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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung mit einer
Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Optoelektronische
Module wurden für
viele Applikationen immer weiter miniaturisiert.
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Für den Bereich
der optischen Datenübertragung
wurden bereits erste Systeme unter Verwendung sogenannter ”optischer
Leiterplatten” realisiert. Statt
des Begriffes ”optische
Leiterplatte” wird
auch teilweise der Begriff ”optoelektronische
Leiterplatte” oder ”elektrooptische
Leiterplatte” verwendet.
Eine solche Leiterplatte ist beispielsweise aus der E 13 59 441
A1 bekannt. Regelmäßig wird
in derartigen Systemen ein Lichtleiter, z. B. eine Lichtleitfaser
oder ein Lichtwellenleiter verwendet, die einen Teil der aus normalerweise
Kupfer hergestellten elektrischen Verdrahtung auf der Leiterplatte
ersetzt, um statt des elektrischen Signals ein optisches Signal
zu nutzen. Zum Beispiel sind in der optischen Leiterplatte Lichtleiter
integriert, die einen Kern aus Polymer oder Glas besitzen, und ummantelt
sind mit einem Material, das einen kleineren Brechungsindex besitzt.
Es ist weiterhin bekannt, optische Leiterplatten in SMD-Technik
mit optoelektronischen Bauteilen, wie z. B. optischen Receivern
zu bestücken,
um aus den Lichtsignalen elektrische Signale erzeugen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einsatzbereich von optoelektronischen
Vorrichtungen mit einer optischen Leiterplatte zu erweitern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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In
den abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung geht von einer optoelektronischen Vorrichtung mit einer
optischen Leiterplatte aus, welche integrierte Lichtleiter sowie
Elektronikmittel umfasst. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass
Freiraumemissionsmittel mit einer Ablenkeinrichtung zur Emission
von Lichtstrahlen in ansteuerbar, veränderbar unterschiedliche Raumwinkelrichtungen
auf der Lichtleiterplatte angeordnet sind und dass die Freiraumemissionsmittel
mit einem Lichtleiter der Leiterplatte optisch gekoppelt sind.
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Durch
diese Vorgehensweise lässt
sich eine enorme Miniaturisierung von optoelektronischen Modulen
erreichen, die Licht in den freien Raum emittieren. Beispielsweise
werden miniaturisierte Beamer, z. B. in Handys oder spezialisierte
Endoskope erst durch eine solche Miniaturisierung möglich.
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Miniaturisierte
Beamer, Endoskope oder ähnliche
elektronische Systeme zur Freiraumemission bestehen heutzutage aus
Einzelkomponenten, die Justage der optischen und optoelektronischen
Komponenten ist typischerweise schwierig und limitiert die Performance
der Systeme.
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Durch
eine Anbringung von Freiraumemissionsmitteln unmittelbar auf der
optischen Leiterplatte lässt
sich eine große
Genauigkeit der Positionierung anderer auf der Leiterplatte montierter
optischer Module zu den Freiraumemissionsmitteln und insbesondere
zu Lichtleitersystemen und Koppelstellen erreichen. Durch diese
Vorgehensweise lassen sich darüber
hinaus die Kosten bei der Herstellung reduzieren, insbesondere durch
eine Verringerung der Fertigungskomplexität der elektrischen Module. Überdies wird
aufgrund der verbesserten Justage und kompakten Anbringung eine
Reduktion von Streulicht erreicht.
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Als
Freiraumemissionsmittel können
verschiedene optische Einheiten zur Anwendung kommen. Beispielsweise
lässt sich
ein miniaturisierter Scanner (Mikroscanner) einsetzen. Es können jedoch
auch flächige
Lichtablenkeinheiten zur Anwendung kommen, wie z. B. ein LCD (Liquid
Crystal Display), ein LCoS (Liquid Crystal an Silicon) und/oder ein
DMD-Chip (Digital Mirror Devise-Chip).
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Im
Weiteren ist es bevorzugt, wenn eine Lichtquelle ebenfalls auf der
optischen Leiterplatte montiert ist. Zum Beispiel kann ein Laser
oder eine LED (Light Emitting Diode) verwendet werden.
