DE102021123871A1 - PROJECTION SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem (1) zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten, mit einem Substrat (2), auf dem ein VCSEL-Array (4) aufgebracht ist, wobei das VCSEL-Array (4) ein Array von Oberflächenemittern (6) ist, einem dem VCSEL-Array (4) im Strahlengang nachgeschalteten Linsen-Array (8), wobei das Linsen-Array (8) ein Array von Kollimator-Optiken (10) ist, einem dem Linsen-Array (8) im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array (12), wobei das DOE-Array (12) ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen (14) ist, und einer dem DOE-Array (12) im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene (16), wobei das DOE-Array (12) so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente (14) in der Abbildungsebene (18) überlagern. The invention relates to a projection system (1) for the superimposed display of image content, having a substrate (2) on which a VCSEL array (4) is applied, the VCSEL array (4) being an array of surface emitters (6), a lens array (8) downstream of the VCSEL array (4) in the beam path, the lens array (8) being an array of collimator optics (10), a DOE array downstream of the lens array (8) in the beam path Array (12), wherein the DOE array (12) is an array of individual diffractive optical elements (14), each containing an image content to be displayed, and an imaging plane (16) downstream of the DOE array (12) in the beam path, wherein the DOE array (12) is formed so that the image content of the diffractive optical elements (14) are superimposed in the imaging plane (18).
Description
Die Erfindung geht aus von einem Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten.The invention is based on a projection system for the superimposed display of image content.
Um eine Animation einer Bewegung darzustellen, gibt es unterschiedliche technische Möglichkeiten, wobei zumeist einzelne Bilder in kurzen zeitlichen Abständen hintereinander dargestellt werden, so dass beim Betrachten der Eindruck der Bewegung vermittelt wird. Eine solche Darstellung wird auch als semidynamisch bezeichnet.There are various technical options for displaying an animation of a movement, with individual images usually being displayed one after the other at short intervals, so that the impression of the movement is conveyed when looking at it. Such a representation is also referred to as semi-dynamic.
Beispiele für die unterschiedlichen technischen Möglichkeiten sind unter anderem eine Digitale Mikrospiegel-Einheit („DMD“, Digital Micromirror Device), eine Flüssigkristallanzeige („LCD“, Liquid Crystal Display), Flüssigkristalle auf einem Siliziumsubstrat („LCoS“, Liquid Crystal on Silicon) oder eine organische Leuchtdiode („OLED“, Organic Light Emitting Diode), mit denen sowohl Projektionen als auch Displays aufgebaut werden können.Examples of the different technical possibilities include a digital micromirror unit ("DMD", Digital Micromirror Device), a liquid crystal display ("LCD", Liquid Crystal Display), liquid crystals on a silicon substrate ("LCoS", Liquid Crystal on Silicon) or an organic light-emitting diode (“OLED”, Organic Light Emitting Diode), with which both projections and displays can be set up.
Diese technischen Lösungen unterscheiden sich hierbei in ihrer Auflösung, ihrem maximal erzielbaren Kontrast oder ihrer Leuchtdichte, welche je nach ihrem Anwendungsfall entscheidende Merkmale sind. Beispielsweise können diese technischen Lösungen im Home Entertainment oder im Automotive Bereich zur Projektion von Warnhinweisen, Willkommensszenarien oder zur Informationsdarstellung auf Displays eingesetzt werden.These technical solutions differ in their resolution, their maximum achievable contrast or their luminance, which are decisive features depending on their application. For example, these technical solutions can be used in home entertainment or in the automotive sector to project warnings, welcome scenarios or to display information on displays.
Bisherige Lösungen erfüllen jedoch insbesondere nicht alle Anforderungen hinsichtlich optischer Effizienz, einfachem Aufbau und Bauraumeffizienz.However, previous solutions in particular do not meet all the requirements with regard to optical efficiency, simple construction and space efficiency.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein insbesondere (semi-) dynamisches Projektionssystem bereitzustellen, welches einen guten optischen Wirkungsgrad aufweist und möglichst einfach und kompakt aufgebaut ist.The object of the present invention is to provide a (semi-)dynamic projection system in particular, which has good optical efficiency and is constructed as simply and compactly as possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Projektionssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 bzw. des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved by a projection system having the features of
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.Particularly advantageous configurations can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist ein Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten vorgesehen. Das Projektionssystem weist ein Substrat auf, auf dem ein VCSEL-Array aufgebracht ist, wobei das VCSEL-Array ein Array von Oberflächenemittern ist. Diese Oberflächenemitter werden oftmals mit ihrem englischen Begriff als VCSEL, d.h. vertical-cavity surface-emitting laser, bezeichnet. Zudem weist das Projektionssystem ein dem VCSEL-Array im Strahlengang nachgeschaltetes Linsen-Array auf, wobei das Linsen-Array ein Array von Linsen/Kollimator-Optiken ist. Ferner weist das Projektionssystem ein dem Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes DOE-Array auf, wobei das DOE-Array ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen (DOE, diffractive optical element) ist. Zudem weist das Projektionssystem eine dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschaltete Abbildungsebene auf. Auf der Abbildungsebene werden die projizierten Bildinhalte dargestellt. Erfindungsgemäß ist das DOE-Array so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente in der Abbildungsebene überlagern.According to the invention, a projection system for the superimposed display of image content is provided. The projection system has a substrate on which a VCSEL array is applied, the VCSEL array being an array of surface emitters. These surface emitters are often referred to by their English term as VCSEL, i.e. vertical-cavity surface-emitting laser. In addition, the projection system has a lens array downstream of the VCSEL array in the beam path, the lens array being an array of lenses/collimator optics. Furthermore, the projection system has a DOE array downstream of the lens array in the beam path, the DOE array being an array of individual diffractive optical elements (DOE, diffractive optical element) each containing image content to be displayed. In addition, the projection system has an imaging plane downstream of the DOE array in the beam path. The projected image content is displayed on the imaging level. According to the invention, the DOE array is designed in such a way that the image contents of the diffractive optical elements are superimposed in the imaging plane.
