DE102018100373B4 - Verfahren zur vertikalen Keystone-Korrektur in Projektionssystemen für Head-Up-Displays, Laserprojektionsvorrichtung und Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Projizieren eines Bilds auf eine Oberfläche (32) wobei zumindest ein modulierter Projektionslaser (24) periodisch mit einer ersten Umlenkfrequenz und einer ersten Umlenkamplitude entlang einer ersten Achse (14) und mit einer zweiten Umlenkfrequenz und einer zweiten Umlenkamplitude entlang einer zweiten Achse (16) umgelenkt wird, wobei die zweite Achse (16) von der ersten Achse (14) verschieden ist, und wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse (14) und/oder zweiten Achse (16) mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude zum Ausgleichen einer Verzerrung des Bilds frequenzmoduliert wird, wobei in einem Einrichtungsschritt die Modulationsfrequenz auf Null eingestellt, eine Verzerrung des Bilds aufgezeichnet, und die Modulationsfrequenz und/oder Modulationsamplitude zum Ausgleich der aufgezeichneten Verzerrung berechnet und auf die erste und/oder zweite Umlenkfrequenz angewendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Projizieren eines Bilds auf eine Oberfläche, insbesondere bereitgestellt durch eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, eine Laserprojektionsvorrichtung, die eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, und ein Fahrzeug mit einer derartigen Laserprojektionsvorrichtung.
• Laserprojektionsvorrichtungen sind allgemein bekannt. Sie setzen in ihrer Intensität modulierte Projektionslaser in den Elementarfarben ein, welche periodisch durch Spiegelsysteme umgelenkt werden. Üblicherweise werden hierzu sogenannte MEMS- (Micro-ElectroMechanical Systems) Spiegel eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Mikrospiegel, die auf hohen Frequenzen schwingen können, beispielsweise mithilfe von Piezoelektrischen-Treibern.
• Falls die Projektionsachse einer solchen Laserprojektionsvorrichtung nicht orthogonal zu der Projektionsfläche ist, wird das resultierende Bild verzerrt. Falls die Projektionsachse zum Beispiel hin zur Oberfläche geneigt ist, kommt es zu einer Trapezverzerrung des Bilds, der sogenannten Keystone-Verzerrung. Ferner können Verzerrungen auf gekrümmte Oberflächen, die als Projektionsfläche verwendet werden, zurückgeführt werden, zum Beispiel die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, was insbesondere für Head-Up-Vorrichtungen (HUD), die zum Projizieren von Informationen auf die Windschutzscheibe verwendet werden, problematisch ist.
• Es ist bekannt, eine solche Verzerrung durch den Einsatz bestimmter Optiken, zum Beispiel Linsensysteme, auszugleichen. Eine weitere Möglichkeit zum Ausgleich von Verzerrungen besteht in der Berechnung einer Vor-Verzerrung für das projizierte Bild, so dass sich eine unverzerrte Projektion ergibt. Beide Verfahren sind vergleichsweise kompliziert und können nicht auf einfache Weise an sich verändernde Projektionsbedingungen angepasst werden.
• WO 2011/007 386 A2 offenbart ein Korrekturverfahren für Laserscanprojektoren durch Variation der Scanamplitude, was ein kompliziertes Treibersystem für die MEMS-Spiegel erfordert, das auf schnelle Veränderungen in den Schwingungsmodi der Piezotreiber ansprechen können muss.
• US 2014/0078121 A1 offenbart eine Bildanzeigevorrichtung umfassend eine Lichtquelle, die einen Laserstrahl aussendet, einen Abtastspiegel, der ein Bild durch vertikales und horizontales Abtasten des Laserstrahls durch Schwenken projiziert, und einen Abtaststeuerungsabschnitt, der die horizontale Abtastamplitude des Abtastspiegels auf der Seite eines Projektionsbildes mit einer reduzierten Länge relativ groß im Vergleich zur horizontalen Abtastamplitude des Abtastspiegels auf der Seite des Projektionsbildes mit einer vergrößerten Länge in Bezug auf Verzerrung darstellt, wobei die Länge der Oberseite des Projektionsbildes und die Länge der Unterseite des Projektionsbildes voneinander verschieden sind.
• US 6 140 979 A offenbart eine Anzeigevorrichtung umfassend eine Bildquelle, die um zwei Achsen scannt. Um die Bewegung um eine erste der Achsen während des Schwingens um die zweite Achse zu kompensieren, beinhaltet die Vorrichtung eine Struktur zum Erzeugen einer Ausgleichsbewegung um die erste Achse mit einer Abtastrate, die gleich der doppelten Abtastrate um die zweite Achse ist. Der Offset-Scan kann eine Rampe oder eine andere Bewegung sein. Die Ausgleichsbewegung kann durch einen Hilfsscanner, wie beispielsweise einen mechanischen Scanner, einen piezoelektrischen Scanner, einen MEMsscanner oder einen anderen Scanner erzeugt werden. Da die Versatzbewegung sehr klein ist, kann der Zusatzscanner mit einem sehr kleinen Abtastwinkel arbeiten.
