WO2023025907A1 - Verfahren zum steuern einer laserdiode sowie einer digitalen mikrospiegelvorrichtung einer bilderzeugenden einheit in einem holografischen head-up-display - Google Patents

Verfahren zum steuern einer laserdiode sowie einer digitalen mikrospiegelvorrichtung einer bilderzeugenden einheit in einem holografischen head-up-display Download PDF

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Definitions

  • aspects of the invention presented here relate to a method for controlling at least one light source and a digital micromirror device of an imaging unit, with a light beam being directed from the light source onto a number of micromirrors of the digital micromirror device, with the aid of which an image is generated by the imaging unit depending on the respective mirror positions Unit can be generated and output.
  • aspects also relate in particular to an augmented reality (AR) head-up display, which has the imaging unit.
  • AR augmented reality
  • the head-up display shows the vehicle driver two- or three-dimensional information in a holographic manner in his field of vision through a window of the vehicle (especially the windshield) or the field of vision with objects detected therein is superimposed with this information.
  • a holographic optical element integrated into the window (or into a transparent plate placed in front of it), which - also referred to as a so-called combiner - is irradiated in a suitable manner by an imaging matrix with a light wave front, with the Utilization of the effects of the implemented in the holographic optical element hologram highly coherent light is required, which is therefore preferably one or more Can come from laser modules in which laser diodes or laser diode arrays are installed.
  • Such head-up displays usually include an imaging or image-generating unit (PGU) with a light source, an optics module and the combiner or the HOE element as a projection surface.
  • the imaging unit usually has a digital micromirror device (digital micromirror device, DMD), the micromirror individually in a known manner in an "ON” or “OFF” position can be controlled to generate and project a desired image when the Radiation from the light source is directed onto the digital micromirror device.
  • Light intensities are often generated via pulse width modulation during operation of the micromirror.
  • Such a system is, for example, in D. Doherty, G.
  • the time frame specified in each case for the micromirrors corresponds to an update time (total refresh period) of the micromirror in question.
  • This is divided into bits, each with a specified time period.
  • the next higher bit includes twice the fraction or twice the time duration, etc.
  • bit splitting is also used , so that the "ON" or "OFF" positions assigned to the individual bits are evenly distributed within each individual time frame.
  • MSB most significant bit within which the mirror position is either only “ON” or only “OFF”, could otherwise - depending on the duration of the time frame (or the total refresh period) and the selected number n of bits - a already have a length that can be perceived by the human eye.
  • a laser with a very narrow wavelength spectrum is required as the light source for the holographic optical element (HOE) in the windshield, which is why semiconductor lasers are particularly suitable.
  • the wavelength of semiconductor lasers is temperature-dependent, which is why the relevant laser diodes generally have to be kept at a substantially constant temperature during operation. More precisely, there is a need to keep the junction temperature of the semiconductor components of the laser diodes constant.
  • VBG volume Bragg gratings
  • the current or the power and/or the duration of the laser pulses must also be adjusted with which the laser diode(s) in the AR head-up display are operated. If the average power of a laser diode in question is reduced, then the junction temperature is also reduced as a result, which in turn leads to a Wavelength drift and/or line broadening of the radiation emitted by the laser.
  • a Peltier element thermoelectric cooler, TEC
  • TEC thermoelectric cooler
  • the publication DE 10 2006 036 112 A1 describes a method for operating an illumination system with a high-pressure discharge lamp, the emitted radiation of which is also supplied to an electronic micromirror device.
  • Colors are generated in a known manner by means of a color wheel, through which the radiation is passed, with a plurality of sequential color segments.
  • the commutating lamp current has half-waves to which the color segments are assigned, with each half-wave being assigned a number of color segments.
  • a so-called maintenance pulse is emitted, which stabilizes the discharge of the lamp. This maintenance pulse increases the lamp current for a short time and is in an intermediate phase in which the output of the radiation reflected by the micromirror device for the purpose of projection is suppressed.
  • the effect of the lamp current during the color segments of a half-cycle and the maintenance pulse of the same half-cycle on the electrode temperature at the time of the commutation following the half-cycle is balanced in such a way that the discharge is stabilized even if the color temperature is changed during operation.
  • the amplitude of the lamp current in the color segments is compensated for by changing the lamp current in the intermediate phase, for example by changing the duration of the maintenance pulse or by changing the amplitude of the same.
  • Some of the aspects described below are based on the object of enabling rapid brightness adjustments in an imaging unit with a light source, even with great dynamics, without the parameters of the light source changing in the process, in particular the wavelength in the case of a laser used.
  • the object is achieved by a method for controlling at least one light source and an imaging unit having a digital micromirror device with the features of patent claim 1.
  • Advantageous refinements and developments are specified in the dependent claims.
  • the starting point is a corresponding method in which a light beam from the light source is directed onto a number of micromirrors of the digital micromirror device (DMD), with the help of which an image can be generated and output by the imaging unit (PGU) depending on the respective mirror positions.
  • the light source can preferably be one or more laser modules.
  • Such a method comprises, for example, steps in which the digital micromirror device is operated by means of pulse width modulation in a scheme of bit segments of a predetermined time duration which follow one another within an update time or a time frame.
  • the individual micromirrors in a fixed time frame which can correspond to the update time, separated into sequences of bits and independently of each other in the "ON" positions. or “OFF” can be set in order to generate a certain brightness amplitude, which is specified, for example, and/or can correspond to a video signal.
  • the time frame specified in each case for the micromirror can correspond to an update time (total refresh period) of the micromirror in question.
  • the update time is defined as the smallest unit of time on the basis of which the brightness of the radiation reflected by the micromirrors (e.g. for a laser module of a specific color) is controlled for since the assignment of ON" or "OFF" to the bits only results in this value in an integrated manner.
  • the least significant bit comprises, for example, a fraction 1/(2 n -1 ) of the total time of the time frame, where n is the total number of bits provided.
  • the next higher bit comprises twice the fraction or time duration, etc. up to the most significant bit (MSB), which has the longest time duration, namely the fraction 2 n ' 1 /(2 n -1).
  • MSB most significant bit
  • the respective bit segment within the time frame or the update time of the micromirrors can now have the time duration assigned to the corresponding bit. This does not have to be done "in one go”. Rather, as above with reference to, for example, Doherty et al.
  • the invention is not limited to the specific configuration of the representation of the pulse widths in bits in order to achieve a specific integrated brightness. It is also possible to control the micromirrors with continuously varying pulse widths.
  • the method proposed here also comprises the steps of activating at least one micromirror of the digital micromirror device in order to, within a first partial interval of the update time comprising one or more pulses, wherein the pulse(s) correspond to the bit segment(s), a set the first mirror position (eg "ON") in such a way that the portion of the light beam falling on the micromirror is output from the imaging unit.
  • the micromirrors are set to "ON" bit by bit or by bit segments--depending on the desired brightness--in order to emit light. These bits or bit segments together form a first interval that is not necessarily contiguous in the time frame.
  • each individual pulse width can also be considered, which then exclusively includes contiguous bit segments or possibly even just an individual "ON"-switched, isolated bit segment for the first partial interval summarizes.
  • the chosen designation "ON” for a mirror position in which the beam is reflected in such a way that it is output from the imaging device is purely subjective and does not reflect whether the micromirror in question is in that position with power or voltage is supplied or not.
  • Further steps are providing power to the light source for at least the duration of the first sub-interval to cause the light source to emit a predetermined amount of light therein.
  • This can mean that the respective micromirror is supplied with essentially constant power within the first partial interval and correspondingly also emits essentially constant light power. This can also be reduced in amplitude.
  • the individual bit segments are not provided with a constant power supply within their intended time period, or even with a power supply that is only provided at times or in sections in order to control the average light output.
  • the light source assumes a second mirror position (OFF) within a second sub-interval of the update time, which is complementary to the first sub-interval, in which the at least one micro-mirror of the digital micro-mirror device assumes a second mirror position (OFF), so that the light falling on the micro-mirror Light beam portion is not output from the imaging unit is supplied with a power.
  • the light source also radiates when the relevant micromirror reflects the radiation in such a way that it does not leave the imaging unit as useful radiation.
  • the reflected light beam is directed into a light sink (e.g. light-absorbing screen, etc.) in this mirror position.
  • the light yield (power of the useful light over the entire time frame depending on the power used in the light source) is of course reduced by this control.
  • this results in a power in the light source that is essentially more balanced over time, in particular a laser module implemented.
  • the heat input in the light source tends to be decoupled from the currently requested light requirement.
  • the complementary second sub-interval can comprise one or more bit segments, which also do not necessarily have to be contiguous.
  • the second sub-interval can also only be the sub-interval that follows (or respectively precedes) the individual pulse of the first sub-interval, until a new pulse of a subsequent bit segment begins.
  • complementary here designates a second time interval that is different from the first interval and that fills the time frame, but only to the extent that activation of the micromirrors is possible at all.
  • the colors are activated regularly and sequentially, which means that the update time is tripled, for example.
  • the complementary second time interval is limited to the time that the respective color is activated. Since three laser modules are controlled in the same way but with different bit values, in this case three first time intervals and three associated, complementary second time intervals occur within the one higher-level update time. The colors must not overlap in time. An embodiment is described in detail below.
  • the update time as it is used here in the narrower sense, therefore corresponds to the duration of the time frame defined for a color or the sum of the time durations of the bits or bit segments contained therein.
  • a time-average value of the power in the complementary second sub-interval is increased compared to a time-average value of the power within the first sub-interval.
  • This power control can be used to counteract a cooling of the light source even more effectively in the case of a small amount of light that is intended or requested for output from the imaging unit.
  • This measure is particularly effective when the amount of light is regulated down so far, for example due to low external requirements, that in the scheme of consecutive bit segments within an update time with a constant amplitude of the power supply, the mean radiated light power is no longer replaced by a "ON" switched least significant bit (LSB) can be represented.
  • LSB switched least significant bit
  • the amplitude within the bit segments can be further reduced by additional measures in order to thus achieve a high dynamic range of the light output, ie a large ratio between maximum and minimum light output.
  • additional measures are described, among other things, in “Enabling the Next Generation of Automotive Head-Up Display Systems", Application Report DLPA043A (Oct. 2013, revised version Nov. 2017) from Texas Instruments.
  • the total power consumption remains constant regardless of the light requirement or the light yield and the heat input also remains constant as a result. This effectively prevents a disadvantageous change in the laser properties during operation, in particular a wavelength drift, etc.
  • Such an operating mode can be particularly useful in those situations where high dynamics are required in a short adaptation time, for example with a head-up display installed in the vehicle in a situation in which the vehicle enters tunnels, underpasses, multi-storey car parks or underground car parks during the day - or departing, or in the case of an aircraft that enters dense clouds separated from each other by free sunlit areas. These transitions happen suddenly. For example, a lower brightness requirement after entering the tunnel would lead to a drop in performance, which in turn would result in a temperature change in the laser module. This could conventionally be described as the quality of the radiation emitted by the laser module affect, such as wavelength drift, which adversely affects the holographic representation.
  • the drop in power and amplitude is now compensated for by an increase in the amplitude in the second sub-interval, in which no light is emitted.
  • the temperature of the laser module and in particular of the barrier layer relevant for the generation of radiation and any Bragg grating remains constant as a result, as does the wavelength of the radiation.
  • a rapid brightness adjustment can take place in this operating mode in that the average power in the second sub-interval is immediately adapted to the power adjustment in the first sub-interval.
  • the proposed control method for one or more light sources and an imaging unit having a DMD enables laser dimming over a high dynamic range of powers, in which impairments are caused by a lower heat input in the light source due to a drop in the power supply, in particular in the area very low power can be avoided.
  • the method can therefore be used to advantage wherever a DMD is operated with laser radiation over a high dynamic range.
  • a second operating mode into which there is an optional switchover from the first operating mode.
  • the light source is supplied with power within the second sub-interval of the update time (time frame with the number of bits, total refresh period, "bytes"), which is complementary to the first sub-interval, with a time-average value of the power within the first sub-interval being essentially equal to a time-average value of the power within the second sub-interval.
  • This operating mode corresponds e.g.
  • the mean power in the first partial interval is still comparatively high in the second operating mode, because the amplitude of the current with which the laser module is supplied is consistently high.
  • the second sub-interval is also supplied with power, but only with the same average power, but there is no compensation for any reduced current amplitude in the first sub-interval.
  • a current with an overall constant current level flows through the laser module.
  • the second operating mode can be described as conventional, but the combination with the first operating mode is particularly advantageous because it is possible to switch smoothly from one operating mode to the other. For example, during normal daytime driving when entering a tunnel, the brightness requirement can drop sharply, more than is still possible with the bit representation (high dynamics). Here, as described, the amplitude within the pulse can be reduced. Switched to the first operating mode (“tunnel mode”) from the second operating mode (“daytime driving mode”), this can be compensated for by an increased average power in the second sub-interval.
