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Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zum Erzeugen eines pixelbasierten Beleuchtungsmusters. Das Beleuchtungsmuster kann auf eine Projektionsfläche projiziert werden, wo es dann als Leuchterscheinung von einem Benutzer wahrgenommen oder gesehen werden kann. Einzelne Bildelemente oder Pixel (picture element) des Beleuchtungsmusters können individuell eingestellt oder vorgegeben werden. Bei der Projektionsvorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs oder um einen so genannten Beamer zur Bildwiedergabe handeln.
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Zum Einstellen der Helligkeit und/oder Farbe eines jeweiligen Pixels eines Beleuchtungsmusters kann eine Projektionsvorrichtung ein Mikrospiegelarray aufweisen. Eine andere Bezeichnung ist auch digitales Mikrospiegelelement (DMD - digital micro mirror device). Es handelt sich hierbei um eine Anordnung von einer Vielzahl von Spiegeln, die als so genanntes MEMS (mikroelektromechanisches System) ausgestaltet sind. Die Spiegel stellen ein zweidimensionales Array oder Feld dar. Die Neigung oder Kippstellung oder allgemein Stellung jedes Spiegels kann individuell gesteuert oder eingestellt werden. Beaufschlagt man ein Mikrospiegelarray mit Licht, so kann mit jedem Spiegel individuell für jeweils ein Pixel eines pixelbasierten Beleuchtungsmusters festgelegt werden, ob dieses Pixel mit Licht beschienen wird (Hell-Stellung des Spiegels) oder ob durch Kippen des Spiegels das Licht abgelenkt und beispielsweise in eine Licht-schluckende Fläche umgelenkt und dort absorbiert wird (Dunkel-Stellung des Spiegels). Im Fall einer als Scheinwerfer ausgebildeten Projektionsvorrichtung verlässt dabei ein helles Pixel per Projektionseinrichtung den Scheinwerfer, während bei einem dunklen Pixel das Licht innerhalb des Scheinwerfers in einer Lichtsenke verschwindet. Bei der Ausleuchtung eines Mikrospiegelarrays geht Licht verloren, da zwischen den Spiegeln jeweils ein Zwischenraum vorhanden ist, der nicht reflektiert, sondern beispielsweise durch eine schwarze Färbung das Licht absorbiert. Hierdurch wird das Mikrospiegelarray aufgeheizt, was wiederum eine aufwändige Kühlung desselben erforderlich macht. Bei den gängigen Abständen zwischen Spiegeln eines Mikrospiegelarrays ergibt sich typischerweise ein Verlust von mehr als 10 Prozent des Lichtes in den Zwischenräumen zwischen den Spiegeln. Die Gesamteffizienz eines Mikrospiegelarrays wird bei Beaufschlagung mit nicht-kohärentem Licht (beispielsweise dem Licht aus einer Leuchtdiodenanordnung) typischerweise mit weniger als 70 Prozent angegeben.
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Möchte man diesen Verlust durch Verwendung von mehr Licht kompensieren, führt dies allerdings auch zu einer stärkeren Erwärmung des Mikrospiegelarrays. Hinzu kommt, dass Mikrospiegelarraye hohe Temperaturen nicht vertragen, da sie ab etwa 65 Grad Celsius ununterbrochen bewegt werden müssen, um ein Verkleben der Spiegel zu vermeiden. Eine Möglichkeit der Kühlung ist ein kurzes Ausschalten der Lichtquelle, was aber wiederum zu einer Verringerung der mittleren Helligkeit führt. Eine aktive Kühlung auf Grundlage eines Peltier-Elements ist zu kostenaufwendig für die Herstellung.
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Aus der
DE 10 2015 110 502 A1 ist eine Projektionsvorrichtung zum Darstellen einer zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szene oder von Inhalt bekannt. Die Projektionsvorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung, wenigstens zwei räumliche Lichtmodulationseinrichtungen und ein optisches System auf. Die Beleuchtungseinrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle zum Erzeugen einer holographischen Beleuchtung auf. Eine der räumlichen Lichtmodulationseinrichtungen ist als räumliche Lichtmodulationseinrichtung ausgebildet, die wenigstens die Phase des Lichts für die holographische Erzeugung von Beleuchtungsmustern moduliert. Dieser räumlichen Lichtmodulationseinrichtung als erste räumliche Lichtmodulationseinrichtung folgt eine zweite räumliche Lichtmodulationseinrichtung. Das optische System ist angeordnet, um die zweite räumliche Lichtmodulationseinrichtung mit einer vordefinierbaren Lichtverteilung zu beleuchten, die durch die erste räumliche Lichtmodulationseinrichtung erzeugt wird.
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Aus der
US 2011 / 0 188 017 A1 ist ein Mikrospiegel eines Mikrospiegelarrays in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bekannt, der um jeweils einen Verkippungswinkel um zwei Kippachsen verkippbar ist. Dem Mikrospiegel sind drei Aktoren zugeordnet, die jeweils durch Steuersignale ansteuerbar sind, um den Mikrospiegel um die beiden Kippachsen zu verkippen. Es werden zwei Stellgrößen vorgegeben, von denen jede einer Kippachse zugeordnet ist und die ungestörten Verkippungswinkeln zugeordnet sind. Für beliebige Kombinationen der beiden Stellgrößen wird einer der drei Aktoren ausgewählt, dessen Steuersignal auf einen konstanten Wert, insbesondere Null, gesetzt wird, in Abhängigkeit von den beiden Stellgrößen. Die Steuersignale werden derart bestimmt, dass beim Anlegen der Steuersignale an die beiden übrigen Aktoren der Mikrospiegel die ungestörten Verkippungswinkel in Abhängigkeit von den beiden Stellgrößen einnimmt.
