[Patentanmeldung]

[Bezeichnung der Erfindung:]

Projektionsanordnung für ein Head Up Display und Verfahren zu deren Steuerung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Projektionsanordnung mit einer Projektoreinheit und einer Projektionsfläche, wobei die Projektoreinheit zur Erzeugung eines Bildes auf der Projektionsfläche mindestens 2 miniaturisierte Laser, Strahleinkoppelelemente, entsprechende Strahlformierungselemente, eine Strahlkollimierungseinrichtung und einen X-Y-Scanner enthält, die so angeordnet und ausgestattet sind, dass die Strahlen- bündel nach der Strahlkollimierung unterschiedliche Winkel α besitzen.

Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Projektion und Steuerung einer Projektoreinheit nach der erfindungsgemäßen Anordnung.

Für Bildprojektionen, insbesondere für Head Up Displays (HUD) werden als Lichtquellen mit fortschreitender Laserentwicklung verstärkt miniaturisierte Laser eingesetzt. Bekannt ist dabei drei Laser mit jeweils einer roten, grünen und blauen Wellen- länge zu kombinieren. Für Rot und Blau existieren Laserdioden, für Grün Microlaser auf Basis einer Frequenzverdopplung, die typische Laserleistungen von einigen mW bis W liefern, was für HUD - Anwendungen eine ausreichende Helligkeit liefert. Eine bevorzugte Anwendung zur Bildprojektion findet das scannende Prinzip mit einem Flying Spot (gescannter Laserstrahl) , wie sie beispielsweise aus der WO 2005/087511 Al oder der DE 10135342 Cl bekannt sind.

Die Vorteile für einen HUD mit Laser bestehen in der Bildqualität, dem hohen Bildkontrast, der Effektivität durch direkte Modulierbarkeit, geringen geometrischen Abmessungen und der hohen Zuverlässigkeit der Laser. Für die Bildprojektion müssen die drei Lichtbündel (RGB) in der Bildebene überlagert werden. Dies wird für die klassischen Projektoren, wie aus Journal of the Electronics Industry, 06/2003, Seite 30-33, bekannt ist, über o Dichroitische Spiegel o Polarisationsstrahlteiler o TIR - Prismen (total internal reflection) realisiert. Für einen DMD-Projektor erfolgt die RGB - überlagerung zum Beispiel seguenziell über ein Farbrad. Das menschliche Auge kann diesen schnellen zeitlichen Versatz nicht auflösen. Für die Laserprojektion mit Flying Spot werden die gleichen Prinzipien für die so genannten Farbkombiner und Strahlvereinigung verwendet .

Eine miniaturisierte Variante der RGB - Strahlzusammenführung für ein Head Up Displays wird in WO 2005/104566 Al beschrie- ben. Hierbei werden Glasprismen mit entsprechender reflekti- ver Beschichtung zusammengefügt.

Aus der WO 95/10159 A2 ist eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser bekannt, bei der direkt modulierte Laserdiodenarrays oder Microlaser über ein dichroitisches Prisma vereinigt, mit einem Polygon gescannt und anschließend über eine Optik zum Bild projiziert werden. Andere Möglichkeiten für die RGB-StrahlVereinigung sind Prismen oder Parabolspiegel, wie sie beispielsweise aus der DE 19508100 Al bekannt sind. Die DE 19726860 beschreibt einen Laserprojektor mit Flying

Spot, der die RGB- Laserstrahlen mit dichroitischen Spiegeln zu einem RGB - Strahl ("Weißstrahl") mit der kompletten VideoInformation zusammenfasst und in einer optische Faser die Lichtleistung zum Scanner überträgt. Ein zweiter RGB -

Strahl von einem anderen RGB - Laser wird auf die gleiche Weise in eine Faser eingekoppelt und über eine gemeinsame Optik werden gleichzeitig zwei komplette RGB - Strahlen im Bild gescannt. Diese Anwendung zielt damit auf Intensitätser- höhung im Bild ab, wenn die beiden Strahlen in eine Zeile geschrieben werden oder auf eine Auflösungserhöhung durch das parallele Schreiben von gleichzeitig zwei Zeilen. Zum Einsatz kommen dabei MuItimodefasern mit geringer numerischer Apper- tur (NA) und einem kleinen Kerndurchmesser.

