EP3969957A1 - Image generating device for a scanning projection method with bessel-like beams - Google Patents

Image generating device for a scanning projection method with bessel-like beams

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EP3969957A1
EP3969957A1 EP20728922.4A EP20728922A EP3969957A1 EP 3969957 A1 EP3969957 A1 EP 3969957A1 EP 20728922 A EP20728922 A EP 20728922A EP 3969957 A1 EP3969957 A1 EP 3969957A1
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EP
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bessel
beams
mems
mirror
image
Prior art date
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Pending
Application number
EP20728922.4A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrich Hofmann
Joachim Janes
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Oqmented GmbH
Original Assignee
Oqmented GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H04N9/3129Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
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    • H01S3/005Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

Definitions

  • Image generation device for a scanning projection method with besel-like beams
  • the invention is in the field of optics and imaging. It can be used with particular advantage, for example, for image projectors.
  • Scanning image projection methods are known in principle.
  • a beam for example a laser beam
  • a beam intensity is modulated during the deflection. This creates a recognizable image on a projection surface.
  • the resolution of known projection methods is not only limited by the imaging optics and the quality of the control of the mirror or other elements that deflect the beam in a targeted manner, but also by the quality, in particular the expansion, of the image-generating rays themselves.
  • the present invention is based on the object of creating a scanning projection method and an image generation device which allow images to be generated with the highest possible resolution.
  • the invention relates to an image generating device with a radiation source for one or more output beams with Gaussian radiation characteristics, in particular a laser beam source, with a device for generating Bessel-like beams from one or more output beams, with a controllably drivable MEMS scanner , wherein the Bessel-like beams are directed onto the MEMS scanner and are deflected in a targeted manner by the MEMS scanner to generate an image, and with a display body which is at least partially permeable to the Bessel-like beams and onto which the Bessel-like beams pass the MEMS scanner.
  • the invention is based on the idea that the resolution of the scanning projection method is limited, among other things, by the beam profile of the Gaussian beams usually used, for example in the form of laser beams.
  • the focusing and beam shaping of Gaussian beams to small beam diameters are physically limited in principle.
  • Bessel beams which are described by the named Bessel functions, cannot be generated in practice any more than ideal Gaussian rays. Therefore, in the description of the present invention, in the following, Bessel-like radiation is turned off, which have properties that come close to the properties of the ideal Bessel radiation. Practical ways of generating Bessel-like rays are known and are based on the use of Gaussian rays and their conversion into Bessel-like rays. The properties of the Bessel rays and Bessel-like rays will be discussed in more detail in connection with the description of the figures.
  • an image can therefore be made visible on a display body with a high resolution using a MEMS scanner.
  • the pixel resolution can, for example, be in the order of magnitude of approximately 1000 ⁇ 1000 pixels per square centimeter.
  • An advantageous embodiment of the invention can be that a projection device is provided which projects the image from the display body onto a projection surface by means of projection optics.
  • the display body can initially act like a ground glass, on which the image generated by the Bes sel-like rays is visible. This image can be projected onto a larger area by the projection device, for example, in order to make the image more visible and / or more convenient for users.
  • the device for generating Bessel-like beams has at least one axicon.
  • An axicon is understood to be an optical component that can be in a reflective or refractive design, which is designed to be rotationally symmetrical in most cases and which generates ring-shaped beam profiles in the far-field approximation.
  • a laser beam and thus a Gaussian beam, is radiated collinear to the optical axis of an axicon.
  • the ring-shaped beam profile is concentrated, for example focused or collimated, on the smallest possible area.
  • imaging optics or another axicon can be used.
  • At least one axicon is designed as a mirror or as a light-refracting element, in particular as a lens.
  • the output beam traverses both axicons one after the other, and a combination of two axicons can also be combined with imaging optics.
  • the device for generating Bessel-like beams has at least two axicons aligned coaxially to one another.
  • the device for generating Bessel-like beams has a diaphragm with an annular gap to which the output beam or beams are directed, with at least one converging lens being provided behind the annular gap, in particular seen from the radiation source is.
  • a Bessel-like beam with an extremely narrow intensity distribution can also be produced by such a device.
  • the MEMS scanner used can have one or more drivable, pivotable or rotatable mirrors that can be pivoted about different axes so that the beam can be deflected in two dimensions in order to generate a two-dimensional image. It can make sense be that the axes of the mirror or mirrors are perpendicular to each other. In principle, it is also possible for some applications to provide a mirror, in particular a MEMS mirror, which can only be rotated or pivoted about a single axis.
  • the MEMS scanner is designed as a 2D MEMS scanner with a mirror that can be rotated or pivoted about several axes.
  • a single mirror is rotated about two different axes by suitable drives in order to generate a two-dimensional image. Errors in image generation can be minimized by using such a 2D MEMS scanner.
  • a further advantageous embodiment of the invention can provide that an encapsulation wall of the MEMS scanner is designed as a display body, the encapsulation wall for the image generation in particular having a planar section or a spherical cap-shaped section whose center point coincides with a point at which two pivot axes meet cut a MEMS mirror.
  • the MEMS scanners described are encapsulated and have an encapsulation wall that is at least partially transparent to the radiation used.
  • the encapsulation can, for example, protect the scanner from environmental influences, and the space in which the drivable mirror moves can also be evacuated, for example, in order to minimize air friction losses and optimize the deflection of the mirror.
  • a section of the encapsulation wall can be used to serve as a kind of ground glass for the scanning projection on this section to be generated in such a way that it can be recognized from outside the enclosure.
  • a conventional design of the enclosure wall as a ground glass for example by roughening the enclosure wall on the inside or outside, is often not sufficient, since the possible resolution that can be achieved through the use of Bessel-like rays can exceed the resolution of such a ground glass.
  • the material of the encapsulation wall should therefore advantageously have a structure that enables forward scattering of the incident light with high spatial resolution.
  • the encapsulation wall can, for example, be mixed or coated with a phosphorescent substance, for example also coated with a phosphorescent film.
  • any other type of nature of such an encapsulation wall that enables high-resolution forward scattering is also conceivable.
  • the shape of the encapsulation wall or specifically of the section of the encapsulation wall on which the image can be generated can, for example, correspond to a spherical cap whose center point coincides with the point at which two pivot axes of a MEMS mirror intersect.
  • an image is generated that is easy to calculate and has a uniform spatial resolution over the image extent.
  • a flat section of the encapsulation wall for image projection.
  • distortions of the generated image if the underlying geometry is known during image generation, i.e. H. when setting the respective deflection angle of the MEMS scanner for individual pixels, mathematically to be taken into account in a simple form.
  • a cylindrical or semi-cylindrical encapsulation housing can also be provided or a cylindrical section of the encapsulation housing.
  • the cylinder axis can then advantageously be aligned parallel to the pivot axis.
  • the image can be generated both on the inside of the encapsulation wall and on the outside or also in a layer lying in between. If a phosphorescent substance is used, it goes without saying that the wavelength of the Bessel-like rays should be placed on the material in such a way that phosphorescence is generated.
  • Bessel-like beams are used in the image generating device according to the invention, which have an annular intensity distribution at least in sections in sections of the beam path, such an annular intensity distribution can also be present during the reflection on the MEMS mirror or mirrors, since the beams only behind the MEMS mirror. Scanner can be compressed to the optimized beam diameter. This means that in many cases the central area of the MEMS mirror or mirrors is not required for a reflection. Such an area can therefore be excluded to reduce the mass of the MEMS mirror or the MEMS mirrors. Such a recess can, for example, be circular or else elliptical if the Bessel-like beams strike the MEMS mirror at a flat angle.
  • Bessel rays were theoretically described in 1987 and experimentally generated shortly thereafter. Bessel rays are one of the solutions to the Helmholtz equation, namely an electromagnetic field whose
  • Bessel beam or, more precisely, a Bessel-like beam.
  • Bessel rays require an infinitely extended plane wave which cannot be produced in practice.
  • Bes sel rays is used in part, whereby Bessel-like rays are meant.
  • Bessel beams To generate Bessel beams, laser beams (Gaussian beams or Gaussian beams) are reshaped with special lenses. In contrast to laser beams with a Gaussian characteristic, Bessel beams do not have any diffraction effects and the beam geometry does not change as it propagates.
  • the exploitable properties of Bessel rays are that you Central maximum has a high radiance and that this central maximum has a small radial extent.
  • Axicons are conical, optical compo elements that can be used in a reflective or lens-shaped, refractive design. Axicons are made in both concave and convex shapes. They can be made of any suitable optical material (suitable in terms of wavelength, laser power, etc.).
  • axicons generate ring-shaped beam profiles in the far-field approach as soon as a laser beam is irradiated in, for example, collinear or approximately collinear to the optical axis of an axi cons. The ring width of the ring-shaped beam is then approximately half the diameter of the Gaussian input beam. If either additional axicons or lenses are used on the optical axis, beam profiles with different geometries can be produced.
  • Bessel beams generated depends essentially on the axicon angle that defines the beam geometry.
  • An alternative manufacturing method is to let a collimated laser beam fall through an annular gap with a suitable diameter. The laser beam is bent at this annular gap. A lens with a focal length, which corresponds approximately to the distance to the annular gap, collimates the annular intensity distribution and thus generates a Bessel-like beam.
  • the 2D scanners are not subject to any restrictions with regard to their embodiment and their mode of operation.
  • MEMS scanners can, for example, be driven electrostatically, piezoelectrically, magnetically, mechanically or in some other way. It only has to be ensured that a sufficiently precise measuring method is provided for the angular position in both directions.
  • An advantageous aspect when choosing a 2D scanner is that both torsion axes in one Lie level and that there is therefore a common pivot point for the deflections in two independent directions.
  • a structure that uses two 1D scanners and thus also covers the desired solid angle range is also possible, but less advantageous in some applications for geometric reasons.
  • the scan frequencies on both axes depend on the application. 2D MEMS scanners that are currently being manufactured can reach Oszillationsfre frequencies z. B. from a few 100 Hz on one axis to a few 10 kHz on the other axis. However, 2D MEMS scanners with the same or similar scan frequencies in both directions of vibration can also be used. The frequencies of the two axes define the maximum repetition rate with which a volume is illuminated.
  • the prerequisite for image generation is precise knowledge of the angular position of the scanner in both axes at all times during image generation.
  • capacitive readout methods, optical position-sensitive detectors, strain gauges, piezoelectric methods and other methods are available for measuring the angular position.
  • An exemplary process for the production of a MEMS mirror arrangement in which a transparen ter cover with a carrier substrate on which a mirror oscillating about at least one axis is suspended, is hermetically sealed, has the following steps:
  • a mirror wafer which comprises a plurality of mirrors suspended on the carrier substrate, to the cover wafer in such a way that the mirror centers are each in the center of the domes,
  • a tool which consists of a material preventing a hot glass-like material from sticking or which is coated with a material preventing a hot glass-like material from sticking.
  • This tool is or will be provided with through openings.
  • a lid wafer made of vitreous material is placed on the tool provided with through openings, and a negative pressure is applied to the side facing away from the lid wafer.
  • the tempering of the assembly of tool and lid wafer takes place under atmospheric conditions in such a way that a plurality of domes is formed by sucking the lid wafer into the through openings due to the negative pressure.
  • the tool is removed.
  • the further steps are the same as in the previously specified procedure. Screen, focusing screen
  • the following z. B. is projected with a corresponding projection optics on egg NEN screen.
  • the easiest way to create such an image is to use a focusing screen, as was common in photography in the past.
  • the focusing screen is either on the inside or the outside of the glass encapsulation of the MEMS scanner in order to generate a real image there.
  • the real image is to be generated with the aid of scanning Bessel rays, i.e. with rays of particularly high lateral resolution, the grain size or the granularity of conventional focusing screens does not fully utilize the available resolution.
  • the pixel resolution possible with Bessel beams would be reduced when using focusing screens.
  • a phosphorescent layer to one of the surfaces of the glass body of the vacuum encapsulation.
  • the phosphorescent layer is typically irradiated with "blue" laser light.
  • a well-known conversion process in the phosphorescent layer results in light with greater wavelengths being emitted from it.
  • transparent fluorescent film or also “superimaging film” (“transparent fluorescent film”).
  • transparent fluorescent film essentially consists of nano-particles, which are transparent in the visible wavelength range due to the small diameter of the particles. If this film with laser light z. B. the wavelength of 405 nm is illuminated, then the film emits lines in all Rich and at larger wavelengths, z. B. blue or red, incoherent light.
  • a Bessel beam which is reflected by the MEMS scanner oscillating in two directions and sweeps over a surface section of the vacuum encapsulation, projects an image onto this small screen in this way.
  • the generation of an image by scanning a laser beam or a Besel beam, e.g. B. is deflected by a 2D MEMS scanner, and at because the image consists of 2000 x 1000 pixels, for example, requires precise detection of the current angular position of the MEMS mirror in the two scanning directions.
  • the acquisition of the angular position can be carried out by various methods. These include u. a. capacitive measurements of opposing, conductive surfaces, optical measurements, piezoelectric measurements, or measurements with strain gauges.
  • the power of the laser is adjusted so that illuminated pixels are visible at the desired positions on a screen.
  • the laser power is controlled as a function of the angular positions in both pivot directions of the mirror.
  • a control or regulation is provided that brings the position of the 2D MEMS scanner in conjunction with the laser power in order to define the pixel intensity with high spatial resolution.
  • the image generating device use can be made of the fact that MEMS scanners are equipped with vacuum encapsulation for many applications.
  • the glass surfaces of the vacuum encapsulation can be used to create a real image on it.
  • the high pixel resolution is achieved by using known methods a Bessel beam that is reflected by the MEMS scanner in both directions over time and illuminates part of the glass body of the vacuum enclosure as a display body.
  • the surface changes should only be carried out in the section of the vacuum encapsulation on which the real Picture should arise.
  • the area of the vacuum encapsulation through which the lasers pass before being reflected by the MEMS mirror should remain free of changes and as transparent as possible.
  • the surface changes or additions that are addressed here include, for example, the formation of a ground glass screen, the application of
  • a real image can also be generated on a completely transparent surface, so that the simple glass surface of the vacuum encapsulation is sufficient as a screen in some cases.
  • a scanned, real image is created on both surfaces of the glass body, and these double images can be a hindrance to use. After all, the image resolution is deteriorated in this way.
  • the easiest way to prepare the surface is to treat it so that it becomes a screen. You can choose which of the two surfaces of the glass body is designed as a ground glass. In this way, it is basically possible to generate a real image.
  • the resolution obtained with a focusing screen, as used in photography in the past, for example. B. was common with system cameras, but is suboptimal. Provided that a suitable material for equipping a surface of the vacuum encapsulation of the MEMS component has been found, one of the most promising applications of the invention is to project the image on this surface onto a large screen with suitable projection optics.
  • Bessel rays can also be produced in that a laser beam passes through an annular gap and that diffraction patterns arising behind the gap are focused with a suitable lens, so that Bessel rays are created.
  • the invention is independent of the method of generating the Bessel rays.
  • the main application of the invention consists in generating a real image on one of the surfaces of the vacuum encapsulation of a 2D MEMS scanner, which is then projected onto a screen using projection optics.
  • Typical projection optics that project a small, real image on the order of a few square centimeters at a distance of a few meters with projection surfaces of a few square meters were used in the past in slide projectors and now in "projectors". They consist of a combination of suitable lenses whose optical properties are adapted to the task at hand. With such a structure, the inven tion is an alternative and a replacement for current "projectors", in which the image generation z. B. is done with DLPs and projection optics.
  • Fig. 1 shows an optical structure for generating Bessel-like
  • FIG. 3 shows a sectional view of a device for generating a real image by means of Bessel-like beams on a spherical glass dome
  • FIG. 4 shows a perspective illustration of a device for generating a real image corresponding to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a sectional view of a device for generating a real image by means of scanned Bessel-like beams a screen outside the encapsulation of a MEMS mirror
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of a device for generating a real image on the encapsulation wall of a planar vacuum encapsulation of a MEMS component
  • FIG. 7 shows a sectional illustration of a device for generating a real image on a screen outside a planar vacuum encapsulation of a MEMS component
  • Fig. 8 is a sectional view of a device for generating a real image on a planar encapsulation wall inclined to the angle of the MEMS component
  • FIG. 9 shows a representation analogous to FIG. 8, the image on a
  • FIG. 10 shows a sectional illustration of a device for generating a real image on a spherically shaped encapsulation wall of a MEMS element, the center of which is shifted with respect to the pivot point of the MEMS mirror,
  • FIG. 11 shows a sectional illustration of a device for generating a real image on an encapsulation wall with an irregular surface shape
  • Fig. 12 is a sectional view of a device for generating images by means of scanned Bessel-like beams, the Bessel-like beams being generated by means of vitreous axicons, and also
  • specular axicons are used in the first embodiment which, as shown in FIG. 1, are constructed in such a way that they allow the superposition of Gaussian rays.
  • a Gaussian beam 1 passes through beam-shaping optics 2 with which primarily its diameter and beam divergence are set (the beam-shaping optics are only shown symbolically in FIG. 1).
  • the beam 1 hits the conically shaped mirror 4, which is referred to as the "axicon".
  • the conical mirror is a cone.
  • the optical function of the conically shaped mirror is to reflect the Gaussian beam 1, so that an annular beam cross-section is created after the reflection. In this sense, it is advantageous that the Gaussian beam runs on the optical axis (cone axis) of the axicon.
  • Another reflective axicon 5 is arranged in the beam path in such a way that the ring-shaped intensity distribution of the beam 1 is completely reflected by the conical surface of the axicon 5 after the reflection on the axicon 4.
  • An essential prerequisite for the functioning of the arrangement is that the two optical axes 6 of the two axicons 4 and 5 are ideally collinear.
  • the axicon 5 reflects the ring-shaped intensity distribution in the direction of the optical axis 6.
  • the geometry of the arrangement must ensure that the axicon 4 is not in the beam path of the ring-shaped intensity distribution collimated by the axicon 5. At a distance that depends on the angle of reflection of the axicons 4 and 5, the annular Intensi ity distribution in the volume 7 is superimposed.
  • the total length of elements 2, 3, 4, 5, 6 and 7 is approx. 15-20 mm in the simulation shown in FIG. 1, and the entrance diameter of the laser beam 1 is here, for example, 1 mm.
  • the calculated intensity distribution that results from the superposition of the ring-shaped light distribution in the volume 7 is shown in FIG.
  • the calculation is based on ideal conditions such that z. B. was simulated with exactly one wavelength without bandwidth.
