WO2007014551A1 - Apparatus for switchable image projection with diffractive optical elements - Google Patents

Apparatus for switchable image projection with diffractive optical elements Download PDF

Info

Publication number
WO2007014551A1
WO2007014551A1 PCT/DE2006/001339 DE2006001339W WO2007014551A1 WO 2007014551 A1 WO2007014551 A1 WO 2007014551A1 DE 2006001339 W DE2006001339 W DE 2006001339W WO 2007014551 A1 WO2007014551 A1 WO 2007014551A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lens
mirror
optical elements
light beam
diffractive optical
Prior art date
Application number
PCT/DE2006/001339
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrich Babst
Thorsteinn Halldorsson
Andreas Prücklmeier
Original Assignee
Airbus Deutschland Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Deutschland Gmbh filed Critical Airbus Deutschland Gmbh
Publication of WO2007014551A1 publication Critical patent/WO2007014551A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/26Processes or apparatus specially adapted to produce multiple sub- holograms or to obtain images from them, e.g. multicolour technique
    • G03H1/30Processes or apparatus specially adapted to produce multiple sub- holograms or to obtain images from them, e.g. multicolour technique discrete holograms only
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/32Holograms used as optical elements
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2249Holobject properties
    • G03H2001/2263Multicoloured holobject
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2286Particular reconstruction light ; Beam properties
    • G03H2001/2292Using scanning means
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2210/00Object characteristics
    • G03H2210/202D object

Definitions

  • the invention relates to a device for switchable image projection with diffractive optical elements according to the preamble of patent claim 1 and a method for switchable image projection with diffractive optical elements according to the preamble of patent claim 17.
  • Switchable image projections can be used, for example, in aircraft passenger cabins to display changing information to the passenger on surfaces or on objects. For example, seat occupancy can be displayed by projection on interior walls or on the seats themselves. Furthermore, for example, current flight information, logos of the airline or even current purchase offers the passengers can be displayed by image projections. In addition, it is also possible to give a different optical design through switchable colored projections or pattern passenger spaces in a flexible manner.
  • changing image projections are used to inform people and for flexible optical design.
  • Diffractive optical elements illuminated by narrow-band light offer the possibility of projection-independent image generation and cheap mass production. They can be used in many applications, especially where defined stationary image patterns, such as characters, logos, pictograms, logos or frames, are to be projected with lasers onto a surface as information, entertainment, warning or advertisement.
  • Another advantage of this type of projection over classical shadow or slide projection is that it uses all incident light, not just part of it is allowed through.
  • the DOE as an imaging element also has the advantage that it requires no complicated dynamic deflection and intensity modulation.
  • DOEs Diffractive optical elements or DOEs, also called synthetic holograms, are known to be used for beam splitting and beam shaping and thus also for pattern and image generation with laser beams.
  • any desired light wave corresponds to a diffractive surface structure or a complex transmission function - with which it can also be produced in a simple manner.
  • the static images which are initially imprinted as diffraction patterns into an optical carrier material and which are projected onto image surfaces by division and deflection of collimated laser beams after passing through a carrier material, are switched over by successively illuminating different diffractive optical elements , This is done by means of turning and feeding devices.
  • lasers are essentially used as the light source because they very well presuppose defined wavefronts, i. good bundling and a narrow spectral width that can be achieved with lasers of sufficient quality.
  • Fraunhof diffraction which describes diffraction patterns at infinity, can be used to split a collimated laser beam into a flock of rays of specific intensity and direction using a DOE. Almost any two-dimensional pattern can be imaged that is sharp regardless of the distance on a projection screen.
  • the diffracted light is imaged in a specific position behind the diffractive structure, ie in the near field, convergent or divergent (Fresnel diffraction).
  • This function of DOEs can then be used to model the function of classical optical elements such as lenses and mirrors in the imaging of monochromatic laser light.
  • DOEs are calculated wave-theoretically in the computer and exposed using microlithography technology of modern electronics as a master. Subsequently, they are transferred and duplicated using a stamping technique, similar to the production of surface holograms, on permeable or reflective surfaces of plastics or glasses.
  • a collimated laser beam whose diameter is typically 1.5 mm falls on a square DOE whose side length is approximately 2 mm and whose structure width is approximately 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the DOE is structured in binary form as a diffraction grating on the surface. Traversing through this structure of the DOE, the laser beam diffracts in the desired manner.
  • the diffraction structure can be designed so that the entire laser power in only one of the low diffraction order, z. B. the + 1-th order of diffraction is concentrated. For elements in which also portions of the -1-th or the O-th diffraction order arise, these disturbance orders can be suppressed by additional suppression in the beam path.
  • DOEs with different images are grouped together on a rectangular, translucent glass or plastic panel side-by-side in rows and columns, where they are sequentially illuminated during image display.
  • This arrangement of the elements in rows and columns is particularly advantageous because they are exposed horizontally and vertically also with a usual for electron lithography feed mode.
  • the cheapest playback is either the translational horizontal and vertical movement of the substrate plate of the DOEs in front of a stationary laser beam, or the translational movement of the laser beam itself along the substrate.
  • the object of the invention is to provide a device for image projection with DOEs, in which the switching between the DOEs is realized simpler, more compact and less expensive. Furthermore, a corresponding method for switchable image projection with DOEs is to be specified, which is simple and inexpensive to carry out with a compact design.
  • the switchable image projection device comprises diffractive optical elements which generate a pattern for image projection upon impact of a narrowband light beam or laser beam, a light source for generating the narrowband light beam for the image projection, and a device for moving the light beam via the diffractive optical elements to produce successively different patterns, the means for moving the light beam comprising a lens and a pivotable mirror disposed in the focus of the lens, and wherein the lens is disposed between the pivotable mirror and the diffractive mirror is arranged optical elements.
  • the invention exploits the property of a condenser lens that all sub-beams of an incident, parallel to the lens axis and collimated beam in the focus of the lens, i. at the focal point on the lens axis. After reflecting on a mirror - whose plane contains the focal point - the rays are thrown back to the lens and leave the lens in the opposite direction than a parallel and collimated beam with the incoming rays (cat's eye reflection principle).
  • This principle is used according to the invention to perform a translatory movement over an extended substrate area of an array of DOEs, thereby achieving a simpler, more compact and less expensive switchable image projection.
  • the pivotable mirror is designed as a biaxial micro-electro-mechanical mirror scanner and fixed, for example, in a two-axis gimbal.
  • the mirror preferably has an electrostatic, magnetic or piezoelectric drive.
  • the axes of rotation of the mirror are aligned in alignment with the arrangement of the DOEs in rows and columns.
  • the axes of rotation of the mirror are preferably aligned substantially orthogonal to each other.
