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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zum Projizieren von Bildern auf eine Projektionsfläche. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit der Projektionsvorrichtung sowie ein Betriebsverfahren für die Projektionsvorrichtung.
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In modernen Fahrzeugen (insbesondere Boden-, Luft- und Wasserfahrzeugen) werden vielfältige Anzeigen (sogenannte „Displays“) verwendet, um dem Benutzer Informationen zu vermitteln. Beispielsweise kommen in Kraftfahrzeugen der Ober- oder Luxusklasse häufig Head-Up-Displays zum Einsatz mittels derer dem Fahrer Informationen des Navigationssystems oder andersgeartete Informationen über den Betriebszustand des Fahrzeuges (beispielsweise eine Fahrgeschwindigkeit) angezeigt werden können. Darüber hinaus können LCD-Anzeigen im Bereich des Fahrzeug-Armaturenbretts angeordnet sein, die auch für Beifahrer sichtbar sind und z.B. eine Bedienung eines Fahrzeug-Unterhaltungssystems erleichtern können.
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Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, visuelle Informationen in die unmittelbare Umgebung eines Fahrzeuges, insbesondere auf den Boden, zu projizieren. So beschreibt beispielsweise das Dokument
DE 10 2020 100 044 A1 ein Verfahren zur Anzeige von Informationen durch ein Mietfahrzeug, bei dem das Buchen eines Mietfahrzeuges erkannt und in Antwort auf das Buchen über einen Projektor eine Nachricht auf den Boden vor dem Mietfahrzeug projiziert wird. In Antwort auf ein weiteres Ereignis, nämlich das Öffnen einer Fahrzeugtür, wird mittels einer Anzeige eine Nachricht im Innenraum des Mietfahrzeuges angezeigt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte kompakte Projektionsvorrichtung bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine kompakte Projektionsvorrichtung bereitzustellen, die auf einfache und effektive Weise ermöglicht, unterschiedlich helle Bilder gut sichtbar auf eine Projektionsfläche zu projizieren. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Fahrzeug sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren für die Projektionsvorrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Projektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie ein Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
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Die Projektionsvorrichtung ist zum Projizieren von Bildern auf eine Projektionsfläche vorgesehen und umfasst eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Lichtquelle und einem Scanner. Die Lichtquelle ist dazu eingerichtet, mindestens einen Lichtstrahl entlang einer optischen Achse abzustrahlen, und der Scanner ist dazu eingerichtet, den Lichtstrahl über die Projektionsfläche zu scannen. Ferner umfasst die Projektionsvorrichtung eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Beleuchtungseinrichtung anzusteuern, ein erstes Bild mittels einer ersten Bildprojektion und zeitversetzt zum ersten Bild ein zweites Bild mittels einer zweiten Bildprojektion auf der Projektionsfläche zu erzeugen. Die erste Bildprojektion umfasst, die optische Achse gemäß einem vordefinierten, vom ersten Bild unabhängigen Muster unter Variation mindestens einer Lichteigenschaft des Lichtstrahls über die Projektionsfläche zu scannen, um das erste Bild zu erzeugen. Die zweite Bildprojektion umfasst, die optische Achse entlang mindestens eines auf dem zweiten Bild basierenden Scanvektors über die Projektionsfläche zu scannen oder stationär auf einen Abschnitt der Projektionsfläche zu richten, um das zweite Bild zu erzeugen. Insbesondere kann bei der zweiten Bildprojektion, per Ansteuerung durch die Steuereinrichtung, der Laserstrahl koaxial zu und zusammen mit der optischen Achse entlang des mindestens einen Scanvektors über die Projektionsfläche gescannt werden.
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Diese Projektionsvorrichtung kann vergleichsweise vielseitig verwendet werden. Insbesondere kann die Projektionsvorrichtung mit ein und derselben Lichtquelle bei stark unterschiedlichen Umgebungshelligkeiten zum Einsatz kommen. Bei der ersten Bildprojektion wird die optische Achse entlang des vorbestimmten Musters gescannt, sodass vergleichsweise hochaufgelöste Bilder effizient und einfach verarbeitet und projiziert werden können. Die optische Achse und, jedenfalls bei aktiver Lichtquelle, der Lichtstrahl scannt das erste Bild zwangsweise gemäß dem Muster ab. Dabei werden sowohl dunkle (nicht angestrahlte, „schwarze“) Bildelemente als auch helle Bildelemente durch die optische Achse überstrichen. Bei der zweiten Bildprojektion wird hingegen die optische Achse entlang des auf dem Bild basierenden Scanvektors über die Projektionsfläche gescannt. Folglich kann pro Zeiteinheit mehr Licht auf die Projektionsfläche eingestrahlt werden, sodass der Benutzer das zweite Bild bei gleicher Emissionsintensität der Lichtquelle zumindest bereichsweise als heller wahrnehmen kann. Im Ergebnis kann die Projektionsvorrichtung bei variablen Umgebungshelligkeiten effizient eingesetzt und flexibler an die gewünschte Bildprojektion angepasst werden.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Beleuchtungseinrichtung anzusteuern, die optische Achse während der ersten Bildprojektion mit einer insbesondere zeitweise oder während der Projektion des gesamten ersten Bildes konstanten ersten Scangeschwindigkeit über die Projektionsfläche zu scannen. Analog kann der Lichtstrahl während der zweiten Bildprojektion, insbesondere während des Scannens entlang des Scanvektors, mit einer zweiten Scangeschwindigkeit über die Projektionsfläche gescannt werden. Höchstvorzugsweise ist die erste Scangeschwindigkeit dabei größer als die zweite Scangeschwindigkeit;
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Dies ermöglicht, das zweite Bild, insbesondere den gemäß dem Scanvektor überstrichenen Teil, für den Betrachter auf einfache und effektive Weise heller wahrnehmbar zu projizieren als das erste Bild, gegebenenfalls sogar als den hellsten Bereich des ersten Bildes. Da nämlich die zweite Scangeschwindigkeit geringer als die erste Scangeschwindigkeit ist, tastet (scannt) der Lichtstrahl die Projektionsfläche bei der Erzeugung (Projektion) des zweiten Bildes vergleichsweise langsam ab. Entsprechend ist die Verweilzeit des Lichtstrahls pro Oberflächeneinheit der Projektionsfläche (insbesondere pro Bildpunkt, sog. „Pixel“) bei der zweiten Bildprojektion größer als bei der ersten Bildprojektion. Bei gleicher Intensität des Lichtstrahls (beispielsweise bei der maximalen Intensität des Lichtstrahls) treffen somit bei der Erzeugung des zweiten Bildes pro Zeiteinheit mehr Photonen auf die Oberflächeneinheit auf, als bei der ersten Bildprojektion (bei der Erzeugung des ersten Bildes). Dieser Effekt ist bei der Erzeugung des zweiten Bildes durch stationäres Ausrichten des Lichtstrahls auf den Abschnitt der Projektionsfläche (zum Beispiel bei der Darstellung eines Lichtpunkts) maximal ausgeprägt. Somit erscheint das zweite Bild für den Betrachter heller als das erste Bild. Auf synergetische Art und Weise bietet die Projektionsvorrichtung außerdem eine relativ hohe Energieeffizienz.