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Eine
Reduktion der Fertigungskomplexität lässt sich auch dadurch erreichen,
dass Bauelemente in die optische Leiterplatte durch ”Ein-Snappen” montiert
werden.
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Zum
Beispiel können
auch Freiraumemissionsmittel, wie Mikroscanner oder Linsen sowie
Blenden senkrecht zur optischen Leiterplatte montiert werden. Durch
diese Maßnahme
kann gegebenenfalls eine Vereinfachung bei der Lichtführung erreicht werden.
Findet eine Flip-Chip-Montage statt, können mit unterschiedlichen ”Bump-Höhen”, Lichtquellen, Freiraumemissionsmittel
und andere Einheiten auch geneigt montiert werden.
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Optische
und elektrische Ebenen in der optischen Leiterplatte werden vorzugsweise
derart gezielt strukturiert, dass ohne zusätzliche Elemente oder Prozessschritte
Blenden oder Linsenmittel realisiert werden. Solche Elemente müssen dann
nachträglich
nicht durch eine aufwändige
Justage und Montage an der Leiterplatte angeordnet werden.
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Lichtleiter
können
auch in hochintegrierter Form, z. B. als photonische Kristallstruktur
realisiert auf der Leiterplatte aufgebaut werden.
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Für eine gute
optische Performance der Freiraumemissionsmittel wird im Weiteren
vorgeschlagen, dass die Freiraumemissionsmittel über mehrere Lichtleiter mit
mehreren Lichtquellen optisch gekoppelt sind. Damit lassen sich
z. B. Bilder in natürlichen Farben
projizieren. Denkbar sind z. B. Anwendungen in Handys, die dadurch
in der Lage sind, eine Projektion von farbigen Bildern auf Oberflächen auszuführen.
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Die
Kopplung der Freiraumemissionsmittel an mehrere Lichtquellen kann über mehrere
Lichtleiter erfolgen, die unmittelbar an die Freiraumemissionsmittel
angeschlossen sind oder sich, bevor sie die Freiraumemissionsmittel
erreichen, zu einem Lichtleiter vereinigen, der dann in die Freiraumemissionsmittel
eingeleitet wird. Das hat den Vorteil, dass Licht verschiedener
Lichtquellen nicht mit unterschiedlichen Winkeln auf die Freiraumemissionsmittel
trifft, sondern nur eine Richtung besitzt.
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Zur
Einspeisung von Licht verschiedener Lichtquellen ist es darüber hinaus
bevorzugt, wenn mehrere Lichtquellen sequentiell an einem Lichtleiter angeordnet
sind. Durch diese Maßnahme
wird automatisch nur ein Lichtleiter zu den Freiraumemissionsmitteln
geführt.
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In
einer überdies
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Leiterplatte
ein Detektor zur Abstandsbestimmung von Objekten angeordnet. Der Detektor
kann z. B. im Infrarotbereich arbeiten. Für die Anwendung in einem Beamer
kann neben den sichtbaren Farben rot, grün und blau zusätzlich ein Infrarotsignal
verwendet werden. Dieses Infrarotsignal ist für den menschlichen Betrachter
unsichtbar, so dass es den Bildeindruck nicht stört. Das Infrarotsignal kann
zur Bestimmung des Abstandes von Gegenständen im Lichtkegel des Beamers
genutzt werden. Damit lässt
sich die Sicherheit für
Anwender verbessern, deren Augen gegebenenfalls durch das Beamerlicht
in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Befindet sich ein Nutzer
z. B. näher
am Beamer als ein definierter minimaler Grenzwert, was sich über die
Abstandsmessung feststellen Misst, so kann die Strahlungsleistung
so weit reduziert werden, dass eine Augensicherheit für den Anwender
gewährleistet
ist. Die Abstandsbestimmung erfolgt beispielsweise durch Detektion
des rückreflektierten
Infrarotlichts. Der Infrarotdetektor kann an verschiedenen Stellen
der optischen Leiterplatte realisiert werden. Die Einkopplung des
Infrarotsignals kann auf die gleiche Weise erfolgen, wie das z.
B. Drei-Farben-Licht des Beamers eingespeist wird, und lässt sich
zu einem Scannerelement über
das für
die drei Farben genutzte Lichtleitersystem führen.