  • the orthogonal axes intersect, for example, in a point in space and can, for example, be moved by an angle of up to +/- 15 °
  • the mirror scanner can be operated in two different ways, either resonantly, ie with a fixed deflection frequency as so-called “digital micromirror”, or analogously as a so-called “analog micromirror” for deflection to defined, fixed scan angles in a switching time of a few milliseconds.
  • the second mode that is, the switching to many different discrete positions, is particularly suitable.
  • the diffractive optical elements are arranged in a planar array.
  • the planar arrangement of diffractive optical elements is arranged parallel to the lens on the side of the lens opposite the mirror.
  • the lens may in particular be designed as a holographic lens. However, it is also possible to use a conventional refractive optical lens.
  • the lens and the mirror are arranged in the beam path of the laser beam, for example, such that the laser beam is reflected back onto the lens after passing through the lens and permeates again, in order subsequently to depend on the mirror position on one of the diffractive optical elements located behind the lens hold true.
  • the lens and the mirror are in particular arranged in the beam path of the laser beam, that the incoming laser beam penetrates the lens parallel to the lens axis and after reflection on the pivoting mirror and re-lens passage, the lens parallel to the incoming laser beam leaves to then in response to the mirror position on a meet behind the lens located diffractive optical elements.
  • a deflection mirror is provided, which is arranged on the lens axis, in order to align the incident laser beam in such a way that it lies on the Lens axis through the center of the lens meets the pivoting mirror.
  • the light source comprises, for example, means for generating RGB laser beams, which are guided together through the lens onto the pivotable mirror. This results in a colored image projection.
  • the device for moving the laser beam may, for example, also comprise a plurality of holographic lenses, which are preferably arranged as stacks, each holographic lens serving to image an RGB wavelength and transmitting remaining RGB wavelengths largely without interference.
  • the method according to the invention serves for switchable image projection with diffractive optical elements, which generate a pattern for image projection upon impact of a narrow-band light beam or laser beam by diffraction, respectively, and comprises the steps:
  • Fig. 1 shows an apparatus for switchable image projection according to a first preferred embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a plan view of a DOE array
  • Fig. 3 shows a reversible image projection apparatus according to a second preferred embodiment of the invention with a holographic lens
  • Fig. 4 shows a switchable image projection apparatus according to a third preferred embodiment of the invention for projecting multicolor images
  • Fig. 5 shows an apparatus for switchable image projection according to a fourth preferred embodiment of the invention with a stack of holographic lenses.
  • FIG. 1 shows a device 10 for switchable image projection as a first variant of the construction of a DOE projector with only one monochromatic laser 11 as the light source and with a lens 12 for focusing the laser beam 13 generated by the laser 11 onto a pivotable micromirror 14.
  • the micromirror 14 is designed as a MEMS scanner.
  • Micromirror 14 mirrors the incident, collimated laser beam 13, which is focused on the optical axis of the lens 12 at its focal point to the double angle of incidence back.
  • the mirroring back is done in such a way that the back-mirrored laser beam 15 after passing through the lens 12 has the same diameter as the incident laser beam 13 before passing through the lens 12 and with the optical axis of the lens 12 is exactly parallel but in the opposite direction.
  • DOEs diffractive optical elements 16
  • a plurality of diffractive optical elements 16 are arranged as a planar array on a substrate 17 such that the reflected laser beam 15 strikes the DOE surface after passing through the lens 12.
  • the arrangement comprising the lens 12 and the mirror or micromirror 14 forms a device 50 for moving the light beam or laser beam 13, 15 via the diffractive optical elements 16.
  • each angular coordinate ( ⁇ i. ⁇ j ) is a spatial coordinate (Xj 1 Vj).
  • Xj 1 Vj corresponds to the substrate 17.
  • the incident beam in the diffraction structure is split and deflected in the desired manner.
  • the individual DOEs 16 of the array are illuminated one behind the other discretely in any order.
  • the images stored in them are called in succession or projected onto a surface not shown in the figure.
  • the switchable image projection apparatus 10 further comprises an arrangement of deflecting mirrors 18a, 18b which guide the narrowband light beam generated by the laser 1 1 to the lens 12 so as to be incident on the lens axis or parallel to the lens axis, the lens 12 penetrates.
  • the deflection mirror 18b is fixed to a window 19 at a position lying on the lens axis. Through the window 19, the diffracted by the DOEs 16 light beams leave the projector or the device 10th
  • the mirror 14 is driven in order to effect the pivoting movements and thereby the switching between the DOEs.
  • the control of the mirror 14 takes place in such a way that the image of each DOE in the projection is set into a randomized or randomly controlled movement in two axes.
  • the rashes of this movement are in the order of magnitude of the roughness of the surface, which is typically in the range of 10 .mu.m to 100 .mu.m.
  • they are well below the pixel size of the image of the DOE and the resolution limit of the eye on the projection screen, i. typically well below the order of 1000 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows a top view of the array of DOEs 16, which are arranged on the substrate 17 in rows and columns. It is shown schematically how the beam 13 coming from the laser 11 penetrates the substrate 17 from its front side at an opening 4 in the center is then reflected at the pivotable mirror 14 located behind the DOE array or substrate 17, and then penetrates the substrate 17 from the rear side at the DOE 16a defined by the mirror position, the beam being diffracted by the DOE 16a and selected pattern for image projection generated.
  • DOE-projected laser images are sharp at any distance. They increase with increasing distance due to the angular spread of the deflected rays, but still take on the same angle of view in the eye of a fixed observer. With an oblique projection on smooth surfaces and with projection on curved surfaces, the resulting image distortion can be taken into account by a predistortion of the image during the production of the DOEs.
  • FIG. 3 shows a further variant of the structure with a monochromatic light source 11 or laser source.
  • a holographic lens 22 is provided as a DOE for beam focusing or beam shaping.
  • the holographic lens 22 is fabricated with a volume phase hologram as a transmission structure.
  • FIG. 4 shows a further variant of the construction with three monochromatic RGB lasers 11 for the projection of multicolor images with three DOEs 16r, 16g, 16b of different structure size for three RGB wavelengths for canceling the different diffraction angle as a function of the wavelength, and for the projection of multicolored pictures. Since the projection takes place due to light diffraction, an image remains exactly the same geometrically when using different laser wavelengths, but it increases in size - since the diffraction angle is wavelength-dependent - at a fixed projection distance, to or from. With a simultaneous three-color laser illumination, red, green and blue (RGB), therefore, a DOE produces exactly the same images with the scaling of the different wavelengths of different sizes.
  • RGB red, green and blue
  • three DOEs 16r, 16g, 16b for a pattern are in close proximity, but corresponding to the different wavelengths, each having a different feature size, applied as arrays on the common carrier 17.
  • the rays overlap to form a uniform image of equal size for all wavelengths in the projection.
  • Fig. 5 shows a variant of the structure of Fig. 4, wherein the common lens is replaced by a stack 52 of three holographic lenses 22, and each of the individual lenses 22 as volume phase holograms contributes to the imaging only for one of the three RGB wavelengths and lets others through without interference.
  • the beam path between DOE and micromirrors can be shortened with a conventional convolution with deflecting mirrors, and chromatically corrected lenses can be used for the imaging of multicolor laser beams.