  • the input beam has an ideal phase and flat wave fronts.
  • the simulated radiance is shown as a function of the lateral extent and the axial position in the direction of the axis 6 within the volume 7.
  • FIG. 2 shows the theoretical beam density distribution of the Bessel beams, which is achieved with the structure shown in FIG.
  • the essential property of the Bessel rays for the task described above is their lateral extension found in the simulation of a few miti for the central maximum and some secondary maxima with intensities of less than 10% of the intensity of the central maximum.
  • the central maximum along the optical axis has only a relatively small variation in intensity.
  • FIG. 3 the structure according to the invention for the generation of Bessel rays and their projection on a spherical surface is shown as a sectional drawing.
  • a laser la as a radiation source with a (Gaussian) laser beam 1 is adjusted with a beam-shaping optics 2 with regard to its diameter and its divergence.
  • the laser unit la can also consist of a combi nation of lasers which meet the necessary conditions for generating a real image.
  • the laser beam hits the first axicon 4.
  • the rays reflected by the axicon 4 form a ring-shaped intensity distribution and then hit the second axicon 5.
  • the optical axes of the axicons 4 and 5 are collinear.
  • the center of the laser beam 1 ideally, but not necessarily, lies on the optical axis 6. Certain axis deviations of both the laser and the axicons are possible and can be corrected or calculated out later during the image generation.
  • the pivot point of the MEMS scanner 8 is also advantageously on the optical axis 6.
  • the MEMS scanner is part of the MEMS component 9, which contains the mechanical and electrical functionality of the scanner.
  • the installation angle of the MEMS component 9 relative to the optical axis 6 is defined on the one hand by the application and on the other hand by the optical scanning angle that the scanner mirror 8 is intended to enable.
  • the MEMS component is hen with an optically transparent vacuum encapsulation 10 verses, which is designed here in spherical shape.
  • the vacuum encapsulation 10 increases the Q value of the torsional vibrations of the mirror and thus the Angular amplitudes of the vibrations. It consists of an optically transparent material that must also meet the boundary conditions for process control for MEMS components (e.g. suitable thermal expansion coefficient).
  • the ring-shaped intensity distribution which is reflected on the axicon 5, occurs through the spherical material of the vacuum encapsulation 10.
  • the material thickness / glass thickness is essentially constant should be. In the event that the glass thickness is variable, lens effects can cause significant distortion of the images generated.
  • Material thicknesses / glass thicknesses of MEMS vacuum encapsulation are approximately in the range from 50 ⁇ m to 500 ⁇ m, whereby the smallest possible glass thickness is usually aimed for. In the embodiment shown here, the center of the spherical vacuum encapsulation 10 lies on the optical axis 6.
  • the axicon angle of the axicon 5 is set in such a way that the annular intensity distribution is collimated towards the MEMS scanner 8 and then the intensity is superimposed on the vacuum encapsulation 10 takes place in section 11. Bessel rays, the profile of which is simulated and shown in FIG. 2, thus arise in section 11. If the MEMS scanner 8 executes a torsional oscillation in one or two of the possible directions, then the section 11 moves at a constant distance around the pivot point of the MEMS scanner 8 in accordance with the reflection conditions. The result of this is that the intensity distributions shown in FIG. 2 also move around the pivot point of the scanner 8.
  • the axicons 4 and 5 are connected to the holding elements 12 and 13 with the MEMS component.
  • a transparent fluorescent film is preferably applied to the spherical surface of the encapsulation 10.
  • the film can be applied both to the inner surface and to the outer surface of the encapsulation without impairing the function.
  • the film is illuminated by the scanned Bessel rays.
  • the intensity distribution shown in FIG. 2 is generated pixel by pixel Fluorescent light. If the Bessel rays are scanned in two directions as a function of time with the 2D MEMS scanner 8, a large number of pixels are created. If the laser power is controlled accordingly, a real image is created in the film on the spherical surface through differently bright pixels.
  • the encapsulation 10 consists of a suitable glass material.
  • Borofloat is used to manufacture vacuum enclosures with a spherical glass dome for process engineering reasons.
  • Both surfaces of the dome-shaped encapsulation section, the outer surface as well as the inner surface, can be selected as the projection surface.
  • One of these selected surfaces is then z. B. coated with the phosphoreszie-generating material or coated with the fluorescent film or treated by other means. This creates a projection screen on one of the selected surfaces, on which the pixels generated by the scanned Bessel beams create a real image.
  • both the axicons 4 and 5 and the pivot point of the scanner mirror 8 should lie as precisely as possible on one axis, it is advantageous to align the corresponding components with one another and to install them firmly. It must be taken into account that the connecting elements do not affect the beam path of the laser la. For this reason, the axicon 4 is installed on a holder 12 which is attached to the dome of the enclosure 10.
  • the alignment of these components to one another and the alignment of the axicon axis on the pivot point of the scanner mirror 8 is carried out with the known in-situ adjustment methods.
  • the axicon 5 is installed in a cylinder-shaped bracket 13, for example. It is important that here, too, the axicon axis and the cylinder axis are collinearly adjusted to one another.
  • the holder 13 together with the axicon 5 are then also aligned with the known in-situ adjustment methods relative to the axis on which the pivot point of the scanner mirror 8 and the axis of symmetry of the axicon 4 lie, and on the surface of the glass dome of the encapsulation 10 attached.
  • the ring-shaped intensity distribution can also be found on the mirror surface of the scanner mirror 8, it can also be in the form of an elliptical one Rings are made with a central recess. This also includes the shape of a circular ring.
  • the advantage of a recess in relation to the scanner mirror 8 is that an elliptical ring with a defined outer boundary has a lower mass than a scanner mirror 8, which is designed as a full elliptical disk.
  • the lower mass of the scanner mirror 8 means that a smaller torque is required in order to achieve the same angle amplitudes than in the case of a scanner mirror made from solid material. Regardless of the type of drive of the scanner mirror 8, this means a lower drive force and according to the drive types z.
  • the detection and control unit 14 links the angular position of the MEMS scanner 8 with the control of the laser la to control the laser intensity for each pixel to be projected.
  • the detection and regulation unit 14 can also be designed for the control or regulation of a combination of lasers.
  • the image generated on the glass dome of the encapsulation 10 has an area of at most a few square centimeters (1 cm 2 - 2 cm 2 ) and can, depending on the pixel resolution achieved by the Bessel rays within the projection area, have a pixel density of up to 2000 pixels per Centimeters in one direction.
  • Such a real image can be compared with a usual Projection optics z. B. projected onto a large screen at a usual distance of a few meters from the MEMS mirror.
  • FIG. 4 shows the structure, which is already presented as a sectional drawing in FIG. 3, in a perspective illustration.
  • the laser beam 1 and the subsequent annular intensity distributions are shown as a section in a vertical plane for illustrative reasons.
  • the dashed lines on the axicons 4 and 5 and on the MEMS scanner 8 indicate the areas which are illuminated either by the laser beam 1 or by the subsequent annular intensity distributions.
  • the MEMS scanner 8 is shown here as a 2D MEMS mirror with the torsion axes indicated.
  • FIG. 5 shows a sectional drawing which essentially shows the same structure for generating Bessel rays as FIG. 3. Only the axicon angle of the axicon 5 is set in such a way that the overlap area of the annular intensity distribution 14 is outside the spherical vacuum encapsulation 10 and thus at a greater distance from the axicon 5 than in Fi gur 3. A similar constellation can of course also be achieved by adapting the distances between the axicons 4 and 5 and the axicon angle of the axicon 4. Within the overlap volume of the annular intensity distribution, Bessel rays are also formed here, as they are simulated and shown in FIG. The Bessel rays then hit a screen 15 which serves to make the intensity distribution, as indicated in FIG. 2, visible.
  • the torsional vibrations of the MEMS scanner cause the Bessel rays to sweep over the screen 15 in accordance with the Reflexionsbe conditions.
  • the screen is coated with the phosphorescent material or provided with the fluorescent film.
  • a real image created in this way can in turn with a conventional projection optics z. B. be projected on a large screen at a usual distance of, for example, a few meters.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the vacuum encapsulation with a flat glass plate 16, which is arranged parallel to the MEMS component 9.
  • the axicon angles of axicons 4 and 5 and their spacing are set in such a way that the superimposition of the annular intensity distribution and, therefore, the formation of Bessel-like rays in area 17 takes place.
  • the intensity distribution of the Bessel rays shown in FIG. 2 arises on the planar glass cover 16.
  • the MEMS scanner executes torsional vibrations
  • the area 17 of the superimposed intensity distribution is shifted accordingly and thus sweeps over the flat glass cover.
  • the distance between the pivot point of the MEMS scanner and the position of the area 17 on the planar glass cover 16 also changes with the scanning angle of the MEMS scanner.
  • the intensity distribution of the Bessel beam occurs in a certain range of the distance (e.g. from the axicons) (in the simulation of FIG. 2 this distance is approximately 10 mm).
  • the distance range depends primarily on the diameter of the laser beam 1 and the crossing angle of the annular intensity distribution in FIG.
  • the generation of a real image on the planar glass cover 16 then takes place in the same way as in the exemplary embodiment in FIG. B. applied a phosphorescent layer on the outside or on the inside of the glass cover 16, or one of the two sides is provided with a fluorescent film, or another method for producing a real image is used.
  • FIG. 7 shows a sectional drawing which essentially shows the same structure for generating Bessel rays as FIG. 6. Only the axis angles of axicons 4 and 5 are set in such a way that the area of overlap of the annular intensity distribution outside the planar glass cover 18 lies. Adjusting the spacing of axicons 4 and 5 achieves this same goal. Bessel rays are also formed here within the overlap volume of the annular intensity distribution, as they are simulated and shown in FIG. The Bessel rays then hit a screen 19, which serves to make the intensity distribution visible. In this structure, too, the torsional vibrations of the MEMS scanner cause the intensity distribution of the Bessel rays to sweep across the screen 19 in accordance with the reflection conditions. In this embodiment, in contrast to the embodiment shown in FIG. 6, the screen 19 is coated with a phosphorescent material or provided with the fluorescent film.
  • FIG. 8 shows an embodiment in which a planar vacuum encapsulation 20 of the MEMS component is present, but in contrast to FIG. 6, this encloses an angle greater than 0 ° with the surface of the component.
  • Such a construction of the vacuum encapsulation is used in order to be able to set the direction of reflex spots in laser projection methods (see DE 10 2008 012 384 A1).
  • DE 10 2008 012 384 A1 See DE 10 2008 012 384 A1
  • a real image is then generated on the inclined, planar glass cover 20 in the same way as in the exemplary embodiment in FIG. B.
  • the real image can then be projected further onto a screen, not shown, by means of projection optics 46, which are shown schematically in FIG. 8, and made visible there in enlarged form.
  • the screen can be set up outside the scanner system, as shown in FIG.
  • This figure shows essentially the same structure for generating Bessel rays as Figure 7. Only the axicon angles of axicons 4 and 5 are chosen in such a way that that the area of overlap of the annular intensity distribution 23 lies outside the planar glass cover 22.
  • Bessel rays or specifically Bessel-like rays are also formed here, as they are simulated and shown in FIG.
  • the Bessel rays then hit a screen 23, which is used to make the Intensticiansvertei development visible. Also in this structure, the
  • Torsional vibrations of the MEMS scanner that the intensity distribution of the Bessel rays sweeps over the screen 23 according to the reflection conditions.
  • the screen 23 is coated with the phosphorescent material or provided with the fluorescent film.
  • FIG. 10 An exemplary embodiment is shown in which the vacuum encapsulation is produced without a centrally symmetrical geometry.
  • the center of the still spherical glass dome 24 is no longer in the pivot point of the scanner mirror. This means that the passage of the annular intensity distribution is no longer axially symmetrical to the glass dome 24.
  • FIG. 10 shows a sectional drawing in which the optical structure for generating Bessel beams is essentially the same as that shown in FIG.
  • the center of the spherically shaped glass dome 24 can be displaced ver relative to the plane of the MEMS component 9 in the x, y or z direction.
  • either part of the inside or part of the outside of the dome 24 is equipped with the optical properties that enable the generation of a real image in FIG enable.
  • FIG. 11 shows an embodiment of the glass encapsulation 26 of the MEMS scanner with an irregular geometry.
  • the geometry shown here is representative of any number of irregular geometric shapes. This should also include those geometric shapes that are not irregular in the mathematical sense. For this purpose, for example, glass encapsulations in an elliptical embodiment, in a cylindrical execution form u. a. are counted.
  • the generation of the Bessel rays takes place with the laser la and the Strahlfor mungsoptik 2 as well as with the axicons 4 and 5. Analogously to the embodiment from FIG metric to the glass dome 26. Since the overlap area 27 also lies on the irregularly shaped surface 26, the real images generated there must be rectified with image control algorithms in accordance with the surface shape.
  • FIG. 12 shows a possible embodiment of a device for producing Bessel beams using glass-shaped axicons 28, 29 made of an optically transparent, light-refracting material.
  • a laser 1 a with a laser beam 1 with a Gaussian characteristic is set with beam shaping optics 2 primarily with regard to its diameter and its divergence. It then encounters an axicon 28 which is made of light-refracting material which is transparent in the optical range and which is cut concavely conically (conically) on (at least) one side is.
  • the laser beam la is given an annular intensity distribution which strikes the axicon 29 at a suitable distance and at a suitable angle.
  • the axicon 29 also consists of a light-refracting material and has a convex conical (conical) shape on both sides.
  • the optical axes 6 of the axicons 28 and 29 as well as the beam shaping optics and the central axis of the laser beam la are collinear.
  • the axicon angles of the axicon 28, 29 are set such that the ring-shaped intensity distribution is collimated after passing through the axicon 29.
  • the ring-shaped intensity distribution hits the MEMS mirror 8 within the MEMS component 9.
  • the MEMS mirror 8 executes torsional vibrations along its oscillation axes, which lead to the deflection of the ring-shaped intensity distribution.
  • the pivot point of the MEMS mirror is ideally on the optical axis 6 of the optical components 2, 28 and 29.
  • the MEMS component 9 with the MEMS mirror 8 is provided with a spherically shaped vacuum encapsulation 30. Both the axicon angles and the respective distances between the components are set in such a way that the ring-shaped intensity distribution overlaps in the area 31 around the spherical glass dome and forms the Besel rays described in FIG.
  • the ring-shaped intensity distribution which is caused by the axicons has a great advantage with regard to the layout of the 2D (also 1D) MEMS scanners.
  • the MEMS mirror is only illuminated in its edge area, it is only necessary to design it to deflect the annular intensity distribution. The mirror therefore only has to reflect in an annular area.
  • FIG. 13a A comparison of the geometry of a standard MEMS mirror with a MEMS mirror for ring-shaped illumination is shown in FIG.
  • a circular standard MEMS mirror 32 without the spring suspensions is shown by way of example.
  • the MEMS mirror converts torsional vibrations the axes 33 and 34 off.
  • the ring-shaped intensity distribution meets the MEMS mirror within the area 35, which is delimited by the dashed line. Outside this area 35, the MEMS mirror is not illuminated. For this reason, it is possible and advantageous to design the MEMS mirror 32 in an adapted form with a mass-saving recess.
  • a MEMS mirror 36 in this adapted form is shown by way of example in FIG. 13b.
  • the MEMS mirror 36 performs torsional oscillations about the two axes 37 and 38.
  • the area 39 which is delimited by the dashed line, indicates the area on the MEMS mirror 36 which is illuminated by the annular intensity distribution.
  • the MEMS mirror 36 has the recess 40 within the area of the MEMS mirror 36 that is not illuminated. This means that the MEMS mirror 36 has a lower mass than the MEMS mirror 32 in FIG. 13a, with the same outer radius. Because of the lower mass, the MEMS mirror 36 has a lower moment of inertia than the MEMS mirror 32 without a recess. The MEMS mirror 36 therefore needs a lower drive force to maintain the two torsional vibrations about the axes 37 and 38 than the MEMS mirror 32 in FIG. 13b. Overall, the recess 40 has a positive effect on the mirror performance.
  • FIG. 13c shows an analogous embodiment of the MEMS mirror for the more general case that the ring-shaped intensity distribution has a larger angle of incidence relative to the surface normal of the MEMS mirror (10 ° -80 °). For larger angles of incidence, the area illuminated by the ring-shaped intensity distribution has a pronounced elliptical shape.
  • the MEMS mirror 41 advantageously has an elliptical embodiment and oscillates about the torsion axes 42 and 43. Because of the angle of incidence of the annular intensity distribution on the MEMS mirror 41, the illuminated area 44 delimited by the dashed line is correspondingly elliptical.
  • the recess 45 is also advantageously designed to be correspondingly elliptical.
  • the recess 45 is designed to be elliptical, regardless of the outer, geometric shape of the MEMS mirror 41.

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Abstract

The invention relates to an image generating device comprising a radiation source (1a) , in particular a laser beam source, for one or more output beams (1) with a Gaussian radiation characteristic, comprising a device (2, 4, 5, 28, 29) for generating Bessel-like beams from one or more output beams, comprising a controllably drivable MEMS scanner (8, 9, 32, 36, 41), the Bessel-like beams being directed at the MEMS scanner and deflected in a targeted manner by the MEMS scanner (8, 9) for the purposes of generating an image, and comprising a display body (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30), which is at least partly transmissive for the Bessel-like beams, onto which the Bessel-like beams are steered by the MEMS scanner.

Description

Bilderzeugungseinrichtung für ein scannendes Projektionsverfahren mit Bes- sel-ähnlichen Strahlen Image generation device for a scanning projection method with besel-like beams
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik und der Bilderzeugung. Sie ist mit besonderem Vorteil beispielsweise für Bildprojektoren einsetzbar. The invention is in the field of optics and imaging. It can be used with particular advantage, for example, for image projectors.
Scannende Bildprojektionsverfahren sind grundsätzlich bekannt. Bei solchen Verfahren wird üblicherweise ein Strahl, beispielsweise ein Laserstrahl, mittels eines steuerbaren Spiegels, gezielt abgelenkt, und während der Ablenkung wird die Strahlintensität moduliert. Hierdurch entsteht auf einer Projektions fläche ein erkennbares Bild. Scanning image projection methods are known in principle. In such methods, a beam, for example a laser beam, is typically deflected in a targeted manner by means of a controllable mirror, and the beam intensity is modulated during the deflection. This creates a recognizable image on a projection surface.
