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Die Erfindung bezieht sich auf und
eine Anordnung zur Ausbildung eines mittels eines Lasers, insbesondere
einer Pulslaserdiode erzeugten Bestrahlungsfeldes bestimmt für eine Lichtlaufzeitmessung.
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Aus dem Stand der Technik sind Lichtlaufzeitmessanordnungen
bekannt, die eine Anordnung zur Erzeugung eines Laserstrahls sowie
einen Sensor zum Empfang des Laserstrahls umfassen. Bei der Lichtlaufzeitmessung über einen
großen
Erfassungswinkel wird die Abstrahlcharakteristik eines Lasers wie
Hochleistungshalbleiterlasers ausgenutzt. Die Abstrahlcharakteristik
ist im Wesentlichen kegelförmig
und hat einen Öffnungswinkel
von ca. ± 6° in einer
Richtung und von ca. ± l8° in eine
dazu vertikale Richtung. Aufgrund der hohen Emissionsleistung des Lasers
kann dieser Bereich ohne weitere Optik als Erfassungsbereich für die Lichtlaufzeitmessung
ausgenutzt werden. In einem zu messenden Abstand ist ein Reflektor
in einer Größe von beispielsweise
10 cm × 20
cm angeordnet, der Licht eines geringen Raumwinkelbereiches auf
einen Sensor reflektiert.
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Dabei konnte festgestellt werden,
dass bei Verkippung des Sensors unerwartet hohe Abweichungen des
Messwertes auftreten, welche auf eine emissionsrichtungsabhängige Pulszeitform
des Sendelasers zurückgeführt werden
konnten. Mit anderen Worten ist die Pulszeitform der Laserstrahlung
winkelabhängig.
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Pulslaserdioden haben eine streifenförmige Emissionsfläche. Senkrecht
zu dieser Emissionslinie entsteht durch Beugung eine breite Abstrahlkeule
mit einem Halbwertswinkel von ca. 35°. Längs der Linie zeigt sich eine
schmale Abstrahlkeule mit ca. 12° Halbwertswinkel.
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Die Stromzuführung erfolgt über Bondpads die
längs der
Emsissionslinie angebracht sind. Für kurze Pulszeiten (< 20ns) zeigt sich,
dass Emissionszonen nahe der Bondpads andere Pulsformen und damit
Anstiegszeiten und Intensitäten
aufweisen als weiter entfernte Zonen. Die nicht oder nur gering
gebeugte Strahlung senkrecht zur Emissionsfläche der Pulslaserdiode (12° Halbwertswinkel)
führt die
genannten Änderungen
der Pulsformen bzw. Anstiegszeiten direkt ins Fernfeld über.
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Das Messergebnis der Laufzeitmessung
ist jedoch abhängig
von den Anstiegszeiten des Empfängersignals
und damit auch selbstverständlich
von der Pulsform des Senders. Die genannten Eigenschaften der Puslaserdiode
führen
zu Messfehlern im Bereich von einigen Dezimetern.
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Ein weiterer Nachteil ist die aufgrund
der notwendigen Laserschutzklasse begrenzte Laserleistung sowie
eine räumlich
inhomogene Energieverteilung.
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Davon ausgehend liegt der vorliegenden
Erfindung das Problem zu Grunde, eine Anordnung der eingangs genannten
Art dahingehend weiterzubilden. dass einerseits die Messgenauigkeit
und andererseits die Sicherheit der Laseranordnung verbessert wird.