Das heißt, dass das Projektionssystem zur Darstellung von Bildinhalten auf der Abbildungsebene/Projektionsebene dient, wobei die Bildinhalte räumlich überlagert werden/auf dieselbe Abbildungsfläche projiziert werden. Das Projektionssystem weist das Substrat mit dem VCSEL-Array auf, wobei ist ein VCSEL eine Laserdiode ist, bei der das Licht senkrecht zur Ebene ihres Halbleiterchips abgestrahlt wird (im Gegensatz zu einer kantenemittierenden Laserdiode, bei der das Licht an einer oder zwei Flanken ihrer Halbleiterchips austritt). Insbesondere ist ein VCSEL ein optoelektronisches Bauelement, das aus Quantenmulden (quantum wells) aufgebaut ist, welche zwischen zwei verteilten Bragg-Reflektoren („DBR“, Distributed Bragg Reflector) angeordnet sind. Das Projektionssystem weist das über dem VCSEL-Array gestapelt angeordnete Linsen-Array zur Strahlformung sowie das über dem Linsen-Array gestapelt angeordnete DOE-Array auf, welches die zu projizierenden Bildinformationen trägt. Dabei können die diffraktive optische Elemente Glasträger sein, auf denen durch Fotolithografie Mikrostrukturen aufgebracht sind, so dass es in ihnen durch unterschiedliche optische Weglängen der Teilstrahlen zu Phasenmodulationen kommt, wodurch Interferenzmuster entstehen, wobei zusätzlich durch konstruktive und destruktive Überlagerung die Amplitude moduliert werden kann. Generell können diffraktive optische Elemente können zur Strahlformung (beam shaping) oder zum Zerlegen eines Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen (beam splitting) eingesetzt werden. Zudem weist das Projektionssystem die dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschaltete Abbildungsebene auf, auf der die durch das optische Gitter des DOE-Arrays gebeugten Lichtstrahlen abgebildet werden und die Bildinformationen des DOE-Arrays projiziert werden. Dabei enthält jedes diffraktive optische Element ein Bild (oder ein Teilbild), so dass durch eine sequenzielle oder parallele Aktivierung der Laser, d.h. des VCSEL-Arrays, und eine Überlagerung der Bilder (oder Teilbilder) in der Abbildungsebene/Projektionsebene der Eindruck eines bewegten Bildes entstehen kann. Erfindungsgemäß wird somit eine semidynamische Projektion mit VCSEL und DOE vorgeschlagen.This means that the projection system is used to display image content on the imaging plane/projection plane, with the image content being spatially superimposed/projected onto the same imaging surface. The projection system comprises the substrate with the VCSEL array, where a VCSEL is a laser diode in which the light is emitted perpendicular to the plane of its semiconductor chip (in contrast to an edge-emitting laser diode, in which the light is emitted at one or two flanks of its semiconductor chip exit). In particular, a VCSEL is an optoelectronic device made up of quantum wells sandwiched between two Distributed Bragg Reflectors (“DBR”). The projection system has the lens array for beam shaping, which is arranged stacked above the VCSEL array, and the DOE array, which is arranged stacked above the lens array and carries the image information to be projected. The diffractive optical elements can be glass carriers on which microstructures are applied by photolithography, so that phase modulations occur in them due to different optical path lengths of the partial beams, which creates interference patterns, with the amplitude being able to be modulated additionally by constructive and destructive superimposition. In general, diffractive optical elements can be used for beam shaping (beam shaping) or for dividing a laser beam into several partial beams (beam splitting). In addition, the projection system has the imaging plane downstream of the DOE array in the beam path, on which the light beams diffracted by the optical grating of the DOE array are imaged and the image information of the DOE array is projected. Each diffractive optical element contains an image (or a partial image), so that sequential or parallel activation of the lasers, i.e. the VCSEL array, and superimposition of the images (or partial images) in the imaging plane/projection plane creates the impression of a moving image can arise. According to the invention, a semi-dynamic projection with VCSEL and DOE is thus proposed.
