DE102019135485B3

DE102019135485B3 - Vorrichtung zum Schutz eines Sensors vor Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102019135485B3
Application number: DE102019135485.4A
Authority: DE
Inventors: Nico Correns; Reinhard Steiner; Hans-Jürgen Dobschal; Dr.-Ing. Uhlrich Günter; Dietrich Perlsch; Peter Hank
Original assignee: ESG Elektroniksystem und Logistik GmbH
Current assignee: ESG Elektroniksystem und Logistik GmbH
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-12-21

Abstract

Vorrichtung zum Schutz eines Sensors vor Laserstrahlung, wobei die Vorrichtung eine erste Shuttervorrichtung aufweist, die konfiguriert ist, eine auf die erste Shuttervorrichtung treffende Laserstrahlung um einen ersten Winkel abzulenken. Die erste Shuttervorrichtung weist ferner eine erste digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD = Digital Micromirror Device) auf, die eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten, kippbaren Mikrospiegelaktoren umfasst. Ferner ist eine zweite Shuttervorrichtung vorgesehen, die so angeordnet ist, dass sie durch die abgelenkte Laserstrahlung angestrahlt wird, wobei die zweite Shuttervorrichtung die Laserstrahlung um einen zweiten Winkel ablenkt, und wobei die zweite Shuttervorrichtung eine zweite digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD) aufweist. Ferner ist ein weiterer Sensor vorgesehen, der in der Lage ist, die auf die Vorrichtung auftreffende Laserstrahlung zu detektieren, wobei der weitere Sensor ein Steuersignal an die erste und die zweite Shuttervorrichtung sendet, ansprechend auf ein Detektieren der Laserstrahlung.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Laserschutzvorrichtungen für optische Sensoren und für das menschliche Auge bei einer Benutzung von optischen Instrumenten, wie z.B. Ferngläsern. Als optischer Sensor kann hierbei auch das Auge angesehen werden.
Laser können erhebliche Schäden an optischen Sensoren verursachen. Einen umfassenden Schutz vor diesen Schäden gibt es nicht. Die Wirkung von Laserstrahlung auf einen optischen Sensor kann wie folgt erklärt werden. Eine Optik vor dem Sensor fokussiert das Licht für Wellenlängen, bei denen das Objektiv transparent ist, auf den Sensor, um ein scharfes Bild zu erhalten. Dadurch ergibt sich ein Verstärkungsfaktor von ca. 10⁶. Je lichtstärker das Objektiv hierbei ist, desto höher ist der Verstärkungsfaktor.
Aufgrund dieses hohen Verstärkungsfaktor können schon geringe Laserleistungen, selbst auf größeren Entfernungen, zu Blendungen oder Schädigungen des Sensors führen.
1 zeigt einen Strahlengang für ein bekanntes Kamerasystem ohne Schutz. Die einfallende Strahlung trifft in einem quasiparallelen Strahlengang (1) auf eine Fokussiereinheit, die hier als Linse (2) ausgestaltet ist. Die Linse fokussiert die einfallende Strahlung auf einen Sensor (3). Ein derartiges System bietet keinerlei Schutz für den Sensor und im Falle einer hochenergetischen elektromagnetischen Strahlung, wie zum Beispiel Laserstrahlung kann die Fokussierung dieser Strahlung, wie oben erläutert, zu extrem hohen Energiedichten führen, die schließlich eine Zerstörung des Sensors bewirken können.
Im Fall der Blendung kommt es bei der Bestrahlung eines optischen Sensors und der dazugehörigen Optik mit einem Laser zu einer Überbelichtung der betroffenen Pixel des Sensors, d.h. zu einem sogenannten Überlauf der Ladungen im Potentialtopf, und je nach Laserleistung auch der benachbarten Pixel. Dieser Effekt kann beispielsweise durch den Einsatz von Bildverarbeitungs-Algorithmen reduziert werden. Der Sensor wird hierbei üblicherweise nicht beschädigt und kann nach der Bestrahlung normal weiter betrieben werden.
Solange die Bestrahlung andauert, ist jedoch keine normale Funktion des Sensors gewährleistet. Dies gilt auch für den Fall, dass die Bestrahlung mit einer Wellenlänge erfolgt, die außerhalb des Spektralbereiches des Sensors liegt. Durch die Bestrahlung erhöht sich die Temperatur der betroffenen Pixel gegenüber den restlichen Pixeln, wodurch ab einem sensorspezifischen Schwellwert die Funktion des Sensors eingeschränkt wird. Dies führt dazu, dass ein erzeugtes Bild mit einem geblendeten Sensor für eine Auswertung nicht nutzbar ist.
Zusätzlich zur Blendung kommt es bei höherer Laserleistung zu einer Schädigung des Sensors. Durch das fokussierte Laserlicht erhöht sich die Temperatur der Pixel des Sensors im Extremfall bis zu deren Zerstörung. Pulslaser wirken in einem derartigen Szenario unterschiedlich, jedoch führt die Bestrahlung mit Pulslasern letztlich zum gleichen Ergebnis, dass ein Teil bzw. der gesamte Sensor zerstört wird.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige wichtige optische Glassorten für RGB-Objektive mit ihrem jeweiligen Transmissionsbereich aufgelistet. Tab.1

