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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtaussendesystem, und insbesondere ein MEMS-Lichtaussendesystem für eine tragbare Vorrichtung wie Smartphones, Smartwatches, oder Fitnessarmbänder.
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Mikrospiegel und Laserscanner werden vielfältig eingesetzt und können insbesondere bei Projektoren in tragbaren Geräten Verwendung finden. Diese Projektoren sind typischerweise dazu ausgelegt, Bilder auf Flächen in einem Abstand von wenigen Zentimetern zu projizieren, beispielsweise auf eine Handfläche oder auf den Arm des Benutzers.
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Um gleichzeitig die Verwendung zur Projizierung auf eine weiter entfernte Fläche zu gewährleisten, etwa für eine Präsentation oder zum Betrachten eines Films, ist eine Anpassung der Projektion vonnöten. So ist aus der Druckschrift
US 7 446 822 B2 eine Anpassung der Pixelgröße in Abhängigkeit von dem gewünschten Projektionsabstand bekannt.
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Ein wichtiges Erfordernis ist es, einerseits im Nahbereich ein ausreichend großes Bild zu projizieren, andererseits jedoch zu gewährleisten, dass im Fernbereich, das heißt im Abstand von einigen Metern, weiterhin ein scharfes Bild projiziert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtaussendesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Demnach ist ein Lichtaussendesystem mit einer Lichtaussendeeinrichtung und einer Strahlformeinrichtung vorgesehen. Die Lichtaussendeeinrichtung weist eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls und eine schwenkbare Mikrospiegeleinrichtung zum Ablenken des ausgesendeten Lichtstrahls auf. Die Strahlformeinrichtung ist in einen Strahlengang der Lichtaussendeeinrichtung einbringbar und aus diesem entfernbar und ist zur Strahlformung des abgelenkten Lichtstrahls ausgebildet.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein Lichtaussendesystem mit mindestens zwei Komponenten bereit. Die Lichtaussendeeinrichtung kann beispielsweise ein tragbares Gerät oder ein Teil eines solchen tragbaren Geräts sein. Die Strahlformeinrichtung kann beispielsweise als Aufsatz ausgebildet sein, welcher mit der Lichtaussendeeinrichtung verbunden und von dieser getrennt werden kann. Die Strahlformeinrichtung kann jedoch ebenfalls Teil des Geräts sein und kann in den Strahlengang ein- und ausgefahren werden. Vorzugsweise ist die Lichtaussendeeinrichtung dazu ausgebildet, Bilder in einem Nahbereich, das heißt beispielsweise bis zu einer Entfernung von 5, 10, 20 oder 50 cm, scharf zu projizieren und gleichzeitig eine hinreichende Aufweitung bereitzustellen, um ein genügend großes Bild zu projizieren. Bei der Verwendung des Lichtaussendesystems zur Projizierung in größeren Abständen kann die Strahlformeinrichtung in den Strahlengang eingebracht werden, wobei diese den abgelenkten Lichtstrahl vorzugsweise derart formt, dass in einem größeren Bereich, das heißt beispielsweise einem Bereich bis zu einem, zwei oder fünf Metern, ein scharfes Bild projiziert werden kann.
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Auch die umgekehrte Anordnung ist denkbar, so dass die Lichtaussendeeinrichtung fokusfrei ausgebildet ist, das heißt im Wesentlichen kollimierte Lichtstrahlen oder Laserstrahlen aussendet. In diesem Fall kann die Strahlformeinrichtung eine Linseneinrichtung mit negativer Brechkraft aufweisen, um ein vergrößertes Bild bei kurzen Abständen projizieren zu können.
