WO2007000155A1 - Optical projection device - Google Patents

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WO2007000155A1
WO2007000155A1 PCT/DE2006/001117 DE2006001117W WO2007000155A1 WO 2007000155 A1 WO2007000155 A1 WO 2007000155A1 DE 2006001117 W DE2006001117 W DE 2006001117W WO 2007000155 A1 WO2007000155 A1 WO 2007000155A1
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WO
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optical projection
micromirror
projection apparatus
light
optical
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PCT/DE2006/001117
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German (de)
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Inventor
Stefan GRÖTSCH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems
    • H04N9/3152—Modulator illumination systems for shaping the light beam

Definitions

  • An optical projection device is specified.
  • One object is to provide an optical projection apparatus in which the available amount of light of a light source is used particularly efficiently.
  • the optical projection device a micro mirror a 'uf.
  • the micromirror is suitable, for example, to reflect electromagnetic radiation striking the micromirror in predeterminable directions.
  • the micromirror preferably has a surface designed to be reflective, which preferably reflects electromagnetic radiation in the visible region-that is to say light-in a particularly efficient manner.
  • the reflective surface of the micromirror may, for example, have a square, diamond-shaped, parallelogram-shaped or rectangular shape. However, other forms of mirror surface are conceivable.
  • the micromirror receives light from a solid angle range which has different opening angles in two different directions on the mirror surface.
  • the opening angle is the maximum angle under the radiation hits the surface normal of the micromirror on the mirror surface.
  • the light source appears to have a greater extent and / or extension than in another direction.
  • the light source seen from the mirror does not appear round or square but oval, elliptical or rectangular.
  • the latter has a micromirror which receives light from a solid angle range which has different opening angles in two different directions.
  • the micromirror can be tilted about an axis.
  • the axis passes through the micromirror parallel to the reflective surface of the micromirror.
  • the axis forms a central axis of the micromirror, which divides the micromirror into two substantially equal, for example rectangular, areas.
  • the micromirror is preferably suitable for tilting in two different directions about this tilting axis.
  • the micromirror receives light from a larger angular range in the direction along the tilting axis than in the direction perpendicular to the tilting axis.
  • the maximum angle that incident light includes with a surface normal of the micromirror is greater on imaginary lines that are parallel to the tilt axis on the mirror surface than on imaginary lines that are perpendicular to the tilt axis on the mirror surface.
  • the light source appears to have a greater extent in the direction along the tilting axis than in the direction orthogonal to the tilting axis.
  • the micromirror receives light from an angular range with a larger opening angle in the direction along the tilting axis than in the direction orthogonal to the tilting axis.
  • the micromirror has two predetermined tilt positions. That is, the micromirror is tiltable by two predetermined tilt angles relative to the untilted position. Preferably, the two tilt angles are equal in magnitude and differ only by a sign from each other.
  • the micromirror In a tilted position - the so-called on position - the micromirror is suitable for reflecting light impinging on it in the direction of a light exit opening of the optical projection apparatus and thus, for example, on a projection screen. Between the mirror and the light exit opening optical elements such as a projection lens can be arranged, which are irradiated by the reflected light.
  • the light striking the mirror surface is preferred reflected to an absorber or a light trap, which absorbs the electromagnetic radiation impinging on it, so that the light can not pass through the light exit opening of the optical projection device to the outside.
  • the absorber may, for example, be arranged inside a housing of the optical projection device or be formed by a part of this housing.
  • the angular range from which the micromirror receives light in the direction perpendicular to the tilt axis is correlated with the tilt angle. That is, preferably, this angular range has an opening angle that is correlated with the tilt angle.
  • the opening angle is adapted to the tilt angle.
  • the opening angle is selected so that in the off position on the micromirror incident radiation completely hits the absorber. That is, the opening angle is chosen so small that in the off position no reflected light misses the absorber and, for example, can leave the optical projection device as stray light.
  • the opening angle of the angular range from which the micromirror receives light in the direction perpendicular to the tilting axis is preferably chosen such that reflected light in the on position leaves the projector as completely as possible and no or hardly any radiation misses the light exit opening of the optical projection device.
  • the described optical projection device makes use of the fact that the above-described restriction with regard to the opening angle is only necessary in the direction perpendicular to the tilting axis if it is to be achieved that in the off position as far as possible all the light reflected by the micromirror Projection device remains and in the on position as far as the entire reflected light should leave the projector.
  • the opening angle at which incident light is picked up by the micromirror along the tilting axis can be chosen to be greater than the opening angle perpendicular to the tilting axis. With a larger opening angle in this direction, however, the etendue and thus the efficiency of the system increases advantageously. In this way, a larger emission surface of the light source can be imaged onto the projection screen by the micromirror.
  • the opening angle perpendicular to the tilt axis is equal to the amount of the tilt angle.
  • the micromirror preferably has the same tilt angle relative to the untilted position for the on and off position. That is, the micromirror is capable of tilting these angles in two different directions, for example about the tilt axis. Therefore, the two tilt angles preferably differ only by a sign.
  • the amount of tilt angle is at least ten degrees.
  • the amount of the two tilt angle to which tilts the micromirror in the on or in the off position the same size.
  • the two tilt angles are then preferably at least plus ten degrees and at least minus ten degrees.
  • Preferred tilt angles are, for example, +/- 10 °, +/- 12 ° or +/- 14.5 °.
  • the opening angle is preferably greater than the amount of the tilt angle.
  • Preferred opening angles in this direction are in the range of +/- 18 ° to +/- 30 °.
  • the optical projection device has at least one light source which is suitable for illuminating the micromirror.
  • the light source is suitable, for example, to generate light in the red, green and blue spectral range.
  • a white light source in the emission direction for example, be followed by a color wheel, which alternately transmits light of one of these colors and at the same time absorbs the light of the other colors.
  • the light source or the light sources are suitable per se to produce light of these colors.
  • the light source may for this purpose comprise a plurality of light-emitting diode chips.
  • the light source is suitable for illuminating the micromirror with an asymmetrical light cone. That is, the light cone is preferably shaped such that in one direction on the surface of the micromirror, the opening angle, that is, the maximum angle under which electromagnetic radiation is incident to the surface normal, is larger than in another direction. Preferably, the opening angle in the direction along the tilt axis of the micromirror is greater than in orthogonal direction to it.
  • the light source then illuminates the micromirror in anamorphic fashion.
  • the light source for beam shaping is arranged downstream of at least one cylindrical lens. With the aid of such a cylindrical lens, it is possible to modulate a light cone just described.
  • the light source for beam shaping is followed by an optical concentrator, which tapers towards the light source.
  • the optical concentrator is irradiated by the light from the light source. Side surfaces which laterally delimit the concentrator are designed to be reflective.
  • the optical concentrator is on the one hand suitable for reducing the divergence of the radiation passing through it.
  • the transmitted light is reflected by the side surfaces of the concentrator such that the exiting light has a predefinable light density distribution and angular distribution.
  • the light density distribution and the angular distribution are adjustable, for example, by the configuration of the shape of the reflective side surfaces.
  • the optical concentrator is configured differently in the direction of its main axes, which run, for example, in a plane parallel to the light output surface of the light source.
  • the concentrator preferably has different opening angles in the direction of its main axes.
  • a cross-sectional area of the optical concentrator, for example parallel to the Radiation decoupling surface of the light source extends, then in the direction of one of the two main axes to a greater extent than in the direction of the other major axis.
  • the side faces of the optical concentrator are formed at least in places in the manner of one of the following optical elements: compound parabolic concentrator (CPC), compound hyperbolic concentrator (CHC), composite elliptical concentrator ( Compound elliptic concentrator - CEC).
  • CPC compound parabolic concentrator
  • CHC compound hyperbolic concentrator
  • CEC composite elliptical concentrator
  • the optical concentrator may be shaped, at least in places, in the manner of a truncated cone or truncated pyramid, which tapers towards the light source.
  • the optical concentrator may be followed by additional optical elements, such as projection or converging lenses. These optical elements may also be formed integrally with the concentrator.
  • the optical concentrator may be formed, for example, as a solid body.
  • the optical concentrator is then made of a transparent, dielectric material. In this case, reflection takes place on the side faces of the concentrator due to total reflections.
  • the optical concentrator may then preferably contain or consist of at least one of the following materials: PMMA, polycarbonate, PMMI, COC.
  • the optical concentrator is designed as a hollow body.
  • the side walls of the optical concentrator are reflective educated. That is, the inner walls of the hollow body are coated, for example reflective with a metal.
  • the optical projection apparatus has a plurality of micromirrors.
  • the above applies to all micromirrors.
