DE102021123871A1

DE102021123871A1 - Projektionssystem

Info

Publication number: DE102021123871A1
Application number: DE102021123871.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Gammer; Sergey Khrushchev; Michael KOLLER; Georg Forster
Original assignee: Osram Continental GmbH
Current assignee: Plastic Omnium Lighting Systems GmbH
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem (1) zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten, mit einem Substrat (2), auf dem ein VCSEL-Array (4) aufgebracht ist, wobei das VCSEL-Array (4) ein Array von Oberflächenemittern (6) ist, einem dem VCSEL-Array (4) im Strahlengang nachgeschalteten Linsen-Array (8), wobei das Linsen-Array (8) ein Array von Kollimator-Optiken (10) ist, einem dem Linsen-Array (8) im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array (12), wobei das DOE-Array (12) ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen (14) ist, und einer dem DOE-Array (12) im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene (16), wobei das DOE-Array (12) so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente (14) in der Abbildungsebene (18) überlagern.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten.
Um eine Animation einer Bewegung darzustellen, gibt es unterschiedliche technische Möglichkeiten, wobei zumeist einzelne Bilder in kurzen zeitlichen Abständen hintereinander dargestellt werden, so dass beim Betrachten der Eindruck der Bewegung vermittelt wird. Eine solche Darstellung wird auch als semidynamisch bezeichnet.
Beispiele für die unterschiedlichen technischen Möglichkeiten sind unter anderem eine Digitale Mikrospiegel-Einheit („DMD“, Digital Micromirror Device), eine Flüssigkristallanzeige („LCD“, Liquid Crystal Display), Flüssigkristalle auf einem Siliziumsubstrat („LCoS“, Liquid Crystal on Silicon) oder eine organische Leuchtdiode („OLED“, Organic Light Emitting Diode), mit denen sowohl Projektionen als auch Displays aufgebaut werden können.
Diese technischen Lösungen unterscheiden sich hierbei in ihrer Auflösung, ihrem maximal erzielbaren Kontrast oder ihrer Leuchtdichte, welche je nach ihrem Anwendungsfall entscheidende Merkmale sind. Beispielsweise können diese technischen Lösungen im Home Entertainment oder im Automotive Bereich zur Projektion von Warnhinweisen, Willkommensszenarien oder zur Informationsdarstellung auf Displays eingesetzt werden.
Bisherige Lösungen erfüllen jedoch insbesondere nicht alle Anforderungen hinsichtlich optischer Effizienz, einfachem Aufbau und Bauraumeffizienz.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein insbesondere (semi-) dynamisches Projektionssystem bereitzustellen, welches einen guten optischen Wirkungsgrad aufweist und möglichst einfach und kompakt aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Projektionssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 bzw. des Anspruchs 9 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist ein Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten vorgesehen. Das Projektionssystem weist ein Substrat auf, auf dem ein VCSEL-Array aufgebracht ist, wobei das VCSEL-Array ein Array von Oberflächenemittern ist. Diese Oberflächenemitter werden oftmals mit ihrem englischen Begriff als VCSEL, d.h. vertical-cavity surface-emitting laser, bezeichnet. Zudem weist das Projektionssystem ein dem VCSEL-Array im Strahlengang nachgeschaltetes Linsen-Array auf, wobei das Linsen-Array ein Array von Linsen/Kollimator-Optiken ist. Ferner weist das Projektionssystem ein dem Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes DOE-Array auf, wobei das DOE-Array ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen (DOE, diffractive optical element) ist. Zudem weist das Projektionssystem eine dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschaltete Abbildungsebene auf. Auf der Abbildungsebene werden die projizierten Bildinhalte dargestellt. Erfindungsgemäß ist das DOE-Array so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente in der Abbildungsebene überlagern.
