Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik und der Bilderzeugung. Sie ist mit besonderem Vorteil beispielsweise für Bildprojektoren einsetzbar.

Scannende Bildprojektionsverfahren sind grundsätzlich bekannt. Bei solchen Verfahren wird üblicherweise ein Strahl, beispielsweise ein Laserstrahl, mittels eines steuerbaren Spiegels, gezielt abgelenkt, und während der Ablenkung wird die Strahlintensität moduliert. Hierdurch entsteht auf einer Projektions fläche ein erkennbares Bild.

Die Auflösung bekannter Projektionsverfahren ist nicht nur die abbildende Optik und die Qualität der Steuerung der Spiegel oder anderer den Strahl ge zielt ablenkender Elemente begrenzt, sondern auch durch die Qualität, insbe sondere die Ausdehnung, der bilderzeugenden Strahlen selbst.

Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Tech nik die Aufgabe zugrunde, ein scannendes Projektionsverfahren und eine Bil derzeugungseinrichtung zu schaffen, die es erlauben, Bilder mit möglichst ho her Auflösung zu erzeugen.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 10 stellen mögliche Implementierungen der Einrichtung vor.

Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Bilderzeugungseinrichtung mit einer Strahlungsquelle für einen oder mehrere Ausgangsstrahlen mit gauß- scher Strahlungscharakteristik, insbesondere einer Laserstrahlquelle, mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen aus einem oder meh reren Ausgangsstrahlen, mit einem steuerbar antreibbaren MEMS-Scanner, wobei die Bessel-ähnlichen Strahlen auf den MEMS-Scanner gerichtet sind und durch den MEMS-Scanner zur Erzeugung eines Bildes gezielt ausgelenkt werden, und mit einem wenigstens teilweise für die Bessel-ähnlichen Strahlen durchlässigen Anzeigekörper, auf den die Bessel-ähnlichen Strahlen durch den MEMS-Scanner gelenkt werden. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Auflösung von scannen den Projektionsverfahren unter anderem auch durch das Strahlprofil der übli cherweise verwendeten gaußschen Strahlen, beispielsweise in Form von La serstrahlen, begrenzt ist. Der Fokussierung und Strahlformung von gaußschen Strahlen zu geringen Strahldurchmessern sind physikalisch prinzipiell Grenzen gesetzt.

Aus den Lösungen der Helmholtz-Gleichung, die grundsätzlich elektromagneti sche Strahlungen beschreibt, ergibt sich, dass durch sogenannte Bessel-Strah- len, benannt nach den Bessel-Funktionen, die mögliche Lösungen der Helm holtz-Gleichung beschreiben, geringere Strahldurchmesser möglich sind als mit den üblichen Gauß-Strahlen. Ideale Bessel-Strahlen, die durch die genann ten Bessel-Funktionen beschrieben werden, sind jedoch in der Praxis ebenso wenig zu erzeugen wie ideale gaußsche Strahlen. Deshalb wird bei der Be schreibung der vorliegenden Erfindung in der Folge auf Bessel-ähnliche Strah len abgestellt, die Eigenschaften besitzen, die den Eigenschaften der idealen Bessel-Strahlung nahekommen. Praktische Möglichkeiten, Bessel-ähnliche Strahlen zu erzeugen, sind bekannt und gehen von der Verwendung von gauß schen Strahlen und ihrer Umformung in Bessel-ähnliche Strahlen aus. Auf die Eigenschaften der Bessel-Strahlen und Bessel-ähnlichen Strahlen wird im Zu sammenhang mit der Figurenbeschreibung noch genauer eingegangen.

Gemäß der Erfindung kann daher mit großer Auflösung unter Verwendung ei nes MEMS-Scanners eine Abbildung auf einem Anzeigekörper sichtbar ge macht werden. Die Pixelauflösung kann beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1000 x 1000 Bildpunkten pro Quadratzentimeter liegen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin liegen, dass eine Pro jektionseinrichtung vorgesehen ist, die das Bild vom Anzeigekörper mittels ei ner Projektionsoptik auf eine Projektionsfläche projiziert. Der Anzeigekörper kann zunächst nach Art einer Mattscheibe wirken, auf der das durch die Bes sel-ähnlichen Strahlen erzeugte Bild sichtbar wird. Dieses Bild kann durch die Projektionseinrichtung beispielsweise auf eine größere Fläche geworfen wer den, um das Bild für Benutzer besser und/oder komfortabler sichtbar zu ma chen. Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Einrich tung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen wenigstens ein Axicon auf weist. Unter einem Axicon wird ein optisches Bauelement verstanden, dass in spiegelnder oder lichtbrechender Ausführung vorliegen kann, das in den meis ten Fällen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und das in Fernfeldnäherung ringförmige Strahlprofile erzeugt. Optimal ist hierfür, dass ein Laserstrahl, und somit ein gaußscher Strahl, kollinear zur optischen Achse eines Axicons einge strahlt wird. Durch die weitere Strahlführung wird das ringförmige Strahlprofil auf eine möglichst kleine Fläche konzentriert, beispielsweise fokussiert oder kollimiert. Hierzu kann eine abbildende Optik oder ein weiteres Axicon ver wendet werden.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass wenigstens ein Axicon als Spiegel oder als lichtbrechendes Element, insbesondere als Linse, ausgebildet ist.

Vom Ausgangsstrahl werden beide Axicons in einem solchen Fall nacheinan der durchlaufen, wobei auch eine Zusammenstellung aus zwei Axicons zusätz lich mit einer Abbildungsoptik kombiniert sein kann.

Konkret kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Bessel- ähnlichen Strahlen wenigstens zwei koaxial zueinander ausgerichtete Axicons aufweist.

In einer anderen Ausprägung kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Bessel-ähnlichen Strahlen eine Blende mit einem Ringspalt aufweist, auf den der oder die Ausgangsstrahlen gerichtet sind, wobei insbesondere von der Strahlungsquelle aus gesehen hinter dem Ringspalt wenigstens eine Sammellinse vorgesehen ist. Auch durch eine sol che Einrichtung lässt sich ein Bessel-ähnlicher Strahl mit einer extrem engen Intensitätsverteilung hersteilen.

Grundsätzlich kann der verwendete MEMS-Scanner einen oder mehrere an- treibbar schwenkbare oder drehbare Spiegel aufweisen, die um unterschiedli che Achsen schwenkbar sind, so dass der Strahl in zwei Dimensionen ablenk bar ist, um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen. Dabei kann es sinnvoll sein, dass die Achsen des oder der Spiegel senkrecht aufeinanderstehen. Es ist grundsätzlich auch für einige Anwendungen möglich, einen Spiegel, insbeson dere MEMS-Spiegel vorzusehen, der nur um eine einzige Achse dreh- oder schwenkbar ist.

Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn bei mehreren vorgesehenen Schwenk achsen diese sich schneiden. Werden nämlich von einem Strahl zwei schwenk bare Spiegel nacheinander durchlaufen, so addieren sich sowohl die Reflexi onsverluste als auch Fehler bei der Ablenkung. Zum Teil liegt dies auch daran, dass auf dem zweiten Spiegel der bereits durch den ersten Spiegel abgelenkte Strahl wandert, so dass Inhomogenitäten auf der Spiegeloberfläche zu Fehlern führen können.

Deshalb kann es gemäß der Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass der MEMS-Scanner als 2D-MEMS-Scanner mit einem um mehrere Achsen drehba ren oder schwenkbaren Spiegel ausgebildet ist. Bei grundsätzlich bekannten 2D-MEMS-Scannern wird ein einziger Spiegel durch geeignete Antriebe um zwei verschiedene Achsen gedreht, um ein zweidimensionales Bild zu erzeu gen. Fehler bei der Bilderzeugung können durch Verwendung eines derartigen 2D-MEMS-Scanners minimiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass eine Kapselungswand des MEMS-Scanners als Anzeigekörper ausgebildet ist, wobei die Kapselungswand für die Bilderzeugung insbesondere einen planen Abschnitt oder einen kugelkalottenförmigen Abschnitt aufweist, dessen Kugel mittelpunkt mit einem Punkt zusammenfällt, in dem sich zwei Schwenkachsen eines MEMS-Spiegels schneiden. In vielen Fällen sind die beschriebenen MEMS-Scanner gekapselt und weisen eine wenigstens teilweise für die ver wendete Strahlung transparente Kapselungswand auf. Durch die Kapselung kann beispielsweise der Scanner vor Umwelteinflüssen geschützt werden, und der Raum, in dem sich der antreibbare Spiegel bewegt, kann beispielsweise auch evakuiert werden, um Luftreibungsverluste zu minimieren und die Aus lenkung des Spiegels zu optimieren.