Die Auflösung bekannter Projektionsverfahren ist nicht nur die abbildende Optik und die Qualität der Steuerung der Spiegel oder anderer den Strahl ge zielt ablenkender Elemente begrenzt, sondern auch durch die Qualität, insbe sondere die Ausdehnung, der bilderzeugenden Strahlen selbst. The resolution of known projection methods is not only limited by the imaging optics and the quality of the control of the mirror or other elements that deflect the beam in a targeted manner, but also by the quality, in particular the expansion, of the image-generating rays themselves.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Tech nik die Aufgabe zugrunde, ein scannendes Projektionsverfahren und eine Bil derzeugungseinrichtung zu schaffen, die es erlauben, Bilder mit möglichst ho her Auflösung zu erzeugen. Against the background of the prior art, the present invention is based on the object of creating a scanning projection method and an image generation device which allow images to be generated with the highest possible resolution.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 10 stellen mögliche Implementierungen der Einrichtung vor. The object is achieved with the features of the invention according to claim 1. Claims 2 to 10 present possible implementations of the device.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Bilderzeugungseinrichtung mit einer Strahlungsquelle für einen oder mehrere Ausgangsstrahlen mit gauß- scher Strahlungscharakteristik, insbesondere einer Laserstrahlquelle, mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen aus einem oder meh reren Ausgangsstrahlen, mit einem steuerbar antreibbaren MEMS-Scanner, wobei die Bessel-ähnlichen Strahlen auf den MEMS-Scanner gerichtet sind und durch den MEMS-Scanner zur Erzeugung eines Bildes gezielt ausgelenkt werden, und mit einem wenigstens teilweise für die Bessel-ähnlichen Strahlen durchlässigen Anzeigekörper, auf den die Bessel-ähnlichen Strahlen durch den MEMS-Scanner gelenkt werden. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Auflösung von scannen den Projektionsverfahren unter anderem auch durch das Strahlprofil der übli cherweise verwendeten gaußschen Strahlen, beispielsweise in Form von La serstrahlen, begrenzt ist. Der Fokussierung und Strahlformung von gaußschen Strahlen zu geringen Strahldurchmessern sind physikalisch prinzipiell Grenzen gesetzt. Accordingly, the invention relates to an image generating device with a radiation source for one or more output beams with Gaussian radiation characteristics, in particular a laser beam source, with a device for generating Bessel-like beams from one or more output beams, with a controllably drivable MEMS scanner , wherein the Bessel-like beams are directed onto the MEMS scanner and are deflected in a targeted manner by the MEMS scanner to generate an image, and with a display body which is at least partially permeable to the Bessel-like beams and onto which the Bessel-like beams pass the MEMS scanner. The invention is based on the idea that the resolution of the scanning projection method is limited, among other things, by the beam profile of the Gaussian beams usually used, for example in the form of laser beams. The focusing and beam shaping of Gaussian beams to small beam diameters are physically limited in principle.
Aus den Lösungen der Helmholtz-Gleichung, die grundsätzlich elektromagneti sche Strahlungen beschreibt, ergibt sich, dass durch sogenannte Bessel-Strah- len, benannt nach den Bessel-Funktionen, die mögliche Lösungen der Helm holtz-Gleichung beschreiben, geringere Strahldurchmesser möglich sind als mit den üblichen Gauß-Strahlen. Ideale Bessel-Strahlen, die durch die genann ten Bessel-Funktionen beschrieben werden, sind jedoch in der Praxis ebenso wenig zu erzeugen wie ideale gaußsche Strahlen. Deshalb wird bei der Be schreibung der vorliegenden Erfindung in der Folge auf Bessel-ähnliche Strah len abgestellt, die Eigenschaften besitzen, die den Eigenschaften der idealen Bessel-Strahlung nahekommen. Praktische Möglichkeiten, Bessel-ähnliche Strahlen zu erzeugen, sind bekannt und gehen von der Verwendung von gauß schen Strahlen und ihrer Umformung in Bessel-ähnliche Strahlen aus. Auf die Eigenschaften der Bessel-Strahlen und Bessel-ähnlichen Strahlen wird im Zu sammenhang mit der Figurenbeschreibung noch genauer eingegangen. The solutions to the Helmholtz equation, which basically describes electromagnetic radiation, show that so-called Bessel beams, named after the Bessel functions that describe possible solutions to the Helmholtz equation, permit smaller beam diameters than with the usual Gaussian rays. However, ideal Bessel rays, which are described by the named Bessel functions, cannot be generated in practice any more than ideal Gaussian rays. Therefore, in the description of the present invention, in the following, Bessel-like radiation is turned off, which have properties that come close to the properties of the ideal Bessel radiation. Practical ways of generating Bessel-like rays are known and are based on the use of Gaussian rays and their conversion into Bessel-like rays. The properties of the Bessel rays and Bessel-like rays will be discussed in more detail in connection with the description of the figures.
Gemäß der Erfindung kann daher mit großer Auflösung unter Verwendung ei nes MEMS-Scanners eine Abbildung auf einem Anzeigekörper sichtbar ge macht werden. Die Pixelauflösung kann beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1000 x 1000 Bildpunkten pro Quadratzentimeter liegen. According to the invention, an image can therefore be made visible on a display body with a high resolution using a MEMS scanner. The pixel resolution can, for example, be in the order of magnitude of approximately 1000 × 1000 pixels per square centimeter.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin liegen, dass eine Pro jektionseinrichtung vorgesehen ist, die das Bild vom Anzeigekörper mittels ei ner Projektionsoptik auf eine Projektionsfläche projiziert. Der Anzeigekörper kann zunächst nach Art einer Mattscheibe wirken, auf der das durch die Bes sel-ähnlichen Strahlen erzeugte Bild sichtbar wird. Dieses Bild kann durch die Projektionseinrichtung beispielsweise auf eine größere Fläche geworfen wer den, um das Bild für Benutzer besser und/oder komfortabler sichtbar zu ma chen. Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Einrich tung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen wenigstens ein Axicon auf weist. Unter einem Axicon wird ein optisches Bauelement verstanden, dass in spiegelnder oder lichtbrechender Ausführung vorliegen kann, das in den meis ten Fällen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und das in Fernfeldnäherung ringförmige Strahlprofile erzeugt. Optimal ist hierfür, dass ein Laserstrahl, und somit ein gaußscher Strahl, kollinear zur optischen Achse eines Axicons einge strahlt wird. Durch die weitere Strahlführung wird das ringförmige Strahlprofil auf eine möglichst kleine Fläche konzentriert, beispielsweise fokussiert oder kollimiert. Hierzu kann eine abbildende Optik oder ein weiteres Axicon ver wendet werden. An advantageous embodiment of the invention can be that a projection device is provided which projects the image from the display body onto a projection surface by means of projection optics. The display body can initially act like a ground glass, on which the image generated by the Bes sel-like rays is visible. This image can be projected onto a larger area by the projection device, for example, in order to make the image more visible and / or more convenient for users. One possible embodiment of the invention can provide that the device for generating Bessel-like beams has at least one axicon. An axicon is understood to be an optical component that can be in a reflective or refractive design, which is designed to be rotationally symmetrical in most cases and which generates ring-shaped beam profiles in the far-field approximation. It is ideal for this that a laser beam, and thus a Gaussian beam, is radiated collinear to the optical axis of an axicon. As a result of the further beam guidance, the ring-shaped beam profile is concentrated, for example focused or collimated, on the smallest possible area. For this purpose, imaging optics or another axicon can be used.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass wenigstens ein Axicon als Spiegel oder als lichtbrechendes Element, insbesondere als Linse, ausgebildet ist. It can be provided that at least one axicon is designed as a mirror or as a light-refracting element, in particular as a lens.
Vom Ausgangsstrahl werden beide Axicons in einem solchen Fall nacheinan der durchlaufen, wobei auch eine Zusammenstellung aus zwei Axicons zusätz lich mit einer Abbildungsoptik kombiniert sein kann. In such a case, the output beam traverses both axicons one after the other, and a combination of two axicons can also be combined with imaging optics.
Konkret kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Bessel- ähnlichen Strahlen wenigstens zwei koaxial zueinander ausgerichtete Axicons aufweist. Specifically, it can be provided that the device for generating Bessel-like beams has at least two axicons aligned coaxially to one another.
In einer anderen Ausprägung kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen eine Blende mit einem Ringspalt aufweist, auf den der oder die Ausgangsstrahlen gerichtet sind, wobei insbesondere von der Strahlungsquelle aus gesehen hinter dem Ringspalt wenigstens eine Sammellinse vorgesehen ist. Auch durch eine sol che Einrichtung lässt sich ein Bessel-ähnlicher Strahl mit einer extrem engen Intensitätsverteilung hersteilen. In another embodiment, it can also be provided, for example, that the device for generating Bessel-like beams has a diaphragm with an annular gap to which the output beam or beams are directed, with at least one converging lens being provided behind the annular gap, in particular seen from the radiation source is. A Bessel-like beam with an extremely narrow intensity distribution can also be produced by such a device.
Grundsätzlich kann der verwendete MEMS-Scanner einen oder mehrere an- treibbar schwenkbare oder drehbare Spiegel aufweisen, die um unterschiedli che Achsen schwenkbar sind, so dass der Strahl in zwei Dimensionen ablenk bar ist, um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen. Dabei kann es sinnvoll sein, dass die Achsen des oder der Spiegel senkrecht aufeinanderstehen. Es ist grundsätzlich auch für einige Anwendungen möglich, einen Spiegel, insbeson dere MEMS-Spiegel vorzusehen, der nur um eine einzige Achse dreh- oder schwenkbar ist. In principle, the MEMS scanner used can have one or more drivable, pivotable or rotatable mirrors that can be pivoted about different axes so that the beam can be deflected in two dimensions in order to generate a two-dimensional image. It can make sense be that the axes of the mirror or mirrors are perpendicular to each other. In principle, it is also possible for some applications to provide a mirror, in particular a MEMS mirror, which can only be rotated or pivoted about a single axis.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn bei mehreren vorgesehenen Schwenk achsen diese sich schneiden. Werden nämlich von einem Strahl zwei schwenk bare Spiegel nacheinander durchlaufen, so addieren sich sowohl die Reflexi onsverluste als auch Fehler bei der Ablenkung. Zum Teil liegt dies auch daran, dass auf dem zweiten Spiegel der bereits durch den ersten Spiegel abgelenkte Strahl wandert, so dass Inhomogenitäten auf der Spiegeloberfläche zu Fehlern führen können. It is particularly advantageous if these intersect with several pivot axes provided. If a beam traverses two pivotable mirrors one after the other, both the reflection losses and errors in the deflection add up. This is partly due to the fact that the beam already deflected by the first mirror travels on the second mirror, so that inhomogeneities on the mirror surface can lead to errors.
Deshalb kann es gemäß der Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass der MEMS-Scanner als 2D-MEMS-Scanner mit einem um mehrere Achsen drehba ren oder schwenkbaren Spiegel ausgebildet ist. Bei grundsätzlich bekannten 2D-MEMS-Scannern wird ein einziger Spiegel durch geeignete Antriebe um zwei verschiedene Achsen gedreht, um ein zweidimensionales Bild zu erzeu gen. Fehler bei der Bilderzeugung können durch Verwendung eines derartigen 2D-MEMS-Scanners minimiert werden. Therefore, it can advantageously be provided according to the invention that the MEMS scanner is designed as a 2D MEMS scanner with a mirror that can be rotated or pivoted about several axes. In fundamentally known 2D MEMS scanners, a single mirror is rotated about two different axes by suitable drives in order to generate a two-dimensional image. Errors in image generation can be minimized by using such a 2D MEMS scanner.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass eine Kapselungswand des MEMS-Scanners als Anzeigekörper ausgebildet ist, wobei die Kapselungswand für die Bilderzeugung insbesondere einen planen Abschnitt oder einen kugelkalottenförmigen Abschnitt aufweist, dessen Kugel mittelpunkt mit einem Punkt zusammenfällt, in dem sich zwei Schwenkachsen eines MEMS-Spiegels schneiden. In vielen Fällen sind die beschriebenen MEMS-Scanner gekapselt und weisen eine wenigstens teilweise für die ver wendete Strahlung transparente Kapselungswand auf. Durch die Kapselung kann beispielsweise der Scanner vor Umwelteinflüssen geschützt werden, und der Raum, in dem sich der antreibbare Spiegel bewegt, kann beispielsweise auch evakuiert werden, um Luftreibungsverluste zu minimieren und die Aus lenkung des Spiegels zu optimieren. A further advantageous embodiment of the invention can provide that an encapsulation wall of the MEMS scanner is designed as a display body, the encapsulation wall for the image generation in particular having a planar section or a spherical cap-shaped section whose center point coincides with a point at which two pivot axes meet cut a MEMS mirror. In many cases, the MEMS scanners described are encapsulated and have an encapsulation wall that is at least partially transparent to the radiation used. The encapsulation can, for example, protect the scanner from environmental influences, and the space in which the drivable mirror moves can also be evacuated, for example, in order to minimize air friction losses and optimize the deflection of the mirror.
Ein Abschnitt der Kapselungswand kann dazu verwendet werden, als eine Art Mattscheibe zu dienen, um auf diesem Abschnitt die scannende Projektion derart zu erzeugen, dass sie von außerhalb der Kapselung erkennbar ist. Eine übliche Ausbildung der Kapselungswand als Mattscheibe, beispielsweise durch Aufrauen der Kapselungswand auf der Innen- oder Außenseite, wird dabei oft nicht ausreichen, da die mögliche erreichbare Auflösung durch die Verwen dung der Bessel-ähnlichen Strahlen die Auflösung einer solchen Mattscheibe übersteigen kann. Das Material der Kapselungswand sollte deshalb vorteilhaft eine Struktur aufweisen, die mit hoher Ortsauflösung eine Vorwärtsstreuung des einfallenden Lichts ermöglicht. Dazu kann die Kapselungswand beispiels weise mit einer phosphoreszierenden Substanz versetzt oder beschichtet, bei spielsweise auch mit einer phosphoreszierenden Folie beschichtet sein. Es ist jedoch auch jede andere Art der Beschaffenheit einer solchen Kapselungs wand, die eine hochauflösende Vorwärtsstreuung ermöglicht, denkbar. A section of the encapsulation wall can be used to serve as a kind of ground glass for the scanning projection on this section to be generated in such a way that it can be recognized from outside the enclosure. A conventional design of the enclosure wall as a ground glass, for example by roughening the enclosure wall on the inside or outside, is often not sufficient, since the possible resolution that can be achieved through the use of Bessel-like rays can exceed the resolution of such a ground glass. The material of the encapsulation wall should therefore advantageously have a structure that enables forward scattering of the incident light with high spatial resolution. For this purpose, the encapsulation wall can, for example, be mixed or coated with a phosphorescent substance, for example also coated with a phosphorescent film. However, any other type of nature of such an encapsulation wall that enables high-resolution forward scattering is also conceivable.
Die Form der Kapselungswand oder konkret des Abschnitts der Kapselungs wand, auf dem das Bild erzeugt werden kann, kann beispielsweise einer Ku gelkalotte entsprechen, deren Kugelmittelpunkt mit dem Punkt zusammen fällt, in dem sich zwei Schwenkachsen eines MEMS-Spiegels schneiden. In ei nem solchen Fall wird ein Bild erzeugt, das einfach zu berechnen ist und eine über die Bildausdehnung gleichmäßige Ortsauflösung aufweist. Es ist auch denkbar, einen planen Abschnitt der Kapselungswand zur Bildprojektion zu verwenden. Hierbei sind Verzerrungen des erzeugten Bildes bei Kenntnis der zugrunde liegenden Geometrie bei der Bilderzeugung, d. h. bei der Einstellung der jeweiligen Ablenkwinkel des MEMS-Scanners für einzelne Bildpunkte, ma thematisch in einfacher Form zu berücksichtigen. The shape of the encapsulation wall or specifically of the section of the encapsulation wall on which the image can be generated can, for example, correspond to a spherical cap whose center point coincides with the point at which two pivot axes of a MEMS mirror intersect. In such a case, an image is generated that is easy to calculate and has a uniform spatial resolution over the image extent. It is also conceivable to use a flat section of the encapsulation wall for image projection. In this case, distortions of the generated image if the underlying geometry is known during image generation, i.e. H. when setting the respective deflection angle of the MEMS scanner for individual pixels, mathematically to be taken into account in a simple form.
Bei Verwendung eines einzelnen Ablenkspiegels/MEMS-Spiegels, der nur um eine einzige Achse schwenkbar ist, kann auch ein zylindrisches oder halbzy lindrisches Kapselungsgehäuse vorgesehen werden oder ein zylindrischer Ab schnitt des Kapselungsgehäuses. Die Zylinderachse kann dann vorteilhaft pa rallel zu der Schwenkachse ausgerichtet sein. When using a single deflecting mirror / MEMS mirror that can only be pivoted about a single axis, a cylindrical or semi-cylindrical encapsulation housing can also be provided or a cylindrical section of the encapsulation housing. The cylinder axis can then advantageously be aligned parallel to the pivot axis.
Grundsätzlich ist noch zu bemerken, dass das Bild sowohl auf der Innenseite der Kapselungswand als auch auf der Außenseite oder auch in einer dazwi schen liegenden Schicht erzeugbar ist. Wird eine phosphoreszierende Substanz verwendet, so ist selbstverständlich die Wellenlänge der Bessel-ähnlichen Strahlen auf das Material derart abzu stellen, dass Phosphoreszenz erzeugt wird. In principle, it should also be noted that the image can be generated both on the inside of the encapsulation wall and on the outside or also in a layer lying in between. If a phosphorescent substance is used, it goes without saying that the wavelength of the Bessel-like rays should be placed on the material in such a way that phosphorescence is generated.
