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Sende- und Empfangseinrichtung
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für optische Strahlung
Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Sende-
und Empfangseinrichtung für optische Strahlung mit mindestens einem Sendeelement
und mindestens einem Empfangselement, die mittels einer Kopplungseinrichtung in
den gemeinsamen Strahlengang einer Optik eingekoppelt sind.
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Ein Beispiel für eine derartige Einrichtung ist ein Laser-Entfernungsmesser,
mit dem Laserlichtimpulse zu einem Ziel gesendet werden und aus der Laufzeit der
reflektierten Impulse die Entfernung bestimmt wird. Ein anderes Beispiel ist ein
Lichtschußsimulator, bei dem das Beschießen eines Ziels durch Aussenden von mittels
Laser erzeugten optischen Strahlungsimpulsen simuliert
und anhand
der vom Ziel reflektierten Impulse eine Aussage über die Treffergenauigkeit gewonnen
wird. Weitere Beispiele sind z.B. Einrichtungen zur optischen Nachrichtenkommunikation,
Einrichtungen zur Freund-Feind-Identifizierung (IFF) u.dgl..
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Bei derartigen Einrichtungen muß die ausgesendete Strahlung mittels
einer Optik gebündelt und auf ein Ziel gerichtet werden, und die reflektierte Strahlung
oder Antwortstrahlung muß mittels einer Optik aufgefangen und auf die aktive Fläche
des Empfangselementes gelenkt werden. Es ist möglich, für Sende- und Empfangsstrahlung
getrennte Optiken zu verwenden, was erhöhten Aufwand und Platzbedarf, Justierungsprobleme
und Paralaxenfehler mit sich bringt. Erwünscht ist es, den Strahlengang einer gemeinsamen
Optik sowohl für die Aussendung als auch für den Empfang der Strahlung verwenden
zu können derart, daß in Ein- und Austrittsrichtung jeweils das gesamte Ein- bzw.
Austrittsfenster der Optik genutzt wird. Man benötigt dann zum Ankoppeln von Sende-
und Empfangselement an die Optik mindestens einen Strahlungsteiler z.B. in Form
eines teildurchlässigen Teilerspiegels oder -prismas. Von solchen Strahlungsteilern
wird aber sowohl in Eintritts- wie in Austrittsrichtung immer ein gleichbleibender
Anteil der Strahlung durchgelassen und der Rest reflektiert. Wenn der Strah-
lungsteiler
z.B. 50% der vom Sendeelement kommenden Strahluny in die Optik einkoppelt, so werden
auch von der empfangenen Strahlung 50% zum Sendeelement gelenkt und nur die restlichen
50% gelangen zum Empfangselement, so daß insgesamt nur 25% der vorhandenen Strahlungsintensität
genutzt werden. Verwendet man einen Strahlteiler, dessen Reflexions- oder Transmissionsvermögen
p von 50% abweicht, so wird z.B. ein Anteil p der gesendeten Strahlung eingekoppelt
und ein Anteil (l-p) der empfangenen Strahlung ausgekoppelt, oder umgekehrt, und
der gesamte Nutzungsgrad p (l-p) ist noch geringer als im vorhergehenden Fall.
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Die Verwendung von Strahlungsteilern im Strahlengang schafft außerdem
Platz- und Justierungsprobleme.
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Ferner haben speziell die für Laserstrahlung verwendeten Sende- und
Empfangselemente häufig nach Größe und Form sehr unterschiedliche aktive Flächen,
und eine Anpassung des Strahlenganges an diese unterschiedlichen Verhältnisse ist
unter Verwendung konventioneller Strahlenteiler nur schwer möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine möglichst verlustarme und
an die
Abmessungen von Sende- und Empfangselementen optimal anpaßbare
bidirektionale Ankopplung an eine Optik ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an jedes Sende-
und Empfangselement je ein Lichtleiter angeschlossen ist, daß die anderen Enden
der Lichtleiter in parallel aneinander anliegende Anordnung zu einem optisch homogenen
Integratorkörper zusammengeführt sind, der einen Querschnitt entsprechend der Summe
der Querschnittsflächen der Lichtleiter und eine für die Lichtverteilung auf seinen
gesamten Querschnitt ausreichende Länge hat, und daß die von den Lichtleitern abgewandte
Stirnseite des Integratorkörpers an den Strahlengang der Optik angekoppelt ist.