  • the increased time average value of the power in the second sub-interval is dimensioned in the first operating mode in such a way that it compensates for the low time average value of the power within the first sub-interval, so that a resulting time average value of the power is based on the entire bit -Segment in the first mode of operation is substantially equal to the corresponding time average value of the power in the second mode of operation.
  • the average power converted over an update time is the same between the first operating mode and the second operating mode.
  • a third operating mode into which it is possible to switch from the first (and in particular also from the second) operating mode.
  • the light source is not supplied with power within the second sub-interval of the update time, which is complementary to the first sub-interval.
  • this operating mode can be particularly suitable for driving at night, at least in an operation that lasts longer than, for example, just a short passage through a tunnel or the like Micromirror is emitted, and no longer in the second sub-interval, here of course there is an advantage of a high proportion of useful light with simultaneous power savings.
  • the temperature-dependent cooling can be provided with the aid of a Peltier element. This optional aspect is described further below.
  • a reaction time e.g. from the measurement of a temperature change with the help of a sensor, via the controller to the insertion of the heat conduction into the barrier layer
  • this operating mode is less suitable for fast (laser) Suitable dimming applications as described above with reference to the first mode of operation.
  • criteria for switching between the operating modes are provided.
  • the third mode of operation can be selected for switching when
  • the expected period of time mentioned is the planned duration of the activation of the third operating mode.
  • the first mode of operation is selected when
  • the anticipated period of time mentioned is the planned duration of the activation of the first operating mode here.
  • the second operating mode is selected and switched to when a certain amount of light for the bit segment, which is emitted by the light source depending on the power and the duration of the first sub-interval, exceeds a predetermined first threshold value.
  • a certain amount of light for the bit segment which is emitted by the light source depending on the power and the duration of the first sub-interval, exceeds a predetermined first threshold value.
  • the first threshold value can be 20% or less of a maximum value of an amount of light that can be emitted within the bit segment, which is dependent on a nominal power of the light source, preferably 15% or less, more preferably 10% or less, more preferably 5% or less, most preferably 1% or less.
  • the second threshold value can optionally be between 10 minutes and 60 minutes, for example 10, 20, 30, 40, 50 or 60 minutes, or intermediate values. This exemplary information can relate to the operation of head-up displays in motor vehicles. Other threshold times may be useful in other vehicles or applications and the aspects described herein are not limited thereto.
  • the light source is a semiconductor light source, preferably a laser diode or a laser diode array.
  • the control of the power with regard to the generation and development of heat in the semiconductor barrier layer is particularly critical, so that the proposed aspects unfold particular advantages here.
  • a junction temperature in the semiconductor light source can be readjusted in the first, second and/or third operating mode with the aid of a Peltier element assigned to the semiconductor light source.
  • the Peltier control can also be permanently activated or operated, i.e. in all 3 operating modes.
  • a temperature sensor can, for example, measure the temperature of the relevant laser diode housing and the Peltier control then keeps this comparatively constant, even if the ambient temperature of the entire module changes. This control can be sluggish due to the heat conduction.
  • the temperature of the laser diode housing can also change when switching to the third operating mode due to the changed power loss of the diode, with the Peltier element being able to slowly readjust.
  • the power with which the light source is supplied over the first and second sub-interval or over the respective complete bit segment or optionally substantially constant in a continuous mode for a portion thereof maintained, or controlled in a discontinuous mode at least in the first, possibly also in the second and / or third operating mode.
  • the continuous mode and the discontinuous mode are described, for example, in US 2014/0085731 A1 or in "Enabling the Next Generation of Automotive Head-Up Display Systems", Application Report DLPA043A (Oct. 2013, revised version Nov . 2017) by Texas Instruments, and stand for the high dynamic range concept proposed therein. The concept is explained below in connection with the detailed description of exemplary embodiments.
  • the light source and the imaging unit are part of an AR head-up display, with the light beam emitted by the imaging unit being directed via optics onto a combiner, which is formed by a holographic optical element.
  • the application in an AR head-up display offers special advantages and meets the special requirements there for a permanent and permanent holographic display.
  • Another aspect of the present invention relates to a device, in particular an AR head-up display, comprising an imaging unit and at least one light source, comprising a control device for carrying out the method steps according to one or more of the aspects, developments and exemplary embodiments mentioned above is set up.
  • a device in particular an AR head-up display, comprising an imaging unit and at least one light source, comprising a control device for carrying out the method steps according to one or more of the aspects, developments and exemplary embodiments mentioned above is set up.
  • a laser diode is often used as a standard component, which consists of the actual laser diode, namely a laser chip, a substrate carrying the laser chip, electrical lines with optional electronic components such as a photodiode, two or three contact lugs or pins, and is formed from a protective housing with a decoupling window for these components.
  • the laser chip can be an edge emitter.
  • the housings with the base formed from the substrate and contact pins are standardized according to size, for example they can be TO 38, TO 56 or TO 90 housings, etc. In the present Registration can be referred to as "laser diode" and the entire module with housing and base and not just the actual laser chip.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of the structure of an AR-HUD system in which exemplary embodiments of the invention can be implemented
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the structure of a light source for the AR-HUD system from FIG. 1, each with a laser module for the RGB colors;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the structure of a light source for the AR-HUD system from FIG. 1, each with a laser module for the RGB colors;
  • FIG. 3 in somewhat greater detail, but also shown schematically, a laser module from FIG. 2 with a Peltier element;
  • FIG. 4 shows the structure or division of a time frame or the update time for the coordinated control of a DMD and the light source by bits, as well as two examples below for setting bits to achieve brightness values;
  • FIG. 5 shows the structure or the division of a time frame or the update time as in FIG. 4, but with individual bits being divided into time-separated bit segments by bit splitting;
  • Figure 6 is a diagrammatic representation of the control of brightness within a bit segment (plotted versus time) in the continuous mode to increase dynamic range;
  • Fig. 7 shows diagrammatically the control of brightness within a bit segment (plotted against time) similar to Fig. 6 but in the discontinuous mode to increase the dynamic range even further;
  • Fig. 8 is a diagram showing schematically the control of an optical imaging device in the third operating mode (night driving mode);
  • FIG. 9 shows in a diagram as in FIG. 8 in a schematic manner the control of an optical imaging device, but in the second operating mode (daytime or normal driving mode);
  • Fig. 10 shows in a diagram as in Fig. 8 or 9 in a schematic way the control of an optical imaging device, but in the first operating mode (tunnel driving mode).
  • exemplary embodiments of the proposed control method can be implemented by programming and/or by adapting/supplementing the hardware in a control device 10 of an AR-HUD system 1, as shown in FIG. 1, which very roughly and simplifies the architecture of the Texas proposal instrument reflects.
  • the AR-HUD system 1 comprises, as main components, a control device 10, an imaging optical device 20, a projection optics 30, and a transparent placed in the window (windshield of an automobile) or in front of it Plate integrated holographic optical element 40 (HOE) that acts as a combiner.
  • External elements are the on-board communication system 2 of the motor vehicle with a host processor 4.
  • the information to be displayed holographically and e.g. dimming commands can be transmitted to the control device 10 via RGB video signal lines 5 and other lines 6 for instructions etc.
  • the information to be displayed holographically can in particular be ADAS messages (ADAS: advanced driver assistance system), physical data about the motor vehicle during the current journey or navigation data.
  • ADAS advanced driver assistance system
  • the control device 10 can include the actual DMD controller 12 , a laser module controller 14 and a power supply unit 16 .
  • the optical imaging device 20 has the micromirror device 22 and light sources 24 that are set up to direct the radiation they emit selectively onto the individual mirrors of the micromirror device 22 .
  • the DMD controller 12 controls the micromirror assembly 22, or selectively places each micromirror in an "ON" or “OFF” position. In the "ON" position, the radiation impinging on the respective micromirror is directed into the projection optics 30, while in the "OFF” position it is directed, for example, into a light sink such as an absorption screen.
  • the micromirrors are controlled by the DMD controller 12 in a time-coordinated manner in a scheme of bit sequences which, when put together, result in individual bits of a time frame of a predetermined time duration, as will be described in greater detail below.
  • the time frame corresponds to the update time (frame refresh priod) of the micro mirrors. Due to the bit-by-bit representation within the time frame of fixed duration, the respective brightnesses to be displayed are represented digitally.
  • the light sources 24 are also Bit-wise or bit-segment-wise controlled, the individual bits between the control of the micromirror and the control of the laser modules essentially match in terms of time.
  • the projection optics 30 can comprise a number of collimation lenses 31 , 33 and a deflection mirror 32 .
  • the control device 10, the optical image generating device 20 and the projection optics 30 together form an image generating unit 8 (PGU—picture generating unit).
  • PGU picture generating unit
  • the imaging unit 8 of the AR-HUD system 1 is located within the dashboard of a motor vehicle, and the radiation it emits impinges on the holographic optical element 40 upwardly out of the dashboard.
  • the inclination and alignment of the holographic optical element 40 and the projection optics 30 are coordinated with one another such that the driver 46 of the motor vehicle perceives the holographic image 42 in the desired manner and in high quality within a space 44 referred to as an “eye box”.
  • a laser module 24a, 24b, 24c can be provided for the colors R, G and B, the light beam of which hits semi-transparent mirrors in such a way that their beam path at the output of the light source (schematically in Fig. 2 represented by a collimating lens) superimposed geometrically. Simultaneous emission of radiation is possible, but the bit-by-bit control regularly provides for consecutive time frames to be reserved for the individual colors.
  • the laser module 24a-c includes a heat sink 25, on which a Peltier element 26 is attached, and a base plate 27 for the laser diode, which in turn is arranged on the Peltier element 26.
  • a bracket 202 (star) extends vertically from the base plate 27, to which a submount 204 is fastened.
  • a laser chip 204 which is designed as a vertical edge emitter, is attached to this.
  • the laser chip 204 can be supplied with power through contact pins 201 .
  • the power supply is controlled by the laser module controller 14 as described above.
  • the Peltier element 26 can also be gradually controlled by the laser module controller 14 (separately from the power supply of the laser chip 204) in order to bring about cooling of the laser module that is desired in each case.
  • the laser module 24a-c also includes a protective cap 205 for the package, which may be a conventional TO 38, TO 56, TO 90, etc. package.
  • the laser module 24a-c can each (e.g. still inside the housing) have a collimation lens and a VBG grating which, together with the laser chip 204, form a resonator.
  • Figures four and five show the setup or structure of a time frame that can be used to control the digital micromirrors as well as the light sources.
  • the representations shown correspond roughly to those in Doherty et al. (1998) proposed setup for operating DMDs.
  • the time frame can also be divided into fewer or more bits.
  • To the least significant bit 0 (LSB) is assigned a shortest time duration.
  • the allocated time doubles.
  • the time frame is divided with a resolution of 1/31 (least significant bit).
  • bit sequence is 01101 , which corresponds to 13/31 of the total duration of the time frame. Consequently, about 42% of the maximum brightness can be represented by this bit sequence.
  • image sequence is 10110, which is 22/31 of the total duration of the time frame. Consequently, about 71% of the maximum brightness can be represented by this bit sequence.
  • first sub-interval T1 of the time frame Set bits or the durations of contiguously set bits are referred to below as the first sub-interval T1 of the time frame and unset bits or the durations of contiguously not set bits are referred to below as the second sub-interval T2 of the time frame.
  • FIG. 4 The basic principle shown in FIG. 4 of digitally controlling the micromirrors by bit-by-bit setting of the "ON” or "OFF" positions of a relevant micromirror by the DMD controller 12 can be refined by the above-mentioned bit splitting.
  • the bars analogous to FIG. 4 are shown in FIG.
  • the upper bar shows the same time frame of a specified time period P, but the individual bits apart from the first bit 0 and the second bit 1 within the time frame are divided into individual bit segments B0 to B14 and separated in time from one another.
  • non-split bits namely those bits 0 and 1, are construed as bit segments. This also applies to the simple structure shown in FIG. 4, so that the bit segments B0 to B4 result there.
  • Both structures are covered by exemplary embodiments of the control method according to the invention.
  • the bars (time frames) shown in the middle and below in Fig. 5 show the timing for the bit segments BO to B14 for the same bit sequence as shown in Fig. 4 in the middle and below by way of example (bit sequences 01101 and 10110) .
  • a fine distribution of "ON” or "OFF" positions over the time frame is clearly discernible, which further prevents the perception of artefacts by the human eye.
  • FIGS. 6 and 7 show two options for how the dynamic range of the light output can be further improved.
  • a single bit segment e.g. B0 - B14
  • the horizontal axis representing the time axis
  • the vertical axis representing the supply current or light power.
  • This is a bit segment whose associated bit is set. Accordingly, the maximum current flows over the entire duration of the bit segment (e.g. 50 ps).
  • the light output provided by the light source 24 be reduced by the laser module controller 14 or the duration , in which radiation is emitted, compared to the time provided for the bit segment (see Fig. 6 below). Because there is still constant power supply within the pulse, such operation is called continuous mode. This enables a dynamic range of 100:1 to be achieved.
