CN110710201A - 用于激光投影单元的运行方法和控制单元以及激光投影单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光投影单元(2)和尤其飞点型激光投影单元的运行方法，其具有如下步骤：(A)尤其以视频文件形式提供数据组，其代表待投影的且由图像元素、尤其像素所构成的图像或部分图像的序列；(B)在对图像或部分图像进行投影之前，在图像元素的亮度方面检查数据组，确定图像元素的最大亮度以及图像元素相比于所确定的最大亮度的相对亮度；(C)通过操控照明单元(20)对数据流的图像或部分图像进行投影，其中，根据相对亮度如此操控照明单元(20)的激光光源(21，22，23)，使得对于具有最大相对亮度的待投影的图像元素的激光光源(21，22，23)的亮度在总和上相应于预确定的最大绝对亮度或处在低于预确定的最大绝对亮度的安全区间中。

Description

用于激光投影单元的运行方法和控制单元以及激光投影单元

技术领域

本发明涉及用于激光投影单元的一种运行方法和一种控制单元，本发明还涉及一种激光投影单元、尤其飞点型(英语Flying-Spot-Typ)的激光投影单元。

发明内容

在许多技术上的应用中使用激光投影器。在这种激光投影器中，尤其基于视频文件等形式的数据组(Datensatz)并进行呈现(interpretieren)，以便通过由数据组所代表的图像、部分图像或帧借助具有多个激光光源的照明单元来投影相应的图像或部分图像。由于使用激光光源，因此需要考虑尤其涉及眼睛安全的特定的安全方面。在此，如此调节各个激光光源的亮度，使得不超过确定的亮度极限值，从而不会在观察者处造成视网膜上的损害。

在此，一直将全白色地照亮的图像假定地用作上限。在应用情况中通常不使用白色全图像，因此图像序列在其亮度方面总体上显得调整得太低。

相比之下，具有权利要求1的特征的根据本发明的用于激光投影单元的运行方法具有如下优点：能够提高待投影图像的亮度，而不会危害观察者的眼睛安全。根据本发明，借助权利要求1的特征地通过提供用于激光投影单元和尤其飞点型的激光投影单元的运行方法来实现该优点，该运行方法具有如下步骤：

(A)尤其以视频文件的形式提供如下数据组：该数据组表示待投影的且由图像元素(尤其像素)构成的图像或部分图像的序列；

(B)在对图像或部分图像进行投影之前，在图像元素的亮度方面对数据组进行检查(Untersuchen)，确定图像元素中的最大亮度以及图像元素相比于所确定的最大亮度的相对亮度；

(C)通过操控照明单元对数据流的图像或部分图像进行投影。

在此，根据相对亮度如此操控激光投影单元的激光光源或激光投影单元的照明单元的激光光源，使得激光光源对于具有最大相对亮度的待投影的图像元素的亮度在总和上相应于预确定的最大绝对亮度，或者处在低于该预确定的最大绝对亮度的安全区间内。这意味着，在运行中尤其对于具有相比于其他图像元素或像素最大相对亮度的图像元素或像素，以如下功率运行相应的激光光源：该功率在总和上(即在对于该像素或图像元素的所有激光光源上相加)相应于最大允许的亮度或光强度或光功率，其中例如在观察者处(更确切地说尤其在照射到人眼中的情况下)仍不会造成损害。

从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

到目前为止，仅涉及最大照亮的图像元素。如果对所有像素与最大亮度建立关联，则能够实现进一步提高图像亮度。

在此，根据本发明，尤其设置以分别所基于的激光光源的如下亮度、强度或光功率产生所有的图像元素或像素：所述亮度、强度或光功率在对于相应的图像元素或像素的全部激光光源上的总和不超过预确定的最大绝对亮度、强度或光功率，并且尤其处在低于预确定的最大绝对亮度、强度或光功率的安全区间中。