  • the micromirrors are arranged, for example, in a rectangular or square array.
  • FIG. 1A shows a first exemplary embodiment of the optical projection device described here in a schematic perspective sketch.
  • FIG. 1B shows a detail enlargement from FIG. 1A.
  • Figure IC shows a schematic perspective sketch of an array of micromirrors.
  • FIGS. 2A to 2D show schematic sectional views of a micromirror.
  • FIG. 3 shows a schematic perspective sketch of a light source as can be used in the described optical projection apparatus.
  • Figures 4A to 4D show schematic perspective sketches of exemplary optical elements that may be downstream of the light source.
  • identical or identically acting components are each provided with the same reference numerals.
  • the components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale. Rather, some details of the figures are exaggerated for clarity.
  • FIG. IA shows a schematic perspective sketch of a first embodiment of the optical projection apparatus.
  • a micromirror 1 is shown there.
  • the micromirror 1 is part of an array 4 of micromirrors 1 (see also the figure IC).
  • the micromirrors 1 together form a so-called digital mirror device (DMD).
  • DMD digital mirror device
  • Such DMDs are described, for example, in the publications US Pat. No. 5,633,755 and US Pat. No. 6,323,982, whose disclosure content, concerning the structure and function of DMDs, is hereby incorporated by reference.
  • the DMD represents a light modulator in the optical projection apparatus.
  • the DMD is preferably illuminated homogeneously by a light source 3.
  • the DMD modulates the incident light by each micro mirror 1 of the DMD ⁇ s the incident on it light, for example, for example, directs selectively either from the projection device addition, on a projection screen, or in the projection apparatus inside, onto an absorber.
  • Each of the micromirrors 1 of the array 4 has, for example, a square or rectangular shaped surface. The surface area of the mirror surface is preferably between 12 and 25 square micrometers.
  • An array 4 contains hundreds to thousands of millions Micromirror 1. Each micromirror represents one pixel of the projected image.
  • the micromirror 1 is tiltable in two directions about an axis 2, which runs as a central axis through the micromirror 1.
  • an axis 2 which runs as a central axis through the micromirror 1.
  • the light 22 of the light source 3 strikes the surface of the micromirror 1 in the direction y orthogonal to the tilting axis 2 with an opening angle .phi.2. That is, light strikes the micromirror 1 in this direction with a maximum angle ⁇ 2 to the surface normal 5 of the micromirror 1 (note the auxiliary line in FIG. 1B).
  • ⁇ 1 is chosen to be larger than ⁇ 2.
  • the light source 3 viewed from the micromirror, therefore appears stretched in the direction x, along the tilting axis. In this way, more light area of a light source can be displayed.
  • the etendue of the system can be increased.
  • the etendue is a conserved quantity of the geometrical optics and designates essentially the product of surface and solid angle range from which the surface absorbs light. The etendue increase is calculated too
  • the etendue is increased by 2.4 times compared to an opening angle of 01 equal to twelve degrees. This means that the usable amount of light from the system can be increased by this factor.
  • FIG. 2A shows a micromirror 1 in FIG
  • FIG. 2A shows the mirror 1 in the untilted position.
  • FIG. 2B shows a sectional illustration through the micromirror 1 in the direction x, ie, along the tilting axis 2.
  • FIG. 2C shows the micromirror 1 in the on position in a sectional view in the y direction. That is, the light 22 impinging on the micromirror 1 is reflected and passes through a radiation exit opening of the optical projection apparatus onto a projection surface 7.
  • FIG. 2D shows the micromirror 1 in the off position, in which the reflected radiation remains in the interior of the projection apparatus and strikes an absorber 8, for example.
  • the tilt angle of the micromirror 1 is preferably equal to the opening angle ⁇ 2 in the direction y, orthogonal to the tilting axis 2. In this way, it is ensured that in the on position substantially all of the reflected light 23 leaves the projector and in the off position essentially the entire reflected light 23 remains in the projection device. Since the described correlation of tilt angle and opening angle ⁇ 2 must be fulfilled only in the direction orthogonal to the tilting axis 2, as described above, the opening angle ⁇ l in the direction along the tilting axis can advantageously be selected to be greater than 02.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a light source 3, as it is preferably used for illuminating the micromirrors 1.
  • the light source has at least one light-emitting diode chip 31 for generating light.
  • the light source preferably has at least four light-emitting diode chips 31. These can be light-emitting diode chips which are suitable for emitting light in the green, red and blue spectral range, so that the light generated by the light-emitting diode chips 31 mixes to form white light.
  • the optical projection device has light sources, each of which only produces light of a specific color, ie red, blue or green light.
  • the light-emitting diode chips 31 are preferably thin-film light-emitting diode chips.
  • a thin-film light-emitting diode chip can be characterized in particular by the following features: On a first major surface of a radiation-generating epitaxial layer sequence facing a carrier element, a reflective layer is applied or formed which reflects at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence back into it.
  • the reflective layer is, for example, a Bragg mirror. More preferably, it is a metal mirror formed, for example, by a thin layer containing at least one material of the group comprising silver, gold, gold germanium, aluminum and platinum.
  • the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range of 10 ⁇ m.
  • the epitaxial layer sequence contains, for example, a pn junction, a single quantum well or a multiple quantum well structure for generating electromagnetic radiation.
  • quantum well structure includes any structure in which carriers undergo quantization of their energy states by confinement.
  • quantum well structure does not include information about the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the epitaxial layer sequence contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, results in an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, ie it has a possible ergodisch-stochastic scattering behavior.
  • the carrier element can be relatively freely compared with a growth substrate.
  • the support may be more suitable for the component than available growth substrates, which are subject to strict restrictions for producing high-quality, epitaxially grown layer sequences.
  • the epitaxially deposited material must be lattice-matched to the growth substrate.
  • the light-emitting diode chips 31 are arranged, for example, in a housing 32.
  • the housing 32 is made of a ceramic material, for example.
  • the housing 32 may then include at least one of the following materials: aluminum nitride, alumina, glass-ceramic, glass, metal.
  • the housing 32 has plated-through holes, via which the light-emitting diode chips 31 are connected to the conductor tracks 33.
  • the light-emitting diode chips 31 are further connected in parallel or anti-parallel to protect against overvoltages such as ESD voltage pulses (ESD - electrostatic discharge) devices 33 such as varistors, capacitors, Zener diodes or LEDs.
  • ESD voltage pulses ESD - electrostatic discharge
  • the light source 3 can be electrically contacted from the outside. All the components described are arranged on a support 36, which is formed for example by a metal core board.
  • FIGS. 4A to 4D show optical elements which are arranged downstream of the light source 3, in particular the light-emitting diode chips 31.
  • the optical elements are for example placed directly on the housing 32 or the carrier 36 and fixed there.
  • the illustrated optical elements are optical concentrators, which taper towards the light source 3, that is to say the light-emitting diode chips 31.
  • Such optical concentrators are particularly well suited to form beam cones in which light impinges on the micromirror surface in different directions with different opening angles.
  • FIG. 4A shows an optical concentrator which is designed as a solid body.
  • the optical concentrator contains a transparent dielectric material having a refractive index of at least 1.4.
  • the reflection on the side surfaces 43a, 43b of the optical concentrator then takes place by means of total reflection.
  • Possible materials for the concentrator 40 are, for example, PMMA, PMMI, COC, polycarbonate.
  • the concentrator 40 is designed differently.
  • the concentrator is wider in the direction of the axis 41 than in the direction of the axis 42.
  • the side surfaces 43 a which are substantially parallel to the axis 41 run, be shaped differently than the side surfaces 43 b, which extend substantially parallel to the axis 42.
  • the concentrator 40 is arranged, for example, relative to the array 4 of the micromirrors 1 such that the axis 41 runs parallel to the x-axis, that is to say parallel to the tilting axis 2 of the micromirrors 1.
  • the concentrator shown in FIG. 4A may for example be arranged downstream of a plurality (for example four) of light-emitting diode chips 31.
  • a plurality for example four
  • the concentrator shown in FIG. 4B it is also possible that, as shown in FIG. 4B, exactly one optical concentrator is arranged downstream of each light-emitting diode chip 31.
  • the light exit surface 44 of the optical concentrator can be formed as an optical element, for example as a lens (see also FIG. 4B).
  • FIG. 4C shows an optical concentrator 40, which is designed as a hollow body.
  • reflection at the side surfaces 43a, 43b is not effected by total reflection, but the inner walls of the hollow body are coated in a reflective manner, for example by means of a metal.
  • FIG. 4D shows an optical element in which each LED chip 31 is arranged downstream of a concentrator 40, whereas in Embodiment of Figure 4C, a concentrator of a plurality of light-emitting diode chips is arranged downstream.