Allen diesen Lösungen ist gemeinsam, dass die RGB - Laserstrahlen in einer zusätzlichen Baugruppe übereinander gelegt werden müssen. Dazu sind im Allgemeinen lange optische Wege erforderlich, die sehr justierempfindlich sind und damit zusätzlich Kosten erfordern.

Es ist weiterhin erforderlich, dass die Strahlparameter (Durchmesser, Divergenz) für die drei Wellenlängen untereinander angepasst werden, so dass sie einen Weißlichtstrahl ergeben, der sich bis zur Projektionsfläche weitestgehend gleichmäßig als ein Strahl ausbreitet.

Die Anpassung der Strahlparameter erfolgt über Linsen oder Teleskope, die für jede Wellenlänge unterschiedlich abzustimmen sind. Für ein gutes Bild wird ein runder Grundmodestrahl TEMoo benötigt. Besonders aufwendig wird dies bei der Kombi- nation einer roten und blauen Laserdiode und eines grünen Microlasers. Außerdem treten dabei erhebliche Lichtverluste auf .

Die Strahlführung und Formung erfordert zusätzliche mechanische Halter und Justierelemente. Insbesondere für Projektionsvorrichtungen, wie Head Up Displays, die möglichst klein und kompakt aufgebaut sein sollen, ist die oben benannte Strahlvereinigung problematisch, was neben den Dimensionen auch zu hohen Kosten und mangelnder Stabilität führt. Da Head Up Displays vorrangig im Kraftfahr-

zeugbereich oder in Flugzeugen oder auch in überwachungs- und Kontrolleinrichtungen eingesetzt werden und dort extreme mechanische und thermische Belastungen auftreten können, sind einfachere Lösungen für einen Färb- und Strahlkombiner der Projektionsanordnung erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige, kompakte und stabile Projektionsanordnung für eine Projektionsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art und ein Verfahren zu schaffen, die insbesondere für Bildprojektionen mittels miniaturisierter Head Up Displays geeignet sind.

Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Projektionsanordnung mit einer Projektoreinheit und einer Projektionsfläche so ausgestaltet ist, dass die Projektoreinheit zur Erzeugung eines Bildes auf der Projektionsfläche (14) mindestens 2 miniaturisierte Laser, diesen nachgeordneten Strahleinkoppelelementen (4,5,6) entsprechenden Strahlformierungselementen (7,8,9) eine Strahlkollimierungseinrichtung (11) und einen X-Y-Scanner

(13) enthält, die so zueinander angeordnet und ausgestattet sind, dass die Strahlenbündel nach der Strahlkollimierung unterschiedliche Winkel α besitzen. Die Anzahl der den miniaturisierten Lasern nachgeordneten Strahleinkoppelelementen und Strahlformierungselementen ergibt sich aus der Anzahl der Laser.

Bei der erfindungsgemäßen Projektionsanordnung für einen so genannten Färb- und Strahlkombiner für ein miniaturisiertes Head Up Displays mit scannenden Flying Spot, entfallen auf- wendige optische Justierwege, was zu höherer Stabilität und verringerten Kosten führt. Optische Flächen mit hoher Leistungsdichte können durch Hermetisierung vor Verschmutzung geschützt werden.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ist aus Fig. 1.1 zu entnehmen.

Hierbei sind die miniaturisierten Laser (1, 2, 3) für Head Up Displays direkt modulierbar gestaltet. Für Rot wird eine Laserdiode eingesetzt, die z. B. als MOPA oder als Single Emitter aufgebaut ist . Der entstehende Laserstrahl (λ=642nm) ist elliptisch aber nahe dem Grundmode. Für Grün wird z. B. ein diodengepumpter Microlaser mit interner Frequenzverdopplung eingesetzt. Diese Laser emittieren z.B. bei λ=532nm einen ebenfalls nahezu grundmodigen runden Strahl . Für Blau kann ebenfalls ein Microlaser (typisch λ=457nm) oder eine Laserdiode (typisch λ=440nm) eingesetzt werden. Die erforderliche Strahlformung erfolgt über eine optische Faser unmittelbar am Ausgang der miniaturisierten Laser. Eine visuelle RGB -Strahlvereinigung als zusätzliches Bauelement entfällt und erfolgt im Bild durch zeitliche Synchronisation der RGB-Videoinformation. Die den miniaturisierten Lasern (1, 2, 3) erfindungsgemäß nachgeordneten Strahleinkoppelelemente bestehen aus Microlinsen (4, 5, 6), die die Laserstrahlen entsprechend fokussieren und deren Strahlparameter des jeweiligen Lasers angepasst sind. Die Laserstrahlen werden unmittelbar am jeweiligen Laser über die Strahleinkoppelelemente (geeignete Microlinsen) in