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Aus der
DE 10 2012 217 329 A1 ist eine Projektionsvorrichtung bekannt mit einer ersten und einer zweiten Kippspiegelmatrix, die jeweils eine Mehrzahl von Kippspiegeln und ein die Kippspiegel überdeckendes Deckglas aufweisen, einer Abbildungsoptik, die eine Relays-Optik, die die Kippspiegel der ersten Kippspiegelmatrix auf die Kippspiegel der zweiten Kippspiegelmatrix und somit von Kippspiegeln der ersten Kippspiegelmatrix reflektiertes Licht auf Kippspiegel der zweiten Kippspiegelmatrix abbildet, aufweist, und einer Projektionsoptik, die von Kippspiegel der zweiten Kippspiegelmatrix reflektiertes Licht projiziert, um ein Bild zu erzeugen, wobei die Abbildungsoptik ferner ein Korrekturelement aufweist, das zumindest einen Bildfehler, der durch das schräge Durchlaufen des Lichtes durch die Deckgläser bedingt ist, korrigiert.
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Aus der
WO 2013 / 131 834 A1 ist eine Beleuchtungsoptik für die EUV-Projektionslithografie bekannt, die zur Führung von Beleuchtungslicht hin zu einem Beleuchtungsfeld, in dem eine Lithografiemaske anordenbar ist, dient. Ein Facettenspiegel mit einer Mehrzahl von Facetten dient zur Führung des Beleuchtungslichts hin zum Beleuchtungsfeld. Jeweils ein Ausleuchtungskanal, der ein Beleuchtungslicht-Teilbündel führt, ist durch eine der Facetten vorgegeben. Über jeweils eine der Facetten ist genau ein Ausleuchtungskanal geführt. Die Beleuchtungsoptik ist derart ausgebildet, dass im Betrieb der Beleuchtungsoptik zu jedem Zeitpunkt an jedem Punkt des Beleuchtungsfeldes beliebige Paare von Beleuchtungslicht-Teilbündeln, die über verschiedene Ausleuchtungskanäle geführt werden, auf diesem Beleuchtungsfeldpunkt zu Auftreffzeitpunkten auftreffen, deren zeitliche Differenz größer ist als eine Kohärenzdauer des Beleuchtungslichts.
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Aus der
US 2015 / 0 124 466 A1 ist bekannt, dass ein Fahrzeugscheinwerfer, der eine Gemeinsame-Lichtverteilungs-Einheit und eine Variable-Lichtverteilungs-Einheit umfasst, und ein Scheinwerfersystem, das den Scheinwerfer umfasst, ein gemeinsames Lichtverteilungsmuster und ein variables Lichtverteilungsmuster unter Verwendung der Lichtverteilungseinheiten bilden können. Die variable Verteilungseinheit kann eine Lichtquelle, eine Phosphorplatte, einen Spiegel, der von der Lichtquelle emittiertes Licht auf die Phosphorplatte reflektiert und eine Projektionslinse, die das Abtastlicht benachbart zu dem gemeinsamen Lichtverteilungsmuster projiziert, umfassen. Das Scheinwerfersystem kann einen vorderen Sensor umfassen, der einen Umgebungszustand erfasst, und kann die Lichtverteilungseinheiten steuern, um ein optimales Lichtverteilungsmuster gemäß den Umgebungsbedingungen zu bilden.
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Aus der
DE 10 2010 001 945 A1 ist ein Projektor mit einer Lichtquelleneinheit bekannt mit mindestens einer Kühlvorrichtung; mindestens einem Leuchtstoff; mindestens einer ersten optischen Kollimationsvorrichtung; und mindestens einer Anregungsstrahlungsquelle; wobei die mindestens eine Kühlvorrichtung einen Kühlkörper darstellt, wobei der mindestens eine Leuchtstoff an dem mindestens einen Kühlkörper thermisch angebunden ist, wobei die Lichtquelleneinheit weiterhin mindestens einen Spiegel umfasst, wobei die mindestens eine erste optische Kollimationsvorrichtung zwischen den mindestens einen Leuchtstoff und den mindestens einen Spiegel gekoppelt ist, und wobei der mindestens eine Spiegel zwischen die mindestens eine Anregungsstrahlungsquelle und die mindestens eine erste optische Kollimationsvorrichtung gekoppelt ist.
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Aus der
DE 10 2008 011 866 A1 ist eine Halbleiterlichtquelle bekannt, die eine Primärstrahlungsquelle mit einer Schichtenfolge, die im Betrieb eine erste elektromagnetische Primärstrahlung entlang einer ersten Hauptstrahlrichtung emittiert und ein von der Primärstrahlungsquelle beabstandetes Lumineszenzkonversionselement umfasst. Dieses weist einen Kühlkörper und ein daran angeordnetes Lumineszenzmaterial auf, welches zumindest einen Teil der eingekoppelten Primärstrahlung mittels mindestens eines Leuchtstoffs in eine Sekundärstrahlung entlang einer zweiten Hauptstrahlrichtung wellenlängenkonvertiert. Ein Reflektorelement ist im Strahlengang der Primärstrahlungsquelle angeordnet und ausgeführt, die Primärstrahlung auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements zu lenken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Projektionsvorrichtung mit hoher Effizienz anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschreiben vorteilbringende Weiterbildungen.