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Vorzugsweise ist oder umfasst die Projektionsvorrichtung mindestens ein/en Laserprojektor und/oder einen DLP- (engl. Digital Licht Processing) Projektor. Bei dem Laserprojektor kann es sich insbesondere um einen mikro-elektromechanischen Laserprojektor (nachfolgend MEMS-basierter Laserprojektor oder kurz MEMS-Laserprojektor), im Folgenden auch als mikro-opto-elektromechanischer Laserprojektor bezeichnet (MOEMS-Laserprojektor), handeln. Ein derartiger MEMS-Laserprojektor verwendet einen unten näher erläuterten (MEMS-basierten) Mikroscanner als Scanner. Ein Mikroscanner ist allgemein ein mikro- (opto-) elektromechanisches System (M(O)EMS) aus der Klasse der Mikrospiegelaktoren zur dynamischen Modulation von Licht.
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Die Lichtquelle kann mindestens eine Leuchtdiode und/oder mindestens einen Laser, insbesondere eine Laserdiode (zum Beispiel vom Typ VECSEL oder VCSEL), umfassen. Vorzugsweise ist der Lichtstrahl ein Laserstrahl. Der Lichtstrahl kann einfarbig oder mehrfarbig (monochrom oder polychrom) sein. Insbesondere kann die Lichteigenschaft des Lichtstrahls die Lichtfarbe des Lichtstrahls oder die Lichtintensität (Bestrahlungsstärke) des Lichtstrahls sein. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, jede dieser Lichteigenschaften durch entsprechendes Ansteuern der Lichtquelle beziehungsweise ihrer nachfolgend erläuterten Teillichtquellen festzulegen.
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Der Laserstrahl kann aus mehreren Grundfarben, insbesondere rot, grün und blau, zusammengesetzt sein. Zu diesem Zweck kann die Lichtquelle mehrere Teillichtquellen (Emitter) enthalten, die jeweils einen Teillichtstrahl emittieren können. Die Teillichtstrahlen können über optische Elemente, insbesondere über Prismen/Strahlteiler, beispielsweise einen oder mehrere optional dichroitische Spiegel, zu dem vorstehend genannten Lichtstrahl kombiniert werden. Eine erste der Teillichtquellen kann beispielsweise rotes Licht, eine zweite der Teillichtquellen kann grünes Licht und eine dritte der Teillichtquellen kann blaues Licht emittieren. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, die Intensität der Teillichtquellen gemäß den Lichteigenschaften und somit gemäß der Farbe und Helligkeit eines jeweils zu projizierenden Bildelements (Bildpunktes) zu bestimmen. Auf diese Weise lassen sich die erforderlichen Lichteigenschaften des Lichtstrahls vergleichsweise einfach und schnell anpassen.
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Alternativ kann die Lichtquelle eine (breitbandiges) weißes Licht ausstrahlende Teillichtquelle enthalten. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle zusätzlich ein Farbfiltermittel, beispielsweise ein Farbfilterrad mit den vorgenannten drei Grundfarben, enthält. Die Steuereinrichtung kann in diesem Fall dazu eingerichtet sein, dass Farbfiltermittel sowie die Teillichtquellen so anzusteuern, dass das Licht des Lichtstrahls während der ersten bzw. zweiten Bildprojektion gemäß der Helligkeit und Farbe des zu projizierenden Bildelements festgelegt wird.
