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Die Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 1 ein Verfahren zum Kalibrieren eines hochauflösenden Scheinwerfermoduls, bei dem Licht einer Lichtquelle mittels eines DMD-Chips gespiegelt und über Linsen zu einem auszuleuchtenden Testfeld geleitet wird. Patentanspruch 3 betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Patentanspruch 1.
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WO 2019/084173 A1 betrifft einen Automobil-Scheinwerfer, und ein zugehöriges Kalibrierverfahren.
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Adaptive Scheinwerfer finden beispielsweise Einsatz bei Kraftfahrzeugen und sind vorzugsweise mit einem Fahrassistenzsystem des Fahrzeugs kombiniert, sodass sich der bzw. die adaptiven Scheinwerfer des Fahrzeugs detailliert steuern lassen. Adaptive Scheinwerfer werden häufig als Matrix-Scheinwerfer mit einzeln ansteuerbaren Pixeln realisiert. Das Fahrassistenzsystem kann in jedem einzelnen Scheinwerfer bis zu etwa eine Million Pixel einzeln ansteuern. Mithin ist es möglich, einzelne Bereiche auszublenden oder in diesen Bereichen die Intensität des Lichts zu reduzieren, damit entgegenkommende Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger Auto-, Motorrad- oder Fahrradfahrer nicht geblendet werden.
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Bei solchen adaptiven Scheinwerfern können insbesondere DMD-Chips verwendet werden. Ein solcher DMD-Chip besteht aus einer Vielzahl von kleinsten Spiegeln, die jeweils unabhängig voneinander in zwei Stellungen „on/off“ kippbar sind. In der „on“-Stellung wird das Licht in die Ausleuchtungsrichtung des Fahrzeugs reflektiert, sodass vom jeweiligen adaptiven Scheinwerfer ein Lichtkegel zur Ausleuchtung der Straße oder von Straßenschildern etc. gebildet wird. Dabei kann es sich insbesondere um eine Art Fernlicht oder eine andere Lichtfunktion handeln, welche hierbei entweder statisch oder dynamisch ist. Hingegen wird das Licht in der „off“-Stellung gegen einen Lichtabsorber innerhalb eines Lichtmoduls des Matrix-Scheinwerfers gelenkt, sodass der dahingehende Anteil des Lichts vom Lichtkegel ausgenommen ist. Ein solcher Bereich muss jedoch nicht komplett dunkel sein. Da auf kleinster Fläche mehrere der sehr kleinen Spiegel angeordnet sind, lässt sich über das jeweilige „on/off“-Verhältnis der Spiegel die Helligkeitsverteilung im ausgeblendeten Bereich gestalten. Nach dem gleichen Prinzip lässt sich die gesamte Helligkeitsverteilung modulieren.
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Im Strahlengang des Lichts innerhalb des Scheinwerfer-Lichtmoduls können ein oder mehrere optische Systeme vorgesehen sein, die insbesondere von optischen Komponenten, beispielsweise Linsen und auch der Lichtquelle gebildet sind. Diese optischen Systeme bewirken jedoch systembedingt eine ungleichmäßige Verteilung der Intensität des Lichts innerhalb des auszuleuchtenden Winkelbereichs. Außerdem sind die optischen Systeme Fertigungstoleranzen unterworfen, sodass die Intensität des Lichts ungleichmäßig verteilt ist und gegebenenfalls in dem ausgeleuchteten Bereich nicht mit einer vorgegebenen Ziellichtverteilung, also der angestrebten Lichtverteilung auf der Straße, übereinstimmt. Eine Folge können beispielsweise ungewollte optische Artefakte, aber auch Schwankungen in gesetzlich relevanten Bereichen sein. Um die Legalität des Scheinwerfers zu garantieren, werden daher die Fertigungsschwankungen entweder kompensiert, oder aber es wird ausreichend hoher Sicherheitspuffer eingeplant. Letzteres kann zu einer unnötigen Reduktion der Lichtperformance des Moduls im realen Scheinwerferbetrieb führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kalibrierung zu schaffen, mit dem eine systembedingt ungleichmäßige Verteilung der Intensität des Lichts und auch fertigungstoleranzbedingt fehlerhafte Ausleuchtungen kompensiert werden können.