Das erfindungsgemäße Projektionssystem hat den Vorteil, dass es durch die Verwendung der diffraktiven optischen Elemente besonders kompakt aufgebaut werden kann. Somit steht bei dem erfindungsgemäßen Projektionssystem nicht die Dynamik des Bildinhalts im Vordergrund, sondern die Kompaktheit, der einfache Aufbau und die optische Effizienz des Gesamtsystems. Im Gegensatz zu Gesamtsystemen, die mit Mikrospiegeln, Flüssigkristallen oder dergleichen arbeiten und eine optische Effizienz von ca. 30 % erreichen können, liegt die optische Effizienz bei einem diffraktiven optischen Element in Abhängigkeit der Anzahl der Stufen bei mehr als 80%. Zudem kann das erfindungsgemäße Projektionssystem bezüglich des Aufbaus des optischen Pfads und der Ansteuerung weniger komplex und kostengünstiger als die genannten Systeme mit Mikrospiegeln, Flüssigkristallen oder dergleichen aufgebaut werden. Zudem hat die Verwendung der VCSEL in dem erfindungsgemäßen Projektionssystem den Vorteil, dass sich diese mit hoher Lagepräzision zueinander aufbauen lassen, so dass eine präzise Überlagerung ermöglicht wird.The projection system according to the invention has the advantage that it can be constructed in a particularly compact manner through the use of the diffractive optical elements. Thus, in the projection system according to the invention, the focus is not on the dynamics of the image content, but rather on the compactness, the simple structure and the optical efficiency of the overall system. In contrast to overall systems that work with micromirrors, liquid crystals or the like and can achieve an optical efficiency of approx. 30%, the optical efficiency of a diffractive optical element is more than 80%, depending on the number of stages. In addition, the projection system according to the invention can be constructed less complex and more cost-effectively with regard to the structure of the optical path and the control than the mentioned systems with micromirrors, liquid crystals or the like. In addition, the use of VCSELs in the projection system according to the invention has the advantage that they can be constructed with high positional precision in relation to one another, so that precise superimposition is made possible.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können zumindest zwei der diffraktiven optischen Elemente einen unterschiedlichen Bildinhalt aufweisen. Vorzugsweise können die Bildinhalte der zumindest zwei diffraktiven optischen Elemente geringfügig unterschiedlich, d.h. teilweise identisch, sein. Dies hat den Vorteil, dass das Projektionssystem zur Bewegungsanimation genutzt werden kann, indem die optischen Kanäle/Pfade des Projektionssystems, d.h. die Oberflächenemitter/VCSEL einzeln, zeitlich kurz nacheinander aktiviert werden. Dabei heißt zeitlich kurz nacheinander, dass die einzelnen optischen Pfade in einem Abstand von einigen Millisekunden bis einige 100 Millisekunden aktiviert werden. Alternativ können die Bildinhalte der zumindest zwei diffraktiven optischen Elemente unterschiedliche Strukturen, wie etwa Warnhinweise oder Symbole, sein, so dass je nach Anwendungsfall (vollständig) unterschiedliche Bildinhalte mit dem Projektionssystem dargestellt werden können. Insbesondere kann jedes der diffraktiven optischen Elemente einen eigenen, sich von den anderen diffraktiven optischen Elemente unterscheidenden Bildinhalt tragen.According to a preferred development of the projection system, at least two of the diffractive optical elements can have different image content. The image content of the at least two diffractive optical elements can preferably be slightly different, i.e. partially identical. This has the advantage that the projection system can be used for motion animation by activating the optical channels/paths of the projection system, i.e. the surface emitters/VCSELs individually, in quick succession. In this context, in quick succession in time means that the individual optical paths are activated at intervals of a few milliseconds to a few 100 milliseconds. Alternatively, the image content of the at least two diffractive optical elements can have different structures, such as warnings or symbols, so that (completely) different image content can be displayed with the projection system, depending on the application. In particular, each of the diffractive optical elements can carry its own image content that differs from the other diffractive optical elements.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können zumindest zwei der diffraktiven optischen Elemente einen identischen Bildinhalt aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass durch eine Überlagerung identischer Bildinhalte in der Abbildungsebene eine Intensitätserhöhung erzielt werden kann, was beispielsweise zur Verbesserung der Wahrnehmbarkeit bei Tageslicht beitragen kann. Die Überlagerung kann insbesondere erreicht werden, indem die optischen Kanäle/Pfade des Projektionssystems, d.h. die Oberflächenemitter/VCSEL die den diffraktiven optischen Elementen gleichen Bildinhalts vorgeschaltet sind, gleichzeitig aktiviert werden.According to a preferred development of the projection system, at least two of the diffractive optical elements can have an identical image content. This has the advantage that an intensity increase can be achieved by superimposing identical image content in the imaging plane, which can contribute to improving perceptibility in daylight, for example. The overlay can be achieved in particular by simultaneously activating the optical channels/paths of the projection system, i.e. the surface emitters/VCSELs that are connected upstream of the diffractive optical elements with the same image content.