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Das erfindungsgemäße Lichtaussendesystem garantiert somit gute Projektionseigenschaften, das heißt eine gute Schärfe und Größe der Projektion sowohl im Nahbereich als auch im Fernbereich. Durch Einbringen der Strahlformeinrichtung in den Strahlengang der Lichtaussendeeinrichtung kann auf einfache Weise zwischen Nah- und Fernbereich gewechselt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Lichtaussendesystems weist die Lichtaussendeeinrichtung eine erste Linseneinrichtung mit negativer Brechkraft auf. Der ausgesendete und abgelenkte Lichtstrahl wird somit durch die erste Linseneinrichtung aufgeweitet, so dass in einem Nahbereich ein vergrößertes Bild projiziert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Lichtaussendesystems weist die Strahlformeinrichtung eine zweite Linsenanordnung mit positiver Brechkraft auf. Vorzugsweise sind Brennweiten der ersten Linsenanordnung und der zweiten Linsenanordnung im Wesentlichen gleich. Die erste Linseneinrichtung mit negativer Brechkraft dient dazu, das Bild im Nahbereich zu vergrößern. Dadurch wird jedoch die Kollimation des ausgesendeten Lichtstrahls verändert, so dass in einem Fernbereich kein scharfes Bild mehr projiziert werden kann. Durch Einbringen der zweiten Linsenanordnung in den Strahlengang der Lichtaussendeeinrichtung wird die Kollimation des Lichtstrahls wieder hergestellt. Durch Einbringen der Strahlformeinrichtung kann dadurch das Lichtaussendesystem zum Projizieren von Bildern im Fernbereich eingesetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Lichtaussendesystems ist die Strahlformeinrichtung an der Lichtaussendeeinrichtung befestigbar. Insbesondere kann diese an der Lichtaussendeeinrichtung aufgesteckt, angeschraubt oder aufgesetzt werden, so dass ein einfaches Einbringen ermöglicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Lichtaussendesystems weist dieses eine Halteeinrichtung zum Haltern der Lichtaussendeeinrichtung und/oder der Strahlformeinrichtung auf.
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Gemäß einer Weiterbildung des Lichtaussendesystems weist die Halteeinrichtung mindestens ein erstes Halteelement zum Haltern der Lichtaussendeeinrichtung auf.
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Gemäß einer Weiterbildung des Lichtaussendesystems weist die Halteeinrichtung mindestens ein zweites Halteelement zum Haltern der Strahlformeinrichtung auf.
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Gemäß einer Weiterbildung des Lichtaussendesystems weist die Halteeinrichtung eine Vielzahl von ersten Halteelementen und/oder zweiten Halteelementen auf, um einen Abstand zwischen Lichtaussendeeinrichtung und Strahlformeinrichtung einstellen zu können. Dadurch können eine oder mehrere Linsen der Strahlformeinrichtung in die Halteelemente eingebracht werden und eine Brennweite der Lichtaussendeeinrichtung variiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Lichtaussendesystems ist die Strahlformeinrichtung in der Halteeinrichtung verschiebbar angeordnet. Durch Verschieben der Strahlformeinrichtung kann ein projiziertes Bild scharf gestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Lichtaussendesystems ist eine Brennweite der Strahlformeinrichtung einstellbar. So kann die Strahlformeinrichtung mindestens eine Flüssiglinse mit variabler Brennweite aufweisen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Lichtaussendesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein Fitnessarmband als beispielhafte Lichtaussendeeinrichtung;
- 3 eine schematische Schrägansicht einer beispielhaften Lichtaussendeeinrichtung;
- 4 eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Lichtaussendeeinrichtung; und
- 5 eine schematische Querschnittsansicht eines Lichtaussendesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, mit der in 4 gezeigten Lichtaussendeeinrichtung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Lichtaussendesystems 1a gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung illustriert. Das Lichtaussendesystem 1a weist eine Lichtaussendeeinrichtung 2 auf, welche insbesondere eine tragbare Vorrichtung wie etwa ein Smartphone, eine Smartwatch oder ein Fitnessarmband, oder ein Teil einer derartigen Vorrichtung sein kann.
