CN112823301A - 用于为投影仪提供多色光束的装置和方法、投影仪和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为投影仪提供多色光束的装置（100）。该装置（100）包括第一光源（105）、第二光源（106）、波导元件（110）、射束形成机构（115）和结构元件（120）。波导元件（110）成形用于导引第一光源（105）的光的第一波导（125）、用于导引第二光源（106）的光的第二波导（126）和用于耦出来自第一波导（125）和第二波导（126）的光的耦出区域（130）。射束形成机构（115）构造用于，在使用从耦出区域（130）耦出的光的情况下形成多色光束。在结构元件（120）上布置有第一光源（105）、第二光源（106）、波导元件（110）和射束形成机构（115）。

Description

用于为投影仪提供多色光束的装置和方法、投影仪和制造 方法

技术领域

本发明基于根据独立权利要求类型所述的一种装置或一种方法。

背景技术

可以例如为数据眼镜或可穿戴设备使用微型化的投影系统。为了将不同颜色的光束聚集成一个光束，可以使用玻璃纤维。

DE 601 22 267 T2公开了一种与可以用于光学的和光电的数据处理的光子结构元件相关的光学的组合器。光学的组合器是设计在硅盐酸玻璃体中的波导结构。在组合器中聚集不同波长的光。

发明内容

在这种背景下，用在此提出的方案提出了根据独立权利要求所述的用于为投影仪提供多色光束的一种装置和一种方法、一种投影仪和一种用于制造为投影仪提供多色光束的装置的制造方法。通过在从属权利要求中提及的措施实现了在独立权利要求中说明的装置的有利的扩展方案和改进方案。

用这种方案有利地能够由多个不同颜色的光束形成一股多色光束。通过使用针对每个光源具有各一个成形（ausformen）在波导元件中的光学的波导的波导元件，可以提供有高射束质量的多色的、能高频调制的光束。这能有利地以紧凑的构造形式实现并且因此实现了在此所提出的装置结合所谓的微型投影仪、即微型化的投影系统的应用，所述投影系统例如可以用于数据眼镜、电子手表（智能手表）或移动电话（智能手机）。

提出了一种用于为投影仪提供多色光束的装置。所述装置具有至少一个第一光源和第二光源。此外，所述装置还包括波导元件、射束形成机构和结构元件。波导元件成形用于导引第一光源的光的第一波导、用于导引第二光源的光的第二波导和用于耦出来自第一波导和第二波导的光的耦出区域。射束形成机构构造用于，在使用从耦出区域耦出的光的情况下形成多色光束。在结构元件上布置有第一光源、第二光源、波导元件和射束形成机构。

投影仪例如涉及一种高分辨率的微型化的投影系统，即用于诸如数据眼镜之类的可穿戴设备的所谓的迷你投影仪或微型投影仪。所述装置可以称为用于投影仪的多色光源模块，并且设计带有两个、三个或更多个光源，例如设计成红绿蓝光源模块。第一和第二光源可以例如实现为基于不同的半导体技术的边缘发射激光二极管（例如实现为DFB和DBR激光器）、边缘发射的超发光LED或垂直发射的激光二极管（所谓的VCSEL）或不同光源类型的组合。为了实现第一和第二光源，可以例如使用带有所提及的光源形状（Lichtquellenausformung）的商业上通用的芯片，其具有约500 µm x 500 µm x100 µm（长x宽x高）的外部尺寸。波导元件可以由具有比芯材更低的折射率的护套材料构成，其中，以芯材来成形第一和第二波导。例如使用二氧化硅作为用于波导元件的护套材料，使用氮化硅、氮氧化硅或铌酸锂作为芯材。替代地，也可以使用聚合物或混合聚合物作为护套材料。芯材可以嵌入护套材料中，以便成形波导。波导元件因此可以是这样一种元件，该元件包括由护套材料构成的一些区域和由芯材构成的一些区域。在此，波导元件可以一体式设计。波导可以是通过光刻曝光工艺在波导元件中成形的波导。耦出区域能实现为波导元件的一部分。射束形成机构可以例如包括一个或多个微透镜。结构元件可以成形为机械的结构件，在该结构元件上可以例如借助钎焊工艺或借助共晶键合来固定所述装置的所有其它的部件。

