DE4407911A1

DE4407911A1 - Optisches System

Info

Publication number: DE4407911A1
Application number: DE4407911A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Bichlmaier; Hans-Joachim Dipl Ing Fach; Ferdinand Dipl Phys Friedrich
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: EP0671613A1; DE4407911C2

Description

Die optische Einheit von optischen Systemen - bei spielsweise (IR-)Fernbedienungssystemen - besteht aus einer Sendeeinheit mit einem oder mehreren Sendeelemen ten, einer Empfangseinheit mit mehreren Empfangselemen ten und einer optischen Strecke, über die Sendeeinheit und Empfangseinheit miteinander gekoppelt sind. Die von dem(n) Sendeelement(en) ausgesandte optische Strahlung wird nach Durchlaufen der optischen Strecke von den Empfangselementen detektiert; dieses Empfangssignal wird ggf. in einer Auswerteeinheit des optischen Sy stems weiterverarbeitet. Durch eine Änderung der Sy stemeigenschaften - beispielsweise infolge einer Varia tion der ausgesandten Strahlung durch Übertragung un terschiedlich codierter Signale - wird das Empfangssi gnal beeinflußt, was von der Auswerteeinheit ausgewer tet werden kann. Um eine gleichmäßige Reichweite inner halb des Empfangsbereichs (d. h. in jeder Raumrichtung, aus der ein Sendesignal erwartet wird) zu erreichen, muß die Empfindlichkeit der Empfangseinheit über den gesamten Empfangsbereich gleichmäßig und ausreichend sein (d. h. eine möglichst hohe und homogene Ausleuch tung der Empfangseinheit gegeben sein).

Zur Beeinflussung der optischen Eigenschaften der opti schen Einheit kann in der optischen Strecke ein Optik körper angeordnet werden. Aus der EP 441 713 ist es be kannt, diesen Optikkörper als torische, asphärische Au ßenumhüllungslinse auszubilden, die mehrere Empfangs elemente (Fotozellen) der Empfangseinheit umgibt. Nach teilig hierbei ist jedoch, daß mehrere Empfangselemente unbedingt erforderlich sind, damit die Empfangseinheit für den gesamten Empfangsbereich der optischen Strah lung empfindlich ist und daß das Empfangssignal somit stark von der Raumrichtung des Sendesignals abhängig ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein optisches System anzugeben, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden und das vorteilhafte Eigenschaften aufweist - insbesondere einen einfachen Aufbau, eine gute Empfind lichkeit und eine homogene Empfindlichkeitsverteilung für die optische Strahlung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Formung der räumlichen Empfangscharakteristik - gu ter und einfacher Empfang der optischen Strahlung, kon stante Empfindlichkeit des Empfangsbereichs (d. h. in den Richtungen, aus denen die Strahlung gesendet werden kann) - ist der in der optischen Strecke zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit angeordnete Optik körper aus einem als halbkugelförmige, asphärische Kon vexlinse ausgebildeten Außenkörper und einem als pris matischer Rotations-Hohlkörper (Kegel) mit vorgegebenem Prismenwinkel ausgebildeten Innenkörper zusammengesetzt - optional kann noch ein zylinderförmiger Trägerkörper vorgesehen werden.

Der katadioptrische Optikkörper besteht aus einem transparenten Material mit einem von demjenigen der optischen Strecke differierenden Brechungsindex (bei spielsweise aus Kunststoff). Die Konvexlinse als Außen körper wirkt als optisch brechende Fläche zur Sammlung der von der Sendeeinheit emittierten optischen Strah lung. Am prismatischen Innenkörper wird die optische Strahlung bei entsprechender Wahl des Prismenwinkels an der Grenzfläche zwischen dem Innenkörper und der opti schen Strecke totalreflektiert. Somit erfüllt der kata dioptrische Optikkörper als integrierte Einheit aus dem konvexen Außenkörper und dem prismatischen Innenkörper zwei Aufgaben: einerseits dient er als "Sammellinse " und ermöglicht eine Verstärkung der optischen Strahlung und andererseits dient er der Umlenkung der Strahlrich tung. Durch den Optikkörper wird der Empfangsbereich eines einzigen Empfangselements der Empfangseinheit auf einer Kreiskegeloberfläche auf 360° aufgeweitet und gleichzeitig senkrecht zu dieser Fläche das Empfangssi gnal in einem gewünschten Winkelbereich gebündelt. Der Trägerkörper dient zur Verbesserung der Stabilität und zur besseren Handhabung des Optikkörpers (beispielswei se bei der Montage).