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Durch die Erfindung ist eine Projektionsvorrichtung zum Erzeugen eines pixelbasierten Projektionsbildes oder Beleuchtungsmusters bereitgestellt. Die Projektionsvorrichtung weist eine Laserlichtquelle zum Erzeugen von kohärentem Laserlicht auf. Zudem ist eine Mikrospiegelanordnung oder ein Mikrospiegelarray (DMD-Element, Mikrospiegelelement) bereitgestellt, das eine Vielzahl von in ihrer Stellung steuerbar ausgestalteten Spiegeln aufweist. Mittels der Spiegel des Mikrospiegelarrays kann eine Helligkeit und/oder Farbe eines jeweiligen Pixels des pixelbasierten Beleuchtungsmusters eingestellt werden. Hierzu können die Spiegel jeweils zwischen einer Heil-Stellung und einer Dunkel-Stellung umgeschaltet werden. In der Hell-Stellung wird das von dem jeweiligen Spiegel reflektierte Licht aus der Projektionsvorrichtung heraus abgestrahlt. In der Dunkel-Stellung wird das von dem jeweiligen Spiegel reflektierte Licht in einen Bereich oder ein Absorberelement in der Projektionsvorrichtung projiziert, in welchem das reflektierte Licht absorbiert oder geschluckt oder in Wärme umgewandelt wird und somit nicht mehr aus der Projektionsvorrichtung austritt. Die Leuchtintensität eines Lichtpunktes kann durch Abwechseln der Hell-Stellung und der Dunkel-Stellung (ein/aus) moduliert werden. Dieses ist auch als sogenannte PWM (Pulsweitenmodulation) bekannt: je länger die Hell-Stellung in Relation zu der Dunkel-Stellung anliegt, desto heller ist das Pixel. Die Periodendauer der PWM ist dabei bevorzugt kürzer als 100ms, insbesondere kürzer als 30ms. Die Laserlichtquelle ist dazu eingerichtet, das Laserlicht auf das Mikrospiegelarray abzustrahlen. Damit werden die Spiegel des Mikrospiegelarrays mit dem Laserlicht beschienen.
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Um den Betrieb der Projektionsvorrichtung effizienter zu gestalten, wird ein Aufheizen des Mikrospiegelarrays, wie es sich durch das Laserlicht der Laserlichtquelle ergeben könnte, reduziert. Hierzu ist ein strahlenformendes Element bereitgestellt, welches dazu eingerichtet ist, das Laserlicht der Laserlichtquelle in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufzuteilen, von denen jeder auf einen der Spiegel des Mikrospiegelarrays ausgerichtet ist. Mit anderen Worten trifft jeder Teilstrahl auf einen anderen der Spiegel. Jeder der Spiegel wird somit also individuell durch einen der Teilstrahlen angeleuchtet. Das strahlenformende Element ist hierzu im Strahlenverlauf oder Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle und dem Mikrospiegelarray angeordnet.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass jeder der Teilstrahlen individuell auf einen der Spiegel ausgerichtet werden kann. Es ist somit nicht nötig, weißes Licht pauschal auf die gesamte Anordnung der Spiegel zu strahlen, wodurch auch Licht in die Zwischenräume zwischen die Spiegel gelangen würde. Vielmehr kann durch Ausrichten der Teilstrahlen erreicht oder vorgegeben werden, dass die Beleuchtungsdichte zwischen den Spiegeln, also in den Zwischenräumen oder Spalten zwischen den Spiegeln, geringer ist als auf den Spiegeln selbst. Kohärentes Laserlicht kann wegen der Kohärenz wesentlich leichter geformt werden, da Interferenzen ausgenutzt werden können. Weißes Licht ist wegen verschiedener Frequenzen (Mischung aller Farben) nicht-kohärent. Somit ist eine Erwärmung des Mikrospiegelarrays durch Licht, das in den Zwischenräumen zwischen den Spiegeln absorbiert wird, durch das Bilden der Teilstrahlen verringert.
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Durch das Bilden der Teilstrahlen ist das strahlenformende Element bevorzugt ferner dazu eingerichtet, auf dem Mikrospiegelarray mittels der Teilstrahlen ein Punktemuster oder Fleckenmuster zu erzeugen, wobei jeweils ein Lichtpunkt oder Lichtfleck auf einem der Spiegel des Mikrospiegelarrays angeordnet oder auf diesen ausgerichtet ist und hierdurch eine Beleuchtungsdichte auf den Spiegeln größer als in einem Zwischenraum zwischen den Spiegeln ist. Jeder Lichtpunkt oder Lichtfleck stellt also das Licht bereit, welches für jeweils ein Pixel des pixelbasierten Beleuchtungsmusters mittels des jeweiligen Spiegels abgestrahlt oder umgelenkt werden kann.
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Das Laserlicht der Laserlichtquelle kann vor dem Aufteilen in die Teilstrahlen eine derart große Beleuchtungsdichte aufweisen, dass Staub und/oder Oberflächen verbrannt und damit Licht-blockierende Hindernisse erzeugt werden. Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass ein Bereich zwischen einem Laser der Laserlichtquelle und dem strahlenformenden Element staubdicht oder luftdicht verschlossen ist. Hierdurch werden die besagten so genannten dunklen Stellen oder Dark-Spots vermieden.
