DE102021209454A1 - Method for controlling a laser diode and a digital micromirror device of an imaging unit in a holographic head-up display - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Steuern einer Lichtquelle sowie einer eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD) aufweisenden bilderzeugenden Einheit, wobei von der Lichtquelle ein Lichtstrahl auf eine Anzahl von Mikrospiegeln der DMD gerichtet wird, mit deren Hilfe abhängig von jeweiligen Spiegelpositionen ein Bild erzeugt und ausgegeben werden kann, umfasst: das Betreiben der DMD mittels Pulsbreitenmodulation in einem Schema von innerhalb einer Aktualisierungszeit aufeinander folgenden Bit-Segmenten; das Aktivieren wenigstens eines Mikrospiegels, um innerhalb eines eine oder mehrere Pulse umfassenden ersten Teilintervalls der Aktualisierungszeit, wobei die Pulse den Bit-Segmenten entsprechen, eine erste Spiegelposition (ON) derart einzustellen, dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil ausgegeben wird; und das Bereitstellen einer Leistung, mit welcher die Lichtquelle zumindest innerhalb der Zeitdauer des ersten Teilintervalls versorgt wird, damit die Lichtquelle darin eine vorbestimmte Lichtmenge emittiert. In einem ersten Betriebsmodus wird die Lichtquelle innerhalb eines zweiten Teilintervalls derselben Aktualisierungszeit, in welchem der wenigstens eine Mikrospiegel der digitalen Mikrospiegelvorrichtung eine zweite Spiegelposition (OFF) einnimmt, so dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil nicht aus der bilderzeugenden Einheit ausgegeben wird, mit Leistung versorgt. Ein zeitlicher Durchschnittswert der Leistung im zweiten Teilintervall ist gegenüber einem zeitlichen Durchschnittswert der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls erhöht, um im Fall einer geringen Lichtmenge, die für die Ausgabe aus der bilderzeugenden Einheit vorgesehen ist, einer Abkühlung der Lichtquelle entgegenzuwirken.A method for controlling a light source and a digital micromirror device (DMD) having an imaging unit, wherein a light beam from the light source is directed onto a number of micromirrors of the DMD, with the help of which an image can be generated and output depending on the respective mirror positions : operating the DMD by means of pulse width modulation in a scheme of bit segments that follow one another within an update time; activating at least one micro-mirror to set a first mirror position (ON) within a first sub-interval of the update time comprising one or more pulses, the pulses corresponding to the bit segments, such that the light beam portion incident on the micro-mirror is emitted; and providing a power supplied to the light source for at least the period of time of the first sub-interval to cause the light source to emit a predetermined amount of light therein. In a first mode of operation, the light source is powered within a second sub-interval of the same update time, in which the at least one micro-mirror of the digital micro-mirror device assumes a second mirror position (OFF) so that the light beam fraction incident on the micro-mirror is not output from the imaging unit . A time-average value of the power in the second sub-interval is increased compared to a time-average value of the power within the first sub-interval in order to counteract cooling of the light source in the case of a small amount of light intended for output from the image-forming unit.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Aspekte der hier vorgestellten Erfindung betreffen ein Verfahren zum Steuern wenigstens einer Lichtquelle sowie einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung einer bilderzeugenden Einheit, wobei von der Lichtquelle ein Lichtstrahl auf eine Anzahl von Mikrospiegeln der digitalen Mikrospiegelvorrichtung gerichtet wird, mit deren Hilfe abhängig von jeweiligen Spiegelpositionen ein Bild durch die bildgebende Einheit erzeugt und ausgegeben werden kann. Diese oder weitere Aspekte betreffen insbesondere auch ein augmented reality (AR) Head-Up-Display, welches die bildgebende Einheit aufweist.Aspects of the invention presented here relate to a method for controlling at least one light source and a digital micromirror device of an imaging unit, with a light beam being directed from the light source onto a number of micromirrors of the digital micromirror device, with the aid of which an image is generated by the imaging unit depending on the respective mirror positions unit can be generated and output. These or other aspects also relate in particular to an augmented reality (AR) head-up display, which has the imaging unit.
Stand der TechnikState of the art
Anwendungen aus den Gebieten der Augmented Reality („erweiterte Realität“, AR, oft auch als „True-AR“ bezeichnet) haben in den vergangenen Jahren zunehmend auch im Bereich von Head-Up-Displays Eingang gefunden. Hierbei werden z.B. mittels des Head-Up-Displays dem Fahrzeugführer zwei- oder dreidimensional dargestellte Informationen in holografischer Weise in sein Sichtfeld durch ein Fenster des Fahrzeugs (insbesondere die Windschutzscheibe) eingeblendet bzw. das Sichtfeld mit darin erkannten Objekten mit diesen Informationen überlagert. Dies kann über ein in das Fenster (oder in eine in davor platzierte, transparente Platte) integriertes holografisches optisches Element (HOE) erfolgen, das - auch als sog. Combiner bezeichnet - in geeigneter Weise von einer Abbildungsmatrix mit einer Lichtwellenfront bestrahlt wird, wobei zur Ausnutzung der Effekte des im holografischen optischen Element implementierten Hologramms hochgradig kohärentes Licht benötigt wird, das daher vorzugsweise aus einem oder mehreren Lasermodulen herrühren kann, in denen Laserdioden bzw. Laserdiodenarrays verbaut sind.Applications from the areas of augmented reality ("augmented reality", AR, often also referred to as "true AR") have increasingly found their way into the field of head-up displays in recent years. Here, e.g. by means of the head-up display, the vehicle driver is shown two or three-dimensional information in a holographic manner in his field of vision through a window of the vehicle (in particular the windshield) or the field of vision with objects detected therein is superimposed with this information. This can be done via a holographic optical element (HOE) integrated into the window (or into a transparent plate placed in front of it), which - also referred to as a so-called combiner - is irradiated in a suitable manner by an imaging matrix with a light wave front, with the Utilization of the effects of the implemented in the holographic optical element hologram highly coherent light is required, which can therefore preferably come from one or more laser modules in which laser diodes or laser diode arrays are installed.
Solche Head-Up-Displays umfassen üblicherweise eine bildgebende bzw. bilderzeugende Einheit (engl. picture generating unit, PGU) mit Lichtquelle, ein Optikmodul und den Combiner bzw. das HOE-Element als Projektionsfläche. Die bildgebende Einheit weist dabei üblicherweise eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (digital micromirror device, DMD) auf, deren Mikrospiegel in bekannter Weise einzeln in eine „ON“ bzw. „OFF“-Position ansteuerbar sind, um ein gewünschtes Bild zu erzeugen und projizieren, wenn die Strahlung der Lichtquelle auf die digitale Mikrospiegelvorrichtung gerichtet wird. Lichtintensitäten werden dabei oftmals über Pulsbreitenmodulation während des Betriebs der Mikrospiegel erzeugt. Ein solches System ist beispielsweise in D. Doherty, G. Hewlett: „Phased Reset Timing for Improved Digital Micromirror Device Brightness“, in SID International Symposium 1998, veröffentlicht durch Society for Information Display, Santa Ana, CA, ISSN0098-0966X/98/2901 (nachfolgend: Doherty et al. (1998)) oder in
Bei einem holografischen AR-Head-Up-Display wird z.B. im Fall eines Kraftfahrzeugs für das holografische optische Element (HOE) in der Windschutzscheibe als Lichtquelle ein Laser mit sehr schmalem Wellenlängenspektrum benötigt, weshalb sich Halbleiterlaser besonders eignen. Die Wellenlänge von Halbleiterlasern ist allerdings temperaturabhängig, weshalb die betreffenden Laserdioden während des Betriebs im Allgemeinen auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden müssen. Genauer gesagt besteht das Erfordernis, die Sperrschichttemperatur (engl. junction temperature) der Halbleiterbausteine der Laserdioden konstant zu halten. Zwar kann durch Berücksichtigung externer Kavitäten (Resonatoren) in den Laserdioden unter Zuhilfenahme von beispielsweise Volumen-Bragg-Gittern (VBG) eine gewisse Stabilisierung gegenüber Temperaturschwankungen erzielt werden, eine weitere Verbesserung ist jedoch durchaus wünschenswert.In a holographic AR head-up display, e.g. in the case of a motor vehicle, a laser with a very narrow wavelength spectrum is required as the light source for the holographic optical element (HOE) in the windshield, which is why semiconductor lasers are particularly suitable. However, the wavelength of semiconductor lasers is temperature-dependent, which is why the relevant laser diodes generally have to be kept at a substantially constant temperature during operation. More precisely, there is a need to keep the junction temperature of the semiconductor components of the laser diodes constant. Although a certain stabilization against temperature fluctuations can be achieved by considering external cavities (resonators) in the laser diodes with the aid of, for example, volume Bragg gratings (VBG), a further improvement is definitely desirable.
