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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein optisches Reflexionselement, insbesondere eine Mikrospiegelanordnung, sowie eine Mikroprojektionsvorrichtung mit einem optischen Reflexionselement.
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Das Dokument
JP 5045470 B2 beschreibt ein optisches Reflexionselement, bei dem ein Spiegelelement mittels zwei zweiten Stützteilen getragen wird. Eines der zwei zweiten Stützteile wird hierbei von einem ersten Stimmgabelvibrator und das andere zweite Stützteil von einem zweiten Stimmgabelvibrator getragen. Die zwei zweiten Stützteile verlaufen auf der Rotationsachse des optischen Reflexionselements.
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Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein optisches Reflexionselement zu entwickeln, welches den verfügbaren Platz zwischen Antrieb und Spiegelfläche des optischen Reflexionselements optimal nutzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein optisches Reflexionselement, insbesondere eine Mikrospiegelanordnung, gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Zudem wird eine Mikroprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 15 vorgeschlagen. Das optische Reflexionselement, welches insbesondere als Mikrospiegelanordnung ausgebildet ist, weist hierbei einen Stützkörper mit einem ersten Stützteil auf. Ein erstes Ende des ersten Stützteils wird von dem Stützkörper getragen, welcher insbesondere als Rahmenelement des optischen Reflexionselements ausgebildet ist. Zusätzlich weist das optische Reflexionselement einen ersten Stimmgabelvibrator mit einem ersten Arm und einem zweiten Arm auf. Der erste und der zweite Arm des ersten Stimmgabelvibrators werden von einem zweiten Ende des ersten Stützteils getragen. Der erste Stimmgabelvibrator mit dem ersten Stützteil ist dazu ausgebildet, um eine Rotationsachse in Torsion zu vibrieren. Insbesondere verläuft das erste Stützteil auf der Rotationsachse. Das optische Reflexionselement weist zusätzlich wenigstens ein zweites Stützteil, ein drittes Stützteil und ein Spiegelelement auf. Hierbei wird das Spiegelelement von einem zweiten Ende des zweiten Stützteils und von einem zweiten Ende des dritten Stützteils derart getragen, dass das Spiegelelement um die Rotationsachse wiederholt drehend vibriert. Bei der Rotationsachse handelt es sich insbesondere um eine mit dem Stimmgabelvibrator und dem ersten Stützteil gemeinsame Rotationsachse. Ein erstes Ende des zweiten Stützteils wird von dem ersten Stimmgabelvibrator getragen. Zudem wird ein erstes Ende des dritten Stützteils von dem ersten Stimmgabelvibrator getragen. Durch die Aufhängung des Spiegelelements an dem zweiten Stützteil und dem dritten Stützteil werden nichtlineare Effekte durch Plattenverbiegung vermieden.
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Bevorzugt weist das optische Reflexionselement zusätzlich ein viertes Stützteil des Stützkörpers auf. Ein erstes Ende des vierten Stützteils wird von dem Stützkörper getragen. Außerdem weist das optische Reflexionselement in diesem Zusammenhang einen zweiten Stimmgabelvibrator mit einem dritten Arm und einem vierten Arm auf. Der dritte und der vierte Arm des zweiten Stimmgabelvibrators werden von einem zweiten Ende des vierten Stützteils getragen. Der zweite Stimmgabelvibrator mit dem vierten Stützteil ist dazu ausgebildet, um die Rotationsachse in Torsion zu vibrieren. Insbesondere verläuft das vierte Stützteil auf der Rotationsachse. Das optische Reflexionselement weist zusätzlich ein fünftes Stützteil und ein sechstes Stützteil auf. Das Spiegelelement wird hierbei von einem zweiten Ende des fünften Stützteils und von einem zweiten Ende des sechsten Stützteils derart getragen, dass das Spiegelelement um die, insbesondere gemeinsame, Rotationsachse wiederholt drehend vibriert. Ein erstes Ende des fünften Stützteils wird von dem zweiten Stimmgabelvibrator getragen. Zudem wird ein erstes Ende des sechsten Stützteils von dem zweiten Stimmgabelvibrator getragen. Somit ergibt sich ein optisches Reflexionselement, welches beidseitig von jeweils zwei Stützteilen getragen wird.