Da bei der erfindungsgemäßen Bilderzeugungseinrichtung Bessel-ähnliche Strahlen verwendet werden, die zumindest abschnittsweise in Abschnitten des Strahlverlaufs eine ringförmige Intensitätsverteilung aufweisen, kann eine solche ringförmige Intensitätsverteilung auch bei der Reflexion auf dem oder den MEMS-Spiegeln vorliegen, da die Strahlen erst hinter dem MEMS-Scanner auf den optimierten Strahldurchmesser komprimiert werden. Dies bedeutet, dass in vielen Fällen der zentrale Bereich des oder der MEMS-Spiegel für eine Reflexion nicht benötigt wird. Ein solcher Bereich kann zur Massereduktion des MEMS-Spiegels oder der MEMS-Spiegel deshalb ausgenommen werden. Eine solche Ausnehmung kann beispielsweise kreisrund oder auch elliptisch ausgebildet sein, wenn die Bessel-ähnlichen Strahlen unter einem flachen Winkel auf den MEMS-Spiegel fallen. Since Bessel-like beams are used in the image generating device according to the invention, which have an annular intensity distribution at least in sections in sections of the beam path, such an annular intensity distribution can also be present during the reflection on the MEMS mirror or mirrors, since the beams only behind the MEMS mirror. Scanner can be compressed to the optimized beam diameter. This means that in many cases the central area of the MEMS mirror or mirrors is not required for a reflection. Such an area can therefore be excluded to reduce the mass of the MEMS mirror or the MEMS mirrors. Such a recess can, for example, be circular or else elliptical if the Bessel-like beams strike the MEMS mirror at a flat angle.
Bessel-Strahlen Bessel rays
Bessel-Strahlen wurden 1987 theoretisch beschrieben und kurz darauf experi mentell erzeugt. Unter Bessel-Strahlen versteht man eine der Lösungen der Helmholtz-Gleichung, nämlich ein elektromagnetisches Feld, dessen Bessel rays were theoretically described in 1987 and experimentally generated shortly thereafter. Bessel rays are one of the solutions to the Helmholtz equation, namely an electromagnetic field whose
Amplitude mit einer Besselfunktion erster Art beschrieben wird. Im normalen Sprachgebrauch bezeichnet man den rotationssymmetrischen Spezialfall m = 0 als Bessel-Strahl oder genauer als Bessel-ähnlichen Strahl. Die Erzeugung von Bessel- Strahlen erfordert eine unendlich ausgedehnte ebene Welle, die in der Praxis nicht herzustellen ist. Im weiteren Text wird zum Teil der Ausdruck Bes sel-Strahlen verwendet, wobei Bessel-ähnliche Strahlen gemeint sind. Amplitude is described with a Bessel function of the first type. In normal usage, the rotationally symmetrical special case m = 0 is called a Bessel beam or, more precisely, a Bessel-like beam. The generation of Bessel rays requires an infinitely extended plane wave which cannot be produced in practice. In the following text, the term Bes sel rays is used in part, whereby Bessel-like rays are meant.
Für die Erzeugung von Bessel-Strahlen werden Laserstrahlen (Gauß-Strahlen oder gaußsche Strahlen) mit speziellen Linsen umgeformt. Anders als Laser strahlen mit einer gaußschen Charakteristik entstehen bei Bessel-Strahlen keine Beugungseffekte, und die Strahlgeometrie ändert sich bei ihrer Ausbrei tung nicht. Die ausnutzbaren Eigenschaften von Bessel-Strahlen sind, dass ihr Zentralmaximum eine hohe Strahldichte aufweist und dass dieses Zentralma ximum eine geringe radiale Ausdehnung besitzt. To generate Bessel beams, laser beams (Gaussian beams or Gaussian beams) are reshaped with special lenses. In contrast to laser beams with a Gaussian characteristic, Bessel beams do not have any diffraction effects and the beam geometry does not change as it propagates. The exploitable properties of Bessel rays are that you Central maximum has a high radiance and that this central maximum has a small radial extent.
Für die Herstellung von Bessel-ähnlichen Strahlen werden Gauß-Strahlen z. B. mit Hilfe von Axicons überlagert. Axicons sind konische, optische Bauele mente, die in spiegelnder oder in linsenförmiger, lichtbrechender Ausführung angewendet werden können. Axicons werden sowohl in konkaver wie auch in konvexer Form hergestellt. Sie können aus jedem geeigneten, optischen Ma terial bestehen (geeignet im Hinblick auf Wellenlänge, Laserleistung, u. a.). So wohl in spiegelnder als auch in linsenförmiger Ausführung erzeugen Axicons in der Fernfeldnäherung ringförmige Strahlprofile, sobald ein Laserstrahl bei spielsweise kollinear oder annähernd kollinear zur optischen Achse eines Axi cons eingestrahlt wird. Die Ringweite des ringförmigen Strahls ergibt sich dann näherungsweise als die Hälfte des Durchmessers des gaußschen Ein gangsstrahls. Verwendet man entweder weitere Axicons oder Linsen auf der optischen Achse, so lassen sich Strahlprofile mit unterschiedlicher Geometrie hersteilen. For the production of Bessel-like beams, Gaussian beams z. B. superimposed with the help of axicons. Axicons are conical, optical compo elements that can be used in a reflective or lens-shaped, refractive design. Axicons are made in both concave and convex shapes. They can be made of any suitable optical material (suitable in terms of wavelength, laser power, etc.). In both reflective and lens-shaped versions, axicons generate ring-shaped beam profiles in the far-field approach as soon as a laser beam is irradiated in, for example, collinear or approximately collinear to the optical axis of an axi cons. The ring width of the ring-shaped beam is then approximately half the diameter of the Gaussian input beam. If either additional axicons or lenses are used on the optical axis, beam profiles with different geometries can be produced.
Für die Anwendung von Axicons in der hier beschriebenen Vorrichtung ist aus schlaggebend, dass die Art der erzeugten Bessel-Strahlen im Wesentlichen vom Axicon-Winkel abhängt, der die Strahlgeometrie definiert. For the use of axicons in the device described here, it is crucial that the type of Bessel beams generated depends essentially on the axicon angle that defines the beam geometry.
In gleicher Weise, wie dies z. B. für Laserstrahlen in der Augenchirurgie durch geführt wird, werden zur Herstellung eines kollimierten Strahls mit ringförmi ger Intensitätsverteilung zwei Axicons miteinander kombiniert. Der Abstand der beiden Axicons definiert dann den Durchmesser der ringförmigen Intensi tätsverteilung. Für die Erzeugung von Bessel-Strahlen oder konkreten Bessel- ähnlichen Strahlen gilt dann auch, dass deren laterale Verteilung und deren Tiefe von dem Eingangsdurchmesser abhängen. Es ist eine bekannte Praxis, Axicons auch mit verschiedenen optischen Linsen zu kombinieren, die zur De finition der Strahlgeometrie dienen (z. B. als Beam-Expander). In the same way as this z. B. for laser beams in eye surgery is performed, two axicons are combined to produce a collimated beam with ringförmi ger intensity distribution. The distance between the two axicons then defines the diameter of the annular intensity distribution. For the generation of Bessel rays or specific Bessel-like rays it then also applies that their lateral distribution and their depth depend on the entrance diameter. It is a well-known practice to combine axicons with various optical lenses that are used to define the beam geometry (e.g. as a beam expanders).
Zur Erzeugung von Bessel-Strahlen dienen jedoch nicht nur Axicons. Eine alter native Herstellungsmethode besteht darin, einen kollimierten Laserstrahl durch einen Ringspalt mit geeignetem Durchmesser fallen zu lassen. An die sem Ringspalt wird der Laserstrahl gebeugt. Eine Linse mit einer Brennweite, die näherungsweise dem Abstand zum Ringspalt entspricht, kollimiert die ringförmige Intensitätsverteilung und erzeugt somit einen Bessel-ähnlichen Strahl. However, not only axicons are used to generate Bessel rays. An alternative manufacturing method is to let a collimated laser beam fall through an annular gap with a suitable diameter. The laser beam is bent at this annular gap. A lens with a focal length, which corresponds approximately to the distance to the annular gap, collimates the annular intensity distribution and thus generates a Bessel-like beam.
MEMS-Scanner MEMS scanner
Für Anwendungen der hier vorliegenden Erfindung bietet sich die Bilderzeu gung mit 2D-MEMS-Scannern an. Solche Scanner werden beispielsweise in den folgenden Dokumenten beschrieben: For applications of the present invention, the generation of images with 2D MEMS scanners is ideal. Such scanners are described, for example, in the following documents:
- DE 199 41 363 B4: Verfahren zur Herstellung eines Mikroaktorbauteils;- DE 199 41 363 B4: method for producing a microactuator component;
- DE 10 2004 060576 B4: optisch-elektronisches Laser-Scanverfahren und Anordnung zu dessen Betrieb; - DE 10 2004 060576 B4: optical-electronic laser scanning method and arrangement for its operation;
- DE 10 2006 058536 B3: Mikrospiegel-Aktuator mit Kapselungsmöglich keit sowie Verfahren zur Herstellung; - DE 10 2006 058536 B3: micromirror actuator with encapsulation possibility and method of production;
- EP 2102 096 Bl: hermetisches Wafer-Level Package für mobil ersetz bare optische MEMS; - EP 2102 096 B1: hermetic wafer-level package for mobile replaceable optical MEMS;
- DE 10 2008 012384 Al: geometrische Reflexionsunterdrückung an ver kapselten Mikrospiegeln; - DE 10 2008 012384 A1: geometric reflection suppression on encapsulated micromirrors;
- EP 2514 211 Bl: Verfahren und Vorrichtung zur ein- oder mehrachsi gen Strahlablenkung; - EP 2514 211 Bl: Method and device for single or multi-axis beam deflection;
- EP 2828 701 Bl: mikromechanischer Spiegel Aktuator für die Ablen kung hoher Laserleistung; - EP 2828 701 B1: micromechanical mirror actuator for deflecting high laser power;
- DE 10 2013 206396 Al: resonante Mikrospiegel-Aktuator mit großer Oszillations-Amplitude. - DE 10 2013 206396 A1: resonant micromirror actuator with large oscillation amplitude.
Die 2D-Scanner unterliegen hinsichtlich ihrer Ausführungsform und ihrer An triebsart keiner Einschränkung. The 2D scanners are not subject to any restrictions with regard to their embodiment and their mode of operation.
MEMS-Scanner können beispielsweise elektrostatisch, piezoelektrisch, mag netisch, mechanisch oder anders angetrieben werden. Es muss lediglich si chergestellt sein, dass eine genügend genaue Messmethode für die Winkel stellung in beide Richtungen vorgesehen ist. Ein vorteilhafter Gesichtspunkt bei der Auswahl eines 2D-Scanners ist, dass beide Torsionsachsen in einer Ebene liegen und dass es daher einen gemeinsamen Pivotpunkt für die Aus lenkungen in zwei unabhängigen Richtungen gibt. MEMS scanners can, for example, be driven electrostatically, piezoelectrically, magnetically, mechanically or in some other way. It only has to be ensured that a sufficiently precise measuring method is provided for the angular position in both directions. An advantageous aspect when choosing a 2D scanner is that both torsion axes in one Lie level and that there is therefore a common pivot point for the deflections in two independent directions.
Ein Aufbau, der zwei 1D-Scanner verwendet und damit auch den angestrebten Raumwinkelbereich abdeckt, ist ebenfalls möglich, aber aus geometrischen Gründen in einigen Anwendungen weniger vorteilhaft. A structure that uses two 1D scanners and thus also covers the desired solid angle range is also possible, but less advantageous in some applications for geometric reasons.
Die Scanfrequenzen auf beiden Achsen richten sich nach der Anwendung. 2D-MEMS-Scanner, die derzeit hergestellt werden, erreichen Oszillationsfre quenzen z. B. von einigen 100 Hz auf einer Achse bis zu einigen 10 kHz auf der anderen Achse. Es können aber auch 2D-MEMS-Scanner mit gleichen oder ähnlichen Scanfrequenzen in beiden Schwingungsrichtungen verwendet wer den. Die Frequenzen der beiden Achsen definieren die maximale Wiederhol rate, mit der ein Volumen ausgeleuchtet wird. The scan frequencies on both axes depend on the application. 2D MEMS scanners that are currently being manufactured can reach Oszillationsfre frequencies z. B. from a few 100 Hz on one axis to a few 10 kHz on the other axis. However, 2D MEMS scanners with the same or similar scan frequencies in both directions of vibration can also be used. The frequencies of the two axes define the maximum repetition rate with which a volume is illuminated.
Die Voraussetzung für die Bilderzeugung ist zu jedem Zeitpunkt während der Bilderzeugung die genaue Kenntnis der Winkelstellung des Scanners in beiden Achsen. Beispielsweise stehen für die Messung der Winkelstellung kapazitive Auslesemethoden, optische positionsempfindliche Detektoren, Dehnungs messstreifen, piezoelektrische Methoden und weitere Methoden zur Verfü gung. The prerequisite for image generation is precise knowledge of the angular position of the scanner in both axes at all times during image generation. For example, capacitive readout methods, optical position-sensitive detectors, strain gauges, piezoelectric methods and other methods are available for measuring the angular position.
Glaskapselung/Vakuumkapselung Glass encapsulation / vacuum encapsulation
Es stehen verschiedene Konstruktionen und Verfahren zum vakuumdichten Abdecken von MEMS-Spiegeleinheiten zur Verfügung. Ein beispielhaftes Ver fahren zur Herstellung einer MEMS-Spiegelanordnung, bei der ein transparen ter Deckel mit einem Trägersubstrat, an dem ein um mindestens eine Achse schwingender Spiegel aufgehängt ist, hermetisch dicht verschlossen wird, weist folgende Schritte auf: Various constructions and methods are available for the vacuum-tight covering of MEMS mirror units. An exemplary process for the production of a MEMS mirror arrangement, in which a transparen ter cover with a carrier substrate on which a mirror oscillating about at least one axis is suspended, is hermetically sealed, has the following steps:
- Bereitstellen eines Siliziumwafers, - Provision of a silicon wafer,
- Strukturieren des Siliziumwafers derart, dass eine Mehrzahl von Ver tiefungen hergestellt werden, die jeweils der Grundfläche des Deckels entsprechen, - Aufbonden eines Deckelwafers aus glasartigem Material auf den strukturierten Siliziumwafer, wobei ein Inertgas bei einem vorgegebe nen Druck in den durch die Vertiefungen und den Deckelwafer gebilde ten Kavitäten eingeschlossen wird, - Structuring the silicon wafer in such a way that a plurality of depressions Ver are produced, each corresponding to the base area of the lid, - Bonding of a cover wafer made of vitreous material onto the structured silicon wafer, an inert gas being enclosed at a given pressure in the cavities formed by the depressions and the cover wafer,
- Tempern des Verbundes aus Siliziumwafer und Deckelwafer derart, dass durch die Expansion des eingeschlossenen Inertgases eine Mehr zahl von Kuppeln gebildet wird, - Annealing the composite of silicon wafer and cover wafer in such a way that the expansion of the enclosed inert gas forms a plurality of domes,
- nach Abkühlen des Verbundes aus Siliziumwafer und Deckelwafer teil weises oder vollständiges Entfernen des Siliziumwafers, - After the composite of silicon wafer and cover wafer has cooled, partial or complete removal of the silicon wafer,
- Anordnen eines Spiegelwafers, der eine Mehrzahl von am Trägersub strat aufgehängten Spiegeln umfasst, zu dem Deckelwafer derart, dass die Spiegelmitten jeweils im Mittelpunkt der Kuppeln liegen, - Arranging a mirror wafer, which comprises a plurality of mirrors suspended on the carrier substrate, to the cover wafer in such a way that the mirror centers are each in the center of the domes,
- Fügen und hermetisch dichtes Verschließen des Deckelwafers mit dem Spiegelwafer, - Joining and hermetically sealed sealing of the lid wafer with the mirror wafer,
- Vereinzeln des Verbundes aus Deckelwafer und Spiegelwafer in - Separation of the composite of lid wafer and mirror wafer in
einzelne verkappte MEMS-Spiegelanordnungen. individual capped MEMS mirror assemblies.
Bei einem anderen Verfahren wird anstelle des Siliziumwafers ein Werkzeug verwendet, das aus einem ein Ankleben eines heißen glasartigen Materials verhindernden Material besteht oder das mit einem ein Ankleben eines hei ßen glasartigen Materials verhindernden Material beschichtet ist. Dieses Werkzeug ist oder wird mit Durchgangsöffnungen versehen. Ein Deckelwafer aus glasartigem Material wird auf das mit Durchgangsöffnungen versehene Werkzeug aufgelegt, und es wird ein Unterdrück auf der vom Deckelwafer ab gewandten Seite angelegt. Das Tempern des Verbundes aus Werkzeug und Deckelwafer erfolgt bei atmosphärischen Bedingungen derart, dass durch An saugen des Deckelwafers in die Durchgangsöffnungen aufgrund des Unter drucks eine Mehrzahl von Kuppeln gebildet wird. Nach Abkühlen des Verbun des aus Werkzeug und Deckelwafer wird das Werkzeug entfernt. Die weiteren Schritte entsprechen denen des vorher angegebenen Verfahrens. Bildschirm, Mattscheibe In another method, instead of the silicon wafer, a tool is used which consists of a material preventing a hot glass-like material from sticking or which is coated with a material preventing a hot glass-like material from sticking. This tool is or will be provided with through openings. A lid wafer made of vitreous material is placed on the tool provided with through openings, and a negative pressure is applied to the side facing away from the lid wafer. The tempering of the assembly of tool and lid wafer takes place under atmospheric conditions in such a way that a plurality of domes is formed by sucking the lid wafer into the through openings due to the negative pressure. After the composite of the tool and lid wafer has cooled, the tool is removed. The further steps are the same as in the previously specified procedure. Screen, focusing screen
Es ist möglich, mit der vorgeschlagenen Einrichtung ein reelles Bild zu erzeu gen, das nachfolgend z. B. mit einer entsprechenden Projektionsoptik auf ei nen Schirm projiziert wird. Die einfachste Möglichkeit, ein derartiges Bild zu erzeugen, ist die Verwendung einer Mattscheibe, wie sie in der Vergangenheit in der Fotografie üblich war. Die Mattscheibe wird entweder auf der Innen seite oder der Außenseite der Glasverkapselung des MEMS-Scanners herge stellt, um dort ein reelles Bild zu erzeugen. Vor dem Hintergrund jedoch, dass das reelle Bild mit Hilfe scannender Bessel-Strahlen erzeugt werden soll, also mit Strahlen besonders hoher lateraler Auflösung, nutzt die Korngröße bzw. die Körnigkeit von üblichen Mattscheiben die verfügbare Auflösung nicht voll aus. Die mit Bessel-Strahlen mögliche Pixelauflösung wäre bei der Verwen dung von Mattscheiben reduziert. It is possible to generate a real picture with the proposed device, the following z. B. is projected with a corresponding projection optics on egg NEN screen. The easiest way to create such an image is to use a focusing screen, as was common in photography in the past. The focusing screen is either on the inside or the outside of the glass encapsulation of the MEMS scanner in order to generate a real image there. Against the background, however, that the real image is to be generated with the aid of scanning Bessel rays, i.e. with rays of particularly high lateral resolution, the grain size or the granularity of conventional focusing screens does not fully utilize the available resolution. The pixel resolution possible with Bessel beams would be reduced when using focusing screens.
