DE102015213708A1

DE102015213708A1 - Method and deflection device for a projection device for projecting at least one light beam onto a projection surface

Info

Publication number: DE102015213708A1
Application number: DE102015213708.2A
Authority: DE
Inventors: Bernd Hillerich; Andreas Breidenassel
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ablenkeinrichtung (10) für eine Projektionsvorrichtung zur Projektion zumindest eines Lichtstrahlenbündels auf eine Projektionsfläche, mit einem zumindest um eine Achse mechanisch beweglich gelagerten Ablenkelement (1), einem Antriebselement (2) zur mechanischen Anregung des Ablenkelements in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal (16), sowie mit einem Sensorelement (5) zur Ausgabe eines Kippwinkelsignals (11) in Abhängigkeit von einer Kippwinkellage (α) des Ablenkelements bezüglich der zumindest einen Achse, wobei das Ablenkelement, das Antriebselement und das Sensorelement mechanisch miteinander gekoppelt sind, und eine die Abhängigkeit des Kippwinkelsignals von dem Ansteuersignal charakterisierende Übertragungsfunktion (31) eine Resonanzstelle bei einer Resonanzfrequenz (F0) aufweist. Ein eingangsseitig mit dem Sensorelement gekoppeltes Signalverarbeitungsmodul (20) stellt, innerhalb eines vorgebbaren die Resonanzfrequenz umfassenden Frequenzbereichs, ein Ausgangssignal (12) mit einem festen Phasenbezug zu dem Kippwinkelsignal und einer von der Amplitude des Kippwinkelsignals unabhängigen, vorgebbaren Ausgangsamplitude bereit. Eine Steuervorrichtung (9) erzeugt das Ansteuersignal in Abhängigkeit von dem Ausgangsignal. Ebenso Teil der Erfindung ist eine Projektionsvorrichtung, eine Beleuchtungseinrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a deflection device (10) for a projection device for projecting at least one light beam onto a projection surface, having a deflection element (1) mounted mechanically movably at least about one axis, a drive element (2) for mechanically exciting the deflection element in response to a drive signal ( 16), and with a sensor element (5) for outputting a tilt angle signal (11) in dependence on a tilt angle (α) of the deflection with respect to the at least one axis, wherein the deflection element, the drive element and the sensor element are mechanically coupled together, and one Dependence of the tilt angle signal of the drive signal characterizing transfer function (31) has a resonance point at a resonant frequency (F0). A signal processing module (20) coupled on the input side to the sensor element provides an output signal (12) with a fixed phase reference to the tilt angle signal and a predeterminable output amplitude independent of the amplitude of the tilt angle signal within a predefinable frequency range. A control device (9) generates the drive signal in response to the output signal. Likewise part of the invention is a projection device, a lighting device and a corresponding method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ablenkeinrichtung für eine Projektionsvorrichtung zur Projektion zumindest eines Lichtstrahlenbündels auf eine Projektionsfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Projektionsvorrichtung mit einer derartigen Ablenkeinrichtung sowie eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Projektionsvorrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Projektion zumindest eines Lichtstrahlenbündels auf eine Projektionsfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.The invention relates to a deflection device for a projection device for the projection of at least one light beam onto a projection surface according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a projection device with such a deflection device and a lighting device for a motor vehicle with such a projection device. Moreover, the invention relates to a method for projecting at least one light beam onto a projection surface according to the preamble of patent claim 14.

Ablenkeinrichtungen für Projektionseinrichtungen wie beispielsweise Beamer, um einen oder mehrere Lichtstrahlenbündel periodisch abzulenken, können in Form von mikromechanisch in Silizium hergestellten Scannerspiegeln vorliegen. Solche Mikro-Scannerspiegel sind in einer oder zwei orthogonalen Achsen kippbar und werden üblicherweise elektrostatisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch angetrieben. Sie werden häufig in mindestens einer Achse bei der mechanischen Resonanzfrequenz angesteuert, damit die Ansteuerleistung bei vorgegebener Winkelamplitude gering ist. Die Strahlablenkung ist dann annähernd eine Sinusfunktion. Sogenannte 2D-Resonanzscanner werden in der Regel in zwei Resonanzfrequenzen mit geringem Relativunterschied betrieben, sodass die Strahl-Ablenkung gemäß einer Lissajous-Figur erfolgt. Baffles for projection devices, such as projectors, for periodically deflecting one or more light beams, may be in the form of micromachine silicon scanner mirrors. Such micro-scanner mirrors are tiltable in one or two orthogonal axes and are usually driven electrostatically, electromagnetically or piezoelectrically. They are often driven in at least one axis at the mechanical resonance frequency, so that the driving power at a given angle amplitude is low. The beam deflection is then approximately a sine function. So-called 2D resonance scanners are usually operated in two resonance frequencies with little relative difference, so that the beam deflection takes place according to a Lissajous figure.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2007 011 425 A1 eine Projektionsvorrichtung zum scannenden Projizieren eines Bildes auf ein Bildfeld mittels eines Strahlungsstrahls bekannt, welche eine Einrichtung zum Modulieren einer Intensität des Strahlungsstrahls derart umfasst, dass sich die Intensität des Strahlungsstrahls in ein Zeitintervall ändert, währenddessen ein Abtastpunkt, auf den der Strahlenstrahl gerichtet ist, ein Pixel des Bildfeldes überstreicht.In this context is from the DE 10 2007 011 425 A1 a projection device for scanning projecting an image onto an image field by means of a radiation beam, comprising means for modulating an intensity of the radiation beam such that the intensity of the radiation beam changes in a time interval, during which a scanning point to which the radiation beam is directed Pixels of the frame sweeps over.

Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise durch elektrostatische Kräfte angeregt werden, wofür beispielsweise Wechselspannungen in Höhe von 200 Volt angelegt werden. Da die hierdurch erzeugten Kräfte schwach sind und die zur Ablenkung eines Lichtstrahlenbündels benötigten Schwingungsamplituden ungefähr 2 bis 20 Grad betragen, kann die Ablenkvorrichtung im Vakuum untergebracht werden, um die Dämpfung zu reduzieren. Die Amplitude des Kippwinkels hängt stark von der Lage der Ansteuerfrequenz zur jeweiligen Resonanzfrequenz ab. Zweckmäßigerweise werden die Spiegel im Maximum der Übertragungsfunktion (Transferfunktion) betrieben. Eine solche Übertragungsfunktion beziehungsweise Transferfunktion weist bei einer konstanten Amplitude der Anregungsschwingung ein Resonanzmaximum der Auslenkung auf, welches durch die eigene Dämpfung begrenzt ist. Innerhalb eines Bereichs mit einer Breite in Höhe des Fünffachen eines als 3dB-Bandbreite bekannten Bereichs weist die Amplitude mindestens circa 10 Prozent des Werts der Maximalamplitude auf, welche bei der Resonanzfrequenz auftritt. Bei einem symmetrischen Verlauf der Übertragungsfunktion liegt die Resonanzfrequenz in der Mitte dieses Bereichs. Zur Erzielung der benötigten Auslenkung in Form eines Kippwinkels wird die Ablenkeinrichtung zweckmäßigerweise möglichst nah an ihrer Resonanzfrequenz betrieben.Such a device can be excited for example by electrostatic forces, for which, for example, AC voltages of 200 volts are applied. Since the forces generated thereby are weak and the vibration amplitudes needed to deflect a beam of light are approximately 2 to 20 degrees, the deflector can be placed in vacuum to reduce the attenuation. The amplitude of the tilt angle depends strongly on the position of the drive frequency to the respective resonance frequency. Advantageously, the mirrors are operated in the maximum of the transfer function (transfer function). Such a transfer function or transfer function has at a constant amplitude of the excitation oscillation on a resonance maximum of the deflection, which is limited by the own attenuation. Within a range of five times the width of a region known as 3dB bandwidth, the amplitude is at least about 10 percent of the value of the maximum amplitude that occurs at the resonant frequency. In a symmetrical course of the transfer function, the resonance frequency is in the middle of this range. To achieve the required deflection in the form of a tilt angle, the deflection device is expediently operated as close as possible to its resonance frequency.

