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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sendevorrichtung mit einem optischen Emitter und einer optischen Strahlformungseinheit zur Homogenisierung, Diskretisierung und Erhöhung der Augensicherheit von Lichtstrahlen sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Sendevorrichtung.
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Eine optische Sendevorrichtung besteht in der Regel aus einem Emitter und einer optischen Strahlformungseinheit, die das charakteristische Strahlprofil des Emitters der gewünschten Anwendung anpasst. Einige Anwendungen erfordern z. B. eine homogene Ausleuchtung eines vorgegebenen Zielgebiets. Strahlformungseinheiten basieren i. d. R. auf optischen Grundelementen, von denen einige im Folgenden kurz vorgestellt werden. Sphärisch oder asphärisch geformte Linsenoberflächen haben je nach Orientierung der Krümmung eine konvergente oder divergente Wirkung. Die kontinuierliche Krümmung solcher Flächen erlaubt jedoch keine Energieaufspaltung in diskrete Zielfelder.
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Eine Zylinderlinse ist nur entlang einer Richtung gekrümmt und lenkt das Licht nur in eine Richtung ab (in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse). In der dazu orthogonalen Richtung wirkt eine Zylinderlinse wie eine planparallele Platte. Das Resultat ist, dass ein Parallelbündel nicht auf einen Brennpunkt, sondern auf eine Brennlinie parallel zur Zylinderachse fokussiert wird. Eine astigmatische Linse weist eine richtungsabhängige Krümmung der Oberfläche auf. Sie hat deshalb keinen Brennpunkt sondern zwei Brennlinien, entsprechend ihren Hauptkrümmungsrichtungen. Eine Fresnellinse wird vorzugsweise zur Realisierung einer starken Linsenkrümmung benutzt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass trotz der starken Krümmung die Linse relativ flach und leicht ist. Dazu wird die Linse radialsymmetrisch segmentiert, wobei jedes Element in Richtung der optischen Achse unter Beibehaltung der Oberflächenkrümmung verschoben ist. So wird die Ausdehnung der Linse in Richtung der optischen Achse auf ein Minimum reduziert. Prismen transmittieren bzw. reflektieren Lichtstrahlen je nach Winkelverkippung der Seitenflächen. Ein Lichtmischstab ist ein lichtführendes Bauteil, das durch interne Totalreflexion das eingekoppelte Licht im Stab führt und über eine Austrittsfläche auskoppelt. Durch eine unterschiedliche Anzahl von Reflektionen der einzelnen Teilstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln in den Stab eingekoppelt wurden, tritt ein Mischeffekt bezüglich Position und Winkel auf und steigert die Homogenität der Strahlung. Die Formung eines vorgegebenen Strahlprofils ist nur begrenzt möglich. Eine Facettenoptik oder ein Linsenarray ist eine Maske, die aus einzelnen refraktiven Linsenelementen besteht und ein Lichtfeld transmittiert. Die sich ergebende Lichtverteilung ist von der Form und Brechkraft der einzelnen Elemente abhängig. Mit den hier vorgestellten optischen Grundelementen lässt sich z. B. eine Ansammlung von diskreten Zielfeldern mit einer vorgegeben Form nicht umsetzen und die Möglichkeiten des Designs sind stark eingeschränkt.
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Neben einem vorgegebenen Strahlprofil ist die Augensicherheit nach DIN EN 60825-1 eine wichtige Anforderung an eine optische Sendevorrichtung. Die Bestimmungen der DIN EN 60825-1 stellen sicher, dass die Augennetzhaut einer Person, die sich in der Nähe der optischen Sendevorrichtung aufhält, nicht durch zu hohe Strahlintensitäten oder eine zu lange Bestrahlungsdauer geschädigt wird. Das menschliche Auge fokussiert die Strahlung auf die Netzhaut, diese wird im schlimmsten Fall irreparabel geschädigt. Besonders gefährlich ist Strahlung im sichtbaren oder nahen infraroten Wellenlängenbereich, da der Glaskörper in diesem Wellenlängenbereich nicht absorbiert. Die Gefährdung der Augennetzhaut hängt von der Strahlstärke und der Ausdehnung der virtuellen Emitterfläche ab. Die virtuelle Emitterfläche ist das durch die Strahlformungseinheit abgebildete Bild der realen Emitterfläche des Emitters.
