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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Begrenzung einer optischen Leistung, enthaltend einen Lichteintritt und einen Lichtaustritt und ein dazwischen angeordnetes Schutzelement, welches eine variable Transmission und/oder eine variable Reflexion aufweist, welche durch ein Steuersignal beeinflussbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit einer solchen Schutzvorrichtung ausgestattetes optisches Gerät sowie ein Verfahren zur Begrenzung einer optischen Leistung, bei welchem Licht auf ein Schutzelement trifft, welches eine variable Transmission und/oder eine variable Reflexion aufweist, welche durch ein Steuersignal beeinflussbar ist. Vorrichtungen und Verfahren der genannten Art können dazu verwendet werden, elektronische Bilderfassungsgeräte oder das Auge eines Benutzers vor intensiver Lichtstrahlung zu schützen. Die Schädigung technischer Geräte oder eine gesundheitliche Beeinträchtigung kann somit verhindert oder zumindest reduziert werden, wenn das mit der Schutzvorrichtung ausgestattete optische Gerät auf eine intensive Lichtquelle gerichtet ist. Solche intensiven Lichtquellen können beispielsweise Laserstrahlen, Bogenentladungen oder direktes Sonnenlicht sein.
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Die
US 6,668,137 B1 zeigt einen power adjuster für optische Übertragungsstrecken. Dieser wird von einem controller angesteuert, welcher die in einer optischen Faser transportierte Leistung misst. Bei Auftreten einer Leistungsspitze wird ein variabler Abschwächer angesteuert, sodass an dessen Ausgang eine konstante optische Leistung zur Verfügung steht. Die Signallaufzeit in der Regelelektronik wird durch ein Verzögerungsglied ausgeglichen.
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US 3,273,458 A offenbart ein Schutzelement für optische Sensoren, bei welchem das optische Nutzsignal durch eine Kerr-Zelle abgeschwächt oder blockiert wird, wenn am Eingang der Vorrichtung unzulässig hohe Intensitäten auftreten. Um die zum Schalten der Kerr-Zelle notwendige Zeit zur Verfügung zu haben, wird das optische Nutzsignal in einem Faserbündel verzögert. Dieses Dokument zeigt jedoch nicht, das Schutzelement mit mehreren Pixeln auszustatten, sodass selektiv einzelne Bereiche des Gesichtsfelds abgeschwächt beziehungsweise ausgeblendet werden können und der Blick auf die Szene im Übrigen weitgehend ungestört erhalten bleibt. Die verwendete Kerr-Zelle blockiert das gesamte optische Nutzsignal und schaltet damit das Gesichtsfeld vollständig dunkel.
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DE 101 55 830 A1 zeigt einen Strahlungsempfänger mit einem Fotodetektor und einem Sensor, bei welchem der Fotodetektor durch einen Shutter in Anhängigkeit der detektierten einfallenden Strahlungsintensität geschützt wird. Diese Vorrichtung soll insbesondere zum Schutz von Entfernungsmessern dienen.
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Die
US 3,502,388 A offenbart ein optisches Delay-Element auf der Basis eines Lichtwellenleiters. Dabei bleibt die räumliche Lichtverteilung nicht erhalten und somit können Bilder einer komplexen Szene nicht übertragen werden.
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Aus der
DE 10 2010 030 054 A1 ist eine solche Schutzvorrichtung bekannt. Bei dieser bekannten Schutzvorrichtung wird die Intensität bzw. die optische Leistung des Lichtes am Lichtaustritt bestimmt. Bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes wird die Transmission des Schutzelementes reduziert, sodass die hinter der Schutzvorrichtung liegende Bilderfassungseinrichtung vor unzulässig hoher Intensität geschützt werden kann.
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Diese bekannte Schutzvorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass die Leistung erst dann reduziert wird, wenn diese die zu schützende Bilderfassungseinrichtung bereits erreicht hat. Bei einer sehr hohen Eingangsleistung kann bis zum Ansprechen der Schutzvorrichtung bereits eine irreparable Schädigung der Bilderfassungseinrichtung eingetreten sein.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung, ein Verfahren zur Begrenzung einer optischen Leistung und ein optisches Gerät mit verbesserter Schutzwirkung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zur Begrenzung einer optischen Leistung gemäß Anspruch 8 und einem optischen Gerät gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Schutzvorrichtung mit einem Lichteintritt und einem Lichtaustritt vorgeschlagen. Der Lichteintritt kann beispielsweise durch eine Blende oder eine Eintrittslinse gebildet sein. In gleicher Weise kann der Lichtaustritt zumindest eine Linse, eine Blende oder einen Kollimator enthalten, um die Emittanz der Schutzvorrichtung an die Akzeptanz nachfolgender optischer Geräte oder des menschlichen Auges anzupassen.