Ein Abschnitt der Kapselungswand kann dazu verwendet werden, als eine Art Mattscheibe zu dienen, um auf diesem Abschnitt die scannende Projektion derart zu erzeugen, dass sie von außerhalb der Kapselung erkennbar ist. Eine übliche Ausbildung der Kapselungswand als Mattscheibe, beispielsweise durch Aufrauen der Kapselungswand auf der Innen- oder Außenseite, wird dabei oft nicht ausreichen, da die mögliche erreichbare Auflösung durch die Verwen dung der Bessel-ähnlichen Strahlen die Auflösung einer solchen Mattscheibe übersteigen kann. Das Material der Kapselungswand sollte deshalb vorteilhaft eine Struktur aufweisen, die mit hoher Ortsauflösung eine Vorwärtsstreuung des einfallenden Lichts ermöglicht. Dazu kann die Kapselungswand beispiels weise mit einer phosphoreszierenden Substanz versetzt oder beschichtet, bei spielsweise auch mit einer phosphoreszierenden Folie beschichtet sein. Es ist jedoch auch jede andere Art der Beschaffenheit einer solchen Kapselungs wand, die eine hochauflösende Vorwärtsstreuung ermöglicht, denkbar.

Die Form der Kapselungswand oder konkret des Abschnitts der Kapselungs wand, auf dem das Bild erzeugt werden kann, kann beispielsweise einer Ku gelkalotte entsprechen, deren Kugelmittelpunkt mit dem Punkt zusammen fällt, in dem sich zwei Schwenkachsen eines MEMS-Spiegels schneiden. In ei nem solchen Fall wird ein Bild erzeugt, das einfach zu berechnen ist und eine über die Bildausdehnung gleichmäßige Ortsauflösung aufweist. Es ist auch denkbar, einen planen Abschnitt der Kapselungswand zur Bildprojektion zu verwenden. Hierbei sind Verzerrungen des erzeugten Bildes bei Kenntnis der zugrunde liegenden Geometrie bei der Bilderzeugung, d. h. bei der Einstellung der jeweiligen Ablenkwinkel des MEMS-Scanners für einzelne Bildpunkte, ma thematisch in einfacher Form zu berücksichtigen.

Bei Verwendung eines einzelnen Ablenkspiegels/MEMS-Spiegels, der nur um eine einzige Achse schwenkbar ist, kann auch ein zylindrisches oder halbzy lindrisches Kapselungsgehäuse vorgesehen werden oder ein zylindrischer Ab schnitt des Kapselungsgehäuses. Die Zylinderachse kann dann vorteilhaft pa rallel zu der Schwenkachse ausgerichtet sein.

Grundsätzlich ist noch zu bemerken, dass das Bild sowohl auf der Innenseite der Kapselungswand als auch auf der Außenseite oder auch in einer dazwi schen liegenden Schicht erzeugbar ist. Wird eine phosphoreszierende Substanz verwendet, so ist selbstverständlich die Wellenlänge der Bessel-ähnlichen Strahlen auf das Material derart abzu stellen, dass Phosphoreszenz erzeugt wird.

Da bei der erfindungsgemäßen Bilderzeugungseinrichtung Bessel-ähnliche Strahlen verwendet werden, die zumindest abschnittsweise in Abschnitten des Strahlverlaufs eine ringförmige Intensitätsverteilung aufweisen, kann eine solche ringförmige Intensitätsverteilung auch bei der Reflexion auf dem oder den MEMS-Spiegeln vorliegen, da die Strahlen erst hinter dem MEMS-Scanner auf den optimierten Strahldurchmesser komprimiert werden. Dies bedeutet, dass in vielen Fällen der zentrale Bereich des oder der MEMS-Spiegel für eine Reflexion nicht benötigt wird. Ein solcher Bereich kann zur Massereduktion des MEMS-Spiegels oder der MEMS-Spiegel deshalb ausgenommen werden. Eine solche Ausnehmung kann beispielsweise kreisrund oder auch elliptisch ausgebildet sein, wenn die Bessel-ähnlichen Strahlen unter einem flachen Winkel auf den MEMS-Spiegel fallen.

Bessel-Strahlen

Bessel-Strahlen wurden 1987 theoretisch beschrieben und kurz darauf experi mentell erzeugt. Unter Bessel-Strahlen versteht man eine der Lösungen der Helmholtz-Gleichung, nämlich ein elektromagnetisches Feld, dessen

Amplitude mit einer Besselfunktion erster Art beschrieben wird. Im normalen Sprachgebrauch bezeichnet man den rotationssymmetrischen Spezialfall m = 0 als Bessel-Strahl oder genauer als Bessel-ähnlichen Strahl. Die Erzeugung von Bessel- Strahlen erfordert eine unendlich ausgedehnte ebene Welle, die in der Praxis nicht herzustellen ist. Im weiteren Text wird zum Teil der Ausdruck Bes sel-Strahlen verwendet, wobei Bessel-ähnliche Strahlen gemeint sind.

Für die Erzeugung von Bessel-Strahlen werden Laserstrahlen (Gauß-Strahlen oder gaußsche Strahlen) mit speziellen Linsen umgeformt. Anders als Laser strahlen mit einer gaußschen Charakteristik entstehen bei Bessel-Strahlen keine Beugungseffekte, und die Strahlgeometrie ändert sich bei ihrer Ausbrei tung nicht. Die ausnutzbaren Eigenschaften von Bessel-Strahlen sind, dass ihr Zentralmaximum eine hohe Strahldichte aufweist und dass dieses Zentralma ximum eine geringe radiale Ausdehnung besitzt.

Für die Herstellung von Bessel-ähnlichen Strahlen werden Gauß-Strahlen z. B. mit Hilfe von Axicons überlagert. Axicons sind konische, optische Bauele mente, die in spiegelnder oder in linsenförmiger, lichtbrechender Ausführung angewendet werden können. Axicons werden sowohl in konkaver wie auch in konvexer Form hergestellt. Sie können aus jedem geeigneten, optischen Ma terial bestehen (geeignet im Hinblick auf Wellenlänge, Laserleistung, u. a.). So wohl in spiegelnder als auch in linsenförmiger Ausführung erzeugen Axicons in der Fernfeldnäherung ringförmige Strahlprofile, sobald ein Laserstrahl bei spielsweise kollinear oder annähernd kollinear zur optischen Achse eines Axi cons eingestrahlt wird. Die Ringweite des ringförmigen Strahls ergibt sich dann näherungsweise als die Hälfte des Durchmessers des gaußschen Ein gangsstrahls. Verwendet man entweder weitere Axicons oder Linsen auf der optischen Achse, so lassen sich Strahlprofile mit unterschiedlicher Geometrie hersteilen.

Für die Anwendung von Axicons in der hier beschriebenen Vorrichtung ist aus schlaggebend, dass die Art der erzeugten Bessel-Strahlen im Wesentlichen vom Axicon-Winkel abhängt, der die Strahlgeometrie definiert.

In gleicher Weise, wie dies z. B. für Laserstrahlen in der Augenchirurgie durch geführt wird, werden zur Herstellung eines kollimierten Strahls mit ringförmi ger Intensitätsverteilung zwei Axicons miteinander kombiniert. Der Abstand der beiden Axicons definiert dann den Durchmesser der ringförmigen Intensi tätsverteilung. Für die Erzeugung von Bessel-Strahlen oder konkreten Bessel- ähnlichen Strahlen gilt dann auch, dass deren laterale Verteilung und deren Tiefe von dem Eingangsdurchmesser abhängen. Es ist eine bekannte Praxis, Axicons auch mit verschiedenen optischen Linsen zu kombinieren, die zur De finition der Strahlgeometrie dienen (z. B. als Beam-Expander).

Zur Erzeugung von Bessel-Strahlen dienen jedoch nicht nur Axicons. Eine alter native Herstellungsmethode besteht darin, einen kollimierten Laserstrahl durch einen Ringspalt mit geeignetem Durchmesser fallen zu lassen. An die sem Ringspalt wird der Laserstrahl gebeugt. Eine Linse mit einer Brennweite, die näherungsweise dem Abstand zum Ringspalt entspricht, kollimiert die ringförmige Intensitätsverteilung und erzeugt somit einen Bessel-ähnlichen Strahl.

