DE102016209949A1

DE102016209949A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Projizieren eines Lichtmusters

Info

Publication number: DE102016209949A1
Application number: DE102016209949.3A
Authority: DE
Inventors: Abhishek Venkatesan; Xin Liu; Gerald Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2017-12-07
Also published as: JP2019517418A; WO2017211647A1; EP3464993A1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters (70). Die Vorrichtung (10) ist ausgebildet mit: einer Lasereinrichtung (12), mittels welcher eine Anzahl von verschiedenfarbigen Laserstrahlen (51, 52, 53) erzeugbar und in eine photonische Kristallfaser (1) der Vorrichtung (10) einleitbar ist, wodurch in der photonischen Kristallfaser (1) ein kombinierter und kollimierter Lichtstrahl (54) erzeugbar ist; und einer Selektoreinrichtung (14), mittels welcher der kombinierte Lichtstrahl (54) zum Projizieren des Lichtmusters (70) räumlich selektiv auf eine Streuscheibe (16) der Vorrichtung (10) leitbar ist.

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 (Blinker) oder als Teil eines Rücklichts oder Richtungswechselanzeigers, insbesondere in einem Fahrzeug, eingesetzt werden.
Stand der Technik
In modernen Scheinwerfersystemen für Fahrzeuge werden 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 aktuell befährt, statt tangential aus der Kurve hinaus zu leuchten. 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.
In der US 2010/079 836 A1 ist ein Laserscanner zum Projizieren eines Lichtmusters beschrieben.
Photonische Kristallfasern (engl. „photonic-crystal fibers“, PCF) sind Fasern, welche auf Eigenschaften von photonischen Kristallen basieren und vorteilhafte Arten der Lichtleitung, beispielsweise die Konzentration von Licht in einen kleinen Kern (engl. „core“) ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
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.
Demgemäß ist eine Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters vorgesehen, mit: einer Lasereinrichtung, mittels welcher eine Anzahl von verschiedenfarbigen Laserstrahlen erzeugbar und in eine photonische Kristallfaser der Vorrichtung einleitbar ist, wodurch in der photonischen Kristallfaser ein kombinierter und kollimierter Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, erzeugbar ist; und einer Selektoreinrichtung, mittels welcher der kombinierte Lichtstrahl zum Projizieren des Lichtmusters räumlich selektiv auf eine Streuscheibe der Vorrichtung leitbar ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Projizieren eines Lichtmusters bereitgestellt, mit den Schritten: Steuern einer Lasereinrichtung zum Erzeugen einer Anzahl von verschiedenfarbigen Laserstrahlen; Einleiten der Anzahl der erzeugten Laserstrahlen in eine photonische Kristallfaser, wodurch in der photonischen Kristallfaser ein kombinierter und kollimierter Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, erzeugt wird; und Räumlich selektives Leiten des kombinierten Lichtstrahls auf eine Streuscheibe zum Projizieren des Lichtmusters.
Die Anzahl der erzeugten Laserstrahlen kann insbesondere einen roten, einen grünen und einen blauen Laserstrahl umfassen oder aus einem roten, einem grünen und einem blauen Laserstrahl bestehen. Der kombinierte und kollimierte Lichtstrahl kann insbesondere ein weißer Lichtstrahl sein.
Vorteile der Erfindung
Durch die Verwendung der photonischen Kristallfaser wird die Vorrichtung besonders einfach, wodurch die Vorrichtung mit besonders geringen Abmessungen ausbildbar ist. Eine räumliche Trennung der Laserquelle, d.h. der Lasereinrichtung, und der Selektoreinrichtung, z.B. einer Scannereinheit, ist einfach möglich. Dadurch ergibt sich einerseits eine vorteilhaft erhöhte Designfreiheit. Andererseits ermöglicht eine solche räumlich getrennte Anordnung die Abkühlung der Vorrichtung, sodass die Lebensdauer der Lasereinrichtung, etwa im Vergleich mit einer Freistrahlkonfiguration ohne photonische Kristallfaser, höher ist.
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, insbesondere durch Ansteuern einzelner Laserdioden (z.B. rot, grün, blau) der Lasereinrichtung.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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.