Abstract

The invention relates to an optical projection device with a micromirror (1) which receives light from a solid angle area which comprises different aperture angles (ø1, ø2) in two different directions. The optical projection device allows to utilize the quantity of light provided by a light source (3) in an especially effective manner.

Description

Beschreibungdescription
Optisches ProjektionsgerätOptical projection device
Es wird ein optisches Projektionsgerät angegeben.An optical projection device is specified.
Die Druckschriften Druckschriften US 5,633,755 und US 6,323,982 beschreiben optische Projektionsgeräte.The documents US 5,633,755 and US 6,323,982 describe optical projection devices.
Eine Aufgabe besteht darin, ein optisches Projektionsgerät anzugeben, bei dem die zur Verfügung stehende Lichtmenge einer Lichtquelle besonders effizient genutzt wird.One object is to provide an optical projection apparatus in which the available amount of light of a light source is used particularly efficiently.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts weist das optische Projektionsgerät einen Mikrospiegel a'uf . Der Mikrospiegel ist beispielsweise geeignet, auf den Mikrospiegel treffende elektromagnetische Strahlung in vorgebbare Richtungen zu reflektieren. Der Mikrospiegel weist dazu bevorzugt eine reflektierend ausgestaltete Oberfläche auf, die bevorzugt elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich - also Licht - besonders effizient reflektiert. Die reflektierende Oberfläche des Mikrospiegels kann beispielsweise eine quadratische, rautenförmige, parallelogrammförmige oder rechteckige Form aufweisen. Jedoch sind auch andere Formen der Spiegeloberfläche denkbar.According to at least one embodiment of the projection optical device, the optical projection device a micro mirror a 'uf. The micromirror is suitable, for example, to reflect electromagnetic radiation striking the micromirror in predeterminable directions. For this purpose, the micromirror preferably has a surface designed to be reflective, which preferably reflects electromagnetic radiation in the visible region-that is to say light-in a particularly efficient manner. The reflective surface of the micromirror may, for example, have a square, diamond-shaped, parallelogram-shaped or rectangular shape. However, other forms of mirror surface are conceivable.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgerätes nimmt der Mikrospiegel Licht aus einem Raumwinkelbereich auf, der in zwei unterschiedlichen Richtungen auf der Spiegeloberfläche unterschiedliche Öffnungswinkel aufweist. Der Öffnungswinkel ist dabei der maximale Winkel unter dem Strahlung zur Oberflächennormalen des Mikrospiegels auf die Spiegeloberfläche trifft.According to at least one embodiment of the optical projection apparatus, the micromirror receives light from a solid angle range which has different opening angles in two different directions on the mirror surface. The opening angle is the maximum angle under the radiation hits the surface normal of the micromirror on the mirror surface.
Das heißt beispielsweise, dass vom Spiegel aus auf eine Lichtquelle gesehen, die den Spiegel ausleuchtet, in einer Richtung die Lichtquelle so erscheint, als weise sie eine größere Erstreckung und/oder Ausdehnung auf, als in eine andere Richtung. Beispielsweise erscheint die Lichtquelle vom Spiegel aus gesehen also nicht rund oder quadratisch sondern oval, elliptisch oder rechteckig.That is, for example, that seen from the mirror to a light source illuminating the mirror, in one direction the light source appears to have a greater extent and / or extension than in another direction. For example, the light source seen from the mirror does not appear round or square but oval, elliptical or rectangular.
Mit anderen Worten treffen in eine Richtung auf der Spiegeloberfläche Lichtstrahlen mit einem größeren maximalen Winkel zur Oberflächennormalen des Mikrospiegels auf die Spiegeloberfläche auf, als in eine andere Richtung.In other words, in one direction on the mirror surface, light rays having a larger maximum angle to the surface normal of the micromirror hit the mirror surface than in another direction.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts weist dieses einen Mikrospiegel auf, der Licht aus einem Raumwinkelbereich aufnimmt, der in zwei unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Öffnungswinkel aufweist .According to at least one embodiment of the optical projection apparatus, the latter has a micromirror which receives light from a solid angle range which has different opening angles in two different directions.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts ist der Mikrospiegel um eine Achse kippbar. Bevorzugt verläuft die Achse durch den Mikrospiegel parallel zur reflektierenden Oberfläche des Mikrospiegels. Besonders bevorzugt bildet die Achse eine Mittelachse des Mikrospiegels, die den Mikrospiegel in zwei im Wesentlichen gleich große, zum Beispiel rechteckige, Bereiche unterteilt. Der Mikrospiegel ist vorzugsweise geeignet, in zwei unterschiedliche Richtungen um diese Kippachse zu kippen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts nimmt der Mikrospiegel in Richtung längs zur Kippachse Licht aus einem größeren Winkelbereich auf als in Richtung senkrecht zur Kippachse. Das heißt, der maximale Winkel, den einfallendes Licht mit einer Oberflächennormalen des Mikrospiegels einschließt, ist auf gedachten Linien, die parallel zur Kippachse auf der Spiegeloberfläche verlaufen, größer als auf gedachten Linien, die senkrecht zur Kippachse auf der Spiegeloberfläche verlaufen. Mit anderen Worten erscheint vom Spiegel aus gesehen die Lichtquelle in Richtung längs der Kippachse eine größere Erstreckung zu haben, als in orthogonaler Richtung zur Kippachse . Damit nimmt der Mikrospiegel in Richtung längs der Kippachse Licht aus einem Winkelbereich mit einem größeren Öffnungswinkel auf, als in Richtung orthogonal zur Kippachse .In accordance with at least one embodiment of the optical projection apparatus, the micromirror can be tilted about an axis. Preferably, the axis passes through the micromirror parallel to the reflective surface of the micromirror. Particularly preferably, the axis forms a central axis of the micromirror, which divides the micromirror into two substantially equal, for example rectangular, areas. The micromirror is preferably suitable for tilting in two different directions about this tilting axis. In accordance with at least one embodiment of the optical projection apparatus, the micromirror receives light from a larger angular range in the direction along the tilting axis than in the direction perpendicular to the tilting axis. That is, the maximum angle that incident light includes with a surface normal of the micromirror is greater on imaginary lines that are parallel to the tilt axis on the mirror surface than on imaginary lines that are perpendicular to the tilt axis on the mirror surface. In other words, viewed from the mirror, the light source appears to have a greater extent in the direction along the tilting axis than in the direction orthogonal to the tilting axis. Thus, the micromirror receives light from an angular range with a larger opening angle in the direction along the tilting axis than in the direction orthogonal to the tilting axis.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts weist der Mikrospiegel zwei vorgegebene Kippstellungen auf. Das heißt, der Mikrospiegel ist um zwei vorgegebene Kippwinkel relativ zur ungekippten Stellung kippbar. Bevorzugt sind die beiden Kippwinkel betragsmäßig gleich groß und unterscheiden sich lediglich durch ein Vorzeichen voneinander. In einer Kippstellung - der so genannten on-Stellung - ist der Mikrospiegel geeignet, auf ihn treffendes Licht in Richtung einer Lichtaustrittsöffnung des optischen Projektionsgeräts und damit beispielsweise auf einen Projektionsschirm zu reflektieren. Zwischen Spiegel und Lichtaustrittsöffnung können optische Elemente wie zum Beispiel eine Projektionslinse angeordnet sein, die vom reflektierten Licht durchstrahlt werden.In accordance with at least one embodiment of the optical projection apparatus, the micromirror has two predetermined tilt positions. That is, the micromirror is tiltable by two predetermined tilt angles relative to the untilted position. Preferably, the two tilt angles are equal in magnitude and differ only by a sign from each other. In a tilted position - the so-called on position - the micromirror is suitable for reflecting light impinging on it in the direction of a light exit opening of the optical projection apparatus and thus, for example, on a projection screen. Between the mirror and the light exit opening optical elements such as a projection lens can be arranged, which are irradiated by the reflected light.
