DE102016209946A1 - Apparatus and method for projecting a light pattern - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters (70). Die Vorrichtung (10) ist ausgebildet mit: einer Superkontinuums-Lasereinrichtung (12), mittels welcher ein weißer Laserstrahl (51) erzeugbar ist; einer Selektoreinrichtung (14), mittels welcher der erzeugte weiße Laserstrahl (51) zum Projizieren des Lichtmusters (70) selektiv in eine Anzahl von Raumwinkelbereichen leitbar ist; und einer Streuscheibe (16), welche im Strahlengang des erzeugten Laserstrahls (51) vor oder nach der Selektoreinrichtung (14) angeordnet ist.The invention provides a device (10) and a method of apparatus for projecting a light pattern (70). The device (10) is formed with: a supercontinuum laser device (12), by means of which a white laser beam (51) can be generated; a selector means (14) by means of which the generated white laser beam (51) for projecting the light pattern (70) can be selectively guided into a number of solid angle ranges; and a diffuser (16) which is arranged in the beam path of the laser beam (51) generated before or after the selector device (14).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Projizieren eines Lichtmusters. Die Vorrichtung kann insbesondere als ein adaptiver Scheinwerfer oder als Teil eines adaptiven Scheinwerfers, als ein Rücklicht oder Richtungswechselanzeiger oder als Teil eines Rücklichts oder Richtungswechselanzeigers, insbesondere in einem Fahrzeug, eingesetzt werden.The present invention relates to an apparatus and a method for projecting a light pattern. The device can in particular be used as an adaptive headlight or as part of an adaptive headlight, as a tail light or direction change indicator or as part of a tail light or direction change indicator, in particular in a vehicle.
Stand der TechnikState of the art
In modernen Scheinwerfersystemen für Fahrzeuge zum Teil adaptive Scheinwerfersysteme eingesetzt, welche es erlauben, eine Leuchtrichtung oder ein Beleuchtungsprofil des Scheinwerfersystems dynamisch an eine Verkehrssituation anzupassen. Beispielsweise wird bei dem sogenannten Kurvenlicht ein Fahrzeugscheinwerfer so gesteuert, dass dessen Lichtkegel einer Kurve folgt, die das Fahrzeug mit dem Scheinwerfer gerade befährt, statt tangential aus der Kurve hinaus zu leuchten.In modern headlamp systems for vehicles partially adaptive headlamp systems used, which allow to adapt a lighting direction or a lighting profile of the headlamp system dynamically to a traffic situation. For example, in the so-called cornering light, a vehicle headlamp is controlled so that its light cone follows a curve that drives the vehicle with the headlamp, instead of tangentially out of the curve to light.
Scheinwerfersysteme, die in der Lage sind, Lichtmuster zu projizieren, die an das Verkehrsgeschehen anpassbar sind, können beispielsweise so gesteuert werden, dass ein entgegenkommendes Fahrzeug gezielt von dem Lichtkegel des Scheinwerfersystems ausgenommen wird. For example, headlamp systems that are capable of projecting light patterns that are adaptable to the traffic can be controlled so that an oncoming vehicle is purposefully excluded from the light cone of the headlamp system.
In der
Superkontinuumslaser (engl. „supercontinuum“) werden vereinzelt im wissenschaftlichen Umfeld eingesetzt und basieren auf der so genannten Superkontinuum-Generation. Unter einer Superkontinuum-Generation (engl. „supercontinuum generation“) versteht man ein Verfahren, in welchem Laserlicht zu Licht mit einer sehr großen spektralen Bandbreite konvertiert wird, wobei die räumliche Kohärenz üblicherweise hoch bleibt. Die spektrale Verbreiterung wird für gewöhnlich dadurch erreicht, dass ein ursprünglicher optischer Puls durch eine stark nichtlineares optisches Element geleitet wird. Solche Elemente können beispielsweise optische Fasern mit einer Wellenleitungsstruktur oder photonische Kristallfasern (engl. „photonic crystal fibers“) sein. Der durch die Superkontinuum-Generation erzeugte Laserstrahl wird wegen seines breiten Spektrums und dessen Wirkung auf das menschliche Auge auch als „weißer Laserstrahl“ bezeichnet.Supercontinuum (supercontinuum) lasers are used occasionally in the scientific environment and are based on the so-called supercontinuum generation. Supercontinuum generation is a process in which laser light is converted to light with a very broad spectral bandwidth, with spatial coherence usually staying high. Spectral broadening is usually accomplished by passing an original optical pulse through a highly nonlinear optical element. Such elements may be, for example, optical fibers having a waveguiding structure or photonic crystal fibers. The laser beam generated by the supercontinuum generation is also called a "white laser beam" because of its broad spectrum and its effect on the human eye.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Projizieren eines Lichtmusters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.The present invention discloses an apparatus for projecting a light pattern having the features of claim 1 and a method for projecting a light pattern having the features of
