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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Linienmusters.
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Stand der Technik
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Module zur Gestenerkennung bekommen in verschiedenen Anwendungsgebieten immer größere Bedeutung.
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Für diese Technik gibt es verschiedene Lösungsansätze. Einer davon ist das Abrastern eines Feldes mit einer Linie bzw. einem Streifen einer Strahlung. Gewöhnlich wird die Linie bzw. der Streifen mit infrarotem Licht erzeugt. Die Strahlung wird an den Objekten in dem gescannten Raum gestreut und durch ein Kamerasystem aufgenommen. Diese Information wird dann ausgewertet, teilweise als 2-D-Information, teilweise als 3-D-Information.
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Als Lichtquelle kommen mehrere Typen in Betracht. Insbesondere sind Laserdioden von großem Interesse für diese Anwendungen. Laserdioden können sehr klein gebaut werden und sind effektive Strahlungsquellen. Besonders kompakte Module sind von besonderem Interesse, da die Module zum Beispiel Laptops, Smartphones oder andere Geräte der Informationstechnologie eingebaut werden sollen.
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Eine Lösung nach dem Stand der Technik besteht darin, dass eine Laserdiode eine Strahlung (im IR-Bereich) erzeugt, die auf ein optisches Element mit zwei Wirkflächen trifft, wobei die erste (rotationssymmetrische, häufig asphärische) Fläche die Strahlung kollimiert und die zweite (häufig ebenfalls asphärische) Fläche als „Zylinder“ mit positiver Brechkraft ausgebildet ist und eine Linie bzw. einen Streifen generiert. Hinter dem Brennpunkt bzw. der Brennlinie der zylindrischen Fläche wird ein mikromechanischer Spiegel angeordnet wird, der das Scannen der sich dann divergent in den Raum ausbreitenden Linie realisiert.
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Mit dem genannten Aufbau kann zwar ein sehr kompaktes Modul realisiert werden, jedoch lässt sich keine gleichmäßige Linienintensität erreichen. Zwar ist eine gleichmäßige Linienintensität für eine gegebene Abstrahlcharakteristik der Quelle durch entsprechende Gestaltung der Zylindergeometrie erreichbar, jedoch zeigt sich in der Praxis, dass die Laserdioden relativ starke Schwankungen in ihrer Abstrahlcharakteristik haben, die dann zu starken Schwankungen in der Intensität über die Linie führen, insbesondere, wenn man einen großen Anteil der Diodenstrahlung für die Liniengenerierung verwenden möchte.
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Ein weiteres Problem bei der Verwendung einer einzelnen Zylinderfläche besteht darin, dass diese eine Brennlinie im Raum generiert, deren Breite im Fokus (betrachtet für eine Pupille in 100 mm Entfernung mit einer Ausdehnung von 7 mm) wenige hundertstel Millimeter beträgt. Die gängigen Anforderungen an die Augensicherheit des Moduls reduzieren somit die Leistung der Lichtquelle, was wiederum kritisch für die Detektion des Signals ist.
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Das Problem der gleichmäßigen Linienintensität löst man standardmäßig, indem nicht eine einzelne Zylinderfläche, sondern ein Stapel bzw. ein Array von Zylinderflächen verwendet wird, wobei jede einzelne Zylinderfläche die Strahlung auf die Linie verteilt. Mit diesem Ansatz kann eine gute Homogenisierung für unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken erreicht werden. Es vergrößert sich jedoch der Strahlquerschnitt hinter dem Zylinderlinsenstapel. Dies erfordert nachteilhafterweise eine größere Fläche für den Umlenkspiegel zum Scannen der Strahlung im Raum, was praktisch kaum realisierbar ist.
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Herkömmliche Vorrichtungen zur Erzeugung eines Linien- bzw. Streifenmusters für die Gestenerkennung unter Verwendung eines schwenkbaren mikromechanischen Spiegels (auch als sogenannte „Micro Electro Mechanical Systems“ (Mems) bezeichnet) sind in den 1 und 2 schematisch dargestellt.