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Eine derartige Ankopplung der Sende- und Empfangselemente mittels
Lichtleitern, z.B. Glasfaserlichtleitern, und einem deren Strahlung über seinen
Querschnitt verteilenden Integratorkörper ermöglicht es, von einem oder mehreren
Sendeelementen erzeugte optische Strahlung zu 100%, also verlustfrei, an eine Optik
anzukoppeln und gleichzeitig die in die Optik eintretende Strahlung zu einem sehr
hohen Anteil, der von dem Querschnittsverhältnis zwischen dem Integratorkörper und
dem an das Empfangselement angeschlossenen Lichtleiter abhängt, dem Empfangs-
element
zuzuführen. Selbst wenn dieses QuerschnittsverhältnIs, und damit der dem Empfangselement
zugeführte Strahlungsanteil, nur 50% wie bei konventionellen Strahlungsteilern beträgt,
ergibt sich durch die verlustfreie Ankopplung der ausgesendeten Strahlung in die
Optik eine Wirkungsgradsteigerung von 100%. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung
ohne weiteres möglich, den Querschnitt des an das Empfangselement angeschlossenen
Lichtleiters wesentlich größer als den der an Sendeelemente angeschlossenen Lichtleiter
zu machen, so daß z.B. ein Anteil von 80% oder mehr der aus der Optik in den Integratorkörper
eintretenden Empfangsstrahlung auch tatsächlich dem Empfangselement zugeführt werden
kann, ohne daß die 100%-ige Ankopplung der von den Sendeelementen erzeugten Strahlung
an die Optik verlorengeht.
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Aus Lichtleitern und Integratorkörpern größeren Querschnitts gebildete
Koppler in Form von T-Kopplern oder Sternkopplern sind zwar an sich bekannt, z.B.
gemäß DE-OS 29 10 637. Diese bekannten Koppler sind aber für Anwendungszwecke bestimmt,
bei denen es lediglich um die Aufteilung von Lichtenergie auf verschiedene gleichartige
Teilnehmerstationen geht, z.B. bei optischen Datenbussystemen, nicht aber wie bei
der vorliegenden Erfindung um die richtungsabhängige Zusammenführung oder
Aufteilung
von gesendeter bzw. empfangener Strahlung und deren Ankopplung an eine gemeinsame
Optik.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung hinsichtlich der Anordnung
und Bemessung der Lichtleiter, des Integratorkörpers und ihrer Ankopplung an die
Optik sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, die
sich bei begrenzter Länge des Integratorkörpers ergebende inhomogene Strahlungsverteilung
über den Integratorquerschnitt für eine Ortung eines reflektierenden Zielobjektes,
d.h. für eine Messung des Einfallswinkels von reflektierter Strahlung, zu nutzen.
Dies geschieht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß
mindestens zwei Sendeelemente mit dem Integratorkörper über Lichtleiter verbunden
sind, deren Anschlußstellen am Integratorkörper gegenüber dessen Mittelachse nach
entgegengesetzten Seiten versetzt sind, daß die Länge des Integratorkörpers kürzer
ist als zur vollständigen Vergleichmäßigung des Lichtflusses über seinen Querschnitt
erforderlich wäre, daß die Sendeelemente selektiv ansteuerbar sind und daß an das
Empfangselement eine Einrichtung zum Intensitätsvergleich der bei Anregung des einen
und anderen Sendeelementes empfangenen Reflexionsstrahlung angeschlossen ist.