Abhängig von der spezifischen Anwendung der Vorrichtung ist es auch möglich, eine phosphoreszierende Schicht auf einer der Oberflächen des Glas körpers der Vakuumkapselung aufzubringen. Die phosphoreszierende Schicht wird typischer Weise mit "blauem" Laserlicht bestrahlt. Ein bekannter Konver sionsprozess in der phosphoreszierenden Schicht führt dazu, dass daraus Licht mit größeren Wellenlängen emittiert wird. Depending on the specific application of the device, it is also possible to apply a phosphorescent layer to one of the surfaces of the glass body of the vacuum encapsulation. The phosphorescent layer is typically irradiated with "blue" laser light. A well-known conversion process in the phosphorescent layer results in light with greater wavelengths being emitted from it.
Seit einigen Jahren existiert eine Projektionsoberfläche, die als "transparent fluorescent film" oder auch "superimaging film" bezeichnet wird ("transpa rente Fluoreszenzfolie"). Diese Folie besteht im Wesentlichen aus Nano-Parti- keln, die aufgrund des kleinen Durchmessers der Partikel im sichtbaren Wel lenlängenbereich transparent sind. Wenn diese Folie mit Laserlicht z. B. der Wellenlänge von 405 nm beleuchtet wird, dann emittiert die Folie in alle Rich tungen und bei größeren Wellenlängen, z. B. blau oder rot, inkohärentes Licht. Ein Bessel-Strahl, der von dem in zwei Richtungen schwingenden MEMS-Scan- ner reflektiert wird und einen Flächenabschnitt der Vakuumkapselung über streicht, projiziert auf diese Weise ein Bild auf diesen kleinen Bildschirm. For some years there has been a projection surface called "transparent fluorescent film" or also "superimaging film" ("transparent fluorescent film"). This film essentially consists of nano-particles, which are transparent in the visible wavelength range due to the small diameter of the particles. If this film with laser light z. B. the wavelength of 405 nm is illuminated, then the film emits lines in all Rich and at larger wavelengths, z. B. blue or red, incoherent light. A Bessel beam, which is reflected by the MEMS scanner oscillating in two directions and sweeps over a surface section of the vacuum encapsulation, projects an image onto this small screen in this way.
Die Erzeugung eines Bildes durch Scannen eines Laserstrahls oder eines Bes- sel-Strahls, der z. B. durch einen 2D-MEMS-Scanner abgelenkt wird, und bei dem das Bild z.B. aus 2000 x 1000 Pixeln besteht, erfordert eine präzise De tektion der momentanen Winkelstellung des MEMS-Spiegels in den zwei Scan richtungen. The generation of an image by scanning a laser beam or a Besel beam, e.g. B. is deflected by a 2D MEMS scanner, and at because the image consists of 2000 x 1000 pixels, for example, requires precise detection of the current angular position of the MEMS mirror in the two scanning directions.
Die Erfassung der Winkelposition kann durch verschiedene Methoden durch geführt werden. Dazu zählen u. a. kapazitive Messungen von einander gegen überstehenden, leitfähigen Oberflächen, optische Messungen, piezoelektri sche Messungen, oder Messungen mit Dehnungsmesstreifen. The acquisition of the angular position can be carried out by various methods. These include u. a. capacitive measurements of opposing, conductive surfaces, optical measurements, piezoelectric measurements, or measurements with strain gauges.
Abhängig von der momentanen Winkelstellung des MEMS-Spiegels wird die Leistung des Lasers eingestellt, so dass beleuchtete Pixel an den gewünschten Positionen auf einem Bildschirm sichtbar werden. Um dies zu erreichen, wird die Laserleistung als Funktion der Winkelstellungen in beiden Schwenkrichtun gen des Spiegels gesteuert. Hierfür ist eine Steuerung oder Regelung vorgese hen, die die Position des 2D-MEMS-Scanners mit der Laserleistung in Verbin dung bringt, um mit hoher Ortsauflösung die Pixelintensität zu definieren. Depending on the current angular position of the MEMS mirror, the power of the laser is adjusted so that illuminated pixels are visible at the desired positions on a screen. To achieve this, the laser power is controlled as a function of the angular positions in both pivot directions of the mirror. For this purpose, a control or regulation is provided that brings the position of the 2D MEMS scanner in conjunction with the laser power in order to define the pixel intensity with high spatial resolution.
Bei der erfindungsgemäßen Bilderzeugungseinrichtung kann genutzt werden, dass für viele Anwendungen MEMS-Scanner mit einer Vakuumkapselung aus gestattet sind. Dabei kann die Glasoberflächen der Vakuumkapselung ausge nutzt werden, um darauf ein reelles Bild zu erzeugen. In the case of the image generating device according to the invention, use can be made of the fact that MEMS scanners are equipped with vacuum encapsulation for many applications. The glass surfaces of the vacuum encapsulation can be used to create a real image on it.
Die hohe Pixelauflösung wird erreicht, indem mit bekannten Methoden ein Bessel-Strahl erzeugt wird, der von dem MEMS-Scanner in seinen beiden Rich tungen zeitlich abhängig reflektiert wird und einen Teil des Glaskörpers der Vakuumkapselung als Anzeigekörper beleuchtet. The high pixel resolution is achieved by using known methods a Bessel beam that is reflected by the MEMS scanner in both directions over time and illuminates part of the glass body of the vacuum enclosure as a display body.
Um auf einer Oberfläche des Anzeigekörpers ein reelles Bild zu erzeugen, ist es vorteilhaft, diese Oberfläche in ihren optischen Eigenschaften zu gestalten. Oberflächeneigenschaften von Vakuumkapselungen der MEMS-Scanner kön nen dergestalt verändert werden, dass mit dem transparenten Material, z. B. Glas, Saphir, oder Quarz, ein reelles Bild erzeugt werden kann. Dafür stehen verschiedene, existierende Möglichkeiten offen. In order to generate a real image on a surface of the display body, it is advantageous to design this surface in terms of its optical properties. Surface properties of the vacuum encapsulation of the MEMS scanner can be changed in such a way that the transparent material, e.g. B. glass, sapphire, or quartz, a real image can be generated. Various existing options are available for this.
Zunächst soll betont werden, dass die Oberflächenveränderungen nur in dem Abschnitt der Vakuumkapselung ausgeführt werden soll, auf dem das reelle Bild entstehen soll. Der Bereich der Vakuumkapselung, durch den die Laser strahlen vor der Reflexion durch den MEMS-Spiegel durchtreten, soll frei von Veränderungen und möglichst transparent bleiben. Die Oberflächenver änderungen oder -ergänzungen, die hier angesprochen werden, umfassen bei spielsweise die Ausbildung einer Mattscheibe, das Aufbringen von First of all, it should be emphasized that the surface changes should only be carried out in the section of the vacuum encapsulation on which the real Picture should arise. The area of the vacuum encapsulation through which the lasers pass before being reflected by the MEMS mirror should remain free of changes and as transparent as possible. The surface changes or additions that are addressed here include, for example, the formation of a ground glass screen, the application of
phosphoreszierenden Materialien und das Aufbringen einer transparenten fluoreszierenden Folie. phosphorescent materials and the application of a transparent fluorescent film.
Tatsächlich lässt sich auch auf einer völlig transparenten Oberfläche ein reel les Bild erzeugen, so dass die einfache Glasoberfläche der Vakuumkapselung als Bildschirm in manchen Fällen ausreicht. Bei dieser Ausgestaltung entsteht jedenfalls ein gescanntes, reelles Bild auf beiden Oberflächen des Glaskörpers, und diese Doppelbilder können für die Anwendung hinderlich sein. Immerhin wird auf diese Weise die Bildauflösung verschlechtert. Die einfachste Möglich keit mit einer Präparation der Oberfläche besteht darin, diese so zu behan deln, dass daraus eine Mattscheibe entsteht. Dabei kann ausgewählt werden, welche der beiden Oberflächen des Glaskörpers als Mattscheibe ausgeführt wird. Auf diese Weise ist es grundsätzlich möglich, ein reelles Bild zu erzeu gen. Die Auflösung, die mit einer Mattscheibe, wie sie in der Vergangenheit in der Fotografie z. B. mit Systemkameras üblich war, ist jedoch suboptimal. Un ter der Voraussetzung, dass ein geeignetes Material zur Ausstattung einer Oberfläche der Vakuumkapselung des MEMS-Bauelements gefunden ist, be steht eine der vielversprechendsten Anwendungen der Erfindung darin, das auf dieser Oberfläche entstehende Bild mit einer geeigneten Projektionsoptik auf einen großen Bildschirm zu projizieren. In fact, a real image can also be generated on a completely transparent surface, so that the simple glass surface of the vacuum encapsulation is sufficient as a screen in some cases. With this configuration, a scanned, real image is created on both surfaces of the glass body, and these double images can be a hindrance to use. After all, the image resolution is deteriorated in this way. The easiest way to prepare the surface is to treat it so that it becomes a screen. You can choose which of the two surfaces of the glass body is designed as a ground glass. In this way, it is basically possible to generate a real image. The resolution obtained with a focusing screen, as used in photography in the past, for example. B. was common with system cameras, but is suboptimal. Provided that a suitable material for equipping a surface of the vacuum encapsulation of the MEMS component has been found, one of the most promising applications of the invention is to project the image on this surface onto a large screen with suitable projection optics.
Für die Erzeugung von Bessel-Strahlen stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Die Verwendung von reflektierenden oder linsenartigen Axicons bzw. Kombinationen dieser Axicons ist eine bekannte und verwendete Vorge hensweise. Alternativ können Bessel-Strahlen auch dadurch hergestellt wer den, dass ein Laserstrahl durch einen Ringspalt tritt und dass hinter dem Spalt entstehende Beugungsmuster mit einer geeigneten Linse fokussiert wird, so dass Bessel-Strahlen entstehen. Die Erfindung ist jedoch unabhängig von der Erzeugungsmethode der Bessel-Strahlen. Die im Vordergrund stehende Anwendung der Erfindung besteht darin, auf ei ner der Oberflächen der Vakuumkapselung eines 2D-MEMS-Scanners ein reel les Bild zu erzeugen, das anschließend mit einer Projektionsoptik auf einen Bildschirm projiziert wird. Various methods are available for generating Bessel rays. The use of reflective or lens-like axicons or combinations of these axicons is a known and used procedure. Alternatively, Bessel rays can also be produced in that a laser beam passes through an annular gap and that diffraction patterns arising behind the gap are focused with a suitable lens, so that Bessel rays are created. However, the invention is independent of the method of generating the Bessel rays. The main application of the invention consists in generating a real image on one of the surfaces of the vacuum encapsulation of a 2D MEMS scanner, which is then projected onto a screen using projection optics.
Es ist wichtig, hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf 2D-MEMS-Scanner beschränkt ist. Anwendungen, für die nur ein 1D-MEMS-Scanner erforderlich ist, sind ebenfalls mit umfasst. It is important to emphasize that the invention is not limited to 2D MEMS scanners. Applications that only require a 1D MEMS scanner are also included.
Typische Projektionsoptiken, die ein kleines, reelles Bild in der Größenord nung von wenigen Quadratzentimetern in einem Abstand einiger Meter mit Projektionsflächen einiger Quadratmeter projiziert wurden in der Vergangen heit in Diaprojektoren und heutzutage in "Beamern" verwendet. Sie bestehen aus einer Kombination geeigneter Linsen, deren optische Eigenschaften der Aufgabenstellung angepasst sind. Mit einem derartigen Aufbau stellt die Erfin dung eine Alternative und einen Ersatz für derzeitige "Beamer" dar, bei denen die Bilderzeugung z. B. mit DLPs und einer Projektionsoptik erfolgt. Typical projection optics that project a small, real image on the order of a few square centimeters at a distance of a few meters with projection surfaces of a few square meters were used in the past in slide projectors and now in "projectors". They consist of a combination of suitable lenses whose optical properties are adapted to the task at hand. With such a structure, the inven tion is an alternative and a replacement for current "projectors", in which the image generation z. B. is done with DLPs and projection optics.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figu ren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt In the following, the invention is shown using exemplary embodiments in Figu Ren a drawing and explained below. It shows
Fig. 1 einen optischen Aufbau zur Erzeugung Bessel-ähnlicher Fig. 1 shows an optical structure for generating Bessel-like
Strahlen, Rays,
Fig. 2 eine berechnete Verteilung der Strahldichte von Bessel-Strah- len, 2 shows a calculated distribution of the radiance of Bessel rays,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes mittels Bessel-ähnlicher Strahlen auf einer sphärischen Glaskuppel, 3 shows a sectional view of a device for generating a real image by means of Bessel-like beams on a spherical glass dome,
Fig. 4 eine perspektivischer Darstellung einer Einrichtung zur Erzeu gung eines reellen Bildes entsprechend Figur 3, 4 shows a perspective illustration of a device for generating a real image corresponding to FIG. 3,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes mittels gescannter Bessel-ähnlicher Strahlen auf einem Bildschirm außerhalb der Kapselung eines MEMS-Spie- gels, 5 shows a sectional view of a device for generating a real image by means of scanned Bessel-like beams a screen outside the encapsulation of a MEMS mirror,
Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf der Kapselungswand einer planaren Vakuum verkapselung eines MEMS-Bauelements, 6 shows a sectional illustration of a device for generating a real image on the encapsulation wall of a planar vacuum encapsulation of a MEMS component,
Fig. 7 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf einem Bildschirm außerhalb einer planaren Vakuumverkapselung eines MEMS-Bauelements, 7 shows a sectional illustration of a device for generating a real image on a screen outside a planar vacuum encapsulation of a MEMS component,
Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf einer planaren, zum Winkel des MEMS-Bau elements schräg gestellten Kapselungswand, Fig. 8 is a sectional view of a device for generating a real image on a planar encapsulation wall inclined to the angle of the MEMS component,
Fig. 9 eine Darstellung analog zu Figur 8, wobei das Bild auf einem FIG. 9 shows a representation analogous to FIG. 8, the image on a
Bildschirm jenseits der schräg gestellten Kapselungswand er zeugt wird, Screen beyond the inclined enclosure wall it is generated,
Fig. 10 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf einer sphärisch geformten Kapselungswand eines MEMS-Elements, deren Mittelpunkt gegenüber dem Pivotpunkt des MEMS-Spiegels verschoben ist, 10 shows a sectional illustration of a device for generating a real image on a spherically shaped encapsulation wall of a MEMS element, the center of which is shifted with respect to the pivot point of the MEMS mirror,
Fig. 11 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf einer Kapselungswand mit irregulärer Ober flächenform, 11 shows a sectional illustration of a device for generating a real image on an encapsulation wall with an irregular surface shape,
Fig. 12 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Bilderzeugung mit tels gescannter Bessel-ähnlicher Strahlen, wobei die Erzeugung der Bessel-ähnlichen Strahlen mittels Glaskörper-Axicons er folgt, sowie Fig. 12 is a sectional view of a device for generating images by means of scanned Bessel-like beams, the Bessel-like beams being generated by means of vitreous axicons, and also
Fign. IBa-c mögliche Ausführungsformen von Spiegeln eines MEMS-Scan- ners mit Aussparungen. Zur Herstellung von Bessel-Strahlen werden in der ersten Ausführungsform spiegelnde Axicons verwendet, die, wie in Figur 1 gezeigt, so aufgebaut sind, dass sie die Überlagerung von Gauß-Strahlen ermöglichen. Ein gaußscher Strahl 1 durchläuft eine Strahlformungsoptik 2, mit der in erster Linie sein Durchmesser und seine Strahldivergenz eingestellt werden (die Strahlfor mungsoptik ist in Figur 1 nur symbolisch dargestellt). Nach Durchtritt durch die Öffnung S in dem Bauelement 5 trifft der Strahl 1 auf den konisch geformten Spiegel 4, der als "Axicon" bezeichnet wird. Im mathematischen Sinn ist der konisch geformte Spiegel ein Kegel. Die optische Funktion des ko nisch geformten Spiegels ist es, den gaußschen Strahl 1 zu reflektieren, so dass nach der Reflexion ein ringförmiger Strahlquerschnitt entsteht. In diesem Sinn ist es vorteilhaft, dass der gaußsche Strahl auf der optischen Achse (Kege lachse) des Axicons verläuft. Figs. IBa-c possible embodiments of mirrors of a MEMS scanner with cutouts. To produce Bessel rays, specular axicons are used in the first embodiment which, as shown in FIG. 1, are constructed in such a way that they allow the superposition of Gaussian rays. A Gaussian beam 1 passes through beam-shaping optics 2 with which primarily its diameter and beam divergence are set (the beam-shaping optics are only shown symbolically in FIG. 1). After passing through the opening S in the component 5, the beam 1 hits the conically shaped mirror 4, which is referred to as the "axicon". In a mathematical sense, the conical mirror is a cone. The optical function of the conically shaped mirror is to reflect the Gaussian beam 1, so that an annular beam cross-section is created after the reflection. In this sense, it is advantageous that the Gaussian beam runs on the optical axis (cone axis) of the axicon.
Ein weiteres spiegelndes Axicon 5 ist derart in dem Strahlengang angeordnet, dass die ringförmige Intensitätsverteilung des Strahls 1 nach der Reflexion am Axicon 4 vollständig von der konischen Oberfläche des Axicons 5 reflektiert wird. Eine wesentliche Voraussetzung für die Funktionsweise der Anordnung ist, dass die beiden optischen Achsen 6 der beiden Axicons 4 und 5 ideal kolli- near sind. Das Axicon 5 reflektiert die ringförmige Intensitätsverteilung in die Richtung der optischen Achse 6. Die Geometrie der Anordnung muss vorse hen, dass das Axicon 4 nicht im Strahlengang der durch das Axicon 5 kollimier- ten ringförmigen Intensitätsverteilung steht. In einem Abstand, der von den Reflexionswinkeln der Axicons4 und 5 abhängt, wird die ringförmige Intensi tätsverteilung in dem Volumen 7 überlagert. Another reflective axicon 5 is arranged in the beam path in such a way that the ring-shaped intensity distribution of the beam 1 is completely reflected by the conical surface of the axicon 5 after the reflection on the axicon 4. An essential prerequisite for the functioning of the arrangement is that the two optical axes 6 of the two axicons 4 and 5 are ideally collinear. The axicon 5 reflects the ring-shaped intensity distribution in the direction of the optical axis 6. The geometry of the arrangement must ensure that the axicon 4 is not in the beam path of the ring-shaped intensity distribution collimated by the axicon 5. At a distance that depends on the angle of reflection of the axicons 4 and 5, the annular Intensi ity distribution in the volume 7 is superimposed.
