DE102021203648B4

DE102021203648B4 - Optische Projektionsanordnung

Info

Publication number: DE102021203648B4
Application number: DE102021203648.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Reinert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2041-04-14
Also published as: DE102021203648A1

Abstract

Optische Projektionsanordnung (10) mit folgenden Merkmalen:einer ersten Baugruppe (10-1), die auf einem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet ist, mit:- Einer optischen Sendeanordnung (30), die eine Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauteilen (30-1, 30-2, 30-3) aufweist, wobei die optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) so an dem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet sind, dass zumindest ein Teil ihrer Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) eine Abstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats (20-1) aufweist,- einer Linsenanordnung (40) zur Kollimation der Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3), und- einer Prisma-Anordnung (50) mit Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität, die ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) gemeinsam zu führen an einer Auskoppeloberfläche (52) auszukoppeln, undeiner zweiten Baugruppe (10-2), die auf einem zweiten Teilsubstrat (20-2) angeordnet ist, mit:einer MEMS-Spiegelanordnung (60) mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement (62), wobei das Spiegelelement (62) im Ruhezustand parallel zu der Substratebene des zweiten Teilsubstrats (20-2) ausgerichtet ist,wobei die Prisma-Anordnung (50) und die MEMS-Spiegelanordnung (60) so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) jeweils unter einem Einfallwinkel (β) auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement (62) trifft, wobei der Einfallwinkel (β) im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements (62) in einem Bereich zwischen 30° und 50° liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Projektionsvorrichtung, wie z.B. ein optisches Projektionssystem in Form eines RGB-Scanners (RGB = Rot-Grün-Blau).
Gegenwärtige Systeme zur Vollfarbenprojektion auf Basis von MEMS-Spiegeln (MEMS = Mikroelektromechanisches System) sind vergleichsweise groß und eignen sich deshalb nur bedingt zur Integration in schlanke AR/VR-Brillen (AR = Augmented Reality, VR = Virtual Reality). So erfordert die Größe der Light Engine (= Lichtgenerator) und insbesondere deren Aufbauhöhe ein relativ großes, notwendiges Aufbauvolumen solcher Anordnungen. Diese Anforderungen an das Aufbauvolumen werden weiter erhöht, falls das kollimierte Laserlicht in einem möglichst steilen Winkel auf einen oder zwei MEMS-Spiegel geführt werden soll. Darüber hinaus ist es relativ schwierig und damit aufwendig, störende Primärreflexe bei gehäusten MEMS-Spiegeln zu vermeiden.
Bei momentan eingesetzten Projektionssystemen werden beispielsweise zwei einzelne, hermetisch verkappte Einachsen-Spiegel zusammen mit individuell TO-gehäusten Laserdioden (TO = transistor outline) eingesetzt. Bei einer solchen Verwendung von zwei individuellen Spiegeln muss die zweite Spiegelfläche relativ groß dimensioniert sein. Ferner erfolgt gemäß dem Stand der Technik die Spiegelmontage in einer zum eingehenden Strahl gekippten Position, wobei die Laserstrahlung parallel zur Montageebene zu den Linsen und dem Strahlkombinierer geführt wird, um einen steilen Einfallswinkel auf die Spiegel zu realisieren.
Die US 2010 / 0 302 513 A1 bezieht sich auf eine Bildanzeigevorrichtung vom Projektionstyp zum Anzeigen eines Bildes auf einer projizierten Ebene.
Die US 2012 / 0 293 775 A1 bezieht sich auf einen Abtastprojektor zum Abtasten eines von einer Laserlichtquelle emittierten optischen Strahls.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine verbesserte optische Projektionsanordnung zu schaffen, die bei Verwendung einer Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauelementen einen kompakten Aufbau ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Anmeldung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Eine optische Projektionsanordnung umfasst - eine erste Baugruppe, die auf einem ersten Teilsubstrat angeordnet ist, mit einer optischen Sendeanordnung, die eine Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauteilen aufweist, wobei die optoelektronischen Sendebauteile so an dem ersten Teilsubstrat angeordnet sind, dass zumindest ein Teil ihrer Sendestrahlung eine Hauptabstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats aufweist, einer Linsenanordnung zur Kollimation der jeweiligen Sendestrahlung der optoelektronischen Sendebauteile, und einer Prisma-Anordnung mit Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität, die ausgebildet ist, um die kollimierte jeweilige Sendestrahlung der optoelektronischen Bauteile gemeinsam zu führen und an einer Auskoppeloberfläche auszukoppeln, und - eine zweite Baugruppe, die auf einem zweiten Teilsubstrat angeordnet ist, mit einer MEMS-Spiegelanordnung mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement, wobei die Prisma-Anordnung und das MEMS-Spiegelanordnung geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung der optoelektronischen Sendebauteile jeweils unter einem Einfallwinkel β auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement trifft, wobei der Einfallwinkel β im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements in einem Bereich zwischen 30° und 50° (oder bei 40° +- 3° = Einfallswinkel auf die Spiegelfläche des Spiegelelements) liegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist bei der optischen Projektionsanordnung das Spiegelelement im Ruhezustand parallel zu der Substratebene des zweiten Teilsubstrats ausgerichtet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Prisma-Anordnung und das MEMS-Spiegelanordnung geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass ein lateraler Abstand der Auskoppelfläche der Prisma-Anordnung zu dem Mittelpunkt des Spiegelelements weniger als der 12-fache Wert der Aufbauhöhe der Prisma-Anordnung beträgt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen das erste Teilsubstrat und das zweite Teilsubstrat ein Leiterplattenmaterial, eine thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Keramik mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder ein Halbleitermaterial auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine kuppelförmige Glaskappe mit dem zweiten Teilsubstrat gefügt
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, eine optische Projektionsanordnung bereitzustellen, die eine vertikale Strahlanordnung bzw. Strahlführung der optoelektronischen Sendebauelemente bezüglich der Substratebene mit einem mechanisch festgekoppelten MEMS-Spiegelelement ermöglicht, wobei die Spiegelplatte des MEMS-Spiegelelements beispielsweise im Ruhezustand (= im nicht ausgelenkten Zustand oder in der Nullstellung) parallel zu der Substratebene ausgerichtet ist.
Die erfindungsgemäße optische Projektionsanordnung ist beispielsweise als eine erste und zweite Baugruppe ausgebildet, die auf fest miteinander gekoppelten Teilsubstraten (Substratabschnitten) oder auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind, wobei die optische Projektionsanordnung als eine photonische Anordnung eine optische Mittelachse aufweist bzw. vorgibt, deren Mittelpunkt auf einer beweglichen MEMS-Spiegelplatte ausgerichtet ist. Die optische Projektionsanordnung weist beispielsweise mehrere Halbleiter-basierte Lichtquellen, eine Linsenanordnung (= Linsenebene) und ein Umlenkprisma auf. Die Halbleiter-basierten Lichtquellen weisen dabei eine vom Trägersubstrat (z.B. vertikal) wegzeigende Lichtaustrittsrichtung auf, wobei die Linsenanordnung zur Kollimation der divergenten Strahlung der optoelektronischen Lichtquellen ausgebildet ist.
Das Umlenkprisma hat nun die Eigenschaft, die verschiedenen Strahlen bei den unterschiedlichen Wellenlängen der Lichtquellen zu führen und unter einem ersten Auskoppelwinkel α auszukoppeln, wobei die geführte Sendestrahlung (= Kombination aller oder einzelner Sendestrahlen) der optoelektronischen Bauteile unter einem Einfallwinkel β auf die beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelfläche trifft. Die MEMS-Spiegelanordnung kann beispielsweise von einer domförmigen Glaskappe umgeben sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die domförmige Glaskappe die MEMS-Spiegelanordnung als ein mechanischer Schutz von der Außenwelt (= Umgebungsatmosphäre) ausgebildet sein oder zusätzlich auch eine hermetische Abschirmung bereitstellen.
Durch diese strukturelle Anordnung der einzelnen Elemente der optischen Projektionsanordnung, d. h. der optoelektronischen Sendebauelemente, der Linsenanordnung, der Prisma-Anordnung und der MEMS-Spiegelanordnung und deren geometrischen Ausrichtung zueinander kann ein äußerst kompakter Aufbau mit einem geringen Aufbauvolumen der optischen Projektionsanordnung erhalten werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a eine beispielhafte Ausführungsform der optischen Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1b eine beispielhafte Ausführungsform der optischen Projektionsanordnung in einer Draufsicht gemäß dem Ausführungsbeispiel;
1c-e eine beispielhafte Ausführungsform einer Prisma-Anordnung für die optische Projektionsanordnung in unterschiedlichen Ansichten gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine beispielhafte Ausführungsform der Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3 eine beispielhafte Ausführungsform der optischen Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4a eine beispielhafte Ausführungsform der zweiten Baugruppe der Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
4b eine beispielhafte Ausführungsform der Sendebauelemente der Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte (mit gleichen Bezugszeichen) untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet die Beschreibung eines Elements aus einem Halleitermaterial, dass das Element ein Halbleitermaterial aufweist, d.h. zumindest teilweise oder auch vollständig aus dem Halbleitermaterial gebildet ist. In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet die Beschreibung eines Elements aus einem Glasmaterial, dass das Element ein Glasmaterial aufweist, d.h. zumindest teilweise oder auch vollständig aus dem Glasmaterial gebildet ist.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).
