Nano-Projector mit Mini-Linse

Viele kleine Linsen statt einer großen - so lautet das Geheimnis eines nur sechs Millimeter flachen Nano-Projectors, den das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) soeben zum Patent angemeldet hat. Der Prototyp liefert laut seinen Entwicklern zehnmal hellere Bilder als man von einem Gerät dieser Größe erwarten würde und könnte eines Tages zum Beispiel in Smartphones eingesetzt werden.

Auf der „Photonics West“, der in diesem Jahr weltweit bedeutendsten Fachmesse für Optik und Photonik, die vom 26. bis 28. Januar 2010 in San Francisco stattfindet, präsentiert das Jenaer Fraunhofer-Institut einen ultraflachen Array-Projektor und ein mittels Ultrapräzisionsdiamantfräsen hergestelltes Array aus 1300 asphärischen, hochpräzise auf einem ausgedehnten Substrat positionierten Mikrolinsen.

Der Miniaturisierung von Projektoren sind häufig durch die Ausdehnung der verwendeten Lichtquelle Grenzen gesetzt, die eine laterale Mindestgröße des bildgebenden Objektes erfordert. Die Größe bislang entwickelter einkanaliger Pico-Projektoren hängt von dieser Ausdehnung ab. Somit bestimmen die für den Einbau in mobile Geräte zulässigen maximalen Systemabmaße direkt die maximale Helligkeit der Projektion.

Um diese Begrenzung zu überwinden, entwickelten Wissenschaftler des Fraunhofer IOF ein neues Projektionsprinzip, das eine extrem flache Bauweise bei großer Helligkeit der Projektion ermöglicht. Der Projektor besteht aus einer regelmäßigen Anordnung von Einzelprojektoren, deren Projektionen sich auf der Projektionswand zum Gesamtbild vereinen. Die Helligkeit der Projektion ist dann durch die Anzahl der Projektoren bestimmt. Das Projektionsprinzip wurde zum Patent angemeldet. Die Baulänge des ersten Prototyps beträgt 3 mm bei einer lateralen Ausdehnung von 12 Millimetern mal 10 Millimetern. Vergleicht man die Baulänge dieses Array- Projektors mit der Baulänge eines einkanaligen Projektors gleichen Lichtstroms, so ergibt sich eine etwa zehnfache Verringerung.

Farbfilter statt Linse

Herzstück der Entwicklung ist eine Schicht von 45 Mikrolinsen mit Blau-, Grün- und Rotfiltern, kombiniert mit einem LCD-Display mit einer Auflösung von 200 mal 200 Pixel. Das Licht dringt durch sie und wird durch ein Projektionslinsenarray übereinandergelegt. Eine nochmalige Fokussierung durch eine separate große Linse ist dabei überflüssig. Das Prinzip, nach dem auch Insektenaugen funktionieren, ist in der Projektionstechnik neu. "Möglich wurde es erst durch die neueste mikrooptische Forschung und präzisere Wafer-Skale-Technologie", so Andreas Bräuer, Leiter der IOF-Abteilung für Mikrooptische Systeme.

In Sachen Lichtstärke, die bisher ein Manko der Kleinstprojektoren darstellt, liegt die Array-Version bei derzeit elf Lumen und somit gleichauf mit den größeren Einlinsen-Varianten. "30 Lumen oder mehr lassen sich mit derselben Technik herausholen, wenn wir beispielsweise die Farbfilter durch RGB-LEDs ersetzen", so Bräuer. Auch die Endbild-Auflösung ließe sich steigern, falls künftig ein Markt für kleinpixelige LCDs entsteht, von dem die Array-Projektionstechnik profitieren könnte. "HDTV-Qualität werden Pico-Projektoren jedoch nie erreichen - VGA reicht für derzeit geplante Anwendungen völlig", schätzt der Experte.

Eine weitere Neuheit ist ein Array aus 1300 aspärischen Mikrolinsen auf einem Substrat mit einem Durchmesser von 200 mm, die mittels Ultrapräzisionsdiamantfräsen hergestellt wurden. Derartige Mikrolinsenarrays mit herausragender Qualität hinsichtlich Formgenauigkeiten, Position und Mikrorauhigkeit finden Anwendung in mikrooptischen Sensorelementen oder als Master für die kostengünstige Replikation von Mikrolinsenarrays. Das Fraunhofer IOF verfügt über herausragende Expertisen auf dem Gebiet der Ultrapräzisionsbearbeitung mit Diamantwerkzeugen und hat diese neue Fertigungstechnologie entwickelt.

Zur „Photonics West 2010“ werden mehr als 1.100 Aussteller und rund 18.000 Fachbesucher erwartet. Begleitet wird die Messe von einem umfassenden Konferenz- und Seminarprogramm, an dem Wissenschaftler des Fraunhofer IOF und des Instituts für Angewandte Physik der FSU mit mehr als 30 Fachbeiträgen beteiligt sind.