Ein bewährtes Verfahren zur Frequenzregelung für die Anregung resonanter Mikrospiegel ist der Phasenregelkreis (PLL = phase locked loop). In diesem Zusammenhang offenbart die DE 10 2009 058 762 A1 eine Ablenkeinrichtung für eine Projektionsvorrichtung zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld, die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse zur Erzeugung der Lissajous-Figuren umzulenken, mit einer Ablenkeinheit zur Erzeugung von Schwingungen um die Ablenkachsen und einer Steuervorrichtung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Ablenkeinheit mit einer ersten und zweiten Ansteuerfrequenz, die im Wesentlichen den Resonanzfrequenzen der Ablenkeinheit entspricht, wobei die Ablenkeinheit einen Gütefaktor von größer 3.000 aufweist und die Ansteuervorrichtung einen Regelkreis umfasst, der ausgebildet ist, abhängig von einer gemessenen Phasenlage der Schwingungen der Ablenkeinheit die erste und/oder die zweite Ansteuerfrequenz so zu regeln, dass die maximale Amplitude der Schwingungen in dem Resonanzbereich der Ablenkeinheit verbleibt.A proven method for frequency control for the excitation of resonant micromirrors is the phase locked loop (PLL). In this context, the DE 10 2009 058 762 A1 a deflection device for a projection device for projecting Lissajous figures onto an observation field, which is designed to deflect a light beam about at least a first and a second deflection axis for generating the Lissajous figures, with a deflection unit for generating vibrations about the deflection axes and a control device for generating drive signals for the deflection unit having a first and second drive frequency which substantially corresponds to the resonant frequencies of the deflection unit, wherein the deflection unit has a quality factor of greater than 3,000 and the drive device comprises a control loop which is formed, depending on a measured phase position of the oscillations the deflection unit to regulate the first and / or the second drive frequency so that the maximum amplitude of the oscillations remains in the resonance range of the deflection unit.

Innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs, der durch die Parameter der Komponenten der Regelschleife bestimmt ist, wird bei Änderungen der Resonanzfrequenz, beispielsweise durch Temperaturänderungen, die Frequenz eines in der Regelschleife enthaltenen Signalgenerators (üblicherweise ein in der Frequenz abstimmbarer „voltage controlled oscillator“: VCO), soweit nachgeregelt, dass die Phasendifferenz von circa 90 Grad zwischen dem Ausgangssignal des Signalgenerators und einem von einem Lagesensor in Abhängigkeit von dem aktuellen Kippwinkel bereitgestellten Kippwinkelsignal erhalten bleibt. Dieser Frequenzbereich wird als Haltebereich bezeichnet. Damit wird der Mikrospiegel immer in Resonanz und so mit maximaler Winkelamplitude betrieben. Rastet der Regelkreis beispielsweise durch eine externe Störung aus, worunter beispielsweise eine schnelle Temperaturänderung, ein Schock oder Vibrationen fallen können, so kann die Regelung nur innerhalb des sogenannten Fangbereichs wieder einrasten. Dieser Frequenzbereich ist wesentlich kleiner als der Haltebereich. Die Nutzung eines Phasenregelkreises zur Frequenzregelung der Anregung resonanter Mikrospiegel ist somit nur innerhalb eines sehr eingeschränkten Frequenzbereichs möglich.Within a certain frequency range, which is determined by the parameters of the components of the control loop, the frequency of a signal loop contained in the control loop (usually a frequency-tunable voltage controlled oscillator: VCO), as changes in the resonant frequency, for example by temperature changes, adjusted so far that the phase difference of approximately 90 degrees is maintained between the output signal of the signal generator and a tilt sensor provided by a position sensor in response to the current tilt angle. This frequency range is referred to as a holding range. Thus, the micromirror is always in resonance and so operated at maximum angle amplitude. If the control circuit is locked, for example, by an external fault, which may include, for example, a rapid change in temperature, shock or vibration, the control can only engage again within the so-called capture range. This frequency range is much smaller than the holding range. The use of a phase-locked loop for frequency control of the excitation resonant micromirror is thus possible only within a very limited frequency range.

Um den Regelkreis wieder zum Einrasten zu bringen, wird bei aktuellen Realisierungen von Frequenzregelungen für resonante Mikrospiegel ein Frequenz-Suchlauf gestartet, um die Frequenz des Oszillators in die Nähe der aktuellen Resonanzfrequenz des Spiegels zu bringen. Innerhalb des Fangbereichs rastet der Regelkreis dann wieder ein. Dieser Vorgang kann – je nach Resonatorgüte – bis zu einigen 10 Sekunden oder länger dauern. Diese Prozedur ist gleichermaßen bei dem Start des Systems notwendig, wenn die aktuelle Lage der Resonanzfrequenz nicht genau bekannt ist, das heißt außerhalb eines Bereichs um jeweils das Fünffache der 3dB-Bandbreite um eine vorgebbare Startfrequenz. Ein derartiges Verhalten ist für Systeme mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen unter rauhen Umgebungsbedingungen wie Beleuchtungseinrichtungen für ein Kraftfahrzeug beispielsweise in Form von laser-basierten adaptiven Frontscheinwerfern nicht akzeptabel. In order to re-lock the loop, in current implementations of resonant micromirror frequency controls, a frequency sweep is started to bring the frequency of the oscillator near the current resonant frequency of the mirror. Within the capture range, the control loop then locks again. Depending on the resonator quality, this process can take up to several tens of seconds or more. This procedure is equally necessary at the start of the system, if the current position of the resonance frequency is not known exactly, that is outside of a range of five times the 3dB bandwidth by a predefinable start frequency. Such behavior is unacceptable for systems with high reliability requirements in harsh environmental conditions, such as automotive lighting fixtures, for example in the form of laser-based adaptive headlamps.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ablenkeinrichtung für eine Projektionsvorrichtung zur Projektion zumindest eines Lichtstrahlenbündels auf eine Projektionsfläche sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welches ein verbessertes Einrastverhalten aufweist. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsvorrichtung mit einer solchen Ablenkeinrichtung und eine Beleuchtungseinrichtung mit einer derartigen Projektionsvorrichtung bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide a deflection device for a projection device for projecting at least one light beam onto a projection surface as well as a corresponding method which has an improved latching behavior. It is a further object of the present invention to provide a projection device with such a deflection device and a lighting device with such a projection device.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ablenkeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Projektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a deflection device having the features of patent claim 1, a projection device having the features of patent claim 10, a lighting device having the features of patent claim 13, and by a method having the features of claim 14. Advantageous developments of the present invention are the subject of dependent claims.

Die Erfindung geht von einer Ablenkeinrichtung für eine Projektionsvorrichtung zur Projektion zumindest eines Lichtstrahlenbündels auf eine Projektionsfläche aus, mit einem zumindest um eine Achse mechanisch beweglich gelagerten Ablenkelement, einem Antriebselement zur mechanischen Anregung des Ablenkelements in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal, sowie mit einem Sensorelement zur Ausgabe eines Kippwinkelsignals in Abhängigkeit von einer Kippwinkellage des Ablenkelements bezüglich der zumindest einen Achse, wobei das Ablenkelement, das Antriebselement und das Sensorelement mechanisch miteinander gekoppelt sind und eine in Abhängigkeit des Kippwinkelsignals von dem Ansteuersignal charakterisierende Übertragungsfunktion einer Resonanzstelle bei einer Resonanzfrequenz aufweist. Das Antriebselement kann bevorzugt als elektrostatisches Antriebselement, als elektromagnetisches Antriebselement oder als piezoelektrisches Antriebselement ausgebildet sein. Ebenso kann auch eine beliebige Kombination daraus als Antriebselement eingesetzt werden. Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass das Sensorelement als elektrostatisches Sensorelement, als elektromagnetisches Sensorelement oder als piezoelektrisches Sensorelement ausgebildet ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Sensorelement zumindest einen Teil des Antriebselements umfasst. Alternativ kann das Sensorelement als optisches Sensorelement ausgebildet sein, wobei insbesondere ein durch das Ablenkelement abgelenkter Sensorlichtstrahl ausgewertet wird.The invention is based on a deflection device for a projection device for projecting at least one light beam onto a projection surface, with a deflection element mechanically movably mounted at least about one axis, a drive element for mechanically exciting the deflection element as a function of a drive signal, and with a sensor element for outputting a deflection element Tilt angle signal in response to a tilt angle position of the deflecting element with respect to the at least one axis, wherein the deflecting element, the drive element and the sensor element are mechanically coupled to each other and a depending on the tilt angle signal from the drive signal characterizing transfer function of a resonance point at a resonant frequency. The drive element may preferably be designed as an electrostatic drive element, as an electromagnetic drive element or as a piezoelectric drive element. Likewise, any combination thereof can be used as a drive element. Furthermore, it can also be provided that the sensor element is designed as an electrostatic sensor element, as an electromagnetic sensor element or as a piezoelectric sensor element. Likewise it can be provided that the sensor element comprises at least a part of the drive element. Alternatively, the sensor element may be formed as an optical sensor element, wherein in particular a deflected by the deflecting sensor light beam is evaluated.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass außerhalb des Bereichs der fünffachen 3dB-Brandbreite um die aktuelle Resonanzfrequenz ein direkt von dem Sensorelement an eine Steuervorrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignals für das Antriebselement bereitgestelltes Kippwinkelsignal zu gering ist, um ein verwertbares Eingangssignal für einen in der Steuervorrichtung implementierten Regelkreis zu bilden. Daher ist ein selbständiges Einrasten außerhalb dieses Bereichs nicht möglich. Verschärft wird diese Problematik bei Ablenkelementen mit einem asymmetrischen Verlauf der Resonanzkurven auf der Seite der Resonanzkurve mit dem steileren Abfall. The invention is based on the finding that, outside the range of five times the 3dB bandwidth around the current resonant frequency, a tilt angle signal provided directly by the sensor element to a control device for generating a drive signal for the drive element is too small to provide a usable input signal for one in the control device implemented loop to form. Therefore, a self-locking is not possible outside this range. This problem is exacerbated with deflecting elements with an asymmetrical course of the resonance curves on the side of the resonance curve with the steeper drop.