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Die Vorrichtungen zur Erzeugung eines Linienmusters gemäß den 1 und 2 umfassen einen Diodenlaser 30 und eine Linse 20. Die erste Fläche der Linse 20 kollimiert das vom Laser 30 divergent austretende Licht. Das kollimierte Licht passiert die zweite Fläche der Linse 20, die aus der kollimierten Strahlung aufgrund ihrer Zylinderform eine Linie bzw. einen räumlich ausgedehnten Streifen in der Bildebene 56 generiert. Bei Verwendung einer einzelnen Zylinderfläche gemäß 1 wird ein linienförmiger Fokus im Bereich der optischen Achse erzeugt. Die linienförmige Strahlung breitet sich hinter dem Fokus divergent im Raum aus und erzeugt im Bereich einer Ebene 50 - an der sich beispielsweise ein Objekt zur Gestenerkennung befinden kann - ein endlich ausgebreitetes Linien- bzw. Streifenmuster. Aus der Rückstreuung eines gegebenenfalls im Bereich der Ebene 50 befindlichen Objekts kann dann auf die Struktur des Objekts und ggf. vorhandenen Gesichtsstrukturen (Gesten) im Objekt rückgeschlossen werden. Um Objekte erfassen zu können, die sich außerhalb der Ebene 50 befinden, ist hinter dem linienförmigen Fokus ein mikromechanischer Spiegel 40 angeordnet, der das Scannen des Linienmusters im Raum bewerkstelligt. Im vorliegenden Fall befindet sich die Drehachse des mikromechanischen Spiegels 40 in der Papierebene senkrecht zur optischen Achse. Das Linienmuster wird also tatsächlich nicht - wie schematisch dargestellt - auf die Ebene 50, sondern vielmehr durch den Spiegel 40 in den Raum projiziert. Die Ebene 50 dient insoweit lediglich der Veranschaulichung des sich ohne den Spiegel 40 hinter der Linse 20 ausbildenden Strahlenverlaufs. Der nominale Kippwinkel des Spiegels zur optischen Achse liegt gewöhnlich im Bereich von 40 bis 50 Grad und der Spiegel kippt um diesen Mittelwert im Bereich von +/- 10 bis +/- 25 Grad.
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Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung einer einzelnen Zylinderfläche gemäß 1 insoweit nachteilhaft, als dass sich hierdurch einerseits die Schwankungen der Intensität der Laserdiode 30, betrachtet über den Abstrahlwinkel der Laserdiode, im Linienmuster stark bemerkbar machen und andererseits die Anforderungen an die Augensicherheit zu einer ungewollten Begrenzung der Intensität der Laserdiode 30 führen, was wiederum kritisch für die Detektion des rückgestreuten Signals (höhere Anforderungen an den Detektor) ist.
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Die Verwendung eines Zylinderlinsen-Stapels gemäß 2 hat den gravierenden Nachteil, dass hierdurch der Strahlquerschnitt hinter dem Zylinderflächenstapel stark vergrößert wird, da kein einzelner linienförmiger Fokus im Bereich der optischen Achse (1), sondern eine Vielzahl linienförmiger Fokusse entsteht (2), deren jeweils divergente Teilstrahlungen sich später zu einem Streifen überlagern. Dies erfordert nachteilhafterweise eine größere Fläche für den Umlenkspiegel 40 zum Scannen der Strahlung im Raum, was in Vorrichtungen wie Smartphones praktisch kaum realisierbar ist bzw. erhebliche Anforderungen an den Umlenkspiegel 40 stellt.