在根据本发明的运行方法的一种优选的扩展方案中，这通过如下方法实现：根据相对亮度如此操控投影单元的激光光源或投影单元的照明单元的激光光源，使得待投影的图像元素或像素的激光光源的相应亮度在用于相应的图像元素或像素的所有光源的总和上与预确定的最大绝对亮度成比例，该比例分别相应于所确定的相对亮度。该措施在数据组中的图像或部分图像的图像元素或像素的彼此的相对亮度与进行投影的图像或部分图像的相应的图像元素或像素之间近似建立成比例的映射。

代替这种成比例的方法，也可以例如以单调或严格单调的不基于比例的方式进行其他类型的分配。以这种方式可以——必要时以光谱相关的方式——实施图像匹配。

在此，也可以考虑生物效果或生理效果的方面——尤其结合不同的颜色、相邻颜色，所述相邻颜色定义为所给定的图像元素或像素的相邻的图像元素或像素的颜色。

如以上已提及地那样，可以设想视频文件作为数据组。替代地或附加地，也可以设想视频源(例如摄像机等)的实时数据流。

可以以不同的方式分别进行对数据组的检查。

在根据本发明的运行方法的一种有利的扩展方案中，关于数据组的一个或多个区段或者在整个数据组上预先地执行检查的步骤(B)。这种区段可以由如下场景组成：即环境相关的

或者在时间上被(必要时可变地)预定义。预先分析具有如下优点：在投影开始之前就存在对于整个图像材料的检查结果。因此可以特别合适地执行对图像的整体亮度的匹配。在对数据组进行区段式地检查的情况下，例如可以在数据流期间对图像序列的亮度持续地并且尤其以观察者几乎察觉不到的方式进行逐渐地匹配(即尤其没有亮度跳跃)，使得图像场景总体上显得更亮。在此，在某些情况下可以动用局部最大亮度——即所基于的数据组的相应区段中的最大亮度。

替代地或附加地，在根据本发明的运行方法的另一实施方式中可以设想如下：关于数据组的一个或多个区段或者在整个数据组上——尤其根据数据组上的滑动窗口(gleitendes Fenster)的类型——实时地执行检查的步骤(B)。在这种处理方式中，数据组的区段不被预先地确定，而是在数据流中、尤其在即将投影前产生。通过这种方法，也可以在没有亮度跳跃的情况下连续地匹配图像或部分图像的亮度。

在根据本发明的运行方法的另一种有利的扩展方案中，可以分别考虑关于所投影的光谱的不同投影机理。在此尤其设置如下：关于相应的图像元素的不同光谱分量——尤其关于RGB颜色——单独地或组合地执行检查的步骤(B)，其中，自身的预确定的最大亮度以每个光谱分量为基础。在此，必要时也可以考虑如下方面：激光的相应的光谱分量在人眼中的生理上的损害效果。

可以采取不同的措施，以便基于检查结果来具体地影响光源单元和激光光源的运行特性。

因此，在根据本发明的运行方法的另一种实施方式中设置如下：在检查的步骤(B)中产生并提供用于操控照明单元的激光光源的控制数据——尤其以集成形式的数据组和/或根据音轨或字幕轨道的类型一对一地分配给图像和图像元素。通过这些措施，得出特别紧凑地表示光源单元的激光光源的强度或亮丽度(Herrlichkeit)匹配于分别所基于的数据组。

投影结果和潜在风险不仅取决于数据组中的图像或部分图像的各个图像元素的相对强度。而是也考虑光源单元的和投影元素的实际物理参数。

为了可以考虑这些方面，按照根据本发明的方法的另一扩展方案，在检查的步骤(B)中，照明单元以及尤其激光光源的参数(尤其波长范围、激光等级、最大激光功率、光谱功率分布和/或脉冲持续时间)和/或投影单元的参数(尤其扫描速度)用作基础。

当按照根据本发明的运行方法的另一实施方式时，为了实现健康方面和尤其有利的法定规定，在检查的步骤(B)中基于如下标准：单脉冲标准，其中单脉冲的功率不允许超过可接受的辐射

