WO2017005729A1

WO2017005729A1 - Projektionsoptik und projektionseinheit für ein kraftfahrzeug

Info

Publication number: WO2017005729A1
Application number: PCT/EP2016/065796
Authority: WO
Inventors: Stefan Miemietz; Joscha Roth
Original assignee: Volkswagen Aktiengesellschaft
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2017-01-12
Also published as: DE102015212758B3; CN107850279A; CN107850279B

Abstract

Eine Projektionsoptik und eine Projektionseinheit für ein Kraftfahrzeug zum Projizieren eines Laserstrahls in das Umfeld des Kraftfahrzeugs, insbesondere auf die Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug, zur Darstellung von Lichtsymbolen, umfasst - eine Lasereinheit zur Erzeugung eines Laserstrahls, - einen MEMS-Spiegel mit mindestens einer resonanten Achse, wobei der Laserstrahl von dem um die resonante Achse schwingenden MEMS-Spiegel in einer Ebene senkrecht zur resonanten Achse in einen Ablenkbereich gebildet durch die beiden maximalen Auslenkungen des MEMS-Spiegels abgelenkt wird, und - eine optische Komponente, welche das eingangsseitig durch den resonant schwingenden MEMS-Spiegel bedingte Winkelgeschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls ausgangsseitig auf ein vorgegebenes Winkelgeschwindigkeitsprofil begrenzt, wobei das ausgangsseitige Geschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls einen Teilbereich des eingangsseitigen Geschwindigkeitsprofils umfasst.

Description

Beschreibung

Projektionsoptik und Projektionseinheit für ein Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Projektionsoptik für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Projektionseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

In modernen Kraftfahrzeugen ist der Einsatz von Fahrerassistenzsystemen, d.h. den Fahrer bei seiner Fahrtätigkeit unterstützenden Systemen, mittlerweile weit verbreitet. Da ein Großteil der relevanten Informationen zum Führen eines Kraftfahrzeugs im Straßenverkehr visuell aufgenommen wird, ist eine Unterstützung des Fahrers bei Dunkelheit besonders sinnvoll.

Lichtbasierte Fahrerassistenzsysteme sollen die Sicherheit und den Komfort des Fahrens in der Dämmerung bzw. der Dunkelheit erhöhen. Aktuell in Gebrauch bzw. der Entwicklung befindliche lichtbasierte Fahrerassistenzsysteme sind beispielsweise das maskierte

Dauerfernlicht oder das Markierungslicht. Dabei leuchtet das maskierte Dauerfernlicht die Umgebung außerhalb geschlossener Ortschaften aktiv aus ohne den vorausfahrenden oder entgegenkommenden Verkehr zu blenden. Damit kann der Fahrer weiter vorausschauen und auf möglicherweise gefährdende Objekte früher reagieren. Das Markierungslicht richtet seinen Lichtspot auf potenzielle Gefahrenobjekte, um die Aufmerksamkeit des Fahrers auf diese Objekte zu richten.

Der grundsätzliche Aufbau eines lichtbasierten Fahrerassistenzsystems entspricht dem eines mechatronischen Systems, bei dem über eine Sensorik fahrzeugbezogene und

umgebungsbezogene Informationen detektiert werden. Aus diesen Informationen wird mittels geeigneter Algorithmen eine Situationsanalyse durchgeführt, deren Ergebnisse zur

Steuerung einer Aktorik der Scheinwerfer bzw. der Scheinwerfermodule verwendet werden.

Die Druckschrift DE 10 2008 022 795 A1 offenbart einen Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Halbleiterlaser als Lichtquelle und zumindest einem Lichtmodulator, der die Abstrahlcharakteristik des vom Halbleiterlaser abgegebenen Lichts in vorgegebener Weise verändert. Bei der Verwendung von drei Halbleiterlasern entsprechender Farben wie R, G und B kann mittels einer achromatischen Linse ein weißer Lichtstrahl erzeugt werden, aus dem über einen als Lichtmodulator wirkenden, um zwei Achsen oszillierenden Spiegel eine beliebige Abstrahlcharakteristik wie beispielsweise eine Abblendlichtverteilung erzeugt werden kann.

In der unveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 214 522.8 wird ein Verfahren und eine Projektionseinheit zur Projektion eines Lichtsymbols in einen definierten Bereich der Fahrbahnebene im Umfeld eines Kraftfahrzeugs mittels mindestens einer über der

Fahrbahnebene im Kraftfahrzeug angeordneten Laserlichtquelle beschrieben. Dabei werden die folgenden Schritte ausgeführt:

Erzeugen eines Laserlichtspots vorgegebener Farbe und Form in einer vorbestimmten Scanfläche in dem definierten Bereich der Fahrbahnebene,

Scannen des Laserlichtspots in zwei Raumrichtungen entlang einer vorbestimmten Trajektorie zur Ausleuchtung der Scanfläche in der Fahrbahnebene, und

Ein- und Ausschalten des Laserlichtspots zur Erzeugung des Lichtsymbols, wobei die Bildwiederholfrequenz des Lichtsymbols über der Flimmerverschmelzungsgrenze des menschlichen Auges liegt.

