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Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Kommunikationsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer derartigen Kommunikationsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Kommunikationsvorrichtung für ein Fahrzeug.
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Das autonome Fahren wird in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Da von einem auf den anderen Moment aber nicht alle Fahrzeuge gleichzeitig autonom gesteuert werden und sich Motorräder, Fußgänger oder Radfahrer ebenfalls nicht autonom bewegen, wird es immer der Fall sein, dass autonome und nichtautonome Verkehrsteilnehmer gemeinsam im Straßenverkehr miteinander auskommen müssen. Dadurch, dass der Fahrzeuginsasse nicht mehr selbst die Steuerung des Fahrzeuges übernimmt, fällt die Kommunikation mit dem Fahrzeugführer weg. Diese ist jedoch insbesondere dann nötig, wenn unübersichtliche Verkehrssituationen ein Kommunizieren der beteiligten Fahrzeuge untereinander erfordern.
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Mit der Einführung autonomer Fahrzeuge wird eine neue Art der Kommunikation zwischen autonomen Fahrzeugen und nichtautonomen Verkehrsteilnehmern im Straßenverkehr notwendig werden, da der Fahrzeuginsasse diese nicht mehr übernehmen kann. Grund hierfür ist, dass dieser kein aktiver Verkehrsteilnehmer mehr ist, sobald das Fahrzeug die Fahraufgabe selbst bewältigt. Im Zuge der Entwicklung des autonomen Fahrens werden Kommunikationsfunktionen zur besseren Verständigung zwischen Mensch und Maschine benötigt. Auch um die Kommunikation zwischen manuell, teilautonom und vollautonom gesteuerten Fahrzeugen zu verbessern, werden zusätzliche Funktionen benötigt.
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Hinzu kommen Nachteile beziehungsweise Probleme, die während des autonomen Fahrens auftreten. Diese sind einerseits die mangelhafte Kommunikation zwischen Mensch und Maschine und andererseits das potenziell fehlende Vertrauen des Fahrers in vollautonome Vorgänge im Automobil, aus Angst, nicht in den Vorgang eingreifen zu können. Um diese Nachteile zu umgehen, sollten neue Kommunikationswege geschaffen werden, die bei verschiedenen Nutzungsszenarien des autonomen Fahrvorgangs eine Information der Fahrzeuginsassen ermöglichen. Andere Verkehrsteilnehmer sollten ebenfalls über die weitere Vorgehensweise eines autonom gesteuerten Fahrzeugs informiert werden. So sollten Informationen an die Fahrzeuginsassen und auch umliegende Verkehrsteilnehmer gegeben werden, um eine eineindeutige Situationsbeschreibung und ein Aktionsverständnis beim Menschen und den interpretierten Vorgängen bei der Maschine zu erreichen. Vielen Fahrern fehlt im Falle des (teil-) autonomen Fahrens aufgrund des Misstrauens in die Technik ein Rückmeldungskanal, um mit gutem Gewissen die Kontrolle beim autonomen Fahren aus der Hand zu geben.
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Weiterhin wurden bei Entwicklung von autonomen Fahrzeugen bisher keine oder nur unzureichende Konzepte zur Integration in den Straßenverkehr erarbeitet, welche das Zusammenspiel, insbesondere die Kommunikation zwischen autonomen und nichtautonomen Verkehrsteilnehmern thematisieren. Es fehlt insbesondere die Rückmeldung an nichtautonome Verkehrsteilnehmer, dass ein autonomes Fahrzeug den Verkehrsteilnehmer detektiert hat und diesen entsprechend nach der Straßenverkehrsordnung behandeln wird. Dies bedeutet im Speziellen die Rückmeldung an das nichtautonome Fahrzeug, dass das autonome Fahrzeug Vorfahrt gewähren wird. Besonders in dem Fall, in dem keine eindeutige Vorfahrtsregelung vorherrscht, beispielsweise, wenn an einer rechts-vor-links Kreuzung an jeder der vier Einmündungen ein Fahrzeug wartet, bedarf es der Kommunikation untereinander, damit andere Verkehrsteilnehmer über die weitere Vorgehensweise eines autonom gesteuerten Fahrzeugs informiert werden.
