DE102005005355A1

DE102005005355A1 - Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE102005005355A1
Application number: DE102005005355A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Schaale
Original assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Current assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Priority date: 2005-02-05
Filing date: 2005-02-05
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-02-06
Also published as: DE102005005355B4

Abstract

Es wurde eine Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls und zur Abbildung desselben auf eine Zielfläche, wobei der Lichtstrahl auf einen Reflektor auftrifft und umgelenkt wird und der Reflektor aus zumindest zwei reflektierenden Facettenflächen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln zueinander besteht vorgestellt. Diese Vorrichtung wird vorzugsweise zur Homogenisierung von Lichtstrahlen verwendet und kann mit verschiedenen Facettenanordnungen realisiert werden. Eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung ist der Integration der Anordnung in einem gewinkelten Lichtwellenleiter, wobei eine facettierte Seitenwand der Reflektor ist und ein zusätzliches Lichtleitersegment den Lichtstrahl hinter dem Reflektor führt und bei entsprechender Länge des Lichtleiters weiter homogenisiert.

Description

Im Bereich der Sensortechnik werden auf Licht basierende Messverfahren eingesetzt. Die technische Applikation erfordert in der Regel ein spezielles Strahlprofil am Abbildungsort, z. B. eine homogene Intensitätsverteilung im Lichtstahl. Wenn die gewünschte Intensitätsvereilung nicht dem Strahlprofil des Lichtemitters entspricht wird der Strahl nachträglich geformt, d.h. die räumliche Verteilung der Lichtintensität im Strahl wird verändert. Weiterhin ist es zweckmäßig, das Licht von einem Emitter zur Abbildungsebene durch Lichtleiter zu führen.

Zur gleichförmigen Verteilung der Lichtintensität im Strahl werden z.B. lange Lichtwellenleiter eingesetzt, in denen durch Reflexionen des Strahls an den führenden Seitenwänden eine Homogenisierung erreicht wird. Hierzu muss der Lichtleiter ausreichend lang sein, so dass auch die Lichtstrahlen mit geringer Divergenz zumindest einmal reflektiert werden. Durch andere Geometrien, z.B. mit einem parabolförmigen Lichtleiter kann Parallellicht erzeugt werden. Dieses Vorgehen ist jedoch in der praktischen Umsetzung mit einer aufwändigen Justage behaftet. Durch eine serielle Anordnung verschiedener Strahlformungselemente im Lichtwellenleiter kann so in vielen Fällen die gewünschte Intensitätsverteilung im Strahlprofil erreicht werden. Der Nachteil einer solchen Anordnung zur Strahlformung ist, dass die räumliche Ausdehnung des Lichtleiters relativ groß ist. In der Sensortechnik ist jedoch nicht nur eine einwandfreie technische Funktion sondern auch ein kompaktes Design gefordert, das kleinere Sensorabmessungen und damit erhöhte Einsetzbarkeit in Fahrzeugen ermöglicht.

Mit dem oben vorgestellten Lösungsansätzen lässt sich die Formung des Strahlprofils im Wellenleiter nicht mit der Forderung eines kompakten Designs vereinbaren.

Es ist daher eine Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, das Intensitätsprofil eines Lichtstrahls mittels einer kompakten Anordnung zu formen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Reflektorvorrichtung mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Intensitätsprofil eines Lichtstrahls durch Umlenkung über einen Reflektor, bestehend aus mindestens zwei Facetten, verändert und somit bedarfsgerecht geformt werden kann. Als Facetten werden hier Reflektionsflächen bezeichnet, die zueinander geneigt angeordnet sind, d.h. die Normalen von benachbarten Flächen stehen zueinander in einem Winkel α ≥ 0.

Eine bevorzugte Anwendung der Vorrichtung ist die Homogenisierung eines beliebigen inhomogenen Lichtstrahls.

Diese Vorrichtung kann vorzugsweise zur Homogenisierung eines Lichtstrahls mit hoher Lichtintensität im Zentrum des Strahls und geringer Lichtintensität in den Randbereichen des Strahls, genutzt werden, wenn die Flächennormalen der Facetten so angeordnet sind, dass die Randbereiche des einfallenden Lichtstrahls zum Zentrum des ausfallenden Strahls reflektiert werden und die zentrumsnahen Strahlen des einfallenden Lichts in die Randbereiche des ausfallenden Strahls.