• US 2013/0120819 A1 offenbart ein Abtaststrahlprojektionssystem umfassend einen Abtastspiegel mit einer schnellen Abtastachse und einer langsamen Abtastachse. Die Bewegung auf der Schnellabtastachse wird durch ein Schnellabtastspiegelsteuerungssystem gesteuert. Das Steuersystem empfängt Positionsinformationen, die die Winkelverschiebung des Spiegels beschreiben. Es wird ein schnelles Abtastantriebssignal erzeugt, das bewirkt, dass der Abtastspiegel mit einer Resonanzfrequenz mit unterschiedlicher Amplitude schwingt.
• Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht somit darin, ein Verfahren und eine Laserprojektionsvorrichtung anzugeben, die eine schnelle, leichte und flexible Korrektur von Verzerrungen ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einer derartigen Laserprojektionsvorrichtung anzugeben.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Laserprojektionsvorrichtung nach Anspruch 11, und ein Fahrzeug nach Anspruch 14 gelöst.
• Bei einem Verfahren zum Projizieren eines Bilds auf eine Oberfläche, insbesondere auf eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, wird erfindungsgemäß zumindest ein modulierter Projektionslaser periodisch mit einer ersten Umlenkfrequenz und einer ersten Umlenkamplitude entlang einer ersten Achse und mit einer zweiten Umlenkfrequenz und einer zweiten Umlenkamplitude entlang einer zweiten Achse umgelenkt, wobei die zweite Achse von der ersten Achse verschieden, insbesondere orthogonal zu dieser, ist, und wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten und/oder zweiten Achse mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude zum Ausgleichen einer Verzerrung des Bilds moduliert wird.
• Durch das Bereitstellen einer Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation vermittels Überlagerung einer Modulationsschwingung in der oben genannten Weise wird ein besonders einfaches Verfahren bereitgestellt. Dies ermöglicht es beispielsweise, einen MEMS-Spiegel mit zwei herkömmlichen Piezo-Treibern für die erste und zweite Umlenkungsschwingung zu treiben, und einen dritten Treiber einzusetzen, um die Modulationsschwingung bereitzustellen. Auf diese Weise müssen keine besonders hochpräzisen Piezo-Treiber für die mit dem obigen Verfahren verwendete Vorrichtung eingesetzt werden.
• Hierbei wird in einem Einrichtungsschritt die Modulationsfrequenz auf Null eingestellt, eine Verzerrung des Bilds aufgezeichnet, und die Modulationsfrequenz und/oder Modulationsamplitude zum Ausgleich der aufgezeichneten Verzerrung berechnet und auf die erste und/oder zweite Umlenkfrequenz angewendet. Mit anderen Worten wird während des Einrichtungsschritts ein verzerrtes Bild erzeugt und aufgezeichnet und als Grundlage für die Bestimmung von Korrekturfaktoren verwendet. Dies ist besonders flexible , da es die Anpassung der Projektion an sich ändernde geometrische Bedingungen ermöglicht, insbesondere an sich ändernde Projektionsoberflächen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der ersten Achse um eine horizontale Achse des projizierten Bilds und bei der zweiten Achse um eine vertikale Achse des projizierten Bilds.
• Dies ermöglicht ein besonders einfaches Treiberprogramm, da der Pfad der Projektionslaser unmittelbar den vertikalen und horizontalen Koordinaten des Quellbilds sowie der Projektionsoberfläche entspricht.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Modulationsfrequenz für die zweite Achse mit der Umlenkfrequenz für die erste Achse synchronisiert.
• Auf diese Weise kann die vertikale Erstreckung des projizierten Bilds in Abhängigkeit von der Horizontalposition moduliert werden. Dies ermöglicht einen einfachen und unmittelbaren Ausgleich von Keystone-Verzerrungen und kann ebenfalls eingesetzt werden, um Verzerrungen zu korrigieren, die durch gekrümmte Oberflächen wie Windschutzscheiben verursacht werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch Anwenden der Modulation auf die Umlenkung entlang der zweiten Achse die zweite Umlenkungsamplitude moduliert durch einen maximalen Winkel $$\alpha =atan\left\{\frac{\left[\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}-{\delta }_v\right)+\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}+{\delta }_v\right)\right]\times \text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}+{\delta }_h\right)\times \text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}-{\delta }_h\right)}{\text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}-{\delta }_h\right)-\left[\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}-{\delta }_v\right)\times \text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}+{\delta }_v\right)\times {\text{cos}}^2\left(\frac{{\theta }_h}{2}+{\delta }_h\right)\right]}\right\}$$