Gleichzeitig sollen in einem AR-Head-Up-Display aber auch beträchtliche Helligkeitsunterschiede ermöglicht werden können. Dies kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen für Nachtfahrverhältnisse gelten, und zwar insbesondere auch dann, wenn die Helligkeit im AR-Head-Up-Display bei stark schwankendem Gegenlicht entgegenkommender Fahrzeuge anzupassen ist. Aber auch bei Tagfahrverhältnissen kann eine zügige Anpassung der Helligkeit erforderlich sein, beispielsweise bei Ein- oder Ausfahrten in/aus Tunneln etc.At the same time, however, considerable differences in brightness should also be possible in an AR head-up display. This can apply, for example, in motor vehicles for night-time driving conditions, in particular when the brightness in the AR head-up display has to be adjusted when the backlight from oncoming vehicles fluctuates greatly. However, it may also be necessary to quickly adjust the brightness in daytime driving conditions, for example when entering or exiting tunnels, etc.
Für diese Helligkeitsanpassung müssen auch der Strom bzw. die Leistung und/oder die Dauer der Laserpulse angepasst werden, mit dem/der bzw. denen die Laserdiode(n) im AR-Head-Up-Display betrieben werden. Wird dabei die mittlere Leistung einer betreffenden Laserdiode reduziert, so verringert sich dann auch infolgedessen die Sperrschichttemperatur, welches wiederum zu einer Wellenlängendrift und/oder Linienverbreiterung der vom Laser emittierten Strahlung führen kann.For this brightness adjustment, the current or the power and/or the duration of the laser pulses must also be adjusted with which the laser diode(s) in the AR head-up display are operated. If the average power of a relevant laser diode is reduced, the junction temperature is then also reduced as a result, which in turn can lead to a wavelength drift and/or line broadening of the radiation emitted by the laser.
Um der Wellenlängendrift und/oder Linienverbreiterung vorzubeugen, könnte, um eine mit nur geringer Verzögerung reagierende Temperaturregelung zu erreichen, ein Peltierelement (engl. thermoelectric cooler, TEC) bereitgestellt sein. Es ist bekannt, Peltierelemente benachbart zu Bausteinen (Packages mit Chip und Gehäuse) wie Laserdioden anzuordnen, um z.B. eine Kühl- oder Heizwirkung herbeizuführen, um Temperaturschwankungen gezielt zu kompensieren. Allerdings ist die Einwirkung bei einem solchen Aufbau zeitlich zu träge, um den oben genannten Anforderungen in einem Head-Up-Display zu genügen.In order to prevent the wavelength drift and/or line broadening, a Peltier element (thermoelectric cooler, TEC) could be provided in order to achieve a responsive temperature control with only a small delay. It is known to arrange Peltier elements adjacent to components (packages with chip and housing), such as laser diodes, in order, for example, to bring about a cooling or heating effect in order to compensate for temperature fluctuations in a targeted manner. However, the effect of such a structure is too sluggish in time to meet the above requirements in a head-up display.
In der Druckschrift KR 10-2020-0040408 A wurde vorgeschlagen, das Halbleiterbauelement (d.h., der Chip) in einem Laserdiodenpackage einschließlichGehäuse unmittelbar auf diesem Peltierelement zu montieren. Allerdings sind solchermaßen nachgerüstete Laserdioden (als Laserpackages) für rot, grün, blau (RGB) und mit für die Anwendung in AR-Head-UP-Displays ausreichender Leistung derzeit nicht verfügbar.In the publication KR 10-2020-0040408 A it was proposed to mount the semiconductor component (i.e. the chip) in a laser diode package including the housing directly on this Peltier element. However, such retrofitted laser diodes (as laser packages) for red, green, blue (RGB) and with sufficient power for use in AR head-up displays are currently not available.
Es besteht daher ein Problem, wie z.B. auch mit einer vergleichsweise trägen Temperaturregelung durch ein lediglich außerhalb des Laserpackages vorgesehenes Peltierelement dennoch schnelle Helligkeitsanpassungen ermöglicht werden können, ohne dass sich die Wellenlänge des Lasers ändert. Es ist anzumerken, dass ähnliche Probleme auch bei anderen optischen Elementen, die stark von der Wellenlänge abhängen, z.B. bei den oben genannten Beugungsgittern, bestehen können. Solche werden beispielsweise ebenfalls in Head-Up-Displays mit Lichtwellenleiter-Technologie verwendet.There is therefore a problem of how, e.g. even with a comparatively sluggish temperature control by means of a Peltier element provided only outside the laser package, rapid brightness adjustments can nevertheless be made possible without the wavelength of the laser changing. It should be noted that similar problems can also exist with other optical elements that are strongly dependent on wavelength, such as the diffraction gratings mentioned above. Such are also used, for example, in head-up displays with fiber optic technology.
In der Druckschrift
Darstellung von Aspekten der ErfindungPresentation of Aspects of the Invention
Einigen der nachfolgend beschriebenen Aspekte liegt eine Aufgabe zugrunde, in einer bildgebenden Einheit mit Lichtquelle schnelle Helligkeitsanpassungen auch bei großer Dynamik zu ermöglichen, ohne dass sich dabei die Parameter der Lichtquelle ändern, insbesondere die Wellenlänge im Fall eines eingesetzten Lasers.Some of the aspects described below are based on the object of enabling rapid brightness adjustments in an imaging unit with a light source, even with great dynamics, without the parameters of the light source changing in the process, in particular the wavelength in the case of a laser used.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Steuern wenigstens einer Lichtquelle sowie einer eine digitale Mikrospiegelvorrichtung aufweisenden bildgebenden Einheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by a method for controlling at least one light source and an imaging unit having a digital micromirror device with the features of
Ausgangspunkt ist ein entsprechendes Verfahren, bei dem von der Lichtquelle ein Lichtstrahl auf eine Anzahl von Mikrospiegeln der digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD) gerichtet wird, mit deren Hilfe abhängig von jeweiligen Spiegelpositionen ein Bild durch die bildgebende Einheit (PGU) erzeugt und ausgegeben werden kann. Bei der Lichtquelle kann es sich bevorzugt um eine oder mehrere Lasermodule handeln.The starting point is a corresponding method in which a light beam from the light source is directed onto a number of micromirrors of the digital micromirror device (DMD), with the help of which an image is generated by the imaging unit (PGU) depending on the respective mirror positions and can be issued. The light source can preferably be one or more laser modules.
Ein solches Verfahren umfasst beispielweise Schritte, bei denen die digitale Mikrospiegelvorrichtung mittels Pulsbreitenmodulation in einem Schema von innerhalb einer Aktualisierungszeit bzw. eines Zeitrahmens (time frame) aufeinander folgenden Bit-Segmenten vorbestimmter Zeitdauer betrieben wird. Das bedeutet insbesondere, dass - wie eingangs beschrieben - die einzelnen Mikrospiegel in einem fest vorgegebenen Zeitrahmen (engl. frame oder total refresh period), der der Aktualisierungszeit entsprechen kann, mit Aufteilung in Sequenzen von Bits getrennt und unabhängig voneinander in die Positionen „ON“ bzw. „OFF“ gestellt werden können, um eine bestimmte Helligkeitsamplitude zu erzeugen, die beispielsweise vorgegeben ist und/oder einem Videosignal entsprechen kann. Der für die Mikrospiegel jeweils vorgegebene Zeitrahmen kann einer Aktualisierungszeit (engl. total refresh period) des betreffenden Mikrospiegels entsprechen. Dieser wird aufgeteilt in Bits mit jeweils vorgegebener Zeitdauer. Die Aktualisierungszeit ist festgelegt als die kleinste Zeiteinheit, auf Basis welcher die Helligkeit der von den Mikrospiegeln reflektierten Strahlung (z.B. für ein Lasermodul bestimmter Farbe) für gesteuert wird, da sich aus der Zuordnung von ON'' bzw. „OFF“ zu den Bits erst dieser Wert in aufintegrierter Weise ergibt.Such a method comprises, for example, steps in which the digital micromirror device is operated by means of pulse width modulation in a scheme of bit segments of a predetermined time duration which follow one another within an update time or a time frame. In particular, this means that - as described at the beginning - the individual micromirrors are switched to the "ON" positions separately and independently of one another in a fixed time frame (frame or total refresh period), which can correspond to the update time, with division into sequences of bits. or "OFF" can be set in order to generate a certain brightness amplitude, which is specified, for example, and/or can correspond to a video signal. The time frame specified in each case for the micromirror can correspond to an update time (total refresh period) of the micromirror in question. This is divided into bits, each with a specified time period. The update time is defined as the smallest unit of time on the basis of which the brightness of the radiation reflected by the micromirrors (e.g. for a laser module of a specific color) is controlled for since the assignment of ON'' or "OFF" to the bits only gives this value in an integrated manner.
