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Die Erfindung betrifft ein Mikrolinsenarray für einen Bildprojektor, einen Bildprojektor mit einem Mikrolinsenarray, eine Mikrolinsenarrayanordnung und ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrolinsenarrays.
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Für kleine Projektoren, die als Stapel (Stack) entlang der optischen Achse gebaut werden, wird - speziell im Automobilbereich - in den letzten Jahren ein Bildprojektor mit einem Mikrolinsenarray (Micro Lens Array - MLA) verwendet. Dieser Projektor umfasst typischerweise eine Kollimationsoptik, die kollimiertes Licht mit bestimmter kleiner Restdivergenz erzeugt, einen Optikstack mit einem Beleuchtungslinsenarray, eine Diaebene (hergestellt aus einer Chrom-Schicht), in der die Bildinformation durch Öffnungen gegeben ist, ein Substrat in der Dicke der Brennweite (hergestellt aus Glas), und ein Projektionslinsenarray, das häufig identisch zum Beleuchtungslinsenarray ist.
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Daneben umfasst der Bildprojektor eine Elektronik, ein Gehäuse und eine Abschlussscheibe. Hierdurch wird eine Mehrkanaloptik mit geringer Ausdehnung erzeugt, in der jeder Kanal das ganze Bild mit hoher Tiefenschärfe projizieren kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 024 894 A1 betrifft ein Projektionsdisplay mit einer Lichtquelle sowie regelmäßig angeordneten optischen Kanälen. Die optischen Kanäle enthalten eine Feldlinse, der jeweils eine abzubildende Objektstruktur sowie eine Projektionslinse zugeordnet sind. Der Abstand der Projektionslinsen zu den zugeordneten Objektstrukturen entspricht der Brennweite der Projektionslinsen, während der Abstand der abzubildenden Objektstrukturen zu der zugeordneten Feldlinse derart gewählt wird, dass eine Köhlersche Beleuchtung der zugeordneten Projektionslinse ermöglicht wird. Es kommt dann zu einer Überlagerung der einzelnen Projektionen zum Gesamtbild.
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Das erfindungsgemäße Mikrolinsenarray für einen Bildprojektor mit einem Träger und einer matrixförmigen Anordnung einer Vielzahl von Linsen, die auf dem Träger angeordnet sind, ermöglicht den technischen Vorteil, dass sich das Mikrolinsenarray mit einem kostengünstigeren Herstellverfahren gegenüber der teuren Polymer-on-Glass-Technologie herstellen lässt. Zudem wird eine größere Auswahl an Materialien ermöglicht, vor allem für den Träger. Statt polierten Glaswafern sind grundsätzlich alle optischen Spritzgussmaterialien verwendbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Mikrolinsenarrays sind der Träger und die Linsen aus dem gleichen Material hergestellt. Dadurch wird ermöglicht, dass sich die Herstellung des Mikrolinsenarrays weiter vereinfacht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Mikrolinsenarrays weist der Träger eine Dicke zwischen 400 µm und 1200 µm, bevorzugt zwischen 500 µm und 700 µm, auf. Dadurch wird eine Herstellung des Mikrolinsenarrays mittels Spritzguss- oder Press-Verfahren ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Mikrolinsenarrays sind die matrixförmige Anordnung der Vielzahl von Linsen und der Träger einstückig ausgebildet. Dadurch kann das Mikrolinsenarray mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Mikrolinsenarrays ist das Mikrolinsenarray ein thermoplastisches Polymer. Dadurch kann das Mikrolinsenarray ebenfalls mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Mikrolinsenarrays umfasst das thermoplastische Polymer ein Polymethylmethacrylat (PMMA), Cyclo-Olefin-Polymer (COP), Polycarbonat (PC) oder optisches Silikon. Dadurch werden besonders geeignete Materialien für die Herstellung des Mikrolinsenarrays verwendet.