  

  was zu einer maximalen Winkelabweichung gegenüber der nicht-modulierten Umlenkung von $$\vartheta =\frac{{\theta }_v-\alpha }{2}$$

  

  führt, wobei θh den Winkel des horizontalen Sichtfelds der Projektion bezeichnet, θv den Winkel des vertikalen Sichtfelds der Projektion bezeichnet, δh den horizontalen Kippwinkel der Verzerrung bezeichnet, δv den vertikalen Kippwinkel der Verzerrung bezeichnet, α den Gesamtmaximalausgleichswinkel bezeichnet, und ϑ die maximale Ausgleichswinkelabweichung bezeichnet.
• Die oben dargestellten mathematischen Zusammenhänge stellen einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen der Projektionsgeometrie und der erforderlichen Amplitudenmodulation für den Ausgleich der Verzerrung bereit. Es ist besonders bemerkenswert, dass die Modulationsfrequenz und die Modulationsamplitude zum Ausgleichen der Verzerrung eine konstante Funktion ist, so dass es nicht erforderlich ist, dass der Modulationstreiber der MEMS-Vorrichtung, der für die Projektion verwendet wird, schnelle Änderungen in seinen Schwingungseinstellungen durchführen muss.
• In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Wellenform für die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse gegeben durch: $$y_{original}=\frac{{\theta }_v}{2}\text{cos}\left(2\mathrm{\pi }\frac{f_r}{2}\right)$$

  

  und die Wellenform für die periodische Modulation entlang der zweiten Achse ist gegeben durch: $$y_{comp}=v_{init}+\frac{\alpha }{2}\text{cos}\left(2\mathrm{\pi }\frac{f_r}{2}\right)$$

  

  wobei der anfängliche Ausgleich $$v_{init}=-\frac{2{\delta }_v\vartheta }{{\theta }_v}$$

  

