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Technisches Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einer Projektionsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Projektionsvorrichtungen bekannt, wie sie in den 1a, 1b und 1c dargestellt sind.
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1a zeigt eine perspektivische Darstellung einer Projektionsvorrichtung mit einem Strahlteiler 14 gemäß dem Stand der Technik. Die Projektionsvorrichtung umfasst dabei drei Strahlungsquellen 12, insbesondere Laserdioden, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Dabei wird der emittierte Lichtstrahl, der in der Regel in seinem Querschnitt elliptisch ist, durch einen Strahlformer 16 in einen Strahl mit kreisförmigen Querschnitt geformt. Der Strahlformer kann dabei zusätzlich eine homogenisierende Funktion bezüglich der Intensitätsverteilung des Strahls besitzen. Eine dem Strahlformer nachgeschaltete Sammellinse 18a kollimiert den Strahl, der anschließend an einer Strahlteilungsfläche 22 des Strahlteilers 14 in einen reflektierten und einen transmittierten Teilstrahl geteilt wird. Der transmittierte Teilstrahl wird mittels einer weiteren Sammellinse 18b auf eine Photodiode 20 fokussiert und als Referenzstrahl verwendet. Der reflektierte Teilstrahl wird im Strahlteiler 14 mit den anderen reflektierten Teilstrahlen überlagert um einen kombinierten Farbton zu erzeugen.
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1b zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Teil der in 1a abgebildeten Projektionsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist nur eine Strahlungsquelle 12 abgebildet und der Verlauf ihres emittierten Strahls. Der Strahl wird an einer Strahlteilerfläche 22 des Strahlteilers 14 in einen reflektierten und einen transmittierten Teilstrahl geteilt, deren Ausbreitungsrichtungen in der Regel orthogonal zueinander sind, da die Strahlteilungsfläche 22 üblicherweise in einem Winkel von 45° bezüglich des einfallenden Strahls angeordnet ist. Die x-Achse ist dabei parallel zur Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 14 und die z-Achse zeigt in Ausbreitungsrichtung des von der Strahlungsquelle 12 emittierten Strahls.
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1c zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die in 1a dargestellte Projektionsvorrichtung quer zur Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 14 gemäß dem Stand der Technik; Die z-Achse zeigt wiederum in Ausbreitungsrichtung des von der Strahlungsquelle 12 emittierten Strahls und die y-Achse steht senkrecht auf der z-Achse und der Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 14. Der von der Strahlungsquelle 12 emittierte Strahl wird zunächst vom Strahlformer 16 in y-Richtung geformt, da der Strahl in diesem Beispiel in y-Richtung stärker aufgeweitet ist, als in x-Richtung (vgl. 1b). Anschließend wird er durch eine Sammellinse 18a kollimiert und der transmittierte Teilstrahl durch eine weitere Sammellinse 18b auf eine Photodiode 20 fokussiert.
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Die
WO 2008/029337 A1 offenbart einen Strahlkombinierer für mehrere Lichtquellen.
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Die
US 2003/0058414 A1 offenbart ein optisches Bildgebungssystem mit einem Strahlteiler, bei dem so genannte Geisterbilder verhindert werden sollen.
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Nachteilig bei derartigen Projektionsvorrichtungen ist, dass sie aufgrund der vielen benötigten optischen Komponenten relativ groß und teuer sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Projektionsvorrichtung bereitzustellen, die platzsparender und kostengünstiger ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Projektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung umfasst eine erste Strahlungsquelle zur Emission eines ersten Strahls und eine zweite Strahlungsquelle zur Emission eines zweiten Strahls und einen Strahlteiler, der dazu ausgelegt ist, den ersten und den zweiten Strahl an jeweils einer Strahlteilungsfläche im Strahlteiler in jeweils einen transmittierten und einen reflektierten Teilstrahl zu teilen. Weiterhin ist der Strahlteiler zylinderförmig ausgebildet und weist in einer Querschnittsebene senkrecht zu einer gemeinsamen Ausbreitungsrichtung der reflektierten Teilstrahlen eine kreisförmige oder elliptische Kontur auf, die derart ausgebildet ist, dass die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung durch die Kontur des Strahlteilers mindestens in einer Ebene kollimierbar ist. So ist es möglich die Kollimationseigenschaften einer Sammellinse in den Strahlteiler zu integrieren, wodurch zum einen sehr viel Platz gespart wird und was zum anderen auch kostengünstiger ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der transmittierte Teilstrahl mittels des Strahlteilers mindestens in einer Ebene fokussierbar. Somit kann durch die fokussierende Wirkung des Strahlteilers auch die Funktion einer zweiten Sammellinse, die den transmittierten Teilstrahl auf eine Photodiode fokussiert, in den Strahlteiler integriert werden. Auch dies führt zu einer weiteren Platzersparnis und zu einer zusätzlichen Kostenreduktion.
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Bevorzugt sind die Ausbreitungsrichtungen des reflektierten und des transmittierten Teilstrahls orthogonal zueinander. Denn es stellt eine besonders einfache und effektive Ausbildung des Strahlteilers dar, wenn die Strahlteilungsfläche im Strahlteiler einen 45°-Winkel mit dem einfallenden Strahl einschließt.
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Die Projektionsvorrichtung umfasst die mindestens zwei Strahlungsquellen, die dazu ausgelegt sind, Strahlung zu emittieren, und vorzugsweise mindestens zwei Strahlformer, wobei jeder Strahlungsquelle ein Strahlformer zugeordnet ist, der sich im jeweiligen Strahlengang der Strahlung der zugeordneten Strahlungsquelle zwischen der zugeordneten Strahlungsquelle und dem Strahlteiler befindet.
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Die Strahlung der mindestens zwei Strahlungsquellen ist mittels des Strahlteilers in jeweils einen reflektierten und einen transmittierten Teilstrahl teilbar, die sich in ihrer Ausbreitungsrichtung unterscheiden, wobei die Ausbreitungsrichtungen der reflektierten Teilstrahlen parallel zueinander sind. Insbesondere werden die reflektierten Teilstrahlen im Strahlteiler überlagert. So kann eine Projektionsvorrichtung mit mehreren Strahlungsquellen sehr kompakt und kosteneffizient ausgestaltet werden.
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In einer bevorzugten Variante der Erfindung unterscheidet sich die von der ersten Strahlungsquelle emittierte Strahlung in ihrer Zentrums-Wellenlänge von der von der zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlung. So kann bei der Überlagerung der reflektierten Teilstrahlen im Strahlteiler ein kombinierter Farbton erzeugt werden. Vorteilhafterweise umfasst die Projektionsvorrichtung drei Strahlungsquellen unterschiedlicher Zentrums-Wellenlänge, beispielsweise im roten, grünen und blauen Spektralbereich, um ein besonders breites Farbspektrum durch Überlagerung der drei reflektierten Teilstrahlen darstellen zu können.
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Des Weiteren können die Strahlungsquellen derart angeordnet sein, dass die Strahlengänge der von den jeweiligen Strahlungsquellen emittierten Strahlen parallel zueinander sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache, unkomplizierte und kompakte Ausgestaltung der Projektionsvorrichtung und des Strahlteilers.
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Darüber hinaus kann die mindestens eine Strahlungsquelle ein Laser, eine Laserdiode, eine Superlumineszenzdiode oder Leuchtdiode sein.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Figurenliste
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
- 1a eine perspektivische Darstellung einer Projektionsvorrichtung mit einem quaderförmigen Strahlteiler gemäß dem Stand der Technik;
- 1b eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Teil der in 1a abgebildeten Projektionsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
- 1c eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die in 1a dargestellte Projektionsvorrichtung quer zur Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers gemäß dem Stand der Technik;
- 2a eine perspektivische Darstellung einer Projektionsvorrichtung mit einem zylinderförmigen Strahlteiler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2b eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Teil der in 2a abgebildeten Projektionsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2c eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die in 2a dargestellte Projektionsvorrichtung quer zur Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3a eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Projektionsvorrichtung mit einem Strahlteiler, an dessen quaderförmiger Grundform zwei plan-konkave Sammellinsen kontaktierend angeordnet sind, die nicht Gegenstand der Erfindung ist; und
- 3b eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Projektionsvorrichtung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, quer zur Längserstreckungsrichtung eines Strahlteilers, an dessen quaderförmiger Grundform zwei plan-konkave Sammellinsen kontaktierend angeordnet sind.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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2a zeigt eine perspektivische Darstellung einer Projektionsvorrichtung 10 mit einem zylinderförmigen Strahlteiler 24 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind drei Strahlungsquellen 12, insbesondere Laserdioden, dargestellt die jeweils Strahlen unterschiedlicher Zentrums-Wellenlänge emittieren. Ein emittierter Strahl wird dabei zunächst von einem Strahlformer 16 geformt, insbesondere ist der Strahl auch mittels des Strahlformers bezüglich seiner Intensitätsverteilung homogenisierbar, und mittels des Strahlteilers 24 in einen reflektierten und einen transmittierten Teilstrahl geteilt. Gleichzeitig übernimmt der zylinderförmig ausgebildete Strahlteiler 24 dabei die Funktionen der beiden separaten Sammellinsen 18a, 18b der Projektionsvorrichtungen aus dem Stand der Technik. Durch die gekrümmte Kontur seiner Oberfläche wird der Strahl beim Eintritt in den Strahlteiler 24 kollimiert und der transmittierte Teilstrahl beim Austritt aus dem Strahlteiler 24 fokussiert. Die reflektierten Teilstrahlen werden dabei im Strahlteiler 24 überlagert um einen kombinierten Farbton zu erzeugen. Bevorzug sind dabei die Strahlungsquellen 12, insbesondere die Laserdioden, derart ausgerichtet, dass ihre emittierten Strahlen parallel verlaufen. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Strahlteilungsflächen 22 des Strahlteilers 24 in einem 45°-Winkel bezüglich der einfallenden Strahlen angeordnet sind, so dass die reflektierten und transmittierten Teilstrahlen jeweils orthogonal zueinander sind.
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2b zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Teil der in 2a abgebildeten Projektionsvorrichtung 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die x-Achse ist wiederum parallel zur Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 24 und die z-Achse zeigt in Ausbreitungsrichtung des von der Strahlungsquelle 12, insbesondere der Laserdiode, emittierten Strahls. Der Strahlteiler 24 weist dabei in einem Querschnitt parallel zur Ausbreitungsrichtung des reflektierten Teilstrahls ein rechteckförmiges Profil auf, insbesondere in der hier abgebildeten Querschnittsebene, die den reflektierten und den transmittierten Teilstrahl beinhaltet. Der Strahlteiler weist demzufolge in diesem Ausführungsbeispiel keine Oberflächenkrümmung entlang seiner Längserstreckungsrichtung auf. Somit besitzt der Strahlteiler in der abgebildeten x-z-Ebene weder kollimierende noch fokussierende Eigenschaften, jedoch in der y-z-Ebene (vgl. 2c). Die Kollimation des Strahls in der x-z-Ebene wird hier jedoch durch den Strahlformer 16 bewirkt. Da der transmittierte Teilstrahl nur als Referenzstrahl verwendet wird, ist die Fokussierung des transmittierten Teilsstrahls in einer Ebene ausreichend.
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2c zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die in 2a dargestellte Projektionsvorrichtung 10 quer zur Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 24 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die z-Achse zeigt wiederum in Ausbreitungsrichtung des von der Strahlungsquelle 12, insbesondere von der Laserdiode, emittierten Strahls und die y-Achse steht senkrecht auf der z-Achse und der Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 24. Der Strahlteiler 24 weist in der Querschnittsebene senkrecht zum reflektierten Teilstrahl, insbesondere senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 24 eine gekrümmte, insbesondere eine kreisförmige oder elliptische, Kontur auf. Dadurch ist es möglich den Strahl in der y-z-Ebene beim Eintritt in den Strahlteiler 24 zu kollimieren und den transmittierten Teilstrahl beim Austritt aus dem Strahlteiler 24 zu fokussieren, insbesondere auf eine Photodiode 20. Der Strahlformer 16 übernimmt in diesem Fall in y-Richtung keine formende Funktion. Durch den Vergleich der 1a, 1b und 1c mit 2a, 2b und 2c wird deutlich ersichtlich, dass eine Projektionsvorrichtung 10 mit einem Strahlteiler 24, der die kollimierenden und fokussierenden Funktionen von Sammellinsen 18a, 18b übernimmt, deutlich kompakter und platzsparender und durch das Wegfallen optischer Komponenten auch weniger komplex und kostengünstiger ist.
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3a zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Projektionsvorrichtung mit einem Strahlteiler 24, an dessen quaderförmiger Grundform zwei plan-konkave Sammellinsen 28a, 28b kontaktierend angeordnet sind. Die z-Achse zeigt dabei in Ausbreitungsrichtung des von der Strahlungsquelle 12, insbesondere der Laserdiode, emittierten Strahls und die x-Achse ist parallel zur Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 24. Auch hier ist es möglich eine sehr kompakte Anordnung der Projektionsvorrichtung 10 bereitzustellen, indem die kollimierenden und fokussierenden Eigenschaften der separaten Sammellinsen 18a, 18b, wie im Stand der Technik, in den Strahlteiler 24 integriert werden. Zusätzlich ist es bei dieser Ausbildung des Strahlteilers 24 auch möglich den Strahl in jeder Ebene parallel zu seiner Ausbreitungsrichtung, also auch in der x-z-Ebene, beim Eintritt in den Strahlteiler 24 zu kollimieren und den transmittierten Teilstrahl beim Austritt aus dem Strahlteiler 24 zu fokussieren.
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3b zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Projektionsvorrichtung 10 quer zur Längserstreckungsrichtung eines Strahlteilers 24, an dessen quaderförmiger Grundform zwei plan-konkave Sammellinsen 28a,28b kontaktierend angeordnet sind. Die z-Achse zeigt wieder in Ausbreitungsrichtung des von einer Strahlungsquelle 12 emittierten Strahls und die y-Achse steht senkrecht auf der z-Achse und der Längserstreckungsrichtung des Strahlteilers 24. Auch hier wird der Strahl in der y-z-Ebene durch die kontaktierend an der quaderförmigen Grundform des Strahlteilers 24 angeordneten Sammellinsen 28a, 28b beim Eintritt in den Strahlteiler 24 kollimiert und der transmittierte Teilstrahl beim Austritt aus dem Strahlteiler 24 auf die Photodiode 20 fokussiert. Auch bei diesen Ausführungsbeispielen gemäß 3a und 3b kann die Projektionsvorrichtung 10 noch mindestens eine weitere Strahlungsquelle 12, bevorzugt zwei weitere Strahlungsquellen 12, insbesondere Laserdioden, unterschiedlicher Zentrums-Wellenlänge umfassen, deren an den Strahlteilerflächen 22 im Strahlteiler 24 reflektierte Teilstrahlen im Strahlteiler 24 überlagerbar sind.
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Insgesamt wird so eine Projektionsvorrichtung bereitgestellt, die durch eine Ausbildung des Strahlteilers mit einer gekrümmten Oberfläche, insbesondere durch eine Ausbildung des Strahlteilers als Zylinder oder mit kontaktierend an der quaderförmigen Grundform des Strahlteilers angeordneten Sammellinsen, die kollimierenden und fokussierenden Funktionen von separaten Sammellinsen in den Strahlteiler integriert, wodurch weine wesentlich kompaktere, platzsparendere und kostengünstigere Anordnung der Projektionsvorrichtung ermöglicht wird.