MEMS-Scanner

Für Anwendungen der hier vorliegenden Erfindung bietet sich die Bilderzeu gung mit 2D-MEMS-Scannern an. Solche Scanner werden beispielsweise in den folgenden Dokumenten beschrieben:

- DE 199 41 363 B4: Verfahren zur Herstellung eines Mikroaktorbauteils;

- DE 10 2004 060576 B4: optisch-elektronisches Laser-Scanverfahren und Anordnung zu dessen Betrieb;

- DE 10 2006 058536 B3: Mikrospiegel-Aktuator mit Kapselungsmöglich keit sowie Verfahren zur Herstellung;

- EP 2102 096 Bl: hermetisches Wafer-Level Package für mobil ersetz bare optische MEMS;

- DE 10 2008 012384 Al: geometrische Reflexionsunterdrückung an ver kapselten Mikrospiegeln;

- EP 2514 211 Bl: Verfahren und Vorrichtung zur ein- oder mehrachsi gen Strahlablenkung;

- EP 2828 701 Bl: mikromechanischer Spiegel Aktuator für die Ablen kung hoher Laserleistung;

- DE 10 2013 206396 Al: resonante Mikrospiegel-Aktuator mit großer Oszillations-Amplitude.

Die 2D-Scanner unterliegen hinsichtlich ihrer Ausführungsform und ihrer An triebsart keiner Einschränkung.

MEMS-Scanner können beispielsweise elektrostatisch, piezoelektrisch, mag netisch, mechanisch oder anders angetrieben werden. Es muss lediglich si chergestellt sein, dass eine genügend genaue Messmethode für die Winkel stellung in beide Richtungen vorgesehen ist. Ein vorteilhafter Gesichtspunkt bei der Auswahl eines 2D-Scanners ist, dass beide Torsionsachsen in einer Ebene liegen und dass es daher einen gemeinsamen Pivotpunkt für die Aus lenkungen in zwei unabhängigen Richtungen gibt.

Ein Aufbau, der zwei 1D-Scanner verwendet und damit auch den angestrebten Raumwinkelbereich abdeckt, ist ebenfalls möglich, aber aus geometrischen Gründen in einigen Anwendungen weniger vorteilhaft.

Die Scanfrequenzen auf beiden Achsen richten sich nach der Anwendung. 2D-MEMS-Scanner, die derzeit hergestellt werden, erreichen Oszillationsfre quenzen z. B. von einigen 100 Hz auf einer Achse bis zu einigen 10 kHz auf der anderen Achse. Es können aber auch 2D-MEMS-Scanner mit gleichen oder ähnlichen Scanfrequenzen in beiden Schwingungsrichtungen verwendet wer den. Die Frequenzen der beiden Achsen definieren die maximale Wiederhol rate, mit der ein Volumen ausgeleuchtet wird.

Die Voraussetzung für die Bilderzeugung ist zu jedem Zeitpunkt während der Bilderzeugung die genaue Kenntnis der Winkelstellung des Scanners in beiden Achsen. Beispielsweise stehen für die Messung der Winkelstellung kapazitive Auslesemethoden, optische positionsempfindliche Detektoren, Dehnungs messstreifen, piezoelektrische Methoden und weitere Methoden zur Verfü gung.

Glaskapselung/Vakuumkapselung

Es stehen verschiedene Konstruktionen und Verfahren zum vakuumdichten Abdecken von MEMS-Spiegeleinheiten zur Verfügung. Ein beispielhaftes Ver fahren zur Herstellung einer MEMS-Spiegelanordnung, bei der ein transparen ter Deckel mit einem Trägersubstrat, an dem ein um mindestens eine Achse schwingender Spiegel aufgehängt ist, hermetisch dicht verschlossen wird, weist folgende Schritte auf:

- Bereitstellen eines Siliziumwafers,

- Strukturieren des Siliziumwafers derart, dass eine Mehrzahl von Ver tiefungen hergestellt werden, die jeweils der Grundfläche des Deckels entsprechen, - Aufbonden eines Deckelwafers aus glasartigem Material auf den strukturierten Siliziumwafer, wobei ein Inertgas bei einem vorgegebe nen Druck in den durch die Vertiefungen und den Deckelwafer gebilde ten Kavitäten eingeschlossen wird,

- Tempern des Verbundes aus Siliziumwafer und Deckelwafer derart, dass durch die Expansion des eingeschlossenen Inertgases eine Mehr zahl von Kuppeln gebildet wird,

- nach Abkühlen des Verbundes aus Siliziumwafer und Deckelwafer teil weises oder vollständiges Entfernen des Siliziumwafers,

- Anordnen eines Spiegelwafers, der eine Mehrzahl von am Trägersub strat aufgehängten Spiegeln umfasst, zu dem Deckelwafer derart, dass die Spiegelmitten jeweils im Mittelpunkt der Kuppeln liegen,

- Fügen und hermetisch dichtes Verschließen des Deckelwafers mit dem Spiegelwafer,

- Vereinzeln des Verbundes aus Deckelwafer und Spiegelwafer in

einzelne verkappte MEMS-Spiegelanordnungen.

Bei einem anderen Verfahren wird anstelle des Siliziumwafers ein Werkzeug verwendet, das aus einem ein Ankleben eines heißen glasartigen Materials verhindernden Material besteht oder das mit einem ein Ankleben eines hei ßen glasartigen Materials verhindernden Material beschichtet ist. Dieses Werkzeug ist oder wird mit Durchgangsöffnungen versehen. Ein Deckelwafer aus glasartigem Material wird auf das mit Durchgangsöffnungen versehene Werkzeug aufgelegt, und es wird ein Unterdrück auf der vom Deckelwafer ab gewandten Seite angelegt. Das Tempern des Verbundes aus Werkzeug und Deckelwafer erfolgt bei atmosphärischen Bedingungen derart, dass durch An saugen des Deckelwafers in die Durchgangsöffnungen aufgrund des Unter drucks eine Mehrzahl von Kuppeln gebildet wird. Nach Abkühlen des Verbun des aus Werkzeug und Deckelwafer wird das Werkzeug entfernt. Die weiteren Schritte entsprechen denen des vorher angegebenen Verfahrens. Bildschirm, Mattscheibe

Es ist möglich, mit der vorgeschlagenen Einrichtung ein reelles Bild zu erzeu gen, das nachfolgend z. B. mit einer entsprechenden Projektionsoptik auf ei nen Schirm projiziert wird. Die einfachste Möglichkeit, ein derartiges Bild zu erzeugen, ist die Verwendung einer Mattscheibe, wie sie in der Vergangenheit in der Fotografie üblich war. Die Mattscheibe wird entweder auf der Innen seite oder der Außenseite der Glasverkapselung des MEMS-Scanners herge stellt, um dort ein reelles Bild zu erzeugen. Vor dem Hintergrund jedoch, dass das reelle Bild mit Hilfe scannender Bessel-Strahlen erzeugt werden soll, also mit Strahlen besonders hoher lateraler Auflösung, nutzt die Korngröße bzw. die Körnigkeit von üblichen Mattscheiben die verfügbare Auflösung nicht voll aus. Die mit Bessel-Strahlen mögliche Pixelauflösung wäre bei der Verwen dung von Mattscheiben reduziert.

Abhängig von der spezifischen Anwendung der Vorrichtung ist es auch möglich, eine phosphoreszierende Schicht auf einer der Oberflächen des Glas körpers der Vakuumkapselung aufzubringen. Die phosphoreszierende Schicht wird typischer Weise mit "blauem" Laserlicht bestrahlt. Ein bekannter Konver sionsprozess in der phosphoreszierenden Schicht führt dazu, dass daraus Licht mit größeren Wellenlängen emittiert wird.