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Eine Kommunikationsvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
DE 10 2014 226 254 A1 bekannt. Die darin beschriebene Kommunikationsvorrichtung kann beispielsweise Lichtsignale in Richtung auf einen Fußgänger senden. Die Lichtsignale können farbig sein, insbesondere rot und grün. Für die Erzeugung von Lichtsignalen in eine bestimmte Richtung kann die Kommunikationsvorrichtung Leuchtdioden (LED) umfassen.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Kommunikationsvorrichtung der eingangs genannten Art, die effektiv Lichtsignale in unterschiedliche Richtungen ausgeben kann.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Kommunikationsvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen Beeinflussungsmittel umfassen, die als digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD beziehungsweise Digital Micromirror Device) ausgebildet sind oder eine digitale Mikrospiegelvorrichtung umfassen, wobei die Beeinflussungsmittel selektiv mindestens einen Anteil des von der mindestens einen Lichtquelle ausgehenden Lichts so ablenken oder reflektieren können, dass der mindestens eine Anteil des Lichts aus der Kommunikationsvorrichtung austritt Auf diese Weise können mit einfachen Mitteln Lichtsignale in vorgegebene Richtungen ausgegeben werden. Die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen können insbesondere in definierbare Raumwinkel charakteristische Lichtsignale abstrahlen und vorzugsweise ein eindeutiges Adressieren eines Beobachters realisieren. Das Vorsehen einer digitale Mikrospiegelvorrichtung ermöglicht die Ausbildung kleiner Adressierungssegmente, die auf sie auftreffendes Licht geeignet beeinflussen beziehungsweise ablenken oder reflektieren können. Beispielsweise können dabei unterschiedlichen Reihen von Spiegelelementen einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung unterschiedliche Adressierungskanäle für die auszugebenden Lichtsignale zugeordnet werden. Dadurch kann durch Anwahl einer bestimmten Reihe von Spiegelelementen ein bestimmter Adressierungskanal ausgewählt werden, in den das Lichtsignal ausgestrahlt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen mindestens eine erste Lichtquelle und mindestens eine zweite Lichtquelle umfassen, insbesondere wobei im Betrieb der Kommunikationsvorrichtung die mindestens eine erste Lichtquelle Licht mit einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenspektrum aussendet und wobei die mindestens eine zweite Lichtquelle Licht mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen Wellenlänge oder einem zweiten, von dem ersten verschiedenen Wellenlängenspektrum aussendet. Auf diese Weise kann durch gezielte Ansteuerung der Lichtquellen die Farbe der ausgesandten Lichtsignale verändert werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die digitale Mikrospiegelvorrichtung eine aktive Fläche aufweist, die so gestaltet ist, dass aus zwei unterschiedlichen Richtungen auf die aktive Fläche auftreffendes Licht zweier Lichtquellen so reflektiert werden kann, dass mindestens ein Anteil des Lichts jeder der beiden Lichtquellen aus der Kommunikationsvorrichtung austritt. Dadurch können beispielsweise grüne und rote Lichtsignale in gewünschte Richtungen ausgesandt werden. Insbesondere kann zuerst die erste Lichtquelle aktiviert werden, wobei mindestens ein Anteil des beispielsweise roten Lichts der ersten Lichtquelle von der Mikrospiegelvorrichtung so abgelenkt wird, dass der abgelenkte Anteil aus der Kommunikationsvorrichtung austritt, und wobei insbesondere weitere Anteile des roten Lichts in einen Absorber abgelenkt werden. Anschließend kann die zweite Lichtquelle aktiviert werden, wobei mindestens ein Anteil des beispielsweise grünen Lichts der zweiten Lichtquelle von der Mikrospiegelvorrichtung so abgelenkt wird, dass der abgelenkte Anteil aus der Kommunikationsvorrichtung austritt, und wobei insbesondere weitere Anteile des grünen Lichts in einen Absorber abgelenkt werden. Dieser Vorgang kann sehr schnell nacheinander wiederholt werden, so dass für einen Betrachter gleichzeitig in einen ersten Raumwinkel rotes Licht und in einen zweiten Raumwinkel grünes Licht ausgesandt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen eine Auskoppeloptik umfassen, durch die im Betrieb der Kommunikationsvorrichtung der mindestens eine von den Beeinflussungsmitteln ausgehende Anteil des Lichts hindurch aus der Kommunikationsvorrichtung austritt. Diese Auskoppeloptik kann so gestaltet sein, dass ein erster Anteil und ein zweiter Anteil des Lichts, die sich nach Wechselwirkung mit den Beeinflussungsmitteln in die gleiche Richtung bewegen, nach Hindurchtritt durch die Auskoppeloptik in unterschiedliche Richtungen aus der Kommunikationsvorrichtung austreten. Es kann damit ein in einen definierbaren Raumwinkel charakteristisch abstrahlendes Lichtmodul geschaffen werden, das vorzugsweise ein eindeutiges Adressieren eines Beobachters ermöglicht, der das Lichtmodul daraufhin als selbstleuchtend wahrnimmt. Dieses Lichtmodul ermöglicht es insbesondere, in verschiedene Raumrichtungen verschieden farbige Lichtsignale zu übermitteln, sodass nur Verkehrsteilnehmer, die sich im entsprechenden Raumwinkel befinden, das Lichtsignal wahrnehmen können. Auch das parallele Ansteuern mehrerer Raumwinkel mit verschiedenen Informationen ist möglich. So erscheint das Lichtmodul je nach Betrachtungswinkel in verschiedenen Farben. Es besteht auch die Möglichkeit, gezielt Bereiche nicht zu adressieren.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Auskoppeloptik erste Linsenmittel und zweite Linsenmittel umfassen, insbesondere wobei der mindestens eine von den Beeinflussungsmitteln ausgehende Anteil des Lichts im Betrieb der Kommunikationsvorrichtung nacheinander durch die ersten Linsenmittel und die zweiten Linsenmittel hindurchtritt. Dabei können die ersten Linsenmittel so gestaltet sein, dass sie das Licht, insbesondere ausschließlich, in einer ersten Ebene ablenken. Weiterhin können die zweiten Linsenmittel so gestaltet sein, dass sie das Licht, insbesondere ausschließlich, in einer zweiten Ebene ablenken, vorzugsweise wobei die erste und die zweite Ebene senkrecht zueinander sind. Dadurch können die Linsenmittel unabhängig voneinander an die Einbausituation angepasst werden. Beispielsweise können dabei für unterschiedliche, insbesondere der vertikalen Auskopplung dienende zweite Linsenmittel die gleichen, insbesondere deutlich kleineren, der horizontalen Auskopplung dienenden ersten Linsenmittel verwendet werden. Insbesondere die vertikale Auskopplungsperipherie ist somit individuell anpassbar. Daraus resultieren geringe Herstellungskosten bei hoher Stückzahl, weil pro Funktion der horizontalen beziehungsweise vertikalen Auskopplung Einzelelemente genutzt werden können.
