CN107850279A - 用于机动车的投影光学系统和投影单元 - Google Patents

Abstract

一种用于机动车的投影光学系统和投影单元，用于向机动车的环境中、尤其向机动车前的车道上投射激光束，以显示光标志，包括‑用于产生激光束的激光器单元，‑带有至少一个谐振轴线的MEMS镜子，其中，激光束被围绕所述谐振轴线振动的MEMS镜子在垂直于谐振轴线的平面中偏转到转向区域中，所述转向区域通过MEMS镜子的两个最大偏移构成，和‑光学部件，所述光学部件将被转向的激光束的在输入侧由谐振式振动的MEMS镜子产生的角速度图形在输出侧限制为预设的角速度图形，其中，被转向的激光束的输出侧的速度图形包括输入侧的速度图形的局部区域。

Description

用于机动车的投影光学系统和投影单元

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分的用于机动车的投影光学系统和一种按照权利要求9前序部分的相应投影单元。

驾驶员辅助系统、即在驾驶员驾驶时辅助驾驶员的系统目前广泛应用在现代的机动车中。因为用于在道路交通中操控机动车的重要信息的大部分被视觉地接受，所以特别有意义的是在黑暗情况中对驾驶员的辅助。

以光为基础的驾驶员辅助系统应当提高在黄昏或者黑暗中驾驶的安全性和舒适性。目前处于使用中或者开发中的以光为基础的驾驶员辅助系统例如是遮蔽式持续远光或者标记光。在此，遮蔽式持续远光主动照亮封闭村落外的环境，而不使行驶在前面的或者迎面驶来的驾驶员晃眼。以此可以使驾驶员能向前看得更远并且更早地对可能有威胁的对象做出反应。所述标记光将其光点指向潜在的威胁对象，以使驾驶员的注意力对准这些对象。

以光为基础的驾驶员辅助系统的基本构造与机电系统的基本构造一致，在所述机电系统中通过传感技术或装置探测关于车辆和关于环境的信息。从这些信息借助合适的算法进行情况分析，其结果被用于控制车灯或者说车灯模块的执行机构。

专利文献DE 10 2008 022 795 A1公开了一种用于机动车的前车灯，其具有至少一个半导体激光器作为光源和至少一个光调制器，所述光调制器以预定的方式改变由半导体激光器发出的光的发光特性。

在使用相应颜色如R、G和B的三个半导体激光器时，可以借助消色差透镜产生白色的光束，由所述光束可以通过作为光调制器起作用的、围绕两个轴线振荡的镜子产生任意的发光特性例如近光分布。

在未公开的申请DE 10 2014 214 522.8中记载了一种用于借助至少一个在路面上方布置在机动车中的激光光源向机动车环境中的路面的确定区域中投影光标志的方法和投影单元。在此实施下述步骤：

-在车道平面的定义区域中的预设的扫描面中产生预设的颜色和形状的激光光斑，

-激光光斑在两个空间方向沿预定的轨迹扫描，用于照亮车道平面中的扫描面，并且

-开启和关闭激光光斑用于产生光标志，其中，光标志的图像刷新频率超过人眼的闪烁融合界限。

因为投影平面不垂直于投影单元，而是相对于车道存在平角，所以必须使用非线性的垂直扫描速度，以在车道上实现均匀的轨迹曲线。

因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种投影光学系统和一种激光投影单元，通过所述投影光学系统和激光投影单元可以简单地实现非线性的扫描速度。

所述技术问题按照本发明通过一种具有权利要求1的特征的投影光学系统以及通过一种具有权利要求9的特征的激光投影单元解决。本发明的优选设计方案是从属权利要求的内容。

按照本发明的用于机动车的投影光学系统用于向机动车的环境中、尤其向机动车前的车道上投影激光束，以显示光标志，所述投影光学系统包括

-用于产生激光束的激光器单元，

-带有至少一个谐振轴线的MEMS镜子，其中，激光束被围绕所述谐振轴线振动的MEMS镜子在垂直于谐振轴线的平面中偏转至转向区域中，所述转向区域通过MEMS镜子的两个最大偏移或者说振幅确定，和