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Es wurde gesagt, dass die Lichtquelle den Lichtstrahl entlang einer optischen Achse abstrahlt. Die optische Achse kann dabei insbesondere diejenige Achse sein, entlang derer sich der Lichtstrahl aus der Lichtquelle ausbreitet, bis er auf die Projektionsfläche auftrifft. Wenn die Lichtquelle etwa während des Erzeugens eines dunklen oder schwarzen Bildelements kein Licht emittiert („aus ist“), bedeutet dies de facto, dass nur die optische Achse, nicht jedoch der Lichtstrahl, über die Projektionsfläche gescannt bzw. auf die Projektionsfläche gerichtet wird. Wenn die Lichtquelle hingegen während der ersten/zweiten Bildprojektion den Lichtstrahl emittiert, werden die optische Achse sowie der sich koaxial entlang der optischen Achse ausbreitende Lichtstrahl zusammen über die Projektionsfläche gescannt. Es versteht sich von selbst, dass, wenn in dieser Offenbarung vom Erzeugen eines Bildes die Rede ist, damit die Projektion des Bildes, also das Anzeigen des Bildes mittels der Projektionsvorrichtung, gemeint ist.
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Zum Ausrichten des Lichtstrahls/der optischen Achse auf die Projektionsfläche weist der Scanner bzw. Microscanner eine schwenkbar gelagerte Umlenkeinrichtung für den Lichtstrahl auf. Der Scanner/die Umlenkeinrichtung kann mindestens einen Spiegel, vorzugsweise mindestens zwei Spiegel, aufweisen. Bevorzugt ist der Scanner dazu ausgelegt, den Lichtstrahl und/oder die optische Achse mittels der/des Spiegel/s in zwei zueinander orthogonalen Raumrichtungen über die Projektionsfläche zu scannen. Der Spiegel bzw. jeder der Spiegel ist vorzugsweise ein Mikrospiegel.
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Der Spiegel kann insbesondere kardanisch aufgehängt, galvanisch angetrieben und/oder mittels der Steuereinrichtung ansteuerbar sein, um das Scannen während der ersten und zweiten Bildprojektion durchzuführen. Wenn der Spiegel ein Mikrospiegel ist, enthält der Scanner vorzugsweise einen Mikrospiegelaktor zum Verschwenken des Spiegels. Es versteht sich von selbst, dass der Mikrospiegelaktor ein mikro-elektromechanisches System (MEMS) ist. Wenn der Scanner eine Anordnung (insbesondere eine Matrix) von mehreren Mikrospiegeln aufweist (sogenanntes Mikrospiegelarray), kann jeder dieser Mikrospiegel beliebige Merkmale der vorstehend beschriebenen Mikrospiegel aufweisen. Insbesondere kann jeder dieser Mikrospiegel mittels eines zugeordneten Mikrospiegelaktors bewegbar, insbesondere verschwenkbar, sein. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung kann vorgesehen sein, dass jeder Spiegel, insbesondere jeder Mikrospiegel, zwischen mehreren Endpositionen eine Vielzahl von Zwischenpositionen einnehmen kann.
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Bei dem Mikrospiegelarray können die Mikrospiegel derart mittels der Steuereinrichtung ausgerichtet werden, dass sie auf sie auftreffendes Licht zusammenwirkend auf dem Bereich eines Schnittpunkts zwischen der optischen Achse und der Projektionsfläche fokussieren. Vorzugsweise wird in diesem Fall während der ersten Bildprojektion und/oder der zweiten Bildprojektion die genannte Fokussierung beibehalten. Der vorstehend beschriebene Lichtstrahl kann dabei ein Zentralstrahl eines auf die Anordnung von Mikrospiegeln auftreffenden, an dieser Anordnung reflektierten Strahlenbündels sein. Entsprechend kann dieser Zentralstrahl in diesem Fall über die Projektionsfläche gescannt werden.
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In einer bevorzugten Variante ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, das erste Bild bei der ersten Bildprojektion mittels eines Rasterscans oder eines Lissajous-Scans zu erzeugen. Ferner kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, das zweite Bild bei der zweiten Bildprojektion mittels eines Vektorscans zu erzeugen.
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Das oben genannte Muster kann entsprechend ein Linienraster sein. Zum Scannen (Abtasten) dieses Linienrasters kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung den Scanner ansteuert, den Lichtstrahl/die optische Achse Zeile für Zeile über die Projektionsfläche zu scannen. Vorzugsweise wird währenddessen, die Lichtintensität der Lichtquelle und/oder die Farbe des Lichts des Lichtstrahls gemäß dem zu projizierenden Bildelement (Bildpunkt) variiert.
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Vorzugsweise sind dem ersten Bild zugehörige erste Bilddaten in einem mit der Steuereinrichtung verbundenen Speicher zumindest temporär abgelegt. Vorteilhafterweise ist das erste Bild ein Rasterbild, d.h., es enthält vorzugsweise eine Vielzahl von Bildelementen (beispielsweise mindestens 1 Million Bildpunkte (1 Megapixel), vorzugsweise mindestens zwei Millionen Bildpunkte (2 Megapixel)) in einer Matrix. Die Steuereinrichtung kann in dieser Variante dazu eingerichtet sein, die dem ersten Bild zugehörigen ersten Bilddaten vom Speicher zu empfangen (beispielsweise die ersten Bilddaten aus dem Speicher auszulesen), erste Steuerbefehle für den Scanner auf Basis der ersten Bilddaten zu ermitteln, und den Scanner mittels der ersten Steuerbefehle anzusteuern.
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Die ersten Steuerbefehle können dabei den Scanner veranlassen, die Projektionsfläche zunächst entlang einer ersten Zeile zwischen einem ersten Ende eines Scanbereichs (Abtastbereichs) der Projektionsfläche und einem zweiten Ende des Scanbereichs der Projektionsfläche mit der ersten Scangeschwindigkeit zu scannen. Die erste Scangeschwindigkeit ist hierbei vorzugsweise konstant. Während dieses Scannens kann die Lichtquelle auf Basis der ersten Steuerbefehle die Lichteigenschaften (insbesondere die Bestrahlungsstärke und/oder die Farbe des Lichts) des Lichtstrahls anpassen, insbesondere zeitabhängig verändern (variieren), um die Bildelemente zu projizieren. Dieses Verändern kann per Modulation der Emission der Lichtquelle und/oder jeder Teillichtquelle erfolgen.
