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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Nachtsichtsystem, und betrifft
speziell ein farbkorrigiertes Laser-Beleuchtungssystem für Nachtsichtanwendungen.
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In
Kraftfahrzeuganwendungen benutzte, herkömmliche Beleuchtungssysteme,
wie etwa Scheinwerfer und Rücklichter,
setzen eine Glühlampe
mit einem Reflektor ein. Das von der Glühlampe emittierte Licht wird
im Allgemeinen von dem Reflektor parallel gerichtet. Die Glühbirne wird
benutzt um für
Scheinwerfer- und Rücklichtanwendungen
Licht im sichtbaren Spektrum zu erzeugen. Aktive Nachtsichtsysteme
erfordern typischerweise eine Emission im nahen Infrarot, die mit
Halbleiter-CCD- oder -CMOS-Kameras kompatibel ist, um den Bereich
vor dem Fahrzeug zu beleuchten.
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Fortschritte
bei den Festkörper-Lasern
haben zu Dünnschicht-Beleuchtungssystemen
zur Verwendung in Rücklicht-
und aktiven Nachtsichtsystemen Anlaß gegeben. Die Dünnschichtsysteme
erfordern weniger Raum als Lampen- und Reflektorsysteme. Weiterhin
sind Laserdioden energiesparender und zuverlässiger als Glübirnen.
Eine Herausforderung bei Dünnschicht-Beleuchtungssystemen
ist es das Laserlicht ausreichend schnell über einen ausreichend großen Bereich
zu verteilen, um für
gute Sicht Raumausleuchtungs-Erfordernissen – und gleichzeitig Augenschutz-Anforderungen,
wie unter solche Anwendungen regelnden Gesetzen verfügt – nachzukommen.
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U.S.-Patent
Nr. 6,422,713, erteilt am 23. Juli 2003 und betitelt „Thin Sheet
Collimation Optics For Use in Night Vision And Exterior Lighting
Applications" beschreibt
Dünnschicht-Kollimatoroptiken,
welche benutzt werden können
um augensichere Scheinwerferlampen auf Basis von Diodenlasern für Nachtsichtanwendungen
zu erzeugen. Die Emissionsmuster von Optiken wie in der erwähnten Anwendung
offenbart sind jenen von „Aufblend"-Frontscheinwerfern darin ähnlich,
daß sie
weit im voraus projizieren, um Objekte auf große Entfernung zu beleuchten,
und außerdem
Abblendlicht zur Beleuchtung von Objekten auf geringe Entfernung
zu beiden Seiten des Fahrzeugs bereitstellen.
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Für die meisten
Nachtsichtanwendungen liegt die Laser-Emissionswellenlänge typischerweise im
nahen Infrarotbereich (800–900
nm), z.B. 810 nm, was außerhalb
jenes normalerweise als für
das menschliche Auge sichtbar angesehenen Spektrums (400–750 nm)
liegt. Obwohl das menschliche Auge extrem unempfinlich für nahes
Infrarotlicht ist, kann es für
einen Fahrer unter bestimmten Bedingungen möglich sein einen Nahinfrarot-Laser-Frontscheinwerfer
eines sich nähernden
Fahrzeugs als ein schwaches rotes Licht wahrzunehmen. Ein derartiges
System, das dieses Merkmal zeigt, ist EP-A-0 936-107. Gegenwärtige Regierungsrichtlinien
verbieten einem nicht dem Gesetzesvollzug oder Notfall dienenden
Fahrzeug den Gebrauch irgendeiner vorwärts gerichteten Beleuchtungsvorrichtung,
die von anderen Fahrzeugführern
als „rot" wahrgenommen werden
könnte.
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Folglich
besteht eine Notwendigkeit für „farbkorrigierte" Laser-Frontscheinwerfer
für Nachtsichtanwendungen,
die von anderen Fahrzeugführern nicht
als rotes Licht wahrgenommen werden könnten.