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Bei dieser Anordnung ergibt sich je nachdem, welches Sendeelement
angesteuert wird, eine nach der einen oder anderen Seite hin inhomogene Strahlungsverteilung
im Integrator und dementsprechend eine ungleichmäßige Ausleuchtung des von der Optik
erfaßten Sehfeldes. Ein im Sehfeld befindliches Zielobjekt wird, wenn es gegenüber
der Mittelachse des Sehfeldes nach der einen oder anderen Seite verschoben ist,
die von dem einen oder anderen Sendeelement ausgesendete Strahlung mit unterschiedlicher
Intensität empfangen und reflektieren, so daß das Empfangselement entsprechend unterschiedlich
intensive Antwortimpulse empfangen wird.
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Hieraus kann die Winkelabweichung des Zielobjektes von der Mittelachse
des Sehfeldes bestimmt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer optischen Sende- und
Empfangseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer Kopplungsanordnung
für eine Einrichtung gemäß Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt einen Schnitt nach III-III von Fig. 2.
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Fig. 4 zeigt schematisch die Lichtverteilung in dem Integratorkörper
der Anordnung gemäß Fig. 2.
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Fig. 5 zeigen Schnitte durch andere Lichtleiteranordnungen.
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und 6 Fig. 1 zeigt schematisch eine durch Linsen 2 und 3 angedeutete
Optik 1 mit der optischen Achse 4. Bei 5 befindet sich die der Objektivlinse 3 zugeordnete
Brennebene, in der z.B. ein Fadenkreuz für visuelle Beobachtung angeordnet sein
kann. In Einfallsrichtung gesehen vor der Brennebene 5 befindet sich ein Spiegel
6, der z.B.
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selektiv nur für verwendete Laserstrahlung, vorzugsweise Infrarotstrahlung,
zu 100% reflektierend ausgebildet sein kann, so daß er im sichtbaren Bereich die
durchgehende Beobachtung mittels der Optik 2, 3 nicht behindert. Der Spiegel 6 erzeugt
für die von ihm ausgelenkte Strahlung eine Brennebene 5'. In dieser Brennebene 5'
befinden sich die Endflächen16 von zwei Glasfaserlichtleitern 7, 8. Diese liegen
in einem Koppelbereich 9 mit der Länge 1 mit ihren von einer Ummantelung 10 (cladding)
befreiten Seiten flächen lückenlos aneinander an, so daß in diesem Bereich die optische
Strahlung ungehindert aus dem einen in den anderen Lichtleiter übertreten kann.
Die aneinander anliegenden Enden der Lichtleiter 7, 8 stellen daher optisch gesehen
einen einheitlichen Integratorkörper 9 dar, der über den gesamten Querschnitt beider
Lichtleiter 7, 8 ein optisch homogenes Verhalten aufweist.
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Außerhalb des Integratorkörpers bzw. des Kopplungsbereiches 9 sind
die Lichtleiter 7, 8 auseinander geführt.
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Der Lichtleiter 7 ist an ein optisches Sendeelement 11, z.B. einen
Laser oder eine Laserdiode angeschlossen, während der Lichtleiter 8 an ein optisches
Empfangselement 12, z.B. eine lichtempfindliche Diode, Photozelle od.dgl. angeschlossen
ist. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche jedes Lichtleiters 7, 8 (ohne Berücksichtigung
der Ummantelung 10) an die Größe der aktiven Lichtaustritts-bzw. Eintrittsfläche
des Sendeelementes 11 bzw. Empfangselementes 12 angepaßt, wie in der Zeichnung angedeutet.