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Diskrete Bildelemente können gewünschtenfalls projiziert werden, indem die Bestrahlungsstärke des Laserstrahls zwischen zwei benachbarten Bildelementen auf einen Wert unterhalb eines vorbestimmten ersten Bestrahlungsstärke-Schwellenwerts oder im Wesentlichen auf Null reduziert wird. Bei Erreichen des zweiten Endes des Scanbereichs können die ersten Steuerbefehle den Scanner veranlassen, die optische Achse zum ersten Ende zurück und in den Bereich einer zweiten Zeile zu verschwenken. Während dieses Verschwenkens emittiert die Lichtquelle vorzugsweise kein Licht. Die zweite Zeile sowie die übrigen Zeilen des ersten Bildes können sodann analog zur ersten Zeile projiziert werden.
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Die erste Scangeschwindigkeit kann die geringste Scangeschwindigkeit sein, mit der die optische Achse während der ersten Bildprojektion über die Projektionsfläche gescannt wird. Insbesondere kann die erste Scangeschwindigkeit die geringste Scangeschwindigkeit sein, mit der der Lichtstrahl während des Erzeugens des ersten Bildes über die Projektionsfläche gescannt wird. Die erste Scangeschwindigkeit kann berechnet werden als die (vorzugsweise geringste) Anzahl von pro Zeiteinheit (insbesondere pro Sekunde) projizierten Bildelementen des gesamten ersten Bildes. Alternativ kann die erste Scangeschwindigkeit die geringste Geschwindigkeit sein, mit der der Lichtstrahl entlang seines Pfades über die Projektionsfläche wandert. In einer weiteren Alternative kann die erste Scangeschwindigkeit die geringste Winkelgeschwindigkeit sein, mit der der Spiegel des Scanners während der ersten Bildprojektion verschwenkt wird. Insofern handelt es sich bei der ersten Scangeschwindigkeit vorzugsweise um eine Mindestgeschwindigkeit. Die erste Scangeschwindigkeit kann mindestens 1 Million Pixel pro Sekunde oder mindestens 5 Millionen Pixel Sekunde oder mindestens 10 Millionen Pixel pro Sekunde betragen.
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Alternativ kann das Muster ein Lissajous-Muster sein. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, den Lichtstrahl entlang von Kurvengraphen über die Projektionsfläche zu scannen, die durch die Überlagerung zweier harmonischer, rechtwinklig zueinander stehender Schwingungen verschiedener Frequenz entstehen. Die erste Bildprojektion kann also in dieser Variante als Lissajous-Scan ausgestaltet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist die zweite Bildprojektion als Vektorscan ausgestaltet. Bei der zweiten Bildprojektion steuert die Steuereinrichtung die Projektionsvorrichtung vorzugsweise an, das zweite Bild mit Licht zu zeichnen / zu schreiben (sogenanntes Lichtzeichnen oder Lichtschreiben). Während dieser zweiten Bildprojektion steuert die Steuereinrichtung die Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise an, die Lichtquelle zur kontinuierlichen Emission des Lichtstrahls zu betreiben, während der Lichtstrahl über die Projektionsfläche gescannt wird. Unter Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung durch die Steuereinrichtung wird das erste Bild also bevorzugt bildelementweise gerastert (erste Bildprojektion), wohingegen das zweite Bild bevorzugt gezeichnet wird, indem der Lichtstrahl zumindest in einem Teilbild unter kontinuierlicher Lichtkommission durch die Lichtquelle entlang des mindestens einen Scanvektors über die Projektionsfläche verfahren wird (zweite Bildprojektion). Die Anzahl von Scanvektoren kann beispielsweise zwei, drei oder mehr als drei betragen. Während der zweiten Bildprojektion, kann die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet sein, die mindestens eine Lichteigenschaft des Lichtstrahls, insbesondere die Farbe des Lichts, gewünschtenfalls zu variieren.
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Vorzugsweise sind dem zweiten Bild zugehörige zweite Bilddaten ebenfalls im Speicher zumindest temporär abgelegt. Bevorzugt ist das zweite Bild ein Vektorbild (sogenannte Vektorgrafik), d.h., es ist vorzugsweise aus grafischen Primitiven wie Linien, Kreisen, Polygonen oder Kurven zusammengesetzt. Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die dem zweiten Bild zugehörigen zweiten Bilddaten vom Speicher zu empfangen (beispielsweise die zweiten Bilddaten aus dem Speicher auszulesen), zweite Steuerbefehle für den Scanner auf Basis der zweiten Bilddaten zu ermitteln, und den Scanner mittels der zweiten Steuerbefehle anzusteuern.
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Die zweiten Steuerbefehle können dabei den Scanner veranlassen, die Projektionsfläche gemäß den zweiten Bilddaten zu scannen. Während dieses Scannens können zweite Steuerbefehle die Lichtquelle ansteuern, den Lichtstrahl kontinuierlich zu emittieren und/oder die Lichtfarbe des Lichtstrahls einzustellen oder zu variieren, um das zweite Bild zu erzeugen (zu projizieren). Das Variieren (Verändern in Abhängigkeit der Zeit) kann per Modulation der Lichtemission der Teillichtquellen erfolgen. Bei der zweiten Bildprojektion werden somit vorzugsweise keine diskreten Bildelemente projiziert, sondern kontinuierliche Vektorgrafiken gezeichnet. Währenddessen bleibt die Bestrahlungsstärke des Lichtstrahls vorzugsweise oberhalb eines vorbestimmten zweiten Bestrahlungsstärke-Schwellenwerts, sodass das projizierte zweite Bild effizient dargestellt werden kann.
