SE524141C2 - Anordning för konvertering av ljus - Google Patents

Description

u n :von oo a 10 15 20 25 30 524 141 ~ - - ~ . . . . .- 2 reflekterande prisma som avlänkar en laserstrále med 90° så att ett plan bildas i 360° kring prismat.

Ett problem med att använda en reflekterande kon är att anordningen blir mycket känslig för vinkelavvikelser hos konen relativt den infallande ljusstrålen eftersom en liten vinkelavvikelse där förstoras i utbredningsplanet, se fig lb. Vinkelfelet fördubblas enligt reflexionslagen.

Ett litet vinkelfel kan på långa avstånd ge stora lägesfel.

Sammanfattning av uppfinningen Dessa problem löses med en anordning enligt patentkrav 1.

Fördelen med denna lösning är att en dubbelreflekterande komponent är nästan helt okänslig för monteringsfel. En rotationssymmetrisk dubbelreflekterande komponent fungerar i analogi med ett så kallat pentaprisma. I ett pentaprisma så är vinkeln mellan ingående och utgående stråle fix oavsett translation i sidled eller tiltning. En kropp med två stycken inbördes fast förbundna reflekterande ytor med ett inbördes vinkelförhàllande a avlänkar en infallande stråle 2a, dvs de reflekterande ytornas dubbla inbördes vinkelförhàllande, oavsett infallsvinkel (Fig lb).

Då kroppen vrids en vinkel ß i strålarnas utbredningsplan avlänkas strålen Zß vid den första reflexionen. Denna avlänkning kompenseras vid reflexion i den andra ytan som också vridits samma vinkel ß. Resonemanget kan upprepas för ytterligare par av reflekterande ytor. Avlänkningens oberoende av infallsvinkeln gäller alltså spegelkroppar med ett godtyckligt jämnt antal reflekterande ytor, dvs . . - . .1 10 15 20 25 30 524 141 . . ~ . .- 3 komponenter med en reflexion i vardera av ett jämnt antal ytor, härefter kallade dubbelreflekterande komponenter.

En annan fördel är att det inte behövs några roterande Adelar eller motorer. Dessutom så kombineras ljusstrålens avlänkning och fönster i en och samma detalj, nämligen den dubbelreflekterande komponenten._ Företrädesvis är ett organ anordnat i strålgàngen mellan ljusemittern och den dubbelreflekterande komponenten med 'vilket ljusets infallsvinkel mot den dubbelreflekterande komponenten kan justeras, vilket i sin tur pàverkar utbredningsplanets vinkel ut ur den dubbelreflekterande komponenten. Det är givetvis en stor fördel att en och samma anordning på ett enkelt sätt kan ställas in för att generera ett vågrätt eller valfritt vinklat nedåt) (uppåt eller koniskt utbredningsplan.

Detta kan åstadkommas på flera tänkbara sätt. Ett sätt är att positionera en eller två axiconer koaxialt där åtminstone en axicon är förskjutbart monterad utmed en axel som sammanfaller med den dubbelreflekterande komponentens centrumaxel. En axiell förskjutning av en axicon ändrar storleken på ringen i linsernas gemensamma fokalplan. På då sätt ändras vinkeln på den utgående kollimerade strålkonen. Axiconen kan också vara utbytbar . om så önskas för att därigenom kunna ändra storleken på ljusringen i fokalplanet.

En axicon inför vissa avbildningsfel. Dessa kan kompenseras genom användning av två axiconer med konvinklar av motsatta tecken. - - . . -. n 0:11 into ov I I u o 10 15 20 25 30 524 141 » . . . .. 4 Ett annat sätt är att anordna en zoomlins koaxialt med den dubbelreflekterande komponenten, Ringstorleken kan då vara konstant. Konvinkeln ändras under zoomning eftersom zoomlinsens brännvidd förändras.

Företrädesvis sänder den kollimerande emittern ut ljus i form av en ring eller en del eller delar av en ring exempelvis med hjälp av refraktiva eller diffraktiva axiconer eller axiconer av Fresneltyp. Om ett inte fullständigt runtomstràlande plan önskas kan även en del eller delar av den dubbelreflekterande komponenten blockeras för ljus.