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können die diffraktiven optischen Elemente wellenlängenabhängig ausgebildet sein, wobei ein erstes diffraktives optisches Element für rotes Licht ausgebildet ist, ein zweites diffraktives optisches Element für grünes Licht ausgebildet ist, und ein drittes diffraktives optisches Element für blaues Licht ausgebildet ist. Aufgrund ihrer optischen Eigenschaften lassen sich diffraktive optische Elemente nur für eine bestimmte Wellenlänge optimal auslegen. Wenn also für jeden dazustellenden (unterschiedlichen) Bildinhalt je ein diffraktives optisches Element für rot, grün und blau vorgesehen ist und die Projektionen in der Abbildungsebene überlagert werden, kann eine Farbmischung erreicht werden, und mit dem Projektionssystem jede beliebige Farbe erzeugt werden.According to a preferred development of the projection system, the diffractive optical elements can be wavelength-dependent, with a first diffractive optical element being designed for red light, a second diffractive optical element being designed for green light, and a third diffractive optical element being designed for blue light. Due to their optical properties, diffractive optical elements can only be optimally designed for a specific wavelength. If a diffractive optical element is provided for red, green and blue for each (different) image content to be displayed and the projections are superimposed in the imaging plane, color mixing can be achieved and any color can be generated with the projection system.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können die diffraktiven optischen Elemente auf Waferbasis und/oder mittels eines Glasmaster (Stamper) hergestellt sind. Insbesondere bei der Herstellung auf Waferbasis können die optischen Pfade des Projektionssystems mit hoher Lagepräzision ausgerichtet werden.According to a preferred development of the projection system, the diffractive optical elements can be produced on a wafer basis and/or by means of a glass master (stamper). The optical paths of the projection system can be aligned with high positional precision, particularly in wafer-based production.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann zwischen dem Substrat, auf dem das VCSEL-Array aufgebracht ist, und dem Linsen-Array ein Abstandshalter angeordnet sein. So lässt sich ein besonders exakter Abstand zwischen den beiden Arrays erreichen, so dass ein kompaktes Projektionssystem ausgebildet werden kann.According to a preferred development of the projection system, a spacer can be arranged between the substrate on which the VCSEL array is applied and the lens array. A particularly exact distance between the two arrays can thus be achieved, so that a compact projection system can be formed.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann zwischen dem Linsen-Array und dem DOE-Array ein Abstandshalter angeordnet sein. So lässt sich ein besonders exakter Abstand zwischen den beiden Arrays erreichen, so dass ein kompaktes Projektionssystem ausgebildet werden kann.According to a preferred development of the projection system, a spacer can be arranged between the lens array and the DOE array. A particularly exact distance between the two arrays can thus be achieved, so that a compact projection system can be formed.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann das VCSEL-Array ein monochromatisches VCSEL-Array sein. Das heißt, dass alle Oberflächenemitter die gleiche Wellenlänge emittieren, was vorteilhaft für die Herstellung aller Oberflächenemitter auf einem Substrat ist, da das VCSEL-Array dann einen integrierten Aufbau mit engen Toleranzen aufweist und mit einfachen Fertigungsschritten herstellbar ist.According to a preferred development of the projection system, the VCSEL array can be a monochromatic VCSEL array. This means that all surface emitters emit the same wavelength, which is advantageous for the production of all surface emitters on one substrate, since the VCSEL array then has an integrated structure with tight tolerances and can be produced with simple production steps.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann dem VCSEL-Array, insbesondere wenn es ein monochromatisches VCSEL-Array ist, zur Frequenzverdoppelung oder Frequenzverdreifachung von aus den Oberflächenemittern emittiertem Lichts ein Laserkristall mit einer nicht linearen Optik im Strahlengang nachgeschaltet sein. Das heißt, dass die Oberflächenemitter nur als Pumpquelle für Laserkristalle dienen, mit denen per Single Pass Frequenzverdoppelung („SHG“, second harmonic generation) bzw. Frequenzverdreifachung („THG“, third harmonic generation) gewünschte Wellenlängen erzeugt werden. Vorzugsweise kann das VCSEL-Array Licht mit einer Wellenlänge von 808nm emittieren, da solche Oberflächenemitter hinreichend verfügbar und ihre Eigenschaften bekannt sind. Alternativ sind auch für angepasste Laserkristalle Wellenlängen von 850 nm oder 940 nm möglich. Somit ist es möglich, mit dem Laserkristall, wie etwa Nd:Yag, je nach Dotierung aus Licht mit einer Wellenlänge 808nm per Frequenzverdopplung rotes Licht, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von 660 nm, (bei einem Laserkristall Nd:Yag mit einer Dotierung 1320 nm) oder grünes Licht, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von 530 nm, (bei einem Laserkristall Nd:Yag mit einer Dotierung 1060 nm) bzw. per Frequenzverdeifachung blaues Licht, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von 440 nm, (bei einem Laserkristall Nd:Yag mit einer Dotierung 1320 nm) zu erzeugen.According to a preferred development of the projection system, the VCSEL array, particularly if it is a monochromatic VCSEL array, can be followed by a laser crystal with non-linear optics in the beam path for frequency doubling or frequency tripling of light emitted from the surface emitters. This means that the surface emitters only serve as a pump source for laser crystals, with which the desired wavelengths are generated by single-pass frequency doubling (“SHG”, second harmonic generation) or frequency trebling (“THG”, third harmonic generation). The VCSEL array can preferably emit light with a wavelength of 808 nm, since such surface emitters are sufficiently available and their properties are known. Alternatively, wavelengths of 850 nm or 940 nm are also possible for adapted laser crystals. It is therefore possible with the laser crystal, such as Nd:Yag, depending on the doping, to produce red light from light with a wavelength of 808 nm by frequency doubling, i.e. light with a wavelength of 660 nm (in the case of a laser crystal Nd:Yag with a doping of 1320 nm ) or green light, ie light with a wavelength of 530 nm, (for a laser crystal Nd:Yag with a doping of 1060 nm) or by frequency doubling blue light, ie light with a wavelength of 440 nm (for a laser crystal Nd:Yag with a doping of 1320 nm).