Zur Vereinfachung der Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele weisen die Figuren ein kartesisches Koordinatensystem x, y, z auf, wobei die Richtungen x, y, z orthogonal zueinander angeordnet sind. Bei den Ausführungsbeispielen entspricht die x-y-Ebene dem Hauptoberflächenbereich eines Trägers bzw. Substrats (= Referenzebene = x-y-Ebene), wobei die dazu vertikale Richtung nach oben bezüglich der Referenzebene (x-y-Ebene) der „+z“-Richtung entspricht, und wobei die Richtung vertikal nach unten bezüglich der Referenzebene (x-y-Ebene) der „-z“-Richtung entspricht. In der folgenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck „lateral“ eine Richtung parallel zu der x- und/oder y-Richtung, d. h. parallel zu der x-y-Ebene, wobei der Ausdruck „vertikal“ eine Richtung parallel zu der +/- z-Richtung angibt.
Im Folgenden wird nun anhand der 1a-e beispielhaft eine mögliche Ausführungsform einer optischen Projektionsanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
So zeigt 1a eine beispielhafte Querschnittsansicht der optischen Projektionsanordnung 10 mit der Zeichenebene parallel zur x-z-Ebene, während 1b eine beispielhafte Draufsicht der optischen Projektionsanordnung 10 mit der Zeichenebene parallel zur x-y-Ebene zeigt.
Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst nun beispielsweise eine erste Baugruppe 10-1, die auf einem ersten Teilsubstrat bzw. einem ersten Substratabschnitt 20-1 angeordnet ist, und eine zweite Baugruppe 10-2, die auf einem zweiten Teilsubstrat bzw. einem zweiten Substratabschnitt 20-2 angeordnet ist. Die erste Baugruppe 10-1 der optischen Projektionsanordnung 10 weist eine Sendeanordnung 30 mit einer Mehrzahl von optoelektronischen (Halbleiter-basierten) Sendebauteilen (= Sendebauelemente, wie z.B. Laserdioden oder Leuchtdioden) 30-1, 30-2, 30-3 auf, die an dem ersten Teilsubstrat 20-1 angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil der jeweiligen Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 eine Abstrahlrichtung bzw. Hauptabstrahlrichtung in einem Winkelbereich von +/- 30° oder +/- 20° zu einer Vertikalen (zur Ebene) des ersten Teilsubstrats 20-1 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können die optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 auch angeordnet sein, um eine Hauptabstrahlrichtung (Hauptaustrittrichtung) der jeweiligen Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 vertikal zu dem ersten Teilsubstrat aufzuweisen, d.h. um eine vertikale Strahlführung bis zu der Prisma-Anordnung 50 vorzusehen, wie die beispielhaft in 1a dargestellt ist.
Als Abstrahlrichtung bzw. Hauptabstrahlrichtung der Sendestrahlung 32 der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 wird bei einer Divergenz der Sendestrahlung beispielsweise die Mittelachse der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 und/oder die Hauptachse eines Intensitätsmaximums der Sendestrahlung bezeichnet. Als Divergenz der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die Aufweitung bzw. der Abstrahlwinkel der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3, z. B. eines Laserstrahls und/oder einer LED-Strahlung, bezeichnet.
In 1a-e ist nun beispielhaft dargestellt, dass die Sendeanordnung 30 (mit der Mehrzahl von (= zumindest zwei) optoelektronischen Sendebauteilen) beispielweise drei einzelne Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 aufweist. Die Sendeanordnung 30 kann beispielsweise als eine Mehrfarben-Sendeanordnung oder RGB-Sendeanordnung ausgebildet sein, wobei ein erstes Sendebauteil 30-1 eine erste, z.B. rote, Sendestrahlung 32-1, ein zweites Sendebauteil 30-2 eine zweite, z.B. grüne Sendestrahlung 32-2 und ein drittes Sendebauteil 30-3 eine dritte, z.B. blaue Sendestrahlung 32-3 aufweist. Die gemeinsame Sendestrahlung 32 kann somit eine einzelne oder eine Kombination mehrerer oder eine Kombination aller einzelnen Sendestrahlungen 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 aufweisen. Die Anzahl der Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 für die Sendeanordnung 30 basiert auf den Anforderungen für den jeweiligen Einsatz der optischen Projektionsanordnung 10 und beträgt zumindest zwei.
Die erste Baugruppe 10-1 der optischen Projektionsanordnung 10 weist ferner die Linsenanordnung 40 auf, die beispielsweise fest an einer Linsenhalterstruktur 42 (z.B. als Teil eines Abdeckungselements oder einer Abdeckungsanordnung) der optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 angeordnet ist. Die Linsenanordnung 40 weist z. B. ein Mehrzahl von Linsenelementen 40-1, 40-2, 40-3 auf, wobei jeweils ein Linsenelement 40-1, 40-2, 40-3 für ein optoelektronisches Sendebauteil 30-1, 30-2, 30-3 vorgesehen und demselben zugeordnet ist, um die jeweilige, z. B. divergente Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3, der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 zu kollimieren.
Die Kollimation bezeichnet in der Optik die Parallelrichtung divergenter Lichtstrahlen, wobei die Linsenelemente 40-1, 40-2, 40-3 der Linsenanordnung 40 auch als Kollimatoren oder Sammellinsen bezeichnet werden können. Die Linsenanordnung 40 kann auch als eine integrierte Mehrfachlinse 40 ausgebildet sein, wobei dann die Linsenelemente 40-1, 40-2, 40-3 gemeinsam in der Mehrfachlinse 40 integriert angeordnet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann die Linsenanordnung 40 also eine Mehrzahl von Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3 für die optoelektronische Sendeanordnung 30 zur Kollimation der z.B. divergenten Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 aufweisen, z.B.. jeweils eine Kollimationslinse 40-# für ein optoelektronisches Bauelement 30-#.
Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst ferner eine Prisma-Anordnung 50 mit einer Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität. Die Prisma-Anordnung 50 ist nun so ausgebildet, um die kollimierte (gemeinsame) Sendestrahlung 32, d. h. eine oder eine Kombination mehrerer oder alle der einzelnen Sendestrahlen 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 gemeinsam zu führen und an einer Auskoppeloberfläche 52 der Prisma-Anordnung (= Umlenkprisma) 50 auszukoppeln. An der Austrittsfläche 52 des Prismas 50 kann beispielsweise eine breitbandige Antireflexionsbeschichtung 56 aufgebracht sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Auskopplung der Sendestrahlung 32 beispielsweise unter einem Auskoppelwinkel α (= Abstrahlwinkel) bezüglich der Auskoppeloberfläche 52 der Prisma-Anordnung 50 erfolgen, wobei der Auskoppelwinkel α z.B. in einem Bereich zwischen 20° und 40° oder zwischen 24° und 30° (27° +/- 3°) liegen kann.
Die Umlenkfunktionalität der Prisma-Anordnung 50 wird erreicht, indem der jeweilige Sendestrahl 32-1, 32-2, 32-3 von den optoelektronischen Bauteilen 30-1, 30-2, 30-3 durch Reflexion an einem jeweils zugeordneten Reflexionsbereich 50-1, 50-2, 50-3 der Prisma-Anordnung 50 in eine „gemeinsame“ Richtung bzw. optische Achse durch die Prisma-Anordnung 50 abgelenkt wird. Die einzelnen Sendestrahlen 32-1, 32-2, 32-3 der Sendebauteile 30 können somit gemeinsam und parallel (= entlang einer gemeinsamen optischen Achse 54) in der Prisma-Anordnung 50 bis zu deren Auskoppeloberfläche 52 geführt werden. In der Prisma-Anordnung 50 sind somit für die einzelnen Sendestrahlungen 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Bauelemente 30-1, 30-2, 30-3 jeweils eine reflektierende bzw. möglichst total reflektierende Umlenkfläche 50-1, 50-2, 50-3 vorgesehen, um die Strahlumlenkung in die gemeinsame, parallele optische Achse 54 der einzelnen Sendestrahlen 30-1, 30-2, 30-3, die z. B. unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, zu bewirken.
Das Strahlkombinationsprisma 50 endet also auf der Strahlauslassseite mit der Austrittsfläche 52, die vom Trägersubstrat 20, 20-1, 20-2 weg zeigt. Die Abschlussfläche 53 des Prismas 50 am entgegengesetzten Ende kann unterschiedlich ausgebildet sein, z.B. durch ein angesetztes, quadratisch abschließendes Ende zum Schutz der Spiegelfläche 50-1, sofern die 45°-Spiegelfläche 50-1 zur Strahlumlenkung dadurch nicht mechanisch oder optisch beeinträchtigt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können das erste Teilsubstrat 20-1 und das zweite Teilsubstrat 20-2 mechanisch fest gekoppelt, z.B. direkt angeflanscht, sein, um das Trägersubstrat 20 zu bilden.
Alternativ können das erste Teilsubstrat 20-1 und das zweite Teilsubstrat 20-2 unterschiedliche Abschnitte oder Bereiche des Trägersubstrats 20 bilden, d.h. das erste Teilsubstrat 20-1 und das zweite Teilsubstrat 20-2 können gemeinsam das Trägersubstrat 20 bilden, so dass die erste Baugruppe 10-1 und zweite Baugruppe 10-2 auf dem gemeinsamen Trägersubstrat 20 als eine kombinierte photonische Anordnung angeordnet sind.