Da die Projektionsebene nicht senkrecht zur Projektionseinheit liegt, sondern flache Winkel zur Fahrbahn vorliegen, muss eine nichtlineare vertikale Scangeschwindigkeit verwendet werden, um einen homogenen Trajektorienverlauf auf der Fahrbahn zu realisieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Projektionsoptik und eine

Laserprojektionseinheit zu schaffen, mit denen sich eine nichtlineare Scangeschwindigkeit einfach realisieren lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Projektionsoptik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Laserprojektionseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Projektionsoptik für ein Kraftfahrzeug zum Projizieren eines

Laserstrahls in das Umfeld des Kraftfahrzeugs, insbesondere auf die Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug, zur Darstellung von Lichtsymbolen, umfasst

eine Lasereinheit zur Erzeugung eines Laserstrahls,

einen MEMS-Spiegel mit mindestens einer resonanten Achse, wobei der Laserstrahl von dem um die resonante Achse schwingenden MEMS-Spiegel in einer Ebene senkrecht zur resonanten Achse in einen Ablenkbereich abgelenkt wird, der durch die beiden maximalen Auslenkungen des MEMS-Spiegels definiert wird, und

eine optische Komponente, welche das eingangsseitig durch den resonant

schwingenden MEMS-Spiegel bedingte Winkelgeschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls ausgangsseitig auf ein vorgegebenes Winkelgeschwindigkeitsprofil begrenzt, wobei das ausgangsseitige Geschwindigkeitsprofil des abgelenkten

Laserstrahls einen Teilbereich des eingangsseitigen Geschwindigkeitsprofils umfasst. Die resonante Schwingung des MEMS-Spiegels um die resonante Achse erzeugt im

Ablenkbereich ein sinusförmiges Geschwindigkeitsprofil, wobei die Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls in den beiden Umkehrpunkten minimal ist, während die Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Strahls bei der minimalen Spiegelauslenkung, d.h. in der Mitte der Schwingung, maximal ist. Mittels der optischen Komponente lässt sich aus dem Ablenkbereich ein Bereich mit einem gewünschten nichtlinearen Geschwindigkeitsprofil ausschneiden oder ausfiltern. Der Begriff "MEMS" steht dabei für Mikro-Elektro- Mechanische-Systeme.

Vorzugsweise umfasst das von der optischen Komponente ausgangsseitig erzeugte

Winkelgeschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls einen ersten Bereich zwischen maximaler und minimaler Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls des eingangsseitigen Ablenkbereichs, wobei der eingangsseitige Ablenkbereich sich in zwei Bereiche gliedert, die jeweils durch die maximale und minimale Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls definiert sind, wobei die maximale Winkelgeschwindigkeit der minimalen Auslenkung des MEMS-Spiegels und die minimale Winkelgeschwindigkeit einer der beiden maximalen Auslenkungen des MEMS-Spiegels entspricht. Mit anderen Worten, der Ablenkbereich setzt sich aus zwei zueinander symmetrischen Teilbereichen mit zueinander inverser Geschwindigkeitsverteilung zusammen und mit der optischen

Komponente wird einer der beiden Teilbereiche ausgangsseitig ausgegeben.

Weiter bevorzugt passiert der erste Bereich zwischen maximaler und minimaler

Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls die optische Komponente, während der zweite Bereich ausgeblendet wird. In diesem Fall erfolgt eine komplette Ausblendung des zweiten Bereichs, was zu einer gepulsten Nutzung des Lasers führt. Weiter bevorzugt erfolgt die Ausblendung des zweiten Bereichs durch eine Dunkeltastung des Lasers in Synchronisation mit dem MEMS-Spiegel. Auf diese Weise kann die optische Komponente durch eine entsprechende Ansteuerung des Lasers in Synchronisation mit der Spiegelschwingung realisiert werden.

Vorzugsweise wird im ersten Bereich die Lasereinheit oberhalb von 100% Nennleistung betrieben. Durch die gepulste Nutzung der Lichtquelle mit 50% kann zur Steigerung der Lichtleistung im Projektionsbereich die Lasereinheit oberhalb von 100% Lichtleistung betrieben werden.