Strahlformierungselemente eingekoppelt. Die Strahlformierungselemente sind Fasern (7,8,9), wie zum Beispiel Monomode- fasern für den sichtbaren Bereich. Der Strahl hat am Ausgang der jeweiligen Faser ein Strahlpro- dukt zum Beispiel für Rot R^ * NA (R _k -Kerndurchmesser der

Faser, NA - numerische Apertur der Faser) , welcher es erlaubt am Projektionsschirm einen Spotdurchmesser zu erreichen, der die entsprechende Auflösung im Bild ermöglicht.

Das Strahlprodukt R^ * NA sollte für diese Anwendung kleiner 1 mm mrad sein. Es können auch photonische Fasern zur Strahl- formierung und Lichtübertragung zum Einsatz kommen. Die drei optischen Fasern (7, 8, 9) werden in einem Stecker (10) zusammengeführt. In besonders vorteilhafter Weise liegen die Faserausgänge unmittelbar nebeneinander, so wie im Fig. 3.1 dargestellt. Fig. 3.1 stellt eine Ausführung einer Faserkombination für eine RGB-Laser dar, wie er sich im Stecker 10 der Ausführungen nach Fig. 1.1 und Fig. 1.2. befindet. Technisch wird dies z. B. durch die Anordnung der Faser in einer Ferrule gelöst, die eine entsprechende Bohrung besitzt. Der Abstand b zwischen den Faserkernen, die das Laserlicht führen, ergibt sich dann durch den eigentlichen Faserdurchmesser a, der durch das Cladding bestimmt wird. Ein typischer Wert für a und b ist 125 μm für Standard - Monomodefasern. Dieser Abstand kann auch durch Abschleifen oder ätzen der Faser weiter verringert werden. Die Befestigung der Fasern zueinander kann mit einem geeigneten Klebstoff erfolgen. Der Stecker (10) ist unmittelbar an eine Strahlkollimierungsein- richtung angeschlossen.

In erfindungsgemäßer vorteilhafter Ausführung werden die Faserausgänge in oder nahe der Brennebene und in der Nähe der optischen Achse einer Linse (12) angeordnet. In besonders vorteilhafter Ausführung der Erfindung erfolgt eine symmetri- sehe Anordnung der drei Faserausgänge zur optischen Achse und die Verwendung eines Linsenachromaten. Die Linse (12) kolli- miert die Laserstrahlung aus den Fasern (7, 8, 9) entsprechend ihrer NA zu drei Laserbündeln (RGB) , die nach der Linse

(12) erfindungsgemäß unterschiedliche Winkel α haben. Der jeweilige Winkel resultiert aus der Anordnung der Fasern in der Brennebene und dem Abstand zur optischen Achse und kann näherungsweise nach der Formel

a = arctg(—) r 1 (D

berechnet werden, wobei

B = Abstand des Faserkerndurchmesser zur optischen Achse der Linse (12) und Fl = Brennweite der Linse (12) ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird durch die Auswahl der Brennweite Fl der Linse (12) die Divergenz θ der drei Laserbündel (RGB) eingestellt . Eine lange Brennweite bewirkt eine geringe, eine kurze Brennweite dagegen eine große Divergenz θ. Die Divergenz θ wird außerdem maßgeblich durch den Kerndurchmesser der Faser bestimmt .