Demgemäß ist eine Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters vorgesehen, mit: einer Superkontinuums-Lasereinrichtung, mittels welcher ein weißer Laserstrahl erzeugbar ist; einer Selektoreinrichtung, mittels welcher der erzeugte weiße Laserstrahl zum Projizieren des Lichtmusters selektiv in eine Anzahl von Raumwinkelbereichen leitbar ist; und einer Streuscheibe, welche im Strahlengang des erzeugten Laserstrahls vor oder nach der Selektoreinrichtung angeordnet ist. Die Streuscheibe dient insbesondere zum Aufweiten des Laserstrahls zur Verbesserung z.B. der Augensicherheit. Die Streuscheibe umfasst insbesondere Glas oder Kunststoff mit einer Struktur zur Aufweitung von kohärenter Laserstrahlung.Accordingly, there is provided an apparatus for projecting a light pattern, comprising: a supercontinuum laser device by means of which a white laser beam can be generated; a selector means by which the generated white laser beam for projecting the light pattern can be selectively guided into a number of solid angle ranges; and a diffuser, which is arranged in the beam path of the laser beam generated before or after the selector device. In particular, the diffuser serves to expand the laser beam to improve e.g. the eye safety. In particular, the diffuser comprises glass or plastic having a structure for expanding coherent laser radiation.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Projizieren eines Lichtmusters bereitgestellt, mit den Schritten: Steuern einer Superkontinuums-Lasereinrichtung zum Erzeugen eines weißen Laserstrahls; und selektives Leiten des erzeugten weißen Laserstrahls in eine Anzahl von Raumwinkelbereichen zum Projizieren des Lichtmusters derart, dass im Strahlengang des erzeugten Laserstrahls eine Streuscheibe angeordnet ist.Furthermore, there is provided a method of projecting a light pattern, comprising the steps of: controlling a supercontinuum laser device to generate a white laser beam; and selectively directing the generated white laser beam into a plurality of solid angle regions for projecting the light pattern such that a diffusion plate is disposed in the beam path of the generated laser beam.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt einen Laserstrahl mit einem besonders breiten Spektrum, beispielsweise mit Anteilen mit allen, oder mit im wesentlichen allen, Wellenlängen von 400 bis 1700 Nanometern bereit. Licht aus dem sichtbaren Spektrum des Laserstrahls kann für eine Ausleuchtung, beispielsweise einer Straße, verwendet werden. Gleichzeitig können unsichtbare Anteile, z.B. Infrarotlicht-Anteile des projizierten Laserstrahls für eine Beleuchtung und Detektion verwendet werden, beispielsweise für LIDAR-Anwendungen. Für LIDAR-Systeme eignet sich beispielsweise Laserlicht mit einer Wellenlänge im Nah-Infrarotbereich (NIR) von z.B. 1064 Nanometern gut.The device according to the invention provides a laser beam with a particularly broad spectrum, for example with proportions with all, or with essentially all, wavelengths from 400 to 1700 nanometers. Light from the visible spectrum of the laser beam can be used for illumination, for example, a road. At the same time, invisible portions, e.g. Infrared light portions of the projected laser beam can be used for illumination and detection, for example for LIDAR applications. For LIDAR systems, for example, laser light having a near-infrared wavelength (NIR) of e.g. 1064 nanometers good.
Der durch die Superkontinuums-Lasereinrichtung bereitgestellte Laserstrahl weist eine hohe Strahlqualität auf, wodurch sich der optische Strahlengang durch die Vorrichtung hindurch vereinfachen kann. Somit kann die Dimensionierung der Selektoreinrichtung sowie weiterer optischer Komponenten im Strahlengang verringert werden, wodurch die Dimensionierung der Vorrichtung insgesamt vorteilhaft verringerbar ist.The laser beam provided by the supercontinuum laser device has a high beam quality, which can simplify the optical beam path through the device. Thus, the dimensioning of the selector device and other optical components in the beam path can be reduced, whereby the dimensioning of the device is overall advantageously reduced.
