DE10116723C1

DE10116723C1 - Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen

Info

Publication number: DE10116723C1
Application number: DE10116723A
Authority: DE
Inventors: Anton Pfefferseder; Bernd Siber; Andreas Hensel; Frank Rottmann; Ulrich Oppelt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2001-04-04
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: AU2002302336B2; WO2002082161A3; WO2002082161A2; EP1377869B1; DE50209660D1; US7154649B2; EP1377869A2; US20040160654A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen vorgeschlagen, die ein Array aus Spiegelelementen aufweist, wobei jedes Spiegelelement unabhängig von einem anderen Spiegelelement in beliebigen Winkeln verdrehbar ist. Dieses Array ist vorteilhafterweise mikromechanisch herstellbar. Die Verdrehung kann entweder kapazitiv oder thermisch erfolgen. Das Array kann in einer Kamera als Ablenkspiegel oder als Linse angeordnet sein. Mit dem Array ist auch eine Abtastung eines Raumelements möglich. Ein Einsatz ist sowohl in einem passiven Infrarotmelder als auch in einem Streulichtrauchmelder möglich.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.

Es ist bereits bekannt, mikromechanische Spiegelarrays zu verwenden, bei denen die einzelnen Spiegelelemente in zwei verschiedenen Winkelpositionen einstellbar sind. Diese Spiegelarrays werden dann beispielsweise in Beamern zur Präsentation eingesetzt.