-光学部件，所述光学部件将转向的激光束的在输入侧由谐振式振动的MEMS镜子引起的角速度图形或者说速度变化在输出侧限制为预设的角速度图形，其中，转向的激光束的输出侧的速度图形包括输入侧的速度图形的局部区域。

MEMS镜子围绕谐振轴线的谐振式振动在转向区域中产生正弦形状的速度图形或者说速度剖面，其中，转向的激光束的角速度在两个反转点是最小的，而在镜偏移最小时、即在振动的中心时，转向的激光束的角速度是最大的。借助所述光学部件可以从转向区域分割出或者滤出带有期望的非线性速度图形的区域。术语“MEMS”在此表示微机电系统。

优选地，转向的激光束的由所述光学部件在输出侧产生的角速度图形包括输入侧的转向区域的转向的激光束的最大角速度和最小角速度之间的第一区域，其中，输入侧的转向区域划分为两个区域，所述两个区域分别通过转向的激光束的最大角速度和最小角速度定义，其中，最大的角速度与MEMS镜子的最小偏移相应，并且最小的角速度与MEMS镜子的两个最大偏移中的一个相应。换句话说，所述转向区域由两个彼此对称的带有彼此倒转的速度分布的局部区域构成，并且通过所述光学部件在输出侧输出两个局部区域的其中一个。

进一步优选的是，在转向的激光束的最大和最小角速度之间的第一区域经过光学部件，而第二区域被遮蔽或者说隐去。在此情况中第二区域完全隐去，这导致激光器的脉冲式使用。

进一步优选的是，第二区域的隐去通过激光器与MEMS镜子同步的消隐扫描进行。以这种方式可以通过激光器与镜子振动同步的相应控制实现光学部件。

优选地，在第一区域中激光器单元大于100％额定功率地运行。通过光源以50％的脉冲式使用，激光器单元可以大于100％光功率地运行，以提升在投影区域中的光功率。

进一步优选的是，所述光学部件具有第一装置，所述第一装置允许转向的激光束的最大和最小角速度之间的第一区域经过，所述光学部件具有第二装置，通过所述第二装置使第二区域在输出侧向第一区域这样地反射，使得两个区域的相同角速度的相应激光束在输出侧一致。通过第二区域向第一区域的反射，其中，第二区域的速度图形通过反射而颠倒并且与第一区域的速度图形一致，得到在整个投影区域、即第一区域上的期望的速度图形。即进行显示频率的翻倍。第一和第二装置优选通过合适的透镜和镜子组合实现。

在进一步优选的实施方式中，所述光学部件具有第一装置，所述第一装置允许转向的激光束的最大和最小角速度之间的第一区域经过，所述光学部件具有第二装置，通过所述第二装置使第二区域向输出侧的第一区域这样地反射，使得两个区域的相同角速度的相应激光束以平行的相互错移延伸。即进行分辨率的翻倍。

优选地，在后一种实施方式中，第一装置通过平面平行的板件以及TIR空气间隙构成，并且第二装置通过反像棱镜构成，其中，第一装置和第二装置通过TIR空气间隙相连。

相较于借助镜子和透镜组合的实现，通过由安装了反像棱镜的平面平行的板件组成的光学系统得到电子装置和光学系统的最小化。缩写“TIR”在此表示全内反射。

按照本发明的用于机动车的投影单元用于向机动车的环境中、尤其向机动车前的车道上投影激光束，以显示光标志，所述投影单元包括之前阐述的投影光学系统。以这种方式可以简单地实现扫描区域中的非线性的速度特性。

进一步优选的是，MEMS镜子的谐振轴线水平地布置，并且转向区域的上部区域的速度图形用于在机动车的环境中显示光标志。通过非线性的速度图形，扫描速度随着增大的转向角而降低，由此在车道上实现接近均匀的光斑轨迹曲线。

