DE60121996T2

DE60121996T2 - Hochintensitätslampe mit ir laser diode

Info

Publication number: DE60121996T2
Application number: DE60121996T
Authority: DE
Inventors: F. Nicolo Springfield MACHI; H. Marysville VO NAM
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP3980484B2; EP1343689B1; TW517419B; EP1343689B8; WO2002049916A1; CA2433014A1; KR20030066750A; EP1343689A1; ATE334877T1; JP2004533086A; US20020074523A1; WO2002049916A8; US6783260B2; DK1343689T3; DE60121996D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Infrarotlampe, die zur Verwendung mit Infrarotbilddarstellungsausrüstung bestimmt ist. Genauer gesagt, betrifft diese Erfindung eine Hochintensitätslampe zur Verwendung in Flugzeugen und anderen Verkehrsmitteln und arbeitet mit Infrarot ("IR")-LASER-Dioden.
Angehörige der Streitkräfte und der Polizei arbeiten regelmäßig mit Nachtsichtbilddarstellungsgeräten (Night Vision Imaging Systems – "NVIS"), um verdeckte Operationen zu unterstützen. NVIS-Systeme arbeiten mit Infrarotlichtverstärkungstechniken, die es dem Benutzer ermöglichen, Gelände, Objekte, Personen und Ziele bei fast vollständiger Dunkelheit zu sehen. NVIS-Ausrüstung wird häufig durch Infrarotbeleuchtung unterstützt. Die IR-Lampen werfen einen hellen Infrarotlichtstrahl, der den Sichtbereich des NVIS-Systems erweitert, aber nicht mit dem bloßen Auge zu erkennen ist, wodurch die Verdecktheit von Nachtsichtoperationen gewahrt bleibt.
Flugzeuge verwenden üblicherweise Landescheinwerfer, um während des Rollens, des Starts und der Landung eine Beleuchtung zu haben, wenn die Sicht durch Dunkelheit oder schlechte Witterung eingeschränkt ist. Gleichermaßen arbeiten Hubschrauber mit Suchscheinwerfern, um einen Lichtstrahl in eine gewünschte Richtung zu lenken, um interessierende Bereiche oder Ziele zu beleuchten. IR-Lampen von hoher Intensität wurde früher zu diesem Zweck in Flugzeugen in Verbindung mit NVIS-Ausrüstung installiert, aber sie sind mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Zum Stand der Technik gehörende IR-Lampen von hoher Intensität arbeiten in der Regel mit gekapselten Strahl- oder Halogenglühlampen, die mit einem "Schwarzglas"-Filter gekoppelt sind, der sichtbares Licht sperrt, während er Infrarotlicht passieren lässt. Solche IR-Lampen von hoher Intensität erzeugen eine erhebliche Wärmemenge aufgrund des geringen Wirkungsgrades von Glühlampen und der sichtbaren Lichtenergie, die durch den Infrarotlichtfilter in dem Lampengehäuse eingeschlossen wird. Dieser Zustand wird durch die Notwendigkeit verschärft, leistungsstarke Lampen verwenden zu müssen, um den geringen Wirkungsgrad der Lampe und des Filters auszugleichen, um die leistungsstarke Infrarotlichtabgabe zu erreichen, die für Landescheinwerfer und Suchscheinwerfer benötigt wird.
Die hohen Temperaturen, die durch zum Stand der Technik gehörende Infrarot-Hochintensitätslampen erzeugt werden, können viele nachteilige Auswirkungen haben. Zum Beispiel wird die Grenznutzungsdauer der Glühlampen deutlich verkürzt. Die Lampenlebensdauer einiger zum Stand der Technik gehörender Glühlampe-Filter-IR-Hochintensitätsbeleuchtungssysteme beträgt manchmal selbst unter Laborbedingungen gerade einmal 50 Stunden, wobei die Lebenserwartung im rauen Flugzeugalltag sogar noch geringer ist. Das erhöht das Risiko eines Lampenausfalls in einem kritischen Moment während verdeckter Operationen. Die hohen Temperaturen können auch einen vorzeitigen Ausfall anderer Materialien verursachen, wie beispielsweise das Reißen des Filters infolge thermischer Spannungen und beschleunigte Verwitterung von Filterabdichtmaterialien. Wenn aber der Filter oder die Abdichtung ausfällt, so könnte sichtbares Licht von hoher Intensität austreten, wodurch die Verdecktheit verloren gehen könnte.