的预确定的极限值；平均值标准，其中脉冲序列在给定的时间间隔内的平均功率不允许超过可接受的辐射在该时间间隔内的预确定的极限值；和/或相加性标准

其中脉冲特定的能量不允许低于可供单脉冲使用的辐射的预给定的极限值乘以校正因子。

通过如下方式构造根据本发明的运行方法的特别节省时间的构型：在检查的步骤(B)中，基于并使用暂停模式、快进模式和/或快退模式的运行时间间隔。由此，使用如下时间间隔：在该时间间隔中要么不使用所基于的硬件，要么以一种所基于的图像材料总归要被扫描的方式使用所基于的硬件。

本发明还涉及一种用于激光投影单元并且尤其用于飞点型的激光投影单元的控制单元，该控制单元设置用于实施根据本发明的运行方法。

此外，根据本发明，激光投影单元和尤其飞点型的激光投影单元以具有多个激光源的照明单元、投影单元和用于控制照明单元的控制单元和/或投影单元来构造，其中，控制单元根据本发明来构造。

附图说明

将参考附图详细地描述本发明的实施方式。

图1示出激光投影系统中的根据本发明的激光投影单元的一种实施方式的示意图；

图2以方框图的形式示出用于实施根据本发明的运行方法的根据本发明的控制单元的一种构型方式。

具体实施方式

接下来参考图1和图2详细地描述本发明的实施例和技术背景。借助相同的附图标记来表示相同且作用等效的元件和组件以及相同或作用等效的元件和组件。在其出现的每种情况下，不再次给出所标记的元件和组件的详细描述。

在不脱离本发明的核心的情况下，可以将所示出的特征和其他特性以任意的形式彼此隔离和任意地彼此组合。

图1示出激光投影系统1中的根据本发明的激光投影单元2的一种实施方式的示意图。

根据图1，激光投影系统1的根据本发明的激光投影单元2根据核心由光源单元20、投影单元30以及控制单元10组成，该光源单元借助第一激光光源21、第二激光光源22、第三激光光源23(例如分别以激光二极管的形式)来产生初级光，该控制单元用于对光源单元20和投影单元30进行控制。

投影单元30用于将光源单元20的初级光对准到显示单元40上，该初级光通过具有第一至第三偏转镜24-1、24-2、24-3的偏转光学器件24来输送。为此，在根据图1的实施方式中，投影单元30具有能够在两个维度上枢转的扫描镜31，该扫描镜能够如此运动，使得该扫瞄镜逐行地扫描显示单元40的显示面。也可以设想其他的扫描模式。

对投影单元30和尤其扫描镜31的运动的控制与对光源单元20和该光源单元的第一至第三光源20、22、23的控制相关联地进行。

为了对投影单元30进行控制，设有信号产生和控制单元32，该信号产生和控制单元一方面通过控制和检测线路32-3与用于投影单元30且尤其用于扫描镜31的驱动器33连接，而另一方面通过另一控制和检测线路32-4与位置和方向确定单元连接。驱动器33用于对扫描镜31进行实际操控，对此可以通过位置和方向确定单元34与三个空间方向相关地且尤其与显示单元40的显示面相关地求取关于镜31的位置和/或方向的反馈。

通过信号发生和控制单元32的操控或反馈经由控制和检测线路32-1和32-2到达所基于的分析处理和控制单元50。

在中间连接有驱动器(例如激光驱动器)的情况下——即经由控制和检测线路20-1和25-2——通过作为根据本发明的控制单元10的一部分的分析处理和控制单元50对照明单元20进行操控。

在根据本发明的激光投影单元2的运行中，经由输入连接端71来输送图像源或视频源70中的数据流。图像源或视频源70可以是摄像机设备、回放设备或存储器。在根据本发明的运行方法的一种实施方式的基础上，通过分析处理控制单元50、在那里尤其通过视频和信号处理单元51来分析处理经由输入连接端71输送给控制单元10的数据流。

在通过根据本发明的控制单元10的分析处理和控制单元50的视频和信号处理单元51的分析处理的结果中，在考虑观察者的眼睛安全的情况下，借助显示单元40上的相应的根据内容匹配的亮度分布对光源单元20和投影单元30进行组合式操控。

图2以方框图示出一种用于实施根据本发明的运行方法的根据本发明的控制单元10的构型方式，其中，分析处理和控制单元50作为该控制单元的一部分而设有相应的视频和信号处理单元51。

