DE102014223992B4

DE102014223992B4 - Projektionseinrichtung

Info

Publication number: DE102014223992B4
Application number: DE102014223992.3A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Frank Schatz; Stefan Leidich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: DE102014223992A1

Abstract

Projektionseinrichtung mit einer Lichtquelleneinrichtung mit mehreren Laserlichtquellen (11, 12, 13) unterschiedlicher Farbe, wobei die Laserlichtquellen (11, 12, 13) auf einem Substrat (10) angeordnet sind, wobei die Laserlichtquellen (11, 12, 13) auf dem Substrat (10) von einem Polymer (30) umschlossen sind und dass das Polymer (30) derart strukturiert ist, dass von den mehreren Laserlichtquellen (11, 12, 13) emittierte Lichtstrahlen (31, 32, 33) zu einem Ausgabelichtstrahl (35) zusammengeführt und der Ausgabelichtstrahl (35) aus dem Polymer (30) herausgeführt wird, gekennzeichnet durch einen beweglichen Mikrospiegel (37) zur selektiven Ablenkung des Ausgabelichtstrahls (35) und eine Ansteuereinheit (6) zur Ansteuerung der einzelnen Laserlichtquellen (11, 12, 13) und des beweglichen Mikrospiegels (37) zur Erzeugung eines projizierten Bildes, wobei der Mikrospiegel (37) und die Laserlichtquellen (11, 12, 13) auf einem gemeinsamen Substrat (10) angeordnet sind.