Abstract

An apparatus for switchable image projection (10) comprises diffractive optical elements (16, 16a) which in each case generate a pattern for image projection upon impingement of a narrowband light beam (13) by diffraction, a light source (11) for generating the narrowband light beam (13) for the image projection, and a device (50) for moving the light beam over the diffractive optical elements (16, 16a) in order to generate successively different patterns. In this case, the device (50) for moving the light beam (13) comprises a lens (12) and a pivotable mirror (14) arranged at the focus of the lens (12), the lens (12) being arranged between the pivotable mirror (14) and the diffractive optical elements (16, 16a).

Description

Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen Device for switchable image projection with diffractive optical elements
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 17.The invention relates to a device for switchable image projection with diffractive optical elements according to the preamble of patent claim 1 and a method for switchable image projection with diffractive optical elements according to the preamble of patent claim 17.
Umschaltbare Bildprojektionen können beispielsweise in Passagierkabinen von Flugzeugen dazu verwendet werden, wechselnde Informationen dem Passagier auf Flächen oder auf Gegenständen anzuzeigen. Beispielsweise können Sitzbelegungen durch Projektion auf Innenraumwände oder auf die Sitze selbst angezeigt werden. Weiterhin können zum Beispiel aktuelle Fluginformationen, Logos der Fluggesellschaft oder auch aktuelle Kaufangebote den Passagieren durch Bildprojektionen angezeigt werden. Darüber hinaus ist es ebenso möglich, durch umschaltbare farbige Projektionen oder Muster Passagierräumen auf flexible Weise eine unterschiedliche optische Gestaltung zu verleihen.Switchable image projections can be used, for example, in aircraft passenger cabins to display changing information to the passenger on surfaces or on objects. For example, seat occupancy can be displayed by projection on interior walls or on the seats themselves. Furthermore, for example, current flight information, logos of the airline or even current purchase offers the passengers can be displayed by image projections. In addition, it is also possible to give a different optical design through switchable colored projections or pattern passenger spaces in a flexible manner.
Auch in anderen Räumen, wie beispielsweise in Zügen, Warteräumen oder sonstigen Aufenthaltsräumen, oder an Wänden und anderen Flächen, dienen wechselnde Bildprojektionen zur Information von Personen und zur flexiblen optischen Gestaltung.Also in other rooms, such as in trains, waiting rooms or other common rooms, or on walls and other surfaces, changing image projections are used to inform people and for flexible optical design.
Diffraktive optische Elemente (DOEs), die mit schmalbandigem Licht beleuchtet werden, bieten die Möglichkeit einer vom Projektionsabstand unabhängigen Bilderzeugung und eine billige Massenherstellung. Sie können in vielen Anwendungen verwendet werden, insbesondere dort, wo definierte stationäre Bildmuster, wie Zeichen, Logos, Piktogramme, Schriftzüge oder Vollbilder, mit Lasern auf eine Oberfläche als Information, Unterhaltung, Warnung oder als Reklame projiziert werden sollen. Ein weiterer Vorteil dieser Art von Projektion gegenüber der klassischen Schatten- oder Diapositiv-Projektion besteht darin, dass einfallendes Licht vollständig genutzt wird, und nicht nur zum Teil durchgelassen wird. Gegenüber einer gescannten Laserprojektion hat das DOE als bildgebendes Element auch den Vorteil, dass es keiner komplizierten dynamischen Umlenkung und Intensitätsmodulation bedarf.Diffractive optical elements (DOEs) illuminated by narrow-band light offer the possibility of projection-independent image generation and cheap mass production. They can be used in many applications, especially where defined stationary image patterns, such as characters, logos, pictograms, logos or frames, are to be projected with lasers onto a surface as information, entertainment, warning or advertisement. Another advantage of this type of projection over classical shadow or slide projection is that it uses all incident light, not just part of it is allowed through. Compared with a scanned laser projection, the DOE as an imaging element also has the advantage that it requires no complicated dynamic deflection and intensity modulation.
Diffraktive optische Elemente bzw. DOEs, auch synthetische Hologramme genannt, werden bekannterweise zur Strahlteilung und Strahlformung und damit auch zur Muster- und Bilderzeugung mit Laserstrahlen eingesetzt. Hier wird das Ergebnis der klassischen Beugungstheorie des Lichtes ausgenutzt, dass jede gewünschte Lichtwelle einer beugenden Oberflächenstruktur oder einer komplexen Transmissionsfunktion entspricht - mit der sie auch in einfacher Weise hergestellt werden kann.Diffractive optical elements or DOEs, also called synthetic holograms, are known to be used for beam splitting and beam shaping and thus also for pattern and image generation with laser beams. Here, the result of the classical diffraction theory of light is exploited, that any desired light wave corresponds to a diffractive surface structure or a complex transmission function - with which it can also be produced in a simple manner.
Die mit Hilfe von DOEs erzeugten statischen Bilder, die zunächst als Beugungsmuster in ein optisches Trägermaterial eingeprägt sind, und die durch Aufteilung und Umlenkung von kollimierten Laserstrahlen nach Durchgang durch ein Trägermaterial auf Bildoberflächen projiziert werden, werden umgeschaltet, indem nacheinander verschiedene diffraktive optische Elemente beleuchtet werden. Dies geschieht mit Hilfe von Dreh- und Vorschubvorrichtungen.The static images, which are initially imprinted as diffraction patterns into an optical carrier material and which are projected onto image surfaces by division and deflection of collimated laser beams after passing through a carrier material, are switched over by successively illuminating different diffractive optical elements , This is done by means of turning and feeding devices.
Bei der Verwendung von DOEs werden im wesentlichen Laser als Lichtquelle verwendet, denn sie setzen sehr wohl definierte Wellenfronten voraus, d.h. eine gute Bündelung und eine schmale spektrale Breite, die mit Lasern mit ausreichender Qualität erreicht werden kann.When using DOEs, lasers are essentially used as the light source because they very well presuppose defined wavefronts, i. good bundling and a narrow spectral width that can be achieved with lasers of sufficient quality.
Mit einer entsprechenden Auslegung der Fernfeldbeugung bzw.With a corresponding interpretation of the far field diffraction or
Fraunhoferbeugung, die Beugungsmuster im Unendlichen beschreibt, kann mit einem DOE ein kollimierter Laserstrahl in eine Schar von Strahlen bestimmter Intensität und Richtung geteilt werden. Damit können nahezu beliebige zweidimensionale Muster abgebildet werden, die unabhängig vom Abstand auf einem Projektionsschirm scharf sind. In einem strahlformenden DOE wird das gebeugte Licht demgegenüber in einer bestimmten Position hinter der beugenden Struktur, d.h. im Nahfeld, konvergent bzw. divergent (Fresnelbeugung) abgebildet. Diese Funktion von DOEs kann dann zur Nachbildung der Funktion von klassischen optischen Elementen wie Linsen und Spiegeln bei der Abbildung von monochromatischem Laserlicht ausgenutzt werden.Fraunhof diffraction, which describes diffraction patterns at infinity, can be used to split a collimated laser beam into a flock of rays of specific intensity and direction using a DOE. Almost any two-dimensional pattern can be imaged that is sharp regardless of the distance on a projection screen. In contrast, in a beam-forming DOE, the diffracted light is imaged in a specific position behind the diffractive structure, ie in the near field, convergent or divergent (Fresnel diffraction). This function of DOEs can then be used to model the function of classical optical elements such as lenses and mirrors in the imaging of monochromatic laser light.
Heute werden DOEs wellentheoretisch im Computer berechnet und mit Mikrolithografietechnik der modernen Elektronik als Master belichtet. Anschließend werden sie mit einer Prägetechnik, ähnlich wie bei der Herstellung von Oberflächenhologrammen, auf durchlässige oder reflektierende Oberflächen von Kunststoffen oder Gläsern übertragen und vervielfältigt.Today, DOEs are calculated wave-theoretically in the computer and exposed using microlithography technology of modern electronics as a master. Subsequently, they are transferred and duplicated using a stamping technique, similar to the production of surface holograms, on permeable or reflective surfaces of plastics or glasses.
Bei der Bildwiedergabe fällt üblicherweise ein kollimierter Laserstrahl, dessen Durchmesser typischerweise 1 ,5mm beträgt, auf ein quadratisches DOE, dessen Seitenlänge etwa 2 mm und dessen Strukturbreite ca. 0,1 μm bis 10μm beträgt. Meistens ist das DOE in binärer Form als Beugungsgitter auf der Oberfläche strukturiert. Beim Durchqueren durch diese Struktur des DOEs wird der Laserstrahl in der erwünschten Weise gebeugt. Die Beugungsstruktur kann so gestaltet werden, dass die gesamte Laserleistung in nur einer der niedrigen Beugungsordnung, z. B. der +1-ten Beugungsordnung, konzentriert ist. Bei Elementen, bei denen auch Anteile der-1-ten bzw. der O-ten Beugungsordnung entstehen, können diese Störordnungen durch zusätzliches Ausblenden im Strahlengang unterdrückt werden.In the case of image reproduction, usually a collimated laser beam whose diameter is typically 1.5 mm falls on a square DOE whose side length is approximately 2 mm and whose structure width is approximately 0.1 μm to 10 μm. Mostly, the DOE is structured in binary form as a diffraction grating on the surface. Traversing through this structure of the DOE, the laser beam diffracts in the desired manner. The diffraction structure can be designed so that the entire laser power in only one of the low diffraction order, z. B. the + 1-th order of diffraction is concentrated. For elements in which also portions of the -1-th or the O-th diffraction order arise, these disturbance orders can be suppressed by additional suppression in the beam path.
