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Patent Searching and Data


Title:
APPARATUS FOR SWITCHABLE IMAGE PROJECTION WITH DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2007/014551
Kind Code:
A1
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).

Inventors:
BABST ULRICH (DE)
HALLDORSSON THORSTEINN (DE)
PRUECKLMEIER ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/DE2006/001339
Publication Date:
February 08, 2007
Filing Date:
August 01, 2006
Export Citation:
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Assignee:
EADS DEUTSCHLAND GMBH (DE)
BABST ULRICH (DE)
HALLDORSSON THORSTEINN (DE)
PRUECKLMEIER ANDREAS (DE)
International Classes:
G03H1/30; G02B27/00
Domestic Patent References:
WO1997023801A11997-07-03
WO2003010570A12003-02-06
WO2004099852A12004-11-18
Foreign References:
US20010013960A12001-08-16
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Claims:

Patentansprüche

1 . Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen (16,16a), die beim Auftreffen eines schmalbandigen

Lichtstrahls (13) durch Beugung jeweils ein Muster zur Bildprojektion erzeugen, einer Lichtquelle (11) zur Erzeugung des schmalbandigen Lichtstrahls

(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

(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

Elementen (16, 16a) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der schwenkbare Spiegel (14) als zweiachsiger mikro-elektro-mechanischer

Spiegelscanner ausgestaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der schwenkbare Spiegel (14) in einer zweiachsigen kardanischen Aufhängung befestigt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (14) einen elektrostatischen, magnetischen oder piezoelektrischen Antrieb aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen des Spiegels (14) in ihrer

Ausrichtung bewegbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen des Spiegels (14) im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven optischen Elemente (16, 16a) flächenartig als Array angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (22) als holografische Linse ausgestaltet ist.

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.

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 ankommende

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.

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.

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.

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.

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, um

Größenunterschiede bei der Projektion mit verschiedenen Wellenlängen auszugleichen.

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.

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.

17. Verfahren zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen

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 optischen

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.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 durchgeführt wird.

Description:

Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion mit diffraktiven optischen Elementen

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Mit einer entsprechenden Auslegung der Fernfeldbeugung bzw.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Bevorzugt ist der schwenkbare Spiegel als zweiachsiger mikro-elektro- mechanischer Spiegelscanner ausgestaltet und beispielsweise in einer zweiachsigen kardanischen Aufhängung befestigt.

Mit Hilfe der zweiachsiger Auslenkung von sehr kompakten und kostengünstigen Mikrospiegeln ergibt sich eine besonders kompakte und besonders kostengünstige Konstruktion.

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.

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.

Die Linse kann insbesondere als holografische Linse ausgestaltet sein. Es ist aber ebenso möglich, eine herkömmliche lichtbrechende optische Linse zu verwenden.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen

Fig. 1 eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein DOE-Array zeigt;

Fig. 3 eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer holografischen Linse zeigt;

Fig. 4 eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Projektion mehrfarbiger Bilder zeigt;

Fig. 5 eine Vorrichtung zur umschaltbaren Bildprojektion gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Stapel von holografischen Linsen zeigt.

In den verschiedenen Figuren sind Bauteile und Elemente, die im wesentlichen gleiche Funktionen oder Eigenschaften haben, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

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.

Der Mikrospiegel 14 ist als MEMS-Scanner ausgestaltet. Der Spiegel bzw.

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.

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.

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.

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.ψ j ) eine Ortskoordinate (Xj 1 Vj), 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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. 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.

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.

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.

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.