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Z. B. ist eine Überwachungsvorrichtung im Kraftfahrzeug eine Applikation, die ein vorgegebenes Strahlprofil und Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich benötigt. Eine Überwachungsvorrichtung findet Anwendung im Kraftfahrzeuginnenraum, z.B. zur Sitzbelegungserkennung. Auch zur Überwachung des Kraftfahrzeugaußenraums werden Infrarotsender, z. B. als Abstandssensoren oder in einem Nachtsichtsystem, genutzt. Diese Anwendungen erfordern einen homogenen Strahl mit definierten Abmessungen, damit das Zielgebiet gleichmäßig ausgeleuchtet werden kann.
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Die 42 30 963 A1 beschreibt eine Signalleuchte mit Spiegelreflektor zur Lichtkollimation und einer in Lichtrichtung danach folgenden Optikscheibe sowie Abschlussscheibe. Die Optikscheibe hat mehrere periodische Strukturen, die das Licht an lichtundurchlässigen Bereichen vorbeileiten und eine Divergenz und Überlagerung erzeugen. Die Signalleuchte besteht aus mindestens drei Bauteilen zur Lichtdirektion, u.a. einem Spiegelreflektor.
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Die
DE 196 35 942 A1 beschreibt Linsenflächen mit einer Grundform und überlagertem Linsenarray. Hierbei ist die Oberflächenform für die Grundform und für das überlagerte Linsenarray allgemein gehalten (konkav, konvex, sphärisch, asphärisch, zylindrisch, rotationssymmetrisch).
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Die
DE 10 2004 002 221 B3 beschreibt eine optische Symmetrierungsvorrichtung für Vielfachemitter-Laserdioden. Die Symmetrierungsvorrichtung überlagert eine Anzahl von Einzelemittern und beeinflusst die Gesamtdivergenz. Sie benötigt mindestens drei optische Bauelemente zur Strahlformung, die zudem noch beabstandet angeordnet sind.
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Es ist eine Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige optische Sendevorrichtung anzugeben, die die Augensicherheit gewährleistet und ein vorgegebenes Strahlprofil zur Verfügung stellt.
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Die Aufgabe wird erfinderisch gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Die abhängigen Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung auf.
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Es wird eine Sendevorrichtung mit einem optischen Emitter und einer optischen Strahlformungseinheit angegeben. Die Strahlformungseinheit erhöht insbesondere die Augensicherheit von intensiven Lichtstrahlen. Dazu fokussiert die optische Strahlformungseinheit das Licht nicht auf einen Brennpunkt, sondern eine nicht rotationssymmetrische Oberflächenkrümmung fokussiert das Licht auf zumindest eine erste und eine zweite Brennlinie. Dieses Prinzip ist z. B. von der astigmatischen Linse bekannt. Die Brennlinien stehen senkrecht zur Strahlrichtung. Hier wird als Strahlrichtung die Richtung eines unendlich kleinen Teilstrahls in der Mitte des vom Emitter gesendeten (divergenten) Strahls bezeichnet. Für die Augensicherheit sind zumindest zwei beabstandete Brennlinien vorteilhaft, da das Auge in diesem Fall immer nur einen Teil der Strahlung scharf auf die Netzhaut abbilden kann.
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In dieser Anmeldung wird der Begriff Brennlinie bei einer eindimensionalen Fokussierung eines Lichtstrahls zu einem Bild der Emitterfläche verwendet, wobei die Intensität des Lichtstrahls auf die Brennlinie homogen oder nach einem vorgegebenen Muster (z.B. Teilbrennpunkte) verteilt ist. Das Bild der Emitterfläche kann virtuell (bei divergenter Strahlung) oder real (bei konvergenter Strahlung) sein.
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Erfindungsgemäß befindet sich in Strahlrichtung eine erste Brennlinie vor der Strahlformungseinheit. Hier handelt es sich analog zum virtuellen Brennpunkt einer Zerstreuungslinse um eine virtuelle Brennlinie. Eine zweite Brennlinie ist in Strahlrichtung hinter der optischen Strahlformungseinheit angeordnet. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass immer nur ein Teil des Lichtstrahls vom menschlichen Auge scharf auf die Netzhaut abgebildet werden kann.