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Das strahlenformende Element ist bevorzugt in die Laserlichtquelle integriert. Durch die Integration ist eine Justage vereinfacht. Es kann bei einer Montage der Projektionsvorrichtung zudem gewährleistet werden, dass der besagte Bereich zwischen dem Laser und dem strahlenformenden Element staubdicht oder luftdicht verschlossen bleibt. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der staubdicht oder luftdicht verschlossene Bereich evakuiert ist, das heißt einen Unterdruck bezogen auf einen Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck von kleiner als 1 bar, insbesondere kleiner als 0,7 bar, aufweist. Hierdurch werden temperaturabhängige Druckschwankungen in dem staubdicht oder luftdicht verschlossenen Bereich verringert.
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Um das Laserlicht in die besagten Teilstrahlen aufzuteilen, sieht die Erfindung vor, dass das strahlenformende Element zum Aufteilen des Laserlichts in die Teilstrahlen einen photonischen Kristall und/oder ein optisches Gitter aufweist. Das Aufteilen kann somit auf der Grundlage von Interferenz und/oder Brechung erfolgen. Prinzipiell ist das Aufteilen von Licht in Teilstrahlen bereits bekannt. Hier sei beispielhaft auf die Veröffentlichung von Dennis F. Vanderwerf, „Applied Prismatic and Reflective Optics“ (Abschnitt 7.3 „Illuminators for Projection Displays“, SPIE Press Monograph Series Vol. PM200, 2010) verwiesen.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das strahlenformende Element eine optische Aufweitungsstruktur zum Aufweiten des Laserlichts und/oder der Teilstrahlen aufweist. Das Laserlicht und/oder die Teilstrahlen können also kegelförmig aufgeweitet werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass auf den Spiegeln des Mikrospiegelarrays eine größere Fläche ausgeleuchtet wird als ohne Aufweitungsstruktur. Das Aufweiten kann beispielsweise mittels einer zweidimensionalen Struktur, z.B. einer Kerbung und/oder Aufrauhung, auf einer Oberfläche eines transparenten Substrats, beispielsweise eines Glases, erreicht werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Laserlichtquelle dazu eingerichtet ist, monochromes Laserlicht zu erzeugen. Die Spiegel des Mikrospiegelarrays sind hierbei als Bragg-Spiegel ausgestaltet. Ein Bragg-Spiegel kann einen Wirkungsgrad von mehr als 99,9 Prozent aufweisen. Hierzu kann die reflektierende Fläche mit einer Beschichtung versehen sein, durch welche auf der Grundlage von Interferenz (geradeaus destruktive, reflektierend konstruktive Interferenz) der Grad der Reflektion im Vergleich zu einem Spiegel ohne die Beschichtung vergrößert wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise auch ein Aufheizen der Spiegel selbst reduziert werden.
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Nutzt man nun monochromes Laserlicht, so ist zunächst einmal auch die Farbe des Beleuchtungsmusters festgelegt. Um unabhängig von der Farbe und/oder der Kohärenz des Laserlichts zu sein, sieht eine Ausführungsform vor, dass ein Konverterelement im Strahlenverlauf oder Strahlengang dem Mikrospiegelarray nachgeordnet ist. Das Konverterelement ist dazu eingerichtet, das von dem Mikrospiegelarray reflektierte Laserlicht in andersfarbiges und/oder in weißes Licht umzuwandeln. Das Mikrospiegelarray ist dazu eingerichtet, mittels seiner Spiegel durch Reflektieren der Teilstrahlen auf dem Konverterelement voneinander unabhängige Leuchtpunkte zu erzeugen, von denen jeder zu einem der Pixel des Beleuchtungsmusters gehört. Mit anderen Worten ergibt sich hier der optische Pfad wie folgt: Das Laserlicht wird aus dem Laser der Laserlichtquelle durch das strahlenformende Element hindurch und hin zu dem Mikrospiegelarray geführt und von dort zu dem Konverterelement reflektiert. Auf dem Konverterelement ergeben sich Leuchtpunkte an all denjenigen Stellen, an welchen gemäß dem Beleuchtungsmuster ein helles Pixel erscheinen soll. Dies entspricht jeweils einem Spiegel in der Heil-Stellung. Das von dem Konverterelement abgestrahlte, umgewandelte Licht kann dann mittels einer Optik (z.B. zumindest einer optischen Linse und/oder einem Parabolspiegel) auf eine Projektionsfläche außerhalb der Projektionsvorrichtung projiziert werden, beispielsweise auf eine Wand oder eine Leinwand oder einen Boden. Das Konverterelement weist bei einer derartigen Anordnung im Strahlengang den Vorteil auf, dass man für die Bildung der Teilstrahlen kohärentes, monochromes Laserlicht nutzen kann.
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Das Konverterlement kann zum Konvertieren des Laserlichts Phosphor aufweisen. Insbesondere ist die Kombination aus gelbem Phosphor und blauem Laserlicht vorgesehen. Bestrahlt man Phosphor mit Laserlicht, so ergibt sich der Vorteil, dass ein weißes Licht mit einer Leuchtstärke erzeugt werden kann, die ausreicht, um einzelne Pixel in dem Beleuchtungsmuster mit einem vorgebbaren Mindestkontrast darzustellen. Zusätzlich oder alternativ zu Phosphor kann auch ein anderes Material vorgesehen sein, das den Effekt der Phosphoreszenz aufweist.
