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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik und betrifft eine omnidirektionale Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mit einem Laser.
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Im Zuge fortschreitender Autonomisierung von Maschinen, beispielsweise im Bereich autonomer Kraftfahrzeuge oder im Bereich der Robot Vision, werden zunehmend Systeme für eine Raumüberwachung benötigt. Bekannte Systeme zur Überwachung eines Raumwinkelbereiches nutzen Beleuchtungsvorrichtungen mit einer Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, einen beweglichen Spiegel zum Reflektieren des von der Laserlichtquelle kommenden Laserstrahls in eine durch Bewegung des Spiegels veränderbare Richtung und eine Ablenkoptik zum Ablenken des vom Spiegel kommenden Laserstrahls. Die Ablenkoptik kann dabei sowohl brechende als auch spiegelnde Elemente umfassen.
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Ein derartiges System beschreibt beispielsweise die Druckschrift
WO 2011/089320 A1 . Als Ablenkoptik wird bei diesem System eine omnidirektionale Linse verwendet. Dabei wird der Lichtstrahl zunächst an einem rotierbaren Spiegel reflektiert und dann durch die omnidirektionale Linse gelenkt, die eine im Wesentlichen einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs entsprechende reflektierende Oberfläche aufweist, an der der Laserstrahl so in eine von einer momentanen Stellung des rotierbaren Spiegels abhängige Richtung abgelenkt wird, dass ein 360° um die Ablenkoptik herum abdeckender Raumwinkelbereich mit dem Laserstrahl abgetastet werden kann. Eine zusätzlich zu der reflektierenden Oberfläche vorgesehene brechende optische Fläche der omnidirektionalen Linse erweist sich bei diesem Stand der Technik als notwendig, um eine hinreichend hohe Strahlqualität zu erreichen und insbesondere eine zu große Divergenz des scannenden Laserstrahls zu vermeiden.
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Ein Nachteil des beschriebenen Systems aus dem Stand der Technik liegt darin, dass die Herstellung der Ablenkoptik aufgrund der benötigten Form der omnidirektionalen Linse sehr aufwändig und mithin sehr kostspielig ist. Versucht man, die Herstellungskosten für die Ablenkoptik durch Verwendung eines besonders einfach verarbeitbaren Materials zu senken, so verschärft man ein anderes Problem dieses Systems, nämlich eine starke Streuung des Laserstrahls in der omnidirektionalen Linse. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn ein an einem Objekt oder Hindernis innerhalb des abgetasteten Raumwinkelbereichs gestreuter Lichtanteil als Nachweislicht detektiert werden soll. Dann wird nämlich unweigerlich zusammen mit dem Nachweislicht auch Störlicht detektiert, das auf die Streuung des Laserstrahls im Material der omnidirektionalen Linse zurückgeht. Dabei kann das Nachweislicht und das Störlicht bei der Detektion nicht unterschieden werden, was zu einem unbrauchbaren Messergebnis führen kann. Nur unter einem hohen Herstellungsaufwand können brechende Komponenten entsprechend der omnidirektionalen Linse aus dem beschriebenen Stand der Technik gefertigt werden, die eine hinreichend geringe Streuung des Laserstrahls in der brechenden Komponente zeigen. Die Herstellung derartiger hochqualitativer Komponenten ist jedoch mit einem hohen Fertigungs- und Kostenaufwand verbunden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere hinsichtlich einer vereinfachten Herstellung und geringer Kosten, zu schaffen, die einen Raumwinkelbereich, der die Beleuchtungsvorrichtung zumindest in einer Ebene ringsherum umgibt, mit einem Laserstrahl abzutasten erlaubt, wobei der Laserstrahl eine möglichst hohe Strahlqualität und insbesondere eine möglichst geringe Divergenz haben soll. Zudem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Verfahren zum Abtasten eines Raumwinkelbereiches vorzuschlagen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruches. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche und der Ausführungsbeispiele.
