DE102022210091A1

DE102022210091A1 - Optikstrahlformer, Fernlichtscheinwerfer und Verfahren zur Projektion von einfallendem Licht

Info

Publication number: DE102022210091A1
Application number: DE102022210091.3A
Authority: DE
Inventors: Dmitrii Stefanidi; Peter Schreiber; Leo Maximilian Wilhelm
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2024-03-28
Also published as: EP4343389A1

Abstract

Ein Optikstrahlformer zum Erzeugen eines austretenden Lichtstrahls aus einem einfallenden Lichtstrahl weist ein Kondensorlinsenarray mit einer ersten Mehrzahl von Kondensorlinsen auf, wobei die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen zum Empfangen des einfallenden Lichtstrahls ausgebildet ist. Der Optikstrahlformer weist ein Projektionslinsenarray mit einer zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen auf, die zum Empfangen von Licht von dem Kondensorlinsenarray und zum Abstrahlen des austretenden Lichtstrahls ausgebildet sind. Die Anzahl der ersten Mehrzahl von Kondensorlinsen ist größer als die Anzahl der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen, und ein Rand einer Projektionslinse ist in Bezug auf eine gegenüberliegende Kondensorlinse fehlausgerichtet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Optikstrahlformer bzw. eine Strahlformungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen desselben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf einen Fernlichtscheinwerfer für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug, das einen derartigen Fernlichtscheinwerfer aufweist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Optikstrahlformer für komplexe Fernfeldverteilungen.
Es liegen einige Lösungen für die Strahlformung im Fernfeld vor.
Diffusoren
Diffusoren sind sehr wirksame Werkzeuge für die beliebige Fernfeld-Strahlformung; jedoch haben sie eine Reihe von Nachteilen.

• Scharfe Ränder des Strahls sind im Fernfeld schwer oder sogar unmöglich zu erzeugen;
• die Formung eines Intensitätsprofils des Strahls ist typischerweise eingeschränkt und entspricht immer der Streufunktion der Diffusoroberfläche;
• der Schwerpunkt des von einem Diffusor aufgebauten Fernfelds entspricht typischerweise dem Schwerpunkt des einfallenden Lichtbündels.

Array-Projektor
Die Referenz [1] schlägt einen Weg zur homogenen Strahlformung im Fernfeld durch die Verwendung von absorbierenden Masken in jedem Kanal eines doppelseitigen Mikrolinsenarrays (MLA) im Aufbau eines Wabenkondensors („Fly's Eye Condenser“, FEC) vor. Dabei kann eine beliebige kontinuierliche Strahlformung mit kanalweiser Variation der Größe und Form der absorbierenden Masken erzielt werden. Der Nachteil eines derartigen Systems ist, dass die Verwendung von absorbierenden Elementen zu einem beträchtlichen Verlust der Transmission und des optischen Wirkungsgrads des Systems führt.
Irregulärer Wabenkondensor
Die Referenz [2] schlägt eine Lösung für ein maskenloses doppelseitiges MLA vor, auch bekannt als irregulärer Wabenkondensor (iFEC). Hier sind beliebige kontinuierliche Intensitätsprofile wegen der kanalweisen Ungleichmäßigkeiten zwischen den Mikrolinsen erreichbar. Die Hauptnachteile sind Streulicht, das durch die Sprünge in der Profilhöhe zwischen benachbarten Mikrolinsen bewirkt wird, und die komplizierte MLA-Herstellung, welche nur in gewissem Maß durch Verwendung aufwendiger Gestaltungsalgorithmen [3] vermieden werden können.
Daher besteht ein Bedarf an Strahlformern mit einfacher Herstellung und hochqualitativen Fernfeldverteilungen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Optikstrahlformer, ein Verfahren zum Bereitstellen eines Optikstrahlformers, einen Projektor, einen Fernlichtscheinwerfer für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einem derartigen Fernlichtscheinwerfer sowie ein Verfahren zur Projektion von einfallendem Licht, das eine einfache Herstellung von Linsenanordnungen erlaubt, und für eine Fernfeldverteilung mit einer geringen Menge von Streulicht und unerwünschten Störsignalen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den in den unabhängigen Ansprüchen definierten Gegenstand gelöst.
Eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Verwendung einer Mikrolinse mit gemeinsamem Ausgang (SEM) eines doppelseitigen MLAs zusammen mit der Bereitstellung einer größeren Anzahl von Kondensorlinsen im Vergleich mit der Anzahl von Projektionslinsen eine einfache Herstellung von derartigen Arrays erlaubt, indem komplizierte Konstruktionen oder zusätzliche Strukturen vermieden werden, und gleichzeitig eine hohe Qualität der Fernfeldverteilung ermöglicht wird, da erlaubt wird, scharfe Ränder im Fernfeld zu projizieren und/oder den Wirkungsgrad des Systems (die Transmission) auf dem theoretischen Grenzwert zu halten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Optikstrahlformer zum Erzeugen eines austretenden Lichtstrahls aus einem einfallenden Lichtstrahl ein Kondensorlinsenarray, das eine erste Mehrzahl von Kondensorlinsen aufweist, wobei die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen zum Empfangen des einfallenden Lichtstrahls ausgebildet sind. Der Optikstrahlformer umfasst ein Projektionslinsenarray, das eine zweite Mehrzahl von Projektionslinsen aufweist, die zum Empfangen von Licht von dem Kondensorlinsenarray und zum Abstrahlen des austretenden Lichtstrahls ausgebildet sind. Die Anzahl der ersten Mehrzahl von Kondensorlinsen ist größer als die Anzahl der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen. Dies führt dazu, dass sich zumindest zwei Kondensorlinsen zumindest eine Projektionslinse teilen, was in einfacher Weise zusätzliche Freiheitsgrade für das Gestalten des Optikstrahlformers erlaubt, während eine hohe Qualität in der Fernfeldverteilung beibehalten wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Projektor einen derartigen Optikstrahlformer und eine Lichtquelle zur Bereitstellung des einfallenden Lichtstrahls.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Fernlichtscheinwerfer für ein Fahrzeug einen Optikstrahlformer wie hierin beschrieben und/oder einen Projektor wie hierin beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sehen auch ein Fahrzeug vor, das einen derartigen Fernlichtscheinwerfer enthält.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Bereitstellung eines Optikstrahlformers ein Bereitstellen eines Kondensorlinsenarrays, das eine erste Mehrzahl von Kondensorlinsen aufweist, wobei die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen zum Empfangen eines einfallenden Lichtstrahls ausgebildet sind. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Projektionslinsenarrays, das eine zweite Mehrzahl von Projektionslinsen aufweist, die zum Empfangen von Licht von dem Kondensorlinsenarray und zum Abstrahlen des austretenden Lichtstrahls ausgebildet sind. Das Verfahren wird derart ausgeführt, dass die Anzahl der ersten Mehrzahl von Kondensorlinsen größer ist als die Anzahl der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen, und derart, dass der Optikstrahlformer zum Erzeugen eines austretenden Lichtstrahls aus einem einfallenden Lichtstrahl geeignet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Projektion von einfallendem Licht die Beaufschlagung eines eine Mehrzahl von Kondensorlinsen aufweisenden Kondensorlinsenarrays mit einem Strahl von einfallendem Licht, um das einfallende Licht auf ein Projektionslinsenarray mit einer geringeren Anzahl von Projektionslinsen im Vergleich mit der Anzahl von Kondensorlinsen zu richten. Das Verfahren umfasst ein Projizieren des von dem Projektionslinsenarray emittierten Lichts auf eine Projektionsfläche.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind hierin beschrieben, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, in denen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Projektors gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
2 eine schematische perspektivische Ansicht einer Implementierung des Optikstrahlformers gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
3 eine schematische Seitenansicht von einem Teil eines Optikstrahlformers gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, in dem die Anzahl von drei Kondensorlinsen der Anzahl von zwei Projektionslinsen gegenüberliegt;
4a-b schematische Darstellungen eines bekannten FEC-Konzepts zeigen;
5a-e schematische Darstellungen einer Konfiguration einer zwei Kondensorlinsen abdeckenden Projektionslinse zeigen;
6a eine schematische Draufsicht eines Optikstrahlformers gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, wobei die Ausgangs-Mikrolinse mit der Anzahl von drei Eingangs-Mikrolinsen überlappt;
6b eine schematische Darstellung eines Ausgangs-Intensitätsprofils eines durch die Anordnung von 6a gebildeten ersten Teilstrahls zeigt;
6c eine schematische Darstellung eines Abbildungspfads für eine zweite Eingangs-Mikrolinse in einer Draufsicht zeigt:
6d eine schematische Darstellung eines Ausgangs-Intensitätsprofils des in 6c ausgebildeten Teilstrahls zeigt:
6e-f eine Draufsicht eines Abbildungspfads für eine zweite Eingangs-Mikrolinse C2 und ein entsprechendes Ausgangs-Intensitätsprofil zeigen;
6g ein Diagramm zeigt, das ein Ergebnis einer Überlagerung von Teilstrahlen von 6a-f darstellt;
7a-e schematische Darstellungen mit Bezug auf einen Optikstrahlformer gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigen, die einen Vergrößerungsfaktor von 1,1 und einen Versatz der Linsenscheitel von 0,05 aufweist;
8a eine schematische Vorderansicht einer Elementarzelle für einen Optikstrahlformer gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, die einen konstanten Vergrößerungsfaktor der Projektionslinsen aufweist;
8b-c schematische Darstellungen von möglichen Intensitätsprofilen zeigen, die mit der Struktur von 8a erhalten werden;
9a eine schematische Vorderansicht einer Elementarzelle für einen Optikstrahlformer gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, die einen variablen Vergrößerungsfaktor der Projektionslinsen aufweist;
9b-c schematische Darstellungen von möglichen Intensitätsprofilen zeigen, die mit der Struktur von 9a erhalten werden;
10a ein schematisches Diagramm einer gespiegelten Anordnung der Elementarzelle von 9a gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
10b-c schematische Darstellungen von möglichen Intensitätsprofilen zeigen, die mit der Struktur von 10a erhalten werden;
11 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, das zum Beispiel zur Bereitstellung eines Optikstrahlformers gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann; und
12 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, das zur Projektion von einfallendem Licht verwendet werden kann.

Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung mit gleichen oder äquivalenten Bezugsziffern bezeichnet, auch wenn sie in verschiedenen Figuren auftreten.
In der folgenden Beschreibung wird eine Mehrzahl von Einzelheiten aufgeführt, um eine sorgfältige Erläuterung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu liefern. Jedoch ist es für Fachpersonen auf diesem Gebiet selbstverständlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform und nicht in Einzelheiten gezeigt, um zu vermeiden, dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung undeutlich werden. Weiterhin können Merkmale der verschiedenen, im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, falls nicht ausdrücklich anders angegeben.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen Mehrfach-Linsen-Arrays, die auch Kondensorlinsen umfassen, die synonym als Eintrittslinsen bezeichnet werden. Ein MLA kann auch Austrittslinsen umfassen, die synonym als Projektionslinsen bezeichnet werden.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optischen Systems 100, zum Beispiel eines Projektors, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das optische System umfasst einen Optikstrahlformer 10, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Strahlformer 10 kann als Mikro-Optikstrahlformer ausgebildet sein, d. h. er kann sogenannte Mikrolinsen umfassen, wobei der Ausdruck Mikrolinsen eine Abmessung von einigen Nanometern, Mikrometern oder Millimetern bedeuten kann.
In dem optischen System 100 kann der Strahlformer 10 durch einen Lichtkonus 12 beleuchtet werden, der eine bestimmte Divergenz aufweisen kann, bezeichnet als θ_div. Ohne Einschränkung der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele kann diese Divergenz kleiner als oder gleich einer numerischen Apertur (NA) der Eingangs-Mikrolinsen sein, welche wie folgt beschrieben werden kann: $θ_{d i v} \leq asin (N A_{e n t})$
wobei NA_ent die numerische Apertur der Eingangs-Mikrolinsen darstellt.
Der Optikstrahlformer 10 kann aus dem einfallenden Lichtstrahl 12 einen austretenden Lichtstrahl 14 erzeugen und ihn entlang einer optischen Achse 16 richten.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Ausführungsbeispiele ist die Verwendung einer Gestaltung mit einer Mikrolinse (SEM) in einem doppelseitigen MLA mit gemeinsamem Ausgang. Dies kann so verstanden werden, dass zumindest zwei Kondensorlinsen sich eine kleinere Anzahl von Projektionslinsen teilen, oder, andersherum, dass zumindest eine Projektionslinse des Projektionslinsenarrays eines hierin beschriebenen Optikstrahlformers eine Linse ist, die sich zumindest 2, zumindest 3, zumindest 4 oder auch eine höhere Anzahl von 5, 6, 7, ..., Kondensorlinsen teilen. Dies kann so verstanden werden, dass eine Mehrzahl von Eingangs-Mikrolinsen eine Ausgangs-Mikrolinse beleuchten, d. h. sie teilen sich eine Ausgangs-Mikrolinse. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele nicht auf ganzzahlige Vielfache beschränkt, wie hierin beschrieben wird. Das beschriebene Prinzip kann eine größere Gestaltungsfreiheit für die Fernfeld-Strahlformung ohne absorbierende Elemente sicherstellen und kann die Notwendigkeit von irregulären Strukturen des Eingangs-MLAs vermeiden, um einen Vorteil gegenüber dem iFEC zu bieten.
Das SEM-Verfahren kann unabhängig implementiert werden, um höchstwirksame und kompakte Leuchten mit beliebiger Intensität in der Fernfeldverteilung oder in Kombination mit bestehenden Strahlformungs-Lösungen, zum Beispiel in Verbindung mit FEC oder iFEC, zu erzielen. In beiden Fällen kann eine optionale kontrollierte gegenseitige Beeinflussung angewendet werden.
Ein Projektor gemäß einem Ausführungsbeispiel kann einen Optikstrahlformer gemäß einem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel umfassen. Weiterhin kann eine Lichtquelle zur Bereitstellung des einfallenden Lichtstrahls 12 Teil des Projektors sein. Die Lichtquelle 11 kann zur Bereitstellung des einfallenden Lichts 12 mit einer Divergenz, die höchstens eine numerische Apertur des Kondensorlinsenarrays des Strahlformers 10 ist, ausgebildet sein.
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Implementierung des Optikstrahlformers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Optikstrahlformer 10 umfasst ein Kondensorlinsenarray C und ein Projektionslinsenarray P. Das Kondensorlinsenarray C kann Kondensorlinsen C_n,m umfassen, die in einer Matrixkonfiguration angeordnet sein können, zum Beispiel einer quadratischen Matrixkonfiguration mit einer Anzahl von m Spalten und m Zeilen. Jedoch ist eine derartige quadratische Anordnung für das Ausführen der vorliegenden Erfindung nicht notwendig.
Das Projektionslinsenarray P kann eine Mehrzahl von Kondensorlinsen P_n,0 umfassen, die zumindest teilweise gemäß einer Matrixkonfiguration mit einer Anzahl von n Spalten und o Zeilen angeordnet sein können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind das Kondensorlinsenarray C und das Projektionslinsenarray P im Hinblick auf die Gesamt-Arrays kongruent mit Bezug aufeinander. Dies kann so verstanden werden, dass die optische Gesamtgröße der Arrays gleich sein kann.
Zum Beispiel kann eine erste Grundfläche der Mehrzahl von Kondensorlinsen des Kondensorlinsenarrays C mit Bezug aufeinander kongruent, d. h. entlang den Querrichtungen gleich geformt sein. Das heißt, die betreffenden Kondensorlinsen können im Hinblick auf ihre Apertur gleich geformt sein. Eine zweite Grundfläche der Mehrzahl von zweiten Projektionslinsen kann mit Bezug aufeinander kongruent sein, was für jede der Zeilen des Projektionslinsenarrays P in 2 gilt. Das heißt, die betreffenden Projektionslinsen können im Hinblick auf ihre Apertur gleich geformt sein. Die Abmessung der zweiten Grundfläche kann im Vergleich mit der Abmessung der ersten Grundfläche größer sein, was zum Beispiel mit einer größeren Erstreckung entlang zumindest einer der Richtungen x und/oder y der Projektionslinse im Vergleich mit der jeweiligen Kondensorlinse implementiert werden kann. Das heißt, zumindest Teile der Projektionslinsen können eine größere Apertur als die Kondensorlinsen aufweisen.
Bezüglich einer 1:1-Konfiguration, um jeder Kondensorlinse C_n,m genau eine Projektionslinse P_n,o zuzuordnen, kann das Projektionslinsenarray P Projektionslinsen P1, P2, P3, P4, angeordnet zum Beispiel in Zeile 5, und/oder Projektionslinsen P5, P6, P7 und möglicherweise weitere Projektionslinsen in Zeile 0=3 umfassen, was einer größeren Erstreckung entlang der x-Richtung im Vergleich mit der 1:1-Zuordnung entspricht. In dem Optikstrahlformer 10 können Kondensorlinsen C_3,1 bis C_3,m derart ausgebildet sein, dass benachbarte Kondensorlinsen sich eine Projektionslinse von Zeile 0=3 der Projektionslinse teilen. Eine derartige Abweichung von einem regelmäßigen Verfahren kann für verschiedene Zeilen und/oder Spalten verschieden sein, wie durch eine größere Abmessung der Projektionslinsen P5, P6 und P7 entlang der x-Richtung im Vergleich mit den Projektionslinsen P1, P2, P3 und P4 angegeben. Wie in 2 angegeben, kann nur ein Teil oder Teilbereich des Projektionslinsenarrays P von einem Gesamtlayout abweichen. Alternativ kann das komplette Projektionslinsenarray P von der regulären 1:1-Implementierung abweichen. Obwohl angegeben ist, dass die Projektionslinsen P1 bis P7 entlang einer Zeilen-Richtung x von einer regulären Implementierung abweichen, kann eine derartige Abweichung alternativ oder zusätzlich entlang der Spalten-Richtung y implementiert werden.
Bevorzugt befinden sich die Austrittslinsen des Ausgangs-MLAs P in der Brennebene der Eingangs-Mikrolinsen des Eingangs-MLAs C oder sind dort positioniert und umgekehrt. Bevorzugt haben die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen innerhalb eines Toleranzbereichs eine gleiche erste Brennweite, um eine präzise Positionierung der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen in deren Brennweite zu erlauben. Alternativ oder zusätzlich haben die zweite Mehrzahl von Projektionslinsen innerhalb eines Toleranzbereichs eine gleiche Brennweite, und die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen sind in dieser Brennweite der Projektionslinsen angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Mikrolinsen sowohl der Eintritts- und Ausgangs-MLAs C und P derart implementiert werden, dass sie rechtwinklige Formen aufweisen, und sie können mit Bezug aufeinander in einer derartigen Weise positioniert sein, dass beide Arrays einen Füllfaktor von zumindest 90 %, zumindest 92 % oder zumindest 95 % haben, bevorzugt so nahe zu 100 % wie möglich.
Wenn ein Füllfaktor so nahe zu 100 % wie möglich implementiert wird, erlaubt dies, zumindest ungefähr ein 100 % des Raums füllendes doppelseitiges MLA zu bilden. Das SEM-Verfahren kann beinhalten, die Abmessung der Ausgangs-Mikrolinsen im Vergleich mit der Abmessung der Eingangs-Mikrolinsen bewusst zu vergrößern.
Bei dem Beispiel von 2 haben vier Ausgangs-Mikrolinsen P1, P2, P3 und P4 eine doppelte Abmessung im Vergleich mit der nominalen Abmessung der Eingangs-Mikrolinsen, und drei Ausgangs-Mikrolinsen P5, P6 und P7 haben eine dreifache Abmessung im Vergleich mit der nominalen Abmessung der Eingangs-Mikrolinsen. Die Eingangs-Mikrolinsen des Kondensorlinsenarrays C können mit einer konstanten Abmessung über die gesamten Eingangs-MLAs C implementiert werden. Die Ausgangs-Mikrolinsen P1, P2, P3 und P4 decken jeweils mehr als eine Eingangs-Mikrolinse ab, anstelle von nur einer, wie es bei einem vollständig regulären FEC wäre. Die Ausgangs-Mikrolinsen P5, P6 und P7 decken jeweils mehr als zwei Eingangs-Mikrolinsen ab. Die Eingangs-Mikrolinsen, die durch eine vergrößerte Ausgangs-Mikrolinse abgedeckt sind, teilen sich eine gemeinsame Ausgangs-Mikrolinse, anstelle von einer einzelnen Ausgangs-Mikrolinse für jede davon. Das Teillichtbündel, das von jeder Mikrolinse mit gemeinsamem Ausgang von mehr als einer Eingangs-Mikrolinse kommt, ist im Vergleich mit einem 1x1/1:1-Standard-Kanal unterschiedlich geformt.
Die Brennweite von allen vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen kann gleich der Brennweite der Eingangs-Mikrolinsen sein, was man so verstehen kann, dass eine seitliche Vergrößerung der Ausgangs-Mikrolinse zu einer gleichen Vergrößerung ihrer numerischen Apertur NA im Vergleich mit der NA der Eingangs-Mikrolinsen führen kann. Eine Vergrößerung der Ausgangs-Mikrolinse im Vergleich mit der Eingangs-Mikrolinse kann durch den Vergrößerungsfaktor k beschrieben werden, der dargestellt werden kann als: $k = \frac{H_{(e x i t)}}{H_{(e n t r a n c e)}} = \frac{N A_{(e x i t)}}{N A_{(e n t r a n c e)}}$
wobei H_(exit) die Abmessung der vergrößerten Ausgangs-Mikrolinse ist, und H_(entrance) die Abmessung der Eingangs-Mikrolinse ist.
Eine Vergrößerung der Ausgangs-Mikrolinse kann nur in einer Richtung implementiert werden, zum Beispiel horizontal oder vertikal oder entlang beiden Richtungen oder Ebenen, abhängig von der gewünschten zu erzielenden Verteilung in dem Fernfeld.
Lokale Beschreibung der Ausrichtung der Eingangs-Mikrolinsen
Neben dem Vergrößerungsfaktor k kann die seitliche Ausrichtung der Eingangs-Mikrolinse mit Bezug auf die vergrößerte Ausgangs-Mikrolinse auch eine Rolle für die Strahlformung spielen. Eine lokale Beschreibung dieser Ausrichtung kann durch Gleichung 3 und 3 dargestellt werden. „Lokal“ bedeutet in Verbindung mit der lokalen Beschreibung, dass diese Beschreibung für die Eingangs-Mikrolinse mit minimalem seitlichem Vertexversatz mit Bezug auf die entsprechende Ausgangs-Mikrolinse auf der optischen Achse des MLAs gilt.
3 zeigt eine schematische Seitenansicht von einem Teil eines Optikstrahlformers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Anzahl von drei Kondensorlinsen C₀, C₁ und C₂ einer Anzahl von zwei Projektionslinsen P₀ und P₁ gegenübersteht. Bezüglich 3 wird eine lokale Beschreibung einer Ausrichtung der ersten Eingangs-Mikrolinse C₀ mit Bezug auf die globale optische Achse G und eine erste Mikrolinse P₀ wie folgt beschrieben. $A_{0} = G \pm x p = \pm x p$
wobei:

G = 0: eine globale optische Achse des Systems darstellt, zum Beispiel die optische Achse 16 aus 1;
p: einen Abstand der Eingangs-Mikrolinsen darstellt;
x = [0, ..., 1]: einen normierten Ausrichtungsfaktor darstellt;
Ao: eine Vertexposition der Eingangs-Mikrolinse darstellt, die sich am dichtesten zu der globalen Achse G befindet;
Bo: eine Position der Aperturmitte der Ausgangs-Mikrolinse auf der globalen Achse darstellt.

Im Folgenden werden Beispiele für verschiedene Implementierungen von k und x oder Δx (darstellbar als x multipliziert mit p) aufgeführt, und die entsprechenden Ausgangs-Intensitätsprofile werden bereitgestellt. Zwecks einer einfacheren Darstellung werden die Mikrolinsen als reelle Linsen gezeigt, zum Beispiel mit Krümmung, jedoch zielen die Ausführungsbeispiele auch auf eine Implementierung durch Verwendung von achsnahen, d. h. idealen, Mikrolinsen ab. Ein reelles Profil der Mikrolinsen wird später erläutert.
Bevor auf Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, werden einige bekannte Lösungen diskutiert, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden. Jedoch werden die bekannten Lösungen im Hinblick auf die eingeführten Faktoren k und x diskutiert, insbesondere im Hinblick auf die bekannten FEC- und iFEC-Implementierungen. Die hierin beschriebenen Faktoren k und x betreffen relative Faktoren, die einer jeweiligen (Kondensor-) Linse zugeordnet sind. Das heißt, ein Vergrößerungsfaktor von k = 1,1 gibt eine Zunahme der Abmessung der Projektionslinse um 10 % im Vergleich mit der Kondensor-Mikrolinse entlang der jeweiligen Richtung an. Ein Versatz von x = 0,05 kann einen Versatz von 5 % mit Bezug auf die Mikrolinse angeben. $\underline{k = 1; x = 0 (FEC) :}$
Die FEC-Lösung wird diskutiert, um Differenzen zur erfinderischen SEM-Lösung hervorzuheben.
Falls ein Faktor von nur k = 1 auf die Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und keine Verlagerung von der Anfangsposition angewendet wird, d. h. x = 0, dann würde man ein mikro-optisches System erhalten, das äquivalent zu dem in [1] beschriebenen FEC-Konzept ist. 4a zeigt eine derartige Konfiguration, und 4b zeigt ein entsprechendes Ausgangs-Intensitätsprofil. Die Konfiguration von 4a ist in der Draufsicht eine 1x1-Kanal-Konfiguration. Ohne das erfinderische SEM-Verfahren ist ein vollständig reguläres Mikrolinsenarray auf beiden Seiten C und P implementiert, das im Fernfeld eine Rechteck-Verteilung liefert, wie in 4b gezeigt und in [1] beschrieben. $\underline{k = 2; x = 0,5 (iFEC) :}$
Dieser Abschnitt diskutiert die bekannte iFEC-Lösung, um auf Differenzen bezüglich des erfinderischen SEM-Verfahrens hinzuweisen. Zur Verbesserung der Klarheit sind in 5a und 5c die Eingänge der Eingangs-Mikrolinsen C0 und C1 separat gezeigt.
5a-e demonstrieren den zweiten Fall, der eine Anpassung von [2] ist. Hier ist die Eingangs-Mikrolinse C0 mit der Ausgangs-Mikrolinse P0 auf Unendlichkeit eingestellt, was einen Teilstrahl SB1 im Fernfeld aufbaut, wie in dem Ausgangs-Intensitätsprofil von 5b bezüglich des Abbildungspfads für die Eingangs-Mikrolinse C0 in dem iFEC gezeigt.
Gleichzeitig wird die Eingangs-Mikrolinse C1 durch die Ausgangs-Mikrolinse P1 abgebildet, wie in 5c gezeigt, was einen Teilstrahl SB2 bildet. Während 5c den Abbildungspfad für die Eingangs-Mikrolinse C1 in dem iFEC zeigt, zeigt 5d das entsprechende Ausgangs-Intensitätsprofil. Die Vertices der Ausgangs-Mikrolinsen P0 und P1 sind in einer derartigen Weise verlagert, dass das Intensitätsprofil und der resultierende Gesamtstrahl TB1 so aussehen, wie in 5e gezeigt, die ein Intensitätsprofil des resultierenden Gesamtstrahls TB1 darstellt, zum Beispiel eine Überlagerung der Teilstrahlen SB1 und SB2.
Eine Zerlegung der vergrößerten Ausgangs-Mikrolinse in zwei identische Mikrolinsen ist das Äquivalent zu einem iFEC, bei dem zwei Ausgangs-Mikrolinsen eine entgegengesetzte Außermittigkeit ihrer Vertices um eine Hälfte des Abstands der Mikrolinsen aufweisen. Eine solche Zerlegung kann immer bei einer Kombination von geraden Werten von k und x = 0,5 oder bei einer Kombination von ungeraden Werten von k und x = 0 auftreten, daher bilden diese Kombinationen keinen Teil der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls im Folgenden erläutert. Gemäß den Ausführungsbeispielen ist eine numerische Apertur NA zumindest einer Projektionslinse des Projektionslinsenarrays P größer als eine numerische Apertur einer Kondensorlinse des Kondensorlinsenarrays C. Zum Beispiel kann die numerische Apertur ein ganzzahliges Vielfaches oder ein nicht-ganzzahliges Vielfaches aufweisen. $\underline{k = 2; x = 0}$
Zur Klarheit sind in 6a-d die Eingänge der Eingangs-Mikrolinsen C0, C1 und C2 separat gezeigt.
Anders als bei FEC/iFEC ist es die Idee des SEM-Verfahrens, dass sich mehr als eine Eingangs-Mikrolinse eine Ausgangs-Mikrolinse teilen, wobei zumindest eine Eingangs-Mikrolinse vollständig durch die gegenüberliegende Ausgangs-Mikrolinse „abgedeckt“ ist, und zumindest eine benachbarte Eingangs-Mikrolinse teilweise durch die gleiche Ausgangs-Mikrolinse „abgedeckt“ ist. Um ein komplexes Intensitätsprofil des Strahls in dem Fernfeld zu erhalten, können die Ausführungsbeispiele erlauben, dass eine Verwendung von absorbierenden Elementen oder irregulären Eingangs-Arrays vermieden wird. Ein Beispiel für SEM ist für eine Kombination von k = 2 und x = 0 aufgeführt und kann eine einfache Implementierung der vorliegenden Erfindung betreffen.
Ein einfallendes Lichtbündel kann eine Divergenz aufweisen, die kleiner als oder gleich der numerischen Apertur der Eingangs-Mikrolinse ist, wie in Gleichung 1 beschrieben und in Verbindung mit 1 diskutiert. Eine derartige Kombination bildet eine Anordnung, bei der die vergrößerte Ausgangs-Mikrolinse eine Eingangs-Mikrolinse vollständig und zwei Eingangs-Mikrolinsen mit einer Hälfte „abdeckt“, und das Triplett der Eingangs-Mikrolinsen ist möglicherweise symmetrisch mit Bezug auf die Ausgangs-Mikrolinse positioniert.
Einzelner ganzzahliger k-Faktor mit konstantem Wert (einfaches Ausführungsbeispiel):
Die Verwendung von nur einem k-Faktor über das gesamte MLA führt zu einem einfachen Intensitätsprofil des Strahls im Fernfeld mit einer diskreten Stufe in der Intensität.
Um die Struktur des MLAs für diesen Fall zu erläutern, kann die lokale Beschreibung der Eingangs-Mikrolinsen-Ausrichtung wie folgt beschrieben werden:

Falls: $A_{0} = \pm x p$
dann: $A_{i} = \pm x p + i p = A_{i - 1} + p$
gleichzeitig: $B_{0} = 0 = > B_{j} = k p j$
wobei:

i∈N [1, 2, 3, ..., n]

die Nummer der bestimmten Eingangs-Mikrolinse ist;

n

die Gesamtanzahl der Eingangs-Mikrolinsen in dem Array ist;

8

die Position der Aperturmitte der Ausgangs-Mikrolinse ist;

j∈N [0, 1, 2, ..., m]

die Nummer der bestimmten Ausgangs-Mikrolinse ist;

m

die Gesamtanzahl der Ausgangs-Mikrolinsen in dem Array ist.

