DE102018104198B4

DE102018104198B4 - Projektormodul, mobiles Gerät und Verwendung eines Projektormoduls

Info

Publication number: DE102018104198B4
Application number: DE102018104198.5A
Authority: DE
Inventors: Kristina Uhlendorf; Theresa Kunz
Original assignee: Jabil Optics Germany GmbH
Current assignee: Jabil Optics Germany GmbH
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2038-02-24
Also published as: US20210397013A1; DE102018104198A1; US20190265496A1; US11137618B2

Abstract

Projektormodul, umfassend einen Strahlengang mit:a) einer Laserquelle (10), dazu ausgebildet, kohärente elektromagnetische Strahlung mit einem divergenten Strahlprofil zu emittieren;b) einer Sammeloptik (20), dazu ausgebildet, die von der Laserquelle (10) emittierte divergente Strahlung zu kollimieren oder konvergent in eine Bildebene zu fokussieren; undc) einem diffraktiven optischen Element, (30), dazu ausgebildet, aus der durch die Sammeloptik (20) kollimierten oder konvergierten Strahlung ein Projektionsmuster zu erzeugen; wobeid) eine Umlenkvorrichtung (40), dazu ausgebildet, die von der Laserquelle (10) emittierte divergente Strahlung von einer ersten Richtung in eine von der ersten Richtung abweichende zweite Richtung umzulenken, vor der Sammeloptik (20) angeordnet ist oder als Sammeloptik (20) ausgebildet ist; unde) die Fleckgröße der divergenten Strahlung auf der Umlenkvorrichtung (40) kleiner als 50% des Strahldurchmessers unmittelbar vor der Sammeloptik (20) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektormodul. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Projektormodul für die Verwendung in mobilen Geräten, wobei ein möglichst kompakter, stabiler und zuverlässiger Modulaufbau mit hoher Moduleffizienz erreicht werden kann.
Stand der Technik
Insbesondere in mobilen Geräten, wie Smartphones, Laptops, Tablets, Virtual-Reality-, Mixed-Reality oder Augmented-Reality-Brillen, nimmt aufgrund von immer wieder neu hinzukommenden Funktionen der zur Verfügung stehende Bauraum zunehmend ab. Daher nehmen die Anforderungen an die Kompaktheit der darin verwendeten Baugruppen (Module) ständig zu. Neben elektronischen Baugruppen werden verstärkt auch optische bzw. opto-elektrische Module mit in die Geräte integriert. In solchen Modulen werden zumeist unterschiedliche Einzelelemente (z.B. Linsen, Spiegel, Licht- bzw. Laserquellen oder Detektoren) miteinander kombiniert und in festem Abstand zueinander in einem Gehäuse integriert.
Bei mobilen Geräten kommt es dabei neben der angesprochenen Kompaktheit auch auf eine besonders hohe Stabilität und Zuverlässigkeit jedes einzelnen Moduls an. Weitere Anforderungen liegen im Bereich der Effizienz solcher Module. Hierbei sind beispielsweise neben der Verwendung von energiesparenden Emittern auch eine möglichst verlustfreie Lichtübertragung und die Vermeidung von Streuung im Inneren der Module notwendig (hohe Moduleffizienz).
Für Anwendungen zur 3D-Umgebungs- bzw. Gestenerkennung können Projektormodule zur Erzeugung eines optischen Musters eingesetzt werden. Diese emittieren ein vorgegebenes Bezugsmuster in die Umgebung des mobilen Gerätes, welches an der Oberfläche von in der Umgebung befindlichen Objekten verzerrt wird. Das sich dabei ergebende Verzerrungsmuster kann dann über ein entsprechendes Kameramodul aufgenommen und ausgewertet werden. Aus den Verzerrungen des bekannten Bezugsmusters lassen sich dann Abstände zu den einzelnen Objekten und somit die 3D-Information ermitteln. Bei dem Bezugsmuster kann es sich beispielsweise um ein Punkt- oder Linienmuster handeln.
Projektoren zur Mustererzeugung sind beispielsweise aus EP 3 112 923 A1 oder W02017/069954 A1 bekannt. Die bisher genutzten Projektormodule lassen sich jedoch nicht auf das gewünschte Maß verkleinern und beanspruchen viel zu viel Bauraum. Eine Lösung hierfür ist, den äußeren Rahmen der das Modul aufnehmenden Geräte zu durchbrechen und somit das Modul überstehen zu lassen oder die Funktionalität des Moduls einzuschränken, z.B. durch Ausleuchtung eines kleineren Sichtfeldes oder durch eine geringere Auflösung des projizierten Musters. Solche Einschränkungen machen eine 3D-Erkennung dann aber jedoch so schlecht, dass sie nicht den Anforderungen des Marktes und der gewünschten Einsatzgebiete entsprechen. Besonders nachteilig sind hierbei zumeist eine zu geringe Auflösung und ein geringer Kontrast.