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Die Schutzvorrichtung ist dazu vorgesehen, im Strahlengang zwischen einer intensiven Lichtquelle und einer zu schützenden optischen Einrichtung angeordnet zu werden, sodass bei Betrieb der Schutzvorrichtung die hindurch tretende Lichtintensität bzw. optische Leistung unter einen kritischen Wert gehalten werden kann. Hierdurch kann die Zerstörung einer Bilderfassungseinrichtung, beispielsweise eines CCD-Sensors, einer Fotodiode, einer Bildverstärkerröhre oder eines menschlichen Auges vermieden werden. Übermäßig große Lichtintensitäten können insbesondere dann auftreten, wenn ein mit der Schutzvorrichtung ausgestattetes optisches Gerät auf eine intensive Lichtquelle gerichtet wird, beispielsweise direktes Sonnenlicht oder Bogenentladungen, welche beispielsweise beim Lichtbogenschweißen oder beim Defekt elektrischer Anlagen auftreten. Solche Ereignisse sind meist auf Unachtsamkeit des Benutzers des optischen Gerätes zurückzuführen. Darüber hinaus können hohe optische Leistungen auch dann auf die Schutzvorrichtung bzw. ein damit ausgestattetes Gerät treffen, wenn das optische Gerät bzw. dessen Benutzer in Schädigungsabsicht mit Laserstrahlung beaufschlagt wird. Solche Blendattacken stellen insbesondere deshalb eine Herausforderung an die Schutzvorrichtung dar, weil der verwendete Laser und damit die eintreffende Wellenlänge und die eintreffende Leistung in der Regel nicht bekannt sind.
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Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung enthält weiterhin ein Schutzelement, welches eine variable Transmission aufweist, wenn die Schutzvorrichtung in Transmission betrieben wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Licht zwischen Lichteintritt und Lichtaustritt am Schutzelement reflektiert werden. In diesen Fällen weist das Schutzelement eine variable Reflexion auf. Die Transmission bzw. die Reflexion des Schutzelementes ist durch ein Steuersignal beeinflussbar. Bevorzugt wird ein elektrisches Steuersignal verwendet. Das Schutzelement enthält somit einen elektronisch ansteuerbaren optischen Modulator und/oder einen elektronisch ansteuerbaren optischen Schalter.
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Das Schutzelement kann zumindest einen optischen Schalter enthalten, welcher eintreffendes Licht entweder transmittiert oder blockiert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Schutzelement ein variables Dämpfungsglied sein oder ein solches enthalten, sodass die von der Schutzvorrichtung transmittierte Lichtintensität stufenlos oder in Stufen angepasst werden kann. Somit ist es möglich, die aus der Schutzvorrichtung austretende Lichtintensität stets unterhalb eines vorgebbaren Schwellwertes zu halten, ohne dass beim Eintreffen intensiver Strahlung notwendigerweise eine vollständige Blockierung des Strahlenganges erfolgen muss. Hierdurch kann das mit der Schutzvorrichtung ausgestattete optische Gerät eine Szene auch dann beobachten, wenn intensive Strahlung zusätzlich zum optischen Nutzsignal in die Schutzvorrichtung eintrift.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Schutzelement zumindest eine mikromechanische Blende, einen elektrooptischen Modulator, eine akustooptischen Modulator oder einen Polarisationsmodulator enthalten oder daraus bestehen. Beispielsweise kann das Schutzelement einen räumlichen Lichtmodulator (SLM), eine Pockels-Zelle, eine Kerr-Zelle, ein Mikrospiegelarray oder einen Flüssigkristallmodulator enthalten.
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Die Erfindung eignet sich zum Aufbau als integrierte optische Komponente auf einem einzigen Trägersubstrat. Das Trägersubstrat kann beispielsweise ein Glas oder ein Polymer oder ein Halbleitermaterial sein oder ein solches enthalten, in welches Wellenleiter, Koppler oder Strahlteiler durch Lasermaterialbearbeitung eingeschrieben werden können. Insbesondere eignet sich hierzu ein Kurzpulslaser, beispielsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 1 ns, weniger als 100 fs oder weniger als 10 fs. Durch Punkt-zu-Punkt-Belichtung können die genannten Strukturen in das Trägersubstrat eingeschrieben werden.
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Elektronische Komponenten und elektrische Leiterbahnen können durch Aufdampfen und Strukturieren von Halbleiter- und/oder Metallschichten erzeugt werden oder auf einem separaten Halbleitersubstrat angeordnet sein, welches mit dem Trägersubstrat festhaftend oder abnehmbar verbunden ist.