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Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Linsenmittel mindestens eine Zylinderlinse umfassen und/oder dass die zweiten Linsenmittel mindestens eine teiltorusförmige Linse umfassen. Insbesondere kann dabei der Torus der mindestens einen teiltorusförmigen Linse konzentrisch zu der Zylinderlinse beziehungsweise zu der Austrittsfläche der Zylinderlinse angeordnet sein. Dadurch kann erreicht werden, dass die Linsenmittel das Licht unabhängig voneinander in zueinander senkrechten Ebenen ablenken.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die mindestens eine Lichtquelle eine Laserlichtquelle, insbesondere ein Halbleiterlaser, oder eine Leuchtdiode (LED) ist. Dadurch lassen sich die beispielsweise als digitale Mikrospiegelvorrichtung ausgebildeten Beeinflussungsmittel effektiv und gleichmäßig ausleuchten. Als Leuchtdiode kommt dabei insbesondere eine sehr gut kollimierte und kleine Leuchtdiode in Betracht.
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Eine erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung kann den Vorteil bieten, dass sie vollständig auf kinetische Bauteile verzichtet. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen nur einen sehr geringen Bauraum benötigen. Beispielsweise können die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen lediglich zwei optische Komponenten aufweisen. Die Kommunikationsvorrichtung kann weiterhin ein geringes Gewicht aufweisen. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass die Kommunikationsvorrichtung keine zusätzliche mechanische oder elektronische Blende benötigt.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform von Mitteln zur Erzeugung von Lichtsignalen einer erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung, wobei die Ausführungsform zwei Lichtquellen aufweist;
- 2 eine 1 entsprechende Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 1, wobei lediglich eine erste der Lichtquellen Licht aussendet;
- 3 eine 1 entsprechende Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 1, wobei lediglich eine zweite der Lichtquellen Licht aussendet;
- 4 eine 1 entsprechende, etwas detailliertere Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 1;
- 5 eine 4 entsprechende Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 1, wobei lediglich eine der Lichtquellen Licht aussendet;
- 6 eine perspektivische Ansicht von Linsenmitteln einer erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung;
- 7 ein Detail gemäß dem Pfeil VII in 6;
- 8 eine weitere perspektivische Ansicht der Linsenmittel gemäß 6;
- 9 einen Meridionalschnitt durch die Linsenmittel gemäß 6;
- 10 einen Sagittalschnitt durch die Linsenmittel gemäß 6;
- 11 einen Meridionalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Linsenmittel;
- 12 einen Meridionalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Linsenmittel;
- 13 einen Meridionalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Linsenmittel;
- 14 einen Meridionalschnitt durch eine weitere Ausführungsform von Mitteln zur Erzeugung von Lichtsignalen einer erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung;
- 15 eine perspektivische Detailansicht einer Ausführungsform von Mitteln zur Erzeugung von Lichtsignalen einer erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei den abgebildeten Ausführungsformen von Kommunikationsvorrichtungen und mit diesen ausgestatteten Fahrzeugen soll eine neue Art der Kommunikation zwischen Mensch und Maschine bei der Integration von autonomen Fahrzeugen in das nichtautonome Verkehrsgeschehen ermöglicht werden. Insbesondere kann dabei ein einem Fahrzeug zur Verfügung stehendes, vollständiges Umgebungsmodell mit für die Fahraufgabe relevanten Informationen über Verkehrsteilnehmer und ihre Positionen sowie Intentionen vorausgesetzt werden.