Description

Stand der Technik
Offenbarung der Erfindung
Aus der US 2014/0176913 A1 ist bereits eine Laserprojektionseinrichtung bekannt, die ein Substrat beinhaltet, auf dem drei Laserchips unterschiedlicher Farbe angeordnet sind. Ferner sind auf dem Substrat mehrere Strahlteiler derart angeordnet, dass das Licht der unterschiedlichen Laserlichtquellen in vorgegebener Weise in einem Strahl zusammengemischt wird.
Aus der DE 10 2005 024 084 A1 ist eine Flächenlichtquellenvorrichtung bekannt, die eine Lichterzeugungsvorrichtung mit zumindest zwei Licht emmitierenden Elementen umfasst. Mit einer Lichtmischvorrichtung wird gemischtes Linearlicht erzeugt. Die Lichterzeugungsvorrichtung weist lichtemmitierende Elemente auf, die in der Lage sind rotes, grünes und blaues Licht auszusenden, dass von der Lichtmischvorrichtung gemischt wird.
Aus der DE 20 2012 005 432 U1 ist eine Mischvorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Lichtleiter bekannt. Hierbei wird das Licht einer mehrfarbigen LED in eine Lichtleitfaser eingekoppelt.
Aus der DE 10 2012 219 666 A1 ist eine Projektionsvorrichtung einer Lasereinrichtung bekannt, die dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl zu erzeugen und die eine einstellbare Mikrospiegeleinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, durch ein Ablenken eines Laserstrahls innerhalb eines Projektionsbereichs ein Bild auf eine Projektionsfläche zu erzeugen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Projektionseinrichtung mit einer Lichtquelleneinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass auf einem Substrat angeordnete Laserlichtquellen von einem transparenten Polymer umschlossen sind, wobei das Polymer derart strukturiert ist, das von den mehreren Laserlichtquellen emittierte Lichtstrahlen zu einem Ausgabelichstrahl zusammengeführt und dieser Ausgabelichtstrahl aus dem Polymermaterial herausgeführt wird. Hierdurch wird ein einfacher, platzsparender Aufbau einer Laserlichtquelleneinheit möglich, da keine zusätzlichen Lichtumlenkmittel montiert werden müssen. Zudem schützt das Polymer die Laserlichtquellen und das übrige Substrat gegenüber Verschmutzung und Feuchtigkeit. Durch die Umlenkung und die Auskopplung des Lichtes in dem Polymer kann insbesondere durch Ausnutzung von Totalreflexion im Polymer ein Verlust von Lichtleistung durch Reflexionsverluste vermieden werden. Zudem kann durch eine Anordnung des Polymers unmittelbar an der Laserlichtquelle ein Lichtverlust dadurch vermieden werden, dass kein Luftspalt zwischen einem Lichtleiter oder einem optischen Element sowie der Laserlichtquelle vorliegt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind in vorteilhafter Weise Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Projektionseinrichtung möglich. So ist es insbesondere vorteilhaft, das Polymer als ein optisch strukturierbares Polymer auszuführen, da hierdurch optische Elemente nach Aufbringen des Polymers von außerhalb auf einfache Weise in das Polymer eingebracht werden können.
Ferner ist es vorteilhaft, in dem Polymer ein holographisches optisches Element oder eine Indexgradientenlinse einzubringen, da diese optischen Elemente Platz sparen sowie individuell anpassbar und verlustarm sind.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Laserlichtquellen als Laserdioden auszuführen, da diese einerseits kostengünstig und andererseits insbesondere für einen Automobileinsatz recht unempfindlich sind.
Ferner ist es vorteilhaft, Laserlicht in derartig unterschiedlichen Farben vorzusehen, dass eine Mischung des Lichtes aller Laserlichtquellen weißes Licht ergibt, um einen möglichst großen Farbraum bei einer Bildprojektion mittels des verwendeten Laserlichtes abdecken zu können.
Vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Projektionseinrichtung mit einer derartigen Lichtquelleneinrichtung, bei der ein beweglicher Mikrospiegel zur selektiven Ablenkung des Ausgabelichtstrahls vorgesehen ist. Dieser wird, ebenso wie die Laserlichtquellen von einer Ansteuereinheit so angesteuert, dass ein Bild projiziert werden kann. Hiermit ist eine kostengünstige und zuverlässige Projektionseinrichtung realisiert. Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, den Mikrospiegel und die Laserlichtquellen auf einem gemeinsamen Substrat anzuordnen, da hierdurch eine genaue Positionierung der Laserlichtquelle gegenüber dem Mikrospiegel auf dem gemeinsamen Substrat möglich ist.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelleneinrichtung erfolgt dabei beipielsweise derart, dass die Laserlichtquellen auf dem Substrat angeordnet und anschließend mit dem Polymer umgossen werden. Hieran schließt sich eine Strukturierung des Polymers an.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Projektionseinrichtung mit einer Lichtquellenanordnung,
2 eine erfindungsgemäße Projektionseinrichtung mit einer Lichtquellenanordnung in einer Aufsicht,
3 die erfindungsgemäße Projektionseinrichtung gemäß der 2 in einer Seitenansicht.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine Projektionseinrichtung 1 dargestellt, die eine Lichtquelleneinrichtung 2 aufweist. Ein von der Lichtquelleneinrichtung 2 ausgesendeter Lichtstrahl 3 wird über eine bewegliche Spiegelanordnung 4, die vorzugsweise als ein Mikrospiegel ausgeführt ist, auf eine Projektionsfläche 5 gelenkt. Eine Ansteuereinheit 6 steuert dabei eine Antriebseinheit 7 des Mikrospiegels derart, dass der Lichtstrahl 3 die Projektionsfläche 5 in einem vorgegebenen Muster abrastert. Die Ansteuereinheit 6 steuert dabei auch die Lichtquelleneinrichtung 2 derart, dass eine Helligkeit und ggf. auch eine Farbe des Lichtstrahls 3 durch eine Helligkeitsmodulation der in der Lichtquelleneinrichtung 2 angeordneten Lichtquellen hierbei nach einem vorgegebenen Muster derart verändert wird, das für das Auge eines Betrachters auf der Projektionsfläche 5 infolge einer Abtastung mit dem Lichtstrahl 3 eine Bilddarstellung entsteht. Eine entsprechende darzustellende Bildinformation wird der Ansteuereinheit 6 über einen Dateneingang 8 zugeführt.
