DE19544770A1 - Augenschutzsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Lasersysteme und im besonderen ein Verfahren, das einen augensicheren Einsatz eines Lasersystems möglich macht, welches ansonsten nicht augensicher ist. Dies wird mittels einer Hilfsvorrichtung oder durch Modifikation der vorhandenen Laserausrüstung erreicht.

Laser und auf Lasern basierende Systeme werden häufig in zahlreichen Anwendungsbereichen einschließlich Entfernungsmessung, Fernzündung und anderen eingesetzt. Jedes dieser Systeme weist eine Laserquelle auf, die einen Lichtstrahl mit relativ hoher Intensität emittiert, der im allgemeinen eine potentielle Gefahr für das menschliche Auge bildet. Der Augensicherheitsaspekt bei dem Betrieb von Lasern und von auf Lasern basierenden Systemen bildet eine Einschränkung in der Anwendung solcher Systeme.

Es besteht eine wachsende Nachfrage nach augensicheren Lasern, und es ist erwiesenermaßen schwierig, diese für die Industrie und für militärische Zwecke zu erfüllen. Trotz der Tatsache, daß das Militär eine Vielzahl unsicherer Ausstattung auf dem Schlachtfeld einsetzt, ist der Sicherheitsaspekt beim Training am kritischsten, und es besteht ein Bedarf an Geräten, die sowohl im Kriegsfall als auch im Training einsetzbar sind. Als weiteres Beispiel wird die Entfernungsmessung in der zivilen Ingenieurkunde aus Augensicherheitsgründen bei einem geringen Energieniveau durchgeführt, wobei am Zielort ein Retroreflektor eingesetzt wird. Die Möglichkeit, das Energieniveau der Laserquelle ohne Beeinträchtigung der Augensicherheit zu steigern, würde die Leistung der Ausrüstung und ihre Einsatzfähigkeit deutlich steigern.

Es existieren zur Zeit drei Methoden, um die Aufgabe zu lösen, Laser hoher Energieleistung ohne Gefährdung des Auges einzusetzen:
Die Verwendung einer Emissionswellenlänge, die eine relativ hohe Strahlungsintensität hat, ohne dabei eine permanente Gefahr für die Netzhaut zu bilden. Geeignete Wellenlängen sind 1,54 µm und 10,6 µm. Diese Lösung ist nicht immer optimal, da damit die Leistung des Systems reduziert und die Kosten gesteigert werden, und in einigen Anwendungsfällen ist diese Lösung unbrauchbar, da eine gegenseitige Abhängigkeit mit externen Systemen besteht, die nicht mit den Wellenlängen zusammenpassen. Ein Beispiel für solche Systeme ist der Laserzielbeleuchter. Außerdem kann bei diesen Wellenlängen eine vorübergehende Beschädigung der Cornea oder der Glaskörperflüssigkeit auftreten.

Die Verwendung von vorübergehender Dämpfung des Laserstrahls auf ein sicheres Strahlungsniveau in potentiell gefährlichen Situationen.

Diese Methode ist bei militärischen Trainingssituationen weitverbreitet und wird von einer Verstärkung des Reflektionsvermögens des Trainingszieles begleitet, um die Verlustenergie bei der Übertragung zu kompensieren. Die Dämpfung des Laserstrahles während des Training ist keine genaue Wiedergabe der Kampfbedingung, da keine Möglichkeit besteht, auf willkürliche Ziele erfolgreich zu zielen. Sie leidet auch unter der logistischen Erschwernis, an jedem potentiellen Zielobjekt spezielle Retroreflektoren befestigen zu müssen.

Deutlich sichtbares Markieren der potentiell gefährlichen Ausrüstung, um den Anwender zu veranlassen, externe Sicherheitsmaßnahmen vorzunehmen oder dem Laserstrahl auszuweichen. Dieses obligatorische Minimalerfordernis ist eine kostenniedrige Lösung des Sicherheitsaspektes, aber es ist benutzerabhängig und anfällig für Unfälle.

Die zur Zeit verfügbaren Lösungen zum Lösen des Augensicherheitsaspektes sind somit in vielen Fällen nur Teillösungen für den Augensicherheitsaspekt, sie sind teuer, ungeeignet oder reduzieren deutlich die Systemleistung.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine bei vorhandenen Lasersystemen und bei auf Lasern basierenden Ausrüstungen einsetzbare Meßeinrichtung und Steuerlogik zu schaffen, die den Lasereinsatz für das menschliche Auge sicher macht.