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Um
insbesondere den ”Speckle-Effekt” zu reduzieren,
der eine Art ”Wabern” eines
projizierten Bildes auf der Grundlage von Laserlichtquellen verursacht,
ist es im Weiteren bevorzugt, wenn in einem Lichtleiter, der zu
den Freiraumemissionsmitteln geführt
ist, ein optischer Modulator angeordnet ist. Als optische Modulatoren
können
z. B. Kerr- oder Pockels-Zellen oder zeitlich variierende DOE (Diffraktive
optische Elemente) sowie zeitlich variierende photonische Kristalle
zur Anwendung kommen. Mit diesen Elementen kann insbesondere die
Amplitude, Phase oder Polarisation moduliert werden. Durch eine
Amplitudenmodulation ist es denkbar, für z. B. Beameranwendungen Continous
Wave-Laserquellen anstatt modulierter Laserquellen zu verwenden. Dies
kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn grünes Licht projiziert werden
soll, da schnell modulierende grüne
Laserquellen derzeit noch nicht serienreif verfügbar sind und zudem einen großen Kostenanteil
bei einem Laserprojektionsbeamer ausmachen. Eine Modulation durch
einen Modulator sollte vorzugsweise schnell, d. h. im Bereich von
mehreren zehn MHz erfolgen. Ist die Modulationsfrequenz höher als
die Integrationszeit des Detektors, beispielsweise des menschlichen
Auges, lässt
sich im Falle einer Laserprojektion durch die Modulation der ”Speckle-Effekt” reduzieren.
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Ein
Modulator kann in einer Vertiefung der optischen Leiterplatte sozusagen
als Bindeglied zwischen zwei Lichtleitern in deren Ebene liegen.
Es kann z. B. über
SMD-Technik montiert
werden oder durch Flip-Chip-Montage. Alternativ ist es jedoch auch
denkbar, den Modulator auf der Oberfläche der Leiterplatte anzuordnen.
In diesem Fall muss allerdings das Licht zu dem oberflächenmontierten
Bauteil geführt
werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend
unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.
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Es
zeigen
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1a und 1b:
in einem stark schematisierten Schnittbild jeweils optische Leiterplatten
mit elektrooptischen Modulen,
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2 bis 5:
in jeweils einer stark schematisierten Draufsicht den prinzipiellen
Aufbau einer optischen Leiterplatte mit Lichtleitern und elektrooptischen
Modulen von vier verschiedenen Ausführungsformen,
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6:
in einem schematisierten Schnittbild eine weitere Ausführungsform
einer optischen Leiterplatte mit integrierten optoelektronischen
Modulen und
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7a bis 8b:
den prinzipiellen Aufbau von zwei weiteren Ausführungsbeispielen einer optischen
Leiterplatte in einer schematisierten Draufsicht (7a und 8a)
sowie in einer schematisierten Seitenansicht (7b und 8b).
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1a zeigt
den schematischen Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung 1 mit
einer optischen Leiterplatte 2, die integrierte Lichtleiter 3, 4, 5 sowie
eine Ablenkeinrichtung in Form eines Mikroscanners 6 und
eine Lichtquelle, z. B. in Form eines VCSEL-Lasers 7. Die
Lichtleiter 3, 4, 5 umfassen einen Lichtleiterkern 8 und
einen Lichtleitermantel 9. Der Lichtleiter 3 besitzt
zur Ein- und Auskopplung eines Lichtstrahls 10 geneigte
Spiegelflächen,
z. B. um 45° geneigte
Spiegelflächen 11, 12 am
jeweiligen Ende des Lichtleiters 3.
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Eine
elektrische Lage 13 kann in der optischen Leiterplatte
unterhalb einer Ebene der Lichtleiter 3, 4, 5 angeordnet
sein. Die Lichtquelle 7 und der Mikroscanner 6 sind
vorzugsweise über Flip-Chip-Technik
montiert. Der Mikroscanner 6 weist z. B. ein Spiegelelement 14 auf,
das durch geeignete Ansteuerung den Lichtstrahl 10 in verschiedene Raumwinkelrichtungen
reflektieren kann, um bei entsprechender Modulation des Lichtstrahls,
z. B. auf einer Projektionsebene, ein Bild entstehen zu lassen.
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Ein
möglicher
Raumwinkel ist durch ein schraffiertes Dreieck 15 symbolisiert.
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Da
die Ablenkeinheit 6 nicht in Abstrahlrichtung der Lichtquelle 7 liegt,
wird Streulicht reduziert. Eine Lötverbindung von Lichtquelle 7 und
Mikroscanner 6 mit der Leiterplatte 2 ermöglicht eine
einfache Justage mit Selbstjustageeffekt über die entsprechenden Lötpads. Dieser
Vorteil kann insbesondere bei Flip-Chip-Montage genutzt werden.
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1b zeigt
abschnittsweise die gleiche optische Leiterplatte, wie in 1a,
jedoch nicht mit einer Lichtquelle 7 in Form eines Flächenemitters,
sondern in Form eines Kantenemitters 16, der in der Achse
des Lichtleiters 17 einen Lichtstrahl 18 einstrahlt.
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Um
das emittierte Licht mehrerer Lichtquellen in ein und derselben
Ablenkeinrichtung verarbeiten zu können, sind Anordnungen gemäß der 2 bis 5 realisierbar.
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In 2 wird
von drei Lichtquellen 19a, 19b, 19c für z. B.
die Farben rot, grün,
blau, über
drei separate Lichtleiter 20a, 20b, 20c Licht
zu einer Ablenkeinrichtung, z. B. zu einem Mikroscanner 21 geführt. Damit
nimmt man allerdings in Kauf, dass Teilstrahlen 22a, 22b, 22c in
unterschiedlichen Winkeln auf die Ablenkeinrichtung 21 treffen
und hierdurch die jeweiligen Teilbilder auf einer Projektionsfläche gegeneinander
versetzt sein können.
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Um
dies zu vermeiden, können
die Lichtquellen 19a, 19b in einen Lichtleiter
eingekoppelt werden.
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In 3 wird
dies dadurch realisiert, dass Lichtleiterkerne von Lichtleitern 23a und 23b abschnittsweise
in einem vergleichsweise geringen Abstand zu einem Lichtleiter 23c geführt werden,
so dass das Licht in dem Lichtleiter 23a und 23b in
den Lichtleiter 23c als gemeinsamer Lichtleiter überkoppelt.
Dies kann durch konventionelle Glasfaser-Wellenleiter prinzipiell
realisiert werden, ist jedoch bei der Herstellung im Rahmen einer
optischen Leiterplatte sehr viel einfacher realisierbar.
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Gemäß 4 werden
die Lichtleiterkerne 24a, 24b, 24c von
Lichtleitern 25a, 25b und 25c, die von
drei Lichtquellen 19a, 19b und 19c gespeist
werden, zu einem einzigen Lichtleiterkern 24d zusammengeführt, der
in die Ablenkeinrichtung 21 einkoppelt. Mit den Ausführungsformen
gemäß der 3 und 4 lassen
sich die Nachteile von unterschiedlichen Einkoppelrichtungen somit
vermeiden.
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Im
Rahmen einer optischen Leiterplatte können die Lichtleiter auch übereinander
angeordnet werden, da in optischen Leiterplatten die Lichtleiter
in verschiedenen Ebenen des Substrats verlaufen können.
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Die
Form der Lichtleiter lässt
sich auch nutzen, um Kopplungseigenschaften im Hinblick auf das Ein-
und Auskoppeln von Licht, z. B. durch geeignete Randstrukturierung
der Lichtleiter vorzugeben.
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In 5 ist
eine Variante dargestellt, bei welcher drei Lichtquellen 19a, 19b, 19c in
einen Lichtleiter 26 einkoppeln. Dadurch ergeben sich die
gleichen Vorteile, wie für
die Ausführungsformen
gemäß der 3 und 4.
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Die
Ausführungsform
gemäß 6 entspricht
der Ausführungsform
gemäß der 1a mit dem
Unterschied, dass an der optischen Leiterplatte 2 ein Infrarotdetektor 27 vorgesehen
ist. Damit kann neben dem sichtbaren Licht, das von der Lichtquelle 7 in
die Anordnung eingestrahlt wird, z. B. infrarotes Licht mit eingekoppelt
werden, mit dessen Hilfe eine Abstandsbestimmung zu einem Objekt 28 durchführbar ist.
Dies ist für
den Fall von Vorteil, wenn ein Objekt dem sichtbaren Lichtstrahl
des Mikroscanners 6 zu nahe kommt. Dann kann eine Regelung
die Intensität
des Lichtstrahls reduzieren, um z. B. die Augensicherheit von Benutzern
zu gewährleisten.
Der dem sichtbaren Licht überlagerte
Infrarotstrahl ist dabei für
den Benutzer unsichtbar und stört
ein eigentliches Projektionsbild nicht.
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In
den 7a und 7b ist
eine Variante der Anordnung gemäß 1a dargestellt,
bei welcher im Lichtleiter 3 ein Modulator 29 eingebaut
ist. Der Modulator 29 kann z. B. in SMD- bzw. Flip-Chip-Technologie
an der Leiterplatte angebracht werden. Mit Hilfe des Modulators
kann Einfluss auf das von der Lichtquelle 10 abgestrahlte
Licht 8 genommen werden. Zum Beispiel lässt sich durch geeignete Modulation
der ”Speckle-Effekt” reduzieren bzw.
vermeiden, wenn die Lichtquelle ein Laser ist. Außerdem können aus
nicht modulierbaren Lichtquellen modulierte Lichtquellen erzeugt
werden.
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Bei
konventionellen Glasfasertechnologien ist der Querschnitt des Lichtleiters üblicherweise über die
gesamte Länge
konstant. Insbesondere kann die Stirnfläche zum Ein- und Auskoppeln
des Lichts nur regelmäßig eben
gestaltet werden, z. B. durch Brechen bzw. Schleifen oder Polieren.
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Bei
optischen Leiterplatten hingegen kann die Querschnittsfläche des
Lichtleiters bei der Herstellung ohne zusätzliche Prozessschritte entsprechend
angepasst werden. Beispielsweise kann durch Photolithographie ein örtlich variierender
Querschnitt definiert werden.
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Dies
ermöglicht
insbesondere:
- a) die Variation der Lichtleiterbreite
entlang der Ausbreitung des Lichts. Dies kann genutzt werden, um
die Anzahl und Art der Moden im Lichtleiter zu beeinflussen und
auf diese Weise z. B. den ”Speckle-Effekt” zu verbessern;
- b) die Reduktion von Kopplungsverlusten an Y-Splittern, da die
Geometrie der Kopplungsstelle zwischen den Lichtleitern optimiert
werden kann;
- c) große
Freiheiten zur Gestaltung der Ein- und Auskoppelstelle zur Lichtquelle,
zum Modulator oder zum Mikroscanner. Insbesondere können konvexe
und konkave Linsen realisiert werden zur Sammlung des einfallenden
Lichtes sowie zur Formung des austretenden Lichtes. Hierdurch kann
insbesondere der austretende Lichtstrahl auf die Ablenkeinheit fokussiert
werden. Auf diese Weise ist es möglich,
kleinere Ablenkeinheiten zu verwenden, beispielsweise durch Verringerung des
Durchmessers der Spiegelfläche
in einem Mikroscanner;
- d) die Verwendung von Lichtleitern zur Strahlformung, beispielsweise
zum Design des Lichtpunktes für
Beleuchtungszwecke und für
LIDAR. Damit wird es möglich,
Laserlichtquellen durch konventionelle LED-Lichtquellen zu ersetzen.
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Die
Ausführungsform
gemäß 8a und 8b entspricht
der Ausführungsform
gemäß 1a bis
auf zwei Punkte:
- 1. Zunächst ist der Mikroscanner transparent.
- 2. Des Weiteren ist das Ende des Lichtleiters 3 vor der
Auskopplung in Richtung Mikroscanner linsenförmig gestaltet, so dass eine
Fokussierung des darin geführten Lichtes
stattfindet. Der Lichtstrahl 10 wird dann auf einen Umlenkspiegel 30 geführt, der
das Licht zum Spiegelelement 14 des Mikroscanners 6 führt. Wie
bereits oben beschrieben ist insbesondere im Rahmen der Technologie der
optischen Leiterplatte eine solche Ausgestaltung leicht und kostengünstig möglich.