根据一种实施方式，第一波导和第二波导可以设计成单模的。此外，第一波导和第二波导的在耦出区域中成形的末端可以布置成与射束形成机构间隔不同距离。第一波导和第二波导的单模性是有利的，因为由此可使在波导末端处发射的光的分布与光源的特性无关。因此光源的制造公差不会影响所发射的光分布，这对所述装置结合微型化的投影仪的使用是有利的，因为在这种情况下，不同的光束具有相同的射束参数（原点、方向、直径和发散角），这有利地使得能为波导的耦出的光使用诸如射束形成机构之类的共同的光学元件，以便形成多色光束。第一和第二波导的末端的不同的间距在关于射束形成机构的校准公差方面是有利的。通过波导的末端的相对位置的限定的间隔，可以有利地借助对在射束形成机构和波导元件之间的自由度的校准来进行在射束形成机构和波导之间的校准，在射束形成机构和各个波导之间的校准在这种情况下不是必需的，这有利地节省了成本。

根据一种实施方式，第一波导和附加或替代地第二波导可以成形为条形波导、脊形波导或柱筒形波导。波导的轮廓在此可以有利地对应于波导元件的材料的和成形在波导元件中的波导的材料的实施方案，以便实现波导的单模性。此外，波导的横截面形状由此可以根据有待由波导导引的光的光源的颜色进行选择。结合波导末端如前述那样的特定的定位，可以由此有利地将有待形成的多色光束的射束发散度设置成对所有颜色都是相同的。

根据一种实施方式，波导元件可以设计成光学的芯片。在此，波导元件可以例如实现为光子集成电路（英语为photonic integrated circuit）。光学的芯片作为波导眼见的使用有利地实现所述装置的紧凑的构造形式。

此外，根据一种实施方式，波导元件可以成形用于将来自第一光源的光耦入到第一波导中的第一耦入元件。波导元件附加或替代地可以具有用于将来自第二光源的光耦入到第二波导中的第二耦入元件。耦入元件可以作为波导元件的一部分成形，并且附加或替代地可以布置在光源和波导元件之间。耦入元件可以例如由波导的开端的特定的成形部来成形，例如通过漏斗形的成形部或通过诸如格栅耦合器之类的元件的嵌入来成形。通过使用耦入元件，可以有利地实现光源相对于波导元件的几微米的位置公差，由此能借助装配机器人实现波导元件的安装。此外，在弱光源中可能有利的是，根据特别高的效率来设计耦入元件。在强光源中可能有利的是，这样来设计耦入元件，使得光功率的一部分被反射或吸收，以便提高所述装置在关于带有这种光源的投影仪的眼睛安全的运行方面的安全性。

根据一种实施方式，射束形成机构包括至少一个微透镜和用于修正微透镜的焦点的修正板。修正板可以例如涉及有小的折射能力（Brechkraft）的另外的微透镜。为了修正焦点，可以例如将微透镜集成到所述装置中，并且在测量所形成的多色光束的射束发散度后可以使用相应修正的修正板，以便修正射束发散度。这有利地是利于成本的。射束形成机构也可以具有多个微透镜，在这种情况下可以借助修正板来修正射束形成机构的焦点。

根据一种实施方式，所述装置也可以具有操控电子元件。操控电子元件可以布置在结构元件上。此外，操控电子元件可以与第一光源和第二光源能传输信号地连接。操控电子元件可以实现为集成电路，例如专用集成电路（ASIC）。操控电子元件可以由多个部分构成，例如数字的逻辑组件和模数转换器。对快速的信号上升时间而言有利的是，成形操控电子元件和光源之间的短的电气连接。为此，光源可以例如钎焊在形式为专用集成电路的操控电子元件上。因此可以有利地提高信号传输速度。

根据一种实施方式，所述装置也可以具有第三光源。波导元件在这种情况下可以成形用于导引来自第三光源的光的第三波导，并且可以成形额外用于耦出来自第三波导的光的耦出区域。第三光源的和第三波导的实施方式可以对应于第一和第二光源以及第一和第二波导的上述实施方式进行设计。带有第三光源的装置可以有利地设计成用于投影仪的红绿蓝光源模块。所述装置也可以具有多个光源，可以为所述光源分别在波导元件中成形另一个波导。

根据一种实施方式，所述装置可以小于8毫米。在此，所述装置的长、高或宽均小于8毫米，或者所述装置可以具有小于8立方毫米的尺寸。所述装置可以例如在5 mm x 5 mm x5 mm的结构空间上实现。因此每个波导可以例如具有小于8毫米的长度。因此有利地实现用于高分辨率的微型化的投影仪的装置的紧凑的构造形式。这对于将不同颜色的光源借助半透明的镜聚集成一股射束而言是有利的，因为这种实现方案具有几厘米的尺寸。