Weiter bevorzugt weist die optische Komponente eine erste Einrichtung auf, die den ersten Bereich zwischen maximaler und minimaler Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls passieren lässt, und weist eine zweite Einrichtung auf, mit welcher der zweite Bereich ausgangsseitig in den ersten Bereich derart gespiegelt wird, dass die jeweiligen Laserstrahlen gleicher Winkelgeschwindigkeit der beiden Bereiche ausgangsseitig übereinstimmen. Durch die Spiegelung des zweiten Bereichs in den ersten Bereich, wobei das Geschwindigkeitsprofil des zweiten Bereichs durch die Spiegelung invertiert wird und demjenigen des ersten Bereichs entspricht, ergibt sich ein gewünschtes

Geschwindigkeitsprofil über den gesamten Projektionsbereich, d.h. dem ersten Bereich. Es erfolgt also eine Verdopplung der Darstellungsfrequenz. Die ersten und zweiten

Einrichtungen werden vorzugsweise durch geeignete Linsen und Spiegelkombinationen realisiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die optische Komponente eine erste Einrichtung auf, die den ersten Bereich zwischen maximaler und minimaler

Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls passieren lässt, und weist eine zweite Einrichtung auf, mit welcher der zweite Bereich ausgangsseitig derart in den ersten ausgangsseitigen Bereich gespiegelt wird, dass die jeweiligen Laserstrahlen gleicher Winkelgeschwindigkeit der beiden Bereiche mit parallelem Versatz zueinander verlaufen. Es erfolgt also eine Verdoppelung der Auflösung.

Vorzugsweise werden in der letzten Ausführungsform die erste Einrichtung durch eine planparallele Platte sowie einen TIR-Luftspalt und die zweite Einrichtung durch ein

Umkehrprisma gebildet, wobei die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung durch den TIR-Luftspalt miteinander verbunden sind. Im Vergleich zur Realisierung mittels einer Spiegel- und Linsenkombination ergibt sich durch die Optik bestehend aus einer planparallelen Platte mit aufgebrachtem Umkehrprisma ein Minimum an Elektronik und Optik. Die Abkürzung "TIR" steht dabei für totale innere

Reflektion.

Die erfindungsgemäße Projektionseinheit für ein Kraftfahrzeug zum Projizieren eines Laserstrahls in das Umfeld des Kraftfahrzeugs, insbesondere auf die Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug, zur Darstellung von Lichtsymbolen, umfasst eine im Vorangegangenen erläuterte Projektionsoptik. Auf diese Weise lässt sich ein nichtlineares

Geschwindigkeitsverhalten in einem Scanbereich einfach realisieren.

Weiter bevorzugt ist die resonante Achse des MEMS-Spiegel horizontal angeordnet und das Geschwindigkeitsprofil des oberen Bereichs des Ablenkbereichs wird zur Darstellung von Lichtsymbolen im Umfeld des Kraftfahrzeugs verwendet. Durch das nichtlineare

Geschwindigkeitsprofil wird mit zunehmendem Ablenkwinkel die Scangeschwindigkeit reduziert, wodurch ein annähernd homogener Trajektorienverlauf des Lichtspots auf der Fahrbahn erzielt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen ermittelt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Projektionsoptik mit einem resonanten MEMS-Einzelspiegel nach dem Stand der Technik in schematischer Darstellung,

Fig. 2 den Auftreffpunkt der Projektion als Funktion des Ablenkwinkels,

Fig. 3 die Realisierung eines homogenen Trajektorienverlaufs der Projektion,

Fig. 4 das Prinzip einer Projektionsoptik mit einem resonanten MEMS-Spiegel gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine erste Ausführungsform der Projektionsoptik der Fig. 4, und Fig. 6 eine zweite Ausführungsform der Projektionsoptik der Fig. 4. Fig. 1 zeigt eine Projektionsoptik 1 mit einem resonanten MEMS-Einzelspiegel 3, der im folgenden auch als Mikrospiegel bezeichnet wird. Dabei fällt der Laserstrahl 5 eines Lasers 2 auf den Mikrospiegel 3, der um eine Achse 4 im Auftreffpunkt des Laserstrahls 5 senkrecht zur Zeichenebene resonant schwingt. Durch diese resonante Schwingung des Mikrospiegels 3 wird der einfallende Laserstrahl 5 in der Figur 1 nach oben und unten versetzt, wobei für die weitere Betrachtung drei Ablenkungen des Laserstrahl 5 relevant sind, nämlich der maximal nach oben ausgelenkte Strahl 9, der minimal ausgelenkte Strahl 10 in der Mitte sowie der maximal nach unten ausgelenkte Strahl 1 1 . Es ist offensichtlich, dass für die Position des maximal nach oben ausgelenkten Strahls 9 die Winkelgeschwindigkeit minimal ist, da sich der Mikrospiegel 3 im Umkehrpunkt seiner Bewegung befindet. Die Position des minimal ausgelenkten Strahls 10 in der Mitte zwischen den Strahlen 9 und 1 1 weist eine maximale Winkelgeschwindigkeit auf, da sich der resonante Mikrospiegel 3 in dieser Auslenkung mit maximaler Winkelgeschwindigkeit bewegt. Für den maximal nach unten ausgelenkten Strahl 1 1 gilt entsprechend, dass diese Position eine minimale

Winkelgeschwindigkeit aufweist, da sich die Resonanzschwingung des Mikrospiegel 3 wieder im Umkehrpunkt befindet.

