DE202013012622U1

DE202013012622U1 - Beleuchtungsvorrichtung

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Publication number: DE202013012622U1
Application number: DE202013012622.1U
Authority: DE
Original assignee: Daqri Holographics Ltd
Current assignee: Envisics Ltd
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2017-12-19
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: US10061266B2; EP3168529B1; GB201202123D0; CN106500036A; GB2499579A; US20170082974A1; US20180046138A1; US20150009695A1; US9829858B2; US10061267B2; WO2013117923A1; US10228654B2; DE202013012664U1; GB2499579B; PL2812628T3; CN104204658A; CN106500036B; CN107906466A; US20190163125A1; EP3165815A1

Abstract

Ein LIDAR-Kollisionsvermeidungssystem (Light Detection and Ranging), das eine Beleuchtungsvorrichtung umfasst, die zum Erzeugen eines kontrollierbaren Lichtstrahls zum Beleuchten einer Szene angeordnet ist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen adressierbaren räumlich auflösenden Lichtmodulator, der zum Bereitstellen einer auswählbaren Phasenverschiebungsverteilung für einen Strahl aus einfallendem Licht angeordnet ist; Fourier-Optiken, die zum Empfangen von phasenmoduliertem Licht aus dem räumlich auflösenden Lichtmodulator und dem Erzeugen einer Lichtverteilung angeordnet sind; und Projektionsoptiken, die zum Projizieren der Lichtverteilung zum Bilden eines Beleuchtungsmusters als besagtes kontrollierbares Licht angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf den Bereich der Beleuchtung. Die hierin offengelegten Beispiele beziehen sich im Allgemeinen auf einen Fahrzeugscheinwerfer unter Verwendung eines räumlichen Lichtmodulators.
Hintergrund
Von einem Objekt gestreutes Licht enthält sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen. Diese Amplituden- und Phaseninformationen können beispielsweise anhand von bekannten Interferenzmethoden auf einer lichtempfindlichen Platte erfasst werden, um eine holografische Aufzeichnung, oder ein „Hologramm”, zu schaffen, das Interferenzstreifen umfasst. Das „Hologramm” könnte durch dessen Beleuchtung mit geeignetem Licht rekonstruiert werden, um eine holografische Rekonstruktion, oder ein Bild, zu erzeugen, das beispielsweise repräsentativ für ein originales Objekt ist.
Es wurde festgestellt, dass eine holografische Rekonstruktion in angemessener Qualität für das Betrachten eines Bildes des Objektes aus einem „Hologramm” geformt werden kann, das ausschließlich Phaseninformationen in Verbindung mit dem originalen Objekt enthält. Derartige holografische Aufzeichnungen werden als Phasenhologramme bezeichnet.
Der Begriff „Hologramm” bezieht sich somit auf die Aufzeichnung, die Informationen über ein Objekt enthält und die zum Erzeugen einer Rekonstruktion verwendet werden kann. Das Hologramm kann Informationen in der Frequenz- oder Fourier-Domäne enthalten.
Die computergenerierte Holografie kann den Interferenzprozess beispielsweise mit Fourier-Techniken numerisch simulieren, um ein computergeneriertes Phasenhologramm zu produzieren. Ein computergeneriertes Phasenhologramm kann zur Erzeugung einer holografischen Rekonstruktion verwendet werden.
Es wurde vorgeschlagen, holografische Techniken in einem Beleuchtungssystem zu verwenden. Das System kann die zeitliche Abfolge der 2D-Lichtstreuung als eine Eingabe akzeptieren. Die Eingabe kann in eine Echtzeitabfolge entsprechender Hologramme umgewandelt werden (z. B. Phasenhologramme), wobei jedes Hologramm einem Bildausschnitt entspricht. Die Hologramme können in Echtzeit rekonstruiert werden, um eine 2D-Projektion zu schaffen, die der Eingabe entspricht. Entsprechend kann ein Echtzeit-2D-Projektor zur Projektion einer Bildfolge mithilfe einer Abfolge an computergenerierten Hologrammen bereitgestellt werden.
Ein Vorteil der Projektion von Videobildern oder Lichtstreuungen per Phasenhologramm ist die Fähigkeit zur Steuerung vieler Rekonstruktionseigenschaften über die Berechnungsmethode – z. B. Bildverhältnis, Auflösung, Kontrast und Dynamikumfang des projizierten Lichts. Ein weiterer Vorteil des Phasenhologramms besteht darin, dass im Wesentlichen keine optische Energie durch die Amplitudenmodulation verloren geht.
Ein computergeneriertes Phasenhologramm kann „gepixelt” sein. Somit kann das Phasenhologramm auf einer Reihe an diskreten Phasenelementen dargestellt werden. Jedes diskrete Element kann als „Pixel” bezeichnet werden. Jeder Pixel kann als lichtmodulierendes Element, wie beispielsweise ein phasenmodulierendes Element, agieren. Ein computergeneriertes Phasenhologramm kann somit auf einem Array an phasenmodulierenden Elementen dargestellt werden, wie einem räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM) mit Flüssigkristall auf Silizium (Liquid Crystal an Silicon, LCOS). Das LCOS könnte reflektierend sein, sodass moduliertes Licht von dem LCOS als Spiegelung ausgegeben wird.
Jedes phasenmodulierende Element, oder Pixel, kann im Zustand variieren, um eine kontrollierbare Phasenverschiebung für den Lichteinfall auf dem phasenmodulierenden Element zu schaffen. Ein Array an phasenmodulierenden Elementen, wie einem LCOS SLM, kann somit eine rechnerisch ermittelte Phasenverschiebungsverteilung repräsentieren (oder „anzeigen”). Wenn der Lichteinfall auf dem Array der phasenmodulierenden Elemente kohärent ist, wird das Licht mit den holografischen Informationen, oder dem Hologramm, moduliert. Die holografischen Informationen können in der Frequenz- oder Fourier-Domäne enthalten sein.
Alternativ kann die Phasenverschiebungsverteilung auf einer Kinoform aufgezeichnet werden. Das Wort „Kinoform” kann allgemein verwendet werden, um eine phasenholografische Aufzeichnung, oder ein Hologramm, zu beschreiben.
Die Phasenverzögerung kann quantisiert sein. Das heißt, dass jeder Pixel auf eine der diskreten Zahlen der Phasenebenen gesetzt werden kann.
Die Phasenverschiebungsverteilung kann auf eine einfallende Lichtwelle angewandt werden, indem beispielsweise der LCOS SLM beleuchtet wird. Die Position der Rekonstruktion im Raum kann über eine optische Linse zur Fourier-Transformation gesteuert werden, um eine holografische Rekonstruktion, oder ein „Bild”, in einer räumlichen Domäne zu erzeugen.
Ein computergeneriertes Hologramm kann auf verschiedenste Arten berechnet werden, einschließlich mithilfe von Algorithmen, wie dem Gerchberg-Saxton. Der Gerchberg-Saxton-Algorithmus kann zur Ableitung von Phaseninformationen in der Fourier-Domäne aus den Amplitudeninformationen in der räumlichen Domäne verwendet werden (wie einem 2D-Bild oder einer Lichtstreuung). Das heißt, dass Phaseninformationen in Verbindung mit dem Objekt von der Intensität oder Amplitude „abgefragt” werden können, aber nur Informationen aus der räumlichen Domäne. Entsprechend kann eine phasenholografische Darstellung eines Objekts in der Fourier-Domäne berechnet werden.
Die holografische Rekonstruktion kann durch die Beleuchtung des Fourier-Domänenhologramms erzeugt sowie durch die Durchführung einer optischen Fourier-Transformation mithilfe einer Fourier-Transformationslinse erfolgen, um beispielsweise ein Bild (holografische Rekonstruktion) in einem Antwortfeld, wie auf einem Bildschirm, zu erzeugen.
zeigt ein Beispiel der Verwendung eines reflektierenden SLM, wie einem LCOS, um eine holografische Rekonstruktion in einem Wiedergabefeld zu schaffen.
Eine Lichtquelle (110), zum Beispiel ein Laser oder eine Laserdiode, wird verwendet, um den SLM (140) über eine Kollimationslinse (111) zu beleuchten. Die Kollimationslinse erzeugt eine grundsätzlich planare Wellenfront des Lichts, das in den SLM einfällt. Die Richtung der Wellenfront weicht geringfügig vom Normalwert ab (d. h. zwei oder drei Grad von einer wahrhaftigen Rechtwinkligkeit zur Ebene der transparenten Schicht). Die Anordnung ist so, dass Licht von der Lichtquelle von der gespiegelten hinteren Oberfläche des SLM reflektiert wird und mit einer phasenmodulierenden Schicht interagiert, um eine austretende Wellenfront (112) zu schaffen. Die austretende Wellenfront (112) wird auf die Optiken angewandt, einschließlich einer Fourier-Transformationslinse (120), deren Fokus auf einem Bildschirm ist (125).