Bei einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung kann mit einer weiteren Linse (12a) , oder einem anderen geeigneten optischem System, eine Fokussierung der Strahlung auf den Schirm (14) erfolgen. Die Brennweite F2 der Linse (12 a) entspricht etwa dem Abstand von dieser Linse (12 a) bis zum Projektionsschirm (14) . Die Spotgröße am Schirm ergibt sich dann aus der Näherung

D = θ-F2 (2)

wobei

D der minimale Spotdurchmesser am Schirm θ Divergenz nach der Kollimierungslinse (12) F2 Brennweite der Linse 12 a.

Am Projektionsschirm (14) erhält man dann drei räumlich getrennte Spots für die jeweiligen RGB-Wellenlängen mit nahezu gleichem Durchmesser (siehe Fig. 1-1) . Aus den RGB- Laserquellen resultieren erfindungsgemäß die Strahlen, die die genannten Spots ergeben.

Durch die Orientierung des Steckers (10) zur Projektionsebene kann man die RGB - Spots in eine horizontal gescannte Zeile justieren. Der Abstand zwischen den einzelnen Spots beträgt im Bild einige Pixel . Bei einem typischen horizontalen optischen Scanwinkel des Microspiegels von 12° mit einer Auflösung von 1024 Pixel ergibt sich aus Formel (1) bei einem Abstand der beiden äußeren Faserkerne von 125 μm und einer Brennweite von f = 40 mm ein Winkelabstand am Schirm von ca. 15 Pixel. Bei einer Pixeldauer von ca. 17 ns bei der genannten Auflösung ergibt sich eine zeitliche Verzögerung zwischen diesen Pixeln von ca. 255 ns .

Die entsprechende Bildinformation für diese Pixel muss dann elektronisch zeitlich verzögert (im Bild örtlich) gescannt werden. Das heißt, die Pixel der einzelnen Farben (RGB) werden definiert zeitlich zueinander versetzt ausgelesen. Das menschliche Auge integriert die Farbinformation und sieht keinen Unterschied zu einem Bild, dass mit nur einem Spot, einem Weißlichtstrahl mit der vollen Information geschrieben wird. Die auf diese Weise gescannte RGB-Information ergibt ein korrektes und farbrichtiges Bild und erlaubt die Einsparung des RGB - Farbkombiners .

Die Orientierung des Fasersteckers (10) kann auch in vertika- ler Richtung (oder schräg) erfolgen, so dass die RGB-Strahlen (7, 8, 9) in unterschiedlichen Zeilen gescannt werden. Die Videoinformation muss dann entsprechend den Positionen der RGB-Spots in vertikaler Richtung zeitlich angepasst werden.

Zur Verfahrensweise nach der erfindungsgemäßen Projektionsanordnung ist in Fig. 2 das Prinzip der Steuerung dargestellt. Die Videoinformation wird in einen Bildspeicher (Zeilenspeicher) gelegt. Zu jeder X-Y - Position des Scanners (13) ist ein entsprechender Bildpunkt (Pixel) zugeordnet. Der Positi-

onsdetektor liefert die örtliche Information vom Scanner, die für den richtigen Bildaufbau erforderlich ist. Aus dem Bildspeicher werden die Pixelinformationen an eine Modulationseinheit geleitet und dort in die für den jeweiligen RGB - Laser erforderliche ModulationsSpannung gewandelt und die Laser entsprechend damit moduliert. Die Kontrolleinheit steuert den X-Y - Scanner und sorgt für ein geregeltes Scanverfahren. Es ist somit möglich, mit drei in der Ortslage versetzten Pixeln arbeiten zu können. Die Video- bzw. Bildin- formation wird praktisch im Auge summiert, da die Auflösung im menschlichen Auge nicht schnell genug ist. Das Ziel ist es, dass die Pixel möglichst dicht zusammen liegen, damit die Verzögerung, die sich aus dem Winkelversatz ergibt, eingestellt werden kann. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch den Positionsdetektor und Bildspeicher.

Es ist auch prinzipiell möglich die Bildinformation über Look - Up - Tables für RGB auszulesen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft eine Anordnung das nur zwei Fasern und zwei Laser benutzt.

Es werden nur ein rot und ein grün emittierender Laser verwendet, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Mit diesen Laserwellenlängen kann man zum Beispiel durch Mischen eine dritte orange / gelbe Farbe für ein Head Up Display erzeugen, dass vorrangig für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden kann.