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Die zweite Scangeschwindigkeit kann hierbei die größte Scangeschwindigkeit sein, mit der der Lichtstrahl während der zweiten Bildprojektion über die Projektionsfläche gescannt wird. Die zweite Scangeschwindigkeit kann die größte Geschwindigkeit sein, mit der der Lichtstrahl entlang seines Pfades über die Projektionsfläche wandert. Alternativ kann die zweite Scangeschwindigkeit die größte Winkelgeschwindigkeit sein, mit der der Spiegel des Scanners während der zweiten Bildprojektion verschwenkt wird. Insofern handelt es sich bei der zweiten Scangeschwindigkeit vorzugsweise um eine Höchstgeschwindigkeit. Die zweite Scangeschwindigkeit beträgt vorzugsweise höchstens 10 % oder höchstens 1 % oder höchstens 0,5 % der ersten Scangeschwindigkeit. Dies ermöglicht dem Betrachter, den Lichtstrahl auch bei vergleichsweise heller Umgebung besser wahrzunehmen, ohne die Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts erhöhen zu müssen.
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Wenn der Lichtstrahl bei der zweiten Bildprojektion stationär auf den Abschnitt der Projektionsfläche gerichtet ist, beträgt die zweite Scangeschwindigkeit de facto Null. Stationär kann hierbei bedeuten, dass der Abschnitt mindestens eine Sekunde oder mindestens zwei Sekunden lang mit dem Lichtstrahl angestrahlt wird. Das zweite Bild kann in diesem Fall in einzelnes Bildelement, insbesondere ein einzelner Bildpunkt oder eine durch den Laserstrahl selbst festgelegte Form, sein. Die zweite Scangeschwindigkeit kann ferner mittels der Steuereinrichtung während der zweiten Bildprojektion konstant beibehalten werden. Dies gilt entsprechend für die erste Scangeschwindigkeit während der ersten Bildprojektion.
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Es wurde gesagt, dass das erste Bild und das zweite Bild zeitversetzt erzeugt (projiziert) werden. Dies kann insbesondere bedeuten das das erste und das zweite Bild ohne zeitlichen Überlapp auf die Projektionsfläche projiziert werden. Die beiden Bilder können unmittelbar nacheinander (sequenziell) oder mit einer Projektionspause zwischen ihnen auf der Projektionsfläche erzeugt werden. Ein Zeitversatz zwischen dem Projizieren des ersten Bildes und dem Projizieren des zweiten Bildes kann beispielsweise mehr als eine halbe Sekunde oder mehr als eine Sekunde oder mehr als zwei Sekunden oder mehr als vier Sekunden betragen.
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Zwischen der Projektion des ersten Bildes und der Projektion des zweiten Bildes können hingegen analog zum beschriebenen ersten bzw. zweiten Bild weitere erste bzw. zweite Bilder projiziert werden. Das erste Bild und die weiteren ersten Bilder können mit einer Bildrate von mehr als 20 Hz projiziert werden. Das zweite Bild und die weiteren zweiten Bilder können mit einer Bildrate von mehr als 20 Hz projiziert werden. Bevorzugt wird das zweite Bild in einen Teilbereich des Scanbereichs des ersten Bildes projiziert. Auf diese Weise kann eine vergleichsweise hohe Bildqualität bei einer Helligkeit erreicht werden, die größer als die maximale bei der ersten Bildprojektion erreichbare Helligkeit sein kann.
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Außerdem kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die Projektionsvorrichtung in einer ersten Betriebsart und einer zweiten Betriebsart zu betreiben. Vorzugsweise werden das erste Bild in der ersten Betriebsart und das zweite Bild in der zweiten Betriebsart erzeugt. Höchstvorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart auf Basis einer Umgebungsbedingung in einer Umgebung der Projektionsvorrichtung auszuwählen oder umzuschalten. Zu diesem Zweck kann die Projektionsvorrichtung einen Umgebungssensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, die Umgebungsbedingung zu ermitteln. Wenn der Umgebungssensor einen optischen Sensor (beispielsweise eine Fotodiode oder eine Kamera) enthält, der dazu ausgebildet ist, eine Umgebungslichtintensität der Umgebung der Projektionsfläche und/oder der Projektionsvorrichtung zu erfassen, kann die Steuereinrichtung das Auswählen/Umschalten auf Basis der erfassten Umgebungslichtintensität durchführen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die erste Betriebsart zu verwenden, wenn die Umgebungslichtintensität höchstens einem Helligkeits-Schwellenwert entspricht und die zweite Betriebsart zu verwenden, wenn die Umgebungslichtintensität oberhalb des Helligkeits-Schwellenwerts liegt.
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Das hier vorgeschlagene Fahrzeug umfasst eine vorstehend im Detail beschriebene Projektionsvorrichtung. Die Projektionsvorrichtung ist vorzugsweise dazu angeordnet, auf eine Projektionsfläche zu projizieren, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sein kann: eine Instrumententafel des Fahrzeuges, eine Mittelkonsole des Fahrzeuges, eine A-, B- oder C-Säule des Fahrzeuges, ein Armaturenbrett des Fahrzeuges, eine zentrale Informationsanzeige des Fahrzeuges, ein Boden in der unmittelbaren Umgebung des Fahrzeuges, insbesondere in einem Vorbereich des Fahrzeuges oder in einem Öffnungsbereich einer Tür des Fahrzeuges.