  beträgt.
• In den Gleichungen oben bezeichnet fr die Wiederholungsfrequenz der Projektion. Wie die oben genannten Modulationsparameter ist die Wellenform für die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse eine unveränderliche Funktion, so dass der Piezo-Treiber für die zweite Achse sowie der Piezo-Treiber für die Modulation jeweils durch konstante, sich nicht verändernde Parameter gesteuert werden können.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche, auf die das Bild projiziert wird, gekrümmt.
• Dies ermöglicht es, das oben beschriebene Verfahren zum Projizieren auf Oberflächen wie Windschutzscheiben von Fahrzeugen zu verwenden, zum Beispiel für die Verwendung als Head-Up-Vorrichtung, um einem Fahrer unmittelbar auf der Windschutzscheibe Informationen bereitzustellen, die sich mit seiner Sicht auf die Umgebung des Fahrzeugs überlagern.
• In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Modulationsfrequenz und/oder -Amplitude für die erste und/oder zweite Achse durch Berechnung des Schnittpunkts eines Strahls, der auf eine gedachte Ebene tangential zu der gekrümmten Oberfläche projiziert, mit der gekrümmten Oberfläche bestimmt.
• Dies ermöglicht eine einfache geometrische Bestimmung der Korrekturparameter, die zur Bereitstellung eines verzerrungsfreien Bildes auf einer gekrümmten Projektionsoberfläche benötigt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse und der zweiten Achse durch einen MEMS-Spiegel mit zwei Achsen, die der ersten und zweiten Achse entsprechen, bereitgestellt, und wobei ein erster Aktuator den Spiegel entlang der ersten Achse mit der ersten Umlenkfrequenz schwingt, und ein zweiter Aktuator den Spiegel entlang der zweiten Achse mit der zweiten Umlenkfrequenz schwingt, und zumindest ein weiterer Aktuator die erste und/oder zweite Achse mit der Modulationsfrequenz schwingt.
• Die ermöglicht den Einsatz von besonders einfacher und kompakter Projektionshardware, da bekannte herkömmliche MEMS-Spiegelsysteme nur mit einem zusätzlichen Aktuator aufgerüstet werden müssen, um die benötigte Modulation bereitzustellen, so dass die Gesamtgröße des für die Projektion verwendeten MEMS-Spiegelsystems größtenteils unverändert bleibt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse durch einen ersten MEMS-Spiegel bereitgestellt, und die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse wird durch einen zweiten MEMS-Spiegel bereitgestellt, und wobei ein ersten Aktuator den ersten Spiegel entlang der ersten Achse mit der ersten Umlenkfrequenz schwingt, und ein zweiter Aktuator den zweiten Spiegel entlang der zweiten Achse mit der zweiten Umlenkfrequenz schwingt, und zumindest ein weiterer Aktuator zumindest einen weiteren Spiegel entlang der ersten und/oder zweiten Achse mit der Modulationsfrequenz schwingt.
• Diese alternative Ausführungsform kann dazu verwendet werden, bestehende MEMS-Projektionssysteme aufzurüsten, da nur das Hinzufügen eines dritten Spiegels mit einem zugeordneten Aktuator notwendig ist.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Laserprojektionsvorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Laserprojektionsvorrichtung, die bevorzugt als Head-Up-Display Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines Bilds auf eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs verwendet wird.
• Es ist bevorzugt, dass der erste Aktuator einen Piezo-Aktuator umfasst, insbesondere einen elektrostatischen Aktuator, und/oder der zweiten Aktuator einen Piezo-Aktuator umfasst, insbesondere einen elektromagnetischen Aktuator, und/oder der dritte Aktuator einen Piezo-Aktuator umfasst, insbesondere einen elektrostatischen Aktuator.
• In allen diesen Fällen kommen die oben beschriebenen Vorteile ebenfalls zum Tragen.
• Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
• 1 eine schematische Darstellung eines MEMS-Spiegelsystems mit zwei Achsen und einem Spiegel zur Verwendung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• 2 eine schematische Darstellung eines MEMS-Spiegelsystems mit zwei Achsen und drei Spiegeln zur Verwendung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• 3 eine schematische Darstellung des Strahlengangs eines MEMS-Projektionssystems über eine Projektionsoberfläche;
• 4 schematische Darstellungen von verschiedenen Verzerrungstypen während der Laserprojektion;
• 5 ein Ablaufdiagramm für ein Beispiel eines Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
• 6 schematische Darstellungen der Ausgleichsmodulation gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• 7 eine schematische Ansicht der geometrischen Bedingungen während einer winkelversetzten Projektion;
• 8 schematische Ansichten der resultierenden Wellenformen der Modulationsspiegelbewegung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
• 9 eine schematische Ansicht der geometrischen Bedingungen während der Projektion auf eine gekrümmte Oberfläche.
• Wie in 1 dargestellt weist eine MEMS-Vorrichtung 10 für eine Laserprojektionsvorrichtung einen Spiegel 12 auf, der um eine erste Achse 14 und eine zweite Achse 16 geschwungen werden kann, wobei die Achsen 14, 16 bevorzugt orthogonal zueinander sind. Die Schwingung um die erste Achse 14 wird durch einen ersten Aktuator 18 angetrieben, bei dem es sich um einen Piezo-Aktuator, insbesondere einen elektrostatischen Aktuator handeln kann. Die Schwingung um die zweite Achse 16 wird vorwiegend durch einen zweiten Aktuator 20 angetrieben, bei dem es sich ebenfalls im einen Piezoaktuator, insbesondere einen elektromagnetischen Aktuator handeln kann. Um die Schwingung um die zweite Achse 16 zu modulieren, ist ein dritter Aktuator 22 an der zweiten Achse 16 angeordnet. Der dritte Aktuator 22 vermittelt eine zweite Schwingungsfunktion, mit der die erste Schwingungsfunktion, die durch den zweiten Aktuator 20 bereitgestellt wird, überlagert wird, um Verzerrungen in dem projizierten Bild auszugleichen.