Das Schema von Bit-Sequenzen kann beispielsweise ebenfalls wie oben in Doherty et al. (1998) angegeben ausgestaltet sein: das Bit mit dem niedrigsten Stellenwert (LSB, least significant bit) umfasst z.B. einen Bruchteil 1/(2n-1) an der Gesamtzeit des Zeitrahmens, wobei n die Gesamtzahl der vorgesehenen Bits ist. Das nächsthöhere Bit umfasst den doppelten Bruchteil bzw. die doppelte Zeitdauer, usw. bis hin zum höchstwertigen Bit (MSB), das die längste Zeitdauer aufweist, nämlich den Bruchteil 2n-1/(2n-1).The scheme of bit sequences can also be used, for example, as described in Doherty et al. (1998): the least significant bit (LSB) comprises, for example, a
Das jeweilige Bit-Segment innerhalb des Zeitrahmens bzw. der Aktualisierungszeit der Mikrospiegel kann nun die dem entsprechenden Bit zugeordnete Zeitdauer aufweisen. Diese muss nicht „am Stück“ ablaufen. Vielmehr können die Bits wie oben mit Bezug z.B. auf Doherty et al. (1998) zusätzlich beschrieben innerhalb der Akualisierungszeit aufgeteilt, d.h. aufgesplittet sein. Das bedeutet, dass innerhalb jedes einzelnen Zeitrahmens die den einzelnen Bits zugewiesenen „ON“- bzw. „OFF“-Positionen aufgeteilt und z.B. in Segmente mit etwa gleich großen Zeitdauern verteilt sind. Jedes hier so bezeichnete Bit-Segment mit der ihm zugewiesenen „ON“- bzw. „OFF“-Position kann also die Zeitdauer des ganzen Bits (z.B. Bruchteile von 1/(2n-1) bis 2n-1/(2n-1) der Aktualisierungszeit) oder - beim Bit-Splitting - der aufgeteilten Segmente umfassen (Bruchteile rein beispielhaft wie in Doherty et al. (1998): 1/(2n-1) für das Bit 0, und 2/(2n-1) für alle anderen, insbesondere gesplitteten Bits 1,...,n-1, mit n=Anzahl der Bits).The respective bit segment within the time frame or the update time of the micromirrors can now have the time duration assigned to the corresponding bit. This does not have to be done “in one go”. Rather, as above with reference to, for example, Doherty et al. (1998) additionally described within the update time, ie split up. This means that within each individual time frame, the "ON" and "OFF" positions assigned to the individual bits are divided and, for example, divided into segments with approximately the same length of time. Each bit segment described here with the "ON" or "OFF" position assigned to it can therefore be the duration of the entire bit (e.g. fractions of 1/(2 n -1) to 2 n-1 /(2 n -1) of the update time) or - in the case of bit splitting - of the divided segments (fractions purely as an example as in Doherty et al. (1998): 1/(2 n -1) for
Es ist dabei anzumerken, dass Aspekten der Erfindung zufolge grundsätzlich auch andere oder abgewandelte Schemata möglich sind. Die Erfindung ist nicht auf die spezielle Ausgestaltung der Darstellung der Pulsbreiten in Bits zur Erzielung einer bestimmten integrierten Helligkeit beschränkt. Auch ist es möglich, die Mikrospiegel mit kontinuierlich variierenden Pulsbreiten zu steuern.It should be noted here that, according to aspects of the invention, other or modified schemes are also possible in principle. The invention is not limited to the specific configuration of the representation of the pulse widths in bits in order to achieve a specific integrated brightness. It is also possible to control the micromirrors with continuously varying pulse widths.
Weiters umfasst das hier vorgeschlagene Verfahren Schritte des Aktivierens wenigstens eines Mikrospiegels der digitalen Mikrospiegelvorrichtung, um innerhalb eines eine oder mehrere Pulse umfassenden ersten Teilintervalls der Aktualisierungszeit, wobei der oder die Puls(e) dem bzw. den Bit-Segment(en) entsprechen, eine erste Spiegelposition (z.B. „ON“) derart einzustellen, dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil aus der bildgebenden Einheit ausgegeben wird. Mit anderen Worten, es werden die Mikrospiegel wie eingangs beschrieben bitweise bzw. bit-segmentweise - je nach gewünschter Helligkeit - auf „ON“ gestellt, um Licht abzustrahlen. Diese Bits oder Bit-Segmente bilden zusammen ein in dem Zeitrahmen nicht notwendig zusammenhängendes erstes Intervall. Alternativ kann auch nur jede einzelne Pulsbreite betrachtet werden, die dann ausschließlich zusammenhängende Bit-Segmente oder ggf. sogar nur ein einzelnes „ON“-geschaltetes, isoliertes Bit-Segment zu dem ersten Teilintervall zusammenfasst. Es ist anzumerken, dass die gewählte Bezeichnung „ON“ für eine Spiegelstellung, bei der der Strahl derart reflektiert wird, dass er aus der bildgebenden Einheit ausgegeben wird, rein subjektiv ist und nicht wiedergibt, ob der betreffende Mikrospiegel in dieser Stellung mit Leistung oder Spannung versorgt ist oder nicht.The method proposed here also comprises the steps of activating at least one micromirror of the digital micromirror device in order to, within a first partial interval of the update time comprising one or more pulses, wherein the pulse(s) correspond to the bit segment(s), a set the first mirror position (e.g. "ON") in such a way that the portion of the light beam falling on the micromirror is output from the imaging unit. In other words, as described above, the micromirrors are set to "ON" bit by bit or bit segment by bit - depending on the desired brightness - in order to emit light. These bits or bit segments together form a first interval that is not necessarily contiguous in the time frame. Alternatively, only each individual pulse width can be considered, which then combines exclusively contiguous bit segments or possibly even just a single "ON" switched, isolated bit segment to form the first sub-interval. It should be noted that the chosen designation "ON" for a mirror position, where the beam is reflected in such a way that it is output from the imaging device, is purely subjective and does not reflect whether the micromirror in question is in that position with power or voltage is supplied or not.
Weitere Schritte bestehen im Bereitstellen einer Leistung, mit welcher die Lichtquelle zumindest innerhalb der Zeitdauer des ersten Teilintervalls versorgt wird, damit die Lichtquelle darin eine vorbestimmte Lichtmenge emittiert. Das kann bedeuten, dass der jeweilige Mikrospiegel innerhalb des ersten Teilintervalls mit im Wesentlichen konstanter Leistung versorgt wird und entsprechend auch im Wesentlichen konstante Lichtleistung abgibt. Diese kann auch in ihrer Amplitude reduziert sein. Es kann aber insbesondere auch bedeuten, dass die einzelnen Bit-Segmente innerhalb ihrer vorgesehenen Zeitdauer mit keiner konstanten Leistungsversorgung oder sogar mit nur zeit- oder abschnittsweiser Leistungsversorgung versehen sind, um die mittlere Lichtleistung zu steuern.Further steps are providing power to the light source for at least the duration of the first sub-interval to cause the light source to emit a predetermined amount of light therein. This can mean that the respective micromirror is supplied with essentially constant power within the first partial interval and correspondingly also emits essentially constant light power. This can also be reduced in amplitude. However, it can also mean in particular that the individual bit segments are not provided with a constant power supply within their intended time period, or even with a power supply that is only provided at times or in sections in order to control the average light output.
Einzelne Aspekte der Erfindung sehen nun einen ersten Betriebsmodus vor, bei welchem die Lichtquelle innerhalb eines zum ersten Teilintervall komplementären zweiten Teilintervalls der Aktualisierungszeit, in welchem der wenigstens eine Mikrospiegel der digitalen Mikrospiegelvorrichtung eine zweite Spiegelposition (OFF) einnimmt, so dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil nicht aus der bildgebenden Einheit ausgegeben wird, mit einer Leistung versorgt wird. Mit anderen Worten, die Lichtquelle strahlt auch dann, wenn der betreffende Mikrospiegel die Strahlung so reflektiert, dass sie die bildgebende Einheit jedenfalls nicht als Nutzstrahlung verlässt. Eine Möglichkeit besteht darin, dass der reflektierte Lichtstrahl in dieser Spiegelstellung in eine Lichtsenke (z.B. Licht absorbierender Schirm etc.) gelenkt wird.Individual aspects of the invention now provide a first operating mode in which the light source assumes a second mirror position (OFF) within a second sub-interval of the update time, which is complementary to the first sub-interval, in which the at least one micro-mirror of the digital micro-mirror device assumes a second mirror position (OFF), so that the light falling on the micro-mirror Light beam portion is not output from the imaging unit is supplied with a power. In other words, the light source also radiates when the relevant micromirror reflects the radiation in such a way that it does not leave the imaging unit as useful radiation. One possibility is that the reflected light beam is directed into a light sink (eg light-absorbing screen, etc.) in this mirror position.