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US 5 808 775 A ,
US 2004/0 247 011 A1 ,
US 6 215 598 B1 und
US 2014/0 328 075 A1 offenbaren konventionelle Vorrichtungen zum Scannen von Laserstrahlung bzw. zum Erzeugen von optischen Mustern.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Linien- bzw. Streifenmusters anzugeben, bei denen einerseits Schwankungen der relativen Laserintensität über den Abstrahlwinkel einer Laserdiode in geringerem Maße zu Schwankungen im erzeugten Linienmuster führen und bei denen zur Erzeugung des Linienmusters andererseits vergleichsweise geringe Anforderungen an die Größe eines zum Scannen verwendeten Umlenkspiegels zu stellen sind.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine bessere Homogenisierung für das Linienmuster bei verschiedenen Abstrahlcharakteristiken und geringere Anforderungen an die Augensicherheit durch eine spezielle Ausgestaltung der multizylindrischen Austrittsfläche des optischen Elements zu lösen. Die Austrittsfläche wird dabei in mehrere zylinderförmige Abschnitte aufgeteilt, wobei die zylinderförmigen Teilflächen auf einer jeweiligen Seite der optischen Achse (oder - sofern vorhanden - einer Symmetrieebene) derart ausgerichtet werden, dass hindurchtretendes Licht größtenteils, bevorzugt vollständig auf die gegenüberliegende Seite der Symmetrieebene/optischen Achse bzw. in den entsprechenden Bereich des Linienmusters projiziert wird. Durch eine solche Anordnung zylinderförmiger Teilflächen, die jeweils nur Teile des Linienmusters projizieren, kann die Intensitätsschwankung aufgrund der Überlagerung mehrerer Abschnitte der Strahlung reduziert werden. Weiterhin wird der Strahlquerschnitt durch die spezielle Konturgestaltung der Austrittsfläche des optischen Elements kaum verändert. Es entstehen mehrere Fokuslinien hinter der Austrittsfläche, so dass die Strahlung aus einem ausgedehnten Bereich kommt und Anforderungen an die Augensicherheit trotz vergleichsweise hoher Strahlungsintensität der Lichtquelle erfüllt werden können. Besonders vorteilhaft ist, dass ein vergleichsweise kleiner Umlenkspiegel zum Scannen der Strahlung im Raum verwendet werden kann, weil der Strahlquerschnitt hinter der Austrittsfläche aufgrund der erfindungsgemäßen Ausrichtung der zylinderförmigen Abschnitte (die das Licht vollständig bzw. größtenteils in Richtung der optischen Achse umlenken) kleiner ist als bei einem herkömmlichen Zylinderlinsen-Stapel, bei dem die Strahlung durch die Zylinderförmigen Flächen sowohl zur optischen Achse hin als auch von der optischen Achse weg gelenkt werden.
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Kern der Erfindung ist somit eine Austrittsfläche des optischen Elements mit einer Vielzahl unterschiedlicher zylinderförmiger Teilflächen, die die Strahlung (größtenteils oder) nur in solche Teilbereiche des Linienmusters projizieren, die sich auf der gegenüberliegenden Seite einer Symmetrieebene (oder einer Ebene, die durch die optische Achse und eine Achse parallel zur Längserstreckung der Zylinderflächen definiert ist) befinden. Im Gegensatz dazu wird die Strahlung durch einen herkömmlichen Zylinderlinsen-Stapel (nahezu) gleichverteilt in Bereiche (des Linienmusters) „oberhalb“ und „unterhalb“ der optischen Achse (bzw. einer Symmetrieebene) projiziert.
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Um eine Projektion von Teilbereichen des Linienmusters in jeweils der Symmetrieebene entgegengesetzte Bereiche zu realisieren, schlägt die vorliegende Erfindung vor, dass die zylinderförmigen Teilflächen derart ausgerichtet sind, dass sich ein auf der Oberfläche angeordneter Normalenvektor in Lichtausbreitungsrichtung mehrheitlich von der optischen Achse weg erstreckt. Im Gegensatz dazu sind die zylinderförmigen Teilflächen eines herkömmlichen Zylinderlinsen-Stapels derart ausgerichtet, dass sich ein auf der Oberfläche angeordneter Normalenvektor abgesehen von den Scheitellinien, wo sich der Vektor parallel zur optischen Achse erstreckt, in Lichtausbreitungsrichtung zur Hälfte von der optischen Achse weg erstreckt und zur anderen Hälfte zur optischen Achse hin erstreckt.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Linien- bzw. Streifenmusters eine Lichtquelle und ein optisches Element, wobei ein mikromechanischer Spiegel vorgesehen ist, der innerhalb der Brennweite des optischen Elements angeordnet ist, wobei das optische Element eine erste optische Fläche und eine zweite optische Fläche umfasst, wobei die erste optische Fläche rotationssymmetrisch ausgebildet ist und die zweite Fläche eine Vielzahl zylinderförmiger Teilflächen aufweist, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken und entlang einer zweiten Richtung gestapelt sind, wobei sich die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, wobei eine optische Achse senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung verläuft, und wobei der Durchmesser des mikromechanischen Spiegels kleiner als der Durchmesser des optischen Elements ist, und wobei mindestens 60% der Oberfläche der zylinderförmigen Teilflächen derart ausgerichtet ist, dass sich ein auf der Oberfläche angeordneter Normalenvektor sowohl zu einer von der optischen Achse abgewandten Seite als auch zu einer von der ersten optischen Fläche abgewandten Seite erstreckt.