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Die Eintrittsfläche der Strahlformungseinheit ist wie eine sphärische oder asphärische Zylinderlinse geformt, wobei die Linsenoberfläche entlang ihrer Krümmung mit einer periodischen Struktur überlagert ist. Eine Zylinderlinse bewirkt eine eindimensionale Bündelung des Strahls. Eine zusätzliche periodische Struktur auf der Zylinderlinse homogenisiert die vom Emitter vorgegeben Intensitätsverteilung des Strahls in eine Raumrichtung. Die periodische Struktur wirkt wie eine Vielzahl von Sammellinsen, die in einer Raumrichtung (Brennlinie) das Licht auf viele Teilfoki fokussiert. Die Teilstrahlen weiten sich hinter den Fokussierpunkten auf und überlagern sich entlang der genannten Raumrichtung. In einer weiteren Ausgestaltung wirkt die periodische Struktur wie eine Vielzahl von Zerstreuungslinsen. Auch hier werden die Teilstrahlen hinter der Sendeeinheit zu einem homogenisierten Gesamtstrahl überlagert. Durch die Homogenisierung des Strahls können z. B. herstellungsübliche Schwankungen des Strahlsprofils eines Emitters ausgeglichen werden. Die gleiche Wirkung kann auch mit der entsprechenden Formung der Austrittsfläche der Strahlformungseinheit erzielt werden.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Krümmung der Zylinderlinse so vorgegeben, dass der einfallende Lichtstrahl in eine Raumrichtung kollimiert wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Zylinderlinse mit einer periodischen Struktur überlagert. Die Struktur, deren einzelne Periode durch eine Funktion F(x) beschrieben werden kann, ist so gestaltet, dass die zweite Ableitung der Funktion F"(x) einen ähnlichen Funktionsverlauf aufweist wie die vorgegebene Intensitätsverteilung der Zielfelder im Fernfeld. In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Ableitung F"(x) der Funktion F(x) im Wesentlichen konstant, um eine homogene Ausleuchtung der Zielbereiche zu erreichen.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung sich die Austrittsseite der Strahlformungseinheit aus einer Mehrzahl von Facettenflächen zusammensetzt. Die Facettenflächen bilden insbesondere eine Prismensubstruktur auf der Oberfläche. Die Facettenflächen sind so angeordnet und in zwei zueinander orthogonalen Raumrichtungen verkippt, dass das einfallende Licht in vorgegebene Raumsegmente abgelenkt und überlagert wird. Durch die besondere Facettenanordnung werden die Brennlinien in der jeweiligen Ebene vor bzw. hinter der Strahlformungseinheit vervielfacht, so dass die Intensität einer Brennlinie auf mehrere Brennlinien aufgeteilt wird und die Gesamtintensität auf eine größere Ausdehnung der virtuellen Emitterfläche abgebildet wird.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung lenken jeweils benachbarte Facettenflächen das Licht in verschiedene sich nicht überlappende Raumsegmente ab. Durch die besondere Facettenanordnung werden Toleranzen des Emitters ausgeglichen und der Strahl wird im Zielgebiet homogenisiert.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Strahlprofil des Emitters, das typischerweise einer rotationssymmetrischen oder elliptischen Gaußverteilung folgt, durch die Strahlformungseinheit so verändert, dass zumindest zwei vorgegebene, diskrete Zielbereiche beleuchtet werden. Es tritt kaum Streulicht außerhalb der Zielfelder auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Form der Zielfelder rechteckig und jedes Zielfeld wird mit einer vorgegebenen Helligkeitsverteilung, z. B. einer homogenen Verteilung, ausgeleuchtet.
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Die Sendevorrichtung ist insbesondere für eine Anwendung in einem Kraftfahrzeug zur Innenraum- und Außenraumüberwachung vorgesehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und 2 Abbildungen näher beschrieben.
- 1: Schematischer Aufbau der Sendevorrichtung mit Emitter und Strahlformungseinheit.
- 2: Strahlverlauf im Fernfeld und Zielfelder
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In 1, links ist die Strahlformungseinheit der Sendevorrichtung schematisch beschrieben. Die obere Abbildung zeigt einen horizontalen Schnitt der Anordnung, die untere Abbildung stellt die Anordnung in einem vertikalen Schnitt dar. Vereinfacht dargestellt, umfasst die Strahlformungseinheit drei optische Grundstrukturen. Ganz links ist eine asphärische Zylinderlinse 4 dargestellt. Nur im vertikalen Schnitt ist eine asphärische Krümmung der Oberfläche sichtbar. Die asphärische Krümmung wird zusätzlich mit einer periodischen Struktur 5 überlagert, die rechts daneben dargestellt ist. Die Überlagerung der Strukturen 4 und 5 und bilden die Lichteintrittsfläche 2.1 der Strahlformungseinheit. Rechts daneben ist eine Prismensubstruktur 6 dargestellt. Im horizontalen und vertikalen Schnitt sind Substruktureinheiten an der Lichtaustrittsfläche 2.2 erkennbar. Durch diese Prismensubstrukturen wird das Licht in vorgegebene Raumsegmente gelenkt und überlagert.