Die Lichtausbeute (Leistung des Nutzlichts über den gesamten Zeitrahmen je in der Lichtquelle eingesetzter Leistung) wird durch diese Steuerung natürlich gesenkt. Jedoch wird dadurch unabhängig von den jeweiligen Pulsbreiten eine im Wesentlichen zeitlich stärker ausgeglichene Leistung in der Lichtquelle, insbesondere einem Lasermodul, umgesetzt. Der Wärmeeintrag in der Lichtquelle wird dadurch schon einmal tendenziell von dem jeweils aktuell angeforderten Lichtbedarf abgekoppelt.The light yield (power of the useful light over the entire time frame depending on the power used in the light source) is of course reduced by this control. However, independent of the respective pulse widths, a power that is essentially more balanced over time is implemented in the light source, in particular a laser module. As a result, the heat input in the light source tends to be decoupled from the currently requested light requirement.
Das komplementäre zweite Teilintervall, kann wie das erste Teilintervall ein oder mehrere Bit-Segmente umfassen, die ebenfalls nicht notwendig zusammenhängend zu sein brauchen. Das zweite Teilintervall kann aber auch nur das dem einzelnen Puls des ersten Teilintervalls nachfolgende (oder jeweils vorhergehende) Teilintervall sein, bis ein neuer Puls eines nachfolgenden Bit-Segments einsetzt.Like the first sub-interval, the complementary second sub-interval can comprise one or more bit segments, which also do not necessarily have to be contiguous. However, the second sub-interval can also only be the sub-interval that follows (or respectively precedes) the individual pulse of the first sub-interval, until a new pulse of a subsequent bit segment begins.
Es ist anzumerken, dass „komplementär“ hier ein vom ersten Intervall verschiedenes zweites Zeitintervall bezeichnet, das den Zeitrahmen ausfüllt, aber nur soweit eine Aktivierung der Mikrospiegel überhaupt möglich ist. Bei einer Farbwiedergabe mit RGB erfolgen die Aktivierungen der Farben regelmäßig sequentiell, die Aktualisierungszeit ist dadurch z.B. verdreifacht. Trotzdem ist Ausführungsformen zufolge das komplementäre zweite Zeitintervall auf die Zeit beschränkt, in der die jeweilige Farbe aktiviert ist. Da die Steuerung über drei Lasermodule in gleicher Weise, aber mit verschiedenen Bit-Werten erfolgt, werden in diesem Fall drei erste Zeitintervalle und drei zugeordnete komplementäre zweite Zeitintervalle innerhalb der einen übergeordneten Aktualisierungszeit anfallen. Die Farben dürfen sich zeitlich nicht überlappen. Ein Ausführungsbeispiel wird unten im Detail beschrieben. Die Aktualisierungszeit, wie sie hier im engeren Sinne verwendet wird, entspricht daher der Dauer des für eine Farbe festgelegten Zeitrahmens bzw. der Summe der Zeitdauern der darin enthaltenen Bits oder Bit-Segmente.It should be noted that “complementary” here designates a second time interval that is different from the first interval and that fills the time frame, but only to the extent that activation of the micromirrors is possible at all. In the case of color rendering with RGB, the colors are activated regularly and sequentially, which means that the update time is tripled, for example. Nevertheless, according to embodiments, the complementary second time interval is limited to the time that the respective color is activated. Since three laser modules are controlled in the same way but with different bit values, in this case three first time intervals and three associated, complementary second time intervals occur within the one higher-level update time. The colors must not overlap in time. An embodiment is described in detail below. The update time, as it is used here in the narrower sense, therefore corresponds to the duration of the time frame defined for a color or the sum of the time durations of the bits or bit segments contained therein.
Ferner ist den vorliegenden Aspekten zufolge bei dieser Steuerung ein zeitlicher Durchschnittswert der Leistung im komplementären zweiten Teilintervall gegenüber einem zeitlichen Durchschnittswert der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls erhöht. Durch diese Leistungssteuerung kann im Fall einer geringen Lichtmenge, die für die Ausgabe aus der bildgebenden Einheit vorgesehen oder angefordert ist, einer Abkühlung der Lichtquelle noch wirksamer entgegengewirkt werden.Furthermore, according to the present aspects, in this control, a time-average value of the power in the complementary second sub-interval is increased compared to a time-average value of the power within the first sub-interval. This power control can be used to counteract a cooling of the light source even more effectively in the case of a small amount of light that is intended or requested for output from the imaging unit.
Diese Maßnahme kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn die Lichtmenge z.B. aufgrund geringer Anforderung von außen so weit herunter geregelt wird, dass in dem Schema von innerhalb einer Aktualisierungszeit aufeinanderfolgender Bit-Segmenten bei konstanter Amplitude der Leistungsversorgung die mittlere abgestrahlte Lichtleistung nicht mehr durch ein auf „ON“ geschaltetes niedrigstwertiges Bit (LSB) darstellbar ist. Vielmehr kann Ausgestaltungen zufolge durch zusätzliche Maßnahmen die Amplitude innerhalb der Bit-Segmente weiter gesenkt werden, um somit einen hohen dynamischen Bereich der Lichtleistung zu erzielen. d.h. ein großes Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Lichtleistung. Solche Maßnahmen sind unter anderem in „Enabling the Next Generation of Automotive Head-Up Display Systems“, Application Report DLPA043A (Okt. 2013, revidierte Fassung Nov. 2017) von Texas Instruments beschrieben.This measure is particularly effective when the amount of light is regulated so far, e.g. due to low external requirements, that in the scheme of consecutive bit segments within an update time with a constant amplitude of the power supply, the average radiated light power is no longer limited by a " ON" switched least significant bit (LSB) can be represented. Rather, according to configurations, the amplitude within the bit segments can be further reduced by additional measures in order to thus achieve a high dynamic range of the light output. i.e. a large ratio between maximum and minimum light output. Such measures are described, among other things, in "Enabling the Next Generation of Automotive Head-Up Display Systems", Application Report DLPA043A (Oct. 2013, revised version Nov. 2017) from Texas Instruments.
Indem die in diesem Fall sehr niedrige Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls durch eine höhere Leistung bzw. eine erhöhte Leistung im zweiten Teilintervall kompensiert wird, bleibt die gesamte Leistungsaufnahme unabhängig von der Lichtanforderung bzw. der Lichtausbeute konstant und der Wärmeintrag dadurch ebenfalls konstant. Dadurch wird einer nachteilhaften Änderung der Lasereigenschaften während des Betriebs, insbesondere einer Wellenlängendrift etc. wirksam vorgebeugt.By compensating for the very low power in this case within the first sub-interval with a higher power or increased power in the second sub-interval, the total power consumption remains constant regardless of the light requirement or the light yield and the heat input also remains constant as a result. This effectively prevents a disadvantageous change in the laser properties during operation, in particular a wavelength drift, etc.