Durch die beiden oberen und unteren Strahlen 9 und 1 1 wird der Auslenkbereich 6 des Mikrospiegel 3 definiert. Da resonante Achsen scannender Spiegels ein sinusförmiges Geschwindigkeitsprofil aufweisen, weist der Auslenkbereich 6 des resonanten Mikrospiegels 3 ebenfalls ein sinusförmiges Geschwindigkeitsprofil auf. Der Auslenkbereich 6 lässt sich in einen oberen Bereich 7 und in einen unteren Bereich 8 unterteilen, wobei der obere Bereich 7 durch den oberen Strahl 9 und den mittleren Strahl 10 begrenzt wird, während der untere Bereich 8 durch den mittleren Strahl 10 und den unteren Strahl 1 1 definiert wird. Die Geschwindigkeitsprofile der beiden Bereiche 6, 8 sind invers zueinander, da von oben nach unten betrachtet in der Position des oberen Strahls 9 eine minimale Winkelgeschwindigkeit herrscht, die sich zur Position des mittleren Strahls 10 hin bis auf die maximale

Winkelgeschwindigkeit erhöht, welche im unteren Bereich 8 hin zum unteren Strahl 1 1 wieder bis zur minimalen Winkelgeschwindigkeit abnimmt.

Fig. 2 zeigt den Einsatz einer Laserscanner-Projektionseinheit LP mit einer in Fig. 1 dargestellten Projektionsoptik 1 in einem Fahrzeug F. Mit einer solchen Laserscanner- Projektionseinheit LP lassen sich in definierten Bereichen um das Fahrzeug F, insbesondere vor dem Fahrzeug F, beliebige Symbolformen darstellen, die als

Kommunikationsschnittstelle zwischen Fahrer und Fahrzeug F zur Übermittlung von Informationen und Warnungen dienen können. In Hinblick auf das automatisierte Fahren ist eine Kommunikation nach außen durch Lichtprojektionen sinnvoll, auch um z.B. andere Verkehrsteilnehmer zu informieren oder zu warnen. Die Laserprojektionseinheit LP zeichnet sich durch eine kompakte Größe aus, so dass der Einbauort im Fahrzeug F variabel gehalten werden kann. Ferner weist sie eine variable Scanamplitude aus, so dass die abgescannte Projektionsfläche abhängig von der dargestellten Symbolik eingestellt werden kann, wodurch die Projektionsfläche gering gehalten wird.

Dargestellt in Fig. 2 ist die Auswirkung des Einstrahlwinkels ψ auf die ausgeleuchtete Fläche. Da die Projektionsebene Fahrbahn FB nicht senkrecht zur Projektionseinheit LP liegt, sondern flache Winkel zur Fahrbahn FB vorliegen, wird eine bevorzugte Ausführungsform mit einer nichtlinearen vertikalen Scangeschwindigkeit realisiert. Wird ein Laserstrahl von einer Ausgangsposition um den Winkel « abgelenkt, so ergibt sich eine Strecke auf der Fahrbahn von l . Wird der Laser von der neuen Position erneut um den Winkel α abgelenkt, so ergibt sich hingegen die längere Strecke l₂. Daraus folgt, dass sich mit größer

werdendem Winkel φ die vertikale Scangeschwindigkeit erhöht, beispielsweise bei

Verwendung eines Sägezahnprofils auf der vertikalen Achse. Zusätzlich wird aufgrund der trapezförmigen Ausprägung der Projektionsfläche auf der Fahrbahn auch die

Scangeschwindigkeit in horizontaler Richtung größer. Dies führt insgesamt zu kürzeren Belichtungszeiten der Pixel und folglich zu niedrigeren Helligkeitswerten.