Die Fourier-Transformationslinse empfängt (phasenmoduliertes) Licht vom SLM und führt eine Frequenz-Raum-Transformation durch, um eine holografische Rekonstruktion im Bildschirm (125) in der räumlichen Domäne zu schaffen.
In diesem Prozess wird das Licht der Lichtquelle grundsätzlich gleichmäßig über den SLM (140) sowie über die phasenmodulierende Schicht (Array der phasenmodulierenden Elemente) verteilt. Licht, das die phasenmodulierende Schicht verlässt, kann auf dem Bildschirm verteilt werden. Es gibt keine Übereinstimmung zwischen einer spezifischen Bildregion des Bildschirms und einem bestimmten phasenmodulierenden Element.
Der Gerchberg-Saxton-Algorithmus berücksichtigt das Phasenabfrageproblem, wenn Intensitätsquerschnitte eines Lichtstrahls, I_A(x, y) und I_B(x, y) in den entsprechenden Schichten A und B bekannt sind und I_A(x, y) und I_B(x, y) durch eine einzelne Fourier-Transformation verbunden sind. Innerhalb der jeweiligen Intensitätsquerschnitte kann eine Annäherung an die Phasenverschiebung in den Schichten A und B, entsprechend Φ_A(x, y) und Φ_B(x, y), gefunden werden. Der Gerchberg-Saxton-Algorithmus findet gute Lösungen für dieses Problem, indem ein iterativer Prozess befolgt wird.
Der Gerchberg-Saxton-Algorithmus wendet die räumlichen und spektralen Beschränkungen wiederholt an, während ein Datensatz (Amplitude und Phase), entsprechend I_A(x, y) und I_B(x, y), zwischen der räumlichen Domäne und der Fourier (spektralen) Domäne wiederholt übertragen wird. Die räumlichen und spektralen Beschränkungen sind I_A(x, y) und entsprechend I_B(x, y). Die Beschränkungen der räumlichen oder spektralen Domäne werden der Amplitude des Datensatzes auferlegt. Die entsprechenden Phaseninformationen werden über eine Reihe an Wiederholungen abgefragt.
Es wurden verschiedene Techniken für die Bereitstellung verbesserter 2D-Bildprojektionssysteme offengelegt, die ein computergeneriertes Hologramm verwenden. Diese Techniken können auch auf die Lichtstreuung in den Beleuchtungsanwendungen angewandt werden.
Zusammenfassung
In einem Aspekt werden dynamisch variierende Hologramme zur Bereitstellung einer kontrollierten Beleuchtung eines gewünschten Teils einer Szene verwendet. In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zur Beleuchtung einer Szene bereitgestellt, das die Bildung eines variierenden Satzes an Phasenverschiebungen an einem räumlichen Lichtmodulator umfasst, die Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators zur Schaffung eines Austrittsstrahls, die Anwendung des Austrittsstrahls auf die Fourier-Optiken zur Formung eines Bildes und die Projektion des Bildes, um einen szenenbeleuchtenden Strahl zu erzeugen.
Das Verfahren kann die Auswahl des Satzes zum Lenken des szenenbeleuchtenden Strahls umfassen.
Das Verfahren kann die Auswahl eines Satzes zur Beleuchtung ausgewählter Bereiche der Szene umfassen, während andere Bereiche nicht beleuchtet werden.
Das Verfahren kann das Ablesen von vorab berechneten Phasenverschiebungen von einem Speicher umfassen.
Der räumliche Lichtmodulator könnte ein LCOS SLM sein.
In einem anderen Aspekt wird eine Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt, die zur Erzeugung eines kontrollierbaren Lichtstrahls für die Beleuchtung einer Szene angeordnet ist, wobei die Einrichtung Folgendes umfasst: ein ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator, der zur Bereitstellung eines Satzes an auswählbaren Phasenverschiebungsverteilungen an einen Strahl aus einfallendem Licht angeordnet ist; Fourier-Optiken, die zum Empfang des phasenmodulierten Lichts vom räumlichen Lichtmodulator und der Erzeugung eines Bildes angeordnet sind; und Projektionsoptiken, die angeordnet sind, um das Bild zu projizieren und ein Beleuchtungsmuster gemäß dem kontrollierbaren Lichtstrahl zu formen.
Die Fourier-Linse ist angeordnet, um eine Lichtstreuung in einem Wiedergabefeld zu schaffen, die in einigen Fällen als „Bild” betrachtet werden kann. Aus der vorliegenden Offenlegung zeigt sich, dass die Lichtstreuung im Wiedergabefeld der Fourier-Linse möglicherweise kein reales Bild im Raum ist.
Zusammenfassend bezieht sich die vorliegende Offenlegung auf die Verwendung eines computergenerierten ausschließlichen Phasenhologramms zur Erzeugung einer Lichtstreuung für eine Beleuchtungsvorrichtung wie einen Scheinwerfer. Die holografische Rekonstruktion (oder das rekonstruierte Bild) wird mithilfe der Projektionsoptiken projiziert, um eine Lichtstreuung im Raum zu erzeugen. Beispielsweise könnte die holografische Rekonstruktion auf eine Straße projiziert werden, um zum Beispiel eine Lichtstreuung zu schaffen, die für Nachtfahrten ideal ist. Da das computergenerierte Hologramm flexibel oder schnell geändert werden kann, kann auch die projizierte Lichtstreuung dynamisch verändert werden. Beispielsweise kann die projizierte Lichtstreuung bewegt oder gelenkt werden. Somit kann das System in die Scheinwerfer eines Fahrzeugs integriert werden, um eine kontrollierbare Beleuchtung zu ermöglichen. Das computergenerierte Hologramm kann in Echtzeit verändert werden, um beispielsweise eine dynamisch variierende Beleuchtung für einen Fahrer zu bieten. Das computergenerierte Hologramm kann beispielsweise in Reaktion auf die Straße oder die Fahrverhältnisse geändert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen:
ist eine schematische Darstellung, die ein reflektierendes SLM, wie ein LCOS, für die Erzeugung einer holografischen Rekonstruktion in einem Wiedergabefeld zeigt.
ist ein Diagramm, das die Funktion eines modifizierten Gerchberg-Saxton-Algorithmus zeigt.
zeigt ein Beispiel eines zufälligen Phasen-Seeds für die erste Wiederholung des Algorithmus von 2.
zeigt ein Beleuchtungssystem.
ist eine schematische Darstellung des LCOS SLM.
ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform zur dynamischen Modifizierung des Beleuchtungsprofils eines Scheinwerfers aus dem Betrachtungswinkel eines sich annähernden Fahrzeugs.
zeigt ein Beispielsystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung zur Beleuchtung eines Straßenschilds.
ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform für die dynamische Straßenbeleuchtung.
zeigt ein Beispiel eines Infrarot-Gittersystems in Übereinstimmung mit den Ausfühungsformen.
In den Abbildungen werden dieselben Bezugszahlen für die dieselben Teile verwendet.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Holografisch generierte 2D-Bilder haben bekanntlich deutliche Vorteile gegenüber den herkömmlich projizierten Gegenstücken, insbesondere in Bezug auf die Definition und Effizienz. Die Rechen- und Hardware-Komplexität der aktuellen Algorithmen zur Hologrammgeneration berücksichtigten bisher jedoch nicht deren Verwendung in Echtzeitanwendungen. Diese Probleme konnten vor kurzem gelöst werden – siehe beispielsweise die veröffentliche PCT-Anmeldung WO 2005/059881 , die hier durch Verweis einbezogen ist.
Modifizierte Algorithmen basierend auf Gerchberg-Saxton wurden entwickelt – siehe beispielsweise die veröffentlichte PCT-Anmeldung WO 2007/131650 , die hier durch Verweis einbezogen ist.
Diese verbesserten Techniken können Hologramme bei einer ausreichenden Geschwindigkeit berechnen, um eine 2D-Videoprojektion zu realisieren. Die hierin beschriebenen Beispiele beziehen sich auf die Projektion mithilfe eines computergenerierten Hologramms, das unter Verwendung eines entsprechend modifizierten Gerchberg-Saxton-Algorithmus berechnet wurde.
zeigt einen modifizierten Algorithmus, der die Phaseninformationen ψ[x, y] der Fourier-Transformation vom Datensatz abfragt und somit zu einer bekannten Amplitudeninformation T[x, y] 362 führt. Amplitudeninformationen T[x, y] 362 sind repräsentativ für ein Zielbild (z. B. ein Foto). Die Phaseninformationen ψ[x, y] werden zur Schaffung einer holografischen Darstellung des Zielbilds in einer Bildebene verwendet.
Da Magnitude und Phase in der Fourier-Transformation intrinsisch verknüpft sind, enthält die transformierte Magnitude (aber auch die Phase) nützliche Informationen über die Genauigkeit des berechneten Datensatzes. Somit kann der Algorithmus Feedback zu sowohl den Amplituden- als auch den Phaseninformationen bereitstellen.