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Das Konverterelement kann beispielsweise als Durchlicht-Element ausgestaltet sein. Es handelt sich dann beispielsweise um eine Platte, die von einer Seite durch das Mikrospiegelarray mit dem reflektierten Laserlicht beaufschlagt wird. Auf einer gegenüberliegenden Seite ergeben sich dann die Leuchtpunkte, die mittels der besagten Optik nach außen in die Umgebung der Projektionsvorrichtung abgestrahlt werden. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass das Konverterelement eine auf einem Reflektor angeordnete Konverterschicht aufweist, also eine Schicht mit beispielsweise dem besagten Phosphor. Der Reflektor selbst weist eine Metallschicht auf, die mit einer Kühleinrichtung der Projektionsvorrichtung gekoppelt ist. Mit anderen Worten fällt das von dem Mikrospiegelarray reflektiere Laserlicht auf derselben Seite des Konverterelements ein, auf welcher auch das konvertierte Licht z.B. zu einer Optik der Projektionsvorrichtung hin abgestrahlt werden kann. Die andere Seite, das heißt die Rückseite, weist den Reflektor auf, der aufgrund seiner Metallschicht durch die Kühleinrichtung gekühlt werden kann. Die Metallschicht kann durch eine Metallplatte gebildet sein.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Laserlichtquelle dazu eingerichtet ist, blaues Laserlicht zu erzeugen. Blaues Laserlicht kann in vorteilhafter Weise mit gelbem Phosphor zu weißem Licht konvertiert werden. Für die Farbe Weiß braucht man RGB (Rot Grün Blau), also auch Blau. Der Phosphor wird bevorzugt mit einem Kühlkörper bereitgestellt, beispielsweise mit Kühlrippen.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass eine Umlenkeinrichtung dazu eingerichtet ist, Laserlicht der Laserlichtquelle, das an dem Mikrospiegelarray vorbei ausgerichtet ist, auf das Mikrospiegelarray umzulenken. Hierdurch wird kein Licht „vergeudet“, sondern auch das zunächst an dem Mikrospiegelarray vorbei ausgerichtete Licht wird für das Mikrospiegelarray nutzbar gemacht. Hiermit kann auch eine Variante mit mehr als einem Teilstrahl pro Spiegel bereitgestellt werden.
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Die Umlenkeinrichtung ist hierbei bevorzugt dazu eingerichtet, durch das Umlenken des Laserlichts dieses nur auf solche Spiegel des Mikrospiegelarrays umzulenken, die sich in einem vorbestimmten Randbereich außerhalb des Zentrums des Mikrospiegelarrays befinden. Mit anderen Worten wird das umgelenkte Licht nicht pauschal auf alle Spiegel umgelenkt, sondern lediglich auf Spiegel im Randbereich. Hierdurch kann bei dem Beleuchtungsmuster eine Vignettierung, das heißt eine Abdunkelung im Randbereich, verringert werden. Das Umlenken des Lichts kann bei der Umlenkeinrichtung auf der Grundlage von Spiegeln und/oder Brechen und/oder Beugen des Lichts erfolgen. Beispielsweise können spiegelnde Flächen um das Mikrospiegelarray angeordnet sein.
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Die Projektionsvorrichtung kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Projektionsvorrichtung als ein Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Scheinwerferlicht des Kraftfahrzeugs das besagte Beleuchtungsmuster aufweisen kann. Hierdurch können beispielsweise Hinweise für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs und/oder einen anderen Verkehrsteilnehmer auf eine Straße und/oder auf ein Objekt in der Umgebung des Kraftfahrzeugs projiziert werden.
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Die Projektionsvorrichtung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform als ein Mehrfarb-Projektor ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Projektionsvorrichtung als ein RGB-Projektor (RGB - Rot Grün Blau) ausgebildet sein. Als Mehrfarb-Projektor kann die Projektionsvorrichtung für eine Bildwiedergabe vorgesehen sein, beispielsweise als Bildprojektor oder Video-Projektor.
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Der beschriebene Aufbau kann natürlich auch mehrfach vorhanden sein, das heißt es können mehrere Laserlichtquellen und/oder mehrere Mikrospiegelarraye vorgesehen sein. Dies ist beispielsweise für ein mehrfarbiges Beleuchtungsmuster vorteilhaft, wie es für eine Bildwiedergabe vorgesehen sein kann.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Mikrospiegelarrays der Projektionsvorrichtung von 1;
- 3 eine schematische Darstellung des Mikrospiegelarrays in einer Seitenansicht zur Veranschaulichung einer Hell-Stellung und einer Dunkel-Stellung eines Spiegels des Mikrospiegelarrays.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Projektionsvorrichtung 10, die beispielsweise als ein Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug und/oder für eine Bildwiedergabe ausgebildet sein kann. Mittels der Projektionsvorrichtung 10 kann in einer Umgebung 11 ein Beleuchtungsmuster 12 beispielsweise auf eine Projektionsfläche 13, z.B. einen Boden, insbesondere einer Straße, projiziert werden. Das Beleuchtungsmuster 12 kann beispielsweise ein Symbol für einen Fahrhinweis eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs sein, in welchem die Projektionsvorrichtung 10 eingebaut sein kann. Das Beleuchtungsmuster 12 kann pixelbasiert sein, das heißt aus einzelnen Bildelementen oder Pixeln 14 zusammengesetzt sein. Von den Pixeln 14 sind nur einige mit einem Bezugszeichen versehen, um die Übersichtlichkeit zu wahren.