Durch eine dynamische Anpassung der vertikalen Scangeschwindigkeit kann diesem Effekt entgegengewirkt werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Im linken Bild der Fig. 3 ist die Projektionsfläche A mit einer qualitativen Scantrajektorie T aus der Vogelperspektive bei Verwendung einer typischen linearen Geschwindigkeit auf der vertikalen Achse dargestellt, z.B. bei Verwendung eines Sägezahnprofils. Dies führt dazu, dass die Abstände zwischen den Zeilen zunehmen. Dies lässt sich mit einer intelligenten Ansteuerung kompensieren. Hierzu muss mit zunehmendem Winkel φ die vertikale Scangeschwindigkeit v_v nichtlinear reduziert werden, wie dies im mittleren Teil der Fig. 3 dargestellt ist, so dass auf der

Fahrbahn ein homogener Trajektorienverlauf T realisiert wird, wie dies im rechten Bild der Fig. 3 dargestellt ist. Fig. 4 zeigt das Prinzip einer Projektionsoptik 1 mit einem um eine resonanten Achse 4 schwingenden resonanten MEMS-Spiegel 3 gemäß der Erfindung. Dabei umfasst die Projektionsoptik 1 in ihrer allgemeinen Darstellung neben dem Laser 2 und dem resonanten Mikrospiegel 3 eine idealisierte optische Komponente 12, die den Laserstrahl 5 im gesamten Auslenkbereich 6 des Mikrospiegels 3 als Eingangssignal verarbeitet und in der einfachsten Realisierung am Ausgang der idealisierten optischen Komponente 12 nur den oberen Bereich 7 mit seiner Geschwindigkeitsverteilung ausgibt, der von dem oberen Strahl 9 und dem mittleren Strahl 10 definiert ist. Folglich weist der ausgegebene Bereich 7 ein

Winkelgeschwindigkeitsprofil auf, welches eine minimale Winkelgeschwindigkeit in der Position des oberen Strahls 9 aufweist, wobei die Winkelgeschwindigkeit zur Position des mittleren Strahls 10 hin nichtlinear bis zur maximalen Winkelgeschwindigkeit zunimmt. Die Wirkung der idealisierten optischen Komponente 12 ist in diesem Fall die, dass von den beiden inversen Geschwindigkeitsprofilen der beiden Bereiche 7 und 8 nur das

Geschwindigkeitsprofil des oberen Bereichs 7 die idealisierte optische Komponente 12 verlässt. Der untere Bereich 8 wird sozusagen abgeschnitten, was auf vielfache Weise erfolgen kann, beispielsweise durch eine Absorption oder eine Ausblendung des am

Mikrospiegel abgelenkten Laserstrahls 5, solange er sich im unteren Bereich 8 befindet.

Wie in Bezug zur Fig. 3, rechter Teil, erläutert ist, muss mit zunehmendem Winkel ψ die vertikale Scangeschwindigkeit v_v reduziert werden, so dass auf der Fahrbahn ein homogener Trajektorienverlauf T realisiert werden kann. Wird nun das Geschwindigkeitsprofil des oberen Auslenkbereichs 7 des resonanten Mikrospiegels 3 für die vertikale Auslenkung der

Laserprojektionseinheit LP der Fig. 2 verwendet, so verringert sich die vertikale

Geschwindigkeit mit zunehmendem Auslenkwinkel φ und es kann auf der Fahrbahn ein annähernd homogener Trajektorienverlauf T realisiert werden.

Um nur den oberen Ablenkbereich 7 für beispielsweise die Erreichung des homogenen Trajektorienverlaufs in Fig. 3 zu verwenden, kann die idealisierte optische Komponente 12 im einfachsten Fall, wie bereits erwähnt, ein Abschneiden des unteren Bereichs 8 bewirken, so dass nur der obere Bereich 7 die idealisierte optische Komponente 12 passieren kann und als Projektionsbereich dient. Dies führt zu einer gepulsten Nutzung der Laserlichtquelle 2 mit 50 % Einschaltdauer. Im Bereich dieses Projektionsbereichs 7 könnte die Lichtleistung gesteigert werden, indem die Lichtquelle gepulst oberhalb von 100 % Nennleistung betrieben wird. Die idealisierte optische Komponente 12 kann auch durch einen geeignet gepulsten Betrieb des Laserstrahls 5 erzeugt werden, indem in Synchronisation mit dem resonanten

Mikrospiegel 3 der Laser 2 für den unteren Bereich 8 dunkel getastet wird.