用这种方案还提出了一种带有至少一个前述装置的投影仪。投影仪能实现为微型化的投影仪，例如所谓的高分辨率的微型投影仪，并且可以例如用于数据眼镜或可穿戴设备。至少一个装置可以用作投影仪的光源。为了结合按视网膜投影原理工作的数据眼镜的使用，还有利的是，借助所述装置形成的光束的射束参数可以精确地与目标值协调一致。投影仪可以具有至少一个偏转元件，例如能调节的微镜。偏转元件可以用于受控地使得由至少一个装置提供的光束偏转。以这种方式能在使用唯一一个装置的情况下时间上先后相继地将图像的像点投射到投影面上。投影仪替代可以具有多个装置。这样的优点是，能时间上并行地将图像的多个像点投射到投影面上。

也提出了一种用于为投影仪提供多色光束的方法。所述方法包括发射的步骤、导引的步骤和形成的步骤。在发射的步骤中，在使用第一光源和第二光源的情况下发出光。在导引的步骤中，在使用第一波导的情况下导引第一光源的光。此外，在导引的步骤中还在使用第二波导的情况下导引第二光源的光。在导引的步骤中也在使用耦出区域的情况下耦出来自第一波导和第二波导的光。第一波导、第二波导和耦出区域由波导元件来成形。在形成的步骤中，在使用从耦出区域耦出的光的情况下借助射束形成机构来形成多色光束。

此外，用这种方案提出了一种用于制造为投影仪提供多色光束的装置的制造方法。所述制造方法具有提供第一光源和第二光源的步骤、提供波导元件的步骤、提供射束形成机构的步骤和布置的步骤。在提供波导元件的步骤中提供波导元件，该波导元件成形用于导引第一光源的光的第一波导、用于导引第二光源的光的第二波导和用于耦出来自第一波导和第二波导的光的耦出区域。在提供射束形成机构的步骤中提供射束形成机构，该射束形成机构构造用于，在使用从耦出区域耦出的光的情况下形成多色光束。在布置的步骤中，将第一光源、第二光源、波导元件和光束形成机构布置在结构元件上，以便制造装置。为此，所提及的部件例如可以钎焊到或者借助共晶键合固定到结构元件上。

附图说明

在此提出的方案的实施例在附图中示出并且在接下来的说明书中更为详细地阐释。图中示出：

图1和2示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的示意图；

图3a和3b示出了根据实施例的投影仪的示意图；

图4至6示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导的示意图；

图7和8示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导元件的示意图；

图9至11示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导元件的一部分的示意图；

图12至15示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的带有射束参数辅助元件的波导元件的一部分的示意图；

图16至18示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导的开端的示意图；

图19至21示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导元件的耦入元件的示意图；

图22示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导元件的和射束形成机构的示意图；

图23至25示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导的末端的示意图；

图26和27示出了光在根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导的末端处的强度分布的特征曲线；

图28示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导的末端的示意图；

图29至32示出了光在根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导的末端处的强度分布的特征曲线；

图33示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的方法的流程图；并且

图34示出了根据一个实施例的用于制造为投影仪提供多色光束的装置的制造方法的流程图。

具体实施方式

在对本发明的有利的实施例的下列说明中，为在不同的附图中示出的并且相似地作用的元件使用相同的或相似的附图标记，其中，略去了对这些元件的重复说明。

图1示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置100的示意图。示出了装置100的概览图。装置100包括第一光源105、第二光源106并且根据这个实施例还包括第三光源107。此外，装置100还包括波导元件110、射束形成机构115和结构元件120。波导元件110成形用于导引第一光源105的光的第一波导125、用于导引第二光源106的光的第二波导126、用于导引第三光源107的光的第三波导127和用于将光从第一波导125、第二波导126和第三波导127耦出的耦出区域130。射束形成机构115构造用于，在使用从耦出区域130耦出的光的情况下形成多色光束。在结构元件120上布置着第一光源105、第二光源106、第三光源107、波导元件110和射束形成机构115。