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Zum Erzeugen des Beleuchtungsmusters 12 kann die Projektionsvorrichtung 10 eine Laserlichtquelle 15 mit einem Laser 16 sowie ein strahlenformendes Element 17 und ein Mikrospiegelarray 18 mit verstellbaren Spiegeln 19 und ein Konverterelement 20 und ein optisches Projektionssystem 21 aufweisen. Die besagten Elemente können in einem Gehäuse 10' der Projektionsvorrichtung 10 angeordnet sein.
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Das strahlenformende Element 17 kann in die Laserlichtquelle 15 integriert sein oder dieser nachgeschaltet sein. Der Laser 16 kann Laserlicht 22 erzeugen, bei dem es sich beispielsweise um monochromes, z.B. blaues, Laserlicht handeln kann. Das Laserlicht 22 des Lasers 16 kann durch das strahlenformende Element 17 in Teilstrahlen 23 aufgeteilt werden, von denen der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Teilstrahlen 23 treffen jeweils auf einen der Spiegel 19 des Mikrospiegelarrays 18. Von den Spiegeln 19 weisen der Übersichtlichkeit halber nur einige ein Bezugszeichen auf. Die Spiegel 19 des Mikrospiegelarrays 18 reflektieren je nach ihrer aktuellen Stellung oder Raumstellung das Laserlicht der Teilstrahlen 23 jeweils entweder auf eine Konverterschicht 24 des Konverterelements 20 oder nicht, d. h. in letzerem Fall trifft das reflektierte Laserlicht bzw. der reflektierte Teilstrahl nicht auf die Konverterschicht 24. Die Konverterschicht 24 kann beispielsweise Phosphor aufweisen. In dem jeweiligen Auftreffpunkt oder Auftreffbereich eines reflektierten Teilstrahls entsteht auf der Konverterschicht 24 jeweils ein Leuchtpunkt 25, von denen der Übersichtlichkeit halber wieder nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. So entsteht hier ein kleines Abbild des Beleuchtungsmusters 12 aus nicht-kohärentem, beispielsweise weißem Licht, welches auf die Projektionsfläche 13 projiziert wird.
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Das dargestellte Konverterelement 20 ist reflektierend, das heißt die Konverterschicht 24 kann auf einer Metallschicht 26 eines Reflektors angeordnet sein, welche Licht, das aus dieser Seite der Konverterschicht 24, d. h. aus derjenigen Seite bzw. Oberfläche der Konverterschicht 24, die der Metallschicht 26 zugewandt ist, austritt, in die Konverterschicht 24 zurück reflektiert. Die Metallschicht 26 kann zudem zum Kühlen der Konverterschicht 24 ausgestaltet sein und z.B. mit einem Kühlkörper (nicht dargestellt) der Projektionsvorrichtung 10 verbunden sein. Von dem Konverterelement 20 abgestrahltes, konvertiertes Licht 27 kann mittels des Projektionssystems 21 in die Umgebung 11 projiziert werden, wo es auf der Projektionsfläche 13 das Beleuchtungsmuster 12 ergibt. Das Projektionssystem 21 kann beispielsweise eine Fokussierung („scharf stellen“) bewirken.
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Das strahlenformende Element 17 kann auf einer Seite 28 eine Aufweitung des Laserlichts 22 bewirken, das heißt ein kegelförmiges Aufweiten des Laserlichts 22. Auf einer zweiten Seite 29, die gegenüberliegend zu der ersten Seite 28 angeordnet ist, kann eine Einrichtung oder Struktur für das Aufteilen des Laserlichts 22 in die Teilstrahlen 23 vorgesehen sein. Die Aufweitung ist optional. Ziel der Aufweitung ist es, die lokale Intensität des Lichtes zu reduzieren und damit das eingangs beschriebene Dark-spot-Problem zu reduzieren oder zu vermeiden. Mit einer reduzierten Intensität ist auch eine Verbrennung von Elementen der normalen Atmosphäre, z.B. Staub, reduziert.
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Falls nicht alle Teilstrahlen 23 auf einen der Spiegel 19 ausgerichtet werden können, kann eine Umlenkeinrichtung 30 vorgesehen sein, mittels welcher solche Teilstrahlen 31, die an dem Mikrospiegelarray 18 vorbei ausgerichtet sind, zurück zu dem Mikrospiegelarray 18 geführt oder umgelenkt werden. Die Umlenkeinrichtung 30 kann beispielsweise auf der Grundlage von reflektierenden Flächen gebildet sein, z.B. einer Metallplatte oder zumindest einem zusätzlichen Spiegel. Von den Spiegeln 19 reflektiertes Laserlicht 32 weist die Farbe des Laserlichts 22 auf, ist also beispielsweise blaues Licht. Das konvertierte Licht 27 kann dagegen eine andere Farbe, z.B. die Farbe Weiß, aufweisen.
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Für ein mehrfarbiges Beleuchtungsmuster 12 kann beispielsweise vorgesehen sein, die dargestellte Anordnung aus Laserlichtquelle 15, Mikrospiegelarray 18 und Konverterelement 20 dreifach auszuführen und jeweils einen Farbfilter, beispielsweise für Rot, Grün und Blau, vorzusehen. Es kann auch vorgesehen sein, drei farbige Laser 16 bereitzustellen und auf ein Konverterelement 20 zu verzichten.
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Das Projektionssystem 21 kann beispielsweise zumindest eine optische Linse aufweisen, um die Leuchtpunkte 25 fokussiert oder scharf auf der Projektionsfläche 13 abzubilden.