In diesem Fall bleibt der Abstand zwischen dem Vertex der Eingangs-Mikrolinse und der Aperturmitte der Ausgangs-Mikrolinse konstant: $B_{j} - A_{i} = c o n s t$
6a zeigt eine Implementierung eines Optikstrahlformers 10' gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die Ausgangs-Mikrolinse P0 mit der Anzahl von drei Eingangs-Mikrolinsen C0, C1, C2 zumindest teilweise überlappt und Licht von diesen drei Eingangs-Mikrolinsen empfängt. Abhängig von dem Vergrößerungsfaktor k kann auch eine höhere Anzahl von Eingangs-Mikrolinsen geteilt werden.
6b zeigt eine schematische Darstellung eines Ausgangs-Intensitätsprofils des durch die Anordnung von 6a gebildeten Teilstrahls SB0, wobei ein Abbildungspfad für die Eingangs-Mikrolinse C0 in einer Draufsicht gezeigt ist.
6c zeigt den Abbildungspfad für die Eingangs-Mikrolinse C1 in einer Draufsicht des Optikstrahlformers 10'. 6d zeigt ein Ausgangs-Intensitätsprofil des in 6c ausgebildeten Teilstrahls SB1.
Entsprechend zeigen 6e und 6f eine Draufsicht eines Abbildungspfads für die Eingangs-Mikrolinse C2 und ein entsprechendes Ausgangs-Intensitätsprofil für den in 6e ausgebildeten Teilstrahl SB2. Während 6c und 6d die Hälfte der Eingangs-Mikrolinse C1 darstellen, die durch die gleiche vergrößerte Ausgangs-Mikrolinse P0 abgedeckt ist, die einen optischen Teilstrahl SB1 in dem Fernfeld aufbaut, stellen 6e und 6f die Hälfte einer anderen Eingangs-Mikrolinse C2 dar, die durch die gleiche vergrößerte Ausgangs-Mikrolinse P0 abgedeckt ist, die einen Ausgangs-Teilstrahl SB2 in dem Fernfeld aufbaut, wobei die Intensitätsprofile davon in 6d und 6f dargestellt sind.
6g zeigt ein Diagramm, das ein Ergebnis einer Überlagerung der Teilstrahlen SB0, SB1 und SB2 von 6b, 6d und 6f darstellt, um einen Gesamtstrahl TB1 im Fernfeld derart aufzubauen, dass 6g ein Intensitätsprofil des resultierenden Gesamtstrahls TB1 darstellt.
Während die mittlere Mikrolinse C1 des betreffenden Teils des Arrays durch eine zweimal vergrößerte Ausgangs-Mikrolinse P0 abgedeckt ist, sind die Mikrolinsen C1 und C2 jeweils zur Hälfte durch die Ausgangs-Mikrolinse P0 abgedeckt.
Solange das einfallende Lichtbündel eine senkrechte Inzidenz auf das MLA hat, verbleibt das Intensitätsprofil in seiner Form für die Divergenzwinkel kleiner oder gleich der NA der Eingangs-Mikrolinsen, siehe Gleichung 1. Jedoch kann, falls die Inzidenz des einfallenden Lichtbündels nicht senkrecht ist, die Energie in den Teilstrahlen SB1 und SB2 voneinander abweichen, und der Gesamtstrahl TB1 kann asymmetrisch werden, selbst falls die Divergenz des einfallenden Lichtbündels innerhalb der NA der Eingangs-Mikrolinsen verbleibt. Daher kann zumindest in einigen Fällen eine senkrechte Inzidenz bevorzugt sein, jedoch kann in einigen speziellen Fällen eine Fernfeldverteilung, die durch die Inzidenz des einfallenden Lichtbündels gesteuert werden kann, auch Vorteile bieten. $k = 1,1; x = 0,05$
Während Bezug auf 7a-e und insbesondere 7a und 7c im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel bezüglich k=2 genommen wird, was auf andere ganzzahlige Werte von k vergrößert werden kann, kann ein anderes Beispiel die Verwendung von nicht-ganzzahligen Zahlen für den Parameter k sein. Das einfallende Lichtbündel kann eine Divergenz aufweisen, die kleiner als oder gleich der numerischen Apertur der Eingangs-Mikrolinsen ist. Dies kann eine Anordnung ermöglichen, bei der die vergrößerte Mikrolinse P1-E eine Eingangs-Mikrolinse C0 vollständig und einen anderen Teil einer benachbarten zweiten Eingangs-Mikrolinse C1 abdeckt, zum Beispiel ein Zehntel davon auf Basis des Werts von x bzw. von 0,05. Der Versatz wird durch x multipliziert mit p angegeben, wobei x ein Parameter ist, der die Abmessung der Linse beschreibt, normiert mit dem Abstand der Eingangs-Mikrolinse p. Das Ergebnis von xp kann direkt einen absoluten Wert für den Versatz liefern. Dies kann zu einem asymmetrischen Strahl in dem Fernfeld führen. Während 7a die Erzeugung eines Teilstrahls SB0 unter Verwendung eines Optikstrahlformers 10" gemäß einem Ausführungsbeispiel und auf Basis des Abbildungspfads für die Eingangs-Mikrolinse C0 zum Beispiel in einer Draufsicht zeigt, zeigt 7b ein entsprechendes Ausgangs-Intensitätsprofil des Teilstrahls SB0. Während ein Rand 22₁ der Projektionslinse P1-E in 7a mit einem entsprechenden Rand 24₁ der Mikrolinse C0 ausgerichtet sein kann, obwohl er auch fehlausgerichtet sein kann, kann ein gegenüberliegender Rand 22₂ zum Beispiel im Hinblick auf eine Links-Rechts- oder Oben-Unten-Konfiguration mit Bezug auf einen Rand 24₂ gegenüber dem Rand 24₁ oder einen Rand 24s der Mikrolinse C₁ benachbart zur Mikrolinse C0 fehlausgerichtet sein. Unter einer Fehlausrichtung kann man verstehen, dass der Rand 22₂ der optisch aktiven Fläche einer Linse gegenüber liegt, während er einer Randkante der Linse nicht gegenüberliegt. Unter Bezug zum Beispiel auf 5a umfasst die Linse P0 Ränder, die jeweils mit einem gegenüberliegenden Rand von verschiedenen Kondensorlinsen C0 bzw. C1 ausgerichtet sind. Was durch diese Fehlausrichtung beschrieben wird, ist eine Fehlanpassung der Ränder der Mikrolinsen, welche automatisch auftritt, wenn die Ausgangs-Mikrolinsen vergrößert und ein Füllfaktor von 100 % beibehalten werden. Eine durch den Faktor x beschriebene Fehlausrichtung kann einen verschiedenen oder zusätzlichen Versatz der Kondensorlinsen mit Bezug auf die optische Achse beschreiben, was dabei helfen kann, das Array oder eine Elementarzelle davon aufzubauen.
7c zeigt den Abbildungspfad für die Eingangs-Mikrolinse C1 des Optikstrahlformers 10", auch in einer Draufsicht.
7d zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für ein Ausgangs-Intensitätsprofil des Teilstrahls SB1 von 7c darstellt.
7e zeigt eine schematische Darstellung eines Intensitätsprofils des resultierenden Gesamtstrahls TB1, der durch Überlagern der Teilstrahlen SB0 und SB1 von 7b und 7d gebildet wird.
Es wind angemerkt, dass 6a-7e nur zwei mögliche Beispiele für die Vergrößerung der Ausgangs-Mikrolinse und den Ausrichtungsfaktor x zeigen. Jedoch ist eine Vielzahl von Kombinationen von K und X möglich und kann von der Zielverteilung abhängen. Ein Winkelmaß des einen oder des anderen Teilstrahls, zum Beispiel SB0 und/oder SB1 in 7a-e, kann von einer seitlichen Abmessung der Eingangs-Mikrolinsen und der Brennweite der Ausgangs-Mikrolinsen abhängen. Somit kann, falls das Eingangs-MLA regelmäßig ist, und die Brennweite der vergrößerten Mikrolinsen aufgrund der Vergrößerung gleich bleibt, das Winkelmaß des Teilstrahls fest gehalten werden.
Zum Beispiel kann das Projektionslinsenarray P eine oder mehrere Zylinderlinsen umfassen. Die Ausführungsbeispiele sind jedoch nicht auf eine Zylinderlinsen-Konfiguration beschränkt und können andere Typen von Linsen umfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein anamorphes Profil, zum Beispiel asphärische Zylinder- oder freie Formen, bevorzugt sein, jedoch ist dies keine obligatorische Implementierung. Alternativ oder zusätzlich können gegenüberliegende Kondensorlinsen auch als Zylinderlinse ausgebildet sein, zum Beispiel führt eine Vergrößerung der Projektionslinsen im Vergleich mit den Kondensorlinsen zu einer verschiedenen Zylinderhöhe über einem gleichen Zylinderdurchmesser, obwohl auch der Durchmesser variieren kann.
Bezüglich der Konfigurationen der hierin beschriebenen Optikstrahlformer ist es eine mögliche Konfiguration, eine optische Mitte einer Projektorlinse von den mehreren Projektorlinsen vorzusehen, die mit der optischen Mitte einer Kondensorlinse ausgerichtet und entlang zumindest einer seitlichen Richtung der Projektorlinse und der Kondensorlinse eine Abmessung hat, die größer ist als die Abmessung der Kondensorlinse. Eine derartige Konfiguration ist zum Beispiel in 6a gezeigt. Zum Beispiel kann die Abmessung der Projektorlinse innerhalb eines Toleranzbereichs eines ganzzahligen Vielfachen der Abmessung der Kondensorlinse liegen, zum Beispiel zweifach, dreifach oder dergleichen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die optische Mitte der Projektorlinse der Mehrzahl von Projektorlinsen entlang einer Versatzrichtung versetzt. Zum Beispiel kann gemäß 2 ein Versatz entlang Richtung X implementiert werden. Der Versatz kann durch den Parameter x dargestellt werden, wie weiter oben beschrieben und zum Beispiel in 7a dargestellt. Die Projektorlinse kann entlang zumindest einer seitlichen Richtung der Projektorlinse, zum Beispiel X und/oder Y, eine Abmessung haben, die größer ist als die Abmessung der Kondensorlinse. Der Versatz ist weniger als die Hälfte der Erstreckung der Kondensorlinse entlang der Versatzrichtung, d.h. x < 0,5. Zum Beispiel ist die Projektionslinse des Projektionslinsenarrays eine Linse, die sich zumindest zwei oder zumindest drei Kondensorlinsen teilen.
Für beide Konfigurationen ist eine ausgerichtete oder eine versetzte optische Mitte einer Projektionslinse bezüglich der gegenüberliegenden Kondensor-Mikrolinse, ein Vergrößerungsfaktor k, der eine zumindest lokale Vergrößerung der Abmessung einer Projektionslinse entlang einer oder zwei Richtungen x und/oder y im Vergleich mit einer Licht für die Projektionslinse bereitstellenden Kondensorlinse beschreibt, und/oder der die Vergrößerung der numerischen Apertur der Projektionslinse im Vergleich mit der Kondensorlinse beschreibt, für verschiedene Abschnitte des Projektionslinsenarrays gleich und ist ein ganzzahliger Wert oder ein nicht-ganzzahliger Wert.
Die Ausführungsbeispiele sehen eine kompakte und höchst wirksame mikro-optische Strahlformung von beliebigen komplexen Intensitäts-Fernfeldverteilungen vor, ohne dass absorbierende oder streuende Elemente erfordert und/oder verwendet werden, die nahezu reguläre Mikrolinsenarrays einsetzen. Bei Betrachtung des Effekts der Vergrößerung der Mikrolinse für das vollständige MLA werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf eine Definition einer Elementarzelle (EZ) beschrieben, die für die Erläuterung der Vergrößerung der Ausgangs-Mikrolinse für das vollständige Array verwendet wird. Die EZ kann einen bestimmten Satz der Eingangs- und Ausgangs-Mikrolinsen bilden, die die folgenden Kriterien erfüllen:

• Sie können identisch kopiert werden;
• Die Kopie der EZ stellt einen Füllfaktor von 100 % über das gesamte MLA sicher;
• Die EZ liefert ein Ziel- oder ein diskretisiertes Ziel-Intensitätsprofil des Strahls in dem Fernfeld.

Im Fall eines regulären MLAs kann die eine EZ ein Paar einer Eingangs- und Ausgangs-Mikrolinse sein. Im Fall des SEM-Verfahrens hat die EZ eine andere Struktur, abhängig vom k-Faktor.
8a zeigt eine schematische Vorderansicht einer Elementarzelle EZ zum Bilden eines Teils eines Optikstrahlformers 10''' gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der gleiche oder verschiedene EZ in hohen Zahlen von zumindest 2, 3, 5, oder 10 oder mehr vorgesehen sind. 8a ist eine Zeichnung, die auf das Projektionslinsenarray P hin gerichtet ist, wobei das Kondensorlinsenarray C in gepunkteten Linien dargestellt ist.
In dem dargestellten Beispiel teilen sich sieben Kondensorlinsen C0 bis C6 fünf Projektionslinsen P0 bis P4, während die Kondensorlinsenarrays C und P beziehungsweise die jeweiligen Abschnitte eines Gesamt-Arrays mit Bezug aufeinander kongruent sind. Mit gleich großen Kondensorlinsen, einerseits, und gleich großen Projektionslinsen, andererseits, kann sich ein Vergrößerungsfaktor von 7/5 = 1,4 = k ergeben. In einer Mitte, zum Beispiel Projektionslinse P2 und Kondensorlinse C3, können die jeweiligen optischen Mitten 26₃ der Kondensorlinse C3 und 28₂ der Projektionslinse P2 überlappen oder auf einer gleichen optischen Achse angeordnet sein. Von einer derartigen Mitte kann, bei Zunahme oder Abnahme entlang der Erstreckungsrichtung x, die optische Mitte 26 von einer jeweiligen optischen Mitte 28 versetzt sein. Der Optikstrahlformer 10''' kann, zusammen mit anderen Teilen, einen Teil des gesamten Optikstrahlformers bilden. Der Vergrößerungsfaktor k ist, wie in 8a gezeigt, für verschiedene Abschnitte der Projektionslinsenarrays P0 bis P5 gleich. Jedoch kann der Faktor K auch variieren, was dazu führt, dass der Vergrößerungsfaktor k für verschiedene Abschnitte der Projektionslinsenarrays verschieden ist.
Jedoch ist in 8a gezeigt, dass die Position der Vertices 26 der Eingangs-Mikrolinsen mit Bezug auf die Position der Aperturmitten 28 der Ausgangs-Mikrolinsen variieren oder nicht konstant sein kann, was zu einer komplexeren Struktur der Elementarzelle EZ führen kann.
8a zeigt eine einfache Realisierung der EZ mit k = 1,4, angewendet auf die Ausgangs-Mikrolinsen. Die Symbole „+“ stellen die Vertices 26 der Eingangs-Mikrolinsen C, und die Symbole „x“ stellen die Vertices 28 der vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen dar. 8a zeigt somit in einer Vorderansicht ein System mit einem regulären Eingangs-MLA in gestrichelten Linien und einem Ausgangs-MLA mit vergrößerten Mikrolinsen in durchgehenden Linien, dargestellt durch C bzw. P und für einen Vergrößerungsfaktor k = 1,4.
Der Vergrößerungsfaktor k = 1,4 ist nur als anschauliches Beispiel angenommen. Es wind angemerkt, dass ein anderer Wert von K ohne Einschränkung implementiert werden kann. Es wird weiterhin angemerkt, dass ein Gesamt-Optikstrahlformer mehr als eine Elementarzelle umfassen kann, und mehr als eine Elementarzelle kann jeweils einen konstanten Vergrößerungsfaktor haben, der über verschiedene Elementarzellen gleich oder verschieden sein kann. Alternativ oder zusätzlich können Elementarzellen mit variierenden Vergrößerungsfaktoren miteinander kombiniert werden, wobei die Variation im Vergleich für verschiedene Elementarzellen gleich oder verschieden sein kann.
In diesem Fall kann die Position der Aperturmitten der vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen in der folgenden Weise beschrieben werden: $B_{j} = B_{j - 1} + k p$
wobei:
j∈N (1, 2, 3, ..., m) die Nummer der bestimmten Ausgangs-Mikrolinse ist.
Dann ist die zu erfüllende Bedingung für die EZ (die Bedingungen beider Gleichungen (8) und (9) müssen erfüllt werden): $B_{j} + \frac{1}{2} k p = A_{i} + \frac{1}{2} p$
und $- \frac{1}{2} k p = - A_{0} - \frac{1}{2} p$
Das heißt, die Gesamterstreckung der Ausgangs-Mikrolinsen in der EZ kann so exakt gleich wie möglich der Gesamterstreckung der Eingangs-Mikrolinsen in der EZ sein. Jedoch sind innerhalb eines Toleranzbereichs von einigen Prozent die Ausführungsbeispiele dennoch funktionsfähig.
8b-c zeigen ein Beispiel für eine Intensitätsverteilung des Strahls, der mit der in 8a gezeigten EZ gebildet wird. Das einfallende Lichtbündel hat eine Divergenz, die kleiner oder gleich der numerischen Apertur der Eingangs-Mikrolinsen ist.
Wie man in 8b und 8c sehen kann, kann eine glatte Intensitätsverteilung mit der Elementarzelle von 8a gebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Projektionslinsenarray eine Mehrzahl von Abschnittes des Projektionslinsenarrays, wobei jeder Abschnitt des Projektionslinsenarrays eine oder mehrere Projektionslinsen aufweist und einem zugeordneten Abschnitt des Kondensorlinsenarrays mit einer oder mehreren Kondensorlinsen gegenüberliegt. Der Vergrößerungsfaktor k, der die Vergrößerung der Abmessung einer Projektionslinse im Vergleich mit einer Licht für die Projektionslinse bereitstellenden Kondensorlinse beschreibt, und/oder der die Vergrößerung der numerischen Apertur der Projektionslinse im Vergleich mit der Kondensorlinse beschreibt, kann zwischen verschiedenen Abschnitten des Projektionslinsenarrays variieren.
Ein Beispiel für eine derartige Variation ist in 9a gezeigt, wo eine schematische Vorderansicht einer Elementarzelle für einen Optikstrahlformer 10'''' gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Dabei steht die Anzahl von vier Projektionslinsen P0 bis P3 der Anzahl von fünf Kondensorlinsen C0 bis C4 gegenüber, wobei die Anzahl von Projektionslinsen und/oder die Anzahl von Kondensorlinsen von dem dargestellten Beispiel abweichen kann, ohne von den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen abzugehen. Der Vergrößerungsfaktor k stellt eine Vergrößerung der jeweiligen Projektionslinse entlang Richtung x in einer ähnlichen Weise wie in 8a dar, wobei die Richtung alternativ oder zusätzlich eine y-Richtung sein kann. Es wind angemerkt, dass die Vergrößerung entlang zwei verschiedenen Richtungen x und y unterschiedlich und unabhängig voneinander implementiert werden kann, ohne Berücksichtigung eines konstanten oder variierenden Faktors k.
Während die Kondensor-Mikrolinsen C0 bis C4 eine konstante Abmessung entlang y, einerseits, und entlang x, andererseits, haben können, können die Projektionslinsen P0 bis P3 eine gleiche oder identische Abmessung entlang Richtung y im Vergleich miteinander und im Vergleich mit den Kondensorlinsen aufweisen. Weiterhin können die Projektionslinsen P0 bis P3 eine abweichende Erstreckung entlang Richtung X im Vergleich mit den Kondensorlinsen C1 bis C4 einerseits und auch im Vergleich mit anderen Projektionslinsen in dem Optikstrahlformer bzw. der dargestellten Elementarzelle aufweisen. Zum Beispiel kann der Vergrößerungsfaktor k entlang einer seitlichen Richtung, zum Beispiel X, des Projektionslinsenarrays P variieren. Diese Variation kann einer Gradientenfunktion entsprechen, die die Werte des Vergrößerungsfaktors darstellt. Möglicherweise, aber nicht notwendigerweise, kann der Gradient ein linearer Gradient sein. Zum Beispiel kann der Vergrößerungsfaktor entlang der seitlichen Richtung des Projektionslinsenarrays gemäß einer Chirp-Funktion variieren, die zum Beispiel durch die Vergrößerungsfaktoren k = 1,1, k = 1,2, k = 1,3 und k = 1,4 für verschiedene Projektionslinsen P0 bis P3 entlang Richtung x dargestellt wird, wie in 9a gezeigt.
In dem Optikstrahlformer kann der Vergrößerungsfaktor k entlang nur einer Richtung variieren oder kann entlang beiden Richtungen variieren, wenn eine Variation von k implementiert wird. Zum Beispiel kann der Vergrößerungsfaktor entlang einer ersten seitlichen Richtung des Projektionslinsenarrays variieren und kann innerhalb eines Toleranzbereichs entlang einer zweiten senkrechten Richtung des Projektionslinsenarrays konstant sein. Alternativ kann der Vergrößerungsfaktor k entlang der ersten seitlichen Richtung und entlang der zweiten seitlichen Richtung des Projektionslinsenarrays, zum Beispiel x und y, variieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Vergrößerungsfaktor ausschließlich einen nicht-ganzzahligen Wert oder einen nicht-ganzzahligen rationalen Wert beschreiben. Das heißt, ohne Berücksichtigung, ob konstante oder variierende Werte verwendet werden, zum Beispiel beim Implementieren eines Chirps, können nicht-ganzzahlige Werte oder nicht-ganzzahlige rationale Werte verwendet werden, was eine geringe Menge von Störsignalen in dem projizierten Licht erlaubt.
