DE2727841C2 - Laserlichtsender, insbesondere für Schußsimulationszwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserlichtsender, insbe- »ondere für Schußsimulationszwecke, mit mindestens einer Laserdiode, an deren Lichtaustrittsfläche Laser-Kcht bandförmig aus mindestens einer dünnen p-n-Übergangsschicht austritt, sowie mit einem an die Lichtaustrittsfläche der Laserdiode angekoppelten Lichtleitkörper von rechteckigem Querschnitt mit etwa gleichen Seitenabmessungen wie die Lichtaustrittsfläche der Laserdiode.

Mit Lasern arbeitende SchuDsimulationsgeräte weilen bekanntlich einen mit einer Waffe bzw. deren Visier gekoppelten Lasersender auf, der ein Strahlungsbündel IU einem Ziel aussendet, an welchem ein Empfänger ingeordnet ist.

Von der richtigen Anvisierung des Ziels und/oder von der die Schußparameter berücksichtigenden richtigen Verstellung des Lasersenders gegenüber dem Visier hängt es ab, ob das Strahlungsbündel den Empfänger trifft und der »Schuß« als Treffer gewertet wird oder nicht. Das durch eine Optik gebündelte Strahlungsbünde! wird entsprechend setnef Divergenz einen bestimmten Raumwinkel ausfüllen, wobei eine Mindestgröße der Querschnittsfläche dieses Strahlungsbündels bereits an der Austrittsstelle zweeks »Verdünnung« der Strahlung zur Vermeidung von Augenschädigungen erforderlich ist Für die Zuverlässigkeit einer Trefferermittlung oder Schußablagebestimmung ist es wichtig, daß das Strahlungsbündel einen definierten Raumwinkel mit scharfer Begrenzung einnimmt und diesen möglichst homogen ausfüllt Andernfalls kann es vorkommen, daß der zielseitige Empfänger, obwohl er innerhalb des theoretischen Raumwinkels des Strahlungsbündels liegt,

ίο keine ausreichende Strahlungsmenge erhält, uti einen »Treffer« anzuzeigen, und umgekehrt

Aus den Druckschriften DE-OS 22 05 728 und DE-OS 24 36 908 sind Laserlichtsender der oben beschriebenen Art bekannt Diesen Laserlichtsendern liegt die Aufgabe zugrunde, das aus einer Laserdiode streifenförmig custretende Laserlicht in eine Lichtleitfaser einzukoppeln, die einen in der Höhe vergleichbaren und in der Breite wesentlich kleineren Querschnitt hat als der aus der Diode austretende Laserstrahl. Die Lösung gemäß der beiden Druckschriften besteht darin, zwischen Laserdiode und Lichtleitfaser einen bzw. auch zwei Lichtleitkörper anzuordnen, der über seinen Querschnitt keinen gleichmäßigen Brechungsindex aufweist sondern entweder eine sprunghafte Änderung des Brechindexes derart daß innere Führungsflächen für den Laserstrahl gebildet werden (DE-OS 22 05 728), oder einen nach Höhe und Breite unterschiedlichen Gradienten des Brfc'.hungsindexes (DE-OS 24 36 908). In derartigen Lichtleitkörpern wird das Laserlicht derart geführt daß es nicht etwa die Austrittsfläche gleichmäßig ausfüllt, sondern an der Austrittsfläche zu einem fast punktförmigen Querschnitt zusammengezogen wird. Mit diesem fast punktförmigen Querschnitt wird der Laserstrahl dann in die angeschlossene Lichtleitfaser eingekoppelt

Demgegenüber liegt dem Anmeldungsgegenstand die Aufgabe zugrunde, einen Lasersender mit Laserdiode zu schaffen, der ein sektorförmiges Laserstrahlbündel mit scharfer Begrenzung und gleichmäßiger Intensitätsverteilung in den Raum abstrahlt urH. zwar vorzugsweise derart, daß mehrere solche von verschiedenen Dioden stammende sektorförmißc Laserstrahlbündel lückenlos nebeneinander abgestrahlt werden können.
Die Forderung nach möglichst gleichmäßiger Intensitätsverteilung eines definierten Raumsektors gilt vor allem auch dann, wenn zur genaueren Anlagebestimmung des simulierten Schusses das Strahlungsbündel ein Abtastmuster durchlaufen soll (DE-AS 17 03 109) oder mehrere aneinandergrenzende, unterschiedlich codierte

i>o Strahlungsbündel verwendet werden (DE-OS 2149 729). Hier kommt es auch auf eine definierte Querschnittsform des Strahlungsbündels, z. B. auf die Erzeugung eines im Querschnitt quadratischen Strahlungsbündels an.

