Simulation des Bildaufbaus in einem Laserprojektionssystem für die automobile Frontbeleuchtung

Abstract

Die neueste Technik im Bereich der automobilen Frontbeleuchtung sind adaptive Scheinwerfersysteme, die ihre Lichtverteilung an die aktuelle Verkehrssituation anpassen. Dabei wird ständig mit Fernlicht gefahren, der Gegenverkehr wird ausgeblendet. Auch potentielle Gefahrenquellen können gezielt angeleuchtet werden. Mithilfe moderner Laserlichtquellen und MEMS-Scanner können effiziente und kompakte Systeme, die die Verkehrssicherheit bei Nacht deutlich erhöhen, entwickelt werden. Die Firma ZKW - ZIZALA Lichtsysteme GmbH entwickelt zurzeit ein Konzept für ein Laserprojektionssystem, das als Zusatzfernlicht in einem Autofrontscheinwerfer eingesetzt werden soll. Dabei rastert ein fokussierter Laserstrahl, der über einen Mikrospiegel abgelenkt wird, eine fluoreszierende Keramikschicht ("Phosphor" oder "Konverter") ab. Der Laserstrahl regt den Phosphor lokal zum Leuchten an, sodass verschiedene Lichtverteilungen generiert werden können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Bildaufbau auf dem Konverter, wobei zwei unterschiedliche Laserprojektionssysteme betrachtet werden. Zuerst wird ein 2D-Laserprojektionssystem, bei dem der Mikrospiegel in zwei Raumrichtungen resonant schwingt, analysiert. Durch die Spiegelschwingung wird auf dem Phosphor eine Lissajous-Figuren erzeugt. Für die Simulation der sich einstellenden Helligkeitsverteilung müssen dabei einige Effekte berücksichtigt werden, wie zum Beispiel Helligkeitsunterschiede, verschiedener Laserspotdurchmesser oder das Nachleuchten des Phosphors. Weiters werden auch die Intensitätswerte für das Dimmen des Lasers, um eine bestimmte Lichtverteilung erzeugen zu können, berechnet. Diese werden dann anhand eines Prototypen getestet. Die Simulationsergebnisse zeigen gute Übereinstimmung mit den vorgegebenen Lichtverteilungen. Beim zweiten System, dem 1D-Multi-Laserprojektionssystem, schwingt der Mikroscanner nur in eine Richtung, jedoch werden hier insgesamt sechs Laserdioden verwendet, die jeweils eine Zeile am Phosphor schreiben. Für dieses müssen ebenfalls einige Einflussfaktoren, wie die Parabelform der Zeilen und deren Schnittpunkte, beachtet werden. Auch hier sind die Ergebnisse plausibel.

The latest technology in the field of automotive front lighting systems are adaptive vehicular headlamp systems, which adjust their light distribution to the current traffic situation. They are always driven with high beam, the oncoming traffic meanwhile is blinded out. In addition, potentially dangerous objects can be directly illuminated. Using modern laser light sources and MEMS micro-scanners allows developing efficient and compact systems, which significantly improve the road safety at night. The company ZKW - ZIZALA light systems GmbH is developing a concept for a laser-based projection system, which will be used as additional high beam in a vehicular headlight. In this case a focused laser beam, which is deflected by a micro-mirror, scans a fluorescent ceramic layer ("phosphor" or "converter"). The laser beam locally excites the phosphor to glow. Therefore, different light distributions can be generated. This thesis deals with the development of the image on the phosphor-coated surface, in which two different laser-based projection systems are considered. First a 2D laser-based projection system is analysed, in which the micro-mirror oscillates resonant in two spatial directions. Due to the fact that the mirror oscillates, Lissajous-figures are generated on the phosphor. In this case, some effects must be considered as far as the modelling is concerned, such as differences in brightness, diverse diameter of the laserspot or the phosphorescence of the converter. Furthermore, the intensity values to dim the laser are calculated for generating specific light distribution. Then these are tested on a prototype. The simulation results are in conformity with the predetermined light distributions. As far as the second system is concerned, namely the 1D multi-laser projection system, the micro-scanner oscillates in one direction only, but here a total of six laser diodes is used. Each of them writes one line on the phosphor. Some influencing factors, like the parabolic lines and their intersections, have to be considered as well. Here, the results are also feasible.