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In 1, rechts ist der schematische Aufbau der Sendevorrichtung mit einem Emitter 1 und einer Strahlformungseinheit 2 dargestellt. Die Strahlrichtung 3 ist durch einen schwarzen Pfeil dargestellt. Die obere Abbildung zeigt einen horizontalen Schnitt der Anordnung, die untere Abbildung einen vertikalen Schnitt. Zusätzlich ist der Verlauf des Lichtstrahls 8 durch hell- und dunkelgraue Felder skizziert. Der Emitter 1 sendet einen divergenten Lichtstrahl mit einem Strahlprofil, das typischerweise eine rotationssymmetrische oder elliptische Gaußverteilung aufweist. Der Lichtstrahl durchläuft die Strahlformungseinheit, die im vorherigen Abschnitt ausführlich beschrieben wurde. Im horizontalen Schnitt ist die Formung von drei separaten Strahlen 8a, 8b und 8c im Fernfeld angedeutet. Diese diskrete Winkeltrennung wird durch eine Verkippung der Substruktureinheiten auf der Rückseite der Strahlformungseinheit erreicht. In der Abbildung sind nur zwei Einzelstrahlen dargestellt, die im Fernfeld zu einem Strahl 8a bzw. 8b überlappen. Prinzipiell können aber weitere Einzelstrahlen für eine bessere Lichtmischung vorgesehen sein. Dabei tragen unterschiedliche Prismensegmente an unterschiedlichen Positionen zu der Intensitätsverteilung des Lichts in einem Zielfeld bei. Mit einer solchen Anordnung können Schwerpunktsverlagerungen der Strahlung bedingt durch Justage- oder Fertigungstoleranzen kompensiert werden.
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In der Abbildung darunter sind die Sendevorrichtung und der zugehörige Strahlengang im vertikalen Schnitt dargestellt. Auch hier ist eine Teilung des Gesamtstrahls in Einzelstrahlen durch die Substruktureinheiten erkennbar.
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Zumindest eine Brennlinie 9 der Strahlformungseinheit 2 ist in Strahlrichtung 3 vor der Strahlformungseinheit 2 angeordnet. Hierbei handelt es sich analog zum virtuellen Brennpunkt einer Zerstreuungslinse um eine virtuelle Brennlinie. Die zumindest eine Brennlinie ist in horizontaler Richtung ausgebildet. Mögliche weitere Brennlinien sind parallel zur Brennlinie 9 angeordnet. Die Brennlinien sind in einer Ebene senkrecht oder zumindest nahezu senkrecht zur Strahlrichtung 3 angeordnet.
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Zumindest eine weitere Brennlinie 10 befindet sich hinter der Strahlformungseinheit 2 und ist gemäß der Stellung der Zylinderlinse 4 vertikal ausgerichtet. Mögliche weitere Brennlinien sind auch hier parallel zur Brennlinie 10 angeordnet. Die Brennlinien sind in einer Ebene senkrecht oder zumindest nahezu senkrecht zur Strahlrichtung 3 angeordnet.
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Die periodische Struktur wirkt wie eine Vielzahl von Sammellinsen, die das Licht auf viele Teilfoki 11, die auf der Brennlinie angeordnet sind, fokussiert. Die Teilstrahlen weiten sich hinter der Brennlinie bzw. den Brennlinien 10 auf und überlagern sich im Fernfeld in vertikaler Richtung. So wird eine homogene Ausleuchtung der Zielfelder in vertikaler Richtung erreicht. Der vertikale Ausleuchtungswinkel wird in Abhängigkeit von Amplitude und Segmentgröße der periodischen Struktur 5 bestimmt.
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In 2, links sind die diskreten Einzelstrahlen 8a, 8b, 8c der Sendevorrichtung im Fernfeld dargestellt. Oben werden die Strahlen im horizontalen Schnitt gezeigt. Die drei Teilstrahlen 8a, 8b, 8c entfernen sich in Strahlrichtung 3 betrachtet immer weiter voneinander. Unten im Bild, werden die Strahlen im vertikalen Schnitt dargestellt. Die Teilstrahlen 8a und 8b verlaufen in gleicher Höhe, wohingegen der Teilstrahl 8c unterhalb der anderen Strahlen 8a, 8b verläuft. Die zugehörigen Zielfelder 7a, 7b, 7c sind in 2, rechts dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde dazu eine Perspektive entlang der Strahlrichtung 3 gewählt.