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Vorzugsweise erfolgt dabei die Kalibrierung bereits am Bandende der Modulfertigung. Insofern ist dann keine integrierte Kamera erforderlich, was eine deutliche Verbesserung beispielsweise im Vergleich zu dem im Patent
WO 2019/084173 A1 beschriebenen Verfahren darstellt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kalibrieren eines hochauflösenden Scheinwerfermoduls, bei dem Licht einer Lichtquelle mittels eines DMD-Chips gespiegelt und über Linsen zu einem auszuleuchtenden Testfeld geleitet wird, umfasst die folgenden Schritte:
- a) Ansteuern des DMD-Chips, sodass auf das Testfeld ein Bild projiziert wird, das vorzugsweise als Weißbild ausgeführt ist,
- b) digitales Aufnehmen von Intensitäten des Bildes,
- c) Ermitteln von Kalibrierdaten anhand der Intensitäten an definierten Stützstellen des Bildes,
- d) Speichern der Kalibrierdaten in einer Steuerungseinrichtung des hochauflösenden Scheinwerfermoduls,
- e) Abrufen der Kalibrierdaten aus der Steuerungseinrichtung,
- f) Aufrufen der Kalibrierdaten in eine Bildberechnungseinrichtung,
- g) Vorgeben einer aktuellen Ziellichtverteilung,
- h) Berechnen eines modulspezifischen Eingangsbildes anhand der vorgegebenen aktuellen Ziellichtverteilung und der Kalibrierdaten, und
- i) Ansteuerung des DMD-Chips zur Erzeugung der Ziellichtverteilung mittels des modulspezifischen Eingangsbildes.
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Somit kann der Einfluss des optischen Systems, das aus dem optischem System zur Beleuchtung und dem optischem System zur Projektion besteht, berücksichtigt werden.
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Unter Ausnutzung der Kalibrierdaten können auf diese Weise systematische Effekte in der Lichtverteilung kompensiert werden. Ferner können Produktionsschwankungen ausgeglichen werden, so dass eine Fertigung von gleichbleibender Qualität und Performance sichergestellt wird.
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Bei einer besonders vorteilhaften Aufteilung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schritte a) bis d) am Ende der Produktion eines hochauflösenden Scheinwerfermoduls und/oder am Ende der Produktion des Matrix-Scheinwerfers und/oder eines Kraftfahrzeugs mit eingebautem Matrix-Scheinwerfer durchgeführt werden, wohingegen die Schritte e) bis i) während des Betriebs des Matrix-Scheinwerfers in dem Kraftfahrzeug erfolgen.
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Um das Testfeld in einer Anwendung bzw. Applikation einheitlich in einem Array abbilden zu können, kann vorgesehen sein, dass die Stützstellen mit einem äquidistanten Raster über das Testfeld verteilt sind.
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Falls sich bestimmte Bereiche des Testfeldes hinsichtlich der Ermittlung der Intensität als problematischer erweisen als andere Bereiche, kann vorgesehen sein, dass eine Dichte der Stützstellen im Testfeld unterschiedlich ist.
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Nachfolgend werden mögliche Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch einen Matrix-Scheinwerfer und einen Ausleuchtkasten;
- 2 schematisch perspektivisch eine Anordnung analog zu 1, wobei vom Ausleuchtkasten nur ein Testfeld mit ungleichmäßig verteilter Intensität des Lichts über die Fläche des Testfelds gezeigt ist;
- 3 die Verteilung der Intensität im ausgeleuchteten Testfeld bei Projektion eines Weißbildes;
- 4 ein Flussdiagramm, das die Erzeugung von Kalibrierdaten beschreibt, wobei diese Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Lichtmoduls als letzter Produktionsschritt durchgeführt werden; und
- 5 ein Flussdiagramm, das die Verarbeitung der Kalibrierdaten nach 4 beschreibt, wobei diese Verfahrensschritte im Betrieb des Lichtmoduls in einer Anwendung durchgeführt werden.
- 1 offenbart schematisch ein hochauflösendes Scheinwerfermodul 2 und einen Ausleuchtkasten 4, wobei exemplarisch ausgewählte Lichtstrahlen 6, 8, 10 gezeigt sind.
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Das hochauflösende Scheinwerfermodul 2 ist Teil eines adaptiven Scheinwerfers. Es weist einen DMD-Chip 12 und eine Steuerungseinrichtung 14 zur Ansteuerung des DMD-Chips 12 und eine Lichtquelle 16 auf. Die Bildberechnungseinrichtung 15 ist Teil einer modulexternen Steuerungseinrichtung am Scheinwerfer.