下面根据附图阐明本发明的优选实施方式。在附图中：

图1示出按照现有技术的带有谐振的MEMS单镜的投影光学系统的示意图，

图2示出投影的入射点作为转向角的函数，

图3示出投影的均匀轨迹曲线的实现，

图4示出按照本发明的带有谐振MEMS镜的投影光学系统的原理，

图5示出图4的投影光学系统的第一实施方式，和

图6示出图4的投影光学系统的第二实施方式。

图1示出带有谐振的MEMS单镜3的投影光学系统1，其在下文中也称为微型镜。在此，激光器2的激光束5射入到微型镜3上，所述微型镜3围绕激光束5的入射点中的轴线4垂直于标记平面地谐振式振动。通过微型镜3的所述谐振或者说共振式振动，入射的激光束5在图1中向上和向下移位，其中，激光束5的三个转向对于进一步的观察是重要的，即最大地向上偏移的光束9、在中间的偏移最小的光束10以及最大地向下偏移的光束11。明显的是，对于最大地向上偏移的光束9的位置来说，角速度是最小的，因为微型镜3处于其运动的反转点中。在光束9和11中间的、偏移最小的光束10的位置具有最大的角速度，因为谐振的微型镜3在该偏移中以最大的角速度运动。对于向下偏移最大的光束11相应地适用，即该位置具有最小的角速度，因为微型镜3的谐振又处于反转点中。

通过上部的和下部的两个光束9和11定义微型镜3的转向或者说偏转区域6。因为扫描的镜子的谐振轴线具有正弦形状的速度图形，所以谐振的微型镜3的偏转区域6同样具有正弦形状的速度图形。偏转区域6可以划分为上部区域7和下部区域8，其中，上部区域7通过上部的光束9和中间的光束10限定，而下部区域8通过中间的光束10和下部的光束11限定。两个区域6、8的速度图形是彼此相反的，因为从上向下观察在上部光束9的位置中存在最小的角速度，其朝向中间的光束10的位置升高直至最大的角速度，其在下部区域8中朝向下部光束11又减小为最小的角速度。

图2示出在车辆F中使用带有图1所示的投影光学系统1的激光扫描投影单元LP。通过这种激光扫描投影单元LP能够在车辆F周围的、尤其在车辆F之前的定义区域中显示任意的标志形状，所述标志形状可以用作驾驶员和车辆F之间的通信界面以传递信息和警告。在自动驾驶方面，通过光投影向外部的通信是也有意义的，也用于例如向其它交通参与者通信或警告。所述激光投影单元LP的特点是紧凑的尺寸，因此在车辆F中的安装位置能可变地保持。此外，其具有可变的扫描幅度，使得被扫描的投影面可以根据所显示的标志进行调节，以此将投影面保持得很小。

在图2中示出入射角对被照亮的面的影响。因为投影平面即车道FB不垂直于投影单元LP，而是存在相对于车道FB的平角，所以实现一种具有非线性的垂直扫描速度的优选实施方式。若激光束从初始位置转向了角度α，就得到在车道上的路段l₁。而如果激光器从新位置重新转向了角度α，就得到更长的路段l₂。因此，垂直扫描速度随着角度变大而升高，例如在垂直轴线上使用锯齿曲线的情况下。额外地，由于投影面在车道上的梯形轮廓，沿水平方向的扫描速度也变大。这整体上导致像素的较短曝光时间并且导致较低的亮度值。

通过垂直扫描速度的动态适配可以抑制上述效果，如图3所示。在图3的左图中示出在垂直轴线上使用典型的线性速度的情况下、例如在使用锯齿曲线的情况下投影面A的鸟瞰图，其带有表示其性质的扫描轨迹T。这导致在行之间的间距增大。这可以通过智能控制补偿。为此，必须随增大的角度非线性地减小垂直扫描速度v_v，如图3的中间部分所示，从而在车道上实现均匀的轨迹曲线T，如图3的右图所示。