  • the pulse control shown in FIG. 7 goes even further.
  • discontinuous mode one or more short flow pulses are generated.
  • Both the switch-on and the switch-off time of each flux pulse are controlled by alternately switching on and then switching off a current shunt from an energy store (eg capacitor) to ground.
  • the flow pulse size is controlled by detecting when the flow pulse has reached a predetermined setpoint. By switching on the current shunt the power to the selected laser module can be switched off abruptly. As indicated schematically in FIG. 7, a dynamic range of 5000:1 can thereby be achieved.
  • Exemplary embodiments and aspects provide, for example based on the previous control principles, operation with three scenarios for the AR-HUD system 1 shown in FIG. 1, which are each represented by operating modes between which it is possible to switch, for example.
  • the modes of operation are shown in Figures 8-10.
  • the host processor can, for example the operating mode ("third operating mode") shown in FIG. 8 can be activated.
  • the method shown in FIGS. 6 and 7 for the pulse control within a bit segment can be carried out in the continuous or discontinuous mode.
  • the activation time (which defines the individual time frame for each color) can be seen for R, G and B (see high level).
  • the sum of these three color segments forms the refresh time P or the superordinate time frame.
  • only pulses of the same duration for all colors are shown in FIGS. 8 to 10, and only one pulse per time frame. However, as shown in Figures 4 and 5, multiple bit segments may be set per time frame.
  • the mirror position "ON/OFF” and the power supply (or current supply) R_L of the laser module with the laser diode emitting light in the red wavelength range are shown at the fourth and fifth place in FIGS.
  • the The power supply of the laser modules that emit green or blue light is analogous and is not shown separately.
  • the "ON" mirror position corresponds to the activation of a respective micro-mirror of the digital micro-mirror device.
  • the one pulse shown represents a first partial interval of the update time P (or the activation time).
  • a first mirror position “ON” is set over the pulse width shown or the bit segment shown (high level) in such a way that the light beam component incident on the micromirror is output from the imaging unit 8 .
  • the power is supplied only at the same time as the mirror is in the “ON” position, ie at the same time as the first time interval.
  • the average laser power Pt (of the red laser) is significantly reduced compared to the laser power at full brightness if the curve R_L in FIG. 8 is compared with the corresponding in Fig. 9, which shows the "second" mode of operation for day or normal driving.
  • Each laser diode or each laser module 24a-c remains continuous for the respective color segment (ie but only during the activation of the colors R, G, B within the update time) switched on, namely at constant laser power Pcon, and the adjustment of the brightness takes place exclusively through the DMD mirror.
  • the junction temperature also remains constant in this case.
  • This mode of operation corresponds to the brightness control with a high-pressure discharge lamp as the light source.
  • the principle for the first operating mode is shown in FIG. This is activated when a quick and strong adjustment of the brightness is required.
  • the laser power P r is reduced, as in Fig. 8 with reference to the third operating mode, in order to achieve the high brightness dynamics. Even particularly short pulses, as shown in Fig. 7, are possible
  • the mirror for the respective color is now supplied with power to the relevant laser module 24a-c, if possible even with an increased laser power Ph, by the same average power Pm as in Fig. 9 (normal or daytime driving) over the update time or the time frame. This also results in approximately the same average junction temperature. As a result, the wavelength also remains constant.
  • the permitted Maximum currents of the laser diode in question must be observed, even if the laser power is not increased beyond Ph due to the limitation allowed, the mean power will not deviate greatly from Ph and there will only be a small change in wavelength. Since the wavelength-stabilized laser diodes shown in FIGS. 2 and 3 can be operated stably in a temperature range of approximately 5°, this is entirely tolerable. Typical bit segment durations are 50 ps, so switching the laser fast enough is not a problem.
  • the Peltier element 26 is advantageously regulated across all operating modes.
  • An advantage of operating in the night drive mode, or third mode of operation, at night is that the laser module 24 on may result in some background light with the mirrors in the "OFF" position.
  • Base plate (of the housing) 1 Contact pins 2 Holder 3 Submount 4 Laser chip 5 Cap (of the housing)
  • HOE Deflection mirror holographic optical element

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Abstract

Ein Verfahren zum Steuern einer Lichtquelle sowie einer eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD) aufweisenden bilderzeugenden Einheit, wobei von der Lichtquelle ein Lichtstrahl auf eine Anzahl von Mikrospiegeln der DMD gerichtet wird, mit deren Hilfe abhängig von jeweiligen Spiegelpositionen ein Bild erzeugt und ausgegeben werden kann, umfasst: das Betreiben der DMD mittels Pulsbreitenmodulation in einem Schema von innerhalb einer Aktualisierungszeit aufeinander folgenden Bit-Segmenten; das Aktivieren wenigstens eines Mikrospiegels, um innerhalb eines eine oder mehrere Pulse umfassenden ersten Teilintervalls der Aktualisierungszeit, wobei die Pulse den Bit-Segmenten entsprechen, eine erste Spiegelposition (ON) derart einzustellen, dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil ausgegeben wird; und das Bereitstellen einer Leistung, mit welcher die Lichtquelle zumindest innerhalb der Zeitdauer des ersten Teilintervalls versorgt wird, damit die Lichtquelle darin eine vorbestimmte Lichtmenge emittiert. In einem ersten Betriebsmodus wird die Lichtquelle innerhalb eines zweiten Teilintervalls derselben Aktualisierungszeit, in welchem der wenigstens eine Mikrospiegel der digitalen Mikrospiegelvorrichtung eine zweite Spiegelposition (OFF) einnimmt, so dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil nicht aus der bilderzeugenden Einheit ausgegeben wird, mit Leistung versorgt. Ein zeitlicher Durchschnittswert der Leistung im zweiten Teilintervall ist gegenüber einem zeitlichen Durchschnittswert der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls erhöht, um im Fall einer geringen Lichtmenge, die für die Ausgabe aus der bilderzeugenden Einheit vorgesehen ist, einer Abkühlung der Lichtquelle entgegenzuwirken.

Description

VERFAHREN ZUM STEUERN EINER LASERDIODE SOWIE EINER DIGITALEN MIKROSPIEGELVORRICHTUNG EINER BILDERZEUGENDEN EINHEIT
IN EINEM HOLOGRAFISCHEN HEAD-UP-DISPLAY
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Aspekte der hier vorgestellten Erfindung betreffen ein Verfahren zum Steuern wenigstens einer Lichtquelle sowie einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung einer bilderzeugenden Einheit, wobei von der Lichtquelle ein Lichtstrahl auf eine Anzahl von Mikrospiegeln der digitalen Mikrospiegelvorrichtung gerichtet wird, mit deren Hilfe abhängig von jeweiligen Spiegelpositionen ein Bild durch die bildgebende Einheit erzeugt und ausgegeben werden kann. Diese oder weitere Aspekte betreffen insbesondere auch ein augmented reality (AR) Head-Up-Display, welches die bildgebende Einheit aufweist.
Stand der Technik
Anwendungen aus den Gebieten der Augmented Reality ("erweiterte Realität", AR, oft auch als "True-AR" bezeichnet) haben in den vergangenen Jahren zunehmend auch im Bereich von Head-Up-Displays Eingang gefunden. Hierbei werden z.B. mittels des Head-Up-Displays dem Fahrzeugführer zwei- oder dreidimensional dargestellte Informationen in holografischer Weise in sein Sichtfeld durch ein Fenster des Fahrzeugs (insbesondere die Windschutzscheibe) eingeblendet bzw. das Sichtfeld mit darin erkannten Objekten mit diesen Informationen überlagert. Dies kann über ein in das Fenster (oder in eine in davor platzierte, transparente Platte) integriertes holografisches optisches Element (HOE) erfolgen, das - auch als sog. Combiner bezeichnet - in geeigneter Weise von einer Abbildungsmatrix mit einer Lichtwellenfront bestrahlt wird, wobei zur Ausnutzung der Effekte des im holografischen optischen Element implementierten Hologramms hochgradig kohärentes Licht benötigt wird, das daher vorzugsweise aus einem oder mehreren Lasermodulen herrühren kann, in denen Laserdioden bzw. Laserdiodenarrays verbaut sind.
Solche Head-Up-Displays umfassen üblicherweise eine bildgebende bzw. bilderzeugende Einheit (engl. picture generating unit, PGU) mit Lichtquelle, ein Optikmodul und den Combiner bzw. das HOE-Element als Projektionsfläche. Die bildgebende Einheit weist dabei üblicherweise eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (digital micromirror device, DMD) auf, deren Mikrospiegel in bekannter Weise einzeln in eine "ON" bzw. "OFF"-Position ansteuerbar sind, um ein gewünschtes Bild zu erzeugen und projizieren, wenn die Strahlung der Lichtquelle auf die digitale Mikrospiegelvorrichtung gerichtet wird. Lichtintensitäten werden dabei oftmals über Pulsbreitenmodulation während des Betriebs der Mikrospiegel erzeugt. Ein solches System ist beispielsweise in D. Doherty, G. Hewlett: „Phased Reset Timing for Improved Digital Micromirror Device Brightness“, in SID International Symposium 1998, veröffentlicht durch Society for Information Display, Santa Ana, CA, ISSN0098-0966X/98/2901 (nachfolgend: Doherty et al. (1998)) oder in WO 94/09472 A1 beschrieben. Insbesondere wird dabei ein amplitudenmoduliertes Videosignal in eine digitale Repräsentation der Pulsbreitenmodulation konvertiert. Dies bedeutet, dass die einzelnen Mikrospiegel in einem fest vorgegebenen Zeitrahmen (engl. frame) mit Aufteilung in Sequenzen von Bits in die Positionen "ON" bzw. "OFF" gestellt werden, um eine bestimmte Helligkeitsamplitude zu erzeugen. Der für die Mikrospiegel jeweils vorgegebene Zeitrahmen entspricht einer Aktualisierungszeit (engl. total refresh period) des betreffenden Mikrospiegels. Dieser wird aufgeteilt in Bits mit jeweils vorgegebener Zeitdauer. Das Bit mit dem niedrigsten Stellenwert (LSB, least significant bit) umfasst dabei einen Bruchteil 1/(2n-1) an Gesamtzeit des Zeitrahmens, wobei n die Gesamtzahl der vorgesehenen Bits ist, in der zitierten Druckschrift ist beispielsweise n=5 . Das nächsthöhere Bit umfasst den doppelten Bruchteil bzw. die doppelte Zeitdauer, usw. Um dabei diejenigen Bits, denen infolgedessen längere Zeitdauern zugeordnet sind, aufzuteilen und somit die Integration des Lichts durch das menschliche Auge zu verbessern, wird darüber hinaus ein sogenanntes Bit-splitting angewandt, so dass innerhalb jedes einzelnen Zeitrahmens die den einzelnen Bits zugewiesenen "ON"- bzw. "OFF"-Positionen gleichmäßig verteilt sind. Das höchstwertige Bit (MSB, most significant bit), innerhalb dessen die Spiegelposition entweder nur "ON" oder nur "OFF" ist, könnte ansonsten - je nach Dauer des Zeitrahmens (bzw. der total refresh period) und gewählter Anzahl n der Bits - eine bereits vom menschlichen Auge wahrnehmbare Länge aufweisen.
Bei einem holografischen AR-Head-Up-Display wird z.B. im Fall eines Kraftfahrzeugs für das holografische optische Element (HOE) in der Windschutzscheibe als Lichtquelle ein Laser mit sehr schmalem Wellenlängenspektrum benötigt, weshalb sich Halbleiterlaser besonders eignen. Die Wellenlänge von Halbleiterlasern ist allerdings temperaturabhängig, weshalb die betreffenden Laserdioden während des Betriebs im Allgemeinen auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden müssen. Genauer gesagt besteht das Erfordernis, die Sperrschichttemperatur (engl. junction temperature) der Halbleiterbausteine der Laserdioden konstant zu halten. Zwar kann durch Berücksichtigung externer Kavitäten (Resonatoren) in den Laserdioden unter Zuhilfenahme von beispielsweise Volumen-Bragg-Gittern (VBG) eine gewisse Stabilisierung gegenüber Temperaturschwankungen erzielt werden, eine weitere Verbesserung ist jedoch durchaus wünschenswert.
Gleichzeitig sollen in einem AR-Head-Up-Display aber auch beträchtliche Helligkeitsunterschiede ermöglicht werden können. Dies kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen für Nachtfahrverhältnisse gelten, und zwar insbesondere auch dann, wenn die Helligkeit im AR-Head-Up-Display bei stark schwankendem Gegenlicht entgegenkommender Fahrzeuge anzupassen ist. Aber auch bei Tagfahrverhältnissen kann eine zügige Anpassung der Helligkeit erforderlich sein, beispielsweise bei Ein- oder Ausfahrten in/aus Tunneln etc.