Seit einigen Jahren existiert eine Projektionsoberfläche, die als "transparent fluorescent film" oder auch "superimaging film" bezeichnet wird ("transpa rente Fluoreszenzfolie"). Diese Folie besteht im Wesentlichen aus Nano-Parti- keln, die aufgrund des kleinen Durchmessers der Partikel im sichtbaren Wel lenlängenbereich transparent sind. Wenn diese Folie mit Laserlicht z. B. der Wellenlänge von 405 nm beleuchtet wird, dann emittiert die Folie in alle Rich tungen und bei größeren Wellenlängen, z. B. blau oder rot, inkohärentes Licht. Ein Bessel-Strahl, der von dem in zwei Richtungen schwingenden MEMS-Scan- ner reflektiert wird und einen Flächenabschnitt der Vakuumkapselung über streicht, projiziert auf diese Weise ein Bild auf diesen kleinen Bildschirm.

Die Erzeugung eines Bildes durch Scannen eines Laserstrahls oder eines Bes- sel-Strahls, der z. B. durch einen 2D-MEMS-Scanner abgelenkt wird, und bei dem das Bild z.B. aus 2000 x 1000 Pixeln besteht, erfordert eine präzise De tektion der momentanen Winkelstellung des MEMS-Spiegels in den zwei Scan richtungen.

Die Erfassung der Winkelposition kann durch verschiedene Methoden durch geführt werden. Dazu zählen u. a. kapazitive Messungen von einander gegen überstehenden, leitfähigen Oberflächen, optische Messungen, piezoelektri sche Messungen, oder Messungen mit Dehnungsmesstreifen.

Abhängig von der momentanen Winkelstellung des MEMS-Spiegels wird die Leistung des Lasers eingestellt, so dass beleuchtete Pixel an den gewünschten Positionen auf einem Bildschirm sichtbar werden. Um dies zu erreichen, wird die Laserleistung als Funktion der Winkelstellungen in beiden Schwenkrichtun gen des Spiegels gesteuert. Hierfür ist eine Steuerung oder Regelung vorgese hen, die die Position des 2D-MEMS-Scanners mit der Laserleistung in Verbin dung bringt, um mit hoher Ortsauflösung die Pixelintensität zu definieren.

Bei der erfindungsgemäßen Bilderzeugungseinrichtung kann genutzt werden, dass für viele Anwendungen MEMS-Scanner mit einer Vakuumkapselung aus gestattet sind. Dabei kann die Glasoberflächen der Vakuumkapselung ausge nutzt werden, um darauf ein reelles Bild zu erzeugen.

Die hohe Pixelauflösung wird erreicht, indem mit bekannten Methoden ein Bessel-Strahl erzeugt wird, der von dem MEMS-Scanner in seinen beiden Rich tungen zeitlich abhängig reflektiert wird und einen Teil des Glaskörpers der Vakuumkapselung als Anzeigekörper beleuchtet.

Um auf einer Oberfläche des Anzeigekörpers ein reelles Bild zu erzeugen, ist es vorteilhaft, diese Oberfläche in ihren optischen Eigenschaften zu gestalten. Oberflächeneigenschaften von Vakuumkapselungen der MEMS-Scanner kön nen dergestalt verändert werden, dass mit dem transparenten Material, z. B. Glas, Saphir, oder Quarz, ein reelles Bild erzeugt werden kann. Dafür stehen verschiedene, existierende Möglichkeiten offen.

Zunächst soll betont werden, dass die Oberflächenveränderungen nur in dem Abschnitt der Vakuumkapselung ausgeführt werden soll, auf dem das reelle Bild entstehen soll. Der Bereich der Vakuumkapselung, durch den die Laser strahlen vor der Reflexion durch den MEMS-Spiegel durchtreten, soll frei von Veränderungen und möglichst transparent bleiben. Die Oberflächenver änderungen oder -ergänzungen, die hier angesprochen werden, umfassen bei spielsweise die Ausbildung einer Mattscheibe, das Aufbringen von

phosphoreszierenden Materialien und das Aufbringen einer transparenten fluoreszierenden Folie.

Tatsächlich lässt sich auch auf einer völlig transparenten Oberfläche ein reel les Bild erzeugen, so dass die einfache Glasoberfläche der Vakuumkapselung als Bildschirm in manchen Fällen ausreicht. Bei dieser Ausgestaltung entsteht jedenfalls ein gescanntes, reelles Bild auf beiden Oberflächen des Glaskörpers, und diese Doppelbilder können für die Anwendung hinderlich sein. Immerhin wird auf diese Weise die Bildauflösung verschlechtert. Die einfachste Möglich keit mit einer Präparation der Oberfläche besteht darin, diese so zu behan deln, dass daraus eine Mattscheibe entsteht. Dabei kann ausgewählt werden, welche der beiden Oberflächen des Glaskörpers als Mattscheibe ausgeführt wird. Auf diese Weise ist es grundsätzlich möglich, ein reelles Bild zu erzeu gen. Die Auflösung, die mit einer Mattscheibe, wie sie in der Vergangenheit in der Fotografie z. B. mit Systemkameras üblich war, ist jedoch suboptimal. Un ter der Voraussetzung, dass ein geeignetes Material zur Ausstattung einer Oberfläche der Vakuumkapselung des MEMS-Bauelements gefunden ist, be steht eine der vielversprechendsten Anwendungen der Erfindung darin, das auf dieser Oberfläche entstehende Bild mit einer geeigneten Projektionsoptik auf einen großen Bildschirm zu projizieren.

Für die Erzeugung von Bessel-Strahlen stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Die Verwendung von reflektierenden oder linsenartigen Axicons bzw. Kombinationen dieser Axicons ist eine bekannte und verwendete Vorge hensweise. Alternativ können Bessel-Strahlen auch dadurch hergestellt wer den, dass ein Laserstrahl durch einen Ringspalt tritt und dass hinter dem Spalt entstehende Beugungsmuster mit einer geeigneten Linse fokussiert wird, so dass Bessel-Strahlen entstehen. Die Erfindung ist jedoch unabhängig von der Erzeugungsmethode der Bessel-Strahlen. Die im Vordergrund stehende Anwendung der Erfindung besteht darin, auf ei ner der Oberflächen der Vakuumkapselung eines 2D-MEMS-Scanners ein reel les Bild zu erzeugen, das anschließend mit einer Projektionsoptik auf einen Bildschirm projiziert wird.

Es ist wichtig, hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf 2D-MEMS-Scanner beschränkt ist. Anwendungen, für die nur ein 1D-MEMS-Scanner erforderlich ist, sind ebenfalls mit umfasst.

Typische Projektionsoptiken, die ein kleines, reelles Bild in der Größenord nung von wenigen Quadratzentimetern in einem Abstand einiger Meter mit Projektionsflächen einiger Quadratmeter projiziert wurden in der Vergangen heit in Diaprojektoren und heutzutage in "Beamern" verwendet. Sie bestehen aus einer Kombination geeigneter Linsen, deren optische Eigenschaften der Aufgabenstellung angepasst sind. Mit einem derartigen Aufbau stellt die Erfin dung eine Alternative und einen Ersatz für derzeitige "Beamer" dar, bei denen die Bilderzeugung z. B. mit DLPs und einer Projektionsoptik erfolgt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figu ren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen optischen Aufbau zur Erzeugung Bessel-ähnlicher

Strahlen,

Fig. 2 eine berechnete Verteilung der Strahldichte von Bessel-Strah- len,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes mittels Bessel-ähnlicher Strahlen auf einer sphärischen Glaskuppel,

Fig. 4 eine perspektivischer Darstellung einer Einrichtung zur Erzeu gung eines reellen Bildes entsprechend Figur 3,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes mittels gescannter Bessel-ähnlicher Strahlen auf einem Bildschirm außerhalb der Kapselung eines MEMS-Spie- gels,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf der Kapselungswand einer planaren Vakuum verkapselung eines MEMS-Bauelements,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf einem Bildschirm außerhalb einer planaren Vakuumverkapselung eines MEMS-Bauelements,

Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf einer planaren, zum Winkel des MEMS-Bau elements schräg gestellten Kapselungswand,

Fig. 9 eine Darstellung analog zu Figur 8, wobei das Bild auf einem

Bildschirm jenseits der schräg gestellten Kapselungswand er zeugt wird,

Fig. 10 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf einer sphärisch geformten Kapselungswand eines MEMS-Elements, deren Mittelpunkt gegenüber dem Pivotpunkt des MEMS-Spiegels verschoben ist,

Fig. 11 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes auf einer Kapselungswand mit irregulärer Ober flächenform,