Die Erfindung betrifft ein augensicheres Lasersystem, das Meßmittel zum Feststellen, ob ein Mensch bis zu der Distanz anwesend ist, bis zu der der Laserstrahl eine Schädigung des Auges bewirken würde, und Mittel aufweist, die den leistungsstarken Laser nur dann einschalten, wenn sich kein Mensch innerhalb dieser Distanz befindet. Bevorzugt weist es Mittel zum Betreiben des Lasers mit einer reduzierten Ausgangsleistung und Abtastmittel auf, mit welchen die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Menschen mittels dieses Strahles innerhalb des Bereichs feststellbar ist, in dem die volle Laserleistung eine Schädigung des Auges bewirken würde, und es weist Mittel auf, die abhängig von dem Ergebnis dieses Tests die volle Laserleistung nur dann einschalten, wenn sich kein Mensch innerhalb des gefährlichen Bereichs befindet. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das System ein Untersystem mit einem Laser geringer Ausgangsleistung, Mittel zum Verwenden eines Strahls geringer Leistung zum Ermitteln der Anwesen- oder Abwesenheit eines Menschen in dem Bereich, in dem eine Schädigung des Auges durch den Hochleistungslaser verursacht werden würde, und Mittel zum Lenken des Strahls geringer Leistung in die Richtung des Zielobjekts durch das optische System des Hauptlasers oder durch ein separates optisches System auf. Die Laserstrahlquelle geringer Leistung kann eine Laserdiode sein und der Hilfslaser kann im Pulsmodus oder im Dauermodus betrieben werden.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz der Augen eines Menschen an einem bestimmten Ort gegen Schädigung durch Laserstrahlung, welches das Durchführen einer Abtastung bis zu einem Bereich, innerhalb dessen ein Hochleistungslaser eine Augenschädigung der Augen des Menschen bewirken würde, wobei diese Abtastung mittels Nahfeldabtastmitteln umgesetzt wird, die aus einem Laserstrahl mit geringer Leistung, Mikrowellen, Millimeterwellen oder akustischen Wellen ausgewählt sind, und entsprechend der Feststellung, daß sich kein Mensch innerhalb dieses Bereiches befindet, das Einschalten eines Lasers hoher Leistung aufweist. Bevorzugt wird ein Laser hoher Leistung bei einer derart reduzierten Leistung betrieben, mit der keine Augenschädigung bei einem Menschen innerhalb eines bestimmten Bereiches verursacht werden kann, und nach dem Feststellen, daß sich kein Mensch innerhalb dieses Bereiches ist, wird die volle Leistung dieses Hochleistungs-Lasers eingeschaltet. Es kann auch ein Untersystem mit einem Laser geringer Leistung eingesetzt werden, welcher durch das optische System des Lasers hoher Leistung oder durch ein separates optisches System in Richtung auf ein Zielobjekt gelenkt wird. Die Energiequelle mit geringer Leistung kann eine Laserdiode sein. Der Laser geringer Leistung kann im Pulsmodus oder Dauermodus oder in einer Betriebsart betrieben werden, die sich von der Betriebsart des Lasers hoher Leistung unterscheidet.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Laser- Entfernungsmessung, bei welchem ein Abtasten mittels eines Lasers geringer Leistung bewirkt wird und bei welchem der Laser hoher Leistung und die Abtastmittel in den Laserentfernungsmesser integriert sind.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Meßeinrichtung und eine Steuerlogik für neuartige Hochleistungslaser und für auf Lasern basierende Ausrüstungen zu schaffen, welche diese für das menschliche Auge sicher macht.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Ersatz für vorhandene Laserquellen für Entfernungsmessungsanwendungen bei kurzen Entfernungen zu schaffen.

Die Meßeinrichtung weist eine Lichtimpulsquelle geringer Intensität auf, beispielsweise eine Laserdiode, deren Strahl optisch mit dem Laserstrahl einer vorhandenen Vorrichtung kombiniert oder optisch auf diesen ausgerichtet wird, oder in einem andersartigen Betriebsmodus als der des vorhandenen Lasers betrieben wird. Die Einrichtung weist weiter einen optischen Empfänger und Weiterverarbeitungsmittel auf, die eine Modifizierung des vorhandenen Empfängers oder ein Zusatz zu solchen Geräten sein können.

Die neuartige Betriebsart weist Initiieren eines Lichtimpulses geringer Leistung, welcher der Freigabe des vorhandenen Hochleistungslaserstrahls vorausgeht, und Feststellen der Entfernung einer Person in seinem Strahlweg durch Berechnen der Zeitverzögerung des Rückechos von dieser Person auf. Eine derartige Betriebsart verhindert das Einschalten des Hochleistungslaserstrahls, wenn die gemessene Entfernung geringer ist als der augensichere Abstand für einen derartigen Laserstrahl. Ein solcher Betrieb stellt durch Verwenden eines augensicheren Laserstrahls sicher, daß sich keine Objekte, insbesondere kein menschliches Auge, entlang des voraussichtlichen Strahlengangs des Laserstrahls hoher augenschädigender Intensität befindet.