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Vorzugsweise ist das zweite Stützteil mit dem ersten Arm des ersten Stimmgabelvibrators und das dritte Stützteil mit dem zweiten Arm des ersten Stimmgabelvibrators verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise das fünfte Stützteil mit dem dritten Arm des zweiten Stimmgabelvibrators und das sechste Stützteil mit dem vierten Arm des zweiten Stimmgabelvibrators verbunden.
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Bevorzugt verlaufen das zweite und dritte Stützteil, insbesondere in Längsrichtung des zweiten und dritten Stützteils, im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse. Alternativ oder zusätzlich verlaufen bevorzugt das fünfte und sechste Stützteil, insbesondere in Längsrichtung des fünften und sechsten Stützteils, im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse. In diesem Zusammenhang sind das zweite und dritte Stützteil als, insbesondere geradliniger, Torsionsbalken ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich sind das fünfte und sechste Stützteil als, insbesondere geradliniger, Torsionsbalken ausgebildet. Die Verwendung solcher Torsionsbalken als Stützteile stellen die einfachste Struktur zur Aufhängung des Spiegelelements dar.
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Vorzugsweise verlaufen das zweite und dritte Stützteil, insbesondere in Längsrichtung des zweiten und dritten Stützteils, im Wesentlichen schräg zu der Rotationsachse. Alternativ oder zusätzlich verlaufen bevorzugt das fünfte und sechste Stützteil, insbesondere in Längsrichtung des fünften und sechsten Stützteils, im Wesentlichen schräg zu der Rotationsachse. In diesem Zusammenhang sind das zweite und dritte Stützteil als, insbesondere gebogenes, Federelement ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich sind das fünfte und sechste Stützteil als, insbesondere gebogenes, Federelement ausgebildet. Durch Meandrierung der gebogenen Federn ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Optimierung der Stressverteilung in den Federn. Zudem kann durch freie Wahl der Position der Federenden am Spiegelelement die dynamische Spiegeldeformation optimiert werden. Vorzugsweise ist das, insbesondere gebogene, Federelement in einem schrägen Winkel, insbesondere in einem Bereich zwischen 20° und 90° in Bezug auf die Rotationsachse, mit dem Spiegelelement verbunden. Durch die größere Länge der Federn kann durch geeignete Wahl der Federbreite bei gleicher Frequenz eine geringere mechanische Spannung erzielt werden. Besonders bevorzugt ist das Federelement in einem schrägen Winkel von im Wesentlichen 45° oder im Wesentlichen 90°, in Bezug auf die Rotationsachse mit dem Spiegelelement verbunden. Damit kann die dynamische Deformation weiter reduziert werden. Bevorzugt verlaufen das zweite und dritte Stützteil, insbesondere in einer Draufsicht, auf gegenüberliegenden Seiten der Rotationachse. Alternativ oder zusätzlich verlaufen das fünfte und sechste Stützteil, insbesondere in der Draufsicht, auf gegenüberliegenden Seiten der Rotationachse.
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Vorzugsweise ist das zweite Stützteil mit einer ersten Teilfläche des Spiegelelements, insbesondere mit einer ersten Randfläche des Spiegelelements, verbunden. In diesem Zusammenhang ist das dritte Stützteil mit einer gegenüber der ersten Teilfläche unterschiedlichen zweiten Teilfläche des Spiegelelements, insbesondere mit einer zweiten Randfläche des Spiegelelements, verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist das fünfte Stützteil mit einer dritten Teilfläche des Spiegelelements, insbesondere einer dritten Randfläche des Spiegelelements, verbunden. In diesem Zusammenhang ist das sechste Stützteil mit einer gegenüber der dritten Teilfläche unterschiedlichen vierten Teilfläche des Spiegelelements, insbesondere einer vierten Randfläche des Spiegelelements, verbunden.