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Dafür kann eine Sensor-Daten-Fusion aus beliebigen Sensormitteln wie Radar, Lidar, Infrarotkamera, Kamera im sichtbaren Bereich oder Laserscanner sowie hinterlegtes Kartenmaterial verwendet werden. Eine Recheneinheit, die mit diesen Umfelddaten gespeist wird, kann ermitteln, in welchen Abstrahlwinkeln sich welcher Verkehrsteilnehmer aufhält und ob eine Kommunikation zur Verständigung und besseren Bewältigung einer bevorstehenden Verkehrssituation notwendig wird. Notwendige Abstrahlwinkel für Lichtsignale mit entsprechender Farbgebung werden nun über ein fahrzeuginternes Netzwerk transportiert und an die beispielsweise als Lichtmodul ausgebildeten Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen übermittelt. Dieses Lichtmodul ermöglicht es, in verschiedene Richtungen verschiedene Lichtsignale zu übermitteln, so dass nur Verkehrsteilnehmer, die sich in entsprechenden Raumwinkeln befinden, das Lichtsignal wahrnehmen können. Auch das parallele Ansteuern mehrerer Raumwinkel mit verschiedenen Informationen ist möglich. So erscheint das Lichtmodul je nach Betrachtungswinkel in verschiedenen Farben. Grün kann dabei signalisieren, dass das autonome Fahrzeug den entsprechenden Verkehrsteilnehmer detektiert hat. Rot kann dafür stehen, dass der Verkehrsteilnehmer detektiert wurde, aber er dem autonomen Fahrzeug Vorfahrt zu gewähren hat. Soll eine Person, die im Rahmen des Carsharings in das autonome Fahrzeug zusteigen muss, auf das richtige Fahrzeug, in das sie einsteigen möchte, hingewiesen werden, gibt das Lichtmodul die Möglichkeit, die Person gezielt mit einem Lichtsignal anzusprechen. Es kann vorgesehen sein, neben Carsharing-Funktionen auch Begrüßungs- oder Goodbye-Funktionen zu integrieren.
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Das Lichtmodul lässt sich dabei an einer beliebigen Stelle am Fahrzeug platzieren. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise in der Platzierung an der A-, B- oder C- bzw. D-Säule. Aber auch das Aufteilen der zu bedienenden Raumwinkel in zwei oder mehrere Lichtmodule, so dass beispielsweise jeweils ein 90°-Bereich abgedeckt werden kann, ist hierbei denkbar.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen im Fahrzeug vorne, beispielsweise im oberen Bereich der Windschutzscheibe anzuordnen. Alternativ können die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen auch im oberen Bereich des Hecks des Fahrzeugs angeordnet werden. Weitere Unterbringungsmöglichkeiten sind eine Platzierung im Scheinwerfer oder im Radkasten, was insbesondere in der Nacht vorteilhaft ist. Der Blick eines Fußgängers ist nachts nämlich nicht mehr unbedingt auf den Fahrer gerichtet, weil dieser sich in der Regel im Dunklen befindet.
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Die in den 1 bis 5 abgebildete Ausführungsform von Mitteln zur Erzeugung von Lichtsignalen einer erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung umfasst zwei Lichtquellen 1, 2, die beispielsweise als Laserlichtquellen ausgebildet sind. Auch andere geeignete Lichtquellen sind möglich. Den Lichtquellen 1, 2 ist jeweils eine nicht abgebildete Kollimationsoptik zugeordnet, die das von der zugeordneten Lichtquelle ausgehende Licht 3, 4 kollimiert.
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Die in den 1 bis 5 abgebildete Ausführungsform von Mitteln zur Erzeugung von Lichtsignalen umfasst weiterhin eine als Beeinflussungsmittel dienende digitale Mikrospiegelvorrichtung 5 (DMD). Das von den Lichtquellen 1, 2 ausgehende Licht 3, 4 wird von den Kollimationsoptiken so geformt, dass es die aktive Fläche 6 der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 im Wesentlichen vollständig ausleuchtet (dies ist in 1 bis 5 lediglich schematisch angedeutet).
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In an sich bekannter Weise weist die digitale Mikrospiegelvorrichtung 5 eine Vielzahl von nicht abgebildeten Spiegelelementen auf, die jeweils einzeln oder in Gruppen zwischen zwei stabilen Zuständen hin und her bewegt werden können. In einem ersten Zustand findet eine Auskopplung in einen der jeweiligen Lichtquelle 1, 2 zugeordneten Absorber 7, 8 statt. In dem anderen Zustand wird das Licht 3, 4 in Richtung auf eine in den 1 bis 5 lediglich schematisch angedeutete Auskoppeloptik 9 reflektiert, durch die das Licht 3, 4 hindurchtreten kann.
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Bei dem in den 1 bis 5 abgebildeten Ausführungsbeispiel sendet beispielsweise die linke beziehungsweise erste Lichtquelle 1 rotes Licht 3 aus, wohingegen die rechte beziehungsweise zweite Lichtquelle 2 grünes Licht 4 aussendet. Als Lichtquellen 1, 2 kommen beispielsweise zwei Laser zum Einsatz, von denen einer Licht im roten und der andere Licht im grünen Spektralbereich aussendet.
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Dank der selektiven Ansteuerung jedes einzelnen Spiegelelements der digitale Mikrospiegelvorrichtung 5 ist eine Segmentierung des einfallenden Strahlenbündels möglich. Für die Segmentierung kann das Spiegelarray insbesondere spaltenweise geschaltet werden. Eine Spaltenreihe entspricht dabei einem adressierten Beleuchtungskanal im Fahrzeugaußenbereich.