Vorzugsweise besteht der Reflektor zur Strahlhomogenisierung eines typischen Lichtemitters mit der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Intensitätsverteilung aus zumindest zwei Facetten im Zentralbereich des Strahls, d.h. im Bereich hoher Lichtintensität, und zwei Facetten im Randbereich des Strahls.

Der Reflektor zur Strahlhomogenisierung eines Lichtemitters mit der oben beschriebenen Intensitätsverteilung besteht vorzugsweise aus zumindest vier Facetten im Zentralbereich des Strahls, d.h. im Bereich hoher Lichtintensität, und aus zumindest vier Facetten im Randbereich des Strahls, d.h. im Bereich geringer Lichtintensität. Eine Anordnung der Facetten ist in 3a dargestellt. In der Regel gilt, je mehr Facetten benutzt werden, um so größer ist der Homogenisierungsgrad des Strahls.

Lichtleiter zur Führung des Lichtstrahls vom Emitter zur Abbildungsebene werden im infraroten und sichtbaren Spektralbereich eingesetzt. Die Strahlformungseinheit ist vorzugsweise in den Lichtleiter integriert, der Lichtleiter besteht aus mindestens zwei zueinander gewinkelt angeordneten Abschnitten, wobei der Reflektor Bestandteil der führenden Seitenwand des Lichtleiters im zweiten Abschnitt ist, zu dem das Licht durch den ersten Abschnitt des Lichtleiters geführt wird.

Um den Abbildungsfehler gering zu halten, wird vorzugsweise die Länge des ersten Abschnitts des Lichtleiters so gewählt, dass ein möglichst geringer Teil aber maximal 35% des geführten Lichts an den Seitenwänden reflektiert werden und die Abmessungen des Reflektors nahezu mit denen des Lichtstrahls am Umlenkort übereinstimmen. Aufgrund der Divergenz des Lichtstrahls nimmt der Strahldurchmesser mit zunehmender Entfernung vom Emitter zu. Es kann also bei einem kleinen Emitter und einer relativ dazu großen Abbildungsebene vorteilhaft sein, den Abstand zwischen Emitter und Reflektor groß zu wählen, um auch die Facettenflächen mit großen Abmessungen fertigen zu können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein dritter Abschnitt im Wellenleiter vorgesehen, der sich in Richtung des umgelenkten Lichtstrahls an den zweiten Abschnitt anschließt, und zur Führung des Strahls zur Abbildungsebene und/oder zur Homogenisierung des Strahls aufgrund von Reflexion des Lichts an den Seitenwänden dient. Letztere kann erforderlich sein, da die Facetten aus fertigungstechnischen Gründen immer eine endliche Ausdehnung besitzen und deshalb kein kontinuierlicher Intensitätsverlauf erreicht werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung in Kraftfahrzeugen. Mit einem LIDAR System basierend auf Infrarotstrahlen wird die Entfernung zu anderen Objekten, z. B. vorausfahrende Kraftfahrzeuge, bestimmt. Als Strahlquelle wird ein Punktstrahler benutzt. Die Abstrahlfläche dieses Infrarotemitters ist klein bezogen auf die Zielfläche, die hier eine Fresnelllinse ist. Die Linse parallelisiert das auftreffende Licht. Dies ist entscheidend für die Reichweite des LIDAR-Systems. Für die hier beschriebene technische Applikation ist es notwendig, die Objekte im Messstrahl gleichmäßig auszuleuchten. Das Strahlprofil des verwendeten Emitters weist im Zentrum eine höhere Intensität als in den Randgebieten auf, so dass er vor dem Auftreffen auf die Fresnelllinse homogenisiert werden muss. Weiterhin soll der Sensor kompakt sein, was die herkömmliche Anwendung eines einfachen langen Wellenleiters zur Strahlhomogenisierung ausschliesst. Ein weiterer Vorteil der hier vorgestellten Anordnung liegt darin, dass aufwändige Justagearbeiten, die z.B. bei der Verwendung von Parabolreflektoren anfallen, hier nicht notwendig sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher beschrieben.