In den meisten Anwendungen werden mehrere DOEs mit unterschiedlichen Bildern gemeinsam auf eine rechteckige, lichtdurchlässige Glas- oder Kunststoffplatte nebeneinander in Zeilen und Spalten aufgereiht, wo sie bei der Bildwiedergabe nacheinander beleuchtet werden. Diese Anordnung der Elemente in Zeilen und Spalten ist besonders vorteilhaft, denn sie werden auch mit einer für Elektronenlithografen üblichen Vorschubsart horizontal und vertikal belichtet. Damit ist auch die günstigste Wiedergabe entweder die translatorische horizontale und vertikale Bewegung der Substratplatte der DOEs vor einem feststehenden Laserstrahl, oder die translatorische Bewegung des Laserstrahles selbst entlang des Substrates.In most applications, multiple DOEs with different images are grouped together on a rectangular, translucent glass or plastic panel side-by-side in rows and columns, where they are sequentially illuminated during image display. This arrangement of the elements in rows and columns is particularly advantageous because they are exposed horizontally and vertically also with a usual for electron lithography feed mode. Thus, even the cheapest playback is either the translational horizontal and vertical movement of the substrate plate of the DOEs in front of a stationary laser beam, or the translational movement of the laser beam itself along the substrate.
Diese horizontalen und vertikalen Bewegungen zum Umschalten von einem DOE zum anderen, wurden bisher mit Hilfe eines mit Schrittmotoren angetriebenen XY- Tisch durchgeführt. Dieser Aufbau ist für die kleinen DOEs und in der Massenherstellung sehr billigen Elemente für viele Anwendungen zu aufwendig und zu teuer.These horizontal and vertical movements to switch from one DOE to the other have hitherto been performed by means of a stepper motor driven XY table. This construction is too costly and too expensive for the small DOEs and in mass production very cheap elements for many applications.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bildprojektion mit DOEs zu schaffen, bei der die Umschaltung zwischen den DOEs einfacher, kompakter und kostengünstiger realisiert ist. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren zur umschaltbaren Bildprojektion mit DOEs angegeben werden, das einfach und kostengünstig mit einem kompakten Aufbau durchführbar ist.The object of the invention is to provide a device for image projection with DOEs, in which the switching between the DOEs is realized simpler, more compact and less expensive. Furthermore, a corresponding method for switchable image projection with DOEs is to be specified, which is simple and inexpensive to carry out with a compact design.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen gemäß Patentanspruch 17. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.This object is achieved by the apparatus for switchable image projection with diffractive optical elements according to claim 1 and by the method for switchable image projection with diffractive optical elements according to claim 17. Further advantageous features, aspects and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion umfasst diffraktive optische Elemente, die beim Auftreffen eines schmalbandigen Lichtstrahls bzw. Laserstrahls durch Beugung jeweils ein Muster zur Bildprojektion erzeugen, eine Lichtquelle zur Erzeugung des schmalbandigen Lichtstrahls für die Bildprojektion, und eine Einrichtung zur Bewegung des Lichtstrahls über die diffraktiven optischen Elemente, um nacheinander verschiedene Muster zu erzeugen, wobei die Einrichtung zur Bewegung des Lichtstrahls eine Linse und einen im Fokus der Linse angeordneten schwenkbaren Spiegel umfasst, und wobei die Linse zwischen dem schwenkbaren Spiegel und den diffraktiven optischen Elementen angeordnet ist.The switchable image projection device according to the invention comprises diffractive optical elements which generate a pattern for image projection upon impact of a narrowband light beam or laser beam, a light source for generating the narrowband light beam for the image projection, and a device for moving the light beam via the diffractive optical elements to produce successively different patterns, the means for moving the light beam comprising a lens and a pivotable mirror disposed in the focus of the lens, and wherein the lens is disposed between the pivotable mirror and the diffractive mirror is arranged optical elements.
Die Erfindung nutzt die Eigenschaft einer Sammellinse aus, dass sich alle Teilstrahlen eines einfallenden, mit der Linsenachse parallelen und kollimierten Strahlenbündels im Fokus der Linse, d.h. in dem Brennpunkt auf der Linsenachse, treffen. Nach einer Reflexion an einem Spiegel - dessen Ebene den Brennpunkt beinhaltet - werden die Strahlen zurück zur Linse geworfen und verlassen die Linse in umgekehrter Richtung als ein mit den ankommenden Strahlen paralleler und kollimierter Strahl (Prinzip der Katzenaugenreflexion).The invention exploits the property of a condenser lens that all sub-beams of an incident, parallel to the lens axis and collimated beam in the focus of the lens, i. at the focal point on the lens axis. After reflecting on a mirror - whose plane contains the focal point - the rays are thrown back to the lens and leave the lens in the opposite direction than a parallel and collimated beam with the incoming rays (cat's eye reflection principle).
Dieses Prinzip wird gemäß der Erfindung dazu genutzt, eine translatorische Bewegung über eine ausgedehnte Substratfläche eines Arrays von DOEs durchzuführen, um dadurch eine einfachere, kompakte und kostengünstigere umschaltbare Bildprojektion zu erreichen.This principle is used according to the invention to perform a translatory movement over an extended substrate area of an array of DOEs, thereby achieving a simpler, more compact and less expensive switchable image projection.
Bevorzugt ist der schwenkbare Spiegel als zweiachsiger mikro-elektro- mechanischer Spiegelscanner ausgestaltet und beispielsweise in einer zweiachsigen kardanischen Aufhängung befestigt.Preferably, the pivotable mirror is designed as a biaxial micro-electro-mechanical mirror scanner and fixed, for example, in a two-axis gimbal.
Mit Hilfe der zweiachsiger Auslenkung von sehr kompakten und kostengünstigen Mikrospiegeln ergibt sich eine besonders kompakte und besonders kostengünstige Konstruktion.With the help of the biaxial deflection of very compact and cost-effective micromirrors results in a particularly compact and very cost-effective design.
Der Spiegel hat bevorzugt einen elektrostatischen, magnetischen oder piezoelektrischen Antrieb. Vorteilhafterweise sind die Drehachsen des Spiegels in ihrer Ausrichtung der Anordnung der DOEs in Zeilen und Spalten angepasst. Die Drehachsen des Spiegels sind bevorzugt im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet. Die orthogonalen Achsen kreuzen sich zum Beispiel in einem Raumpunkt und können beispielsweise um einen Winkel von bis zu +/- 15° bewegt werden Der Spiegelscanner kann je nach Auslegung in zwei unterschiedlichen Arten betrieben werden, entweder resonant, d.h. mit einer festen Auslenkungsfrequenz als sogenannter „digital micromirror", oder analog als sogenannter „analog micromirror" zur Auslenkung auf definierte, feste Scanwinkel in einer Schaltzeit von einigen Millisekunden, wobei für die Erfindung die zweite Betriebsart, das heißt das Umschalten auf viele verschiedene diskrete Positionen, besonders geeignete ist.The mirror preferably has an electrostatic, magnetic or piezoelectric drive. Advantageously, the axes of rotation of the mirror are aligned in alignment with the arrangement of the DOEs in rows and columns. The axes of rotation of the mirror are preferably aligned substantially orthogonal to each other. The orthogonal axes intersect, for example, in a point in space and can, for example, be moved by an angle of up to +/- 15 ° Depending on the design, the mirror scanner can be operated in two different ways, either resonantly, ie with a fixed deflection frequency as so-called "digital micromirror", or analogously as a so-called "analog micromirror" for deflection to defined, fixed scan angles in a switching time of a few milliseconds. wherein for the invention, the second mode, that is, the switching to many different discrete positions, is particularly suitable.
Bevorzugt sind die diffraktiven optischen Elemente flächenartig als Array angeordnet. Vorteilhafterweise ist die flächige Anordnung von diffraktiven optischen Elementen parallel zur Linse an der dem Spiegel gegenüber liegenden Seite der Linse angeordnet.Preferably, the diffractive optical elements are arranged in a planar array. Advantageously, the planar arrangement of diffractive optical elements is arranged parallel to the lens on the side of the lens opposite the mirror.
Die Linse kann insbesondere als holografische Linse ausgestaltet sein. Es ist aber ebenso möglich, eine herkömmliche lichtbrechende optische Linse zu verwenden.The lens may in particular be designed as a holographic lens. However, it is also possible to use a conventional refractive optical lens.
Die Linse und der Spiegel sind zum Beispiel derart im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet, dass der Laserstrahl nach Durchqueren der Linse auf die Linse zurück gespiegelt wird und diese erneut durchdringt, um anschließend in Abhängigkeit von der Spiegelstellung auf eines der hinter der Linse gelegenen diffraktiven optischen Elemente zu treffen.The lens and the mirror are arranged in the beam path of the laser beam, for example, such that the laser beam is reflected back onto the lens after passing through the lens and permeates again, in order subsequently to depend on the mirror position on one of the diffractive optical elements located behind the lens hold true.