Fig. 12 eine Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Bilderzeugung mit tels gescannter Bessel-ähnlicher Strahlen, wobei die Erzeugung der Bessel-ähnlichen Strahlen mittels Glaskörper-Axicons er folgt, sowie

Fign. IBa-c mögliche Ausführungsformen von Spiegeln eines MEMS-Scan- ners mit Aussparungen. Zur Herstellung von Bessel-Strahlen werden in der ersten Ausführungsform spiegelnde Axicons verwendet, die, wie in Figur 1 gezeigt, so aufgebaut sind, dass sie die Überlagerung von Gauß-Strahlen ermöglichen. Ein gaußscher Strahl 1 durchläuft eine Strahlformungsoptik 2, mit der in erster Linie sein Durchmesser und seine Strahldivergenz eingestellt werden (die Strahlfor mungsoptik ist in Figur 1 nur symbolisch dargestellt). Nach Durchtritt durch die Öffnung S in dem Bauelement 5 trifft der Strahl 1 auf den konisch geformten Spiegel 4, der als "Axicon" bezeichnet wird. Im mathematischen Sinn ist der konisch geformte Spiegel ein Kegel. Die optische Funktion des ko nisch geformten Spiegels ist es, den gaußschen Strahl 1 zu reflektieren, so dass nach der Reflexion ein ringförmiger Strahlquerschnitt entsteht. In diesem Sinn ist es vorteilhaft, dass der gaußsche Strahl auf der optischen Achse (Kege lachse) des Axicons verläuft.

Ein weiteres spiegelndes Axicon 5 ist derart in dem Strahlengang angeordnet, dass die ringförmige Intensitätsverteilung des Strahls 1 nach der Reflexion am Axicon 4 vollständig von der konischen Oberfläche des Axicons 5 reflektiert wird. Eine wesentliche Voraussetzung für die Funktionsweise der Anordnung ist, dass die beiden optischen Achsen 6 der beiden Axicons 4 und 5 ideal kolli- near sind. Das Axicon 5 reflektiert die ringförmige Intensitätsverteilung in die Richtung der optischen Achse 6. Die Geometrie der Anordnung muss vorse hen, dass das Axicon 4 nicht im Strahlengang der durch das Axicon 5 kollimier- ten ringförmigen Intensitätsverteilung steht. In einem Abstand, der von den Reflexionswinkeln der Axicons4 und 5 abhängt, wird die ringförmige Intensi tätsverteilung in dem Volumen 7 überlagert.

Die summierte Baulänge der Elemente 2, 3, 4, 5, 6 und 7 beträgt bei der in Fig.l gezeigten Simulation ca. 15 - 20 mm, und der Eingangsdurchmesser des Laserstrahls 1 ist hier beispielsweise 1 mm.

Die berechnete Intensitätsverteilung, die sich aus der Überlagerung der ring förmigen Lichtverteilung im Volumen 7 ergibt, ist in Figur 2 dargestellt. Die Rechnung beruht auf idealen Voraussetzungen dergestalt, dass z. B. mit exakt einer Wellenlänge ohne Bandbreite simuliert wurde. Weiterhin besitzt der Eingangsstrahl eine ideale Phase und ebene Wellenfronten. In der Darstellung ist die simulierte Strahldichte als Funktion der lateralen Ausdehnung und der axialen Position in Richtung der Achse 6 innerhalb des Volumens 7 gezeigt.

Figur 2 zeigt die theoretische Strahldichteverteilung der Bessel-Strahlen, die mit dem in Figur 1 gezeigten Aufbau erzielt wird. Die wesentliche Eigenschaft der Bessel-Strahlen für die oben beschriebene Aufgabenstellung ist deren in der Simulation gefundenen laterale Ausdehnung von wenigen miti für das Zentralmaximum und einigen Nebenmaxima mit Intensitäten von weniger als 10 % der Intensität des Zentralmaximums. Zusätzlich erkennt man in Figur 2, dass das Zentralmaximum entlang der optischen Achse nur eine relativ ge ringe Variation der Intensität aufweist.

In Figur 3 ist als Schnittzeichnung der erfindungsgemäße Aufbau zur Erzeu gung von Bessel-Strahlen und deren Projektion auf eine Kugeloberfläche ge zeigt. Ein Laser la als Strahlungsquelle mit einem (gaußschen) Laserstrahl 1 wird mit einer Strahlformungsoptik 2 hinsichtlich seines Durchmessers und seiner Divergenz eingestellt. Die Lasereinheit la kann auch aus einer Kombi nation von Lasern bestehen, die die notwendigen Bedingungen für die Erzeu gung eines reellen Bildes erfüllen. Nach Durchtritt durch die Öffnung 3 trifft der Laserstrahl auf das erste Axicon 4. Die vom Axicon 4 reflektierten Strahlen bilden eine ringförmige Intensitätsverteilung und treffen dann auf das zweite Axicon 5. Die optischen Achsen der Axicons 4 und 5 sind kollinear. Ebenso liegt das Zentrum des Laserstrahls 1 idealerweise, jedoch nicht notwendig, auf der optischen Achse 6. Gewisse Achsabweichungen sowohl der Laser als auch der Axicons sind möglich und können korrigiert oder später bei der Bilderzeu gung herausgerechnet werden.

Der Pivot-Punkt des MEMS-Scanners 8 liegt vorteilhaft ebenfalls auf der opti schen Achse 6. Der MEMS-Scanner ist Bestandteil des MEMS-Bauelements 9, das die mechanische und elektrische Funktionalität des Scanners beinhaltet. Der Installationswinkel des MEMS-Bauelements 9 relativ zur optischen Achse 6 ist einerseits durch die Anwendung definiert, und andererseits durch den optischen Scanwinkel, den der Scannerspiegel 8 ermöglichen soll. Das MEMS- Bauelement ist mit einer optisch transparenten Vakuumkapselung 10 verse hen, die hier in sphärischer Form ausgeführt ist. Die Vakuumverkapselung 10 erhöht den Q-Wert der Torsionsschwingungen des Spiegels und somit die Winkelamplituden der Schwingungen. Sie besteht aus optisch transparentem Material, das auch den Randbedingungen einer Prozessführung für MEMS- Bauelemente genügen muss (z. B.: passender thermischer Ausdehnungskoeffi zient).

Die ringförmige Intensitätsverteilung, die am Axicon 5 reflektiert wird, tritt durch das sphärisch ausgeführte Material der Vakuumkapselung 10. Ungeach tet der genauen geometrischen Form der Kapselung 10 auch für die im folgen den gezeigten Ausführungsfomen gilt, dass die Materialdicke/Glasdicke vor teilhaft im Wesentlichen konstant sein soll. Für den Fall, dass die Glasdicke veränderlich ist, können Linseneffekte eine deutliche Verzerrung der erzeug ten Bilder hervorrufen. Materialdicken/Glasdicken von MEMS-Vakuumkapse- lungen liegen ungefähr in dem Bereich von 50 pm bis 500 miti, wobei meistens eine möglichst kleine Glasdicke angestrebt wird. In der hier dargestellten Aus führungsform liegt das Zentrum der sphärischen Vakuumkapselung 10 auf der optischen Achse 6. Der Axiconwinkel des Axicons 5 ist derart eingestellt, dass die ringförmige Intensitätsverteilung zum MEMS-Scanner 8 hin kollimiert wird und danach eine Überlagerung der Intensität auf der Vakuumkapselung 10 im Abschnitt 11 stattfindet. In dem Abschnitt 11 entstehen somit Bessel-Strahlen, deren Profil in Figur 2 simuliert und gezeigt ist. Führt der MEMS-Scanner 8 in einer oder in zwei der möglichen Richtungen eine Torsionsschwingung aus, dann bewegt sich der Abschnitt 11 entsprechend der Reflexionsbedingungen in einem konstanten Abstand um den Pivotpunkt des MEMS-Scanners 8 herum. Das hat zur Folge, dass die in Figur 2 gezeigten Intensitätsverteilungen sich ebenfalls um den Pivotpunkt des Scanners 8 bewegen.

Um sicherzustellen, dass die optischen Achsen der Axicons 4 und 5 dauerhaft mit dem Pivotpunkt des MEMS-Scanners übereinstimmen, werden die Axi cons 4 und 5 mit den Halteelementen 12 und 13 mit dem MEMS-Bauelement verbunden.