In der anderen Kippstellung - der so genannten off-Stellung - wird das auf die Spiegeloberfläche treffende Licht bevorzugt zu einem Absorber oder einer Lichtfalle hin reflektiert, der die auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung absorbiert, sodass das Licht nicht durch die Lichtaustrittsöffnung des optischen Projektionsgeräts nach außen gelangen kann. Der Absorber kann zum Beispiel im Inneren eines Gehäuses des optischen Projektionsgeräts angeordnet sein oder durch einen Teil dieses Gehäuses gebildet sein.In the other tilt position - the so-called off position - the light striking the mirror surface is preferred reflected to an absorber or a light trap, which absorbs the electromagnetic radiation impinging on it, so that the light can not pass through the light exit opening of the optical projection device to the outside. The absorber may, for example, be arranged inside a housing of the optical projection device or be formed by a part of this housing.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts ist der Winkelbereich, aus dem der Mikrospiegel in Richtung senkrecht zur Kippachse Licht aufnimmt, mit dem Kippwinkel korreliert. Das heißt, bevorzugt weist dieser Winkelbereich einen Öffnungswinkel auf, der mit dem Kippwinkel korreliert ist.In accordance with at least one embodiment of the optical projection apparatus, the angular range from which the micromirror receives light in the direction perpendicular to the tilt axis is correlated with the tilt angle. That is, preferably, this angular range has an opening angle that is correlated with the tilt angle.
Das heißt, der Öffnungswinkel ist dem Kippwinkel angepasst. Bevorzugt ist der Öffnungswinkel so gewählt, dass in der off- Stellung auf den Mikrospiegel treffende Strahlung komplett auf den Absorber trifft. Das heißt, der Öffnungswinkel ist so klein gewählt, dass in der off-Stellung kein reflektiertes Licht den Absorber verfehlt und beispielsweise als Streulicht das optische Projektionsgerät verlassen kann.That is, the opening angle is adapted to the tilt angle. Preferably, the opening angle is selected so that in the off position on the micromirror incident radiation completely hits the absorber. That is, the opening angle is chosen so small that in the off position no reflected light misses the absorber and, for example, can leave the optical projection device as stray light.
Entsprechend ist der Öffnungswinkel des Winkelbereichs, aus dem der Mikrospiegel in Richtung senkrecht zur Kippachse Licht aufnimmt, bevorzugt derart gewählt, dass reflektiertes Licht in der on-Stellung, den Projektor möglichst vollständig verlässt und keine oder kaum Strahlung die Lichtaustrittsöffnung des optischen Projektionsgeräts verfehlt . Das beschriebene optische Projektionsgerät macht sich dabei unter anderem die Erkenntnis zu Nutzen, dass die oben beschriebene Einschränkung hinsichtlich des Öffnungswinkels nur in Richtung senkrecht -zur Kippachse notwendig ist, wenn erreicht werden soll, dass in der off-Stellung möglichst sämtliches vom Mikrospiegel reflektiertes Licht im Projektionsgerät verbleibt und in der on-Stellung möglichst das gesamte reflektierte Licht den Projektor verlassen soll.Accordingly, the opening angle of the angular range from which the micromirror receives light in the direction perpendicular to the tilting axis is preferably chosen such that reflected light in the on position leaves the projector as completely as possible and no or hardly any radiation misses the light exit opening of the optical projection device. Among other things, the described optical projection device makes use of the fact that the above-described restriction with regard to the opening angle is only necessary in the direction perpendicular to the tilting axis if it is to be achieved that in the off position as far as possible all the light reflected by the micromirror Projection device remains and in the on position as far as the entire reflected light should leave the projector.
In der Richtung längs zur Kippachse ist eine solche Einschränkung für den Öffnungswinkel der einfallenden Strahlung nicht gegeben. Der Öffnungswinkel, mit dem einfallendes Licht längs der Kippachse vom Mikrospiegel aufgenommen wird, kann größer gewählt sein als der Öffnungswinkel senkrecht zur Kippachse. Mit einem größeren Öffnungswinkel in dieser Richtung erhöht sich aber vorteilhaft das Etendue und damit die Effizienz des Systems. Auf diese Weise kann vom Mikrospiegel eine größere Abstrahlfläche der Lichtquelle auf den Projektionsschirm abgebildet werden.In the direction along the tilt axis, such a restriction for the opening angle of the incident radiation is not given. The opening angle at which incident light is picked up by the micromirror along the tilting axis can be chosen to be greater than the opening angle perpendicular to the tilting axis. With a larger opening angle in this direction, however, the etendue and thus the efficiency of the system increases advantageously. In this way, a larger emission surface of the light source can be imaged onto the projection screen by the micromirror.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts ist der Öffnungswinkel senkrecht zur Kippachse gleich dem Betrag des Kippwinkels. Bevorzugt weist der Mikrospiegel dabei für on- und off-Stellung betragsmäßig gleiche Kippwinkel relativ zur ungekippten Stellung auf. Das heißt, der Mikrospiegel ist geeignet, um diese Winkel in zwei unterschiedliche Richtungen, zum Beispiel um die Kippachse, zu kippen. Die beiden Kippwinkel unterscheiden sich daher bevorzugt lediglich durch ein Vorzeichen.According to at least one embodiment of the optical projection apparatus, the opening angle perpendicular to the tilt axis is equal to the amount of the tilt angle. The micromirror preferably has the same tilt angle relative to the untilted position for the on and off position. That is, the micromirror is capable of tilting these angles in two different directions, for example about the tilt axis. Therefore, the two tilt angles preferably differ only by a sign.
Beispielsweise beträgt der Betrag der Kippwinkel wenigstens zehn Grad. Bevorzugt ist der Betrag der beiden Kippwinkel, um die der Mikrospiegel in die on- bzw. in die off-Stellung kippt, gleich groß. Die beiden Kippwinkel betragen dann bevorzugt wenigstens plus zehn Grad und mindestens minus zehn Grad. Bevorzugte Kippwinkel sind beispielsweise +/-10°, +/- 12° oder +/- 14,5°.For example, the amount of tilt angle is at least ten degrees. Preferably, the amount of the two tilt angle to which tilts the micromirror in the on or in the off position, the same size. The two tilt angles are then preferably at least plus ten degrees and at least minus ten degrees. Preferred tilt angles are, for example, +/- 10 °, +/- 12 ° or +/- 14.5 °.
In Richtung längs der Kippachse ist der Öffnungswinkel bevorzugt größer als der Betrag des Kippwinkels. Bevorzugte Öffnungswinkel in dieser Richtung liegen in den Bereich von +/- 18° bis +/- 30°.In the direction along the tilt axis, the opening angle is preferably greater than the amount of the tilt angle. Preferred opening angles in this direction are in the range of +/- 18 ° to +/- 30 °.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optische Projektionsgerät wenigstens eine Lichtquelle auf, die geeignet ist, den Mikrospiegel auszuleuchten. Die Lichtquelle ist beispielsweise geeignet, Licht im roten, grünen und blauen Spektralbereich zu erzeugen. Dabei kann einer Weißlichtquelle in Abstrahlrichtung beispielsweise ein Farbrad nachgeordnet sein, das abwechselnd Licht einer dieser Farben transmittiert und gleichzeitig das Licht der übrigen Farben absorbiert. Es ist aber auch möglich, dass die Lichtquelle oder die Lichtquellen an sich geeignet sind, Licht dieser Farben zu erzeugen. Die Lichtquelle kann dazu eine Mehrzahl von Leuchtdiodenchips umfassen.In accordance with at least one embodiment, the optical projection device has at least one light source which is suitable for illuminating the micromirror. The light source is suitable, for example, to generate light in the red, green and blue spectral range. In this case, a white light source in the emission direction, for example, be followed by a color wheel, which alternately transmits light of one of these colors and at the same time absorbs the light of the other colors. But it is also possible that the light source or the light sources are suitable per se to produce light of these colors. The light source may for this purpose comprise a plurality of light-emitting diode chips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Lichtquelle geeignet, den Mikrospiegel mit einem unsymmetrischen Lichtkegel auszuleuchten. Das heißt, der Lichtkegel ist bevorzugt derart geformt, dass in einer Richtung auf der Oberfläche des Mikrospiegels der Öffnungswinkel, das heißt, der maximale Winkel unter dem elektromagnetische Strahlung zur Oberflächennormalen einfällt, größer ist als in eine andere Richtung. Bevorzugt ist der Öffnungswinkel in Richtung längs zur Kippachse des Mikrospiegels größer als in orthogonaler Richtung dazu. Die Lichtquelle leuchtet den Mikrospiegel dann in anamorphotischer Weise aus .In accordance with at least one embodiment, the light source is suitable for illuminating the micromirror with an asymmetrical light cone. That is, the light cone is preferably shaped such that in one direction on the surface of the micromirror, the opening angle, that is, the maximum angle under which electromagnetic radiation is incident to the surface normal, is larger than in another direction. Preferably, the opening angle in the direction along the tilt axis of the micromirror is greater than in orthogonal direction to it. The light source then illuminates the micromirror in anamorphic fashion.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Lichtquelle zur Strahlformung zumindest eine Zylinderlinse nachgeordnet. Mithilfe einer solchen Zylinderlinse ist es möglich, einen soeben beschriebenen Lichtkegel zu modulieren.In accordance with at least one embodiment, the light source for beam shaping is arranged downstream of at least one cylindrical lens. With the aid of such a cylindrical lens, it is possible to modulate a light cone just described.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts ist der Lichtquelle zur Strahlformung ein optischer Konzentrator nachgeordnet, der sich zur Lichtquelle hin verjüngt. Der optische Konzentrator wird vom Licht der Lichtquelle durchstrahlt. Seitenflächen, die den Konzentrator seitlich begrenzen, sind reflektierend ausgestaltet. Der optische Konzentrator ist zum einen zur Verringerung der Divergenz der durch ihn tretenden Strahlung geeignet . Zum anderen wird das durchtretende Licht derart von den Seitenflächen des Konzentrators reflektiert, dass das austretende Licht eine vorgebbare Lichtdichteverteilung und Winkelverteilung aufweist.According to at least one embodiment of the optical projection apparatus, the light source for beam shaping is followed by an optical concentrator, which tapers towards the light source. The optical concentrator is irradiated by the light from the light source. Side surfaces which laterally delimit the concentrator are designed to be reflective. The optical concentrator is on the one hand suitable for reducing the divergence of the radiation passing through it. On the other hand, the transmitted light is reflected by the side surfaces of the concentrator such that the exiting light has a predefinable light density distribution and angular distribution.
