DE102020131970A1

DE102020131970A1 - Beleuchtung mit einer Vorrichtung zur Strahlaufweitung

Info

Publication number: DE102020131970A1
Application number: DE102020131970.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dietz
Original assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Current assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Beleuchtung mit einer Lichtquelle und einem optischen Element zur Strahlaufweitung eines von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichts,wobei das optische Element auf einer Unter- und Oberseite eine reflektierende Beschichtung aufweist,wobei die Beschichtung auf der Unterseite eine konstant hohe Reflektivität und die Beschichtung auf der Oberseite eine radial vom Zentrum in Richtung der Ränder abnehmende Reflektivität und zunehmende Transmission aufweist,wobei die Lichtquelle unterhalb der Unterseite des optischen Elements angeordnet ist und im Bereich der Lichtquelle die Unterseite keine reflektierende Beschichtung aufweist.

Description

Typischerweise werden VCSEL nur mit dem durch das Bauelement vorgegebenen Öffnungswinkel betrieben. Dies führt bei einer vorgenommenen Vergrößerung der Abstrahlfläche zu signifikant erhöhtem Bauraumbedarf und gefalteten Optiken mit komplizierten Spiegelarrays.
Kerngedanke der Erfindung ist es eine Möglichkeit zur optischen Quellenvergrößerung zu schaffen, die im Rahmen des augensicheren Betriebs von Laserprodukten gemäß des internationalen Standards IEC 60825-1 bleibt.
Um die Augensicherheit zu gewährleisten, darf die optische Quellengröße, definiert als der Winkel, der vom Betrachtungspunkt aus vom strahlenden Objekt überstrichen wird, einen bestimmten Grenzwert nicht unterschreiten. Dieser Grenzwert hängt von der Beleuchtungsdauer sowie der emittierten optischen Leistung ab. Dabei besteht die Abhängigkeit, dass je größer die Quellengröße ist, desto größer auch optische Leistung und / oder die Beleuchtungsdauer sein darf. Eine größere optische Leistung kann von Interesse sein, um ein besseres Signal- zu Rauschverhältnis zu erhalten. Folglich ist es von Interesse die optische Quelle zu vergrößern. Die Beleuchtungseinheit besteht aus einer Laserdiode und optischen Element zur Strahlerweiterung. Als Referenzpunkt zur Bestimmung der Quellengröße darf die Oberfläche des optischen Elements herangezogen werden, sodass die Quellengröße durch die beleuchtete Fläche des optischen Elements bestimmt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht aus einem optischen Element, welches zwischen Laserdiode (VCSEL) und Diffusor eingebracht wird, um die beleuchtete Fläche des Diffusors zu vergrößern. Dazu wird, wie in 1 gezeigt, ein transparentes Prisma auf beiden Grundflächen mit einer spiegelnden Beschichtung versehen. Die eine Schicht ist hochreflektiv für die Laserwellenlänge und hat in der Mitte eine Aussparung für die Laserdiode.
Die zweite Schicht weist in radialer Richtung einen negativen Reflexionsgradienten auf: in der Mitte (direkt über der Laserdiode) ist der Reflexionsgrad hoch und zu den Rändern nimmt er ab. Resultierend wird die divergente Laserstrahlung mehrfach innerhalb des Mediums zwischen den beiden Grundflächen hin und her reflektiert. Bei jedem Übergang über die teilreflektive Fläche wird ein Teil transmittiert und ein Teil reflektiert. Der Reflektivitätsgradient ist dabei so zu wählen, dass die transmittierte Leistung idealerweise bei jedem Übergang konstant ist. Schließlich resultiert eine homogene Intensitätsverteilung über eine vergrößerte Fläche. Eine größere beleuchtete Diffusorfläche und daraus folgend eine größere optische Quellengröße.
Laserstrahlung, welche zurück in die Laserdiode reflektiert wird, kann zum einen den Betrieb der Laserdiode stören und steht außerdem nicht mehr der Beleuchtung zur Verfügung. Effektiv wird daher die Effizienz der Strahlquelle gemindert. Daher können kegelförmige Aussparungen durch Brechung und / oder Änderung des Reflexionswinkels dafür sorgen, dass keine Laserstrahlung in die Strahlquelle zurückpropagiert.
Als Variation, um das Problem zurückpropagierender Strahlung zu umgehen, könnte die Laserdiode beispielsweise nicht mittig unter der Optik platziert werden, sondern am Rand, von wo aus sie schräg in die Optik hineinleuchtet oder die Optik angeschrägt oder unter einem Winkel verbaut werden. Der Reflexionsgradient auf der Oberseite müsste entsprechend angepasst werden.
Weiterhin könnte in einer einfachen Ausgestaltung eine homogen teilreflektive Beschichtung anstelle des Reflexionsgradienten vorgesehen sein. Das emittierte Strahlprofil wäre in diesem Falle nicht homogen, jedoch würde sich die beleuchtete Diffusorfläche und damit die optische Quelle dennoch vergrößern.
Ferner kann oberhalb des optischen Elements ein Diffusor zu weiteren Homogenisierung und/oder Strahlaufweitung des emittierten Lichts angeordnet sein.

Claims

Beleuchtung mit einer Lichtquelle und einem optischen Element zur Strahlaufweitung eines von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichts, wobei das optische Element auf einer Unter- und Oberseite eine reflektierende Beschichtung aufweist, wobei die Beschichtung auf der Unterseite eine konstant hohe Reflektivität und die Beschichtung auf der Oberseite eine radial vom Zentrum in Richtung der Ränder abnehmende Reflektivität und zunehmende Transmission aufweist, wobei die Lichtquelle unterhalb der Unterseite des optischen Elements angeordnet ist und im Bereich der Lichtquelle die Unterseite keine reflektierende Beschichtung aufweist.
Beleuchtung nach Anspruch 1, bei der das optische Element an der Unterseite im Bereich der Lichtquelle eine Ausnehmung aufweist.
Beleuchtung nach Anspruch 2, bei der die Ausnehmung kegelförmig ausgebildet ist.
Beleuchtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Lichtquelle außerhalb des Zentrums der Ausnehmung angeordnet ist.
Beleuchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Reflektionsgradient bzw. die Transmission der Beschichtung an der Oberseite des optischen Elements derart angepasst ist, das beim Betrieb der Lichtquelle das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht an der Oberseite des optischen Elements in der Intensität homogen verteilt austritt.
Beleuchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der oberhalb der Oberseite des optischen Elements ein Diffusor zur weiteren Homogenisierung und/oder Strahlaufweitung des an der Oberseite des optischen Elements emittierten Licht angeordnet ist.