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Vorzugsweise sind mindestens 65%, noch bevorzugter mindestens 70%, noch bevorzugter mindestens 75%, noch bevorzugter mindestens 80%, noch bevorzugter mindestens 85%, noch bevorzugter mindestens 90%, noch bevorzugter mindestens 95% und noch bevorzugter mindestens 99% der Oberfläche der zylinderförmigen Teilflächen derart ausgerichtet, dass sich ein auf der Oberfläche angeordneter Normalenvektor zu einer von der optischen Achse abgewandten Seite und zu einer von der ersten optischen Fläche abgewandten Seite erstreckt. Besonders bevorzugt ist die gesamte Oberfläche der zylinderförmigen Teilflächen (mit Ausnahme ggf. vorhandener Scheitellinien) derart ausgerichtet, dass sich ein auf der Oberfläche angeordneter Normalenvektor entweder parallel zur optischen Achse oder sowohl zu einer von der optischen Achse abgewandten Seite als auch zu einer von der ersten optischen Fläche abgewandten Seite erstreckt.
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Vorzugsweise stimmt die Rotationsachse der ersten optischen rotationssymmetrischen Fläche mit der optischen Achse überein.
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Vorzugsweise ist die zweite optische Fläche spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, wobei die Symmetrieebene parallel zur ersten Richtung, senkrecht zur zweiten Richtung verläuft und die optische Achse in der Symmetrieebene liegt. Mit anderen Worten verläuft eine Symmetrieebene der zweiten optischen Fläche vorzugsweise durch die Rotationsachse der ersten optischen Fläche und erstreckt sich parallel zur ersten Richtung, die der Längserstreckung der zylinderförmigen Teilflächen entspricht.
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Vorzugsweise ist die Anzahl der zylinderförmigen Teilflächen ungerade. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der zylinderförmigen Teilflächen zwischen 3 und 13, noch bevorzugter zwischen 3 und 7. Vorzugsweise ist ein Querschnitt der zylinderförmigen Teilflächen asphärisch ausgebildet.
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Vorzugsweise ist mindestens eine der zylinderförmigen Teilflächen (bevorzugter sind alle zylinderförmigen Teilflächen) derart ausgerichtet, dass das Licht nach Passieren der Teilflächen vollständig (in Bezug auf die Symmetrieebene bzw. die optische Achse) auf die entgegengesetzte Seite des Linienmusters projiziert wird. Vorzugsweise ist mindestens eine der zylinderförmigen Teilflächen (bevorzugter sind alle zylinderförmigen Teilflächen) derart ausgerichtet, dass das Licht nach Passieren einer Teilfläche einen Teil des Linienmusters erzeugt, der der halben Breite des Linien- bzw. Streifenmusters entspricht. Mit anderen Worten sind die als brechende Flächen wirkenden Teilflächen konvex ausgebildet und derart ausgerichtet, dass der konvexe Bogen von der Symmetrieebene (bzw. der optischen Achse) weg zeigt, wodurch das Licht jeweils nur in den der Symmetrieebene gegenüberliegenden Teil projiziert wird.
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Während die Querschnitte der zylinderförmigen Teilflächen eines herkömmlichen Zylinderlinsen-Stapels Kreisbögen oder asphärische Bögen ausbilden, deren mittlerer Punkt (d.h. ein dort angeordneter Normalenvektor) eine Ausrichtung parallel zur optischen Achse aufweist, weisen die mittleren Punkte der (vorzugsweise asphärischen) Querschnitte der erfindungsgemäßen zylinderförmigen Teilflächen eine Ausrichtung in Lichtausbreitungsrichtung auf, die sich von der optischen Achse weg erstreckt. Mit anderen Worten weisen die Querschnitte der erfindungsgemäßen zylinderförmigen Teilflächen „oberhalb“ der Symmetrieebene lediglich die oberen Hälften und die Teilflächen „unterhalb“ der Symmetrieebene lediglich die unteren Hälften der herkömmlichen Bögen auf. Dadurch kann der Strahlquerschnitt hinter dem Zylinderflächenstapel verringert werden.