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Auf diese Weise kann die gesamte Schutzvorrichtung einfach und kompakt aufgebaut werden, sodass diese nur geringen Bauraum benötigt und mechanisch robust ausgeführt werden kann.
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Der Nachweisdetektor und/oder die Bilderfassungseinrichtung können als wellenleiterintegrierte Photodiode auf dem Trägersubstrat integriert sein, wie dies bei optischen Empfängern aus der Telekommunikationstechnik bekannt ist.
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Das Steuersignal, welches die Transmission oder Reflektivität des Schutzelementes beeinflusst, wird erfindungsgemäß durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung erzeugt. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der am Lichteintritt bestimmten optischen Leistung ein Steuersignal an das Schutzelement auszugeben. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann entweder eine einstellbare oder fest programmierte Triggerschwelle aufweisen, oberhalb derer das Schutzelement von einem transparenten in einen opaken Zustand geschaltet wird, um auf diese Weise den Strahlengang durch die Schutzvorrichtung zu unterbrechen bzw. zu schwächen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dämpfung des Schutzelementes durch die Regeleinrichtung fortlaufend so verändert werden, dass die Lichtintensität am Lichtaustritt einen vorgebbaren Sollwert nicht überschreitet, ohne dass die Schutzvorrichtung den Strahlengang vollständig unterbricht.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die Latenzzeit, welche die Steuer- und/oder Regeleinrichtung benötigt, um ein Steuersignal zu erzeugen, durch ein Verzögerungsglied im Strahlengang zu kompensieren. Das Verzögerungsglied verlängert die Laufzeit eintreffenden Lichtes zwischen dem Lichteintritt und dem Schutzelement. Hierdurch kann das Schutzelement auf die zu erwartende Lichtintensität eingestellt werden, ehe diese erhöhte optische Leistung tatsächlich auf das Schutzelement trifft. Hierdurch wird vermieden, dass die optische Leistung während der Schaltzeit des Schutzelementes und der Latenzzeit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung über einen vorgebbaren Grenzwert ansteigt. Die Sicherheit des Benutzers eines optischen Instrumentes ist dadurch erhöht.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung als analoge Schaltung realisiert sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder einen FPGA enthalten, auf welchem durch ein entsprechendes Programm eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung realisiert ist. Dies erlaubt die einfache Anpassung der Schutzvorrichtung an geänderte Einsatzbedingungen, da durch eine neue Programmierung die Steuer- oder Regelparameter in einfach angepasst werden können.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laufzeit eintreffenden Lichtes zwischen dem Lichteintritt und dem Schutzelement um etwa 1 ns bis etwa 10 µs verlängert werden. Diese Zeitspanne reicht aus, um mit hinreichend schnellen Elektronikkomponenten das Schutzelement an eine am Lichteintritt bestimmte Intensität anzupassen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verzögerungsglied dazu eingerichtet sein, die Laufzeit eintreffenden Lichtes zwischen dem Lichteintritt und dem Schutzelement um etwa 10 ns bis etwa 1 µs zu verlängern. Diese geringe Verzögerung wird vom Benutzer eines optischen Gerätes nicht störend wahrgenommen. Die Beobachtung einer Szene ist weiterhin nahezu in Echtzeit möglich. Gleichwohl kann das Schutzelement in dieser kurzen Zeitspanne geschaltet werden, um eine Schädigung nachfolgender Bilderfassungseinrichtungen zu verhindern.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schutzvorrichtung weiterhin einen Strahlteiler enthalten, dessen Eingang mit dem Lichteintritt verbunden ist und welcher zumindest einen ersten Ausgang und zumindest einen zweiten Ausgang aufweist, wobei der erste Ausgang über das Verzögerungsglied und das Schutzelement mit dem Lichteintritt verbunden ist und der zweite Ausgang mit einem Nachweisdetektor verbunden ist, welcher mit der Regeleinrichtung verbunden ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Strahlteiler mehr als 50 %, mehr als 60 %, mehr als 75 %, mehr als 90 % oder mehr als 95 % der am Lichteintritt eintreffenden Intensität in den ersten Ausgang lenken. Somit steht weiterhin ein großer Teil eintreffenden Lichtes als Nutzsignal am Lichtaustritt der Schutzvorrichtung zur Verfügung. Ein geringerer Anteil des über den Lichteintritt eintreffenden Lichtes wird am zweiten Ausgang zur Bestimmung der Lichtintensität am Lichteintritt verwendet. Hierzu kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Nachweisdetektor vorhanden sein, welcher eintreffende optische Strahlung in ein elektrisches Signal wandelt. Das elektrische Signal kann der Steuer- bzw. Regeleinrichtung unmittelbar zugeführt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Signal über einen optionalen Vorverstärker, eine Triggereinrichtung oder einen A/D-Wandler weiterverarbeitet werden, ehe es der Steuer- bzw. Regeleinrichtung zugeführt wird.