Der in gezeigte Algorithmus kann als mit einem komplexen Welleneingang (mit Amplituden- 301 und Phaseninformationen 303) und einem komplexen Wellenausgang (ebenfalls mit Amplituden- 311 und Phaseninformationen 313) angesehen werden. Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Amplituden- und Phaseninformationen separat berücksichtigt, obwohl sie intrinsisch verknüpft sind, um einen Datensatz zu erzeugen. Dabei muss beachtet werden, dass sowohl die Amplituden- als auch die Phaseninformationen selbst Funktionen der räumlichen Koordinaten x und y sind und als Amplituden- und Phasenverteilungen angesehen werden können.
Unter Bezugnahme auf produziert der Verarbeitungsblock 350 eine Fourier-Transformation von einem ersten Datensatz mit Magnitudeninformationen 301 und Phaseninformationen 303. Das Ergebnis ist ein zweiter Datensatz, der über Magnitudeninformationen und Phaseninformationen ψ_n[x, y] 305 verfügt. Die Amplitudeninformationen aus dem Verarbeitungsblock 350 werden auf eine Verteilung eingerichtet, die repräsentativ für die Lichtquelle ist, aber die Phaseninformationen ψ_n[x, y] 305 werden beibehalten. Die Phaseninformationen 305 werden durch den Verarbeitungsblock 354 quantisiert und als Phaseninformationen ψ[x, y] 309 ausgegeben. Die Phaseninformationen 309 werden an den Verarbeitungsblock 356 weitergeleitet und durch den Verarbeitungsblock 352 mit der neuen Magnitude kombiniert. Ein dritter Datensatz 307, 309 wird auf den Verarbeitungsblock 356 angewandt, der eine umgekehrte Fourier-Transformation durchführt. Das führt zu einem vierten Datensatz R_n[x, y] in der räumlichen Domäne, der Amplitudeninformationen |R_n[x, y]| 311 und Phaseninformationen ∠R_n[x, y] 313 umfasst.
Ausgehend vom vierten Datensatz bilden dessen Phaseninformationen 313 die Phaseninformationen eines fünften Datensatzes, der als erster Datensatz auf die nächste Wiederholung 303 angewandt wird. Dessen Amplitudeninformationen R_n[x, y] 311 werden durch die Subtraktion der Amplitudeninformationen T[x, y] 362 von dem Zielbild modifiziert, um einen Satz an Amplitudeninformationen 315 zu schaffen. Skalierte Amplitudeninformationen 315 (skaliert mit α) werden von den Amplitudeninformationen des Ziels abgezogen T[x, y] 362, um Amplitudeninformationen zur Eingabe η[x, y] 301 für den fünften Datensatz für die Anwendung als erster Datensatz in der nächsten Wiederholung zu schaffen. Das ist mathematisch in den folgenden Gleichungen ausgedrückt: R_n+1[x, y] = F'{exp(iψ_n[u, v])} ψ_n[u, v] = ∠F{η·exp(i∠R_n[x, y])} η = T[x, y] – α(|R_n[x, y]| – T[x, y])
Dabei gilt:

F': ist die umgekehrte Fourier-Transformation.
F: ist die vorwärts gerichtete Fourier-Transformation.
R: ist das Wiedergabefeld (Replay).
T: ist das Zielbild (Target).
∠: ist die Winkelinformation.
Ψ: ist die quantisierte Version der Winkelinformationen.
ε: ist die neue Zielmagnitude, ε ≥ 0
α: ist ein Verstärkungselement ~1

Das Verstärkungselement α kann basierend auf der Größe und Rate der eingehenden Zielbilddaten ausgewählt werden.
Bei fehlenden Phaseninformationen von der vorherigen Wiederholung verwendet die erste Wiederholung des Algorithmus in diesem Beispiel einen zufälligen Phasengenerator, um die Phaseninformationen als Ausgangspunkt bereitzustellen. zeigt ein Beispiel eines zufälligen Phasen-Seeds.
In einem alternativen Beispiel werden die resultierenden Amplitudeninformationen aus dem Verarbeitungsblock 350 nicht verworfen. Die Zielamplitudeninformationen 362 werden von den Amplitudeninformationen abgezogen, um neue Amplitudeninformationen zu schaffen. Ein Vielfaches, typischerweise ein Vielfaches kleiner als eins, der neuen Amplitudeninformationen wird von der Amplitudeninformation 362 abgezogen, um eine Eingabe der Amplitudeninformation für den Verarbeitungsblock 356 zu schaffen.
In einer weiteren Alternative wird die Phase nicht vollständig zurückgeleitet und ausschließlich ein anteiliger Anteil der Änderung über die letzten, beispielsweise zwei Wiederholungen, wird zurückgeleitet.
Derartige Techniken wurden für Echtzeit-Videoprojektoren entwickelt, bei denen Hologramme in Echtzeit beispielsweise aus Eingabe-Videodaten berechnet werden. In den in dieser vorliegenden Offenbarung beschriebenen Beispielen ist es jedoch nicht entscheidend, das Hologramm oder die Hologramme in Echtzeit zu berechnen.
In den Beispielen werden die computergenerierten Hologramme vorab berechnet. Eine endliche Anzahl an zuvor ermittelten computergenerierten Hologrammen wird im lokalen Speicher gespeichert. Das ist möglich, da nur eine endliche kleine Menge an vorab ermittelten Hologrammen vom System erforderlich ist.
Die Fachkraft wird somit verstehen, dass jedwede Technik zur Berechnung von Phasenhologrammen ebenfalls geeignet ist. Beispielsweise könnte das Hologramm sowohl durch die Technik der direkten Binärsuche als auch das Simulationsglühen berechnet werden. In den beschriebenen Beispielen werden die Hologramme jedoch per Gerchberg-Saxton-Algorithmus oder einer modifizierten Version des Gerchberg-Saxton-Algorithmus berechnet.
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf die Verwendung von computergenerierten Hologrammen zur Schaffung einer kontrollierbaren Lichtstreuung für eine Beleuchtungsvorrichtung wie einen Scheinwerfer. Die Hologramme werden in einem Speicher gespeichert und nach Bedarf abgerufen. Die Offenbarung sieht jedoch auch eine Berechnung in Echtzeit vor.
Bekannte Scheinwerfer haben entweder bewegliche (motorisierte) Optiken oder Baugruppen, die eine Bewegung des Lichtstrahls nach oben und unten sowie rechts und links ermöglichen. Solche Systeme sind jedoch extrem beschränkt.
zeigt ein Beispiel, in dem eine holografische Rekonstruktion mithilfe von Projektionsoptiken beispielsweise auf eine Straße projiziert wird.
zeigt ein Beleuchtungssystem (300) mit einem SLM-basierten System (305) für die Bereitstellung eines getreuen Bildes einer holografischen Rekonstruktion (310). Das SLM-basierte System (305) entspricht . Die holografische Rekonstruktion (310) wird in einem so genannten Wiedergabefeld erzeugt. Die holografische Rekonstruktion wird über eine Projektionslinse (420) beispielsweise auf eine Straße projiziert.
Die Fachkraft wird verstehen, dass beliebige geeignete Projektionsoptiken verwendet werden können und die vorliegende Offenlegung nicht auf eine bestimmte Projektionslinse beschränkt ist. Die Projektionsoptiken können beispielsweise ebenso ein Spiegel sein.
Einige Aspekte des optischen Systems können in das Hologramm integriert werden, um das Projektionssystem zu vereinfachen oder die Strahlbedingungen zu unterstützen.
Aus diesem Grund kann eine kontrollierbare Beleuchtungsvorrichtung, wie ein Scheinwerfer, bereitgestellt werden. Die Vorrichtung kann zum Beispiel auf einer Straße eine Lichtstreuung schaffen, indem eine holografische Rekonstruktion projiziert wird.
Die Lichtstreuung oder das projizierte Licht kann auch als „Strahl” bezeichnet werden.
Es kann verstanden werden, dass die projizierte Lichtstreuung durch die Bewegung der holografischen Rekonstruktion bewegt (gelenkt) werden kann. Das Bild (z. B. ein Block aus weißem Licht) kann von einem Teil des Wiedergabefelds zu einem anderen Teil des Wiedergabefelds bewegt werden. Das Bild kann in jede gewünschte Richtung bewegt oder verschoben werden. Die Fachkraft weiß, wie das System kalibriert werden muss, sodass bekannte Hologramme (und somit bekannte Wiedergabefelder) den bekannten Beleuchtungsmustern entsprechen, die auf die Straße projiziert werden. Entsprechend kann verstanden werden, dass die Position des Strahls kontrollierbar verstellt werden kann.
Die Fachkraft weiß, dass die Scheinwerfer eines Fahrzeugs in einem Vollstrahlmodus oder einem anderen durch den Fahrer erforderlichen Modus betrieben werden können.