Die Ablenkeinrichtung wird erfindungsgemäß weitergebildet durch ein Signalverarbeitungsmodul, welches eingangsseitig mit dem Sensorelement gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, innerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereichs, welcher die Resonanzfrequenz umfasst, ein Ausgangssignal mit einem festen Phasenbezug zu dem Kippwinkelsignal und einer von der Amplitude des Kippwinkelsignals unabhängigen, vorgebbaren Ausgangsamplitude bereitzustellen und durch eine Steuervorrichtung zur Erzeugung des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal. Bevorzugt kann das Ausgangssignal in Form eines Trapezsignals, insbesondere in Form eines Rechtecksignals, ausgebildet sein. Ebenso kann das Ausgangssignal auch die Form eines gekappten Sinussignals aufweisen. The deflecting device according to the invention is further developed by a signal processing module, which is coupled on the input side to the sensor element and is designed, within a predefinable frequency range, which includes the resonant frequency, an output signal with a fixed phase reference to the Kippwinkelsignal and independent of the amplitude of the Kippwinkelsignals, predefinable Provide output amplitude and by a control device for generating the drive signal in response to the output signal. The output signal may preferably be in the form of a trapezoidal signal, in particular in the form of a rectangular signal. Likewise, the output signal may also have the form of a clipped sine signal.

Indem zwischen das Sensorelement und die Steuervorrichtung gemäß der Erfindung ein Signalverarbeitungsmodul eingefügt wird, lässt sich ein größerer Fangbereich erzielen. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass jederzeit, das heißt bei allen vorkommenden Frequenzabständen zwischen einer Frequenz des Ansteuersignals und der Resonanzfrequenz, ein verwertbares Eingangssignal an einem Eingang der Steuervorrichtung vorhanden ist. Dadurch wird beim Ausrasten der Regelung ein schnelles Wiedereinrasten erreicht. Dies gilt in gleicher Weise für die Inbetriebnahme der Ablenkeinrichtung (Systemstart), bei der die aktuelle Resonanzfrequenz der Ablenkeinrichtung nicht bekannt ist. Besonders vorteilhaft wird eine Startfrequenz des Ansteuersignals derart vorgegeben, dass der Fangbereich auch bei der größten auftretenden Verschiebung der Resonanzfrequenz getroffen wird. Durch das Signalaufbereitungsmodul, das zwischen Sensorelement und Steuervorrichtung geschaltet ist, wird somit innerhalb des vorgebbaren Frequenzbereichs ein verwertbares Ausgangssignal für die Steuervorrichtung erzeugt.By inserting a signal processing module between the sensor element and the control device according to the invention, a larger capture range can be achieved. In particular, it can be ensured that at any time, that is, at all frequency intervals occurring between a frequency of the drive signal and the resonance frequency, a usable input signal is present at an input of the control device. As a result, a quick re-engagement is achieved when disengaging the control. This is true in the same way for the commissioning of the deflector (system start), in which the current resonant frequency of the deflector is not known. Particularly advantageously, a start frequency of the drive signal is predetermined in such a way that the capture range is hit even at the largest occurring shift of the resonance frequency. By the signal conditioning module, which is connected between the sensor element and the control device, a usable output signal for the control device is thus generated within the predeterminable frequency range.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Steuervorrichtung einen Phasenregelkreis auf, wobei das Signalverarbeitungsmodul dazu konfiguriert ist, ein Einrasten der Phasenregelung in einem die Resonanzfrequenz umfassenden Fangbereich zu ermöglichen, welcher eine Breite von mindestens dem 200-fachen einer 3dB-Bandbreite aufweist. Bevorzugt weist der Fangbereich eine Breite von mindestens dem 300-fachen der 3dB-Bandbreite auf, insbesondere weist der Fangbereich eine Breite von mindestens dem 400-fachen der 3dB-Bandbreite auf. Die 3dB-Bandbreite ist hierbei definiert durch den Bereich, in welchem die betragsbezogene Übertragungsfunktion einen Wert zwischen 70,71 Prozent und 100 Prozent des Wertes annimmt, der sich aus dem Amplitudenverlauf über der Anregungsfrequenz bei einer konstanten Anregungsamplitude als Maximalwert ergibt, wobei sich dieser Maximalwert bei der Anregung mit der Resonanzfrequenz einstellt.In an advantageous development, the control device has a phase-locked loop, wherein the signal processing module is configured to enable the phase control to be locked in a capture region comprising the resonance frequency, which has a width of at least 200 times a 3dB bandwidth. Preferably, the capture region has a width of at least 300 times the 3dB bandwidth, in particular the capture region has a width of at least 400 times the 3dB bandwidth. The 3dB bandwidth is defined by the range in which the absolute value transfer function assumes a value between 70.71 percent and 100 percent of the value resulting from the amplitude curve over the excitation frequency at a constant excitation amplitude as maximum value, this maximum value at the excitation with the resonance frequency.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Steuervorrichtung einen Phasendetektor, insbesondere in Form eines Mischers, und/oder einen Schleifenfilter und/oder einen Signalgenerator, bevorzugt in Form eines spannungsgesteuerten Oszillators. Der Phasendetektor und/oder das Schleifenfilter und/oder der Signalgenerator können bevorzugt Teil eines Phasenregelkreises sein, insbesondere des zuvor dargestellten Phasenregelkreises. Besonders bevorzugt ist das Sensorsignal mittels des Signalverarbeitungsmoduls so aufbereitet, dass es durch den Phasendetektor verwertbar ist, insbesondere direkt verwertbar, ohne eine weitere Verstärkungsstufe dazwischen zu schalten.In a further advantageous development, the control device comprises a phase detector, in particular in the form of a mixer, and / or a loop filter and / or a signal generator, preferably in the form of a voltage-controlled oscillator. The phase detector and / or the loop filter and / or the signal generator may preferably be part of a phase-locked loop, in particular the phase-locked loop described above. Particularly preferably, the sensor signal is processed by means of the signal processing module so that it can be utilized by the phase detector, in particular directly usable, without switching a further amplification stage therebetween.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Signalverarbeitungsmodul eine Verstärker-Kaskade, ein Tief- oder Bandpassfilter sowie einen Begrenzerverstärker auf. Mittels der Kaskade von Verstärkern wird der erforderliche Verstärkungsfaktor erzielt, das Tiefpass- oder Bandpassfilter dient der Reduzierung des Rauschens. Der Begrenzerverstärker ist dazu ausgelegt, ein phasenrauschfreies, insbesondere weitgehend phasenrauschfreies Ausgangssignal mit einer konstanten Ausgangsamplitude zu erzeugen. Insbesondere kann es sich dabei um ein Rechtecksignal handeln. Auf diese Weise können Kippwinkelsignale des Sensorelements, die um 10^–3 bis 10^–4 bezogen auf den Maximalwert abgeschwächt sind, so weit wieder hergestellt werden, dass sie im Phasendetektor verarbeitet werden können.In a further advantageous embodiment, the signal processing module has an amplifier cascade, a low-pass or band-pass filter and a limiter amplifier. The cascade of amplifiers achieves the required amplification factor; the low-pass or bandpass filter serves to reduce the noise. The limiter amplifier is designed to generate a phase noise-free, in particular largely phase noise-free, output signal with a constant output amplitude. In particular, this may be a rectangular signal. In this way, tilt angle signals of the sensor element, which are attenuated by 10 ^-3 to 10 ^-4 relative to the maximum value, can be restored so far that they can be processed in the phase detector.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Tief- oder Bandpassfilter adaptiv ausgebildet, indem mit einem abnehmenden Pegel an der Verstärker-Kaskade und/oder an dem Begrenzerverstärker die Bandbreite des Tief- oder Bandpassfilters reduziert wird. Durch die Reduktion der Bandbreite bei einem abnehmenden Pegel wird somit die Rauschunterdrückung bei niedrigen Werten der Kippwinkelsignalamplitude gesteigert. Dadurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis (signal noise ratio SNR) verbessert werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the low-pass or band-pass filter is adaptively designed by reducing the bandwidth of the low-pass or bandpass filter with a decreasing level at the amplifier cascade and / or at the limiter amplifier. Thus, by reducing the bandwidth at a decreasing level, the noise rejection is increased at low values of the tilt angle signal amplitude. This can improve the signal-to-noise ratio (SNR).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verstärker-Kaskade dazu ausgelegt, bei einem zunehmenden Pegel an der Verstärker-Kaskade und/oder an dem Begrenzerverstärker den Verstärkungsfaktor der Verstärker-Kaskade zu reduzieren. Es kann vorteilhaft sein, um eine bessere Signalform zu erhalten, den Verstärkungsfaktor der Verstärker-Kaskade bei zunehmenden Kippwinkelsensorsignal-Werten zu reduzieren, um eine Übersteuerung zu vermeiden.In a further advantageous embodiment, the amplifier cascade is designed to reduce the amplification factor of the amplifier cascade at an increasing level at the amplifier cascade and / or at the limiting amplifier. It may be advantageous, in order to obtain a better signal shape, to reduce the gain of the amplifier cascade with increasing tilt angle sensor signal values in order to avoid overdriving.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Ablenkelement auf der Basis eines mikromechanisch in Silizium hergestellten Scannerspiegels ausgebildet. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf Silizium-basierte resonante Scannerspiegel beschränkt, sondern kann auch für konventionell zum Beispiel in Metall, Kunststoff oder Polymeren hergestellte resonante Scanner sowie für extern angeregte resonante mechanische Schwinger angewendet werden. Die Begriffe Mikrospiegel und Scannerspiegel werden synonym verwendet und bezeichnen denselben Gegenstand.In a further preferred embodiment, the deflecting element is formed on the basis of a micromechanically manufactured scanner mirror in silicon. However, the application of the invention is not limited to silicon-based resonant scanner mirrors, but may also be applied to resonant scanners conventionally made, for example, in metal, plastic or polymers, as well as externally-excited resonant mechanical vibrators. The terms micromirrors and scanner mirrors are used interchangeably and refer to the same item.