图4示出按照本发明的带有围绕谐振轴线4振动的谐振的MEMS镜子3的投影光学系统1的原理。在此，投影光学系统1在其一般视图中除了激光器2和谐振的微型镜3之外还包括理想化的光学部件12，所述光学部件将微型镜3的整个偏转区域6中的激光束5作为输入信号处理，并且在最简单的实现情况中在理想化的光学部件12的输出端仅输出上部区域7连同其速度分布，所述上部区域由上部的光束9和中间的光束10确定。因此被输出的区域7具有角速度图形，所述角速度图形在上部的光束9的位置中具有最小的角速度，其中，角速度朝向中间的光束10的位置非线性地增大至最大角速度。理想化的光学部件12的作用在此情况中是从两个区域7和8的两个相反的速度图形中仅使得上部区域7的速度图形离开理想化的光学部件12。可以说下部区域8被切掉，这可以以多种方式进行，例如通过吸收或者隐去在微型镜上转向的激光束5，只要其位于下部区域8中。

如参照图3的右图所述，必须随角度的增大而降低垂直扫描速度v_v，以便能在车道上实现均匀的轨迹曲线T。若针对图2的激光投影单元LP的垂直偏转使用谐振的微型镜3的上部偏转区域7的速度图形，则垂直速度随偏转角的增大而降低并且可以在车道上实现近似均匀的轨迹曲线T。

为了例如为实现图3中的均匀轨迹曲线而仅使用上部的转向区域7，在最简单的情况中所述理想化的光学部件12可以如上文已经提到的那样使下部区域8被切掉，因此只有上部区域7能经过理想化的光学部件12并且用作投影区域。这实现了激光器光源2以50％的开启时长的脉冲式使用。在该投影区域7的区域中，可以提高光功率，方法是光源脉冲式地高于100％额定功率地运行。

理想化的光学部件12也可以通过激光束5的适当脉冲式运行产生，方法是激光器2与谐振的微型镜3同步地对于下部区域8被消隐式扫描。

实现方式的另一种可能性在于，激光器2的在微型镜3之后的光分布的下部区域8借助理想化的光学部件12投影到上部区域7中。换句话说，上部区域7无变化地离开理想化的光学部件12，而下部区域8这样投影，使得下部的输入光束11在通过光学部件投影后成像在上部光束9的位置上。以这种方式在整个上部的投影区域7上实现期望的速度图形，这通过被投影的下部区域8′以标志表示，被投影的下部区域8′是通过光学部件12可以说“被反射的”或者转向的下部区域8。换句话说，下部区域8通过光学部件12在通过谐振轴线4和中间光束10定义的平面上反射在上部区域7中。根据光学部件12中的转向光学系统的种类，实现分辨率的双倍或者显示频率的双倍。

图5示出在投影光学系统1中使用的光学部件12的实施方式的第一种可能性，其中，下部区域8在微型镜3之后向上部区域7中投影。在此示例中作为光源2使用极化白光光源，例如RGB激光器2。RGB激光器的光5照射到谐振地围绕轴线4振动的微型镜3上，微型镜3将激光束通过由上部区域7和下部区域8组成的转向区域6转向，其中，两个区域6、7通过光束9、10、11确定。整个转向区域6由透镜单元13采集，所述透镜单元13使得光束9、10和11平行。上部区域6通过平行的光束9和10构成并且照射到复合镜(Rekombinationsspiegel)21上，所述复合镜对于上部区域7的激光束的极化是可透过的。在复合镜21之后，上部区域7的光束照射到透镜单元22上，以便光束发散和投影，由此使区域7的光束加宽地离开光学部件12。