Auf der Kugeloberfläche der Kapselung 10 ist vorzugsweise eine transparente Fluoreszenzfolie aufgebracht. Die Folie kann sowohl auf der Innenfläche als auch auf der Außenfläche der Kapselung aufgebracht sein, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Die Folie wird von den gescannten Bessel-Strahlen be leuchtet. Dabei erzeugt die in Figur 2 gezeigte Intensitätsverteilung pixelweise Fluoreszenzlicht. Werden die Bessel-Strahlen mit dem 2D-MEMS-Scanner 8 zeitlich abhängig in zwei Richtungen gescannt, entsteht eine Vielzahl von Pi- xeln. Wird die Laserleistung entsprechend gesteuert, entsteht durch unter schiedlich helle Pixel ein reelles Bild in der Folie auf der Kugeloberfläche.

Die Kapselung 10 besteht aus geeignetem Glasmaterial. Beispielsweise wird für die Herstellung der Vakuumkapselungen mit einer sphärischen Glaskuppel aus prozesstechnischen Gründen Borofloat verwendet.

Ungeachtet der Dicke des Glasmaterials liegen zwei Oberflächen vor. Beide Flächen des kuppelförmigen Kapselungsabschnitts, die äußere Oberfläche wie auch die innere Oberfläche, können als Projektionsfläche gewählt werden.

Eine dieser ausgewählten Oberflächen wird dann z. B. mit dem phosphoreszie renden Material beschichtet oder mit der fluoreszierenden Folie überzogen oder mit anderen Mitteln behandelt. So entsteht auf einer der ausgewählten Oberflächen ein Projektionsschirm, auf dem die von den gescannten Bessel- Strahlen erzeugten Pixel ein reelles Bild erzeugen.

Aufgrund der Tatsache, dass sowohl die Axicons 4 und 5 wie auch der Pivot punkt des Scannerspiegels 8 möglichst genau auf einer Achse liegen sollten, ist es vorteilhaft, die entsprechenden Bauelemente zueinander auszurichten und fest zu installieren. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass die Verbindungs elemente den Strahlengang des Lasers la nicht beeinträchtigen. Aus diesem Grund wird das Axicon 4 auf eine Halterung 12 installiert, die auf der Kuppel der Kapselung 10 befestigt wird.

Die Ausrichtung dieser Bauelemente zueinander sowie die Ausrichtung der Axicon-Achse auf den Pivotpunkt des Scannerspiegels 8 erfolgt mit den be kannten In-situ-Justiermethoden. Das Axicon 5 wird beispielsweise in eine zy linderförmige Halterung 13 installiert. Wichtig ist, dass auch hier die Axicon- Achse und die Zylinderachse kollinear aufeinander justiert sind. Die Halterung 13 gemeinsam mit dem Axicon 5 werden dann ebenfalls mit den bekannten In-situ-Justiermethoden relativ zu der Achse, auf der der Pivotpunkt des Scan nerspiegels 8 und die Symmetrieachse des Axicons 4 liegt, ausgerichtet und an der Oberfläche der Glaskuppel der Kapselung 10 befestigt. Die Verwendung von Axicons und der sich daraus ergebenden ringförmigen Intensitätsverteilung des Laserlichts ermöglicht eine vorteilhafte Ausführungs form des Scannerspiegels 8. Da in dem hier beschriebenen Ausführungsbei spiel die ringförmige Intensitätsverteilung auch auf der Spiegeloberfläche des Scannerspiegels 8 zu finden ist, kann dieser auch in Form eines elliptischen Rings mit einer zentralen Ausnehmung hergestellt werden. Dies umfasst auch die Form eines kreisförmigen Rings. Die ringförmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls 1, die auf einen Scannerspiegel 8 unter einem Einfallswinkel (hier z. B. 45°) trifft, ergibt auf der Spiegeloberfläche eine elliptische Intensitätsver teilung. Der Vorteil einer Ausnehmung in Bezug auf den Scannerspiegel 8 be steht darin, dass ein elliptischer Ring mit definierter äußerer Begrenzung eine geringere Masse besitzt als ein Scannerspiegel 8, der als volle elliptische Scheibe ausgeführt ist. Die geringere Masse des Scannerspiegels 8 führt dazu, dass ein kleineres Drehmoment erforderlich ist, um die gleichen Winkelam plituden zu erreichen, als bei einem aus Vollmaterial hergestellter Scanner spiegel. Ungeachtet der Antriebsart des Scannerspiegels 8 bedeutet dies eine geringere Antriebskraft und entsprechend den Antriebsarten z. B. geringere Antriebsspannungen oder geringere Antriebsströme (siehe dazu die Figuren IBa-c).

Zur pixelgenauen Erzeugung eines reellen Bildes ist es erforderlich, die Win kelstellung des MEMS-Scanners 8 in beiden Oszillationsrichtungen zu bestim men oder zu erfassen und die notwendige Beleuchtungsstärke eines Pixels, das genau in die Richtung der entsprechenden Winkelstellung des MEMS- Scanners 8 projiziert wird, zu regeln oder zu steuern. Die Detektions- und Re geleinheit 14 verknüpft die Winkelstellung des MEMS-Scanners 8 mit der An steuerung des Lasers la zur Steuerung der Laserintensität für jedes zu proji zierende Pixel. Die Detektions- und Regeleinheit 14 kann auch für die Steue rung oder Regelung einer Kombination von Lasern ausgelegt sein.

Das auf der Glaskuppel der Kapselung 10 erzeugte Bild weist eine Fläche von höchstens wenigen Quadratzentimetern (1 cm ² - 2 cm ² ) auf und kann abhän gig von der erreichten Pixelauflösung durch die Bessel-Strahlen innerhalb der Projektionsfläche eine Pixeldichte von bis zu 2000 Pixeln pro Zentimeter in ei ner Richtung aufweisen. Ein derartiges reelles Bild kann mit einer üblichen Projektionsoptik z. B. auf einen großen Bildschirm in einer üblichen Entfer nung von einigen Metern vom MEMS- Spiegel projiziert werden.

Figur 4 zeigt den Aufbau, der schon in Figur 3 als Schnittzeichnung präsentiert ist, in perspektivischer Darstellung. Der Laserstrahl 1 und die nachfolgenden ringförmigen Intensitätsverteilungen sind aus darstellerischen Gründen als Schnitt in vertikaler Ebene gezeigt. Die gestrichelten Linien auf den Axicons 4 und 5 sowie auf dem MEMS-Scanner 8 deuten die Bereiche an, die entweder von dem Laserstrahl 1 oder von den nachfolgenden ringförmigen Intensitäts verteilungen beleuchtet werden. Der MEMS-Scanner 8 ist hier als 2D-MEMS- Spiegel mit den angedeuteten Torsionsachsen gezeigt.

In Figur 5 ist eine Schnittzeichnung gezeigt, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau zur Erzeugung von Bessel-Strahlen zeigt wie Figur 3. Lediglich der Axi- conwinkel des Axicons 5 ist derart eingestellt, dass das Überlappungsgebiet der ringförmigen Intensitätsverteilung 14 außerhalb der sphärischen Vakuum kapselung 10 und damit in einer größeren Entfernung vom Axicon 5 als in Fi gur 3 liegt. Eine ähnliche Konstellation ist natürlich auch mit der Anpassung von Abständen der Axicons 4 und 5 und des Axiconwinkels des Axicons 4 er reichbar. Innerhalb des Überlappungsvolumens der ringförmigen Intensitäts verteilung bilden sich auch hier Bessel-Strahlen aus, wie sie in Figur 2 simuliert und dargestellt sind. Die Bessel-Strahlen treffen dann auf einen Bildschirm 15, der dazu dient, die Intensitätsverteilung, wie sie in Fig.2 angedeutet ist, sicht bar zu machen. Auch bei diesem Aufbau bewirken die Torsionsschwingungen des MEMS-Scanners, dass die Bessel-Strahlen entsprechend den Reflexionsbe dingungen den Bildschirm 15 überstreichen. In diesem Ausführungsbeispiel ist dann im Gegensatz zu der in Figur 3 dargestellten Ausführung der Bildschirm mit dem phosphoreszierenden Material beschichtet bzw. mit der fluoreszie renden Folie versehen. Ein auf diese Weise entstandenes reelles Bild kann wiederum mit einer üblichen Projektionsoptik z. B. auf einen großen Bild schirm in einer üblichen Entfernung von beispielsweise einigen Metern proji ziert werden.