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Vorzugsweise sind die Scheitellinien benachbarter zylinderförmigen Teilflächen entlang der optischen Achse versetzt angeordnet. Als Scheitellinie einer zylinderförmigen Teilfläche wird derjenige linienförmige Abschnitt verstanden, der sich entlang der optischen Achse am weitesten in Lichtausbreitungsrichtung erstreckt. Besonders bevorzugt sind die Scheitellinien einer Vielzahl zylinderförmiger Teilflächen an der Grenze zu einer benachbarten zylinderförmigen Teilfläche angeordnet. Besonders bevorzugt sind (mit Ausnahme der auf der optischen Achse angeordneten Teilfläche) sämtliche Scheitellinien der zylinderförmigen Teilflächen im Grenzbereich benachbarter zylinderförmiger Teilflächen angeordnet.
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Vorzugsweise ist die Lichtquelle durch eine Laserdiode ausgebildet. Vorzugsweise ist die Lichtquelle eine Infrarot-Laserdiode. Vorzugsweise ist die Lichtquelle auf der optischen Achse ausgebildet. Vorzugsweise ist die erste optische Fläche ausgebildet, die Strahlung der Lichtquelle zu kollimieren. Vorzugsweise ist ein mikromechanischer Spiegel vorgesehen. Vorzugsweise ist der Schwerpunkt des mikromechanischen Spiegels auf der optischen Achse angeordnet. Vorzugsweise ist der mikromechanische Spiegel innerhalb der Brennweite des optischen Elements angeordnet.
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Vorzugsweise ist der Durchmesser des mikromechanischen Spiegels kleiner als der Durchmesser des optischen Elements. Besonders bevorzugt beträgt der Durchmesser des mikromechanischen Spiegels zwischen 30 und 70 % des Durchmessers des optischen Elements.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiterhin ein Kamerasystem auf, das ausgebildet ist, die an einem Objekt in dem betrachteten Raum gestreute Strahlung zu detektieren. Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiterhin ein Mittel zur Ermittlung von Strukturdaten des Objekts aus der detektierten Strahlung auf. Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiterhin ein Mittel zur Erkennung von Gesten und/oder Gesichtsformen aus der detektierten Strahlung auf. Unter Gesten werden dabei beliebige Steuerungsinformationen von Menschen verstanden, die durch Bewegung von Händen, Armen, Fingern, Beinen, Kopf oder Gesichtsausdrücken oder ähnlichen Ausdrucksformen gegeben werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine konventionelle Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Linienmusters mit einer einzelnen Zylinderlinse in schematischer geschnittener Darstellung,
- 2 eine konventionelle Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Linienmusters mit einem Zylinderlinsen-Stapel in schematischer geschnittener Darstellung,
- 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Linienmusters gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante in schematischer geschnittener Darstellung,
- 4 und 5 ein optisches Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei symmetrisch angeordneten Teilflächen gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante in schematischer geschnittener Darstellung,
- 6 und 7 ein optisches Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit fünf symmetrisch angeordneten Teilflächen gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante in schematischer geschnittener Darstellung,
- 8 ein optisches Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit fünf symmetrisch angeordneten Teilflächen gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante in schematischer geschnittener Darstellung, und
- 9 ein optisches Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit sechs nicht symmetrisch angeordneten Teilflächen gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsvariante in schematischer geschnittener Darstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Linien- bzw. Streifenmusters gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante in schematischer geschnittener Darstellung.