Für diese Helligkeitsanpassung müssen auch der Strom bzw. die Leistung und/oder die Dauer der Laserpulse angepasst werden, mit dem/der bzw. denen die Laserdiode(n) im AR-Head-Up-Display betrieben werden. Wird dabei die mittlere Leistung einer betreffenden Laserdiode reduziert, so verringert sich dann auch infolgedessen die Sperrschichttemperatur, welches wiederum zu einer Wellenlängendrift und/oder Linienverbreiterung der vom Laser emittierten Strahlung führen kann.
Um der Wellenlängendrift und/oder Linienverbreiterung vorzubeugen, könnte, um eine mit nur geringer Verzögerung reagierende Temperaturregelung zu erreichen, ein Peltierelement (engl. thermoelectric cooler, TEC) bereitgestellt sein. Es ist bekannt, Peltierelemente benachbart zu Bausteinen (Packages mit Chip und Gehäuse) wie Laserdioden anzuordnen, um z.B. eine Kühl- oder Heizwirkung herbeizuführen, um Temperaturschwankungen gezielt zu kompensieren. Allerdings ist die Einwirkung bei einem solchen Aufbau zeitlich zu träge, um den oben genannten Anforderungen in einem Head-Up-Display zu genügen.
In der Druckschrift KR 10-2020-0040408 A wurde vorgeschlagen, das Halbleiterbauelement (d.h., der Chip) in einem Laserdiodenpackage einschließlichGehäuse unmittelbar auf diesem Peltierelement zu montieren. Allerdings sind solchermaßen nachgerüstete Laserdioden (als Laserpackages) für rot, grün, blau (RGB) und mit für die Anwendung in AR-Head-UP-Displays ausreichender Leistung derzeit nicht verfügbar.
Es besteht daher ein Problem, wie z.B. auch mit einer vergleichsweise trägen Temperaturregelung durch ein lediglich außerhalb des Laserpackages vorgesehenes Peltierelement dennoch schnelle Helligkeitsanpassungen ermöglicht werden können, ohne dass sich die Wellenlänge des Lasers ändert. Es ist anzumerken, dass ähnliche Probleme auch bei anderen optischen Elementen, die stark von der Wellenlänge abhängen, z.B. bei den oben genannten Beugungsgittern, bestehen können. Solche werden beispielsweise ebenfalls in Head-Up-Displays mit Lichtwellenleiter-Technologie verwendet.
In der Druckschrift DE 10 2006 036 112 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Beleuchtungssystems mit einer Hochdruckentladungslampe beschrieben, deren abgegebene Strahlung ebenfalls einer elektronischen Mikrospiegelvorrichtung zugeführt wird. Farben werden in bekannter Weise mittels eines Farbrades erzeugt, durch welches die Strahlung hindurch geführt ist, wobei eine Mehrzahl sequentieller Farbsegmente festgelegt ist. Der kommutierende Lampenstrom weist Halbwellen auf, denen die Farbsegmente zugeordnet sind, wobei jeder Halbwelle mehrere Farbsegmente zugeordnet sind. Am Ende jeder Halbwelle wird ein sogenannter Maintenance Pulse abgegeben, welcher die Entladung der Lampe stabilisiert. Dieser Maintenance Pulse erhöht den Lampenstrom kurzfristig und liegt in einer Zwischenphase, in welcher die Ausgabe der von der Mikrospiegelvorrichtung zum Zweck der Projektion reflektierten Strahlung unterdrückt wird. Dadurch wird eine Elektrodentemperatur der Hochdruckentladungslampe stabilisiert, welches sich positiv auf die Entladung auswirkt. Die Wirkung jeweils des Lampenstromes während der Farbsegmente einer Halbwelle und des Maintenance Pulses derselben Halbwelle auf die Elektrodentemperatur zum Zeitpunkt der auf die Halbwelle folgenden Kommutation wird dabei so ausbalanciert, dass die Entladung sogar auch dann stabilisiert wird, wenn die Farbtemperatur während des Betriebs geändert wird. Zu diesem Zweck wird die Amplitude des Lampenstroms in den Farbsegmenten durch eine Änderung des Lampenstroms in der Zwischenphase kompensiert, beispielsweise durch eine Änderung der Dauer des Maintenance Pulses oder durch eine Änderung der Amplitude desselben.
Darstellung von Aspekten der Erfindung
Einigen der nachfolgend beschriebenen Aspekte liegt eine Aufgabe zugrunde, in einer bildgebenden Einheit mit Lichtquelle schnelle Helligkeitsanpassungen auch bei großer Dynamik zu ermöglichen, ohne dass sich dabei die Parameter der Lichtquelle ändern, insbesondere die Wellenlänge im Fall eines eingesetzten Lasers.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Steuern wenigstens einer Lichtquelle sowie einer eine digitale Mikrospiegelvorrichtung aufweisenden bildgebenden Einheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ausgangspunkt ist ein entsprechendes Verfahren, bei dem von der Lichtquelle ein Lichtstrahl auf eine Anzahl von Mikrospiegeln der digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD) gerichtet wird, mit deren Hilfe abhängig von jeweiligen Spiegelpositionen ein Bild durch die bildgebende Einheit (PGU) erzeugt und ausgegeben werden kann. Bei der Lichtquelle kann es sich bevorzugt um eine oder mehrere Lasermodule handeln.
Ein solches Verfahren umfasst beispielweise Schritte, bei denen die digitale Mikrospiegelvorrichtung mittels Pulsbreitenmodulation in einem Schema von innerhalb einer Aktualisierungszeit bzw. eines Zeitrahmens (time frame) aufeinander folgenden Bit-Segmenten vorbestimmter Zeitdauer betrieben wird. Das bedeutet insbesondere, dass - wie eingangs beschrieben - die einzelnen Mikrospiegel in einem fest vorgegebenen Zeitrahmen (engl. frame oder total refresh period), der der Aktualisierungszeit entsprechen kann, mit Aufteilung in Sequenzen von Bits getrennt und unabhängig voneinander in die Positionen "ON" bzw. "OFF" gestellt werden können, um eine bestimmte Helligkeitsamplitude zu erzeugen, die beispielsweise vorgegeben ist und/oder einem Videosignal entsprechen kann. Der für die Mikrospiegel jeweils vorgegebene Zeitrahmen kann einer Aktualisierungszeit (engl. total refresh period) des betreffenden Mikrospiegels entsprechen. Dieser wird aufgeteilt in Bits mit jeweils vorgegebener Zeitdauer. Die Aktualisierungszeit ist festgelegt als die kleinste Zeiteinheit, auf Basis welcher die Helligkeit der von den Mikrospiegeln reflektierten Strahlung (z.B. für ein Lasermodul bestimmter Farbe) für gesteuert wird, da sich aus der Zuordnung von ON" bzw. "OFF" zu den Bits erst dieser Wert in aufintegrierter Weise ergibt.
Das Schema von Bit-Sequenzen kann beispielsweise ebenfalls wie oben in Doherty et al. (1998) angegeben ausgestaltet sein: das Bit mit dem niedrigsten Stellenwert (LSB, least significant bit) umfasst z.B. einen Bruchteil 1/(2n-1 ) an der Gesamtzeit des Zeitrahmens, wobei n die Gesamtzahl der vorgesehenen Bits ist. Das nächsthöhere Bit umfasst den doppelten Bruchteil bzw. die doppelte Zeitdauer, usw. bis hin zum höchstwertigen Bit (MSB), das die längste Zeitdauer aufweist, nämlich den Bruchteil 2n'1/(2n-1). Das jeweilige Bit-Segment innerhalb des Zeitrahmens bzw. der Aktualisierungszeit der Mikrospiegel kann nun die dem entsprechenden Bit zugeordnete Zeitdauer aufweisen. Diese muss nicht "am Stück" ablaufen. Vielmehr können die Bits wie oben mit Bezug z.B. auf Doherty et al. (1998) zusätzlich beschrieben innerhalb der Akualisierungszeit aufgeteilt, d.h. aufgesplittet sein. Das bedeutet, dass innerhalb jedes einzelnen Zeitrahmens die den einzelnen Bits zugewiesenen "ON"- bzw. "OFF"-Positionen aufgeteilt und z.B. in Segmente mit etwa gleich großen Zeitdauern verteilt sind. Jedes hier so bezeichnete Bit-Segment mit der ihm zugewiesenen "ON"- bzw. "OFF"-Position kann also die Zeitdauer des ganzen Bits (z.B. Bruchteile von 1/(2n-1 ) bis 2n-1/(2n-1 ) der Aktualisierungszeit) oder - beim Bit- Splitting - der aufgeteilten Segmente umfassen (Bruchteile rein beispielhaft wie in Doherty et al. (1998): 1/(2n-1 ) für das Bit 0, und 2/(2n-1 ) für alle anderen, insbesondere gesplitteten Bits 1 ,...,n-1 , mit n=Anzahl der Bits).
Es ist dabei anzumerken, dass Aspekten der Erfindung zufolge grundsätzlich auch andere oder abgewandelte Schemata möglich sind. Die Erfindung ist nicht auf die spezielle Ausgestaltung der Darstellung der Pulsbreiten in Bits zur Erzielung einer bestimmten integrierten Helligkeit beschränkt. Auch ist es möglich, die Mikrospiegel mit kontinuierlich variierenden Pulsbreiten zu steuern.
Weiters umfasst das hier vorgeschlagene Verfahren Schritte des Aktivierens wenigstens eines Mikrospiegels der digitalen Mikrospiegelvorrichtung, um innerhalb eines eine oder mehrere Pulse umfassenden ersten Teilintervalls der Aktualisierungszeit, wobei der oder die Puls(e) dem bzw. den Bit-Segment(en) entsprechen, eine erste Spiegelposition (z.B. "ON") derart einzustellen, dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil aus der bildgebenden Einheit ausgegeben wird. Mit anderen Worten, es werden die Mikrospiegel wie eingangs beschrieben bitweise bzw. bit-segmentweise - je nach gewünschter Helligkeit - auf "ON" gestellt, um Licht abzustrahlen. Diese Bits oder Bit-Segmente bilden zusammen ein in dem Zeitrahmen nicht notwendig zusammenhängendes erstes Intervall. Alternativ kann auch nur jede einzelne Pulsbreite betrachtet werden, die dann ausschließlich zusammenhängende Bit-Segmente oder ggf. sogar nur ein einzelnes "ON"-geschaltetes, isoliertes Bit-Segment zu dem ersten Teilintervall zusammenfasst. Es ist anzumerken, dass die gewählte Bezeichnung "ON" für eine Spiegelstellung, bei der der Strahl derart reflektiert wird, dass er aus der bildgebenden Einheit ausgegeben wird, rein subjektiv ist und nicht wiedergibt, ob der betreffende Mikrospiegel in dieser Stellung mit Leistung oder Spannung versorgt ist oder nicht.
Weitere Schritte bestehen im Bereitstellen einer Leistung, mit welcher die Lichtquelle zumindest innerhalb der Zeitdauer des ersten Teilintervalls versorgt wird, damit die Lichtquelle darin eine vorbestimmte Lichtmenge emittiert. Das kann bedeuten, dass der jeweilige Mikrospiegel innerhalb des ersten Teilintervalls mit im Wesentlichen konstanter Leistung versorgt wird und entsprechend auch im Wesentlichen konstante Lichtleistung abgibt. Diese kann auch in ihrer Amplitude reduziert sein. Es kann aber insbesondere auch bedeuten, dass die einzelnen Bit- Segmente innerhalb ihrer vorgesehenen Zeitdauer mit keiner konstanten Leistungsversorgung oder sogar mit nur zeit- oder abschnittsweiser Leistungsversorgung versehen sind, um die mittlere Lichtleistung zu steuern.
Einzelne Aspekte der Erfindung sehen nun einen ersten Betriebsmodus vor, bei welchem die Lichtquelle innerhalb eines zum ersten Teilintervall komplementären zweiten Teilintervalls der Aktualisierungszeit, in welchem der wenigstens eine Mikrospiegel der digitalen Mikrospiegelvorrichtung eine zweite Spiegelposition (OFF) einnimmt, so dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil nicht aus der bildgebenden Einheit ausgegeben wird, mit einer Leistung versorgt wird. Mit anderen Worten, die Lichtquelle strahlt auch dann, wenn der betreffende Mikrospiegel die Strahlung so reflektiert, dass sie die bildgebende Einheit jedenfalls nicht als Nutzstrahlung verlässt. Eine Möglichkeit besteht darin, dass der reflektierte Lichtstrahl in dieser Spiegelstellung in eine Lichtsenke (z.B. Licht absorbierender Schirm etc.) gelenkt wird.
Die Lichtausbeute (Leistung des Nutzlichts über den gesamten Zeitrahmen je in der Lichtquelle eingesetzter Leistung) wird durch diese Steuerung natürlich gesenkt. Jedoch wird dadurch unabhängig von den jeweiligen Pulsbreiten eine im Wesentlichen zeitlich stärker ausgeglichene Leistung in der Lichtquelle, insbesondere einem Lasermodul, umgesetzt. Der Wärmeeintrag in der Lichtquelle wird dadurch schon einmal tendenziell von dem jeweils aktuell angeforderten Lichtbedarf abgekoppelt.