微型镜3的转向区域6的通过光束10和11限定的下部区域8包括带有相应极化的三种颜色组份R、G和B。在第一二色镜14中第一组份例如R组份被滤出并且向下转向。换句话说，第一二色镜14反射R组份并且对于其它组份B和G是可透过的。第二二色镜16例如滤出G组份并且也将该组份向下转向90°。对于B组份由后面的第三二色镜18负责，其设计为对于该组份是反射的并且将其向下转向90°。

在第三二色镜18之后，下部区域的所有组份R、G和B都向下转向90°并且在那里照射到三个另外的二色镜15、17和19上，所述三个另外的二色镜15、17和19将组份R、G和B重新向右转向90°，因此在由镜子15、17和19组成的下部二色镜组之后，下部区域8的激光束的组份R、G和B再次统一并且射入到反像棱镜20中，反像棱镜20将下部区域8的光束再向上发送至复合镜21，使得在复合镜21之后下部区域8投影到上部区域7中，这在用于光束扩宽的透镜单元22之后通过附图标记7和8′表示。为了实现上部区域7与下部区域8在复合镜21上的复合，必须相应地设计下部区域8的极化，从而在复合镜21上进行反射。换句话说，复合镜21对于上部区域7的极化是可透过的并且对于下部区域8的极化是反射性的。为了实现此目的，在二色镜14至19的光路中分别为各组份R、G和B布置λ/2小板23，其将极化转动90°，因此在复合镜21上相应于其设计地存在用于下部区域8的适于反射的极化。

图6示出用于将转向区域6的下部区域8投影到上部区域7中的光学部件12的更简单的变型设计方案。在此，光学部件12通过平行平面的棱镜24和反像棱镜26构成，其中，反像棱镜26这样布置在平行平面的棱镜24的底侧上，使得在平行平面的棱镜24的底侧和反像棱镜26的上侧之间布置有TIR空气间隙25。术语“TIR”在此表示全内反射。

激光器2的激光光束5照射到围绕轴线4振动的谐振的微型镜3上，微型镜3形成转向区域6，所述转向区域6由上部区域7和下部区域8组成。上部区域7射入平行平面的棱镜24，其中，上部的光束9在平行平面的棱镜24中相应地向上转向，而中间的光束10射入TIR空气间隙25并且在其方向上无变化地从光学部件12向前射出。因此图6的光学部件12在射出侧上导致上部区域7的所示加宽。

下部区域8在微型镜3之后入射到反像棱镜26中并且经历转向，所述转向以处于中间光束10下方不远处的“几乎”在中间的光束10′和下部的光束11为例示出。所述“几乎”在中间的光束10′通过反像棱镜26基本上同样在射出侧笔直地偏移，然而相对中间光束10错移了距离27。向下限定下部区域8的下部光束11通过反像棱镜26倾斜地向上投射并且以间距27平行于上部区域7的转向的上部界限光束9延伸。下部区域8因此通过反像棱镜26以颠倒的速度图形作为区域8′投影到上部区域中，然而必须容忍一定的错移27。通过所述由平行平面的棱镜24、TIR空气间隙25和下部的反像棱镜26组成的光学部件12产生的垂直的错移27还可以通过棱镜的横截面、材料的折射率和光学部件12与微型镜3的间距最小化。此外，保留的错移27导致激光器的较短关闭时间，然而该关闭时间小于只用仅仅一半光分布的情况，如作为变型设计方案结合图4所讨论过的那样。

附图标记列表

1 投影光学系统

2 激光器

3 MEMS镜子

4 谐振轴线

5 激光束

6 转向区域

7 上部区域

8 下部区域

8′ 反射的下部区域

9 上部光束

10 中间光束

10′ “几乎”在中间的光束

11 下部光束

12 光学部件

13 透镜

14 二色镜

15 二色镜

16 二色镜

17 二色镜

18 二色镜

19 二色镜

20 反像棱镜

21 复合镜

22 透镜

23 λ/2小板

24 平行平面的板

25 TIR空气间隙

26 反像棱镜

27 错移

LP 激光投影单元

F 车辆

A 投影面/扫描面

T 轨迹

l₁ 投影长度

l₂ 投影长度

α 角

角

v_v 垂直的扫描速度

Claims (10)