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Die Vorrichtung weist einen Diodenlaser 30 auf, dessen Strahlung eine gewisse Divergenz in X-Richtung und in Y-Richtung aufweist. Zur Erzeugung eines Linienmusters, das beispielsweise zu Erkennung von Gesten verwendet werden kann, ist ein optisches Element 20 vorgesehen, das eine erste rotationssymmetrische, asphärische Fläche 10 und eine zweite Fläche 12 aufweist. Die zweite Fläche 12 umfasst drei zylinderförmige Teilflächen 14. Die zylinderförmigen Teilflächen bilden keinen Vollzylinder, sondern lediglich einen Teil eines Vollzylinders aus, wobei der Querschnitt der Fläche asphärisch ausgebildet ist. Die zweite Fläche 12, die die drei zylinderförmigen Teilflächen 14 aufweist, ist symmetrisch zu einer Symmetrieebene ausgebildet, die durch die optische Achse Z und senkrecht zur Y-Ebene (Papierebene) verläuft. Erfindungsgemäß sind die Teilflächen 14 derart ausgebildet und angeordnet, dass auf der Oberfläche der Teilflächen 14 angeordnete Normalenvektoren 16 in Lichtausbreitungsrichtung Z stets von der optischen Achse Z wegzeigen. Die in der Schnittdarstellung gezeigten asphärischen Bögen sind also derart ausgerichtet, dass diese lediglich von der optischen Achse Z weggerichtet sind. Dadurch kann die durch die asphärische Fläche 10 kollimierte Strahlung des Diodenlasers 30 durch die Teilflächen 14 jeweils auf die halbe gegenüberliegende Seite der Linie 50 gerichtet werden. Aufgrund der Überlagerung mehrerer Abschnitte (Teilflächen 14) der Strahlung wird die Schwankung der Abstrahlcharakteristik der Laserdiode 30 reduziert. Es entstehen mehrere Fokuslinien nach den Teilflächen 14, so dass die Strahlung aus einem ausgedehnten Bereich kommt und die Anforderungen an die Augensicherheit auch bei hoher Leistung der Laseriode 30 im Vergleich zu einer einzelnen Zylinderlinse (1) erfüllt werden können. Darüber hinaus kann aufgrund des reduzierten Strahlquerschnitts im Vergleich zu einem herkömmlichen Zylinderlinsen-Stapel (2) ein deutlich kleinerer Umlenkspiegel 40 verwendet werden, dessen Drehachse in der Y-Ebene (Papierebene) liegt und der ausgebildet ist, das Scannen des Linienmusters im Raum zu bewerkstelligen.
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Entgegen einem herkömmlichen Zylinderlinsen-Stapel (2) wird auf diejenigen Teile der Teilflächen 14 verzichtet, die die Strahlung von der optischen Achse weg richten, wodurch eine Vergrößerung des Strahlquerschnitts bewirkt wird.
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Die Daten eines konkreten bevorzugten Ausführungsbeispiels sind nachfolgend in Tabelle 1 wiedergegeben.
Tabelle 1
| Radien | Dicken- und Luftabstände | Brechzahlen ne | Abbe-Zahl ve |
| Laserdiode unendlich | 2,212 | | |
| R1 = 1,252 (*) | | | |
| | d1 = 2,021 | n1 = 1,5882 | v1 = 29,8 |
| R2 = -0,259 (**) | | | |
| | d2 = 1,17 | | |
| Spiegel | | | |
| (*) | rotationssymmetrische Asphäre mit konischer Konstante k = -2,452 |
| | Pfeilhöhe z =(h2/R)/(1+WURZEL(1-(1+k)*(h/R)2)) | h - radialer Abstand zur Achse |
| (**) | asphärische Zylinderflächen |
| | Zylindergeometrie in y-Richtung, d.h. die Pfeilhöhe z hängt nicht von x ab |
| Fläche ist aus 3 Zylinderteilen zusammengesetzt |
| mittlerer Teil: | Koeffizienten : | R = -0.259 |
| | | k = -2,112 |
| c4 = 0,315 |
| z = (y2/R)/(1+WURZEL(1-(1+k)*(y/R)2)) + c4* y^4 für -0,225<y<0,225 |
| äußere Teile: | Koeffizienten : | R = -0.22264 |
| | k = -2,7868 |
| c4 = -0,3461 |
| c6 = 1,3712 |
| c8 = -2.5013 |
| c10 = 2.1162 |
| c12 = -6,7698 |
| | mit y' = y - sign(y)*0,225 | für Werte y mit |y| > 0.225 |
| | berechnet sich die Pfeilhöhe |
| | z = -0,1149+(y’2/R)/(1+WURZEL(1-(1+k)*(y’/R)2))+c4*y’^4+c6*y’^6+8*y’^8 +c10*y’^10+c12*y’^12. |
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4 und 5 zeigen das erfindungsgemäße optische Element der in 3 offenbarten Vorrichtung im Detail jeweils in Schnittdarstellung (4 in der X-Z-Ebene und 5 in der Y-Z-Ebene).
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Es ist ersichtlich, dass die erste Fläche 10 rotationssymmetrisch ausgebildet ist, wohingegen die zweite Fläche drei zylinderförmige Teilflächen 14 aufweist. An der Oberseite und der Unterseite des optischen Elements 20 ist jeweils eine Fassung 19 vorgesehen. Das optische Element 20 ist sowohl in der X-Z-Ebene als auch in der Y-Z-Ebene spiegelsymmetrisch ausgebildet. Sämtliche zylinderförmige Teilflächen 14 sind derart ausgerichtet, dass sich ein auf der Oberfläche angeordneter Normalenvektor 16 in Z-Richtung stets von der optischen Achse Z wegerstreckt. Damit kann die jeweilige brechende Teilfläche 14 die Strahlung in die jeweils andere Hälfte der X-Z-Ebene richten. Aufgrund der Vermeidung (bzw. Verringerung) von Strahlungsanteilen, die sich vom der zweiten Fläche 12 von der optischen Achse Z wegerstrecken, kann die Größe eines zum Scannen verwendeten Umlenkspiegels (40 in 3) verringert werden.