Eine Beschränkung von Glühlampe-Filter-IR-Hochintensitätsbeleuchtungssystemen ist, dass die hohe Betriebstemperatur die Wärmesignatur des Lichts verstärkt. Wenn die Wärmesignatur des Lichts zu stark ist, so kann das Licht für Wärmebilddarstellungssysteme und -ausrüstungen, die von gegnerischem Personal verwendet werden, sichtbar sein. Es ist des Weiteren anzumerken, dass der Schwarzglas-NVIS-Filter nicht alle sichtbaren Frequen zen von Licht herausfiltert. Infolge dessen kann das zum Stand der Technik gehörende Hochintensitäts-IR-Licht ein sichtbares rotes Glimmen aufweisen, wodurch ebenfalls die Verdecktheit verloren geht.
Wie oben angesprochen, haben der geringe Wirkungsgrad von Glühlampen in Verbindung mit der geringen Effizienz von IR-Filtern die Verwendung von leistungsstarken Lampen erforderlich gemacht, um diese Nachteile zu überwinden. Infolge dessen werden üblicherweise 200-Watt-Glühlampen für Flugzeuglandescheinwerfer und Suchscheinwerfer verwendet, die das elektrische System des Flugzeuges belasten. Da die zum Stand der Technik gehörenden Lande- und Suchscheinwerfer so ausfallanfällig sind, ist es üblich, zwei oder mehr Beleuchtungssysteme in Flugzeugen zu installieren, was das elektrische System des Flugzeuges weiter belastet.
Es sind alternative Beleuchtungssysteme erdacht worden, um einige dieser Hindernisse zu überwinden. Zum Beispiel offenbart Meyers im US-Patent Nr. Re. 33,572 einen Infrarotlichtstrahlprojektor zur Verwendung mit einem Nachtsichtsystem. Jedoch erfordern Infrarot-Hochintensitätslampen wie beispielsweise jene, die für Flugzeuglandescheinwerfer und Suchscheinwerfer benutzt werden, eine viel höhere Lichtintensität, als sich durch die Lehren von Meyers erreichen lässt. Es sind schon Laserdioden in Fahrzeugen verwendet wurden, wie beispielsweise bei Scifres, US-Patent Nr. 5,713,654, wo ein zentralisiertes Beleuchtungssystem für Fahrzeuginstrumentenlampen, Blinkleuchten und Bremsleuchten offenbart ist. Durch die hohen Lichtintensitätsanforderungen von Landescheinwerfern und Suchscheinwerfern kommen jedoch die Lehren von Scifres nicht in Betracht. Eine in gemeinsamem Besitz befindliche und anhängige Patentanmeldung, die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/217,221, Bestandteil der Patentfamilie WO-A-0037314, "IR Diode Based High Intensity Light", bietet ein alternatives Mittel zum Erzeugen von Infrarotlicht von hoher Intensität. Jedoch unterscheidet sich die Anmeldung mit der Seriennummer 09/217,221 deutlich von der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung arbeitet mit LASER-Infrarotdioden anstelle von infrarotlichtemittierenden Dioden, was zu einem kohärenten Infrarotlicht anstelle eines nicht-kohärenten Infrarotlichts führt, und enthält Mittel zum Kombinieren von Infrarotlichtaussendungen von zwei oder mehr Infrarotlichtquellen.
Es besteht Bedarf an einer Lampe, die einen Infrarotlichtstrahl von hoher Intensität aussendet, eine lange Grenznutzungsdauer hat, keine hohen Temperaturen erzeugt, eine schwache Wärmesignatur hat und im Vergleich zu den zum Stand der Technik gehörenden IR-Hochintensitätsbeleuchtungssystemen einen verringerten Stromverbrauch hat.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Infrarotlicht von hoher Intensität bereitgestellt, das Folgendes aufweist:
ein Gehäuse;
zwei oder mehr LASER-Infrarotdioden, die im Inneren des Gehäuses angeordnet sind;
ein Mittel, das einen Wärmeableiter zum Aufnehmen von Wärme von den LASER-Infrarotdioden aufweist;
ein Mittel zum Sammeln und Übertragen des von den LASER-Infrarotdioden abgestrahlten Infrarotlichts;
ein Mittel zum Aufnehmen und Kombinieren des Infrarotlichts von dem optischen Übertragungsmittel zu einem einzelnen Infrarotlichtstrahl und zum Abstrahlen des Lichtstrahls von einer Licht aussendenden Fläche; und
eine Linse, die so angeordnet ist, dass sich die Fokal ebene der Linse an der Licht aussendenden Fläche des Kombinierungsmittels befindet, wobei die Linse dafür geeignet ist, den Infrarotlichtstrahl, der von dem Kombinierungsmittel ausgesandt wurde, zu empfangen und den Infrarotlichtstrahl zu kollimieren.