Es zeigen:
1: Gewinkelter Lichtleiter mit drei Sektionen
2: Verlauf des Lichtstrahls vor und hinter dem Reflektor
3: a) Reflektoranordnung mit 8 Facetten
b) Reflektoranordnung mit 16 Facetten
4: Intensitätsverteilung des Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Divergenz vor und hinter dem Reflektor
In 1 ist ein Lichtleiter dargestellt, der das Licht vom Emitter zur Abbildungsfläche führt, den Strahl homogenisiert, kompakt und nahezu justagefrei ist. Er besteht aus drei Abschnitten; im ersten Abschnitt tritt das Licht ein und wird zum Reflektor geführt. Die Länge von Abschnitt 1 des Lichtleiters ist so gewählt, dass maximal 10% des geführten Lichts an den Seitenwänden reflektiert werden und die Abmessungen des Reflektors nahezu mit denen des Lichtstrahls am Umlenkort übereinstimmen. Abschnitt 2 des Lichtleiters ist so gewinkelt zu Abschnitt 1 angeordnet, dass das Licht an einer führenden Seitenwand reflektiert wird. Der Reflektor besteht aus 4 Facettenflächen pro Längenausdehnung, wie in 3b dargestellt. Der Verlauf des Lichts im Wellenleiter wird in 2 im Schnittbild gezeigt. Das Strahlzentrum trifft auf die mittleren Facettenflächen 4.1 des Reflektors 4 auf. Die Facetten sind so angeordnet, dass der reflektierte Teilstrahl von einer Facette in den oberen und von der anderen Facette in den unteren Randbereich des reflektierten Gesamtstrahls umgelenkt wird. Die Randbereiche des Strahls treffen auf die äußeren Facetten 4.2 und werden von diesen in das Zentrum des umgelenkten Strahls reflektiert. Die Intensität des Strahls in Abhängigkeit von der Divergenz vor und hinter dem Reflektor ist in 4 aufgetragen. Die Randstrahlen des einfallenden Lichts werden in das Zentrum des reflektierten Strahls fokussiert, wo die Strahlen überlappen und ihre Gesamtintensität in etwa der Intensität der in die Randbereiche reflektierten Strahlen entspricht.
In Richtung des reflektierten Strahls setzt sich der Lichtleiter 3 fort. Dieser Abschnitt homogenisiert den Lichtstrahl weiter durch Reflektion des Lichts an den Seitenwänden. Dies ist vorteilhaft, da die Facetten aus fertigungstechnischen Gründen immer eine endliche Ausdehnung besitzen und deshalb allein durch die Facetten kein kontinuierlicher Intensitätsverlauf erreicht werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls und zur Abbildung desselben auf eine Zielfläche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl auf einen Reflektor (4) auftrifft und umgelenkt wird, wobei der Reflektor (4) aus zumindest zwei reflektierenden zueinander geneigten Facettenflächen (4.1, 4.2) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl mit inhomogener Intensitätsverteilung durch die Facettenflächen (4.1, 4.2) umgelenkt wird, wobei die Facettenflächen (4.1, 4.2) so angeordnet sind, dass der Strahl homogenisiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Homogenisierung eines Lichtstrahls mit hoher Lichtintensität im Zentrum des Strahls und geringer Lichtintensität in den Randbereichen des Strahls die Flächennormalen der Facettenflächen (4.1, 4.2) so angeordnet sind, dass die Randbereiche des einfallenden Lichtstrahls (5) zum Zentrum des ausfallenden Strahls reflektiert werden und die zentrumsnahen Strahlen des einfallenden Lichts (6) in die Randbereiche des ausfallenden Strahls.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Reflektor (4) aus zumindest zwei Facetten im Zentralbereich des Strahls, d.h. im Bereich hoher Lichtintensität und zwei Facetten im Randbereich des Strahls zusammensetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Reflektor (4) aus zumindest vier Facetten (4.1) im Zentralbereich des Strahls, d.h. im Bereich hoher Lichtintensität, und aus zumindest vier Facetten (4.2) im Randbereich des Strahls, d.h. im Bereich geringer Lichtintensität zusammensetzt (3a).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl in einem Lichtleiter geführt wird, der aus mindestens zwei zueinander gewinkelt angeordneten Abschnitten (1, 2) besteht, wobei der Reflektor (4) Bestandteil der führenden Seitenwand des Lichtleiters im zweiten Abschnitt (2) ist und wobei das Licht durch den ersten Abschnitt (1) des Lichtleiters zum Reflektor (4) geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Abschnitt (1) des Wellenleiters ein möglichst geringer Teil aber maximal 35% des einfallenden Lichtstrahls an den Seitenwänden reflektiert werden und dass die Abmessungen des Reflektors (4) nahezu mit denen des auftreffenden Lichtstrahls übereinstimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Lichtleiterabschnitt (3) nach dem Reflektor (4) den Lichtstrahl zur Zielfläche führt.