En annan utföringsform visar användningen av en elektriskt driven två-axlig mikromekanisk spegel. Det kollimerade ljuset träffar spegeln som vinklas så att ljusstràlen beskriver manteln hos en kon, dvs att en ring ritas i den dubbelreflekterande komponenten.

Kort beskrivning av ritningarna Fig la+b visar en reflekterande komponent enligt känd teknik och dess problem.

Fig 2a+b visar funktionen hos en dubbelreflekterande komponent enligt uppfinningen.

Fig 3 visar ett uppfinningsenligt arrangemang enligt en första utföringsform för inställning av önskad vinkel hos utbredningsplanet i en första position. Ljusbilden i fokalplanet visas under figuren. . . . . .. 10 15 20 25 30 Fig _ Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig 10 ll 524 141 ' 5 visar arrangemanget i fig 3 i en andra position.

Motsvarande ljusbild visas under figuren. visar ett uppfinningsenligt arrangemang enligt en andra utföringsform för inställning av önskad vinkel hos utbredningsplanet i en första position. Ljusbilden visas under figuren. visar arrangemanget i fig 5 iden andra position.

Motsvarande ljusbild visas under figuren. visar ett uppfinningsenligt arrangemang enligt en tredje utföringsform för inställning av önskad ljusbild. Exempel på ljusbild visas under figuren. visar arrangemanget i fig 7 i en andra position.

Motsvarande ljusbild visas under figuren. visar ett uppfinningsenligt arrangemang enligt en fjärde utföringsform för inställning av önskad ljusbild. Exempel på ljusbild visas under figuren. visar arrangemanget i fig 7 med en annan inställning som ger en partiell ljusbild. visar ett exempel på hur strálgángen kan gå in i en dubbelreflekterande komponent. Efter fokalplanet visas för tydlighets skull endast stràlknippenas centrala strålar, så kallade huvudstràlar. 10 15 20 25 30 524 141 6 Fig 12 visar en första utföringsform av uppfinningen med en två-axlig mikromekanisk spegel sedd fràn sidan.

Fig 13 visar utföringsformen enligt fig 10 ovanifrån.

Fig 14 visar ett antal olika utföringsformer av den dubbelreflekterande komponenten.

Fig 15 visar en andra utföringsform av uppfinningen med en tvâ-aklig mikromekanisk spegel sedd från sidan. visar utföringsformen enligt fig 15 ovanifràn.

Fig 16 Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen Fig la visar känd teknik med ett koniskt prisma 1 som vinklar av ljusstràlar 2 med 90° som sänds ut av en emitter 3 kollimerad av en fokuserande lins eller kollimator 4. Fig lb visar påverkan av en felmontering av prismat 1 i fig la. En felvinkel a hos prismat 1 ger en vinkelavvikelse 2a för strålarna 2.

I fig 2a visas ett uppfinningsenligt arrangemang med en dubbelreflekterande komponent 5. Stràlarna 2 träffar en första reflekterande yta 6 och vinklas av en vinkel y.

Strålarna reflekteras sedan av en andra reflekterande yta 7 och vinklas av en vinkel 7. Vinkeln 9 mellan ingående och ncouo 10 15 20 25 30 1524 141 7 utgående stråle 2 är fix oavsett translation i sidled eller tiltning, se fig 2b.

Givetvis måste inte båda reflektionerna vara lika stora utan den dubbelreflekterande komponenten 5 kan vara utformad så att den första ytan reflekterar i en mindre vinkel och den andra ytan reflekterar i en större vinkel eller vice versa.

I fig 2b är den dubbelreflekterande komponenten 5 felmonterad med en vinkel ß i ritningsplanet. På högra sidan i figuren kommer strålarna 2 in mot den första reflekterande ytan 6 och vinklas av med en vinkel y+2ß.

Sedan reflekteras strålarna 2 i den andra reflekterande ytan 7 och vinklas av med en vinkel 7-Zß. Vinkeln mellan ingående och utgående stråle 2 blir alltså 6 eftersom felen tar ut varandra.