Die Lichtdichteverteilung und die Winkelverteilung sind beispielsweise durch die Ausgestaltung der Form der reflektierenden Seitenflächen einstellbar.The light density distribution and the angular distribution are adjustable, for example, by the configuration of the shape of the reflective side surfaces.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts ist der optische Konzentrator in Richtung seiner Hauptachsen, die beispielsweise in einer Ebene parallel zur Lichtauskoppelfläche der Lichtquelle verlaufen, unterschiedlich ausgestaltet. Bevorzugt weist der Konzentrator in Richtung seiner Hauptachsen unterschiedliche Öffnungswinkel auf. Eine Querschnittsfläche des optischen Konzentrators, die beispielsweise parallel zur Strahlungsauskoppelflache der Lichtquelle verläuft, weist dann in Richtung einer der beiden Hauptachsen eine größere Erstreckung auf als in Richtung der anderen Hauptachse.In accordance with at least one embodiment of the optical projection apparatus, the optical concentrator is configured differently in the direction of its main axes, which run, for example, in a plane parallel to the light output surface of the light source. The concentrator preferably has different opening angles in the direction of its main axes. A cross-sectional area of the optical concentrator, for example parallel to the Radiation decoupling surface of the light source extends, then in the direction of one of the two main axes to a greater extent than in the direction of the other major axis.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts sind die Seitenflächen des optischen Konzentrators zumindest stellenweise nach Art eines der folgenden optischen Elemente ausgebildet: zusammengesetzter parabolischer Konzentrator (Compound parabolic concentrator - CPC) , zusammengesetzter hyperbolischer Konzentrator (Compound hyperbolic concentrator - CHC) , zusammengesetzter elliptischer Konzentrator (Compound elliptic concentrator - CEC) . Weiter ist es möglich, dass der optische Konzentrator zumindest stellenweise nach Art eines Kegel- oder Pyramidenstumpfes geformt ist, der sich zur Lichtquelle hin verjüngt. Weiter können dem optischen Konzentrator zusätzliche optische Elemente nachgeordnet sein, wie beispielsweise Projektions- oder Sammellinsen. Diese optischen Elemente können auch integral mit dem Konzentrator ausgebildet sein.According to at least one embodiment of the optical projection apparatus, the side faces of the optical concentrator are formed at least in places in the manner of one of the following optical elements: compound parabolic concentrator (CPC), compound hyperbolic concentrator (CHC), composite elliptical concentrator ( Compound elliptic concentrator - CEC). Furthermore, it is possible for the optical concentrator to be shaped, at least in places, in the manner of a truncated cone or truncated pyramid, which tapers towards the light source. Further, the optical concentrator may be followed by additional optical elements, such as projection or converging lenses. These optical elements may also be formed integrally with the concentrator.
Der optische Konzentrator kann beispielsweise als Vollkörper ausgebildet sein. Der optische Konzentrator besteht dann aus einem transparenten, dielektrischen Material. In diesem Fall erfolgt Reflexion an den Seitenflächen des Konzentrators aufgrund von Totalreflexionen. Der optische Konzentrator kann dann vorzugsweise wenigstens eines der folgenden Materialien enthalten oder aus einem dieser Materialien bestehen: PMMA, Polycarbonat , PMMI , COC .The optical concentrator may be formed, for example, as a solid body. The optical concentrator is then made of a transparent, dielectric material. In this case, reflection takes place on the side faces of the concentrator due to total reflections. The optical concentrator may then preferably contain or consist of at least one of the following materials: PMMA, polycarbonate, PMMI, COC.
Weiter ist es möglich, dass der optische Konzentrator als Hohlkörper ausgebildet ist. In diesem Fall sind die Seitenwände des optischen Konzentrators reflektierend ausgebildet. Das heißt, die Innenwände des Hohlkörpers sind beispielsweise mit einem Metall reflektierend beschichtet .Furthermore, it is possible that the optical concentrator is designed as a hollow body. In this case, the side walls of the optical concentrator are reflective educated. That is, the inner walls of the hollow body are coated, for example reflective with a metal.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts weist das optische Projektionsgerät eine Vielzahl von Mikrospiegeln auf. Bevorzugt gilt für alle Mikrospiegel das oben Beschriebene. Die Mikrospiegel sind beispielsweise in einem rechteckigen oder quadratischen Array angeordnet .In accordance with at least one embodiment of the optical projection apparatus, the optical projection apparatus has a plurality of micromirrors. Preferably, the above applies to all micromirrors. The micromirrors are arranged, for example, in a rectangular or square array.
Im Folgenden wird das hier beschriebene optische Projektionsgerät anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .In the following, the optical projection apparatus described here will be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments and the associated figures.
Figur IA zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des hier beschriebenen optischen Projektionsgeräts in einer schematischen Perspektivskizze.FIG. 1A shows a first exemplary embodiment of the optical projection device described here in a schematic perspective sketch.
Figur IB zeigt eine Ausschnittsvergrößerung aus Figur IA.FIG. 1B shows a detail enlargement from FIG. 1A.
Figur IC zeigt eine schematische Perspektivskizze eines Arrays von Mikrospiegeln.Figure IC shows a schematic perspective sketch of an array of micromirrors.
Figuren 2A bis 2D zeigen schematische Schnittdarstellungen eines Mikrospiegels .FIGS. 2A to 2D show schematic sectional views of a micromirror.
Figur 3 zeigt eine schematische Perspektivskizze einer Lichtquelle wie sie im beschriebenen optischen Projektionsgerät Verwendung finden kann.FIG. 3 shows a schematic perspective sketch of a light source as can be used in the described optical projection apparatus.
Figuren 4A bis 4D zeigen schematische Perspektivskizzen beispielhafter optischer Elemente, die der Lichtquelle nachgeordnet sein können. In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt .Figures 4A to 4D show schematic perspective sketches of exemplary optical elements that may be downstream of the light source. In the exemplary embodiments and figures, identical or identically acting components are each provided with the same reference numerals. The components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale. Rather, some details of the figures are exaggerated for clarity.
Figur IA zeigt eine schematische Perspektivskizze eines ersten Ausführungsbeispiels des optischen Projektionsgeräts. Beispielhaft ist dort ein Mikrospiegel 1 gezeigt. Der Mikrospiegel 1 ist Teil eines Arrays 4 von Mikrospiegeln 1 (siehe dazu auch die Figur IC) . Die Mikrospiegel 1 bilden zusammen ein so genanntes Digital Mirror Device (DMD) . Solche DMD's sind beispielsweise in den Druckschriften US 5,633,755 und US 6,323,982 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt, den Aufbau und die Funktion von DMD's betreffend, hiermit durch Rückbezug aufgenommen ist.Figure IA shows a schematic perspective sketch of a first embodiment of the optical projection apparatus. By way of example, a micromirror 1 is shown there. The micromirror 1 is part of an array 4 of micromirrors 1 (see also the figure IC). The micromirrors 1 together form a so-called digital mirror device (DMD). Such DMDs are described, for example, in the publications US Pat. No. 5,633,755 and US Pat. No. 6,323,982, whose disclosure content, concerning the structure and function of DMDs, is hereby incorporated by reference.