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Es
ist ein Gegenstand dieser Erfindung ein verbessertes, farbkorrigiertes
Beleuchtungssystem für
Nachtsichtzwecke bereitzustellen.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Beleuchtungssystem für
Nachtsichtanwendungen bereitgestellt; dadurch gekennzeichnet, daß das System
eine Nahinfrarot-Lichtquelle umfaßt; ein in einer Entfernung
von der Nahinfrarot-Quelle angeordnetes optisches Element, wobei
das optische Element eine Eingangsfläche besitzt, um Licht von der
Nahinfrarot-Quelle zu empfangen; und eine Ausgangsfläche, um
das empfangene Licht in einem gewünschten Emissionsmuster zu
emittieren; und mindestens eine sichtbare, nicht rote Lichtquelle,
die nahe einer Oberfläche
des optischen Elements derart angeordnet ist, daß die Ausgangsfläche des
optischen Elements das sichtbare Licht emittiert, um das emittierte
nahe Infrarotlicht zu maskieren; dadurch gekennzeichnet, daß die nicht
rote Lichtquelle eine Platte umfaßt, die eine Mehrzahl nicht
roter, Licht emittierender Dioden darauf angeordnet aufweist; und
das optische Element ein im Wesentlichen planares optisches Dünnschicht-Element
umfaßt,
und die Platte im Wesentlichen parallel zu einer Außenfläche des
optischen Elements angeordnet ist.
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Die
Nahinfrarot-Lichtquelle kann eine Laserdiode umfassen, die Licht
bei Wellenlängen
zwischen ungefähr
800–900
nm emittiert; und die sichtbare, nicht rote Lichtquelle kann eine
Lichtquelle umfassen, die Licht bei Wellenlängen zwischen ungefähr 400–600 nm
emittiert.
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Das
System kann weiterhin eine Kamera umfassen, die adaptiert ist um
nahes Infrarotlicht von der Nahinfrarot-Lichtquelle zu empfangen,
das von einem Objekt innerhalb eines Kamerablickfeldes reflektiert
wird.
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Das
System kann weiterhin eine Anzeige zur Abbildung von innerhalb des
Blickfeldes der Kamera detektierten Objekten umfassen.
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Die
sichtbare, nicht rote Lichtquelle kann eine Mehrzahl nicht roter,
Licht emittierender Dioden umfassen.
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Jede
nicht rote, Licht emittierende Diode kann ein jeweilige Kollimatorlinse
einschließen.
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Die
sichtbare, nicht rote Lichtquelle kann weiterhin eine Platte umfassen,
die eine Mehrzahl darauf angeordneter, nicht roter, Licht emittierender Dioden
aufweist.
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Die
sichtbare, nicht rote Lichtquelle kann weiterhin eine Platte umfassen,
die eine Mehrzahl darauf angeordneter, nicht roter, Licht emittierender Dioden
aufweist, wobei das optische Element ein im Wesentlichen planares
optisches Dünnschichtelement
umfassen kann und die Platte im Wesentlichen parallel zu einer Außenfläche des
optischen Elements angeordnet sein kann.
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Die
sichtbare, nicht rote Lichtquelle umfaßt eine Platte, die darauf
angeordnet eine Mehrzahl nicht roter, Licht emittierender Dioden
aufweist, und das optische Element umfaßt ein im Wesentlichen planares
optisches Dünnschichtelement,
und die Platte ist nahe einer Oberfläche des optischen Elements
angeordnet, die zu der Eingangsfläche senkrecht liegt.
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Die
Ausgangsfläche
des optischen Elements kann ungefähr senkrecht zu der Eingangsfläche liegen,
und das optische Element umfaßt
eine gestufte Oberfläche,
die eine Mehrzahl reflektierender Facetten derart angeordnet aufweist,
daß das
Licht beim Durchtritt von der Eingangsfläche zu der Ausgangsfläche von
der Mehrzahl reflektierender Facetten reflektiert wird.
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Das
optische Element kann ein optisches Dünschichtelement umfassen, das
eine asphärische Eingangsfläche aufweist,
um durch die Eingangsfläche
tretendes Licht parallel zu richten; eine im Wesentlichen planare,
zu einer Symmetrieachse der Eingangsfläche allgemein senkrechte Ausgangsfläche; und
eine der im Wesentlichen planaren Ausgangsfläche gegenüberliegende gestufte Oberfläche, die
eine Mehrzahl von Stufen im Allgemeinen parallel zu der Ausgangsfläche durch
zugehörige, gewinkelte
Facetten getrennt aufweist, die in einem Winkel angeordnet sind,
um das durch die Eingangsfläche
ein- und durch die Ausgangsfläche
austretende Licht zu reflektieren.