Bevorzugt umfasst der vorgebbare Frequenzbereich zumindest einen Bereich, in welchem der Wert des betragsbezogenen Teils der Übertragungsfunktion mindestens 10 Prozent eines Maximalwerts des betragsbezogenen Teils der Übertragungsfunktion bei der Resonanzfrequenz beträgt. Besonders bevorzugt umfasst der vorgebbare Frequenzbereich zumindest einen Bereich, in welchem der Wert mindestens 1 Prozent beträgt, insbesondere umfasst der vorgebbare Frequenzbereich zumindest einen Bereich, in welchem der Wert mindestens 0,1 Prozent beträgt. In vorteilhafter Weise kann in dem gesamten vorgebbaren Frequenzbereich mittels des Signalverarbeitungsmoduls aus dem Kippwinkelsignal ein Ausgangssignal erzeugt werden, welches die von der Amplitude des Kippwinkelsignals unabhängige, vorgebbare Amplitude aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform lässt sich daraus ein gegenüber dem Stand der Technik zumindest um den Faktor 10 vergrößerter Fangbereich erzielen, wenn der vorgebbare Frequenzbereich zumindest den Bereich umfasst, in welchem der Wert der Übertragungsfunktion mindestens 10 Prozent des Maximalwerts des betragsbezogenen Teils der Übertragungsfunktion bei der Resonanzfrequenz umfasst. In einer besonders vorteilhafter Ausführungsform lässt sich daraus ein gegenüber dem Stand der Technik zumindest um den Faktor 80 vergrößerter Fangbereich erzielen, wenn der vorgebbare Frequenzbereich zumindest den Bereich umfasst, in welchem der Wert der Übertragungsfunktion mindestens 0,1 Prozent des Maximalwerts des betragsbezogenen Teils der Übertragungsfunktion bei der Resonanzfrequenz umfasst. The predefinable frequency range preferably comprises at least one region in which the value of the absolute value-related part of the transfer function is at least 10 percent of a maximum value of the absolute value-related part of the transfer function at the resonant frequency. Particularly preferably, the predefinable frequency range comprises at least one region in which the value is at least 1 percent, in particular the predefinable frequency range comprises at least one region in which the value is at least 0.1 percent. Advantageously, in the entire predefinable frequency range by means of the signal processing module from the Kippwinkelsignal an output signal can be generated which has the independent of the amplitude of the Kippwinkelsignals, predetermined amplitude. In a preferred embodiment, this can be compared with the prior art at least to the If the predefinable frequency range comprises at least the range in which the value of the transfer function comprises at least 10 percent of the maximum value of the absolute value of the transfer function at the resonant frequency. In a particularly advantageous embodiment, it is possible to achieve a capture range which is at least 80 times greater than the prior art if the predefinable frequency range comprises at least the range in which the value of the transfer function is at least 0.1 percent of the maximum value of the amount-related part of the transfer function at the resonant frequency.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt ein durch den Quotienten aus der Resonanzfrequenz und einer 3dB-Bandbreite der Übertragungsfunktion gegebener Gütefaktor mindestens 20.000, bevorzugt mindestens 50.000, insbesondere mindestens 70.000. Bei einer Ablenkeinrichtung mit einem derartigen Gütefaktor ergibt sich ein sehr schmaler Bereich der Resonanz mit der 3dB-Bandbreite. Auf eine derartige Ablenkeinrichtung ist die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise anwendbar, weil bei einem Verlauf der Übertragungsfunktion mit einer schmalen Spitze die Wahrscheinlichkeit, mit einer Startfrequenz des Ansteuersignals in der Nähe der Resonanzfrequenz zu einem direkt verwertbaren Kippwinkelsignal zu gelangen, deutlich reduziert ist im Vergleich zu einer Übertragungsfunktion mit einem geringeren Gütefaktor.In a further advantageous embodiment, a quality factor given by the quotient of the resonance frequency and a 3dB bandwidth of the transfer function is at least 20,000, preferably at least 50,000, in particular at least 70,000. A deflection device with such a quality factor results in a very narrow range of resonance with the 3dB bandwidth. The invention can be applied to such a deflection device in a particularly advantageous manner, because with a course of the transfer function with a narrow peak, the probability of arriving at a start frequency of the drive signal in the vicinity of the resonance frequency to a directly usable tilt angle signal is significantly reduced in comparison to FIG a transfer function with a lower quality factor.

Bevorzugt kann eine Projektionsvorrichtung zur Projektion zumindest eines Lichtstrahlenbündels auf eine Projektionsfläche eine erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung sowie zumindest eine Lichtquelle zur Erzeugung des zumindest einen Lichtstrahlbündels und eine Modulationseinheit zum Modulieren der Intensität des zumindest einen Lichtstrahlenbündels in Abhängigkeit von einem durch die Kippwinkellage und einen Einfallswinkel des Lichtstrahlenbündels ermittelbaren Projektionsort und in Abhängigkeit von einer auf der Projektionsfläche zu erzeugenden Lichtverteilung umfassen, wodurch sich eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung ergibt.A projection device for projecting at least one light beam onto a projection surface can preferably have a deflection device according to the invention and at least one light source for generating the at least one light beam and a modulation unit for modulating the intensity of the at least one light beam as a function of a projection location that can be determined by the tilt angle position and an angle of incidence of the light beam and in dependence on a light distribution to be generated on the projection surface, resulting in a projection device according to the invention.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die zumindest eine Lichtquelle als Laserlichtquelle ausgebildet, bevorzugt in Form einer Halbleiterlaserlichtquelle, insbesondere als blau emittierende Halbleiterlichtquelle. So ist beispielsweise bei einer Lichtquelle mit 40 Watt optischer Leistung bei Verwendung eines in Silizium hergestellten Spiegels mit circa 0,2 bis 2 Prozent Absorption zu rechnen, sodass eine in dem Ablenkelement entsprechend absorbierte Wärmeenergie zu einer thermisch bedingten Verschiebung der Resonanzstelle führen kann, wodurch sich in besonders vorteilhafter Weise eine Anwendungsmöglichkeit für die vorliegende Erfindung ergibt.In a preferred embodiment, the at least one light source is designed as a laser light source, preferably in the form of a semiconductor laser light source, in particular as a blue emitting semiconductor light source. For example, in a light source with 40 watts of optical power using a mirror made in silicon with about 0.2 to 2 percent absorption is expected, so that a correspondingly absorbed in the deflection heat energy can lead to a thermally induced shift of the resonance point, which in a particularly advantageous manner, an application for the present invention results.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Projektionsvorrichtung eine Projektionsfläche mit einem Konversionsleuchtstoff. Hierdurch kann von der Projektionsvorrichtung ausgehend von beispielsweise blauem Laserlicht weißes Licht mit einer vorgebbaren Projektions-Kontur bereitgestellt werden, indem die Projektionsfläche mit einem entsprechend modulierten Laserlichtstrahl abgetastet wird. In a further preferred embodiment, the projection device comprises a projection surface with a conversion luminescent material. As a result, white light having a predeterminable projection contour can be provided by the projection device starting from, for example, blue laser light, by scanning the projection surface with a correspondingly modulated laser light beam.

Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung in einer Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug eingesetzt werden, woraus sich eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ergibt. Hierdurch kann beispielsweise ein adaptiver Scheinwerfer realisiert werden. Hierbei können vorgebbare Bereiche, in denen sich beispielsweise ein vorausfahrendes oder ein entgegenkommendes Fahrzeug befindet, dunkelgetastet werden. Die Ablenkeinrichtung weist hier in vorteilhafter Weise ein um zwei Achsen beweglich gelagertes Ablenkelement (2D-Resonanzscanner) auf, welches in jeder der beiden Achsen über die erfindungsgemäßen Merkmale verfügt. Die projizierten Lichtstrahlen laufen dabei immer durch die gleichen Bereiche in Form einer Lissajous-Figur, wobei das projizierte Muster deutlich schrumpft, sobald die Ansteuerungsfrequenz nur geringfügig von der Solllage bei der Resonanz abweicht. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen kann es infolge von Erschütterungen oder von thermischen Einflüssen vorkommen, dass der Resonanzscanner aus dem Resonanzbetrieb herausfällt. Gerade für einen derartigen Anwendungsfall ist die vorliegende Erfindung gut geeignet, um ein schnelles Wiedereinrasten des Phasenregelkreises zu erzielen.Particularly preferably, a projection device according to the invention can be used in a lighting device for a motor vehicle, resulting in a lighting device according to the invention. As a result, for example, an adaptive headlight can be realized. In this case, predefinable areas in which, for example, a vehicle in front or an oncoming vehicle is located, can be darkened. The deflection device advantageously has a deflecting element (2D resonance scanner) movably mounted about two axes, which has the features according to the invention in each of the two axes. The projected light rays always run through the same regions in the form of a Lissajous figure, whereby the projected pattern clearly shrinks as soon as the activation frequency differs only slightly from the nominal position at the resonance. Especially in motor vehicles, it may happen due to shock or thermal influences that the resonance scanner falls out of resonance mode. Especially for such an application, the present invention is well suited to achieve a fast re-engagement of the phase locked loop.

Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur Projektion zumindest eines Lichtstrahlenbündels auf eine Projektionsfläche, wobei ein zumindest um eine Achse mechanisch beweglich gelagertes Ablenkelement mit einem Antriebselement zur mechanischen Anregung des Ablenkelements in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal sowie mit einem Sensorelement mechanisch gekoppelt ist, umfassend Ausgeben eines Kippwinkelsignals mittels des Sensorelements in Abhängigkeit von einer Kippwinkellage des Ablenkelements bezüglich der zumindest einen Achse, wobei eine die Abhängigkeit des Kippwinkelsignals von dem Ansteuersignal charakterisierende Übertragungsfunktion eine Resonanzstelle bei einer Resonanzfrequenz aufweist. Erfindungsgemäß wird das Verfahren weitergebildet durch Bereitstellen eines Ausgangssignals mit einem festen Phasenbezug zu dem Kippwinkelsignal und einer von der Amplitude des Kippwinkelsignals unabhängigen, vorgebbaren Ausgangsamplitude innerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereichs, welcher die Resonanzfrequenz umfasst, und Erzeugen des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal.The invention is further based on a method for projecting at least one light beam onto a projection surface, wherein a deflection element mechanically movably mounted at least about one axis is mechanically coupled to a drive element for mechanical excitation of the deflection element in response to a drive signal and to a sensor element comprising outputting a tilt angle signal by means of the sensor element in dependence on a tilt angle position of the deflection with respect to the at least one axis, wherein a dependence of the tilt angle signal of the drive signal characterizing transfer function has a resonance point at a resonant frequency. According to the invention, the method is developed by providing an output signal with a fixed phase reference to the tilt angle signal and an independent of the amplitude of the tilt angle signal, specifiable output amplitude within a presettable frequency range, which includes the resonant frequency, and generating the drive signal in response to the output signal.

Die für die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für entsprechende Verfahren und umgekehrt sowie für die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung und die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.The advantages and features and embodiments described for the deflection device according to the invention apply equally to corresponding methods and vice versa, as well as to the projection device according to the invention and the illumination device according to the invention. Consequently, corresponding device features and vice versa can be provided for device features.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention. Thus, embodiments are also included and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, however, emerge and can be produced by separated combinations of features from the embodiments explained.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Berücksichtigung der beigefügten Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.Further advantages and features will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures. In the figures, like reference numerals designate like features and functions.

Es zeigen:Show it:

1 in schematischer Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Ablenkeinrichtung gemäß der Erfindung, 1 a schematic representation of a preferred embodiment of a deflection device according to the invention,

2 in schematischer Darstellung ein konkretisiertes, erstes Ausführungsbeispiel eines Signalverarbeitungsmoduls der Ablenkeinrichtung gemäß der Darstellung in 1, 2 a schematic representation of a concrete, first embodiment of a signal processing module of the deflection device as shown in FIG 1 .

3 eine beispielhafte Darstellung zweier Graphen einer Übertragungsfunktion nach Betrag und Phasenlage in einem ersten Frequenzbereich, 3 an exemplary representation of two graphs of a transfer function in terms of magnitude and phase position in a first frequency range,

4 eine beispielhafte Darstellung der beiden Graphen aus der 3 in einem zweiten Frequenzbereich, welcher den ersten Frequenzbereich vollständig einschließt, 4 an exemplary representation of the two graphs from the 3 in a second frequency range which completely encloses the first frequency range,

5 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel des Signalverarbeitungsmoduls, und 5 a schematic representation of a second embodiment of the signal processing module, and

6 in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel des Signalverarbeitungsmoduls. 6 a schematic representation of a third embodiment of the signal processing module.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Ablenkeinheit 10 gemäß der Darstellung in 1 ein Ablenkelement 1 in Form eines resonant betriebenen Mikrospiegels, ein Antriebselement 2, welches als elektrostatischer oder elektromagnetischer oder piezoelektrischer Aktuator ausgebildet sein kann, einen Verstärker 3 für die Ansteuerung des Antriebselements 2 sowie einen Signalgenerator 4, welcher in der Frequenz abstimmbar ist, beispielsweise in Form eines spannungsgesteuerten Oszillators (voltage controlled oscillator, VCO). Die Ablenkeinrichtung 10 umfasst weiterhin ein Sensorelement 5 zur Ausgabe eines Kippwinkelsignals 11 in Abhängigkeit von einer Kippwinkellage α des Ablenkelements 1, einen Phasendetektor 6, welcher beispielsweise in Form eines Mischers vorliegen kann, sowie einen Schleifenfilter 7. Teil der erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtung 10 ist außerdem ein Signalverarbeitungsmodul 20. Das Ablenkelement 1 wird bewegt durch das Antriebselement 2, das durch ein von dem Signalgenerator 4 geliefertes Wechselspannungssignal 15 über den Verstärker 3 angesteuert wird. Zwischen das Sensorelement 5 und den Phasendetektor 6 ist das Signalverarbeitungsmodul 20 geschaltet, welches das von dem Sensorelement 5 gelieferte Kippwinkelsignal 11 aufbereitet und als Ausgangssignal 12 an den Phasendetektor 6 bereitstellt. In a preferred embodiment, a deflection unit according to the invention comprises 10 as shown in 1 a deflecting element 1 in the form of a resonantly operated micromirror, a drive element 2 , which may be formed as an electrostatic or electromagnetic or piezoelectric actuator, an amplifier 3 for the control of the drive element 2 and a signal generator 4 , which is tunable in frequency, for example in the form of a voltage controlled oscillator (VCO). The deflection device 10 further comprises a sensor element 5 for outputting a tilt angle signal 11 as a function of a tilt angle α of the deflection 1 , a phase detector 6 , which may be in the form of a mixer, for example, as well as a loop filter 7 , Part of the deflection device according to the invention 10 is also a signal processing module 20 , The deflection element 1 is moved by the drive element 2 that by one of the signal generator 4 delivered AC signal 15 over the amplifier 3 is controlled. Between the sensor element 5 and the phase detector 6 is the signal processing module 20 connected, that of the sensor element 5 supplied tilt angle signal 11 prepared and as an output signal 12 to the phase detector 6 provides.