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Die Steuereinrichtung der Projektionsvorrichtung oder eine andere im Fahrzeug vorgesehene Steuereinrichtung kann die Beleuchtungseinrichtung ansteuern, das zweite Bild (beispielsweise einen Punkt) auf ein Bedienelement des Fahrzeuges, beispielsweise einen Knopf im Interieur des Fahrzeuges, zu projizieren. Auf diese Weise können dem Benutzer zusätzliche Informationen intuitiv vermittelt werden, um die Benutzung des Fahrzeuges zu erleichtern.
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Das vorgeschlagene Betriebsverfahren ist für eine oben detailliert erläuterte Projektionsvorrichtung vorgesehen und umfasst die folgenden Schritte: Durchführen der ersten Bildprojektion, um das erste Bild zu erzeugen, wobei die optische Achse gemäß des vordefinierten, vom ersten Bild unabhängigen Musters unter Variation der mindestens einen Lichteigenschaft des Lichtstrahls über die Projektionsfläche gescannt wird; und Durchführen der zweiten Bildprojektion zeitversetzt zur ersten Bildprojektion, um das zweite Bild zu erzeugen, wobei der Lichtstrahl während der zweiten Bildprojektion entlang mindestens eines auf dem zweiten Bild basierenden Scanvektors über die Projektionsfläche gescannt oder stationär auf einen Abschnitt der Projektionsfläche gerichtet wird.
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Darüber hinaus kann dieses Betriebsverfahren beliebige der vorstehend in Zusammenhang mit der Projektionsvorrichtung beschriebenen Merkmale aufweisen. Insbesondere kann das Betriebsverfahren beliebige Funktionen der Projektionsvorrichtung und seiner Komponenten, insbesondere der Steuereinrichtung, als Verfahrensschritte enthalten.
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Die in dieser Offenbarung verwendeten Begriffe „umfassend“, „aufweisend“, „mit“ und Ähnliche sind als nicht abschließend zu verstehen. Insbesondere bedeutet der Begriff „umfassend ein/e“ in diesem Kontext „umfassend mindestens ein/e“, d.h. „umfassend ein/e“ schließt nicht aus, dass weitere entsprechende Elemente vorhanden sind. Zum Beispiel sind die Begriffe „umfassend eine Beleuchtungseinrichtung“, „mit einer Lichtquelle“ und „mit einem Scanner“ so zu verstehen, dass die Projektionsvorrichtung eine oder mehrere Beleuchtungseinrichtungen und die Beleuchtungseinrichtung eine oder mehrere Lichtquellen bzw. Scanner aufweisen können. Ein Bild im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann eine Grafik, ein Symbol, einen Text, ein Muster o. ä. enthalten. Insofern kann der Begriff Bild dem Begriff Bildinformationen gleichgesetzt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen einer Projektionsvorrichtung, eines Fahrzeuges sowie eines Betriebsverfahren werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert, wobei
- 1 eine Ausführungsform einer Projektionsvorrichtung zeigt, wobei die Lichtquelle inaktiv ist;
- 2 die Projektionsvorrichtung aus 1 zeigt, wobei das erste Bild während der ersten Bildprojektion erzeugt wird;
- 3 die Projektionsvorrichtung aus 1 zeigt, wobei das zweite Bild während der zweiten Bildprojektion erzeugt wird;
- 4 eine erste Ausführungsform eines Fahrzeuges mit einer Projektionsvorrichtung gemäß 1 zeigt;
- 5 eine zweite Ausführungsform eines Fahrzeuges mit einer Projektionsvorrichtung gemäß 1 zeigt; und
- 6 ein Betriebsverfahren für eine Projektionsvorrichtung aus 1 zeigt.
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Die 1 zeigt eine Projektionsvorrichtung 10 zum Projizieren von Bildern auf eine Projektionsfläche 50. Die Projektionsvorrichtung 10 ist als Laserprojektor ausgestaltet und zur Verwendung in einem Fahrzeug 100, insbesondere zur Projektion auf eine Fläche im Interieur des Fahrzeuges 100 oder auf eine Fläche in der unmittelbaren oder zumindest nahen Umgebung des Fahrzeuges 100, vorgesehen. Die Projektionsvorrichtung 10 enthält eine Beleuchtungseinrichtung 11 und eine Steuereinrichtung 22 sowie einen mit der Steuereinrichtung 22 verbundenen Speicher 24 für Bilddaten, insbesondere für den unten beschriebenen ersten und zweiten zu projizierenden Bildern zugehörige Bilddaten.
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Die Beleuchtungseinrichtung 11 weist eine Lichtquelle 12 mit mehreren, hier drei, Teillichtquellen 14, 16, 18 sowie mit einem Scanner 20 auf. Jede Teillichtquelle 14, 16, 18 ist als Laserdiode ausgestaltet und dazu eingerichtet, einfarbiges Licht auszustrahlen. Eine erste Teillichtquelle 14 kann rotes Licht, eine zweite Teillichtquelle 16 kann grünes Licht und eine dritte Teillichtquelle 18 kann blaues Licht emittieren. Von den Teillichtquellen 14, 16, 18 emittiertes Licht wird zu einem Lichtstrahl L kombiniert, der die Lichtquelle 12 wie dargestellt entlang einer einzigen optischen Achse A verlässt. Entlang der optischen Achse A ist der Scanner 20 angeordnet; er enthält einen Mikrospiegel, der kardanisch aufgehängt ist und den Lichtstrahl L auf die Projektionsfläche 50 lenkt. Mittels eines nicht dargestellten Mikrospiegelaktors und des Mikrospiegels können optische Achse A und Lichtstrahl L über die Projektionsfläche 50 gescannt werden.