Glasart	Transmissionsbereich
Quarzglas	200...3.000 nm
Borosilikatglas	350...2.000 nm
Kronglas (K)	350...2.000 nm
Borosilikat-Kronglas (BK7)[5]	350...2.300 nm
Flintglas (F)	400...2.500 nm
ZERODUR	400...2.700 nm
Schwerflintglas (SF6)[5]	380...2.500 nm
Schwerflintglas (N-SF6 / S-TIH6)[7]	400...2.000 nm

Der obigen Tabelle kann entnommen werden, dass im Wellenlängenbereich von 200 bis 3.000nm parallele, aber auch leicht divergente Strahlung bis auf den Sensor trifft und zwar unabhängig von der spektralen Empfindlichkeit des Sensors. Das heißt, eine RGB-Kamera mit einer Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich von 360 bis 780 nm wird beispielsweise durch einen NIR (near-infrared)-Laser (IR-A ca. 780-1400 nm, IR-B ca. 1400-3000 nm) bei entsprechender Leistung wahrscheinlich beschädigt oder gar zerstört.
Für nicht RGB-Objektive werden z.B. folgende Werkstoffe genutzt: Tab. 2

Silizium 1.200...7.000 nm

Germanium 3.000...12.000 nm
Die Auswirkungen auf derartige Objektive sind analog, wie sie für RGB-Objektive beschrieben wurden.
Laserschutz von optischen Sensoren kann beispielsweise durch Folgendes erzielt werden:

Filter, die außerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Sensors wirken:
- Die oben beschriebenen Zerstörungen der Optiken oder Systeme können verhindert werden, indem Wellenlängenbereiche unterhalb und oberhalb des spektralen Bereiches eines optischen Sensors durch Laser-Sperrfilter gedämpft werden, was jedoch keinen Schutz im Empfindlichkeitsbereich des Sensors bietet. Weiterhin ist die Absorption von Filtern nicht beliebig scharf in der Wellenlänge beschränkt, so dass auch ein Teil der gewünschten Strahlung im Empfindlichkeitsbereich für den Sensor verloren geht.
Filter im spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Sensors:
- Des Weiteren sind Schutzfilter bekannt, die nur schmale Bereiche einer oder mehrerer Laserwellenlängen blockieren. Ein Schutz durch solche Filter ist nur bei im Voraus bekannten Wellenlängen wirksam. Da durch diese Filter der entsprechende Wellenlängenbereich ausgefiltert wird, kann der Sensor Strahlung in diesen Bereich auch nicht mehr oder nur noch schlecht detektieren.
Mechanische Shutter:
- Der Vorteil bei mechanischen Shuttern liegt darin, dass diese im Transmissionsmodus keine oder eine nur geringe Dämpfung aufweisen, im Absorptionsmodus jedoch eine extrem große Dämpfung besitzen. Nachteilig ist, dass die Schaltzeiten für mechanische Shutter im Bereich >10 ms liegen und damit relativ lang sind, wobei der Sensor für die Dauer des Umschaltvorgangs ungeschützt bleibt.
LCD-Shutter:
- LCD-Shutter, die beispielsweise in Schweißer-Schirmen Anwendung finden, haben im Transmissionsmodus eine Dämpfung, die deutlich über 50% liegt. Im Absorptionsmodus liegt die Dämpfung unter einer optischen Dichte (OD) von 4, wobei die optische Dichte ein logarithmisches Maß für die Abschwächung einer Strahlung nach dem Durchqueren eines Mediums ist (OD4 entspricht also einer Abschwächung auf 10^-4 der Ausgangsstrahlung). Die Reaktionszeiten von LCD-Shuttern liegt hierbei bei Schaltzeiten von ca. 1 ms.