Die Strahlkombination von verschiedenen Wellenlängen in der Prisma-Anordnung 50 ist nicht auf den sichtbaren Bereich (VIS = visible) beschränkt und kann sowohl in den nahen UV-Bereich als auch in den nahen Infrarot-Bereich erweitert werden, d.h. die Vorrichtung kann für die Bereiche UV-VIS, UV-VIS-NIR, VIS-NIR oder UV-NIR mit entsprechenden Emittern 30-1, 30-2, 30-3 und einem geeignet spezifizierten Strahlkombinationsprisma 50 aufgebaut werden. Der mit Standardmaterialien zugängliche Wellenlängenbereich für diese der Prisma-Anordnung 50 erstreckt sich von ca. 300 nm bis ca. 2650 nm („ca.“ steht für einen Bereich von ± 10% um den angegeben Wert) . Durch den Einsatz von Quarz-Fenster- und Prismenmaterialien kann dieser Bereich auf ca. 200 bis ca. 3000 nm („ca.“ steht für einen Bereich von ± 10% um den angegeben Wert) ausgedehnt werden, wobei beispielsweise hierbei nicht verkappte MEMS-Spiegel 60 eingesetzt werden. In jedem Fall, benötigt dieser breite Bereich besondere Antireflex-Beschichtungen und ggfs. eine besondere Verspiegelung der MEMS-Spiegelfläche 62. Der UV- und IR- Erweiterungsbereich ist insbesondere für spektroskopische Anwendungen zur Molekülanregung interessant, kann aber auch zur Objektdetektion genutzt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung kann die Prisma-Anordnung 50 eine optisch wirksame Beschichtung, z.B. eine AntiReflexionsbeschichtung 56, an der Einkoppeloberfläche 55 und/oder der Auskoppeloberfläche 52 aufweisen.
Ein geeignetes Strahlkombinationsprisma ist eine optisch verkittete Anordnung von optischen Glasscheiben mit einer Dicke im Bereich 1 - 2 mm, die vor dem optischen Verkitten mit spezifischen dichroitischen Filterbeschichtungen bzw. einseitiger Verspiegelung und einseitiger Entspiegelung versehen wurden. Als optisch verkittet wird beispielsweise eine Verklebung mit einem an die Brechzahl angepassten Klebstoff (zwischen zwei angrenzenden bzw. aneinander liegenden Seitenflächen zweier Prisma-Elemente) verstanden, wobei der Klebstoff z.B. auch optisch transparent für den durchzulassenden Lichtstrahl ist. Eine Vielzahl optischer Gläser kann je nach Wellenlängenbereich der Laserlichtquellen hierzu eingesetzt werden, wie z.B. AK 7, KZFS12, L-LASF43, RAYVOLUTION etc.. Die dichroitischen Filterbeschichtungen sind so ausgelegt, dass sie ohne Luftinterface und vorzugsweise ohne Anspruch an eine Vorpolarisierung der Sendestrahlung (z.B. Laserstrahlung) als Durchlass- bzw. Sperrfilter arbeiten. Die Filtercharakteristik ist auf die Wellenlängen der Emitter und deren thermisch induzierte Wellenlängenänderung abgestimmt mit ausreichender Toleranzzugabe von mindestens 20 nm. Die einseitige Verspiegelung kann z.B. durch eine Metallisierung mit Silber oder Aluminium durchgeführt werden. Je nach Wellenlänge, insbesondere für Infrarot kann sich auch eine Goldschicht eignen. Die verkitteten Glasscheiben werden unter Beachtung der 45° Winkellage der inneren Filterschichten auf Endmaß von einigen Millimetern zersägt und die Kanten optisch poliert und ggfs. nach Notwendigkeit noch mit einer breitbandigen Antireflexschicht aus mehreren anorganischen Oxiden oder lokalen Absorberbeschichtungen (z.B. Metalloxide, Schwarzlack) versehen.
Im Folgenden wird nun anhand der 1c-e beispielhaft ein möglicher Aufbau der Prisma-Anordnung 50 als Strahlkombinationsprisma für verschiedene Wellenlängen, z. B. für eine RGB-Anwendung, beschrieben. Die nachfolgenden Ausführungen stellen lediglich eine mögliche Implementierung unter einer Vielzahl unterschiedlicher möglicher Implementierungen des Strahlkombinationsprismas 50 dar.
So zeigt 1c eine Draufsicht, 1d eine Seitenansicht (Querschnittsansicht) und 1e eine 3D-Ansicht (dreidimensionale Ansicht) der Prisma-Anordnung 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie in den 1c-e dargestellt ist, weist die Prisma-Anordnung 50 beispielsweise drei optische Elemente bzw. Prisma-Elemente, z. B. Glaselemente, 50-1, 50-2, 50-3 auf, wobei beispielsweise die beiden Prisma-Elemente 50-1, 50-2 Parallelepiped-förmig ausgebildet sind, während das dritte Prisma-Element 50-3 eine im Wesentlichen senkrechte (zur Grundfläche der Prisma-Anordnung 50) aufweisende Seitenfläche (Strahlaustrittsfläche oder Auskoppelfläche) aufweist. Ferner können auch andere Ausrichtungsebenen für die Auskoppelfläche eingesetzt werden, um den Auskoppelwinkel α und damit auch den Einfallswinkel β auf das Spiegelelement 62 für den jeweiligen gewünschten Anwendungsfall der optischen Projektionsanordnung 10 einzustellen.
In den 1c-e sind die einzelnen Seitenflächen der Prisma-Anordnung 50 bzw. der Prisma-Elemente 50-1, 50-2, 50-3 mit dem Bezugszeichen F1 - F11 bezeichnet, wobei anhand dieser Seitenflächen F1 - F11 der Prisma-Anordnung 50 im Folgenden mögliche Abmessungen und ferner die Funktionen bzw. Wirkungsweise der Prisma-Anordnung 50 beispielhaft beschrieben wird.
Die Prisma-Anordnung 50 ist beispielsweise für eine RGB-Anwendung vorgesehen, wobei eine erste Wellenlänge λ1 blauem Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm +- 20 nm, die zweite Wellenlänge λ2 grünem Licht mit einer Wellenlänge von 510 nm +- 20 nm, und die dritte Wellenlänge λ3 rotem Licht mit einer Wellenlänge von 635 nm +- 20 nm entsprechen kann. Wenn nachfolgend von einer lichtdurchlässigen Beschichtung oder Antireflexionsbeschichtung gesprochen wird, wird auf eine Lichtdurchlässigkeit oder optische Durchlässigkeit für die jeweilige Wellenlänge von größer 99% ausgegangen. Bei einer reflektierenden Oberfläche und/oder Beschichtung wird von einem Reflexionsgrad (auch Reflexionsvermögen, Reflektivität oder Reflektanz) mit einem Wert von größer 99% ausgegangen. Bei einem matten Oberflächenmaterial bzw. Oberflächenzustand oder einem absorbierenden Oberflächenmaterial bzw. Oberflächenzustand wird von einem Absorptionsgrad bzw. Absorptionsvermögen von größer 99 % ausgegangen. Ein beispielhafter Toleranzbereich für die nachfolgend angegebenen Abmessungen liegen im Bereich von +- 5% oder +- 1 % und für die Winkelangaben in einem Bereich zwischen +- 5% oder +- 2%. Ferner wird beispielsweise von einer Oberflächenrauigkeit (rms) von ≤ 20 nm ausgegangen.
Die Seitenfläche F1 weist beispielsweise eine Länge von 2,12 mm auf und ist in einem Winkel von 45° zur Grundfläche (x-y-Ebene = Referenzebene) ausgebildet. Die Fläche 1 ist als Spiegelfläche für einen ersten Teillichtstrahl mit der Wellenlänge λ1 ausgebildet. Die Seitenfläche F2 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm auf und ist parallel zur Grundfläche. Die Seitenfläche F2 ist transparent für die Wellenlänge λ1 und weist beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung auf.
Die Seitenfläche F3 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm auf und ist parallel zur Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F3 ist transparent für die zweite Wellenlänge λ2 und weist beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung auf.
Die Seitenfläche F4 weist beispielsweise eine Länge von 1,7 mm auf und ist parallel zur Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F4 ist für die Wellenlänge λ3 optisch durchlässig und weist beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung auf. Die Seitenfläche F2, F3, F4 entsprechen der im Vorhergehenden dargestellten Einkoppeloberfläche 55.
Die Seitenfläche F5 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm auf und ist senkrecht (vertikal) zu der Grundfläche (den Seitenflächen F2 - F4) ausgebildet. Die Seitenfläche F5 ist transparent für die Wellenlängen λ1, λ2 und λ3.
Die Seitenfläche F6 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm auf und ist parallel zu der Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F6 ist beispielsweise matt oder absorbierend für die Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 ausgebildet. Die Seitenfläche F7 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm parallel zu der Grundfläche auf und ist ferner matt oder absorbierend ausgebildet.
Die Seitenfläche F8 weist beispielsweise eine Länge von 2,12 mm auf und ist in einem Winkel von 45° zur Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F8 ist transparent für die Wellenlänge λ1 und reflektierend für die Wellenlänge λ2.
Die Seitenfläche F9 weist beispielsweise eine Länge von 2,12 mm auf und ist in einem Winkel von 45° zur Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F9 ist transparent für die Wellenlängen λ1 und λ2 und reflektierend für die Wellenlänge λ3.
Die Seitenflächen F10 und F11 der Prisma-Anordnung 50 (siehe 1d) sind beispielsweise matt (mit einer matten Oberflächenbeschaffenheit oder Oberflächenbeschichtung) oder absorbierend (mit einer absorbierenden Oberflächenbeschaffenheit) ausgebildet.