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Bei dem Lichtmodul wird der DMD-Chip 12 als Ganzes von einer Lichtquelle 16 oder von mehreren im Strahlengang überlagerten Lichtquellen beleuchtet, die als LED bzw. LEDs ausgeführt sind. Im Strahlengang von der LED zu Spiegeln 17, 19 des DMD-Chips 12 wird das Licht von zumindest einer Linse 18 gebrochen.
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Anschließend trifft das Licht auf eine Vielzahl der Spiegel 17, 19 auf, die über die Fläche des gesamten DMD-Chips 12 verteilt sind. Die Spiegel 17, 19 können unabhängig voneinander gekippt werden. Dazu kann die Steuereinrichtung 14 jeden einzelnen Spiegel 17, 19 jeweils über eine Signalleitung 21 dazu veranlassen eine „on“-Stellung oder eine „off“-Stellung einzunehmen.
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In der „off“-Stellung ist der jeweilige Spiegel 19 in die zur „on“-Stellung entgegengesetzte Richtung gekippt. Die Lichtstrahlen 6, 10, die von der LED 16 kommen, treffen schräg auf die Spiegel 19 auf. Die Spiegel 19 in der „off“-Stellung reflektieren das Licht auf einen Lichtabsorber 25, sodass das Licht absorbiert wird und nicht aus dem Scheinwerfermodul 2 austritt.
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Hingegen sind die jeweiligen Spiegel 17 in der „on“-Stellung so ausgerichtet, dass die schräg auftreffenden Lichtstrahlen 17 durch mehrere weitere Linsen 20, 22 aus dem Scheinwerfermodul 2 bzw. dem adaptiven Scheinwerfer heraus geleitet werden und somit gemeinsam einen Lichtkegel bilden, mit dem beispielsweise eine Fahrbahn ausgeleuchtet werden kann.
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Im Betrieb des Scheinwerfermoduls 2 sind die Spiegel entweder nach links oder rechts gekippt. Nur im stromlosen Zustand bilden die Spiegel eine Ebene.
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Da in 1 ein Testaufbau zur Kalibrierung dargestellt ist, die als Produktionsschritt eines Lichtmoduls durchgeführt wird, befindet sich außerhalb des Lichtmoduls im Strahlengang des Lichts ein von der Lichtquelle 16 bzw. den Spiegeln 17, 19 ausgeleuchtetes Testfeld 24 innerhalb des Ausleuchtkastens 4. Sofern sich entgegen 1 sämtliche Spiegel 17, 19 in der „on“-Stellung befinden, bildet jeder der Spiegel 17, 19 auf dem Testfeld 24 einen einzelnen Pixel ab. Insofern wird auf dem Testfeld 24 der gesamte DMD-Chip 12 als sogenanntes Weißbild abgebildet.
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Das auf das Testfeld 24 projizierte Weißbild des DMD-Chips 12 oder aber zumindest definierte Stützstellen werden mit einer Kamera 26 digital aufgenommen.
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Die resultierende Verteilung der Intensität im Testfeld 24 ist allerdings nicht nur durch die Stellung der Spiegel 17, 19 auf dem DMD-Chip 12 bestimmt, sondern auch durch das optische System, das insbesondere von den Linsen 18, 20, 22 und der Lichtquelle 16 gebildet wird. Durch fertigungsbedingte Toleranzen können die Linsen 18, 20, 22, die LED und der DMD-Chip nicht perfekt gefertigt und perfekt zueinander ausgerichtet sein. Überdies bringen die Linsen 18, 20, 22 prinzipbedingt eine ungleichmäßige Verteilung der Intensität des Lichts mit sich.
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Für den charakteristischen Fall der Abbildung eines Weißbildes, bei dem alle Spiegel in der „on“-Stellung sind, tritt in der Regel ein Abfall der Intensität zum Rand des ausgeleuchteten Testfeldes 24 hin auf, wie das aus 2 ersichtlich ist.
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So sind aus 2 sechs Bereiche 24a bis 24f ersichtlich, deren Intensität von einem Zentrum des Testfelds 24 radial nach außen hin abnimmt und deren Intensität dabei jeweils zwischen einem unteren und einem oberen Schwellwert liegt. Dabei ist in 2 ein Ausführungsbeispiel mit drei LEDs als Lichtquelle 16 und einem DMD-Chip 12 dargestellt.