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In
einer Ausführungsform
kann das Beleuchtungssystem für
Nachtsichtanwendungen eine Nahinfrarot-Lichtquelle umfassen; ein
in einer Entfernung von der Nahinfrarot-Lichtquelle angeordnetes optisches
Dünnschichtelement,
wobei das optische Element eine Eingangsfläche aufweist, um Licht von der
Nahinfrarot-Quelle zu empfangen; und eine Ausgangsfläche, um
das empfangene Licht in einem gewünschten Emissionsmuster zu
emittieren; wobei eine sichtbare, nicht rote Lichtquelle eine Platte
umfaßt,
die eine Mehrzahl nicht roter, Licht emittierender Dioden darauf
angeordnet aufweist; und die Platte sich derart nahe einer Oberfläche des
optischen Elements befindet, daß die
Ausgangsfläche
des optischen Elements das sichtbare Licht emittiert, um das emittierte
nahe Infrarotlicht zu maskieren; eine Kamera, die angepaßt ist um
von einem Objekt innerhalb eines Kamera-Blickfeldes reflektiertes
nahes Infrarotlicht von der Nahinfrarot-Lichtquelle zu empfangen;
und ein Display, um innerhalb des Kamera-Blickfeldes detektierte Objekte abzubilden.
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Die
vorliegende Erfindung ist darin vorteilhaft, daß sie einen Mechanismus bereitstellt
um das von dem Nachsichtsystem emittierte nahe Infrarotlicht derart
maskiert, daß das
Licht von anderen Fahrzeugführern
nicht als rotes Licht wahrgenommen werden kann. Ein anderer Vorteil
der vorliegenden Erfindung ist es, daß sie ein optisch effizientes
optisches Element bereitstellt, das in der Lage ist ein wünscheswertes,
breites Beleuchtungsmuster zu erzeugen.
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Mit
Bezug auf die Merkmale der Erfindung veranschaulichenden Zeichnungen
werden einem Fachmann auf das Lesen der folgenden, detaillierten Beschreibung
anhand eines Beispiels andere Vorteile und Merkmale der Erfindung
offensichtlich werden.
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Die
Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm einer in einem aktiven Nachtsichtsystem
eingesetzten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
eines optischen Elements zum Gebrauch mit dem farbkorrigierten Beleuchtungssystem ist;
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3 eine
Vorderansicht des optischen Elements von 2 ist;
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4 eine
Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform
eines optischen Elements zum Gebrauch mit dem farbkorrigierten Beleuchtungssystem ist;
und
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5 eine
Vorderansicht des optischen Elements von 4 ist.
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Während die
vorliegende Erfindung unter Bezug auf ein aktives Nachtsichtsystem
für ein
Fahrzeug beschrieben wird, wird man erkennen daß die vorliegende Erfindung
für andere
Anwendungen angepaßt
und eingesetzt werden könnte,
bei denen eine Nahinfrarot-Lichtquelle eingesetzt wird.
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In
der folgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter
und Komponenten für zwei
konstruierte Ausführungsformen
beschrieben. Diese speziellen Parameter und Komponenten sind als
Beispiele eingeschlossen und nicht einschränkend gedacht.
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Unter
Bezug auf die Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugsnummern verwendet
werden um in den verschiedenen Ansichten identische Komponenten
zu identifizieren, veranschaulicht 1 nun ein schematisches
Blockdiagramm der in einem aktiven Nachtsichtsystem verwendeten
vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel wird die farbkorrigierte Lichtquelle 10 benutzt
um nahes Infrarotlicht zu erzeugen. Ein optisches Element 104,
wie etwa ein optisches Dünnschichtelement 104,
empfängt
das Licht durch eine Eingangsfläche 106.
Das Licht wird innerhalb des optischen Elements 104 reflektiert
und durch eine Ausgangsfläche 110 gesendet
oder emittiert. Eine Linse, ein Diffusor, eine holographische Platte,
Kissenoptiken, Beugungsoptiken oder jegliche andere optische Vorrichtung
kann an die Ausgangsfläche 110 angrenzend
oder ihr benachbart positioniert werden, um das Laserlicht zu manipulieren, um
ein gewünschtes
Beleuchtungsmuster vor dem Nachtsichtsystem zu schaffen. Alternativ
kann das optische Element 104 konstruiert sein um selber
das gewünschte
Beleuchtungsmuster zu emittieren.