Insbesondere sind aus US 2017/0351110 A1 ein Kollimator für Laserdioden und ein Projektor zur Mustererzeugung mit einem solchen Kollimator bekannt. Der Kollimator umfasst drei optische Oberflächen; eine erste refraktive Oberfläche, eine zweite reflektierende Oberfläche und eine dritte refraktive Oberfläche. Innerhalb des Kollimators kommt es zu einer Änderung der Strahlrichtung.
Eine Möglichkeit zur Erzeugung von Projektionsmustern ist der Einsatz eines entsprechend ausgebildeten diffraktiven optischen Elements (DOE - diffractive optical element). DOEs sind allgemein bekannt und können aus einer kohärenten Eingangsstrahlung nahezu beliebige Beugungsmuster erzeugen. Üblicherweise wird hierzu die divergente Ausgangsstrahlung einer Laserquelle (z.B. Laserdiode) zunächst durch eine Linse (Sammellinse) kollimiert oder konvergent in eine bestimmte Bildebene fokussiert und anschließend diese kollimierte oder konvergente Strahlung dem DOE zur Strahlumformung zugeführt (siehe 1). Während sich das DOE im Prinzip unmittelbar an die Sammellinse anschließen kann, erfordern der Öffnungswinkel der aus der Laserquelle austretenden Laserstrahlung und der gewünschte Strahldurchmesser vor dem DOE einen bestimmten Mindestabstand zwischen dem Strahlungsaustritt an der Laserquelle und der Sammellinse. Dieser strahlungstechnisch bedingte Mindestabstand kann nicht unterschritten werden und steht einer weiteren Miniaturisierung entsprechender Projektormodule bisher entgegen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, die im Stand der Technik bei der Miniaturisierung von optischen Projektormodulen auftretenden Probleme zu vermeiden oder zumindest deutlich zu vermindern. Insbesondere soll ein Projektormodul für die Verwendung in mobilen Geräten bereitgestellt werden, welches einen möglichst kompakten, stabilen und zuverlässigen Modulaufbau mit hoher Moduleffizienz ermöglicht. Hierbei soll es jedoch zu keiner Einschränkung der optischen Funktionalität bestehender Lösungen kommen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein erfindungsgemäßes Projektormodul umfasst einen Strahlengang mit einer Laserquelle, dazu ausgebildet, kohärente elektromagnetische Strahlung mit einem divergenten Strahlprofil zu emittieren; eine Sammeloptik, dazu ausgebildet, die von der Laserquelle emittierte divergente Strahlung zu kollimieren oder konvergent in eine bestimmte Bildebene zu fokussieren; und einem diffraktiven optischen Element, DOE, dazu ausgebildet, aus der durch die Sammeloptik kollimierten oder konvergierten Strahlung ein Projektionsmuster zu erzeugen; wobei eine Umlenkvorrichtung, dazu ausgebildet, die von der Laserquelle emittierte divergente Strahlung von einer ersten Richtung in eine von der ersten Richtung abweichende zweite Richtung umzulenken, vor der Sammeloptik angeordnet ist oder als Sammeloptik ausgebildet ist. Vorzugsweise schließen die erste und die zweite Richtung dabei einen Winkel von 90°, bevorzugter einen Winkel von 90° bis 80° ein.
Bei der Laserquelle kann es sich vorzugsweise um einen VCSEL, einen Kantenemitter, oder um eine FP-, DFB- oder DBR-Laserdiode handeln. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung kann vorzugsweise im sichtbaren (VIS) oder infraroten (IR, NIR, FIR) Spektralbereich liegen. Typischerweise weist die Laserquelle ein elliptisches Divergenzprofil auf. Die beiden Halbachsen der Ellipse werden dabei für gewöhnlich aufgrund ihrer Divergenz als schnelle Achse (fast-axis, maximaler Divergenzwinkel) und langsame Achse (slow-axis, minimaler Divergenzwinkel) bezeichnet.
Als kohärente Strahlung werden insbesondere elektromagnetische Wellen mit einer stabilen Phasenbeziehung hinsichtlich ihrer räumlichen und/oder zeitlichen Ausbreitungseigenschaften bezeichnet. Eine von einer Laserquelle emittierte Strahlung ist im Allgemeinen als kohärent anzusehen. Die Kohärenz der Strahlung muss zur Erzeugung eines Projektionsmusters am DOE geeignet sein. Vorzugsweise ist die von der Laserquelle emittierte Strahlung monochromatisch oder quasimonochromatisch.