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 Photo, ein Video, eine Präsentationsfolie oder dergleichen sein. Weiterhin kann die Vorrichtung auch vorteilhaft zum Beleuchten von – durch externe Vorrichtungen – erfassten Objekten verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Array ein Array von Mikrooptiken, z.B. Spiegeln. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Array ein Grating Light Valve (GLV). Grating Light Valves ermöglichen eine große Helligkeit des zu projizierenden Lichtmusters und gute Kontrastwerte. Sie bieten eine hohe Auflösung und sind mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand herstellbar.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 einen Graphen, welcher eine vorteilhafte optische Transmissionsleistungsverteilung einer Streuscheibe aus 1 als Funktion eines Abstrahlwinkels darstellt;
3 eine vorteilhafte Ausgestaltung der photonischen Kristallfaser der Vorrichtung aus 1;
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtmusters gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Projizieren eines Lichtmusters gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 10 zum Projizieren eines Lichtmusters 70 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Lasereinrichtung 12, welche dazu ausgelegt oder eingerichtet ist, eine Anzahl von verschiedenfarbigen Laserstrahlen 51, 52, 53 zu erzeugen, insbesondere einen roten Laserstrahl 51, einen grünen Laserstrahl 52 und einen blauen Laserstrahl 53. Es können auch nur eine Untermenge dieser Anzahl, eine größere Anzahl oder Laserstrahlen mit anderen Wellenlängen durch die Lasereinrichtung 12 erzeugt werden bzw. erzeugbar sein. Die Lasereinrichtung 12 ist derart ausgebildet, oder derart ausgebildet und eingerichtet, dass die erzeugte Anzahl von verschiedenfarbigen Laserstrahlen 51, 52, 53 in eine photonische Kristallfaser 1 der Vorrichtung 10 einleitbar ist bzw. eingeleitet wird, wodurch in der photonischen Kristallfaser 1 ein kombinierter und kollimierter Lichtstrahl 54, insbesondere ein kombinierter und kollimierter Laserstrahl, erzeugbar ist bzw. erzeugt wird. Der kombinierte Lichtstrahl 54 kann insbesondere ein weißer Lichtstrahl sein.
Mittels einer Selektoreinrichtung 14 der Vorrichtung 10 ist der durch die photonische Kristallfaser 1 erzeugte kombinierte und kollimierte Lichtstrahl 54 selektiv zum Projizieren des Lichtmusters 70 in eine Anzahl von Raumwinkelbereichen leitbar. Die Lasereinrichtung 12 kann, beispielsweise basierend auf einer internen Programmierung oder einem extern vorgegebenen Steuersignal, jeweils abhängig von dem Raumwinkelbereich, in welchen der kombinierte Lichtstrahl 54 aktuell durch die Selektoreinrichtung 14 geleitet würde, gesteuert werden, etwa durch eine Steuereinrichtung, den kombinierten Lichtstrahl 54 aktuell zu erzeugen oder nicht zu erzeugen.
Wird der Lichtstrahl 54 erzeugt, ist somit in dem entsprechenden Raumwinkelbereich ein weißes Pixel erzeugt oder erzeugbar. Wird kein Lichtstrahl 54 erzeugt, ist in dem entsprechenden Raumwinkelbereich somit ein dunkles oder schwarzes Pixel erzeugt oder erzeugbar. Durch die Verwendung von entsprechenden Farbfiltern kann ein weißes Pixel entsprechend in ein buntes Pixel, beispielsweise ein rotes, grünes oder blaues Pixel umgewandelt werden.
Das projizierte Lichtmuster 70 kann somit als eine Gesamtheit von weißen und schwarzen, gegebenenfalls auch von bunten und schwarzen Pixeln ausgebildet sein und kann so beispielsweise eine Fotographie darstellen oder einen räumlich aufgelösten Lichtkegel eines Scheinwerfers ergeben. Die Vorrichtung 10 kann somit insbesondere als ein Scheinwerfer eines Fahrzeugs ausgebildet sein oder in einem Scheinwerfer eines Fahrzeugs integriert sein und kann dazu dienen, einen adaptiven Lichtkegel des Scheinwerfers bereitzustellen, beispielsweise ein sogenanntes Kurvenlicht. Auch Anwendungen in oder als Rücklichter oder Richtungswechselanzeiger (Blinker) sind vorteilhaft.
Bei der Vorrichtung 10 ist im Strahlengang des kombinierten Lichtstrahl 54 nach der Selektoreinrichtung 14 eine Streuscheibe 16 der Vorrichtung 10 angeordnet. Die Streuscheibe 16 ist auch als Diffusor bezeichenbar. Eine Streuscheibe ist ein optisches Bauteil, welches dazu eingesetzt wird, Licht zu streuen, wobei insbesondere die Effekte der diffusen Reflexion unter Brechung von Licht verwendet werden. Die Streuscheibe 16 ist insbesondere so beschaffen, dass durch Einwirken der Streuscheibe 16 auf den kombinierten Lichtstrahl 54, welcher auf die Streuscheibe 16 auftrifft, insbesondere durch Streuen des kombinierten Lichtstrahls 54, im Strahlengang hinter der Streuscheibe 16 das zu projizierende Lichtmuster 70 entsteht.
Die Streuscheibe 16 kann insbesondere so ausgebildet sein, wie im Folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben.
2 zeigt einen Graphen, welcher eine normierte optische Transmissionsleistung 72 als Funktion eines Abstrahlwinkels 71 zeigt, wobei der Abstrahlwinkel 71 zur Normalen auf die Streuscheibe 16 gemessen wird.