Andere Lösungen, die elektrochrome, photochrome oder elektrostatische Elemente verwenden sind deutlich langsamer und haben eine zu geringe Dämpfung. Nichtlineare optische Elemente sind praktisch noch nicht verfügbar.
Dokument US 2002/0071185 A1 zeigt ein dynamisches optisches Filtersystem und -verfahren helle Lichtquellen blockiert, ohne die Sicht auf den Rest der Szene zu beeinträchtigen. Ein Sensor misst die Lichtintensität und -position, so dass ausgewählte Zellen einer Schattierungsmatrix die Sicht der hellen Lichtquelle durch einen Rezeptor unterbrechen können. Ein Strahlteiler kann verwendet werden, so dass der Sensor vom Empfänger entfernt angeordnet sein kann. Die Schattierungsmatrix kann auch durch eine digitale Mikrospiegelvorrichtung ersetzt werden, die selektiv Bilddaten an den Empfänger sendet.
Dokument US 2011/0211077 A1 zeigt ein System zur adaptiven Abbildung einer Szene, das eine digitale Lichtverarbeitungsvorrichtung umfasst, die zum steuerbaren Reflektieren eines Bildes der Szene in mindestens einer ersten Richtung ausgelegt ist, um dadurch ein intensitätsmoduliertes Bild der Szene entlang mindestens ersten Richtung zu reflektieren, einen Bilddetektor zum Erfassen des intensitätsmodulierten Bildes der Szene und zum Erzeugen entsprechender Bilddaten und einen Bilddatenprozessor zum Verarbeiten der Bilddaten zu Steuerdaten und Bereitstellen der Steuerdaten für die digitale Lichtverarbeitungsvorrichtung.
Ein weiteres Problem ist, dass jeder Sensor nur einen begrenzten Dynamikbereich der einfallenden Strahlung gleichzeitig verarbeiten kann. Bei einer starken Strahlungsquelle wie einem Laserstrahl, aber auch bei Beobachtung einer Szene mit der Sonne im Blickfeld kann das dazu führen, dass die Strahlungsquelle im Bild verhindert, dass andere Objekte im Bild beobachtet werden können.
Bekannte Maßnahmen zur Erweiterung des Dynamikbereichs von Sensoren
Globale Dämpfung der Eingangsstrahlung:

Durch einen teildurchlässigen Filter wird die gesamte einfallende Strahlung gedämpft. Zwar kann dann eine starke Strahlungsquelle innerhalb des Dynamikbereichs des Sensors und mit geringer Gefahr für den Sensor beobachtet werden, Nachteil ist aber, dass das Objekt von Interesse aufgrund der starken Dämpfung nicht mehr beobachtet werden kann.

Belichtungsreihen:

Es wird eine Serie von Bildern mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen. Nachteil ist unter anderem, dass bei den längsten Belichtungszeiten die einfallende Strahlungsmenge nicht reduziert wird und damit immer noch das Risiko einer Beschädigung des Sensors besteht.
DMDs:
- Folgende Lösungen, die mit einem Micromirror Device (DMD) realisiert sind, sind bekannt. 2 zeigt ein solches System mit einem DMD (4) in der Zwischenbildebene. Ein Umschalten der Spiegel des DMDs erlauben das Ausblenden der einfallenden Strahlung. Bei dieser Anordnung können Teile des Zwischenbilds gezielt ausgeblendet oder gedämpft werden, was z. B. den möglichen Dynamikbereich des Systems erhöht. Allerdings ergeben sich bei einem derartigen System jedoch Probleme, da die DMDs gegenüber Laserstrahlung ähnlich empfindlich sind wie Sensoren. Die Verwendung von einem DMD in der Zwischenbildebene führt also nicht zu einem wesentlichen Gewinn bezüglich des Schutzes des Gesamtsystems. Somit bietet das System gemäß 2 mit einem DMD nur einen eingeschränkten Laserschutz für den Sensor oder die Optik, da der hohe Verstärkungsfaktor von ca. 10⁶ den DMD schon früher thermisch beschädigt als dies bei einem DMD, der im parallelen Strahlengang platziert ist, der Fall ist. Der Unterschied besteht darin, dass im Fall der Anordnung des DMD in der Zwischenbildebene das fokussierte Laserlicht auf einen Punkt des DMD trifft, wohingegen im Fall der Anordnung des DMD im parallelen oder quasiparallelen Strahlengang, das Laserlicht auf die ganze Öffnung, d.h. auf den gesamten DMD verteilt wird.