Die Lampe kann einen Infrarotlichtstrahl von hoher Intensität erzeugen, ohne dass man auf Glühlampen mit geringem Wirkungsgrad und hoher Leistungsaufnahme und auf "Schwarzglasfilter" zurückgreifen muss.
"LASER" ist ein Akronym für "Light Amplification by stimulated emission of radiation" (Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung). Laser verwendet man zur Erzeugung, Verstärkung und Übertragung eines schmalen, intensiven Strahls aus kohärentem Licht. Das durch einen Laser erzeugte kohärente Licht unterscheidet sich von gewöhnlichem Licht dadurch, dass es aus durchweg phasengleichen Wellen mit durchweg gleicher Wellenlänge besteht, während gewöhnliches Licht viele verschiedene Wellenlängen und Phasenbeziehungen aufweist.
Wenn eine Anordnung aus Infrarotlicht aussendenden LASER-Dioden ("LIDs") verwendet wird, so ist die Intensität des IR-Lichts stärker. Eine Anordnung hat des Weiteren insofern einen inhärenten Redundanzvorteil, als die übrigen LIDs weiterarbeiten, wenn eine LID ausfällt, wodurch das Risiko eines Totalausfalls der IR-Hochintensitätslampe in einem kritischen Augenblick während einer verdeckten Operation gemindert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die LIDs auf einem Wärmeableiter montiert, um die Temperatur zu stabilisieren. Der Wärmeableiter kann die Lebensdauer der LID verlängern, indem er die Betriebstemperatur der LID innerhalb der Herstellervorgaben hält. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das durch die LIDs abgegebene Infrarotlicht in ein optisches Übertragungsmittel eingekoppelt, wie beispielsweise maschinell hergestellte oder geformte Lichtleiter oder vorzugsweise optische Fasern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung empfängt eine optische Positionierungsplatte die Infrarotstrahlung von dem optischen Übertragungsmittel und konzentriert die Strahlung der einzelnen LIDs in einem einzelnen Strahl, wodurch eine Infrarotlicht-Punktquelle entsteht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine asphärische Linse so angeordnet, dass sich ihre Fokalebene an der Licht aussendenden Fläche der optischen Positionierungsplatte befindet, wobei die asphärische Linse so angeordnet ist, dass sie den Lichtstrahl empfängt, der durch die optische Positionierungsplatte abgegeben wird, und die Strahlung kollimiert, was zu einer Strahlungsintensität größer als sechs führt. Ein konischer Reflektor, wie beispielsweise ein polierter Aluminiumreflektor, kann optional zwischen der optischen Positionierungsplatte und der asphärische Linse angeordnet sein, um das durch die optische Positionierungsplatte abgegebene Infrarotlicht weiter zu richten und so die Lichtsammlungseffizienz zu erhöhen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird elektrischer Strom in eine Steuerschaltung eingespeist, welche die Spannung und den Strom auf einen Wert konditionieren, der mit den LIDs kompatibel ist. Die Steuerschaltung kann im Inneren des Gehäuses montiert sein oder kann sich an einer räumlich abgesetzten Stelle befinden. Die Steuerschaltung liefert genügend elektrischen Strom, um die LIDs zu aktivieren, während ein Übersteuern der LIDs verhindert wird.
Das Gehäuse kann Montagepunkte enthalten, um die Installation und die Montage der Infrarot-Hochintensitätslampe zu erleichtern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Infrarotlichts von hoher Intensität bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
Bereitstellen von wenigstens zwei LASER-Infrarotdioden;
Ableiten von Wärme von den LASER-Infrarotdioden;
Übertragen von Infrarotlicht, das von den LASER-Infrarotdioden ausgesandt wurde, über ein optisches Übertragungsmittel;
Kombinieren des Ausgangs des optischen Übertragungsmittels zu einem einzelnen Infrarotlichtstrahl;
Abstrahlen des Infrarotlichtstrahls von einer Licht aussendenden Fläche;
Anordnen einer Linse dergestalt, dass sich die Fokalebene der Linse an der Licht aussendenden Fläche befindet; und
Übertragen des Infrarotlichtstrahls durch die Linse,
wobei die Linse dafür konfiguriert ist, den übertragenen Infrarotlichtstrahl zu kollimieren.
Diese und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Beschreibung, der angehängten Ansprüche und begleitenden Zeichnungen besser verstanden.