Aus DE 43 08 314 A1 ist eine Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen bekannt, bei denen Spiegelelemente unab hängig voneinander verdrehbar sind. Aus Patents Abstract of Japan JP 11231234 A ist ein Spiegelarray aus Silizium herge stellt bekannt. Aus "Physikalische Blätter 44 (1988) Nr. 12", Seiten 439 bis 446 ist ein Spiegelarray in einem Tele skop für astronomische Anwendungen bekannt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die einzelnen Spiegelelemente unabhängig voneinander in beliebigen Winkeln eingestellt werden können. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Optiken wie Linsen, Spiegel und asphärische Geometrien wie z. B. Paraboloide, Ellipsoide und Zylinderoptiken realisiert werden können. Bei den Spiegeln lassen sich durch das Ansteuern der einzelnen Spiegelelemente, Hohlspiegel mit verschiedenen Brennweiten und verschiedenen optischen Achsen verwirklichen. Durch die hohe Auflösung des Arrays und die kleine Masse der Spiegelelemente können diese Optiken über der Zeit gleitend oder abrupt geändert werden. Die Schaltzeit der einzelnen Spiegelelemente ist sehr kurz, im Bereich von Millisekunden oder darunter, so dass unterschiedliche Optiken im Zeitmultiplex dem optischen Sensor oder dem Bildaufnehmer zur Verfügung stehen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass das Array mikromechanisch hergestellt wird. Damit ist eine Massenfertigung mit hoher Güte und einer Vielzahl von Spiegelelementen leicht möglich. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, dass die Spiegel entweder durch eine kapazitive oder eine thermische Aktorik verdrehbar sind. Bei der kapazitiven Aktorik werden elektrische Felder verwendet, während bei der thermischen Aktorik beispielsweise durch verschieden hohe Stromstärken und damit einer unterschiedlichen Aufheizung einer mikromechanischen Struktur eine Verdrehung der Spiegelelemente erreicht wird.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Array in einem Strahlengang der Optik einer Kamera eingebracht wird und alle Spiegelelemente auf den gleichen Winkel eingestellt werden. Das Array wirkt dann wie ein Planspiegel und das Sichtfeld der Kamera wird nach den einfachen optischen Gesetzen mit Einfall- und Ausfallwinkel am Planspiegel eingestellt. Durch das gleichzeitige Ändern aller Winkel aller Spiegelelemente verhält sich das Array genau so, als würde man einen Planspiegel in seiner Ebene verdrehen. Da alle Spiegelelemente in der gleichen Ebene liegen, kommt es bei großen Verdrehwinkeln teilweise zu Abschattungen des Strahlengangs. Beim Verdrehwinkel von 45° wird ein senkrecht einfallender Strahl um 90° abgelenkt und trifft so auf die Rückseite des benachbarten Spiegelelements, wenn dieses in der gleichen Richtung abgelenkt ist. Diese Abschattung ist winkelabhängig und beträgt bei einem um 60° abgelenkten Strahl ca. 50%. Damit ist mit einem solchen Spiegelarray eine variable Verdrehung des Kamerasichtfeldes um 60° aus der Strahlebene in jede Richtung möglich, was in praktischen Anwendungsfällen ausreichend ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Array als optisches Abbildungssystem (Hohlspiegel) ausgebildet ist, um so die schwere und große Linse, die normalerweise für Kameras als Optik verwendet wird, zu ersetzen. Durch die Variabilität des erfindungsgemäßen Arrays können Spiegeloptiken unterschiedlicher Brennweite eingestellt werden, so dass das Array als Zoom-Optik für eine Kamera verwendet werden kann. Im Falle von Zoom muß zwischen Spiegel und Bildaufnehmer ein variabler Abstand vorgesehen werden. Da Spiegel weiterhin keine Lichtbrechung verursachen, kommt es bei einer Spiegeloptik nicht zu Farbverfälschungen, die aufwendig zu korrigieren wären, so dass das Array mit den Spiegelelementen auch hier einen Vorteil aufweist. Weiterhin ist das Array in der Lage, beliebige optische Korrekturen zu realisieren. Durch eine Anpassung der Einstellwinkel wird mit dem Spiegelarray neben der Optik auch gleichzeitig die Schwenk-/Neigefunktion realisiert. Für beobachtende Aufgaben mit Videokameras kann man Kameras auf motorischen Achsen montieren und durch Fernsteuerung die Blickrichtung ändern. Diese Einrichtung nennt man Schwenk-Neige-Kopf. Wird die Linse in einem Abbildungssystem durch ein erfindungsgemäßes Array als Spiegel ersetzt, wobei sich die Kamera im Brennpunkt des Spiegels befindet, dann kann durch eine unterschiedliche Winkelausrichtung der Spiegelelemente eine Schwenk-Neige- Funktion realisiert werden.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass mit dem erfindungsgemäßen Array auch eine Kamera ohne Bildaufnehmer realisiert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass mit dem Array ein Raumelement abgetastet wird und diese Abtastung auf einen Lichtempfänger fokussiert wird. Das Array wirkt demnach als Hohlspiegel. Durch gleitende oder stufenförmige Verdrehung der Spiegelelemente kann ein Punkt aus dem Raumelement auf den Empfänger fokussiert werden. Wählt man für den Abtastweg eine zeilenförmige Abtastung des Raumes ähnlich der Funktion einer Fernsehröhre, dann erhält man am Ausgang des Lichtempfängers ein Signal, das äquivalent dem eines Bildaufnehmers ist. Das Spiegelarray übernimmt in diesem Fall die Funktion der Optik mit variabler Brennweite, die Schwenk-/Neigefunktion und die Abtastfunktion des Bildaufnehmers. Damit werden auf der einen Seite die erheblichen Kosten der Bildaufnehmer eingespart und auf der anderen Seite kann mit der hohen Dynamik von Fotoempfängern als Lichtempfänger gearbeitet werden, was zu einer verbesserten Helligkeitsauflösung führt. Weiterhin ist die Ortsauflösung durch die Fokussierung und den geometrischen Abtastabstand bestimmt, so dass man nicht mehr auf die Bildpunktbegrenzung diskreter Halbleiter begrenzt ist. Ein CCD(Charge Coupled Device)-Kamerachip ist ein Array aus vielen lichtempfindlichen Zellen. Bei üblichen Kameras sind dies ungefähr 750 × 560 ≈ 440000 Zellen. Über die Optik (Linse) wird aus dem Sichtfeld (Raum) auf jedem Bildpunkt des Arrays ein Ortspunkt aus dem Raum abgebildet. Denkt man sich eine Wand mit 10 m Breite, die über die Optik auf die Breite des CCD-Chips abgebildet wird, so wird ein Wandelement von der Breite 10 m/780 ≅ 13 mm auf ein CCD-Element abgebildet. Wandstrukturen mit einer Breite von kleiner als 13 mm können nicht mehr aufgelöst werden und verwaschen. Diese Grenze wird Ortsauflösung genannt. Bildet man nun einen Punkt aus dem Raum über einen aus dem erfindungsgemäßen Array gebildeten Hohlspiegel auf eine Photodiode mit vernachlässigbarer Ausdehnung ab und setzt für die Kantenlänge eines Spiegelelements aus dem Spiegelarray 1/100 mm an und gibt einen Abstand von 10 cm und fokussiert auf eine Wand, so ergibt sich schätzungsweise eine Ortsauflösung von ca. 1 mm in 10 m Entfernung. Ändert man dann langsam die optische Achse des Spiegels, so kann man mit dieser Ortauflösung die Wand über eine Breite von 10 m abtasten. Abhängig von der Spiegelelementgröße, der Brennweite und der Größe des Photoempfängers ist man in der Lage, die Ortsauflösung zu beeinflussen, ohne der Beschränkung der Bildpunktzahl von CCDs zu unterliegen. Die Farbfähigkeit einer solchen Kamera kann durch Nutzung von drei Fotoempfängern mit optischen Farbfiltern erreicht werden.