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Der Nachweisdetektor kann in einigen Ausführungsformen eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein Fotowiderstand sein oder einen solchen enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Nachweisdetektor auch die räumliche Verteilung eintreffenden Lichtes in einer oder zwei Dimensionen erfassen. In diesen Fällen kann als Nachweisdetektor ein Fotodiodenarray oder eine CCD-Kamera verwendet werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verzögerungsglied zumindest einen Lichtwellenleiter enthalten. Lichtwellenleiter können als faseroptisches Bauteil aus einem Glas oder einem Polymer in großen Längen gefertigt werden. Da es sich bei Lichtwellenleitern um gängige Bauelemente aus der Telekommunikationstechnik handelt, kann das Verzögerungsglied mit robuster und einfach verfügbarer Technik aufgebaut werden. Neben dem Lichtwellenleiter als solchem können auch Koppelelemente, Strahlteiler oder Lichteintritts- und -austrittslinsen sowie wellenleiterintegrierte Fotodioden als Nachweisdetektor aus der Telekommunikationstechnik verwendet werden. Der Lichtwellenleiter des Verzögerungsgliedes kann platzsparend auf einer Trommel aufgewickelt werden, sodass das Verzögerungsglied nur einen geringen Bauraum beansprucht.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verzögerungsglied eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern enthalten. Hierdurch kann die räumliche Verteilung des durch den Lichteintritt eintretenden Lichtes erhalten bleiben, sodass am Lichtaustritt der Schutzvorrichtung weiterhin eine ein- oder zweidimensional auflösende Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung eines Bildes eingesetzt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Lichtwellenleiter des Verzögerungsgliedes gleich oder größer sein als die Anzahl der Pixel einer mehrdimensionalen Bilderfassungseinrichtung, sodass das Auflösungsvermögen der Bilderfassungseinrichtung durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung nicht negativ beeinflusst wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auch das Schutzelement eine Mehrzahl von Pixeln enthalten, deren Transmission und/oder Reflektivität unabhängig voneinander einstellbar ist. Insbesondere bei Blendattacken mit Laserstrahlung kann der eintreffende Laserstrahl nicht den gesamten Akzeptanzbereich der Schutzvorrichtung ausfüllen, sodass durch partielles Blocken einzelner Pixel des Schutzelementes die Beeinträchtigung des erfassten Bildes reduziert sein kann. Somit können andere Akzeptanzbereiche weiterhin mit voller Intensität bzw. Brillanz von der Bilderfassungseinrichtung dargestellt werden, um auch während einer Blendattacke eine sichere Beurteilung der von einem optischen Gerät erfassten Szene zu ermöglichen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese ein optisches Gerät, welches mit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ausgestattet ist. Das optische Gerät kann beispielsweise eine Kamera, ein Fernglas, ein Fernrohr, eine Bildverstärkerröhre oder ein Empfänger eines optischen Kommunikationssystems sein. Unter einem optischen Kommunikationssystem wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur drahtlosen Datenübertragung verstanden, welche mit optischen Trägersignalen arbeitet, auf welche ein digitales oder analoges Nutzsignal aufmoduliert werden kann. Die Schutzvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, sichtbares Licht und/oder infrarote Strahlung und/oder ultraviolette Strahlung fallweise zu schwächen oder zu unterbrechen, wenn diese eine vorgebbare optische Leistung übersteigt. Auf diese Weise kann eine digitale Bilderfassungseinrichtung oder das Auge eines Benutzers vor unerwünschter Schädigung geschützt werden. Sofern die Bilderfassungseinrichtung im sichtbaren Spektralbereich arbeitet, kann die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung mit zumindest einem statischen Filter kombiniert werden, welcher Licht außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches dauerhaft schwächt oder blockiert, sodass Blendattacken in diesem Spektralbereich stets zuverlässig verhindert werden. Somit kann die Schutzwirkung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung auf den Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich beschränkt werden, welcher die Nutzsignale transportiert.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 ein Ausführungsbeispiel zum Schutz eines Einzelelementdetektors in Freistrahltechnik.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Schutz eines Einzelelementdetektors mit einer integrierten optischen Komponente oder einem faseroptischen Aufbau.