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Die vorgeschlagene omnidirektionale Beleuchtungsvorrichtung zum Abtasten eines Raumwinkelbereiches mit einem Laserstrahl umfasst eine Laserlichtquelle zum Erzeugen des Laserstrahls, einen beweglichen Spiegel zum Reflektieren des von der Laserlichtquelle kommenden Laserstrahls in eine durch Bewegung des Spiegels veränderbare Richtung und eine Ablenkoptik zum Ablenken des vom Spiegel kommenden Laserstahls in den abzutastenden Raumwinkelbereich. Dabei weist die Ablenkoptik eine reflektierende Oberfläche auf, die einen im Wesentlichen einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs entsprechenden Bereich umfasst und so angeordnet ist, dass der vom beweglichen Spiegel kommende Laserstrahl von außen auf diese Mantelfläche richtbar ist. Der bewegliche Spiegel ist dabei ein um zwei Achsen auslenkbarer Mikrospiegel. Die Ablenkoptik weist eine die erste reflektierende Oberfläche umgebende, konkave zweite reflektierende Oberfläche auf, die so angeordnet ist, dass der vom Mikrospiegel kommende und auf die genannte Mantelfläche gerichtete Laserstrahl nach einer ersten Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche von innen auf die zweite reflektierende Oberfläche fällt und von dort auf die erste reflektierende Oberfläche zurückgeworfen wird, um nach einer zweiten Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche in den Raumwinkelbereich geworfen zu werden. Dadurch kann bei einem ausgesprochen einfachen Aufbau der Ablenkoptik eine hinreichend gute Strahlqualität ohne zu große Divergenz des austretenden Laserstrahls erreicht werden, ohne dass die Ablenkoptik dazu dioptrische Elemente benötigt. Fertigungskosten für aufwendig herstellbare dioptrische Systeme werden damit eingespart, während demnach eine hinreichend geringe Divergenz des die Beleuchtungsvorrichtung verlassenden Laserstrahls gewährleistet wird. Erreicht wird das dadurch, dass der Laserstrahl sowohl bei den beiden Reflexionen an der ersten reflektierenden Oberfläche, als auch durch die zweite reflektierende Oberfläche geformt wird, wobei insbesondere die konkave Form der zweiten reflektierenden Oberfläche eine die Divergenz des Laserstrahls verstärkende Wirkung der Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche zumindest weitestgehend kompensiert. Die Ablenkoptik kann also als rein katoptrisches System bzw. mit ausschließlich reflektierenden optischen Flächen ausgeführt werden, was die Herstellung der Ablenkoptik deutlich vereinfacht. Auch die Verwendung des um zwei Achsen auslenkbaren Mikrospiegels trägt zu einem geringen Herstellungsaufwand bei, weil ein solcher Spiegel das Abtasten des gewünschten Raumwinkelbereichs auch dann erlaubt, wenn nur vergleichsweise weite Toleranzgrenzen eingehalten werden. Ein besonders einfacher Aufbau der Ablenkoptik ergibt sich, wenn die zweite Reflexion an der ersten optischen Fläche ebenfalls in dem genannten Bereich geschieht, der der Mantelfläche des Kegelstumpfs entspricht, dort allerdings in einem tiefer liegenden Teilbereich, also - unabhängig von einer tatsächlichen Orientierung des Kegelstumpfs - in einem Teilbereich, in dem der Kegelstumpf einen größeren Durchmesser und mithin eine geringere Oberflächenkrümmung hat.
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Mit der Merkmalskombination der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung wird also ein vorteilhaftes Bauteil geschaffen, das ein Abtasten eines 360°-Winkelbereichs mit einem Laserstrahl auf vergleichsweise einfache Art und Weise, nämlich durch eine Kombination eines um zwei Achsen auslenkbaren Mikrospiegels und jeweils reflektierender konkaver und konvexer Oberflächen, ermöglicht.
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In einer möglichen Ausführungsform schneiden sich die zwei Achsen, um die der Mikrospiegel auslenkbar ist, in einem Punkt auf einer Kegelachse des Kegelstumpfes. Dies kann den Vorteil haben, dass der Laserstrahl bei vergleichsweise geringen und in alle Richtungen gleich weiten Auslenkungen des Mikrospiegels eine Kreisbahn auf die erste reflektierende Oberfläche überstreichen kann, die ihren Mittelpunkt auf der Kegelachse hat, sodass der die Ablenkoptik verlassende Laserstrahl den 360°-Winkelbereich um die Ablenkoptik herum abtastet. Typischerweise ist der Mikrospiegel Teil eines MEMS, das vorteilhaft kompakt ausgeführt werden kann und das die Auslenkung des Mikrospiegels mit großen Oszillationsfrequenzen erlaubt, und dessen Auslenkung mit einer geeigneten Elektronik präzise und schnell gesteuert werden kann. Ein vorteilhafter Sonderfall ergibt sich, wenn die beiden Oszillationsfrequenzen des Mikrospiegels als Teil eines MEMS identisch sind und die Auslenkungen eine Phasenverschiebung von 90° zueinander aufweisen. Unter dieser Bedingungen beschreibt der Laserstrahl auf der ersten reflektierenden Oberfläche eine Kreisbahn.