所示的直角坐标系示例性地阐明所提及的部件在结构元件120上的在此示出的示意性的布置。波导元件110参照x轴布置在波导125、126、127和射束形成机构115之间。由光源105、106、107发出的光由波导125、126、127沿x轴的方向导送给射束形成机构115。在此，波导125、127分别具有弯曲的区段，波导125、126、127的间距由于所述弯曲的区段减小。光源105、106、107沿y轴的方向并排布置。z轴作为竖轴示例性地示出了装置100的部件的高度，所述装置借助接下来的附图更为详细地示出。

装置100根据在此示出的实施例也包括可选的操控电子元件135。该操控电子元件135布置在结构元件120上并且能传输信号地与第一光源105、第二光源106和第三光源107连接。操控电子元件135构造用于，操控、即例如接通或关断光源105、106、107，并且可选调整从光源105、106、107发出的光的光强。

用于光源105、106、107的操控电子元件135例如能实现为集成电路，例如实现为专用集成开关元件（ASIC）。此外，操控电子器件135能设计成一件式的或者多件式的，其可以例如具有数字的逻辑组件和模数转换器。视所述装置100被装入其中的、投影仪的分辨率而定，需要一种快速的操控电子器件，因为像素率可以为几百MHz至几GHz。因此有利的是，在操控电子元件135和光源105、106、107之间的电气的连接结构为了快速的信号上升时间而设计得短。为此，光源105、106、107可以例如直接钎焊到作为操控电子元件135的专用集成开关元件上。

此外，波导元件110根据在此示出的实施例成形用于将来自第一光源105的光耦入到第一波导125中的第一耦入元件140。波导元件110额外成形用于将来自第二光源106的光耦入到第二波导126中的第二耦入元件141和用于将来自第三光源107的光耦入到第三波导127中的第三耦入元件142。耦入元件140、141、142的使用是有利的，以便以明确定义的效率将光从光源105、106、107耦入到波导125、126、127中。

可以使用边缘发射的激光二极管（例如DFB激光器和DBR激光器）、边缘发射的超发光LED或垂直发射的激光二极管（所谓的VCSEL）作为光源105、106、107。也能使用通常基于不同的半导体技术的不同的光源类型的组合，例如以便将不同的波长相互组合。光源105、106、107例如可以作为外部尺寸约为500 µm x 500 µm x 100 µm（长x宽x高）的芯片获得。装置100包括两个或更多个光源105、106、107。

结构元件120能设计成机械的结构件并且此外履行用于光源105、106、107的和操控电子元件135的热损失功率的吸热装置（Wärmesenke）的功能。所述装置100的有待布置在结构元件120上的部件借助稳定的固定方法、例如钎焊工艺和共晶键合固定在结构元件120处。结构件例如实现为电路板。

根据一个实施例，射束形成机构115实现为微透镜或微透镜的组合。射束形成机构115构造用于，视所述装置100用于投影仪的应用而定产生特定的射束直径和特定的射束发散度。在微型化的投影系统中，所需的射束发散度经常很小，这就是说，期望平行的或几乎平行的射束。

装置100能用于将不同颜色的半导体光源，即带操控电子器件、操控电子元件135和带诸如波导元件110、波导125、126、127和射束形成机构115之类的微光学结构元件的光源105、106、107在紧凑的结构空间中这样集成，使得提供了有高射束质量的多色的、能高频调制的并且几何形状上精确地限定的光束。

根据一个实施例，所述装置100小于8 毫米。装置100例如能在小于5 mm x 5 mm x5 mm的结构空间中实现。通过没有设计成玻璃纤维、而是在所述装置100的波导元件110中成形的波导125、126、127的成形，实现了装置100的所提及的微型化。在此，波导元件110可选实现为光学芯片、例如实现为光子集成电路。

图2示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置100的示意图。在此示出的装置100的概览图基本上对应图1，额外示例性地为第一光源105示出了光的光程（Strahlengang）。从第一光源105输出光束205。光束205借助第一耦入元件140耦入到第一波导125中并且沿着波导元件110的耦出区域130的方向导引。由第一波导125从耦出区域130耦出的光束210沿射束形成机构115的方向发射。

根据在此所示的实施例，射束形成机构115包括至少一个微透镜215和用于修正微透镜215的焦点的修正板216。射束形成机构115由从耦出区域130耦出的光束210形成用于投影仪的光束220。在此处所示的实施例中仅第一光源105是活跃的，因而光束220作为单色的光束提供。当此外第二光源106并且附加或替代地第三光源107也是活跃的时，从耦出区域130耦出的光聚集并且光束220作为多色光束220提供。