• Alternativ, wie in 2 dargestellt, wird Licht, das von einem Laser 24 erzeugt wird, der ebenfalls mehrere Laserquellen in mehreren Farben aufweisen kann, welche zeitabhängig in ihrer Intensität moduliert werden können, zunächst über einen ersten Spiegel 26 reflektiert, der durch einer ersten Aktuator (in der Figur nicht dargestellt) um die erste Achse 14 geschwungen werden kann. Das reflektierte Licht wird auf einen zweiten Spiegel 28 gelenkt, der um eine erste zweite Achse 16 geschwungen werden kann, und weiter auf einen dritten Spiegel 30 gelenkt, der ebenfalls zur Schwingung um eine zweite zweite Achse 16 geeignet ist. In dieser Ausführungsform stellt der dritte Spiegel 30 die Funktion des Vermittelns einer Modulationsschwingung auf die Schwingung bereit, die durch den zweiten Spiegel 28 bereitgestellt wird, wiederum um Verzerrungen in dem projizierten Bild auszugleichen.
• In Folge der oben beschriebenen Schwingungen quert das projizierte Laserlicht eine Projektionsfläche 32, wie in 3 dargestellt, wobei sich der Laser horizontal mitbewegt, also entlang der ersten Achse, welche die X-Achse ist, und langsam in einem vertikalen Muster bewegt wird, also entlang der zweiten Achse, welche die Y-Achse ist.
• Ein typisches Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass:
• Um eine Bildwiederholungsrate von 60 Hz mit 1200 Zeilen zu erzielen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:
  • - vertikale Achse (Y-Achse) schwingt 30 Hz (60 Hz/2) -> mit Periode = 33,333 ms
  • - horizontale Achse (X-Achse) schwingt 18 kHz (vertikale Auflösung * vertikale Schwingung /2)
• Deshalb wird die vertikale Achse oftmals als die langsame Achse bezeichnet (aufgrund der Schwingung mit geringerer Frequenz), wohingegen die horizontale Achse als die schnelle Achse betrachtet wird.
• Die ideale Projektionsgeometrie, wie in 3 dargestellt, kann im Allgemeinen nur erzielt werden, falls die Projektionsachse absolut senkrecht zu der Projektionsoberfläche 32 ist. In vielen Fällen kann dies nicht erzielt werden, was zu Verzerrungen des projizierten Bilds 34', 34'' auf der Projektionsoberfläche 32 führt, wie in 4 dargestellt. Die gleiche Thematik ergibt sich aus der Projektion auf eine nicht-flache Oberfläche, zum Beispiel eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs.
• Um solche Verzerrungen auszugleichen, kann ein Verfahren gemäß der Erfindung und wie in dem Ablaufdiagramm 5 dargestellt eingesetzt werden. Nach einem Initialisierungsschritt S10 wird die Form eines projizierten Bilds unter den gegebenen geometrischen Bedingungen in Schritt S12 berechnet. In dem nachfolgenden Schritt S14 wird überprüft, ob das projizierte Bild rechteckig ist, also verzerrungsfrei; und falls dies nicht der Fall ist, wird in Schritt S16 ein Verzerrungsausgleich, insbesondere ein Keystone-Ausgleich, angewendet, wohingegen andernfalls, falls keine Verzerrung vorliegt, das Verfahren unmittelbar zu einem nachfolgenden Schritt S18 übergeht. In Schritt S18 wird bestimmt, ob das Seitenverhältnis des Bilds das gleiche ist wie bei der anfänglichen Einstellung; mit anderen Worten wird überprüft, ob zusätzliche Verzerrungseffekte vorliegen. Falls dies nicht der Fall ist, prüft ein nachfolgender Schritt S20, ob die vertikale Höhe des resultierenden Bilds höher ist, als sie gemäß dem anfänglichen Seitenverhältnis des Bilds sein sollte. Falls dies der Fall ist, wird ein vertikaler Ausgleich angewendet, der erfolgen kann, indem die Frequenzmodulation des dritten Aktuators 22 (1) oder des dritten Spiegels 30 (2) verändert wird. In einem weiteren Schritt S24 wird überprüft, ob die horizontale Länge des resultierenden Bilds länger ist, als sie gemäß des Seitenverhältnisses zu Beginn sein sollte. Falls dies der Fall ist, wird ein weiterer horizontaler Ausgleich in Schritt S26 angewendet. Falls alle Korrekturen wie gewünscht angewendet werden, endet das Verfahren in Schritt S28, und ein verzerrungsfreies Bild mit korrekter Größe kann projiziert werden.
• Die Einzelheiten der Korrektur für Verzerrungen entlang der vertikalen Achse mit der Ausführungsform aus 1 sind in 6 dargestellt. Eine Funktionskurve 36 zeigt die nicht-modulierte Schwingung des Spiegels 12 entlang der zweiten Achse 16, wohingegen die Funktionskurve 38 die Modulationsschwingung des Spiegels 12 entlang der gleichen Achse darstellt. Da der Ausgleich mit der Horizontalachsenbewegung synchronisiert ist, hängt die Gesamtvertikalumlenkung des Laserstrahls von der horizontalen Position ab. Dies kann trapezförmige Verzerrungen, die aus einem schrägen Projektionswinkel zwischen der MEMS-Vorrichtung 10 und der Projektionsoberfläche 32 resultieren, sowie Verzerrungen, die aus der Projektion auf eine gekrümmte Projektionsoberfläche resultieren, korrigieren.
• Die geometrische Grundlage hierfür ist in 6 dargestellt. Wie ersichtlich ist, hat die Ausgleichsmodulationsschwing eine Gesamtwinkelamplitude α, was in einer Differenz ϑ zwischen der nicht-korrigierten Schwingung und der Modulationsschwingung (also maximale Ausgleichsamplitude) resultiert, wobei θv die Gesamtamplitude der nicht korrigierten Schwingung des Spiegels entlang der zweiten Achse 16 bezeichnet (also vertikales Sichtfeld (FoV)).
• Unter jetziger Bezugnahme auf 7: Mit den Koordinaten (x1, y1), die die obere linke Ecke des projizierten Bilds angeben, (x2, y2), die die obere rechte Ecke des projizierten Bilds angeben, (x3, y3), die die untere linke Ecke des projizierten Bilds angeben, und (x4, y4), die die untere rechte Ecke des projizierten Bilds angeben, können die benötigten Korrekturwinkel für die obere rechte und untere rechte Ecke durch die Winkel β und γ bezeichnet werden.
• Bezugszeichenliste