In den Zeichnungen ist Folgendes zu sehen:
1 ist eine Ansicht der allgemeinen Anordnung der IR-Hochintensitätslampe.
2 ist ein Schaltplan der IR-Hochintensitätslampe.
Die allgemeine Anordnung des Infrarotlampe 100 von hoher Intensität ist in 1 veranschaulicht. Zwei oder mehr LASER-Infrarotdioden (LIDs) 110 sind an einem Wärmeableiter 112 montiert, um eine stabilisierte Betriebstemperatur für die LIDs 110 aufrecht zu erhalten. Das durch LIDs 110 abgegebene Infrarotlicht wird in einen Satz optischer Übertragungsmittel eingekoppelt, wie beispielsweise Lichtleiter oder vorzugsweise optische Fasern 108. Das durch die optischen Fasern 108 empfangene Licht wird zu der optischen Positionierungsplatte 106 geleitet und wird in der optischen Positionierungsplatte 106 zu einem einzelnen Infrarotlichtstrahl kombiniert. Eine asphärische Linse 102 ist so angeordnet, dass sich ihre Fokalebene 118 an der Licht aussendenden Fläche 116 der optischen Positionierungsplatte 106 befindet. Die asphärische Linse 102 empfängt den einzelnen Lichtstrahl, der durch die optische Positionierungsplatte 106 abgegeben wird, und kollimiert den Strahl, wodurch eine NVIS-Strahlungsintensität größer als sechs erreicht wird. Ein konischer Reflektor 120, wie beispielsweise ein polierter Aluminiumreflektor, kann optional zwischen der optischen Positionierungsplatte 106 und der asphärischen Linse 102 angeordnet werden, um das durch die optische Positionierungsplatte 106 abgegebene Infrarotlicht weiter zu richten.
Die Komponenten der Infrarotlampe 100 von hoher Intensität können in einem Gehäuse 104 zusammengebaut sein, um sie vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Das Gehäuse 104 kann optional Montagepunkte 114 enthalten, um die Montage der Infrarotlampe 100 von hoher Intensität in einer Landescheinwerfer- oder Suchscheinwerferbaugruppe zu erleichtern.
In 2 ist ein Schaltplan des elektrischen Stromkreises für die Infrarotlampe 100 von hoher Intensität gezeigt. Elektrischer Strom für die Infrarotlampe 100 von hoher Intensität wird über die Stromzuleitungen 202, 204 zugeführt. Der elektrische Strom wird durch einen Schalter 206 gesteuert. Wenn der Schalter 206 geschlossen wird, so wird Spannung zu dem Hochspannungsfilter 208 geleitet, der elektrisches Rauschen zwischen der Stromquelle und der Steuerschaltung 200 isoliert. Die Stromversorgung 210, wie beispielsweise ein Spannungsregler, konditioniert den elektrischen Strom von der Stromquelle auf einen Wert, der für die Komponenten in der Steuerschaltung 200 geeignet ist. Wenn die Treibersteuerung 212 konditionierten Strom von der Stromversorgung 210 erhält, so aktiviert die den Treiber 214. Der Treiber 214, wie beispielsweise ein elektrischer Strombegrenzer, führt den Infrarotlichtquellen 110 eine kontrollierte Menge elektrischen Stroms zu, so dass die Infrarotlichtquellen 110 Infrarotlicht abgeben.
Während des Betriebes ist die Infrarotlampe 100 von hoher Intensität an einem Flugzeug zur Verwendung als Lande- oder Suchscheinwerfer angebracht. Ein Steuerschalter 206, der in der Regel im Cockpit montiert ist, wird zu Beginn in die "geöffnete" Stellung geschaltet, so dass kein elektrischer Strom zu den Infrarotlichtquellen 110 fließt. Wenn der Bediener den Steuerschalter 206 in die "geschlossene" Stellung umschaltet, so wird der Treiber 214 aktiviert, so dass die Infrarotlichtquellen 110 Infrarotlicht aussenden, um den Start, das Landen, das Suchen, das Zielen und das Manövrieren während verdeckter Operationen zu unterstützen.
Obgleich die vorliegende Erfindung im vorliegenden Text anhand einer konkreten Ausführungsform für eine spezielle Anwendung gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz in der Luftfahrt beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann ohne Weiteres ebenso für handgehaltene und stationäre Vorrichtungen sowie für alle Arten von Verkehrsmitteln eingesetzt werden, einschließlich Automobilen, Wasserfahrzeugen und der Eisenbahn.