In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die Kombination der Lichtquelleneinrichtung 2 und der Anordnung des Spiegels 4 mit der Antriebseinheit 7 auf einem Substrat 10 dargestellt. Das Substrat 10 kann beispielsweise als ein Halbleitersubstrat, beispielsweise Silicium, ein Glas oder ein Polymer ausgeführt sein.
Auf dem Substrat sind eine erste Lichtquelle 11, eine zweite Lichtquelle 12 und eine dritte Lichtquelle 13 angeordnet. Die Lichtquellen 11, 12, 13 sind als Laserlichtquellen ausgebildet. Sie sind insbesondere als Halbleiter-Laserdioden, insbesondere als Bare-Die-Dioden ausgeführt. Die erste Lichtquelle 11 ist beispielsweise eine rote, die zweite Lichtquelle 12 eine grüne und die dritte Lichtquelle 13 eine blaue Lichtquelle. Die erste Lichtquelle 11 sendet einen ersten Lichtstrahl 31, die zweite Lichtquelle 12 einen zweiten Lichtstrahl 32 und die dritte Lichtquelle 33 aus. Die Farben der Lichtquellen 11, 12, 13 sind bevorzugt derart gewählt, dass das Licht des Ausgabestrahls möglichst weißes Licht ergibt.
Die Lichtquellen 11, 12, 13 und die übrige Oberfläche des Substrates 10 bedeckend ist eine in der 2 nicht dargestelltes, optisch transparentes Polymer angeordnet, das vorzugsweise als ein Fotopolymer ausgeführt ist. Beispielsweise kann ein Kunststoff enthaltend Urethanacrylat verwendet werden. Ferner sind auch geeignete andere Oligomere auswählbar, z.B. acrylisierte Polyester oder Polyetylene.
Das Polymer schließt sich bevorzugt unmittelbar an einen Ausgang der Lichtquellen 11, 12, 13 ohne einen Luftspalt an. Das von den Lichtquellen 11, 12, 13 erzeugte Laserlicht wird somit in das Polymer eingekoppelt.
Eine Auskopplung des Lichts aus den Lichtquellen 11, 12, 13 kann auch durch eine Taper-Struktur erfolgen. In diesem Fall sollten die Lichtquellen das Polymer im Bereich der Lichteinkopplung nicht unmittelbar kontaktieren.
In der hier gezeigten Ausführungsform sind benachbart zum Lichteintritt in das Polymer an der ersten Lichtquelle 11 Strukturen 21 in das Polymer eingebracht, die das aus der ersten Lichtquelle 11 austretende Laserlicht in Richtung einer Substratmitte umlenken. Entsprechend sind an einem Lichtaustritt der dritten Lichtquelle 13 ähnliche Strukturen 22 angebracht, die das Licht jedoch in eine entgegengesetzte Richtung ablenkt. Somit wird auch das aus der dritten Lichtquelle 13 austretende Licht in Richtung einer Substratmitte umgelenkt. Die Strukturen sind an die Öffnungswinkel der Lichtquellen anzupassen. Die Strukturen 21, 22 können beispielsweise als holographisches Transmissionsgitter oder als Reflexionsgitter ausgeführt sein.
Die in das Polymer eingebrachten Strukturen können einerseits eingeformte Ausnehmungen sein, so dass Spalten in dem Polymer entstehen. An der Polymer-Luftgrenzfläche kann dabei eine Totalreflexion des Laserlichts erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, mittels Laserstrukturierung das Polymer an bestimmten Stellen derart zu beeinflussen, dass ein holographisches optisches Element oder eine Linsenstruktur entsteht, mit der das Laserlicht umgelenkt werden kann.
Die Lichtstrahlen 31, 32, 33 treffen dann nach der Umlenkung durch die Bereiche 21, 22 zusammen und werden durch eine optische Struktur 34 derart umgelenkt, dass alle Lichtstrahlen auf einen einzigen Lichtweg geführt werden. Hierzu werden beispielsweise drei entsprechende Transmissions- oder Reflexionsgittern überlagert. Dieser gemeinsame Lichtstrahl bildet nunmehr eine Ausgabelichtstrahl 35 der Lichtquelleneinrichtung 2. Der Ausgabelichtstrahl 35 wird durch das Polymer in einen Auskoppelbereich 36 geführt. In dem Auskoppelbereich 36 sind wiederum optische Strukturen derart vorhanden, dass der bisher parallel zu einer Oberfläche des Substrates 10 geführte Ausgabelichtstrahl 35 in Richtung eines unterhalb des Polymers und vorzugsweise auch unterhalbe einer Oberfläche des Substrats 10 angeordneten Mikrospiegels 37 ausgekoppelt wird. Der Mikrospiegel 37 lenkt nun den Ausgabelichtstahl 35 abhängig von seiner Positionierung durch eine in der 2 nicht dargestellte Antriebseinheit in eine gewünschte Richtung zur Erzeugung eines Bildes um, wie anhand der 1 erläutert. Hierbei kann ein durch den Mikrospiegel abgelenkter Ausgabelichtstrahl 38, nunmehr gestrichelt dargestellt, das Polymer an anderer Stelle erneut durchqueren, ohne durch eine in das Polymer eingebrachte Lichtumlenkeinrichtung in seiner Richtung beeinflusst zu werden.
In der 3 ist die Anordnung gemäß der 2 in einer Seitenansicht dargestellt. Es sind entsprechende strukturierte Bereiche des Polymers 30 dargestellt: Strukturen 34 für eine Zusammenführung der einzelnen Lichtstrahlen zu einem Ausgabelichtstrahl 35 und Strukturen 25 in dem Bereich 36, in dem die Auskopplung des Ausgabelichtstrahls 35 aus dem Polymer 30 in Richtung des Mikrospiegels 37 erfolgt.
Das Polymer 30 ist hierbei beabstandet zu dem Mikrospiegel 37 angeordnet, so dass ein abgeschlossener Hohlraum 26 entsteht. Das Polymer 30 dichtet hierbei gegen das Substrat 10 den Hohlraum 26 ab. Der Hohlraum 26 kann beispielsweise mit einem Schutzgas zum Schutz des Mikrospiegels 37 gefüllt werden.
Eine Herstellung der Anordnung gemäß der 2 und 3 erfolgt dabei derart, dass zunächst auf einem strukturierten Substrat die Laserdioden angeordnet werden.
Anschließend wird die Oberfläche des Substrats mit dem Polymer vergossen. Der Mikrospiegel wird mit seiner Ansteuereinheit von einer den Laserdioden abgewandten Seite im Anschluss auf das Substrat aufgesetzt. Bevorzugt wird das Substrat mittels Waferbond-Technologie mit einem Substrat, welches die Mikrospiegel-Elemente trägt, gefügt. Eine Verklebung erfolgt dabei vorzugsweise mittels polymerer Klebstoffe.
Zur Darstellung der optischen Umlenkbereiche erfolgt eine gezielte Belichtung des Polymers. Hiermit wird beispielsweise eine Index-Gradientenlinse oder ein holographisches optisches Element, beispielsweise ein holographisches Transmissionsgitter oder Reflexionsgitter, erzeugt. Die Herstellung erfolgt z.B. mittels Zweistrahlinterferenz. Für die Einkopplung der Referenzstrahlen werden ggf. weitere Hilfsreflektoren benötigt. Diese können z.B. als Strukturelemente im Substrat realisiert werden. Bevorzugt erfolgt eine Belichtung im Wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche. Hierbei sind auch Mehrfachbelichtungen möglich.