In 1c sind ferner die einzelnen Sendestrahlungen 32-1 (λ1), 32-2 (λ2) und 32-3 (λ3) dargestellt, die schließlich die gemeinsame, ausgekoppelte Sendestrahlung 32 entlang der optischen Achse 54 bilden.
In den 1c und 1d sind ferner Aufbauhöhe H (= Dicke) und die Breite B der Prisma-Anordnung 50 angegeben, wobei die Aufbauhöhe H (= Dicke) der Prisma-Anordnung 50 etwa 1 bis 2 mm oder etwa 1,5 mm betragen kann, und wobei die Breite B der Prisma-Anordnung 50 auch etwa 1 bis 2 mm oder etwa 1,5 mm betragen kann.
1e zeigt zur Verdeutlichung des geometrischen Aufbaus der Prisma-Anordnung 50 mit den drei Prisma-Elementen 50-1, 50-2, 50-3 in einer 3D-Ansicht (dreidimensionalen Ansicht), wobei die Prisma-Elemente 50-1, 50-2, 50-3 und die Seitenflächen F1, ..., F11 nochmals eingezeichnet sind.
Die Seitenflächen F2, F3 und F4 sind für einen 90°-Strahleintritt von den Sendebauelementen 30-1, 30-2, 30-3 ausgebildet. Ferner kann die Seitenfläche F5 (Auskoppelfläche 52) vertikal zu der Grundfläche ausgebildet sein, wobei ferner auch andere Ausrichtungsebenen für die Fläche F5 eingesetzt werden können, um den Auskoppelwinkel α und damit auch den Einfallswinkel β auf das Spiegelelement 62 für den jeweiligen gewünschten Anwendungsfall der optischen Projektionsanordnung 10 einzustellen.
Die zweite Baugruppe 10-2 der optischen Projektionsanordnung 10 umfasst nun auf dem zweiten Teilsubstrat bzw. Teilabschnitt 20-2 des Substrats 20 eine MEMS-Spiegelanordnung 60 mit einem beweglich aufgehängten auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement (= Spiegelfläche) 62. Die MEMS-Spiegelanordnung 60 ist beispielsweise mit einem externen Ansteuersignal S, z.B. über die Kontakt- bzw. Bondbereiche 64, ansteuerbar, um basierend auf dem Ansteuersignal S die Auslenkung des MEMS-basierten Spiegelelements 62 und damit die Ausrichtung der gemeinsamen Sendestrahlung 32 in eine gewünschte Raumrichtung (innerhalb des mechanischen Auslenkungsbereichs des Spiegelelements 62) zu bewirken.
Die Prisma-Anordnung 50 der ersten Baugruppe 10-1 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 der zweiten Baugruppe 10-2 sind nun so geometrisch zueinander angeordnet, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung 32, die beispielsweise die einzelnen Sendestrahlen 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 oder eine beliebige Kombination derselben aufweist, jeweils unter einem Einfallwinkel β, der beispielsweise durch die mit dem Ansteuersignal S bewirkbare Auslenkung des MEMS-Spiegelelements 62 einstellbar ist, auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement 62 trifft. Der Einfallwinkel β ist im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements 62 in einem Bereich zwischen 30° und 50° oder zwischen 37° und 43° (bei 40° +/- 3°). Der Einfallwinkel β ist somit der Zwischenwinkel zwischen der einfallenden Sendestrahlung 32 und der Spiegelfläche des MEMS-basierten Spiegelelements 62 im Ruhezustand.
Die optische Projektionsanordnung 10 implementiert also eine i. W. vertikale Strahlanordnung bzw. Strahlführung (= Abstrahlung) der optoelektronischen Sendebauelemente 30-1, 30-2, 30-3 bezüglich der Substratebene (x-y-Ebene) mit einem mechanisch festgekoppelten MEMS-Spiegelelement 60, wobei die Spiegelplatte 62 des MEMS-Spiegelelements 60 beispielsweise im Ruhezustand (= im nicht ausgelenkten Zustand bzw. in der Nullstellung) parallel zu der Substratebene (des zweiten Teilsubstrats 20-2) ausgerichtet ist.
Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst also die erste und zweite Baugruppe 10-1, 10-2, die auf fest miteinander gekoppelten Teilsubstraten oder Substratabschnitten 20-1, 20-2 eines gemeinsamen Trägersubstrat 20 angeordnet sind, wobei die optische Projektionsanordnung 10, die auch als photonische Anordnung bezeichnet werden kann, eine optische Mittelachse 54 (= gemeinsame optische Achse) bereitstellt, deren Mittelpunkt auf eine bewegliche MEMS-Spiegelplatte 62 gerichtet ist. Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst beispielsweise die Sendeanordnung 30 mit mehreren Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3, die Linsenanordnung (Linsenebene) 40 mit mehreren Linsenelementen 40-1, 40-2, 40-3 und das Umlenkprisma 50. Die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 weisen dabei eine vom Trägersubstrat 20 weg-zeigende Lichtaustrittsrichtung bzw. Abstrahlrichtung auf, wobei die Linsenanordnung 40 zur Kollimation der divergenten Strahlung 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 ausgebildet ist.
Das Umlenkprisma 50 hat nun die Eigenschaft, die von den Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 bereitgestellten, verschiedenen Sendestrahlen 32-1, 32-2, 32-3 bei unterschiedlichen Wellenlänge zu führen und unter einem Auskoppelwinkel α auszukoppeln, wobei die geführte Sendestrahlung 32 der optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 unter dem Einfallwinkel β auf die beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelfläche 62 trifft.
Durch diese strukturelle Anordnung der einzelnen Elemente der optischen Projektionsanordnung 10, d. h. der optoelektronischen Sendebauelemente 32-1, 32-2, 32-3, der Linsenanordnung 40, der Prisma-Anordnung 50 und der MEMS-Spiegelanordnung 60 und deren geometrischen Ausrichtung und Zuordnung zueinander kann ein äußerst kompakter (geometrischer) Aufbau mit einem geringen Aufbauvolumen und geringer Grundfläche (foot print) der optischen Projektionsanordnung 10 erhalten werden.
Die optische Projektionsanordnung 10, die in Form einer kombinierten RGB-Scannereinheit implementiert sein kann, kann beispielsweise zur Daten- und Bildprojektion in mobilen Anwendungen dienen, wie z.B. in einem Headset für ein AR- oder VR-Anwendung als Smartglasses (Datenbrille, Augmented-Reality-Brille und/oder Virtual-Reality-Brille bzw. -Helm). Die optische Projektionsanordnung 10 kann beispielsweise aber auch im Innenbereich von Fahrzeugen betrieben und auch mit anderen Wellenlängen für spektroskopische Anwendungen in der Medizin, Biologie, Landwirtschaft bzw. Pflanzenzucht und Abfallwirtschaft eingesetzt werden. Weitere Anwendungsgebiete sind auch als gepulste Strahlquelle für eine LIDAR-Objektdetektion möglich. Zudem sind Anwendungen im Bereich lokaler UV-Bestrahlung beispielsweise zur Lackaushärtung und Sterilisation möglich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung können die Prisma-Anordnung 50 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 geometrisch so zueinander angeordnet sein, dass die gemeinsame optische Achse 54 der ausgekoppelten (gemeinsamen) Sendestrahlung 32 der optoelektronischen Bauteile 30 durch den Mittelpunkt 62-1 des Spiegelelements 62 (der Spiegelplatte) verläuft. So können die Prisma-Anordnung 50 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 beispielsweise geometrisch so zueinander angeordnet sein, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung 32 der optoelektronischen Sendebauteile 30 rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt der Spiegelplatte 62 angeordnet ist. Die gemeinsame optische Achse kann also durch den Mittelpunkt der Spiegelplatte 62 verlaufen und kann rotationssymmetrisch um diese Spiegelplatte 62 rotiert angeordnet sein.
Damit kann die Ausrichtung bzw. Auslenkung der gemeinsamen Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 äußerst exakt in die gewünschte Raumrichtung (innerhalb des Auslenkungsbereichs des Spiegelelements 62) mittels der durch das Ansteuersignal S bewirkten Auslenkung des Spiegelelements 62 erhalten werden. Ferner kann ein relativ großer Auslenkungsbereich der gemeinsamen Sendestrahlung 32 mittels der gesteuerten Auslenkung des Spiegelelements 62 erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann die Linsenanordnung 40 mittels einer Linsenhalterstruktur 42 in einer definierten Fokuslage bezüglich der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 der Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 fixiert sein. Somit können die einzelnen Linsenelemente 40-1, 40-2, 40-3 jeweils in einer definierten Fokuslage bzgl. des zugeordneten Sendebauteils 30-1, 30-2, 30-3 angeordnet und fixiert sein. Ferner kann die Prisma-Anordnung 50 an bzw. auf der Linsenhalterstruktur 42 angeordnet und an derselben fixiert sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung kann die Linsenhalterstruktur 42 in einer Rahmenstruktur 44 bzw. als Teil der Rahmenstruktur 44 ausgebildet sein. Die Rahmenstruktur 44 kann mit umlaufenden (z.B. vertikal ausgebildeten und intransparenten) Seitenwänden 44-1 (zumindest) lateral nach außen optisch abgeschlossen ausbildet sein. Damit kann beispielweise eine optische Kanaltrennung zwischen der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 der Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 bis zur Einkopplung in die Prisma-Anordnung 50 erhalten werden.