通过输入连接端71来输送数据流，该数据流表示图像或部分图像的序列，并且该数据流尤其可以根据视频文件的类型来构造。

通过控制和检测线路25-2可以将与光源单元20和光源21、22、23的相关的运行参数传输到视频和信号处理单元，该视频和信号处理单元基于运行方法并且尤其基于关于图像元素的亮度的数据组的检查。这些数据可能涉及相应的激光级别和/或光谱相关的性能参数。

通过控制检测线路32-2，可以将与投影单元30的结构和运行有关的参数传输到视频和信号处理单元51，以用作处理的基础。这种参数可以涉及例如扫查或扫描参数(Abtast-oder Scanparameter)和其他投影参数。

然后基于根据本发明的控制单元10的视频和信号处理单元51中的处理和分析处理对光源单元20和/或投影单元30进行相应的且内容相关的操控，更确切地说通过控制检测线路25-1或32-1促成(vermitteln)。

根据以下说明进一步阐述本发明的这些和其他的特征和特性：

本发明尤其还涉及如下基于激光的投影器：将该投影器理解为激光投影单元2、优选飞点型的微型或微微型投影器，该投影器在使用对激光功率的自适应的图像内容相关的匹配下、优选地在考虑眼睛安全极限值的情况下具有提高的亮度，本发明还涉及用于这种投影器2的运行控制方法和控制单元。

对于目前基于激光的飞点投影器(其例如具有根据图1的结构)，在如下假设下确定允许的激光功率：完全照亮的图像在任何时间作为白色的全图像存在。在此假设，每个像素在任何时刻都被以全功率照射。

在此，激光光源21、22、23的和尤其激光二极管的功率受到在激光安全标准IEC60825-1(德国DIN EN 60825-1，2015年7月)中预给定的极限值的限制，由此投影器的图像亮度也受到限制。在该标准中预给定，检查眼睛至可发光源的从10cm至无穷远的所有间距，在此，考虑眼睛的所有视力调节状态并且将以下三种脉冲标准应用于所求取的脉冲模式：

-单脉冲标准：单脉冲不允许超过可接受的辐射(也称为GZS)的极限值；

-平均标准：时间T上的脉冲序列的平均功率不允许超过GZS(T)；

-相加性标准：每个脉冲的能量不允许超过对于单脉冲的GZS乘以校正因子C5。

本发明的方案在于，预先地扫描或遍历扫描(durchscannen)当前的图像或视频文件一次，以便求取实际的图像照明。这意味着，可以将激光保护规则应用于实际上待实现的相应的像素照射。因此可以实现更高的功率，因为在实际中并不总是显示白色的全图像。

本发明的核心方面是在考虑当前生效的激光安全标准的情况下，为了最佳的或最大的图像亮度而对激光投影器2的和尤其飞点投影器2的激光光源21、22、23进行自适应且图像内容相关的功率调节。

由此可以实现：不通过潜在的最坏情况(Worst-Case)——例如白色的全图像、在边缘处的瞳孔位置——来限制允许功率的边界，而是使用实际的当前图像内容作为用于计算光源21、22、23的亮度的基础。

如果只有图像内容被显示在图像中心——即图像边缘是黑色的，则可以实现更亮的图像。

这产生如下优点：

-在遵守安全标准的情况下，可以实现具有更亮的图像的激光投影器2；

-最大亮度的计算不仅可以考虑图像内容、而且可以考虑激光投影器参数；

-如果仅通过这些颜色代表像素，则通过在没有单个激光源21、22、23的上限限制(Deckelung)的情况下的自适应的功率重新分布，每个激光源21、22、23可以单独地输出允许的功率；