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Eine typische Ausgestaltung der Erfindung sieht ferner vor, dass die zweite reflektierende Oberfläche eine im Wesentlichen einer Mantelfläche eines zweiten Kegelstumpfs entsprechende Form hat. Dabei kann der zweite Kegelstumpf einen kleineren Öffnungswinkel aufweisen als der Kegelstumpf, der den genannten Bereich der ersten reflektierenden Oberfläche definiert. Dies kann vorteilhaft sein, weil sich dadurch ein symmetrischer Aufbau ergibt, der alle benötigten reflektierenden Oberflächen aufgrund ihrer einfachen Form mit sehr geringem Aufwand herzstellen erlaubt und weil die zweite reflektierende Oberfläche dabei mit einer vergleichsweise hohen Oberflächenkrümmung ausgeführt werden kann und dadurch die Divergenz des Laserstrahls sehr effektiv minimiert oder begrenzt werden kann.
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Bei den genannten Kegelstümpfen handelt es sich typischerweise um echte Kegelstümpfe, also Oberflächenausschnitte gerader Kreiskegel. Es sind aber auch Ausführungen denkbar, bei denen die Kegelstümpfe durch entsprechende Ausschnitte von Oberflächen schiefer und/oder elliptischer Kegel gegeben sind. Der Begriff Kegelstumpf soll in der vorliegenden Schrift also auch solche Oberflächen abdecken.
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Vorteilhaft kann zudem vorgesehen sein, dass der zweite Kegelstumpf und der Kegelstumpf, der den genannten Bereich der ersten reflektierenden Oberfläche definiert, eine gemeinsame Kegelachse haben. Das kann eine Konstruktion der Beleuchtungsvorrichtung aufgrund einer Rotationssymmetrie vereinfachen.
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In typischen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass zwischen der Laserlichtquelle und dem Mikrospiegel eine Strahlformungsoptik zum Erhöhen einer Strahlqualität des Laserstrahls angeordnet ist. Dabei kann die Strahlformungsoptik, beispielsweise mittels mehrerer hintereinander gereihten Linsen geometrische Strahlparameter des Laserstrahls, insbesondere eine Divergenz, eine Rayleigh-Länge und einen Taillendurchmesser des Laserstrahls, beeinflussen und somit eine Strahlqualität des die Beleuchtungsoptik verlassenden Laserstrahls weiter verbessern.
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Eine weitere Ausführung kann vorsehen, dass die erste und/oder die zweite reflektierende Oberfläche verspiegelt ist. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn ein oder mehrere Elemente der Ablenkoptik, auf der die reflektierenden Oberflächen angeordnet sind, aufgrund ihrer Materialeigenschaften allein keine oder schlechte reflektierende Eigenschaften aufweisen. Insbesondere kann somit ein Material dieser Elemente der Ablenkoptik nahezu frei gewählt werden, da die reflektierenden Oberflächen beispielsweise durch spiegelnde Lacke oder Folien aufgebracht werden können.
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Die erste und die zweite reflektierende Oberfläche können beispielsweise durch verschiedene Oberflächenbereiche eines aus Glas oder einem anderen transparenten Material gefertigten Körpers gebildet sein. Dieser Körper füllt dann also einen Raum zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Oberfläche aus. Dadurch lässt sich mit einfachen Mitteln ein besonders robuster Aufbau der Ablenkoptik erreichen, wobei sich der Aufwand auch dann in Grenzen hält, wenn optisch hochwertiges Material verwendet wird, und wobei sich insbesondere ein Justieren der reflektierenden Oberflächen relativ zueinander erübrigt und ein Dejustieren nahezu ausgeschlossen ist.
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Die Beleuchtungsvorrichtung kann einen Antrieb und eine Regel- oder Steuereinheit aufweisen. Dabei kann sich der Mikrospiegel zum Schwingen um die beiden Achsen anregen lassen. Der Mikrospiegel kann je nach Ausführungsform statisch, quasistatisch, oder resonant und auch frei schwingend betrieben werden, und dabei entweder geregelt oder gesteuert werden. Die Regel- oder Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Laserlichtquelle zum Modulieren des Laserstrahls in Abhängigkeit von einer momentanen Auslenkung des Mikrospiegels anzusteuern, so dass der Laserstrahl, vom Mikrospiegel kommend, nur einen definierten, typischerweise durch ein ringförmiges Band gegebenen, Teilbereich auf der ersten reflektierenden Oberfläche beleuchtet, in dem die erste Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche stattfindet. Dabei kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Laserlichtquelle so anzusteuern, dass der Laserstrahl diesen Teilbereich vollständig beleuchtet, bzw. überstreicht, und zwar vorzugsweise so, dass der dadurch vom Laserstrahl nach der zweiten Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche abgetastete Raumwinkelbereich einen Azimutalwinkelbereich von 360° abdeckt und/oder alle Richtungen innerhalb einer senkrecht zur Kegelachse des Kegelstumpfs liegenden Ebene umfasst, die den typischerweise ebenfalls ringförmigen Teilbereich der ersten reflektierenden Oberfläche schneidet, in dem die zweite Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche stattfindet. Um eine derartige Ansteuerung der Laserlichtquelle zu erlauben, kann die Beleuchtungsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist zum Erfassen einer momentanen Auslenkung des Mikrospiegels, um einen momentan vom Laserstrahl getroffenen Punkt auf der ersten reflektierenden Oberfläche zu lokalisieren und mithin eine momentane Richtung des die Ablenkoptik verlassenden Laserstrahls zu bestimmen.