Mit der beschriebenen Anordnung können auch durch direkte Emission nicht kommerziell erhältliche Wellenlängen, bei denen die Mischung mit der wellenlängenabhängigen Auslegung der diffraktiven optischen Elemente kollidiert, erzeugt werden. Beispielsweise kann das im Automotive Bereich verwendete Blinkergelb, das eine Wellenlänge von 587 bis 597 nm hat, das aufgrund der wellenlängenabhängigen Auslegung der diffraktiven optischen Elemente nicht durch Mischung aus einem grünen und einem roten Laser erzeugt werden kann, per Frequenzverdopplung erzeugt werden, indem eine Grundwellenlänge (d.h. eine Wellenlänge der Oberflächenemitter) von 1174 nm bis 1195 nm verwendet wird. Da solche Oberflächenemitter mit Wellenlängen >1000 nm bereits existieren, kann auch Blinkergelb mit der beschriebenen Anordnung erzeugt werden.With the arrangement described, wavelengths which are not commercially available and at which the mixture collides with the wavelength-dependent design of the diffractive optical elements can also be produced by direct emission. For example, the yellow indicator used in the automotive sector, which has a wavelength of 587 to 597 nm and cannot be generated by mixing a green and a red laser due to the wavelength-dependent design of the diffractive optical elements, can be generated by frequency doubling by using a fundamental wavelength (i.e. a wavelength of the surface emitters) of 1174 nm to 1195 nm is used. Since such surface emitters with wavelengths >1000 nm already exist, turn signal yellow can also be produced with the arrangement described.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann vor jedem der Oberflächenemitter ein unabhängiger Laserkristall zur Frequenzverdoppelung oder Frequenzverdreifachung montiert sein oder mehrere Oberflächenemitter mit einem gemeinsamen Laserkristall versehen sein. Das dem jeweiligen Oberflächenemitter und Laserkristall nachgeschaltete diffraktive optische Element ist dabei entsprechend der aus dem Laserkristall emittierten Wellenlänge ausgelegt.According to a preferred development of the projection system, an independent laser crystal for frequency doubling or frequency trebling can be mounted in front of each of the surface emitters, or several surface emitters can be provided with a common laser crystal. The diffractive optical element downstream of the respective surface emitter and laser crystal is designed according to the wavelength emitted by the laser crystal.
Alternativ könnte anstatt eines VCSEL-Array auch eine andere Anregungsquelle verwendet werden, wobei der Laserkristall mit der nicht linearen Optik auch in den Resonator eingebracht werden kann, um eine höhere Effizienz der Frequenzumwandlung zu erzielen. Dies kann beispielsweise über extern optisch gepumpte Scheibenlaser oder über intern gepumpte Systeme jeweils mit einem externen Resonator-Spiegel erfolgen.Alternatively, another excitation source could be used instead of a VCSEL array, whereby the laser crystal with the non-linear optics can also be placed in the resonator in order to achieve higher frequency conversion efficiency. This can be done, for example, via externally optically pumped disk lasers or via internally pumped systems, each with an external resonator mirror.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Strukturen vorgesehen, mit einem Substrat, auf dem ein VCSEL Array aufgebracht ist, wobei das VCSEL-Array ein Array von Oberflächenemittern ist, einem dem VCSEL-Array direkt im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array, wobei das DOE-Array ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen ist, wobei das VCSEL Array und das DOE Array so ausgebildet sind, dass Emissionswinkel des VCSEL-Array innerhalb von Akzeptanzwinkeln des DOE-Arrays liegen, und einer dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene, wobei das DOE-Array so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente in der Abbildungsebene überlagern. Dabei entspricht das Projektionssystem im Aufbau im Wesentlichen dem bereits beschriebenen Projektionssystem, wobei das Projektionssystem gemäß dem weiteren Aspekt kein zwischen dem VCSEL-Array und dem DOE-Arrays angeordnetes Linsen-Arrays aufweist. Der Verzicht auf das Linsen-Array ist möglich, wenn die Emissionswinkel/Divergenz-Winkel der Oberflächenemitter zu den Akzeptanzwinkeln der diffraktiven optischen Elemente passen, so dass keine Strahlformung durch das Linsen-Array erforderlich ist. Dabei können die Divergenz-Winkel der Oberflächenemitter/Laser im Bereich von einigen Grad liegen.According to a further aspect of the invention, a projection system for the superimposed representation of structures is provided, with a substrate on which a VCSEL array is applied, the VCSEL array being an array of surface emitters, a DOE directly downstream of the VCSEL array in the beam path Array, wherein the DOE array is an array of individual diffractive optical elements, each containing an image content to be displayed, wherein the VCSEL array and the DOE array are designed such that emission angles of the VCSEL array are within acceptance angles of the DOE array, and an imaging plane downstream of the DOE array in the beam path, the DOE array being designed in such a way that the image contents of the diffractive optical elements are superimposed in the imaging plane. In terms of structure, the projection system essentially corresponds to the projection system already described, the projection system according to the further aspect having no lens arrays arranged between the VCSEL array and the DOE array. The lens array can be dispensed with if the emission angles/divergence angles of the surface emitters match the acceptance angles of the diffractive optical elements, so that no beam shaping by the lens array is required. The divergence angles of the surface emitters/lasers can be in the range of a few degrees.