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Beispielsweise können die beiden stabilen Zustände eines jeden der Spiegelelemente durch ein Verkippen um +12° und ein Verkippen um -12° erreicht werden. In dem im 5 detaillierter abgebildeten Aufbau wird das kollimierte Licht 3, 4 jeweils in einem Winkel α, β von +24° beziehungsweise -24° zum Einfallslot auf der aktiven Fläche 6 der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 eingekoppelt, so dass das reflektierte Licht 10 orthogonal zur aktiven Fläche 6 der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 reflektiert wird. Dadurch besteht die Möglichkeit, von beiden Seiten der Kippachse der Spiegelelemente Licht 3, 4 mit zwei verschiedenen Wellenlängen einzukoppeln.
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2 zeigt einen Zustand, in dem lediglich die erste Lichtquelle 1 rotes Licht 3 aussendet. Ein Teil dieses Lichts 3 wird von einigen der Spiegelelemente der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 in Richtung auf die Auskoppeloptik 9 reflektiert. Ein anderer Teil dieses Lichts 3 wird von anderen Spiegelelementen der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 in den zugeordneten Absorber 7 reflektiert.
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3 zeigt einen Zustand, in dem lediglich die zweite Lichtquelle 2 grünes Licht 4 aussendet. Ein Teil dieses Lichts 4 wird von einigen der Spiegelelemente der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 in Richtung auf die Auskoppeloptik 9 reflektiert. Ein anderer Teil dieses Lichts 4 wird von anderen Spiegelelementen der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 in den zugeordneten Absorber 8 reflektiert.
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6 bis 10 verdeutlichen die Auskoppeloptik 9. Diese umfasst erste Linsenmittel 11 und zweite Linsenmittel 12, durch die das reflektierte Licht 10 nacheinander hindurchtritt. Dabei sind die ersten Linsenmittel 11 an einem ersten zumindest abschnittsweise transparenten Substrat und die zweiten Linsenmittel 12 an einem zweiten zumindest abschnittsweise transparenten Substrat ausgebildet.
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Die ersten Linsenmittel 11 weisen auf ihrer Eintrittsfläche eine Zylinderlinse 13 auf, deren Zylinderachse sich in sagittaler Richtung beziehungsweise in vertikaler Richtung in 6 erstreckt. Die Zylinderlinse 13 kann asphärisch ausgebildet sein. Die Austrittsfläche der ersten Linsenmittel 11 ist plan. Durch die Gestaltung der Zylinderlinse 13 wird das durch die ersten Linsenmittel 11 hindurchtretende Licht nur in meridionaler Richtung beziehungsweise nur in horizontaler Richtung in 6 abgelenkt, wohingegen es in sagittaler Richtung beziehungsweise in vertikaler Richtung in 6 unabgelenkt durch die ersten Linsenmittel 11 hindurch verläuft.
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Die zweiten Linsenmittel 12 weisen auf ihrer Eintrittsfläche eine teiltorusförmige Linse 14 sowie auf ihrer Austrittsfläche eine teiltorusförmige Linse 15 auf, wobei die Tori der Linsen 14, 15 konzentrisch zueinander sind. Die Umfangsrichtung der Tori dieser Linsen 14, 15 erstreckt sich in einer meridionalen Ebene beziehungsweise in der horizontalen Ebene in 6. Durch die Gestaltung der Linsen 14, 15 wird das durch die zweiten Linsenmittel 12 hindurchtretende Licht nur in sagittaler Richtung beziehungsweise in nur vertikaler Richtung in 6 abgelenkt, wohingegen es in meridionaler Richtung beziehungsweise in horizontaler Richtung in 6 unabgelenkt durch die ersten Linsenmittel 11 hindurch verläuft (siehe dazu auch 14).
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Das von der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 auf die Zylinderlinse 13 reflektierte Licht 10, wird von dieser durch einen örtlich abhängigen Einfallswinkel in den gewünschten horizontalen Ablenkungswinkel gebrochen. Jedem Adressierungskanal der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 ist somit insbesondere ein anderer Einfallswinkel auf der Linsenoberfläche zugeordnet.
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Dies ist in 14 für zwei unterschiedliche Anteile 10a, 10b des Lichts 10 verdeutlicht, die von unterschiedlichen Reihen von Spiegelelementen ausgehen. Der näher am Scheitelpunkt der Zylinderlinse 13 auftreffende Anteil 10a wird horizontal weniger stark abgelenkt als der näher am Rand der Zylinderlinse 13 auftreffende Anteil 10b.
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Aufgrund der spiegelsymmetrischen Anordnung entsteht in Summe aller Einfallswinkel der ersten Linsenmittel 11 eine asphärisch geformte Zylinderlinse 13. Dabei ist diese genau so gestaltet, dass jedem Adressierungskanal genau ein Beleuchtungskanal im Beleuchtungsraum zugeordnet ist. Somit entstehen eine lückenlose Ausleuchtung des Beleuchtungsraums und eine homogene Verteilung aller Beleuchtungskanäle.
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In den 1 bis 5 ist somit oberhalb der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 in Auskoppelrichtung des reflektierten Lichts 10 die Zylinderlinse 13 mit einer asphärischen Fläche angeordnet, die die kollimierten Strahlen je nach Abstand zur optischen Achse (der Pupillenhöhe), die in den 1 bis 5 in die Bildebene hineinläuft, in einem angepassten Winkel derart bricht, dass eine Gleichverteilung aller reflektierten Strahlenbündel auf einem definierten Öffnungswinkel der Gesamtoptik geschaffen wird.