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Um eine in 2 schematisch dargestellte erste Bildprojektion durchzuführen, bei der ein erstes Bild 52 projiziert / auf der Projektionsfläche 50 erzeugt wird, sowie anschließend eine in 3 schematisch dargestellte zweite Bildprojektion durchzuführen, bei der ein zweites Bild 54 projiziert / auf der Projektionsfläche erzeugt wird, steuert die Steuereinrichtung 22 die Beleuchtungseinrichtung 11 wie im Folgenden näher erläutert an. Das erste Bild 52 und das zweite Bild zeigen dabei jeweils ein erstes Teilbild, welches durch die Buchstaben „BMW“, hier insbesondere in Weiß, gebildet ist sowie ein zweites Teilbild, welches durch einen dunklen („schwarzen“, unbeleuchteten) Hintergrund für das erste Teilbild gebildet wird. Das erste Bild 52 enthält in diesem Beispiel zu Illustrationszwecken 26 x 15 Bildpunkte/Pixel/Bildelemente.
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Bei der ersten Bildprojektion (siehe 2) wird ein Scanbereich 60 der Projektionsfläche mittels eines Rasterscans gemäß einem Linien- / Zeilenmuster Zeile für Zeile (insbesondere beginnend in einem Eck des Scanbereichs 60, in diesem Beispiel links oben) gescannt. Das Muster ist unabhängig vom darzustellenden ersten Bild 52 („BMW“ vor dunklem Hintergrund). Hierbei wird die optische Achse A, jeweils beginnend am ersten Ende 62 des Scanbereichs 60, mit einer vorbestimmten ersten Scangeschwindigkeit entlang jeder parallel zu einer Richtung x verlaufenden Zeile bis zum zweiten Ende 64 des Scanbereichs 60 verschwenkt. Währenddessen wird die Lichtintensität und die Farbe des Lichtstrahls L derart eingestellt, dass die in 2 schraffiert dargestellten Bildpunkte, die das erste Teilbild bilden, mit weißem Licht bestrahlt werden. Alle übrigen Bildpunkte des ersten Bildes 52 werden zwar von der optischen Achse A überstreicht, jedoch nicht beleuchtet. D.h., die Teillichtquellen 14, 16, 18 emittieren Licht genau dann, wenn die optische Achse A die Bildpunkte des ersten Teilbildes überstreicht. Zwischen dem Scannen zweier benachbarter Zeilen emittiert die Lichtquelle 12 kein Licht. Die erste Bildprojektion ist abgeschlossen, wenn die optische Achse A den gesamten Scanbereich 60, insbesondere alle Zeilen, einmal ab gescannt/überstreicht hat. Die erste Scangeschwindigkeit kann hierbei insbesondere die minimale Winkelgeschwindigkeit des Mikrospiegels während des Scannens einer beliebigen Zeile sein.
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Bei der unmittelbar oder zeitverzögert vor oder nach der ersten Bildprojektion stattfindenden zweiten Bildprojektion (siehe 3) wird die optische Achse A zusammen mit dem Lichtstrahl L hingegen entlang eines oder mehrerer Scanvektoren bestrahlt (Scanvektor 58 beispielhaft dargestellt), die auf dem zu erzeugenden zweiten Bild 54, insbesondere auf dem zweiten Bild 54 zugehörigen Bilddaten, basieren. Diese Vektorprojektion erfolgt vorzugsweise mit einer zweiten Scangeschwindigkeit, die geringer als die erste Scangeschwindigkeit sein kann. Das zweite Bild 54 wird bei dieser zweiten Bildprojektion somit mittels eines Vektorscans gezeichnet. Dabei rastert der Lichtstrahl L / die optische Achse A somit nicht mehr den gesamten Scanbereich 60 der Projektionsfläche 50 unter Modulation der Lichteigenschaft/en des Lichtstrahls L (insbesondere Lichtintensität und/oder Farbe) ab, um ein Bild zu projizieren. Vielmehr wird nur derjenige Teil der Projektionsfläche 50 mit dem Lichtstrahl L bestrahlt, in den das erste Teilbild projiziert wird und der durch die Scanvektoren festgelegt ist. Während des Bestrahlens dieses Teils wird der Lichtstrahl L kontinuierlich von der Lichtquelle 12 emittiert und trifft entsprechend auf die Projektionsfläche 50 auf.
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Die Lichteigenschaft/en (insbesondere Intensität und Farbe) des Lichtstrahls L können dabei konstant bleiben oder variiert werden unter der Maßgabe, dass die Intensität größer als Null ist. Die zweite Scangeschwindigkeit kann hierbei insbesondere die maximale Winkelgeschwindigkeit des Mikrospiegels sein, die während der zweiten Bildprojektion erreicht wird. Bevorzugt beträgt die zweite Scangeschwindigkeit höchstens 50 % oder höchstens 10 % der ersten Scangeschwindigkeit. Der Zeitversatz zwischen dem Erzeugen des ersten Bildes 52 und dem Erzeugen des zweiten Bildes 54 beträgt hier beispielhaft mehr als eine Sekunde, sodass das erste und das zweite Bild vom menschlichen Auge als separate Bilder erkannt werden können.
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In einer Modifikation kann der Lichtstrahl L bei der zweiten Bildprojektion, anstatt gescannt zu werden, stationär auf einen Abschnitt der Projektionsfläche 50 gerichtet sein. Auf diese Weise kann der Benutzer recht einfach auf einen bestimmten Bereich der Projektionsfläche (beispielsweise einen Knopf im Fahrzeug) hingewiesen werden.