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Die erfindungsgemäße Mikrolinsenarrayanordnung mit einem ersten Mikrolinsenarray auf einer Beleuchtungsseite und einem zweiten Mikrolinsenarray auf einer Projektionsseite kann als Bauteil in einem Bildprojektor eingesetzt werden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrolinsenarray kann eine Diaebene angeordnet sein, die speziell gestaltete Öffnungen zum Hindurchtreten von Licht umfasst. Dadurch wird ein weiter vereinfachter Aufbau erhalten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Mikrolinsenarrayanordnung weist der erste Träger eine Dicke im Bereich von 400 µm bis 1200 µm und der zweite Träger einer Dicke im Bereich von 2 mm bis 5 mm auf.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Mikrolinsenarrayanordnung weisen die Linsen des ersten Mikrolinsenarrays auf der Beleuchtungsseite eine größere Brennweite auf als die Linsen des zweiten Mikrolinsenarrays auf der Projektionsseite. Dadurch werden eine scharfe Projektion und eine hohe Tiefenschärfe erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Mikrolinsenarrayanordnung weisen die Linsen auf der Beleuchtungsseite eine Brennweite im Material auf, die gleich Summe der Dicke des Trägers des ersten Mikrolinsenarrays und des Trägers des zweiten Mikrolinsenarrays ist. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der Mikrolinsenarrayanordnung erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Mikrolinsenarrayanordnung ist zwischen dem ersten Mikrolinsenarray und dem zweiten Mikrolinsenarray eine Diaebene angeordnet.
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Der erfindungsmäße Bildprojektor mit der Mikrolinsenarrayanordnung ermöglicht die gleichen technischen Vorteile wie das Mikrolinsenarray.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen eines Mikrolinsenarrays, mit dem Schritt eines Spritzgießen oder Heißprägens des Mikrolinsenarrays. Durch das Verfahren werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Mikrolinsenarray erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Bildprojektors mit einem Mikrolinsenarray;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht des Mikrolinsenarrays; und
- 3 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Mikrolinsenarrayanordnung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildprojektors 200 mit einer Mikrolinsenarrayanordnung 300 (MLA-Projektor). Die Mikrolinsenarrayanordnung 300 umfasst ein erstes Mikrolinsenarray 100-A auf einer Beleuchtungsseite 107-A und ein zweites Mikrolinsenarray 100-B auf einer Projektionsseite 107-B.
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Der Bildprojektor 200 projiziert ein statisches, nicht-veränderliches Bild 109 auf einen Schirm, wie beispielsweise eine Straße oder eine Wand. Dabei soll ein möglichst großer Lichtstrom (Lumen) mittels eines möglichst kleinen Bildprojektors 200 erzeugt werden.
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Der Bildprojektor 200 umfasst eine Lichtquelle 113 und eine Kollimationslinse 115 zum Erzeugen paralleler Lichtstrahlen. Trotzdem sollten die räumlichen Abmessungen des Bildprojektors 200, insbesondere entlang der Achse der Lichtausbreitungsrichtung, und die Anzahl der Bauteile so klein wie möglich gehalten werden. Dies ist insbesondere bei Bauraumeinschränkungen für Leuchten im Automobilbereich von Vorteil. Zu diesem Zweck ist der Bildprojektor 200 als ein Multiapertur-Ansatz ausgebildet, bei dem miniaturisierte Projektoren (Kanäle) mit jeweils getrennten Linsen 103-A und 103-B parallel angeordnet werden, so dass ein miniaturisierter Aufbau in der Dicke erreicht wird.
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Zudem kann mit einer geringen räumlichen Ausdehnung der Linsen 103-A und 103-B eine hohe Tiefenschärfe erzeugt werden. Dies ermöglicht eine scharfe Abbildung des Bildes 109 auf einem geneigten Schirm mit unterschiedlichen Projektionsabständen, ohne die Objekt- und Linsenebenen zu kippen (Scheimpflug-Bedingung).
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In diesem Ausführungsbeispiel werden für die Linsen 103-A auf der Beleuchtungsseite 107-A und die Linsen 103-B auf der Projektionsseite 107-B die gleichen Mikrolinsenarrays 100-A und 100-B mit gleicher Brennweite verwendet. Die Brennweite ist dabei so gewählt, dass der jeweilige Fokus auf der gegenüberliegenden Linse 103-A und 103-B liegt (BL <-> PL). Daraus ergibt sich, dass für eine gute Ausleuchtung bei passender Kollimation möglichst kein Abstand zwischen den Linsen 103-A auf der Beleuchtungsseite 107-A und der Diaebene 111 erwünscht ist.