Ferner kann auch die Prisma-Anordnung 50 mittels der Rahmenstruktur 44 an dem ersten Teilsubstrat 20-1 des Trägersubstrats 20 angeordnet (= fixiert) sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung kann also die Rahmenstruktur 44 eine mechanisch feste Verbindung (= Fixierung) des Trägersubstrats 20 mit der Linsenanordnung 40 und der Prisma-Anordnung 50 bereitstellen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann also das Strahlkombinationsprisma 50 auf Rahmenstruktur 44 ruhen, die mit umlaufenden Wänden 44-1 einen nach außen optisch abgeschlossenen Rahmen ausbildet, soweit diese für die jeweilige Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 intransparent ausgebildet sind. Diese Rahmenstruktur 44 ist z.B. mit dem Trägersubstrat 20 und dem Prisma 50 mechanisch fest verbunden, wobei das Prisma 50 die Rahmenstruktur 44 z.B. gänzlich abdeckt (= vertikal bedeckt). Die mechanische Befestigung kann z.B. mit einer Klebung mit niedrig ausgasenden Klebstoffen, mittels niedrig temperiert schmelzenden Lotwerkstoffen oder durch eine mechanische Pressverbindung ausgeführt werden.
Die Linsenhalterstruktur 42 innerhalb der Rahmenstruktur 44 ist so ausgeführt, das die Fokuslage der einzelnen Kollimationslinsen 40-1, 40-2 40-3 oder einer integrierten Mehrfachlinse 40 durch eine vertikale Verschiebung verändert und in einer bestimmten Fokuslage fixiert werden kann. Diese Lagefixierung an der Rahmenstruktur 44 kann durch einen Klebstoff (UV-aushärtenden Klebstoff), durch einen Lotwerkstoff, Glasfritte, Lot oder durch mechanische Klemmung erreicht werden. Optional können Polarisationsplättchen 46 (Retarder Plates) in der Linsenhalterstruktur 44 unterhalb oder oberhalb der Linsenelemente 40-1, 40-2, 40-3 angeordnet oder integriert werden, um die Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 für die im Prisma 50 befindlichen dichroitischen Beschichtungen 50-1, 50-2, 50-3 mit einer geeigneten Vorpolarisierung zu versehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können die Prisma-Anordnung 50 und das MEMS-Spiegelanordnung 60 geometrisch so zueinander angeordnet sein, dass ein (minimaler) lateraler Abstand A (der unteren Kante 52-1) der Auskoppelfläche 52 der Prisma-Anordnung 50 zu dem Mittelpunkt 62-1 des Spiegelelements 62 (Spiegelplatte) weniger als der 12-fache Wert der Aufbauhöhe H (= Dicke) der Prisma-Anordnung 50 beträgt.
Je nach gewählter Geometrie (Neigungswinkel) der Prisma-Auskoppelfläche 52 kann der Auskoppelwinkel α variieren. Die MEMS-Spiegelplatte 62 kann sich entsprechend näher oder etwas ferner von der unteren Kante 50-4 des Prismas 50 entfernt befinden. Nimmt man beispielsweise die Aufbauhöhe H des Prismas 50 als Maßeinheit, so befindet sich die Spiegelplatte 62 (bzw. deren Mittelpunkt 62-1) in dieser Anordnung und Ausrichtung nicht weiter als 12 solche Maßeinheiten H (12*H) von der unteren Kante 52-1 der Prisma-Auskoppelfläche 52 (lateral) entfernt. Der Abstand A bezeichnet beispielsweise den direkten Abstand (= direkte Verbindungslinie) der Unterkante 52-1 der Prisma-Anordnung 50 zu dem Mittelpunkt Spiegelplatte 62, wobei die Länge A' den lateralen Anteil (parallel zur x-Achse) des Abstands A darstellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann das Spiegelelement 62 in einem in Richtung der Prisma-Anordnung 50 geneigten (angekippten) Zustand (in einer Vorzugsneigung) angeordnet sein. So kann die Spiegelanordnung 60 beispielsweise auf einen Keil 24 aufgesetzt und fixiert sein oder der zweite Substratabschnitt 20-2 kann eine keilförmige Erhöhung 24 aufweisen, um den geneigten (vorgekippten) Aufbau der Spiegelanordnung (in Richtung der Prisma-Anordnung) zu erhalten.
Bei einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Spiegelanordnung 60 in einer Vorzugsneigung in Richtung des Prismas 50 anzukippen und damit den vom „Field of View“ (= Sichtfeld) des Spiegelscanners 10 aktiv bestrahlbaren Bereich in Richtung der orthogonalen Achse in Bezug auf das Trägersubstrat 20 auszurichten. Dies kann durch ein untergelegtes keilförmiges Formteil 24 oder durch den Aufbau des Spiegels 60 auf dem zweiten Substratabschnitt 20-2, der entsprechend geneigt ausgeführt ist, ausgebildet werden. werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können die optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 als Halbleiter-basierte Lichtquellen, z.B. LEDs oder Laserdioden für eine RGB-Sendestrahlung 32, ausgebildet sein. Ferner können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 beispielsweise als eine integrierte Bare-Die-Anordnung an dem ersten Teilsubstrat 20-1 angeordnet sind. Ggfs. können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 bereits mit integrierten Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3 versehen sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 auch in einem gemeinsamen Gehäuse oder individuellen Gehäusen vorverpackt integriert sein, und ggfs. wieder mit den integrierten Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3 versehen sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 (z.B. die Laserdioden) beispielsweise ohne ein Submount 34 auch direkt auf dem Trägersubstrat 20-1 bzw. dem Trägersubstrat 20 aufgebaut sein (siehe z.B. auch 4b).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Halbleiterlichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 auch auf keramische Submounts 34 (mit einem Al₂0₃-, AIN-, Si₃N₄-Material oder einem anderen Keramik-Material) aufgebaut sein, um die Wärmeabfuhr zu verbessern und mechanischen Stress abzufangen. Die Submounts können entweder nur jeweils eine Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen tragen. Durch eine Metallisierung der Submounts, z.B. um eine 90°- Kante herum, ist es möglich auch kantenemittierende Laserdioden (ELED = edge emitting LED) und Superlumineszenz-Lichtdioden (SLED) so aufzubauen und zu kontaktieren, dass deren Strahlung nach oben hin (= vertikal zu Substratebene = x-y-Ebene) abgegeben wird. In einigen Fällen, z.B. bei geringer optischer Leistung, können die Halbleiterlichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 auch direkt auf dem Trägersubstrat 20 aufgebaut und kontaktiert werden.
Das Trägersubstrat 20 (20-1 + 20-2) kann beispielsweise ein Leiterplattenmaterial oder ein thermisch leitfähiges und elektrisch isolierendes Keramikmaterial mit entsprechenden Leiterbahn- und Pad-Metallisierungen aufweisen oder kann auch (z.B. für eine gasdichte Ausführung) ein thermisch leitfähiges Keramik-Material mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie z.B. Al₂O₃, AIN, Sl₃N₄, LTCC, HTCC oder ein Halbleiermaterial (z.B. Silizium), aufweisen oder aus demselben bestehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann eine kuppelförmige (domförmige) Glaskappe 70 mit dem zweiten Teilsubstrat 20-2 gefügt sein.
Die MEMS-Spiegelanordnung 60 kann beispielsweise von einer domförmigen, für die Sendestrahlung 32 transparenten Abdeckung 70, z.B. einer Glaskappe, umgeben sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die domförmige Glaskappe 70 auch die MEMS-Spiegelanordnung 60 von der Außenwelt (= Umgebungsatmosphäre) schützen oder auch hermetisch abschirmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann die transparente Abdeckung 70 eine optisch wirksame Beschichtung 72, z.B. eine AntiReflexionsbeschichtung, an der Innen- und/oder Außenoberfläche 70-A, 70-B der transparenten Abdeckung 70 aufweisen. Die optisch wirksame Beschichtung 72 kann zumindest bereichsweise an den Strahlungsdurchtrittsflächen der transparenten Abdeckung 70 vorgesehen sein.
Die Abdeckung 70 (z.B. domförmige Glaskappe) des Spiegels 60 ist also beispielsweise doppelseitig mit einer Antireflexbeschichtung 72 versehen, um Streureflexe zu vermindern. Die Kuppelgeometrie ist vorzugsweise rotationssymmetrisch, wobei auch eine leichte elliptische Basis mit einem Verhältnis der Längs- zur Querachse von bis zu 1 :0,8 möglich ist. Die Abdeckung 70 ist beispielsweise mindestens so hoch über der Spiegelfläche 62 wie es einem Durchmesser D der beweglich aufgehängten Spiegelplatte 62 entspricht und nicht höher als dem halben Durchmesser G/2 der Glaskappe 70 selbst, gemessen am unteren Innenbereich des ausgewölbten Kappenbereichs.
Durch die gewählte Geometrie der Abdeckung bzw. Glaskappe 70 können eventuelle Reflexe zerstreut und nicht fokussiert in den Bildbereich abgebildet werden. Die Wandstärke der Abdeckung 70 im optisch durchstrahlten Bereich ist vorzugsweise so dünn und gleichmäßig ausgeführt, dass der optische Einfluss auf die Strahldivergenz vernachlässigbar ist, d.h. beispielweise eine Divergenz von kleiner 0,3°. Hierzu wird die Abdeckung 70 in diesem Bereich nicht dicker als 200 µm, 120 µm oder 60 µm ausgebildet.
Wie oben ausgeführt wurde, ist die transparente Abdeckung 70 beispielsweise als eine domförmige Glaskappe oder Glaskuppel ausgebildet, wobei aber die Abdeckung auch eine von einer Kugelhalbschale unterschiedliche geometrische Ausgestaltung aufweisen kann. So kann (zumindest abschnittweise) auch eine elliptische oder ovale Umfangslinie (parallel zur x-y-Ebene) oder eine elliptische oder ovale Querschnittslinie (parallel zur x-z-Ebene) für die kuppelförmige Abdeckung vorgesehen werden. Der Durchmesser der Abdeckung 70 kann beispielsweise in einem Bereich von 2 mm bis 16 mm und etwa von 3 mm bis 5 mm und bei etwa 4 mm liegen, während die Höhe der Abdeckung 70 oberhalb des Spiegelmittelpunktes 62-1 in einem Bereich von 1 mm bis 8 mm und bei etwa 1,5 mm liegen kann. Der Spiegeldurchmesser D, d.h. der Durchmesser des auslenkbaren Teils des MEMS-Spiegels 62, kann in einem Bereich von 0,5 mm bis 4 mm oder von 1 mm bis 1,4 mm liegen.
Aufgrund der dünnen Wandung der transparenten Abdeckung 70 erfolgt eine geringe Interaktion der Abdeckung 70 mit der Sendestrahlung 32 der Projektionsanordnung 10, so dass bei dem Durchgang der Sendestrahlung 32 durch das optisch transparente Material der Abdeckung 70 eine geringe Änderung der Parallelität, Wellenlänge und Intensität der Sendestrahlung 32 erfolgt.
Im Folgenden wird nun beispielhaft eine mögliche Ausführungsform der im vorherigen anhand der 1a-e beschriebenen optischen Projektionsanordnung 10 dargestellt.
Die Sendeanordnung 30 kann beispielsweise als ein VCSEL-Emitter (VCSEL = verticalcavity surface-emitting laser) auf einem Submount 34 in einer linearen Anordnung entlang einer optischen Achse 54 mit den Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3, ggfs. Polarisationsplättchen 46, und eine Strahlkombinations-Prisma 50, das durch seine Form den (z.B. gepulsten) Lichtstrahl 32 relativ steil auf den MEMS-Spiegel 62 führt. Beispielsweise ist der MEMS-Spiegel 62 auf demselben Trägersubstrat 20 wie die Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 montiert. Das Trägersubstrat 20 kann z.B. Silizium aufweisen, wobei aber auch diverse Leiterplattenmaterialien und Keramiken in Betracht kommen. Die Verwendung eines Submounts 34 ist dabei je nach Substrat 20 und insbesondere bei kleinen Laserleistungen nicht zwingend notwendig. Der Spiegel 62 ist beispielsweise mit dem Glasfenster 70 geschützt oder auch hermetisch verkappt, wobei bei einer hermetischen Verkappung eine definierte Innenatmosphäre in dem Glasfenster 70 eingeschlossen werden kann. Die domförmige Geometrie der Glaskappe 70 kann in der Höhe der Halbschale variieren.
Bei der optischen Projektionsanordnung 10, die anhand der Seitenansicht von 1a beschrieben wurde, ist nun ferner dargestellt, dass alle Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 angesteuert werden können, wobei die Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 entweder nur kurze Lichtpulse abgegeben wird oder die Strahlemission länger anhält und dabei in der Leistung variiert werden kann. Das Prisma 50 verfügt über spezielle Interfacebeschichtungen (= Grenzflächenbeschichtungen) 50-1, 50-2, 50-3 zur Strahlumlenkung und Strahlkombination. An der Austrittsfläche 52 des Prismas 50 ist beispielsweise eine breitbandige Antireflexbeschichtung 56 aufgebracht.
Der Linsenträger 42 kann so ausgeführt sein, dass er als Bestandteil einer Laserhäusung 40 zusammen mit dem Prisma 50 als Deckel und dem Trägersubstrat 20 als Boden eine definierte Innenatmosphäre einschließt, die in der Regel aus einer wasser- und kohlenwasserstofffreien Gaszusammensetzung bei Normaldruck besteht, z.B. Stickstoff/Sauerstoff bei ca. 1000 mbar +- 100 mbar. Andere Drücke oder prioritär vorliegende Füllgase sind auch denkbar.
Bei der optischen Projektionsanordnung 10, die anhand der Draufsicht von 1b beschrieben wurde, ist nun ferner dargestellt, dass zu den Lichtquellen (z. B. Laserdioden) 30-1, 30-2, 30-3 jeweils ein zusätzliches lichtempfindliches Element (z. B. eine Fotodiode) 31-1, 31-2, 31-3 vorgesehen sein kann. Diese zusätzliche Fotodiode 31-1, 31-2, 31-3 kann zur Leistungsüberwachung für die Strahlungsquellen 30-1, 30-2, 30-3 beispielsweise benachbart zu der jeweils zugeordneten Strahlungsquelle 30-1, 30-2, 30-3 angeordnet sein. So kann beispielsweise die Fotodiode 31-1, 31-2, 31-3 neben die jeweilige Laserdiode 30-1, 30-2, 30-3 angeordnet bzw. montiert werden, um die vorhandene Streustrahlung der zugeordneten Laserdiode zu erfassen. Da die Rahmenstruktur 44 beispielsweise nach außen optisch abgeschlossene Seitenwände 41-1 aufweist, kann eine optische Kanaltrennung zwischen den Sendebauteilen 30-1, 30-2, 30-3 erreicht werden, so dass ein Übersprechen der Sendebauteilen vermieden und die jeweiligen Fotodioden nur die Streustrahlung der zugeordneten Sendebauteile erfassen. Die Fotodioden können beispielsweise eine Kantenlänge in der Größe von 400 µm bis 700 µm aufweisen und somit ohne Weiteres benachbart zu den Sendebauteilen 30-1, 30-2, 30-3 angeordnet werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die zusätzliche Fotodiode 30-1, 30-2, 30-3 also so integriert werden, dass ein kleiner Anteil der abgegebenen Strahlung 32-1, 32-2, 32-3 des jeweiligen Sendebauelements 30-1, 30-2, 30-3 auf die zugeordnete Fotodiode 31-1, 31-2, 31-3 fällt, um eine Leistungsüberwachung zu realisieren. Die Leistungsüberwachung der Sendebauelemente 30-1, 30-2, 30-3 dient zum Nachsteuern eventueller Leistungsverschlechterungen der Sendebauelemente 30-1, 30-2, 30-3 über der Zeit, z. B. für einen stabilen Weißabgleich, zur Funktionskontrolle und/oder für eine Schutzschaltung zum Einhalten der Lasersicherheit.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Strahlabführung zur Fotodiode beispielsweise auch vor dem MEMS-Spiegel 62 oder auch hinter dem MEMS-Spiegel 62 vorzugsweise auf oder dicht neben der optischen Achse 54 angeordnet sein. Die Strahlabführung kann beispielsweise über ein Winkelprisma (Beam Pickup) oder eine Lichtleiterstruktur realisiert werden, die außerhalb des für die eigentliche Projektion genutzten Gesichtsfelds (Field of View) liegt und bei bestimmten Winkelstellungen des Spiegels bewusst bestrahlt wird. Hierdurch kann zudem die Spiegelfunktion, insbesondere die Spiegelamplitude, elektronisch überprüft und gegebenenfalls nachgeregelt werden, um beispielsweise Verschlechterungen der definierten Innenatmosphäre in dem Spiegelgehäuse 60, 70 (z. B. des eingeschlossenen Vakuums) über der Zeit zu kompensieren. Die mit der Beeinträchtigung der definierten Innenatmosphäre in dem Glasfenster 70 einhergehende Dämpfungserhöhung führt zu einem erhöhten elektrischen Leistungsverbrauch, der ansonsten nicht direkt überwacht werden könnte. Die Überprüfung der Spiegelbewegung ist beispielsweise für den Anschaltvorgang der optischen Projektionsanordnung 10 (des RGB-Scanners) und insbesondere vor dem Hintergrund der Augensicherheit einer Bedienperson sinnvoll.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann für sog. Pico-Projektionsanordnungen eine zweite (weitere) Fotodiode (PD) 31-4 z.B. mit einem Linsenelement 40-4 mit optischer Ausrichtung zu einem Betrachter (Bedienperson) zeigend angeordnet werden, um zu verhindern, dass der Anwender direkt auf den MEMS-Spiegel 62 sieht. Sofern diese weitere Fotodiode 31-4 durch Rückreflexion am Betrachter beleuchtet wird, kann bewirkt werden, dass das Projektionssystem 10 innerhalb kürzester Zeit, z. B. ≤ 1 µs, abgeschaltet wird.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der optischen Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede bzw. die unterschiedlichen Ausgestaltungen der optischen Projektionsanordnung 10 von 2 gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 1a-e dargestellt. Daher kann die obige Beschreibung der 1a-e entsprechend auf die nachfolgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels von 2 angewendet werden, wobei im Folgenden vor allem die aus den Unterschieden resultierenden technischen Effekte dargestellt werden
So zeigt 2 eine beispielhafte Querschnittsansicht der optischen Projektionsanordnung 10 mit der Zeichenebene parallel zur x-z-Ebene. Die optische Projektionsanordnung 10 weist nun beispielsweise die erste Baugruppe 10-1, die auf dem ersten Teilsubstrat 20-1 angeordnet ist, und die zweite Baugruppe 10-2 auf, die auf dem zweiten Teilsubstrat 20-2 angeordnet ist. Die erste Baugruppe 10-1 der optischen Projektionsanordnung 10 weist die Sendeanordnung 30 mit der Mehrzahl von optoelektronischen (Halbleiter-basierten) Sendebauteilen 30-1, 30-2, 30-3 auf.