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3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung zum Schutz einer Detektormatrix.
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4 zeigt den Aufbau der in den 1, 2 und 3 beispielhaft gezeigten Schutzvorrichtungen in Form einer integrierten optischen Komponente.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schutzvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform dient dem Schutz eines Einzelelementdetektors 8. Der Einzelelementdetektor 8 kann beispielsweise ein Fotowiderstand, eine Fotodiode oder ein Fototransistor sein, welcher eintreffende Strahlung erkennt. Beispielsweise kann der Einzelelementdetektor 8 Teil eines Laserentfernungsmessers sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Einzelelementdetektor 8 Teil eines Empfängers einer Datenübertragungsstrecke sein, welcher ein moduliertes optisches Trägersignal empfängt und einem Demodulator zuführt.
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Der Einzelelementdetektor 8 kann bei Eintreffen großer optischer Leistung bzw. hoher Lichtintensität zerstört werden. Die Schutzvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist dazu vorgesehen, diese Zerstörung zu vermeiden.
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Hierzu weist die Schutzvorrichtung 1 einen Lichteintritt 11 sowie einen Lichtaustritt 12 auf. Der Lichteintritt 11 empfängt Umgebungslicht sowie das für den Einzelelementdetektor 8 bestimmte optische Signal. Darüber hinaus kann zeitweilig Störstrahlung in den Lichteintritt 11 gelangen, beispielsweise direktes Sonnenlicht oder intensive Laserstrahlung einer Blendattacke.
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Der Lichtaustritt 12 ist mit der Lichteintrittsfläche des Einzelelementdetektors 8 verbunden, sodass das aus der Schutzvorrichtung 1 austretende Licht im Einzelelementdetektor 8 nachgewiesen kann.
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Um eine Zerstörung des Einzelelementdetektors 8 durch eine unzulässig hohe Intensität zu vermeiden, enthält die Schutzvorrichtung 1 einen Strahlteiler 2. Der Strahlteiler 2 enthält einen teildurchlässigen Spiegel 25. Dieser transmittiert einen Teil des eintreffenden Lichtes in den ersten Ausgang 21. Ein anderer Teil des Lichtes wird in den zweiten Ausgang 22 reflektiert. Der teildurchlässige Spiegel 25 kann dazu eingerichtet sein, mehr als 75 %, mehr als 90 % oder mehr als 95 % des Lichtes in den ersten Ausgang 21 zu lenken. Hierdurch steht auch bei schlechten Lichtverhältnissen eine hinreichende Intensität zur Verfügung, um im Einzelelementdetektor 8 ein Signal mit gutem Signal-/Rauschverhältnis nachweisen zu können und eine Zerstörung der Komponenten am zweiten Ausgang kann vermieden werden.
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Das Licht des ersten Ausgangs 21 wird durch eine Linse 31 oder ein Linsensystem fokussiert, sodass das im Freistrahl eintreffende Licht mit hinreichend guter Effizienz in das Verzögerungsglied 6 eingekoppelt werden kann. Das Verzögerungsglied 6 enthält einen Lichtwellenleiter, d.h. eine Faser mit einem Kern und einem den Kern umgebenden Mantel aus einem Glas oder einem Polymer. Kern und Mantel weisen unterschiedliche Brechungsindizes auf, sodass das im Wellenleiter geführte Licht an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel totalreflektiert wird.
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Der Wellenleiter weist eine Länge auf, sodass das Verzögerungsglied 6 eine Verzögerung um etwa 1 ns bis etwa 10 µs ermöglicht. Die benötigte Länge kann einfach über die Lichtgeschwindigkeit im Kern des Lichtwellenleiters und die gewünschte Verzögerungszeit bestimmt werden.
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Am Ausgang des Verzögerungsgliedes steht eine optionale Linse 71 zur Verfügung, welche das aus dem Verzögerungsglied austretende Licht auf das Schutzelement 7 abbildet.
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Das Schutzelement 7 ist dazu eingerichtet, zumindest einen ersten Betriebszustand und zumindest einen zweiten Betriebszustand aufzuweisen, wobei die Transmission durch das Schutzelement 7 im ersten Betriebszustand höher ist als im zweiten Betriebszustand. Das Schutzelement 7 kann ein Schaltelement sein, beispielsweise ein mechanischer Shutter, welcher den Strahlengang unterbrechen kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Schutzelement 7 hindurchtretende Strahlung schwächen, beispielsweise mit einem LCD-Element, einer Pockels-Zelle oder einer Kerr-Zelle.