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3 zeigt das Testfeld aus 2 in einer Draufsicht, wie es von der Kamera aufgenommen wird. 3 zeigt insofern die Verteilung der Intensität des Lichts im ausgeleuchteten Testfeld 24 bei Projektion des Weißbildes.
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In dem Ausführungsbeispiel ist ein Testfeld von 8x8 Stützstellen 30 definiert, um die für das Lichtmodul spezifische Verteilung der Intensität zu beschreiben. Das Testfeld von 8x8 Stützstellen kann insbesondere ein äquidistantes Raster sein. Sprich, die Abstände in horizontaler bzw. in vertikaler Richtung zwischen den Stützstellen 30 sind jeweils gleichgroß.
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Insbesondere von einem Fahrassistenzsystem wird der Steuerungseinrichtung eine aktuelle Ziellichtverteilung vorgegeben. Würde diese angestrebte Ziellichtverteilung direkt als entsprechendes Bild auf dem DMD-Chip 12 erzeugt und dann in Form eines Lichtkegels abgebildet, so wäre die tatsächliche Lichtverteilung durch die Intensitätscharakteristik des optischen Systems beeinflusst, das die Lichtquelle und die optischen Komponenten umfasst. Die angestrebte Ziellichtverteilung und die tatsächlich erreichte Lichtverteilung würden dann stark voneinander abweichen.
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Mithin findet das in 4 und 5 anhand von zwei Flussdiagrammen dargestellte Verfahren zum Kalibrieren des hochauflösenden Scheinwerfermoduls Anwendung.
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Das Flussdiagramm von 4 beschreibt anhand aufeinander folgender Verfahrensschritte die Erzeugung von Kalibrierdaten, wobei diese Verfahrensschritte als letzter Produktionsschritt durchgeführt werden.
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In einem Schritt 32 wird der DMD-Chip angesteuert, sodass das Weißbild auf die Testfläche projiziert wird. Um dieses Weißbild zu generieren, werden sämtliche Spiegel von der Steuerungseinrichtung in die „on“-Stellung gekippt. Damit beschreibt das auf dem Testfeld abgebildete Weißbild die maximal erreichbare Helligkeit bzw. Helligkeitsverteilung.
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In einem weiteren Schritt 34 werden die über die Testfläche variierenden Intensitäten des Weißbildes digital aufgenommen. Dazu wird die Kamera im Bereich des Ausleuchtkastens verwendet.
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In einem weiteren Schritt 36 werden die Kalibrierdaten anhand der Intensitäten an den definierten Stützstellen des Weißbildes ermittelt.
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In einem weiteren Schritt 38 werden die Kalibrierdaten in der Steuerungseinrichtung des hochauflösenden Scheinwerfermoduls gespeichert.
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Das Flussdiagramm von 5 beschreibt anhand aufeinander folgender Verfahrensschritte die Verarbeitung der Kalibrierdaten, wobei diese Verfahrensschritte im Betrieb des Lichtmoduls in einer Anwendung durchgeführt werden, die fachsprachlich auch als Applikation bezeichnet wird. In der Anwendung werden die Kalibrierdaten bei der Berechnung der Lichtverteilung berücksichtigt.
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In einem Schritt 40 werden die Kalibrierdaten aus der Steuerungseinrichtung abgerufen.
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In einem weiteren Schritt 42 werden die Kalibrierdaten von der Bildberechnungseinrichtung aufgerufen.
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In einem weiteren Schritt 44 wird der Bildberechnungseinrichtung eine aktuelle Ziellichtverteilung vorgegeben.
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In einem weiteren Schritt 46 wird eine korrigierte Lichtverteilung (modulspezifisches Eingangsbild) anhand der vorgegebenen aktuellen Ziellichtverteilung und der Kalibrierdaten berechnet.
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In einem weiteren Schritt 48 wird der DMD-Chip zur Erzeugung der Ziellichtverteilung mit dem modulspezifischen Eingangsbild angesteuert. Auf diese Weise wird die vorgegebene aktuelle Ziellichtverteilung auf die Abbildungseigenschaften des Lichtmoduls abgestimmt, und zwar auf die generellen systembedingten und auf die speziellen produktionsbedingten Abbildungseigenschaften.
