DE102006004085A1

DE102006004085A1 - Projektionsanordnung für ein Head Up Display und Verfahren zu deren Steuerung

Info

Publication number: DE102006004085A1
Application number: DE200610004085
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Kränert; Andreas Deter
Original assignee: Jenoptik LDT GmbH
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-08-02
Also published as: WO2007085242A2; WO2007085242A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für Bildprojektionen, vorzugsweise für ein Head-Up-Display, das als Lichtquelle mehr als einen Laser (RGB), nachgeordnete Strahleinkoppelelemente, entsprechende Strahlformierungselemente, eine Strahlkollimierungseinrichtung und einen X-Y-Scanner (Mikrospiegel) einsetzt und nach dem Prinzip des Flying Spots arbeitet, wobei das Licht mit optischen Fasern zum Scanner geführt wird. Es zeichnet sich dadurch aus, dass der Farbkombiner für RGB sowie die erforderliche Strahlformierung bis zum Farbkombiner mit Hilfe von optischen Fasern und mindestens einer Linse und entsprechend zeitlich korrigiertem Auslesen der Pixelinformation des Bildinhaltes erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Projektionsanordnung mit einer Projektoreinheit und einer Projektionsfläche, wobei die Projektoreinheit zur Erzeugung eines Bildes auf der Projektionsfläche mindestens 2 miniaturisierte Laser, Strahleinkoppelelemente, entsprechende Strahlformierungselemente, eine Strahlkollimierungseinrichtung und einen X-Y-Scanner enthält, die so angeordnet und ausgestattet sind, dass die Strahlenbündel nach der Strahlkollimierung unterschiedliche Winkel α besitzen.
Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Projektion und Steuerung einer Projektoreinheit nach der erfindungsgemäßen Anordnung.

Für Bildprojektionen, insbesondere für Head Up Displays (HUD) werden als Lichtquellen mit fortschreitender Laserentwicklung verstärkt miniaturisierte Laser eingesetzt. Bekannt ist drei Laser mit jeweils einer roten, grünen und blauen Wellenlänge zu kombinieren. Für Rot und Blau existieren Laserdioden, für grün Microlaser auf Basis einer Frequenzverdopplung, die typische Laserleistungen von einigen mW bis W liefern, was für HUD – Anwendungen eine ausreichende Helligkeit liefert. Eine bevorzugte Anwendung zur Bildprojektion findet das scannende Prinzip mit einem Flying Spot, wie sie beispielsweise aus der WO 2005/087511 A1 oder der DE 10135342 C1 bekannt sind.

Die Vorteile für einen HUD mit Laser bestehen in der Bildqualität, dem hohen Bildkontrast, der Effektivität durch direkte Modulierbarkeit, geringen geometrischen Abmessungen und der hohen Zuverlässigkeit der Laser.

Für die Bildprojektion müssen die drei Lichtbündel (RGB) in der Bildebene überlagert werden. Dies wird für die klassischen Projektoren, wie aus Journal of the Electronics Industry, 06/2003, Seite 30–33, bekannt ist, über

• Dichroitische Spiegel
• Polarisationsstrahlteiler
• TIR – Prismen (total internal reflection) realisiert.

Für einen DMD-Projektor erfolgt die RGB-Überlagerung zum Beispiel sequenziell über ein Farbrad. Das menschliche Auge kann diesen schnellen zeitlichen Versatz nicht auflösen. Für die Laserprojektion mit Flying Spot werden die gleichen Prinzipien für die so genannten Farbkombiner und Strahlvereinigung verwendet.

Eine miniaturisierte Variante der RGB – Strahlzusammenführung für ein Head Up Displays wird in WO 2005/104566 A1 beschrieben. Hierbei werden Glasprismen mit entsprechender reflektiver Beschichtung zusammengefügt.