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Das durch das Schutzelement 7 transmittierte Licht wird mit einer zweiten Linse 72 auf die Eintrittsfläche der Bilderfassungseinrichtung bzw. des Einzelelementdetektors 8 abgebildet. Auch die Linse 72 ist optional und kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen.
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Das Schutzelement 7 wird über ein elektrisches Signal angesteuert, welches die gewünschte Lichtdurchlässigkeit bzw. Lichtschwächung des Schutzelementes beeinflusst. Das elektrische Steuersignal für das Schutzelement 7 wird durch eine Steuereinrichtung und/oder eine Regeleinrichtung 5 erzeugt.
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Der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 5 wird ein die Eingangsintensität repräsentierendes elektrisches Signal zugeführt, welches mit einem Nachweisdetektor 4 erzeugt wird. Der Nachweisdetektor 4 empfängt Licht aus dem zweiten Ausgang des Strahlteilers 2. Optional kann eine Linse 32 im Strahlengang vorhanden sein, um Strahlungsverluste zu verringern und/oder die Nachweiswahrscheinlichkeit im Nachweisdetektor 4 zu erhöhen. Die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 6 ist so gewählt, dass diese größer oder gleich der Latenzzeit des Detektors 4, der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 5 und des Schutzelementes 7 ist, sodass eine unzulässig große Lichtintensität erst dann auf das Schutzelement 7 auftrifft, wenn dieses zumindest teilweise in einen Zustand geringerer Transmission geschaltet ist. Anders als bei bekannten Schutzvorrichtungen tritt somit vor dem Schalten des Schutzelementes keine Intensitätsspitze in der Bilderfassungseinrichtung bzw. im Einzelelementdetektor 8 auf, wenn eine große Lichtintensität in den Lichteintritt 11 einfällt.
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Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 5 kann im einfachsten Fall einen Diskriminator enthalten, welcher bei Eintreffen eines entsprechend großen Messsignals des Detektors 4 ein Schaltsignal für das Schutzelement 7 ausgibt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 5 eine Fuzzy Logic oder ein neuronales Netz enthalten, um eine gleitende oder stufige Anpassung der Transmission des Schutzelementes 7 in Abhängigkeit der eintreffenden Lichtintensität zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Nachweisdetektor 4 und/oder die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 5 dazu eingerichtet sein, Laserstrahlung aufgrund der Kohärenz und/oder der Bandbreite von anderen intensiven Lichtquellen zu unterscheiden, so dass das Schutzelement 7 nur bei Eintreffen von Laserstrahlung anspricht.
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Obgleich das Ausführungsbeispiel die Verwendung eines Schutzelementes in Transmission zeigt, kann selbstverständlich in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch ein reflektierendes Schutzelement 7 eingesetzt werden, dessen Reflektivität in Abhängigkeit des Steuersignals variabel ist.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
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2 zeigt eine Schutzvorrichtung 1 mit einem Lichteintritt 11 und einem Lichtaustritt 12. Die Schutzvorrichtung 1 gemäß 2 ist zum Schutz eines Einzelelementdetektors 8 als Bilderfassungseinrichtung vorgesehen, wie vorstehend beschrieben. Der Lichteintritt 11 empfängt ebenfalls eintreffende elektromagnetische Strahlung im Freistrahl. Die Schutzvorrichtung 1 ist jedoch vollständig als integrierte optische Komponente bzw. in Fasertechnik realisiert.
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Das durch den Lichteintritt 11 eintretende Licht wird durch eine optionale Linse 32 auf eine Eintrittsapertur eines Lichtwellenleiters fokussiert. Der Lichtwellenleiter verbindet den Lichteintritt 11 über die optionale Linse 32 mit einem Strahlteiler 2. Der Strahlteiler 2 kann beispielsweise einen Faserkoppler oder einen Schmelzkoppler oder einen Multimode-Interferenzkoppler enthalten, sodass zumindest ein erster Ausgang 21 und ein zweiter Ausgang 22 bereitgestellt wird. Aufgrund der evaneszenten Kopplung des zweiten Ausgangs 22 ist die in diesem Ausgang eingekoppelte Leistung geringer, was zum Nachweis der eintreffenden Lichtintensität hinreichend ist. Da der größere Anteil der optischen Leistung im ersten Ausgang 21 geführt wird, steht der überwiegende Anteil der eingekoppelten Leistung für das Nutzsignal zur Verfügung.