Ein erfindungsgemäßes System weist zusätzlich zu dem vorhandenen Laser eine Lichtimpulsquelle mit vergleichsweise geringer Energie auf, deren Strahl durch einen der vorhandenen optischen Kanäle emittiert wird - die Sendeoptik der vorhandenen Vorrichtung, die durch ihre eigene Optik auf das Zielobjekt justiert ist. Die Erfindung sieht auch eine Energieversorgung zum Antrieb der Lichtimpulsquelle geringer Leistung vor.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert, die einen herkömmlichen Laser kombiniert mit einem erfindungsgemäßen Hilfssystem darstellt.

Wie in dieser Figur gezeigt ist, weist das gesamte System eine herkömmliche Laserquelle 11, die mit Energie von einer Energieversorgung 12 versorgt und mittels einer Steuerlogik und eines Mikroprozessors 13 gesteuert wird, wobei der Laser einen Lichtstrahl 14 über einen Strahlenteiler 15 und über eine Sendeoptik 16 als Strahl 17 auf das Objekt (Person) emittiert.

Weiter ist eine Lichtimpulsenergieversorgung 18 vorhanden, die mit der Steuerlogik und dem Prozessor 13 verbunden ist und die Lichtimpulsquelle 19 mit Energie versorgt, welche einen Lichtimpuls 20 über den Strahlenteiler 15 und die gleiche Sendeoptik 16 zu dem Objekt emittiert. Von dem Objekt (Person) reflektiertes Licht tritt durch die Optik 21 zu dem Empfänger 22 durch, der mit der Steuerlogik und dem Prozessor 13 verbunden ist. Der von der Quelle 19 abgestrahlte, von dem Objekt (Person) zurückgesandte und von dem Empfänger 22 empfangene Abtastlichtimpuls wird von der Steuerlogik und dem Prozessor 13 ausgewertet, wobei diese Auswertung die Grundlage für die Entscheidung bildet, ob die Laserquelle 11 eingeschaltet wird.

Vor der Initiierung der vorhandenen Laserquelle 11 durch die Steuerlogik 13 initiiert diese Steuerlogik 13 ein Triggersignal 24 zu der Lichtimpulsenergieversorgung 18, welche die Lichtimpulsquelle 19 antreibt, einen kurzen Lichtimpuls 20 auszusenden. Dieser Strahl wird mittels des optischen Kombinierers 15 durch die Sendeoptik 16 der Hauptquelle 11 hindurchgeschickt und erreicht das gleiche Objekt, das mit dem Lasersystem angepeilt war. Jegliche Objekte, insbesondere eine Person, die sich innerhalb des Wegs befindet, würden ein Lichtecho 23 zurücksenden, das nach Durchtreten der Empfangsoptik 21 von dem Empfänger 22 abgetastet wird. Für einige Anwendungen wird der Empfänger 22 derart modifiziert, daß er in kurzen Bereichen bis hinunter zum Nullbereich wirkt. Der Empfänger 22 sendet ein Signal zu der Steuerlogik 13, welche die Zeitverzögerung zwischen der Ankunft des Echos und der Initiierung des Lichtimpulses verwendet, um die Entfernung festzustellen. Die Einheit 13 vergleicht die Entfernung des Objektes, wie sie aus der Zeitverzögerung hergeleitet wurde, mit der aufgrund des Standards erforderlichen Augensicherheitsentfernung und würde den Auslöser veranlassen, die Laserquelle 11 zu betätigen, wenn die Entfernung der Person größer als die augensichere Entfernung für den Hauptlaser ist.

In einigen Anwendungsfällen kann die Verwendung des oben beschriebenen Algorithmus fehlerhaft sein, da die Energie, die zum Abtasten und Messen der Entfernung zu Objekten in der minimalen augensicheren Entfernung für das vorhandene Gerät erforderlich ist, den Einsatz einer Lichtimpulsquelle 19 erfordert, welche selbst beim Nullabstand von der Sendeoptik 16 nicht augensicher ist.

Für solche Systeme kann der Algorithmus erweitert werden, so daß Lichtimpulse von der Quelle ausgesandt und in einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Schritten weiterverarbeitet werden. Jeder Schritt soll gleich dem oben beschriebenen Algorithmus sein, aber die Intensität des Lichtimpulses wird mit jedem Impuls progressiv gesteigert. Der erste Impuls würde absolut augensicher bis zu einem Nullabstand herunter sein. Wenn das Ergebnis des ersten Impulses zeigt, daß keine Person in dem Strahlengang bis zu einer Entfernung L1 vorhanden ist, wird danach ein stärkerer zweiter Impuls ausgesandt, um sicherzustellen, daß keine Person bis zu einer Entfernung von L2 vorhanden ist,

wobei L1 < L2 ist.