θ h

bezeichnet den Winkel des horizontalen Sichtfelds der Projektion,

θ v

bezeichnet den Winkel des vertikalen Sichtfelds der Projektion,

δ h

bezeichnet den horizontalen Kippwinkel des projizierten Bilds,

δ v

bezeichnet den vertikalen Kippwinkel des projizierten Bilds,

θ

bezeichnet die maximale Ausgleichsamplitude,

α

bezeichnet die Gesamtmaximalausgleichsamplitude,

β

bezeichnet die oberseitige, vertikale, maximale Ausgleichsamplitude,

γ

bezeichnet die unterseitige, vertikale maximale Ausgleichsamplitude,

d

bezeichnet den Abstand zwischen der MEMS-Vorrichtung 10 und der Projektionsoberfläche 32, und

x1 bis x4

bezeichnen die Grenzecken des projizierten Bilds auf der X-Achse, und

y1 bis y4

bezeichnen die Grenzecken des projizierten Bilds auf der Y-Achse.

• Aus der grundlegenden Geometrie dieser Projektion ist ersichtlich, dass der Winkel β folgender Gleichung (1) folgt: $$\beta =\text{atan}\left(y2\times \text{cos}\left(\frac{\theta h}{2}+\delta h\right)\times \frac{1}{d}\right)+\delta v$$

  

  Die vertikale Koordinate der oberen rechten Ecke folgt Gleichung (2): $$y2=\frac{d}{\text{cos}\left(\frac{\theta h}{2}-\delta h\right)\times \text{tan}\left(\frac{\theta v}{2}-\delta v\right)}$$

  

  Dies führt auf Gleichung (3): $$\beta =\text{atan}\left\{\frac{\text{tan}\left(\frac{\theta v}{2}+\delta v\right)\times \text{cos}\left(\frac{\theta h}{2}+\delta h\right)}{\text{cos}\left(\frac{\theta h}{2}-\delta h\right)}\right\}+\delta v$$

  

  Analog folgt Winkel γ Gleichung (4): $$\gamma =\text{atan}\left\{\frac{\text{tan}\left(\frac{\theta v}{2}-\delta v\right)\times \text{cos}\left(\frac{\theta h}{2}+\delta h\right)}{\text{cos}\left(\frac{\theta h}{2}-\delta h\right)}\right\}-\delta v$$

  

  Da die benötigte Gesamtamplitude α der Summe der Winkel β und γ entspricht, folgt aus der allgemein bekannten Gleichung (5), die für alle u, v gilt: $$\text{atan }u+\text{atan }u=\frac{u+v}{1-uv}$$

  

  dass gemäß Gleichung (6) $$\alpha =atan\left\{\frac{\left[\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}-{\delta }_v\right)+\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}+{\delta }_v\right)\right]\times \text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}+{\delta }_h\right)\times \text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}-{\delta }_h\right)}{\text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}-{\delta }_h\right)-\left[\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}-{\delta }_v\right)\times \text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}+{\delta }_v\right)\times {\text{cos}}^2\left(\frac{{\theta }_h}{2}+{\delta }_h\right)\right]}\right\}$$