Ein solcher Betriebsmodus kann besonders in denjenigen Situationen sinnvoll sein, wo eine hohe Dynamik in kurzer Anpassungszeit erforderlich ist, beispielsweise bei einem im Fahrzeug verbauten Head-Up-Display in einer Situation, in welcher das Fahrzeug tagsüber in Tunnels, Unterführungen, Parkhäuser oder Tiefgaragen ein- bzw. ausfährt, oder bei einem Flugzeug, dass in dichte, voneinander durch freie sonnenbeschienene Bereiche abgegrenzte Wolken eintaucht. Diese Übergänge geschehen plötzlich. Eine geringere Helligkeitsanforderung nach Tunneleinfahrt würde beispielsweise zu einem Leistungsabfall führen, der wiederum eine Temperaturänderung im Lasermodul hätte. Dies könnte herkömmlich wie beschrieben die Qualität der vom Lasermodul abgegeben Strahlung beeinträchtigen, beispielsweise ein Wellenlängendrift, die sich nachteilig auf die holografische Darstellung auswirkt. Der Leistungs- und Amplitudenabfall wird nun durch eine Erhöhung der Amplitude im zweiten Teilintervall ausgeglichen, in welchem kein Licht abgegeben wird. Die Temperatur des Lasermoduls und insbesondere der für die Strahlungserzeugung relevanten Sperrschicht sowie eines etwaigen Bragg-Gratings bleibt dadurch konstant, ebenso wie die Wellenlänge der Strahlung. Gleichzeitig kann aber in diesem Betriebsmodus eine schnelle Helligkeitsanpassung erfolgen, indem jeweils die mittlere Leistung im zweiten Teilintervall sofort an die Leistungsanpassung im ersten Teilintervall adaptiert wird.Such an operating mode can be particularly useful in those situations where high dynamics are required in a short adaptation time, for example with a head-up display installed in the vehicle in a situation in which the vehicle enters tunnels, underpasses, multi-storey car parks or underground car parks during the day - or departing, or in the case of an aircraft that enters dense clouds separated from each other by free sunlit areas. These transitions happen suddenly. For example, a lower brightness requirement after entering the tunnel would lead to a drop in performance, which in turn would result in a temperature change in the laser module. This could come from conventionally, as described, affect the quality of the radiation emitted by the laser module, for example a wavelength drift, which has an adverse effect on the holographic representation. The drop in power and amplitude is now compensated for by an increase in the amplitude in the second sub-interval, in which no light is emitted. The temperature of the laser module and in particular of the barrier layer relevant for the generation of radiation and any Bragg grating remains constant as a result, as does the wavelength of the radiation. At the same time, however, a rapid brightness adjustment can take place in this operating mode in that the average power in the second sub-interval is immediately adapted to the power adjustment in the first sub-interval.
Verallgemeinernd lässt sich ausdrücken, dass das vorgeschlagene Steuerungsverfahren für eine oder mehrere Lichtquellen sowie einer eine DMD aufweisenden bildgebenden Einheit ein Laserdimmen über einen hohen dynamischen Bereich von Leistungen ermöglicht, bei dem Beeinträchtigungen durch einen geringeren Wärmeeintrag in der Lichtquelle aufgrund eines Abfalls der Stromversorgung insbesondere im Bereich sehr niedriger Leistungen vermieden werden kann. Das Verfahren ist daher überall dort mit Vorteil einsetzbar, wo ein DMD mit Laserstrahlung über einen hohen dynamischen Bereich betrieben wird.In general, it can be said that the proposed control method for one or more light sources and an imaging unit having a DMD enables laser dimming over a high dynamic range of powers, in which impairments are caused by a lower heat input in the light source due to a drop in the power supply, in particular in the area very low power can be avoided. The method can therefore be used to advantage wherever a DMD is operated with laser radiation over a high dynamic range.
Dieser Aspekt lässt sich vorteilhaft verbinden mit einer Weiterbildung des Verfahrens, der zufolge ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen ist, in welchen von dem ersten Betriebsmodus wahlweise umgeschaltet wird. Hierbei wird die Lichtquelle innerhalb des zum ersten Teilintervall komplementären zweiten Teilintervalls der Aktualisierungszeit (Zeitrahmen mit Anzahl der Bits, total refresh period, „Byte“) mit Leistung versorgt, wobei ein zeitlicher Durchschnittswert der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls im Wesentlichen gleich einem zeitlichen Durchschnittswert der Leistung innerhalb des zweiten Teilintervalls ist. Dieser Betriebsmodus entspricht z.B. einer herkömmlichen Tagfahrt, bei welcher - wie beschrieben - vergleichsweise hohe Leistungen im Lasermodul abgerufen werden.This aspect can advantageously be combined with a further development of the method, according to which a second operating mode is provided, into which there is an optional switchover from the first operating mode. In this case, the light source is supplied with power within the second sub-interval of the update time (time frame with the number of bits, total refresh period, "bytes"), which is complementary to the first sub-interval, with a time-average value of the power within the first sub-interval being essentially the same as a time-average value of the power within the second sub-interval. This operating mode corresponds e.g.
Mit anderen Worten, die mittlere Leistung im ersten Teilintervall ist im zweiten Betriebsmodus noch vergleichsweise hoch, weil die Amplitude des Stroms mit dem das Lasermodul versorgt wird, durchgehend hoch gesetzt ist. Zwar wird hier, um insgesamt bei geänderten Lichtverhältnissen keine Leistungsänderung zu verursachen, das zweite Teilintervall auch mit Leistung, jedoch lediglich mit derselben mittleren Leistung versorgt, es erfolgt aber keine Kompensation einer etwaig verringerten Stromamplitude im ersten Teilintervall. In einem einfach gelagerten Fall fließt ein Strom mit insgesamt konstantem Strompegel durch das Lasermodul.In other words, the mean power in the first partial interval is still comparatively high in the second operating mode, because the amplitude of the current with which the laser module is supplied is consistently high. Although the second sub-interval is also supplied with power, but only with the same mean power, so as not to cause any change in power overall when the lighting conditions change, there is no compensation for any reduced current amplitude in the first sub-interval. In a simple case, a current with an overall constant current level flows through the laser module.
Der zweite Betriebsmodus kann als konventionell bezeichnet werden, aber die Kombination mit dem ersten Betriebsmodus ist besonders vorteilhaft, weil fließend von dem einen Betriebsmodus in den anderen umgeschaltet werden kann. Beispielsweise kann aus der normalen Tagfahrt heraus bei Einfahrt in einen Tunnel die Helligkeitsanforderung stark absinken, und zwar stärker als durch die Bitdarstellung noch möglich ist (hohe Dynamik). Hier kann wie beschrieben die Amplitude innerhalb des Pulses abgesenkt werden. Umgeschaltet in den ersten Betriebsmodus („Tunnelmodus“) von dem zweiten Betriebsmodus („Tagfahrmodus“) kann dies durch eine erhöhte mittlere Leistung im zweiten Teilintervall ausgeglichen werden.The second operating mode can be described as conventional, but the combination with the first operating mode is particularly advantageous because it is possible to switch smoothly from one operating mode to the other. For example, during normal daytime driving when entering a tunnel, the brightness requirement can drop sharply, more than is still possible with the bit representation (high dynamics). Here, as described, the amplitude within the pulse can be reduced. Switched to the first operating mode (“tunnel mode”) from the second operating mode (“daytime driving mode”), this can be compensated for by an increased average power in the second sub-interval.
Einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zufolge ist in dem ersten Betriebsmodus der erhöhte zeitliche Durchschnittswert der Leistung im zweiten Teilintervall so bemessen, dass er den niedrigen zeitlichen Durchschnittswert der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls kompensiert, so dass ein resultierender zeitlicher Durchschnittswert der Leistung bezogen auf das gesamte Bit-Segment in dem ersten Betriebsmodus im Wesentlichen gleich dem entsprechenden zeitlichen Durchschnittswert der Leistung im zweiten Betriebsmodus ist. Mit anderen Worten, die im Laufe einer Aktualisierungszeit umgesetzte mittlere Leistung ist zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus gleich. Der Vorteil liegt darin, dass zwischen beiden Modi umgeschaltet werden kann, ohne dass ein Einfluss auf die Wärmeerzeugung in der Lichtquelle entsteht. Der Anteil des Nutzlichts im ersten Betriebsmodus wird in der Praxis deutlich niedriger liegen als im zweiten Betriebsmodus.According to a further development of the method, the increased time average value of the power in the second sub-interval is dimensioned in the first operating mode in such a way that it compensates for the low time average value of the power within the first sub-interval, so that a resulting time average value of the power is based on the entire bit -Segment in the first mode of operation is substantially equal to the corresponding time average value of the power in the second mode of operation. In other words, the average power converted over an update time is the same between the first operating mode and the second operating mode. The advantage is that you can switch between the two modes without affecting the heat generation in the light source. In practice, the proportion of useful light in the first operating mode will be significantly lower than in the second operating mode.