Die optische Einheit des optischen Systems vereinigt mehrere Vorteile in sich:

- sie besitzt einen einfachen und damit kostengün stigen Aufbau; insbesondere kann mit nur einem einzigen Empfangselement der gesamte Empfangsbe reich (der gesamte Raumwinkelbereich aus dem opti sche Strahlung erwartet wird) abgedeckt werden,
- ihre Empfindlichkeit ist für den gesamten Emp fangsbereich bei festem Prismenwinkel konstant,
- es ist eine kompakte Bauweise und damit eine sehr geringe Baugröße gegeben; der Abstand zwischen Op tikkörper und Empfangseinheit kann sehr gering ge halten werden (beispielsweise kann die Empfangs einheit direkt auf die Unterseite des Optikkörpers aufgebracht werden),
- durch Variation des Abstands Empfangseinheit - Op tikkörper ist eine beliebig starke Bündelung (des Öffnungswinkels) der Strahlung in der Hauptemp fangsrichtung möglich,
- die Umlenkung der optischen Strahlung wird auf einfache Weise durch Totalreflexion bewerkstel ligt; durch die Totalreflexion werden Strahlungs verluste weitgehend vermieden,
- durch Variation des Prismenwinkels kann die Haupt empfangsrichtung variiert werden,
- die Empfindlichkeit der Empfangseinheit und damit der optischen Einheit wird durch den als Sammel linse wirkenden Außenkörper des Optikkörpers um den Faktor Linsenhöhe zu Empfängerhalbmesser er höht,
- es kann jede beliebige optische Strahlung verwen det werden - insbesondere sichtbares Licht oder IR-Strahlung.

Die Erfindung wird weiterhin anhand eines in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben - der optischen Einheit eines als Schließanlagen-Fernbe dienung bei Kraftfahrzeugen eingesetzten und mit IR- Strahlung arbeitenden optischen Systems.

Hierbei zeigt die Fig. 1 das optische System, die Fig. 2 den Optikkörper mit Empfangseinheit, die Fig. 3 eine Schnittzeichnung des Optikkörpers mit dem Strah lengang und die Fig. 4 die Empfangscharakteristik der Empfangseinheit.

Gemäß der Fig. 1 weist die optische Einheit des opti schen Systems eine als Handsender ausgebildete IR-Sen deeinheit 10 mit dem Sendeelement 11 (IR-Sendediode) und eine im Fahrzeuginnern angebrachte IR-Empfangsein heit 20 mit dem Empfangselement 21 auf (IR-Empfangs diode); als optische Strahlung 12 des Sendesignals wird IR-Strahlung, beispielsweise der Wellenlänge 950 nm, verwendet. Im Fahrzeuginnern ist in der optischen Strecke 30 - beispielsweise unmittelbar vor der Emp fangseinheit 20 - ein Optikkörper 31 angeordnet. Gemäß der Fig. 2 besteht der Optikkörper 31 aus dem Außen körper 32, dem Innenkörper 33 und dem Trägerkörper 34; dieser Optikkörper 31 dient zur Verstärkung der vom Sendeelement 11 emittierten IR-Strahlung 12 und zur Um lenkung bzw. Bündelung der in die Empfangseinheit 20 eingekoppelten IR-Strahlung 22. Um Verschmutzungen zu vermeiden, kann auf dem prismatischen Hohlkörper 33 eine Abdeckung 37 vorgesehen werden. Wie aus dem Strah lengang der Fig. 3 und der Empfangscharakteristik der Fig. 4 ersichtlich wird, kann durch das Zusammenspiel der bündelnden Wirkung der asphärischen Sammellinse 32 - Bündelung der optischen Strahlung 12 aus der Haupt empfangsrichtung θ auf den Öffnungswinkel α des Emp fangsbereichs - und der umlenkenden sowie aufweitenden Wirkung des Prismas 33 - Umlenkung der Strahlung 22 aus der Hauptempfangsrichtung θ in Richtung Empfangselement 21 mit Hilfe des Prismenwinkels δ und rotationssymme trische Aufweitung auf 360° - die vom Sendeelement 11 der Sendeeinheit 10 ausgehende Strahlung 12 ohne Refle xionsverluste im Empfangselement 21 der Empfangseinheit 20 gebündelt werden.