Weiterhin kann vorteilhaft auf das Bereitstellen bzw. Verwenden eines Phosphor-Konverters verzichtet werden. Phosphor-Konverter konvertieren üblicherweise – mit entsprechenden Verlusten – blaues Laserlicht in eine Mischung aus blauem und gelbem Laserlicht, um insgesamt weißes Laserlicht zu erhalten. Gegenüber Lösungen mit Phosphor-Konvertern kann erfindungsgemäß eine Farbtemperatur des zum Projizieren des Lichtmusters verwendeten Laserstrahls während des Betriebs angepasst werden.Furthermore, it can be advantageous to dispense with the provision or use of a phosphorus converter. Phosphor converters usually convert - with corresponding losses - blue laser light in a mixture of blue and yellow laser light to obtain a total of white laser light. Compared to solutions with phosphorus converters, a color temperature of the laser beam used for projecting the light pattern can be adjusted during operation according to the invention.
Im Vergleich zu Lösungen, welche Hochleistungs-Laserdioden zum Erzeugen von Laserstrahlen zum Projizieren von Lichtmustern verwenden, weist die erfindungsgemäße Lösung eine längere Lebensdauer auf.Compared to solutions using high power laser diodes for generating laser beams for projecting light patterns, the solution according to the invention has a longer lifetime.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Selektoreinrichtung als eine Ablenkeinrichtung ausgebildet, welche zum Ablenken des weißen Laserstrahls ausgebildet ist. Die Ablenkeinrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere Mikrospiegel aufweisen. Somit ist zum Projizieren des Lichtmusters ein Raumbereich nach Art eines Laserscanners abrasterbar.According to an advantageous development, the selector device is designed as a deflection device, which is designed to deflect the white laser beam. The deflection device can have, for example, one or more micromirrors. Thus, a spatial area in the manner of a laser scanner can be scanned to project the light pattern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Selektoreinrichtung als ein Array von selektiv den Laserstrahl weiterleitend oder nicht-weiterleitend schaltbaren Pixeln ausgebildet. Die Vorrichtung ist somit vorteilhaft in so genannten DLP-Projektoren verwendbar, beispielsweise als Beamer, d.h. als Bildprojektor. In diesem Fall kann das zu projizierende Lichtmuster beispielsweise ein Foto, ein Video, eine Präsentationsfolie oder dergleichen sein. Weiterhin kann die Vorrichtung auch vorteilhaft zum Beleuchten von – durch externe Vorrichtungen – erfassten Objekten verwendet werden.According to a further advantageous embodiment, the selector device is designed as an array of selectively the laser beam forwarding or non-forwarding switchable pixels. The device is thus advantageously usable in so-called DLP projectors, for example as a projector, i. as an image projector. In this case, the light pattern to be projected may be, for example, a photograph, a video, a presentation slide, or the like. Furthermore, the device can also be advantageously used for illuminating objects detected by external devices.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Array ein Array von Mikrooptiken. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Array ein Grating Light Valve (GLV). Grating Light Valves ermöglichen eine hohe Helle des zu projizierenden Lichtmusters und gute Kontrastwerte. Sie bieten eine hohe Auflösung und sind mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand herstellbar.According to a further advantageous development, the array is an array of micro-optics. According to a further advantageous development, the array is a Grating Light Valve (GLV). Grating Light Valves allow a high brightness of the light pattern to be projected and good contrast values. They offer a high resolution and can be produced with relatively little technical effort.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der weiße Laserstrahl von der Superkontinuums-Lasereinrichtung zu der Selektoreinrichtung in einer optischen Faser geleitet. Dadurch sind Ort der Lasererzeugung und Ort der Laserselektion (z.B. Ablenkung) voneinander trennbar, was wiederum zusätzliche Designfreiheit sowie bessere Kühlungsmöglichkeiten ermöglicht.According to a further advantageous development, the white laser beam is conducted from the supercontinuum laser device to the selector device in an optical fiber. As a result, the location of the laser generation and the location of the laser selection (for example deflection) can be separated from each other, which in turn allows additional design freedom and better cooling possibilities.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist im Strahlengang des weißen Laserstrahls eine Filtereinrichtung zum Modifizieren einer Farbtemperatur und/oder zum Modifizieren einer Spektrumszusammensetzung des Laserstrahls angeordnet. Hierdurch ist der Laserstrahl für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten anpassbar.According to a further advantageous development, a filter device for modifying a color temperature and / or for modifying a spectrum composition of the laser beam is arranged in the beam path of the white laser beam. As a result, the laser beam for a variety of applications is customizable.