Die Linse und der Spiegel sind insbesondere derart im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet, dass der ankommende Laserstrahl die Linse parallel zur Linsenachse durchdringt und nach Reflexion am schwenkbaren Spiegel und erneutem Linsendurchgang die Linse parallel zum ankommenden Laserstrahl verläset, um anschließend in Abhängigkeit von der Spiegelstellung auf eines der hinter der Linse gelegenen diffraktiven optischen Elemente zu treffen.The lens and the mirror are in particular arranged in the beam path of the laser beam, that the incoming laser beam penetrates the lens parallel to the lens axis and after reflection on the pivoting mirror and re-lens passage, the lens parallel to the incoming laser beam leaves to then in response to the mirror position on a meet behind the lens located diffractive optical elements.
Bevorzugt ist ein Umlenkspiegel vorgesehen, der auf der Linsenachse angeordnet ist, um den auftreffenden Laserstrahl derart auszurichten, dass er auf der Linsenachse durch das Zentrum der Linse auf den schwenkbaren Spiegel trifft.Preferably, a deflection mirror is provided, which is arranged on the lens axis, in order to align the incident laser beam in such a way that it lies on the Lens axis through the center of the lens meets the pivoting mirror.
Die Lichtquelle umfasst beispielsweise Mittel zur Erzeugung von RGB- Laserstrahlen, die gemeinsam durch die Linse auf den schwenkbaren Spiegel geführt werden. Dadurch ergibt sich eine farbige Bildprojektion.The light source comprises, for example, means for generating RGB laser beams, which are guided together through the lens onto the pivotable mirror. This results in a colored image projection.
Zur Projektion eines farbigen Musters sind besonders bevorzugt jeweils mehrere diffraktive optische Elemente mit unterschiedlichen Strukturgrößen in enger Nachbarschaft angeordnet. Dadurch können Größenunterschiede bei der Projektion mit verschiedenen Wellenlängen ausgeglichen werden.In order to project a colored pattern, it is particularly preferable in each case to arrange a plurality of diffractive optical elements with different feature sizes in close proximity. As a result, size differences in the projection can be compensated for with different wavelengths.
Die Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls kann zum Beispiel auch mehrere holografische Linsen umfassen, die bevorzugt als Stapel angeordnet sind, wobei jede holografische Linse zur Abbildung einer RGB-Wellenlänge dient und übrige RGB-Wellenlängen weitgehend ohne Beeinflussung durchlässt.The device for moving the laser beam may, for example, also comprise a plurality of holographic lenses, which are preferably arranged as stacks, each holographic lens serving to image an RGB wavelength and transmitting remaining RGB wavelengths largely without interference.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen, die beim Auftreffen eines schmalbandigen Lichtstrahls bzw. Laserstrahls durch Beugung jeweils ein Muster zur Bildprojektion erzeugen, und umfasst die Schritte:The method according to the invention serves for switchable image projection with diffractive optical elements, which generate a pattern for image projection upon impact of a narrow-band light beam or laser beam by diffraction, respectively, and comprises the steps:
Erzeugung des schmalbandigen Lichtstrahls für die Bildprojektion; Bewegung des Lichtstrahls über die diffraktiven optischen Elemente, um nacheinander verschiedene Muster zu erzeugen; wobei der Lichtstrahl mit einem schwenkbaren Spiegel über die diffraktiven optischen Elemente bewegt wird, und wobei der Spiegel im Fokus einer Linse angeordnet ist, die sich zwischen den diffraktiven optischen Elementen und dem Spiegel befindet.Generation of the narrowband light beam for image projection; Moving the light beam across the diffractive optical elements to produce successively different patterns; wherein the light beam is moved with a pivotable mirror over the diffractive optical elements, and wherein the mirror is arranged in the focus of a lens, which is located between the diffractive optical elements and the mirror.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt. Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denenAdvantageously, the method is carried out with a device according to the invention. The invention will be described by way of example with reference to the figures, in which
Fig. 1 eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;Fig. 1 shows an apparatus for switchable image projection according to a first preferred embodiment of the invention;
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein DOE-Array zeigt;Fig. 2 is a plan view of a DOE array;
Fig. 3 eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer holografischen Linse zeigt;Fig. 3 shows a reversible image projection apparatus according to a second preferred embodiment of the invention with a holographic lens;
Fig. 4 eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Projektion mehrfarbiger Bilder zeigt;Fig. 4 shows a switchable image projection apparatus according to a third preferred embodiment of the invention for projecting multicolor images;
Fig. 5 eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Stapel von holografischen Linsen zeigt.Fig. 5 shows an apparatus for switchable image projection according to a fourth preferred embodiment of the invention with a stack of holographic lenses.
In den verschiedenen Figuren sind Bauteile und Elemente, die im wesentlichen gleiche Funktionen oder Eigenschaften haben, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.In the various figures, components and elements having substantially the same functions or properties are identified by the same reference numerals.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur umschaltbaren Bildprojektion als eine erste Variante des Aufbaus eines DOE-Projektors mit nur einem monochromatischen Laser 11 als Lichtquelle und mit einer Linse 12 zur Fokussierung des vom Laser 11 erzeugten Laserstrahles 13 auf einen schwenkbaren Mikrospiegel 14.1 shows a device 10 for switchable image projection as a first variant of the construction of a DOE projector with only one monochromatic laser 11 as the light source and with a lens 12 for focusing the laser beam 13 generated by the laser 11 onto a pivotable micromirror 14.
Der Mikrospiegel 14 ist als MEMS-Scanner ausgestaltet. Der Spiegel bzw.The micromirror 14 is designed as a MEMS scanner. The mirror or
Mikrospiegel 14 spiegelt den einfallenden, kollimierten Laserstrahl 13, der auf der optischen Achse der Linse 12 in deren Brennpunkt fokussiert wird, um den doppelten Einfallswinkel zurück. Das Zurückspiegeln erfolgt in der Weise, dass der zurück gespiegelte Laserstrahl 15 nach Durchqueren der Linse 12 den gleichem Durchmesser wie der einfallende Laserstrahl 13 vor dem Durchqueren der Linse 12 hat und mit der optischen Achse der Linse 12 exakt parallel aber in entgegengesetzter Richtung verläuft.Micromirror 14 mirrors the incident, collimated laser beam 13, which is focused on the optical axis of the lens 12 at its focal point to the double angle of incidence back. The mirroring back is done in such a way that the back-mirrored laser beam 15 after passing through the lens 12 has the same diameter as the incident laser beam 13 before passing through the lens 12 and with the optical axis of the lens 12 is exactly parallel but in the opposite direction.
Parallel zur Linse ist eine Vielzahl diffraktiver optischer Elemente 16 (DOEs) als flächenartiges Array auf einem Substrat 17 derart angeordnet, dass der zurückgespiegelte Laserstrahl 15 nach dem Durchqueren der Linse 12 auf die DOE-Fläche trifft.Parallel to the lens, a plurality of diffractive optical elements 16 (DOEs) are arranged as a planar array on a substrate 17 such that the reflected laser beam 15 strikes the DOE surface after passing through the lens 12.
Die aus der Linse 12 und dem Spiegel bzw Mikrospiegel 14 bestehende Anordnung bildet eine Einrichtung 50 zur Bewegung des Lichtstrahls bzw. Laserstrahls 13, 15 über die diffraktiven optischen Elemente 16.The arrangement comprising the lens 12 and the mirror or micromirror 14 forms a device 50 for moving the light beam or laser beam 13, 15 via the diffractive optical elements 16.
Bei einer Drehung des Scan- oder Mikrospiegels 14 wird der entlang der Linsenachse einfallender Laserstrahl 13 translatorisch über die DOEs 16 auf der Substratfläche in zwei Richtungen bewegt, und zwar so, dass jeder Winkelkoordinate (φi.ψj) eine Ortskoordinate (Xj1Vj), wie in Fig. 1 dargestellt ist, auf dem Substrat 17 entspricht. Beim dem Durchqueren des DOE 16a wird der einfallende Strahl in der Beugungsstruktur in die erwünschte Weise aufgeteilt und umgelenkt.Upon rotation of the scan or micromirror 14, the laser beam 13 incident along the lens axis is translated in two directions over the DOEs 16 on the substrate surface, such that each angular coordinate (φi.ψ j ) is a spatial coordinate (Xj 1 Vj). , as shown in Fig. 1, corresponds to the substrate 17. In traversing the DOE 16a, the incident beam in the diffraction structure is split and deflected in the desired manner.
Mit dieser Anordnung und entsprechender Ansteuerung des Mikrospiegels 14 werden die einzelnen DOEs 16 des Arrays hintereinander in beliebiger Reihenfolge diskret beleuchtet. Dadurch werden die Bilder, die in ihnen gespeichert sind, hintereinander aufgerufen bzw. auf eine in der Figur nicht dargestellte Flache projiziert.With this arrangement and appropriate control of the micromirror 14, the individual DOEs 16 of the array are illuminated one behind the other discretely in any order. As a result, the images stored in them are called in succession or projected onto a surface not shown in the figure.
Die Vorrichtung 10 zur umschaltbaren Bildprojektion umfasst weiterhin eine Anordnung von Umlenkspiegeln 18a, 18b, die den vom Laser 1 1 erzeugten schmalbandigen Lichtstrahl zur Linse 12 führen, so dass er auf der Linsenachse bzw. parallel zur Linsenachse die Linse 12 durchdringt. In der hier gezeigten Vorrichtung 10 ist der Umlenkspiegel 18b an einem Fenster 19 befestigt, an einer Position, die auf der Linsenachse liegt. Durch das Fenster 19 verlassen die durch die DOEs 16 gebeugten Lichtstrahlen den Projektor bzw. die Vorrichtung 10.The switchable image projection apparatus 10 further comprises an arrangement of deflecting mirrors 18a, 18b which guide the narrowband light beam generated by the laser 1 1 to the lens 12 so as to be incident on the lens axis or parallel to the lens axis, the lens 12 penetrates. In the apparatus 10 shown here, the deflection mirror 18b is fixed to a window 19 at a position lying on the lens axis. Through the window 19, the diffracted by the DOEs 16 light beams leave the projector or the device 10th