Das komplementäre zweite Teilintervall, kann wie das erste Teilintervall ein oder mehrere Bit-Segmente umfassen, die ebenfalls nicht notwendig zusammenhängend zu sein brauchen. Das zweite Teilintervall kann aber auch nur das dem einzelnen Puls des ersten Teilintervalls nachfolgende (oder jeweils vorhergehende) Teilintervall sein, bis ein neuer Puls eines nachfolgenden Bit- Segments einsetzt.
Es ist anzumerken, dass "komplementär" hier ein vom ersten Intervall verschiedenes zweites Zeitintervall bezeichnet, das den Zeitrahmen ausfüllt, aber nur soweit eine Aktivierung der Mikrospiegel überhaupt möglich ist. Bei einer Farbwiedergabe mit RGB erfolgen die Aktivierungen der Farben regelmäßig sequentiell, die Aktualisierungszeit ist dadurch z.B. verdreifacht. Trotzdem ist Ausführungsformen zufolge das komplementäre zweite Zeitintervall auf die Zeit beschränkt, in der die jeweilige Farbe aktiviert ist. Da die Steuerung über drei Lasermodule in gleicher Weise, aber mit verschiedenen Bit-Werten erfolgt, werden in diesem Fall drei erste Zeitintervalle und drei zugeordnete komplementäre zweite Zeitintervalle innerhalb der einen übergeordneten Aktualisierungszeit anfallen. Die Farben dürfen sich zeitlich nicht überlappen. Ein Ausführungsbeispiel wird unten im Detail beschrieben. Die Aktualisierungszeit, wie sie hier im engeren Sinne verwendet wird, entspricht daher der Dauer des für eine Farbe festgelegten Zeitrahmens bzw. der Summe der Zeitdauern der darin enthaltenen Bits oder Bit- Segmente.
Ferner ist den vorliegenden Aspekten zufolge bei dieser Steuerung ein zeitlicher Durchschnittswert der Leistung im komplementären zweiten Teilintervall gegenüber einem zeitlichen Durchschnittswert der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls erhöht. Durch diese Leistungssteuerung kann im Fall einer geringen Lichtmenge, die für die Ausgabe aus der bildgebenden Einheit vorgesehen oder angefordert ist, einer Abkühlung der Lichtquelle noch wirksamer entgegengewirkt werden. Diese Maßnahme kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn die Lichtmenge z.B. aufgrund geringer Anforderung von außen so weit herunter geregelt wird, dass in dem Schema von innerhalb einer Aktualisierungszeit aufeinander folgender Bit- Segmenten bei konstanter Amplitude der Leistungsversorgung die mittlere abgestrahlte Lichtleistung nicht mehr durch ein auf "ON" geschaltetes niedrigstwertiges Bit (LSB) darstellbar ist. Vielmehr kann Ausgestaltungen zufolge durch zusätzliche Maßnahmen die Amplitude innerhalb der Bit-Segmente weiter gesenkt werden, um somit einen hohen dynamischen Bereich der Lichtleistung zu erzielen, d.h. ein großes Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Lichtleistung. Solche Maßnahmen sind unter anderem in "Enabling the Next Generation of Automotive Head-Up Display Systems", Application Report DLPA043A (Okt. 2013, revidierte Fassung Nov. 2017) von Texas Instruments beschrieben.
Indem die in diesem Fall sehr niedrige Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls durch eine höhere Leistung bzw. eine erhöhte Leistung im zweiten Teilintervall kompensiert wird, bleibt die gesamte Leistungsaufnahme unabhängig von der Lichtanforderung bzw. der Lichtausbeute konstant und der Wärmeintrag dadurch ebenfalls konstant. Dadurch wird einer nachteilhaften Änderung der Lasereigenschaften während des Betriebs, insbesondere einer Wellenlängendrift etc. wirksam vorgebeugt.
Ein solcher Betriebsmodus kann besonders in denjenigen Situationen sinnvoll sein, wo eine hohe Dynamik in kurzer Anpassungszeit erforderlich ist, beispielsweise bei einem im Fahrzeug verbauten Head-Up-Display in einer Situation, in welcher das Fahrzeug tagsüber in Tunnels, Unterführungen, Parkhäuser oder Tiefgaragen ein- bzw. ausfährt, oder bei einem Flugzeug, dass in dichte, voneinander durch freie sonnenbeschienene Bereiche abgegrenzte Wolken eintaucht. Diese Übergänge geschehen plötzlich. Eine geringere Helligkeitsanforderung nach Tunneleinfahrt würde beispielsweise zu einem Leistungsabfall führen, der wiederum eine Temperaturänderung im Lasermodul hätte. Dies könnte herkömmlich wie beschrieben die Qualität der vom Lasermodul abgegeben Strahlung beeinträchtigen, beispielsweise ein Wellenlängendrift, die sich nachteilig auf die holografische Darstellung auswirkt. Der Leistungs- und Amplitudenabfall wird nun durch eine Erhöhung der Amplitude im zweiten Teilintervall ausgeglichen, in welchem kein Licht abgegeben wird. Die Temperatur des Lasermoduls und insbesondere der für die Strahlungserzeugung relevanten Sperrschicht sowie eines etwaigen Bragg-Gratings bleibt dadurch konstant, ebenso wie die Wellenlänge der Strahlung. Gleichzeitig kann aber in diesem Betriebsmodus eine schnelle Helligkeitsanpassung erfolgen, indem jeweils die mittlere Leistung im zweiten Teilintervall sofort an die Leistungsanpassung im ersten Teilintervall adaptiert wird.
Verallgemeinernd lässt sich ausdrücken, dass das vorgeschlagene Steuerungsverfahren für eine oder mehrere Lichtquellen sowie einer eine DMD aufweisenden bildgebenden Einheit ein Laserdimmen über einen hohen dynamischen Bereich von Leistungen ermöglicht, bei dem Beeinträchtigungen durch einen geringeren Wärmeeintrag in der Lichtquelle aufgrund eines Abfalls der Stromversorgung insbesondere im Bereich sehr niedriger Leistungen vermieden werden kann. Das Verfahren ist daher überall dort mit Vorteil einsetzbar, wo ein DMD mit Laserstrahlung über einen hohen dynamischen Bereich betrieben wird.
Dieser Aspekt lässt sich vorteilhaft verbinden mit einer Weiterbildung des Verfahrens, der zufolge ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen ist, in welchen von dem ersten Betriebsmodus wahlweise umgeschaltet wird. Hierbei wird die Lichtquelle innerhalb des zum ersten Teilintervall komplementären zweiten Teilintervalls der Aktualisierungszeit (Zeitrahmen mit Anzahl der Bits, total refresh period, "Byte") mit Leistung versorgt, wobei ein zeitlicher Durchschnittswert der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls im Wesentlichen gleich einem zeitlichen Durchschnittswert der Leistung innerhalb des zweiten Teilintervalls ist. Dieser Betriebsmodus entspricht z.B. einer herkömmlichen Tagfahrt, bei welcher - wie beschrieben - vergleichsweise hohe Leistungen im Lasermodul abgerufen werden.
Mit anderen Worten, die mittlere Leistung im ersten Teilintervall ist im zweiten Betriebsmodus noch vergleichsweise hoch, weil die Amplitude des Stroms mit dem das Lasermodul versorgt wird, durchgehend hoch gesetzt ist. Zwar wird hier, um insgesamt bei geänderten Lichtverhältnissen keine Leistungsänderung zu verursachen, das zweite Teilintervall auch mit Leistung, jedoch lediglich mit derselben mittleren Leistung versorgt, es erfolgt aber keine Kompensation einer etwaig verringerten Stromamplitude im ersten Teilintervall. In einem einfach gelagerten Fall fließt ein Strom mit insgesamt konstantem Strompegel durch das Lasermodul.
Der zweite Betriebsmodus kann als konventionell bezeichnet werden, aber die Kombination mit dem ersten Betriebsmodus ist besonders vorteilhaft, weil fließend von dem einen Betriebsmodus in den anderen umgeschaltet werden kann. Beispielsweise kann aus der normalen Tagfahrt heraus bei Einfahrt in einen Tunnel die Helligkeitsanforderung stark absinken, und zwar stärker als durch die Bitdarstellung noch möglich ist (hohe Dynamik). Hier kann wie beschrieben die Amplitude innerhalb des Pulses abgesenkt werden. Umgeschaltet in den ersten Betriebsmodus ("Tunnelmodus") von dem zweiten Betriebsmodus ("Tagfahrmodus") kann dies durch eine erhöhte mittlere Leistung im zweiten Teilintervall ausgeglichen werden.
Einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zufolge ist in dem ersten Betriebsmodus der erhöhte zeitliche Durchschnittswert der Leistung im zweiten Teilintervall so bemessen, dass er den niedrigen zeitlichen Durchschnittswert der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls kompensiert, so dass ein resultierender zeitlicher Durchschnittswert der Leistung bezogen auf das gesamte Bit-Segment in dem ersten Betriebsmodus im Wesentlichen gleich dem entsprechenden zeitlichen Durchschnittswert der Leistung im zweiten Betriebsmodus ist. Mit anderen Worten, die im Laufe einer Aktualisierungszeit umgesetzte mittlere Leistung ist zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus gleich. Der Vorteil liegt darin, dass zwischen beiden Modi umgeschaltet werden kann, ohne dass ein Einfluss auf die Wärmeerzeugung in der Lichtquelle entsteht. Der Anteil des Nutzlichts im ersten Betriebsmodus wird in der Praxis deutlich niedriger liegen als im zweiten Betriebsmodus. Einer Weiterbildung des Verfahrens zufolge ist ein dritter Betriebsmodus vorgesehen, in welchen von dem ersten (und insbesondere aber auch von dem zweiten) Betriebsmodus wahlweise umgeschaltet werden kann. Hierbei wird die Lichtquelle innerhalb des zum ersten Teilintervall komplementären zweiten Teilintervalls der Aktualisierungszeit nicht mit Leistung versorgt. Dieser Betriebsmodus kann im Fall von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, besonders für Nachtfahrten geeignet sein, jedenfalls in einem Betrieb, der länger andauert als beispielsweise nur eine kurze Tunneldurchfahrt o.ä. Weil nur noch Licht innerhalb der Zeitdauer der "ON"-Stellung der betreffenden Mikrospiegel abgestrahlt wird, und nicht mehr im zweiten Teilintervall, entsteht hier natürlich ein Vorteil eines hohen Nutzlichtanteils bei gleichzeitiger Leistungsersparnis. Da hier je nach angeforderter Helligkeit unterschiedliche Lichtmengen je Zeitrahmen time frame) bzw. Aktualisierungszeit abgestrahlt werden, und da insbesondere beim Umschalten von einem der beiden anderen Betriebsmodi in den dritten Betriebsmodus ein möglicherweise erheblicher Leistungsabfall zu erwarten ist, könne hier weitere Maßnahmen vorgesehen sein, um den variierenden Wärmeeintrag auszugeichen bzw. zu verhindern. Z.B. kann die temperaturabhängige Kühlung mit Hilfe eines Peltier-Elements vorgesehen sein. Dieser optionale Aspekt wird weiter unten beschrieben. Weil solche Maßnahmen aber eine Reaktionszeit erfordern (z.B. von der Messung einer Temperaturänderung mit Hilfe eines Sensors, über die Steuerung bis hin zum Einsetzen der Wärmleitung in die Sperrschicht hinein), also eine gewisse Trägheit vorliegt, ist dieser Betriebsmodus weniger für schnelle (Laser-)Dimmanwendungen geeignet wie sie oben mit Bezug auf den ersten Betriebsmodus beschrieben sind.
Weiteren Weiterbildungen des Verfahrens zufolge sind Kriterien für das Umschalten zwischen den Betriebsmodi vorgesehen. Beispielsweise kann der dritte Betriebsmodus zum Umschalten ausgewählt werden, wenn
(a) eine für das Bit-Segment bzw. die Bit-Segmente (die ja ggf. das erste Teilintervall ausmachen) bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls emittiert wird, einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet; und (b) bestimmt wird, dass eine voraussichtliche Dauer, in welcher die für das jeweilige Bit-Segment bestimmte Lichtmenge in dem genannten Bereich liegt, mehr als ein zweiter Schwellwert beträgt.
Die genannte voraussichtliche Zeitdauer ist die geplante Dauer der Aktivierung des dritten Betriebsmodus.
Einem weiteren Ausführungsbeispiel zufolge wird der erste Betriebsmodus ausgewählt, wenn
(a) eine für das Bit-Segment bzw. die Bit-Segmente bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls emittiert wird, einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet; und
(b) bestimmt wird, dass eine voraussichtliche Dauer, in welcher die für das jeweilige Bit-Segment bestimmte Lichtmenge in dem genannten Bereich liegt, weniger als ein zweiter Schwellwert beträgt.