  

  mit Gleichung (7) $$\vartheta =\frac{\theta v-\alpha }{2}$$

  

  gilt.
• Die ursprüngliche Wellenform, wie in Funktionskurve 36 dargestellt, und die Ausgleichsamplituden-Wellenform, wie in Funktionskurve 38 dargestellt, können entsprechenden der folgenden Gleichungen (8) bestimmt werden:
• Durch Hinzuaddieren einer vertikalen, zweiten Schwingungsresonanzwellenform 39, die mit der horizontalen Schwingungsresonanz entsprechend der folgenden Gleichung (9) und wie in der Mitte von 8 dargestellt synchronisiert ist:
  • (a+b cos c) sin d
  • a = Verhältnis von (V Kippen und ½von V Scan-Winkel) zu maximalem Ausgleichswinkel
  • b = ½ des maximalen Ausgleichs
  • c = ½ der Bildwiderholungsrate
  • d = 2 c (1/2 v Auflösung) = c v Auflösung
  wird eine finale Wellenform 40 erhalten.
• In den obigen Beispielen wurde der Ausgleich für eine trapezförmige bzw. eine Keystone-Verzerrung dargestellt, die auf eine nicht-orthogonale Projektionsachse zurückzuführen ist. Das gleiche Prinzip kann für die Projektion auf gekrümmte Oberflächen angewendet werden, wie in 9 dargestellt. In diesem Fall müssen Amplitudenmodulationen auf beide Achsen angewendet werden, und, falls erforderlich, müssen zusätzliche Intensitätsmodulationen angewendet werden, um eine homogen bzw. gleichmäßig helle Anzeige bereitzustellen.
• Wie aus 9 ersichtlich ist, muss die grundlegende Korrektur für eine gekrümmte Oberfläche den geometrischen Unterschied zwischen der gekrümmten Projektionsoberfläche 32 und einer gedachten Projektionsebene 42 berücksichtigen.
• Die Geometrie der gekrümmten Oberfläche entlang der Z-Achse in 9 wird in diesem Beispiel durch eine Parabel angenähert, was zu einem Umlenkungswinkel θ und einem Abstand r in Gleichung (10) führt: $$z=\left(\frac{x\text{ sin }\theta }{\text{cos }\theta }-\frac{x}{\text{sin }\theta }\right)=\left(r\text{ sin }\theta \times \text{tan}\theta \right)-r$$

  

  Folglich kann die korrigierte X-Koordinate für die obere rechte Ecke des Bilds (als Punkt 1 in 9 dargestellt) aus der folgenden Gleichung (11) gewonnen werden: $$x_{corr}=\left(\frac{distance}{\text{cos}\left(\frac{V_{sweep}}{2}+Vtilt\right)}\right)\times \text{tan}\left(\frac{Hsweep}{2}+Htilt\right)$$

  

  wohingegen die korrigierte X-Koordinate für die untere rechte Ecke des projizierten Bilds aus Gleichung (12) gewonnen werden kann: $$x_{corr}=\left(\frac{distance}{\text{cos}\left(\frac{V_{sweep}}{2}+Vtilt\right)}\right)\times \text{tan}\left(\frac{Hsweep}{2}+Htilt\right)$$

  

  wobei Vsweep und Hsweep die vertikalen und horizontalen Sweep-Winkel und Vtilt und Htilt die vertikalen und horizontalen Kippkorrekturwinkel bezeichnen.
• Auf diese Weise kann ein vollkommen unverzerrtes Bild auf jeder gekrümmten Oberfläche bereitgestellt werden, die zweckmäßig als Parabel angenähert werden kann.
• Zusammengefasst werden vermittels der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, die eine einfache Anpassung von Projektionsgeometrien an sich verändernde Projektionswinkel und sich verändernde Geometrien der Projektionsoberfläche ermöglichen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Projizieren eines Bilds auf eine Oberfläche (32) wobei zumindest ein modulierter Projektionslaser (24) periodisch mit einer ersten Umlenkfrequenz und einer ersten Umlenkamplitude entlang einer ersten Achse (14) und mit einer zweiten Umlenkfrequenz und einer zweiten Umlenkamplitude entlang einer zweiten Achse (16) umgelenkt wird, wobei die zweite Achse (16) von der ersten Achse (14) verschieden ist, und wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse (14) und/oder zweiten Achse (16) mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude zum Ausgleichen einer Verzerrung des Bilds frequenzmoduliert wird, wobei in einem Einrichtungsschritt die Modulationsfrequenz auf Null eingestellt, eine Verzerrung des Bilds aufgezeichnet, und die Modulationsfrequenz und/oder Modulationsamplitude zum Ausgleich der aufgezeichneten Verzerrung berechnet und auf die erste und/oder zweite Umlenkfrequenz angewendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Achse (16) orthogonal zu der ersten Achse (14) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Achse (14) eine horizontale Achse des projizierten Bilds (34) ist und die zweite Achse (16) eine vertikale Achse des projizierten Bilds ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Modulationsfrequenz für die zweite Achse (16) mit der Umlenkfrequenz für die erste Achse (14) synchronisiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei durch Anwenden der Modulation auf die Umlenkung entlang der zweiten Achse (16) die zweite Umlenkamplitude um einen Gesamtmaximalausgleichswinkel α : $$\alpha =atan\left\{\frac{\left[\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}-{\delta }_v\right)+\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}+{\delta }_v\right)\right]\times \text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}+{\delta }_h\right)\times \text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}-{\delta }_h\right)}{\text{cos}\left(\frac{{\theta }_h}{2}-{\delta }_h\right)-\left[\text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}-{\delta }_v\right)\times \text{tan}\left(\frac{{\theta }_v}{2}+{\delta }_v\right)\times {\text{cos}}^2\left(\frac{{\theta }_h}{2}+{\delta }_h\right)\right]}\right\}$$