Aus der WO 95/10159 A2 ist eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser bekannt, bei der direkt modulierte Laserdiodenarrays oder Microlaser über ein dichroitisches Prisma vereinigt, mit einem Polygon gescannt und anschließend über eine Optik zum Bild projiziert werden. Andere Möglichkeiten für die RGB-Strahlvereinigung sind Prismen oder Parabolspiegel, wie sie beispielsweise aus der DE 19508100 A1 bekannt sind.

Die DE 19726860 beschreibt einen Laserprojektor mit Flying Spot, der die RGB-Laserstrahlen mit dichroitischen Spiegeln zu einem RGB-Strahl ("Weißstrahl") mit der kompletten Videoinformation zusammenfasst und in einer optische Faser die Lichtleistung zum Scanner überträgt. Ein zweiter RGB- Strahl von einem anderen RGB-Laser wird auf die gleiche Weise in eine Faser eingekoppelt und über eine gemeinsame Optik werden gleichzeitig zwei komplette RGB-Strahlen im Bild gescannt. Diese Anwendung zielt damit auf Intensitätserhöhung im Bild ab, wenn die beiden Strahlen in eine Zeile geschrieben werden oder auf eine Auflösungserhöhung durch das parallele Schreiben von gleichzeitig zwei Zeilen. Zum Einsatz kommen dabei Multimodefasern mit geringer numerischer Appertur (NA) und einem kleinen Kerndurchmesser.

Allen diesen Lösungen ist gemeinsam, dass die RGB – Laserstrahlen in einer zusätzlichen Baugruppe übereinander gelegt werden müssen. Dazu sind im Allgemeinen lange optische Wege erforderlich, die sehr justierempfindlich sind und damit zusätzlich Kosten erfordern.

Es ist weiterhin erforderlich, dass die Strahlparameter (Durchmesser, Divergenz) für die drei Wellenlängen untereinander angepasst werden, so dass sie einen Weißlichtstrahl ergeben, der sich bis zur Projektionsfläche weitestgehend gleichmäßig als ein Strahl ausbreitet.

Die Anpassung der Strahlparameter erfolgt über Linsen oder Teleskope, die für jede Wellenlänge unterschiedlich abzustimmen sind. Für ein gutes Bild wird ein runder Grundmodestrahl TEMoo benötigt. Besonders aufwendig wird dies bei der Kombination einer roten und blauen Laserdiode und eines grünen Microlasers. Außerdem treten dabei erhebliche Lichtverluste auf.

Die Strahlführung und Formung erfordert zusätzliche mechanische Halter und Justierelemente.

Insbesondere für Projektionsvorrichtungen, wie Head Up Displays, die möglichst klein und kompakt aufgebaut sein sollen, ist die oben benannte Strahlvereinigung problematisch, was neben den Dimensionen auch zu hohen Kosten und mangelnder Stabilität führt. Da Head Up Displays vorrangig im Kraftfahr zeugbereich oder in Flugzeugen oder auch in Überwachungs- und Kontrolleinrichtungen eingesetzt werden und dort extreme mechanische und thermische Belastungen auftreten können, sind einfachere Lösungen für einen Farb- und Strahlkombiner der Projektionsanordnung erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige, kompakte und stabile Projektionsanordnung für eine Projektionsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art und ein Verfahren zu schaffen, die insbesondere für Bildprojektionen mittels miniaturisierter Head Up Displays geeignet ist.

Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Projektionsanordnung mit einer Projektoreinheit und einer Projektionsfläche so ausgestaltet ist, dass die Projektoreinheit zur Erzeugung eines Bildes auf der Projektionsfläche mindestens 2 miniaturisierte Laser, nachgeordneter Strahleinkoppelelemente, entsprechende Strahlformierungselemente, eine Strahlkollimierungseinrichtung und einen X-Y-Scanner enthält, die so zueinander angeordnet und ausgestattet sind, dass die Strahlenbündel nach der Strahlkollimierung unterschiedliche Winkel α besitzen.