Die Funktionen der Blöcke 4, 6, 7, also des Phasendetektors 6, des Schleifenfilters 7 und des Signalgenerators 4 werden zu einem Regelkreis 8 zusammengefasst. Zusammen mit dem Verstärker 3 bildet der Regelkreis 8 eine Steuervorrichtung 9. Ein Phasendetektor-Ausgangssignal 13, das aus dem Phasenvergleich von dem Wechselspannungssignal 15 und dem Kippwinkelsignal 11 resultiert, wird in dem Schleifenfilter 7 geglättet und gegebenenfalls verstärkt. Es stellt die Nachstimmspannung für die Frequenz des Signalgenerators 4 dar. Im eingerasteten Zustand des Regelkreises 8 sind die Frequenzen von dem Wechselspannungssignal 15 und dem Kippwinkelsignal 11 gleich, die Phasendifferenz beträgt circa 90 Grad. Die Funktionen des Regelkreises 8 sind bevorzugt mittels einer Digitalschaltung, insbesondere mittels einer programmierbaren logischen Schaltung, beispielsweise mittels eines FPGA (Field Programmable Gate Array) realisiert. Der Signalgenerator ist in diesem Fall ein NCO (numerically controlled oscillator). The functions of the blocks 4 . 6 . 7 , So the phase detector 6 , the loop filter 7 and the signal generator 4 become a control loop 8th summarized. Together with the amplifier 3 forms the control loop 8th a control device 9 , A phase detector output signal 13 resulting from the phase comparison of the AC signal 15 and the tilt angle signal 11 results in the loop filter 7 smoothed and possibly reinforced. It sets the retuning voltage for the frequency of the signal generator 4 dar. In the locked state of the control loop 8th are the frequencies of the AC signal 15 and the tilt angle signal 11 the same, the phase difference is about 90 degrees. The functions of the control loop 8th are preferably realized by means of a digital circuit, in particular by means of a programmable logic circuit, for example by means of an FPGA (Field Programmable Gate Array). The signal generator in this case is an NCO (numerically controlled oscillator).

2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des Signalverarbeitungsmoduls 20, welches eine Kaskade von Verstärkern 21, einen Tiefpass- oder Bandpassfilter 22 zur Reduzierung des Rauschens und einen Begrenzerverstärker 23, der ein weitgehend phasenrauschfreies Rechtecksignal mit konstanter Amplitude erzeugt, umfasst. Dieses Rechtecksignal kann einen konstanten Phasen-Offset beinhalten, ohne dass dies die erfindungsgemäße Funktion beeinträchtigt. Das Signalverarbeitungsmodul 20 kann beispielsweise mittels eines in der Hochfrequenztechnik bekannten und bei Mobilfunkgeräten eingesetzten Bausteins wie dem SA614A (low power FM IF system) realisiert sein. 2 shows an advantageous embodiment of the signal processing module 20 which is a cascade of amplifiers 21 , a lowpass or bandpass filter 22 to reduce noise and a limiter amplifier 23 who ein generates largely phase noise free square wave signal with constant amplitude includes. This square wave signal may include a constant phase offset without affecting the function of the invention. The signal processing module 20 can for example be realized by means of a known in high-frequency technology and used in mobile devices devices such as the SA614A (low power FM IF system).

Die Amplitude des Kippwinkels α hängt stark von der Lage der Ansteuerfrequenz, das heißt der Frequenz des Wechselspannungssignals 15 zu einer jeweiligen Resonanzfrequenz F₀ ab. Die Resonanzfrequenz F₀ kann hierbei insbesondere eine Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen. Zweckmäßigerweise wird das Ablenkelement 1 im Maximum einer Übertragungsfunktion 31 bei der Resonanzfrequenz F₀ betrieben, wie in der 3 dargestellt. The amplitude of the tilt angle α depends strongly on the position of the drive frequency, that is, the frequency of the AC signal 15 to a respective resonance frequency F ₀ . The resonant frequency F ₀ can in this case in particular have a dependence on the temperature. Conveniently, the deflection element 1 in the maximum of a transfer function 31 operated at the resonant frequency F ₀ , as in the 3 shown.

In dem Diagramm gemäß der Darstellung in 3 ist auf der Abszisse ein normierter Frequenz-Offset f_offset aufgetragen, wobei eine Einheit des Frequenzversatzes bezüglich der Resonanzfrequenz F₀ hier durch die sogenannte 3dB-Bandbreite ΔF = F₀/Q gegeben ist, wobei Q die Resonatorgüte bezeichnet. Über dem normierten Frequenz-Offset f_offset ist die normierte Transferfunktion 31 aufgetragen, die zugehörige Ordinate ist mit G beschriftet und logarithmisch von 0,1 bis 1,0 skaliert. Auf der Abszisse ist der Wert 0 außerdem mit einem Hinweis auf die Resonanzfrequenz F₀ bei dem Wert 0 versehen. In entsprechender Weise ist eine Phasenübertragungsfunktion 32 aufgetragen, die zugehörige Ordinate ist mit φ beschriftet und von 0 bis 180 Grad linear skaliert. Die Phasenübertragungsfunktion 32 weist einen monoton steigenden Verlauf auf und bei einem normierten Frequenz-Offset f_offset = 0 einen Phasenwert von 90 Grad. Der Wert der Übertragungsfunktion 31 bei der Resonanzfrequenz F₀ ist definitionsgemäß auf den Wert 1,0 eingestellt. Bei den Werten +5 und –5 für den normierten Frequenz-Offset f_offset beträgt der Wert der Übertragungsfunktion 31 circa 0,1, das heißt ungefähr 10 Prozent des Maximums bei der Resonanzfrequenz F₀. Die 3dB-Bandbreite ΔF ist ebenfalls in dem Diagramm eingezeichnet und erstreckt sich gemäß einer typischen Darstellung eines Signals in Bandpasslage in der Darstellung gemäß der 3 von einem normierten Frequenz-Offset f_offset = –0,5 bis zu dem Frequenz-Offset f_offset = +0,5. Der zugehörige Wert der Übertragungsfunktion 31 beträgt hier jeweils 70,7 Prozent = 1/√2. Mit einer Ablenkeinrichtung gemäß dem Stand der Technik, das heißt ohne ein Signalverarbeitungsmodul 20, welches zwischen das Sensorelement 5 und den Phasendetektor 6 geschaltet ist, das heißt bei einer direkten Aufschaltung des Kippwinkelsignals 11 auf den Phasendetektor 6, ist ungefähr ein Fangbereich realisierbar, der dem Umfang entspricht, wie in der 3 dargestellt.In the diagram as shown in 3 is a normalized frequency offset f_offset plotted on the abscissa, wherein a unit of the frequency offset with respect to the resonant frequency F _{0 is given} here by the so-called 3dB bandwidth .DELTA.F = F ₀ / Q, where Q denotes the resonator quality. Above the normalized frequency offset f_offset is the normalized transfer function 31 the associated ordinate is labeled G and scaled logarithmically from 0.1 to 1.0. On the abscissa, the value 0 is also provided with an indication of the resonance frequency F ₀ at the value 0. Similarly, a phase transfer function 32 plotted, the associated ordinate is labeled with φ and scaled linearly from 0 to 180 degrees. The phase transfer function 32 has a monotonically increasing profile and at a normalized frequency offset f_offset = 0 a phase value of 90 degrees. The value of the transfer function 31 at the resonance frequency F ₀ is set by definition to the value 1.0. For the values +5 and -5 for the normalized frequency offset f_offset, the value of the transfer function is 31 about 0.1, that is about 10 percent of the maximum at the resonant frequency F ₀ . The 3dB bandwidth .DELTA.F is also plotted in the diagram and extends according to a typical representation of a signal in bandpass position in the illustration according to FIG 3 from a normalized frequency offset f_offset = -0.5 to the frequency offset f_offset = +0.5. The associated value of the transfer function 31 here is 70.7 percent = 1 / √2. With a deflection device according to the prior art, that is without a signal processing module 20 which is between the sensor element 5 and the phase detector 6 is switched, that is, in a direct connection of the tilt angle signal 11 on the phase detector 6 , Approximately a catch area is feasible, which corresponds to the scope, as in the 3 shown.