Der zur Verstärkung und Umlenkung der beispielsweise unter dem Winkel θ von 5° einfallenden Strahlung 12 dienende Optikkörper 31 besteht beispielsweise aus Plexiglas. Sein Außenkörper 32 besitzt als Sammellinse eine annähernde halbkugelförmige Gestalt mit einem Ra dius r von 25 mm (real hat die Linsenoberfläche jedoch aufgrund der Korrektur von Linsenfehlern einen hiervon abweichenden "asphärisch korrigierten" Radius), eine Höhe h von 19,1 mm und eine Brennweite f von beispiels weise 30 mm, sein prismatischer Innenkörper 33 besitzt eine Höhe von r/√ mm, also beispielsweise 17,7 mm, und einen Prismenwinkel δ von beispielsweise 47,5°. Der zy linderförmige Trägerkörper 34 besitzt eine Dicke von beispielsweise d 5 mm und einen Durchmesser b von 50 mm entsprechend dem Linsen-Durchmesser; die Unter seite des Trägerkörpers 34 ist in einem Abstand a von beispielsweise 25 mm von der Empfangseinheit 20 ange ordnet. Das Empfangselement 21 ist beispielsweise ein in Epoxyharz gegossener Silizium-Empfänger und weist einen Empfängerhalbmesser e von 1,5 mm sowie eine ef fektive Detektorfläche von 7,5 mm² auf.

Claims

1. Optisches System mit einer optischen Einheit (1) aus:

a) einer Sendeeinheit (10) mit mindestens einem Sen deelement (11) zur Emission von optischer Strah lung (12),
b) einer Empfangseinheit (20) zur Detektion von opti scher Strahlung (22),
c) einer optischen Strecke (30) zur Übertragung der optischen Strahlung (12, 22) zwischen Sendeeinheit (10) und Empfangseinheit (20),
d) einem in der optischen Strecke (30) angeordneten Optikkörper (31),

dadurch gekennzeichnet:

e) der Optikkörper (31) ist aus einem Außenkörper (32) und einem Innenkörper (33) zusammengesetzt, wobei der Außenkörper (32) als halbkugelförmige, asphärische Konvexlinse, und der Innenkörper (33) als prismatischer Hohlkörper mit vorgegebenem Prismenwinkel (δ) ausgebildet ist,
f) die Außenseite (35) des optischen Körpers (31) ist als Eintrittsfläche der von der Sendeeinheit (10) emittierten optischen Strahlung (12) der Sendeein heit (10) und die Unterseite (36) des Optikkörpers (31) als Austrittsfläche der von der Empfangsein heit (20) zu detektierenden optischen Strahlung (22) der Empfangseinheit (20) zugewandt,
i) die Empfangseinheit (20) besitzt ein einziges Emp fangselement (21), das die vom Optikkörper (31) gebündelte und umgelenkte optische Strahlung (22) detektiert.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Außenkörper (32) des Optikkörpers (31) eine derart konvexe Form aufweist, daß die aus der Hauptempfangsrichtung (θ) einfallende optische Strah lung (12) mit dem Öffnungswinkel (α) des Empfangsbe reichs gebündelt ist, und daß der Prismenwinkel (δ) des Innenkörpers (33) derart gewählt ist, daß die auf der Unterseite (36) des Optikkörpers (31) austretende Strahlung (22) im Empfangselement (21) der Empfangsein heit gebündelt ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß auf der Unterseite (36) des Optikkör pers (31) ein zylinderförmiger Trägerkörper (33) ange ordnet ist.

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (36) des Op tikkörpers (31) planar mit der Empfangseinheit (20) verbunden ist.