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Das Problem wird bei einer Anordnung
der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass
zwischen dem Laser und dem Reflektor ein gerichtete Strahlung des Lasers
aufhebendes Element aus matt durchscheinendem Material angeordnet
ist, wobei die gerichtete Strahlung vorzugsweise zumindest im Winkelbereich
in etwa α ≤ ± 6° in Emissionsebene
des Lasers aufgehoben wird. Das entsprechende als Matt- oder Streuscheibe
zu bezeichnende Element übt
die Funktion eines Sekundärstrahlers
aus, wodurch die ursprünglichen
ortsabhängigen
Eigenschaften des Lasers, insbesondere der Pulsarlaserdiode aufgehoben
werden. Die Matt- oder Streuscheibe ist aus der DE-Z: „Bauelemente der
Optik, Naumann Schröder,
Seite 294-299, ISBN 3-446-17036-7" bekannt, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug
genommen wird.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird
erreicht, dass auf dem matt durchscheinenden, optisch diffus wirkenden
Material durch die Laserstrahlung ein Leuchtpunkt erzeugt wird,
wobei jede Stelle dieses Leuchtpunktes wiederum eine Strahlungsquelle
ist und in einen weiten Winkelbereich im Bereich von in etwa γ ≥ ± 5° abstrahlt,
so dass der Abstrahlwinkelbereich um 0°, insbesondere um in etwa 0° bis 5° ausgehend
von jedem Leuchtpunkt vermischt bzw. überlagert wird, so dass sich
winkelunabhängig
eine gleiche oder im Wesentlichen gleiche Pulszeitform des Laserlichts
ergibt, also eine Homogenisierung der Pulszeitform erfolgt.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass
keine Laufzeitunterschiede über
den Erfassungswinkel auftreten. Auch erfolgt eine gleichmäßige, d.
h. homogene Abstrahlung bezüglich
der Raumverteilung.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, dass
die nach außen
wirksame Lichtquelle als diffuser Lichtfleck erscheint, so dass
für die
Berechnung der Laserschutzklasse deutlich günstigere Bedingungen vorliegen. Der
diffuse Lichtfleck erscheint als ausgedehnte Strahlungsquelle, die
zulässigen
Strahlungsleistungen erhöhen
sich um Faktoren, je nach Lage des Diffusors zur Laserdiode und
dessen Streuwirkung.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sieht
die Erfindung vor, dass das Material eine Scheibengeometrie aufweist
und in einem Abstand L mit etwa von 1 mm ≤ L ≤ 10 mm, vorzugsweise 4 mm ≤ L ≤ 6 mm vor
dem Lichtaustritt des Lasers angeordnet ist, also insbesondere bei
einer Pulslaserdiode als Laserquelle vor deren Austrittsspalt.
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Das Element, d. h. die Matt- oder
Streuscheibe – auch
Diffuser genannt – ist
vorzugsweise eine Oberflächenstreuscheibe
aus farblosem Kunststoff (Klassen O-M (AM; SM oder GM nach DIN 58161 T4)).
Es können
aber auch Trübglasscheiben
oder Volumenstreuscheiben der Klassen V verwendet werden. Opal-
oder Milchglasscheiben kommen ebenfalls in Frage. Die Dicke des
Materials sollte zwischen 0, l mm < D < 2 mm liegen, wobei
insbesondere eine Kunststofffolie, vorzugsweise in Form eines gegossenen
Plattenmaterials verwendet wird.
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Des Weiteren sollte das Material
in einer Ebene verlaufen, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht
zur optischen Achse des Laserstrahles verläuft.
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Erfindungsgemäß wird der Laserstrahl auf ein
matt durchscheinendes Material derart gerichtet, dass ein Lichtpunkt
erzeugt wird, wobei von Bereichen des Lichtpunktes Laserstrahlen
ausgehen, die durch Überlagerung
und/oder Vermischung eine Laserstrahlung mit einer richtungsunabhängig vergleichmäßigten Intensität erzeugen.
Hierdurch bedingt wird im Bereich des Laseraustritts aus dem Material
ein homogener Lichtkegel durch Überlagerung und/oder
Mischung von aus dem Leuchtpunkt emittierten Laserstrahlen erzeugt.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und
Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den
diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-,
sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnungen zu
entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Es zeigen:
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1 eine
Laseranordnung gemäß Stand der
Technik und
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2 eine
erfindungsgemäße Laseranordnung
zur Homogenisierung des aus dem Laser austretenden Laserstrahls.