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2 veranschaulicht, wie durch das Aufteilen des Laserlichts 22 in die Teilstrahlen 23 eine geringere Erhitzung des Mikrospiegelarrays 18 erfolgt als durch ein ungerichtetes, gleichmäßiges Bestrahlen des Mikrospiegelarrays 18 mit Licht.
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Dargestellt sind einige der Spiegel 19 des Mikrospiegelarrays 18. Jeder einzelne Spiegel 19 kann beispielsweise rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet sein und eine Kantenlänge 33 aufweisen, die in einem Bereich von 3 Mikrometer bis 15 Mikrometer liegen kann. Zwischen den Spiegeln 19 befindet sich jeweils ein Abstand oder ein Spalt oder ein Zwischenraum 34, in welchem das eintreffende Laserlicht der Teilstrahlen 23 nicht reflektiert werden könnte. Beispielsweise kann in jedem Zwischenraum 34 eine schwarze Beschichtung zum Absorbieren des Lichts angeordnet sein. Da jeder Teilstrahl 23 auf einen der Spiegel 19 ausgerichtet ist, entsteht auf jedem Spiegel 19 ein Lichtpunkt oder Lichtfleck 35, was in 2 beispielhaft für einen Spiegel 19 im Detail veranschaulicht ist. Mit anderen Worten wird durch das strahlenformende Element 17 ein Punktemuster 36 aus Punkten 35 auf dem Mikrospiegelarray 18 erzeugt, wobei jeder Punkt oder Lichtpunkt 35 auf einen der Spiegel 19 ausgerichtet ist. In den Zwischenräumen 34 ist dadurch eine Beleuchtungsstärke geringer als auf den Oberflächen der Spiegel 19 selbst. Damit muss weniger Licht in den Zwischenräumen 34 absorbiert werden, wodurch eine Erwärmung des Mikrospiegelarrays 18 verringert ist.
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3 veranschaulicht, wie für ein einzelnes Pixel 14 des Beleuchtungsmusters 12 auf der Projektionsfläche 13 in der Umgebung 11 festgelegt werden kann, ob es leuchtet oder nicht. Ein einzelner Teilstrahl 23 aus dem strahlenformenden Element 17 trifft hierzu auf einen der Spiegel 19 des Mikrospiegelarrays 18. Bei dem Spiegel 19 ist eine Stellung 37 zwischen einer Heil-Stellung 38 und einer Dunkel-Stellung 39 umschaltbar. Beispielhaft sind Winkelangaben in einem Vielfachen eines Grundwinkels θ angegeben. In der Heil-Stellung 38 wird der Teilstrahl 23 über das Konverterelement 20 und das Projektionssystem 21 in die Umgebung 11 umgelenkt oder abgestrahlt. Ein Durchlicht-Konverterelement 20 lässt die Ausbreitungsrichtung unverändert, wie dies in 3 dargestellt ist. Bei dem Reflexions-Konverterelement 20, das in 1 dargestellt ist, kommt noch eine zusätzliche Reflexion hinzu, welche aber in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargstellt ist. Die zwei möglichen Strahlengänge an dem Konverterelement 20 (reflektiert bzw. unreflektiert) sind in 3 durch Auslassungspunkte symbolisiert. In der Dunkel-Stellung 39 wird durch den Spiegel 19 der Teilstrahl 23 auf ein Absorberelement 40 der Projektionsvorrichtung 10 umgelenkt, wo das Licht des Teilstrahls 23 absorbiert wird, sodass es nicht in die Umgebung 11 gelangt. Das Absorberelement 40 kann zum Absorbieren des Lichts eine schwarze Beschichtung aufweisen. Wie in 3 dargestellt, kann bei unbestromtem Mikrospiegelarray 18 der Lichtstrahl 2θ links vom in die Umgebung projizierten Strahl liegen. Bei einem „dunklen Pixel“ kann der Lichtstrahl bei 4θ liegen.
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Die Grundidee ist somit, dass man kohärentes Laserlicht zur Lichtformung nutzt und erst anschließend in weißes Licht mittels des Konverterelements 20 umwandelt. Man kann beispielsweise einen blauen Laser 16 nutzen, dessen Laserlicht 22 über die Spiegel 19 des Mikrospiegelarrays 18 auf zum Beispiel gelben Phosphor eines Konverterelements 20 umgeleitet wird, um das weiße Licht 27 zu erzeugen. Das Laserlicht 22 wird über ein strahlenformendes Element, beispielsweise einen photonischen Kristall oder ein anders optisches System, so gespalten oder aufgeteilt oder durch ein Interferenzmuster geformt, dass jeweils nur die Spiegel 19 und nicht die Abstände oder Spalten oder Zwischenräume 34 zwischen den Spiegeln 19 (bis auf Streustrahlung) beleuchtet werden. Als vereinfachtes Modell entsteht jeweils in der Mitte jedes Spiegels 19 ein Lichtpunkt 35 (oder ein Lichtfleck), wobei die Intensität der Lichtpunkte 35 bevorzugt gleich groß ist. Sollten die Randbereiche des Bündels aus Teilstrahlen 23 größer sein als das Mikrospiegelarray 18, so kann man diese Strahlen 31 mittels der Umlenkeinrichtung 30 wieder in den Bereich des Mikrospiegelarrays 18 hinein spiegeln und so zum Beispiel auch einer Vignettierung des Beleuchtungsmusters 12 entgegenwirken.
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Zur Erzeugung des Punktemusters 36 aufgrund der Teilstrahlen 23 kann eine zweidimensionale Struktur auf zum Beispiel einer Seite 29 eines Substrats, beispielsweise eines Glases des strahlenformenden Elements 17 vorgesehen sein. Eine optionale Aufweitung des Laserstrahls des Laserlichts 22 kann durch eine zweite zweidimensionale Struktur auf einer der Seite 29 gegenüberliegenden Seite 28 des Substrates erfolgen. Die Seite 28 kann die Lichteintrittsseite und die Seite 29 die Lichtaustrittsseite für das Laserlicht 22 an dem strahlenformenden Element 17 sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Integration des strahlenformenden Elements 17 in die Laserlichtquelle 15, was sowohl die Justage vereinfacht als auch das beschriebene Dark-Spot-Problem dämpft, da in einem geschlossenen System der Laserlichtquelle 15 weniger Partikel zur Verfügung stehen, die verbrennen oder festbrennen können.
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Natürlich kann auch jeweils ein Laser 16 nur einen Teil der gesamten Spiegel 19 beleuchten, wobei es irrelevant sein soll, in welcher Aufteilung dies erfolgen soll, also beispielsweise durch räumliches Alternieren (Beleuchten in Streifen oder Rechtecken) oder zeitliches Alternieren (zeitliches Abwechseln). Durch Vorsehen mehrerer Laser 16 zum Bestrahlen eines Mikrospiegelarrays 18 kann die Leuchtleistung oder Leuchtdichte für das Beleuchtungsmuster 12 vergrößert werden.
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Durch die Verwendung von kohärentem Laserlicht 22 kann ein kleineres und daher kostengünstigeres Mikrospiegelarray 18 zur Formung des Lichtes zum Einsatz kommen als im Falle von nicht-kohärentem Licht. Ein kleineres Mikrospiegelarray 18 ist auch besser formbar als ein größeres. Das Mikrospiegelarray 18 wird weniger erwärmt, da die Räume oder Abstände oder Zwischenräume 34 zwischen den Spiegeln 19 nicht beleuchtet werden. Diese sind schwarz beschichtet, um Streulicht zu absorbieren, was zu erhöhter Absorption und damit Erwärmung führen würde. Die Spiegel 19 können mit Beschichtungen versehen werden, um das kohärente Laserlicht 22 effizienter zu reflektieren. Beispielsweise kann jeder Spiegel 19 als Bragg-Spiegel ausgestaltet werden, wobei eine Bragg-Reflektion mit einem Wirkungsgrad von mehr als 99,9 Prozent möglich ist. Auch das Projektionssystem 21 mit der Optik, beispielsweise der Scheinwerferoptik für einen Kraftfahrzeug-Scheinwerfer, kann kompakter ausgebildet werden, also leichter und/oder kostengünstiger, da nicht-kohärentes Licht erst in dem Konverterelement 20 entsteht, das heißt die Etendue (das Produkt aus Strahldivergenz und Strahlabmessung) ist klein. Die optische Effizienz, das heißt das Verhältnis von erzeugtem Licht zu Lichtausbeute auf der Straße, liegt bei Laserlicht mit typischerweise 70 Prozent hoch im Vergleich zu Leuchtdioden mit ca. 40 Prozent und Xenon mit nur ca. 30 Prozent. Das stärker gebündelte Laserlicht ermöglicht somit mehr Lichtleistung und damit mehr Reichweite, aber auch kleinere Optiksysteme und Scheinwerfergehäuse.
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Die Grundidee ist im Folgen noch einmal zusammenfassend dargelegt. Es gibt zwei wesentliche Elemente:
- 1) man nutzt kohärentes Licht und dessen Eigenschaften, um die Lichtpunkte am Spiegel zu erzeugen,
- 2) ein eventueller Phosphor, d. h. ein Phosphor aufweisendes Konverterelement, ist im Strahlengang erst nachgeschaltet, da er die Kohärenz des Lichts zerstört. Damit ist die Strahlformung nicht mehr so gut möglich; es entsteht eine Kugelwelle an dem Punkt, kein Strahl.
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Das strahlformende Element 17 nutzt die Eigenschaften des kohärenten Lichts. Wesentlich ist hier das strahlenformende Element 17 und die Reihenfolge im Strahlverlauf bzw. im Strahlengang. Es geht darum, ein Konverterelement (Phosphor) im Strahlengang nach dem strahlenformenden Element 17 und dem Mikrospiegelarray 18 anzuordnen.
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Die Erfindung ermöglicht somit eine optimale Ausnutzung eines digitalen Mikrospiegelarrays.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Projektionsvorrichtung
- 10'
- Gehäuse
- 11
- Umgebung
- 12
- Beleuchtungsmuster
- 13
- Projektionsfläche
- 14
- Pixel
- 15
- Laserlichtquelle
- 16
- Laser
- 17
- Strahlenformendes Element
- 18
- Mikrospiegelarray
- 19
- Spiegel
- 20
- Konverterelement
- 21
- Projektionssystem
- 22
- Laserlicht
- 23
- Teilstrahl
- 24
- Konverterschicht
- 25
- Leuchtpunkt
- 26
- Reflektor
- 27
- Licht
- 28
- Seite
- 29
- Seite
- 30
- Rückspiegelvorrichtung
- 31
- Lichtstrahl
- 32
- Laserlicht
- 33
- Kantenlänge
- 34
- Spalt
- 35
- Lichtpunkt
- 36
- Punktmuster
- 37
- Stellung
- 38
- Hell-Stellung
- 39
- Dunkel-Stellung
- 40
- Absorber