1.一种用于机动车(F)的投影光学系统(1)，所述投影光学系统用于将激光束(5)投射到机动车(F)的环境中、尤其是机动车(F)之前的车道(FB)上，以显示光标志，所述投影光学系统带有

用于产生激光束(5)的激光器单元(2)，和

带有至少一个谐振轴线(4)的MEMS镜子(3)，其中，激光束(5)被围绕所述谐振轴线(4)振动的MEMS镜子(3)在垂直于谐振轴线(4)的平面中偏转到转向区域(6)中，所述转向区域通过MEMS镜子(3)的两个最大偏移构成，

其特征在于，

所述投影光学系统(1)具有光学部件(12)，所述光学部件将转向的激光束(5)的在输入侧由谐振式振动的MEMS镜子(3)产生的角速度图形在输出侧限制为预设的角速度图形，其中，转向的激光束(5)的输出侧的速度图形包括输入侧的速度图形的局部区域。

2.按照权利要求1所述的投影光学系统(1)，其特征在于，转向的激光束(5)的由所述光学部件(12)在输出侧产生的角速度图形包括输入侧的转向区域(6)的转向的激光束(5)的最大角速度和最小角速度之间的第一区域(7)，其中，输入侧的转向区域(6)划分为两个区域(7、8)，所述两个区域分别通过转向的激光束(5)的最大角速度和最小角速度定义，其中，最大角速度与MEMS镜子(3)的最小偏移相应，并且最小角速度与MEMS镜子(3)的两个最大偏移中的一个相应。

3.按照权利要求2所述的投影光学系统(1)，其特征在于，转向的激光束(5)的最大角速度和最小角速度之间的第一区域(7)经过光学部件(12)，而第二区域(8)被隐去。

4.按照权利要求3所述的投影光学系统(1)，其特征在于，所述第二区域(8)的隐去通过激光器与MEMS镜子同步的消隐扫描实现。

5.按照权利要求3或4所述的投影光学系统(1)，其特征在于，在第一区域(7)中激光器单元在100％额定功率之上运行。

6.按照权利要求2所述的投影光学系统(1)，其特征在于，所述光学部件(12)具有第一装置(13、21)，所述第一装置允许转向的激光束(5)的最大角速度和最小角速度之间的第一区域(7)经过，所述光学部件具有第二装置(14、15、16、17、18、19、20、21)，通过所述第二装置将第二区域(8)在输出侧这样反射到第一区域(7)中，使得两个区域(7、8)的角速度相同的相应激光束(4)在输出侧一致。

7.按照权利要求2所述的投影光学系统(1)，其特征在于，所述光学部件(12)具有第一装置(24、25)，所述第一装置允许转向的激光束(5)的最大角速度和最小角速度之间的第一区域(7)经过，所述光学部件具有第二装置(26)，通过所述第二装置将第二区域(8)在输出侧这样地反射，使得两个区域(7、8)的角速度相同的相应激光束(4)相互以平行的错移(27)延伸。

8.按照权利要求7所述的投影光学系统(1)，其特征在于，所述第一装置(24、25)通过平面平行的板件(24)以及TIR空气间隙(25)构成，并且所述第二装置通过反像棱镜(26)构成，其中，第一装置(24、25)和第二装置(26)通过TIR空气间隙相连。

9.一种用于机动车(F)的投影单元(LP)，所述投影单元用于将激光束(5)投射到机动车的环境中、尤其是机动车(F)之前的车道(FB)上，以显示光标志，其特征在于，

所述投影单元(LP)具有按照上述权利要求之一所述的投影光学系统(12)。

10.按照权利要求8所述的投影单元，其特征在于，MEMS镜子的谐振轴线(4)水平地布置，并且转向区域(6)的上部区域(7)的速度图形用于在机动车的环境中显示光标志。