2 zeigt eine vorteilhafte Transmissionsleistungskurve 81, d.h. eine Transmissionsleistungsverteilung. Die Transmissionsleistungskurve 81 kann beispielsweise durch eine Streuscheibe 16 bereitgestellt werden kann, welche durch Ausbilden einer Polymerstruktur auf einem Glas („Polymer-on-glass“) hergestellt wurde, d.h. welche aus einer auf einem Glas angeordneten Polymerstruktur besteht oder eine auf einem Glas angeordnete Polymerstruktur aufweist. Die Polymerstruktur kann, je nach dem angestrebten Einsatzort, mit einer vordefinierten Rauigkeit ausgebildet sein, um entsprechende Streueigenschaften aufzuweisen. Über die Transmissionsleistungskurve 81 der Streuscheibe 16 kann insbesondere eine Intensität und eine Spot-Größe des aus der Vorrichtung 10 ausgekoppelten kombinierten Lichtstrahls 54 eingestellt sein.
Transmissionsleistungskurven 81 mit einem tendentiell flachen Maximum werden bevorzugt, da diese eine geringere Energiedichte des Lichtstrahls 54 bei einem Abstrahlwinkel 71 von 0° aufweisen.
Die Streuscheibe 16 kann die nachfolgend beschriebenen, vorteilhaften Charakteristiken bezüglich ihrer normierten optischen Transmissionsleistung 72 für bestimmte Abstrahlwinkel 71 des kombinierten Lichtstrahls 54 nach Durchqueren der Streuscheibe 16 aufweisen. Unter der normierten optischen Transmissionsleistung ist eine optische Transmissionsleistung zu verstehen, welche so normiert ist, dass das Maximum der optischen Transmission auf den Wert 1,0 und das Minimum auf den Wert 0,0 gelegt ist.
Bevorzugt weist die Streuscheibe 16 für Abstrahlwinkel 71 des kombinierten Lichtstrahls 54 nach Durchqueren der Streuscheibe 16 mit einem Betrag zwischen 0° und einem ersten Abstrahlwinkelbetragswert eine normierte optische Transmissionsleistung von mehr als 0,5 auf, insbesondere von mehr als 0,6, besonders bevorzugt von mehr als 0,7. Der erste Abstrahlwinkelbetragswert ist größer oder gleich fünf Grad, bevorzugt größer oder gleich zehn Grad, insbesondere größer oder gleich fünfzehn Grad.
Weiterhin weist die Streuscheibe 16 vorzugsweise für Abstrahlwinkel 71 des Lichtstrahls 54 nach Durchqueren der Streuscheibe 16 mit einem Betrag größer gleich einem zweiten Abstrahlwinkelbetragswert eine normierte optische Transmissionsleistung von weniger als 0,5 auf, insbesondere von weniger als 0,3, besonders bevorzugt von weniger als 0,2.
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.
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.
Besonders bevorzugt ist außerdem eine rotationssymmetrische Verteilung der normierten optischen Transmissionsleistung, d.h. eine Verteilung, welche nur von dem Betrag des Abstrahlwinkels 71, nicht aber von der Orientierung des Abstrahlwinkels 71 um die Normale auf die Streuscheibe 16 herum abhängt. Für andere Anwendungen kann die Streuscheibe 16 auch zum Ausbilden einer rechteckigen, insbesondere quadratischen, Verteilung der optischen Transmission konfiguriert sein.
Die beschriebenen Eigenschaften der Streuscheibe 16 in Bezug auf die normierte optische Transmissionsleistung sind vorteilhaft zum Ausbilden eines günstigen Strahlprofils durch die Streuscheibe 16. Einerseits ist ein besonders enges Abstrahlprofil, das heißt eine um 0° schnell abfallende normierte optische Transmissionsleistung, vorteilhaft, um mit hoher Auflösung das Lichtmuster zu projizieren. Andererseits kann sich bei solchen engen Strahlprofilen eine unerwünscht hohe Lichtintensität, insbesondere bei 0°, ergeben. Die genannten Abstrahleigenschaften der Streuscheibe 16 ermöglichen eine vorteilhafte Balance zwischen diesen beiden sich widerstrebenden Interessen.
Besonders bevorzugt ist eine Streuscheibe 16 mit den Charakteristiken, welche durch die Kurve 81 oder durch eine idealisierte Kurve 85 in 2 dargestellt werden.
Demnach wird eine Streuscheibe 16 besonders bevorzugt, welche für Abstrahlwinkel 71 des abgelenkten kombinierten Lichtstrahls 54 zur Normalen auf die Streuscheibe 16 nach Durchqueren der Streuscheibe 16 aufweist: für Abstrahlwinkel 71 mit einem Betrag zwischen 0° und einem ersten Abstrahlwinkelbetragswert eine normierte optische Transmissionsleistung von mehr als 0,5, insbesondere von mehr als 0,6, besonders bevorzugt von mehr als 0,7; und für Abstrahlwinkel 71 mit einem Betrag größer gleich einem zweiten Abstrahlwinkelbetragswert eine normierte optische Transmissionsleistung von weniger als 0,5, insbesondere von weniger als 0,3, besonders bevorzugt von weniger als 0,2. Der erste und der zweite Abstrahlwinkelbetragswert können wie voranstehend beschrieben ausgewählt sein.