Durch eine Schaltanordnung oder Spiegelsteuerung, die ein entsprechendes Signal ausgibt und in den Figuren nicht dargestellt ist, wird der Spiegel 14 angesteuert, um die Schwenkbewegungen und dadurch das Umschalten zwischen den DOEs zu bewirken.By a switching arrangement or mirror control, which outputs a corresponding signal and is not shown in the figures, the mirror 14 is driven in order to effect the pivoting movements and thereby the switching between the DOEs.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Ansteuerung des Spiegels 14 derart, dass das Abbild jedes DOEs in der Projektion in eine randomisierte oder zufallsgesteuerte Bewegung in zwei Achsen versetzt wird. Die Ausschläge dieser Bewegung liegen in der Größenordnung der Rauhigkeit der Oberfläche, die typisch im Bereich von 10μm bis 100μm beträgt. Sie liegen aber deutlich unter der Pixelgröße des Bildes des DOEs und der Auflösungsgrenze des Auges an der Projektionswand, d.h. typischerweise deutlich unterhalb der Größenordnung von 1000μm.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the control of the mirror 14 takes place in such a way that the image of each DOE in the projection is set into a randomized or randomly controlled movement in two axes. The rashes of this movement are in the order of magnitude of the roughness of the surface, which is typically in the range of 10 .mu.m to 100 .mu.m. However, they are well below the pixel size of the image of the DOE and the resolution limit of the eye on the projection screen, i. typically well below the order of 1000μm.
Durch diese Bewegung erfolgt eine Ausmittelung von Speckies im Auge des Betrachters. Derartige Bildspeckies entstehen allgemein bei einer Bildprojektion mit Lasern auf ein raue Oberfläche. Das heißt, durch die oben beschriebene spezielle Ansteuerung der Spiegel wird das Entstehen von Bildspeckeis aufgrund einer Bildrauhigkeit im Auge des Betrachters gelöst.Through this movement, an averaging of speckles in the eye of the beholder takes place. Such image speckies generally arise in an image projection with lasers on a rough surface. That is, by the above-described special control of the mirror, the emergence of Bildspeckeis is solved due to image roughness in the eye of the beholder.
Die randomisierte zweidimensionale Bewegung über die Bildfläche und damit auch über die Fläche jedes einzelnen DOEs kann durch Überlagerung eines entsprechenden Randomsignals zu dem bereits vorhandenen Signal zur Ansteuerung des Spiegels des 2-Achsen-Mikroscanners mit einfachen elektronischen Mitteln bewerkstelligt werden. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Array von DOEs 16, die Zeilen- und spaltenweise auf dem Substrat 17 angeordnet sind, schematisch ist dargestellt, wie der vom Laser 11 kommende Strahl 13 das Substrat 17 von seiner Vorderseite her an einer Öffnung 4 im Zentrum durchdringt, anschließend an dem hinter dem DOE-Array bzw. Substrat 17 gelegenen schwenkbaren Spiegel 14 reflektiert wird, und dann an dem durch die Spiegelstellung definierten DOE 16a das Substrat 17 von der Rückseite her durchdringt, wobei der Strahl durch das DOE 16a gebeugt wird und ein ausgewähltes Muster zur Bildprojektion erzeugt.The randomized two-dimensional movement over the image surface and thus over the surface of each DOE can be accomplished by superimposing a corresponding Randomsignals to the already existing signal to control the mirror of the 2-axis microscanner with simple electronic means. FIG. 2 shows a top view of the array of DOEs 16, which are arranged on the substrate 17 in rows and columns. It is shown schematically how the beam 13 coming from the laser 11 penetrates the substrate 17 from its front side at an opening 4 in the center is then reflected at the pivotable mirror 14 located behind the DOE array or substrate 17, and then penetrates the substrate 17 from the rear side at the DOE 16a defined by the mirror position, the beam being diffracted by the DOE 16a and selected pattern for image projection generated.
Ein besonderer Vorteil dieser mit DOEs projizierten Laser-Bilder ist, dass sie in jeder beliebigen Entfernung scharf sind. Sie vergrößern sich mit zunehmender Entfernung aufgrund der Winkelspreizung der umgelenkten Strahlen, aber nehmen trotzdem im Auge eines feststehenden Betrachters immer den gleichen Bildwinkel an. Bei einer schiefen Projektion auf glatte Flächen und bei Projektion auf gekrümmte Flächen kann die daraus resultierende Bildverzerrung durch eine Vorverzerrung des Bildes bei der Herstellung der DOEs berücksichtigt werden.A particular advantage of these DOE-projected laser images is that they are sharp at any distance. They increase with increasing distance due to the angular spread of the deflected rays, but still take on the same angle of view in the eye of a fixed observer. With an oblique projection on smooth surfaces and with projection on curved surfaces, the resulting image distortion can be taken into account by a predistortion of the image during the production of the DOEs.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante des Aufbaus mit einer monochromatischen Lichtquelle 11 bzw. Laserquelle. Dabei ist an Stelle der Linse 12 des in Figur 1 gezeigten Aufbaus eine holografische Linse 22 als DOE zur Strahlbündelung bzw. Strahlformung vorgesehen. Vorzugsweise wird die holografische Linse 22 mit einem Volumen Phasenhologramm als Transmissionsstruktur hergestellt. Dadurch können noch größere Vorteile hinsichtlich des kompakten Aufbaus und der Vereinheitlichung der eingesetzten Techniken erzielt werden.FIG. 3 shows a further variant of the structure with a monochromatic light source 11 or laser source. In this case, instead of the lens 12 of the construction shown in FIG. 1, a holographic lens 22 is provided as a DOE for beam focusing or beam shaping. Preferably, the holographic lens 22 is fabricated with a volume phase hologram as a transmission structure. As a result, even greater advantages in terms of compact design and standardization of the techniques used can be achieved.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante des Aufbaus mit drei monochromatischen RGB- Lasern 11 zur Projektion von mehrfarbigen Bildern mit drei DOEs 16r, 16g, 16b unterschiedlicher Strukturgröße für drei RGB-Wellenlängen zur Aufhebung des unterschiedlichen Beugungswinkel in Abhängigkeit der Wellenlänge, und zur Projektion von mehrfarbigen Bildern. Da die Projektion auf Grund von Lichtbeugung stattfindet, bleibt ein Bild bei der Verwendung von unterschiedlichen Laserwellenlängen zwar geometrisch exakt gleich, jedoch nimmt es in seiner Größe - da der Beugungswinkel wellenlängenabhängig ist - bei einem festen Projektionsabstand, zu oder ab. Mit einer gleichzeitigen dreifarbigen Laserbeleuchtung, Rot, Grün und Blau (RGB) entstehen deshalb aus einem DOE exakt gleiche Bilder mit der Skalierung der unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlicher Größe.4 shows a further variant of the construction with three monochromatic RGB lasers 11 for the projection of multicolor images with three DOEs 16r, 16g, 16b of different structure size for three RGB wavelengths for canceling the different diffraction angle as a function of the wavelength, and for the projection of multicolored pictures. Since the projection takes place due to light diffraction, an image remains exactly the same geometrically when using different laser wavelengths, but it increases in size - since the diffraction angle is wavelength-dependent - at a fixed projection distance, to or from. With a simultaneous three-color laser illumination, red, green and blue (RGB), therefore, a DOE produces exactly the same images with the scaling of the different wavelengths of different sizes.
Um diesen Effekt bei einer erwünschten Projektion von mehrfarbigen Bildern zu vermeiden, sind, wie in Fig. 4 gezeigt, jeweils drei DOEs 16r, 16g, 16b für ein Muster in enger bzw. unmittelbarer Nachbarschaft, aber entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen mit jeweils unterschiedlicher Strukturgröße, als Arrays auf dem gemeinsamen Träger 17 aufgebracht. Im Fernfeld überlagern sich auf Grund der natürlichen Divergenz der farbigen Einzelstrahlen die Strahlen zu einem einheitlichen Bild gleicher Größe für alle Wellenlängen in der Projektion.In order to avoid this effect in a desired projection of multicolor images, as shown in Figure 4, three DOEs 16r, 16g, 16b for a pattern are in close proximity, but corresponding to the different wavelengths, each having a different feature size, applied as arrays on the common carrier 17. In the far field, due to the natural divergence of the colored single rays, the rays overlap to form a uniform image of equal size for all wavelengths in the projection.
Fig. 5 zeigt eine Variante des Aufbaus von Fig. 4, wobei die gemeinsame Linse durch einen Stapel 52 von drei holografischen Linsen 22 ersetzt ist, und jede der einzelnen Linsen 22 als Volumen Phasenhologrammen jeweils nur für eine der drei RGB-Wellenlängen zur Abbildung beiträgt und die anderen ohne Beeinflussung durchlässt.Fig. 5 shows a variant of the structure of Fig. 4, wherein the common lens is replaced by a stack 52 of three holographic lenses 22, and each of the individual lenses 22 as volume phase holograms contributes to the imaging only for one of the three RGB wavelengths and lets others through without interference.