3 zeigt eine bekannte Lösung mit einem DMD (4) im quasiparallelen Strahl (1) in einem offenen Zustand, sowie eine bekannte Lösung mit einem DMD (4) im quasiparallelen Strahl (1) in einem geschlossenen Zustand, in dem der Strahl vom Sensor (3) weggelenkt wird. Diese Lösung überwindet das Problem des Schutzes des DMD und des Sensors, jedoch bieten derartige Lösungen mit einem DMD im quasiparallelen Strahl keine Möglichkeit Bildteile selektiv auszublenden.
Aus den vorangegangenen Überlegungen ist zu erkennen, dass bei allen bekannten Sensorschutzmaßnahmen, für den Fall einer unbekannten oder durchstimmbaren Laserwellenlänge, ein wirksamer Laserschutz ohne Nachteile für die Funktion des Sensors nicht erzielt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzusehen, die einen optischen Sensor vor Laserstrahlung schützt, dabei jedoch gleichzeitig einen hohen Transmissionsgrad beim offenen System und schnelle Umschaltzeiten von einem offenen zu einem geschlossenen Zustand des Systems ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Die Vorrichtung zum Schutz eines Sensors vor Laserstrahlung weist hierbei eine erste Shuttervorrichtung auf. Die erste Shuttervorrichtung enthält eine erste digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD = Digital Micromirror Device), wobei die DMD aus einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten, kippbaren Mikrospiegelaktuatoren besteht. Im offenen Zustand wird die einfallende Strahlung durch die Mikrospiegel auf die zweite Shuttervorrichtung gelenkt, während im geschlossenen Zustand die Spiegel so gekippt werden, dass die Ablenkung von der zweiten Shuttervorrichtung weg erfolgt. Die zweite Shuttervorrichtung, die eine zweite digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD) aufweist, wird so angeordnet, dass sie durch die gespiegelte Eingangsstrahlung angestrahlt wird, wobei die zweite Shuttervorrichtung die einfallende Strahlung im offenen Zustand um einen zweiten Winkel ablenkt. Des Weiteren kann alternativ eine erste Fokussiereinheit vorgesehen sein, die konfiguriert ist, die durch die zweite Shuttervorrichtung abgelenkte Laserstrahlung auf einen Detektor zu fokussieren. Die Vorrichtung weist einen weiteren Sensor als Ansteuerungssensor für die Shuttervorrichtungen auf, der konfiguriert ist, auf das System einfallende Strahlung zu detektieren, wobei der Sensor ein Steuersignal an die erste und die zweite Shuttervorrichtung sendet, ansprechend auf ein Detektieren von Laserstrahlung.
Die Verwendung von DMDs erlaubt es, schnelle Shutter aufzubauen mit Reaktionszeiten von ca. 0,2 ms. Bei den DMD handelt es sich um einen Spatial Light Modulator, (SLM dt. Flächenlichtmodulator), welcher aus matrixförmig angeordneten Mikrospiegelaktuatoren, das heißt aus verkippbaren, spiegelnden Flächen mit einer Kantenlänge von etwa 16µm, besteht. Jeder Mikrospiegel lässt sich in seinem Winkel einzeln verstellen und besitzt in der Regel zwei stabile Endzustände, zwischen denen er innerhalb einer Sekunde bis zu 5.000-mal wechseln kann. Die Anzahl der Spiegel entspricht der Auflösung des projizierten Bildes. Seit 2015 sind DMD-Chips mit Auflösungen bis zu 4.096 x 2.160 Pixeln (4K) bei einer Diagonale von 0,7 Zoll erhältlich.
In dem einen stabilen Zustand der Mikrospiegel ist das System auf Transmission geschaltet. Das Licht aus einer zu beobachtenden Szene wird mit geringer Dämpfung und ohne eine Farbverfälschung zum zu schützenden Sensor geleitet. Falls der Ansteuerungssensor Laserstrahlung erkennt, wird innerhalb von ca. 0,2ms von dem einen stabilen Endzustand auf den anderen gewechselt, wodurch der Lichtweg zum Sensor unterbrochen wird. Der Sensor ist mit OD 4,5 geschützt. Nach der Bedrohung durch die Laserstrahlung kann genauso schnell wieder zurückgeschaltet und die Beobachtung der Szene fortgesetzt werden.
Die Verwendung eines Systems aus mehreren DMDs erhöht die Leistungsfähigkeit gegenüber einem einfachen System mit nur einem DMD, so kann z. B. ein höherer Schutz als OD 4,5 realisiert werden. Die DMDs sind hierfür gleichzeitig anzusteuern, um eine Reaktionszeit von 0,2ms weiterhin zu garantieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt aufgrund der Verwendung mehrerer DMDs eine hohe Sperrwirkung größer OD 4,5 vom offenen zum geschlossenen Zustand des Systems. Ferner ergibt sich eine Erweiterung des Dynamikumfanges um OD 4,5 bei der Beobachtung. Außerdem zeigt die vorliegende Erfindung eine hohe Toleranz gegenüber der einfallenden Laserstrahlung, da die erste Leistungsreduktion noch vor der ersten Zwischenbildebene erfolgt.
Vorzugsweise sollte der Sensor zur Ansteuerung der Shuttervorrichtung unabhängig von einem zu schützenden optischen System aufgebaut sein, um eine kurze Reaktionszeit zu gewährleisten. Jedoch sollte sich der Sensor in räumlicher Nähe befinden. Abhängig von der Entfernung des Lasers wird der Strahl aufgefächert, ein typischer Wert für einen Laserpointer in 100m Abstand wäre z. B. ein Strahldurchmesser von 10cm. Hier wäre noch eine Anordnung des Ansteuerungssensors neben dem optischen System möglich. In anderen Fällen kann man vorteilhaft einen Teil des ins optische System einfallenden Lichts über einen teildurchlässigen/teilreflektierenden Spiegel auskoppeln und auf den Ansteuerungssensor lenken. Das Ausmaß der Teildurchlässigkeit ergibt sich aus einem Kompromiss der für die Ansteuerung notwendigen Lichtmenge und der unerwünschten Reduzierung der Lichtmenge im optischen System. Da nur starke Lichtquellen durch den Ansteuerungssensor detektiert werden müssen, ist auch eine Auskopplung von lediglich 1% der einfallenden Strahlung ausreichend.
Die Ansteuerung der Shuttervorrichtung erfolgt vorzugsweise derart, dass bei Erkennen eines steilen Anstieges der Laserleistung alle Shuttervorrichtungen geschlossen werden und erst wenn ein Messwert einer Messung einer Intensität des Lasers einen Schwellwert unterschreitet, welcher ein Erzeugen eines sicheren HDR Bildes gewährleistet, wird dieses aufgebaut. Außerdem wird ein Öffnungswinkel des Sensors vorzugsweise so gewählt, dass dieser deutlich über dem des zusätzlich zu schützenden optischen Systems liegt (abhängig von der Apertur des verwendeten Objektivs etwa das Doppelte), da ansonsten Schäden durch direkte, aber auch durch reflektierte und gestreute Strahlung entstehen können.
Die DMD sind mittels einer geeigneten Beschichtung (z. B. Aluminium, Silber oder Gold) auch in einem Spektralbereich bis 12 µm zu verwenden und finden somit auch für Sensoren aus diesem Spektralbereich Anwendung.
Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung ist die Verwendung der DMDs in Reflexion, weshalb die nachfolgenden optischen Elemente auch bei einer etwaigen Zerstörung der DMD geschützt sind. Hierbei ist darauf zu achten, dass die DMD im Gesamtsystem so angeordnet werden, dass sie als sogenannte Opferelemente schnell auszutauschen sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vielzahl der Mikrospiegelaktoren selektiv angesteuert werden. Hierdurch können vorteilhaft zu untersuchende Bildteile ausgewählt werden oder aber auch zu helle Bildelemente ausgeblendet oder abgedunkelt werden.
Eine derartige Ansteuerung kann vorzugsweise die Vielzahl der Mikrospiegelaktoren jeweils einzeln um einen Winkel verstellen, wobei die Mikrospiegelaktoren den ersten und den zweiten stabilen Endzustand aufweisen. Der erste Endzustand entspricht hierbei einem Transmissionsmodus und der zweite Endzustand einem Absorptionsmodus. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Transmissionsmodus eine Dämpfung von ca. 10% auf und der Absorptionsmodus weist eine optische Dichte von ca. 4,5 auf.
Vorzugsweise wird die erste und die zweite Shuttervorrichtung in einem quasiparallelen Strahl der Laserstrahlung positioniert. Dies ist vorteilhaft indem die einfallende hochenergetische elektromagnetische Strahlung nicht auf wenige Pixel sondern auf die gesamte Fläche der Shuttervorrichtung verteilt wird und somit die Energiedichte unterhalb einer kritischen Schwelle, bei der die Shuttervorrichtung eventuell zerstört werden kann, gehalten wird. In einer derartigen Ausführungsform kann die erste Fokussiereinheit vorzugsweise zwischen der zweiten Shuttervorrichtung und dem Sensor angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform wird die erste Shuttervorrichtung vorzugsweise in einem quasiparallelen Strahl der einfallenden Strahlung positioniert und die zweite Shuttervorrichtung wird vorzugsweise in einer Zwischenbildebene angeordnet, wodurch es möglich ist, Teile des Bildes selektiv auszublenden und damit so zu dimmen, dass der Dynamikbereich des Sensors nicht überschritten wird. Im Fokusbereich am Sensor oder auch in einer Zwischenbildebene wird die Strahlung konzentriert, so dass die Leistungsdichte um den Faktor 10⁶ erhöht wird. Bei Positionierung von optischen Elementen im quasiparallelen Strahl fällt die Verstärkung weg. Durch eine derartige Anordnung kann somit ein High Dynamic Range Image (HDRI, HDR-Bild) also ein Bild mit hohem Dynamikumfang, erstellt werden, das große Helligkeitsunterschiede detailreich wiedergibt. Weiterhin erlaubt ein DMD in der Zwischenbildebene eine weitergehende Analyse des ausgeblendeten Lichts, um beispielsweise eine spektrale oder temporale Struktur des Signals zu bestimmen und damit eine Zielaufklärung oder Zielidentifikation zu erstellen.
Wobei in einer bevorzugten Ausführungsform die erste Fokussiereinheit zwischen der zweiten Shuttervorrichtung und dem Sensor angeordnet ist und wobei eine zweite Fokussiereinheit zwischen der ersten und der zweiten Shuttervorrichtung angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Mikrospiegelvorrichtung der zweiten Shuttervorrichtung durch einen mechanischen Shutter ersetzt werden. Hierdurch kann ein noch höherer Wert für die optische Dichte erreicht werden. Jedoch vergrößert sich bei einer derartigen Anordnung die Reaktionszeit um den Faktor 50 auf bis zu 10 ms im ungünstigsten Fall. Für alle anderen Varianten ohne mechanische Shutter bleibt die Reaktionszeit des Systems unverändert bei ca. 0,2 ms, tatsächlich sogar etwas darunter, da der Abfall der Flanke beim Ausschalten zweier Shutter steiler ist, was wiederum zur Folge hat, dass ein festgelegter sicherer Schwellwert schneller erreicht werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird derart aufgebaut, dass die erste und die zweite Shuttervorrichtung in einem quasiparallelen Strahl der Laserstrahlung positioniert sind, und wobei eine dritte Shuttervorrichtung in einer Zwischenbildebene zwischen der zweiten Shuttervorrichtung und dem Sensor angeordnet ist. Diese spezielle Ausführungsform ist vorteilhaft indem sie eine besonders hohe Schutzwirkung aufgrund der zwei dämpfenden, vorgeschalteten DMDs aufweist und indem sie einen erhöhten Dynamikbereich aufweist. Vorzugsweise kann hierbei die erste Fokussiereinheit zwischen der dritten Shuttervorrichtung und dem Sensor angeordnet sein und eine zweite Fokussiereinheit zwischen der zweiten und der dritten Shuttervorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die erste Shuttervorrichtung als Aperturblende konfiguriert sein. Eine so gestaltete Aperturblende hat den Vorteil, dass die Helligkeit des Bildes gleichmäßig beeinflusst wird, indem die Öffnungsweite (Apertur) des optischen Gerätes begrenzt wird. Ferner kann eine derartige Blende störende Reflexe unterdrücken und beispielsweise als Sonnenblende dienen.
Vorzugsweise werden die Mikrospiegelaktuatoren der DMD mittels Pulsweitenmodulation angesteuert, was eine selektive Dämpfung von hell erleuchteten Bildteilen ermöglicht.
In einer weiteren Ausführung kann die Vorrichtung derart konfiguriert werden, dass Licht von Bildteilen aus einem Strahlengang der Vorrichtung ausgeblendet werden kann, wobei das ausgeblendete Licht einem Spektrometer zugeführt wird. Durch die Pulsweitenmodulation bei der Ansteuerung der Mikrospiegel des DMD kann bei einem Aufbau eines HDR Bildes Licht aus zu hellen Bildteilen aus dem Strahlengang ausgeblendet und dem Spektrometer zugeführt werden. Hierbei kann die Belichtung der Pixel dieses Spektrometers mit einer Ansteuerung der Mikrospiegel des DMD synchronisiert werden. Eine Verwendung eines mehrstrahligen Spektrometers kann hierbei vorteilhaft sein, da hiermit eine spektrale Analyse auf einer Linie anstatt nur auf einem Punkt möglich ist, wodurch die Analyse von Objekten, die eine spektrale Veränderung in einer Fläche zeigen, erleichtert wird. Eine derartige Ausblendung des Lichts führt außerdem zu einem sehr guten Signalrauschverhältnis und hat des Weiteren keinen negativen Einfluss auf die maximale Lichtempfindlichkeit des Gesamtsystems.
Ferner kann ein derart ausgeblendetes Licht aus der Zwischenbildebene verwendet werden, um eine spektrale Analyse von Mündungsfeuer zu ermöglichen oder um generell Leuchteffekte spektral zu analysieren. Außerdem kann eine eventuelle Pulsstruktur, z. B. die Kadenz, mittels einer derartigen Analyse erkannt werden. Zielbeleuchtungslaser zeigen beispielsweise eine Codierung, die anhand obiger Analyse untersucht werden kann. Derartige Anwendungen können außerdem zu einer Freund-Feind Erkennung verwendet werden, die in der militärischen Zielaufklärung von hohem Nutzen ist.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:

1 zeigt einen Strahlengang für ein Kamerasystem ohne Schutz.
2 zeigt eine bekannte Lösung mit einem DMD in einer Zwischenbildebene.
3 zeigt eine bekannte Lösung mit einem DMD im quasiparallelen Strahl in einem offenen Zustand, sowie eine bekannte Lösung mit einem DMD im quasiparallelen Strahl in einem geschlossenen Zustand, in dem der Strahl vom Sensor weggelenkt wird.
4 zeigt eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Lösung mit zwei DMD im quasiparallelen Strahl.
5 zeigt eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Lösung mit zwei DMD, wobei ein DMD im quasiparallelen Strahl und ein zweiter DMD in einer Zwischenbildebene angeordnet ist.
6 zeigt eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Lösung mit drei DMD, wobei zwei DMD im quasiparallelen Strahl und ein weiterer DMD in einer Zwischenbildebene angeordnet ist.

4 zeigt eine erste Variante 1 einer erfindungsgemäßen Lösung mit zwei DMD (40, 41) im quasiparallelen Strahl (10), wobei diese Variante eine hohe Schutzwirkung gegenüber hochenergetischer Strahlung bietet. Hierbei werden zwei DMDs (40, 41) im quasiparallelen Strahl (10) so positioniert, dass keiner der DMDs (40, 41) im Fokusbereich einer Fokussiereinheit (20) liegt. Somit kommt es zu keiner optischen Verstärkung durch die Fokussierung. Im Falle des nachgeordneten (im Sinne der einfallenden Strahlung) DMD (41) kommt es noch zu einer weiteren Abschwächung durch den vorgeschalteten DMD (40), wodurch die Strahlungsintensität um einen Faktor > 10⁴ reduziert wird. Die am Sensor (30) ankommende Strahlung wird durch die beiden DMDs (40, 41) ebenfalls jeweils um einen Faktor > 10⁴ abgeschwächt, was letztlich zu einer Gesamtdämpfung von > 10⁸ führt.
5 zeigt eine zweite Variante 2 einer erfindungsgemäßen Lösung mit zwei DMD (40, 41), wobei ein DMD (40) im quasiparallelen Strahl und ein zweiter DMD (41) in einer Zwischenbildebene angeordnet ist.
In dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung blendet der erste DMD (40) im geschlossenen Zustand einen Großteil der Strahlung für die nachfolgenden Komponenten aus. Der reflektierte Anteil der Strahlung wird über eine erste Fokussiereinheit (20) auf den zweiten DMD (41) fokussiert. Im offenen Zustand wird die Leistung der einfallenden Strahlung ähnlich wie bei 4 bei dem nachfolgenden DMD (41) in der Zwischenbildebene, aufgrund des vorgeschalteten DMD (40), um den Faktor 10⁴ gegenüber einem einfachen System mit nur einem DMD im Fokus reduziert. Allerdings führt die Fokussierung, wie zuvor erwähnt zu einer Erhöhung der Leistungsdichte um den Faktor 10⁶. Anschließend wird die reflektierte Strahlung ausgehend von dem zweiten DMD (41) über eine zweite Fokussiereinheit (21) auf den Sensor (30) fokussiert. Der Abschwächungsfaktor am Sensor (30) beträgt wie in 4 beschrieben ebenfalls > 10⁸.
Wie eingangs erwähnt kann mit dem DMD (41) in der Zwischenbildebene ein HDR-Bild realisiert werden, indem die besonders hell beleuchteten Bildteile durch Variation der Pulsweitenmodulation selektiv gedämpft werden und das ausgeblendete Licht einer weiteren Analyse zur Aufklärung und Identifikation zugeführt werden kann.
6 zeigt eine dritte Variante 3 einer erfindungsgemäßen Lösung mit drei DMD (40, 41, 42), wobei zwei DMD (40, 41) im quasiparallelen Strahl (10) und ein weiterer DMD (42) in einer Zwischenbildebene angeordnet ist.
Ebenso wie für die Variante 2 aus 5 ist es auch hier möglich, ein HDR-Bild zu realisieren, bzw. selektiv Bildteile zu analysieren. Wie in Variante 1 aus 4 sind die Intensitäten für den zweiten DMD (41) im parallelen Strahl um 10⁴ reduziert. Der reflektierte quasiparallele Strahl, ausgehend von dem zweiten DMD (41), wird über eine erste Fokussiereinheit (20) auf den dritten DMD (42) fokussiert. Für den dritten DMD (42) in der Zwischenbildebene erfolgt eine Abschwächung durch beide vorgeschaltete DMDs (40, 41), was zu einer reduzierten Intensität um einen Faktor > 10⁸ führt, also eine Verbesserung um mindestens 10⁴ gegenüber der Variante 2 aus 5. Anschließend wird die reflektierte Strahlung ausgehend von dem zweiten DMD (41) über eine zweite Fokussiereinheit (21) auf den Sensor (30) fokussiert. Die Abschwächung am Sensor (30) übersteigt hierbei sogar den Faktor 10¹². Variante 3 aus 6 vereint somit also die Vorzüge von Variante 1 und 2 um den Preis einer erhöhten Komplexität und einer weiteren, aber geringfügigen Reduktion der Transmission im offenen Zustand.