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Die beschriebene Beleuchtungsvorrichtung kann Bestandteil eines LIDAR-Systems sein. Dabei kann das LIDAR-System zusätzlich zu den bereits genannten Komponenten einen Detektor zum Detektieren von durch Streuung des Laserstrahls an einer Oberfläche innerhalb des abgetasteten Raumwinkelbereichs entstandenem Nachweislicht aufweisen. Das LIDAR-System mit der beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung kann z.B. in einem Fahrerassistenzsystem Verwendung finden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mit einem Laserstrahl mittels einer Beleuchtungsvorrichtung der oben beschriebenen Art. Dabei wird der Laserstrahl durch die Laserlichtquelle erzeugt und auf den Mikrospiegel gerichtet. Der Laserstrahl fällt nach einer Reflexion durch den Mikrospiegel durch die Ablenkoptik und wird dabei zwischen zwei Reflexionen an der ersten reflektierenden Oberfläche von der zweiten reflektierenden Oberfläche auf die erste reflektierende Oberfläche zurückgeworfen, wobei der Mikrospiegel zum Schwingen angeregt und der von der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl moduliert wird, so dass der Raumwinkelbereich durch den die Ablenkoptik verlassenden Laserstrahl gescannt wird. Vorzugsweise wird der Raumwinkelbereich in der zuvor beschriebenen Weise gescannt, also so, dass der vom Laserstrahl nach der zweiten Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche abgetastete Raumwinkelbereich einen Azimutalwinkelbereich von 360° abdeckt und/oder alle Richtungen innerhalb einer senkrecht zur Kegelachse des Kegelstumpfs liegenden Ebene umfasst, die den typischerweise ringförmigen Teilbereich der ersten reflektierenden Oberfläche schneidet, in dem die zweite Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche stattfindet.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass durch Streuung des Laserstrahls an einer Oberfläche innerhalb des gescannten Raumwinkelbereichs verursachtes Nachweislicht mit einem lichtempfindlichen Detektor detektiert wird, wobei ein Ausgangssignal des Detektors durch Erfassen einer momentanen Auslenkung des Mikrospiegels jeweils einer momentanen Richtung des die Ablenkoptik verlassenden Laserstrahls zugeordnet und zum Bestimmen eines Abstandes zur Oberfläche durch eine Laufzeit- oder Phasenmessung verwendet wird. Das gilt unter anderem, wenn die Beleuchtungsvorrichtung Bestandteil eines LIDAR-Systems ist.
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Die beschriebenen optionalen Merkmale können beliebig kombiniert oder auch unabhängig voneinander realisiert werden und an einen jeweilig benötigten Anwendungsfall angepasst werden.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittzeichnung einer Beleuchtungsvorrichtung mit einer Strahlformungsoptik,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Beleuchtungsvorrichtung,
- 3 eine perspektivische Ansicht der Beleuchtungsvorrichtung mit einer Darstellung eines auf einer ersten reflektierenden Oberfläche durch einen Laserstrahl beleuchteten Teilbereichs,
- 4 eine schematische Schnittzeichnung der Beleuchtungsvorrichtung mit zwei unterschiedlichen Strahlverläufen bei zwei verschiedenen Auslenkungen eines Mikrospiegels der Beleuchtungsvorrichtung,
- 5 eine perspektivische Ansicht der Beleuchtungsvorrichtung mit einer Darstellung eines durch Schwingungen des Mikrospiegels beleuchtbaren Bereiches auf einer der reflektierenden Oberfläche,
- 6 eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik,
- 7 eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung in einer abgewandelten Ausführung mit einem Faltspiegel,
- 8 eine Schnittzeichnung der Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer Ablenkoptik in einstückiger Bauweise, und
- 9 eine teilweise geschnitten dargestellte perspektivische Ansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus 8.