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Von
der Ausgangsfläche 110 der
Optik 104 emittiertes Licht beleuchtet Objekte wie Objekt 12 innerhalb
des Blickfeldes des Nachtsichtsystems. Objekt 12 reflektiert
das Laserlicht zurück
in Richtung auf das Nachtsichtsystem. Optische Elemente 14 verarbeiten
das von Objekt 12 reflektierte Licht und übermitteln
die gewünschten
Lichtdaten zu einer Kamera 16. Die Kamera 16 verarbeitet
die Lichtdaten und bietet sie einem Display 18 derart an,
daß die Objektinformation
dem Systemnutzer bekannt gemacht werden kann. Die Kamera 16 kann
ein siliziumbasierte CCD- oder CMOS-Kamera sein, die gefiltert ist
um Licht mit der gleichen Wellenlänge wie der NIR-Quelle – wie etwa
bei 810 nm – wahrzunehmen. Die
Optik 14 schließt
typischerweise einen Schmalbandfilter ein, um die Kamera 16 von
dem Licht außerhalb
des Bereichs von Interesse, das heißt nahe dem Infrarotbereich,
abzuschirmen.
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Unter
Bezug auf 2 wird nun ein schematisches
Diagramm der farbkorrigierten Lichtquelle 10 und des optischen
Bauteils 104 von 1 gezeigt.
Die farbkorrigierte Lichtquelle schließt eine Nahinfrarot-Lichtquelle 20 und
eine farbkorrigierende Lichtquelle 22 ein. Die Nahinfrarot-Quelle 20 kann eine
LED oder einen Diodenlaser umfassen, welcher Licht in dem nahen
Infrarotbereich von ungefähr
800 bis 900 nm – wie
etwa 810 nm – emittiert.
Die NIR-Quelle 20 ist die in dem Nachtsichtsystem zur Beleuchtung
von Objekten in dem Blickfeld des Nachtsichtsystems verwendete Primärlichtquelle.
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Die
farbkorrigierende sichtbare Lichtquelle 22 kann einen Glühdraht,
eine Halogenbirne, eine LED oder irgend eine ähnliche Lichtquelle einschließen, die über mindestens
einen Abschnitt des sichtbaren Spektrums des Lichts hinweg Licht
liefert. Vorzugsweise emittiert die Lichtquelle 22 Licht – anderes als
rotes Licht – in
einem Bereich des sichtbaren Spektrums, obwohl die roten Wellenlängen in
dem von Lichtquelle 22 emittierten Lichtspektrum eingeschlossen
sein können.
In einer Ausführungsform schließt die Lichtquelle 22 eine
Mehrzahl grüner,
weißer
oder gelber Licht emittierender Dioden (LEDs) 23 mit einer
derart gewählten
Emissionsintensität
ein, daß,
wenn sie mit der NIR-Quelle 20 kombiniert werden, von dem
menschlichen Sehsystem ein weißes oder
anderes nicht rotes Bild wahrgenommen wird.
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Die
farbkorrigierenden LEDs 23 sind auf einer Platte 25 in
einem Muster angeordnet, das im Wesentlichen die Emissionsfläche der
Dünnschichtoptik 104 bedeckt.
die Platte 25 ist an die emittierende Oberfläche der
Optik 104 derart angrenzend positioniert, daß sie die
emittierende Öffnung
mit anderem als IR-Licht füllt.
Die Platte 25 kann zum Beispiel metallisch oder Plastik
sein. Somit empfängt
das optische Element 104 das von NIR-Quelle 20 und
den farbkorrigierten LEDs 23 gelieferte, kombinierte Licht und
emittiert beides in dem gleichen Strahlenmuster. Jede LED 23 kann
ihre eigene Kollimatorlinse 27 einschließen, und
jede kann in einer Richtung derart angeordnet sein, daß das farbkorrigierte
Licht auf Durchtritt durch die Optik 104 hin ungefähr parallel
zu dem NIR-Licht parallel gerichtet wird. Geeignete farbkorrigierte
LEDs 23 sind Luxeon-Quellen von Firma LumiLeds, Teilenummer
LXHL-MW1D (weiß)
und LXH1-ML1D (gelb). Ähnliche
LEDs sind auch von der Firma Osram verfügbar.
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Abhängig von
der speziellen Facettierung des optischen Elements 104 und
der Lage der NIR-Quelle 20 kann
die relative Position der farbkorrigierenden Quelle 22 hinsichtlich
des optischen Elements 104 variieren. Obwohl sie sich dem
optischen Bauteil 104 nahe oder an sie angrenzend befindet, muß klar sein
daß die
farbkorrigierende Quelle sich nicht in der in den Beispielen der 3–5 gezeigten
Position befinden muß.
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Im
Betrieb wird die resultierende Beleuchtungsausgabe von sich in der
Gegenrichtung nähernden
Fahrzeugführern
oder von Fahrzeugführern
vor dem mit einem solchen Nachtsichtsystem ausgerüsteten Fahrzeug
als weißes
Licht, oder zumindest nicht als rotes Licht, wahrgenommen werden,
weil die farbkorrigierte Lichtquelle 22 in dem gleichen
Strahlenmuster emittiert wird wie die NIR-Quelle 20.