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Vorrichtung als ein portabler oder stationärer Beamer ausgebildet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Vorrichtung als ein Scheinwerfer ausgebildet, insbesondere als ein Fahrzeugscheinwerfer oder als ein an einem Gebäude installierter Scheinwerfer. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Vorrichtung als ein Rücklicht oder als ein Richtungswechselanzeiger ausgebildet.According to a further advantageous embodiment, the device is designed as a portable or stationary projector. According to a further advantageous development, the device is designed as a headlight, in particular as a vehicle headlight or as a headlight installed on a building. According to a further preferred development, the device is designed as a tail light or as a direction change indicator.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the schematic figures of the drawings. Show it:
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals. The numbering of process steps is for clarity and should in particular, unless otherwise stated, imply a particular chronological order. In particular, several method steps can be carried out simultaneously.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die Vorrichtung
Mittels einer Selektoreinrichtung
Wird der Laserstrahl
Das projizierte Lichtmuster
Zwischen der Superkontinuums-Lasereinrichtung
Bei der Vorrichtung
Die Streuscheibe
Transmissionsleistungskurven
Die Streuscheibe
Bevorzugt weist die Streuscheibe
Weiterhin weist die Streuscheibe
Der zweite Abstrahlwinkelbetragswert ist gleich dem ersten Abstrahlwinkelbetragswert oder ist, bevorzugt, größer als der erste Abstrahlwinkelbetragswert. Der zweite Abstrahlwinkelbetragswert ist bevorzugt größer oder gleich fünf Grad, besonders bevorzugt größer oder gleich zehn Grad, insbesondere größer oder gleich fünfzehn Grad oder größer oder gleich zwanzig Grad. Der zweite Abstrahlwinkelbetragswert ist außerdem bevorzugt kleiner oder gleich dreißig Grad, besonders bevorzugt kleiner oder gleich fünfundzwanzig Grad, insbesondere kleiner oder gleich zwanzig Grad.The second irradiation angle amount value is equal to the first irradiation angle amount value or is, preferably, larger than the first irradiation angle amount value. The second radiation angle value is preferably greater than or equal to five degrees, more preferably greater than or equal to ten degrees, in particular greater than or equal to fifteen degrees or greater than or equal to twenty degrees. The second radiation angle amount value is also preferably less than or equal to thirty degrees, more preferably less than or equal to twenty-five degrees, in particular less than or equal to twenty degrees.
Der erste und/oder der zweite Abstrahlwinkelbetragswert liegen bevorzugt beide zwischen 10° und 20°, insbesondere zwischen 15° und 20°. Alternativ, oder zusätzlich, sind der erste und/oder der zweite Abstrahlwinkelbetragswert voneinander bevorzugt weniger als 10°, insbesondere weniger als 5° voneinander entfernt. Grundsätzlich sind solche Konfigurationen besonders bevorzugt, welche einen besonders steilen Abfall der normierten optischen Transmissionsleistung zur Folge haben. The first and / or second Abstrahlwinkelbetragswert are preferably both between 10 ° and 20 °, in particular between 15 ° and 20 °. Alternatively, or additionally, the first and / or second Abstrahlwinkelbetragswert each other preferably less than 10 °, in particular less than 5 ° apart. In principle, those configurations are particularly preferred which result in a particularly steep drop in the normalized optical transmission power.
Besonders bevorzugt ist außerdem eine rotationssymmetrische Verteilung der normierten optischen Transmissionsleistung, d.h. eine Verteilung, welche nur von dem Betrag des Abstrahlwinkels
Die beschriebenen Eigenschaften der Streuscheibe
Besonders bevorzugt ist eine Streuscheibe
Demnach wird eine Streuscheibe
Die Selektoreinrichtung
Eine optionale Auskoppeleinrichtung
Zwischen der Superkontinuums-Lasereinrichtung
Die Vorrichtung
Zwischen der Superkontinuums-Lasereinrichtung
Die Vorrichtung
Die Selektoreinrichtung
Dazu kann beispielsweise die Streuscheibe
Das Array
Die Vorrichtung
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Mikrospiegel des Arrays
Die Gesamtheit der weiterleitend noch nicht-weiterleitend geschalteten Pixel ergibt eine entsprechende Anordnung von weißen und schwarzen Pixeln, welche das zu projizierende Lichtmuster
Alternativ zur Ausbildung als Array von Mikrooptiken kann die Selektoreinrichtung
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass, wenn keines der Metallbänder eines Pixels durchgebogen ist, der auf das Pixel auftreffende Anteil des Laserstrahls
In einem Schritt S01 wird eine Superkontinuums-Lasereinrichtung
Wie im Vorangehenden beschrieben, kann das Steuern S01 der Superkontinuums-Lasereinrichtung
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.
Zwischen der Superkontinuums-Lasereinrichtung
Durch Anlegen einer Radiofrequenz von zum Beispiel zwischen 150 und 350 MHz an den Piezokristall erzeugt dieser eine Ultraschallwelle, welche sich in dem optischen anisotropen Kristall fortsetzt. Die Ultraschallwelle erzeugt in dem Kristall ein Brechungsindexgitter, so dass der erzeugte Laserstrahl
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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