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Projektionssystem zur überlagerten Darstellung von Strukturen vorgesehen, mit einem Laser, einem dem Laser im Strahlengang nachgeschalteten beweglichen Mikrospiegel, einem dem Mikrospiegel im Strahlengang nachgeschalteten DOE-Array, wobei das DOE-Array ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen ist, und einer dem DOE-Array im Strahlengang nachgeschalteten Abbildungsebene, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionssystem eine Steuereinheit zur Steuerung einer Bewegung des Mikrospiegels aufweist, die ausgebildet ist, um den Mikrospiegel so zu bewegen, dass durch den Laser emittiertes Licht auf einzelne diffraktive optische Elemente abgelenkt wird, und dass das DOE-Array so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente in der Abbildungsebene überlagern.According to another aspect of the invention, a projection system for the superimposed representation of structures is provided, with a laser, a movable micromirror downstream of the laser in the beam path, a DOE array downstream of the micromirror in the beam path, the DOE array being an array of individual, respectively is diffractive optical elements containing an image content to be displayed, and an imaging plane downstream of the DOE array in the beam path, characterized in that the projection system has a control unit for controlling a movement of the micromirror, which is designed to move the micromirror in such a way that the Laser-emitted light is deflected onto individual diffractive optical elements, and that the DOE array is designed such that the image contents of the diffractive optical elements are superimposed in the imaging plane.
Das heißt, dass das DOE-Array in Kombination mit einem Mikrospiegel als steuerbare Laserablenkeinheit eingesetzt wird, um eine Bewegungsanimation zu erzeugen. Dabei wird der Laserstrahl sequenziell über die segmentierte DOE-Struktur geführt und zu definierten Zeitpunkten aktiviert.This means that the DOE array is used in combination with a micromirror as a controllable laser deflection unit to create a motion animation. The laser beam is guided sequentially over the segmented DOE structure and activated at defined points in time.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems kann die Steuereinheit zur Aktivierung des Lasers so ausgebildet sein, dass sie die Bewegung des Mikrospiegels und die Aktivierung des Lasers synchronisiert. Über die Steuereinheit wird also die Bewegung des Mikrospiegels mit der Aktivierung des Lasers aktiviert, so dass der Laser genau dann aktiviert wird, wenn der Mikrospiegel bewegt ist bzw. auf ein anderes diffraktives optisches Element ausgerichtet ist. Durch die zeitlich versetzte Überlagerung der Projektion in der Abbildungsebene entsteht der Eindruck eines bewegten Bildes.According to a preferred development of the projection system, the control unit for activating the laser can be designed in such a way that it synchronizes the movement of the micromirror and the activation of the laser. The movement of the micromirror is thus activated by the activation of the laser via the control unit, so that the laser is activated precisely when the micromirror is moved or is aligned with another diffractive optical element. The temporally offset superimposition of the projection in the imaging plane creates the impression of a moving image.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Projektionssystems können zumindest zwei der diffraktiven optischen Elemente einen unterschiedlichen Bildinhalt aufweisen. Vorzugsweise können die Bildinhalte der zumindest zwei diffraktiven optischen Elemente geringfügig unterschiedlich, d.h. teilweise identisch, sein. Dies hat den Vorteil, dass das Projektionssystem zur Bewegungsanimation genutzt werden kann, indem die optischen Kanäle/Pfade des Projektionssystems, d.h. die Oberflächenemitter/VCSEL einzeln, zeitlich kurz nacheinander aktiviert werden. Dabei heißt zeitlich kurz nacheinander, dass die einzelnen optischen Pfade in einem Abstand von einigen Millisekunden bis einige 100 Millisekunden aktiviert werden. Insbesondere kann jedes der diffraktiven optischen Elemente einen eigenen, sich von den anderen diffraktiven optischen Elemente unterscheidenden Bildinhalt tragen.According to a preferred development of the projection system, at least two of the diffractive optical elements can have different image content. The image content of the at least two diffractive optical elements can preferably be slightly different, i.e. partially identical. This has the advantage that the projection system can be used for motion animation by activating the optical channels/paths of the projection system, i.e. the surface emitters/VCSELs individually, in quick succession. In this context, in quick succession in time means that the individual optical paths are activated at intervals of a few milliseconds to a few 100 milliseconds. In particular, each of the diffractive optical elements can carry its own image content that differs from the other diffractive optical elements.