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Details
des optischen Bauelements 104 werden nun unter Bezug auf 2 und 3 beschrieben
werden. 2 zeigt eine Seitenansicht einer
ersten Ausführungsform
des optischen Bauteils für
das farbkorrigierte Beleuchtungssystem. 3 ist eine
Vorderansicht des optischen Bauteils von 2. Das optische
Bauteil 104 wird benutzt um das Licht von der Nahinfrarot-Lichtquelle 20 und
das Licht von der Lichtquelle 22 im Wesentlichen in den gleichen
Mustern zu übertragen.
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Von
der NIR-Quelle 20 emittiertes Licht besitzt einen zugehörigen ersten
und zweiten divergenten Emissionswinkel 202, 206.
Der erste divergente Emissionswinkel liegt typischerweise in der
Größenordnung
von 35°,
während
der zweite divergente Emissionswinkel typischerweise in der Größenordnung
von 10° liegt.
Die ersten und zweiten divergenten Emissionswinkel 202, 206 können abhängig von der
Art und Konstruktion der jeweiligen Lichtquelle 20 größer oder
kleiner sein. Das optische Element 104 zieht aus diesen
divergierenden Winkeln 202, 206 Vorteil, um die
Emissionsmuster der Lichtquellen räumlich auszudehnen, ohne eine
in anderen Konstruktionen gewöhnlich
zu findende, zusätzliche
Optik zu benötigen.
Selbstverständlich
können
im Rahmen der vorliegenden Erfindung andere Arten von Lichtquellen 20 benutzt
werden, welche divergierendes Licht bei anderen Wellenlängen emittieren.
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Die
NIR-Quelle 20 ist um eine vorherbestimmte Entfernung von
dem optischen Element 104 weg positioniert, wie durch Entfernung 300 angedeutet.
Die vorherbestimmte Entfernung 300 ist so gewählt, daß sich das
Licht räumlich
um einen gewünschten
Betrag entlang einer Richtung parallel zu einer Breite des optischen
Elements 104 ausdehnt. Die Breite des optischen Elements
ist durch Dimension 302 angedeutet.
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In
dem gezeigten Beispiel füllt
das Licht die Eingangsfläche 106 in
Richtung der Breite 302 aus. Wenn in einem Nachtsichtsystem
benutzt, beträgt eine
bevorzugte Breite 302 des optischen Elements 104 ungefähr 50 mm.
Größere oder
kleinere Breiten 302 können
innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung wie von der speziellen
Anwendung gefordert benutzt werden.
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Eingangsfläche 106 des
optischen Elements 104 besitzt eine asphärische Krümmung, um
das Licht parallel zu richten während
es in das optische Element 104 eintritt. Die Parallelrichtung
wird in einer Ebene parallel zu der Ausgangsfläche 110 und entlang
einer Richtung parallel zu einer Länge des optischen Elements 104 erzielt.
Die Länge
wird durch Dimension 304 angedeutet.
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3 ist
eine Vorderansicht der in 2 gezeigten
NIR-Lichtquelle 20 und der weißen Lichtquelle 22 und
des optischen Elements 104. Das von Lichtquelle 20 emittierte
Licht dehnt sich räumlich über eine
vorherbestimmte Entfernung 300 entlang einer Richtung parallel
zu einer Tiefe des optischen Elements 104 aus. Die Tiefe
des optischen Elements 104 ist durch die in 2 gezeigte
Dimension 306 angedeutet.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
füllt das Licht
die Eingangsfläche 106 in
Richtung der Tiefe 306. Tiefe 306 des optischen
Elements 104 reicht allgemein von ungefähr 5 mm bis ungefähr 10 mm.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindungen können dickere und dünnere Tiefen 306 verwendet
werden. Zum Beispiel könnte
die Tiefe 306 bis zu einem Millimeter dünn sein.
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Eingangsfläche 106 des
optischen Elements 104 kann entlang der Richtung von Tiefe 306 eine Krümmung aufweisen,
um das Licht in einer Ebene senkrecht zu der Ausgangsfläche parallel
zu richten. Parallelrichtung wird entlang einer Richtung parallel zu
der Länge 304 des
optischen Elements 104 in einer Ebene senkrecht zu der
Ausgangsfläche 110 erreicht.