Die geometrische Form der Vakuumkapselung ist nicht auf sphärische Ausfüh rungen beschränkt. In Figur 6 ist eine Ausführungsform der Vakuumkapselung mit einer ebenen Glasplatte 16 dargestellt, die parallel zum MEMS-Bauelement 9 angeordnet ist. Die Axiconwinkel der Axicons 4 und 5 sowie ihre Abstände sind derart ein gestellt, dass die Überlagerung der ringförmigen Intensitätsverteilung und da mit die Formung von Bessel-ähnlichen Strahlen im Gebiet 17 erfolgt. Auf diese Weise entsteht die in Fig.2 dargestellte Intensitätsverteilung der Bessel-Strah- len auf der planaren Glasabdeckung 16. Wenn der MEMS-Scanner Torsions schwingungen ausführt, wird der Bereich 17 der überlagerten Intensitätsver teilung entsprechend verschoben und überstreicht damit die ebene Glasabde ckung. Im Gegensatz zu der Ausführung in Figur 3 ändert sich mit dem Scan winkel des MEMS-Scanners auch der Abstand zwischen dem Pivotpunkt des MEMS-Scanners und der Position des Bereichs 17 auf der planaren Glasabde ckung 16.

In Figur 2 ist zu erkennen, dass die Intensitätsverteilung des Bessel-Strahls in einem bestimmten Bereich des Abstands (z. B. von den Axicons) auftritt (in der Simulation von Figur 2 ist dieser Abstand ungefähr 10 mm). Der Abstands bereich hängt in erster Linie von dem Durchmesser des Laserstrahls 1 und dem Kreuzungswinkel der ringförmigen Intensitätsverteilung in 17 ab. Die Er zeugung eines reellen Bilds auf der planaren Glasabdeckung 16 erfolgt dann in gleicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel in Figur 3. Entweder wird z. B. eine phosphoreszierende Schicht auf der Außenseite oder auf der Innenseite der Glasabdeckung 16 aufgebracht, oder eine der beiden Seiten wird mit einer fluoreszierenden Folie versehen, oder es wird ein anderes Verfahren zur Her stellung eines reellen Bildes angewandt.

Die Befestigung und Justierung der Axicons 4 und 5 auf einer gemeinsamen Achse, die auch durch den Pivotpunkt des MEMS-Scanners 8 verläuft, muss für einzelne MEMS-Scanner Systeme individuell gelöst werden.

In Figur 7 ist eine Schnittzeichnung gezeigt, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau zur Erzeugung von Bessel-Strahlen zeigt wie Figur 6. Lediglich die Axi conwinkel der Axicons 4 und 5 ist derart eingestellt, dass das Überlappungsge biet der ringförmigen Intensitätsverteilung außerhalb der planaren Glasabde ckung 18 liegt. Die Anpassung der Abstände der Axicons 4 und 5 erreicht das gleiche Ziel. Innerhalb des Überlappungsvolumens der ringförmigen Intensi tätsverteilung bilden sich auch hier Bessel-Strahlen aus, wie sie in Figur 2 si muliert und dargestellt sind. Die Bessel-Strahlen treffen dann auf einen Bild schirm 19, der dazu dient, die Intensitätsverteilung sichtbar zu machen. Auch bei diesem Aufbau bewirken die Torsionsschwingungen des MEMS-Scanners, dass die Intensitätsverteilung der Bessel-Strahlen entsprechend den Reflexi onsbedingungen über den Bildschirm 19 streicht. In diesem Ausführungsbei spiel ist dann im Gegensatz zu der in Figur 6 dargestellten Ausführung der Bildschirm 19 mit einem phosphoreszierenden Material beschichtet bzw. mit der fluoreszierenden Folie versehen.

Analog zum Ausführungsbeispiel von Figur 6 ist in Figur 8 eine Ausführungs form gezeigt, bei der eine planare Vakuumkapselung 20 des MEMS-Bauele- ments vorliegt, diese jedoch im Gegensatz zu Figur 6 einen Winkel größer als 0° mit der Oberfläche des Bauelements einschließt. Eine derartige Bauweise der Vakuumkapselung wird angewendet, um bei Laserprojektionsverfahren die Richtung von Reflexspots einstellen zu können (siehe DE 10 2008 012 384 Al). In gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel, das in Figur 6

gezeigt ist, entsteht im Gebiet 21 eine Intensitätsverteilung ähnlich derjeni gen, die in Figur 2 dargestellt ist.

Die Erzeugung eines reellen Bilds auf der schrägen, planaren Glasabdeckung 20 erfolgt dann in gleicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel in Figur 6. Entweder wird z. B. eine phosphoreszierende Schicht auf der Außenseite oder auf der Innenseite der Glasabdeckung aufgebracht, oder eine der beiden Sei ten wird mit einer fluoreszierenden Folie versehen, oder es wird ein anderes Verfahren zur Herstellung eines reellen Bildes angewandt. Das reelle Bild kann dann mittels einer Projektionsoptik 46, die in Figur 8 schematisch dargestellt ist, weiter auf einen nicht dargestellten Bildschirm projiziert und dort vergrö ßert sichtbar gemacht werden.

In analoger Weise wie in Figur 7 dargestellt kann der Bildschirm außerhalb des Scannersystems aufgebaut werden, wie in Figur 9 dargestellt. Diese Figur zeigt im Wesentlichen den gleichen Aufbau zur Erzeugung von Bessel-Strahlen wie Figur 7. Lediglich die Axiconwinkel der Axicons 4 und 5 sind derart gewählt, dass das Überlappungsgebiet der ringförmigen Intensitätsverteilung 23 außer halb der planaren Glasabdeckung 22 liegt.

Die Anpassung der Abstände der Axicons 4 und 5 kann zu derselben Situation führen. Innerhalb des Überlappungsvolumens der ringförmigen Intensitätsver teilung bilden sich auch hier Bessel-Strahlen oder konkret Bessel-ähnliche Strahlen aus, wie sie in Figur 2 simuliert und dargestellt sind. Die Bessel-Strah len treffen dann auf einen Bildschirm 23, der dazu dient, die Intensitätsvertei lung sichtbar zu machen. Auch bei diesem Aufbau bewirken die

Torsionsschwingungen des MEMS-Scanners, dass die Intensitätsverteilung der Bessel-Strahlen entsprechend den Reflexionsbedingungen den Bildschirm 23 überstreicht. In diesem Ausführungsbeispiel ist dann im Gegensatz zu der in Figur 7 dargestellten Ausführung der Bildschirm 23 mit dem phosphoreszie renden Material beschichtet bzw. mit der fluoreszierenden Folie versehen.

In Figur 10 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Vakuumkapselung ohne zentralsymmetrische Geometrie hergestellt ist. Das Zentrum der immer noch kugelförmigen Glaskuppel 24 liegt hier nicht mehr im Pivotpunkt des Scannerspiegels. Dies bedeutet, dass derDurchtritt der ringförmigen Intensi tätsverteilung nicht mehr achsensymmetrisch zur Glaskuppel 24 liegt.

In Figur 10 ist eine Schnittzeichnung gezeigt, bei der der optische Aufbau zur Erzeugung von Bessel-Strahlen im Wesentlichen der gleiche ist, wie der in Fig.3 gezeigte. Dabei kann das Zentrum der sphärisch geformten Glaskuppel 24 relativ zur Ebene des MEMS-Bauelements 9 in x-, y-, oder z-Richtung ver schoben sein. In gleicher Weise wie in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungs beispiel wird auch in dem in Figur 10 gezeigten Fall entweder ein Teil der In nenseite oder ein Teil der Außenseite der Kuppel 24 mit den optischen Eigen schaften ausgestattet, die die Erzeugung eines reellen Bildes in 25 ermögli chen.

