungsverteilung vorgesehen sein.
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Optional ist im Strahlengang hinter der Strahlformeinrichtung 4 weiter ein Mikrolinsenarray 5 ausgebildet, welches eine Vielzahl von arrayförmig angeordneten Mikrolinsen 51 aufweist. Die Mikrolinsen 51 können beispielsweise als Zerstreuungslinsen ausgebildet sein und dazu ausgelegt sein, den auftreffenden Strahl L aufzufächern und dadurch einen vorgegebenen Raumwinkelbereich auszuleuchten bzw. abzurastern. Wie oben beschrieben, erzeugt die Strahlformeinrichtung 4 Strahlung mit einer arrayförmigen Strahlungsverteilung, welche vorzugsweise derart ausgerichtet ist, dass der Strahl L jeweils mittig durch ein Zentrum der Mikrolinsen 51 verläuft.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst die Strahlformeinrichtung 4 eine F-Theta-Linse, welche dazu ausgebildet ist, den Strahl L telezentrisch auf das Mikrolinsenarray 5 auszurichten. Das Mikrolinsenarray 5 kann von der Strahlformeinrichtung 4 beabstandet sein, kann jedoch auch direkt in die Strahlformeinrichtung 4 integriert sein oder auf dieser angeordnet sein.
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In 4 ist eine weitere beispielhafte Strahlungsverteilung illustriert. Hierbei ist die Strahlungsintensität in einem zentralen Raumwinkelbereich höher als in einem peripheren Raumwinkelbereich. Dies kann vorzugsweise dadurch erzielt werden, dass eine größere Anzahl von optischen Elementen 40 den Strahl L in den zentralen Raumwinkelbereich ablenken.
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Eine höhere Intensität in bestimmten Raumwinkelbereichen kann gemäß weiteren Ausführungsformen auch dadurch erreicht werden, dass mehrere erste optische Elemente 40a den Strahl L auf dasselbe optische Element 40b ablenken. Der Strahl L trifft in diesem Fall unter verschiedenen Auftreffwinkeln auf das optische Element 40b, so dass sich die optischen Elemente der zweiten Ebene 42 unterschiedlich verhalten. Beispielsweise können die optischen Elemente 40b der zweiten Ebene als Multiplexhologramme ausgebildet sein.
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Zur Verbesserung der Augensicherheit können die optischen Elemente 40 auch derart angeordnet sein, dass die Aussendung des Strahls L zeitlich und örtlich möglichst gleichmäßig verteilt wird. Insbesondere wird der Strahl L nicht zeitlich direkt hintereinander in benachbarte Raumwinkelbereiche abgelenkt.
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Wie in 5 gezeigt kann auch eine Strahlungsverteilung erzeugt werden, bei welcher der Strahl L im Wesentlichen in zwei räumlich getrennte Raumwinkelbereiche 6, 7 ausgesendet wird. Eine derartige Strahlungsverteilung kann für ein autostereoskopisches System, insbesondere für ein Head-up Display vorgesehen sein. Durch das System kann ein Stereodisplay erzeugt werden, wobei ein erster Raumwinkelbereich 6 dem linken Auge entspricht und ein zweiter Raumwinkelbereich 7 dem rechten Auge entspricht. Durch Ansteuern der Strahlungssignale können den Augen unterschiedliche Bildinformationen bereitgestellt werden. Die Bildgebereinheit berücksichtigt hierbei die Pixelanordnung der holographischen Elemente in der Strahlformeinrichtung 4.
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Durch Austausch der Strahlformeinrichtung 4 ist es weiter möglich, nach einem Baukastenprinzip die Vorrichtung 1 auf die entsprechende Anwendung anzupassen.
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In 6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen von Strahlung mit einer vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung illustriert.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird ein Strahl ausgesendet. Dies kann insbesondere durch eine oben beschriebene Laserquelle erfolgen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird der Strahl L mit einem schwenkbaren Mikrospiegel abgelehnt. Hierbei wird der Strahl L entlang einer Strahltrajektorie auf optische Elemente 40 gerichtet. Die optischen Elemente 40 umfassen insbesondere oben beschriebene holographisch-optische Elemente und/oder Phasenmodulatoren, insbesondere SLMs. Die optischen Elemente 40 formen den Strahl Lund/oder lenken ihn derart ab, dass Licht mit der vorgegebenen räumlichen Strahlungsverteilung ausgesendet wird. Das Verfahren wird vorzugsweise mit einer oben beschriebenen Vorrichtung 1 durchgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013220787 A1 [0002]
- DE 102015217908 A1 [0002, 0012]