3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der photonischen Kristallfaser 1 der Vorrichtung 10.
Vorteilhaft weist die photonische Kristallfaser 1, wie in 3a) oben gezeigt, eine einen Kern 2 umgebende Verkleidung 3 (engl. „cladding“) auf, in welcher ein periodisches Gitter 4 von winzigen, zueinander und zu dem Kern 2 parallelen Luftkanälen 5 ausgebildet ist. Die regelmäßige Anordnung dieser Luftkanäle 5 führt dazu, dass Licht im Kern 2 der Kristallfaser 1 gefangen wird. Der Kern 2 kann hohl (so genannter Hohlkern) oder aus Glas ausgebildet sein. Die Luftkanäle 5 weisen für gewöhnlich alle denselben Durchmesser 6 und denselben Abstand 7 (Periode) innerhalb des Gitters 4 voneinander auf. Um die Verkleidung 3 herum ist üblicherweise eine Beschichtung 8 (engl. „coating“) angeordnet.
Eine beispielhafte Brechungsindexfunktion 9 erläutert eine häufige Relation von Brechungsindizes n der verschiedenen Komponenten der Kristallfaser 1 zueinander. Dabei ist der Brechungsindex n der Beschichtung 8 größer als der Brechungsindex n der Verkleidung, aber kleiner als der Brechungsindex n des Kerns 2, wobei der Unterschied in Brechungsindizes zwischen dem Kern 2 und der Beschichtung 8 größer ist als der Unterschied in Brechungsindizes n zwischen der Beschichtung 8 und der Verkleidung 3.
3b) zeigt mittig einen Querschnitt durch die Verkleidung 3 mit dem Gitter 4, und 3c) zeigt unten eine Nahaufnahme dieses Querschnitts.
4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 110 zum Projizieren eines Lichtmusters 70 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 110 ist eine Variante der Vorrichtung 10 und unterscheidet sich von dieser darin, dass eine Selektoreinrichtung 114 der Vorrichtung 110 anstelle der Selektoreinrichtung 14 der Vorrichtung 10 vorgesehen ist.
Die Selektoreinrichtung 114 ist speziell als eine Ablenkeinrichtung 114 ausgebildet, welche einen ersten Mikrospiegel 113 und einen zweiten Mikrospiegel 115 aufweist, welche zum Ablenken des kombinierten Lichtstrahls 54 gemäß einem jeweils aktuellen Ablenkzustand der Ablenkeinrichtung 114, d.h. der Mikrospiegel 113, 115, eingerichtet ist. Die Ablenkeinrichtung 114 ist somit als eine Anzahl von im Strahlengang des kombinierten Lichtstrahls 54 hintereinander angeordneten Mikrospiegeln 113, 115 realisiert, wobei die Anzahl der Mikrospiegel so aktuierbar ist, beispielsweise durch einen Aktor der Ablenkeinrichtung 114, dass der kombinierte Lichtstrahl 54 zum Abrastern eines vorbestimmten Raumwinkels und/oder einer Auskoppeleinrichtung der Vorrichtung 110 abgelenkt wird. Durch die Ablenkeinrichtung 114 ist der kombinierte Lichtstrahl 54 in zwei Dimensionen ablenkbar.
Statt zwei Mikrospiegel 113, 115 kann die Ablenkeinrichtung 114 auch drei oder mehr Mikrospiegel aufweisen, welche im Strahlengang des kombinierten Lichtstrahls 54 in Reihe angeordnet sind. Alternativ kann die Ablenkeinrichtung 114 auch einen einzigen Mikrospiegel aufweisen, welcher so ausgebildet ist, dass durch Verformen des Mikrospiegels der auf den Mikrospiegel auftreffende kombinierte Lichtstrahl 54 in zwei Dimensionen ablenkbar ist.
Eine optionale Auskoppeleinrichtung 118 der Vorrichtung 110 ist dazu eingerichtet oder ausgelegt, das projizierte Lichtmuster 70 aus der Vorrichtung 110 auszukoppeln, beispielsweise, im Fall eines Fahrzeugscheinwerfers, in das Umfeld des Fahrzeugs zu leiten. Die Auskoppeleinrichtung 118 kann beispielsweise eine Sekundäroptik umfassen, aus einer Sekundäroptik bestehen, eine Abdeckscheibe aufweisen oder daraus bestehen und dergleichen mehr.
Die Vorrichtung 110 ist gemäß allen in Bezug auf die Vorrichtung 10 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen, insbesondere in Hinsicht auf die Streuscheibe 16, anpassbar und umgekehrt.
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 210 zum Projizieren eines Lichtmusters 70 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 210 kann als eine Variante der Vorrichtung 110 angesehen werden, welche sich wie im Folgenden näher beschrieben von der Vorrichtung 110 unterscheidet.