På den vänstra sidan i figuren kommer strålarna 2 in mot den första reflekterande ytan 6 och vinklas av med en vinkel y-2ß. Sedan reflekteras strålarna 2 i den andra reflekterande ytan 7 och vinklas av med en vinkel y+2ß.

Totalt blir vinkeln mellan ingående och utgående stråle 2 också 9 på denna sida.

Eftersom den dubbelreflekterande komponenten 5 är rotationssymmetrisk kommer det att vara en kontinuerlig övergång av felvinklingen (2ß respektive -Zß) från extremläget på höger sida via ingen felvinkel ortogonalt mot ritningsplanet (dvs strålen 2 vinklas av y i första och andra ytan) till extremläget på vänster sida i figuren (-2ß respektive Zß) men den totala vinkeln mellan ingående u o oo 10 l5 20 25 30 5524 141 och utgående kommer alltid att vara 9 runt om den dubbelreflekterande komponenten 55 I fig 3 visas ett arrangemang enligt en första utföringsform för att kunna ändra vinkeln hos utbredningsplanet från en dubbelreflekterande komponent (ej visad i denna figur). En emitter 3 sänder ut ljusstràlar 2 som kollimeras i en fokuserande lins eller kollimator 4. Därefter går ljusstrålarna in i en rörligt monterad axicon 8 som kan vara av refraktiv, diffraktiv eller Fresneltyp.

I ett fokalplan 10 har strålarna gått ihop ooh bildat en ring av ljus ll, se avbildningen direkt under arrangemanget. Företrädesvis är stràlgången i mellanbilden telecentrisk, det vill säga huvudstràlarna är parallella med den optiska axeln. Med ett sådant arrangemang blir den resulterande konvinkeln okritisk för små fokuseringsfel mellan linserna. Därefter är en andra kollimerande lins 12 anordnad som vinklar om strålarna 2 till en utträdespupill 13. Företrädesvis anordnas den dubbelreflekterande komponenten 5 så att utträdespupillen 13 hamnar inuti den dubbelreflekterande komponenten 5. Alla ingående delar är anordnade koaxialt med varandra.

I fig 4 visas samma arrangemang som i fig 3 men axiconen 8 har förskjutits närmare den fokuserande linsen eller kollimatorn 4 längs den gemensamma axeln. På så sätt bildas en ljusring ll med större diameter i fokalplanet lO, se avbildningen under arrangemanget. Ljusstràlarna 2 går sedan vidare genom den kollimerande linsen 12 och bryts där med en större vinkel än vid den visade inställningen i fig 3. un. n» n n nu vara a: 10 15 20 25 30 524 141 9 Axieonen kan vara utbytbar om så önskas för att därigenom kunna ändra storleken på ljusringen i fokalplanet.

Därmed träffas den dubbelreflekterande komponenten 5 av ljusstràlar med en annan ingångsvinkel än den som råder enligt inställningen i fig 3 med det resultatet att utbredningsplanet från den dubbelreflekterande komponenten 5 kommer att ha en annan vinkel än vid inställningen enligt fig 3.

I fig 5 visas ett arrangemang enligt en andra att kunna ändra vinkeln hos från en dubbelreflekterande utföringsform för utbredningsplanet komponent (ej visad i denna figur). En emitter 3 sänder ut ljusstrålar 2 som kollimeras i en fokuserande lins eller kollimator 4. Därefter går ljusstrålarna in i en första fast monterad axicon 8, vilken kan vara refraktiv, diffraktiv eller av Fresneltyp, och vidare genom en andra rörligt monterad axicon 9 som också kan vara av refraktiv, diffraktiv eller Fresneltyp.

I ett fokalplan 10 har strålarna gått ihop och bildat en ring av ljus ll, se avbildningen direkt under arrangemanget. Företrädesvis är strålgången i mellanbilden telecentrisk, det vill säga huvudstrålarna är parallella med den optiska axeln. Med ett sådant arrangemang blir den resulterande konvinkeln okritisk för små fokuseringsfel mellan linserna. Därefter är en andra kollimerande lins 12 anordnad som vinklar om strålarna 2 till en utträdespupill 13. Företrädesvis anordnas den dubbelreflekterande komponenten 5 så att utträdespupillen 13 hamnar inuti den dubbelreflekterande komponenten 5. Alla ingående delar är anordnade koaxialt med varandra.