Die summierte Baulänge der Elemente 2, 3, 4, 5, 6 und 7 beträgt bei der in Fig.l gezeigten Simulation ca. 15 - 20 mm, und der Eingangsdurchmesser des Laserstrahls 1 ist hier beispielsweise 1 mm. The total length of elements 2, 3, 4, 5, 6 and 7 is approx. 15-20 mm in the simulation shown in FIG. 1, and the entrance diameter of the laser beam 1 is here, for example, 1 mm.
Die berechnete Intensitätsverteilung, die sich aus der Überlagerung der ring förmigen Lichtverteilung im Volumen 7 ergibt, ist in Figur 2 dargestellt. Die Rechnung beruht auf idealen Voraussetzungen dergestalt, dass z. B. mit exakt einer Wellenlänge ohne Bandbreite simuliert wurde. Weiterhin besitzt der Eingangsstrahl eine ideale Phase und ebene Wellenfronten. In der Darstellung ist die simulierte Strahldichte als Funktion der lateralen Ausdehnung und der axialen Position in Richtung der Achse 6 innerhalb des Volumens 7 gezeigt. The calculated intensity distribution that results from the superposition of the ring-shaped light distribution in the volume 7 is shown in FIG. The calculation is based on ideal conditions such that z. B. was simulated with exactly one wavelength without bandwidth. Furthermore, the input beam has an ideal phase and flat wave fronts. In the representation the simulated radiance is shown as a function of the lateral extent and the axial position in the direction of the axis 6 within the volume 7.
Figur 2 zeigt die theoretische Strahldichteverteilung der Bessel-Strahlen, die mit dem in Figur 1 gezeigten Aufbau erzielt wird. Die wesentliche Eigenschaft der Bessel-Strahlen für die oben beschriebene Aufgabenstellung ist deren in der Simulation gefundenen laterale Ausdehnung von wenigen miti für das Zentralmaximum und einigen Nebenmaxima mit Intensitäten von weniger als 10 % der Intensität des Zentralmaximums. Zusätzlich erkennt man in Figur 2, dass das Zentralmaximum entlang der optischen Achse nur eine relativ ge ringe Variation der Intensität aufweist. FIG. 2 shows the theoretical beam density distribution of the Bessel beams, which is achieved with the structure shown in FIG. The essential property of the Bessel rays for the task described above is their lateral extension found in the simulation of a few miti for the central maximum and some secondary maxima with intensities of less than 10% of the intensity of the central maximum. In addition, it can be seen in FIG. 2 that the central maximum along the optical axis has only a relatively small variation in intensity.
In Figur 3 ist als Schnittzeichnung der erfindungsgemäße Aufbau zur Erzeu gung von Bessel-Strahlen und deren Projektion auf eine Kugeloberfläche ge zeigt. Ein Laser la als Strahlungsquelle mit einem (gaußschen) Laserstrahl 1 wird mit einer Strahlformungsoptik 2 hinsichtlich seines Durchmessers und seiner Divergenz eingestellt. Die Lasereinheit la kann auch aus einer Kombi nation von Lasern bestehen, die die notwendigen Bedingungen für die Erzeu gung eines reellen Bildes erfüllen. Nach Durchtritt durch die Öffnung 3 trifft der Laserstrahl auf das erste Axicon 4. Die vom Axicon 4 reflektierten Strahlen bilden eine ringförmige Intensitätsverteilung und treffen dann auf das zweite Axicon 5. Die optischen Achsen der Axicons 4 und 5 sind kollinear. Ebenso liegt das Zentrum des Laserstrahls 1 idealerweise, jedoch nicht notwendig, auf der optischen Achse 6. Gewisse Achsabweichungen sowohl der Laser als auch der Axicons sind möglich und können korrigiert oder später bei der Bilderzeu gung herausgerechnet werden. In Figure 3, the structure according to the invention for the generation of Bessel rays and their projection on a spherical surface is shown as a sectional drawing. A laser la as a radiation source with a (Gaussian) laser beam 1 is adjusted with a beam-shaping optics 2 with regard to its diameter and its divergence. The laser unit la can also consist of a combi nation of lasers which meet the necessary conditions for generating a real image. After passing through the opening 3, the laser beam hits the first axicon 4. The rays reflected by the axicon 4 form a ring-shaped intensity distribution and then hit the second axicon 5. The optical axes of the axicons 4 and 5 are collinear. Likewise, the center of the laser beam 1 ideally, but not necessarily, lies on the optical axis 6. Certain axis deviations of both the laser and the axicons are possible and can be corrected or calculated out later during the image generation.
Der Pivot-Punkt des MEMS-Scanners 8 liegt vorteilhaft ebenfalls auf der opti schen Achse 6. Der MEMS-Scanner ist Bestandteil des MEMS-Bauelements 9, das die mechanische und elektrische Funktionalität des Scanners beinhaltet. Der Installationswinkel des MEMS-Bauelements 9 relativ zur optischen Achse 6 ist einerseits durch die Anwendung definiert, und andererseits durch den optischen Scanwinkel, den der Scannerspiegel 8 ermöglichen soll. Das MEMS- Bauelement ist mit einer optisch transparenten Vakuumkapselung 10 verse hen, die hier in sphärischer Form ausgeführt ist. Die Vakuumverkapselung 10 erhöht den Q-Wert der Torsionsschwingungen des Spiegels und somit die Winkelamplituden der Schwingungen. Sie besteht aus optisch transparentem Material, das auch den Randbedingungen einer Prozessführung für MEMS- Bauelemente genügen muss (z. B.: passender thermischer Ausdehnungskoeffi zient). The pivot point of the MEMS scanner 8 is also advantageously on the optical axis 6. The MEMS scanner is part of the MEMS component 9, which contains the mechanical and electrical functionality of the scanner. The installation angle of the MEMS component 9 relative to the optical axis 6 is defined on the one hand by the application and on the other hand by the optical scanning angle that the scanner mirror 8 is intended to enable. The MEMS component is hen with an optically transparent vacuum encapsulation 10 verses, which is designed here in spherical shape. The vacuum encapsulation 10 increases the Q value of the torsional vibrations of the mirror and thus the Angular amplitudes of the vibrations. It consists of an optically transparent material that must also meet the boundary conditions for process control for MEMS components (e.g. suitable thermal expansion coefficient).
Die ringförmige Intensitätsverteilung, die am Axicon 5 reflektiert wird, tritt durch das sphärisch ausgeführte Material der Vakuumkapselung 10. Ungeach tet der genauen geometrischen Form der Kapselung 10 auch für die im folgen den gezeigten Ausführungsfomen gilt, dass die Materialdicke/Glasdicke vor teilhaft im Wesentlichen konstant sein soll. Für den Fall, dass die Glasdicke veränderlich ist, können Linseneffekte eine deutliche Verzerrung der erzeug ten Bilder hervorrufen. Materialdicken/Glasdicken von MEMS-Vakuumkapse- lungen liegen ungefähr in dem Bereich von 50 pm bis 500 miti, wobei meistens eine möglichst kleine Glasdicke angestrebt wird. In der hier dargestellten Aus führungsform liegt das Zentrum der sphärischen Vakuumkapselung 10 auf der optischen Achse 6. Der Axiconwinkel des Axicons 5 ist derart eingestellt, dass die ringförmige Intensitätsverteilung zum MEMS-Scanner 8 hin kollimiert wird und danach eine Überlagerung der Intensität auf der Vakuumkapselung 10 im Abschnitt 11 stattfindet. In dem Abschnitt 11 entstehen somit Bessel-Strahlen, deren Profil in Figur 2 simuliert und gezeigt ist. Führt der MEMS-Scanner 8 in einer oder in zwei der möglichen Richtungen eine Torsionsschwingung aus, dann bewegt sich der Abschnitt 11 entsprechend der Reflexionsbedingungen in einem konstanten Abstand um den Pivotpunkt des MEMS-Scanners 8 herum. Das hat zur Folge, dass die in Figur 2 gezeigten Intensitätsverteilungen sich ebenfalls um den Pivotpunkt des Scanners 8 bewegen. The ring-shaped intensity distribution, which is reflected on the axicon 5, occurs through the spherical material of the vacuum encapsulation 10. Irrespective of the exact geometric shape of the encapsulation 10, also for the embodiments shown below, the material thickness / glass thickness is essentially constant should be. In the event that the glass thickness is variable, lens effects can cause significant distortion of the images generated. Material thicknesses / glass thicknesses of MEMS vacuum encapsulation are approximately in the range from 50 μm to 500 μm, whereby the smallest possible glass thickness is usually aimed for. In the embodiment shown here, the center of the spherical vacuum encapsulation 10 lies on the optical axis 6. The axicon angle of the axicon 5 is set in such a way that the annular intensity distribution is collimated towards the MEMS scanner 8 and then the intensity is superimposed on the vacuum encapsulation 10 takes place in section 11. Bessel rays, the profile of which is simulated and shown in FIG. 2, thus arise in section 11. If the MEMS scanner 8 executes a torsional oscillation in one or two of the possible directions, then the section 11 moves at a constant distance around the pivot point of the MEMS scanner 8 in accordance with the reflection conditions. The result of this is that the intensity distributions shown in FIG. 2 also move around the pivot point of the scanner 8.
Um sicherzustellen, dass die optischen Achsen der Axicons 4 und 5 dauerhaft mit dem Pivotpunkt des MEMS-Scanners übereinstimmen, werden die Axi cons 4 und 5 mit den Halteelementen 12 und 13 mit dem MEMS-Bauelement verbunden. To ensure that the optical axes of the axicons 4 and 5 permanently coincide with the pivot point of the MEMS scanner, the axicons 4 and 5 are connected to the holding elements 12 and 13 with the MEMS component.
Auf der Kugeloberfläche der Kapselung 10 ist vorzugsweise eine transparente Fluoreszenzfolie aufgebracht. Die Folie kann sowohl auf der Innenfläche als auch auf der Außenfläche der Kapselung aufgebracht sein, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Die Folie wird von den gescannten Bessel-Strahlen be leuchtet. Dabei erzeugt die in Figur 2 gezeigte Intensitätsverteilung pixelweise Fluoreszenzlicht. Werden die Bessel-Strahlen mit dem 2D-MEMS-Scanner 8 zeitlich abhängig in zwei Richtungen gescannt, entsteht eine Vielzahl von Pi- xeln. Wird die Laserleistung entsprechend gesteuert, entsteht durch unter schiedlich helle Pixel ein reelles Bild in der Folie auf der Kugeloberfläche. A transparent fluorescent film is preferably applied to the spherical surface of the encapsulation 10. The film can be applied both to the inner surface and to the outer surface of the encapsulation without impairing the function. The film is illuminated by the scanned Bessel rays. The intensity distribution shown in FIG. 2 is generated pixel by pixel Fluorescent light. If the Bessel rays are scanned in two directions as a function of time with the 2D MEMS scanner 8, a large number of pixels are created. If the laser power is controlled accordingly, a real image is created in the film on the spherical surface through differently bright pixels.
Die Kapselung 10 besteht aus geeignetem Glasmaterial. Beispielsweise wird für die Herstellung der Vakuumkapselungen mit einer sphärischen Glaskuppel aus prozesstechnischen Gründen Borofloat verwendet. The encapsulation 10 consists of a suitable glass material. For example, Borofloat is used to manufacture vacuum enclosures with a spherical glass dome for process engineering reasons.
Ungeachtet der Dicke des Glasmaterials liegen zwei Oberflächen vor. Beide Flächen des kuppelförmigen Kapselungsabschnitts, die äußere Oberfläche wie auch die innere Oberfläche, können als Projektionsfläche gewählt werden.Regardless of the thickness of the glass material, there are two surfaces. Both surfaces of the dome-shaped encapsulation section, the outer surface as well as the inner surface, can be selected as the projection surface.
Eine dieser ausgewählten Oberflächen wird dann z. B. mit dem phosphoreszie renden Material beschichtet oder mit der fluoreszierenden Folie überzogen oder mit anderen Mitteln behandelt. So entsteht auf einer der ausgewählten Oberflächen ein Projektionsschirm, auf dem die von den gescannten Bessel- Strahlen erzeugten Pixel ein reelles Bild erzeugen. One of these selected surfaces is then z. B. coated with the phosphoreszie-generating material or coated with the fluorescent film or treated by other means. This creates a projection screen on one of the selected surfaces, on which the pixels generated by the scanned Bessel beams create a real image.
Aufgrund der Tatsache, dass sowohl die Axicons 4 und 5 wie auch der Pivot punkt des Scannerspiegels 8 möglichst genau auf einer Achse liegen sollten, ist es vorteilhaft, die entsprechenden Bauelemente zueinander auszurichten und fest zu installieren. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass die Verbindungs elemente den Strahlengang des Lasers la nicht beeinträchtigen. Aus diesem Grund wird das Axicon 4 auf eine Halterung 12 installiert, die auf der Kuppel der Kapselung 10 befestigt wird. Due to the fact that both the axicons 4 and 5 and the pivot point of the scanner mirror 8 should lie as precisely as possible on one axis, it is advantageous to align the corresponding components with one another and to install them firmly. It must be taken into account that the connecting elements do not affect the beam path of the laser la. For this reason, the axicon 4 is installed on a holder 12 which is attached to the dome of the enclosure 10.
Die Ausrichtung dieser Bauelemente zueinander sowie die Ausrichtung der Axicon-Achse auf den Pivotpunkt des Scannerspiegels 8 erfolgt mit den be kannten In-situ-Justiermethoden. Das Axicon 5 wird beispielsweise in eine zy linderförmige Halterung 13 installiert. Wichtig ist, dass auch hier die Axicon- Achse und die Zylinderachse kollinear aufeinander justiert sind. Die Halterung 13 gemeinsam mit dem Axicon 5 werden dann ebenfalls mit den bekannten In-situ-Justiermethoden relativ zu der Achse, auf der der Pivotpunkt des Scan nerspiegels 8 und die Symmetrieachse des Axicons 4 liegt, ausgerichtet und an der Oberfläche der Glaskuppel der Kapselung 10 befestigt. Die Verwendung von Axicons und der sich daraus ergebenden ringförmigen Intensitätsverteilung des Laserlichts ermöglicht eine vorteilhafte Ausführungs form des Scannerspiegels 8. Da in dem hier beschriebenen Ausführungsbei spiel die ringförmige Intensitätsverteilung auch auf der Spiegeloberfläche des Scannerspiegels 8 zu finden ist, kann dieser auch in Form eines elliptischen Rings mit einer zentralen Ausnehmung hergestellt werden. Dies umfasst auch die Form eines kreisförmigen Rings. Die ringförmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls 1, die auf einen Scannerspiegel 8 unter einem Einfallswinkel (hier z. B. 45°) trifft, ergibt auf der Spiegeloberfläche eine elliptische Intensitätsver teilung. Der Vorteil einer Ausnehmung in Bezug auf den Scannerspiegel 8 be steht darin, dass ein elliptischer Ring mit definierter äußerer Begrenzung eine geringere Masse besitzt als ein Scannerspiegel 8, der als volle elliptische Scheibe ausgeführt ist. Die geringere Masse des Scannerspiegels 8 führt dazu, dass ein kleineres Drehmoment erforderlich ist, um die gleichen Winkelam plituden zu erreichen, als bei einem aus Vollmaterial hergestellter Scanner spiegel. Ungeachtet der Antriebsart des Scannerspiegels 8 bedeutet dies eine geringere Antriebskraft und entsprechend den Antriebsarten z. B. geringere Antriebsspannungen oder geringere Antriebsströme (siehe dazu die Figuren IBa-c). The alignment of these components to one another and the alignment of the axicon axis on the pivot point of the scanner mirror 8 is carried out with the known in-situ adjustment methods. The axicon 5 is installed in a cylinder-shaped bracket 13, for example. It is important that here, too, the axicon axis and the cylinder axis are collinearly adjusted to one another. The holder 13 together with the axicon 5 are then also aligned with the known in-situ adjustment methods relative to the axis on which the pivot point of the scanner mirror 8 and the axis of symmetry of the axicon 4 lie, and on the surface of the glass dome of the encapsulation 10 attached. The use of axicons and the resulting ring-shaped intensity distribution of the laser light enables an advantageous embodiment of the scanner mirror 8. Since in the embodiment described here, the ring-shaped intensity distribution can also be found on the mirror surface of the scanner mirror 8, it can also be in the form of an elliptical one Rings are made with a central recess. This also includes the shape of a circular ring. The annular intensity distribution of the laser beam 1, which strikes a scanner mirror 8 at an angle of incidence (here, for example, 45 °), results in an elliptical intensity distribution on the mirror surface. The advantage of a recess in relation to the scanner mirror 8 is that an elliptical ring with a defined outer boundary has a lower mass than a scanner mirror 8, which is designed as a full elliptical disk. The lower mass of the scanner mirror 8 means that a smaller torque is required in order to achieve the same angle amplitudes than in the case of a scanner mirror made from solid material. Regardless of the type of drive of the scanner mirror 8, this means a lower drive force and according to the drive types z. B. lower drive voltages or lower drive currents (see Figures IBa-c).
Zur pixelgenauen Erzeugung eines reellen Bildes ist es erforderlich, die Win kelstellung des MEMS-Scanners 8 in beiden Oszillationsrichtungen zu bestim men oder zu erfassen und die notwendige Beleuchtungsstärke eines Pixels, das genau in die Richtung der entsprechenden Winkelstellung des MEMS- Scanners 8 projiziert wird, zu regeln oder zu steuern. Die Detektions- und Re geleinheit 14 verknüpft die Winkelstellung des MEMS-Scanners 8 mit der An steuerung des Lasers la zur Steuerung der Laserintensität für jedes zu proji zierende Pixel. Die Detektions- und Regeleinheit 14 kann auch für die Steue rung oder Regelung einer Kombination von Lasern ausgelegt sein. For pixel-accurate generation of a real image, it is necessary to determine or detect the angular position of the MEMS scanner 8 in both directions of oscillation and the necessary illuminance of a pixel that is projected exactly in the direction of the corresponding angular position of the MEMS scanner 8, to regulate or control. The detection and control unit 14 links the angular position of the MEMS scanner 8 with the control of the laser la to control the laser intensity for each pixel to be projected. The detection and regulation unit 14 can also be designed for the control or regulation of a combination of lasers.