In einem Beispiel wird ein Scheinwerfer mit einer verstellbaren Strahlform bereitgestellt. Das wird durch die Änderung des Hologramms erzielt – insbesondere durch die Änderungen der Phasenverschiebungsverteilung, die auf dem räumlichen Lichtmodulator dargestellt oder darauf geschrieben wird. Im Gegenzug ändert dies die holografische Rekonstruktion (beispielsweise die Verteilung des rekonstruierten Lichts) und somit die projizierte Lichtstreuung (oder den Strahl). In Übereinstimmung mit diesen Beispielen kann das Fernlicht bei der Annäherung an ein Fahrzeug durch die Veränderung des Hologramms durch das Schwärzen eines Bereichs verändert werden, um eine Blendung des nahenden Fahrers zu vermeiden. Sobald das Fahrzeug vorbei ist, kann das Fernlicht erneut eingerichtet werden. In einigen Beispielen wird die Strahlform dynamisch angepasst.
In anderen Beispielen wird die Farbtemperatur oder sogar die Farbe des Strahls selbst dynamisch gemäß dem Wetter oder Tag-/Nachtfahrten angepasst. Darüber hinaus kann auch die Farbverteilung im Strahl kontrolliert werden.
In weiteren Beispielen kann die Verteilung des Strahls auch gemäß der Straßenverhältnisse angepasst werden, um unter anderem eine bessere Sicht über den Seitenstreifen zu ermöglichen. Das könnte gemäß der Steuerung des Fahrers erfolgen.
In den Beispielen kann der Strahl in Kurvenfahrten auch dynamisch nach links/rechts gelenkt werden (zum Beispiel als Reaktion auf europäische/britische Strahlanforderungen). Der Strahl kann auch gemäß Straßenverhältnissen/Fahrzeugbeladung nach oben und unten gelenkt werden.
Ein Vorteil hierbei ist, dass die Projektionsoptik (beispielsweise eine Spiegelbaugruppe), die für die offengelegten Beispiele erforderlich sind, günstiger in der Produktion sind, da sie eine dynamische Kontrolle über die Lichtstreuung haben.
In den Beispielen gehören Fahrzeuganzeigen zu den Funktionalitäten, die beispielsweise oranges (rotes/grünes) Licht an eine Seite der Baugruppe leiten. Auch dies kann das Hologramm dynamisch umsetzen. Diese Seite der Baugruppe kann einen lichtstreuenden Körper verwenden, um den Winkel der Lichtstreuung zu erweitern.
In den Beispielen wird die Farbe der Beleuchtung in verschiedenen Bereichen der Szene selektiv angepasst, abhängig von beispielsweise den Straßenverhältnissen oder Fahrerfehlern. In den Beispielen ist eine Seite der Szene rot (oder eine andere unterscheidende Farbe), wenn der Fahrer beispielsweise über den Mittelstreifen der Straße fährt. In den Beispielen sind die Anzeigen dynamisch präsentiert. In weiteren Beispielen können Straßenausstattungen oder Schilder beispielsweise selektiv und dynamisch beleuchtet werden.
Ein weiterer Vorteil aus den Beispielen ist, dass ein gepixelter räumlicher Lichtmodulator verwendet wird, da dank der Pixel höhere Beugungsordnungen verwendet werden können (die normalerweise in z. B. Videobildgebungssystem unerwünscht sind), um die Breitwinkelbeleuchtung der Straße zu erzielen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass das System aufgrund des Verzichtes auf bewegliche Teile robuster ist als die aktuellen Systeme.
In weiteren Beispielen kann die Beleuchtung auch ein Infrarotlicht (IR-Licht) umfassen, das ebenfalls unter holografischer Kontrolle ist, und das beispielsweise im Rahmen von einem größeren Nachtsichtsystem oder einer Frontscheibenanzeige verwendet werden kann. In den Beispielen ist eine holografische Projektion eines IR-Netzes bereitgestellt. Darüber hinaus könnte das IR-System optional auch als Teil eines vorausschauenden Systems verwendet werden, um die Straßenbeschaffenheit (Schlaglöcher etc.) zu beurteilen und eine entsprechende Einstellung der Feder und der Scheinwerfer an die Verhältnisse zu ermöglichen. Die Fachkraft wird verstehen, wie beispielsweise die Federung und die Scheinwerfer als Reaktion auf die Messungen oder Ermittlungen des IR-Systems angepasst werden können.
In den Beispielen ist die Lichtstreuung mit dem GPS verknüpft (Satellitennavigation), um den Lichtbedarf des Fahrers zu bestimmen.
In einem Beispiel wird auch ein automatisch abblendender Scheinwerfer bereitgestellt.
Automatische Abblendlichter oder automatische Blendschutzscheinwerfer sind bereits integrierte Merkmale einiger Fahrzeuge, die Implementierung ist jedoch sehr einfach: ein nach vorne ausgerichteter Lichtsensor erkennt das Vorhandensein von entgegenkommenden Hauptscheinwerfern. Sobald die Lichtstärke einen bestimmten Wert erreicht, werden die Hauptscheinwerfer automatisch abgeblendet oder ein mechanischer Verschluss wird aktiviert, um den Bereich des Lichtstrahls zu verdunkeln, der anderenfalls den Fahrer des entgegenkommenden Fahrzeugs blenden würde. Der mechanische Verschluss oder „Strahlabdunkler” sorgt für eine physische Blockade eines Teils des Lichtstrahls.
In einer Ausführungsform bietet die Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Offenlegung intelligentere Abblend- oder Blendschutzscheinwerfer. In einer Ausführungsform wird eine vorwärts gerichtete Kamera verwendet, um näher kommende Fahrzeuge zu erkennen. Eine Fachperson wird jedoch verstehen, dass andere Techniken für die Erkennung von näher kommenden Fahrzeugen ebenso geeignet sind. Sogar in einem großen Abstand kann das System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung, mit der Veränderung der Lichtstreuung beginnen (das heißt, dem Beleuchtungsmuster), um die Sicht für das sich nähernde Fahrzeug anzupassen. In einem großen Abstand muss nur eine geringe Menge des Strahls umgeleitet werden, aber wenn sich das Fahrzeug annähert, verfolgt das System das Fahrzeug und ändert als Reaktion darauf das Beleuchtungsmuster. Das Beleuchtungsmuster kann sich als Reaktion auf ein annäherndes Fahrzeug in Größe und/oder Form verändern. Die Fachkraft wird verstehen, wie das Beleuchtungsmuster verändert werden kann, um beispielsweise die Auswirkung des Beleuchtungsmusters auf den Fahrer eines entgegenkommenden Fahrzeugs zu reduzieren (z. B. reduzierte Blendung).
Da die Beleuchtungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung auf phasenholografischen Techniken basiert (d. h. eine auswählbare Phasenverschiebungsverteilung wird angewandt, um ein phasenmoduliertes Licht in der Fourier-Domäne zu erzeugen), wird das Licht beim Abblenden oder Blendschutz nicht verschwenderisch blockiert. Stattdessen wird ein Hologramm (phasenverzögertes Verteilungsmuster) berechnet und in den Phasenmodulator geschrieben, der bei einer Beleuchtung eine Lichtstreuung schafft, die die gewünschte Verteilung erzielt (z. B. Beleuchtungsmuster). Das bedeutet aus Gründen der Genauigkeit, dass während des Rechenprozesses für das Hologramm Licht, das anderenfalls im „abgedunkelten” Bereich wäre, zu anderen Bereichen der Lichtstrahlstreuung umgeleitet wird. Auf diese Weise wird Licht nicht nur einfach blockiert und geht aus dem System verloren – wie bei einem System mit mechanischem Verschluss – sondern wird zu anderen Teilen des Beleuchtungsmusters umgeleitet. Dementsprechend ist das System energieeffizienter.
zeigt einen Algorithmus gemäß einer Ausführungsform zur dynamischen Modifizierung des Beleuchtungsprofils eines Scheinwerfers aus dem Betrachtungswinkel eines sich annähernden Fahrzeugs.
In ist eine Kamera 601 zu sehen, die zur Überwachung auf annähernde Fahrzeuge angeordnet ist. In Block 603 wird ermittelt, ob ein sich näherndes Fahrzeug erkannt wurde. Beispielsweise könnte Block 603 ermitteln, ob das Bild eines Scheinwerfers (eines sich nähernden Fahrzeugs) in einem erkannten Bild einer Abfolge an Einzelbildern von Kamera 601 erscheint. Wenn ein sich näherndes Fahrzeug nicht erkannt wird, werden „herkömmliche” Lichtstrahldaten verwendet, um ein Hologramm 713 zu erzeugen (Phasenverschiebungsverteilung). Die „herkömmlichen” Lichtstrahldaten 611 bieten das Beleuchtungsmuster, das geeignet ist, wenn kein sich näherndes Fahrzeug erkannt wurde (d. h. keine abgedunkelten Bereiche). Wenn jedoch ein sich näherndes Fahrzeug erkannt wird, geht der Prozess über zu Block 605, wo eine Berechnung der Position des sich nähernden Fahrzeugs durchgeführt wird. Die Fachkraft wird verstehen, dass eine Vielzahl an Techniken zur Ermittlung der ungefähren Position oder Nähe eines sich annähernden Fahrzeugs von einem Bildrahmen verwendet werden können. Der Begriff „Abdunkelungsbereich” kann verwendet werden, um sich auf einen Bereich zu beziehen, der aufgrund der Nähe eines sich annähernden Fahrzeugs nicht länger Licht vom Scheinwerfer bekommen soll (d. h. nicht länger zum beleuchteten Bereich gehört). In vorherigen Verfahren ist der „Abdunkelungsbereich” der Teil des Lichtstrahls, der durch einen mechanischen Verschluss blockiert werden würde. In Block 607 erfolgt eine Ermittlung in Bezug auf die Größe des „Abdunkelungsbereichs” basierend auf beispielsweise dem Abstand zwischen den Scheinwerfern und dem sich nähernden Fahrzeug. Die Fachkraft wird verstehen, dass in anderen Ausführungsformen andere Messungen in Verbindung mit dem sich nähernden Fahrzeug verwendet werden können, um die Größe des „Abdunkelungsbereichs” zu ermitteln. In Block 609 wird der Abdunkelungsbereich auf die „herkömmlichen” Lichtstrahldaten 611 angewandt (oder hinzugefügt), um ein modifiziertes Hologramm 613 zu erzeugen (Phasenverschiebungsverteilung). In Block 617 wird die Phasenverschiebungsverteilung auf den ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator angewandt (oder darauf geschrieben). Das Verfahren kann ab Block 603 wiederholt werden.