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In 2 ist eine beispielhafte, als Fitnessarmband ausgebildete Lichtaussendeeinrichtung 2 illustriert.
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In 3 ist eine schematische Schrägansicht einer beispielhaften Lichtaussendeeinrichtung 2 illustriert. Die Lichtaussendeeinrichtung 2 weist eine Lichtquelle 5 zum Aussenden eines Lichtstrahls auf, welche vorzugsweise eine oder mehrere Laserlichtquellen umfasst. Eine schwenkbare Mikrospiegeleinrichtung 6 mit zwei Mikrospiegeln 6a, 6b ist im Strahlengang der Lichtquelle 5 angeordnet. Ein erster Mikrospiegel 6a ist hierbei um einen ersten Schwenkwinkel α um eine erste Schwenkachse auslenkbar. Ein zweiter Mikrospiegel 6b ist um einen zweiten Schwenkwinkel β um eine zweite Schwenkachse, welche senkrecht zur ersten Schwenkachse steht, auslenkbar. Die Mikrospiegeleinrichtung 6 ist somit dazu ausgebildet, den von der Lichtquelle 5 ausgesendeten Lichtstrahl in zwei Dimensionen abzulenken. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte Anordnung beschränkt, sondern kann auch einen einzelnen Mikrospiegel aufweisen, welcher in einer oder in zwei Dimensionen auslenkbar ist. Weitere zusätzliche Mikrospiegel sind ebenfalls denkbar.
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Die Lichtaussendeeinrichtung 2 umfasst weiter eine erste Linseneinrichtung 9, welche eine negative Brechkraft aufweist. Insbesondere kann die erste Linseneinrichtung 9 eine oder mehrere Zerstreuungslinsen aufweisen und ist dazu ausgebildet, den abgelenkten Lichtstrahl umzuformen bzw. aufzuweiten. Wie in 3 gezeigt, kann durch Schwenken der Mikrospiegel 6a, 6b ein flächiger Bereich abgerastert werden und somit ein Bild projiziert werden.
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Das Lichtaussendesystem 1 kann eine in 1 illustrierte Halteeinrichtung 4 aufweisen, welche zum Haltern der Lichtaussendeeinrichtung 2 und einer Strahlformeinrichtung 3 des Lichtaussendesystems 1 ausgebildet ist. Die Halteeinrichtung 4 weist hierzu ein erstes Halteelement 10 zum Aufnehmen der Lichtaussendeeinrichtung 2 auf. Die Lichtaussendeeinrichtung 2 kann jedoch auch fest in die Halteeinrichtung 4 integriert sein. Die Halteeinrichtung 4 weist weiter eine Vielzahl von zweiten Halteelementen 11a, 11b, 11c auf, welche in unterschiedlichen Abständen von dem ersten Halteelement 10 angeordnet sind. Durch Einbringen der Strahlformeinrichtung 3 in eines der Halteelemente 11 wird der von der Lichtaussendeeinrichtung 2 ausgesendete Lichtstrahl umgeformt. Durch Wahl des jeweiligen zweiten Halteelements 11a, 11b, 11c kann ein Projektionsbereich entsprechend eingestellt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Vielzahl von ersten Halteelementen 10 vorgesehen sein. Weiter kann die Strahlformeinrichtung 3 in der Halteeinrichtung 4 verschiebbar angeordnet sein. Es ist auch möglich, die Strahlformeinrichtung 3 fest in die Halteeinrichtung 4 zu integrieren und eine Vielzahl von ersten Halteelementen 10 vorzusehen, welche unterschiedliche Abstände von der Strahlformeinrichtung 3 aufweisen. In diesem Fall kann der Projektionsbereich durch Einbringen der Lichtaussendeeinrichtung 2 in ein entsprechendes Halteelement 10 eingestellt werden.