Bei der erfindungsgemäßen Projektionsanordnung für einen so genannten Farb- und Strahlkombiner für ein miniaturisiertes Head Up Displays mit scannenden Flying Spot, entfallen aufwendige optische Justierwege, was zu höherer Stabilität und verringerten Kosten führt. Optische Flächen mit hoher Leistungsdichte können durch Hermetisierung vor Verschmutzung geschützt werden.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ist aus 1 zu entnehmen. Hierbei sind die miniaturisierten Laser (1, 2, 3) für Head Up Displays direkt modulierbar gestaltet.
Für Rot wird eine Laserdiode eingesetzt, die z. B. als MOPA oder als Single Emitter aufgebaut ist. Der entstehende Laserstrahl (λ = 642 nm) ist elliptisch aber nahe dem Grundmode.
Für Grün wird z. B. ein diodengepumpter Microlaser mit interner Frequenzverdopplung eingesetzt. Diese Laser emittieren z.B. bei λ = 532 nm einen ebenfalls nahezu grundmodigen runden Strahl. Für Blau kann ebenfalls ein Microlaser (typisch λ = 457 nm) oder eine Laserdiode (typisch λ = 440 nm) eingesetzt werden.
Die erforderliche Strahlformung erfolgt über eine optische Faser unmittelbar am Ausgang der miniaturisierten Laser. Eine visuelle RGB-Strahlvereinigung als zusätzliches Bauelement entfällt und erfolgt im Bild durch zeitliche Synchronisation der RGB-Videoinformation.
Die den miniaturisierten Lasern (1, 2, 3) erfindungsgemäß nachgeordneten Strahleinkoppelelemente bestehen aus Microlinsen (4, 5, 6), die die Laserstrahlen entsprechend fokussieren und deren Strahlparameter des jeweiligen Lasers angepasst sind.
Die Laserstrahlen werden unmittelbar am jeweiligen Laser über die Strahleinkoppelelemente (geeignete Microlinsen) in Strahlformierungselemente eingekoppelt. Die Strahlformierungselemente sind Fasern (7, 8, 9), wie zum Beispiel Monomodefasern für den sichtbaren Bereich.
Der Strahl hat am Ausgang der jeweiligen Faser ein Strahlprodukt zum Beispiel für Rot R_k * NA (R_k-Kerndurchmesser der Faser, NA – numerische Apertur der Faser), dass es erlaubt am Projektionsschirm einen Spotdurchmesser zu erreichen, der die entsprechende Auflösung im Bild ermöglicht. Es können auch photonische Fasern zur Strahlformierung und Lichtübertragung zum Einsatz kommen.
Die drei optischen Fasern (7, 8, 9) werden in einem Stecker (10) zusammengeführt. In besonders vorteilhafter Weise liegen die Faserausgänge unmittelbar nebeneinander, so wie im 3 dargestellt. Technisch wird dies z. B. durch die Anordnung der Faser in einer Ferrule gelöst, die eine entsprechende Bohrung besitzt. Der Abstand B zwischen den Faserkernen, die das Laserlicht führen, ergibt sich dann durch den eigentlichen Faserdurchmesser A, der durch das Cladding bestimmt wird. Ein typischer Wert für A und B ist 125 μm für Standard – Monomodefasern. Dieser Abstand kann auch durch Abschleifen oder Ätzen der Faser weiter verringert werden. Die Befestigung der Fasern zueinander kann mit einem geeigneten Klebstoff erfolgen. Der Stecker (10) ist unmittelbar an eine Strahlkollimierungseinrichtung angeschlossen.
In erfindungsgemäßer vorteilhafter Ausführung werden die Faserausgänge in oder nahe der Brennebene und in der Nähe der optischen Achse einer Linse (12) angeordnet. In besonders vorteilhafter Ausführung der Erfindung erfolgt eine symmetrische Anordnung der drei Faserausgänge zur optischen Achse und die Verwendung eines Linsenachromaten. Die Linse (12) kollimiert die Laserstrahlung aus den Fasern (7, 8, 9) entsprechend ihrer NA zu drei Laserbündeln (RGB), die nach der Linse (12) erfindungsgemäß unterschiedliche Winkel α haben. Der jeweilige Winkel resultiert aus der Anordnung der Fasern in der Brennebene und dem Abstand zur optischen Achse und kann näherungsweise nach der Formel α = arctg(Bf ) (1)berechnet werden, wobei