Besondere Schwierigkeiten bereitet die Erzeugung eines einen Raumwinkel von definiertem Querschnitt möglichst homogen ausfüllenden Strahlungsbündels bei der Verwendung von Laserdioden, z. B. Ga-As-Dioden. Solche Halbleiterdioden sind aber andererseits wegen ihrer Kleinheit, ihres niedrigen Preises, ihrer einfachen Betriebsweise und leichten und schnellen Ansteuerbar· keit besonders erwünschte Strahlungsemittierende Elemente, Bei einer Laserdiode hat der für die Laserstrahlung aktive Teil die Form einer dünnem sich senkrecht

zur Lichtaustrittsfläche erstreckenden pn-Übergangs· schicht, so daß die Strahlung an der Austrittsfläche in Form eines Bündels oder Fächers mit streifenförmigem Querschnitt austritt. Üblicherweise verwendet man

sogenannte Multistackdioden mit mehreren, insbesondere drei pn-Schichten, so daß die Strahlung in Form von drei streifenförmigen Bündeln oder Fächern austritt. Außerdem zeigt es sich, daß die Strahlungsintensität längs jedes derartigen Austrittsstreifens nicht konstant ist, sondern örtliche Schwankungen und sogar völlige Unterbrechungen aufweisen kann. Ein umständliches und teures Ausleseverfahren mit hoher Ausschußquote wäre notwendig, um solche Laserdioden auszusuchen, die längs jedes Emissionsstreifens eine auch nur annähernd konstante Intensität aufweisen.

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtleitkörper aus einem Material mit gleichförmigem Brechungsindex besteht und so lang bemessen ist, daß sein gesamter Querschnitt an der Austrittsfläche vom mehrfach reflektierten Laserlicht im wesentlichen gleichmäßig ausgeleuchtet ist, und daß die Austrittsfläche des Lichtleitkörpers mindestens annähernd in der Brennebene einer Projektionsoptik angeordnet ist.

Durch den erfindungsgemäß ausgestalteten und angeordneten Lichtleitkörper wird ein Laserlichtbündel erzeugt, das einen scharf begrenzten Raumwirkelsektor gleichmäßig ausleuchtet Da diese gleichmäßig ausgeleuchtete Austrittsfläche den gesamten Querscnnitt des Lichtleitkörpers entspricht, werden bei Nebeneinanderanordnung mehrere solcher an verschiedene Dioden angekoppelter Lichtleitkörper auch die ausgeleuchteten Lichtaustrittsflächen praktisch lückenlos aneinander grenzen, so daß die Projektionsoptik auch entsprechend lückenlos aneinander grenzende sektorförmige Laserlichtbündel abstrahlen kann.

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß an mehrere Laserdioden angekoppelte Lichtleitkörper mit ihren Enden zu einer lückenlosen matrixartigen Anordnung zusammengefaßt sind, die entweder exakt in der Brennebene der Optik angeordnet sein kann zur Erzeugung von lückenlos aneinander grenzenden Sektoren des Strahlungsbündels, oder etwas außerhalb der Brennebene der Optik herausgerückt sein kann, wenn sich die einzelnen Sektoren des Strahlungsbündels überlappen sollen.

Durch unterschiedlich pulscodierte Ansteuerung der einzelnen Laserdioden kann jeder der so erzeugten Sektoren des Strahlungsbündels bzw. jeder der Überlappungsbereiche eine eindeutige Kennung erhalten, aus welcher der zieiseitige Empfänge die Ablage relativ zur Mittelachse des gesamten Strahlungsbündels ermitteln kann.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Halbleiterdiode mit angekoppeltem Lichtleiter

F i g. 2 und 3 zeigen schematisch die Intensitätsverteilung der Strahlung am Eintritt und am Austritt des Lichtleiters.

F i g. 4 zeigt schematisch eine Sendeanordnung zur Erzeugung eines sektorisierten Strahlungsbündels.

F i g. 5 und 6 zeigen schematisch Querschnitte durch das Strahlungsbündel bei fokussierter und defokussierter Anordnung der Lichtleiteraustrittsflächen.

In Fig-1 ist mit 1 eine Multistaek-Laserdiode, z.B. Ga-As-Diode, dargestellt, welche drei als pn-Übergänge •usgebildete dünne lichtemittierende Schichten 2 aufweist. Aus jeder dieser Emissionsschichten tritt an der Austrittsfläche der Laserdiode Laserstrahlung in Form eines Streifens, d< h< eines sehr flachen und breiten Strahlungsfächers aus Herstellungsbedingt ist die Emission längs jedes Streifens nicht konstant, sondern kann Schwankungen und sogar Unterbrechungen zeigen, so daß man beispielsweise an der Austrittsfläche der Laserdiode 1 die in F i g. 2 schematisch dargestelfte, sehr inhomogene Emissionsstruktur haben wird.