Aus diesem Grund wird ein Verfahren zur Modifizierung der Beleuchtung einer Szene bereitgestellt. Dieses umfasst die Berechnung der ungefähren Nähe eines sich annähernden Fahrzeugs, die Ermittlung der Größe und Form eines Abdunkelungsbereichs, die Modifizierung des Satzes an Phasenverzögerungen eines räumlichen Lichtmodulators, die Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators zur Bereitstellung eines Ausgangsstrahls, die Anwendung des Ausgangsstrahls auf ein Fourier-Optik zum Formen eines Bildes und der Projektion des Bildes zur Bereitstellung eines modifizierten, szenenbeleuchtenden Strahls.
In einer anderen Ausführungsform bietet die Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ein automatisches Beleuchtungssystem zum Hervorheben. zeigt ein Beispiel, in dem die Scheinwerfer 701 und 703 von einem Fahrzeug 709 zur Beleuchtung der Straße 705 sowie zusätzlich von einem Straßenschild 707 verwendet werden. Zusätzlich zur Fähigkeit des Umlenkens des Lichts, um das Blenden von Fahrern in entgegenkommenden Fahrzeugen zu verhindern (Verdunkelung), wird die Beleuchtungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung in einer Ausführungsform zur dynamischen Bereitstellung einer zusätzlichen Beleuchtung verwendet, um das Bewusstsein des Fahrers über sein Fahrumfeld zu verstärken.
Viele neue Fahrzeuge werden mit Verkehrszeichenerkennung sowie KollisionswarnRadarsystemen ausgestattet, die beide als Eingaben für den holografische Berechnungsmechanismus der aktuellen Offenlegung verwendet werden können. In einer Ausführungsform werden die Ausgaben dieses Systems verwendet, um nicht nur das gefundene Objekt anzuzeigen, sondern auch, wo dieses Objekt gefunden werden kann (d. h. die Nähe im Verhältnis zum Fahrzeug). Die Hologramme (d. h. die Phasenverschiebungsverteilungen, die auf den räumlichen Lichtmodulator angewandt werden) werden anschließend berechnet, um eine programmierbare Menge an Licht an die entsprechenden Standorte umzuleiten und somit die Aufmerksamkeit des Fahrers auf Hindernisse oder Informationen am Straßenrand zu lenken.
zeigt ein Flussdiagramm dazu, wie dies in einer Ausführungsform erzielt wird. In Block 805 wird ermittelt, ob Eingaben von einem Verkehrszeichenerkennungssystem 801 und/oder einem Kollisionsvermeidungssystem 803 empfangen werden. Wenn in Block 805 keine Eingaben empfangen werden, wird die Szene gemäß einem „herkömmlichen” Beleuchtungsmuster beleuchtet. Das bedeutet, dass „herkömmliche” Lichtstrahldaten verwendet werden, um das Hologramm in Block 813 zu formen (d. h. Phasenverschiebungsverteilung). Wenn in Block 805 Eingaben empfangen werden, werden in Block 807 die Größe und Verteilung der erforderlichen zusätzlichen Beleuchtung ermittelt. Die Fachkraft wird verstehen, dass die Daten von Verkehrszeichenerkennungssystemen 801 und/oder Kollisionsvermeidungssystemen 803 verwendet werden können, um zu bestimmen, welche Teile der Szene in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung zusätzlich beleuchtet werden sollten. Daten in Verbindung mit der zusätzlichen Beleuchtung werden mit den „herkömmlichen” Lichtstrahldaten kombiniert (z. B. hinzugefügt), um in Block 813 ein Hologramm zu formen (Phasenverschiebungsverteilung). Das Hologramm wird auf den räumlichen Lichtmodulator angewandt (z. B. darauf geschrieben), der dann zur Schaffung eines Beleuchtungsmusters beleuchtet wird.
Aus diesem Grund wird ein Verfahren zur Modifizierung der Beleuchtung einer Szene bereitgestellt. Dieses umfasset die Berechnung der ungefähren Nähe eines Objekts des Interesses innerhalb der Szene, die Ermittlung der Größe und Form eines Bereichs zur zusätzlichen Beleuchtung, die Modifizierung des Satzes an Phasenverzögerungen eines räumlichen Lichtmodulators, die Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators zur Bereitstellung eines Ausgangsstrahls, die Anwendung des Ausgangsstrahls auf eine Fourier-Optik zum Formen eines Bildes und die Projektion des Bildes zur Bereitstellung eines modifizierten, szenenbeleuchtenden Strahls.
In einer anderen Ausführungsform wird ein verbessertes System für eine dynamische Fahrbahnausleuchtung bereitgestellt.
In herkömmlichen Projektionsscheinwerfern ist es eine gesetzliche Anforderung, dass sich das Licht dynamisch anpassen muss, um eine Blendung anderer Verkehrsteilnehmer zu verhindern. Wenn das Fahrzeug nach vorne oder hinten geneigt ist, wird ein Sensor verwendet, um das Ausmaß der Neigung zu ermitteln und motorisierte Antriebe verändern die Positionen der Projektionslinsen, um den Fehler der Strahlungsrichtung zu korrigieren. Zusätzlich könnte der Bedarf bestehen, vom Links- in den Rechtsverkehr wechseln zu müssen. In diesen Fällen muss die Strahlverteilung und/oder Strahlrichtung angepasst werden. Einige moderne Fahrzeuge verfügen über zusätzliche motorisierte Antriebe, um diese Merkmale zu ermöglichen. In diesen Ausführungsformen wird die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung für eine derartige Kontrolle verwendet.
Das holografische System der vorliegenden Offenbarung bietet die gleiche Funktionalität, aber mit den Vorteil, dass keine beweglichen Teile erforderlich sind.
Die Berechnung bietet die Funktionalität zur Steuerung der Richtung und Verteilung des Lichtstrahls und somit die Fähigkeit, die Straßenausleuchtung zu korrigieren.
In weiteren Ausführungsformen wird diese Funktionalität insofern ausgebaut, dass wenn das Fahrzeug Navigationsinformationen über den weiteren Straßenverlauf erhält, diese Informationen in das Computersystem eingespeist werden können und sonnt die Straßenausleuchtung für den Fahrer verbessern können.
Ein spezielles Beispiel für dynamische Scheinwerfer sind Scheinwerfer, die bei Kurvenfahrten des Fahrzeugs nach links oder rechts lenken. Bisher wurde dies über eine mechanische Verbindung zwischen den Scheinwerfern und der Lenksäule erzielt, es ist aber auch durch eine Rotationserkennung des Lenkrads und eine motorisierte Steuerung der Lichter/Linsen möglich.
In diesen Ausführungsformen erzielt das holografische System der vorliegenden Offenbarung den gleichen Effekt: ein Sensor erkennt die Rotation des Lenkrads, wodurch die Phasenverschiebungsverteilung und somit das Beleuchtungsmuster angepasst werden. In weiteren Ausführungsformen wird dies weiter verbessert, indem die GPS-Navigationssysteme der Fahrzeuge mit dem holografischen Beleuchtungscomputer gekoppelt werden. Das GPS zeigt an, dass eine Kurve näher kommt, und das holografische System weist beim Anfahren auf die Kurve zusätzliches Licht zu, um die Kurve in der Straße auszuleuchten, bevor eine Lenkwinkeleingabe gemacht wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein holografisches Infrarot-Beleuchtungssystem (IR) bereitgestellt.
Zusätzlich zu den Vorteilen, die eine dynamische holografische Beleuchtung mit sich bringt, wird auch das Bewusstsein des Fahrers über seine Umgebung verbessert, indem das holografische System der vorliegenden Offenlegung in einer Ausführungsform verwendet wird, um eine unsichtbare holografische Infrarot-Lichtstreuung zu schaffen, mit der das Fahrzeug den Zustand des weiteren Straßenverlaufs ermitteln kann.