Die Vorrichtung 110 umfasst eine Lasereinrichtung 12, mittels welcher ein roter Laserstrahl 51, ein grüner Laserstrahl 52 und ein roter Laserstrahl 53, auch separat voneinander, erzeugbar sind und in eine optische Einrichtung 201 eingeleitet werden. Die optische Einrichtung 201 umfasst die photonische Kristallfaser 1, z.B. gemäß 3, in welcher die erzeugten Laserstrahlen 51, 52, 53 miteinander zu dem kombinierten Lichtstrahl 54 kombiniert und auf eine Ablenkeinrichtung 214 der Vorrichtung 210 gelenkt werden, insbesondere auf eine Mikrospiegeleinrichtung 215 der Ablenkeinrichtung 214. Die optische Einrichtung 201 kann neben der photonischen Kristallfaser 1 weitere optische Elemente, optisch vor und/oder nach der photonischen Kristallfaser 1 angeordnet, aufweisen.
Die Mikrospiegeleinrichtung 215 kann, wie im Vorangehenden in Bezug auf die Ablenkeinrichtung 14 der Vorrichtung 10 beschrieben, beispielsweise zwei jeweils eindimensional ablenkende Mikrospiegel und/oder einen zwei-dimensional ablenkenden Mikrospiegel oder dergleichen aufweisen. Die Ablenkeinrichtung 214 umfasst weiterhin eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 217 (engl. „application-specific integrated circuit“, ASIC), welche zum Aktuieren der Mikrospiegeleinrichtung 215 ausgebildet ist. Die Schaltung 217 kann beispielsweise Spulen und dergleichen aufweisen.
Im Strahlengang des abgelenkten kombinierten Lichtstrahls 54 nach der Ablenkeinrichtung 214, das heißt nach der Mikrospiegeleinrichtung 215, ist vorteilhaft zunächst eine F-Theta-Linse 219 angeordnet, auf welche eine Streuscheibe 16 folgt, welche so ausgebildet ist, wie im Voranstehenden beschrieben.
Die Schaltung 217 ist dazu ausgelegt, ein erstes Steuersignal zu empfangen oder zu erzeugen, basierend auf welchem die Ablenkeinrichtung 214, insbesondere die Mikrospiegeleinrichtung 215, mittels der integrierten Schaltung 217 aktuiert wird, den Raumwinkelbereich, insbesondere die F-Theta-Linse 219 und damit die dahinter liegende Streuscheibe 16, basierend auf dem ersten Steuersignal abzurastern. Das erste Steuersignal kann somit das zu projizierende Lichtmuster indizieren, beispielsweise kann ein bestimmter Teil-Raumwinkelbereich basierend auf dem ersten Steuersignal mit erhöhter Auflösung abgerastert werden, etwa um ein besonders deutliches Anleuchten des Objektes durch den aus der Vorrichtung 210 ausgekoppelten kombinierten Lichtstrahl 54 zu ermöglichen.
Die Vorrichtung 210 umfasst weiterhin eine Auskoppeleinrichtung 118, welche dazu ausgelegt oder eingerichtet ist, den aus der Streuscheibe 16 austretenden kombinierten Lichtstrahl 54 aus der Vorrichtung 210 auszukoppeln. Die Auskoppeleinrichtung 118 umfasst, oder besteht aus, einer zweiten Optik, welche auch als Sekundäroptik bezeichenbar ist. Die Vorrichtung 210 kann insbesondere als Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs ausgebildet und/oder in ein Fahrzeug integriert sein.
Sowohl die Lasereinrichtung 12 als auch die integrierte Schaltung 217 sind mit einer Steuereinrichtung 230 der Vorrichtung 210 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 230 ist dazu eingerichtet oder ausgelegt, die Lasereinrichtung 12 zu steuern. Dazu kann die Steuereinrichtung 230 von der Schaltung 217 ein Stellungssignal empfangen, welches eine aktuelle Stellung der Mikrospiegeleinrichtung 215 der Ablenkeinrichtung 214 indiziert. Die Steuereinrichtung 230 kann dazu ausgelegt sein, die Lasereinrichtung 12 – zumindest auch – basierend auf dem Stellungssignal, d.h. basierend auf der aktuellen Stellung der Mikrospiegeleinrichtung 215 zu steuern.
Die Steuereinrichtung 230 kann somit dazu ausgelegt oder eingerichtet sein, ein zweites Steuersignal zu erzeugen und an die Lasereinrichtung 12 zu übermitteln. Basierend auf dem zweiten Steuersignal kann die Lasereinrichtung 12 gesteuert werden, einzelne Pixel, das heißt Teil-Raumwinkelbereiche, mit jeweils unterschiedlichen Farbtemperaturen zu beleuchten. Beispielsweise kann mittels des zweiten Steuersignals die Lasereinrichtung 12 dazu gesteuert werden, zu bestimmten Zeitpunkten überhaupt keinen Laserstrahl 51, 52, 53 zu erzeugen, so dass das zu projizierende Lichtmuster dunkle Bereiche aufweist, beispielsweise um bestimmte Objekte von der Beleuchtung durch die Vorrichtung 210 auszunehmen.