Das heißt, dass das Projektionssystem zur Darstellung von Bildinhalten auf der Abbildungsebene/Projektionsebene dient, wobei die Bildinhalte räumlich überlagert werden/auf dieselbe Abbildungsfläche projiziert werden. Das Projektionssystem weist das Substrat mit dem VCSEL-Array auf, wobei ist ein VCSEL eine Laserdiode ist, bei der das Licht senkrecht zur Ebene ihres Halbleiterchips abgestrahlt wird (im Gegensatz zu einer kantenemittierenden Laserdiode, bei der das Licht an einer oder zwei Flanken ihrer Halbleiterchips austritt). Insbesondere ist ein VCSEL ein optoelektronisches Bauelement, das aus Quantenmulden (quantum wells) aufgebaut ist, welche zwischen zwei verteilten Bragg-Reflektoren („DBR“, Distributed Bragg Reflector) angeordnet sind. Das Projektionssystem weist das über dem VCSEL-Array gestapelt angeordnete Linsen-Array zur Strahlformung sowie das über dem Linsen-Array gestapelt angeordnete DOE-Array auf, welches die zu projizierenden Bildinformationen trägt. Dabei können die diffraktive optische Elemente Glasträger sein, auf denen durch Fotolithografie Mikrostrukturen aufgebracht sind, so dass es in ihnen durch unterschiedliche optische Weglängen der Teilstrahlen zu Phasenmodulationen kommt, wodurch Interferenzmuster entstehen, wobei zusätzlich durch konstruktive und destruktive Überlagerung die Amplitude moduliert werden kann. Generell können diffraktive optische Elemente können zur Strahlformung (beam shaping) oder zum Zerlegen eines Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen (beam splitting) eingesetzt werden. Zudem weist das Projektionssystem die dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschaltete Abbildungsebene auf, auf der die durch das optische Gitter des DOE-Arrays gebeugten Lichtstrahlen abgebildet werden und die Bildinformationen des DOE-Arrays projiziert werden. Dabei enthält jedes diffraktive optische Element ein Bild (oder ein Teilbild), so dass durch eine sequenzielle oder parallele Aktivierung der Laser, d.h. des VCSEL-Arrays, und eine Überlagerung der Bilder (oder Teilbilder) in der Abbildungsebene/Projektionsebene der Eindruck eines bewegten Bildes entstehen kann. Erfindungsgemäß wird somit eine semidynamische Projektion mit VCSEL und DOE vorgeschlagen.
Das erfindungsgemäße Projektionssystem hat den Vorteil, dass es durch die Verwendung der diffraktiven optischen Elemente besonders kompakt aufgebaut werden kann. Somit steht bei dem erfindungsgemäßen Projektionssystem nicht die Dynamik des Bildinhalts im Vordergrund, sondern die Kompaktheit, der einfache Aufbau und die optische Effizienz des Gesamtsystems. Im Gegensatz zu Gesamtsystemen, die mit Mikrospiegeln, Flüssigkristallen oder dergleichen arbeiten und eine optische Effizienz von ca. 30 % erreichen können, liegt die optische Effizienz bei einem diffraktiven optischen Element in Abhängigkeit der Anzahl der Stufen bei mehr als 80%. Zudem kann das erfindungsgemäße Projektionssystem bezüglich des Aufbaus des optischen Pfads und der Ansteuerung weniger komplex und kostengünstiger als die genannten Systeme mit Mikrospiegeln, Flüssigkristallen oder dergleichen aufgebaut werden. Zudem hat die Verwendung der VCSEL in dem erfindungsgemäßen Projektionssystem den Vorteil, dass sich diese mit hoher Lagepräzision zueinander aufbauen lassen, so dass eine präzise Überlagerung ermöglicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können zumindest zwei der diffraktiven optischen Elemente einen unterschiedlichen Bildinhalt aufweisen. Vorzugsweise können die Bildinhalte der zumindest zwei diffraktiven optischen Elemente geringfügig unterschiedlich, d.h. teilweise identisch, sein. Dies hat den Vorteil, dass das Projektionssystem zur Bewegungsanimation genutzt werden kann, indem die optischen Kanäle/Pfade des Projektionssystems, d.h. die Oberflächenemitter/VCSEL einzeln, zeitlich kurz nacheinander aktiviert werden. Dabei heißt zeitlich kurz nacheinander, dass die einzelnen optischen Pfade in einem Abstand von einigen Millisekunden bis einige 100 Millisekunden aktiviert werden. Alternativ können die Bildinhalte der zumindest zwei diffraktiven optischen Elemente unterschiedliche