Claims

Projektionseinrichtung mit einer Lichtquelleneinrichtung mit mehreren Laserlichtquellen (11, 12, 13) unterschiedlicher Farbe, wobei die Laserlichtquellen (11, 12, 13) auf einem Substrat (10) angeordnet sind, wobei die Laserlichtquellen (11, 12, 13) auf dem Substrat (10) von einem Polymer (30) umschlossen sind und dass das Polymer (30) derart strukturiert ist, dass von den mehreren Laserlichtquellen (11, 12, 13) emittierte Lichtstrahlen (31, 32, 33) zu einem Ausgabelichtstrahl (35) zusammengeführt und der Ausgabelichtstrahl (35) aus dem Polymer (30) herausgeführt wird, gekennzeichnet durch einen beweglichen Mikrospiegel (37) zur selektiven Ablenkung des Ausgabelichtstrahls (35) und eine Ansteuereinheit (6) zur Ansteuerung der einzelnen Laserlichtquellen (11, 12, 13) und des beweglichen Mikrospiegels (37) zur Erzeugung eines projizierten Bildes, wobei der Mikrospiegel (37) und die Laserlichtquellen (11, 12, 13) auf einem gemeinsamen Substrat (10) angeordnet sind.
Projektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (30) ein optisch strukturierbares Polymer ist.
Projektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Polymer (30) wenigstens ein holographisches optisches Element oder wenigstens eine Indexgradientenlinse eingebracht ist.
Projektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquellen (11, 12, 13) als Laserdioden, insbesondere als Bare-Die-Dioden, ausgebildet sind.
Projektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquellen (11, 12, 13) unterschiedliche Farben aufweisen und dass ein Mischung des Lichtes aller Laserlichtquellen weißes Licht ergibt.