Zusammenfassend hat das erfindungsgemäße Projektionssystem die Vorteile, dass keine abbildende Optik nach dem diffraktiven optischen Element erforderlich ist, dass diffraktive optische Elemente eine sehr effiziente Möglichkeit zur Projektion bieten, dass ein sehr flacher, kompakter Aufbau möglich ist, dass durch den Einsatz von Arrays (VCSEL-Array, Linsen-Array, DOE-Array) eine sehr hohe Präzision bei der Ausrichtung der optischen Elemente zueinander erreichbar ist, dass durch die Kombination von diffraktiven optischen Elementen für definiert ausgelegte Wellenlängen RGB, die in der Abbildungsebene überlagert werden, alle Farben gemischt werden können, dass aufgrund der unendlichen Schärfetiefe der Abbildung der diffraktiven optischen Elemente diese bei schräger Projektion vorteilhaft ist, und dass hohe Leuchtdichten erreichbar sind, was die Wahrnehmbarkeit bei Tageslicht verbessern kann.In summary, the projection system according to the invention has the advantages that imaging optics are not required after the diffractive optical element, that diffractive optical elements offer a very efficient option for projection, that a very flat, compact structure is possible, that the use of arrays (VCSEL -Array, lens array, DOE array) a very high level of precision can be achieved when aligning the optical elements to one another, that all colors are mixed through the combination of diffractive optical elements for defined wavelengths RGB, which are superimposed in the imaging plane that due to the infinite depth of focus of the image of the diffractive optical elements, this is advantageous for oblique projection, and that high luminance levels can be achieved, which can improve perceptibility in daylight.
Zusätzlich zur Bildprojektion ist der beschriebene Ansatz beispielsweise auch für eine Streifenprojektion für eine Objekterkennung/für 3D-Scans nutzbar, um verschieden breite Streifen oder Messermuster dazustellen und dadurch die Erfassungsgenauigkeit mittels einer Kamera zu verbessern, was insbesondere bei der Verwendung von Lasern im Infrarot-Wellenlängenbereich vorteilhaft sein kann.In addition to image projection, the approach described can also be used, for example, for a stripe projection for object recognition/for 3D scans, in order to present strips or knife patterns of different widths and thereby improve the detection accuracy using a camera, which is particularly important when using lasers in the infrared wavelength range can be beneficial.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
-
1 einen schematischen Aufbau eines Projektionssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 einen schematischen Aufbau des Projektionssystems gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels; -
3 einen schematischen Aufbau des Projektionssystems gemäß einer weiteren Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels; -
4 eine schematische Querschnittsdarstellung des Projektionssystems gemäß der weiteren Modifikation, entlang der Linie IV-IV in3 ; und -
5 einen schematischen Aufbau des Projektionssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
1 a schematic structure of a projection system according to a first embodiment; -
2 a schematic structure of the projection system according to a modification of the first embodiment; -
3 a schematic structure of the projection system according to a further modification of the first embodiment; -
4 a schematic cross-sectional representation of the projection system according to the further modification, along the line IV-IV in3 ; and -
5 a schematic structure of the projection system according to a second embodiment.
Das Projektionssystem 1 dient zur überlagerten Darstellung von Bildinhalten. Das Projektionssystem 1 weist mehrere optische Pfade/Kanäle/Projektionspfade auf, die durch den Einsatz von Arrays zueinander ausgerichtet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Projektionssystem 1 Arrays, die 3x2 Projektionspfade ausbilden.The
Das Projektionssystem 1 weist ein Substrat 2 auf, auf dem ein VCSEL-Array 4 aufgebracht ist. Das VCSEL-Array 4 ist ein Array von Oberflächenemittern/VCSEL, d.h. vertical-cavity surface-emitting laser, 6. Zudem weist das Projektionssystem 1 ein dem VCSEL-Array 4 im Strahlengang nachgeschaltetes Linsen-Array 8 auf. Das Linsen-Array 8 ist ein Array von Linsen/Kollimator-Optiken 10. Ferner weist das Projektionssystem 1 ein dem Linsen-Array 8 im Strahlengang nachgeschaltetes DOE-Array 12 auf. Das DOE-Array 12 ist ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen 14. Zudem weist das Projektionssystem 1 eine dem DOE-Array 12 im Strahlengang nachgeschaltete Abbildungsebene/Projektionsebene 16 auf. Auf der Abbildungsebene werden die projizierten Bildinhalte dargestellt.The
Erfindungsgemäß ist das DOE-Array 12 so ausgebildet ist, dass sich die Bildinhalte der (einzelnen) diffraktiven optischen Elemente 14 in der Abbildungsebene 16 überlagern.According to the invention, the