Unter einer Sammeloptik ist eine optische Einzelkomponente oder Baugruppe zu verstehen, welche die von der Laserquelle emittierte Strahlung „einsammelt“ und erfindungsgemäß in ein kollimiertes (d.h. entlang der Ausbreitungsrichtung paralleles bzw. quasi-paralleles) oder konvergentes (d.h. entlang der Ausbreitungsrichtung zusammenlaufendes) Strahlungsfeld überführt (Kollimation oder Fokussierung der „eingesammelten“ Strahlung). Als Sammeloptik werden bevorzugt Linsen eingesetzt, wobei die Sammeloptik im Allgemeinen derart angeordnet ist, dass der Strahlungsaustritt an der Laserquelle mit dem Brennpunkt der Sammeloptik zusammenfällt oder nahezu zusammenfällt. Die Brennweite der Sammeloptik in Richtung der Laserquelle liegt für die beschriebenen Anwendungen je nach gewünschter Auflösung des Projektionsmusters und dem Entfernungsbereich vorzugsweise im Bereich zwischen 1 mm und 6 mm. Insbesondere eignen sich kurze Brennweiten für nahe Projektionsabstände und lange Brennweiten für ferne Projektionsabstände. Vorzugsweise handelt es sich bei der Sammeloptik um eine rotationssymmetrische sphärische oder asphärische Linse.
Die Sammeloptik wird vorzugsweise aus einem Glasmaterial gefertigt, da in diesen Materialien eine geringere Änderung der Brechzahl mit der Temperatur im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffmaterialien auftritt. Dies verringert eine temperaturabhängige Defokussierung des projizierten Beugungsmusters. Für eine maximale Verkürzung des für die Sammeloptik benötigten Bauraums kann die Sammeloptik aufgrund der flachen Bauweise auch eine Fresnel-Linse umfassen. Solche Linsen können sowohl aus einem Glasmaterial als auch aus Kunststoff aufgebaut sein. Kunststofflinsen sind zwar sensitiver gegenüber Temperaturänderungen, können jedoch aufgrund ihrer einfachen und preisgünstigen Herstellung sowie des geringeren Gewichtes durchaus von Vorteil sein.
Diffraktive optische Elemente (DOE) sind vielfältig einsetzbar und können durch ein entsprechendes Design für eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden. Diese Elemente können vorzugsweise ein Glasmaterial als Substrat oder Volumenträger umfassen. Bezüglich der Temperaturabhängigkeit und der Herstellung gelten im Vergleich zu Kunststoff-basierten DOE die bereits zur Sammeloptik getroffenen Aussagen entsprechend. Daher kann ein DOE je nach Anforderungsprofil trotz seiner eventuell schlechteren optischer Eigenschaften auch durchaus ein Kunststoffmaterial umfassen.
Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Projektormodul gemäß dem Stand der Technik für eine extrem kleine Bauweise den Strahlengang über (mindestens) eine zusätzliche Umlenkvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die von der Laserquelle emittierte divergente Strahlung von der ersten in eine zweite Richtung umzulenken, und welche vor der Sammeloptik angeordnet oder als Sammeloptik ausgebildet ist, gezielt derart zu falten, dass unter Ausnutzung von optischen Gesetzen das Projektormodul in seiner Baulänge und -breite reduziert werden kann, ohne dass das Modul an Funktionalität verliert. Die spezifische Auflösung, der erzielte Entfernungsbereich, der Kontrast und weitere Eigenschaften können dadurch gewahrt werden. Insbesondere basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, in den aufgrund des Öffnungswinkels der aus der Laserdiode austretenden Laserstrahlung und dem gewünschte Strahldurchmesser vor dem DOE bedingten strahlungstechnischen Mindestabstand des divergenten Strahlungsfeldes eine Strahlfaltung um eine oder mehrere Achsen einzufügen, wobei sich der erforderliche Bauraum gezielt weiter reduzieren lässt, ohne den erforderlichen Mindestabstand anpassen zu müssen.
Vorzugsweise sind bei einem erfindungsgemäßen Projektormodul die Laserquelle, die Sammeloptik, das DOE und die Umlenkvorrichtung in einem gemeinsamen Gehäusekörper angeordnet, wobei es sich bei dem Gehäusekörper um einen Hohlkörper aus einem Körpermaterial handelt, dessen Innenbereich zur schlüssigen Aufnahme besagter Komponenten ausgebildet ist und bei dem nicht strahlungsführende Bereiche des Strahlenganges vom Körpermaterial umfasst sind. Mit anderen Worten sind daher Bereiche innerhalb des Hohlkörpers, welche nicht zur Halterung und Unterbringung der einzelnen Komponenten oder als Strahlführungsbereich dienen, vom Körpermaterial ausgefüllt. Vorzugsweise ist der gemeinsamen Gehäusekörper aus einem Kunststoffmaterial geformt.