Das auf der Glaskuppel der Kapselung 10 erzeugte Bild weist eine Fläche von höchstens wenigen Quadratzentimetern (1 cm2 - 2 cm2) auf und kann abhän gig von der erreichten Pixelauflösung durch die Bessel-Strahlen innerhalb der Projektionsfläche eine Pixeldichte von bis zu 2000 Pixeln pro Zentimeter in ei ner Richtung aufweisen. Ein derartiges reelles Bild kann mit einer üblichen Projektionsoptik z. B. auf einen großen Bildschirm in einer üblichen Entfer nung von einigen Metern vom MEMS- Spiegel projiziert werden. The image generated on the glass dome of the encapsulation 10 has an area of at most a few square centimeters (1 cm 2 - 2 cm 2 ) and can, depending on the pixel resolution achieved by the Bessel rays within the projection area, have a pixel density of up to 2000 pixels per Centimeters in one direction. Such a real image can be compared with a usual Projection optics z. B. projected onto a large screen at a usual distance of a few meters from the MEMS mirror.
Figur 4 zeigt den Aufbau, der schon in Figur 3 als Schnittzeichnung präsentiert ist, in perspektivischer Darstellung. Der Laserstrahl 1 und die nachfolgenden ringförmigen Intensitätsverteilungen sind aus darstellerischen Gründen als Schnitt in vertikaler Ebene gezeigt. Die gestrichelten Linien auf den Axicons 4 und 5 sowie auf dem MEMS-Scanner 8 deuten die Bereiche an, die entweder von dem Laserstrahl 1 oder von den nachfolgenden ringförmigen Intensitäts verteilungen beleuchtet werden. Der MEMS-Scanner 8 ist hier als 2D-MEMS- Spiegel mit den angedeuteten Torsionsachsen gezeigt. FIG. 4 shows the structure, which is already presented as a sectional drawing in FIG. 3, in a perspective illustration. The laser beam 1 and the subsequent annular intensity distributions are shown as a section in a vertical plane for illustrative reasons. The dashed lines on the axicons 4 and 5 and on the MEMS scanner 8 indicate the areas which are illuminated either by the laser beam 1 or by the subsequent annular intensity distributions. The MEMS scanner 8 is shown here as a 2D MEMS mirror with the torsion axes indicated.
In Figur 5 ist eine Schnittzeichnung gezeigt, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau zur Erzeugung von Bessel-Strahlen zeigt wie Figur 3. Lediglich der Axi- conwinkel des Axicons 5 ist derart eingestellt, dass das Überlappungsgebiet der ringförmigen Intensitätsverteilung 14 außerhalb der sphärischen Vakuum kapselung 10 und damit in einer größeren Entfernung vom Axicon 5 als in Fi gur 3 liegt. Eine ähnliche Konstellation ist natürlich auch mit der Anpassung von Abständen der Axicons 4 und 5 und des Axiconwinkels des Axicons 4 er reichbar. Innerhalb des Überlappungsvolumens der ringförmigen Intensitäts verteilung bilden sich auch hier Bessel-Strahlen aus, wie sie in Figur 2 simuliert und dargestellt sind. Die Bessel-Strahlen treffen dann auf einen Bildschirm 15, der dazu dient, die Intensitätsverteilung, wie sie in Fig.2 angedeutet ist, sicht bar zu machen. Auch bei diesem Aufbau bewirken die Torsionsschwingungen des MEMS-Scanners, dass die Bessel-Strahlen entsprechend den Reflexionsbe dingungen den Bildschirm 15 überstreichen. In diesem Ausführungsbeispiel ist dann im Gegensatz zu der in Figur 3 dargestellten Ausführung der Bildschirm mit dem phosphoreszierenden Material beschichtet bzw. mit der fluoreszie renden Folie versehen. Ein auf diese Weise entstandenes reelles Bild kann wiederum mit einer üblichen Projektionsoptik z. B. auf einen großen Bild schirm in einer üblichen Entfernung von beispielsweise einigen Metern proji ziert werden. FIG. 5 shows a sectional drawing which essentially shows the same structure for generating Bessel rays as FIG. 3. Only the axicon angle of the axicon 5 is set in such a way that the overlap area of the annular intensity distribution 14 is outside the spherical vacuum encapsulation 10 and thus at a greater distance from the axicon 5 than in Fi gur 3. A similar constellation can of course also be achieved by adapting the distances between the axicons 4 and 5 and the axicon angle of the axicon 4. Within the overlap volume of the annular intensity distribution, Bessel rays are also formed here, as they are simulated and shown in FIG. The Bessel rays then hit a screen 15 which serves to make the intensity distribution, as indicated in FIG. 2, visible. In this structure, too, the torsional vibrations of the MEMS scanner cause the Bessel rays to sweep over the screen 15 in accordance with the Reflexionsbe conditions. In this embodiment, in contrast to the embodiment shown in FIG. 3, the screen is coated with the phosphorescent material or provided with the fluorescent film. A real image created in this way can in turn with a conventional projection optics z. B. be projected on a large screen at a usual distance of, for example, a few meters.
Die geometrische Form der Vakuumkapselung ist nicht auf sphärische Ausfüh rungen beschränkt. In Figur 6 ist eine Ausführungsform der Vakuumkapselung mit einer ebenen Glasplatte 16 dargestellt, die parallel zum MEMS-Bauelement 9 angeordnet ist. Die Axiconwinkel der Axicons 4 und 5 sowie ihre Abstände sind derart ein gestellt, dass die Überlagerung der ringförmigen Intensitätsverteilung und da mit die Formung von Bessel-ähnlichen Strahlen im Gebiet 17 erfolgt. Auf diese Weise entsteht die in Fig.2 dargestellte Intensitätsverteilung der Bessel-Strah- len auf der planaren Glasabdeckung 16. Wenn der MEMS-Scanner Torsions schwingungen ausführt, wird der Bereich 17 der überlagerten Intensitätsver teilung entsprechend verschoben und überstreicht damit die ebene Glasabde ckung. Im Gegensatz zu der Ausführung in Figur 3 ändert sich mit dem Scan winkel des MEMS-Scanners auch der Abstand zwischen dem Pivotpunkt des MEMS-Scanners und der Position des Bereichs 17 auf der planaren Glasabde ckung 16. The geometric shape of the vacuum encapsulation is not limited to spherical designs. FIG. 6 shows an embodiment of the vacuum encapsulation with a flat glass plate 16, which is arranged parallel to the MEMS component 9. The axicon angles of axicons 4 and 5 and their spacing are set in such a way that the superimposition of the annular intensity distribution and, therefore, the formation of Bessel-like rays in area 17 takes place. In this way, the intensity distribution of the Bessel rays shown in FIG. 2 arises on the planar glass cover 16. When the MEMS scanner executes torsional vibrations, the area 17 of the superimposed intensity distribution is shifted accordingly and thus sweeps over the flat glass cover. In contrast to the embodiment in FIG. 3, the distance between the pivot point of the MEMS scanner and the position of the area 17 on the planar glass cover 16 also changes with the scanning angle of the MEMS scanner.
In Figur 2 ist zu erkennen, dass die Intensitätsverteilung des Bessel-Strahls in einem bestimmten Bereich des Abstands (z. B. von den Axicons) auftritt (in der Simulation von Figur 2 ist dieser Abstand ungefähr 10 mm). Der Abstands bereich hängt in erster Linie von dem Durchmesser des Laserstrahls 1 und dem Kreuzungswinkel der ringförmigen Intensitätsverteilung in 17 ab. Die Er zeugung eines reellen Bilds auf der planaren Glasabdeckung 16 erfolgt dann in gleicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel in Figur 3. Entweder wird z. B. eine phosphoreszierende Schicht auf der Außenseite oder auf der Innenseite der Glasabdeckung 16 aufgebracht, oder eine der beiden Seiten wird mit einer fluoreszierenden Folie versehen, oder es wird ein anderes Verfahren zur Her stellung eines reellen Bildes angewandt. In FIG. 2 it can be seen that the intensity distribution of the Bessel beam occurs in a certain range of the distance (e.g. from the axicons) (in the simulation of FIG. 2 this distance is approximately 10 mm). The distance range depends primarily on the diameter of the laser beam 1 and the crossing angle of the annular intensity distribution in FIG. The generation of a real image on the planar glass cover 16 then takes place in the same way as in the exemplary embodiment in FIG. B. applied a phosphorescent layer on the outside or on the inside of the glass cover 16, or one of the two sides is provided with a fluorescent film, or another method for producing a real image is used.
Die Befestigung und Justierung der Axicons 4 und 5 auf einer gemeinsamen Achse, die auch durch den Pivotpunkt des MEMS-Scanners 8 verläuft, muss für einzelne MEMS-Scanner Systeme individuell gelöst werden. The fastening and adjustment of the axicons 4 and 5 on a common axis, which also runs through the pivot point of the MEMS scanner 8, must be solved individually for individual MEMS scanner systems.
In Figur 7 ist eine Schnittzeichnung gezeigt, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau zur Erzeugung von Bessel-Strahlen zeigt wie Figur 6. Lediglich die Axi conwinkel der Axicons 4 und 5 ist derart eingestellt, dass das Überlappungsge biet der ringförmigen Intensitätsverteilung außerhalb der planaren Glasabde ckung 18 liegt. Die Anpassung der Abstände der Axicons 4 und 5 erreicht das gleiche Ziel. Innerhalb des Überlappungsvolumens der ringförmigen Intensi tätsverteilung bilden sich auch hier Bessel-Strahlen aus, wie sie in Figur 2 si muliert und dargestellt sind. Die Bessel-Strahlen treffen dann auf einen Bild schirm 19, der dazu dient, die Intensitätsverteilung sichtbar zu machen. Auch bei diesem Aufbau bewirken die Torsionsschwingungen des MEMS-Scanners, dass die Intensitätsverteilung der Bessel-Strahlen entsprechend den Reflexi onsbedingungen über den Bildschirm 19 streicht. In diesem Ausführungsbei spiel ist dann im Gegensatz zu der in Figur 6 dargestellten Ausführung der Bildschirm 19 mit einem phosphoreszierenden Material beschichtet bzw. mit der fluoreszierenden Folie versehen. FIG. 7 shows a sectional drawing which essentially shows the same structure for generating Bessel rays as FIG. 6. Only the axis angles of axicons 4 and 5 are set in such a way that the area of overlap of the annular intensity distribution outside the planar glass cover 18 lies. Adjusting the spacing of axicons 4 and 5 achieves this same goal. Bessel rays are also formed here within the overlap volume of the annular intensity distribution, as they are simulated and shown in FIG. The Bessel rays then hit a screen 19, which serves to make the intensity distribution visible. In this structure, too, the torsional vibrations of the MEMS scanner cause the intensity distribution of the Bessel rays to sweep across the screen 19 in accordance with the reflection conditions. In this embodiment, in contrast to the embodiment shown in FIG. 6, the screen 19 is coated with a phosphorescent material or provided with the fluorescent film.
Analog zum Ausführungsbeispiel von Figur 6 ist in Figur 8 eine Ausführungs form gezeigt, bei der eine planare Vakuumkapselung 20 des MEMS-Bauele- ments vorliegt, diese jedoch im Gegensatz zu Figur 6 einen Winkel größer als 0° mit der Oberfläche des Bauelements einschließt. Eine derartige Bauweise der Vakuumkapselung wird angewendet, um bei Laserprojektionsverfahren die Richtung von Reflexspots einstellen zu können (siehe DE 10 2008 012 384 Al). In gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel, das in Figur 6 Analogous to the exemplary embodiment of FIG. 6, FIG. 8 shows an embodiment in which a planar vacuum encapsulation 20 of the MEMS component is present, but in contrast to FIG. 6, this encloses an angle greater than 0 ° with the surface of the component. Such a construction of the vacuum encapsulation is used in order to be able to set the direction of reflex spots in laser projection methods (see DE 10 2008 012 384 A1). In the same way as in the embodiment shown in FIG
gezeigt ist, entsteht im Gebiet 21 eine Intensitätsverteilung ähnlich derjeni gen, die in Figur 2 dargestellt ist. is shown, an intensity distribution similar to that which is shown in FIG. 2 arises in region 21.
Die Erzeugung eines reellen Bilds auf der schrägen, planaren Glasabdeckung 20 erfolgt dann in gleicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel in Figur 6. Entweder wird z. B. eine phosphoreszierende Schicht auf der Außenseite oder auf der Innenseite der Glasabdeckung aufgebracht, oder eine der beiden Sei ten wird mit einer fluoreszierenden Folie versehen, oder es wird ein anderes Verfahren zur Herstellung eines reellen Bildes angewandt. Das reelle Bild kann dann mittels einer Projektionsoptik 46, die in Figur 8 schematisch dargestellt ist, weiter auf einen nicht dargestellten Bildschirm projiziert und dort vergrö ßert sichtbar gemacht werden. A real image is then generated on the inclined, planar glass cover 20 in the same way as in the exemplary embodiment in FIG. B. applied a phosphorescent layer on the outside or on the inside of the glass cover, or one of the two Be th is provided with a fluorescent film, or another method for producing a real image is used. The real image can then be projected further onto a screen, not shown, by means of projection optics 46, which are shown schematically in FIG. 8, and made visible there in enlarged form.
In analoger Weise wie in Figur 7 dargestellt kann der Bildschirm außerhalb des Scannersystems aufgebaut werden, wie in Figur 9 dargestellt. Diese Figur zeigt im Wesentlichen den gleichen Aufbau zur Erzeugung von Bessel-Strahlen wie Figur 7. Lediglich die Axiconwinkel der Axicons 4 und 5 sind derart gewählt, dass das Überlappungsgebiet der ringförmigen Intensitätsverteilung 23 außer halb der planaren Glasabdeckung 22 liegt. In a manner analogous to that shown in FIG. 7, the screen can be set up outside the scanner system, as shown in FIG. This figure shows essentially the same structure for generating Bessel rays as Figure 7. Only the axicon angles of axicons 4 and 5 are chosen in such a way that that the area of overlap of the annular intensity distribution 23 lies outside the planar glass cover 22.
Die Anpassung der Abstände der Axicons 4 und 5 kann zu derselben Situation führen. Innerhalb des Überlappungsvolumens der ringförmigen Intensitätsver teilung bilden sich auch hier Bessel-Strahlen oder konkret Bessel-ähnliche Strahlen aus, wie sie in Figur 2 simuliert und dargestellt sind. Die Bessel-Strah len treffen dann auf einen Bildschirm 23, der dazu dient, die Intensitätsvertei lung sichtbar zu machen. Auch bei diesem Aufbau bewirken die Adjusting the spacing of axicons 4 and 5 can lead to the same situation. Within the overlap volume of the annular intensity distribution, Bessel rays or specifically Bessel-like rays are also formed here, as they are simulated and shown in FIG. The Bessel rays then hit a screen 23, which is used to make the Intensitätsvertei development visible. Also in this structure, the
Torsionsschwingungen des MEMS-Scanners, dass die Intensitätsverteilung der Bessel-Strahlen entsprechend den Reflexionsbedingungen den Bildschirm 23 überstreicht. In diesem Ausführungsbeispiel ist dann im Gegensatz zu der in Figur 7 dargestellten Ausführung der Bildschirm 23 mit dem phosphoreszie renden Material beschichtet bzw. mit der fluoreszierenden Folie versehen. Torsional vibrations of the MEMS scanner that the intensity distribution of the Bessel rays sweeps over the screen 23 according to the reflection conditions. In this exemplary embodiment, in contrast to the embodiment shown in FIG. 7, the screen 23 is coated with the phosphorescent material or provided with the fluorescent film.
In Figur 10 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Vakuumkapselung ohne zentralsymmetrische Geometrie hergestellt ist. Das Zentrum der immer noch kugelförmigen Glaskuppel 24 liegt hier nicht mehr im Pivotpunkt des Scannerspiegels. Dies bedeutet, dass derDurchtritt der ringförmigen Intensi tätsverteilung nicht mehr achsensymmetrisch zur Glaskuppel 24 liegt. An exemplary embodiment is shown in FIG. 10 in which the vacuum encapsulation is produced without a centrally symmetrical geometry. The center of the still spherical glass dome 24 is no longer in the pivot point of the scanner mirror. This means that the passage of the annular intensity distribution is no longer axially symmetrical to the glass dome 24.
In Figur 10 ist eine Schnittzeichnung gezeigt, bei der der optische Aufbau zur Erzeugung von Bessel-Strahlen im Wesentlichen der gleiche ist, wie der in Fig.3 gezeigte. Dabei kann das Zentrum der sphärisch geformten Glaskuppel 24 relativ zur Ebene des MEMS-Bauelements 9 in x-, y-, oder z-Richtung ver schoben sein. In gleicher Weise wie in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungs beispiel wird auch in dem in Figur 10 gezeigten Fall entweder ein Teil der In nenseite oder ein Teil der Außenseite der Kuppel 24 mit den optischen Eigen schaften ausgestattet, die die Erzeugung eines reellen Bildes in 25 ermögli chen. FIG. 10 shows a sectional drawing in which the optical structure for generating Bessel beams is essentially the same as that shown in FIG. The center of the spherically shaped glass dome 24 can be displaced ver relative to the plane of the MEMS component 9 in the x, y or z direction. In the same way as in the embodiment shown in FIG. 3, in the case shown in FIG. 10 either part of the inside or part of the outside of the dome 24 is equipped with the optical properties that enable the generation of a real image in FIG enable.