Eine bevorzugte Konfiguration ist die Verwendung von mehr als einem rationalen Wert des Faktors k über das gesamte MLA mit einem linearen Gradienteninkrement des nicht-ganzzahligen Werts von k. In diesem Fall kann eine Möglichkeit der EZ zumindest nahe zu einem Füllfaktor von 100 % garantiert werden, während Abweichungen davon, zum Beispiel höchstens 10 %, höchstens 7 % oder höchstens 5 %, immer noch möglich sind. Daher können irrationale Werte für derartige Ausführungsbeispiele weniger bevorzugt sein. Sobald die EZ, die für ein gewünschtes Intensitätsprofil im Fernfeld sorgt, erzielt ist, kann sie identisch über den Rest des Bereichs des MLAs kopiert werden. Eine zweite Option ist eine Verwendung von ganzzahligen Werten für k. In diesem Fall ist die Ausrichtung X bevorzugt gleich null für gerade Werte von k und gleich 0,5 für ungerade Werte von k. Zum Beispiel kann ein k=0 in x=0,5 resultieren, und k=2 kann in x=0 resultieren und dergleichen. Eine mögliche Einschränkung für die Werte des Parameters k kann auf der numerischen Apertur der Eingangs-Mikrolinsen beruhen oder davon abhängen. Für Systeme mit einer numerischen Apertur von ungefähr 0,01, ..., 0,2 kann ein bevorzugter Maximalwert für k in einem Bereich von ungefähr zumindest 3 bis höchstens 7 liegen. Jedoch können abhängig von konkreten Anforderungen der Anwendung auch größere Faktoren möglich sein, vorausgesetzt, dass zusätzliche Bemühungen für die Aberration und Hauptstrahlwinkelkorrektur berücksichtigt oder die resultierenden Effekte toleriert werden.
Mit anderen Worten, 9a stellt eine Verwendung eines Chirp-artigen rationalen nicht-ganzzahligen k-Faktors dar. Mehr als nur ein einzelner Wert für den k-Faktor kann in einem Array verwendet werden. Ein hoher Grad von Gestaltungsfreiheit kann beim Implementieren eines Satzes von nicht-ganzzahligen k-Faktoren mit einem bestimmten Inkrement, zum Beispiel 0,05, 0,1, 0,15, oder einem anderen nicht-ganzzahligen Inkrement erzielt werden. Je kleiner das Inkrement des k-Faktors über das gesamte MLA ist, desto glatter kann das resultierende Intensitätsprofil sein, wie in 9b und 9c gezeigt. Wie in dem Fall von nur einem einzelnen nicht-ganzzahligen k, siehe zum Beispiel 8a, kann die Position der Vertices 26 der Eingangs-Mikrolinsen C0 bis C4 bezüglich der Position der Aperturmitten 28 der Ausgangs-Mikrolinsen 28 nicht konstant sein, wenn auf einen Füllfaktor von fast 100 % abgezielt wird.
9a zeigt ein Beispiel für ein MLA mit dem Bereich von K = [1,1, 1,2, ..., 1,4], wobei K = f(j) ein Chirp-artiges Array ist, wobei f(j) die Gradientenfunktion beschreibt. Der Faktor k kann in der horizontalen Richtung x, wie in 9a gezeigt, und/oder in der vertikalen Richtung y variieren.
Das System mit einem regulären Eingangs-MLA, wie durch gestrichelte Linien gezeigt, und einem Ausgangs-MLA mit vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen, wie in durchgehenden Linien gezeigt, kann eine Position der Aperturmitten 28 der vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen betreffen, die wie folgt beschrieben werden kann: $B_{j} = B_{j - 1} + \frac{1}{2} (k_{j} p + k_{j - 1} p)$
wobei:
j∈N (1, 2, 3, ..., m)
Dann ist die zu erfüllende Bedingung für die EZ: $B_{j} + \frac{1}{2} k_{j} p = A_{i} + \frac{1}{2} p$
und $- \frac{1}{2} k_{0} p = - A_{0} - \frac{1}{2} p$
Das heißt, die Gesamterstreckung der Ausgangs-Mikrolinsen in der EZ kann exakt gleich der Gesamterstreckung der Eingangs-Mikrolinsen in der EZ sein, d. h. sie können zueinander kongruent sein. Wie in 9a gezeigt, kann wegen des nicht konstanten Werts des Faktors k die Elementarzelle eine asymmetrische Struktur aufweisen, die für ein asymmetrisches Intensitätsprofil des Strahls im Fernfeld sorgen kann, wie in 9b und insbesondere in 9c gezeigt, wobei die Werte für positive x-Koordinaten sich von den Werten für negative x-Koordinaten unterscheiden. 9b und 9c zeigen einen resultierenden asymmetrischen Strahl im Fernfeld und sein durch die Elementarzelle von 9a aufgebautes Intensitätsprofil. Um eine gute oder sogar perfekte symmetrische Verteilung zu erzielen, kann eine derartige asymmetrische Elementarzelle von 9a mit einer anderen Elementarzelle kombiniert werden, zum Beispiel um eine Anordnung von zwei gespiegelten asymmetrischen Elementarzellen zu erreichen, wie in 10a gezeigt.
In 10a ist bezüglich einer Mittenachse 32 die Elementarzelle 10'''' von 9a als Elementarzelle 10₁'''' ausgebildet und ist mit einer gespiegelten Version 10₂'''' kombiniert. Das heißt, das Projektionslinsenarray kann mehrere gleich ausgebildete Elementarzellen umfassen, wobei jede Elementarzelle mehrere Projektionslinsen P umfassen kann. Die Elementarzelle kann asymmetrisch entlang einer ersten und/oder einer zweiten seitlichen Richtung ausgebildet sein oder kann asymmetrisch entlang der ersten und zweiten seitlichen Richtung ausgebildet sein. In 10a ist als Beispiel eine symmetrische EZ mit den Werten k = [1,1, 1,2, ..., 1,4] in einer Vorderansicht gezeigt. Die mit einer derartigen symmetrischen Elementarzelle aufgebaute Intensitätsverteilung kann auch symmetrisch sein, wie in 10b und 10c gezeigt, wo ein symmetrisches Intensitätsprofil des mit der in 10a gezeigten Elementarzelle aufgebauten Strahls dargestellt ist. Je mehr Mikrolinsen mit verschiedenen Werten für den Parameter K in der EZ verwendet werden, desto glattere und komplexere Intensitätsprofile können erhalten werden. Im Fall von noch unterscheidbaren Intensitätssprüngen des glatten Profils kann eine leichte Defokussierung der Ausgangs-Mikrolinsen, d. h. eine kleine Änderung ihrer Brennweite, implementiert werden, um die Sprünge zu glätten.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen einen Optikstrahlformer und einen Projektor mit einem derartigen Optikstrahlformer. Die Ausführungsbeispiele betreffen weiterhin einen Fernlichtscheinwerfer, zum Beispiel für ein Fahrzeug, der einen derartigen Optikstrahlformer und/oder einen derartigen Projektor umfasst. Die Ausführungsbeispiele betreffen weiterhin ein Fahrzeug mit einem derartigen Fernlichtscheinwerfer, da das Intensitätsprofil zum Definieren des Fernfelds eines derartigen Frontscheinwerfers geeignet sein kann.
Zumindest einige diskutierte Ausführungsbeispiele beruhen auf Überlegungen für eine achsnahe Annäherung. In einem reellen optischen System können die Mikrolinsen ein Profil oder Profile mit einem endlichen Krümmungsradius (oder endlichen Krümmungsradien) aufweisen, was zu Aberrationen führen kann. Die Menge der Aberrationen und ihre Problematik hängen von der NA der Mikrolinsen ab. Ein bevorzugtes Profil der vergrößerten Mikrolinsen ist sphärisch oder asphärisch. Jedoch können sie in einigen Fällen für eine zusätzliche Korrektur von Aberrationen und kanalweisen Abweichungen des Hauptstrahlwinkels ein anamorphes Profil aufweisen, zum Beispiel asphärische Zylinder- oder freie Formen. Die Brennweite der vergrößerten Mikrolinsen kann für die numerische Apertur NA gleich bleiben, bevorzugt weniger als 5 Millimeter. Jedoch kann in bestimmten Fällen eine gewisse bewusste Defokussierung dieser Mikrolinsen möglich sein, zum Beispiel eine leichte Brennweitenänderung.
Ausführungsbeispiele erlauben es, eine glatte oder treppenartige Verteilung eines Intensitätsprofils mit weniger Aufwand und unter Verwendung eines einfacher strukturierten MLAs im Vergleich mit dem iFEC-Verfahren zu erhalten, da das Kondensorarray vollständig regulär sein kann, was einen Vorteil gegenüber dem iFEC-Verfahren darstellt. Alternativ oder zusätzlich können beliebige vollständige symmetrische oder asymmetrische Intensitätsprofile möglich sein, was einen Vorteil gegenüber einfachen Diffusoren darstellt. Alternativ oder zusätzlich kann ein vollständig maskenloses MLA erhalten werden, wobei die Projektionsqualität beibehalten wird, was einen Vorteil gegenüber einem Array-Projektor AP darstellt. Die Ausführungsbeispiele erlauben jedoch Kombinationen von „Standard“-Ausgangs-MLAs mit dem SEM-Verfahren, um mehr Gestaltungsfreiheit zu liefern, zum Beispiel durch Implementieren einer halb-dynamischen Verteilung.
Ausführungsbeispiele können zum Beispiel in einer Automobil-Frontbeleuchtung, zum Beispiel mit adaptiver halb-dynamischer oder vollständig dynamischer Strahlgestaltung, einem umschaltbaren oder statischen Strahler, einer dynamischen oder statischen komplexen Straßenbeleuchtung und/oder in Verbindung mit einer dynamischen 2D-Beleuchtung mit adaptiver Funktion und großflächigen Sichtfeldern verwendet werden.
Einige Aspekte der vorliegenden Erfindung können wie folgt formuliert werden:

1. Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer zum Erzeugen eines Ausgangs-Lichtstrahls mit komplexem Intensitätsprofil in dem Fernfeld, bestehend aus:
- - einem Eingangs-Mikrolinsenarray für den Empfang des einfallenden Lichtbündels, bestehend aus mehreren identischen Eingangs-Mikrolinsen, die eine zusätzliche seitliche Verlagerung x mit Bezug auf die globale optische Achse des Systems aufweisen;
und
- - einem Ausgangs-Mikrolinsenarray, bestehend aus mehreren Ausgangs-Mikrolinsen, die eine um einen bestimmten Satz von Faktoren k vergrößerte Abmessung aufweisen, verglichen mit der Abmessung der Eingangs-Mikrolinsen, wobei die Werte der k-Faktoren nicht-ganzzahlige Zahlen sind, die für verschiedene Ausgangs-Mikrolinsen unterschiedlich sind.
2. Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß Aspekt 1, wobei der oder die k-Faktoren nicht-ganzzahlige rationale Werte sind.
- - Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 bis 2, wobei mehr als ein nicht-ganzzahliger rationaler k-Faktor bei verschiedenen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und der entsprechende x Faktor, der einen Füllfaktor von 100 % sicherstellt, bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird.
- - Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 bis 2, wobei mehr als ein nicht-ganzzahliger rationaler k-Faktor bei verschiedenen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und der entsprechende x Faktor, der einen Füllfaktor von 100 % sicherstellt, bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, und die k-Faktoren ein Inkrement nur in horizontaler Richtung haben, was eine ein-dimensionale horizontale Elementarzelle bildet.
- - Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 bis 2, wobei mehr als ein nicht-ganzzahliger rationaler k-Faktor bei verschiedenen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und der entsprechende x Faktor, der einen Füllfaktor von 100 % sicherstellt, bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, und die k-Faktoren ein Inkrement nur in vertikaler Richtung haben, was eine ein-dimensionale vertikale Elementarzelle bildet.
- - Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 bis 2, wobei mehr als ein nicht-ganzzahliger rationaler k-Faktor bei verschiedenen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und der entsprechende x Faktor, der einen Füllfaktor von 100 % sicherstellt, bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, und die k-Faktoren ein Inkrement in beiden Richtungen haben, was eine zwei-dimensionale Elementarzelle bildet.
3. Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 bis 2, wobei nur ein nicht-ganzzahliges rationales k bei allen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und der entsprechende x Faktor, der einen Füllfaktor von 100 % sicherstellt, bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird.
4. Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß Aspekt 1, wobei die k-Faktoren ganzzahlige Werte sind.
- - Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 und 4, wobei mehr als ein ganzzahliges k bei verschiedenen Ausgangs-Mikrolinsen und x = 0,5 bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, die durch die vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen mit ungeraden Werten von k abgedeckt sind, und x = 0 bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, die durch die vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen mit geraden Werten von k abgedeckt sind.
- - Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 und 4, wobei mehr als ein ganzzahliges k bei verschiedenen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und x = 0,5 bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, die durch die vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen mit ungeraden Werten von k abgedeckt sind, und x = 0 bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, die durch die vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen mit geraden Werten von k abgedeckt sind, und die k-Faktoren nur in der horizontalen Richtung variieren, was eine horizontale ein-dimensionale Elementarzelle bildet.
- - Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 und 4, wobei mehr als ein ganzzahliges k bei verschiedenen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und x = 0,5 bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, die durch die vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen mit ungeraden Werten von k abgedeckt sind, und x = 0 bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, die durch die vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen mit geraden Werten von k abgedeckt sind, und die k-Faktoren nur in der vertikalen Richtung variieren, was eine vertikale ein-dimensionale Elementarzelle bildet.
- - Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten 1 und 4, wobei mehr als ein ganzzahliges k bei verschiedenen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und x = 0,5 bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, die durch die vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen mit ungeraden Werten von k abgedeckt sind, und x = 0 bei den Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird, die durch die vergrößerten Ausgangs-Mikrolinsen mit geraden Werten von k abgedeckt sind, und die k-Faktoren in beiden Richtungen variieren, was eine zwei-dimensionale Elementarzelle bildet.
5. Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten, wobei nur ein ungerades ganzzahliges k bei allen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und x = 0,5 bei allen Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird.
6. Doppelseitiger Mikro-Optikstrahlformer gemäß den Aspekten, wobei nur ein gerades ganzzahliges k bei allen Ausgangs-Mikrolinsen angewendet wird, und x = 0 bei allen Eingangs-Mikrolinsen angewendet wird.

11 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 1100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die zum Beispiel zum Bereitstellen eines Optikstrahlformers gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Ein Schritt 1110 umfasst ein Bereitstellen eines Kondensorlinsenarrays, das eine erste Mehrzahl von Kondensorlinsen aufweist, wobei die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen zum Empfangen eines einfallenden Strahls ausgebildet sind.
Ein Schritt 1120 umfasst ein Bereitstellen eines Projektionslinsenarrays, das eine zweite Mehrzahl von Kondensorlinsen aufweist, die zum Empfangen von Licht von dem Kondensorlinsenarray und zum Abstrahlen des austretenden Lichtstrahls ausgebildet sind. Das Verfahren 1100 wird derart ausgeführt, dass die Anzahl der mehreren ersten Kondensorlinsen größer ist als die Anzahl der mehreren zweiten Projektionslinsen, und derart, dass ein Rand einer Projektionslinse bezüglich einer gegenüberliegenden Kondensorlinse versetzt oder fehlausgerichtet ist, und derart, dass der Optikstrahlformer zum Erzeugen eines austretenden Lichtstrahls aus einem einfallenden Lichtstrahl geeignet ist.
12 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 1200 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die zur Projektion von einfallendem Licht verwendet werden kann. Ein Schritt 1210 umfasst die Beaufschlagung eines mehrere Kondensorlinsen aufweisenden Kondensorlinsenarrays mit einem Strahl von einfallendem Licht, um das einfallende Licht auf ein Projektionslinsenarray mit einer geringeren Anzahl von Projektionslinsen im Vergleich mit der Anzahl von Kondensorlinsen zu richten, wobei ein Rand einer Projektionslinse bezüglich einer gegenüberliegenden Kondensorlinse versetzt oder fehlausgerichtet ist. Ein Schritt 1220 umfasst das Projizieren von Licht, das von dem Projektionslinsenarray auf eine Projektionsfläche emittiert wird.
Obwohl einige Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben worden sind, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entsprechen. In analoger Weise stellen im Kontext eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Gegenstands oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich als die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichend anzusehen. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten für Fachpersonen auf diesem Gebiet selbstverständlich sind. Es ist somit beabsichtigt, nur durch den Schutzbereich der angehängten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten in der Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin beschränkt zu werden.
Abkürzungen:

MLA: Mikrolinsenarray;
SEM: Mikrolinse mit gemeinsamem Ausgang;
FEC: Wabenkondensor;
iFEC: irregulärer Wabenkondensor;
AP: Arrayprojektor;
EZ: Elementarzelle

Literatur:

[1] M. Sieler, P. Schreiber, P. Dannberg, A. Bräuer and A. Tünnermann, „Ultraslim fixed pattern projectors with inherent homogenization of illumination," Applied optics, vol. 51, S. 64-74, 2012.
[2] Li et. al., „Optical beam former“, US 11,327,325 B2 .
[3] P. Schreiber, L. M. Wilhelm, „Light shaping with micro-optical irregular fly's eye condensers,“ Proc. SPIE 12078, International Optical Design Conference 2021.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 11327325 B2 [0100]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Sieler, P. Schreiber, P. Dannberg, A. Bräuer and A. Tünnermann, „Ultraslim fixed pattern projectors with inherent homogenization of illumination,“ Applied optics, vol. 51, S. 64-74 [0100]