Claims

Infrarotlicht von hoher Intensität, das Folgendes aufweist: ein Gehäuse (104); zwei oder mehr LASER-Infrarotdioden (110), die im Inneren des Gehäuses (104) angeordnet sind; ein Mittel, das einen Wärmeableiter (112) zum Aufnehmen von Wärme von den LASER-Infrarotdioden (110) aufweist; ein Mittel (108) zum Sammeln und Übertragen des von den LASER-Infrarotdioden (110) abgestrahlten Infrarotlichts; ein Mittel (106) zum Aufnehmen und Kombinieren des Infrarotlichts von dem optischen Übertragungsmittel zu einem einzelnen Infrarotlichtstrahl und zum Abstrahlen des Lichtstrahls von einer Licht aussendenden Fläche (116); und eine Linse (102), die so angeordnet ist, dass sich die Fokalebene (118) der Linse (102) an der Licht aussendenden Fläche (116) des Kombinierungsmittels (106) befindet, wobei die Linse (102) dafür geeignet ist, den Infrarotlichtstrahl, der von dem Kombinierungsmittel (106) ausgesandt wurde, zu empfangen und den Infrarotlichtstrahl zu kollimieren.
Infrarotlicht von hoher Intensität nach Anspruch 1, das des Weiteren ein Mittel (200) zum Steuern des an die LASER-Infrarotdioden (110) angelegten Stromes enthält.
Infrarotlicht von hoher Intensität nach Anspruch 2, wobei das Steuerungsmittel (200) entweder im Inneren des Gehäuses (104) oder von dem Gehäuse (104) räumlich entfernt angeordnet ist.
Infrarotlicht von hoher Intensität nach Anspruch 1, das des Weiteren Montagepunkte (114) an dem Gehäuse (104) zum Erleichtern der Installation enthält.
Infrarotlicht von hoher Intensität nach Anspruch 1, das des Weiteren einen konischen Reflektor (120) enthält, der zwischen dem Mittel zum Aufnehmen und Kombinieren von Infrarotlicht (106) und der Linse (102) angeordnet ist, um das von dem Mittel zum Aufnehmen und Kombinieren von Infrarotlicht (106) ausgesandte Infrarotlicht weiter zu sammeln und zu leiten.
Infrarotlicht von hoher Intensität nach Anspruch 1, wobei das Aufnahme- und Kombinierungsmittel (106) eine optische Positionierungsplatte (106) enthält, die dafür konfiguriert ist, den einzelnen Infrarotlichtstrahl zu empfangen und auszusenden.
Infrarotlicht von hoher Intensität nach Anspruch 1, wobei die Linse (102) eine asphärische Linse (102) ist.
Verfahren zum Bereitstellen eines Infrarotlichts von hoher Intensität, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen von wenigstens zwei LASER-Infrarotdioden (110); Ableiten von Wärme von den LASER-Infrarotdioden (110); Übertragen von Infrarotlicht, das von den LASER-Infrarotdioden (110) ausgesandt wurde, über ein optisches Übertragungsmittel (108); Kombinieren des Ausgangs des optischen Übertragungsmittels (108) zu einem einzelnen Infrarotlichtstrahl; Abstrahlen des Infrarotlichtstrahls von einer Licht aussendenden Fläche (116); Anordnen einer Linse (102) dergestalt, dass sich die Fokalebene (118) der Linse (102) an der Licht aussendenden Fläche (116) befindet; und Übertragen des Infrarotlichtstrahls durch die Linse (102), wobei die Linse (102) dafür konfiguriert ist, den übertragenen Infrarotlichtstrahl zu kollimieren.
Verfahren nach Anspruch 8, das des Weiteren den Schritt des Sammelns des Infrarotlichts, das von der Licht aussendenden Fläche ausgesandt wurde, und des Lenkens des Infrarotlichts in Richtung der Linse (102) enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die LASER-Infrarotdioden (110) in ein Gehäuse (104) eingepasst sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Gehäuse (104) Montagepunkte (114) enthält, um die Installation zu vereinfachen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine optische Positionierungsplatte (106) benutzt wird, um den Ausgang des optischen Übertragungsmittels (108) zu kombinieren.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Wärmeableiter (112) benutzt wird, um die Wärme von den LASER-Infrarotdioden (110) abzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Linse (102) eine asphärische Linse (102) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, das des Weiteren das Begrenzen des an die LASER-Infrarotdioden (110) angelegten elektrischen Stromes enthält.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Steuerschaltung (200) verwendet wird, um den an die LASER-Infrarotdioden (110) angelegten elektrischen Strom zu begrenzen.