Eine solche Anordnung der Komponenten im Gehäusekörper hat den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten stabil und zuverlässig mit dem Gehäusekörper verbunden sind und das Auftreten von Streulicht effektiv vermieden wird. Die an die Strahlführung angepassten Innenbereiche führen zum einen dazu, dass der Abstrahlwinkel des Projektormoduls auf den Designöffnungswinkel des Projektormoduls beschränkt ist. Zum anderen werden eventuell an den einzelnen Komponentenoberflächen auftretenden Streuanteile wirksam in ihrer Ausbreitung unterdrückt. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn die inneren Oberflächen des Hohlkörpers für die von der Laserdiode emittierte Strahlung absorbierend sind. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Wahl des Körpermaterials oder durch eine Schwärzung besagter Oberflächen erfolgen. Durch diese Maßnahmen können daher sowohl die Stabilität und Zuverlässigkeit des Moduls als auch dessen Funktionalität, insbesondere für auf Streulicht empfindliche Anwendungen, verbessert werden.
Vorzugsweise weist der Gehäusekörper Außenmaße mit Längen, Breiten und Höhen (L x B x H) jeweils zwischen 2 mm und 6 mm auf. Vorzugsweise weist der Gehäusekörper im Außenmaß ungefähr die Form eines gleichseitigen Quaders auf. Ein bevorzugtes Maß für ein scheibenförmiges quadratisches DOE ist eine Seitenlänge zwischen 1 mm und 5 mm und eine Höhe zwischen 0,5 mm und 1,5 mm. Bei der Sammeloptik kann es sich beispielsweise um eine rotationssymmetrische Linse mit einem Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm handeln. Entsprechend dieser Angaben liegt ein bevorzugter Durchmesser der kollimierten Strahlung zwischen etwa 1 mm und 4 mm. Hierbei ist üblicherweise davon auszugehen, dass der Abstand zwischen Strahlungsaustritt an der Laserquelle und Umlenkung an der Umlenkvorrichtung etwa im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm liegt (Länge des divergenten Bereichs). Im Stand der Technik muss bei linearer Anordnung der Komponenten jedoch hierüber hinaus noch zusätzlich die Baulänge der Laserquelle mit berücksichtigt werden.
Typischerweise weist die Laserquelle ein elliptisches Divergenzprofil auf, wobei die Umlenkvorrichtung derart angeordnet ist, dass eine Umlenkung bevorzugt um die langsame Achse (slow-axis) des Divergenzprofils erfolgt. Dies kann insbesondere zu einer Reduzierung der Baubreite des Moduls führen. Eine solche Anordnung ist allerdings aufwendiger als eine Anordnung der Umlenkvorrichtung zur Umlenkung um die schnelle Achse (fast-axis). Eine Umlenkung um die schnelle Achse ist daher aufgrund einer einfacheren Fertigung bevorzugt. Als Umlenkung um eine Achse wird dabei im Allgemein eine Strahlungsumlenkung bezeichnet, bei der es zu keiner räumlichen Drehung der entsprechenden Achse bei der Umlenkung kommt, d.h. bei der eine Umlenkung für alle Phasenpunkte entlang der Achse zeitgleich erfolgt.
Die Fleckgröße der divergenten Strahlung auf der Umlenkvorrichtung ist kleiner als 50% des Strahldurchmessers unmittelbar vor der Sammeloptik. Bevorzugter ist ein Fleckgrößenverhältnis von kleiner als 40%, bevorzugter kleiner als 30%, bevorzugter kleiner als 25% und noch bevorzugter kleiner als 20%. Bei Fleckgrößenverhältnissen größer als 50% besteht die Gefahr, dass zwar die Länge des Moduls verkürzt werden kann, durch die Baulänge der Laserquelle jedoch die Baubreite des Moduls zunehmen kann. Alternativ zur oben genannten Definition können auch der Abstand zwischen Strahlungsaustritt an der Laserquelle und Umlenkung an der Umlenkvorrichtung mit dem Abstand zwischen Umlenkung an der Umlenkvorrichtung und der Eingangsseite der Sammeloptik ins Verhältnis gesetzt werden In diesem Fall ist analog ein Wert von kleiner als 1:2 bevorzugt. Als Fleckgröße wird vorzugsweise der Flächeninhalt des Strahlungsfeldes am entsprechend Ort angesehen, wobei eine Bestimmung mit Hilfe des Strahlradius entlang beliebiger Achsen des Flecks jeweils an den Stellen erfolgt, an denen die Intensität des Strahlungsfelds auf 1/e² (ca. 13.5%) des Maximalwerts im Fleck gefallen ist (Gauß-Radius).