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Vom Sendeelement 11 ausgesendete optische Strahlung gelangt über
den Lichtleiter 7 in den Kopplungsbereich oder Integratorkörper 9 und verteilt sich
dort, wie durch die Pfeile 13 angedeutet, gleichmäßig über den gesamten Querschnitt
des Kopplungsbereiches 9. Diese Strahlung tritt zu 100% (von geringfügigen Reflexionsverlusten
abgesehen) aus der Stirnfläche 16 aus und wird durch den Spiegel 6 in den Strahlengang
der Optik 3 eingelenkt, so daß sie durch die Objektivlinse 3 auf ein entferntes
Ziel gebündelt und gerichtet werden kann. Von einem Ziel reflektierte oder auch
ausgesendete Strahlung, die in die Objektivlinse 3 der Optik eintritt, wird durch
den Spiegel 6 auf die Stirnfläche 16 des Integratorkörpers 9 gelenkt. 50% dieser
empfangenen Strahlung gelangt über
den Lichtleiter 8 zum Empfangselement
12 und wird dort ausgewertet. Die anderen 50% gelangen in den Lichtleiter 7 und
gehen verloren. Der Wirkungsgrad bei Aussendung beträgt demnach nahezu 100%, bei
Empfang nahezu 50% und insgesamt daher nahezu 50%, im Gegensatz zu konventionellen
Teilerspiegeln, bei denen der Wirkungsgrad insgesamt höchstens 25% betragen kann.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein von den Lichtleitern
gesonderter Integratorkörper 19 vorgesehen, dessen obere Stirnfläche 16 in einer
Brennebene der Optik angeordnet werden kann, wie in Fig. 1 analog dargestellt. An
die andere Seite des Integratorkörpers 19 ist zentrisch ein verhältnismaßig dicker
Lichtleiter 8 mit etwa quadratischem Querschnitt angekoppelt, dessen anderes Ende
mit einem optischen Empfangselement 12 verbunden ist. An den vier Seiten des zentralen
Lichtleiters 8 sind vier bandförmige Lichtleiter 7 mit schmal rechteckförmigem Querschnitt
angeordnet, wie in der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 3 angedeutet. Diese Lichtleiter
7 sind mit je einem optischen Sendeelement 11 verbunden. Da in diesem Fall die Lichtverteilung
in dem gesonderten Integratorkörper 19 stattfindet, ist es nicht nötig, eine etwaige
Ummantelung (cladding) 10 der aneinander anliegenden Licht-
leiter
7, 8 zu entfernen.
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Diese Anordnung hat einerseits den Vorteil, daß die Querschnittsfläche
des zentralen Lichtleiters 8 mehr als 50%, z.B. 80% des Querschnitts des Integratorkörpers
19 betragen kann, so daß ein entsprechend größerer Anteil der insgesamt von der
Optik 3 empfangenen Strahlung dem Empfangselement 12 zugeführt wird, wobei ferner
der Querschnitt des Lichtleiters 8 besser an die relativ große Empfangsfläche des
Empfangselementes 12 angepaßt ist. Die streifenförmigen Lichtleiter 7 sind dagegen
in ihrem Querschnitt optimal an den streifenförmigen Austrittsquerschnitt von Halbleiter-Laserdioden
in den optischen Sendeelementen 11 angepaßt. Nach wie vor wird die von jedem Sendeelement
11 erzeugte Strahlung zu nahezu 100% in den Integratorkörper t9 und von diesem in
die Optik 3 eingekoppelt.