4 zeigt einen größeren Ausschnitt der Darstellung gemäß der 3, das heißt die Darstellung der 3 stellt das oberste Drittel eines mittleren schmalen Streifens bei der Resonanzfrequenz F₀ aus der 4 dar. Dies gilt für die Übertragungsfunktion 31, wohingegen für die Phasenübertragungsfunktion 32 alle drei Drittel des mittleren Streifens aufgrund der gleichen Skalierung des Phasenwinkels wie in der 3 relevant sind. Der Darstellungsumfang der 4 entspricht einem durch die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung 10 realisierbaren Fangbereich, was ungefähr einer Vergrößerung des Bereichs um den Faktor 80 darstellt. 4 shows a larger section of the representation according to the 3 that is the representation of the 3 represents the top third of a middle narrow strip at the resonant frequency F ₀ of the 4 This applies to the transfer function 31 whereas for the phase transfer function 32 all three thirds of the middle stripe due to the same scaling of the phase angle as in the 3 are relevant. The presentation scope of 4 corresponds to a deflection device according to the invention 10 feasible capture range, which is approximately an increase of the range by a factor of 80.

Zur Funktionsweise sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Bedarf an Ansteuerleistung umso geringer ist, je höher eine Resonatorgüte Q ist. Neben der Transferfunktion ist die Phasendifferenz zwischen Anregungssignal, das heißt Ansteuersignal 16, und Resonatorschwingung in Form des Kippwinkelsignals 11 dargestellt. Der Einfachheit halber sei hier angenommen, dass zwischen dem Kippwinkelsignal 11 und der Kippwinkellage α ein proportionaler Zusammenhang besteht. Die Phasendifferenz ist 90 Grad bei der Resonanzfrequenz F₀, von 0 auf 90 Grad ansteigend bei Anregungsfrequenzen unter F₀, sowie größer 90 Grad und auf 180 Grad ansteigend bei Frequenzen über der Resonanzfrequenz F₀.As far as the mode of operation is concerned, it should be noted at this point that the higher a resonator Q is, the lower the requirement for drive power. In addition to the transfer function, the phase difference between the excitation signal, that is the drive signal 16 , and resonator oscillation in the form of the tilt angle signal 11 shown. For the sake of simplicity, it is assumed here that between the tilt angle signal 11 and the tilt angle α exists in a proportional relationship. The phase difference is 90 degrees at the resonant frequency F ₀ , increasing from 0 to 90 degrees at excitation frequencies below F ₀ , and greater than 90 degrees and increasing to 180 degrees at frequencies above the resonant frequency F ₀ .

Da die Lage der Resonanzfrequenz F₀ unter anderem von der Temperatur abhängt (typischer Temperaturkoeffizient TK = 30 ppm pro Kelvin für Silizium-basierte Resonatoren), ist in der Praxis eine Frequenzregelung des Ansteuersignals 16 nötig, damit die Frequenz des Signalgenerators 4 entsprechend den Änderungen der Resonanzfrequenz F₀ nachgesteuert werden kann.Since the position of the resonance frequency F ₀ depends, inter alia, on the temperature (typical temperature coefficient TK = 30 ppm per Kelvin for silicon-based resonators), in practice a frequency control of the drive signal 16 necessary, hence the frequency of the signal generator 4 can be adjusted according to the changes in the resonant frequency F ₀ .

Bei Scannerspiegeln mit sehr hoher Resonator-Güte Q (bisher wurden Q-Werte bis über 70.000 realisiert) beträgt die 3dB-Bandbreite, die für die Anregung genutzt werden kann, nur wenige ppm. Das stellt an die Frequenzregelung, die dafür zu sorgen hat, dass die Amplitude des Kippwinkels α bei Temperaturschwankungen und bei harten Umweltbedingungen beispielsweise durch Vibrationen oder Schocks konstant bleibt, sehr hohe Ansprüche. Bei Q = 50.000 beträgt ΔF/F₀ = 20 ppm. Das heißt, bei einer Temperaturänderung von nur 0,3 Kelvin verschiebt sich die Resonanzfrequenz um ΔF/2, was (ohne Frequenzregelung) zu einer Verringerung der Winkelamplitude der Kippwinkellage α um 30 Prozent führt.With very high resonator quality Q scanner mirrors (up to now, Q values up to over 70,000 have been realized), the 3dB bandwidth that can be used for the excitation is only a few ppm. This places very high demands on the frequency control, which ensures that the amplitude of the tilt angle α remains constant in the case of temperature fluctuations and harsh environmental conditions, for example due to vibrations or shocks. At Q = 50,000, ΔF / F ₀ = 20 ppm. That is, with a temperature change of only 0.3 Kelvin, the resonance frequency shifts by .DELTA.F / 2, which (without frequency control) leads to a reduction of the angular amplitude of the tilt angle α by 30 percent.

Diese Zusammenhänge gelten auch für eine Klasse von elektrostatisch angetriebenen Scannerspiegeln, bei denen die elektrostatische Kraft einen nicht linearen Verlauf hat. Das führt zu einer stark asymmetrischen Resonanzkurve mit sehr steilem Abfall auf einer Seite und Hysterese-Effekten bei der Resonanzkurve. Bei solchen Scannerspiegeln kann eine sehr geringfügige Änderung der Resonanzfrequenz zum Aussetzen der Schwingung führen. Die erfindungsgemäße Lösung zielt somit darauf ab, den Fangbereich dadurch zu vergrößern, dass unter allen Umständen, das heißt allen vorkommenden Frequenzabständen zwischen dem Signalgenerator 4 und der Resonanzfrequenz F₀ ein verwertbares Eingangssignal des Lagesensors in Form des Ausgangssignals 12 vorhanden ist. Dadurch wird beim Ausrasten der Regelung ein schnelles Wiedereinrasten erreicht.These relationships also apply to a class of electrostatically driven scanner mirrors in which the electrostatic force has a nonlinear course. This leads to a strongly asymmetric resonance curve with very steep drop on one side and hysteresis effects on the resonance curve. In such Scanner mirrors can cause a very small change in the resonant frequency to suspend oscillation. The solution according to the invention thus aims to increase the capture range by the fact that under all circumstances, that is, all occurring frequency intervals between the signal generator 4 and the resonance frequency F _{0 is} a usable input signal of the position sensor in the form of the output signal 12 is available. As a result, a quick re-engagement is achieved when disengaging the control.

Ein zweites von dem Signalverarbeitungsmodul 20 abgeleitetes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsmoduls ist als Signalverarbeitungsmodul 120 in 5 dargestellt. Das Signalverarbeitungsmodul 120 weist einer Kaskade von Verstärkern 121, ein Filter 122 sowie einen Begrenzerverstärker 123 auf. Das Filter 122 ist adaptiv, das heißt die Bandbreite des Filters 122 wird bei einem abnehmenden Pegel des Signals 13 reduziert und somit die Rauschunterdrückung bei niedrigen Werten des Ausgangssignals 12 gesteigert. Zusätzliche Komponenten sind hier ein Pegeldetektor 124 sowie eine Umschalteinrichtung 125, welche auf das Filter 122 einwirkt. Eingangssignale des Pegeldetektors 124 können von der Kaskade von Verstärkern 121 und/oder von dem Begrenzungsverstärker 123 bereitgestellt sein. A second one from the signal processing module 20 derived embodiment of a signal processing module according to the invention is as a signal processing module 120 in 5 shown. The signal processing module 120 has a cascade of amplifiers 121 , a filter 122 and a limiter amplifier 123 on. The filter 122 is adaptive, that is the bandwidth of the filter 122 becomes at a decreasing level of the signal 13 reduces and thus the noise reduction at low values of the output signal 12 increased. Additional components here are a level detector 124 and a switching device 125 pointing to the filter 122 acts. Input signals of the level detector 124 can from the cascade of amplifiers 121 and / or the limiting amplifier 123 be provided.