Es ist auch von Vorteil, dass das Array die komplizierte Optik eines passiven Infrarotmelders ersetzt. Optiken für passive Infrarotmelder gibt es für verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Ausgestaltungen, z. B. um lange Flure oder kompakte Räume zu überwachen oder um eine Montage an Decken zu ermöglichen. Dies führt zu einer hohen Gerätevielfalt mit entsprechendem Aufwand in Entwicklung und Logistik. Durch die Variabilität des erfindungsgemäßen Spiegelarrays ist eine Realisierung unterschiedlicher optischer Geometrien und damit der Einsatz in den verschiedenen Anwendungsbereichen möglich. Die Spiegelgeometrie kann beispielsweise vor Ort direkt auf die dort vorgefundenen Gegebenheiten ausgeführt werden, was zu einer Reduzierung der Gerätevielfalt führt und auch noch vor Ort eine Änderung der Überwachungseigenschaften des Geräts ohne Austausch zulässt. Weiterhin kann das Spiegelarray ähnlich wie bei der Kamera durch gleitendes Schwenken den Raum abtasten. Man erhält dadurch ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil des Raums und kann die Position und den Weg von sich bewegenden Personen einschätzen. Das Spiegelarray kann mit einem Sensorarray aus pyroelektrischen oder Thermosäulenelementen realisiert werden. Ein solches Sensorarray könnte aus 2 × 2 Elementen oder einer anderen Größe bestehen. Handelsüblich sind z. B. Sektorarrays mit 4 × 8 Elementen. Eine sich bewegende Person wird aufgrund ihrer Ausdehnung nun auf mehrere Elemente des Sensorarrays abgebildet. Über die Ortsbestimmung des Sensorarrays kann nun auf einfache Weise das Spiegelarray so angesteuert werden, dass die sich bewegende Person optisch verfolgt wird. Nutzt man als Wärmebildaufnehmer ein Element mit kleiner Temperaturkapazität und entsprechend hoher Meßfrequenz, so kann mit einer ähnlich gestalteten Anordnung eine kostengünstige Wärmebildkamera aufgebaut werden.

Es ist weiterhin von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Array in einem Streulichtrauchmelder eingesetzt wird, der entweder eine labyrinthartige Meßkammer aufweist oder ein Freilichtstreulichtrauchmelder ist. Durch das Array kann das Volumen der Meßkammer oder des Meßvolumens zeitlich und räumlich abgetastet werden. Weiterhin kann man die Wände der Meßkammer abtasten und erhält so über das gewonnene Signal eine Aussage über die Verschmutzung der Kammer und die Funktionsbereitschaft des Systems. Die Signale aus den unterschiedlichen Streubereichen geben Aufschluss über die Homogenität des Raumes und lassen Rückschlüsse auf Insekten oder Staubpartikel zu. In Streulichtrauchmeldern ohne Meßkammer, die den Rauch direkt im freien Raum messen, gelten die gleichen Aussagen. Durch Vergleich der Signale aus unterschiedlichen Raumbereichen kann zwischen einer Störung und einem tatsächlichen Rauchsignal geschlossen werden.

Es ist weiterhin von Vorteil, dass beispielsweise ein Array dazu verwendet wird, um sowohl für einen passiven Infrarotsensor und für einen Rauchmelder eingesetzt zu werden. Damit lassen sich sehr kompakte multifunktionelle Sensoren verwirklichen. Es ist im übrigen auch von Vorteil, dass anstatt nur eines Arrays auch mehrere erfindungsgemäße Arrays kombiniert werden können, um auch kompliziertere Optiken zu realisieren.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein drehbares Spiegelelement,

Fig. 3 die Bildung eines Hohlspiegels durch das Array,

Fig. 4 die Kombination eines Infrarotmelders mit einem Streulichtrauchmelder,

Fig. 5 der Einsatz des Spiegelarrays in einer Kamera als Planspiegel und

Fig. 6 der Einsatz des Spiegelarrays in einer Kamera für eine räumliche Abtastung.

Beschreibung

Viele Detektionsprinzipien in der Sicherheitstechnik arbeiten mit speziellen Optiken. Passive Infrarotmelder arbeiten mit segmentierten Optiken, um aus verschiedenen Raumbereichen Wärmestrahlung auf einen Wärmestrahlungssensor zu leiten. Diese Optiken bestehen aus Spiegeln und Fresnellinsen, die individuell auf die Eigenschaften solcher Detektoren entworfen sind und entsprechend hohen Entwicklungsaufwand bedeuten. Erfindungsgemäß wird nun ein Array aus Spiegelelementen eingesetzt, wobei die einzelnen Spiegelelemente unabhängig voneinander in beliebige Winkel verdrehbar sind. Damit lassen sich viele Optiken realisieren, für die bisher eine individuelle Ausgestaltung verwendet werden mußte. Damit wird eine hohe Flexibilität erreicht. Das erfindungsgemäße Array wird auch als Spiegelarray bezeichnet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Array 1 aus Spiegelelementen 2, hier sind es neun, wird durch einen Prozessor 3 angesteuert. Der Prozessor 3 ist mit jedem Spiegelelement 2 über eine eigene Leitung verbunden, um über die dem Spiegelelement 2 zugeordnete Aktuatorik das Spiegelelement 2 entsprechend der Signale, die der Prozessor 3 erhält, zu verdrehen. Die Aktuatorik ist am jeweiligen Spiegelelement angeordnet. Um die Ansteuerbefehle des Prozessors 3 umzusetzen, ist darüber hinaus eine entsprechende Ansteuerelektronik bei der jeweiligen Aktuatorik vorhanden. Alternativ kann diese Ansteuerelektronik auch zentral angeordnet sein und alle Aktuatoriken versorgen.

Der Prozessor 3 ist dabei beispielsweise mit einer Eingabevorrichtung verbunden, um eine entsprechende Verdrehung der Spiegelelemente 2 vorzunehmen. Beispielsweise wird bei einer Kamera der Zoom durch einen Benutzer mittels Betätigung der Eingabevorrichtung neu eingestellt und der Prozessor 3 richtet dann die Spiegelelemente 2 entsprechend neu aus, so dass dieser neue Zoom eingestellt wird. Der Prozessor 3 regelt gleichzeitig den korrekten Abstand von Spiegel und Bildaufnehmer.

Da das Array 1 mikromechanisch aus Silizium herstellbar ist, ist eine Massenfertigung und eine Herstellung von Arrays mit einer hohen Anzahl von Spiegelelementen möglich. Als Aktuatorprinzipien können beispielsweise kapazitive oder thermische Aktuatoren verwendet werden. Bei einer kapazitiven Steuerung der Spiegelelemente wird eine Adreßelektrode eingesetzt, wobei die Spannung zwischen der Adreßelektrode und dem Spiegelelement die Auslenkung des Spiegels bestimmt. Damit sind beliebige Winkel des Spiegelelements im Vergleich zur Fläche einstellbar. Die Ansteuerung kann dabei durch eine Pulsweitenmodulation vorgenommen werden. Die Spiegelelemente 2 können durch eine Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Bedampfen oder Abscheiden mit einem Metall, für das Licht entsprechend gut reflektierend ausgestaltet sein. Dabei kann insbesondere auf interessierende Wellenlängenbereiche eingegangen werden, indem für eine Infrarotanwendung eine Beschichtung gewählt wird, die vorzugsweise Infrarotlicht mit einem hohem Wirkungsgrad reflektiert.

Fig. 2 zeigt ein Spiegelelement 2, das um seine Achse, die durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, um einen Drehpunkt 5 um einen beliebigen Winkel 4 drehbar ist. Dies wird durch die entsprechende Aktuatorik erreicht. Damit sind dann durch das Kollektiv der Spiegelelemente als Array 1 verschiedene Optiken darstellbar.

Fig. 3 zeigt beispielhaft, wie durch das Array 1 und das Verdrehen der Spiegelelemente 2 ein Hohlspiegel nachgebildet werden kann. Es ist hier eine Zeile von sieben Spiegelelementen 2 dargestellt, die sich auf der Achse 5 befinden. Wie in Fig. 1 dargestellt ist auch eine Matrix von Spiegelelementen 2 möglich. Dies erlaubt dann eine Nachbildung einer komplexeren Optik durch das erfindungsgemäße Array.

Die Spiegelelemente 2 sind hier durch den Prozessor 3 so angesteuert worden, dass sie alle auf einen Brennpunkt F zeigen. Parallel einfallendes Licht 6 wird dadurch auf den Punkt F durch die Spiegelelemente 2 fokussiert. Damit wird ein Hohlspiegel verwirklicht. Durch die Verdrehung der Spiegelelemente 2 sind nahezu beliebige Brennpunkte F realisierbar. Andere Spiegel sind durch eine entsprechende Ansteuerung der Spiegelelemente möglich.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie mit dem Array 1 und den Spiegelelementen 2 ein kombinierter Passivinfrarotmelder und ein Streulichtrauchmelder realisiert ist. Ein Infrarotdetektor 7, hier ein pyroelektrischer oder Thermosäulensensor, und der Streulichtempfänger 8 sind so angeordnet, dass das Array 1 mit den Spiegelelementen 2, die auf der Achse 5 angeordnet sind, auf beide abwechselnd das empfangene Licht fokussiert. Der Prozessor 3 steuert also die Spiegelelemente 2 so an das jeweils der Infrarotdetektor 7 und der Streulichtempfänger 8 im Brennpunkt liegen. Die entsprechende Auswerteschaltung der Signale des Infrarotempfängers 7 und des Streulichtrauchmelders 8 sind hier der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Dabei ist es insbesondere möglich, dass mit den Spiegelelementen 2 ein Raumvolumen abgetastet wird. Je nach Anwendung wird das Licht entweder auf den Infrarotsensor 7 oder den Streulichtsensor 8 für eine gewisse Zeit oder abwechselnd fokussiert.

In Fig. 5 ist der Einsatz des Spiegelarrays 1 als Planspiegel in einer Kamera dargestellt. Wiederum ist der Einfachheit halber nur eine Zeile von Spiegelelementen 2 ohne den Prozessor 3 dargestellt. Das Spiegelarray 1 zeichnet sich hier dadurch aus, dass alle Spiegelelemente 2 um den gleichen Winkel synchron gedreht werden. Damit ist es dann möglich das Kamerasichtfeld zu drehen. Die Lichtstrahlen 6 werden durch das Spiegelarray 1 in einen Lichtempfänger 9 der Kamera reflektiert.

In Fig. 6 ist der Einsatz des Spiegelarrays 1 in einer Kamera 9 zur räumlichen Abtastung dargestellt. In Fig. 6a sind die Spiegelelemente des Spiegelarrays 1 alle in einer ersten Winkelposition und in Fig. 6b in einer zweiten Winkelposition. Damit wird Licht, das aus verschiedenen Winkeln des Raums kommt in die Kamera 9 reflektiert. Fig. 6c zeigt die beiden Raumelemente, die den unterschiedlichen Winkeln der Spiegelelemente in Fig. 6a und 6b entsprechen. Der Winkel α1 entspricht dem Winkel der Spiegelelemente, der in Fig. 6a gezeigt wird, und der Winkel α2 dem Winkel der Spiegelelemente aus Fig. 6b. Damit kann dann eine schnelle Abtastung eines Raums erfolgen, weil sich die einzelnen Spiegelelemente, wie oben dargestellt, schnell schalten lassen.

Claims

1. Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen (6), wo bei die Vorrichtung wenigstens ein Array (1) aus verdrehbaren Spiegelelementen (2) und einen Prozessor (3) zur Ansteuerung der Spiegelelemente (2) aufweist, wobei diese Spiegelelemente (2) unabhängig voneinander in beliebigen Winkeln (4) verdrehbar sind dadurch ge kennzeichnet, dass wenigstens eine Array (1) in einem Streulichtrauchmelder zur Abtastung des Streuvolumens und der Messumgebung angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Array (1) mikromechanisch herstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelelemente (2) durch eine kapazitive oder thermische Aktuatorik verdrehbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Array (1) in einer Kamera als Ablenkspiegel angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das wenigstens eine Array (1) in einer Kamera als Linse angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das wenigstens eine Array durch den Prozessor (3) zur Abtastung eines Raumelements an steuerbar ist, wobei das wenigstens eine Array (1) das vom Raumelement kommende Licht auf einen Lichtempfänger (7, 8) abbildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (8) unterschiedliche Lichtsensoren mit Farbfiltern zur Bildung einer farbfähigen Kamera aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (7) als Infrarotdetektor ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, dass das wenigstens eine Array (1) auf den passiven Infrarotsensor (7) und einen Empfänger (8) des Streulichtrauchmelders empfangenes Licht fokussiert.