Strukturen, wie etwa Warnhinweise oder Symbole, sein, so dass je nach Anwendungsfall (vollständig) unterschiedliche Bildinhalte mit dem Projektionssystem dargestellt werden können. Insbesondere kann jedes der diffraktiven optischen Elemente einen eigenen, sich von den anderen diffraktiven optischen Elemente unterscheidenden Bildinhalt tragen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können zumindest zwei der diffraktiven optischen Elemente einen identischen Bildinhalt aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass durch eine Überlagerung identischer Bildinhalte in der Abbildungsebene eine Intensitätserhöhung erzielt werden kann, was beispielsweise zur Verbesserung der Wahrnehmbarkeit bei Tageslicht beitragen kann. Die Überlagerung kann insbesondere erreicht werden, indem die optischen Kanäle/Pfade des Projektionssystems, d.h. die Oberflächenemitter/VCSEL die den diffraktiven optischen Elementen gleichen Bildinhalts vorgeschaltet sind, gleichzeitig aktiviert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können die diffraktiven optischen Elemente wellenlängenabhängig ausgebildet sein, wobei ein erstes diffraktives optisches Element für rotes Licht ausgebildet ist, ein zweites diffraktives optisches Element für grünes Licht ausgebildet ist, und ein drittes diffraktives optisches Element für blaues Licht ausgebildet ist. Aufgrund ihrer optischen Eigenschaften lassen sich diffraktive optische Elemente nur für eine bestimmte Wellenlänge optimal auslegen. Wenn also für jeden dazustellenden (unterschiedlichen) Bildinhalt je ein diffraktives optisches Element für rot, grün und blau vorgesehen ist und die Projektionen in der Abbildungsebene überlagert werden, kann eine Farbmischung erreicht werden, und mit dem Projektionssystem jede beliebige Farbe erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können die diffraktiven optischen Elemente auf Waferbasis und/oder mittels eines Glasmaster (Stamper) hergestellt sind. Insbesondere bei der Herstellung auf Waferbasis können die optischen Pfade des Projektionssystems mit hoher Lagepräzision ausgerichtet werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann zwischen dem Substrat, auf dem das VCSEL-Array aufgebracht ist, und dem Linsen-Array ein Abstandshalter angeordnet sein. So lässt sich ein besonders exakter Abstand zwischen den beiden Arrays erreichen, so dass ein kompaktes Projektionssystem ausgebildet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann zwischen dem Linsen-Array und dem DOE-Array ein Abstandshalter angeordnet sein. So lässt sich ein besonders exakter Abstand zwischen den beiden Arrays erreichen, so dass ein kompaktes Projektionssystem ausgebildet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann das VCSEL-Array ein monochromatisches VCSEL-Array sein. Das heißt, dass alle Oberflächenemitter die gleiche Wellenlänge emittieren, was vorteilhaft für die Herstellung aller Oberflächenemitter auf einem Substrat ist, da das VCSEL-Array dann einen integrierten Aufbau mit engen Toleranzen aufweist und mit einfachen Fertigungsschritten herstellbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann dem VCSEL-Array, insbesondere wenn es ein monochromatisches VCSEL-Array ist, zur Frequenzverdoppelung oder Frequenzverdreifachung von aus den Oberflächenemittern emittiertem Lichts ein Laserkristall mit einer nicht linearen Optik im Strahlengang nachgeschaltet sein. Das heißt, dass die Oberflächenemitter nur als Pumpquelle für Laserkristalle dienen, mit denen per Single Pass Frequenzverdoppelung („SHG“, second harmonic generation) bzw. Frequenzverdreifachung („THG“, third harmonic generation) gewünschte Wellenlängen erzeugt werden. Vorzugsweise kann das VCSEL-Array Licht mit einer Wellenlänge von 808nm emittieren, da solche Oberflächenemitter hinreichend verfügbar und ihre Eigenschaften bekannt sind. Alternativ sind auch für angepasste Laserkristalle Wellenlängen von 850 nm oder 940 nm möglich. Somit ist es möglich, mit dem Laserkristall, wie etwa Nd:Yag, je nach Dotierung aus Licht mit einer Wellenlänge 808nm per Frequenzverdopplung rotes Licht, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von 660 nm, (bei einem Laserkristall Nd:Yag mit einer Dotierung 1320 nm) oder grünes Licht, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von 530 nm, (bei einem Laserkristall Nd:Yag mit einer Dotierung 1060 nm) bzw. per Frequenzverdeifachung blaues Licht, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von 440 nm, (bei einem Laserkristall Nd:Yag mit einer Dotierung 1320 nm) zu erzeugen.