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Wenn die Länge 1 des Integratorkörpers kürzer ist, als es zur vollständig
homogenen Verteilung der Strahlung über den Querschnitt erforderlich ist, dann ergibt
sich eine ungleichmäßige Verteilung des Lichtflusses über die Breite des Integratorkörpers
19, wie in Fig. 4 angedeutet. In Fig. 4 bedeutet 01 die Verteilung des von dem Sendeelement
11 erzeugten Strahlungsflusses, während 02 die Verteilung des von dem Sendeelement
11' er-
zeugten Strahlungsflusses bedeutet, und zwar jeweils an
der Stirnfläche 16 des Integratorkörpers 19. Da diese in einer Abbildungsebene der
Optik 1 liegt, wird die Objektivlinse 3 eine entsprechend ungleichmäßige Ausleuchtung
des von der Strahlung erfaßten Raumwinkels bewirken. Ein Zielobjekt, das nicht exakt
auf der Mittellinie des Raumwinkelsektors liegt, wird Strahlung mit unterschiedlicher
Intensität von den beiden Sendeelementen 11, 11' erhalten, und dementsprechend unterschiedlich
wird auch die Intensität der vom Ziel reflektierten und über die Optik 3, den Integrator
19 und den Lichtleiter 8 zum Empfangselement 12 gelangenden Strahlung sein. Wenn
die von den Sendeelementen 11 und 11' erzeugte Strahlung mit einer unterschiedlichen
Kennung versehen wird, z.B. durch entsprechende zeitliche Ansteuerung, Impulskodierung,
Wellenlänge od.dgl., dann kann in einer an das Empfangselement 12 angeschlossenen
Auswerteeinrichtung 20 die Intensität der von einem Zielobjekt reflektierten, jeweils
vom Sendeelement 11 oder 11 stammenden Strahlung verglichen und daraus die Winkelablage
des Zielobjektes von der optischen Achse 4 ermittelt werden. Da insgesamt vier Lichtleiter
7 -um den zentralen Lichtleiter 8 gruppiert und mit Sendeelementen verbunden sind,
kann eine solche Ermittlung der Winkelablage sowohl in Seitenrichtung als auch in
Höhenrichtung vorgenommen werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der daraestellten Ausführungsformen
beschränkt. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, daß die Stirnfläche 16 des
Integratorkörpers 9, 19 unmittelbar in der Brenn- oder Abbildungsebene der Optik
3 liegt.
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Es ist auch möglich, den Integratorkörper 9, 19 entfernt von dieser
Ebene anzuordnen und auf seine Stirnfläche 16 einen weiteren Lichtleiter anzusetzen,
dessen Querschnitt dem des Integratorkörpers entspricht und dessen vom Integratorkörper
entfernte Endfläche in der Brenn- oder Abbildungsebene 5' der Optik liegt.
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Auf diese Weise kann eine große Flexibilität bei der räumlichen An-
und Zuordnung von Optik und Sende- bzw.
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Empfangselementen erreicht werden. Bei Verwendung eines in sich homogenen
Verlängerungs-Lichtleiters geht allerdings die anhand von Fig. 4 geschilderte ungleichmäßige
Lichtverteilung und damit die Möglichkeit zur Bestimmung der Winkelablage eines
reflektierenden Ziels verloren. Falls die Beibehaltung dieser Möglichkeit erwünscht
ist, muß ein aus zahlreichen Einzelfasern zusammengesetzter Verlängerungs-Lichtleiter
verwendet werden.
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Für eine Bestimmung der Winkelablage eines Zielobjektes können auch
andere geometrische Anordnungen der Lichtleiter und ihrer Zusammenführung im Integrationskörper
verwendet werden, als in Fig. 2 und 3 dargestellt.
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Wesentlich ist nur, daß von mehreren Sendeelementen kommende Lichtleiter
zusammen mit mindestens einem zu einem Empfangselement führenden Lichtleiter eine
z.B. matrixförmige Anordnung in der Brennebene bilden. Man könnte z.B. vier Anordnungen
gemäß Fig. 1 verwenden und die Enden der Lichtleiter (nach Entfernen der Ummantelung)
zu einer Anordnung gemäß Fig. 5 zusammenführen wobei die sendenden Lichtleiter 7
schraffiert und die empfangenden 8 unschraffiert dargestellt sind. Eine andere Anordnung
mit einer Matrix von 3 x 3 quadratischen Lichtleitern, die zu einem Integratorkörper
zusammengeführt sind, zeigt Fig. 6 wobei die vier schraffierten Lichtleiter an je
ein Sendeelement angeschlossen sind, während die fünf unschraffierten Lichtleiter
an je ein gesondertes oder ein gemeinsames Empfangselement angeschlossen sind. Durch
selektive Ansteuerung der sendenden Lichtleiter läßt sich auch in diesen Fällen
aus der ungleichmäßigen Ausleuchtung des von der Optik erfaßten Bereiches die Winkelablage
eines reflektierenden Ziels ermitteln.