. . Q . .- canon 10 15 20 25 30 524 141 ~ . . . . . .. 10 I fig 6 visas samma arrangemang som i fig 5 men den andra axiconen 9 har förskjutits bort från den fast monterade axiconen 8 längs den gemensamma axeln. På så sätt bildas en ljusring ll med större diameter i fokalplanet 10, se avbildningen under arrangemanget. Ljusstrålarna 2 går sedan vidare genom den kollimerande linsen 12 och bryts där med en större vinkel än vid den visade inställningen i fig s.

Därmed träffas den dubbelreflekterande komponenten 5 av ljusstràlar med en annan ingångsvinkel än den som råder enligt inställningen i fig 5 med det resultatet att utbredningsplanet från den dubbelreflekterande komponenten 5 kommer att ha en annan vinkel än vid inställningen enligt fig 5.

Med arrangemangen enligt fig 3-6 kan utbredningsplanet ställas in från en bestämd vinkel nedåt så att ett nedàtvinklat koniskt utbredningsplan bildas via ett plant horisontellt utbredningsplan (utan vinkel) till en bestämd vinkel uppåt så att ett uppàtvinklat koniskt utbredningsplan bildas.

I fig 7 visas ett annat arrangemang enligt en tredje utföringsform för att kunna ställa in vinkeln på strålarnas 2 utbredningsplan ut från den dubbelreflekterande komponenten 5. Arrangemanget innefattar en emitter 3, kollimator 4 och en eller två fasta axiconer 8, 9 för bildande av ljusbilden ll i fokalplanet 10, i detta fall en cirkel, se avbildningen under arrangemanget.

Vidare innefattas en zoomlins 14 med vilken strålarnas 2 utgående vinkel kan ställas in. Alla ingående delar är n a u coon on coat nu 10 15 20 25 30 524 141 ll koaxialt anordnade. Med zoomlinsens inställning ändras strålarnas 2 utgângsvinkel.

I fig 8 har zoomlinsen 14 en annan inställning så att strålarnas 2 utgángsvinkel från zoomlinsen är annorlunda.

Pà så sätt kan ingångsvinkeln pà strålarna 2 till den dubbelreflekterande komponenten 5 ställas in med resultatet att utbredningsplanets vinkel kan ställas in.

I fig 9 visas ett ytterligare arrangemang i enlighet med uppfinningen. Även här är de ingående detaljerna koaxialt anordnade. Arrangemanget innefattar en emitter 3, kollimator 4 och en diffraktiv ljusbildsgenerator 15 som exempelvis åstadkommer tre olika ringar ll med olika diameter.

Ringarna kan skiljas fån varandra med olika mönster såsom visas nedanför arrangemanget med en inre prickad ring, en hel mittenring och en streckad yttre ring eller på annat sätt, såsom olika färger på ljusringarna ll.

Stràlarna 2 i de olika ljusbilderna ll har olika diameter och träffar en kollimerande lins 12, varvid de bryts med olika vinkel så att de kommer att ha olika ingångsvinkel i den dubbelreflekterande komponenten 5 och därmed ge olika vinklade utbredningsplan från den dubbelreflekterande komponenten 5.

Exempelvis kan den mittersta ljusringen ge ett plant horisontellt utbredningsplan och de två andra ljusringarna ett nedåtriktat respektive uppåtriktat koniskt utbredningsplan, exempelvis l° uppåt respektive nedåt. l0 15 20 25 30 524 141 :@;;- . . - . _. 12 I fig 10 visas att partiella strálbilder ll också kan skapas om så önskas medelst exempelvis en diffraktiv komponent. Detta kan också uppnås genom att den dubbelreflekterande komponenten 5 maskas så att ljusstrålarna 2 stoppas och utbredningsplanet inte blir fullständigt runtomgàende.

I fig 11 visas en utföringsform av uppfinningen enligt fig 5 där även den dubbelreflekterande komponenten 5 visas.

Stràlarnas 2 gång genom den dubbelreflekterande A komponenten 5*visas också. Om tre olika ljusbilder ll finns i fokalplanet 10 bildar de tre olika utbredningsplan 17.