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1 zeigt schematisch eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Ablenkoptik 5. Ein von einer Laserlichtquelle 1 erzeugter Laserstrahl 2 läuft durch eine Strahlformungsoptik 3 und trifft auf einen Mikrospiegel 4. Der Mikrospiegel 4 ist um zwei Achsen auslenkbar und Teil eines MEMS. Im gezeigten Beispiel formt die Strahlformungsoptik 3 den Laserstrahl 2 in seinen geometrischen Eigenschaften hinsichtlich Divergenz, Taillendurchmesser und Rayleigh-Länge, sodass eine Strahlqualität erhöht werden kann. Der Laserstrahl 2 wird an dem Mikrospiegel 4 reflektiert und wird auf eine erste reflektierende Oberfläche 6 der Ablenkoptik 5 gelenkt, und zwar auf die Stelle, die von einer Auslenkung des Mikrospiegels 4 abhängt und die mit der Auslenkung des Mikrospiegels 4 verändert werden kann. Die erste reflektierende Oberfläche 6 hat dabei im Wesentlichen die Form eines Mantels eines Kegelstumpfes. Dieser Kegelstumpf hat eine Kegelachse 7, auf der der Schnittpunkt der zwei Achsen liegt, um die der Mikrospiegel 4 auslenkbar ist. Außer der ersten reflektierenden Oberfläche 6 weist die Ablenkoptik 5 auch eine zweite reflektierende Oberfläche 8 auf. Nach einer ersten Reflektion des Laserstrahls 2 an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 wird der Laserstrahl 2 an der zweiten reflektierenden Oberfläche 8 erneut reflektiert und zurück auf die erste reflektierende Oberfläche 6 geworfen, um nach einer zweiten Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 in einen mit der Beleuchtungsvorrichtung abtastbaren Raumwinkelbereich geworfen zu werden. Im gezeigten Beispiel wird der Laserstrahl dabei in einem Winkel von 90° gegenüber der Kegelachse 7 in den Raumwinkelbereich abgestrahlt, sodass er bei einer entsprechenden Bewegung des Mikrospiegels 4 eine ausleuchtbare Ebene aufspannen kann, die auf Höhe der zweiten Reflektion auf der ersten reflektierenden Oberfläche 6 liegt und in einem Winkel von 90° von der Kegelachse 7 geschnitten wird. Die zweite reflektierende Oberfläche 8 umgibt die erste reflektierende Oberfläche 6 und ist konkav. Im gezeigten Beispiel hat die zweite reflektierende Oberfläche 8 eine Form einer Mantelfläche eines zweiten Kegelstumpfes, der derart angeordnet ist, dass er eine gemeinsame Kegelachse 7 mit dem ersten Kegelstumpf besitzt. Ein Öffnungswinkel des zweiten Kegelstumpfes ist kleiner als ein Öffnungswinkel des Kegelstumpfes, der die erste reflektierende Oberfläche 6 definiert. Der Öffnungswinkel beeinflusst einen Ausfallwinkel des Laserstrahls nach einer Reflektion und einen Krümmungsradius. Der Laserstrahl 2 wird durch die erste und die zweite Reflektion an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 aufgeweitet, da die erste reflektierende Oberfläche 6 konvex ist. Bei der Reflektion an der zweiten reflektierenden Oberfläche 8 von innen, wird eine dadurch unvermeidliche Divergenz des Laserstrahls dagegen zunächst deutlich reduziert, da die zweite reflektierende Oberfläche 8 konkav ist. Die Krümmungsradien der reflektierenden Oberflächen 6, 8 beeinflussen dabei signifikant die Aufweitung: Je kleiner die Krümmung der reflektierenden Oberflächen 6, 8 an der entsprechenden Auftreffstelle ist, desto stärker ist eine dadurch verursachte Aufweitung beziehungsweise Bündelung des Laserstrahls. Durch eine Kombination der konvexen und dadurch aufweitend wirkenden ersten reflektierenden Oberfläche 6 mit der konkaven und daher die Aufweitung reduzierenden zweiten reflektierenden Oberflächen 8 wird dabei in der Summe eine Aufweitung des Laserstrahls 2 weitestgehend vermieden, weil die zweite reflektierende Oberfläche aufgrund des kleineren Öffnungswinkels des zweiten Kegelstumpfs eine vergleichsweise große Krümmung hat und eine unvermeidliche Aufweitung bei der Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 zumindest teilweise kompensiert werden. Das führt dazu, dass der Laserstrahl 2 die durch die reflektierenden Oberflächen 6 und 8 gebildete Ablenkoptik 5 als nahezu paralleles Lichtbündel verlässt, nach der zweiten Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 also eine sehr geringe Divergenz hat. Die Strahlformungsoptik 3 ist dabei so konzipiert, dass die Beleuchtungsvorrichtung in dieser Hinsicht optimiert ist. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, wenn ein Brennpunkt der Strahlformung dort zu liegen kommt, wo die zweite Reflexion auf der ersten reflektierenden Oberfläche 6 stattfindet.