An die Lichtaustrittsfläche der Laserdiode 1 ist ein langgestreckter Lichtleiter 3 aus einem für die jeweilige Laserstrahlung (die insbesondere auch im IR-Bereich liegen kann) durchlässigen und totalreflektierenden Material wie Glas, Quarz, transparentem Kunststoff od. dgl. angekoppelt. Der Lichtleiter 3 hat vorzugsweise einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt von gleichen Abmessungen wie die Austrittsfläche der Laserdiode 1 und eine Länge, die zur Homogenisierung der Strahlung ausreichend ist Versuche haben ergeben, daß bei einem Lichtleiter, der entsprechend den Abmessungen der Laserdiode eine Höhe und Breite von 220 oder 400 μηι aufweist, bereits eine Länge von 1 cm ausreichen kann, um eine vollständige Homogenisierung des Strahlungsaustritts an der Austrittsfläche 4 zu erreichen, io daß sich eine gleichmäßige Intensitätsverteilung an dieser Fläche 4 er£.,>t, wie in Fig.3 angedeutet Bevorzugt ist eine Länge d"s Lichtleiters 3, bei den angegebenen Querschnittsabmessungen, von ca. 2 bis 4 cm, also ein Verhältnis der Länge zur Höhe oder Breite, welches größer als 2 :1 und vorzugsweise größer als 10: : ist

Ein weiterer Vorteil der Anordnung nach F i g. 1 liegt darin, daß die Divergenz des aus der Austrittsfläche 4 austretenden Strahlungsbündels in der Höhen- und Breitenrichtung etwa die gleiche ist, wie durch die Pfeile 5 und 6 angedeutet Dagegen hat das aus jeder Emissionsschicht 2 der Diode 1 austretende fächerförmige Strahlungsbündel eine in Höhe und Breite stark unterschiedliche Divergenz.

Bei der Anordnung nach F i g. 4 sind insgesamt vier schematisch dargestellte Laserdioden 11 vorgesehen, die von einem Steuergerät 12 selektiv und mit unterschiedlicher Pulscodierung ansteuerbar sind. Die an die einzelnen Laserdioden 11 angeschlossenen Lichtleiter 13 sind derart zusammengeführt, daß ihre Endflächen 14 eine lückenlose matrixartige Anordnung etwa in der Brennebene der durch die Linse 15 angedeuteten parallelrichtenden Optik bilden. Dementsprechend erzeugt diese Optik 15 ein Strahiungsbündel, welches, wie bei 16 angedeutet aus quadratischen Sektoren zusammengesetzt ist, wobei jeder Sektor von Strahlung aus einer anderen Laserdiode 11 erfüllt ist und entsprechend auch unterschiedlich pulscodiert sein kann.

Sind die Endflächen 14 der Lichtleiter 13 exakt in der Brennebene der Optik 15 angeordnet, so ergeben sich entsprechend Fig. 5 vier lückenlos aneinandergrenzende quadratische Sektoren, deren unterschiedliche ^puls .odierung in Fig. 5 mit unterschiedlichen Schraffuren angedeutet ist Werden dagegen die Endflächen 14 geringfügig aus d».t Fokalebene der Optik Π herausgerückt, so werden sich die Sektoren in dem von der Optik 15 erzeugten Strahlungsbündel überlappen, so daß man z. B. entsprechend F i g. 6 insgesamt neun matrixartige Bereiche des Strahlungsbündels erhält, in denen sich jeweils unterschiedliche Strahlungen mit unterschiedlicher Pulscödierung überlagern, so daß eina feiner unterteilte Ablagebestimmung des »beschossenen» Ziels möglich ist.

Selbstverständlich können auch mehr als vier Laserdioden 11 verwendet und ihre Lichtleiter zu einer matrixartigen Anordnung zusammengeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Laserlichtsender, insbesondere für Schußsimulationszwecke, mit mindestens einer Laserdiode, an deren Lichtaustrittsfläche Laserlicht bandförmig aus mindestens einer dünnen p-n-Obergangsschicht austritt, sowie mit einem an die Lichtaustrittsfläche der Laserdiode angekoppelten Lichtleitkörper von rechteckigem Querschnitt mit etwa gleichen Seitenabmessungen wie die Lichtaustrittsfläche der Laserdiode, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (3) aus einem Material mit gleichförmigem Brechungsindex besteht und so lang bemessen ist, daß sein gesamter Querschnitt an der Austrittsfläche (4) vom mehrfach reflektierten Laserlicht im wesentlichen gleichmäßig ausgeleuchtet ist, und daß die Austrittsfläche (4) des Lichtleitkörpers (3) mindestens annähernd in der Brennebene einer Projektionsoptik (15) angeordnet ist.

2. Laserik htsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (3) ein Verhältnis seiner Länge zur Breite und/oder Höhe von mehr als 2:1, vorzugsweise mehr als 10:1, aufweist

3. Laserlichtsender nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an mehrere Laserdioden (11) angekoppelte Lichtleitkörper (13) mit ihren Austrittsflächen (14) zu einer lückenlosen matrixartigen Anordnung zusammengefaßt sind zur Erzeugung eines aus aneinander grenzenden Sektoren bestehendsn Strahlungsbündels durch die Projektionsoptik (15).

4. Laserlichtsender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsflächen (14) der Lichtleitkörper (13) derart aus i.:r Brennebene der Projektionsoptik (15) herausgerückt sind, daß sich die einzelnen Sektoren im Strahlungsbündel überlappen (F ig. 6).

5. Laserlichtsender nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdioden (11) an eine sie einzeln mit unterschiedlichem Pulscode ansteuernde Steuereinheit (12) angeschlossen sind.