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Bei alternativen Ausführungsformen kann die Verteilung der Intensität an den Stützstellen sowohl absolut als auch relativ bestimmt werden. Die relative Bestimmung erfolgt vorzugsweise mit einen Skalierungsfaktor.
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Das Testfeld mit den Stützstellen muss nicht unbedingt ein 8x8-Feld sein. So kann nur eine einzige Stützstelle oder eine beliebige Anzahl von Stützstellen vorgesehen sein. Die Stützstellen müssen nicht unbedingt äquidistant verteilt sein. Es sind auch beliebige andere Verteilungen möglich.
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Insbesondere kann die Anzahl der Stützstellen und/oder eine Stützstellendichte in Bereichen des Testfeldes mit potentiell empfindlichen Verteilungen des Lichts höher sein.
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Sofern in der Serienfertigung des Lichtmodules die Qualität nur geringfügig streut, d.h. bei ausreichend guter Reproduzierbarkeit, braucht das Verfahren nach 4 nur stichprobenartig durchgeführt werden. Mehrere Lichtmodule erhalten dann dieselben Kalibrierdaten. Mischformen mit reduzierten Kalibrierdaten sind ebenfalls möglich.
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Die Aufnahme des Weißbildes kann anstelle des Ausleuchtkastens inklusive der Kamera mit anderer geeigneter Messtechnik erfolgen.
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Die Korrektur der vorgegebenen Ziellichtverteilung kann über die diskreten Stützstellen erfolgen oder mit einem anderen Algorithmus.
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Das Verfahren kann in einer abgewandelten Form auch dazu verwendet werden, systematische Verzerrungen durch die Projektionsoptik auszugleichen.
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Das Verfahren kann insbesondere auch dazu verwendet werden, systematische Inhomogenitäten im Ausleuchtfeld auszugleichen. Diese können zum Beispiel durch eine inhomogene Beleuchtung im Beleuchtungsstrahlengang - beispielsweise durch die Verwendung von LED-Arrays mit Lücken - oder durch die Leuchtdichteverteilung der LED selbst entstehen.
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Das Verfahren kann insbesondere auch dazu benutzt werden, im Falle von Helligkeitssteigerungen der eingesetzten LEDs die Helligkeit über den Produktionszeitraum der Lichtmodule konstant zu halten. Somit braucht beispielsweise nicht unbedingt eine Bestromung der jeweiligen LED an Helligkeitssteigerungen angepasst zu werden.
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Für das Verfahren nach 4 muss nicht unbedingt ein Weißbild verwendet werden. Das Verfahren kann analog dazu auch mittels eines Schwarzbilds durchgeführt werden, bei dem sich alle Spiegel in der „off“- Stellung befinden. Die entsprechenden Kalibrierdaten können für die Stellung der Spiegel bei der Berechnung der korrigierten Lichtverteilung anhand der vorgegebenen aktuellen Ziellichtverteilung und bei der Ansteuerung des DMD-Chips zur Verteilung des Lichts hinzugezogen werden. Darüberhinaus ist es für das Verfahren ebenso möglich, ein beliebiges, zuvor bestimmtes Bild, auf das Testfeld zu projiizieren.
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Das kombinierte Verfahren nach 4 und 5 kann zur Farbkalibrierung verwendet werden, falls mehrfarbige Lichtquellen eingesetzt werden. In diesem Fall werden von der Kamera oder dem gleichwertigen Mittel zur Aufnahme des Testfeldes mehrere farbspezifische Kalibrierbilder aufgenommen.
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Das Verfahren kann auch für hochauflösende Scheinwerfermodule oder adaptive Scheinwerfer mit anderen bildgebenden Elementen eingesetzt werden, wie beispielsweise für LCD-basierte Systeme, die auf Basis von Flüssigkristallen arbeiten.
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Das Verfahren kann auch für Systeme ohne bildgebende Elemente eingesetzt werden. Pixelsysteme basierend auf der Abbildung von LED-Arrays können beispielsweise auf diese Art kalibriert werden, aber auch LED-Matrix-Systeme. Die Anzahl der Pixel oder LEDs spielt hierbei keine Rolle. Es können Systeme mit einigen Pixeln sein, aber auch Systeme mit vielen tausend Pixeln, wie beispielsweise Mikro-LED-Systeme.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2019/084173 A1 [0002, 0007]