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Die 4 zeigt das Fahrzeug 100, bei dem es sich hier um ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, handelt. Das Fahrzeug enthält die Projektionsvorrichtung 10. Bei dieser Variante ist die Projektionsvorrichtung 10 im Bereich eines Daches des Fahrzeuges montiert und so ausgerichtet, dass sie auf ein Armaturenbrett 102 des Fahrzeuges 100, welches als Projektionsfläche 50 dient, projizieren kann.
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Die Projektionsvorrichtung 10 enthält außerdem einen Umgebungslichtsensor (nicht gesondert dargestellt) der mit der Steuereinrichtung 22 gekoppelt ist. Der Umgebungslichtsensor ist dazu eingerichtet, eine Helligkeit der unmittelbaren Umgebung der Projektionsvorrichtung 10 und/oder der Projektionsfläche 50 zu bestimmen und dieser Helligkeit entsprechende Helligkeitsdaten an die Steuereinrichtung 22 zu übertragen. Die Steuereinrichtung 22 kann dazu eingerichtet sein, das erste Bild 52 in einer ersten Betriebsart und das zweite Bild 54 in einer zweiten Betriebsart zu erzeugen. Auf Basis der Helligkeitsdaten kann die Steuereinrichtung 22 zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart auswählen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 22 dazu eingerichtet sein, die erste Betriebsart bei einer Helligkeit in der unmittelbaren Umgebung unterhalb eines Helligkeits-Schwellenwerts und die zweite Betriebsart bei einer Helligkeit in der unmittelbaren Umgebung oberhalb eines Helligkeits-Schwellenwerts zu verwenden. Die Helligkeitsdaten können der Steuereinrichtung 22 alternativ vom Fahrzeug bereitgestellt werden.
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Die Projektionsvorrichtung 10 kann in dieser Variante bei Dunkelheit oder Dämmerung beispielsweise hochaufgelöste Bilder (>0,5 Megapixel) auf das Armaturenbrett 102 des Fahrzeuges 100 projizieren. Sobald die (nicht durch die Projektionsvorrichtung bedingte) Beleuchtungsstärke auf das Armaturenbrett 102 den Helligkeits-Schwellenwert übertrifft schaltet die Projektionsvorrichtung 10 auf die zweite Betriebsart um. In der zweiten Betriebsart können dann einfachere Bilder mit bestimmten Informationen (beispielsweise die Uhrzeit, eine Außentemperatur, usw.), Strukturen, Muster und/oder einfache Bewegtbilder als zweite Bilder bei höherer effektiver Beleuchtungsstärke projiziert werden.
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In einer nicht gezeigten Modifikation kann die Projektionsvorrichtung 10 im Fahrzeug 100 dazu angerordnet sein, den Dachhimmel des Fahrzeugs 100 im Interieur als Projektionsfläche 50 zu verwenden. Beispielsweise kann die Projektionsvorrichtung 10 hierzu im Bereich des Armaturenbretts oder der Mittelkonsole positioniert sein. Das erste und/oder das zweite Bild kann in diesem Fall ein Bild vom Himmel über dem Fahrzeug 100 oder ein projizierter Sternenhimmel mit mehreren Lichtpunkten und/oder Lichtstreifen sein. Insbesondere wenn das zweite Bild der Sternenhimmel ist, können die Lichtpunkte /-streifen entlang des Scanvektors liegen.
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Ein in 5 dargestelltes weiteres Fahrzeug 100 unterscheidet sich vom Fahrzeug 100 aus 4 lediglich dadurch, dass die Projektionsfläche 50 nicht das Armaturenbrett 102, sondern ein Boden in der unmittelbaren Umgebung des Fahrzeuges 100 ist. Entsprechend kann die Projektionsvorrichtung 10 in diesem Fall an einer anderen Stelle des Fahrzeuges 100, beispielsweise an einer Tür oder an einer B-Säule des Fahrzeuges 100 montiert sein. Im Übrigen enthält das Fahrzeug 100 aus 5 sämtliche Merkmale des Fahrzeuges 100 aus 4. Außerdem ist es denkbar, mehrere Projektionsvorrichtungen 10 in der Anordnung gemäß 4 und 5 im Fahrzeug 100 zu kombinieren.
Ein in 6 dargestelltes Betriebsverfahren 200 ist zum Betrieb der Projektionsvorrichtung 10 gemäß der oben beschriebenen Funktionsweise vorgesehen. In einem ersten Schritt 202 des Betriebsverfahrens 200 wird die erste Bildprojektion durchgeführt, um das erste Bild 52 zu erzeugen. Wie oben erläutert wird dabei die optische Achse A mit der ersten Scangeschwindigkeit bei gleichzeitiger Variation der Bestrahlungsstärke des Lichtstrahls L über die Projektionsfläche 50 gescannt, um die Bildelemente des ersten Teilbildes zu projizieren. Nachdem das gesamte erste Bild 52 einschließlich der dunkelgebliebenen Bereiche aus dem zweiten Teilbild fertig erzeugt wurde, wird ein zweiter Schritt 204 durchgeführt, in dem die zweite Bildprojektion erfolgt. Während dieses zweiten Schritts 204 wird die optische Achse A zusammen mit dem Lichtstrahl L mit der zweiten Scangeschwindigkeit, die geringer als die erste Scangeschwindigkeit ist, über die Projektionsfläche 50 gescannt, alternativ stationär auf einen Abschnitt der Projektionsfläche 50 gerichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020100044 A1 [0003]