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Die Linsen 103-A, 103-B werden mittels Spritzgussprozess hergestellt. Die Diaebene 111 ist aus einer Chrom-Schicht hergestellt, in der die Bildinformation durch Öffnungen gegeben ist.
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Der Träger 105-A wird gemeinsam mit den Linsen 103-A hergestellt und auf der Beleuchtungsseite 101-A angeordnet. Dieser weist typischerweise eine Dicke zwischen 400 µm und 800 µm auf, in diesem Ausführungsbeispiel 550 µm. Der Träger 105-A oder 105-B kann aus Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Cyclo-Olefin-Polymer (COP) gebildet sein. Dies hat den technischen Vorteil, dass diese Materialien eine geringe Dispersion aufweisen. Dadurch lassen sich Farbfehler und Farbränder bei einer polychromatischen Weißprojektion verhindern. Der Träger 105-A und 105-B kann aber auch aus Polycarbonat oder optischem Silikon hergestellt sein. Der Träger 105-A und 105-B kann eine Länge zwischen 5 mm und 50 mm und eine Breite zwischen 5 mm und 50 mm aufweisen, bevorzugt 10 mm mal 10 mm. Der Träger 105-A weist beispielsweise eine Dicke zwischen 400 µm und 1200 µm auf und der Träger 105-B weist eine Dicke zwischen 2 mm und 5 mm auf.
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Die Linsen 103-A und 103-B auf dem Träger 105-A und 105-B weisen beispielsweise einen gegenseitigen Abstand von Linsenmitte zu Linsenmitte von 500 µm bis 1.000 µm auf, in diesem Ausführungsbeispiel 800 µm. Die Linsen 103-A, 103-B sind hexagonal auf dem Träger 105-A und 105-B angeordnet und weisen eine Brennweite zwischen 1,5 mm und 4 mm auf, in diesem Ausführungsbeispiel 2 mm. Die Linsen 103-A, 103-B können beispielsweise aus dem gleichen oder einem unterschiedlichen Material wie der Träger 105-A oder 105-B gebildet sein. Auf dem Träger 105-A und 105-B in einer Abmessung von 10 mm mal 10 mm sind beispielsweise 12 mal 12 Linsen 103-A, 103-B angeordnet. Die Brennweite der Linsen 103-A, 103-B ist beispielsweise größer als die Dicke des Trägers 105.
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Durch die ausreichende Dicke dieses Trägers 105-A und 105-B wird ermöglicht, dass das Mikrolinsenarray 100-A und 100-B mittels eines Spritzguss- oder Pressverfahrens hergestellt werden kann. Die Brennweite der Linsen 103-A auf der Beleuchtungsseite 107-1 kann leicht erhöht werden, um eine möglichst gute Ausleuchtung der Diastrukturen (Bildinformationen) in der Diaebene 111 und der zugehörigen Linsen 103-B auf der Projektionsseite 107-B zu erhalten. Der Träger 105-A und 105-B und die jeweiligen Linsen 103-A und 105-B jeweils eines Mikrolinsenarrays 100A und 100-B können aus dem gleichen Material in einem Stück hergestellt sein.
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In diesem Ausführungsbeispiel werden unterschiedliche Brennweiten der Linsen 103-A und 103-B auf der Beleuchtungs- und Projektionsseite 107-A und 107-B verwendet, so dass die Brennebene der Linsen 103-A auf der Beleuchtungsseite 107-A genau in den Linsen 103-B der Projektionsseite 107-B liegt. Dies ergibt einen maximalen Akzeptanzwinkel der Restdivergenz der Kollimation. Die Brennweite der Linsen 103-B auf der Projektionsseite 107-B ist so gewählt, dass die Brennebene in der Diaebene 111 liegt. Dies ermöglicht eine scharfe Projektion mit den gleichen Vorteilen, wie beispielsweise eine hohe Tiefenschärfe zur Projektion auf einer schiefen Ebene.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Mikrolinsenarrays 100-A.. Die Schicht des Trägers 105-A weist eine Dicke von 520 µm auf. Durch die Dicke des Trägers 105-A kann das Mikrolinsenarray 100-A mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellt werden.