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Das optische System weist also einem Strahl mit einer gegebenen Strahlhöhe einen bestimmten Ablenkungswinkel zu. Am Kraftfahrzeug bedeutet dies, dass durch Wahl der Spalten einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 ein gerichteter Spot in verschiedene Bereiche der Horizontalen abgelenkt werden kann.
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Die Linsen 14, 15 der zweiten Linsenmittel 12 sind in der meridionalen Ebene konzentrisch zu dem Mittelpunkt der Austrittsfläche der ersten Linsenmittel 11 angeordnet. Dadurch trifft das von der Austrittsfläche der ersten Linsenmittel 11 ausgehende Licht im Wesentlichen in radialer Richtung auf die teiltorusförmigen Oberflächen der Linsen 14, 15. Dies hat zur Folge, dass die Linsen 14, 15 die horizontale Verteilung des durch die Linsenmittel 11, 12 hindurchtretenden Lichts nicht beeinflussen (siehe dazu 14).
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Die Linse 14 ist dabei in sagittaler Richtung weniger ausgedehnt als die Linse 15, wobei die Linsen 14, 15 insbesondere wie ein Teleskop das durch sie hindurchtretende Licht in sagittaler Richtung aufweiten. In der sagittalen Richtung sorgen die zweiten Linsenmittel 12 vorzugsweise für die geforderte Aufweitung des Lichts beziehungsweise des Strahlenbündels auf einen Öffnungswinkel von beispielsweise 90°. Die Geometrie der Linsen wird so abgestimmt, dass dabei die Kanalbreite b in einer Entfernung E von 25 m den Anforderungen entspricht, insbesondere dass b etwa gleich 10 cm ist (siehe dazu 14).
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Die Linse 14 auf der Eintrittsfläche der zweiten Linsenmittel 12 weist eine aus 7 ersichtliche Struktur 16 auf. Diese besteht aus einer Vielzahl zueinander paralleler Nuten, die sich in Umfangsrichtung des Torus der zweiten Linsenmittel 12 erstrecken. Die Struktur 16 führt zu einer vertikalen nicht jedoch zu einer horizontalen Streuung des durch die Linse 14 hindurchtretenden Lichts. Somit trifft nicht nur der Punkt auf die Netzhaut eines sich außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Betrachters, der auf der optischen Achse zwischen Auge und Leuchtmodul liegt, sondern auch je ein weiterer Punkt pro Nut der Struktur 16. Die Summe aller Punkte führt dazu, dass der Betrachter eine Linie und nicht nur einen Punkt als sichtbare Fläche wahrnimmt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, die zweiten Linsenmittel 12 keine Struktur 16 aufweisen. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass die zweiten Linsenmittel 12 das Licht in der Vertikalen auffächern, ähnlich wie die ersten Linsenmittel 11 das Licht in der Horizontalen auffächern. Dadurch wird die Kommunikationsvorrichtung in die Lage versetzt, zusätzlich zur horizontalen Auflösung auch in der Vertikalen aufzulösen.
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Wenn beispielsweise eine Fahrzeugsensorik die Position eines außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Betrachters ermittelt und der Kommunikationsvorrichtung Informationen über den horizontalen und vertikalen Winkel des Kopfes dieses Betrachters übermittelt, kann die digitale Mikrospiegelvorrichtung so angesteuert werden, dass nicht mehr ganze Spalten geschaltet werden. Vielmehr können bei einer derartigen Ausgestaltung auch mit den Zeilen der digitalen Mikrospiegelvorrichtung definierte vertikale Ablenkwinkel angesteuert werden, so dass insbesondere jedes einzelne Pixel in einen eigenen Raumwinkel abgelenkt werden kann. Allerdings kann der Betrachter bei einer derartigen Ausgestaltung keinen Strich mehr sehen sondern nur einen kleinen Lichtpunkt.
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Anders als es beispielsweise über einen Reflektor möglich wäre, wird bei den abgebildeten Ausführungsformen der Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen eine Funktionsteilung zwischen vertikaler und horizontaler Strahlverteilung auf getrennten optischen Substraten geschaffen, die große Vorteile bietet. Insbesondere erfolgt durch die konzentrische Anordnung im Meridionalschnitt keine Änderung der horizontalen Strahlverteilung durch die zweiten Linsenmittel 12.
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Damit lässt sich nicht nur die Geometrie der zweiten Linsenmittel 12 im Sagittalschnitt individuell anpassen und modifizieren beispielsweise bei einer Änderung des vertikalen Öffnungswinkels oder der streuenden Struktur, sondern auch deren Größe. Eine individuelle Anpassung des Gesamtsystems an die Anforderungen an Bauraum, Design und Systembedingungen ist somit nun möglich. Dies wird durch die unterschiedliche Größenverhältnisse aufweisenden Linsenmittel 11, 12 der Auskoppeloptiken 9 in den 11 bis 13 verdeutlicht.