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Als Verzögerungsglied 6 kann ein Wellenleiter hinreichender Länge verwendet werden, wie bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Das Verzögerungsglied 6 schließt an den ersten Ausgang 21 des Strahlteilers 2 an und mündet am Schutzelement 7. Der Ausgang des Schutzelementes 7 ist ebenfalls mit einem Lichtwellenleiter gekoppelt. Das Licht aus dieser Ausgangsfaser wird in den Einzelelementdetektor 8 eingekoppelt und dort in ein elektrisches Signal gewandelt.
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Der Lichteintritt 11, der Strahlteiler 2, der Ausgangswellenleiter sowie der Einzelelementdetektor 8 und der Nachweisdetektor 4 können Standardkomponenten aus der Telekommunikationstechnik sein, sodass die Vorrichtung gemäß 2 aus einfach erhältlichen und preiswerten Bauteilen zusammengesteckt werden kann. Die Detektoren 4 und 8 können wellenleiterintegrierte Fotodioden sein oder solche enthalten, sodass sich ein robuster Aufbau mit guter Nachweiseffizienz ergibt.
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In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der in 2 dargestellte Aufbau als integrierte optische Komponente auf einem einzigen Trägersubstrat angeordnet sein. Das Trägersubstrat kann beispielsweise ein Glas oder ein Polymer sein oder ein solches enthalten, in welches Wellenleiter oder Koppler durch Lasermaterialbearbeitung eingeschrieben werden. Elektronische Komponenten und elektrische Leiterbahnen können durch Aufdampfen und Strukturieren von Halbleiter- und Metallschichten erzeugt werden oder auf einem separaten Halbleitersubstrat angeordnet sein, welches mit dem Trägersubstrat festhaftend verbunden ist. Auf diese Weise kann die gesamte Schutzvorrichtung einfach und kompakt aufgebaut werden, sodass diese nur geringen Bauraum benötigt und mechanisch robust ausgeführt werden kann.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Auch in diesem Fall bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bestandteile der Erfindung, sodass sich die Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
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Anders als die erste Ausführungsform verwendet die dritte Ausführungsform keinen Einzelelementdetektor 8, sondern eine Detektormatrix 81. Die Detektormatrix 81 enthält eine Mehrzahl ortsauflösender Einzeldetektoren bzw. Pixel. Beispielsweise kann die Detektormatrix 81 eine CCD-Kamera oder ein Fotodiodenarray enthalten oder daraus bestehen. Die Detektormatrix 81 kann eindimensional, d.h. als Zeile, ausgeführt sein oder einen zweidimensionalen Flächendetektor enthalten. Damit kann die Detektormatrix 81 die räumliche Verteilung eintreffenden Lichtes erfassen, wie es beispielsweise für die Darstellung eines Bildes der Umgebung notwendig ist.
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Der Lichteintritt 11 ist mit dem Eingang eines Strahlteilers 2 verbunden, wie vorstehend bereits anhand der 1 beschrieben wurde. Das aus dem zweiten Ausgang 22 des Strahlteilers 2 ausgekoppelte Licht wird ebenfalls auf einen Matrixdetektor 41 abgebildet. Der Nachweisdetektor 41 kann eine geringere Ortsauflösung und/oder ein schlechteres Signal-/Rauschverhältnis und/oder eine geringere Größe aufweisen als die für das Nutzsignal vorgesehene Detektormatrix 81.
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Sobald der Nachweisdetektor 41 eine unzulässige große Intensität am Lichteintritt 11 erkannt hat, erzeugt die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 5 ein Steuersignal, welches das Schutzelement 7 zumindest abschnittsweise verdunkelt, so dass die Transmission durch die Schutzvorrichtung 1 reduziert und die Detektormatrix 81 vor Schädigung geschützt ist.
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Das Schutzelement 7 kann ebenfalls eine Mehrzahl von Einzelpixeln aufweisen und beispielsweise in Form eines LCD-Elementes oder eines Mikrospiegelarrays ausgeführt sein. Dadurch können nur einzelne Teilflächen des Schutzelementes 7 abgedunkelt werden, sodass das Bild der beobachteten Szene im Übrigen mit der Detektormatrix 81 noch erfasst werden kann.
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Um die Ortsauflösung der Detektormatrix 81 zu erhalten, enthält das Verzögerungsglied 6 eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern gleicher Länge. Das eintreffende Licht wird auf die Eintrittsfläche des Lichtwellenleiterbündels abgebildet, sodass jeder Wellenleiter nur einen Teil der durch den Lichteintritt 11 eintretenden Lichtintensität transportiert. Da das Übersprechen zwischen den einzelnen Lichtwellenleitern aufgrund der Totalreflexion gering ist, bleibt die räumliche Auflösung erhalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Anzahl der Lichtwellenleiter im Verzögerungsglied 6 größer oder gleich der Anzahl der Pixel der Detektormatrix 81, sodass keine Verschlechterung der räumlichen Auflösung durch das Verzögerungsglied 6 auftritt.