Die erste Baugruppe 10-1 der optischen Projektionsanordnung 10 weist ferner die Linsenanordnung 40 auf, die beispielsweise fest an einer Linsenhalterstruktur 42 der optoelektronischen Sendeanordnung 30 angeordnet ist. Die Linsenanordnung 40 weist z. B. ein Mehrzahl von Linsenelementen 40-1, 40-2, 40-3 auf, wobei jeweils ein Linsenelement 40-1, 40-2, 40-3 für ein optoelektronisches Sendebauteil 30-1, 30-2, 30-3 vorgesehen und demselben zugeordnet ist.
Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst ferner die Prisma-Anordnung 50 mit einer Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität. Die Prisma-Anordnung 50 ist nun so ausgebildet, um die kollimierte (gemeinsame) Sendestrahlung 32-1, 32-2 und/oder 32-3 der optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 gemeinsam zu führen und an einer Auskoppeloberfläche 52 der Prisma-Anordnung 50 auszukoppeln.
Die zweite Baugruppe 10-2 der optischen Projektionsanordnung 10 umfasst nun auf dem zweiten Teilsubstrat 20-2 die MEMS-Spiegelanordnung 60 mit einem beweglich aufgehängten auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement 62, die ist beispielsweise mit einem externen Ansteuersignal S auslenkbar ist.
Bei dem anhand der 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können kantenemittierende Laserdioden oder Superlumineszenz-Dioden 30-1, 30-2, 30-3 (hier nach oben strahlend angeordnet) eingesetzt werden, die es erlauben, höhere Strahlleistungen zu erzeugen. Die Laserdioden 30-1, 30-2, 30-3 können auf einzelnen AIN-Submounts 34 aufgebaut sein, die neben der Wärmeabfuhr auch der elektrischen Kontaktierung dienen. Durch eine Metallisierung 36 der Submounts um eine 90°- Kante herum ist es möglich auch kantenemittierende Laserdioden (ELED) und Superlumineszenz-Lichtdioden (SLED) so aufzubauen und zu kontaktieren, dass deren Strahlung nach oben hin (= vertikal zu Substratebene = x-y-Ebene) abgegeben wird. Bei geringer optischer Leistung, können die Halbleiterlichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 beispielsweise auch direkt auf dem Trägersubstrat 20 aufgebaut und kontaktiert werden.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der optischen Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede bzw. die unterschiedlichen Ausgestaltungen der optischen Projektionsanordnung 10 von 3 gegenüber den Ausführungsbeispielen von 1a-e und 2 dargestellt. Daher kann die obige Beschreibung der 1a-e und 2 entsprechend auf die nachfolgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels von 3 angewendet werden, wobei im Folgenden vor allem die aus den Unterschieden resultierenden technischen Effekte dargestellt werden
So zeigt 3 eine beispielhafte Querschnittsansicht der optischen Projektionsanordnung 10 mit der Zeichenebene parallel zur x-z-Ebene. Die optische Projektionsanordnung 10 weist nun beispielsweise die erste Baugruppe 10-1, die auf dem ersten Teilsubstrat 20-1 angeordnet ist, und die zweite Baugruppe 10-2 auf, die auf dem zweiten Teilsubstrat 20-2 angeordnet ist. Die erste Baugruppe 10-1 der optischen Projektionsanordnung 10 weist die Sendeanordnung 30 mit der Mehrzahl von optoelektronischen (Halbleiter-basierten) Sendebauteilen 30-1, 30-2, 30-3 auf.
Die erste Baugruppe 10-1 der optischen Projektionsanordnung 10 weist ferner die Linsenanordnung 40 auf, die beispielsweise fest an einer Linsenhalterstruktur 42 der optoelektronischen Sendeanordnung 30 angeordnet ist. Die Linsenanordnung 40 weist z. B. ein Mehrzahl von Linsenelementen 40-1, 40-2, 40-3 auf, wobei jeweils ein Linsenelement 40-1, 40-2, 40-3 für ein optoelektronisches Sendebauteil 30-1, 30-2, 30-3 vorgesehen und demselben zugeordnet ist.
Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst ferner die Prisma-Anordnung 50 mit einer Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität. Die Prisma-Anordnung 50 ist nun so ausgebildet, um die kollimierte (gemeinsame) Sendestrahlung 32-1, 32-2 und/oder 32-3 der optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 gemeinsam zu führen und an einer Auskoppeloberfläche 52 der Prisma-Anordnung 50 auszukoppeln.
Die zweite Baugruppe 10-2 der optischen Projektionsanordnung 10 umfasst nun auf dem zweiten Teilsubstrat 20-2 die MEMS-Spiegelanordnung 60 mit einem beweglich aufgehängten auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement 62, die ist beispielsweise mit einem externen Ansteuersignal S auslenkbar ist.
Bei dem anhand der 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können kantenemittierende Laserdioden oder Superlumineszenz-Dioden 30-1, 30-2, 30-3 (hier nach oben strahlend angeordnet) eingesetzt werden, die es erlauben, höhere Strahlleistungen zu erzeugen. Die Laserdioden Emitter 30-1, 30-2, 30-3 können auf einem gemeinsamen Submount 34 aufgebaut sein, das neben der Wärmeabfuhr auch der elektrischen Kontaktierung dient. Diese Ausführung ist auch auf vertikal emittierende Emitter (VCSEL, LED, micro-LED, Quantenpunkte etc.) anwendbar.
4a zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der zweiten Baugruppe 10-2 der Projektionsanordnung 10 in einer Querschnittsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede bzw. die unterschiedlichen Ausgestaltungen der optischen Projektionsanordnung 10 von 4a gegenüber den Ausführungsbeispielen von 1a-e, 2 und 3 dargestellt, daher kann die obige Beschreibung dieser Figuren entsprechend auf die nachfolgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels von 4a angewendet werden, wobei im Folgenden vor allem die aus den Unterschieden resultierenden technischen Effekte dargestellt werden.
So zeigt 4a eine beispielhafte Querschnittsdarstellung eines Teils der optischen Projektionsanordnung 10 mit der Zeichenebene parallel zu der x-z-Ebene. Die optische Projektionsanordnung 10 weist dann beispielsweise die erste Baugruppe 10-1, die auf dem ersten Teilsubstrat 20-1 angeordnet ist, und die zweite Baugruppe 10-2 auf, die auf dem zweiten Teilsubstrat 20-2 angeordnet ist. Bei der Darstellung in 4a ist von der ersten Baugruppe 10-1 lediglich der Endabschnitt der Prisma-Anordnung 50 sowie der Rahmenstruktur 44 dargestellt. Die erste Baugruppe 10-1 der optischen Projektionsanordnung 10 ist nun beispielsweise wie anhand der 1a-e ausgebildet, wobei die zweite Baugruppe auf dem zweiten Teilsubstrat 20-2 die MEMS-Spiegelanordnung 60 mit dem beweglich aufgehängten auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement 62 aufweist.
So kann gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 von 4a das Spiegelelement 62 in einem in Richtung der Prisma-Anordnung 50 geneigten (angekippten) Zustand (in einer Vorzugsneigung) angeordnet sein. So kann die Spiegelanordnung 60 beispielsweise auf einen Keil 24 aufgesetzt und fixiert sein oder der zweite Substratabschnitt 20-2 kann eine keilförmige Erhöhung 24 aufweisen, um den geneigten (vorgekippten) Aufbau der Spiegelanordnung (in Richtung der Prisma-Anordnung) zu erhalten.
Bei einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Spiegelanordnung 60 in einer Vorzugsneigung in Richtung des Prismas 50 anzukippen und damit den vom „Field of View“ (= Sichtfeld) des Spiegelscanners 10 aktiv bestrahlbaren Bereich in Richtung der orthogonalen Achse in Bezug auf das Trägersubstrat 20 auszurichten. Dies kann durch ein untergelegtes keilförmiges Formteil 24 oder durch den Aufbau des Spiegels 60 auf dem zweiten Substratabschnitt 20-2, der entsprechend geneigt ausgeführt ist, ausgebildet werden.
Diese Anordnung mit der vorverkippten Spiegelanordnung 60 kann beispielsweise vorgesehen werden, um den Sendestrahl 32 möglichst steil oder senkrecht (z.B. im Idealfall senkrecht) von oben auf das Spiegelelement 62 auftreffen zu lassen und (im Idealfall) bei dessen Strahlführung keinen Schattenwurf zu verursachen. Um dieser Implementierung möglichst nahezukommen, wird durch die vorverkippte Anordnung der Spiegelanordnung 60 einerseits ein möglichst steiler Einfallswinkel β des Sendestrahls 32 auf das Spiegelelement 62 bewirkt, wobei ferner der gescannte Strahl 32 beim Austritt aus der Glaskuppel (dem Dom) 70 relativ weit von dem unteren Rand des Kuppelelements 70 entfernt diesen durchtritt. Dadurch kann erreicht werden, dass die zum unteren Rand der Glaskuppel 30 zunehmende Dicke des Glasmaterials der Glaskuppel 70 keine optischen Störeinflüsse auf den Strahl 32 ausübt. Ferner entsteht das projizierte Bild durch den Strahl 32 weniger seitlich verschoben. In beiden Fällen kann die Spiegelplatte 62 parallel zum Aufbausubstrat 20 in der Ruhelage ausgerichtet sein.