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2 zeigt die Beleuchtungsvorrichtung der 1 in perspektivischer Ansicht. Wiederkehrende Merkmale sind hier und in den weiteren Figuren wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Mikrospiegel 4 kann um zwei Winkel θ und ϕ ausgelenkt werden. In dem Ausführungsbeispiel hat der die erste reflektierende Oberfläche 6 bildende Kegelstumpf, eine Grundfläche mit einem Durchmesser von 55 mm, wobei dieser Kegelstumpf eine Höhe von 26 mm aufweist. Ein Winkel der Mantelfläche dieses Kegelstumpfes, also der ersten reflektierenden Oberfläche 6, zur Kegelachse 7, also der halbe Öffnungswinkel des genannten Kegelstumpfes, beträgt 36°. Der Kegelstumpf der die die erste Oberfläche 6 umgebende zweite reflektierende Oberfläche 8 definiert, hat eine Grundfläche, die ebenfalls einen Durchmesser von 55 mm aufweist. Die Höhe dieses zweiten Kegelstumpfes beträgt 8 mm. Der Winkel der Mantelfläche des zweiten Kegelstumpfes, also der zweiten reflektierenden Oberfläche 8 zur Kegelachse 7, also der halbe Öffnungswinkel des zweiten Kegelstumpfes, beträgt 17°. Ein Abstand zwischen den Grundflächen der Kegelstümpfe beträgt 6 mm. Der Laserstrahl 2 hat dort, wo er in die Strahlformungsoptik 3 eintritt, einen Eingangsdurchmesser von 1 mm.
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3 zeigt die Beleuchtungsvorrichtung aus 2 mit einem definierten Teilbereich 9 auf der ersten reflektierenden Oberfläche 6, der von dem Laserstrahl 2 durch eine entsprechende Bewegung des Mikrospiegels 4 beleuchtet werden kann und in dem dann die erste Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 stattfindet. Der gezeigte Teilbereich 9 ist ringförmig und liegt so, dass der vom Laserstrahl 2, wenn die erste Reflexion in diesem Teilbereich 9 stattfindet, nach der zweiten Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 senkrecht zur Kegelachse 7 aus der Ablenkoptik 5 austritt, wobei der durch den Laserstrahl 2 abgetastete Raumwinkelbereich einen Azimutalwinkelbereich von 360° abdeckt, wenn der Teilbereich 9 vollständig mit dem vom Mikrospiegel 4 kommenden Laserstrahl 2 überstrichen wird. Der mit dem Laserstrahl 2 abgetastete Raumwinkelbereich umfasst dann alle Richtungen innerhalb einer senkrecht zur Kegelachse 7 der Kegelstümpfe liegenden Ebene, die einen ebenfalls ringförmigen zweiten Teilbereich auf der ersten reflektierenden Oberfläche 6 schneidet, in dem die zweite Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 stattfindet (der zweite ringförmige Teilbereich ist in 3 nicht eingezeichnet).
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4 zeigt die Beleuchtungsvorrichtung der 1 bis 3, wobei zwei Laserstrahlen 10, 11 dargestellt sind, die jeweils den Strahlverlauf nach einer Reflektion des Laserstrahls 2 am Mikrospiegel bei einer von zwei verschiedenen momentanen Auslenkungen des Mikrospiegels 4 zeigen. Vor der ersten Reflexion der Laserstrahlen 10, 11 an der ersten Oberfläche 6 schließen die Laserstrahlen 10, 11 einen Winkel α ein, der doppelt so groß ist wie eine Verkippung des Mikrospiegels zwischen den zwei entsprechenden Auslenkungen. Nach den Reflexionen an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 und der zweiten reflektierenden Oberfläche 8 schließen die Laserstrahlen einen den Winkel α entsprechenden Winkel β ein. 4 veranschaulicht, wie die Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden kann, um mit dem Laserstrahl 2 einen Raumwinkelbereich abzutasten, der sich durch den Azimutalwinkelbereich von 360° (durch eine Bewegung des Mikrospiegels 4 in der in 3 veranschaulichten Art, bei der eine Normale des Mikrospiegels 4 um die Kegelachse rotiert) und einen Polarwinkelbereich β (durch Kippen des Mikrospiegels gegenüber der Kegelachse 7) ergibt.