Eine weitere Möglichkeit einer Realisierung besteht darin den unteren Bereich 8 der Lichtverteilung des Lasers 2 nach dem Mikrospiegel 3 mittels der idealisierten optischen Komponente 12 in den oberen Bereich 7 zu projizieren. Mit anderen Worten, der obere Bereich 7 verlässt die idealisierte optische Komponente 12 unverändert, während der untere Bereich 8 so projiziert wird, dass der untere Eingangsstrahl 1 1 nach der Projektion durch die optische Komponente auf den Ort des oberen Strahls 9 abgebildet wird. Auf diese Weise erreicht man das gewünschte Geschwindigkeitsprofil über den gesamten oberen

Projektionsbereich 7, was durch den projizierten unteren Bereich 8' symbolisiert ist, der den durch die optische Komponente 12 sozusagen "gespiegelten" oder umgelenkten unteren Bereich 8 darstellt. Mit anderen Worten, der untere Bereich 8 wird durch die optische Komponente 12 an einer Ebene in den oberen Bereich 7 gespiegelt, die durch die resonante Achse 4 und den mittleren Strahl 10 definiert ist. Je nach Art der Umlenkungsoptik in der optischen Komponente 12 wird eine Verdopplung der Auflösung oder eine Verdopplung der Darstellungsfrequenz erreicht.

Fig. 5 zeigt eine erste Möglichkeit der Realisierung der in der Projektionsoptik 1 eingesetzten optischen Komponente 12, bei welcher der untere Bereich 8 nach dem Mikrospiegel 3 in den oberen Bereich 7 hinein projiziert wird. Als Lichtquelle 2 wird in diesem Beispiel eine polarisierte Weißlichtquelle verwendet, beispielsweise ein RGB-Laser 2. Das Licht 5 des RGB-Lasers trifft auf den resonant um die Achse 4 schwingenden Mikrospiegel 3, der den Laserstrahl über den Ablenkbereich 6 , bestehend aus einem oberen Bereich 7 und einem unteren Bereich 8 ablenkt, wobei die beiden Bereiche 6, 7 durch die Strahlen 9, 10, 1 1 definiert sind. Der gesamte Ablenkbereich 6 wird von einer Linseneinheit 13 erfasst, die ein Parallelisieren der Strahlen 9, 10 und 1 1 bewirkt. Der obere Bereich 6, gebildet durch die parallelen Strahlen 9 und 10, trifft auf einen Rekombinationsspiegel 21 , der für die

Polarisierung der Laserstrahlen des oberen Bereichs 7 durchlässig ist. Nachfolgend dem Rekombinationsspiegel 21 treffen die Strahlen des oberen Bereichs 7 zur Strahlaufweitung und Projektion auf eine Linseneinheit 22, sodass die Strahlen des Bereichs 7 die optische Komponente 12 aufgeweitet verlassen. Der durch die Strahlen 10 und 1 1 begrenzte untere Bereich 8 des Ablenkbereichs 6 des Mikrospiegels 3 umfasst die drei Farbkomponenten R, G und B mit entsprechender

Polarisierung. In einem ersten dichroitischen Spiegel 14 wird eine erste Komponente, beispielsweise die R-Komponente, ausgefiltert und nach unten abgelenkt. Mit anderen Worten, der erste dichroitischen Spiegel 14 spiegelt die R-Komponente und ist für die anderen Komponenten B und G durchlässig. Ein zweiter dichroitischen Spiegel 16 filtert beispielsweise die G-Komponente aus und lenkt diese ebenfalls um 90° nach unten ab. Für die B-Komponente ist ein nachfolgender dritter dichroitischen Spiegel 18 verantwortlich, der für diese Komponente reflektierend ausgelegt ist und sie um 90° nach unten ablenkt.

Nach dem dritten dichroitischen Spiegel 18 sind alle Komponenten R, G und B des unteren Bereichs um 90° nach unten abgelenkt und treffen dort auf drei weitere dichroitische Spiegel 15, 17 und 19, die die Komponenten R, G und B erneut um 90° nach rechts ablenken, sodass nach dem unteren dichroitischen Spiegelsatz bestehend aus den Spiegeln 15, 17 und 19 die Komponenten R, G und B des Laserlichts des unteren Bereichs 8 wieder vereint sind und in ein Umkehrprisma 20 eintreten, dass die Strahlen des unteren Bereichs 8 wieder nach oben auf den Rekombinationsspiegel 21 schickt, sodass nach dem

Rekombinationsspiegel 21 der untere Bereich 8 in den oberen Bereich 7 hinein projiziert ist, was nach der Linseneinheit 22 zur Strahlaufweitung durch die Bezugszeichen 7 und 8' symbolisiert wird. Um die Rekombination des oberen Bereichs 7 mit dem unteren Bereich 8 an dem Rekombinationsspiegel 21 zu erreichen, muss die Polarisation des unteren Bereichs 8 entsprechend ausgelegt sein, sodass eine Reflektion am Rekombinationsspiegel 21 erfolgt. Mit anderen Worten, der Rekombinationsspiegel 21 ist für die Polarisation des oberen Bereichs 7 durchlässig und für die Polarisation des unteren Bereichs 8 reflektiv. Um dies zu erreichen sind in dem Strahlengang der dichroitischen Spiegel 14 - 19 jeweils für jede Komponente R, G und B ein Lambda/2-Plättchen 23 angeordnet, welches die

Polarisation um 90° dreht, sodass am Rekombinationsspiegel 21 entsprechend seiner Auslegung die zur Reflektion passende Polarisation für den unteren Bereich 8 anliegt.