In Figur 3 geht die ringförmige Intensitätsverteilung symmetrisch durch die Glaskuppel der Vakuumkapselung. Damit erfahren die Wellenfronten überall die gleichen Phasenverschiebungen. Dies ist auch der Fall für planare Glasab deckungen, ungeachtet der Winkel, die die Abdeckung zum Strahl hat. Bei der in Figur 10 dargestellten Situation ist dies nicht mehr der Fall. Bei dem in der Schnittzeichnung gezeigten Strahlengang haben die im oberen Teil dargestell ten Strahlen einen anderen Durchtrittswinkel durch die Glaskuppel als die im unteren Teil. Das bedeutet, dass die im oberen Teil dargestellten Strahlen eine andere Phasenverschiebung erfahren. Die Intensitätsverteilung der Bessel- Strahlen sieht daher völlig anders aus als die in Figur 2 gezeigte Verteilung für den symmetrischen Fall. Aus Gründen der Herstellungstechnologie für die hier beschriebene sphärische Glaskuppel 24 ist diese der am häufigsten auftre tende Fall. Dass das Zentrum der sphärischen Glaskuppel und der Pivotpunkt zusammenfallen, ist ein angestrebter, aber leider nicht immer erreichbarer Sonderfall.

In Figur 11 ist eine Ausführungsform der Glaskapselung 26 des MEMS-Scan- ners mit einer irregulären Geometrie gezeigt. Die hier gezeigte Geometrie ist stellvertretend für beliebig viele irreguläre geometrische Formen. Darunter sollen auch diejenigen geometrischen Formen subsumiert werden, die im ma thematischen Sinn nicht irregulär sind. Dazu sollen hier beispielsweise Glas kapselungen in elliptischer Ausführungsform, in zylindrischer Ausführungs form u. a. gezählt werden.

Die Erzeugung der Bessel-Strahlen erfolgt mit dem Laser la und der Strahlfor mungsoptik 2 sowie mit den Axicons 4 und 5. Analog zum Ausführungsbeispiel aus der Fig.10 führt die irreguläre Form der Vakuumkapselung 26 dazu, dass der Durchtritt der ringförmigen Intensitätsverteilung nicht mehr achsensym metrisch zur Glaskuppel 26 erfolgt. Da das Überlappungsgebiet 27 ebenfalls auf der irregulär geformten Oberfläche 26 liegt, müssen die dort erzeugten re ellen Bilder entsprechend der Oberflächenform mit Bildsteuerungsalgorith men entzerrt werden.

In Figur 12 ist eine mögliche Ausführungsform einer Einrichtung für die Her stellung von Bessel-Strahlen unter Verwendung von glasgeformten Axicons 28, 29 aus einem optisch transparenten, lichtbrechenden Material gezeigt. Ein Laser la mit einem Laserstrahl 1 mit einer gaußschen Charakteristik wird mit einer Strahlformungsoptik 2 in erster Linie hinsichtlich seines Durchmesser und seiner Divergenz eingestellt. Anschließend trifft er auf ein Axicon 28, das aus im optischen Bereich transparenten, lichtbrechenden Material gefertigt ist und auf (mindestens) einer Seite konkav kegelförmig (konisch) zugeschnitten ist. Dadurch erhält der Laserstrahl la eine ringförmige Intensitätsverteilung, die im geeigneten Abstand und unter einem geeigneten Winkel auf das Axicon 29 trifft. Das Axicon 29 besteht ebenfalls aus einem lichtbrechenden Material und besitzt auf beiden Seiten eine konvexe kegelförmige (konische) Form. Die optischen Achsen 6 der Axicons 28 und 29 sowie der Strahlformungsoptik und die Zentralachse des Laserstrahls la sind kollinear. Die Axiconwinkel der Axi cons 28, 29 sind derart eingestellt, dass die ringförmige Intensitätsverteilung nach Durchtritt durch das Axicon 29 kollimiert wird.

Analog wie bei der Ausführungsform von Figur 3 trifft die ringförmige Intensi tätsverteilung auf den MEMS-Spiegel 8 innerhalb des MEMS-Bauelements 9. Der MEMS-Spiegel 8 führt entlang seiner Oszillationsachsen Torsionsschwin gungen aus, die zur Ablenkung der ringförmigen Intensitätsverteilung führen. Der Pivotpunkt des MEMS-Spiegels liegt idealerweise auf der optischen Achse 6 der optischen Bauelemente 2, 28 und 29. Bei dem hier gezeigten Ausfüh rungsbeispiel ist das MEMS-Bauelement 9 mit dem MEMS-Spiegel 8 mit einer sphärisch geformten Vakuumkapselung 30 versehen. Sowohl die Axiconwinkel als auch die jeweiligen Abstände der Bauelemente zueinander sind so einge stellt, dass die ringförmige Intensitätsverteilung in dem Gebiet 31 um die sphärische Glaskuppel herum überlappt und die in Figur 2 beschriebenen Bes- sel-Strahlen ausbildet.

Wie bereits zu Figur 3 erwähnt, hat die ringförmige Intensitätsverteilung, die durch die Axicons hervorgerufen wird, einen großen Vorteil in Bezug auf das Layout der 2D- (auch 1D-)MEMS-Scanner.

Dadurch, dass der MEMS-Spiegel nur in seinem Randbereich beleuchtet wird, ist es nur notwendig, diesen für die Umlenkung der ringförmigen Intensitäts verteilung auszulegen. Der Spiegel muss deshalb auch nur in einem ringförmi gen Bereich reflektieren.

Ein Vergleich der Geometrie eines Standard-MEMS-Spiegels mit einem MEMS- Spiegel für eine ringförmige Beleuchtung ist in Figur 13 dargestellt. In Figur 13a ist beispielhaft ein kreisförmiger Standard MEMS-Spiegel 32 ohne die Fe deraufhängungen gezeigt. Der MEMS-Spiegel führt Torsionsschwingungen um die Achsen 33 und 34 aus. Die ringförmige Intensitätsverteilung trifft inner halb der Fläche 35 auf den MEMS-Spiegel, die durch die gestrichelte Linie be grenzt ist. Außerhalb dieser Fläche 35 wird der MEMS-Spiegel nicht beleuch tet. Aus diesem Grund ist es möglich und vorteilhaft, den MEMS-Spiegel 32 in angepasster Form mit einer massesparenden Ausnehmung auszulegen.

In Figur 13b ist beispielhaft ein MEMS-Spiegel 36 in dieser angepassten Form gezeigt. Der MEMS-Spiegel 36 führt Torsionsschwingungen um die beiden Achsen 37 und 38 aus. Die Fläche 39, die durch die gestrichelte Linie begrenzt ist, deutet den Bereich auf dem MEMS-Spiegel 36 an, der von der ringförmi gen Intensitätsverteilung beleuchtet wird. Innerhalb der Fläche des MEMS- Spiegels 36, die nicht beleuchtet ist, weist der MEMS-Spiegel 36 die Ausspa rung 40 auf. Dieses führt dazu, dass der MEMS-Spiegel 36 bei gleichem Au ßenradius eine geringere Masse besitzt als der MEMS-Spiegel 32 in Figur 13a. Wegen der geringeren Masse besitzt der MEMS-Spiegel 36 ein geringeres Trägheitsmoment als des MEMS-Spiegel 32 ohne Aussparung. Daher braucht der MEMS-Spiegel 36 eine geringere Antriebskraft zur Aufrechterhaltung der beiden Torsionsschwingungen um die Achsen 37 und 38 als der MEMS-Spiegel 32 in Figur 13b. Insgesamt hat die Aussparung 40 eine positive Auswirkung auf die Spiegelperformance.

In Figur 13c ist eine analoge Ausführungsform des MEMS-Spiegels für den all gemeineren Fall gezeigt, dass die ringförmige Intensitätsverteilung einen grö ßeren Einfallswinkel relativ zur Flächennormalen des MEMS-Spiegels besitzt (10° - 80°). Für größere Einfallswinkel weist die durch die ringförmige Intensi tätsverteilung beleuchtete Fläche eine ausgeprägt elliptische Form auf.

Der MEMS-Spiegel 41 besitzt vorteilhafterweise eine elliptische Ausführungs form und oszilliert um die Torsionsachsen 42 und 43. Wegen des Einfallswin kels der ringförmigen Intensitätsverteilung auf den MEMS-Spiegel 41 ist die durch die gestrichelte Linie begrenzte Beleuchtungsfläche 44 entsprechend el liptisch.

Vorteilhaft wird die Aussparung 45 auch entsprechend elliptisch ausgeführt. Die Aussparung 45 wird elliptisch ausgeführt ungeachtet der äußeren, geo metrischen Form des MEMS-Spiegels 41. Durch die beschriebene Bilderzeugungseinrichtung lassen sich mit vertretba rem Aufwand hochauflösende Bilder durch Scannen erzeugen, die geeignet weiterverarbeitet werden können.