-借助相应的算法可以实现部分图像优化；

-可以以简单且可靠的方式(例如在软件方面)考虑新的标准开发，而无需改变硬件；

-可以以不同的运行模式来运行根据本发明的激光投影器2，例如以对于亮的图像的激光等级2或者以对于“儿童安全”产品的激光等级1。

图2在系统构造的意义内或也在算法基础的意义内示意性地示出本发明的核心方面，其考虑了对于图像中每个可能的瞳孔位置、可能的脉冲序列(Pulszüge)或照射场景。

这例如类似于滑动的平均值的原理地执行。因此，定义一个固定宽度的观察窗口(或者相应于用于脉冲源21、22、23的激光保护规则的多个子时间窗口，该激光保护规则要求通过多个不同的时间窗口对脉冲进行观察和取平均值)，该观察窗口对于每个像素并且因此对于每个时刻确定最大允许的功率/能量。然后，通过当前的视频文件使该观察窗口“移位”一次。在此，时间窗口必须包含单脉冲之间直至100秒(对于激光等级1)的最大观察时间段的所有子时间窗口。在此，对于每个时间窗口对所有三个脉冲标准(参见IEC 60825-1，进行扫查或扫描的激光作为脉冲激光)进行分析处理。这可以根据计算能力实时地实现或者对于视频执行一次，以便在附加的运行文件中或作为视频文件中的数据段(例如根据字幕轨道的类型)将结果提供给用户。

附加地，该方法还提供了如下可能性：可选地确定等级1或等级2的允许功率，以便例如在儿童使用的情况下确保更强的保护。

如果投影器2已经相应地获得结构上的安全措施，等级3(R或B)的设置也是可能的。这例如可以是用于移动电话的安全盒，该安全盒确保最小间距并且因此限制眼睛可能采取的最危险位置(英语most hazardous distance，参见IEC 60825-1)。此外，可以以相同的目的来设置与间距传感器的耦合。

在此，分析处理需要脉冲长度和脉冲的时间上的出现作为输入值。输出值是在时间的变化过程中对于每个标准和每个像素的允许功率的极限值。然后可以选择：图像应该尽可能地始终亮度相同、还是在每个时刻使用最大功率。同样可以选择：应该将具有较低潜在危险的图像的中心的像素显示得更亮还是向下调节，以实现更均匀的图像亮度。

此外，可以如此校正图像材料的颜色值，使得颜色混合包含如下波长的尽可能高的分量：所述波长在V(λ)曲线中处于有利——即由低功率产生高亮度。

在通过智能图像分析处理来确定对于每个颜色的允许功率之后，也可能出现仅由激光源21、22、23中的一个激光源照射作为图像元素的像素的情况。因此，所基于的激光投影系统2必须能够使每个光源21、22、23中的最大允许功率单独地可供使用。在此，在所有三个光源21、22、23(RGB)分别以发出的最大允许功率同时地运行的情况下，可以使用总共三倍的最大允许功率。在此，根据本发明，总体上总是共同地或以对于给定的图像元素或像素的所有激光光源21、42、23的总和地仅发射预给定的最大允许的总功率、总强度或总亮度。这意味着，仅如此运行激光光源21、22、23，使得如果相应地待产生的图像元素或像素仅具有相应于运行的激光光源21、22、23的颜色，而不运行所有其他的激光光源20、20四分之一20，则所述激光光源仅发射预给定的最大允许总强度。

在以下表格1中，对于具有激光二极管作为具有450nm、520nm和640nm的波长的光源21、22、23的投影器2，示意性地列举亮度值。

表1：图像亮度的改善

在所有均衡或方案中补偿不同的图像亮度时，应考虑眼睛的V(λ)曲线。这尤其在具有高的绿色分量的图像的情况下提供巨大的潜力。

当使用激光等级1时，不仅需要考虑关于R、G和B的热损害，而且需要考虑仅关于G和B的光化学损害。如果在这种情况下例如仅显示红色的图像内容，则不再需要考虑光化学危害，由此同样得出更亮的图像。

最后，基于视频数据以及脉冲持续时间和波长，也可以执行对部分图像的优化。“部分图像”理解如下：不一次性地——即在给定的扫查或扫描过程中——写入一帧的图像，而是将该图像划分成多个部分图像。在两个部分图像的情况下，例如能够根据国际象棋模式(Schachmuster)的系统产生目标图像。两个部分图像共同地产生总图像。