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5 zeigt die beschriebene Beleuchtungsvorrichtung, wobei ein durch den vom Mikrospiegel 4 kommenden Laserstrahl 2 beleuchtbarer Teilbereich 12 auf der ersten reflektierenden Oberfläche 6 eingezeichnet ist. Die Beleuchtungsvorrichtung weist einen Antrieb und eine Steuereinheit auf (die Steuereinheit und der Antrieb sind in 5 nicht gezeigt). Der Mikrospiegel 4 lässt sich zum Schwingen um die zwei Achsen anregen, indem er durch den Antrieb um die zwei dann zeitabhängigen Winkel θ und ϕ ausgelenkt wird. Die Steuereinheit ist eingerichtet, die Laserlichtquelle 1 zum Modulieren des Laserstrahls 2 in Abhängigkeit von einer momentanen Auslenkung des Mikrospiegels 4 anzusteuern, sodass der vom Mikrospiegel 4 kommende Laserstrahl 2 nur den definierten Teilbereich 9 auf der ersten reflektierenden Oberfläche 6 beleuchtet, in dem dann die erste Reflexion an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 stattfindet. Die Beleuchtungsvorrichtung weist eine Auswerteeinrichtung (in 5 nicht gezeigt) auf, um eine derartige Ansteuerung der Laserlichtquelle 1 zu erlauben. Die Auswerteeinrichtung erfasst die momentane Auslenkung des Mikrospiegels 4, um einen momentan vom Laserstrahl 2 getroffenen Punkt auf der ersten reflektierenden Oberfläche 6 zu lokalisieren und mithin eine momentane Richtung des die Ablenkoptik 5 verlassenden Laserstrahls 2 zu bestimmen.
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Die beschriebene Beleuchtungsvorrichtung kann Bestandteil eines LIDAR-Systems sein, das zusätzlich einen lichtempfindlichen Detektor aufweist, der durch Streuung des Laserstrahls 2 an einer im Raumwinkelbereich liegenden Oberfläche verursachtes Nachweislicht detektiert. Ein Ausgangssignal des Detektors kann dann durch die Auswerteeinrichtung einer momentanen Richtung des die Ablenkungsoptik verlassenden Laserstrahls 2 zugeordnet und zum Bestimmen eines Abstandes zur Oberfläche durch eine Laufzeit- oder Phasenmessung verwendet werden. So können Entfernungen zu Hindernissen im beleuchteten Raumwinkelbereich bestimmt werden. Damit eignet sich die Beleuchtungsvorrichtung insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, beispielsweise für Abstandswarnsysteme oder eine Raumüberwachung oder bei einem autonomen Fahren.
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In 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung in einer Schnittansicht dargestellt, wobei die Ablenkoptik 5 aus Glas ist. Natürlich sind auch andere im Wellenlängenbereich des Laserlichts transparente Materialien für die Ablenkoptik 5 denkbar. Die erste reflektierende Oberfläche 6 ist Teil eines gläsernen, hohlen Kegelstumpfes. Dieser ist verspiegelt, sodass eine reflektierende Eigenschaft im Bereich der reflektierenden Oberfläche 6 erreicht wird. Die zweite reflektierende Oberfläche 8 ist Teil eines weiteren gläsernen, hohlen Kegelstumpfes, der den ersten gläsernen, hohlen Kegelstumpf umgibt. Auch dieser Kegelstumpf ist entsprechend beschichtet, sodass er im Bereich der zweiten reflektierenden Oberfläche 8, also an seiner inneren Mantelfläche, reflektierende Eigenschaften aufweist. Bündig mit einer unteren Abschlussebene des ersten Kegelstumpfes ist ein Hohlzylinder 13 aus Glas angeordnet, durch den der Laserstrahl hindurchtritt. Ohne eine transparente Verbindung in Form des Glaszylinders 13 müssten die Kegelstümpfe mit Halteelementen verbunden werden, die den abzutastenden Raumwinkelbereich von 360° unterbrechen würden. Dieser Hohlzylinder 13 ist mit einem scheibenförmigen Kragen 14 verbunden, der wiederum mit dem Kegelstumpf, auf dem die erste reflektierende Oberfläche 6 liegt, verbunden ist. Ein weiterer Hohlzylinder 15 ist auf dem gläsernen, hohlen Kegelstumpf, auf dem die zweite reflektierende Oberfläche 8 liegt, angebracht. Der Hohlzylinder 15 kann ebenfalls aus Glas gefertigt sein und dient als Befestigungsplattform für den Mikrospiegel 4. Sowohl die Kegelstümpfe mit den reflektierenden Oberflächen 6 und 8 als auch die Hohlzylinder 13 und 15 und der Kragen 14 besitzen eine gemeinsame Rotationssymmetrieachse, nämlich die Kegelachse 7. Der Mikrospiegel 4 ist dabei Teil eines MEMS.