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1 zeigt
einen Laser 10 mit einem austretenden Laserstrahl 12,
dessen Abstrahlcharakteristik im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet
ist mit einem Öffnungswinkel α mit α ca. ± 6° parallel
zum Emissionsspalt 10.1 des Lasers 10 in einer
Richtung und ca. ≈ ± 15° bis ± 20°, insbesondere ± 18° in einer dazu
vertikalen Richtung. Dieser Bereich kann aufgrund der hohen Emissionsleistung
des Lasers 10 ohne weitere Optik für einen Erfassungsbereich genutzt
werden. In einem zu messenden Abstand befindet sich ein Reflektor
(nicht dargestellt), der Licht eines definierten kleinen Raumwinkelbereiches
reflektiert.
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Im Laserchip 10 wird die
emittierte Strahlung in einem Streifen 10.1 mit einer Breite
von z.B. 60 μm (alternativ
200 μm)
und einer Höhe
von z.B. 60 μm geführt.
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In 1b ist
die Intensität
I einer im Winkelbereich ß = ± 6° zur optischen
bzw. Sendeachse mit einer Ebene, in der der Spalt 10.1 verläuft, aus
dem Laser austretenden Strahlung über die Zeit t als Pulszeitform 14 dargestellt.
Außerhalb
des Winkels ß sind von
der Pulsform 14 abweichende Pulsformen und Anstiegszeiten 16, 16' und 16" gezeigt. Mit
anderen Worten ist die Pulszeitform 14, 16, 16', 16" der Laserstrahlung 12 winkelabhängig. Dies
fuhrt zu erheblichen Messfehlern im Bereich von einigen Dezimetern
bei der Laufzeitmessung, da der elektronisch erzeugte Startimpuls
für beide
Strahlungen gleich ist.
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2 zeigt
den Laser 10 in einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der
Laserstrahl 12 ein im Ausführungsbeispiel plattenförmiges Element 18 durchsetzt,
dass aus matt durchscheinendem Material besteht.
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Das Element, also die Matt- oder
Streuscheibe – auch
Diffuser genannt – ist
vorzugsweise eine Oberflächenstreuscheibe
aus farblosem Kunststoff (Klassen O-M (AM; SM oder GM nach DIN 58161 T4)).
Es können
aber auch Volumenstreuscheiben der Klassen V verwendet werden. Die
Dicke D des Materials sollte zwischen 0,1 mm < D < 2
mm liegen, wobei insbesondere eine Kunststolffolie, vorzugsweise
in Form eines gegossenen Plattenmaterials verwendet wird.
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Durch das Element 18 erfolgt
quasi eine „Homogenisierung" des Laserstrahls 12 insbesondere
in der Ebene mit geringerem Abstrahlwinkel. Das aus matt durchscheinendem
Material bestehende Element 18 ist in einem Abstand L im
Bereich von 1 mm ≤ L ≤ 10 mm, vorzugsweise
in etwa L = 5 mm vor dem Laser 10, d. h. zwischen dessen
Austrittsspalt 10.1 und einem Reflektor angeordnet. Dabei
erzeugt die Laserstrahlung 12 auf der Scheibe 18 einen
Leuchtpunkt 20, wobei jeder Ort 22, 22' des Leuchtpunktes 20 seinerseits
Quelle einer Strahlung in einem weiten Winkelbereich γ ≥ ± 5° abstrahlt,
so dass die in 1 dargestellten
Winkelbereiche ± 1 ° und ß in etwa
5° miteinander überlagert
bzw. gemischt werden.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass
die Abstrahlung bezüglich
der Pulszeitform homogen wird, wodurch keine Laufzeitunterschiede über den
Erfassungswinkeln auftreten. Auch ist die Abstrahlung bezüglich der
Raumverteilung homogen.
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Ein weiterer Vorteil wird dadurch
erreicht, dass die nach außen
wirksame Lichtquelle als diffuser Lichtleuchtpunkt erscheint, so
dass eine Laserschutzklasse nicht berücksichtigt werden muss.