Auch hier ist die genannte voraussichtliche Zeitdauer die geplante Dauer der Aktivierung des hier nun ersten Betriebsmodus.
Einem weiteren Ausführungsbeispiel zufolge wird der zweite Betriebsmodus ausgewählt und in diesen umgeschaltet, wenn eine für das Bit-Segment bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls emittiert wird, einen bzw. den vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet. Im Beispiel des Tagfahrmodus ist dies einfach nachvollziehbar, da im Display eine an das Umgebungslicht angepasste Mindesthelligkeit erforderlich ist.
Ausführungsbeispielen zufolge kann der erste Schwellwert 20 % oder weniger eines von einer Nennleistung der Lichtquelle abhängigen Maximalwerts einer innerhalb des Bit-Segments abgebbaren Lichtmenge betragen, vorzugsweise 15 % oder weniger, weiter vorzugsweise 10 % oder weniger, weiter vorzugsweise 5 % oder weniger, am meisten bevorzugt 1 % oder weniger. Weiteren Ausführungsbeispielen des Verfahrens zufolge kann der zweite Schwellwert optional zwischen 10 Minuten und 60 Minuten betragen, beispielsweise 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 Minuten, oder Zwischenwerte. Diese beispielhaften Angaben können sich auf den Betrieb von Head-Up-Displays in Kraftfahrzeugen beziehen. In anderen Fahrzeugen oder Anwendungen können andere Schwellwertzeiten sinnvoll sein und die hier beschriebenen Aspekte sind nicht darauf beschränkt.
Einer Weiterbildung des Verfahrens zufolge ist die Lichtquelle eine Halbleiterlichtquelle, vorzugsweise eine Laserdiode oder ein Laserdiodenarray. Wie beschrieben ist in diesem Fall die Steuerung der Leistung im Hinblick auf die Wärmerzeugung und -entwicklung in der Halbleitersperrschicht besonders kritisch, so dass die vorgeschlagenen Aspekte hier besondere Vorteile entfalten.
Einer weiteren, oben bereits angedeuteten Weiterbildung des Verfahrens zufolge kann in dem ersten, zweiten und/oder dritten Betriebsmodus mit Hilfe eines der Halbleiterlichtquelle zugeordneten Peltierelements eine Sperrschichttemperatur in der Halbleiterlichtquelle nachgeregelt werden. Die Peltierregelung kann speziellen Ausführungsformen zufolge auch dauerhaft aktiviert bzw. betrieben werden, d.h. in allen 3 Betriebsmodi. Ein Temperaturmessfühler kann z.B. die Temperatur des betreffenden Laserdiodengehäuses messen und die Peltierregelung hält diese dann vergleichsweise konstant, auch wenn sich die Umgebungstemperatur des gesamten Moduls ändert. Diese Regelung kann aufgrund der Wärmeleitung zeitlich träge sein. Auch beim Schalten in den dritten Betriebsmodus kann sich die Temperatur des Laserdiodengehäuses durch die veränderte Verlustleistung der Diode ändern, wobei das Peltierelement langsam nachregeln kann.
Einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zufolge wird zumindest in dem ersten, ggf. auch in dem zweiten und/oder dritten Betriebsmodus die Leistung, mit welcher die Lichtquelle versorgt wird, über das erste und zweite Teilintervall hinweg bzw. über das jeweilige komplette Bit-Segment oder in einem Teilabschnitt desselben hinweg wahlweise in einem kontinuierlichen Modus im Wesentlichen konstant gehalten, oder in einem diskontinuierlichen Modus geregelt. Der kontinuierliche Modus (continuous mode) und der diskontinuierliche Modus (discontinuous mode) sind z.B. in US 2014/0085731 A1 oder in "Enabling the Next Generation of Automotive Head-Up Display Systems" , Application Report DLPA043A (Okt. 2013, revidierte Fassung Nov. 2017) von Texas Instruments beschrieben, und stehen für das darin vorgeschlagene High-Dynamic-Range-Konzept. Das Konzept wird unten in Zusammenhang mit der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert.
Einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zufolge sind die Lichtquelle und die bildgebende Einheit Teil eines AR-Head-Up-Displays, wobei der von der bildgebenden Einheit ausgegebene Lichtstrahl über eine Optik auf einen Combiner gelenkt wird, der durch ein holographisches optisches Element ausgebildet wird. Die Anwendung in einem AR-Head-Up-Display bietet wie beschrieben besondere Vorteile und wird den dort bestehenden besonderen Anforderungen einer dauerhaften und beständigen holografischen Darstellung gerecht.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere ein AR-Head-UP-Display, umfassend eine bildgebende Einheit sowie wenigstens eine Lichtquelle, umfassend eine Steuervorrichtung, die zur Ausführung der Verfahrensschritte gemäß einem oder mehreren der oben genannten Aspekte, Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele eingerichtet ist. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie oben beschrieben.
Bei den oben beschriebenen Einsatzmöglichkeiten von Lasermodulen in Fahrzeugen wird oftmals eine Laserdiode als Standardbaustein verwendet, der aus der eigentlichen Laserdiode, nämlich einem Laserchip, weiter aus einem den Laserchip tragenden Substrat, elektrischen Leitungen mit optionalen elektronischen Bauteilen wie etwa einer Fotodiode, zwei oder drei Kontaktfahnen bzw. -pins, und aus einem diese Komponenten schützenden Gehäuse mit Auskoppelfenster gebildet ist. Der Laserchip kann ein Kantenemitter sein. Die Gehäuse mit dem aus Substrat und Kontaktpins gebildeten Sockel sind nach Größe genormt, z.B. kann es sich um TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse, etc. handeln. In der vorliegenden Anmeldung kann mit "Laserdiode" auch der gesamte Baustein mit Gehäuse und Sockel bezeichnet werden und nicht nur der eigentliche Laserchip.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
Es zeigen:
Fig.1 in schematischer Darstellung einen Überblick über den Aufbau eines AR- HUD-Systems, in welchem Ausführungsbeispiele der Erfindung implementiert sein können;
Fig. 2 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Lichtquelle für das AR- HUD-System aus Fig. 1 mit jeweils einem Lasermodul für die RGB-Farben;
Fig. 3 in etwas größerem Detail, aber auch schematisch dargestellt, ein Lasermodul aus Fig. 2 mit Peltierelement;
Fig. 4 den Aufbau bzw. die Aufteilung eines Zeitrahmens oder der Aktualisierungszeit für die aufeinander abgestimmte Steuerung eines DMD und der Lichtquelle durch Bits, sowie darunter zwei Beispiele für das Setzen von Bits zum Erzielen von Helligkeitswerten;
Fig. 5 den Aufbau bzw. die Aufteilung eines Zeitrahmens oder der Aktualisierungszeit wie in Fig. 4, wobei aber einzelne Bits durch Bit- Splitting in voneinander zeitlich getrennte Bit-Segmente aufgeteilt werden; Fig. 6 in diagrammartiger Darstellung die Steuerung der Helligkeit innerhalb eines Bit-Segments (aufgetragen gegen die Zeit) in dem kontinuierlichen Modus, um den dynamischen Bereich zu vergrößern;
Fig. 7 in diagrammartiger Darstellung die Steuerung der Helligkeit innerhalb eines Bit-Segments (aufgetragen gegen die Zeit) ähnlich wie in Fig. 6, aber in dem diskontinuierlichen Modus, um den dynamischen Bereich noch weiter zu vergrößern;
Fig. 8 in einem Diagramm in schematischer Weise die Steuerung einer optischen Bilderzeugungsvorrichtung in dem dritten Betriebsmodus (Nachtfahrmodus);
Fig. 9 in einem Diagramm wie in Fig. 8 in schematischer Weise die Steuerung einer optischen Bilderzeugungsvorrichtung, aber in dem zweiten Betriebsmodus (Tag- oder Normalfahrtmodus);
Fig. 10 in einem Diagramm wie in Fig. 8 oder 9 in schematischer Weise die Steuerung einer optischen Bilderzeugungsvorrichtung, aber in dem ersten Betriebsmodus (Tunnelfahrtmodus).
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Die Ausführungsbeispiele können auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden.
Einige der Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind kompatibel mit einer Anwendung z.B. hinsichtlich einigen der von Texas Instruments Inc. Dallas, Texas, vorgestellten DLP-Chipsätze für AR-HUD-Technologien sowie dem damit verbundenen High-Dynamic-Range-Konzept, bzw. können darauf aufbauen. Insbesondere können Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens programmiertechnisch und/oder durch Anpassung/Ergänzung der Hardware in einer Steuervorrichtung 10 eines AR-HUD- Systems 1 implementiert sein, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, das sehr grob und vereinfacht die Architektur des Vorschlags von Texas Instruments wiederspiegelt.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, umfasst das AR-HUD-System 1 als Hauptkomponenten eine Steuervorrichtung 10, eine optische Bilderzeugungsvorrichtung 20, eine Projektionsoptik 30, und ein in das Fenster (Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs) oder in eine in davor platzierte, transparente Platte integriertes holografisches optisches Element 40 (HOE), der als Combiner fungiert. Externe Elemente sind das Bord-Kommunikationssystem 2 des Kraftfahrzeugs mit einem Host-Prozessor 4. Aus diesem System können über RGB-Videosignalleitungen 5 und weiteren Leitungen 6 für Instruktionen etc. die holografisch darzustellenden Informationen sowie z.B. Dimmbefehle an die Steuervorrichtung 10 übertragen werden. Die holografisch darzustellenden Informationen können insbesondere ADAS-Meldungen (ADAS: advanced driver assistance system), physikalische Daten über das Kraftfahrzeug während der laufenden Fahrt oder Navigationsdaten sein.
Die Steuervorrichtung 10 kann den eigentlichen DMD-Controller 12, eine Lasermodulsteuerung 14 und eine Leistungsversorgungseinheit 16 umfassen. Die optische Bilderzeugungsvorrichtung 20 weist die Mikrospiegelvorrichtung 22 sowie Lichtquellen 24 auf, die eingerichtet sind, die von Ihnen abgegebene Strahlung selektiv auf die einzelnen Spiegel der Mikrospiegelvorrichtung 22 zu richten. Der DMD-Controller 12 steuert die Mikrospiegelvorrichtung 22 bzw. stellt die einzelnen Mikrospiegel selektiv in eine "ON"- oder "OFF"-Position. In der "ON"-Position wird die auf den jeweiligen Mikrospiegel treffende Strahlung in die Projektionsoptik 30 gerichtet, während sie in der "OFF"-Position beispielsweise in eine Lichtsenke wie etwa einem Absorptionsschirm gelenkt wird. Die Steuerung der Mikrospiegel durch den DMD-Controller 12 erfolgt in zeitlich koordinierter Weise in einem Schema von Bit-Sequenzen, die zusammengesetzt einzelne Bits eines Zeitrahmens vorgegebener Zeitdauer ergeben, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird. Der Zeitrahmen entspricht der Aktualisierungszeit (frame refresh priod) der Mikrospiegel. Durch die bitweise Darstellung innerhalb der Zeitrahmen fester Dauer werden die jeweils abzubildenden Helligkeiten digital repräsentiert.
Die Steuerung der Lichtquellen 24, bei denen es sich beispielsweise um drei die Farben RGB repräsentierende Lasermodule handeln kann, erfolgt durch die Lasermodulsteuerung 14 in koordinierter Weise mit der Steuerung der Mikrospiegel durch den DMD-Controller 12. Mit anderen Worten, die Lichtquellen 24 werden ebenfalls bitweise bzw. Bit-segmentweise gesteuert, wobei die einzelnen Bits zwischen der Steuerung der Mikrospiegel und der Steuerung der Lasermodule im Wesentlichen zeitlich übereinstimmen.
Die Projektionsoptik 30 kann, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, eine Anzahl von Kollimationslinsen 31 , 33 sowie einen Umlenkspiegel 32 umfassen. Die Steuervorrichtung 10, die optische Bilderzeugungsvorrichtung 20 und die Projektionsoptik 30 bilden zusammen eine bilderzeugende Einheit 8 (PGU - picture generating unit). In der Praxis befindet sich die bilderzeugende Einheit 8 des AR- HUD-Systems 1 Innerhalb des Armaturenbretts eines Kraftfahrzeugs, wobei die von ihr abgegebene Strahlung aus dem Armaturenbrett heraus aufwärts auf das holographische optische Element 40 trifft. Neigung und Ausrichtung des holographischen optischen Elements 40 sowie die Projektionsoptik 30 sind so auf einander abgestimmt, dass der Fahrer 46 des Kraftfahrzeugs innerhalb eines als "eye-box" bezeichneten Raums 44 das holographische Bild 42 in gewünschter Weise und in hoher Qualität wahrnimmt.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird ein beispielhafter Aufbau der Lichtquellen 24 beschrieben. Es kann jeweils ein Lasermodul 24a, 24b, 24c für die Farben R, G und B vorgesehen sein, deren Lichtstrahl derart auf halbdurchlässige Spiegel trifft, dass sich ihr Strahlengang am Ausgang der Lichtquelle (in Fig. 2 schematisch dargestellt durch eine Kollimationslinse) geometrisch überlagert. Eine gleichzeitige Strahlungsabgabe ist möglich, jedoch sieht die bitweise Steuerung regelmäßig vor, für die einzelnen Farben jeweils aufeinanderfolgende Zeitrahmen zu reservieren.
Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein einzelnes der in Fig. 2 gezeigten Lasermodule 24a-c in größerem Detail gezeigt, das als Lichtquelle 24 dient. Das Lasermodul 24a-c umfasst einen Kühlkörper 25, auf dem ein Peltierelement 26 angebracht ist, sowie eine Grundplatte 27 für die Laserdiode, die selbst wiederum auf dem Peltierelement 26 angeordnet ist. Von der Grundplatte 27 erstreckt sich vertikal eine Halterung 202 stem), an welcher ein Submount 204 befestigt ist. Auf diesem ist ein Laserchip 204 angebracht, der als vertikaler Kantenemitter ausgebildet ist. Durch Kontaktpins 201 kann der Laserchip 204 mit Leistung versorgt werden. Die Steuerung der Leistungsversorgung erfolgt durch die Lasermodulsteuerung 14 wie oben beschrieben. Das Peltierelement 26 kann dabei ebenfalls durch die Lasermodulsteuerung 14 (getrennt von der Leistungsversorgung des Laserchips 204) graduell gesteuert werden, um eine jeweils gewünschte Kühlung des Lasermoduls herbeizuführen. Das Lasermodul 24a-c weist ferner eine schützende Kappe 205 für das Gehäuse auf, wobei es sich um ein herkömmliches TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse, etc. handeln kann.
Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist (nicht in Fig. 3 gezeigt), kann das Lasermodul 24a- c jeweils (z.B. noch innerhalb des Gehäuses) eine Kollimationslinse und ein VBG- Gitter aufweisen, die zusammen mit dem Laserchip 204 einen Resonator ausbilden.
Die Figuren vier und fünf zeigen den Aufbau oder die Struktur eines Zeitrahmens, mit dem die digitalen Mikrospiegel sowie auch die Lichtquellen gesteuert werden können. Die gezeigten Darstellungen entsprechen grob dem in Doherty et al. (1998) vorgeschlagenen Aufbau für den Betrieb von DMDs.
In Fig. 4 ist oben entlang einer Zeitachse t eine Aufteilung eines einzelnen Zeitrahmens mit vorgegebener Zeitdauer P in z.B. fünf Bits 0, 1 , 2, 3, und 4 gezeigt. Der Zeitrahmen kann auch in weniger oder mehr Bits aufgeteilt sein. Dem niedrigstwertigen Bit 0 (LSB) ist eine kürzeste Zeitdauer zugeordnet. Für jedes nachfolgende Bit verdoppelt sich die zugeordnete Zeitdauer. In der gezeigten Darstellung wird der Zeitrahmen mit einer Auflösung von 1/31 (niedrigstwertiges Bit) aufgeteilt.
In der zweiten und dritten Zeile in Fig. 4 Mitte und unten sind zwei willkürliche Beispiele für das Setzen von Bits durch den DMD-Controller 12 gezeigt. Ein gesetztes Bit entspricht einer "ON"-Position eines Mikrospiegels, ein nicht gesetztes Bit entspricht einer "OFF"-Position. Ein gesetztes Bit ist in Fig. 4 durch Schraffur dargestellt. Bei dem Balken in der Mitte lautet die Bitfolge 01101 , welches 13/31 der Gesamtdauer des Zeitrahmens entspricht. Durch diese Bitfolge sind folglich etwa 42% der Maximalhelligkeit darstellbar. Bei dem Balken unten in Fig. 4 lautet die Bildfolge 10110, welches 22/31 der Gesamtdauer des Zeitrahmens entspricht. Durch diese Bitfolge sind folglich etwa 71% der Maximalhelligkeit darstellbar.
Gesetzte Bits bzw. die Zeitdauern zusammenhängend gesetzter Bits werden nachfolgend als erstes Teilintervall T1 des Zeitrahmens und nicht gesetzte Bits bzw. die Zeitdauern zusammenhängend nicht gesetzter Bits werden nachfolgend als zweites Teilintervall T2 des Zeitrahmens bezeichnet.
Das in Fig. 4 gezeigte Grundprinzip der digitalen Steuerung der Mikrospiegel durch bitweises Stellen der "ON"-oder "OFF"-Positionen eines betreffenden Mikrospiegels durch den DMD-Controller 12 kann durch das oben erwähnte Bitsplitting verfeinert werden. Die zu Fig. 4 analogen Balken sind in Fig. 5 dargestellt. Der obere Balken zeigt den gleichen Zeitrahmen vorgegebener Zeitdauer P, wobei aber die einzelnen Bits außer dem ersten Bit 0 und dem zweiten Bit 1 innerhalb des Zeitrahmens in einzelne Bitsegmente B0 bis B14 aufgeteilt und voneinander zeitlich getrennt werden. Ist anzumerken, dass in vorliegender Offenbarung auch nicht aufgeteilte Bits, nämlich jene Bits 0 und 1 , als Bit-Segmente aufgefasst sind. Dies gilt auch für die in Fig. 4 gezeigte einfache Struktur, so dass sich dort die Bit-Segmente B0 bis B4 ergeben. Beide Strukturen (solche in Fig. 4 sowie auch in Fig. 5) sind von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens erfasst. Die in Fig. 5 in der Mitte und unten gezeigten Balken (Zeitrahmen) geben für die gleiche Bitabfolge wie in Fig. 4 in der Mitte und unten gezeigt den zeitlichen Ablauf für die Bit-Segmente BO bis B14 beispielhaft wieder (Bitfolgen 01101 und 10110). Es ist deutlich eine feine Verteilung von "ON"-oder "OFF"-Positionen über den Zeitrahmen hinweg erkennbar, welches weiter die Wahrnehmung von Artefakten durch das menschliche Auge verhindert.
Die Figuren 6 und 7 zeigen nach US 2014/0085731 A1 bzw. "Enabling the Next Generation of Automotive Head-Up Display Systems", Application Report DLPA043A, zwei Möglichkeiten auf, wie der dynamische Bereich der Lichtleistung weiter verbessert werden kann. In Fig. 6 oben ist ein einzelnes Bit-Segment (z.B. B0 - B14) gezeigt, wobei die horizontale Achse die Zeitachse und die vertikale Achse den Versorgungsstrom bzw. die Lichtleistung darstellt. Es handelt sich hierbei um ein Bit-Segment, dessen zugehöriges Bit gesetzt ist. Dementsprechend fließt über die gesamte Zeitdauer des Bit-Segments (z.B. 50 ps) der maximale Strom. Soll nun beispielsweise über den Zeitrahmen hinweg eine geringere Helligkeit generiert werden als es durch das niedrigstwertige Bit darstellbar ist, so wird hier vorgeschlagen, bei einem auf "ON" gestellten Mikrospiegel die durch die Lichtquelle 24 bereitgestellte Lichtleistung durch die Lasermodulsteuerung 14 zu reduzieren oder die Zeitdauer, in welcher Strahlung abgegeben wird, gegenüber der für das Bit-Segment vorgesehenen Zeitdauer zu reduzieren (siehe Fig. 6 unten). Weil hier innerhalb des Pulses immer noch konstante Stromversorgung erfolgt, wird ein solcher Betrieb kontinuierlicher Modus genannt. Dadurch ist ein dynamischer Bereich von 100:1 erzielbar.
Noch weiter geht die in Fig. 7 dargestellte Pulssteuerung. Im diskontinuierlichen Modus werden ein oder mehrere kurze Flussimpulse erzeugt. Sowohl die Einschalt- als auch die Ausschaltzeit jedes Flussimpulses wird dabei durch abwechselndes Ein- und anschließendes Abschalten eines Stromnebenschlusses von einem Energiespeicher (z.B. Kondensator) zur Erde gesteuert. Die Flusspulsgröße wird gesteuert, indem erkannt wird, wann der Flusspuls einen vorbestimmten Sollwert erreicht hat. Durch Einschalten des Stromnebenschlusses kann der Strom zum ausgewählten Lasermodul abrupt abgeschaltet werden. Wie in Fig. 7 schematisch angedeutet lässt sich dadurch ein dynamische Bereich 5000:1 erreichen.
Ausführungsbeispiele und Aspekte sehen beispielhaft auf dem vorherigen Steuerungsprinzipien aufbauend für das in Fig. 1 gezeigte AR-HUD-System 1 einen Betrieb mit drei Fallgestaltungen vor, die jeweils durch Betriebsmodi repräsentiert sind, zwischen denen beispielsweise umgeschaltet werden kann. Die Betriebsmodi sind in den Fig. 8 bis 10 dargestellt.
Wenn z.B. voraussehbar ist, dass für längere Zeit - z.B. eine Zeitdauer, die einen Schwellwert von 30 min. übersteigt, wie es bei einer Nachtfahrt üblich sein kann, nur eine geringe Helligkeit für den Fahrer benötigt wird, so kann z.B. von dem Host- Prozessor der in Fig. 8 gezeigte Betriebsmodus ("dritter Betriebsmodus") aktiviert werden. Es kann hierbei insbesondere das in den Fig. 6 und 7 gezeigte Verfahren für die Pulssteuerung innerhalb eines Bit-Segments im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Modus durchgeführt werden.
In den Fig. 8 bis 10 zeigen die Kurven R, G und B - aufgetragen gegen die Zeit t - die sukzessive Aktivierung des jeweiligen Lasermoduls 24a, 24b, 24c an (von oben nach unten). D.h., diese Zeitdauer steht für die Abstrahlung aus der optischen Bilderzeugungsvorrichtung 20 jeweils in R, G oder B zur Verfügung. Es ist für R,G und B jeweils die Aktivierungszeit (die den individuellen Zeitrahmen für jede Farbe festlegt) erkennbar (siehe hoher Pegel). Die Summe dieser drei Farbsegmente bildet die Refresh-Zeit P bzw. den übergeordneten Zeitrahmen. Der Einfachheit halber sind in den Fig. 8 bis 10 nur Pulse gleicher Zeitdauer für alle Farben gezeigt, sowie je nur ein Puls je Zeitrahmen. Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, können aber mehrere Bit-Segmente pro Zeitrahmen gesetzt sein.
An vierter und fünfter Stelle in Fig. 8 bis 10 sind die Spiegelposition "ON/OFF" sowie die Leistungsversorgung (bzw. Stromversorgung) R_L des Lasermoduls mit der Licht im roten Wellenlängenbereich abstrahlenden Laserdiode aufgeführt. Die Leistungsversorgung der Lasermodule, die grünes oder blaues Licht abstrahlen, erfolgt jeweils analog und ist nicht gesondert gezeigt.
Die Spiegelposition "ON" entspricht der Aktivierung eines betreffenden Mikrospiegels der digitalen Mikrospiegelvorrichtung. Der gezeigte eine Puls repräsentiert ein erstes Teilintervall der Aktualisierungszeit P (bzw. der Aktivierungszeit). Über die gezeigte Pulsbreite bzw. das gezeigte Bit-Segment (hoher Pegel) hinweg wird eine erste Spiegelposition "ON" derart eingestellt, dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil aus der bildgebenden Einheit 8 ausgegeben wird. Im Nachtfahrmodus erfolgt die Leistungsversorgung wie in Fig. 8 gezeigt nur zeitgleich mit der Spiegelposition "ON", also zeitgleich mit dem ersten Zeitintervall. In einem komplementären Zeitintervall der Aktualisierungszeit P, die für die Aktivierung des Lasermoduls der betreffenden Farbe zur Verfügung steht (Aktivierungszeit: Pegel R, G, B hoch) erfolgt keine Leistungsversorgung (in den Figuren ist lediglich die integrierte Aktualisierungszeit über alle Farben eingezeichnet, nicht die farbbezogene Aktualisierungszeit, welche sie Summe der beiden Teilintervalle bildet).
Wesentlich ist hier mit Bezug auf Fig. 8 (Nachfahrt- bzw. dritter Betriebsmodus), dass die mittlere Laserleistung Pt (des roten Lasers) gegenüber der Laserleistung bei einer vollen Helligkeit deutlich reduziert ist, wenn man die Kurve R_L in Fig. 8 mit der entsprechenden in Fig. 9 vergleicht, die den "zweiten" Betriebsmodus für Tag- oder Normalfahrten zeigt. Dadurch sinkt die Temperatur des Laserchips (insbesondere in der Sperrschicht), welches wie beschrieben wegen der Wellenlängenverschiebung unerwünscht ist. Im Ausführungsbeispiel wird dies durch eine Nachregelung über das Peltierelement 26 ausgeglichen. Durch die Wärmekapazität des gesamten Laserpackages dauert diese Regelung allerdings mehrere Sekunden (typischerweise 5 - 30 s). Die gleiche Zeitdauer wird außerdem auch benötigt, um wieder auf hohe Helligkeit zurückzuschalten.