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Die
gestufte Oberfläche 108 wird
in dem optischen Element 104 allgemein in einem Winkel
zwischen Eingangsfläche 106 und
Ausgangsfläche 110 gebildet.
Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich die gestufte Oberfläche 108 von
der Unterseite von Eingangsfläche 106 zu
der entfernten Seite von Ausgangsfläche 110.
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Die
gestufte Oberfläche 108 wird
mit mehreren in treppenartiger Konfiguration angeordneten Facetten 122a–e gebildet.
Facette 122a ist die niedrigste Facette 122 der
Treppe und die zu Eingangsfläche 106 nächste Facette 122.
Facette 122e ist die höchste
Facette 122 der Treppe und die von Eingangsfläche 106 am
weitesten entfernte Facette 122. Die Facetten 122 sind
voneinander durch flache Bereiche 124 getrennt. Die flachen
Bereiche 124 sind ausgerichtet, um parallel zu der Ausgangsfläche 110 zu
liegen.
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Jede
Facette 122 wird hinsichtlich der Ausgangsfläche 110 in
einem Winkel gebildet. In einer Ausführungsform sind alle der Facetten 122 in
einem Winkel von 45° angesetzt,
um das Licht zu Ausgangsfläche 110 hin
entlang einer Richtung senkrecht zu der Ausgangsfläche 110 zu
reflektieren. Es können
andere Winkel benutzt werden, einschließlich verschiedener Winkel
für verschiedene
Facetten 122, um Variationen des Beleuchtungsmusters zu
erzeugen.
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Alle
der Facetten 122 sind konstruiert, um das parallel gerichtete
Licht unter Verwendung innerer Reflektion zu reflektieren. Innere
Totalreflektion von Licht tritt in einem optischen Medium dort auf,
wo ein Einfallswinkel θ von
Licht auf eine Oberfläche
einen von Gleichung 1 gegebenen Grenzwinkel θC überschreitet: θC =
sin–1(n1/n2) (1) wobei n1 der Brechungsindex eines umgebenden Mediums
ist, und n2 der Brechungsindex des optischen
Mediums ist.
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In
einer Ausführungsform
ist das optische Element 104 aus einem Polycarbonat gefertigt,
das einen Brechungsindex von ungefähr n2 =
1,489 besitzt. Weiterhin ist das umgebende Medium Luft mit einem
Brechungsindex von Eins (n1 = 1). Dies erzeugt
einen Grenzwinkel von ungefähr θC = 42°.
Mit den Facetten 122 in einem Winkel von 45° hinsichtlich
des einfallenden Lichts angeordnet, wird das Licht dann durch den
Prozeß der
inneren Totalreflektion von den Facetten reflektiert.
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Manche
Anwendungen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung können es
erfordern daß die
Facetten 122 in weniger als dem Grenzwinkel angeordnet
sind. In diesen Fällen
kann eine Schicht an reflektierendem Material, wie etwa Metall,
auf der Außenseite
der gestuften Oberfläche 108 abgelagert
werden. Alternativ können
andere transparente optische Materialien benutzt werden, die andere
Brechungsindizes besitzen; einschließlich Acryl, Plastik und Glas,
aber nicht darauf beschränkt.
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Die
Anzahl von Facetten 122 und die Größe jeder Facette 122 ist
anwendungsspezifisch. Im Allgemeinen sollten es drei oder mehr Facetten 122 sein.
Die Anzahl an Facetten 122 zu erhöhen, erhöht die Einheitlichkeit des
durch die Ausgangsfläche 110 emittierten
Beleuchtungsmusters auf Kosten eines dickeren optischen Elements 104.
Die Einheitlichkeit des Beleuchtungsmusters kann dadurch verbessert werden,
die Facetten 122 in einer oder mehreren Richtungen leicht
zu biegen, so daß sie
eine Leichte Streuung des Lichts verursachen während sie das Licht reflektieren.
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Der
Effekt des optischen Elements 104 ist es, die von den Lichtquellen 20, 22 emittierte
optische Energie über
einen großen
Bereich zu streuen. Unter Verwendung der bevorzugten Abmessungen von
50 mm für
die Breite 302, 125 mm für die Länge 304 und 5 mm für die Tiefe 306 besitzt
das optische Element 104 einen Eingangsflächen-Bereich,
um ein Ausgangsflächen-Verhältnis von
4% zu schaffen. Unter Vernachlässigung
optischer Verluste setzt sich dies in jene die Ausgangsfläche 110 verlassende Strahlungsstärke um,
die im Durchschnitt fünfundzwanzig
mal kleiner ist als das, was in die Eingangsfläche 106 eintritt.