Es versteht sich von selbst, dass der Strahlengang zwischen DOE- und Mikrospiegel mit einer üblichen Faltung mit Umlenkspiegeln gekürzt werden kann, und dass für die Abbildung von mehrfarbigen Laserstrahlen chromatisch korrigierte Linsen eingesetzt werden können. It goes without saying that the beam path between DOE and micromirrors can be shortened with a conventional convolution with deflecting mirrors, and chromatically corrected lenses can be used for the imaging of multicolor laser beams.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen (16,16a), die beim Auftreffen eines schmalbandigen1 . Device for switchable image projection with diffractive optical elements (16, 16a), which is incident upon the arrival of a narrowband
Lichtstrahls (13) durch Beugung jeweils ein Muster zur Bildprojektion erzeugen, einer Lichtquelle (11) zur Erzeugung des schmalbandigen LichtstrahlsLight beam (13) by diffraction each generate a pattern for image projection, a light source (11) for generating the narrow-band light beam
(13) für die Bildprojektion, und einer Einrichtung (50) zur Bewegung des Lichtstrahls über die diffraktiven optischen Elemente (16, 16a), um nacheinander verschiedene Muster zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (50) zur Bewegung des Lichtstrahls (13) eine Linse(13) for image projection, and means (50) for moving the light beam across the diffractive optical elements (16, 16a) to produce successively different patterns, characterized in that the means (50) for moving the light beam (13 ) a lens
(12; 22) und einen im Fokus der Linse (12; 22) angeordneten schwenkbaren Spiegel (14) umfasst, wobei die Linse (12; 22) zwischen dem schwenkbaren Spiegel (14) und den diffraktiven optischen(12; 22) and a pivotable mirror (14) arranged in the focus of the lens (12; 22), the lens (12; 22) being arranged between the pivoting mirror (14) and the diffractive optical
Elementen (16, 16a) angeordnet ist.Elements (16, 16a) is arranged.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der schwenkbare Spiegel (14) als zweiachsiger mikro-elektro-mechanischer2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the pivotable mirror (14) as a biaxial micro-electro-mechanical
Spiegelscanner ausgestaltet ist.Mirror scanner is designed.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der schwenkbare Spiegel (14) in einer zweiachsigen kardanischen Aufhängung befestigt ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the pivotable mirror (14) is fixed in a two-axis gimbal.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (14) einen elektrostatischen, magnetischen oder piezoelektrischen Antrieb aufweist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mirror (14) comprises an electrostatic, magnetic or piezoelectric drive.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen des Spiegels (14) in ihrer Ausrichtung bewegbar sind.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the axes of rotation of the mirror (14) in their Alignment are movable.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen des Spiegels (14) im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the axes of rotation of the mirror (14) are aligned substantially orthogonal to each other.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven optischen Elemente (16, 16a) flächenartig als Array angeordnet sind.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the diffractive optical elements (16, 16 a) are arranged like an array as an array.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (22) als holografische Linse ausgestaltet ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (22) is designed as a holographic lens.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (12; 22) und der Spiegel (14) derart im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet sind, dass der Lichtstrahl nach Durchqueren der Linse (12; 22)auf die Linse zurück gespiegelt wird und diese erneut durchdringt, um anschließend in Abhängigkeit von der Spiegelstellung auf eines (16a) der hinter der Linse (12; 22) gelegenen diffraktiven optischen Elemente (16) zu treffen.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (12; 22) and the mirror (14) are arranged in the beam path of the light beam such that the light beam after passing through the lens (12; 22) back to the lens is reflected and penetrates again, in order subsequently to hit, depending on the mirror position, on one (16a) of the diffractive optical elements (16) located behind the lens (12;
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (12; 22) und der Spiegel derart im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet sind, dass der ankommende10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (12; 22) and the mirror are arranged in the beam path of the light beam such that the incoming
Lichtstrahl (13) die Linse (12; 22) parallel zur Linsenachse durchdringt und nach Reflexion am schwenkbaren Spiegel (14) und erneutem Linsendurchgang die Linse (12; 22) parallel zum ankommenden Lichtstrahl verlässt, um anschließend in Abhängigkeit von der Spiegelstellung auf eines (16a) der hinter der Linse (12; 22) gelegenen diffraktiven optischen Elemente (16) zu treffen. Light beam (13) penetrates the lens (12; 22) parallel to the lens axis and, after reflection on the pivotable mirror (14) and again lens passage, leaves the lens (12; 22) parallel to the incoming light beam and then, depending on the mirror position on a ( 16a) of the diffractive optical elements (16) located behind the lens (12; 22).
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine flächige Anordnung von diffraktiven optischen Elementen (16) parallel zur Linse (12; 22) an der dem Spiegel (14) gegenüber liegenden Seite der Linse (12; 22) angeordnet ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a planar arrangement of diffractive optical elements (16) parallel to the lens (12; 22) on the mirror (14) opposite side of the lens (12; 22) is arranged ,
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Umlenkspiegel (18a, 18b), der auf der Linsenachse angeordnet ist, um den auftreffenden Lichtstrahl (13) derart auszurichten, dass er auf der Linsenachse durch das Zentrum der Linse (12; 22) auf den schwenkbaren Spiegel (14) trifft.12. Device according to one of the preceding claims, characterized by a deflection mirror (18a, 18b) which is arranged on the lens axis in order to align the incident light beam (13) in such a way that it passes through the center of the lens (12, 22) on the lens axis. on the pivoting mirror (14) meets.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11 ) Mittel zur Erzeugung von RGB-Laserstrahlen umfasst, die gemeinsam durch die Linse (12; 22) auf den schwenkbaren Spiegel (14) geführt werden.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (11) comprises means for generating RGB laser beams which are guided together by the lens (12; 22) on the pivotable mirror (14).
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Projektion eines Musters jeweils mehrere diffraktive optische Elemente (16r, 16b, 16g) mit unterschiedlichen Strukturgrößen in enger Nachbarschaft angeordnet sind, um14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that for the projection of a pattern in each case a plurality of diffractive optical elements (16r, 16b, 16g) are arranged with different feature sizes in close proximity to
Größenunterschiede bei der Projektion mit verschiedenen Wellenlängen auszugleichen.To compensate for size differences in the projection with different wavelengths.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bewegung des Lichtstrahls mehrere holografische Linsen (22) umfasst, die als Stapel (52) angeordnet sind, wobei jede holografische Linse (22) zur Abbildung einer RGB-Wellenlänge dient und übrige RGB-Wellenlängen weitgehend ohne Beeinflussung durchlässt.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means for moving the light beam comprises a plurality of holographic lenses (22) which are arranged as a stack (52), wherein each holographic lens (22) is used to image an RGB wavelength and transmits other RGB wavelengths largely without interference.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Spiegelsteuerung, die den Spiegel während der Beleuchtung eines DOEs (16a) in eine Bewegung um zwei Achsen versetzt, um durch Bewegen des Abbildes des DOEs (16a) Bildspeckies auszumitteln.16. Device according to one of the preceding claims, characterized by a mirror control, the mirror during the illumination of a DOE (16a) is set in motion about two axes to average out image speckles by moving the image of the DOE (16a).
17. Verfahren zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen17. Method for switchable image projection with diffractive optical
Elementen, die beim Auftreffen eines schmalbandigen Lichtstrahls (13, 15) durch Beugung jeweils ein Muster zur Bildprojektion erzeugen, mit den Schritten: Erzeugung des Lichtstrahls (13, 15) für die Bildprojektion, und Bewegung des Lichtstrahls (13, 15) über die diffraktiven optischenElements which generate a pattern for image projection by diffraction when a narrow-band light beam (13, 15) hits, comprising the steps of: generating the light beam (13, 15) for the image projection, and moving the light beam (13, 15) over the diffractive one optical
Elemente (16), um nacheinander verschiedene Muster zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (13, 15) mit einem schwenkbaren Spiegel (14) über die diffraktiven optischen Elemente (16) bewegt wird, wobei der Spiegel (14) im Fokus einer Linse (12; 22) angeordnet ist, die sich zwischen den diffraktiven optischen Elementen (16) und dem Spiegel (14) befindet.Elements (16) for generating successively different patterns, characterized in that the light beam (13, 15) is moved with a pivoting mirror (14) over the diffractive optical elements (16), the mirror (14) being in focus Lens (12; 22) is located between the diffractive optical elements (16) and the mirror (14).
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 durchgeführt wird. 18. The method according to claim 16, characterized in that it is carried out with a device according to one of claims 1 to 15.
PCT/DE2006/001339 2005-08-04 2006-08-01 Apparatus for switchable image projection with diffractive optical elements WO2007014551A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005037435.2 2005-08-04
DE102005037435.2A DE102005037435B4 (en) 2005-08-04 2005-08-04 Device for switchable image projection with diffractive optical elements and method for switchable image projection