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In gleicher Weise wie in 3 für eine Detektormatrix gezeigt, kann die Schutzvorrichtung 1 auch zum Schutz eines menschlichen Auges in einem Fernrohr, einem Spektiv oder einem Fernglas eingesetzt werden.
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4 zeigt den Aufbau der in den 1, 2 und 3 beispielhaft gezeigten Schutzvorrichtungen in Form einer integrierten optischen Komponente.
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Die integrierte optische Komponente enthält zumindest ein Trägersubstrat 9, auf welchem zumindest das Schutzelement 7 und der Nachweisdetektor 4 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zusätzlich ein Strahlteiler 2 und/oder eine Bilderfassungseinrichtung 8 und/oder ein Nachweisdetektor 4 auf dem Trägersubstrat 9 integriert sein. Optional können weitere Komponenten, wie beispielsweise Linsen 31, 32, 71 und 72 oder Kollimatoren auf dem Trägersubstrat 9 integriert werden. Somit wird ein mechanisch robuster Aufbau der Schutzvorrichtung 1 bereitgestellt, welcher sich auch für raue Einsatzbedingungen eignet, wenig Bauraum beansprucht und kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.
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Optische Komponenten oder Wellenleiterstrukturen 92 können durch Abscheiden und Strukturieren von mehreren, übereinander- und/oder nebeneinanderliegenden Einzelschichten erzeugt werden. Mit diesem Verfahren können große Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden. Mechanische Shutter oder ein Mikrospiegelarray einer Schutzvorrichtung 7 können durch Freistellen einzelner Teile des Trägersubstrates 9 durch Maskieren und Ätzen als mikromechanische Komponente hergestellt werden.
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In anderen Ausführungsformen der Erfindung können optische Komponenten oder Wellenleiterstrukturen durch Lasermaterialbearbeitung, insbesondere mit Kurzpulslasern, erzeugt werden. Durch Punkt-zu-Punkt-Belichtung können die gewünschten Wellenleiter in das Substrat geschrieben werden, so dass eine einfache Fertigung im Prototypenbau oder für geringe Stückzahlen ermöglicht wird.
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Zum Anschluss von faseroptischen Komponenten, beispielsweise einem als optische Faser oder Faserbündel ausgeführten Verzögerungsglied 6, können V-Nuten 95 vorgesehen sein, welche eine exakte Positionierung der Kerne der Wellenleiter auf der gemeinsamen Achse ermöglichen.
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Weiterhin können auf dem Trägersubstrat 9 Halbleiterbauelemente angeordnet sein. Dies ermöglicht die Integration einer Steuer- oder Regeleinrichtung 5 oder optionaler Verstärker oder Diskriminatoren oder A/D-Wandler für die unmittelbare Weiterverarbeitung der Signale der Bilderfassungseinrichtung 8. in diesem Fall kann die integrierte optische Komponente unmittelbar ein elektrisches Signal über einen zugeordneten Steckverbinder 94 ausgeben.
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Die Integration elektronischer Bauelemente kann entweder durch unmittelbares Prozessieren des Trägersubstrates 9 erfolgen, beispielsweise in einem CMOS-Prozess. Alternativ kann ein Halbleitersubstrat 91 auf dem Trägersubstrat 9 integriert oder befestigt werden, um für elektronische und optische Bauelemente unterschiedliche Materialien zu verwenden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Verzögerungsglied 6 als faseroptische Komponente ausgeführt, welche beispielsweise eine Trommel mit mehreren Metern oder Kilometern einer optischen Faser enthält. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verzögerungsglied einen mäanderförmig auf dem Trägersubstrat 9 angeordneten Wellenleiter enthalten, so dass sich ein besonders kompakter Aufbau ergibt.
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Durch Metallisieren des Trägersubstrates und anschließende Strukturierung der Metallschicht können elektrische Leiterbahnen 93 auf der Oberfläche des Trägersubstrates 9 erzeugt werden.
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Der Strahlteiler 2 enthält im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Eingangswellenleiter und zwei Ausgangswellenleiter 21 und 22. Der Eingangswellenleiter mündet unmittelbar in den Ausgangswellenleiter 21, so dass eine höhere Intensität für das Nutzsignal zur Verfügung steht. Der Nachweisdetektor ist mit dem Wellenleiter 22 verbunden, welcher durch evaneszente Kopplung im Bereich 26 einen Teil des optischen Eingangssignals aufnimmt.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Soweit die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