Der zweite Impuls kann eine höhere Leistung haben, als das Erfordernis für die Augensicherheit nur bis L1 zuließ. Dies kann eine Anzahl von Malen mit einer anwachsenden Leistung von Impuls zu Impuls wiederholt werden, bis vollständig augensichere Bedingungen festgestellt sind.

Beispielsweise ermöglicht das Verwenden einer 10 bis 20 W gepulsten Laserdiode als Lichtimpulsquelle 19, Objekte bis zu 100 Metern abzutasten, wobei diese Laserdiode im Nullabstand augensicher ist und die Sicherheit von gepulsten 1,06 µm Laserquellen mit ungefähr 10 mJ pro Puls verwirklicht. Solche 10 mJ Quellen sind augensicher über 100 Meter hinaus und können für Entfernungsmesser bis 10 km maximaler Reichweite benutzt werden.

Claims (15)

1. Augensicheres Lasersystem, das Meßmittel zum Feststellen, ob eine Person bis zu der Entfernung anwesend ist, bis zu der ein Hochleistungslaserstrahl eine Augenschädigung verursachen würde, und Mittel zum Einschalten des Hochleistungslaserstrahls nur dann, wenn keine Person bis zu solch einer Entfernung anwesend ist, aufweist.

2. System nach Anspruch 1, welches Mittel zum Betreiben des Lasers mit reduzierter Ausgangsleistung zum Feststellen der Anwesen- bzw. Abwesenheit einer Person innerhalb des Bereiches, in welchem die volle Laserleistung eine Augenschädigung verursachen würde, und Mittel zum Einschalten der vollen Laserleistung abhängig vom Ergebnis dieses Tests nur dann, wenn sich keine Person innerhalb des gefährlichen Bereiches befindet, aufweist.

3. System nach Anspruch 1, das ein Untersystem mit einem Laser geringer Ausgangsleistung, Mittel zum Verwenden von dessen Strahl geringer Leistung zum Feststellen der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Person in dem Bereich, in welchem eine Augenschädigung durch den Laser hoher Leistung verursacht werden würde, und Mittel zum Lenken des Strahls geringer Leistung in die Richtung des Zielobjekts durch das optische System des Hauptlasers oder durch ein separates optisches System aufweist.

4. System nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Laserstrahlquelle geringer Leistung eine Laserdiode ist.

5. System nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, wobei der Hilfslaser ein im Pulsmodus oder im Dauermodus betätigter Laser ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, wobei eine Hilfslaserstrahlquelle geringer Leistung mit einem vorhandenen Lasersystem hoher Leistung gekoppelt ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das einen Hilfslaser geringer Leistung und Mittel zu dessen Betreiben in einem Betriebsarten-Modus aufweist, der sich von dem des Lasers hoher Leistung unterscheidet.

8. System nach Anspruch 1, das Mittel zum Entfernungsmessen aufweist, das Mikrowellen, Millimeterwellen, akustische Wellen oder andere nah-abtastende Mittel verwendet.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das in einen Entfernungsmesser oder in ein Zielobjektsichtgerät eingebaut ist.

10. Verfahren zum Augenschutz gegen Schädigung durch Laserstrahlung hoher Leistung, welches das Bewirken einer Abtastung des Bereiches, innerhalb dessen der Laser hoher Leistung wahrscheinlich eine Augenschädigung der Augen einer innerhalb dieses Bereiches befindlichen Person verursachen würde, wobei diese Abtastung mittels Nahfeldabtastmitteln bewirkt wird, die aus einem Laserstrahl mit geringer Leistung, einer Mikrowelle, einer Millimeterwelle oder einer akustischen Welle ausgewählt sind, und entsprechend der Feststellung, daß sich keine Person innerhalb dieses Bereiches befindet, das Einschalten des Lasers hoher Leistung aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Laser hoher Leisung mit einer derart reduzierten Leistung eingeschaltet wird, daß keine Augenschädigung einer Person innerhalb eines gewissen Bereiches auftreten kann, und nach Feststellen, daß keine Person sich innerhalb dieses Bereiches befindet, der Hochleistungslaser mit seiner vollen Leistung eingeschaltet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, welches den Einsatz eines Untersystems mit einem Laser geringer Leistung aufweist, der durch das optische System des Hochleistungslasers oder durch ein separates optisches System in Richtung zu einem Zielobjekt abgelenkt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Energiequelle geringer Leistung eine Laserdiode ist.

14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Betreiben des Lasers geringer Leistung in einem Pulsmodus oder in einem Dauermodus oder in einem Betriebsartenmodus erfolgt, der sich von dem Betriebsartenmodus des Hochleistungslasers unterscheidet.

15. Verfahren zur Laserentfernungsmessung, wobei eine Abtastung gemäß Anspruch 10 bewirkt wird, wobei der Hochleistungslaser und die Meßmittel in einen Laserentfernungsmesser integriert sind.