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Umlenkvorrichtung um einen planaren Spiegel, wobei der Spiegel zwischen Laserquelle und Sammeloptik angeordnet ist. Eine solche Lösung kann einfach und kostengünstig in bestehenden Designs integriert werden und ermöglicht bereits eine erhebliche Reduzierung der Baulänge des Projektormoduls („Einfachfaltung“). Vorzugsweise wird der Spiegel derart angeordnet, dass die Gesamtbaulänge der Kombination aus Lasermodul und Spiegel kleiner ist als die Breite der Sammeloptik entlang der Strahleingangsseite.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Umlenkvorrichtung um einen asphärisch, vorzugsweise parabolisch, gekrümmten Spiegel. Vorzugsweise kann bei dieser Ausführungsform die Umlenkvorrichtung als Sammeloptik ausgebildet sein, d.h. die Krümmung des Spiegels ist dazu ausgebildet, eine divergente Eingangsstrahlung, welche sich entlang einer ersten Richtung ausbreitet und auf den Spiegel trifft, durch Reflektion in eine kollimierte oder konvergente Ausgangsstrahlung zu transformieren, welche sich anschließend entlang einer von der ersten Richtung abweichenden zweiten Richtung ausbreitet („Sammelspiegel“). Hierbei wird Bauraum durch das Zusammenlegen von optischen Elementen gespart.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird die von der Laserquelle emittierte divergente Strahlung durch mindestens zwei Umlenkvorrichtungen umgelenkt, bevor diese auf die Sammeloptik trifft. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass eine Umlenkung entlang verschiedener Strahlungsachsen erfolgen kann („Mehrfachfaltung“). Insbesondere kann bevorzugt bei Verwendung einer Laserquelle mit einem elliptischen Divergenzprofil je eine Umlenkvorrichtung derart angeordnet sein, dass eine Umlenkung jeweils um die schnelle Achse (fast-axis) und die langsame Achse (slow-axis) des Divergenzprofils erfolgt. Wenn man den Strahlengang entlang beider Richtungen faltet, ist es insbesondere auch möglich, die als zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben Konfiguration weiter in der Breite zu reduzieren. Hauptumlenkung und Kollimation bzw. Fokussierung erfolgen dabei weiterhin mittels des gekrümmten Sammelspiegels („Sammelspiegel mit M ehrfachfaltung“).
In einer vierten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Sammeloptik um eine Prismenlinse mit einer Freiformfläche auf der Austrittsseite, d.h. auf der Seite an welcher die kollimierte oder konvergente Strahlung austritt, und einer gegenüberliegenden Planfläche, wobei die Planfläche gegenüber der optischen Achse der durch die Sammeloptik (20) kollimierten oder konvergierten Strahlung geneigt ist („Linsenprisma“). Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass, in Kombination mit einer Umlenkvorrichtung in Form eines planaren Spiegels, der divergente Teile des Strahlganges im Hinblick auf die optische Achse eines unmittelbar der Sammeloptik nachgelagert angeordneten DOE eine Verkippung erfahren kann, wodurch die räumliche Position einer Kombination aus Lasermodul und Spiegel entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung freier festgelegt werden kann. Dadurch kann ebenfalls die Baubreite des Moduls reduziert werden. Insbesondere werden hierbei die Sammeloptik und eine Umlenkvorrichtung miteinander kombiniert. Insbesondere kann durch Verwendung eines entsprechend ausgebildeten Linsenprismas der divergente Teil des Strahlganges schief in das Linsenprisma einfallen, ohne dass Verzerrungen im Strahlenverlauf erzeugt werden. Vorzugsweise wird zur Gewährleistung einer ausreichenden Temperaturstabilität ein aus Glasmaterialien gepresstes Linsenprisma verwendet. Vorzugsweise ist die Freiformfläche asymmetrisch ausgebildet und bezüglich der Mitte des Linsenprismas verschoben.
In einer fünften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Umlenkvorrichtung mindestens zwei Prismenelemente, wobei die Prismenelemente zu einem Prismenkörper angeordnet sind („Prismenfaltung“). Der Begriff Prismenkörper bedeutet hierbei, dass die Übergänge der Strahlung zwischen den Prismen ohne einen zwischenliegenden Luftabstand erfolgen, d.h. der Prismenkörper nur jeweils eine Ein- und Austrittsfläche für die Strahlung aufweist. Vorzugsweise kann der Prismenkörper an seiner Eintrittsfläche eine Linsenfläche (z.B. sphärisch, asphärisch oder als Freiform) zur Verkleinerung der Strahlungsdivergenz im Inneren des Prismenkörpers aufweisen.
Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass ein Teil des divergenten Strahlungsfeldes auf sehr kompakte Weise im Inneren des Prismenkörpers umgelenkt werden kann. Ein hoher Brechungsindex des Prismenmaterials, optional in Kombination mit einer Linsenfläche an der Eintrittsseite, führt dabei zu einer Herabsetzung der Divergenz im Inneren des Prismenkörpers, wodurch eine Mehrfachfaltung auf engstem Raum ermöglicht wird. Weiterhin kann dadurch die optische Wirkung der Sammeloptik geringer ausfallen, d.h. es kann eine Linse mit längerer Brennweite verwendet werden. Durch die geringere Brechkraft wirken sich auch Temperaturänderungen nicht mehr so stark aus, so dass die Linse einen Kunststoff umfassen bzw. daraus aufgebaut sein kann. Ein entsprechender Prismenkörper kann ebenfalls aus Kunststoff aufgebaut sein. Dadurch weist ein entsprechendes Projektionsmodul neben einer extrem kleinen Baugröße und hervorragenden optischen Eigenschaften auch ein geringes Gewicht, eine einfache Herstellbarkeit sowie geringe Herstellungskosten als Vorteile auf.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein mobiles Gerät (z.B. Smartphone, Laptop, Tablet, Virtual-Reality-, Mixed-Reality oder Augmented-Reality-Brille) welches ein Projektormodul entsprechend der vorhergehenden Beschreibung umfasst. Durch den erfindungsgemäß bis auf ein technisches Minimum verkleinerten Bauraum kann das Projektormodul auch ohne eine Durchbrechung des äußeren Geräterahmens in solche Geräte integriert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Projektormoduls entsprechend der vorhergehenden Beschreibung zur Erzeugung eines Projektionsmusters für die dreidimensionalen Umgebungs- oder Mustererkennung in mobilen Geräten.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines konventionellen Projektormoduls gemäß dem Stand der Technik,
2 einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Einfachfaltung“),
3 einen schematischen Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Sammelspiegel“),
4 einen schematischen Aufbau einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Mehrfachfaltung“),
5 einen schematischen Aufbau einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Linsenprisma“),
6 einen schematischen Aufbau einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Prismenfaltung“), und
7 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls innerhalb eines Gehäusekörpers.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines konventionellen Projektormoduls gemäß dem Stand der Technik. Das Projektormodul umfasst einen Strahlengang mit einer Laserquelle 10, einer Sammeloptik 20 in Form einer Linse, und einem diffraktiven optischen Element, DOE 30, zur Erzeugung eines Projektionsmusters.
Diese Elemente sind entlang einer gemeinsamen Längsachse (entspricht der optischen Achse des Systems) ausgerichtet, wobei sich eine Baulänge L entlang dieser Achse ergibt. Eine von der Laserquelle 10 emittierter elektromagnetische Strahlung behält daher ihre Ausbreitungsrichtung bei. Die Baubreite B der Anordnung ergibt sich hierbei als die Breite der breitesten Komponente. Vorliegend ist dies die Breite der Sammeloptik 20.
2 zeigt einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Einfachfaltung“). Das Projektormodul umfasst einen Strahlengang mit einer Laserquelle 10, dazu ausgebildet, kohärente elektromagnetische Strahlung mit einem divergenten Strahlprofil zu emittieren; eine Sammeloptik 20, dazu ausgebildet, die von der Laserquelle 10 emittierte divergente Strahlung zu kollimieren oder konvergent in eine Bildebene zu fokussieren; und einem diffraktiven optischen Element, DOE 30, dazu ausgebildet, aus der durch die optischen Sammeloptik 20 kollimierten oder konvergierten Strahlung ein Projektionsmuster zu erzeugen; wobei eine Umlenkvorrichtung 40, dazu ausgebildet, die von der Laserquelle 10 emittierte divergente Strahlung von einer ersten Richtung in eine von der ersten Richtung abweichende zweite Richtung umzulenken, vor dem die Sammeloptik 20 angeordnet ist. Bei der gezeigten Umlenkvorrichtung 40 handelt es sich um einen ebenen Spiegel, wobei der Spiegel zwischen Laserquelle 10 und Sammeloptik 20 in der Nähe der Laserquelle 10 angeordnet ist. Die Fleckgröße der divergenten Strahlung auf der Umlenkvorrichtung 40 ist dabei deutlich kleiner als 50% des Strahldurchmessers unmittelbar vor der Sammeloptik 20. Bei der Sammeloptik 20 kann es sich um eine rotationssymmetrische sphärische oder asphärische Linse handeln. Die Baulänge L ist gegenüber der Darstellung in 1 reduziert, während die Baubreite B hingegen weitgehend unverändert geblieben ist.