Die nachfolgende Tabelle 3, zeigt nochmals einen Vergleich von bekannten Systemen, bei denen ein DMD im Fokus und im parallelen Strahl verwendet wird, und den erfindungsgemäßen Systemen aus den 4-6. Tab. 3

	Stand der Technik		Erfindung
	DMD im Fokus	DMD im parallelen Strahl	Variante 1	Variante 2	Variante 3
Schutzwirkung am Sensor:	10⁴	10⁴	10⁸	10⁸	10¹²
Schutzwirkung am zweiten DMD:			10⁴	10^-2	10⁴
Schutzwirkung am dritten DMD:			-	-	10²
Selektives Ausblenden von Bildteilen (HDR, Aufklärung, Identifikation):	ja	nein	nein	ja	ja
Transmission ca. :	90%	90%	80%	80%	70%

Für alle erfindungsgemäßen Varianten der 4-6 gilt hierbei:

• Die Reaktionszeit des Systems bleibt unverändert bei ca. 0,2ms (tatsächlich sogar etwas verkürzt, weil der Abfall der Flanke beim Ausschalten von zwei Shuttern steiler wird, d. h. ein festgelegter Schwellwert zum Schutz des Systems wird etwas schneller erreicht).
• Wenn vor dem DMD in der Zwischenbildebene statt des DMDs ein mechanischer Shutter anordnet wird, kann ein hoher OD Wert erreicht werden, jedoch führt eine derartige Variante zu einer mindestens 50fach schlechteren Reaktionszeit, d.h. zu Reaktionszeiten > 10ms.