Einer Weiterbildung des Verfahrens zufolge ist ein dritter Betriebsmodus vorgesehen, in welchen von dem ersten (und insbesondere aber auch von dem zweiten) Betriebsmodus wahlweise umgeschaltet werden kann. Hierbei wird die Lichtquelle innerhalb des zum ersten Teilintervall komplementären zweiten Teilintervalls der Aktualisierungszeit nicht mit Leistung versorgt. Dieser Betriebsmodus kann im Fall von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, besonders für Nachtfahrten geeignet sein, jedenfalls in einem Betrieb, der länger andauert als beispielsweise nur eine kurze Tunneldurchfahrt o.ä. Weil nur noch Licht innerhalb der Zeitdauer der „ON“-Stellung der betreffenden Mikrospiegel abgestrahlt wird, und nicht mehr im zweiten Teilintervall, entsteht hier natürlich ein Vorteil eines hohen Nutzlichtanteils bei gleichzeitiger Leistungsersparnis. Da hier je nach angeforderter Helligkeit unterschiedliche Lichtmengen je Zeitrahmen (time frame) bzw. Aktualisierungszeit abgestrahlt werden, und da insbesondere beim Umschalten von einem der beiden anderen Betriebsmodi in den dritten Betriebsmodus ein möglicherweise erheblicher Leistungsabfall zu erwarten ist, könne hier weitere Maßnahmen vorgesehen sein, um den variierenden Wärmeeintrag auszugeichen bzw. zu verhindern. Z.B. kann die temperaturabhängige Kühlung mit Hilfe eines Peltier-Elements vorgesehen sein. Dieser optionale Aspekt wird weiter unten beschrieben. Weil solche Maßnahmen aber eine Reaktionszeit erfordern (z.B. von der Messung einer Temperaturänderung mit Hilfe eines Sensors, über die Steuerung bis hin zum Einsetzen der Wärmleitung in die Sperrschicht hinein), also eine gewisse Trägheit vorliegt, ist dieser Betriebsmodus weniger für schnelle (Laser-)Dimmanwendungen geeignet wie sie oben mit Bezug auf den ersten Betriebsmodus beschrieben sind.According to a development of the method, a third operating mode is provided, into which it is possible to switch from the first (and in particular also from the second) operating mode. In this case, the light source is not supplied with power within the second sub-interval of the update time, which is complementary to the first sub-interval. In the case of vehicles, in particular motor vehicles, this operating mode can be particularly suitable for driving at night, at least in an operation that lasts longer than, for example, only a short passage through a tunnel or the like. Because only light remains within the period of the "ON" position of the relevant Micromirror is emitted, and no longer in the second sub-interval, here of course there is an advantage of a high proportion of useful light with simultaneous power savings. Since here, depending on the required brightness, different amounts of light are emitted per time frame or update time, and since, in particular, If a potentially significant drop in performance is to be expected when switching from one of the other two operating modes to the third operating mode, further measures can be provided here in order to compensate for or prevent the varying heat input. For example, the temperature-dependent cooling can be provided with the aid of a Peltier element. This optional aspect is described further below. However, because such measures require a reaction time (e.g. from the measurement of a temperature change with the help of a sensor, via the controller to the insertion of the heat conduction into the barrier layer), i.e. there is a certain inertia, this operating mode is less suitable for fast (laser) Suitable dimming applications as described above with reference to the first mode of operation.
Weiteren Weiterbildungen des Verfahrens zufolge sind Kriterien für das Umschalten zwischen den Betriebsmodi vorgesehen. Beispielsweise kann der dritte Betriebsmodus zum Umschalten ausgewählt werden, wenn
- (a) eine für das Bit-Segment bzw. die Bit-Segmente (die ja ggf. das erste Teilintervall ausmachen) bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls emittiert wird, einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet; und
- (b) bestimmt wird, dass eine voraussichtliche Dauer, in welcher die für das jeweilige Bit-Segment bestimmte Lichtmenge in dem genannten Bereich liegt, mehr als ein zweiter Schwellwert beträgt.
- (a) a quantity of light, determined for the bit segment or bit segments (which may make up the first sub-interval), which is emitted by the light source depending on the power and the duration of the first sub-interval, falls below a predetermined first threshold value ; and
- (b) it is determined that an expected duration in which the quantity of light determined for the respective bit segment is in the said range is more than a second threshold value.
Die genannte voraussichtliche Zeitdauer ist die geplante Dauer der Aktivierung des dritten Betriebsmodus.The expected period of time mentioned is the planned duration of the activation of the third operating mode.
Einem weiteren Ausführungsbeispiel zufolge wird der erste Betriebsmodus ausgewählt, wenn
- (a) eine für das Bit-Segment bzw. die Bit-Segmente bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls emittiert wird, einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet; und
- (b) bestimmt wird, dass eine voraussichtliche Dauer, in welcher die für das jeweilige Bit-Segment bestimmte Lichtmenge in dem genannten Bereich liegt, weniger als ein zweiter Schwellwert beträgt.
- (a) a quantity of light which is determined for the bit segment or the bit segments and which is emitted by the light source as a function of the power and the duration of the first sub-interval falls below a predetermined first threshold value; and
- (b) it is determined that an expected duration, in which the amount of light determined for the respective bit segment is in the said range, is less than a second threshold value.
Auch hier ist die genannte voraussichtliche Zeitdauer die geplante Dauer der Aktivierung des hier nun ersten Betriebsmodus.Here, too, the anticipated period of time mentioned is the planned duration of the activation of the first operating mode here.
Einem weiteren Ausführungsbeispiel zufolge wird der zweite Betriebsmodus ausgewählt und in diesen umgeschaltet, wenn eine für das Bit-Segment bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls emittiert wird, einen bzw. den vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet. Im Beispiel des Tagfahrmodus ist dies einfach nachvollziehbar, da im Display eine an das Umgebungslicht angepasste Mindesthelligkeit erforderlich ist.According to a further exemplary embodiment, the second operating mode is selected and switched to when a certain amount of light for the bit segment, which is emitted by the light source depending on the power and the duration of the first sub-interval, exceeds a predetermined first threshold value. In the example of the daytime driving mode, this is easy to understand, since the display requires a minimum brightness that is adapted to the ambient light.
Ausführungsbeispielen zufolge kann der erste Schwellwert 20 % oder weniger eines von einer Nennleistung der Lichtquelle abhängigen Maximalwerts einer innerhalb des Bit-Segments abgebbaren Lichtmenge betragen, vorzugsweise 15 % oder weniger, weiter vorzugsweise 10 % oder weniger, weiter vorzugsweise 5 % oder weniger, am meisten bevorzugt 1 % oder weniger.According to exemplary embodiments, the first threshold value can be 20% or less of a maximum value of an amount of light that can be emitted within the bit segment, which is dependent on a nominal power of the light source, preferably 15% or less, more preferably 10% or less, more preferably 5% or less, most preferably 1% or less.
Weiteren Ausführungsbeispielen des Verfahrens zufolge kann der zweite Schwellwert optional zwischen 10 Minuten und 60 Minuten betragen, beispielsweise 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 Minuten, oder Zwischenwerte. Diese beispielhaften Angaben können sich auf den Betrieb von Head-Up-Displays in Kraftfahrzeugen beziehen. In anderen Fahrzeugen oder Anwendungen können andere Schwellwertzeiten sinnvoll sein und die hier beschriebenen Aspekte sind nicht darauf beschränkt.According to further exemplary embodiments of the method, the second threshold value can optionally be between 10 minutes and 60 minutes, for example 10, 20, 30, 40, 50 or 60 minutes, or intermediate values. This exemplary information can relate to the operation of head-up displays in motor vehicles. Other threshold times may be useful in other vehicles or applications and the aspects described herein are not limited thereto.
Einer Weiterbildung des Verfahrens zufolge ist die Lichtquelle eine Halbleiterlichtquelle, vorzugsweise eine Laserdiode oder ein Laserdiodenarray. Wie beschrieben ist in diesem Fall die Steuerung der Leistung im Hinblick auf die Wärmerzeugung und -entwicklung in der Halbleitersperrschicht besonders kritisch, so dass die vorgeschlagenen Aspekte hier besondere Vorteile entfalten.According to a development of the method, the light source is a semiconductor light source, preferably a laser diode or a laser diode array. As described, in this case the control of the power with regard to the generation and development of heat in the semiconductor barrier layer is particularly critical, so that the proposed aspects unfold particular advantages here.
Einer weiteren, oben bereits angedeuteten Weiterbildung des Verfahrens zufolge kann in dem ersten, zweiten und/oder dritten Betriebsmodus mit Hilfe eines der Halbleiterlichtquelle zugeordneten Peltierelements eine Sperrschichttemperatur in der Halbleiterlichtquelle nachgeregelt werden. Die Peltierregelung kann speziellen Ausführungsformen zufolge auch dauerhaft aktiviert bzw. betrieben werden, d.h. in allen 3 Betriebsmodi. Ein Temperaturmessfühler kann z.B. die Temperatur des betreffenden Laserdiodengehäuses messen und die Peltierregelung hält diese dann vergleichsweise konstant, auch wenn sich die Umgebungstemperatur des gesamten Moduls ändert. Diese Regelung kann aufgrund der Wärmeleitung zeitlich träge sein. Auch beim Schalten in den dritten Betriebsmodus kann sich die Temperatur des Laserdiodengehäuses durch die veränderte Verlustleistung der Diode ändern, wobei das Peltierelement langsam nachregeln kann.According to a further development of the method already indicated above, a junction temperature in the semiconductor light source can be readjusted in the first, second and/or third operating mode with the aid of a Peltier element assigned to the semiconductor light source. According to special embodiments, the Peltier control can also be permanently activated or operated, i.e. in all 3 operating modes. A temperature sensor can, for example, measure the temperature of the relevant laser diode housing and the Peltier control then keeps this comparatively constant, even if the ambient temperature of the entire module changes. This control can be sluggish due to the heat conduction. The temperature of the laser diode housing can also change when switching to the third operating mode due to the changed power loss of the diode, with the Peltier element being able to slowly readjust.
Einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zufolge wird zumindest in dem ersten, ggf. auch in dem zweiten und/oder dritten Betriebsmodus die Leistung, mit welcher die Lichtquelle versorgt wird, über das erste und zweite Teilintervall hinweg bzw. über das jeweilige komplette Bit-Segment oder in einem Teilabschnitt desselben hinweg wahlweise in einem kontinuierlichen Modus im Wesentlichen konstant gehalten, oder in einem diskontinuierlichen Modus geregelt. Der kontinuierliche Modus (continuous mode) und der diskontinuierliche Modus (discontinuous mode) sind z.B. in
Einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zufolge sind die Lichtquelle und die bildgebende Einheit Teil eines AR-Head-Up-Displays, wobei der von der bildgebenden Einheit ausgegebene Lichtstrahl über eine Optik auf einen Combiner gelenkt wird, der durch ein holographisches optisches Element ausgebildet wird. Die Anwendung in einem AR-Head-Up-Display bietet wie beschrieben besondere Vorteile und wird den dort bestehenden besonderen Anforderungen einer dauerhaften und beständigen holografischen Darstellung gerecht.According to a further development of the method, the light source and the imaging unit are part of an AR head-up display, with the light beam emitted by the imaging unit being directed via optics onto a combiner, which is formed by a holographic optical element. As described, the application in an AR head-up display offers special advantages and meets the special requirements there for a permanent and permanent holographic display.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere ein AR-Head-UP-Display, umfassend eine bildgebende Einheit sowie wenigstens eine Lichtquelle, umfassend eine Steuervorrichtung, die zur Ausführung der Verfahrensschritte gemäß einem oder mehreren der oben genannten Aspekte, Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele eingerichtet ist. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie oben beschrieben.Another aspect of the present invention relates to a device, in particular an AR head-up display, comprising an imaging unit and at least one light source, comprising a control device for carrying out the method steps according to one or more of the aspects, developments and exemplary embodiments mentioned above is set up. The same advantages result as described above.
Bei den oben beschriebenen Einsatzmöglichkeiten von Lasermodulen in Fahrzeugen wird oftmals eine Laserdiode als Standardbaustein verwendet, der aus der eigentlichen Laserdiode, nämlich einem Laserchip, weiter aus einem den Laserchip tragenden Substrat, elektrischen Leitungen mit optionalen elektronischen Bauteilen wie etwa einer Fotodiode, zwei oder drei Kontaktfahnen bzw. -pins, und aus einem diese Komponenten schützenden Gehäuse mit Auskoppelfenster gebildet ist. Der Laserchip kann ein Kantenemitter sein. Die Gehäuse mit dem aus Substrat und Kontaktpins gebildeten Sockel sind nach Größe genormt, z.B. kann es sich um TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse, etc. handeln. In der vorliegenden Anmeldung kann mit „Laserdiode“ auch der gesamte Baustein mit Gehäuse und Sockel bezeichnet werden und nicht nur der eigentliche Laserchip.In the possible uses of laser modules in vehicles described above, a laser diode is often used as a standard component, which consists of the actual laser diode, namely a laser chip, a substrate carrying the laser chip, electrical lines with optional electronic components such as a photodiode, two or three contact lugs or pins, and is formed from a protective housing with a decoupling window for these components. The laser chip can be an edge emitter. The housings with the base made of substrate and contact pins are standardized in terms of size, e.g. they can be TO 38, TO 56 or TO 90 housings, etc. In the present application, “laser diode” can also refer to the entire module with housing and base and not just the actual laser chip.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. In the figures, the same reference symbols designate the same features and functions.
Figurenlistecharacter list
Es zeigen:
-
1 in schematischer Darstellung einen Überblick über den Aufbau eines AR-HUD-Systems, in welchem Ausführungsbeispiele der Erfindung implementiert sein können; -
2 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Lichtquelle für das AR-HUD-System aus 1 mit jeweils einem Lasermodul für die RGB-Farben; -
3 in etwas größerem Detail, aber auch schematisch dargestellt,ein Lasermodul aus 2 mit Peltierelement; -
4 den Aufbau bzw. die Aufteilung eines Zeitrahmens oder der Aktualisierungszeit für die aufeinander abgestimmte Steuerung eines DMD und der Lichtquelle durch Bits, sowie darunter zwei Beispiele für das Setzen von Bits zum Erzielen von Helligkeitswerten; -
5 den Aufbau bzw. die Aufteilung eines Zeitrahmens oder der Aktualisierungszeit wie in4 , wobei aber einzelne Bits durch Bit-Splitting in voneinander zeitlich getrennte Bit-Segmente aufgeteilt werden; -
6 in diagrammartiger Darstellung die Steuerung der Helligkeit innerhalb eines Bit-Segments (aufgetragen gegen die Zeit) in dem kontinuierlichen Modus, um den dynamischen Bereich zu vergrößern; -
7 in diagrammartiger Darstellung die Steuerung der Helligkeit innerhalb eines Bit-Segments (aufgetragen gegen die Zeit) ähnlich wie in6 , aber in dem diskontinuierlichen Modus, um den dynamischen Bereich noch weiter zu vergrößern; -
8 in einem Diagramm in schematischer Weise die Steuerung einer optischen Bilderzeugungsvorrichtung in dem dritten Betriebsmodus (Nachtfahrmodus); -
9 in einem Diagramm wie in8 in schematischer Weise die Steuerung einer optischen Bilderzeugungsvorrichtung, aber in dem zweiten Betriebsmodus (Tag- oder Normalfahrtmodus); -
10 in einem Diagramm wie in8 oder9 in schematischer Weise die Steuerung einer optischen Bilderzeugungsvorrichtung, aber in dem ersten Betriebsmodus (Tunnelfahrtmodus).
-
1 a schematic representation of an overview of the structure of an AR-HUD system in which exemplary embodiments of the invention can be implemented; -
2 in a schematic representation of the structure of a light source for the AR-HUD system 1 each with a laser module for the RGB colors; -
3 a laser module in somewhat greater detail, but also shown schematically2 with Peltier element; -
4 the construction or the division of a time frame or the update time for the coordinated control of a DMD and the light source by bits, as well as below two examples for the setting of bits to achieve brightness values; -
5 the structure or division of a time frame or the update time as in4 , but individual bits are divided into time-separated bit segments by bit-splitting; -
6 diagrammatically controlling brightness within a bit segment (plotted versus time) in continuous mode to increase dynamic range; -
7 in a diagrammatic representation the control of the brightness within a bit segment (plotted against time) similar to in6 , but in the discontinuous mode to increase the dynamic range even further; -
8th in a diagram in a schematic way the control of an optical imaging device in the third operating mode (night driving mode); -
9 in a diagram like in8th in a schematic way the control of an optical imaging device, but in the second operating mode (day or normal driving mode); -
10 in a diagram like in8th or9 schematically shows the control of an optical imaging device, but in the first mode of operation (tunneling mode).
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Die Ausführungsbeispiele können auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden.In the following description of preferred exemplary embodiments, it must be taken into account that the present disclosure of the various aspects is not limited to the details of the construction and the arrangement of the components, as they are illustrated in the following description and in the figures. The example embodiments may be practiced or carried out in various ways. It is further to be understood that the phraseology and terminology used herein are used for the purpose of specific description only and should not be construed as such in a limiting manner by those skilled in the art.