Ebenso kann die Lasereinrichtung 12 basierend auf dem zweiten Steuersignal dazu gesteuert werden, zu bestimmten Zeiten nur eine Untermenge der erzeugbaren verschiedenfarbigen Laserstrahlen 51, 52, 53 zu erzeugen, beispielsweise nur den roten Laserstrahl 51 und den grünen Laserstrahl 52. Auch eine relative Intensität der erzeugten verschiedenfarbigen Laserstrahlen 51, 52, 53 zueinander kann durch die Lasereinrichtung 12 basierend auf dem zweiten Steuersignal angepasst werden.
Das erste und das zweite Steuersignal können durch die Schaltung 217 oder die Steuereinrichtung 230 beispielsweise basierend auf einem jeweiligen Eingangssignal erzeugt werden, welches durch eine Schnittstelleneinrichtung 232 der Vorrichtung 210 an die Schaltung 217 oder, entsprechend, die Steuereinrichtung 230 von außerhalb der Vorrichtung 210 übermittelt wird. Dieses jeweilige Eingangssignal kann beispielsweise ein Signal einer Fahrzeugsteuerung des Fahrzeugs sein, in welches die Vorrichtung 110 integriert ist.
Statt das erste und/oder das zweite Steuersignal zu erzeugen, können die Schaltung 217 und die Steuereinrichtung 230 auch dazu ausgelegt oder eingerichtet sein, das erste und/oder das zweite Steuersignal über die Schnittstelleneinrichtung 232 zu empfangen und das oder die Steuersignal(e) somit im Rahmen des Bereitstellens lediglich zu übermitteln.
Bei der Vorrichtung 210 empfängt die Schnittstelleneinrichtung 232 das Eingangssignal insbesondere von einer Fahrerassistenz-Steuereinheit 234, welche das Eingangssignal erzeugt oder übermittelt. Die Fahrerassistenz-Steuereinheit 234 ist über einen Bus 238, beispielsweise einen CAN-Bus, beispielsweise an eine Kamera eines Fahrerassistenzsystems (FAS, engl. „Advanced Driver Assistance System“, ADAS) und/oder weitere Recheneinheiten beispielsweise eines Fahrzeugs, angeschlossen, basierend auf deren Informationen und Signalen die Fahrerassistenz-Steuereinheit 234 das Eingangssignal erzeugt. Der Bus 238 kann, ganz oder teilweise, als Teil der Vorrichtung 210, d.h. in die Vorrichtung 210 integriert, ausgebildet sein.
Die Vorrichtung 210 umfasst weiterhin eine weitere Steuereinheit 236, welche zum Steuern einer LED-Einrichtung der Vorrichtung 210 ausgebildet ist. Die LED-Einrichtung der Vorrichtung 210 besteht aus, oder umfasst, ein erstes LED-Segment 241 zum Erzeugen eines ersten Lichtstrahls 55, sowie ein zweites LED-Segment 242 zum Erzeugen eines zweiten Lichtstrahls 56. Der erste Lichtstrahl 55 wird durch eine Optik 243 der Vorrichtung 210 aus der Vorrichtung 210 ausgekoppelt. Der zweite Lichtstrahl 56 wird durch eine Optik 244 der Vorrichtung 210 aus der Vorrichtung 210 ausgekoppelt.
Die weitere Steuereinheit 236 kann ebenfalls an den Bus 238 angeschlossen sein, um von den genannten externen Vorrichtungen wie zum Beispiel der Fahrerassistenzkamera Informationen bzw. Signale zu erhalten, basierend auf welchen die weitere Steuereinheit 236 das erste und das zweite LED-Segment 241, 242 steuert.
Wie im rechten Teil von 5 dargestellt, ist die Vorrichtung 210 dazu eingerichtet oder ausgelegt, verschiedene Bereiche 293, 294, 295 des Umfelds der Vorrichtung 210, insbesondere eines Fahrzeugs, in welches die Vorrichtung 210 integriert ist, mit unterschiedlichen Beleuchtungsmitteln zu beleuchten. So wird ein zentraler Bereich 293, welcher einem Fernbereich entspricht, in welchem sich bei Geradeausfahrt mit der größten Wahrscheinlichkeit entgegenkommende Fahrzeuge 291 oder vorausfahrende Fahrzeuge 292 befinden, mittels des durch die Auskoppeleinrichtung 118 ausgekoppelten kombinierten Lichtstrahls 54 beleuchtet.
Ein Nahbereich 294 unmittelbar vor der Vorrichtung 210 wird durch den zweiten Lichtstrahl 56 des zweiten LED-Elements 242 beleuchtet. Ein Fernbereich 295, welcher dem durch den kombinierten Lichtstrahl 54 beleuchteten zentralen Bereich 293 flankiert, wird durch den ersten Lichtstrahl 55 aus dem ersten LED-Segment 241 beleuchtet. Auf diese Weise ist für jeden der verschiedenen Bereiche 293, 294, 295 des Umfelds der Vorrichtung 210 ein entsprechendes Beleuchtungsmittel optimal anpassbar, insbesondere in Bezug auf seine Lichtintensität, Lichtfarbe, Auflösung und dergleichen.