Das DMD stellt im optischen Projektionsgerät einen Lichtmodulator dar. Das DMD wird bevorzugt homogen von einer Lichtquelle 3 ausgeleuchtet. Das DMD moduliert das einfallende Licht indem jeder Mikrospiegel 1 des DMD^s das auf ihn treffende Licht selektiv entweder aus dem Projektionsgerät hinaus, beispielsweise auf einen Projektionsschirm, oder in das Projektionsgerät hinein, beispielsweise auf einen Absorber lenkt. Jeder der Mikrospiegel 1 des Arrays 4 weist beispielsweise eine quadratisch oder rechteckig geformte Oberfläche auf. Der Flächeninhalt der Spiegeloberfläche beträgt bevorzugt zwischen 12 und 25 Quadrat-Mikrometer . Ein Array 4 enthält einige hunderttausend bis hin zu einigen Millionen Mikrospiegel 1. Jeder Mikrospiegel bildet einen Bildpunkt (Pixel) des projizierten Bildes ab.The DMD represents a light modulator in the optical projection apparatus. The DMD is preferably illuminated homogeneously by a light source 3. The DMD modulates the incident light by each micro mirror 1 of the DMD ^ s the incident on it light, for example, for example, directs selectively either from the projection device addition, on a projection screen, or in the projection apparatus inside, onto an absorber. Each of the micromirrors 1 of the array 4 has, for example, a square or rectangular shaped surface. The surface area of the mirror surface is preferably between 12 and 25 square micrometers. An array 4 contains hundreds to thousands of millions Micromirror 1. Each micromirror represents one pixel of the projected image.
Der Mikrospiegel 1 ist um eine Achse 2, die als Mittelachse durch den Mikrospiegel 1 verläuft, in zwei Richtungen kippbar. In der Ausschnittsvergrößerung der Figur IB ist gezeigt, dass das Licht 22 der Lichtquelle 3 in Richtung y orthogonal zur Kippachse 2 mit einem Öffnungswinkel φ2 auf die Oberfläche des Mikrospiegels 1 trifft. Das heißt, Licht trifft in dieser Richtung mit einem maximalen Winkel φ2 zur Oberflächennormalen 5 des Mikrospiegels auf den Mikrospiegel 1 auf (beachte dazu die Hilfslinie in Figur IB) .The micromirror 1 is tiltable in two directions about an axis 2, which runs as a central axis through the micromirror 1. In the detail enlargement of FIG. 1B it is shown that the light 22 of the light source 3 strikes the surface of the micromirror 1 in the direction y orthogonal to the tilting axis 2 with an opening angle .phi.2. That is, light strikes the micromirror 1 in this direction with a maximum angle φ2 to the surface normal 5 of the micromirror 1 (note the auxiliary line in FIG. 1B).
In Richtung x, längs der Kippachse 2, trifft das Licht 11 mit einem Öffnungswinkel φl zur Oberflächennormalen 5 auf den Mikrospiegel 1. Bevorzugt ist φl größer als φ2 gewählt.In the direction x, along the tilting axis 2, the light 11 strikes the micromirror 1 with an opening angle φ1 to the surface normal 5. Preferably, φ1 is chosen to be larger than φ2.
Wie in Figur IA skizzenhaft angedeutet, erscheint die Lichtquelle 3 vom Mikrospiegel aus gesehen daher in Richtung x, längs der Kippachse, gestreckt. Auf diese Weise ist mehr Leuchtfläche einer Lichtquelle darstellbar.As indicated sketchily in FIG. 1A, the light source 3, viewed from the micromirror, therefore appears stretched in the direction x, along the tilting axis. In this way, more light area of a light source can be displayed.
Gegenüber einer symmetrischen Ausleuchtung des Mikrospiegels - das heißt, wenn φl gleich φ2 ist - kann daher mehr Leuchtfläche der Lichtquelle 3 durch den Mikrospiegel abgebildet werden. Auf diese Weise lässt sich das Etendue des Systems steigern. Das Etendue ist eine Erhaltungsgröße der geometrischen Optik und bezeichnet im Wesentlichen das Produkt aus Fläche und Raumwinkelbereich aus dem die Fläche Licht aufnimmt. Die Etendue-Steigerung errechnet sich zuCompared to a symmetrical illumination of the micromirror - that is, if φl is equal to φ2 - therefore more light area of the light source 3 can be imaged by the micromirror. In this way, the etendue of the system can be increased. The etendue is a conserved quantity of the geometrical optics and designates essentially the product of surface and solid angle range from which the surface absorbs light. The etendue increase is calculated too
Eχ/E2 « sin(φl) /sin(φ2) . Das heißt, für einen Winkel 02 gleich zwölf Grad ergibt sich für Winkel 01 einen Effizienzsteigerung nach der folgenden Tabelle:Eχ / E 2 sin sin (φl) / sin (φ2). That is, for an angle 02 equal to twelve degrees results for angle 01 an increase in efficiency according to the following table:
Figure imgf000013_0001
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Das heißt, für einen Öffnungswinkel längs der Kippachse von 01 gleich 30 Grad ist das Etendue um das 2,4fache verglichen mit einem Öffnungswinkel von 01 gleich zwölf Grad gesteigert . Das bedeutet, die nutzbare Lichtmenge aus dem System kann um diesen Faktor gesteigert werden.That is, for an opening angle along the tilting axis of 01 equal to 30 degrees, the etendue is increased by 2.4 times compared to an opening angle of 01 equal to twelve degrees. This means that the usable amount of light from the system can be increased by this factor.
Figur 2A zeigt einen Mikrospiegel 1 in derFIG. 2A shows a micromirror 1 in FIG
Schnittdarstellung. Der Schnitt verläuft dabei orthogonal zur Kippachse 2, also in Richtung y. Die Figur 2A zeigt den Spiegel 1 in ungekippter Stellung.Sectional view. The cut runs orthogonal to the tilt axis 2, ie in the direction y. FIG. 2A shows the mirror 1 in the untilted position.
Figur 2B zeigt eine Schnittdarstellung durch den Mikrospiegel 1 in Richtung x also längs zur Kippachse 2.FIG. 2B shows a sectional illustration through the micromirror 1 in the direction x, ie, along the tilting axis 2.
Figur 2C zeigt den Mikrospiegel 1 in on-Stellung in einer Schnittdarstellung in y-Richtung. Das heißt, das auf den Mikrospiegel 1 treffende Licht 22 wird reflektiert und tritt durch eine Strahlungsaustrittsöffnung des optischen Projektionsgeräts auf eine Projektionsfläche 7. Figur 2D zeigt den Mikrospiegel 1 in off-Stellung, bei der die reflektierte Strahlung im Inneren des Projektionsgeräts verbleibt und beispielsweise auf einen Absorber 8 trifft.FIG. 2C shows the micromirror 1 in the on position in a sectional view in the y direction. That is, the light 22 impinging on the micromirror 1 is reflected and passes through a radiation exit opening of the optical projection apparatus onto a projection surface 7. FIG. 2D shows the micromirror 1 in the off position, in which the reflected radiation remains in the interior of the projection apparatus and strikes an absorber 8, for example.
Der Kippwinkel des Mikrospiegels 1 ist vorzugsweise gleich dem Öffnungswinkel φ2 in Richtung y, orthogonal zur Kippachse 2. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass in on-Stellung im Wesentlichen das gesamte reflektierte Licht 23 den Projektor verlässt und in off-Stellung im Wesentlichen das gesamte reflektierte Licht 23 im Projektionsgerät verbleibt. Da die beschriebene Korrelation von Kippwinkel und Öffnungswinkel φ2 nur in Richtung orthogonal zur Kippachse 2 erfüllt sein muss, kann, wie oben beschrieben, der Öffnungswinkel φl in Richtung längs der Kippachse vorteilhaft größer 02 gewählt werden.The tilt angle of the micromirror 1 is preferably equal to the opening angle φ2 in the direction y, orthogonal to the tilting axis 2. In this way, it is ensured that in the on position substantially all of the reflected light 23 leaves the projector and in the off position essentially the entire reflected light 23 remains in the projection device. Since the described correlation of tilt angle and opening angle φ2 must be fulfilled only in the direction orthogonal to the tilting axis 2, as described above, the opening angle φl in the direction along the tilting axis can advantageously be selected to be greater than 02.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lichtquelle 3, wie sie zur Ausleuchtung der Mikrospiegel 1 bevorzugt Verwendung findet. Die Lichtquelle weist zur Lichterzeugung wenigstens einen Leuchtdiodenchip 31 auf. Bevorzugt weist die Lichtquelle wenigstens vier Leuchtdiodenchips 31 auf. Dabei kann es sich um Leuchtdiodenchips handeln, die geeignet sind, Licht im grünen, roten und blauen Spektralbereich abzustrahlen, sodass sich das von den Leuchtdiodenchips 31 erzeugte Licht zu weißem Licht mischt. Es ist aber auch möglich, dass das optische Projektionsgerät Lichtquellen aufweist, die jede für sich jeweils nur Licht einer bestimmten Farbe also rotes, blaues oder grünes Licht erzeugen.FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a light source 3, as it is preferably used for illuminating the micromirrors 1. The light source has at least one light-emitting diode chip 31 for generating light. The light source preferably has at least four light-emitting diode chips 31. These can be light-emitting diode chips which are suitable for emitting light in the green, red and blue spectral range, so that the light generated by the light-emitting diode chips 31 mixes to form white light. But it is also possible that the optical projection device has light sources, each of which only produces light of a specific color, ie red, blue or green light.