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Gegenüberliegend befindet sich eine Klebeschicht 119 (Bonding Design) mit einer Dicke von 40 µm. Mittels der Klebeschicht 119 wird die Diaebene 111 befestigt. Dadurch ergibt sich ein Gesamtabstand vom Scheitel der Linse 103-A bis zur Diaebene 111 von 670 µm. Das Mikrolinsenarray 100-B auf der Projektionsseite 107-B ist entsprechend zum Mikrolinsenarray 100-A auf der Beleuchtungsseite 107-A aufgebaut, außer dass dieses einen Träger 107-B mit größerer Dicke aufweisen kann.
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Durch den alternativen integrierten Aufbau des Mikrolinsenarrays 100-A kann dieses mittels eines kostengünstigeren und aufwandsärmeren Herstellungsverfahrens hergestellt werden, wie beispielsweise einem Spritzgussverfahren. Beim Spritzgießen des Mikrolinsenarrays 100-A wird die matrixförmige Anordnung 101-A der Vielzahl von Linsen 103-A und der Träger 105-A aus einem thermoplastischen Polymer gegossen.
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3 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Mikrolinsenarrayanordnung 300. In Schritt S101 wird ein erstes Mikrolinsenarray 100-A mit einer matrixförmigen Anordnung 101-A mit einer Vielzahl von Linsen 103-A aus einem thermoplastischen Polymer spritzgussgeformt, die auf dem Träger 105-A angeordnet sind. Das Mikrolinsenarray 100-A kann auch aus dem Träger 105-A mittels Heißprägen (Embossing) hergestellt werden. Dabei werden die Linsen 103-A auf der Oberfläche des Trägers 105-A mittels eines Prägestempels erzeugt.
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In Schritt S102 wird ein zweites Mikrolinsenarray 100-B mit einer matrixförmigen Anordnung 101-B mit einer Vielzahl von Linsen 103-B aus einem thermoplastischen Polymer spritzgussgeformt, die auf einem Träger 105-B angeordnet sind. Auch das zweite Mikrolinsenarray 100-B kann mittels Heißprägen hergestellt werden.
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In Schritt S103 wird zwischen dem ersten Mikrolinsenarray 100-A und dem zweiten Mikrolinsenarray 100-B die Diaebene 111 angeordnet, in der die Bildinformation durch speziell gestaltete Öffnungen vorliegt. In Schritt S104 werden das erste Mikrolinsenarray 100-A und das zweite Mikrolinsenarray 100-B miteinander verbunden, während die Diaebene 111 dazwischen angeordnet ist. So lässt sich auf einfache Weise eine Mikrolinsenarrayanordnung 300 erzeugen, die in den Bildprojektor 200 eingesetzt werden kann. Diese Fertigungsverfahren ermöglichen zudem eine größere Auswahl von Materialien für die Linsen 103-A und 103-B und den Träger 105-A und 105-B. Dies hat optische Vorteile, aber auch bezüglich der Fertigungskosten.
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Der technische Vorteil der Erfindung liegt in dem kostengünstigeren Herstellverfahren gegenüber der teuren Polymer on Glass-Technologie. Dies ermöglicht auch eine größere Auswahl an Materialien, vor allem für den Träger 105-A und 105-B. Statt teuren polierten Glaswafern können grundsätzlich alle optischen Spritzgussmaterialien verwendet werden.
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Die beschriebene Mirkolinsenarrayanordnung 300 eignet sich aufgrund der Abmessungen insbesondere für den Automobilbereich, beispielsweise als Leuchte für einen Lichtteppich, als Symbolprojektion in Hotels, als Sicherheitsprojektion in Flugzeigen, als Effektbeleuchtung, als Guidance-Projektion oder als Gefahrenbereichsprojektion in Gebäuden.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009024894 A1 [0004]