Fig. 6 zeigt eine einfachere Variante der optischen Komponente 12 zur Projektion des unteren Bereichs 8 des Ablenkbereichs 6 in den oberen Bereich 7. Dabei wird die optische Komponente 12 durch ein planparalleles Prisma 24 und ein Umkehrprisma 26 gebildet, wobei das Umkehrprisma 26 an der Unterseite des planparallelen Prismas 24 so angeordnet ist, dass zwischen der Unterseite des planparallelen Prismas 24 und der Oberseite des Umkehrprisma 26 ein TIR-Luftspalt 25 angeordnet ist. Dabei steht "TIR" für totale innere Reflektion.

Der Laserstrahl 5 des Lasers 2 trifft auf den um die Achse 4 schwingenden resonanten Mikrospiegel 3, der einen Ablenkbereich 6 formt bestehend aus einem oberen Bereich 7 und einem unteren Bereich 8. Der obere Bereich 7 tritt in das planparallele Prisma 24 ein, wobei der oberer Strahl 9 im planparallelen Prisma 24 entsprechend nach oben abgelenkt wird, während der mittlere Strahl 10 in den TIR-Luftspalt 25 eintritt und aus der optischen

Komponente 12 in seiner Richtung unverändert nach vorne austritt. Die optische

Komponente 12 der Fig. 6 führt daher auf der Austrittsseite zu der dargestellten Aufweitung des oberen Bereichs 7.

Der untere Bereich 8 tritt nach dem Mikrospiegel 3 in das Umkehrprisma 26 ein und erfährt eine Ablenkung, welche am Beispiel eines "fast" mittleren Strahls 10', der kurz unterhalb des mittleren Strahls 10 angeordnet ist, und des unteren Strahls 1 1 dargestellt ist. Der "fast" mittlere Strahl 10' wird durch das Umkehrprisma 26 im wesentlichen ebenfalls austrittsseitig geradeaus abgelenkt, allerdings um eine Distanz 27 versetzt zum mittleren Strahl 10. Der den unteren Bereich 8 nach unten begrenzende untere Strahl 1 1 wird durch das

Umlenkprisma 26 schräg nach oben projiziert und verläuft im Abstand 27 parallel zum abgelenkten oberen Begrenzungsstrahl 9 des oberen Bereichs 7. Der untere Bereich 8 wird folglich durch das Umkehrprisma 26 in den oberen Bereich mit umgekehrten

Geschwindigkeitsprofil als Bereich 8' projiziert, allerdings muss ein gewisser Versatz 27 in Kauf genommen werden. Der durch diese optische Komponente 12, bestehend aus der planparallelen Platte 24, dem TIR-Luftspalt 25 und dem unteren Umkehrprisma 26, entstehende vertikaler Versatz 27 kann durch den Querschnitte der Prismen, die

Brechzahlen der Materialien und den Abstand der optischen Komponente 12 vom

Mikrospiegel 3 noch minimiert werden. Ferner führte der verbleibende Versatz 27 zu kurzen Ausschaltzeiten des Lasers, welche jedoch geringer sind als bei der ausschließlichen Verwendung von nur einer Hälfte der Lichtverteilung, wie dies als Variante in

Zusammenhang der Fig. 4 diskutiert wurde. Bezugszeichenliste

Projektionsoptik

Laser

MEMS-Spiegel

resonante Achse

Laserstrahl

Ablenkbereich

oberer Bereich

unterer Bereich

' gespiegelter unterer Bereich

oberer Strahl

0 mittlerer Strahl

0' "fast" mittlerer Strahl

1 unterer Strahl

2 optische Komponente

3 Linse

4 dichroitischer Spiegel

5 dichroitischer Spiegel

6 dichroitischer Spiegel

7 dichroitischer Spiegel

8 dichroitischer Spiegel

9 dichroitischer Spiegel

0 Umkehrprisma

1 Rekombinationsspiegel 22 Linse

23 Lambda/2 - Plättchen

24 Planparallele Platte

25 TIR-Luftspalt

26 Umkehrprisma

27 Versatz

LP Laserprojektionseinheit

F Fahrzeug

A Projektionsfläche/Scanfläche

T Trajektorie l_t Projektionslänge

l₂ Projektionslänge

a Winkel

ψ Winkel

v_v vertikale Scangeschwindigkeit

Claims

Patentansprüche

1 . Projektionsoptik (1 ) für ein Kraftfahrzeug (F) zum Projizieren eines Laserstrahls (5) in das Umfeld des Kraftfahrzeugs (F), insbesondere auf die Fahrbahn (FB) vor dem Kraftfahrzeug (F), zur Darstellung von Lichtsymbolen, mit