Die Betriebsweise für hohe Helligkeiten (Normal- oder Tagfahrt) ist in Fig. 9 dargestellt. Jede Laserdiode bzw. jedes Lasermodul 24a-c bleibt für das jeweilige Farbsegment durchgehend (d.h. aber nur während der Aktivierung der Farben R, G, B innerhalb der Aktualisierungszeit) eingeschaltet, und zwar bei konstanter Laserleistung Pcon, und die Anpassung der Helligkeit erfolgt ausschließlich durch die DMD-Spiegel. Damit bleibt auch die Sperrschichttemperatur in diesem Fall konstant. Diese Betriebsweise ist entsprechend der Helligkeitsregelung bei einer Hochdruckentladungslampe als Lichtquelle.
In Fig. 10 ist das Prinzip für den ersten Betriebsmodus gezeigt. Dieser wird aktiviert, wenn eine schnelle und starke Anpassung der Helligkeit erforderlich ist.
Während der "ON“ Zeit der DMD Mikrospiegel (erstes Zeitintervall) ist die Laserleistung Pr reduziert wie auch in Fig. 8 mit Bezug auf den dritten Betriebsmodus, um die hohe Helligkeitsdynamik zu erreichen. Auch besonders kurze Pulse wie in Fig. 7 gezeigt, sind möglich. Während der "OFF"-Zeit, d.h., innerhalb des zweiten Zeitintervalls, der Spiegel für die jeweilige Farbe wird das betreffende Lasermodul 24a-c jetzt jedoch mit Leistung versorgt, und zwar wenn möglich sogar mit erhöhter Laserleistung Ph, um die gleiche mittlere Leistung Pm wie in Fig. 9 (Normal- oder Tagfahrbetrieb) über die Aktualisierungszeit bzw. den Zeitrahmen zu erreichen. Dadurch wird auch eine annähernd gleiche mittlere Sperrschichttemperatur erreicht. Dadurch bleibt die Wellenlänge ebenfalls konstant. Bei der Erhöhung der Laserleistung müssen allerdings die erlaubten Maximalströme der betreffenden Laserdiode beachtet werden. Aber auch dann, wenn die Laserleistung durch die Begrenzung nicht über Ph hinaus erhöht werden darf, wird die mittlere Leistung nicht stark von Ph abweichen und sich nur eine geringe Wellenlängenänderung ergeben. Da die in den Fig. 2 und 3 gezeigten wellenlängenstabilisierten Laserdioden in einem Temperaturbereich von ca. 5° stabil betrieben werden können, ist dies durchaus tolerierbar. Typische Zeitdauern eines Bit-Segments betragen 50 ps, so dass kein Problem darin besteht, den Laser schnell genug zu schalten.
Für die Entscheidung, ob zwischen dem zweiten und dritten Betriebsmodus umgeschaltet wird, sind weitere Informationen von außen nötig, beispielsweise vom Bordcomputersystem 2 des Kraftfahrzeugs. Je nach Uhrzeit, Position und Jahreszeit kann bestimmt werden, ob es sich um eine Nachtfahrt handelt. Dies gilt auch für die Entscheidung, ob zwischen dem zweiten und dem ersten Betriebsmodus umgeschaltet wird. Falls diese Informationen nicht vorliegen, kann auch ein Betrieb nur mit dem ersten und zweiten Betriebsmodus durchgeführt werden. Hierbei fällt dann allerdings ein erhöhter Energieaufwand an, weil die Laserdioden unnötig geheizt werden. Die Regelung des Peltierelements 26 erfolgt dabei mit Vorteil im Ausführungsbeispiel über alle Betriebsmodi hinweg.
Ein Vorteil dafür, nachts im Nachtfahrmodus bzw. im dritten Betriebsmodus zu operieren, besteht darin, dass das eingeschaltete Lasermodul 24 bei den Spiegeln in "OFF"-Position zu etwas Hintergrundlicht führen kann.
Für ein holografisches AR HUD mit schneller Helligkeitsregelung und hoher Dynamik ist es insgesamt erforderlich, dass sich die Sperrschichttemperatur der Laserdiode wenig ändert. Dieses Problem wird durch die vorliegenden Ausführungsbeispiele Standard-Laserdioden in TO56 oder TO90-Gehäusen etc. gelöst. Dies hat eine wesentlich kostengünstigere Lösung zur Folge, als wenn beispielsweise Dioden in neuen Packages mit integriertem Peltierelement entwickelt würden, und diese dann auch zeitaufwändig für Automotive- Anwendungen qualifizieren zu müssen.
BEZUGSZEICHENLISTE:
AR-HUD-System
Bordkommunikationsystem
Host-Prozessor
Bildgebende I Bilderzeugende Einheit (PGU)
Steuereinrichtung
DMD-Controller
Lasermodulsteuerung
Power Management System optische Bilderzeugungsvorrichtung
DMD, Mikrospiegelvorrichtung
Lichtquelle(n) a - c Lasermodule, Laserdioden
Kühlkörper
Peltierelement
Grundplatte (des Gehäuses) 1 Kontaktstifte 2 Halterung 3 Submount 4 Laserchip 5 Kappe (des Gehäuses)
Projektionsoptik , 33 Kollimationslinsen
Umlenkspiegel holografisches optisches Element (HOE, Combiner)

Claims

29 Ansprüche:
1 . Verfahren zum Steuern wenigstens einer Lichtquelle (24) sowie einer eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (22) aufweisenden bilderzeugenden Einheit (8), wobei von der Lichtquelle (24) auf eine Anzahl von Mikrospiegeln der digitalen Mikrospiegelvorrichtung (22) ein Lichtstrahl gerichtet wird, mit deren Hilfe abhängig von jeweiligen Spiegelpositionen ein Bild durch die bildgebende Einheit (8) erzeugt und ausgegeben werden kann, umfassend:
Betreiben der digitalen Mikrospiegelvorrichtung (22) mittels Pulsbreitenmodulation in einem Schema von innerhalb einer Aktualisierungszeit (P) aufeinander folgenden Bit-Segmenten (B0-B14) vorbestimmter Zeitdauer;
Aktivieren wenigstens eines Mikrospiegels der digitalen Mikrospiegelvorrichtung (22), um innerhalb eines einen oder mehrere Pulse umfassenden ersten Teilintervalls (T1 ) der Aktualisierungszeit, wobei der oder die Pulse dem bzw. den Bit-Segment(en) entsprechen, eine erste Spiegelposition (ON) derart einzustellen, dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil aus der bilderzeugenden Einheit (8) ausgegeben wird;
Bereitstellen einer Leistung, mit welcher die Lichtquelle zumindest innerhalb der Zeitdauer des ersten Teilintervalls (T 1 ) versorgt wird, damit die Lichtquelle (24) darin eine vorbestimmte Lichtmenge emittiert; dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus die Lichtquelle (24) innerhalb eines zum ersten Teilintervall (T1 ) komplementären zweiten Teilintervalls (T2) derselben Aktualisierungszeit (P), in welchem der wenigstens eine Mikrospiegel der digitalen Mikrospiegelvorrichtung (22) eine zweite Spiegelposition (OFF) einnimmt, so dass der auf den Mikrospiegel fallende Lichtstrahlanteil nicht aus der bilderzeugenden Einheit (8) ausgegeben wird, mit Leistung versorgt wird, wobei ein zeitlicher Durchschnittswert (Ph) der Leistung im komplementären zweiten Teilintervall (T2) gegenüber einem zeitlichen Durchschnittswert (Pr) der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls (T1 ) erhöht ist, um im Fall einer geringen Lichtmenge, die für die Ausgabe aus der bildzeugenden Einheit (8) vorgesehen ist, einer Abkühlung der Lichtquelle (24) entgegenzuwirken. 30
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in einem zweiten Betriebsmodus, in welchen von dem ersten Betriebmodus wahlweise umgeschaltet wird, die Lichtquelle (24) innerhalb des zum ersten Teilintervall (T1 ) komplementären zweiten Teilintervalls (T2) der Aktualisierungszeit (P) mit Leistung versorgt wird, wobei in dem zweiten Betriebsmodus ein zeitlicher Durchschnittswert (Pcon) der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls (T1 ) im Wesentlichen gleich einem zeitlichen Durchschnittswert (Pcon) der Leistung innerhalb des zweiten Teilintervalls (T2) ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei in dem ersten Betriebsmodus der erhöhte zeitliche Durchschnittswert (Ph) der Leistung im zweiten Teilintervall (T2) so bemessen ist, dass er den niedrigen zeitlichen Durchschnittswert (Pr) der Leistung innerhalb des ersten Teilintervalls (T1 ) kompensiert, so dass ein resultierender zeitlicher Durchschnittswert (Pm) der Leistung bezogen auf die gesamte Aktualisierungszeit (P) in dem ersten Betriebsmodus im Wesentlichen gleich dem entsprechenden zeitlichen Durchschnittswert (Pcon) der Leistung im zweiten Betriebsmodus ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei in einem dritten Betriebsmodus, in welchen von dem ersten Betriebsmodus wahlweise umgeschaltet wird, die Lichtquelle (24) innerhalb des zum ersten Teilintervall (T1 ) komplementären zweiten Teilintervalls (T2) der Aktualisierungszeit (P) nicht mit Leistung versorgt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der dritte Betriebsmodus zum Umschalten ausgewählt wird, wenn
(a) eine für das oder die betreffenden Bit-Segmente (B0-B14) bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle (24) abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls (T1 ) emittiert wird, einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet; und
(b) bestimmt wird, dass eine voraussichtliche Dauer, in welcher die für das jeweilige Bit-Segment (B0-B14) bestimmte Lichtmenge in dem genannten Bereich liegt, mehr als ein zweiter Schwellwert beträgt.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Betriebsmodus ausgewählt wird, wenn
(a) eine für das oder die betreffende Bit-Segment (B0-B14) bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls (T1 ) emittiert wird, einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet; und
(b) bestimmt wird, dass eine voraussichtliche Dauer, in welcher die für das jeweilige Bit-Segment (Bo-B14) bestimmte Lichtmenge in dem genannten Bereich liegt, weniger als ein zweiter Schwellwert beträgt.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3 bis 6, soweit rückbezogen auf Anspruch 2, wobei der zweite Betriebsmodus ausgewählt und in diesen umgeschaltet wird, wenn eine für das Bit-Segment (B0-B14) bestimmte Lichtmenge, die von der Lichtquelle (24) abhängig von der Leistung und der Zeitdauer des ersten Teilintervalls (T1 ) emittiert wird, einen bzw. den vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5, 6, oder 7, soweit rückbezogen auf Anspruch 5 oder 6, wobei der erste Schwellwert 20 % oder weniger eines von einer Nennleistung der Lichtquelle (24) abhängigen Maximalwerts einer innerhalb des Bit-Segments abgebbaren Lichtmenge beträgt, vorzugsweise 15 % oder weniger, weiter vorzugsweise 10 % oder weniger, weiter vorzugsweise 5 % oder weniger, am meisten bevorzugt 1 % oder weniger.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der zweite Schwellwert zwischen 10 Minuten und 60 Minuten beträgt.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Lichtquelle (24) eine Halbleiterlichtquelle ist, vorzugsweise eine Laserdiode oder ein Laserdiodenarray.
11 . Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei in dem ersten und/oder zweiten Betriebsmodus mit Hilfe eines der Halbleiterlichtquelle zugeordneten Peltierelements (26) eine Sperrschichttemperatur in der Halbleiterlichtquelle nachgeregelt wird.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei zumindest in dem ersten Betriebsmodus die Leistung, mit welcher die Lichtquelle (24) versorgt wird, über das erste Teilintervall (T1 ) und zweite Teilintervall (T2) hinweg bzw. über das komplette Bit-Segment hinweg wahlweise in einem kontinuierlichen Modus im Wesentlichen konstant gehalten wird, oder in einem diskontinuierlichen Modus geregelt wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (24) und die bildzeugende Einheit (8) Teil eines AR-Head-Up- Displays sind, wobei der von der bilderzeugenden Einheit (8) ausgegebene Lichtstrahl über eine Optik (30 - 33) auf einen Combiner (40) gelenkt wird, der durch ein holographisches optisches Element ausgebildet wird.
14. Vorrichtung, insbesondere ein AR-Head-UP-Display, umfassend eine bilderzeugende Einheit (8) mit digitaler Mikrospiegelvorrichtung (22) sowie wenigstens eine Lichtquelle (24), umfassend eine Steuervorrichtung (10, 12, 14), die zur Ausführung der Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.
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