3 zeigt einen schematischen Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Sammelspiegel“). Das Projektormodul umfasst einen Strahlengang mit einer Laserquelle 10, dazu ausgebildet, kohärente elektromagnetische Strahlung mit einem divergenten Strahlungsprofil zu emittieren; einer Sammeloptik 20, dazu ausgebildet, die von der Laserquelle 10 emittierte divergente Strahlung zu kollimieren oder konvergent in eine Bildebene zu fokussieren; und einem diffraktiven optischen Element, DOE 30, dazu ausgebildet, aus der durch die Sammeloptik 20 kollimierten oder konvergierten Strahlung ein Projektionsmuster zu erzeugen; wobei eine Umlenkvorrichtung 40, dazu ausgebildet, die von der Laserquelle 10 emittierte divergente Strahlung von einer ersten Richtung in eine von der ersten Richtung abweichende zweite Richtung umzulenken, als Sammeloptik 20 ausgebildet ist. Bei der Umlenkvorrichtung 40 handelt es sich um einen asphärisch, vorzugsweise parabolisch, gekrümmten Spiegel. Die Umlenkvorrichtung 40 und die Sammeloptik 20 werden als gemeinsames Bauteil ausgeführt und somit deren Funktionalitäten zusammengelegt. Durch die Einsparung einer individuellen Sammeloptik 20 kann die Baulänge L erheblich gegenüber den vorab beschriebenen Ausführungsformen reduziert werden. Je nach Anwendung kann sich hierbei jedoch eine Vergrößerung der Baubreite B eventuell nachteilig auswirken.
4 zeigt einen schematischen Aufbau einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Mehrfachfaltung“). Diese Ausführungsform stellt im Prinzip eine Verschmelzung der grundlegenden Ideen der vorab beschrieben ersten und zweiten Ausführungsform dar. Wie in 3 handelt es sich auch bei dieser Ausführungsform bei der Umlenkvorrichtung 40 um einen asphärisch, vorzugsweise parabolisch, gekrümmten Spiegel zur gleichzeitigen Umlenkung und Kollimation bzw. Fokussierung. Um jedoch neben einer möglichen Reduzierung der Baulänge L auch eine Reduzierung der Baubreite B zu erzielen, wird die von der Laserquelle emittierte divergente Strahlung durch zwei weitere Umlenkvorrichtungen (gezeigt sind ein erster und ein zweiter Umlenkspiegel 400, 402) entsprechend der Idee von 2 umgelenkt, bevor diese auf die Sammeloptik 20 trifft (welcher in diesem Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Umlenkvorrichtung 40 zusammenfällt). Durch diese Mehrfachfaltung des Strahlenganges kann eine Verkleinerung des Bauraums sowohl in der Baulänge L als auch in der Baubreite B erreicht werden.
5 zeigt einen schematischen Aufbau einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Linsenprisma“). Die Darstellung entspricht weitgehend der Darstellung in 2, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten daher entsprechend. Zusätzlich handelt es sich bei der Sammeloptik 20 jedoch um eine Prismenlinse mit einer Freiformfläche 200 auf der Austrittsseite und einer gegenüberliegenden Planfläche 202, wobei die Planfläche 202 gegenüber der optischen Achse der durch die Sammeloptik (20) kollimierten oder konvergierten Strahlung geneigt ist. Hierbei stellt die gezeigte Prismenlinse somit eine Kombination aus einer Linse und einem keilförmigen optischen Element dar. Insbesondere kann, wie hier dargestellt, die Freiformfläche 200 bezüglich ihrer Ausrichtung gegenüber der optischen Achse der durch die Sammeloptik (20) kollimierten (bzw. konvergenten) Strahlung verschoben sein. Mit dieser Kombination wird der Strahlengang im Bereich der divergenten Strahlung gegenüber der kollimierten oder konvergierten Strahlung geneigt und die Laserquelle 10 kann dadurch mittiger unterhalb der Sammeloptik 20 positioniert werden. Bei dieser Ausführungsform können die Baulänge L und die Baubreite B des Moduls ebenfalls deutlich reduziert werden.
6 zeigt einen schematischen Aufbau einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls („Prismenfaltung“). Auch diese Ausführungsform basiert auf der Darstellung in 2, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten daher entsprechend. Hier wird der Strahlengang insgesamt drei Mal gefaltet. Insbesondere zeigt die Darstellung, dass die Umlenkvorrichtung 40 drei Prismenelemente 410, 412, 414 umfasst, wobei die Prismenelemente 410, 412, 414 zu einem Prismenkörper angeordnet sind. Der Prismenkörper weist weiterhin an seiner Eintrittsfläche eine Linsenfläche 416 auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Verkleinerung der Strahlungsdivergenz im Inneren des Prismenkörpers zu bewirken. Die Wirkung dieser Anordnung entspricht der Wirkung der vorab beschrieben dritten Ausführungsform. Der Vorteil liegt bei dieser Konfiguration jedoch darin, dass das optische System deutlich unempfindlicher gegenüber Toleranzen und Temperaturänderungen ist.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektormoduls innerhalb eines Gehäusekörpers 50. Die Darstellung entspricht weitgehend der Darstellung in 2, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten daher entsprechend. Zusätzlich wird jedoch verdeutlicht, dass die Laserquelle 10, die Sammeloptik 20, das DOE 30 und die Umlenkvorrichtung 40 in einem gemeinsamen Gehäusekörper 50 angeordnet sind, wobei es sich bei dem Gehäusekörper 50 um einen Hohlkörper aus einem Körpermaterial handelt, dessen Innenbereich zur schlüssigen Aufnahme besagter Komponenten 10, 20, 30, 40 ausgebildet ist und bei dem nicht strahlungsführende Bereiche des Strahlenganges vom Körpermaterial umfasst sind.