Om dessa plan i tanken skissas 18 in mot centrumaxeln möts de i en centrumpunkt 16. Denna centrumpunkt fungerar som ett tänkt ”gångjärn” eller ”nav” från vilket ett eller flera utbredningsplan 17 i tanken utgår och kan vinklas upp eller ner ifrån.

I fig 12 visas en annan utföringsform av uppfinningen som använder en elektriskt driven två-axlig mikromekanisk spegel 20. En kollimerad ljusstråle 2 från en emitter 3 träffar spegeln 20 som vinklas medelst elektronik (ej visad) så att ljusstrålen 2 beskriver manteln hos en kon, dvs att en ring ritas i den dubbelreflekterande komponenten 5.

En viss del 22 av ljusstrålen 2 reflekteras i botten av den dubbelreflekterande komponenten 5 och faller in på två fotodiodarrayer 21 anordnade ortogonalt mot varandra, se fig 13. På så sätt kan man få en återkoppling så att justeringar kan göras medelst elektronik (ej visad) av diametern hos ljusringen och centreringen av densamma. . . . . -- non-n 10 ~ 524 141 13 I fig 14 visas ett antal olika dubbelreflekterande komponenter som exempel.

Fig 15 visar en andra utföringsform av varianten av uppfinningen som visas i fig 12. Där visas möjligheten att använda en eller två axiconer mellan den mikromekaniska spegeln 20 och den dubbelreflekterande komponenten 5. Det är även möjligt att istället använda en zoomlins däremellan. . . . . .-

Claims (5)

524 141 14 PATENTKRAV

1. Anordning för konvertering av ljus från exempelvis en laser, VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) 5 eller lysdiod/-er till ett utbredningsplan innefattande en kollimerad eller fokuserad ljusemitter (3), kännøtecknad av att en hel eller en del eller delar av en rotationssymmetrisk dubbelreflekterande komponent (5) är fast anordnad 10 koaxialt i stràlgàngen (2) från den kollimerade eller 'fokuserade ljusemittern (3) så att ljuset vinklas av i ett valfritt vinklat utbredningsplan (17) som sträcker sig upp till 360° kring den dubbelreflekterande komponenten (5). 15 _

2. Anordning enligt krav 1, i vilken ett inställbart organ (8, 9, 14, 20, 21) är anordnat i strålgången (2) mellan den kollimerade ljusemittern (3) och den dubbelreflekterande komponenten (5), varvid 20 inställningen av organet (8, 9, 14, 20, 21) bestämmer ljusets (2) infallsvinkel mot den dubbelreflekterande komponenten (5) och därmed vinkeln på utbredningsplanet (17). Un: 25

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, i vilken det inställbara organet innefattar en eller flera koaxialt anordnade axiconer (8, 9) där åtminstone en -f; är förskjutbart anordnad (9) utefter en med den Ågï dubbelreflekterande komponenten (5) gemensam axel. . 30 . -H:

4. Anordning enligt krav 3, i vilken axiconerna (8, 9) §¿§ är refraktiva, diffraktiva eller av Fresneltyp. 10 15 20 25 524 141 1

5. . Anordning enligt krav 1 eller 2, i vilken det (14) anordnad med den dubbelreflekterande komponenten (5). inställbara organet är en zoomlins koaxialt Anordning enligt något av de fdregàende kraven, i vilken den kollimerade emittern (3) sänder ut ljus (2) i form av en ring (ll) eller en del eller delar av en ring eller att en komponent av refraktiv, diffraktiv eller Fresneltyp är anordnad för att forma ljuset till önskad form. . Anordning enligt något av de föregående kraven, i vilken en viss del eller delar av den dubbelreflekterande komponenten (5) är blockerad för (2) utbredningsplanet så att en del eller delar av (17) ljus uteblir. . Anordning enligt något av kraven l-4, i vilken en elektriskt driven två-axlig mikromekanisk spegel (20) träffas av det kollimerade ljuset (2), vilken spegel (20) är drivbar så att ljusstràlen (2) vinklas pà så sätt att den beskriver mantelytan av en kon, vilken går vidare till den dubbelreflekterande komponenten (5). » - ~ . .-