In einer Ausführungsform projiziert das System ein IR-Beleuchtungsmuster, bestehend aus einem Gittermuster, auf den weiteren Straßenverlauf des Fahrzeugs. Eine vorwärts gerichtete IR-Kamera erkennt das holografische IR-Gitter. Bei Schlaglöchern, Straßenwölbungen etc. würde das Gitter verzerrt und diese Verzerrung beispielsweise durch eine Kamera erkannt. Das ermöglicht dem Fahrzeug eine Anpassung der Federungseinstellung sowie der Leistungsverteilung, um optimale Sicherheit und Komfort zu gewährleisten.
zeigt ein erstes Beispielgitter 901 auf einer ebenen Straße sowie ein zweites Beispielgitter 903 auf einer Straße mit Schlaglöchern, wie Schlagloch 905.
Aus diesem Grund wird ein Verfahren zur Projektion eines Infrarotgitters auf eine Szene bereitgestellt. Dieses umfasst die Formung eines variablen Satzes an Phasenverschiebungen auf einem räumlichen Lichtmodulator, die Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators mit einem Infrarotlicht zur Bereitstellung eines Ausgangsstrahls, die Anwendung des Ausgangsstrahls auf die Fourier-Optiken zur Schaffung eines Infrarotbildes in der räumlichen Domäne, einschließlich eines Gittermusters, sowie die Projektion des Infrarotbildes auf die Szene. Das Verfahren kann zusätzlich die Erfassung eines Bildes der Szene und den Vergleich des erfassten Bildes mit dem projizierten Infrarotbild umfassen, um Abweichungen von der Szene zu erkennen.
In einer anderen Ausführungsform wird das gleiche IR im Rahmen eines LIDAR-Kollisionsvermeidungssystems (Light Detection and Ranging = Abstand- und Geschwindigkeitsmessung) verwendet. Die IR-Wellenlänge wird so ausgewählt, dass sie eine höhere Fähigkeit zum Durchdringen von Nebel bietet (reduzierte Wasseraufnahme) und somit einen höheren Erfassungsbereich des Fahrzeugs selbst bei eingeschränkten Sichtverhältnissen ermöglicht. In diesen Ausführungsformen ist das Beleuchtungsmuster somit ein Infrarot-Beleuchtungsmuster und die Vorrichtung umfasst zusätzlich Mittel zur Erkennung des Beleuchtungsmusters auf der Szene sowie Verarbeitungsmittel zur Identifizierung von Abweichungen in der Szene durch beispielsweise die Identifizierung von Unterschieden zwischen dem erkannten Beleuchtungsmuster und dem Beleuchtungsmuster, das der Phasenverschiebungsverteilung entspricht.
Da das phasenholografische System von Natur aus lichtbrechend ist, würde jede weiße Lichtquelle aufgrund der Wellenlänge unterschiedlich verteilt werden (umso länger die Wellenlänge, umso größer der Beugungswinkel). Aus diesem Grund wird das holografische System in einer Ausführungsform zur Korrektur dieser Farbveränderung verwendet. In weiteren Ausführungsformen wird das System auch zur Manipulation der Verhältnisse der Wellenlängen verwendet (und somit zur Veränderung der Lichtfarbe); entweder für den gesamten Lichtstrahl oder für ausgewählte Anteile des Strahls.
Beispielweise könnte es bei Fahrten im Nebel besser sein, einen Scheinwerfer mit gelbem Farbton zu haben, sodass das holografische System der vorliegenden Offenbarung zur dynamischen Abschwächung des blauen Anteils der weißen Lichtquelle verwendet werden könnte.
In noch anderen Ausführungsformen wird dieses Konzept weiter ausgebaut, sodass die Hauptscheinwerfer als Blinker verwendet werden können. In einem kleinen Teil des Hauptscheinwerfers wechselt die Wellenlängenverteilung beispielsweise zwischen orange und weiß, indem die blauen und grünen Wellenlängen in einer speziellen Region des Hauptscheinwerfers dynamisch abgeschwächt werden. Angesichts dessen, dass all diese Parameter von einer Software gesteuert werden, bietet es dem Designer des Beleuchtungssystems eine höhere Flexibilität und Leistung zur Optimierung der gesamten Lichtleistung für alle Fahrverhältnisse.
Im Gegensatz zu Videoprojektionssystemen erfordern die Beispiele der vorliegenden Offenbarung beispielsweise keine holografische Rekonstruktion oder kein projiziertes Bild, um ein hochwertigeres Bild zu schaffen. Die Lichtquelle für den räumlichen Lichtmodulator muss somit nur mindestens teilweise kohärent sein. In den Beispielen kann die Lichtquelle somit beispielsweise mindestens eine Leuchtdiode umfassen. In den Beispielen kann die Lichtquelle mindestens einen Laser umfassen. Die Fachkraft wird verstehen, dass andere Lichtquellen ähnlich geeignet sind.
Der räumliche Lichtmodulator könnte transmissiv oder reflektierend sein. Somit kann das phasenmodulierte Licht von dem räumlichen Lichtmodulator als Transmission oder Spiegelung ausgegeben werden.
Die holografische Rekonstruktion (oder das Bild) kann von dem so genannten „Zero-Ordnungsproblem” betroffen sein, was eine Konsequenz der diffraktiven Art der Rekonstruktion ist. Ein derartiges Zero-Ordnungslicht wird als „Rauschen” angesehen und umfasst beispielsweise ein spiegelartig reflektiertes Licht sowie anderes unerwünschtes Licht von dem SLM.
Dieses „Rauschen” konzentriert sich im Allgemeinen im Fokus der Fourier-Linse und führt zu einem hellen Punkt in der Mitte eines rekonstruierten Hologramms. In der Regel wird das Zero-Ordnungslicht einfach blockiert, wobei dies klar bedeutet, dass der helle Punkt mit einem dunklen Punkt ersetzt wird.
In den vorliegenden Beispielen wird die Zero-Ordnung (oder der DC-Punkt, der also normalerweise unerwünscht ist) zur Unterstützung des Mittelpunktes des Lichtstrahls verwendet. Eine Zero-Ordnung könnte beispielsweise vorteilhaft sein, wenn sie zur Schaffung einer höheren Beleuchtung im Mittelpunkt des Strahls verwendet wird.
Da das Hologramm dreidimensionale Informationen umfasst, ist es möglich, das rekonstruierte Hologramm in eine andere Ebene im Raum zu verschieben – siehe beispielsweise die veröffentliche PCT-Anmeldung WO 2007/131649 , auf die hierin per Verweis Bezug genommen wird.
Während sich die hierin beschriebenen Beispiele auf die Anzeige von einem Hologramm pro Bild beziehen, ist die vorliegende Offenlegung diesbezüglich keinesfalls beschränkt und mehr als ein Hologramm kann zur gleichen Zeit auf dem SLM angezeigt werden.
Beispielsweise implementieren die vorliegenden Beispiele die Technik des „Kacheln”, bei dem der Oberflächenbereich des SLM weiter in eine Reihe an Kacheln unterteilt wird, von denen alle eine ähnliche oder identische Phasenverteilung wie jene der originalen Kachel haben. Somit hat jede Kachel einen kleineren Oberflächenbereich, als würde der gesamte zugewiesene Bereich des SLM als ein großes Phasenmuster verwendet. Je kleiner die Nummer der Frequenzkomponente in der Kachel, umso weiter auseinander liegen die rekonstruierten Pixel, wenn das Bild produziert wird. Das Bild wird innerhalb einer Zero-Diffraktionsordnung erstellt und es wird bevorzugt, dass die erste sowie die folgenden Ordnungen weit genug auseinander angezeigt werden, um nicht mit dem Bild überlagert zu werden und durch einen Raumfilter blockiert werden können.
Wie zuvor erwähnt, umfasst das mit diesem Verfahren produzierte Bild (ob mit Kacheln oder ohne) Punkte, die Bildpixel formen. Je mehr Kacheln verwendet werden, umso kleiner werden diese Punkte. Basierend auf dem Beispiel einer Fourier-Transformation einer endlosen Sinuswelle kann eine einzige Frequenz produziert werden. Das ist die optimale Ausgabe. In der Praxis, wenn nur eine Kachel verwendet wird, entspricht dies einer Eingabe einer einzigen Phase einer Sinuswelle, mit Zero-Werten, die sich in die positive und negative Richtung von den Endknoten der Sinuswelle bis zur Unendlichkeit erstrecken. Anstelle von einer einzigen Frequenz, die von der Fourier-Transformation produziert wird, wird die grundsätzliche Frequenzkomponente mit einer Reihe nebeneinanderliegender Frequenzkomponenten an jeder Seite davon produziert. Die Verwendung von Kacheln reduziert die Magnitude dieser nebeneinanderliegenden Frequenzkomponenten und führt als Konsequenz zu weniger Störungen (konstruktiv oder destruktiv) zwischen den angrenzenden Bildpixeln und somit zu einer Verbesserung der Bildqualität.