B: Abstand des Faserkerndurchmesser zur optischen Achse der Linse (12)
f: Brennweite der Linse (12) ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird durch die Auswahl der Brennweite F1 der Linse (12) die Divergenz θ der drei Laserbündel (RGB) eingestellt. Eine lange Brennweite bewirkt eine geringe, eine kurze Brennweite dagegen eine große Divergenz θ. Die Divergenz θ wird außerdem maßgeblich durch den Kerndurchmesser der Faser bestimmt.
Bei einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung kann mit einer weiteren Linse (12a), oder einem anderen geeigneten optischem System, eine Fokussierung der Strahlung auf den Schirm (14) erfolgen. Die Brennweite F2 der Linse (12a) entspricht etwa dem Abstand von dieser Linse bis zum Projektionsschirm. Die Spotgröße am Schirm ergibt sich dann aus der Näherung D = θ·F2 (2)wobei

D: der minimale Spotdurchmesser am Schirm
θ: Divergenz nach der Kollimierungslinse (12)
F2: Brennweite der Linse 12a.

Am Projektionsschirm (14) erhält man dann drei räumlich getrennte Spots für die jeweiligen RGB-Wellenlängen mit nahezu gleichem Durchmesser (siehe 1-1). Aus den RGB-Laserquellen resultieren erfindungsgemäß die Strahlen R', G' und B', die die genannten Spots ergeben.
Durch die Orientierung des Steckers (10) zur Projektionsebene kann man die RGB – Spots in eine horizontal gescannte Zeile justieren. Der Abstand zwischen den einzelnen Spots beträgt im Bild einige Pixel.
Bei einem typischen horizontalen optischen Scanwinkel des Microspiegels von 12° mit einer Auflösung von 1024 Pixel ergibt sich aus Formel (1) bei einem Abstand der beiden äußeren Faserkerne von 125 μm und einer Brennweite von f = 40 mm ein Winkelabstand am Schirm von ca. 15 Pixel. Bei einer Pixeldauer von ca. 17 ns bei der genannten Auflösung ergibt sich eine zeitliche Verzögerung zwischen diesen Pixeln von ca. 255 ns.
Die entsprechende Bildinformation für diese Pixel muss dann elektronisch zeitlich verzögert (im Bild örtlich) gescannt werden. Das heißt, die Pixel der einzelnen Farben (RGB) werden definiert zeitlich zueinander versetzt ausgelesen. Das menschliche Auge integriert die Farbinformation und sieht keinen Unterschied zu einem Bild, dass mit nur einem Spot, einem Weißlichtstrahl mit der vollen Information geschrieben wird. Die auf diese Weise gescannte RGB-Information ergibt ein korrektes und farbrichtiges Bild und erlaubt die Einsparung des RGB-Farbkombiners.
Die Orientierung des Fasersteckers (10) kann auch in vertikaler Richtung (oder schräg) erfolgen, so dass die RGB-Strahlen (7, 8, 9) in unterschiedlichen Zeilen gescannt werden. Die Videoinformation muss dann entsprechend den Positionen der RGB-Spots in vertikaler Richtung zeitlich angepasst werden.
Zur Verfahrensweise nach der erfindungsgemäßen Projektionsanordnung ist in 2 das Prinzip der Steuerung dargestellt. Die Videoinformation wird in einen Bildspeicher (Zeilenspeicher) gelegt. Zu jeder X-Y-Position des Scanners (13) ist ein entsprechender Bildpunkt (Pixel) zugeordnet. Der Positionsdetektor liefert die örtliche Information vom Scanner, die für den richtigen Bildaufbau erforderlich ist. Aus dem Bildspeicher werden die Pixelinformationen an eine Modulationseinheit geleitet und dort in die für den jeweiligen RGB-Laser erforderliche Modulationsspannung gewandelt und die Laser entsprechend damit moduliert. Die Kontrolleinheit steuert den X-Y-Scanner und sorgt für ein geregeltes Scanverfahren. Damit ist es auch prinzipiell möglich die Bildinformation über Look-Up-Tables für RGB auszulesen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft eine Anordnung das nur zwei Fasern und zwei Laser benutzt.
Es werden nur ein rot und ein grün emittierender Laser verwendet, wie in 4 dargestellt ist. Mit diesen Laserwellenlängen kann man zum Beispiel durch Mischen eine dritte orange/gelbe Farbe für ein Head Up Display erzeugen, dass vorrangig für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden kann.