Dieses Verhältnis
kann verändert werden,
indem man die Abmessungen 302, 304 und 306 des
optischen Elements verändert.
Zum Beispiel verändert
es das Verhältnis
auf 10%, die Tiefe auf 12,5 mm zu ändern. Die Tiefe auf 1,25 mm
zu senken senkt das Verhältnis
auf 1%. Dieses Verhältnis
kann angepaßt werden,
um eine gewünschte
optische Strahlungsstärke
an der Ausgangsfläche 110 zu
liefern.
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Unter
Bezug auf 4 und 5 wird nun eine
alternative Ausführungsform
für das
optische Element 104 gezeigt. In den Beispielen der 4 und 5 ist
wieder ein einzelnes optisches Element gezeigt, um das Licht von
der NIR-Quelle 20 und der weißen Lichtquelle 22 zu übermitteln.
Abhängig
von den divergierenden Winkeln des emittierten Lichts von der NIR-Quelle 20 kann
auch ein Diffusor benötigt
werden, um die Eingangsfläche 106 mit
Licht von der Lichtquelle 20 zu füllen.
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Das
optische Element 104' besitzt
eine allgemein keilförmige
Ausgangsfläche 110'. Die Facetten 122' folgen um eine
zu der Ausgangsfläche 110' senkrechten
Mittelachse 126 herum Bogen mit mit verschiedenen Radien. Ähnlich folgt
Eingangsfläche 106' einem Bogen
um die Mittelachse 126.
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In
dieser Ausführungsform
ist die NIR-Quelle 20 mit ihrem Ausgang an der Mittelachse 126 positioniert.
Während
sich das Licht von der Lichtquelle 20 in dem ersten divergierenden
Winkel 202 ausbreitet, tritt es senkrecht zu der Eingangsfläche 106' in das optische
Element 104' ein,
wie in der Ebene parallel zur Ausgangsfläche 110' gemessen. Eingangsfläche 106' erlaubt es
dem Licht sich innerhalb des optischen Elements 104' weiter mit
dem ersten divergierenden Emissionswinkel 202 auszubreiten.
Es besteht keine Notwendigkeit das Licht in der Ebene parallel zu
der Ausgangsfläche 110' parallel zu
richten.
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Vorzugsweise
entspricht der durch die Keilform gebildete Winkel dem ersten divergierenden Emissionswinkel
oder übersteigt
ihn. Dies geschieht so, daß die
Eingangsfläche 106' alles oder
das meiste des einfallenden Lichts sammelt.
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Ähnlich dieser
ersten Ausführungsform
kann die Eingangsfläche 106' gebogen sein,
um das Licht in einer Ebene senkrecht zu der Ausgangsfläche 110' parallel zu
richten. Die Tiefe des optischen Elements 306' wird hier erneut
so gewählt,
daß die
Eingangsfläche 106' alles oder
das meiste des Lichtes entlang des zweiten divergierenden Emissionswinkels 206 sammelt.
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Es
kann in manchen Anwendungen unpraktisch sein die Lichtquelle 10 in
der vorherbestimmten Entfernung 300 von der Eingangsfläche zu montieren.
In diesen Fällen
können
Faseroptiken benutzt werden, um die NTR-Lichtquelle 10 entfernt
zu montieren. Eine von der Faseroptik verursachte optische Divergenz
ist die, daß der
erste Divergenzwinkel 202 und der zweite Divergenzwinkel 206 gewöhnlich die gleichen
sind und somit einen gemeinsamen Divergenzwinkel erzeugen. Dieser
gemeinsame Divergenzwinkel reicht allgemein von 10° bis 40° voller Breite bei
halber Maximalintensität.
Folglich sollte die Tiefe 306 des optischen Elements 104 der
Breite 302 entsprechen.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann eine Linse, eine holographische Platte, eine Beugungsoptik
oder ein anderes geeignetes optisches Element zwischen der Faseroptik
und der Eingangsfläche 106 des
optischen Elements 104 angeordnet sei, um den ersten divergierenden
Emissionswinkel 202 und zweiten divergierenden Emissionswinkel 206 – oder jegliche
andere divergierende Emissionswinkel – zu reproduzieren.
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In
einem anderen Beispiel kann der Winkel jeder der einzelnen Facetten 122 geringfügig anders gemacht
werden, um eine Divergenz in dem Beleuchtungsmuster zu verursachen.