6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 310 zum Projizieren eines Lichtmusters 70 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 310 ist eine Variante der Vorrichtung 110 und ist gemäß allen in Bezug auf die Vorrichtung 110 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt.
Die Vorrichtung 310 unterscheidet sich von der Vorrichtung 110 darin, dass eine Selektoreinrichtung 314 der Vorrichtung 310 statt der Selektoreinrichtung 114 der Vorrichtung 110 vorgesehen ist.
Die Selektoreinrichtung 314 der Vorrichtung 310 ist als ein Array von selektiv den kombinierten Lichtstrahl 54 weiterleitend oder nicht-weiterleitend schaltbaren Pixeln ausgebildet. Die Lasereinrichtung 12 und die Streuscheibe 16 sind bei der Vorrichtung 310 vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass der kombinierte Lichtstrahl 54 das Array 314 vollständig beleuchtet.
Dazu kann beispielsweise die Streuscheibe 16 zum Aufweiten des ursprünglich enger erzeugten kombinierten Lichtstrahls 54 vorgesehen sein, wobei die Streuscheibe 16 auch zwischen der photonischen Kristallfaser 1 und dem Array 314 angeordnet sein kann. Durch das selektive Weiterleiten oder Nicht-Weiterleiten-Schalten der Pixel des Arrays 314 ergibt sich somit im Strahlengang hinter dem Array 314 das zu projizierende Lichtmuster 70. Auch die Vorrichtung 310 kann eine optionale Auskoppeleinrichtung 118 aufweisen, durch welche das projizierte Lichtmuster 70 aus der Vorrichtung 310 ausgekoppelt wird, um im Umfeld der Vorrichtung 310 weiter projiziert zu werden, wie in Bezug auf die Vorrichtung 210 bereits im Voranstehenden beschrieben.
Das Array 314 kann beispielsweise als ein Array von Mikrooptiken ausgebildet sein, das heißt insbesondere als eine regelmäßige Anordnung, insbesondere zwei-dimensionale Anordnung, von einzelnen Mikrospiegeln, welche jeweils einzeln in ihrer Stellung veränderbar sind. Für jeden der Mikrospiegel des Arrays 314 gibt es eine jeweilige erste Stellung des jeweiligen Mikrospiegels, welche einem Weiterleiten des kombinierten Lichtstrahls 54 durch den Pixel, welchen der Mikrospiegel bildet, entspricht. Für jeden der Mikrospiegel gibt es weiterhin eine zweite Mikrospiegelstellung, welche einem Nicht-Weiterleiten durch den Pixel, als welcher der Mikrospiegel fungiert, entspricht.
Die Vorrichtung 310 kann beispielsweise eine Lichtfalle aufweisen, wobei die Mikrospiegel des Arrays 314 jeweils so ausgebildet sind, dass sie in der jeweiligen zweiten Mikrospiegelstellung den auf sie einfallenden Anteil des kombinierten Lichtstrahls 54 jeweils in die Lichtfalle leiten. Die Lichtfalle ist zur möglichst vollständigen Absorption des einfallenden Lichtstrahls 54 ausgebildet und ist auch als „beam stop“ oder „Lichtfänger“ bezeichenbar.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Mikrospiegel des Arrays 314 in der jeweiligen ersten Mikrospiegelstellung den jeweils auf sie auftreffenden Anteil des Lichtstrahls 54 zum Projizieren des Lichtmusters 70 auf die optionale Auskoppeleinrichtung 118 der Vorrichtung 310 leiten.
Die Gesamtheit der weiterleitend noch nicht-weiterleitend geschalteten Pixel ergibt eine entsprechende Anordnung von weißen und schwarzen Pixeln, welche das zu projizierende Lichtmuster 70 darstellt.
Alternativ zur Ausbildung als Array von Mikrooptiken kann die Selektoreinrichtung 314 der Vorrichtung 310 auch beispielsweise als ein Grating Light Valve ausgebildet sein. Bei einem Grating Licht Valve wird jedes Pixel der Selektoreinrichtung 314 durch eine Anzahl von einzeln ansteuerbaren Metallbändern ausgebildet. Das Ansteuern der Metallbänder erfolgt dadurch, dass selektiv einzelne der Metallbänder durch elektrostatische Felder durchgebogen werden und somit die auf das jeweilige Pixel auftreffenden Laserstrahlen unterschiedlich beugen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass, wenn keines der Metallbänder eines Pixels durchgebogen ist, der auf das Pixel auftreffende Anteil des Lichtstrahls 54 zu einer Lichtfalle reflektiert wird, wie voranstehend beschrieben, so dass dieses Pixel ein schwarzes Pixel in dem zu projizierenden Lichtmuster 70 bewirkt. Bei einem Durchbiegen beispielsweise jedes zweiten Metallbands kann vorgesehen sein, dass der auf das Pixel auftreffende Anteil des Lichtstrahls 54 derart gebeugt wird, dass sich eine neue Lichtwelle in eine andere Richtung als die Richtung der Lichtfalle ausbreitet, wodurch ein weißes Pixel des zu projizierenden Lichtmusters 70 bereitgestellt wird. Die Lichtwelle kann sich beispielsweise in Richtung der optionalen Auskoppeleinrichtung 118 der Vorrichtung 310 ausbreiten.