Claims

Projektionsanordnung für ein Head Up Display mit einer Projektoreinheit und einer Projektionsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinheit zur Erzeugung eines Bildes auf der Projektionsfläche besteht aus – mehr als einen Laser, – entsprechend der Anzahl der Laser nachgeordneten Strahleinkoppelelementen, – entsprechenden Strahlformierungselementen, – einer Strahlkollimierungseinrichtung und – einem zweiachsigen-Scanner, die so zueinander angeordnet sind, dass die Strahlenbündel nach der Strahlkollimierung unterschiedliche Winkel α besitzen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser direkt modulierbare miniaturisierte Laser sind, die Strahleinkoppelelemente geeignete Microlinsen sind, die Strahlformierungselemente geeignete Fasern sind, vorzugsweise optische oder photonische Fasern, die Strahlkollimierungseinrichtung eine Linse oder ein Linsenachromat und der zweiachsige-Scanner ein x-y-Scanner ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser, RGB-Laser sind, wobei für Rot eine Laserdiode, für Grün ein diodengepumpter Microlaser mit interner Frequenzverdopplung und für Blau ein Microlaser oder eine Laserdiode eingesetzt werden.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laser, ein rot und ein grün emittierender Laser, verwendet werden.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in einem Stecker (10) zusammengeführt sind und die Faserausgänge unmittelbar nebeneinander liegen, wobei die Orientierung des Steckers horizontal, vertikal oder schräg erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserausgänge zur optischen Achse symmetrisch angeordnet sind.
Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Fasern in der Brennebene und dem Abstand zur optischen Achse so bemessen sind, dass diese nach der Formel α = arctg( B / f) näherungsweise den jeweiligen Winkel α bilden, wobei B der Abstand des Faserkerndurchmesser zur optischen Achse der Linse bzw. des Linsenachromats und F die Brennweite der Linse bzw. des Linsenachromats ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Linse oder Linsenachromat (12) eine weitere Linse oder Linsenachromat (12a) oder ein anderes geeignetes optisches System angeordnet ist, welches eine Fokussierung der Strahlung auf den Projektionsschirm (14) bewirkt, wobei die Brennweite F2 der Linse (12a) etwa dem Abstand von dieser Linse bis zum Projektionsschirm entspricht.
Verfahren zur Bildprojektion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des HUD gemäß 2 erfolgt, wobei der Positionsdetektor die örtliche Information vom Scanner liefert, die für den richtigen Bildaufbau erforderlich ist, aus dem Bildspeicher die Pixelinformationen an eine Modulationseinheit geleitet werden und dort in die für den jeweiligen RGB – Laser erforderliche Modulationsspannung gewandelt und die Laser entsprechend damit moduliert werden und die Kontrolleinheit den X-Y-Scanner zum Zwecke eines geregelten Scanverfahren steuert.
Verfahren zur Bildprojektion nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildinformation über ein Look-Up-Tables für RGB ausgelesen wird.
Verfahren zur Bildprojektion nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Brennweite F1 der Linse (12) in der Art erfolgt, dass die Divergenz θ der drei Laserbündel (RGB) eingestellt wird.