Idealerweise besteht jede Kachel in einer ganzen Kachel, obwohl es möglich ist, Teile einer Kachel zu verwenden.
Die vorliegende Offenlegung ist nicht auf eine monochromatische Projektion oder Beleuchtung beschränkt.
Eine farbige holografische 2D-Rekonstruktion kann produziert werden, und es gibt zwei Hauptmethoden, um dies zu erzielen. Eines dieser Verfahren ist bekannt als „bildsequenzielle Farbe” (Frame-sequential Colour, FSC). In einem FSC-System werden drei Laser (rot, grün und blau) verwendet und jeder Laser nacheinander bei dem SLM abgefeuert, um eine Rekonstruktion mit gemischten Farben zu produzieren. Die Farben werden bei einer ausreichend schnellen Rate abgewechselt (rot, grün, blau, rot, grün, blau etc.), sodass das menschliche Auge ein polychromatisches Bild aus einer Kombination der drei Laser sieht. Jedes Hologramm (Phasenverschiebungsverteilung auf dem räumlichen Lichtmodulator) ist somit farbspezifisch. Beispielweise könnte das erste „Bild” produziert werden durch das Abfeuern des roten Lasers für ein 75stel einer Sekunde, gefolgt von dem grünen Laser für ein 75stel einer Sekunde und letztendlich des blauen Lasers für ein 75stel einer Sekunde.
Ein alternatives Verfahren, das auch als „räumlich getrennte Farben” (Spatially Separated Colours, SSC) bezeichnet wird, umfasst das Abfeuern aller drei Laser zur gleichen Zeit, aber über unterschiedliche optische Wege, z. B. mithilfe eines anderen SLM, und deren anschließende Kombination zur Erzeugung eines Farbbildes.
Ein Vorteil des Verfahrens der bildsequenziellen Farbe (FSC) besteht darin, dass der gesamte SLM für jede Farbe verwendet wird. Das bedeutet, dass die Qualität der erzeugten dreifarbigen Bilder nicht beeinträchtigt sein wird, da alle Pixel auf dem SLM für jedes der Farbbilder zum Einsatz kommen. Ein Nachteil des FSC-Verfahrens ist jedoch, dass das letztendlich erzeugte Bild nicht so hell sein wird wie ein entsprechendes Bild, das per SSC-Verfahren produziert wird. Dieser Helligkeitsunterschied hat einen Faktor von 3, da jeder Laser nur für ein Drittel der Zeit verwendet wird. Dieser Nachteil könnte möglicherweise so behoben werden, dass die Laser übersteuert werden, oder durch leistungsstärkere Laser. Dies würde jedoch auch zu einem höheren Strombedarf und höheren Kosten führen und das System weniger kompakt gestalten.
Ein Vorteil des SSC-Verfahrens (räumlich separierte Farben) besteht darin, dass das Bild heller ist, da alle drei Laser zur gleichen Zeit abgefeuert werden. Wenn es aufgrund von Platzbeschränkungen jedoch erforderlich ist, nur einen SLM zu verwenden, kann der SLM in drei gleiche Teile aufgeteilt werden und als drei separate SLM agieren. Der Nachteil hiervon besteht darin, dass die Qualität jedes einfarbigen Bildes verschlechtert wird, da der SLM-Oberflächenbereich, der für jedes monochromatische Bild verfügbar ist, abnimmt. Die Qualität des polychromatischen Bildes nimmt entsprechend ab. Die Verkleinerung des SLM-Oberflächenbereichs bedeutet, dass weniger Pixel auf dem SLM verwendet werden können und somit die Qualität des Bildes reduziert wird. Die Qualität des Bildes wird reduziert, da auch seine Auflösung reduziert wird.
Wie aus dem Vorangegangenen zu verstehen ist, kann die Lichtquelle beispielsweise mindestens eine Infrarot-Lichtquelle umfassen.
In den Beispielen ist der räumliche Lichtmodulator ein LCOS-Gerät (Liquid Crystal over Silicon). LCOS-Geräte sind ein Hybrid von herkömmlichen transmissiven Flüssigkristallanzeigegeräten, bei denen das vordere Substrat ein mit Indiumzinnoxid beschichtetes Glas ist, das als gemeinsamer elektrischer Leiter agiert. Das untere Substrat wird mithilfe eines Silizium-Halbleiter-Prozesses geschaffen, mit einem zusätzlichen abschließenden Aluminium-Verdampfungsprozess zur Erzeugung einer verspiegelten Oberfläche, deren Spiegel dann als Pixel-Gegenelektrode agieren. Derartige SLMs können gefertigt werden, um einen Füllfaktor von mehr als 90 Prozent zu erzielen.
LCOS-Geräte sind jetzt mit Pixeln zwischen 4,5 μm und 12 μm verfügbar. Die erforderliche Größe wird durch die Anwendung bestimmt, in der der SLM zum Einsatz kommt, durch den Betriebsmodus und somit auch durch die Menge an Schaltungen, die bei jedem Pixel erforderlich ist.
Die Struktur eines LCOS-Gerätes ist in gezeigt.
Ein LOCS-Gerät wird mithilfe eines einzelnen Siliziumsubstrats (402) gebildet. Es weist ein 2D-Array an quadratischen, ebenen Aluminiumelektroden (401) auf, die über Lücken (401a) getrennt auf der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet sind. Jede der Elektroden (401) ist mit der Schaltung (402a) verbunden, die im Substrat (402) eingebettet ist, um das Ansprechen jeder einzelnen Elektrode zu ermöglichen.
Jede der Elektroden formt einen entsprechenden ebenen Spiegel. Eine Ausrichtungsschicht (403) ist auf dem Array der Elektroden angeordnet und eine Flüssigkristallschicht (404) wird auf der Ausrichtungsschicht (403) angeordnet. Eine zweite Ausrichtungsschicht (405) ist auf der Flüssigkristallschicht (404) angeordnet und eine ebene transparente Schicht (406), z. B. aus Glas, wird auf der zweiten Ausrichtungsschicht (405) angeordnet. Eine einzelne transparente Elektrode (407) z. B. aus ITO, wird zwischen der transparenten Schicht (406) und der zweiten Ausrichtungsschicht (405) angeordnet.
Jede der quadratischen Elektroden (401) definiert, zusammen mit dem überlagernden Bereich der transparenten Elektrode (407) und dem dazwischenliegenden Flüssigkristallmaterial, ein kontrollierbares phasenmodulierendes Element (404), das häufig auch als Pixel bezeichnet wird. Der effektive Pixelbereich, oder Füllfaktor, ist der Prozentsatz der optisch aktiven Pixel, unter Berücksichtigung des Platzes zwischen den Pixeln (401a). Durch die Kontrolle der Spannung, die auf jede Elektrode (401) mit Bezug auf die transparente Elektrode (407) angewandt wird, können sich die Eigenschaften des Flüssigkristallmaterials des entsprechenden phasenmodulierenden Elementes unterscheiden und somit eine variable Verzögerung für das darauf einfallende Licht haben. Der Effekt besteht darin, eine Phasenmodulation für die Wellenfront zu schaffen, d. h. ohne Auftreten eines Amplitudeneffekts.
Ein wesentlicher Vorteil aus der Verwendung von reflektierenden LCOS für räumliche Lichtmodulatoren besteht darin, dass die Flüssigkristallschicht nur halb so dick ist wie jene einer transmissiven Vorrichtung. Das trägt erheblich zur Schaltgeschwindigkeit des Flüssigkristalls bei. Elite LCOS-Vorrichtung bietet auch die einmalige Funktionalität zur Anzeige großer Arrays an Elementen, die nur aus der Phase bestehen, in einer kleinen Öffnung. Kleine Elemente (typischerweise ungefähr 10 Mikrometer) führen zu einem praktischen Beugungswinkel (einige Grad).
Es ist einfacher, die kleine Öffnung (einige Quadratzentimeter) eines LCOS SLM zu beleuchten als die Öffnung eines größeren Flüssigkristallgerätes. LCOS SLMs haben ein großes Öffnungsverhältnis, sodass nur sehr wenig ungenutzter Raum zwischen den Pixeln liegt (da die antreibenden Schaltungen in die Spiegel eingebettet sind). Es ist ein wesentliches Problem, das optische Rauschen im Wiedergabefeld zu senken.
Die oben beschriebene Vorrichtung arbeitet typischerweise in einem Betriebstemperaturbereich von 10°C bis ungefähr 50°C.
Da in einer LCOS-Vorrichtung die Steuerelektronik in die Silizium-Backplane eingebettet ist, ist der Füllfaktor der Pixel höher, was zu weniger ungestreutem Licht führt, das aus der Vorrichtung austritt.
Die Verwendung einer Silizium-Backplane bietet den Vorteil, dass die Pixel optisch flach sind, was für eine phasenmodulierende Vorrichtung wichtig ist.
Während sich die Beispiele auf einen reflektierenden LCOS SLM beziehen, versteht die Fachkraft, dass jegliche SLM, einschließlich transmissiver SLMs, verwendet werden können.