7 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Projizieren eines Lichtmusters 70 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 6 ist mit allen erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10; 110; 210; 310 durchführbar und ist gemäß allen in Bezug auf diese Vorrichtungen beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt.
In einem ersten Schritt S01 wird eine Lasereinrichtung 12 zum Erzeugen einer Anzahl von verschiedenfarbigen Laserstrahlen 51, 52, 53 gesteuert, beispielsweise wie im Voranstehenden in Bezug auf die Vorrichtungen 10; 110; 210; 310 beschrieben.
In einem Schritt S02 wird die Anzahl der erzeugten Laserstrahlen 51, 52, 53 in eine photonische Kristallfaser 1 eingebracht oder eingeleitet, wodurch in der photonischen Kristallfaser 1 ein kombinierter und kollimierter Lichtstrahl 54 erzeugt wird.
In einem Schritt S03 wird der kombinierte Lichtstrahls 54 räumlich selektiv zum Projizieren des Lichtmusters 70 auf eine Streuscheibe 16 geleitet. Dabei wird das Lichtmuster 70 entweder auf der Streuscheibe 16 selbst, bevorzugt aber hinter der Streuscheibe 16 durch Einwirken der Streuscheibe 16 auf den kombinierten Lichtstrahl 54, insbesondere durch Streuen des kombinierten Lichtstrahls 54, projiziert.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/079836 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (10; 110; 210; 310) zum Projizieren eines Lichtmusters (70), mit: einer Lasereinrichtung (12), mittels welcher eine Anzahl von verschiedenfarbigen Laserstrahlen (51, 52, 53) erzeugbar und in eine photonische Kristallfaser (1) der Vorrichtung (10; 110; 210; 310) einleitbar ist, wodurch in der photonischen Kristallfaser (14) ein kombinierter und kollimierter Lichtstrahl (54) erzeugbar ist; und einer Selektoreinrichtung (14; 114; 214; 314), mittels welcher der kombinierte Lichtstrahl (54) zum Projizieren des Lichtmusters (70) räumlich selektiv auf eine Streuscheibe (16) der Vorrichtung (10; 110; 210; 310) leitbar ist.
Vorrichtung (110; 210) nach Anspruch 1, wobei die Selektoreinrichtung (114; 214) als eine Ablenkeinrichtung (114; 214) ausgebildet ist, welche zum Ablenken des kombinierten Lichtstrahls (54) ausgebildet ist.
Vorrichtung (310) nach Anspruch 1, wobei die Selektoreinrichtung als ein Array (314) von selektiv den kombinierten Lichtstrahl (54) weiterleitend oder nicht-weiterleitend schaltbaren Pixeln ausgebildet ist.
Vorrichtung (310) nach Anspruch 3, wobei das Array (314) ein Array von Mikrooptiken ist.
Vorrichtung (310) nach Anspruch 3, wobei das Array (314) ein Grating Light Valve ist.
Vorrichtung (10; 110; 210; 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Streuscheibe (16) Glas sowie eine an oder auf dem Glas angeordnete Polymerstruktur aufweist.
Vorrichtung (10; 110; 210; 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Steuereinrichtung (230), mittels welcher die Lasereinrichtung (12) steuerbar ist, eine Untermenge der Anzahl der erzeugbaren Laserstrahlen (51, 52, 53) gemäß einem Eingangssignal zu erzeugen.
Vorrichtung (10; 110; 210; 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung (10; 110; 210; 310) als ein Beamer ausgebildet ist.
Vorrichtung (10; 110; 210; 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung (10; 110; 210; 310) als ein Scheinwerfer, als ein Rücklicht oder als ein Richtungswechselanzeiger ausgebildet ist.
Verfahren zum Projizieren eines Lichtmusters (70), mit den Schritten: Steuern (S01) einer Lasereinrichtung (12) zum Erzeugen einer Anzahl von verschiedenfarbigen Laserstrahlen (51, 52, 53); Einleiten (S02) der Anzahl der erzeugten Laserstrahlen (51, 52, 53) in eine photonische Kristallfaser (1), wodurch in der photonischen Kristallfaser (1) ein kombinierter und kollimierter Lichtstrahl (54) erzeugt wird; und Räumlich selektives Leiten (S03) des kombinierten Lichtstrahls (54) auf eine Streuscheibe (16) zum Projizieren des Lichtmusters (70).