   

   moduliert wird, was zu einer maximalen Winkelabweichung gegenüber der nicht-modulierten Umlenkung von $$\vartheta =\frac{{\theta }_v-\alpha }{2}$$

   

   führt, wobei θh den Winkel des horizontalen Sichtfelds der Projektion bezeichnet, θv den Winkel des vertikalen Sichtfelds der Projektion bezeichnet, δh den horizontalen Kippwinkel der Verzerrung bezeichnet, und δv den vertikalen Kippwinkel der Verzerrung bezeichnet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Wellenform für die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse (16) gegeben ist durch $$y_{original}=\frac{{\theta }_v}{2}\text{cos}\left(2\pi \frac{f_r}{2}\right)$$

   

   und die Wellenform für die periodische Modulation entlang der zweiten Achse gegeben ist durch $$y_{comp}=v_{init}+\frac{\alpha }{2}\text{cos}\left(2\pi \frac{f_r}{2}\right)$$

   

   wobei der anfängliche Ausgleich $$v_{init}=\frac{2{\delta }_v\vartheta }{{\theta }_v}$$

   

   ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (32), auf die das Bild projiziert wird, gekrümmt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Modulationsfrequenz und/oder -Amplitude für die erste (14) und/oder zweite Achse (16) durch Berechnung des Schnittpunkts eines Strahls, der auf eine flache, gedachte Ebene (42) tangential zu der gekrümmten Oberfläche (32) projiziert, mit der gekrümmten Oberfläche (32) bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse (14) und der zweiten Achse (16) durch einen MEMS-Spiegel (12) mit zwei Achsen, die der ersten (14) und zweiten Achse (16) entsprechen, bereitgestellt wird, und wobei ein erster Aktuator (18) den Spiegel (12) entlang der ersten Achse (14) mit der ersten Umlenkfrequenz schwingt, und ein zweiter Aktuator (20) den Spiegel (12) entlang der zweiten Achse (16) mit der zweiten Umlenkfrequenz schwingt, und wobei zumindest ein weiterer Aktuator (22) die erste Achse (14) und/oder die zweite Achse (16) mit der Modulationsfrequenz schwingt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse (14) durch einen ersten MEMS-Spiegel (26) und die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse (16) durch einen zweiten MEMS-Spiegel (28) bereitgestellt wird, und wobei ein erster Aktuator den ersten Spiegel entlang der ersten Achse (14) mit der ersten Umlenkfrequent schwingt und ein zweiter Aktuator den zweiten Spiegel entlang der zweiten Achse mit der zweiten Umlenkfrequenz schwingt, und wobei zumindest ein weiterer Aktuator zumindest einen weiteren Spiegel (30) mit der Modulationsfrequenz entlang der ersten Achse (14) und/oder der zweiten Achse (16) schwingt.
11. Laserprojektionsvorrichtung (10), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.
12. Laserprojektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei der erste Aktuator (18) einen Piezo-Aktuator und/oder der zweite Aktuator (20) einen Piezo-Aktuator und/oder der dritte Aktuator (22) einen Piezo-Aktuator umfasst.
13. Laserprojektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei der erste Aktuator (18) als Piezo-Aktuator einen elektrostatischen Aktuator umfasst, und/oder der zweite Aktuator (20) als Piezo-Aktuator einen elektromagnetischen Aktuator umfasst, und/oder der dritte Aktuator (22) als Piezo-Aktuator einen elektrostatischen Aktuator, umfasst.
14. Fahrzeug mit einer Laserprojektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13.
15. Fahrzeug nach Anspruch 14, wobei die Laserprojektionsvorrichtung (10) eine Head-Up-Display Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines Bilds auf eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs ist.

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