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Das System benötigt einen hohen Grad an Kollimation des verwendeten kollimierten Lichts, insbesondere des verwendeten Laserlichts. Da dieses Laserlicht jedoch auf die Diagonale des Adressierungssegments beziehungsweise der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 aufgeweitet werden muss, ohne die Kollimation zu verlieren, sind vergleichsweise kleine Adressierungssegmente beziehungsweise Spiegelelemente notwendig, weil ansonsten eine zu große Kollimationsoptik für die Laserstrahlung verwendet werden muss. Diese Kollimationsoptik muss zudem die Laserstrahlung größer aufweiten als geometrisch benötigt, da die gaußförmige Intensitätsverteilung eines Laserstrahls sonst zu einer sehr inhomogenen Ausleuchtung des Adressierungssegments führen würde.
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Aufgrund der wellenlängenabhängigen Brechung sollte zudem die Anzahl der Kanäle des Adressierungssegments größer gewählt werden als gefordert. Damit beschränkt sich die Auswahl der Adressierungssegmente auf digitale Mikrospiegelvorrichtungen (DMD), LcOS und LC-Displays mit kleiner Diagonale und hoher Kanalanzahl. Denkbar wäre aber auch ein scannendes System als Adressierungssegment, sofern das Zentrum aller Strahlenbündel nahezu punktförmig reflektiert wird. Dann würde über den Austausch der vertikal strahlaufweitenden asphärischen Linse gegen eine aplanatisch-konzentrisch zur Punktlichtquelle angeordneten Meniskuslinse die Gesamtfunktion dieses Konzeptes erhalten bleiben.
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Der wellenlängenabhängige Brechungswinkel kann durch eine Erhöhung der Anzahl an Spiegelreihen kompensiert werden, wobei die Anzahl höher als die der erforderlichen Selektionskanäle sein sollte. Dadurch wird ein Redundanzfaktor zur Fehlerkompensation geschaffen. Weil beispielsweise Grün stärker gebrochen wird als Rot, werden für grünes Licht für die äußeren Adressierungskanäle nicht die äußeren Spiegelreihen der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 genutzt sondern weiter innen liegende. Für rotes Licht entsprechen die äußeren Reihen der Spiegelelemente dem äußeren Adressierungskanal. Unterschiedliche Öffnungswinkel können mit der Anzahl der Reihen der Spiegelelemente gesteuert werden, die für einen Adressierungskanal geschaltet werden.
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In 15 werden die Mittel zur Erzeugung von Lichtsignalen schematisch dreidimensional dargestellt. Gezeigt wird, wie die erste Lichtquelle 1 die digitale Mikrospiegelvorrichtung 5 beleuchtet. Dabei ist die zweite Lichtquelle 2 ausgeschaltet. Eine Spalte der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 ist in Auskoppelrichtung geschaltet, alle anderen Spiegelelemente sind in Richtung des Absorbers 7 geschaltet. Der Absorber 7 der ersten Lichtquelle 1 empfängt nun also alle Strahlen des Lichts 10 außer denjenigen, die über die geschaltete Spalte der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 in Richtung Auskoppeloptik gelenkt werden.
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Von der Auskoppeloptik sind in 15 lediglich die ersten Linsenmittel 11 aufgenommen, die vereinfacht als Rundbogen dargestellt sind. Das Licht 10, das über die geschaltete Spalte von Spiegelelementen der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 in Richtung auf die Auskoppeloptik gelenkt wird, verläuft in der Normalen zur digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 und trifft an einer bestimmten Stelle auf die ersten Linsenmittel 11. Die ersten Linsenmittel 11 sind so ausgelegt, dass sie diesen Anteil des Lichts 10 an dieser Stelle um einen vorgegebenen Winkel ablenken. 15 verdeutlicht, dass zwar der auf die ersten Linsenmittel 11 auftreffende Anteil des Lichts 10 abgelenkt wird, dabei aber die Divergenz dieses Anteils nicht verändert wird. Die Höhe des Querschnitts 17 des abgelenkten Anteils des Lichts entspricht auch nach Durchlaufen der ersten Linsenmittel 11 weiterhin der Spaltenhöhe der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5.
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Damit dieser Querschnitt 17 auch aus verschiedenen vertikalen Betrachtungshöhen eines bestimmten Winkelbereichs am Fahrzeug gesehen werden kann, sind die zweiten Linsenmittel 12 vorgesehen. Diese dienen dazu, den Querschnitt 17 zusätzlich in der Vertikalen aufzuweiten. Bei dem Hindurchtritt durch die zweiten Linsenmittel 12 wird die zuvor erreichte horizontale Abstrahlcharakteristik nicht beeinflusst (siehe dazu auch 14).