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7 zeigt eine weitere Ausführung der Beleuchtungsvorrichtung, bei der es sich um eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus der 6 handelt. Die Laserlichtquelle 1 liegt hier nicht in der Rotationssymmetrieachse 7. Stattdessen ist hier als zusätzliches Element ein Faltspiegel 16 vorgesehen, der von der Laserlichtquelle 1 mit dem Laserstrahl 2 bestrahlt wird und der den Laserstrahl 2 vor einer Reflexion des Laserstrahl durch den Mikrospiegel 4 reflektiert und auf den Mikrospiegel 4 ablenkt. Dies hat den Vorteil, dass eine Anordnung der Laserlichtquelle 1 in der Rotationssymmetrieachse 7 nicht zwingend notwendig ist und die Beleuchtungsvorrichtung konstruktiv je nach Anwendungsfall und zur Verfügung stehendem Bauraum auf einfache Weise angepasst werden kann. Der Faltspiegel 16 kann dabei insbesondere mit dem Kragen 14 verbunden sein, und seine Anstellung je nach Position der Laserlichtquelle 1 angepasst werden.
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Die 8 und 9 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung, wobei die Beleuchtungsvorrichtung in diesem Fall einstückig ausgebildet ist. Die erste reflektierende Oberfläche 6 und die zweite reflektierende Oberfläche 8 sind dabei beide Teil eines Glaskörpers 17. Der Laserstrahl 2 wird vom Mikrospiegel 4 reflektiert, dringt oberhalb der ersten reflektierenden Oberfläche 6 in den Glaskörper 17 ein und wird innerhalb des Glaskörpers 17 auf die erste reflektierende Oberfläche 6 gelenkt. Ein Strahlengang des Laserstrahls 2 verläuft nun im Glas. Gemäß dem Snellius'schen Gesetz wird der Laserstrahl 2 abhängig vom Brechungsindex des Glasmaterials an der ersten reflektierenden Oberfläche 6 reflektiert und auf die zweite reflektierende Oberfläche 8 gelenkt, wo der Strahl abermals reflektiert und zurück auf die erste reflektierende Oberfläche 6 gelenkt wird, um nach einer zweiten Reflexion die Beleuchtungsvorrichtung senkrecht zur Rotationssymmetrieachse 7 zu verlassen. Die Reflexionen des Laserstrahls 2 an der ersten und zweiten reflektierenden Oberfläche 6, 8 finden im Wesentlichen als Totalreflektionen (TIR, total internal reflection) statt, können aber auch durch eine Reflexion an einer ein- oder aufgebrachten Reflexschicht erfolgen. Im Bereich des Austritts des Laserstrahls 2 aus dem Glaskörper 17 ist das Glas derart gefertigt, dass dort keine Reflexion stattfindet und der Laserstrahl 2 im Wesentlichen ungehindert aus dem Glaskörper 17 austreten kann. Durch die zylindrische Form des Glaskörpers 17 in einem Austrittsbereich des Laserstrahls 2 wird der Strahl zusätzlich fokussiert. Sowohl ein Bereich des Glaskörpers 17, in dem der Laserstrahl 2 in den Glaskörper 17 eintritt, als auch der Bereich des Glaskörpers 17, in dem der Laserstrahl 2 aus dem Glaskörper 17 austritt, können mit Antireflexschichten versehen sein (AR-Coating). Der Glaskörper 17 muss nicht unbedingt aus Glas gefertigt sein. Stattdessen kann jedes optische Material verwendet werden, das für die Wellenlänge des Laserstrahls geeignet ist. Für den Infrarotbereich ist somit beispielsweise auch Silizium oder Germanium geeignet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Faltspiegel 16 zur Umlenkung des Laserstrahls 2 auf den Mikrospiegel 4 verwendet. Es sind natürlich auch andere reflektierende Oberflächen oder optische Elemente denkbar, um den Laserstrahl 2 auf den Mikrospiegel 4 zu lenken. Die Laserlichtquelle 1 kann auch derart angeordnet werden, dass sie den Mikrospiegel 4 direkt mit dem Laserstrahl 2 bestrahlt. Im gezeigten Beispiel weist der Glaskörper 17 einen zylindrischen Teilkörper 18 auf, an dem beispielsweise der Mikrospiegel 4 montiert werden kann. Der Teilkörper 18 kann auch auf den Glaskörper 17 aufgesetzt sein. Natürlich ist auch eine andere Form oder ein anderer Befestigungsort für den Mikrospiegel 4 denkbar. Die reflektierenden Oberflächen 6 und 8 weisen jeweils eine kegelstumpfartige Form auf, die eine gemeinsame Kegelachse 7 besitzen, die ebenfalls mit einer Rotationssymmetrieachse des zylindrischen Teilkörpers 18 übereinstimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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