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007014551A1 true WO2007014551A1 (en) 2007-02-08

Family

ID=37441468

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2006/001339 WO2007014551A1 (en) 2005-08-04 2006-08-01 Apparatus for switchable image projection with diffractive optical elements

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102005037435B4 (en)
WO (1) WO2007014551A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8300293B2 (en) 2007-01-25 2012-10-30 Ralf Violonchi Micro-optical beam-forming array for projecting images of a divergent isotropic cloud of light points, primarily for the entertainment sector
DE102013220448A1 (en) * 2013-10-10 2015-04-16 Zumtobel Lighting Gmbh Illumination arrangement with laser as light source
FR3069332A1 (en) * 2017-07-24 2019-01-25 Institut Mines-Telecom - Imt Atlantique DIFFRACTIVE ILLUMINATION DEVICE WITH INCREASED DIFFRACTION ANGLE

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017213734A1 (en) * 2017-08-08 2019-02-14 Robert Bosch Gmbh Apparatus and method for generating radiation having a given spatial radiation distribution
DE102018104198B4 (en) * 2018-02-23 2021-04-22 Jabil Optics Germany GmbH Projector module, mobile device and using a projector module

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997023801A1 (en) * 1995-12-22 1997-07-03 Jacqueline Martin Imaging device using a diffractive optical element, and method for using same
US20010013960A1 (en) * 1999-06-16 2001-08-16 Popovich Milan M. Three dimensional projection systems based on switchable holographic optics
WO2003010570A1 (en) * 2001-07-20 2003-02-06 Gutjahr Joerg Projection system
WO2004099852A1 (en) * 2003-05-06 2004-11-18 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Projection device for simultaneously generating a plurality of mutually spaced, holographic frames of one and the same image by means of a hologrphic screen

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6653593B2 (en) * 1999-10-08 2003-11-25 Nanovia, Lp Control system for ablating high-density array of vias or indentation in surface of object
DE20120528U1 (en) * 2001-12-19 2002-03-07 Laser Optoelektronik Gmbh Z marking
US6975788B2 (en) * 2002-12-09 2005-12-13 Lucent Technologies, Inc. Optical switch having combined input/output fiber array
DE20310056U1 (en) * 2003-06-30 2003-09-11 Laser Optoelektronik Gmbh Z Optical marker for aircraft path in vision obstructing condition, such as smoke or fog has projector with light source, generating flat light beam
US20050157359A1 (en) * 2003-12-18 2005-07-21 Intrepid World Communication Corporation Color holographic optical element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997023801A1 (en) * 1995-12-22 1997-07-03 Jacqueline Martin Imaging device using a diffractive optical element, and method for using same
US20010013960A1 (en) * 1999-06-16 2001-08-16 Popovich Milan M. Three dimensional projection systems based on switchable holographic optics
WO2003010570A1 (en) * 2001-07-20 2003-02-06 Gutjahr Joerg Projection system
WO2004099852A1 (en) * 2003-05-06 2004-11-18 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Projection device for simultaneously generating a plurality of mutually spaced, holographic frames of one and the same image by means of a hologrphic screen

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8300293B2 (en) 2007-01-25 2012-10-30 Ralf Violonchi Micro-optical beam-forming array for projecting images of a divergent isotropic cloud of light points, primarily for the entertainment sector
DE102013220448A1 (en) * 2013-10-10 2015-04-16 Zumtobel Lighting Gmbh Illumination arrangement with laser as light source
DE102013220448B4 (en) 2013-10-10 2022-03-17 Zumtobel Lighting Gmbh Illumination arrangement with a laser as the light source
FR3069332A1 (en) * 2017-07-24 2019-01-25 Institut Mines-Telecom - Imt Atlantique DIFFRACTIVE ILLUMINATION DEVICE WITH INCREASED DIFFRACTION ANGLE
WO2019020577A1 (en) * 2017-07-24 2019-01-31 Institut Mines-Telecom - Imt Atlantique Diffractive illumination device with increased diffraction angle

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005037435B4 (en) 2016-09-29
DE102005037435A1 (en) 2007-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60125296T2 (en) ELECTROMECHANIC GRID DISPLAY SYSTEM WITH SPATIALLY SEPARATED LIGHT RADIATIONS
DE10293414B4 (en) Lithograph with moving cylindrical lens system
EP2934858B1 (en) Method for producing a homogeneous light distribution
WO2008141988A1 (en) Holographic reconstruction system and method permitting visibility regions to be strung together
EP0956706B1 (en) Method and device for eliminating image speckles in scanning laser image projection
DE102005037435B4 (en) Device for switchable image projection with diffractive optical elements and method for switchable image projection
WO2003016982A2 (en) Projection arrangement
EP0907902B1 (en) Method of three-dimensional imaging on a large-screen projection surface using a laser projector
DE2753545A1 (en) MOTOR VEHICLE HEADLIGHTS WITH POLARIZED AND UNPOLARIZED LIGHT COMPONENT
WO2019238842A1 (en) Apparatus for generating a virtual image having field point dependent aperture
DE102007019017A1 (en) Method and apparatus for projecting an image onto a screen
WO2017162647A1 (en) Device and method for producing an optical pattern from pixels in an image plane
WO2018224533A1 (en) Head-up display
DE2227367A1 (en) OPTICAL DEFLECTION DEVICE
WO2017055149A1 (en) Device for projecting data
AT518442B1 (en) Apparatus and method for projecting a light pattern
DE202006020591U1 (en) Head-up display system for motor vehicles
DE102017130376A1 (en) Display device as head-up display with simple eyebox shift
DE102011056552A1 (en) Method and device for producing a holographic screen for electronic front projection
DE112019002608T5 (en) Head-up display device
WO2019238840A1 (en) Head-up display with exactly aligned optical waveguides
EP2050574A1 (en) Method and device for scribing a kinegram structure
DE102019122417A1 (en) Compact field of view display device
DE19752888A1 (en) Micro-optic laser scanner
WO2007099456A2 (en) Wavefront forming device

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06775780

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1