Bezugszeichenliste

10: Laserquelle
20: Sammeloptik
200: Freiformfläche
202: geneigte Planfläche
30: DOE
40: Umlenkvorrichtung
400: erster Umlenkspiegel
402: zweiter Umlenkspiegel
410: erstes Prismenelement
412: zweites Prismenelement
414: drittes Prismenelement
416: Linsenfläche
50: Gehäusekörper
52: Strahlführung
L: Baulänge
B: Baubreite

Claims

Projektormodul, umfassend einen Strahlengang mit: a) einer Laserquelle (10), dazu ausgebildet, kohärente elektromagnetische Strahlung mit einem divergenten Strahlprofil zu emittieren; b) einer Sammeloptik (20), dazu ausgebildet, die von der Laserquelle (10) emittierte divergente Strahlung zu kollimieren oder konvergent in eine Bildebene zu fokussieren; und c) einem diffraktiven optischen Element, (30), dazu ausgebildet, aus der durch die Sammeloptik (20) kollimierten oder konvergierten Strahlung ein Projektionsmuster zu erzeugen; wobei d) eine Umlenkvorrichtung (40), dazu ausgebildet, die von der Laserquelle (10) emittierte divergente Strahlung von einer ersten Richtung in eine von der ersten Richtung abweichende zweite Richtung umzulenken, vor der Sammeloptik (20) angeordnet ist oder als Sammeloptik (20) ausgebildet ist; und e) die Fleckgröße der divergenten Strahlung auf der Umlenkvorrichtung (40) kleiner als 50% des Strahldurchmessers unmittelbar vor der Sammeloptik (20) ist.
Projektormodul nach Anspruch 1, wobei die Laserquelle (10), die Sammeloptik (20), das diffraktive optische Element (30) und die Umlenkvorrichtung (40) in einem gemeinsamen Gehäusekörper (50) angeordnet sind, wobei es sich bei dem Gehäusekörper (50) um einen Hohlkörper aus einem Körpermaterial handelt, dessen Innenbereich zur schlüssigen Aufnahme besagter Komponenten (10, 20, 30, 40) ausgebildet ist und bei dem nicht strahlungsführende Bereiche des Strahlenganges vom Körpermaterial umfasst sind.
Projektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserquelle (10) ein elliptisches Divergenzprofil aufweist, wobei die Umlenkvorrichtung (40) derart angeordnet ist, dass eine Umlenkung um die schnelle Achse des Divergenzprofils erfolgt.
Projektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Umlenkvorrichtung (40) um einen planaren Spiegel handelt, wobei der Spiegel zwischen Laserquelle (10) und Sammeloptik (20) angeordnet ist.
Projektormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei der Umlenkvorrichtung (40) um einen asphärisch gekrümmten Spiegel handelt.
Projektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Umlenkvorrichtungen (400, 402) die von der Laserquelle emittierte divergente Strahlung umlenken, bevor diese auf die Sammeloptik (20) trifft.
Projektormodul nach Anspruch 6, wobei die Umlenkvorrichtung (40) mindestens zwei Prismenelemente (410, 412, 414) umfasst, wobei die Prismenelemente (410, 412, 414) zu einem Prismenkörper angeordnet sind.
Projektormodul nach Anspruch 7, wobei der Prismenkörper an seiner Eintrittsseite eine Linsenfläche (416) aufweist, dazu ausgebildet, eine Verkleinerung der Strahlungsdivergenz im Inneren des Prismenkörpers zu bewirken.
Projektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Sammeloptik (20) um eine rotationssymmetrische sphärische oder asphärische Linse, oder um eine Prismenlinse mit einer Freiformfläche (200) auf der Austrittsseite und einer gegenüberliegenden Planfläche (202) handelt, wobei die Planfläche gegenüber der optischen Achse der durch die Sammeloptik (20) kollimierten oder konvergierten Strahlung geneigt ist.
Projektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sammeloptik (20) eine Fresnel-Linse umfasst.
Projektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sammeloptik (20), das diffraktive optische Element (30) und/oder die Umlenkvorrichtung (40) ein Glasmaterial umfassen.
Projektormodul nach Anspruch 2, wobei der gemeinsame Gehäusekörper (50) aus einem Kunststoffmaterial geformt ist.
Mobiles Gerät, umfassend ein Projektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung eines Projektormoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 zur Erzeugung eines Projektionsmusters für die dreidimensionale Umgebungs- oder Mustererkennung in mobilen Geräten.