Bei den Leuchtdiodenchips 31 handelt es sich bevorzugt um Leuchtdiodenchips in Dünnfilmbauweise . Ein Dünnfilm- Leuchtdiodenchip kann sich insbesondere durch folgende Merkmale auszeichnen: - An einer zu einem Trägerelement hingewandten ersten Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurück reflektiert. Bei der reflektierenden Schicht handelt es sich beispielsweise um einen Bragg-Spiegel . Besonders bevorzugt handelt es sich um einen MetallSpiegel, der beispielsweise durch eine dünne Schicht gebildet ist, die wenigstens ein Material der Gruppe enthält, die Silber, Gold, Gold- Germanium, Aluminium und Platin umfasst.The light-emitting diode chips 31 are preferably thin-film light-emitting diode chips. A thin-film light-emitting diode chip can be characterized in particular by the following features: On a first major surface of a radiation-generating epitaxial layer sequence facing a carrier element, a reflective layer is applied or formed which reflects at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence back into it. The reflective layer is, for example, a Bragg mirror. More preferably, it is a metal mirror formed, for example, by a thin layer containing at least one material of the group comprising silver, gold, gold germanium, aluminum and platinum.
- Die Epitaxieschichtfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf. Die Epitaxieschichtfolge enthält zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung beispielsweise einen pn- Übergang, einen einzelnen Quantentopf oder eine Mehrfachquantentopfstruktur. Die BezeichnungThe epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 μm or less, in particular in the range of 10 μm. The epitaxial layer sequence contains, for example, a pn junction, a single quantum well or a multiple quantum well structure for generating electromagnetic radiation. The name
QuantentopfStruktur umfasst im Rahmen der Beschreibung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ( "confinement " ) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter Anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.Within the scope of the description, quantum well structure includes any structure in which carriers undergo quantization of their energy states by confinement. In particular, the term quantum well structure does not include information about the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
- Die Epitaxieschichtfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der epitaktischen Epitaxieschichtfolge führt, d. h. sie weist ein möglichst ergodisch-stochastisches Streuverhalten auf.The epitaxial layer sequence contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, results in an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, ie it has a possible ergodisch-stochastic scattering behavior.
Besonders vorteilhaft ergibt sich, dass das Trägerelement verglichen mit einem Aufwachssubstrat relativ frei gewählt werden kann. So kann der Träger hinsichtlich mancher Eigenschaften, wie etwa elektrischer und/oder thermischer Leitfähigkeit oder Stabilität, für das Bauteil besser geeignet sein als verfügbare Aufwachssubstrate, die zur Herstellung hochwertiger, epitaktisch gewachsener Schichtfolgen engen Einschränkungen unterliegen. So muss, um hochwertige epitaktische Schichten zu erhalten, das epitaktisch abgeschiedene Material beispielsweise gitterangepasst zum Aufwachssubstrat sein.Particularly advantageous results that the carrier element can be relatively freely compared with a growth substrate. Thus, with regard to some properties, such as electrical and / or thermal conductivity or stability, the support may be more suitable for the component than available growth substrates, which are subject to strict restrictions for producing high-quality, epitaxially grown layer sequences. For example, in order to obtain high quality epitaxial layers, the epitaxially deposited material must be lattice-matched to the growth substrate.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in Schnitzer I. et al . , "30% external quantum efficiency from surface textured LEDs", Appl . Phys . Lett . , Okt 1993, Bd. 63, Seiten 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.A basic principle of a thin-film light-emitting diode chip is described, for example, in Schnitzer I. et al. , "30% external quantum efficiency from surface textured LEDs", Appl. Phys. Lett. , Oct 1993, Vol. 63, pages 2174 - 2176, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Die Leuchtdiodenchips 31 sind beispielsweise in einem Gehäuse 32 angeordnet. Das Gehäuse 32 besteht zum Beispiel aus einem keramischen Material. Das Gehäuse 32 kann dann wenigstens eines der folgenden Materialien enthalten: Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Glaskeramik, Glas, Metall. Das Gehäuse 32 weist Durchkontaktierungen auf, über die die Leuchtdiodenchips 31 mit den Leiterbahnen 33 verbunden sind. Den Leuchtdiodenchips 31 sind ferner zum Schutz gegen Überspannungen wie beispielsweise ESD-Spannungspulsen (ESD - Electro static discharge) Bauelemente 33 wie beispielsweise Varistoren, Kondensatoren, Zener-Dioden oder Leuchtdioden parallel bzw. anti-parallel geschaltet. Über einen Gegenstecker 35 kann die Lichtquelle 3 von außen elektrisch kontaktiert werden. Sämtliche beschriebenen Bauelemente sind auf einen Träger 36 angeordnet, der beispielsweise durch eine Metallkernplatine gebildet ist.The light-emitting diode chips 31 are arranged, for example, in a housing 32. The housing 32 is made of a ceramic material, for example. The housing 32 may then include at least one of the following materials: aluminum nitride, alumina, glass-ceramic, glass, metal. The housing 32 has plated-through holes, via which the light-emitting diode chips 31 are connected to the conductor tracks 33. The light-emitting diode chips 31 are further connected in parallel or anti-parallel to protect against overvoltages such as ESD voltage pulses (ESD - electrostatic discharge) devices 33 such as varistors, capacitors, Zener diodes or LEDs. About one Mating connector 35, the light source 3 can be electrically contacted from the outside. All the components described are arranged on a support 36, which is formed for example by a metal core board.
Die Figuren 4A bis 4D zeigen optische Elemente die der Lichtquelle 3, insbesondere den Leuchtdiodenchips 31, nachgeordnet sind. Die optischen Elemente sind beispielsweise direkt auf das Gehäuse 32 oder den Träger 36 gesetzt und dort befestigt. Bei den dargestellten optischen Elementen handelt es sich um optische Konzentratoren, die sich zur Lichtquelle 3, das heißt den Leuchtdiodenchips 31, hin verjüngen. Solche optischen Konzentratoren sind besonders gut geeignet, Strahlkegel zu formen, bei denen Licht in unterschiedliche Richtungen mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln auf die Mikrospiegeloberflache auftrifft .FIGS. 4A to 4D show optical elements which are arranged downstream of the light source 3, in particular the light-emitting diode chips 31. The optical elements are for example placed directly on the housing 32 or the carrier 36 and fixed there. The illustrated optical elements are optical concentrators, which taper towards the light source 3, that is to say the light-emitting diode chips 31. Such optical concentrators are particularly well suited to form beam cones in which light impinges on the micromirror surface in different directions with different opening angles.
Figur 4A zeigt beispielsweise einen optischen Konzentrator, der als Vollkörper ausgebildet ist. Bevorzugt enthält der optische Konzentrator ein transparentes dielektrisches Material mit einem Brechungsindex von wenigstens 1,4.For example, FIG. 4A shows an optical concentrator which is designed as a solid body. Preferably, the optical concentrator contains a transparent dielectric material having a refractive index of at least 1.4.
Die Reflexion an den Seitenflächen 43a, 43b des optischen Konzentrators erfolgt dann mittels Totalreflexion. Mögliche Materialien für den Konzentrator 40 sind beispielsweise PMMA, PMMI, COC, Polycarbonat . In Richtung der beiden Hauptachsen 41 und 42, die beispielsweise in der Ebene der Lichtaustrittsöffnung des Konzentrators 40 liegen, ist der Konzentrator 40 unterschiedlich ausgestaltet.The reflection on the side surfaces 43a, 43b of the optical concentrator then takes place by means of total reflection. Possible materials for the concentrator 40 are, for example, PMMA, PMMI, COC, polycarbonate. In the direction of the two main axes 41 and 42, which are for example in the plane of the light exit opening of the concentrator 40, the concentrator 40 is designed differently.