Mit der beschriebenen Anordnung können auch durch direkte Emission nicht kommerziell erhältliche Wellenlängen, bei denen die Mischung mit der wellenlängenabhängigen Auslegung der diffraktiven optischen Elemente kollidiert, erzeugt werden. Beispielsweise kann das im Automotive Bereich verwendete Blinkergelb, das eine Wellenlänge von 587 bis 597 nm hat, das aufgrund der wellenlängenabhängigen Auslegung der diffraktiven optischen Elemente nicht durch Mischung aus einem grünen und einem roten Laser erzeugt werden kann, per Frequenzverdopplung erzeugt werden, indem eine Grundwellenlänge (d.h. eine Wellenlänge der Oberflächenemitter) von 1174 nm bis 1195 nm verwendet wird. Da solche Oberflächenemitter mit Wellenlängen >1000 nm bereits existieren, kann auch Blinkergelb mit der beschriebenen Anordnung erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann vor jedem der Oberflächenemitter ein unabhängiger Laserkristall zur Frequenzverdoppelung oder Frequenzverdreifachung montiert sein oder mehrere Oberflächenemitter mit einem gemeinsamen Laserkristall versehen sein. Das dem jeweiligen Oberflächenemitter und Laserkristall nachgeschaltete diffraktive optische Element ist dabei entsprechend der aus dem Laserkristall emittierten Wellenlänge ausgelegt.
Alternativ könnte anstatt eines VCSEL-Array auch eine andere Anregungsquelle verwendet werden, wobei der Laserkristall mit der nicht linearen Optik auch in den Resonator eingebracht werden kann, um eine höhere Effizienz der Frequenzumwandlung zu erzielen. Dies kann beispielsweise über extern optisch gepumpte Scheibenlaser oder über intern gepumpte Systeme jeweils mit einem externen Resonator-Spiegel erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Strukturen vorgesehen, mit einem Substrat, auf dem ein VCSEL Array aufgebracht ist, wobei das VCSEL-Array ein Array von Oberflächenemittern ist, einem dem VCSEL-Array direkt im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array, wobei das DOE-Array ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen ist, wobei das VCSEL Array und das DOE Array so ausgebildet sind, dass Emissionswinkel des VCSEL-Array innerhalb von Akzeptanzwinkeln des DOE-Arrays liegen, und einer dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene, wobei das DOE-Array so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente in der Abbildungsebene überlagern. Dabei entspricht das Projektionssystem im Aufbau im Wesentlichen dem bereits beschriebenen Projektionssystem, wobei das Projektionssystem gemäß dem weiteren Aspekt kein zwischen dem VCSEL-Array und dem DOE-Arrays angeordnetes Linsen-Arrays aufweist. Der Verzicht auf das Linsen-Array ist möglich, wenn die Emissionswinkel/Divergenz-Winkel der Oberflächenemitter zu den Akzeptanzwinkeln der diffraktiven optischen Elemente passen, so dass keine Strahlformung durch das Linsen-Array erforderlich ist. Dabei können die Divergenz-Winkel der Oberflächenemitter/Laser im Bereich von einigen Grad liegen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Strukturen vorgesehen, mit einem Laser, einem dem Laser im Strahlengang nachgeschalteten beweglichen Mikrospiegel, einem dem Mikrospiegel im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array, wobei das DOE-Array ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen ist, und einer dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionssystem eine Steuereinheit zur Steuerung einer Bewegung des Mikrospiegels aufweist, die ausgebildet ist, um den Mikrospiegel so zu bewegen, dass durch den Laser emittiertes Licht auf einzelne diffraktive optische Elemente abgelenkt wird, und dass das DOE-Array so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente in der Abbildungsebene überlagern.
Das heißt, dass das DOE-Array in Kombination mit einem Mikrospiegel als steuerbare Laserablenkeinheit eingesetzt wird, um eine Bewegungsanimation zu erzeugen. Dabei wird der Laserstrahl sequenziell über die segmentierte DOE-Struktur geführt und zu definierten Zeitpunkten aktiviert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann die Steuereinheit zur Aktivierung des Lasers so ausgebildet sein, dass sie die Bewegung des Mikrospiegels und die Aktivierung des Lasers synchronisiert. Über die Steuereinheit wird also die Bewegung des Mikrospiegels mit der Aktivierung des Lasers aktiviert, so dass der Laser genau dann aktiviert wird, wenn der Mikrospiegel bewegt ist bzw. auf ein anderes diffraktives optisches Element ausgerichtet ist. Durch die zeitlich versetzte Überlagerung der Projektion in der Abbildungsebene entsteht der Eindruck eines bewegten Bildes.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können zumindest zwei der diffraktiven optischen Elemente einen unterschiedlichen Bildinhalt aufweisen. Vorzugsweise können die Bildinhalte der zumindest zwei diffraktiven optischen Elemente geringfügig unterschiedlich, d.h. teilweise identisch, sein. Dies hat den Vorteil, dass das Projektionssystem zur Bewegungsanimation genutzt werden kann, indem die optischen Kanäle/Pfade des Projektionssystems, d.h. die Oberflächenemitter/VCSEL einzeln, zeitlich kurz nacheinander aktiviert werden. Dabei heißt zeitlich kurz nacheinander, dass die einzelnen optischen Pfade in einem Abstand von einigen Millisekunden bis einige 100 Millisekunden aktiviert werden. Insbesondere kann jedes der diffraktiven optischen Elemente einen eigenen, sich von den anderen diffraktiven optischen Elemente unterscheidenden Bildinhalt tragen.
Zusammenfassend hat das erfindungsgemäße Projektionssystem die Vorteile, dass keine abbildende Optik nach dem diffraktiven optischen Element erforderlich ist, dass diffraktive optische Elemente eine sehr effiziente Möglichkeit zur Projektion bieten, dass ein sehr flacher, kompakter Aufbau möglich ist, dass durch den Einsatz von Arrays (VCSEL-Array, Linsen-Array, DOE-Array) eine sehr hohe Präzision bei der Ausrichtung der optischen Elemente zueinander erreichbar ist, dass durch die Kombination von diffraktiven optischen Elementen für definiert ausgelegte Wellenlängen RGB, die in der Abbildungsebene überlagert werden, alle Farben gemischt werden können, dass aufgrund der unendlichen Schärfetiefe der Abbildung der diffraktiven optischen Elemente diese bei schräger Projektion vorteilhaft ist, und dass hohe Leuchtdichten erreichbar sind, was die Wahrnehmbarkeit bei Tageslicht verbessern kann.
Zusätzlich zur Bildprojektion ist der beschriebene Ansatz beispielsweise auch für eine Streifenprojektion für eine Objekterkennung/für 3D-Scans nutzbar, um verschieden breite Streifen oder Messermuster dazustellen und dadurch die Erfassungsgenauigkeit mittels einer Kamera zu verbessern, was insbesondere bei der Verwendung von Lasern im Infrarot-Wellenlängenbereich vorteilhaft sein kann.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines Projektionssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 einen schematischen Aufbau des Projektionssystems gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels;
3 einen schematischen Aufbau des Projektionssystems gemäß einer weiteren Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung des Projektionssystems gemäß der weiteren Modifikation, entlang der Linie IV-IV in 3; und
5 einen schematischen Aufbau des Projektionssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

1 bis 4 zeigen einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Projektionssystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Modifikationen.
Das Projektionssystem 1 dient zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten. Das Projektionssystem 1 weist mehrere optische Pfade/Kanäle/Projektionspfade auf, die durch den Einsatz von Arrays zueinander ausgerichtet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Projektionssystem 1 Arrays, die 3x2 Projektionspfade ausbilden.
Das Projektionssystem 1 weist ein Substrat 2 auf, auf dem ein VCSEL-Array 4 aufgebracht ist. Das VCSEL-Array 4 ist ein Array von Oberflächenemittern/VCSEL, d.h. vertical-cavity surface-emitting laser, 6. Zudem weist das Projektionssystem 1 ein dem VCSEL-Array 4 im Strahlengang nachgeschaltetes Linsen-Array 8 auf. Das Linsen-Array 8 ist ein Array von Linsen/Kollimator-Optiken 10. Ferner weist das Projektionssystem 1 ein dem Linsen-Array 8 im Strahlengang nachgeschaltetes DOE-Array 12 auf. Das DOE-Array 12 ist ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen 14. Zudem weist das Projektionssystem 1 eine dem DOE-Array 12 im Strahlengang nachgeschaltete Abbildungsebene/Projektionsebene 16 auf. Auf der Abbildungsebene werden die projizierten Bildinhalte dargestellt.
Erfindungsgemäß ist das DOE-Array 12 so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der (einzelnen) diffraktiven optischen Elemente 14 in der Abbildungsebene 16 überlagern.
Die Bildinhalte der (einzelnen) diffraktiven optischen Elemente 14 können unterschiedlich sein, so dass verschiedene Bildinhalte projiziert werden können. Werden die verschiedenen Bildinhalte in kurzen zeitlichen Abständen, d.h. in Abständen zwischen wenigen und einigen 100 Millisekunden, nacheinander auf die Abbildungsebene 16 projiziert, kann der Eindruck einer Animation erzeugt werden. Alternativ können die Bildinhalte der (einzelnen) diffraktiven optischen Elemente 14 identisch sein, so dass gleiche Bildinhalte in die Abbildungsebene 16 projiziert werden können, wobei sich durch eine zeitliche Überlagerung die gleichen Bildinhalte mit einer höheren Leuchtdichte darstellbar sind.
2 zeigt eine Modifikation des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels, bei dem die diffraktiven optischen Elemente 14 wellenlängenabhängig ausgebildet sind. Dabei ist ein erstes diffraktives optisches Element 14a für rotes Licht ausgebildet, ein zweites diffraktives optisches Element 14b für grünes Licht ausgebildet, und ein drittes diffraktives optisches Element 14c für blaues Licht ausgebildet. Zudem emittieren die jeweiligen Oberflächenemitter 6 Licht einer bestimmten Wellenlänge. Dabei emittiert ein erster Oberflächenemitter 6a rotes Licht, ein zweiter Oberflächenemitter 6b grünes Licht und ein dritter Oberflächenemitter 6c blaues Licht. Somit ist für jeden darzustellenden Bildinhalt je ein diffraktives optisches Element 14 für rot, grün und blau vorgesehen, bei deren Projektion in der Abbildungsebene 16 eine Farbmischung erreicht werden kann.
3 zeigt eine Modifikation des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels, bei dem zwischen dem Substrat 2 und dem Linsen-Array 8 ein erster Abstandshalter 18 angeordnet ist und bei dem zwischen dem Linsen-Array 8 und dem DOE-Array 12 ein zweiter Abstandshalter 20 angeordnet ist.
Zudem ist in 3 zu erkennen, dass die Oberflächenemitter 6 einen Durchmesser 22 von 200um haben und in einem Abstand 24 von 1000um angeordnet sind. Somit ist der Abstand 24 etwa fünfmal so groß wie der Durchmesser 22 der Oberflächenemitter 6.
Ferner ist in 3 zu erkennen, dass die Oberflächenemitter 6 einen Abstrahlkegel 26 haben, dessen Divergenz-Winkel 28 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 10° beträgt. Der Abstrahlkegel trifft auf die Kollimator-Optiken 10 und tritt in einem nahezu parallelen Strahlenbündel 30 aus dem Linsen-Array 8 aus und in das DOE-Array 12 ein.
In 4 ist zu erkennen, dass die Oberflächenemitter 6 in dem 2x3 Array angeordnet sind, wobei die Abstände 24 zwischen den Oberflächenemittern 6 gleich sind. Um die Oberflächenemitter 6 herum ist der erste Abstandshalter 18 angeordnet.
5 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Projektionssystems 32 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das Projektionssystem 32 weist einen Laser 34 auf. Zudem weist das Projektionssystem 32 einen dem Laser 34 im Strahlengang nachgeschalteten beweglichen Mikrospiegel 36. Der aus dem Laser 34 austretende Laserstrahl wird über eine Kollimationsoptik 38 zu dem Mikrospiegel 36 geleitet. Ferner weist das Projektionssystem 32 ein dem Mikrospiegel 36 im Strahlengang nachgeschaltetes DOE-Array 40 auf. Das DOE-Array 40 ist ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen 42. Zudem weist Projektionssystem 32 eine dem DOE-Array 40 im Strahlengang nachgeschaltete Abbildungsebene 44 auf.
Erfindungsgemäß weist das Projektionssystem 32 eine Steuereinheit 46 zur Steuerung einer Bewegung des Mikrospiegels 36 auf. Die Steuereinheit 46 ist ausgebildet, um den Mikrospiegel 36 so zu bewegen, dass durch den Laser 34 emittiertes Licht auf die einzelnen diffraktive optische Elemente 42 abgelenkt wird. Zudem ist das DOE-Array 40 so ausgebildet, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente 42 in der Abbildungsebene 44 überlagern. Vorzugsweise ist die Steuereinheit 46 zur Aktivierung des Lasers 34 so ausgebildet, dass sie die Bewegung des Mikrospiegels 36 und die Aktivierung des Lasers 34 synchronisiert. Insbesondere ist die Steuereinheit 46 über einen Spiegeltreiber 48 mit dem Mikrospiegel 36 zu dessen Bewegungssteuerung verbunden. Zudem ist die Steuereinheit 46 insbesondere über einen Lasertreiber 50 mit dem Laser 34 zu dessen Aktivierung verbunden.
Bezugszeichenliste

1; 32: Projektionssystem
2: Substrat
4: VCSEL-Array
6: Oberflächenemitter/VCSEL
6a: erster Oberflächenemitter
6b: zweiter Oberflächenemitter
6c: dritter Oberflächenemitter
8: Linsen-Array
10; 38: Linse/Kollimator-Optik
12; 40: DOE-Array
14; 42: diffraktives optisches Element
14a: erstes diffraktives optisches Element
14b: zweites diffraktives optisches Element
14c: drittes diffraktives optisches Element
16; 44: Abbildungsebene/Projektionsebene
18: erster Abstandshalter
20: zweiter Abstandshalter
22: Durchmesser
24: Abstand
26: Abstrahlkegel
28: Divergenz-Winkel
30: Strahlenbündel
34: Laser
36: Mikrospiegel
46: Steuereinheit
48: Spiegeltreiber
50: Lasertreiber

Claims

Projektionssystem (1) zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten, mit einem Substrat (2), auf dem ein VCSEL-Array (4) aufgebracht ist, wobei das VCSEL-Array (4) ein Array von Oberflächenemittern (6) ist, einem dem VCSEL-Array (4) im Strahlengang nachgeschalteten Linsen-Array (8), wobei das Linsen-Array (8) ein Array von Kollimator-Optiken (10) ist, einem dem Linsen-Array (8) im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array (12), wobei das DOE-Array (12) ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen (14) ist, und einer dem DOE-Array (12) im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene (16), dadurch gekennzeichnet, dass das DOE-Array (12) so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente (14) in der Abbildungsebene (18) überlagern.
Projektionssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der diffraktiven optischen Elemente (14) einen unterschiedlichen Bildinhalt aufweisen.
Projektionssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der diffraktiven optischen Elemente (14) einen identischen Bildinhalt aufweisen.
Projektionssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven optischen Elemente (14) wellenlängenabhängig ausgebildet sind, wobei ein erstes diffraktives optisches Element (14a) für rotes Licht ausgebildet ist, ein zweites diffraktives optisches Element (14b) für grünes Licht ausgebildet ist, und ein drittes diffraktives optisches Element (14c) für blaues Licht ausgebildet ist.
Projektionssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven optischen Elemente (14) auf Waferbasis und/oder mittels eines Glasmaster hergestellt sind.
Projektionssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (2), auf dem das VCSEL-Array (4) aufgebracht ist, und dem Linsen-Array (8) ein Abstandshalter (18) angeordnet ist und/oder dass zwischen dem Linsen-Array (8) und dem DOE-Array (12) ein Abstandshalter (20) angeordnet ist.
Projektionssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das VCSEL-Array ein monochromatisches VCSEL-Array ist, wobei dem VCSEL-Array zur Frequenzverdoppelung oder Frequenzverdreifachung von aus den Oberflächenemittern emittiertem Lichts ein Laserkristall mit einer nicht linearen Optik im Strahlengang nachgeschaltet ist.
Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten, mit einem Substrat, auf dem ein VCSEL Array aufgebracht ist, wobei das VCSEL-Array ein Array von Oberflächenemittern ist, einem dem VCSEL-Array direkt im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array, wobei das DOE-Array ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen ist, wobei das VCSEL Array und das DOE Array so ausgebildet sind, dass Emissionswinkel des VCSEL-Array innerhalb von Akzeptanzwinkeln des DOE-Arrays liegen, und einer dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene, dadurch gekennzeichnet, dass das DOE-Array so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente in der Abbildungsebene überlagern.
Projektionssystem (32) zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten, mit einem Laser (34), einem dem Laser (34) im Strahlengang nachgeschalteten beweglichen Mikrospiegel (36), einem dem Mikrospiegel (36) im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array (40), wobei das DOE-Array (40) ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen (42) ist, und einer dem DOE-Array (40) im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene (44), dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionssystem (32) eine Steuereinheit (46) zur Steuerung einer Bewegung des Mikrospiegels (36) aufweist, die ausgebildet ist, um den Mikrospiegel (36) so zu bewegen, dass durch den Laser (34) emittiertes Licht auf einzelne diffraktive optische Elemente (42) abgelenkt wird, und dass das DOE-Array (40) so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente (42) in der Abbildungsebene (44) überlagern.
Projektionssystem (32) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (46) zur Aktivierung des Lasers (34) so ausgebildet ist, dass sie die Bewegung des Mikrospiegels (36) und die Aktivierung des Lasers (34) synchronisiert.