Einige der Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind kompatibel mit einer Anwendung z.B. hinsichtlich einigen der von Texas Instruments Inc. Dallas, Texas, vorgestellten DLP-Chipsätze für AR-HUD-Technologien sowie dem damit verbundenen High-Dynamic-Range-Konzept, bzw. können darauf aufbauen. Insbesondere können Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens programmiertechnisch und/oder durch Anpassung/Ergänzung der Hardware in einer Steuervorrichtung 10 eines AR-HUD-Systems 1 implementiert sein, wie es in
Wie in
Die Steuervorrichtung 10 kann den eigentlichen DMD-Controller 12, eine Lasermodulsteuerung 14 und eine Leistungsversorgungseinheit 16 umfassen. Die optische Bilderzeugungsvorrichtung 20 weist die Mikrospiegelvorrichtung 22 sowie Lichtquellen 24 auf, die eingerichtet sind, die von Ihnen abgegebene Strahlung selektiv auf die einzelnen Spiegel der Mikrospiegelvorrichtung 22 zu richten. Der DMD-Controller 12 steuert die Mikrospiegelvorrichtung 22 bzw. stellt die einzelnen Mikrospiegel selektiv in eine „ON“- oder „OFF“-Position. In der „ON“-Position wird die auf den jeweiligen Mikrospiegel treffende Strahlung in die Projektionsoptik 30 gerichtet, während sie in der „OFF“-Position beispielsweise in eine Lichtsenke wie etwa einem Absorptionsschirm gelenkt wird.The
Die Steuerung der Mikrospiegel durch den DMD-Controller 12 erfolgt in zeitlich koordinierter Weise in einem Schema von Bit-Sequenzen, die zusammengesetzt einzelne Bits eines Zeitrahmens vorgegebener Zeitdauer ergeben, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird. Der Zeitrahmen entspricht der Aktualisierungszeit (frame refresh priod) der Mikrospiegel. Durch die bitweise Darstellung innerhalb der Zeitrahmen fester Dauer werden die jeweils abzubildenden Helligkeiten digital repräsentiert.The micromirrors are controlled by the
Die Steuerung der Lichtquellen 24, bei denen es sich beispielsweise um drei die Farben RGB repräsentierende Lasermodule handeln kann, erfolgt durch die Lasermodulsteuerung 14 in koordinierter Weise mit der Steuerung der Mikrospiegel durch den DMD-Controller 12. Mit anderen Worten, die Lichtquellen 24 werden ebenfalls bitweise bzw. Bit-segmentweise gesteuert, wobei die einzelnen Bits zwischen der Steuerung der Mikrospiegel und der Steuerung der Lasermodule im Wesentlichen zeitlich übereinstimmen.The control of the
Die Projektionsoptik 30 kann, wie in
Mit Bezug auf
Mit Bezug auf
Wie der
Die Figuren vier und fünf zeigen den Aufbau oder die Struktur eines Zeitrahmens, mit dem die digitalen Mikrospiegel sowie auch die Lichtquellen gesteuert werden können. Die gezeigten Darstellungen entsprechen grob dem in Doherty et al. (1998) vorgeschlagenen Aufbau für den Betrieb von DMDs.Figures four and five show the setup or structure of a time frame that can be used to control the digital micromirrors as well as the light sources. The representations shown correspond roughly to those in Doherty et al. (1998) proposed setup for operating DMDs.
In
In der zweiten und dritten Zeile in
Gesetzte Bits bzw. die Zeitdauern zusammenhängend gesetzter Bits werden nachfolgend als erstes Teilintervall T1 des Zeitrahmens und nicht gesetzte Bits bzw. die Zeitdauern zusammenhängend nicht gesetzter Bits werden nachfolgend als zweites Teilintervall T2 des Zeitrahmens bezeichnet.Set bits or the durations of contiguously set bits are referred to below as the first sub-interval T1 of the time frame and unset bits or the durations of contiguously not set bits are referred to below as the second sub-interval T2 of the time frame.
Das in
Die in
Die
Noch weiter geht die in
Ausführungsbeispiele und Aspekte sehen beispielhaft auf dem vorherigen Steuerungsprinzipien aufbauend für das in
Wenn z.B. voraussehbar ist, dass für längere Zeit - z.B. eine Zeitdauer, die einen Schwellwert von 30 min. übersteigt, wie es bei einer Nachtfahrt üblich sein kann, nur eine geringe Helligkeit für den Fahrer benötigt wird, so kann z.B. von dem Host-Prozessor der in
In den
An vierter und fünfter Stelle in
Die Spiegelposition „ON“ entspricht der Aktivierung eines betreffenden Mikrospiegels der digitalen Mikrospiegelvorrichtung. Der gezeigte eine Puls repräsentiert ein erstes Teilintervall der Aktualisierungszeit P (bzw. der Aktivierungszeit). Über die gezeigte Pulsbreite bzw. das gezeigte Bit-Segment (hoher Pegel) hinweg wird eine erste Spiegelposition „ON“ derart eingestellt, dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil aus der bildgebenden Einheit 8 ausgegeben wird. Im Nachtfahrmodus erfolgt die Leistungsversorgung wie in
Wesentlich ist hier mit Bezug auf
Die Betriebsweise für hohe Helligkeiten (Normal- oder Tagfahrt) ist in
In
Während der „ON“ Zeit der DMD Mikrospiegel (erstes Zeitintervall) ist die Laserleistung Pr reduziert wie auch in
Für die Entscheidung, ob zwischen dem zweiten und dritten Betriebsmodus umgeschaltet wird, sind weitere Informationen von außen nötig, beispielsweise vom Bordcomputersystem 2 des Kraftfahrzeugs. Je nach Uhrzeit, Position und Jahreszeit kann bestimmt werden, ob es sich um eine Nachtfahrt handelt. Dies gilt auch für die Entscheidung, ob zwischen dem zweiten und dem ersten Betriebsmodus umgeschaltet wird. Falls diese Informationen nicht vorliegen, kann auch ein Betrieb nur mit dem ersten und zweiten Betriebsmodus durchgeführt werden. Hierbei fällt dann allerdings ein erhöhter Energieaufwand an, weil die Laserdioden unnötig geheizt werden. Die Regelung des Peltierelements 26 erfolgt dabei mit Vorteil im Ausführungsbeispiel über alle Betriebsmodi hinweg.For the decision as to whether to switch between the second and third operating modes, further information from the outside is required, for example from the on-
Ein Vorteil dafür, nachts im Nachtfahrmodus bzw. im dritten Betriebsmodus zu operieren, besteht darin, dass das eingeschaltete Lasermodul 24 bei den Spiegeln in „OFF“-Position zu etwas Hintergrundlicht führen kann.One benefit of operating in the night drive mode, or third mode of operation, at night is that the
Für ein holografisches AR HUD mit schneller Helligkeitsregelung und hoher Dynamik ist es insgesamt erforderlich, dass sich die Sperrschichttemperatur der Laserdiode wenig ändert. Dieses Problem wird durch die vorliegenden Ausführungsbeispiele Standard-Laserdioden in TO56 oder TO90-Gehäusen etc. gelöst. Dies hat eine wesentlich kostengünstigere Lösung zur Folge, als wenn beispielsweise Dioden in neuen Packages mit integriertem Peltierelement entwickelt würden, und diese dann auch zeitaufwändig für Automotive-Anwendungen qualifizieren zu müssen.For a holographic AR HUD with fast brightness control and high dynamics, it is necessary that the junction temperature of the laser diode changes little. This problem is solved by the present exemplary embodiments of standard laser diodes in TO56 or TO90 packages, etc. This results in a much more cost-effective solution than if, for example, diodes were developed in new packages with an integrated Peltier element and then had to be time-consuming to qualify them for automotive applications.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- AR-HUD-SystemAR HUD system
- 22
- Bordkommunikationsystemonboard communication system
- 44
- Host-Prozessorhost processor
- 88th
- Bildgebende / Bilderzeugende Einheit (PGU)Imaging / Image Generating Unit (PGU)
- 1010
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1212
- DMD-ControllerDMD controller
- 1414
- Lasermodulsteuerunglaser module control
- 1616
- Power Management Systempower management system
- 2020
- optische Bilderzeugungsvorrichtungoptical imaging device
- 2222
- DMD, MikrospiegelvorrichtungDMD, Micromirror Device
- 2424
- Lichtquelle(n)light source(s)
- 24a - c24a - c
- Lasermodule, LaserdiodenLaser modules, laser diodes
- 2525
- Kühlkörperheatsink
- 2626
- PeltierelementPeltier element
- 2727
- Grundplatte (des Gehäuses) base plate (of the housing)
- 201201
- Kontaktstiftecontact pins
- 202202
- Halterungbracket
- 203203
- Submountsubmount
- 204204
- Laserchiplaser chip
- 205205
- Kappe (des Gehäuses)cap
- 3030
- Projektionsoptikprojection optics
- 31, 3331, 33
- Kollimationslinsencollimating lenses
- 3232
- Umlenkspiegeldeflection mirror
- 4040
- holografisches optisches Element (HOE, Combiner)holographic optical element (HOE, combiner)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R163 | Identified publications notified | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: SCHEELE JAEGER WETZEL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: SCHEELE JAEGER PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |