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Dokumentenidentifikation DE602004003775T2 11.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001541921
Titel Farbkorrigiertes Laserbeleuchtungssystem für Nachtsichtzwecke
Anmelder Ford Global Technologies, LLC, Dearborn, Mich., US
Erfinder Remillard, Jeffrey Thomas, Ypsilanti, MI 48197, US;
Weber, Willes H., Santa Barbara, CA 93109, US;
Nietering, Kenneth Edward, Dearborn, MI 48124, US;
Marinelli, Michael Anthony, Northville, MI 48167, US
Vertreter Drömer, H., Dipl.-Phys. Dr.-Ing., Pat.-Ass., 51429 Bergisch Gladbach
DE-Aktenzeichen 602004003775
Vertragsstaaten DE, GB, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.12.2004
EP-Aktenzeichen 041064734
EP-Offenlegungsdatum 15.06.2005
EP date of grant 20.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse F21S 8/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 23/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B60Q 1/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nachtsichtsystem, und betrifft speziell ein farbkorrigiertes Laser-Beleuchtungssystem für Nachtsichtanwendungen.

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.

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 Glühbirnen. 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.

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.

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 unempfindlich 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.

Folglich besteht eine Notwendigkeit für „farbkorrigierte" Laser-Frontscheinwerfer für Nachtsichtanwendungen, die von anderen Fahrzeugführern nicht als rotes Licht wahrgenommen werden könnten.

Es ist ein Gegenstand dieser Erfindung ein verbessertes, farbkorrigiertes Beleuchtungssystem für Nachtsichtzwecke bereitzustellen.

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.

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.

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.

Das System kann weiterhin eine Anzeige zur Abbildung von innerhalb des Blickfeldes der Kamera detektierten Objekten umfassen.

Die sichtbare, nicht rote Lichtquelle kann eine Mehrzahl nicht roter, Licht emittierender Dioden umfassen.

Jede nicht rote, Licht emittierende Diode kann ein jeweilige Kollimatorlinse einschließen.

Die sichtbare, nicht rote Lichtquelle kann weiterhin eine Platte umfassen, die eine Mehrzahl darauf angeordneter, nicht roter, Licht emittierender Dioden aufweist.

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.

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.

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.

Das optische Element kann ein optisches Dünnschichtelement 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.

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.

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.

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.

Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:

ein schematisches Blockdiagramm einer in einem aktiven Nachtsichtsystem eingesetzten Ausführungsform der Erfindung ist;

eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines optischen Elements zum Gebrauch mit dem farbkorrigierten Beleuchtungssystem ist;

eine Vorderansicht des optischen Elements von ist;

eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines optischen Elements zum Gebrauch mit dem farbkorrigierten Beleuchtungssystem ist; und

eine Vorderansicht des optischen Elements von ist.

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.

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.

Unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugsnummern verwendet werden um in den verschiedenen Ansichten identische Komponenten zu identifizieren, veranschaulicht 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.

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.

Unter Bezug auf wird nun ein schematisches Diagramm der farbkorrigierten Lichtquelle 10 und des optischen Bauteils 104 von 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.

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.

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.

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 gezeigten Position befinden muß.

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.

Details des optischen Bauelements 104 werden nun unter Bezug auf und beschrieben werden. zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des optischen Bauteils für das farbkorrigierte Beleuchtungssystem. ist eine Vorderansicht des optischen Bauteils von . 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.

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.

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.

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.

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.

ist eine Vorderansicht der in 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 gezeigte Dimension 306 angedeutet.

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.

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.

Die gestufte Oberfläche 108 wird in dem optischen Element 104 allgemein in einem Winkel zwischen Eingangsfläche 106 und Ausgangsfläche 110 gebildet. Wie in gezeigt, erstreckt sich die gestufte Oberfläche 108 von der Unterseite von Eingangsfläche 106 zu der entfernten Seite von Ausgangsfläche 110.

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.

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.

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 &thgr; von Licht auf eine Oberfläche einen von Gleichung 1 gegebenen Grenzwinkel &thgr;C überschreitet: &thgr;C = sin–1(n1/n2)(1) wobei n1 der Brechungsindex eines umgebenden Mediums ist, und n2 der Brechungsindex des optischen Mediums ist.

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 &thgr;C = 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.

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.

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.

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.

Unter Bezug auf und wird nun eine alternative Ausführungsform für das optische Element 104 gezeigt. In den Beispielen der und 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.

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.

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.

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.

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.

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 NIR-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.

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.

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.

In beiden Ausführungsformen der füllt die farbkorrigierte Quelle 23, 23' jedoch ähnlich das optische Element 104, 104', um das emittierte NIR-Licht zu „maskieren".

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.

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.

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 Alternativen, Modifikationen und Äquivalente konstruiert werden können, ohne sich vom Bereich der Erfindung zu entfernen.

Zum Beispiel kann die farbkorrigierte Laserquelle mit zahlreichen alternativen optischen Elementen benutzt werden, um jegliches gewünschte Beleuchtungsmuster zur Beleuchtung von Objekten zu erzielen.


Anspruch[de]
Ein Belechtungssystem für Nachtsichtanwendungen, das umfaßt:

eine Nahinfrarot-Lichtquelle (20),

ein in einer Entfernung von der Nahinfrarot-Quelle (20) angeordnetes optisches Element (104), wobei das optische Element (104) eine Eingangsfläche (106) besitzt, um Licht von der Nahinfrarot-Quelle (20) zu empfangen, und

eine Ausgangsfläche (110), um das empfangene Licht in einem gewünschten Emissionsmuster zu emittieren,

mindestens eine sichtbare, nicht rote Lichtquelle (23), derart angeordnet daß die Ausgangsfläche (110) des optischen Elements (104) das sichtbare Licht emittiert, um das emittierte nahe Infrarotlicht zu maskieren;

dadurch gekennzeichnet, daß

die nicht rote Lichtquelle eine Platte (25) umfaßt, die eine Mehrzahl nicht roter, Licht emittierender Dioden (23) darauf angeordnet aufweist; und

das optische Element (104) ein im Wesentlichen planares optisches Dünnschicht-Element umfaßt, und die Platte (25) im Wesentlichen parallel zu einer Außenfläche des optischen Elements (104) angeordnet ist.
Ein Beleuchtungssystem wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem die Nahinfrarot-Lichtquelle (20) eine Laserdiode umfaßt, die Licht bei Wellenlängen zwischen ungefähr 800–900 nm emittiert; und die nicht rote Lichtquelle (23) eine Lichtquelle umfaßt, die Licht bei Wellenlängen zwischen ungefähr 400–600 nm emittiert. Ein Beleuchtungssystem wie in Anspruch 1 oder in Anspruch 2 beansprucht, in dem das System weiterhin eine Kamera (16) umfaßt, die angepaßt ist um von einem Objekt (12) innerhalb eines Kamera-Blickfelds reflektiertes nahes Infrarotlicht von der Nahinfrarot-Lichtquelle (20) zu empfangen. Ein Beleuchtungssystem wie in Anspruch 3 beansprucht, in dem das System weiterhin ein Display (18) umfaßt, um innerhalb des Kamera-Blickfelds detektierte Objekte abzubilden. Ein Beleuchtungssystem wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, in dem die sichtbare, nicht rote Lichtquelle eine Mehrzahl nicht roter, Licht emittierender Dioden (23) umfaßt. Ein Beleuchtungssystem wie in Anspruch 5 beansprucht, in dem jede nicht rote, Licht emittierende Diode (23) eine jeweilige Bündelungslinse (27) umfaßt. Ein Beleuchtungssystem wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, in dem die sichtbare, nicht rote Lichtquelle eine Platte (25) umfaßt, die darauf angeordnet eine Mehrzahl nicht roter, Licht emittierender Dioden (23) umfaßt, wobei das optische Element (104) ein im Wesentlichen planares optisches Dünnschicht-Element umfaßt und die Platte (25) nahe einer Oberfläche (110) des optischen Elements (104) angeordnet ist, die senkrecht zu der Eingangsfläche (106) liegt. Ein Beleuchtungssystem wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, in dem die Ausgangsfläche (110) des optischen Elements ungefähr senkrecht zu der Eingangsfläche (106) liegt, und das optische Element (104) eine gestufte Oberfläche (108) umfaßt, die eine Mehrzahl reflektierender Facetten (112) derart angeordnet aufweist, daß das Licht beim Durchtritt von der Eingangsfläche (106) zu der Ausgangsfläche (110) durch die Mehrzahl der reflektierenden Facetten (112) reflektiert wird. Ein Beleuchtungssystem wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, in dem das optische Element (104, 104') ein optisches Dünschicht-Element umfaßt, das eine asphärische Eingangsfläche (106, 106') aufweist, um durch die Eingangsfläche hindurchtretendes Licht zu bündeln; eine im Wesentlichen planare Ausgangsfläche (110, 110') im Allgemeinen senkrecht zu einer Symmetrieachse der Eingangsfläche (106, 106'); und eine der im Wesentlichen planaren Ausgangsfläche (110, 110') gegenüberliegende, gestufte Oberfläche (108, 108'), die eine Mehrzahl von zu der Ausgangsfläche im Allgemeinen parallelen Stufen durch zugehörige, gewinkelte Facetten (122, 122') getrennt aufweist, die in einem Winkel angeordnet sind um das durch die Eingangsfläche (106, 106') hindurch und aus der Ausgangsfläche (110, 110') austretende Licht zu reflektieren.






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