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Vorzugsweise verlaufen zur Stabilisierung des Spiegelelements ein zweites, drittes, fünftes und sechstes Stabilisierungsteil zumindest teilweise unterhalb des Spiegelelements. Somit wird die reflektierende Fläche des Spiegelelements nicht verkleinert. Bevorzugt ist das zweite, dritte, fünfte und sechste Stabilisierungsteil mit dem Spiegelelement formschlüssig verbunden. Vorzugsweise ist das zweite, dritte, fünfte und sechste Stabilisierungsteil als insbesondere starrer Balken ausgebildet. Bevorzugt treffen sich das zweite, dritte, fünfte und sechste Stabilisierungsteil in einem gemeinsamen Punkt, welcher insbesondere als Mittelpunkt des Spiegelelements ausgebildet ist. Vorzugsweise sind das zweite Stützteil und das zweite Stabilisierungsteil einstückig ausgebildet. Ebenso sind bevorzugt das dritte Stützteil und das dritte Stabilisierungsteil einstückig ausgebildet. Vorzugweise sind das fünfte Stützteil und das fünfte Stabilisierungsteil ebenfalls einstückig ausgebildet. Ebenso sind vorzugsweise das sechste Stützteil und das sechste Stabilisierungsteil einstückig ausgebildet.
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Vorzugsweise weisen das zweite und dritte Stützteil eine symmetrische Anordnung gegenüber der Rotationsachse auf. Alternativ oder zusätzlich weisen das fünfte und sechste Stützteil eine symmetrische Anordnung gegenüber der Rotationsachse auf.
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Bevorzugt weist das optische Reflexionselement zusätzlich einen ersten und zweiten Aktuator, insbesondere einen ersten und zweiten piezoelektrischen Aktuator, auf. Der erste Aktuator ist hierbei auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite des ersten Arms des ersten Stimmgabelvibrators angeordnet. Der zweite Aktuator ist auf einer Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Arms des ersten Stimmgabelvibrators angeordnet. Alternativ oder zusätzlich weist das optische Reflexionselement zusätzlich einen dritten und vierten Aktuator, insbesondere einen dritten und vierten piezoelektrischen Aktuator, auf. Der dritte Aktuator ist hierbei auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite des dritten Arms des zweiten Stimmgabelvibrators angeordnet. Der vierte Aktuator ist auf einer Oberseite und/oder Unterseite des vierten Arms des zweiten Stimmgabelvibrators angeordnet. Die Aktuatoren, insbesondere die piezoelektrischen Aktuatoren, dienen als Antriebselement des optischen Reflexionselements. Die piezoelektrischen Schichten auf den Armen des Stimmgabelvibrators bringen die Arme in Schwingung, die über das zweite, dritte, fünfte und/oder sechste Stützteil auf den Spiegel übertragen werden. Dabei kann der Spiegel mit der gleichen Phase schwingen wie die Arme, was einer vergleichsweise niedrigen Resonanzfrequenz entspricht oder die Arme schwingen gegenphasig, was einer vergleichsweise hohen Resonanzfrequenz entspricht.
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Vorzugsweise sind das zweite und dritte Stützteil unterschiedlich gegenüber dem fünften und sechsten Stützteil ausgebildet.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Mikroprojektionsvorrichtung mit dem zuvor beschriebenen optischen Reflexionselement. Eine Mikroprojektionsvorrichtung dient insbesondere zur Projektion eines mittels einer Lichteinheit, insbesondere einer Lasereinheit, erzeugten Bildes auf eine Projektionseinheit, insbesondere auf einen Bildschirm, und ist insbesondere als Mikroprojektor ausgebildet.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines optischen Reflexionselements.
- 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines optischen Reflexionselements.
- 3 zeigt eine Mikroprojektionsvorrichtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt in einer Ansicht von unten schematisch eine erste Ausführungsform eines optischen Reflexionselements 1a. Das optische Reflexionselement 1a, welches hierbei als eine Mikrospiegelanordnung ausgebildet ist, weist einen Stützkörper 2a und 2b auf, der in dieser Ausführungsform als Rahmenelement des optischen Reflexionselements 1a ausgebildet ist und zur Vereinfachung hier nur zum Teil dargestellt ist. Der Stützkörper 2a weist ein erstes Stützteil 3a auf, dessen erstes Ende 19a von dem Stützkörper 2a getragen wird. Zusätzlich weist das optische Reflexionselement 1a einen ersten Stimmgabelvibrator 5a mit einem ersten Arm 4a und einem zweiten Arm 4b auf. Der erste Arm 4a und der zweite Arm 4b werden von einem zweiten Ende 19b des ersten Stützteils 3a getragen. Der erste Stimmgabelvibrator 5a ist dazu ausgebildet, mit dem ersten Stützteil 3a um eine Rotationsachse 22 in Torsion zu vibrieren. Zusätzlich weist das Reflexionselement 1a ein zweites Stützteil 7a und ein drittes Stützteil 7b auf. Außerdem weist das optische Reflexionselement ein Spiegelelement 10 auf. Das Spiegelelement 10 ist in dieser Ausführungsform aus Silizium ausgebildet. Das Spiegelelement 10 wird von einem zweiten Ende 14a des zweiten Stützteils 7a und von einem zweiten Ende 14b des dritten Stützteils 7b derart getragen, dass das Spiegelelement 10 um die Rotationsachse 22 wiederholt drehend vibriert. Ein erstes Ende 8a des zweiten Stützteils 7a, sowie ein erstes Ende 8b des dritten Stützteils 7b werden von dem ersten Stimmgabelvibrator 5a getragen.
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Das optische Reflexionselement 1a weist ein viertes Stützteil 3b des Stützkörpers 2b auf, dessen erstes Ende 20a von dem Stützkörper 2b getragen wird. Zusätzlich weist das optische Reflexionselement 1a einen zweiten Stimmgabelvibrator 6a mit einem dritten Arm 4c und einem vierten Arm 4d auf. Der dritte Arm 4c und der vierte Arm 4d des zweiten Stimmgabelvibrators 6a werden von einem zweiten Ende 20b des vierten Stützteils 3b getragen. Der zweite Stimmgabelvibrator 6a mit dem vierten Stützteil 3b ist dazu ausgebildet, um die Rotationsachse 22 in Torsion zu vibrieren. Zusätzlich weist das optische Reflexionselement 1a ein fünftes Stützteil 11b, sowie ein sechstes Stützteil 11a auf. Das Spiegelelement wird von einem zweiten Ende 15b des fünften Stützteils 11b und von einem zweiten Ende 15a des sechsten Stützteils 11a ebenfalls derart getragen, dass das Spiegelelement 10 um die Rotationsachse 22 wiederholt drehend vibriert. Ein erstes Ende 12b des fünften Stützteils 11b, sowie ein erstes Ende 12a des sechsten Stützteils 11a werden von dem zweiten Stimmgabelvibrator 6a getragen.
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Das zweite Stützteil 7a ist mit dem ersten Arm 4a des ersten Stimmgabelvibrators 5a und das dritte Stützteil 7b mit dem zweiten Arm 4b des ersten Stimmgabelvibrators 5a verbunden. Ebenso ist das fünfte Stützteil 11b mit dem dritten Arm 4c des zweiten Stimmgabelvibrators 6a und das sechste Stützteil 11a mit dem vierten Arm 4d des zweiten Stimmgabelvibrators 6a verbunden.
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In dieser ersten Ausführungsform sind das zweite 7a, dritte 7b, fünfte 11b und sechste Stützteil 11a als geradlinige Torsionsbalken ausgebildet, deren Längsachsen 24a, 24b, 25a und 25b im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 22 verlaufen. Ein zweites 26a, drittes 26b, fünftes 27b und sechstes Stabilisierungsteil 27a verlaufen zur Stabilisierung der Spiegelfläche 10 unterhalb der Spiegelfläche 10 und treffen sich gemeinsam im Zentrum der Spiegelfläche 10. Die Stabilisierungsteile 26a, 26b, 27a und 27b sind mit der Unterseite des Spiegelelements 10 formschlüssig verbunden. In dieser Ausführungsform sind das zweite Stützteil 7a und das zweite Stabilisierungsteil 26a einstückig ausgebildet. Ebenso sind das dritte Stützteil 7b und das dritte Stabilisierungsteil 26b einstückig ausgebildet. Das fünfte Stützteil 11b und das fünfte Stabilisierungsteil 27b sind ebenfalls einstückig ausgebildet. Ebenso sind das sechste Stützteil 11a und das sechste Stabilisierungsteil 27a einstückig ausgebildet.
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Das zweite 7a und dritte Stützteil 7b, sowie auch das fünfte 11b und sechste Stützteil 11a verlaufen auf gegenüberliegenden Seiten der Rotationachse 22.
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Das zweite Ende 14a des zweiten Stützteils 7a und eine erste Teilfläche 9a des Spiegelelements 10 sind miteinander verbunden. Die erste Teilfläche 9a ist hierbei als eine erste Randfläche des Spiegelelements 10 ausgebildet. Das zweite Ende 14b des dritten Stützteils 7b und eine zweite Teilfläche 9b des Spiegelelements 10 sind ebenfalls miteinander verbunden. Die erste Teilfläche 9a ist hierbei unterschiedlich zu der zweiten Teilfläche 9b ausgebildet. Die erste 9a und zweite Teilfläche 9b sind in Bezug auf die Rotationsachse 22 spiegelsymmetrisch angeordnet. Die zweite Teilfläche 9b ist hierbei als eine zweite Randfläche des Spiegelelements 10 ausgebildet.
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Das zweite Ende 15b des fünften Stützteils 11b und eine dritte Teilfläche 13b des Spiegelelements 10 sind miteinander verbunden. Die dritte Teilfläche 13b ist hierbei als eine dritte Randfläche des Spiegelelements 10 ausgebildet. Das zweite Ende 15a des sechsten Stützteils 11a und eine vierte Teilfläche 13a des Spiegelelements 10 sind ebenfalls miteinander verbunden. Die dritte Teilfläche 13b ist hierbei unterschiedlich zu der vierten Teilfläche 13a. Die dritte 13b und vierte Teilfläche 13a sind in Bezug auf die Rotationsachse 22 spiegelsymmetrisch angeordnet. Die dritte Teilfläche 13b ist hierbei als eine vierte Randfläche des Spiegelelements 10 ausgebildet.
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Das zweite 7a und dritte Stützteil 7b weisen eine gegenüber der Rotationsachse 22 symmetrische Anordnung auf. Ebenso weisen das fünfte 11b und sechste Stützteil 11a gegenüber der Rotationsachse 22 eine symmetrische Anordnung auf.
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Zum Antrieb des optischen Reflexionselements 1a weist das optische Reflexionselement 1a einen ersten 16a, zweiten 16b, dritten 16c und vierten Aktuator 16d auf, welche hierbei als piezoelektrische Aktuatoren ausgebildet und auf einer Oberseite des jeweiligen Arms 4a, 4b, 4c oder 4d des ersten 5a und zweiten Stimmgabelvibrators 6a angeordnet sind.
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2 zeigt schematisch in einer Ansicht von unten eine zweite Ausführungsform eines optischen Reflexionselements 1b. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform sind das zweite 30a, dritte 30b, fünfte 31b und sechste Stützteil 31a als gebogene Federelemente ausgebildet. Das zweite 30a, dritte 30b, fünfte 31b und sechste Stützteil 31a verlaufen in deren jeweiliger Längsrichtung 38a, 38b, 39a, 39b, 41a, 41b, 42a und 42b im Wesentlichen schräg zu der Rotationsachse 22. Das zweite 30a, dritte 30b, fünfte 31b und sechste Stützteil 31a als gebogene Federelemente sind in diesem Ausführungsbeispiel in einem schrägen Winkel 40a, 40b, 40c und 40d von im Wesentlichen 30° in Bezug auf die Rotationsachse 22 mit dem Spiegelelement 10 verbunden. Alternativ können die Federelemente aber auch beispielsweise in einem schrägen Winkel von im Wesentlichen 45° oder von im Wesentlichen 90° in Bezug auf die Rotationsachse 22 mit dem Spiegelelement 10 verbunden sein.
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Das zweite Ende 49a des zweiten Stützteils 30a und eine erste Teilfläche 37a des Spiegelelements 10 sind miteinander verbunden. Die erste Teilfläche 37a ist hierbei als eine erste Randfläche des Spiegelelements 10 ausgebildet. Das zweite Ende 49b des dritten Stützteils 30b und eine zweite Teilfläche 37b des Spiegelelements 10 sind ebenfalls miteinander verbunden. Die erste Teilfläche 37a ist hierbei unterschiedlich zu der zweiten Teilfläche 37b ausgebildet. Die erste 37a und zweite Teilfläche 37b sind in Bezug auf die Rotationsachse 22 spiegelsymmetrisch angeordnet. Die zweite Teilfläche 37b ist hierbei als eine zweite Randfläche des Spiegelelements 10 ausgebildet.
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Das zweite Ende 49d des fünften Stützteils 31b und eine dritte Teilfläche 36b des Spiegelelements 10 sind miteinander verbunden. Die dritte Teilfläche 36b ist hierbei als eine dritte Randfläche des Spiegelelements 10 ausgebildet. Das zweite Ende 49c des sechsten Stützteils 31a und eine vierte Teilfläche 36a des Spiegelelements 10 sind ebenfalls miteinander verbunden. Die dritte Teilfläche 36b ist hierbei unterschiedlich zu der vierten Teilfläche 36a ausgebildet. Die dritte 36b und vierte Teilfläche 36a sind in Bezug auf die Rotationsachse 22 spiegelsymmetrisch angeordnet. Die dritte Teilfläche 36b ist hierbei als eine vierte Randfläche des Spiegelelements 10 ausgebildet.
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Unterhalb des Spiegelelements 10 verlaufen zur Stabilisierung des Spiegelelements 10 das jeweilige zweite 33a, dritte 33b, fünfte 33d und sechste Stabilisierungsteil 33c und treffen sich in einem gemeinsamen zentralen Punkt des Spiegelelements 10. In dieser Ausführungsform sind das zweite Stützteil 30a und das zweite Stabilisierungsteil 33a einstückig ausgebildet. Ebenso sind das dritte Stützteil 30b und das dritte Stabilisierungsteil 33b einstückig ausgebildet. Das fünfte Stützteil 31b und das fünfte Stabilisierungsteil 33d sind ebenfalls einstückig ausgebildet. Ebenso sind das sechste Stützteil 31a und das sechste Stabilisierungsteil 33c einstückig ausgebildet.
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3 zeigt schematisch eine Mikroprojektionsvorrichtung 50. Die Mikroprojektionsvorrichtung 50 weist hierbei eine Lichteinheit 51 auf, welche als Lasereinheit ausgebildet ist und Lichtstrahlen 52 wenigstens einer Wellenlänge auf ein optisches Reflexionselement 53 weiterleitet. Das optische Reflexionselement 53, welches gemäß den Ausführungsformen auf 1 und 2 ausgebildet sein kann, ist weiterhin dazu ausgebildet, die von der Lichteinheit 51 ausgesendeten Lichtstrahlen 52 in Form der umgelenkten Lichtstrahlen 54 auf eine Projektionseinheit 55 umzulenken. Die Projektionseinheit 55 ist insbesondere als ein Bildschirm ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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