Des Weiteren bieten die Varianten 2 und 3 aus den 5 und 6 die Möglichkeit den Dynamikbereich innerhalb des Bildes zu variieren und dem des Sensors anzupassen. Hierzu kann der DMD im Zwischenfokus so angesteuert werden, dass für die hellen Teile des Zwischenbilds durch den DMD das auftreffende Licht ganz oder teilweise (für einen zeitlichen Bruchteil der Belichtungszeit) aus dem Strahlengang wegreflektiert wird. Eine Übersteuerung des Sensors durch helle Bildteile wird dadurch verhindert. Im Zusammenspiel mit dem ersten DMD (40), der global die Menge der einfallenden Strahlung variiert, kann so der Dynamikumfang nochmals erweitert wird. Mit einem derartigen Aufbau ist es möglich eine exakte Vermessung oder eine Zielerfassung, im Falle einer Verwendung im Bereich der Aufklärung von Zielen, zu erreichen. So kann beispielsweise eine Position des Lasers im Bild durchgeführt werden, da eine Blendung, die eine pixelgenaue Bestimmung verhindert, vermieden wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise im Bereich der Identifikation von Zielobjekten eingesetzt werden. Mittels Pulsweitenmodulation bei der Ansteuerung der Mikrospiegel des DMD kann während des Erstellens des HDR-Bildes Licht aus zu hellen Bildteilen aus dem Strahlengang ausgeblendet und einem schnellen Spektrometer zugeführt werden. Die Belichtung der Pixel dieses Spektrometers sollte mit der Ansteuerung der Mikrospiegel des DMD synchronisiert werden. Die Verwendung eines mehrstrahligen Spektrometers ist von Vorteil, weil dadurch die spektrale Analyse auf einer Linie statt nur auf einem Punkt möglich ist. Dadurch wird die Analyse von Objekten erleichtert, die spektrale Veränderungen in der Fläche haben. Ferner sollte der Öffnungswinkel des Sensors deutlich über dem des zu schützenden optischen Systems liegen, da Schäden durch direkte, aber auch durch reflektierende und gestreute Strahlung entstehen können.

Claims

Vorrichtung zum Schutz eines Sensors vor Laserstrahlung, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: eine erste Shuttervorrichtung, die konfiguriert ist eine auf die erste Shuttervorrichtung treffende Laserstrahlung, um einen ersten Winkel abzulenken, wobei die erste Shuttervorrichtung eine erste digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD = Digital Micromirror Device) aufweist, wobei die DMD eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten, kippbaren Mikrospiegelaktoren aufweist; eine zweite Shuttervorrichtung, die so angeordnet ist, dass sie durch die abgelenkte Laserstrahlung angestrahlt wird, wobei die zweite Shuttervorrichtung die Laserstrahlung um einen zweiten Winkel ablenkt, und wobei die zweite Shuttervorrichtung eine zweite digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD) aufweist, wobei die erste Shuttervorrichtung in einem quasiparallelen Strahl der Laserstrahlung positioniert ist und wobei die zweite Shuttervorrichtung in einer Zwischenbildebene angeordnet ist; und einen weiteren Sensor, der konfiguriert ist, auf die Vorrichtung auftreffende Laserstrahlung zu detektieren, wobei der weitere Sensor ein Steuersignal an die erste und die zweite Shuttervorrichtung sendet, ansprechend auf ein Detektieren der Laserstrahlung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Fokussiereinheit aufweist, die konfiguriert ist, die durch die erste Shuttervorrichtung abgelenkte Laserstrahlung zu fokussieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Mikrospiegelaktoren selektiv angesteuert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl der Mikrospiegelaktoren jeweils einzeln um einen Winkel verstellt werden können und wobei die Mikrospiegelaktoren einen ersten und einen zweiten stabilen Endzustand aufweisen, wobei der eine Endzustand einem Transmissionsmodus entspricht und der zweite Endzustand einem Absorptionsmodus entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Transmissionsmodus eine Dämpfung von 10% aufweist und der Absorptionsmodus eine optische Dichte von 4,5 jeweils für die erste und die zweite Mikrospiegelvorrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Shuttervorrichtung in einem quasiparallelen Strahl der Laserstrahlung positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Fokussiereinheit zwischen der zweiten Shuttervorrichtung und dem Sensor angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fokussiereinheit zwischen der zweiten Shuttervorrichtung und dem Sensor angeordnet ist und wobei eine zweite Fokussiereinheit zwischen der ersten und der zweiten Shuttervorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Mikrospiegelvorrichtung der ersten Shuttervorrichtung durch einen mechanischen Shutter ersetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Shuttervorrichtung in einem quasiparallelen Strahl der Laserstrahlung positioniert sind, und eine dritte Shuttervorrichtung in einer Zwischenbildebene zwischen der zweiten Shuttervorrichtung und dem Sensor angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Fokussiereinheit zwischen der dritten Shuttervorrichtung und dem Sensor angeordnet ist und wobei eine zweite Fokussiereinheit zwischen der zweiten und der dritten Shuttervorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Shuttervorrichtung als Aperturblende konfiguriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrospiegelaktoren der DMD mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die konfiguriert ist Licht von Bildteilen aus einem Strahlengang der Vorrichtung auszublenden, wobei das ausgeblendete Licht spektral und zeitlich analysiert wird.