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6 und 7 zeigen ein weiteres erfindungsgemäßes optisches Element jeweils in Schnittdarstellung (6 in der X-Z-Ebene und 7 in der Y-Z-Ebene).
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Im Vergleich zu dem in den 4 und 5 offenbarten optischen Element weist das hier gezeigte optische Element 20 fünf jeweils spiegelsymmetrisch angeordnete Teilflächen 14 auf. In beiden Ausführungsbeispielen sind die Scheitellinien 18 der jeweiligen Teilflächen 14 entlang der Z-Achse versetzt angeordnet, da hierdurch eine besonders kompakte und effiziente Bauform realisiert werden kann. Besonders bevorzugt schließen die Scheitellinien 18 der Teilflächen 14 jeweils mit oberen/unteren Enden der benachbarten Teilflächen 14 ab. Einzig die Scheitellinie 18 der zentralen Teilfläche 14 hat keinen Kontakt zu einer benachbarten Teilfläche 14. Besonders bevorzugt erstreckt sich ein Normalenvektor aller Scheitellinien 18 parallel zur optischen Achse Z.
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8 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Element mit fünf symmetrisch angeordneten Teilflächen 14 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante in schematischer geschnittener Darstellung.
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Im Vergleich zu dem in den 6 und 7 offenbarten optischen Element 20 schließen die Scheitellinien 18 der Teilflächen 14 jeweils nicht mit oberen/unteren Enden der benachbarten Teilflächen 14 ab. Vielmehr sind die Scheitellinien 18 der Teilflächen 14 in Bezug auf die Z-Achse nicht versetzt angeordnet, wodurch Einkerbungen notwendig werden. Ein solches optisches Element 20 erfordert zwar einen im Vergleich zu dem in den 6 und 7 offenbarten optischen Element 20 höheren Herstellungsaufwand, kann aber trotzdem die Vorteile der Erfindung, insbesondere eine homogene Ausleuchtung der Linie trotz variierender Abstrahlcharakteristik der Quelle sowie einen vergleichsweise kleinen Umlenkspiegel zum Scannen der Linie, erzielen.
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9 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Element mit sechs nicht symmetrisch angeordneten Teilflächen 14 in schematischer geschnittener Darstellung.
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Im Vergleich zu den übrigen Ausführungsbeispielen sind die Teilflächen im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht derart ausgerichtet, dass die gesamte Oberfläche der zylinderförmigen Teilflächen 14 derart ausgerichtet ist, dass sich ein auf der Oberfläche angeordneter Normalenvektor 16 zu einer von der optischen Achse Z abgewandten Seite erstreckt. Vielmehr weisen die dritte und die fünfte Teilfläche 14 (von oben gezählt) jeweils auch Abschnitte auf, auf deren Oberfläche sich ein Normalenvektor 16 zur optischen Achse Z hin erstreckt. Jedoch sind erfindungsgemäß mehr als 60% der Oberfläche der zylinderförmigen Teilflächen 14 derart ausgerichtet ist, dass sich ein auf der Oberfläche angeordneter Normalenvektor 16 zu einer von der optischen Achse Z abgewandten Seite erstreckt. Dadurch kann der Großteil der Strahlung in Richtung zur optischen Achse Z gerichtet werden, wodurch ein vergleichsweise kleiner Umlenkspiegel (40 in 3) einen Großteil der Strahlung, die zur Ausbildung des Linienmusters 50 führt, reflektieren kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erste optische Fläche
- 12
- zweite optische Fläche
- 14
- zylinderförmige Teilfläche
- 16
- Normalenvektor
- 18
- Scheitellinie
- 19
- Linsenfassung
- 20
- optisches Element
- 30
- Lichtquelle
- 40
- mikromechanischer Spiegel
- 50
- Linienmuster
- X
- erste Richtung
- Y
- zweite Richtung
- Z
- optische Achse