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Durch gezieltes Takten und Synchronisieren der Lichtquellen 1, 2 in definierter Lichtfarbe und das Kippen einer bestimmten Reihe von Spiegelelementen der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 wird die jeweilige Lichtquelle 1, 2 aus dem Raumwinkel wahrgenommen. Dabei können beliebig viele Reihen der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 getrennt, sequenziell oder simultan angesteuert werden, so dass die jeweilige Farbe des Lichtsignals auch aus mehreren Blickwinkeln gleichzeitig wahrgenommen werden kann. Soll nun in einem oder in mehreren Raumwinkeln ein andersfarbiges Lichtsignal wahrgenommen werden, so wird die zuvor eingeschaltete Lichtquelle 1, 2 ausgeschaltet. Nun wird die entgegengesetzte Lichtquelle 2, 1 mit der zweiten Lichtfarbe aktiviert und alle Reihen der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 5 in den entsprechenden Einkopplungswinkel gekippt, die die Raumwinkel bedienen, in denen die zweite Lichtfarbe wahrgenommen werden soll. Dieser Vorgang kann in einer Frequenz oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz wiederholt werden, so dass der Wechsel durch das menschliche Auge nicht mehr wahrgenommen werden kann.
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Die digitale Mikrospiegelvorrichtung 5 kann außerdem aufgrund der Anordnung der zwei Lichtquellen 1, 2, der zwei Absorber 7, 8 sowie der Auskoppeloptik 9 auch simultan von beiden Lichtquellen 1, 2 beleuchtet werden. Ein Spiegelelement, das sich in einer Position befindet, die einen Lichtstrahl der ersten Lichtquelle 1 auf die Auskoppeloptik 9 reflektiert und gleichzeitig von der zweiten Lichtquelle 2 beleuchtet wird, lenkt das Licht der zweiten Lichtquelle 2 gleichzeitig in den der zweiten Lichtquelle 2 zugeordneten Absorber 8.
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Wird dieses Spiegelelement in die andere Richtung verkippt, tritt der umgekehrte Fall ein. Der entsprechende von der zweiten Lichtquelle 2 ausgehende Anteil des Lichts 4 wird ausgekoppelt, wohingegen der von der ersten Lichtquelle 1 ausgehende Anteil des Lichts 3 in den Absorber 7 der ersten Lichtquelle 1 gelenkt wird. Trotzdem wird bei der simultanen Beleuchtung mit zwei Lichtquellen 1, 2 in jeden Auskoppelwinkel entweder die eine oder die andere Farbe ausgesendet. Ein Nichtansteuern bestimmter Kanäle ist so nicht mehr möglich.
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Es besteht die Möglichkeit, als erste Lichtquelle eine Lichtquelle zu verwenden, die sichtbares Licht aussendet, und als zweite Lichtquelle eine Lichtquelle zu verwenden, die nicht sichtbares Licht, insbesondere IR-Licht aussendet. Dadurch kann die erste Lichtquelle ein Lichtsignal beispielsweise in Richtung auf einen Fußgänger aussenden, wohingegen die zweite Lichtquelle beispielsweise ein Lichtsignal in Richtung auf ein autonomes Fahrzeug aussenden kann, das mit einem geeigneten Infrarotsensor ausgestattet ist.
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Um von der ersten Lichtquelle beispielsweise an einen Fußgänger Lichtsignale unterschiedlicher Farbe aussenden zu können, kann die erste Lichtquelle 1 vorzugsweise als RGB-Lichtquelle ausgebildet sein, die Licht 3 unterschiedlicher Wellenlängen generieren kann. Beispielsweise kann die Lichtquelle dazu drei einzelne als Laser ausgebildete Teillichtquellen umfassen, von denen eine erste rotes Licht, eine zweite grünes Licht und eine dritte blaues Licht aussenden kann. Das Licht dieser einzelnen Teillichtquellen kann beispielsweise über dielektrische Spiegel geeignet gemischt werden, so dass beliebige Farben erzeugt werden können. Dazu kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, die die Teillichtquellen entsprechend ansteuert.
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Eine andere Möglichkeit zur Mischung des Lichts 3 ist die Verwendung eines Prismas und das Einstrahlen der drei Wellenlängen in entsprechenden Winkeln, so dass der Austrittswinkel für alle Wellenlängen der gleiche ist und eine Überlagerung entsteht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Lichtquelle
- 2
- zweite Lichtquelle
- 3
- von der ersten Lichtquelle ausgehendes Licht
- 4
- von der zweiten Lichtquelle ausgehendes Licht
- 5
- digitale Mikrospiegelvorrichtung
- 6
- aktive Fläche der digitalen Mikrospiegelvorrichtung
- 7
- Absorber der ersten Lichtquelle
- 8
- Absorber der zweiten Lichtquelle
- 9
- Auskoppeloptik
- 10
- von der digitalen Mikrospiegelvorrichtung reflektiertes Licht
- 10a
- Anteil des Lichts 10
- 10b
- Anteil des Lichts 10
- 11
- erste Linsenmittel
- 12
- zweite Linsenmittel
- 13
- Zylinderlinse der ersten Linsenmittel
- 14
- teiltorusförmige Linse auf der Eintrittsfläche der zweiten Linsenmittel
- 15
- teiltorusförmige Linse auf der Austrittsfläche der zweiten Linsenmittel
- 16
- Struktur auf der Eintrittsfläche der zweiten Linsenmittel
- 17
- Querschnitt des abgelenkten Anteils des Lichts 10
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014226254 A1 [0006]