In Figur 3 geht die ringförmige Intensitätsverteilung symmetrisch durch die Glaskuppel der Vakuumkapselung. Damit erfahren die Wellenfronten überall die gleichen Phasenverschiebungen. Dies ist auch der Fall für planare Glasab deckungen, ungeachtet der Winkel, die die Abdeckung zum Strahl hat. Bei der in Figur 10 dargestellten Situation ist dies nicht mehr der Fall. Bei dem in der Schnittzeichnung gezeigten Strahlengang haben die im oberen Teil dargestell ten Strahlen einen anderen Durchtrittswinkel durch die Glaskuppel als die im unteren Teil. Das bedeutet, dass die im oberen Teil dargestellten Strahlen eine andere Phasenverschiebung erfahren. Die Intensitätsverteilung der Bessel- Strahlen sieht daher völlig anders aus als die in Figur 2 gezeigte Verteilung für den symmetrischen Fall. Aus Gründen der Herstellungstechnologie für die hier beschriebene sphärische Glaskuppel 24 ist diese der am häufigsten auftre tende Fall. Dass das Zentrum der sphärischen Glaskuppel und der Pivotpunkt zusammenfallen, ist ein angestrebter, aber leider nicht immer erreichbarer Sonderfall. In FIG. 3, the annular intensity distribution runs symmetrically through the glass dome of the vacuum encapsulation. The wave fronts thus experience the same phase shifts everywhere. This is also the case for planar glass covers, regardless of the angle the cover has to the beam. In the situation shown in FIG. 10, this is no longer the case. The one in the Sectional drawing shown beam path in the upper part dargestell th rays have a different angle of passage through the glass dome than in the lower part. This means that the rays shown in the upper part experience a different phase shift. The intensity distribution of the Bessel rays therefore looks completely different from the distribution shown in FIG. 2 for the symmetrical case. For reasons of manufacturing technology for the spherical glass dome 24 described here, this is the most common case. The fact that the center of the spherical glass dome and the pivot point coincide is a desired but unfortunately not always achievable special case.
In Figur 11 ist eine Ausführungsform der Glaskapselung 26 des MEMS-Scan- ners mit einer irregulären Geometrie gezeigt. Die hier gezeigte Geometrie ist stellvertretend für beliebig viele irreguläre geometrische Formen. Darunter sollen auch diejenigen geometrischen Formen subsumiert werden, die im ma thematischen Sinn nicht irregulär sind. Dazu sollen hier beispielsweise Glas kapselungen in elliptischer Ausführungsform, in zylindrischer Ausführungs form u. a. gezählt werden. FIG. 11 shows an embodiment of the glass encapsulation 26 of the MEMS scanner with an irregular geometry. The geometry shown here is representative of any number of irregular geometric shapes. This should also include those geometric shapes that are not irregular in the mathematical sense. For this purpose, for example, glass encapsulations in an elliptical embodiment, in a cylindrical execution form u. a. are counted.
Die Erzeugung der Bessel-Strahlen erfolgt mit dem Laser la und der Strahlfor mungsoptik 2 sowie mit den Axicons 4 und 5. Analog zum Ausführungsbeispiel aus der Fig.10 führt die irreguläre Form der Vakuumkapselung 26 dazu, dass der Durchtritt der ringförmigen Intensitätsverteilung nicht mehr achsensym metrisch zur Glaskuppel 26 erfolgt. Da das Überlappungsgebiet 27 ebenfalls auf der irregulär geformten Oberfläche 26 liegt, müssen die dort erzeugten re ellen Bilder entsprechend der Oberflächenform mit Bildsteuerungsalgorith men entzerrt werden. The generation of the Bessel rays takes place with the laser la and the Strahlfor mungsoptik 2 as well as with the axicons 4 and 5. Analogously to the embodiment from FIG metric to the glass dome 26. Since the overlap area 27 also lies on the irregularly shaped surface 26, the real images generated there must be rectified with image control algorithms in accordance with the surface shape.
In Figur 12 ist eine mögliche Ausführungsform einer Einrichtung für die Her stellung von Bessel-Strahlen unter Verwendung von glasgeformten Axicons 28, 29 aus einem optisch transparenten, lichtbrechenden Material gezeigt. Ein Laser la mit einem Laserstrahl 1 mit einer gaußschen Charakteristik wird mit einer Strahlformungsoptik 2 in erster Linie hinsichtlich seines Durchmesser und seiner Divergenz eingestellt. Anschließend trifft er auf ein Axicon 28, das aus im optischen Bereich transparenten, lichtbrechenden Material gefertigt ist und auf (mindestens) einer Seite konkav kegelförmig (konisch) zugeschnitten ist. Dadurch erhält der Laserstrahl la eine ringförmige Intensitätsverteilung, die im geeigneten Abstand und unter einem geeigneten Winkel auf das Axicon 29 trifft. Das Axicon 29 besteht ebenfalls aus einem lichtbrechenden Material und besitzt auf beiden Seiten eine konvexe kegelförmige (konische) Form. Die optischen Achsen 6 der Axicons 28 und 29 sowie der Strahlformungsoptik und die Zentralachse des Laserstrahls la sind kollinear. Die Axiconwinkel der Axi cons 28, 29 sind derart eingestellt, dass die ringförmige Intensitätsverteilung nach Durchtritt durch das Axicon 29 kollimiert wird. FIG. 12 shows a possible embodiment of a device for producing Bessel beams using glass-shaped axicons 28, 29 made of an optically transparent, light-refracting material. A laser 1 a with a laser beam 1 with a Gaussian characteristic is set with beam shaping optics 2 primarily with regard to its diameter and its divergence. It then encounters an axicon 28 which is made of light-refracting material which is transparent in the optical range and which is cut concavely conically (conically) on (at least) one side is. As a result, the laser beam la is given an annular intensity distribution which strikes the axicon 29 at a suitable distance and at a suitable angle. The axicon 29 also consists of a light-refracting material and has a convex conical (conical) shape on both sides. The optical axes 6 of the axicons 28 and 29 as well as the beam shaping optics and the central axis of the laser beam la are collinear. The axicon angles of the axicon 28, 29 are set such that the ring-shaped intensity distribution is collimated after passing through the axicon 29.
Analog wie bei der Ausführungsform von Figur 3 trifft die ringförmige Intensi tätsverteilung auf den MEMS-Spiegel 8 innerhalb des MEMS-Bauelements 9. Der MEMS-Spiegel 8 führt entlang seiner Oszillationsachsen Torsionsschwin gungen aus, die zur Ablenkung der ringförmigen Intensitätsverteilung führen. Der Pivotpunkt des MEMS-Spiegels liegt idealerweise auf der optischen Achse 6 der optischen Bauelemente 2, 28 und 29. Bei dem hier gezeigten Ausfüh rungsbeispiel ist das MEMS-Bauelement 9 mit dem MEMS-Spiegel 8 mit einer sphärisch geformten Vakuumkapselung 30 versehen. Sowohl die Axiconwinkel als auch die jeweiligen Abstände der Bauelemente zueinander sind so einge stellt, dass die ringförmige Intensitätsverteilung in dem Gebiet 31 um die sphärische Glaskuppel herum überlappt und die in Figur 2 beschriebenen Bes- sel-Strahlen ausbildet. Analogously to the embodiment of FIG. 3, the ring-shaped intensity distribution hits the MEMS mirror 8 within the MEMS component 9. The MEMS mirror 8 executes torsional vibrations along its oscillation axes, which lead to the deflection of the ring-shaped intensity distribution. The pivot point of the MEMS mirror is ideally on the optical axis 6 of the optical components 2, 28 and 29. In the exemplary embodiment shown here, the MEMS component 9 with the MEMS mirror 8 is provided with a spherically shaped vacuum encapsulation 30. Both the axicon angles and the respective distances between the components are set in such a way that the ring-shaped intensity distribution overlaps in the area 31 around the spherical glass dome and forms the Besel rays described in FIG.
Wie bereits zu Figur 3 erwähnt, hat die ringförmige Intensitätsverteilung, die durch die Axicons hervorgerufen wird, einen großen Vorteil in Bezug auf das Layout der 2D- (auch 1D-)MEMS-Scanner. As already mentioned in relation to FIG. 3, the ring-shaped intensity distribution which is caused by the axicons has a great advantage with regard to the layout of the 2D (also 1D) MEMS scanners.
Dadurch, dass der MEMS-Spiegel nur in seinem Randbereich beleuchtet wird, ist es nur notwendig, diesen für die Umlenkung der ringförmigen Intensitäts verteilung auszulegen. Der Spiegel muss deshalb auch nur in einem ringförmi gen Bereich reflektieren. Because the MEMS mirror is only illuminated in its edge area, it is only necessary to design it to deflect the annular intensity distribution. The mirror therefore only has to reflect in an annular area.
Ein Vergleich der Geometrie eines Standard-MEMS-Spiegels mit einem MEMS- Spiegel für eine ringförmige Beleuchtung ist in Figur 13 dargestellt. In Figur 13a ist beispielhaft ein kreisförmiger Standard MEMS-Spiegel 32 ohne die Fe deraufhängungen gezeigt. Der MEMS-Spiegel führt Torsionsschwingungen um die Achsen 33 und 34 aus. Die ringförmige Intensitätsverteilung trifft inner halb der Fläche 35 auf den MEMS-Spiegel, die durch die gestrichelte Linie be grenzt ist. Außerhalb dieser Fläche 35 wird der MEMS-Spiegel nicht beleuch tet. Aus diesem Grund ist es möglich und vorteilhaft, den MEMS-Spiegel 32 in angepasster Form mit einer massesparenden Ausnehmung auszulegen. A comparison of the geometry of a standard MEMS mirror with a MEMS mirror for ring-shaped illumination is shown in FIG. In FIG. 13a, a circular standard MEMS mirror 32 without the spring suspensions is shown by way of example. The MEMS mirror converts torsional vibrations the axes 33 and 34 off. The ring-shaped intensity distribution meets the MEMS mirror within the area 35, which is delimited by the dashed line. Outside this area 35, the MEMS mirror is not illuminated. For this reason, it is possible and advantageous to design the MEMS mirror 32 in an adapted form with a mass-saving recess.
In Figur 13b ist beispielhaft ein MEMS-Spiegel 36 in dieser angepassten Form gezeigt. Der MEMS-Spiegel 36 führt Torsionsschwingungen um die beiden Achsen 37 und 38 aus. Die Fläche 39, die durch die gestrichelte Linie begrenzt ist, deutet den Bereich auf dem MEMS-Spiegel 36 an, der von der ringförmi gen Intensitätsverteilung beleuchtet wird. Innerhalb der Fläche des MEMS- Spiegels 36, die nicht beleuchtet ist, weist der MEMS-Spiegel 36 die Ausspa rung 40 auf. Dieses führt dazu, dass der MEMS-Spiegel 36 bei gleichem Au ßenradius eine geringere Masse besitzt als der MEMS-Spiegel 32 in Figur 13a. Wegen der geringeren Masse besitzt der MEMS-Spiegel 36 ein geringeres Trägheitsmoment als des MEMS-Spiegel 32 ohne Aussparung. Daher braucht der MEMS-Spiegel 36 eine geringere Antriebskraft zur Aufrechterhaltung der beiden Torsionsschwingungen um die Achsen 37 und 38 als der MEMS-Spiegel 32 in Figur 13b. Insgesamt hat die Aussparung 40 eine positive Auswirkung auf die Spiegelperformance. A MEMS mirror 36 in this adapted form is shown by way of example in FIG. 13b. The MEMS mirror 36 performs torsional oscillations about the two axes 37 and 38. The area 39, which is delimited by the dashed line, indicates the area on the MEMS mirror 36 which is illuminated by the annular intensity distribution. The MEMS mirror 36 has the recess 40 within the area of the MEMS mirror 36 that is not illuminated. This means that the MEMS mirror 36 has a lower mass than the MEMS mirror 32 in FIG. 13a, with the same outer radius. Because of the lower mass, the MEMS mirror 36 has a lower moment of inertia than the MEMS mirror 32 without a recess. The MEMS mirror 36 therefore needs a lower drive force to maintain the two torsional vibrations about the axes 37 and 38 than the MEMS mirror 32 in FIG. 13b. Overall, the recess 40 has a positive effect on the mirror performance.
In Figur 13c ist eine analoge Ausführungsform des MEMS-Spiegels für den all gemeineren Fall gezeigt, dass die ringförmige Intensitätsverteilung einen grö ßeren Einfallswinkel relativ zur Flächennormalen des MEMS-Spiegels besitzt (10° - 80°). Für größere Einfallswinkel weist die durch die ringförmige Intensi tätsverteilung beleuchtete Fläche eine ausgeprägt elliptische Form auf. FIG. 13c shows an analogous embodiment of the MEMS mirror for the more general case that the ring-shaped intensity distribution has a larger angle of incidence relative to the surface normal of the MEMS mirror (10 ° -80 °). For larger angles of incidence, the area illuminated by the ring-shaped intensity distribution has a pronounced elliptical shape.
Der MEMS-Spiegel 41 besitzt vorteilhafterweise eine elliptische Ausführungs form und oszilliert um die Torsionsachsen 42 und 43. Wegen des Einfallswin kels der ringförmigen Intensitätsverteilung auf den MEMS-Spiegel 41 ist die durch die gestrichelte Linie begrenzte Beleuchtungsfläche 44 entsprechend el liptisch. The MEMS mirror 41 advantageously has an elliptical embodiment and oscillates about the torsion axes 42 and 43. Because of the angle of incidence of the annular intensity distribution on the MEMS mirror 41, the illuminated area 44 delimited by the dashed line is correspondingly elliptical.
Vorteilhaft wird die Aussparung 45 auch entsprechend elliptisch ausgeführt. Die Aussparung 45 wird elliptisch ausgeführt ungeachtet der äußeren, geo metrischen Form des MEMS-Spiegels 41. Durch die beschriebene Bilderzeugungseinrichtung lassen sich mit vertretba rem Aufwand hochauflösende Bilder durch Scannen erzeugen, die geeignet weiterverarbeitet werden können. The recess 45 is also advantageously designed to be correspondingly elliptical. The recess 45 is designed to be elliptical, regardless of the outer, geometric shape of the MEMS mirror 41. With the described image generation device, high-resolution images can be generated by scanning with justifiable effort, which images can be appropriately further processed.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Bilderzeugungseinrichtung mit einer Strahlungsquelle (la) für einen o- der mehrere Ausgangsstrahlen (1) mit gaußscher Strahlungscharakte ristik, insbesondere einer Laserstrahlquelle, 1. Image generating device with a radiation source (la) for one or more output beams (1) with Gaussian radiation characteristics, in particular a laser beam source,
mit einer Einrichtung (2, 4, 5, 28, 29) zur Erzeugung von Bessel- ähnlichen Strahlen aus einem oder mehreren Ausgangsstrahlen, with a device (2, 4, 5, 28, 29) for generating Bessel-like beams from one or more output beams,
mit einem steuerbar antreibbaren MEMS-Scanner (8, 9, 32, 36, with a controllably drivable MEMS scanner (8, 9, 32, 36,
41), 41),
wobei die Bessel-ähnlichen Strahlen auf den MEMS-Scanner gerichtet sind und durch den MEMS-Scanner (8, 9) zur Erzeugung eines Bildes gezielt ausgelenkt werden, wherein the Bessel-like beams are directed at the MEMS scanner and are specifically deflected by the MEMS scanner (8, 9) to generate an image,
und mit einem wenigstens teilweise für die Bessel-ähnlichen Strahlen durchlässigen Anzeigekörper (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30), auf den die Bessel-ähnlichen Strahlen durch den MEMS-Scanner ge lenkt werden. and with an at least partially permeable to the Bessel-like rays display body (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30) on which the Bessel-like rays are directed by the MEMS scanner.
2. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Projektionseinrichtung (46), die das Bild vom Anzeigekörper (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30) mittels einer Projektionsoptik auf eine Projektionsfläche projiziert. 2. Image generating device according to claim 1, characterized by a projection device (46) which projects the image from the display body (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30) onto a projection surface by means of projection optics.
3. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen wenigstens ein Axicon (4, 5, 28, 29) aufweist. 3. Image generating device according to claim 1 or 2, characterized in that the device for generating Bessel-like beams has at least one axicon (4, 5, 28, 29).
4. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Axicon (4, 5, 28, 29) als Spiegel oder als lichtbre chendes Element, insbesondere Linse, ausgebildet ist. 4. Image generating device according to claim 3, characterized in that at least one axicon (4, 5, 28, 29) is designed as a mirror or as a lichtbre related element, in particular a lens.
5. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen wenigstens zwei koaxial zueinander ausgerichtete Axicons (4, 5, 28, 29) aufweist. 5. Image generating device according to claim 3 or 4, characterized in that the device for generating Bessel-like beams has at least two axicons (4, 5, 28, 29) aligned coaxially to one another.
6. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen eine Blende mit einem Ringspalt aufweist, auf den der oder die Ausgangsstrahlen gerichtet sind, wobei insbesondere von der Strahlungsquelle aus gesehen hinter dem Ringspalt wenigstens eine Sammellinse vorgesehen ist. 6. Image generating device according to claim 1 or 2, characterized in that the device for generating Bessel-like beams has a diaphragm with an annular gap on which the or the output beams are directed, with at least one converging lens being provided behind the annular gap, in particular as seen from the radiation source.
7. Bilderzeugungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Scanner als 2D-MEMS-Scan- ner (8, 9, 32, 36, 41) mit einem um mehrere Achsen drehbaren oder schwenkbaren Spiegel ausgebildet ist. 7. Image generating device according to one of the preceding claims, characterized in that the MEMS scanner is designed as a 2D MEMS scanner (8, 9, 32, 36, 41) with a mirror that can be rotated or pivoted about several axes.
8. Bilderzeugungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapselungswand des MEMS-Scan- ners (8, 9, 32, 36, 41) als Anzeigekörper (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30) ausgebildet ist, wobei die Kapselungswand für die Bilderzeugung ins besondere einen planen Abschnitt oder einen kugelkalottenförmigen Abschnitt aufweist, dessen Kugelmittelpunkt mit einem Punkt zusam menfällt, in dem sich zwei Schwenkachsen eines MEMS-Spiegels (8, 32, 36) schneiden. 8. Image generating device according to one of the preceding claims, characterized in that an encapsulation wall of the MEMS scanner (8, 9, 32, 36, 41) as a display body (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30 ) is formed, wherein the encapsulation wall for the image generation in particular has a planar section or a spherical cap-shaped section whose center point coincides with a point at which two pivot axes of a MEMS mirror (8, 32, 36) intersect.
9. Bilderzeugungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass der Anzeigekörper (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30) als Mattscheibe ausgebildet oder mit einer phosphores zierenden oder fluoreszierenden Substanz, insbesondere einer phos phoreszierenden oder fluoreszierenden Folie beschichtet ist. 9. Image generating device according to one of the preceding and workman che, characterized in that the display body (10, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30) designed as a focusing screen or with a phosphorescent or fluorescent substance, in particular a phosphorescent or fluorescent film is coated.
10. Bilderzeugungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder wenigstens ein MEMS-Spiegel (36, 41) eine insbesondere kreisrunde oder elliptische Ausnehmung (40, 45) aufweist. 10. Image generating device according to one of the preceding claims, characterized in that the or at least one MEMS mirror (36, 41) has an in particular circular or elliptical recess (40, 45).
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