Beispielsweise ist der Konzentrator in Richtung der Achse 41 breiter als in Richtung der Achse 42. Auch können die Seitenflächen 43a, die im Wesentlichen parallel zur Achse 41 verlaufen, anders geformt sein als die Seitenflächen 43b, die im Wesentlichen parallel zur Achse 42 verlaufen.For example, the concentrator is wider in the direction of the axis 41 than in the direction of the axis 42. Also, the side surfaces 43 a, which are substantially parallel to the axis 41 run, be shaped differently than the side surfaces 43 b, which extend substantially parallel to the axis 42.
Der Konzentrator 40 wird beispielsweise derart relativ zum Array 4 der Mikrospiegel 1 angeordnet, dass die Achse 41 parallel zur x-Achse, das heißt parallel zur Kippachse 2 der Mikrospiegel 1 verläuft.The concentrator 40 is arranged, for example, relative to the array 4 of the micromirrors 1 such that the axis 41 runs parallel to the x-axis, that is to say parallel to the tilting axis 2 of the micromirrors 1.
Durch die unterschiedliche Ausgestaltung des Konzentrators 40 in Richtung der beiden Hauptachsen 41 und 42 ist erreicht, dass der Mikrospiegel, wie bereits in Verbindung mit Figuren IA bis IC beschrieben, unsymmetrisch ausgeleuchtet wird.Due to the different configuration of the concentrator 40 in the direction of the two main axes 41 and 42 it is achieved that the micromirror, as already described in connection with Figures IA to IC, is illuminated asymmetrically.
Der in Figur 4A dargestellte Konzentrator kann beispielsweise einer Vielzahl (zum Beispiel vier) von Leuchtdiodenchips 31 nachgeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass wie in Figur 4B gezeigt, jedem Leuchtdiodenchip 31 genau ein optischer Konzentrator nachgeordnet ist . Weiter kann die Lichtaustrittsfläche 44 des optischen Konzentrators als optisches Element, beispielsweise als Linse, ausgebildet sein (siehe dazu auch Figur 4B) .The concentrator shown in FIG. 4A may for example be arranged downstream of a plurality (for example four) of light-emitting diode chips 31. However, it is also possible that, as shown in FIG. 4B, exactly one optical concentrator is arranged downstream of each light-emitting diode chip 31. Furthermore, the light exit surface 44 of the optical concentrator can be formed as an optical element, for example as a lens (see also FIG. 4B).
Figur 4C zeigt einen optischen Konzentrator 40, der als Hohlkörper ausgebildet ist. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Figuren 4A und 4B erfolgt Reflexion an den Seitenflächen 43a, 43b hier nicht durch Totalreflexion, sondern die Innenwände des Hohlkörpers sind beispielsweise mittels eines Metalls reflektierend beschichtet .FIG. 4C shows an optical concentrator 40, which is designed as a hollow body. In contrast to the exemplary embodiment of FIGS. 4A and 4B, reflection at the side surfaces 43a, 43b is not effected by total reflection, but the inner walls of the hollow body are coated in a reflective manner, for example by means of a metal.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 4D zeigt ein optisches Element, bei dem jedem Leuchtdiodenchip 31 genau ein Konzentrator 40 nachgeordnet ist, wohingegen beim Ausführungsbeispiel der Figur 4C ein Konzentrator einer Vielzahl von Leuchtdiodenchips nachgeordnet ist.The embodiment of Figure 4D shows an optical element in which each LED chip 31 is arranged downstream of a concentrator 40, whereas in Embodiment of Figure 4C, a concentrator of a plurality of light-emitting diode chips is arranged downstream.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Prioritäten der deutschen Patentanmeldungen 102005030355.2 und 102005060942.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.This patent application claims the priorities of German patent applications 102005030355.2 and 102005060942.2, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selber nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Optisches Projektionsgerät mit einem Mikrospiegel (1) , der Licht aus einem Raumwinkelbereich aufnimmt, der in zwei unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Öffnungswinkel (φl, φ2) aufweist.1. Optical projection device with a micromirror (1), which receives light from a solid angle range, which has different opening angles (φl, φ2) in two different directions.
2. Optisches Projektionsgerät nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Mikrospiegel (1) um eine Achse (2) kippbar ist.2. Optical projection apparatus according to the preceding claim, wherein the micromirror (1) about an axis (2) is tiltable.
3. Optisches Projektionsgerät nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem der Mikrospiegel (1) in Richtung (x) längs zur Kippachse (2) Licht aus einem größeren Winkelbereich aufnimmt, als in Richtung (y) senkrecht zur Kippachse (2) .3. Optical projection apparatus according to one of the preceding claims, wherein the micromirror (1) in the direction (x) along the tilting axis (2) receives light from a larger angular range than in the direction (y) perpendicular to the tilting axis (2).
4. Optisches Projektionsgerät nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem der Mikrospiegel (1) zwei vorgegebene Kippstellungen aufweist.4. Optical projection apparatus according to one of the preceding claims, wherein the micromirror (1) has two predetermined tilt positions.
5. Optisches Projektionsgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Winkelbereich, aus dem der Mikrospiegel (1) in Richtung (y) senkrecht zur Kippachse (2) Licht aufnimmt, einen Öffnungswinkel (φ2) aufweist, der mit einem Kippwinkel des Mikrospiegels korreliert ist.5. An optical projection apparatus according to one of the preceding claims, wherein the angular range from which the micromirror (1) in the direction (y) perpendicular to the tilting axis (2) receives light, an opening angle (φ2) which correlates with a tilt angle of the micromirror is.
6. Optisches Projektionsgerät nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Öffnungswinkel (φ2) gleich dem Kippwinkel ist.6. An optical projection apparatus according to the preceding claim, wherein the opening angle (φ2) is equal to the tilt angle.
7. Optisches Projektionsgerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem der Kippwinkel (φ2) wenigstens 10° beträgt.7. An optical projection apparatus according to any one of claims 5 or 6, in which the tilt angle (φ2) is at least 10 °.
8. Optisches Projektionsgerät nach einem der vorherigen Ansprüche , aufweisend eine Lichtquelle .(3) , die den Mikrospiegel (1) ausleuchtet .8. An optical projection apparatus according to one of the preceding claims, comprising a light source (3) which illuminates the micromirror (1).
9. Optisches Projektionsgerät nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem der Mikrospiegel (1) mit einem unsymmetrischen Lichtkegel ausgeleuchtet wird.9. Optical projection apparatus according to one of the preceding claims, wherein the micromirror (1) is illuminated with an asymmetrical cone of light.
10. Optisches Projektionsgerät nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem der Lichtquelle (3) eine ZyIinderlinse nachgeordnet ist.10. An optical projection apparatus according to any one of claims 8 or 9, wherein the light source (3) is arranged downstream of a ZyIinderlinse.
11. Optisches Projektionsgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Lichtquelle (3) ein optischer Konzentrator (40) nachgeordnet ist, der sich zur Lichtquelle (3,31) hin verjüngt .11. An optical projection apparatus according to any one of claims 8 to 10, wherein the light source (3) an optical concentrator (40) is arranged downstream, which tapers to the light source (3,31).
12. Optisches Projektionsgerät nach Anspruch 11, bei dem der optische Konzentrator (40) in Richtung seiner Hauptachsen (41, 42) jeweils unterschiedlich ausgestaltet ist.12. An optical projection apparatus according to claim 11, wherein the optical concentrator (40) in the direction of its main axes (41, 42) is configured differently.
13. Optisches Projektionsgerät nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem der optische Konzentrator (40) in Richtung seiner Hauptachsen (41, 42) unterschiedliche Öffnungswinkel aufweist . 13. An optical projection apparatus according to any one of claims 11 or 12, wherein the optical concentrator (40) in the direction of its major axes (41, 42) has different opening angles.
14. Optisches Projektionsgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem zumindest eine Seitenfläche (43a, 43b) des optischen Konzentrators (40) zumindest stellenweise nach Art eines der folgenden optischen Elemente ausgebildet ist: CPC, CHC, CEC, Kegelstumpfoptik, Pyramidenstumpfoptik.14. An optical projection apparatus according to any one of claims 11 to 13, wherein at least one side surface (43a, 43b) of the optical concentrator (40) is at least locally formed in the manner of one of the following optical elements: CPC, CHC, CEC, truncated cone optics, truncated pyramidal optics.
15. Optisches Projektionsgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem die Lichtquelle (3) zumindest einen Leuchtdiodenchip (31) umfasst.15. An optical projection apparatus according to any one of claims 8 to 14, wherein the light source (3) comprises at least one LED chip (31).
16. Optisches Projektionsgerät nach einem der vorherigen Ansprüche , aufweisend eine Vielzahl von Mikrospiegeln (1) . 16. An optical projection apparatus according to one of the preceding claims, comprising a plurality of micromirrors (1).
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