Diese Offenbarung nimmt Bezug auf den Kontext von Fahrzeugscheinwerfern, ist aber natürlich für Beleuchtungszwecke anderer Geräte anwendbar, wie Suchleuchten, Taschenlampen und ähnliches.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern erstreckt sich auf das volle Ausmaß der beigefügten Ansprüche.
Die folgenden Ausführungsformen sind ebenfalls offengelegt.

Punkt 1. Eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung eines kontrollierbaren Lichtstrahls für die Beleuchtung einer Szene, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator, der zur Bereitstellung einer auswählbaren Phasenverschiebungsverteilung an einen Strahl aus einfallendem Licht angeordnet ist; Fourier-Optiken, die zum Empfang des phasenmodulierten Lichts vom räumlichen Lichtmodulator und der Erzeugung eines Bildes angeordnet sind; und Projektionsoptiken, die angeordnet sind, um die Lichtstreuung zu projizieren und ein Beleuchtungsmuster gemäß dem kontrollierbaren Lichtstrahl zu formen.
Punkt 2. Eine Vorrichtung gemäß Punkt 1, wobei die Projektionsoptiken das Bild vergrößern.
Punkt 3. Eine Vorrichtung gemäß Punkt 1 oder 2, wobei die Phasenverschiebungsverteilung eine Darstellung des Beleuchtungsmusters in der Fourier-Domäne umfasst.
Punkt 4. Eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Punkte, wobei das Bild in der räumlichen Domäne ist.
Punkt 5. Eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Punkte, wobei die Fourier-Optik so angeordnet ist, um eine Raum-Zeit-Transformation durchzuführen.
Punkt 6. Eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Punkte, wobei die Fourier-Optik eine Fourier-Linse ist.
Punkt 7. Eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Punkte, wobei die Fourier-Linse eine kurze Brennweite hat.
Punkt 8. Eine Vorrichtung gemäß aller vorangehenden Punkte, wobei die Vorrichtung ein Scheinwerfer ist.
Punkt 9. Eine Vorrichtung gemäß aller vorangehenden Punkte, wobei der räumliche Lichtmodulator reflektierend ist.
Punkt 10. Eine Vorrichtung gemäß aller vorangehenden Punkte, wobei der räumliche Lichtmodulator eine Vorrichtung mit Flüssigkristall auf Silizium ist.
Punkt 11. Ein Verfahren zur Beleuchtung einer Szene. Dieses umfasst die Bildung eines variierenden Satzes an Phasenverschiebungen in einem räumlichen Lichtmodulator, die Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators zur Erzeugung eines Austrittsstrahls, die Anwendung des Austrittsstrahls auf die Fourier-Optiken zur Erzeugung eines Bildes und die Projektion des Bildes, um einen szenenbeleuchtenden Strahl zu schaffen.
Punkt 12. Das Verfahren aus Punkt 11 mit der Auswahl des Satzes zum Lenken des szenenbeleuchtenden Strahls.
Punkt 13. Das Verfahren aus Punkt 11 oder 12 mit der Auswahl eines Satzes zur Beleuchtung ausgewählter Bereiche der Szene, während andere Bereiche nicht beleuchtet werden.
Punkt 14. Das Verfahren aus Punkt 11, 12 oder 13 mit dem Ablesen von vorab berechneten Phasenverschiebungen von einem Speicher.
Punkt 15. Das Verfahren aus einem der Punkte von 11 bis 14, mit Erkennung der ungefähren Nähe eines sich annähernden Fahrzeugs und der Modifizierung des Satzes an Phasenverschiebungen auf einem räumlichen Lichtmodulator zur Bereitstellung eines modifizierten Lichtstrahls zur Szenenausleuchtung.
Punkt 16. Das Verfahren aus Punkt 15 mit der Berechnung der Größe und Form eines Verdunkelungsbereiches.
Punkt 17. Das Verfahren aus einem der Punkte von 11 bis 16 mit der Erkennung der Position eines vorbestimmten Objekts einer Szene und der Modifizierung eines Satzes an Phasenverschiebungen im räumlichen Lichtmodulator, um eine zusätzliche Beleuchtung des vorbestimmten Objekts der Szene zu ermöglichen.
Punkt 18. Das Verfahren aus Punkt 17, wobei das vorbestimmte Objekt der Szene ein Verkehrsschild ist.
Punkt 19. Das Verfahren aus einem der Punkte 1 bis 18 mit der Modifizierung eines Satzes an Phasenverschiebungen im räumlichen Lichtmodulator als Reaktion auf die Geografie der sich annähernden Szene.
Punkt 20. Das Verfahren aus Punkt 19 mit dem Empfang von Informationen über die Geografie der sich annähernden Szene.
Punkt 21. Das Verfahren aus einem der Punkte 11 bis 20 mit der Modifizierung eines Satzes an Phasenverschiebungen im räumlichen Lichtmodulator als Reaktion auf eine Kurve oder Abbiegung in der sich annähernden Szene.
Punkt 22. Das Verfahren aus einem der Punkte 11 bis 21, wobei der Schritt der Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators zur Schaffung eines Ausgangsstrahls die Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators mit Infrarotlicht umfasst.
Punkt 23. Das Verfahren aus Punkt 22, wobei der Lichtstrahl zur Szenenbeleuchtung ein infrarotes Gittermuster umfasst.
Punkt 24. Das Verfahren von Punkt 23 mit der Erfassung eines Infrarot-Bildes der Szene und des Vergleichs des erfassten Bildes mit dem projizierten Infrarot-Gittermuster, um eine Abweichung von der Szene zu erkennen.
Punkt 25. Das Verfahren aus Punkt 24, wobei die Abweichung eine Abweichung der Straßenoberfläche umfasst, und die Abweichung der Straßenoberfläche optional ein Schlagloch enthalten könnte.
Punkt 26. Das Verfahren aus einem der Punkte 11 bis 25, wobei der Schritt der Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators zur Schaffung eines Ausgangsstrahls die Beleuchtung des räumlichen Lichtmodulators mit polychromatischem Licht umfasst.
Punkt 27. Das Verfahren aus Punkt 26 mit der Abschwächung mindestens einer Farbe in mindestens einem Bereich der Szene, um eine räumlich selektive Hervorhebung zu schaffen.
Punkt 28. Das Verfahren aus einem der Punkte 11 bis 27, wobei die Szene eine Straße ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2005/059881 [0041]
WO 2007/131650 [0042]
WO 2007/131649 [0110]

Claims

Ein LIDAR-Kollisionsvermeidungssystem (Light Detection and Ranging), das eine Beleuchtungsvorrichtung umfasst, die zum Erzeugen eines kontrollierbaren Lichtstrahls zum Beleuchten einer Szene angeordnet ist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen adressierbaren räumlich auflösenden Lichtmodulator, der zum Bereitstellen einer auswählbaren Phasenverschiebungsverteilung für einen Strahl aus einfallendem Licht angeordnet ist; Fourier-Optiken, die zum Empfangen von phasenmoduliertem Licht aus dem räumlich auflösenden Lichtmodulator und dem Erzeugen einer Lichtverteilung angeordnet sind; und Projektionsoptiken, die zum Projizieren der Lichtverteilung zum Bilden eines Beleuchtungsmusters als besagtes kontrollierbares Licht angeordnet sind.
Ein LIDAR-System gemäß Anspruch 1, wobei das Licht ein Infrarotlicht ist.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Beleuchtungsmuster ein Gittermuster umfasst.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das eine vorwärts gerichtete Kamera umfasst, die zum Erfassen eines Bildes der Szene angeordnet ist.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System zum Vergleich des erfassten Bildes mit dem projizierten Beleuchtungsmuster angeordnet ist.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System zum Identifizieren der Unterschiede zwischen dem erfassten Bild und dem projizierten Beleuchtungsmuster angeordnet ist.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Prozessor zum Erkennen von Abweichungen in der Szene angeordnet ist.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das System zum Auswählen der Phasenverschiebungsverteilung zum Lenken des kontrollierbaren Lichtstrahls angeordnet ist.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System zum Auswählen der Phasenverschiebungsverteilung zum Beleuchten der ausgewählten Bereiche der Szene angeordnet ist, während andere Bereiche nicht beleuchtet werden.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System zum Lesen der Phasenverschiebungsverteilung von einem Speicher angeordnet ist.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System zum Erkennen der ungefähren Nähe des Fahrzeugs und zum Modifizieren der auswählbaren Phasenverschiebungsverteilung auf dem räumlich auflösenden Lichtmodulator angeordnet ist, um einen modifizierten, szenebeleuchtenden Lichtstrahl zu erzeugen.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phasenverschiebungsverteilung eine Darstellung des Beleuchtungsmusters in dem Fourierbereich umfasst.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fourier-Optik so angeordnet ist, dass eine Raum-Zeit-Transformation durchgeführt werden kann.
Ein LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der räumlich auflösende Lichtmodulator eine Vorrichtung mit Flüssigkristall auf Silizium ist.
Ein Fahrzeug mit einem LIDAR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.