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In 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren beispielhaften Lichtaussendeeinrichtung 2 illustriert. Die Lichtquelle 5 weist hierbei drei Laserdioden 5a, 5b, 5c auf, welche Licht in verschiedenen Frequenzspektren, beispielsweise rotes, grünes und blaues Licht aussenden. Die ausgesendeten Lichtstrahlen werden mittels jeweiliger dichroitischer Spiegel 12a, 12b, 12c gebündelt und vereint. Ein Querschnitt des gebündelten Lichtstrahls wird durch einen Strahlumformer 7, welcher zwei Prismen 7a, 7b umfasst, angepasst oder verändert. Insbesondere kann der Querschnitt in eine runde Form gebracht werden. Durch zwei bereits oben beschriebene Mikrospiegel 6a, 6b einer schwenkbaren Mikrospiegeleinrichtung 6 wird der Lichtstrahl abgelenkt. Die Mikrospiegel 6a, 6b sind hierbei jeweils hinter Fenstern 8a, 8b angeordnet und hermetisch verschlossen. Vorzugsweise ist der abgelenkte Lichtstrahl kollimiert, falls erforderliche mit Hilfe zusätzlicher optischer Elemente. Weiter ist eine erste Linsenanordnung 9 als Zerstreuungslinse ausgebildet und im Strahlengang angeordnet.
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In 5 ist ein Lichtaussendesystem 1b gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Das Lichtaussendesystem 1b weist die in 4 illustrierte Lichtaussendeeinrichtung 2 auf, sowie eine Strahlformeinrichtung 3 in Form einer zweiten Linseneinrichtung, welche als Sammellinse, das heißt einer Linse mit positiver Brechkraft ausgebildet ist. Die Strahlformeinrichtung 3 kann jedoch auch mehrere optische Elemente, etwa Spiegel, Linsen oder Prismen umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Brennweite der Strahlformeinrichtung 3 einstellbar. Insbesondere kann diese Flüssiglinsen umfassen.
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Die Strahlformeinrichtung 3 ist in dem Strahlgang der Lichtaussendeeinrichtung 2 einbringbar und aus diesem wieder entfernbar. Insbesondere kann die Strahlformeinrichtung 3 auf die erste Linsenanordnung 9 oder auf eine von dieser beabstandete Halterung aufgeschraubt, aufgesteckt oder aufgesetzt werden. Vorzugsweise ist die Brennweite der ersten Linsenanordnung 9 gleich der Brennweite der Strahlformeinrichtung 3. Da die Brennpunkte der ersten Linsenanordnung 9 und der Strahlformeinrichtung 3 auf entgegengesetzten Seiten liegen, heben sich die Brechungseffekte der Linsen im Wesentlichen auf. Ein kollimierter Lichtstrahl bleibt nach dem Durchgang durch die erste Linsenanordnung 9 und die Strahlformeinrichtung 3 somit kollimiert. Allgemein tritt ein auf die erste Linseneinrichtung 9 und die Strahlformeinrichtung 3 auftreffender Lichtstrahl im Wesentlichen parallel zur Eintreffrichtung aus.
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Falls die Strahlformeinrichtung 3 in den Strahlengang der Lichtaussendeeinrichtung 2 eingebracht ist, bleibt somit ein von der Lichtquelle 5 ausgesendeter kollimierter Lichtstrahl kollimiert. Das Lichtaussendesystem 1b ist somit zur Projektion in größeren Entfernungen geeignet. Falls umgekehrt die Strahlformeinrichtung 3 aus dem Strahlengang entfernt wird, wird der Lichtstrahl aufgeweitet und somit wird ein größerer Bereich beleuchtet. Ein projiziertes Bild erscheint vergrößert.
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Das Einbringen der Strahlformeinrichtung 3 kann manuell erfolgen. Vorzugsweise ist die Strahlformeinrichtung 3 automatisch, etwa auf Knopfdruck oder mittels eines Steuersignals in den Strahlengang einbringbar und aus diesem entfernbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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