由投影器参数(例如扫查或扫描速度)得出可能的部分图像的数量。优化算法可以由可能的部分图像的给定数量来确定理想的部分图像模式，以便提高允许功率。

因此，通过巧妙的部分图像选择例如可以实现：增加行内的各个脉冲之间的时间，而减小行的间距。

必须相应于脉冲标准的最关键的规则来选择措施。为了始终确保产品的安全运行，可以在快进和快退的情况下调节降低的亮度，并且可以在暂停或其他的播放中断的情况下将功率匹配于当前显示的静止图像。

亮度调节不必强制性地准确地遵循所计算的最大允许功率，而是也可以篡改(interpolieren)以避免闪烁。

Claims (11)

1.一种用于激光投影单元(2)和尤其飞点型的激光投影单元(2)的运行方法，所述运行方法具有如下步骤：

(A)尤其以视频文件的形式提供数据组，所述数据组代表待投影的且由图像元素、尤其像素所构成的图像或部分图像的序列；

(B)在对所述图像或部分图像进行投影之前，在所述图像元素的亮度的方面对所述数据组进行检查，确定所述图像元素中的最大亮度以及所述图像元素相比于所确定的最大亮度的相对亮度；

(C)通过操控照明单元(20)对数据流的图像或部分图像进行投影；

其中，根据所述相对亮度如此操控所述激光投影单元(2)的激光光源(21，22，23)，使得所述激光光源(21，22，23)对于具有最大相对亮度的待投影的图像元素的亮度在总和上相应于预确定的最大绝对亮度或者处在低于所述预确定的最大绝对亮度的安全区间中。

2.根据权利要求1所述的运行方法，在所述运行方法中，根据所述相对亮度如此操控所述激光投影单元(2)的激光光源(21，22，23)，使得所述激光光源(21，22，23)的相应亮度对于待投影的图像元素在总和上与所述预确定的最大绝对亮度成以下比例：所述比例分别相应于所确定的相对亮度。

3.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，关于所述数据组的一个或多个区段或者在整个数据组上预先地执行所述检查的步骤(B)。

4.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，关于所述数据组的一个或多个区段或者在整个数据组上，尤其根据在所述数据组上的滑动窗口的类型，实时地执行所述检查的步骤(B)。

5.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，关于所述相应的图像元素的不同的光谱分量，尤其关于RGB颜色，单独地或组合地执行所述检查的步骤(B)，其中，自身的预确定的最大亮度尤其对于每个光谱分量为基础。

6.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，在所述检查的步骤(B)中产生并提供用于操控所述激光投影单元(0)的激光光源(21，22，23)的控制数据——尤其以集成形式的数据组和/或根据音轨或字幕轨道的类型一对一地分配给图像和图像元素。

7.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，在所述检查的步骤(B)中，所述激光投影单元(2)的参数和尤其所述激光光源(21，22，23)的参数——尤其波长范围、激光等级、最大激光功率、光谱功率分布和/或脉冲持续时间——和/或投影单元(30)的参数——尤其扫描速度——作为基础。

8.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，在所述检查的步骤(B)中基于如下标准：单脉冲标准，在所述单脉冲标准中单脉冲的功率不允许超过可接受的辐射的预确定的极限值；平均值标准，在所述平均值标准中脉冲序列在给定的时间间隔内的平均功率不允许超过可接受的辐射在所述时间间隔内的预确定的极限值；和/或相加性标准，在所述相加性标准中脉冲特定的能量不允许低于对于单脉冲可接受的辐射的预给定的极限值乘以校正因子。

9.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，在所述检查的步骤(B)中基于暂停模式、快进模式和/或快退模式的运行时间间隔。

10.一种控制单元(10)，所述控制单元用于激光投影单元(2)和尤其飞点型的激光投影单元，所述控制单元设置用于实施根据权利要求1至9中任一项所述的运行方法。

11.一种激光投影单元(2)和尤其飞点型的激光投影单元，所述激光投影单元具有：

-照明单元(20)，所述照明单元具有多个激光源(21，22，23)；

-投影单元(30)；

-控制单元(10)，所述控制单元根据权利要求10构造并且用于控制所述照明单元(20)和/或所述投影单元(30)。

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