einer Lasereinheit (2) zur Erzeugung eines Laserstrahls (5), und

einem MEMS-Spiegel (3) mit mindestens einer resonanten Achse (4), wobei der Laserstrahl (5) von dem um die resonante Achse (4) schwingenden MEMS-Spiegel (3) in einer Ebene senkrecht zur resonanten Achse (4) in einen Ablenkbereich (6) gebildet durch die beiden maximalen Auslenkungen des MEMS-Spiegels (3) abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass

die Projektionsoptik (1 ) eine optische Komponente (12) aufweist, welche das eingangsseitig durch den resonant schwingenden MEMS-Spiegel (3) bedingte

Winkelgeschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls (5) ausgangsseitig auf ein vorgegebenes Winkelgeschwindigkeitsprofil begrenzt, wobei das ausgangsseitige Geschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls (5) einen Teilbereich des eingangsseitigen Geschwindigkeitsprofils umfasst.

2. Projektionsoptik (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das von der optischen Komponente (12) ausgangsseitig erzeugte Winkelgeschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls (5) einen ersten Bereich (7) zwischen maximaler und minimaler Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls (5) des

eingangsseitigen Ablenkbereichs (6) umfasst, wobei der eingangsseitige Ablenkbereich (6) sich in zwei Bereiche (7, 8) gliedert, die jeweils durch die maximale und minimale Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls (5) definiert sind, wobei die maximale Winkelgeschwindigkeit der minimalen Auslenkung des MEMS-Spiegels (3) und die minimale Winkelgeschwindigkeit einer der beiden maximalen Auslenkungen des MEMS-Spiegels (3) entspricht.

3. Projektionsoptik (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste

Bereich (7) zwischen maximaler und minimaler Winkelgeschwindigkeit des

abgelenkten Laserstrahls (5) die optische Komponente (12) passiert, während der zweite Bereich (8) ausgeblendet wird.

4. Projektionsoptik (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die

Ausblendung des zweiten Bereichs (8) durch eine Dunkeltastung des Lasers in Synchronisation mit dem MEMS-Spiegel erfolgt.

5. Projektionsoptik (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im

ersten Bereich (7) die Lasereinheit oberhalb von 100% Nennleistung betrieben wird.

6. Projektionsoptik (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (12) eine erste Einrichtung (13, 21 ) aufweist, die den ersten Bereich (7) zwischen maximaler und minimaler Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten

Laserstrahls (5) passieren lässt und eine zweite Einrichtung (14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 ) aufweist, mit welcher der zweite Bereich (8) ausgangsseitig in den ersten Bereich (7) derart gespiegelt wird, dass die jeweiligen Laserstrahlen (4) gleicher

Winkelgeschwindigkeit der beiden Bereiche (7, 8) ausgangsseitig übereinstimmen.

7. Projektionsoptik (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (12) eine erste Einrichtung (24, 25) aufweist, die den ersten Bereich (7) zwischen maximaler und minimaler Winkelgeschwindigkeit des abgelenkten

Laserstrahls (5) passieren lässt, und eine zweite Einrichtung (26) aufweist, mit welcher der zweite Bereich (8) ausgangsseitig derart gespiegelt wird, dass die jeweiligen Laserstrahlen (4) gleicher Winkelgeschwindigkeit der beiden Bereiche (7, 8) mit parallelem Versatz (27) zueinander verlaufen.

8. Projektionsoptik (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste

Einrichtung (24, 25) durch eine planparallele Platte (24) sowie einen TIR-Luftspalt (25) und die zweite Einrichtung durch ein Umkehrprisma (26) gebildet werden, wobei die erste Einrichtung (24, 25) und die zweite Einrichtung (26) durch den TIR-Luftspalt miteinander verbunden sind.

9. Projektionseinheit (LP) für ein Kraftfahrzeug (F) zum Projizieren eines Laserstrahls (5) in das Umfeld des Kraftfahrzeugs, insbesondere auf die Fahrbahn (FB) vor dem Kraftfahrzeug (F), zur Darstellung von Lichtsymbolen,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Projektionseinheit (LP) eine Projektionsoptik (12) nach einem der

vorangegangenen Ansprüche aufweist.

0. Projektionseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Achse (4) des MEMS-Spiegel horizontal angeordnet ist und das Geschwindigkeitsprofil des oberen Bereichs (7) des Ablenkbereichs (6) zur Darstellung von Lichtsymbolen im Umfeld des Kraftfahrzeugs verwendet wird.