4b zeigt nun eine beispielhafte Ausführungsform für die Bauelemente 30-1, 30-2, 30-3 der Projektionsanordnung 10 in einer Querschnittsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Wie in 4b beispielhaft dargestellt ist, können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 (z. B. Laserdioden) ohne einen Submount 34 auch direkt auf dem Trägersubstrat 20-1 bzw. dem Trägersubstrat 20 aufgebaut sein. Die in 4 dargestellte Anordnung ohne Submount 34 ist auf alle im Vorhergehenden dargestellten Ausführungsbeispiele in den 1a-b, 2, 3 und 4a anwendbar.

Claims

Optische Projektionsanordnung (10) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Baugruppe (10-1), die auf einem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet ist, mit: - Einer optischen Sendeanordnung (30), die eine Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauteilen (30-1, 30-2, 30-3) aufweist, wobei die optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) so an dem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet sind, dass zumindest ein Teil ihrer Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) eine Abstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats (20-1) aufweist, - einer Linsenanordnung (40) zur Kollimation der Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3), und - einer Prisma-Anordnung (50) mit Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität, die ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) gemeinsam zu führen an einer Auskoppeloberfläche (52) auszukoppeln, und einer zweiten Baugruppe (10-2), die auf einem zweiten Teilsubstrat (20-2) angeordnet ist, mit: einer MEMS-Spiegelanordnung (60) mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement (62), wobei das Spiegelelement (62) im Ruhezustand parallel zu der Substratebene des zweiten Teilsubstrats (20-2) ausgerichtet ist, wobei die Prisma-Anordnung (50) und die MEMS-Spiegelanordnung (60) so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) jeweils unter einem Einfallwinkel (β) auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement (62) trifft, wobei der Einfallwinkel (β) im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements (62) in einem Bereich zwischen 30° und 50° liegt.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Prisma-Anordnung (50) ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) unter einem Auskoppelwinkel (α) bzgl. der Auskoppeloberfläche (52) des Umlenkprismas (50) auszukoppeln, wobei der Auskoppelwinkel (α) in einem Bereich zwischen 20° und 40° liegt
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Prisma-Anordnung ausgebildet ist, die gemeinsame Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) bei unterschiedlichen Wellenlängen zu führen und entlang einer gemeinsamen optische Achse auszukoppeln.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß Anspruch 3, wobei die Prisma-Anordnung (50) und die MEMS-Spiegelanordnung (60) geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass die gemeinsame optische Achse (54) der ausgekoppelten Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) durch den Mittelpunkt (62-1) des Spiegelelements (62) verläuft.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prisma-Anordnung (50) und die MEMS-Spiegelanordnung (60) geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt (62-1) der Spiegelplatte (62) angeordnet ist.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linsenanordnung (40) mittels einer Linsenhalterstruktur (42) in einer definierten Fokuslage fixiert ist, und wobei die Prisma-Anordnung (50) an der Linsenhalterstruktur (42) angeordnet ist.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linsenhalterstruktur (42) Teil einer Rahmenstruktur (44) ist, wobei die Prisma-Anordnung (50) mittels der Rahmenstruktur (44) an dem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet ist.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß Anspruch 7, wobei die Rahmenstruktur (44) mechanisch fest mit dem Trägersubstrat (20), der Linsenanordnung (40) und der Prisma-Anordnung (50) verbunden ist, und wobei die Rahmenstruktur (44) mit umlaufenden Wänden (44-1) nach außen optisch abgeschlossen ist.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prisma-Anordnung (50) und das MEMS-Spiegelanordnung (60) geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass ein lateraler Abstand (A) der Auskoppelfläche (52) der Prisma-Anordnung (50) zu dem Mittelpunkt (62-1) des Spiegelelements (62) weniger als der 12-fache Wert der Aufbauhöhe (H) der Prisma-Anordnung (50) beträgt.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spiegelelement (62) in einem in Richtung der Prisma-Anordnung (50) geneigten Zustand angeordnet ist.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prisma-Anordnung (50) eine optisch wirksame Beschichtung an der Einkoppel- und/oder Auskoppeloberfläche (52, 55) aufweist.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) eine Mehrzahl von Halbleiter-basierten Lichtquellen (30-1, 30-2, 30-3) aufweisen, wobei die Halbleiter-basierten Lichtquellen (30-1, 30-2, 30-3) als eine Bare-Die-Anordnung an dem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet sind.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß Anspruch 12, wobei die Halbleiter-basierten Lichtquellen (30-1, 30-2, 30-3) direkt auf dem ersten Teilsubstrat (20-1) aufgebaut sind.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) angeordnet sind, um eine Hauptabstrahlrichtung vertikal zu dem ersten Teilsubstrat (20-1) aufzuweisen.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linsenanordnung (40) eine Mehrzahl von Kollimationslinsen (40-1, 40-2, 40-3) zur Kollimation der Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) aufweist.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Teilsubstrat (20-1) und das zweite Teilsubstrat (20-2) mechanisch fest gekoppelt sind.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Teilsubstrat (20-1) und das zweite Teilsubstrat (20-2) ein gemeinsames Trägersubstrat (20) bilden, so dass die erste Baugruppe (20-1) und zweite Baugruppe (20-2) auf dem gemeinsamen Trägersubstrat (20) angeordnet sind.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Teilsubstrat (20-1) und das zweite Teilsubstrat (20-2) ein Leiterplattenmaterial, eine thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Keramik mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder ein Halbleitermaterial aufweisen.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine kuppelförmige Glaskappe (70) mit dem zweiten Teilsubstrat (20-2) gefügt ist.
Optische Projektionsanordnung (10) gemäß Anspruch 20, wobei die kuppelförmige Glaskappe (70) eine optisch wirksame Beschichtung (72) an der Innen- und/oder Außenoberfläche (70-A, 70-B) aufweist.
Optische Projektionsanordnung (10) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Baugruppe (10-1), die auf einem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet ist, mit: - Einer optischen Sendeanordnung (30), die eine Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauteilen (30-1, 30-2, 30-3) aufweist, wobei die optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) so an dem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet sind, dass zumindest ein Teil ihrer Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) eine Abstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats (20-1) aufweist, - einer Linsenanordnung (40) zur Kollimation der Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3), und - einer Prisma-Anordnung (50) mit Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität, die ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) gemeinsam zu führen an einer Auskoppeloberfläche (52) auszukoppeln, und einer zweiten Baugruppe (10-2), die auf einem zweiten Teilsubstrat (20-2) angeordnet ist, mit: - einer MEMS-Spiegelanordnung (60) mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement (62), wobei die Prisma-Anordnung (50) und die MEMS-Spiegelanordnung (60) so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) jeweils unter einem Einfallwinkel (β) auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement (62) trifft, wobei der Einfallwinkel (β) im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements (62) in einem Bereich zwischen 30° und 50° liegt, und wobei die Prisma-Anordnung (50) und das MEMS-Spiegelanordnung (60) geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass ein lateraler Abstand (A) der Auskoppelfläche (52) der Prisma-Anordnung (50) zu dem Mittelpunkt (62-1) des Spiegelelements (62) weniger als der 12-fache Wert der Aufbauhöhe (H) der Prisma-Anordnung (50) beträgt.
Optische Projektionsanordnung (10) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Baugruppe (10-1), die auf einem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet ist, mit: - Einer optischen Sendeanordnung (30), die eine Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauteilen (30-1, 30-2, 30-3) aufweist, wobei die optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) so an dem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet sind, dass zumindest ein Teil ihrer Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) eine Abstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats (20-1) aufweist, - einer Linsenanordnung (40) zur Kollimation der Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3), und - einer Prisma-Anordnung (50) mit Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität, die ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) gemeinsam zu führen an einer Auskoppeloberfläche (52) auszukoppeln, und einer zweiten Baugruppe (10-2), die auf einem zweiten Teilsubstrat (20-2) angeordnet ist, mit: - einer MEMS-Spiegelanordnung (60) mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement (62), wobei die Prisma-Anordnung (50) und die MEMS-Spiegelanordnung (60) so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) jeweils unter einem Einfallwinkel (β) auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement (62) trifft, wobei der Einfallwinkel (β) im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements (62) in einem Bereich zwischen 30° und 50° liegt, und wobei das erste Teilsubstrat (20-1) und das zweite Teilsubstrat (20-2) ein Leiterplattenmaterial, eine thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Keramik mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder ein Halbleitermaterial aufweisen.
Optische Projektionsanordnung (10) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Baugruppe (10-1), die auf einem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet ist, mit: - Einer optischen Sendeanordnung (30), die eine Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauteilen (30-1, 30-2, 30-3) aufweist, wobei die optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) so an dem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet sind, dass zumindest ein Teil ihrer Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) eine Abstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats (20-1) aufweist, - einer Linsenanordnung (40) zur Kollimation der Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3), und - einer Prisma-Anordnung (50) mit Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität, die ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) gemeinsam zu führen an einer Auskoppeloberfläche (52) auszukoppeln, und einer zweiten Baugruppe (10-2), die auf einem zweiten Teilsubstrat (20-2) angeordnet ist, mit: - einer MEMS-Spiegelanordnung (60) mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement (62), wobei die Prisma-Anordnung (50) und die MEMS-Spiegelanordnung (60) so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung (32-1, 32-2, 32-3) der optoelektronischen Sendebauteile (30-1, 30-2, 30-3) jeweils unter einem Einfallwinkel (β) auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement (62) trifft, wobei der Einfallwinkel (β) im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements (62) in einem Bereich zwischen 30° und 50° liegt, und wobei eine kuppelförmige Glaskappe (70) mit dem zweiten Teilsubstrat (20-2) gefügt ist.