Ein drittes von dem Signalverarbeitungsmodul 20 abgeleitetes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsmoduls ist als Signalverarbeitungsmodul 220 in 6 dargestellt. Das Signalverarbeitungsmodul 220 weist einer Kaskade von Verstärkern 221, ein Filter 222 sowie einen Begrenzerverstärker 223 auf. Das Signalverarbeitungsmodul 220 weist neben einem Pegeldetektor 224 eine Verstärkungsregel-Einheit 225 auf, welche zur Erzielung einer besseren Signalform bei zunehmenden Werten des Kippwinkelsignals 11 den Verstärkungsfaktor der Kaskade von Verstärkern 222 reduziert, um eine Übersteuerung zu vermeiden. Der Pegeldetektor 224 kann hierbei Eingangssignale von der Kaskade von Verstärkern 221 und/oder von dem Begrenzungsverstärker 223 erhalten. A third from the signal processing module 20 derived embodiment of a signal processing module according to the invention is as a signal processing module 220 in 6 shown. The signal processing module 220 has a cascade of amplifiers 221 , a filter 222 and a limiter amplifier 223 on. The signal processing module 220 points next to a level detector 224 a gain control unit 225 which is used to obtain a better waveform with increasing values of the tilt angle signal 11 the amplification factor of the cascade of amplifiers 222 reduced to avoid overdriving. The level detector 224 can input signals from the cascade of amplifiers 221 and / or the limiting amplifier 223 receive.

Weiterhin können die Merkmale der Signalverarbeitungsmodule 120 und 220 beliebig kombiniert werden. Insbesondere kann es sich bei den Pegeldetektoren 124 und 224 um die gleichen Pegeldetektoren handeln, es kann auch vorgesehen sein, diese für die unterschiedlichen Anwendungen mit entsprechend angepassten Schwellen zu konfigurieren. Ebenso ist selbstverständlich eine andere hochverstärkende Schaltungsanordnung auch einsetzbar, da ein übersteuerter Verstärker per se das Signal begrenzt. Der Signalverlauf kann jedoch aufgrund der Übersteuerung von der Idealform abweichen.Furthermore, the features of the signal processing modules 120 and 220 can be combined arbitrarily. In particular, it may be the level detectors 124 and 224 can be the same level detectors, it can also be designed to configure them for the different applications with appropriately adjusted thresholds. Likewise, of course, another high-gain circuit arrangement can also be used, since an overdriven amplifier per se limits the signal. However, the signal curve may deviate from the ideal shape due to overdriving.

Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Insbesondere die konkreten Ausgestaltungen der Signalverarbeitungsmodule 20, 120, 220 sowie der Steuervorrichtung 9 können beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.The embodiments are only illustrative of the invention and are not limiting for these. In particular, the specific embodiments of the signal processing modules 20 . 120 . 220 and the control device 9 can be arbitrarily designed without departing from the spirit of the invention.

Somit wurde voranstehend gezeigt, wie die Frequenzregelung für resonante Mikrospiegel verbessert werden kann. Insbesondere wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtung in einer Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, nämlich in einem LARP(laser activated remote phosphor)-basierten adaptiven Frontscheinwerfer für Kraftfahrzeuge.Thus, it has been shown above how the frequency control for resonant micromirrors can be improved. In particular, the use of the deflection device according to the invention in a lighting device for a motor vehicle is proposed, namely in a LARP (laser activated remote phosphor) -based adaptive headlight for motor vehicles.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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DE 102009058762 A1 [0005]

Claims

Deflection device ( 10 ) for a projection device for projecting at least one light beam onto a projection surface, with - a deflection element mounted mechanically movably at least about one axis ( 1 ), - a drive element ( 2 ) for the mechanical excitation of the deflecting element ( 1 ) in response to a drive signal ( 16 ), and with - a sensor element ( 5 ) for outputting a tilt angle signal ( 11 ) in dependence on a tilt angle position (α) of the deflection element ( 1 ) with respect to the at least one axis, wherein the deflection element ( 1 ), the drive element ( 2 ) and the sensor element ( 5 ) are mechanically coupled to each other, and one of the dependence of the tilt angle signal ( 11 ) from the drive signal ( 16 ) characterizing transfer function ( 31 ) has a resonance point at a resonance frequency (F ₀ ), characterized by - a signal processing module ( 20 ), which on the input side with the sensor element ( 5 ) and is designed, within a predefinable frequency range, which comprises the resonance frequency (F ₀ ), an output signal ( 12 ) with a fixed phase reference to the tilt angle signal ( 11 ) and one of the amplitude of the tilt angle signal ( 11 ) to provide independent, predeterminable output amplitude, and - a control device ( 9 ) for generating the drive signal ( 16 ) in dependence on the output signal ( 12 ).

Deflection device ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the control device ( 9 ) a phase locked loop ( 8th ), wherein the signal processing module ( 20 ) is configured to latch the phase control ( 8th ) in a capture region including the resonant frequency (F ₀ ) having a width of at least two hundred times a 3dB bandwidth (ΔF).

Deflection device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control device ( 9 ) a phase detector ( 6 ), in particular in the form of a mixer, and / or a loop filter ( 7 ) and / or a signal generator ( 4 ), preferably in the form of a voltage-controlled oscillator.

Deflection device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the signal processing module ( 20 ) an amplifier cascade ( 21 . 121 . 221 ), a lowpass or bandpass filter ( 22 . 122 . 222 ) as well as a limiter amplifier ( 23 . 123 . 223 ) having.

Deflection device ( 10 ) according to claim 4, characterized in that the low pass or band pass filter ( 22 . 122 . 222 ) is adapted to be adaptive by having a decreasing level at the amplifier cascade ( 21 . 121 . 221 ) and / or on the limiter amplifier ( 23 . 123 . 223 ) the bandwidth of the lowpass or bandpass filter ( 22 . 122 . 222 ) is reduced.

Deflection device ( 10 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the amplifier cascade ( 21 . 121 . 221 ) is adapted, at an increasing level at the amplifier cascade ( 21 . 121 . 221 ) and / or on the limiter amplifier ( 23 . 123 . 223 ) the amplification factor of the amplifier cascade ( 21 . 121 . 221 ) to reduce.

Deflection device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection element ( 1 ) is formed on the basis of a micromechanically manufactured in silicon scanner mirror.

Deflection device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the predefinable frequency range comprises at least one region in which the value of the amount-related part of the transfer function ( 31 ) at least 10 percent of a maximum value of the amount-related part of the transfer function ( 31 ) at the resonant frequency (F ₀ ), preferably at least one region in which the value is at least 1 percent, in particular at least one region in which the value is at least 0.1 percent.

Deflection device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a by the quotient of the resonance frequency (F ₀ ) and a 3dB bandwidth (.DELTA.F) of the transfer function ( 31 ) given quality factor (Q) is at least 20,000, preferably at least 50,000, in particular at least 70,000.

Projection device for projecting at least one light beam onto a projection surface with a deflection device ( 10 ) according to one of the preceding claims, comprising: - at least one light source for generating the at least one light beam, and - a modulation unit for modulating the intensity of the at least one light beam as a function of a by the tilt angle position (α) and an angle of incidence of the light beam detectable projection location and depending on a light distribution to be generated on the projection surface.

Projection device according to claim 10, characterized in that the at least one light source is designed as a laser light source, preferably in the form of a semiconductor laser light source, in particular as a blue emitting semiconductor laser light source.

Projection device according to claim 10 or 11, characterized by a projection surface with a conversion luminescent material.

Lighting device for a motor vehicle with a projection device according to one of claims 10 to 12.

Method for projecting at least one light beam onto a projection surface, wherein a deflection element mounted mechanically movably at least about an axis ( 1 ) with a drive element ( 2 ) for the mechanical excitation of the deflecting element ( 1 ) in dependence on a drive signal and with a sensor element ( 5 ) is mechanically coupled, comprising: outputting a tilt angle signal ( 11 ) by means of the sensor element ( 5 ) in dependence on a tilt angle position (α) of the deflection element ( 1 ) with respect to the at least one axis, wherein one of the dependence of the tilt angle signal ( 11 ) from the drive signal ( 16 ) characterizing transfer function ( 31 ) has a resonance point at a resonance frequency (F ₀ ), and characterized by - providing an output signal ( 12 ) with a fixed phase reference to the tilt angle signal ( 11 ) and one of the amplitude of the tilt angle signal ( 11 ) independent, predeterminable output amplitude within a predefinable frequency range, which comprises the resonance frequency (F ₀ ), and - generating the drive signal ( 16 ) in dependence on the output signal ( 12 ).