Die Bildinhalte der (einzelnen) diffraktiven optischen Elemente 14 können unterschiedlich sein, so dass verschiedene Bildinhalte projiziert werden können. Werden die verschiedenen Bildinhalte in kurzen zeitlichen Abständen, d.h. in Abständen zwischen wenigen und einigen 100 Millisekunden, nacheinander auf die Abbildungsebene 16 projiziert, kann der Eindruck einer Animation erzeugt werden. Alternativ können die Bildinhalte der (einzelnen) diffraktiven optischen Elemente 14 identisch sein, so dass gleiche Bildinhalte in die Abbildungsebene 16 projiziert werden können, wobei sich durch eine zeitliche Überlagerung die gleichen Bildinhalte mit einer höheren Leuchtdichte darstellbar sind.The image content of the (individual) diffractive
Zudem ist in
Ferner ist in
In
Das Projektionssystem 32 weist einen Laser 34 auf. Zudem weist das Projektionssystem 32 einen dem Laser 34 im Strahlengang nachgeschalteten beweglichen Mikrospiegel 36. Der aus dem Laser 34 austretende Laserstrahl wird über eine Kollimationsoptik 38 zu dem Mikrospiegel 36 geleitet. Ferner weist das Projektionssystem 32 ein dem Mikrospiegel 36 im Strahlengang nachgeschaltetes DOE-Array 40 auf. Das DOE-Array 40 ist ein Array von einzelnen, jeweils einen darzustellenden Bildinhalt enthaltenden diffraktiven optischen Elementen 42. Zudem weist Projektionssystem 32 eine dem DOE-Array 40 im Strahlengang nachgeschaltete Abbildungsebene 44 auf.The
Erfindungsgemäß weist das Projektionssystem 32 eine Steuereinheit 46 zur Steuerung einer Bewegung des Mikrospiegels 36 auf. Die Steuereinheit 46 ist ausgebildet, um den Mikrospiegel 36 so zu bewegen, dass durch den Laser 34 emittiertes Licht auf die einzelnen diffraktive optische Elemente 42 abgelenkt wird. Zudem ist das DOE-Array 40 so ausgebildet, dass sich die Bildinhalte der diffraktiven optischen Elemente 42 in der Abbildungsebene 44 überlagern. Vorzugsweise ist die Steuereinheit 46 zur Aktivierung des Lasers 34 so ausgebildet, dass sie die Bewegung des Mikrospiegels 36 und die Aktivierung des Lasers 34 synchronisiert. Insbesondere ist die Steuereinheit 46 über einen Spiegeltreiber 48 mit dem Mikrospiegel 36 zu dessen Bewegungssteuerung verbunden. Zudem ist die Steuereinheit 46 insbesondere über einen Lasertreiber 50 mit dem Laser 34 zu dessen Aktivierung verbunden.According to the invention, the
BezugszeichenlisteReference List
- 1; 321; 32
- Projektionssystemprojection system
- 22
- Substratsubstrate
- 44
- VCSEL-ArrayVCSEL array
- 66
- Oberflächenemitter/VCSELSurface Emitter/VCSEL
- 6a6a
- erster Oberflächenemitterfirst surface emitter
- 6b6b
- zweiter Oberflächenemittersecond surface emitter
- 6c6c
- dritter Oberflächenemitterthird surface emitter
- 88th
- Linsen-Arraylens array
- 10; 3810; 38
- Linse/Kollimator-OptikLens/Collimator Optics
- 12; 4012; 40
- DOE-ArrayDOE array
- 14; 4214; 42
- diffraktives optisches Elementdiffractive optical element
- 14a14a
- erstes diffraktives optisches Elementfirst diffractive optical element
- 14b14b
- zweites diffraktives optisches Elementsecond diffractive optical element
- 14c14c
- drittes diffraktives optisches Elementthird diffractive optical element
- 16; 4416; 44
- Abbildungsebene/Projektionsebeneimaging plane/projection plane
- 1818
- erster Abstandshalterfirst spacer
- 2020
- zweiter Abstandshaltersecond spacer
- 2222
- Durchmesserdiameter
- 2424
- AbstandDistance
- 2626
- Abstrahlkegelradiation cone
- 2828
- Divergenz-Winkeldivergence angle
- 3030
- Strahlenbündelbundle of rays
- 3434
- LaserLaser
- 3636
- Mikrospiegelmicromirror
- 4646
- Steuereinheitcontrol unit
- 4848
- Spiegeltreibermirror driver
- 5050
- Lasertreiberlaser driver
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021123871.4A DE102021123871A1 (en) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | PROJECTION SYSTEM |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021123871.4A DE102021123871A1 (en) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | PROJECTION SYSTEM |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021123871A1 true DE102021123871A1 (en) | 2023-03-16 |
Family
ID=85284850
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021123871.4A Pending DE102021123871A1 (en) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | PROJECTION SYSTEM |
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---|---|
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140240464A1 (en) | 2013-02-28 | 2014-08-28 | Motorola Mobility Llc | Context-Based Depth Sensor Control |
US20170156192A1 (en) | 2015-11-27 | 2017-06-01 | Everready Precision Ind. Corp. | Lighting apparatus |
DE102019125571A1 (en) | 2019-09-24 | 2021-03-25 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Lighting device for a motor vehicle |
-
2021
- 2021-09-15 DE DE102021123871.4A patent/DE102021123871A1/en active Pending
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