Die Ausgangsfläche 110 kann
als Mikrolinsen-Array geformt sein, und ein das Licht formender
holographischer Diffusor kann an der Ausgangsfläche 110 angebracht
sein. Ähnliche Änderungen
können
an der Eingangsfläche 106,
den Facetten 122 und der Ausgansfläche 110 vorgenommen
werden, um entlang der Richtung von Breite 302 eine Divergenz
in dem Beleuchtungsmuster zu verursachen.
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In
beiden Ausführungsformen
der 2–5 füllt die
farbkorrigierte Quelle 23, 23' jedoch ähnlich das optische Element 104, 104', um das emittierte
NIR-Licht zu „maskieren".
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Zusammengefaßt stellt
die vorliegende Erfindung daher ein farbkorrigiertes Beleuchtungssystem für Nachtsichtanwendungen
bereit. Ein farbkorrigiertes Laser-Beleuchtungssystem gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung schließt
eine Nahinfrarot-Lichtquelle
und ein optisches Dünnschichtelement
ein, das in einer Entfernung von der Nahinfrarot-Quelle angeordnet
ist. Das optische Element schließt eine Eingangsfläche zum
Empfang von Licht von der Nahinfrarot-Quelle und eine Ausgangsfläche zur
Emission des empfangenen Lichts in einem gewünschten Emissionsmuster ein.
Das System schließt
außerdem
eine sichtbare, nicht rote Lichtquelle in der Form einer Platte
ein, die eine Mehrzahl nicht roter LEDs darauf angeordnet aufweist.
Die Platte befindet sich nahe einer Oberfläche des optischen Elements;
derart, daß die
Ausgangsfläche
des optischen Elements das sichtbare Licht emittiert, um das emittierte
nahe Infrarotlicht zu maskieren. Eine Kamera ist angepaßt um das
nahe Infrarotlicht von der Nahinfrarot-Lichtquelle zu empfangen,
das von einem Objekt innerhalb eines Kamerablickfelds reflektiert
wird; und ein Display wird benutzt um Bilder von innerhalb des Kamerablickfeldes
detektierten Objekten zu zeigen.
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In
einer Ausführungsform
schließt
das farbkorrigierte Laser-Beleuchtungssystem ein optisches Dünnschichtelement
ein, um ein Beleuchtungsmuster ähnlich
dem zum Gebrauch in einem Nachtsichtsystem bereitzustellen. Hinsichtlich
des optischen Elements tritt Licht durch eine Eingangsfläche in das optische
Element ein und verläßt das optische
Element durch eine Ausgangsfläche,
welche im Wesentlichen senkrecht zu der Eingangsfläche ist.
Eine gestufte Oberfläche
des optischen Elements ist in einem Winkel zwischen der Eingangsfläche und
der Ausgangsfläche
angeordnet, um das Licht zu schneiden. In der gestuften Oberfläche sind
mehrere Facetten gebildet, um das Licht zu der Ausgangsfläche hin zu
reflektieren. Die Facetten, die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche sind
derart angeordnet, daß Licht
beim Durchtritt von der Eingangsfläche zu der Ausgangsfläche nur
an den Facetten reflektiert. Das Ergebnis ist, daß das divergierende
Emissionsmuster des von der Quelle emittierten Lichts in ein von der
Ausgangsfläche
emittiertes, breiteres Beleuchtungsmuster verschoben wird. In einer
Ausführungsform
sind die Facetten in einem streifenförmigen Muster angeordnet, das
eine schmale Abmessung einer rechteckigen Form parallel richtet.
In einem solchen Fall weist die Eingangsfläche eine krummlinige Gestalt
auf, um das Licht in einer ersten Ebene parallel zu der Ausgangsfläche parallel
zu richten. In einer anderen Ausführungsform sind die Facetten
entlang von Bögen
um eine zu der Ausgangsfläche senkrechten
Achse angeordnet.
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Aus
dem Vorstehenden ist zu erkennen, daß der Technik ein neuer und
farbkorrigierter Laser-Frontscheinwerfer
für aktive
Nachtsichtgeräte bereitgestellt
wurde. Während
die Erfindung in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben
wurde, sollte klar sein daß die
Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen
beschränkt
ist, und daß verschiedene Älternativen,
Modifikationen und Äquivalente
konstruiert werden können,
ohne sich vom Bereich der Erfindung zu entfernen.
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Zum
Beispiel kann die farbkorrigierte Laserquelle mit zahlreichen alternativen
optischen Elementen benutzt werden, um jegliches gewünschte Beleuchtungsmuster
zur Beleuchtung von Objekten zu erzielen.