Claims

Optikstrahlformer zum Erzeugen eines austretenden Lichtstrahls (14) aus einem einfallenden Lichtstrahl (12), wobei der Optikstrahlformer folgende Merkmale aufweist: ein Kondensorlinsenarray (C), das eine erste Mehrzahl von Kondensorlinsen (C0-C6) aufweist, wobei die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen (C0-C6) zum Empfangen des einfallenden Lichtstrahls (12) ausgebildet sind; und ein Projektionslinsenarray (P), das eine zweite Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) aufweist, die zum Empfangen von Licht von dem Kondensorlinsenarray (C) und zum Abstrahlen des austretenden Lichtstrahls (14) ausgebildet sind, wobei eine Anzahl der ersten Mehrzahl von Kondensorlinsen (C0-C6) größer als eine Anzahl der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) ist; wobei ein Rand einer Projektionslinse mit Bezug auf eine gegenüberliegende Kondensorlinse versetzt oder fehlausgerichtet ist.
Optikstrahlformer gemäß Anspruch 1, wobei das Kondensorlinsenarray (C) und das Projektionslinsenarray (P) kongruent miteinander sind.
Optikstrahlformer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eine Projektionslinse (P0) des Projektionslinsenarrays (P) eine Linse ist, die sich zumindest zwei Kondensorlinsen (C0, C1) teilen.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein erster Füllfaktor der Kondensorlinsen in dem Kondensorlinsenarray (C) zumindest 90 % beträgt; und/oder wobei ein zweiter Füllfaktor der Projektionslinsen in dem Projektionslinsenarray (P) zumindest 90 % beträgt.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine erste Grundfläche der ersten Mehrzahl von Kondensorlinsen (C0-C6) kongruent mit Bezug aufeinander ist; und wobei eine zweite Grundfläche der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) kongruent mit Bezug aufeinander ist; wobei die zweite Grundfläche im Vergleich mit der ersten Grundfläche größer ist.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen (C0-C6) innerhalb eines Toleranzbereichs eine gleiche erste Brennweite aufweisen, und wobei die zweite Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) an der ersten Brennweite der ersten Vielzahl von Kondensorlinsen (C0-C6) angeordnet sind; und/oder wobei die zweite Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) innerhalb eines Toleranzbereichs eine gleiche zweite Brennweite aufweisen, und wobei die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen (C0-C6) an der zweiten Brennweite der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) angeordnet sind.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine zweite numerische Apertur (NA) zumindest einer Projektionslinse der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) größer als eine erste numerische Apertur (NA) einer Kondensorlinse der ersten Mehrzahl von Kondensorlinsen (C0-C6) ist.
Optikstrahlformer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein optischer Mittelpunkt (28₂) einer Projektionslinse (P2) der Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) mit einem optischen Mittelpunkt (26₃) einer Kondensorlinse (C3) ausgerichtet ist und entlang zumindest einer seitlichen Richtung (x) der Projektionslinse (P2) und der Kondensorlinse (C3) eine Abmessung aufweist, die größer als die Abmessung der Kondensorlinse (C3) ist.
Optikstrahlformer gemäß Anspruch 8, wobei die Abmessung der Projektionslinse (P2) innerhalb eines Toleranzbereichs ein ganzzahliges Vielfaches der Abmessung der Kondensorlinse (C3) ist.
Optikstrahlformer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der optische Mittelpunkt (B₀; 28₀) einer Projektionslinse (P0) der Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) entlang einer Versatzrichtung (x) mit Bezug auf den optischen Mittelpunkt (A0; 26₀) einer Kondensorlinse (C0) versetzt ist, wobei die Projektionslinse (P0) entlang zumindest einer seitlichen Richtung (x) der Projektionslinse (P0) und der Kondensorlinse (C0) eine Abmessung aufweist, die größer ist als die Abmessung der Kondensorlinse; wobei der Versatz (Δx) weniger als die Hälfte der Erstreckung der Kondensorlinse (C0) entlang der Versatzrichtung (x) beträgt.
Optikstrahlformer gemäß Anspruch 10, wobei die Projektionslinse (P0) des Projektionslinsenarrays (P) eine Linse ist, die sich zumindest zwei Kondensorlinsen (C0, C1) teilen.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Vergrößerungsfaktor (k), der eine zumindest lokale Vergrößerung der Abmessung einer Projektionslinse im Vergleich mit einer Licht für die Projektionslinse bereitstellenden Kondensorlinse beschreibt und/oder eine Vergrößerung einer numerischen Apertur (NA) der Projektionslinse im Vergleich mit dem Kondensor beschreibt, für verschiedene Abschnitte des Projektionslinsenarrays gleich und ein ganzzahliger Wert oder ein nicht-ganzzahliger Wert ist.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Projektionslinsenarray (P) eine Mehrzahl von Abschnitten des Projektionslinsenarrays aufweist, wobei jeder Abschnitt des Projektionslinsenarrays einem zugeordneten Abschnitt des Kondensorlinsenarrays (C) gegenüberliegt; wobei der Vergrößerungsfaktor (k), der die Vergrößerung der Abmessung einer Projektionslinse im Vergleich mit einer Licht für die Projektionslinse bereitstellenden Kondensorlinse beschreibt, und/oder der die Vergrößerung der numerischen Apertur (NA) der Projektionslinse im Vergleich mit der Kondensorlinse beschreibt, für verschiedene Abschnitte des Projektionslinsenarrays gleich ist.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Projektionslinsenarray (P) eine Mehrzahl von Abschnitten des Projektionslinsenarrays aufweist, wobei jeder Abschnitt des Projektionslinsenarrays einem zugeordneten Abschnitt des Kondensorlinsenarrays (C) gegenüberliegt; wobei der Vergrößerungsfaktor (k), der die Vergrößerung der Abmessung einer Projektionslinse im Vergleich mit einer Licht für die Projektionslinse bereitstellenden Kondensorlinse beschreibt, und/oder der die Vergrößerung der numerischen Apertur (NA) der Projektionslinse im Vergleich mit der Kondensorlinse beschreibt, zwischen verschiedenen Abschnitten des Projektionslinsenarrays variiert.
Optikstrahlformer gemäß Anspruch 14, wobei der Vergrößerungsfaktor (k) entlang einer seitlichen Richtung des Projektionslinsenarrays (P) gemäß einer Gradientenfunktion variiert, welche die Werte des Vergrößerungsfaktors darstellt.
Optikstrahlformer gemäß Anspruch 15, wobei der Gradient ein linearer Gradient ist.
Optikstrahlformer gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Vergrößerungsfaktor (k) entlang einer ersten seitlichen Richtung (x) des Projektionslinsenarrays (P) variiert und mit einem Toleranzbereich entlang einer zweiten senkrechten Richtung (y) des Projektionslinsenarrays (P) konstant ist.
Optikstrahlformer gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Vergrößerungsfaktor (k) entlang einer ersten seitlichen Richtung (x) und entlang einer zweiten senkrechten seitlichen Richtung des Projektionslinsenarrays (P) variiert.
Optikstrahlformer gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Vergrößerungsfaktor entlang einer seitlichen Richtung des Projektionslinsenarrays (P) gemäß einer Chirp-Funktion variiert.
Optikstrahlformer gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei der Vergrößerungsfaktor (k) ausschließlich einen nicht-ganzzahligen Wert oder einen nicht-ganzzahligen rationalen Wert beschreibt.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Projektionslinsenarray (P) eine Mehrzahl von gleich ausgebildeten Elementarzellen aufweist, wobei jede Elementarzelle eine Mehrzahl von Projektionslinsen (P0-P7) aufweist; und wobei die Elementarzelle symmetrisch entlang einer ersten und/oder zweiten seitlichen Richtung ausgebildet ist; oder wobei die Elementarzelle asymmetrisch entlang der ersten und zweiten seitlichen Richtung ausgebildet ist.
Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Projektionslinsenarray (P) zumindest eine Zylinderlinse aufweist, und gegenüberliegende Kondensorlinsen jeweils eine Zylinderlinse sind.
Projektor (100), der folgende Merkmale aufweist: einen Optikstrahlformer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche; und eine Lichtquelle (11) zum Bereitstellen des einfallenden Lichtstrahls (12).
Projektor gemäß Anspruch 23, wobei die Lichtquelle (11) zum Bereitstellen des einfallenden Lichts (12) mit einer Divergenz ausgebildet ist, die höchstens eine numerische Apertur (NA) des Kondensorlinsenarrays (C) ist.
Verfahren (1100) zum Bereitstellen eines Optikstrahlformers, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen (1110) eines Kondensorlinsenarrays, das eine erste Mehrzahl von Kondensorlinsen aufweist, wobei die erste Mehrzahl von Kondensorlinsen zum Empfangen eines einfallenden Lichtstrahls ausgebildet sind; und Bereitstellen (1120) eines Projektionslinsenarrays, das eine zweite Mehrzahl von Kondensorlinsen aufweist, die zum Empfangen von Licht von dem Kondensorlinsenarray und zum Abstrahlen des austretenden Lichtstrahls ausgebildet sind, so dass eine Anzahl der ersten Mehrzahl von Kondensorlinsen größer als eine Anzahl der zweiten Mehrzahl von Projektionslinsen ist; so dass ein Rand einer Projektionslinse mit Bezug auf eine gegenüberliegende Kondensorlinse versetzt oder fehlausgerichtet ist; und so dass der Optikstrahlformer zum Erzeugen eines austretenden Lichtstrahls aus einem einfallenden Lichtstrahl geeignet ist, wobei der Optikstrahlformer umfasst:
Verfahren (1200) zur Projektion von einfallendem Licht, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Beaufschlagen (1210) eines eine Mehrzahl von Kondensorlinsen aufweisenden Kondensorlinsenarrays mit einem Strahl von einfallendem Licht, um das einfallende Licht auf ein Projektionslinsenarray mit einer geringeren Anzahl von Projektionslinsen im Vergleich mit der Anzahl von Kondensorlinsen zu richten, wobei ein Rand einer Projektionslinse mit Bezug auf eine gegenüberliegende Kondensorlinse versetzt oder fehlausgerichtet ist; und Projizieren (1220) des von dem Projektionslinsenarray emittierten Lichts auf eine Projektionsfläche.