图3a示出了根据一个实施例的投影仪300的示意图。投影仪300包括唯一一个如借助之前提及的附图所说明那样的装置100。投影仪300构造用于，将图像投射到投影面305上。投影仪300为此具有可以运动的偏转元件306，该偏转元件构造用于，如此使得由装置100提供的光束220转向，使得光束220作为投影射束307将图像的像点投射到投影面305上。通过恰当地操控装置100和可以运动的偏转元件306，图像的像点可以时间上前后相继地、例如逐行地投射到投影面305上。可以运动的偏转元件306例如设计成例如形式为MEMS微镜的微镜，该微镜使得光束220转向。因此用作光源模块的装置100可以照射到用作射束转向单元的MEMS微镜上。可以取代可以活动的偏转元件306使用另一个合适的偏转元件将光束220受控地偏转。

图3b示出了根据一个实施例的投影仪300的示意图。投影仪300包括多个如借助之前所提及的附图说明那样的装置100。投影仪300构造用于，将图像投射到投影面305上。每个装置100是投影仪300的光源，以便将图像的像点投射到投影面305上。投影仪300构造用于，由通过装置100提供的多色光束220来形成投影射束310，以便投射图像。

借助图3a和3b示出的投影仪300能实现为微型化的投影仪，例如实现为微型投影仪并且例如能用于数据眼镜或可穿戴设备。

此外，集成的波导元件在装置100中的使用还使得装置100的光源的几何公差与由装置100提供的光束220的几何公差解耦。因此光源的几何公差对光束220的精度的影响不那么严重一些。通过这些特性，即特别小的结构空间、射束参数的可匹配性和对光源的几何公差的较小的要求，使得所述装置100能用作用于如在此所示的投影仪300那样的高分辨率的微型投影仪的多色光源模块。在使用用于根据视网膜投影原理工作的数据眼镜的投影仪300的情况下，额外有利的是，光束220的射束参数精确地与特定的目标值协调一致。

图4至6示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导125的各自的示意图。在此，在图1中示出的第一波导示例性地作为横截面示出。在此并且在接下来的附图中替代也可以涉及图1所示的第二或第三波导的图示。

分别示出了波导125的轮廓的横截面，所述波导成形在波导元件110中。波导125由芯材405成形而来，芯材嵌入波导元件110的护套材料410中。波导125示例性地设计成介电的波导，对于该介电的波导而言，芯材405制成的有较高折射率的芯被由护套材料410构成的有较低折射率的护套包围。例如可以使用二氧化硅作为用于波导元件110的护套材料410，使用氮化硅、氮氧化硅或铌酸锂作为用于波导125的芯材405。替代也可以使用聚合物或混合聚合物作为护套材料410，在这种情况下，波导125可以通过光刻曝光工艺成形在波导元件110中。波导125根据不同的实施方式成形为条形波导或脊形波导或柱筒形波导。

图4示出了成形为条形波导的波导125。波导125作为条形波导具有矩形的形状。在此，波导125的宽度b的伸展范围比作为台阶式波导的波导125的高度h的两倍更长，其中，高度h在z轴的延伸方向中示出。

图5示出了成形为脊形波导的波导125。作为脊形波导，波导125具有阶梯式的形状。波导125具有带三个台阶平面的平台（Siegertreppe）的形状，其中，两个侧向的台阶一样高。在此，侧向的台阶在高度H时成阶梯状，并且上方的台阶具有宽度B。所述台阶均具有类似的宽度B。

图6示出了成形为柱筒形波导的波导125，波导125相应地具有直径为d的柱筒形状。波导125作为柱筒形波导的实现方案在护套材料410由聚合物或混合聚合物成形时是有利的。

图7和8分别示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导元件110的示意图。分别示出了第一波导125、第二波导126和第三波导127在波导元件110中的走向。在图8中，波导125、126、127额外分别具有耦入元件140、141、142。在波导元件110中成形的波导125、126、127的在此示出的实施例示例性地阐明了在各个波导125、126、127之间的间距。

根据一个实施例，波导125、126、127设计成单模的。此外，波导125、126、127的在耦出区域130中成形的末端与射束形成机构间隔不同间距布置。波导元件110具有的任务是，为每个光源提供波导125、126、127，波导以限定的效率接收光。波导125、126、127为此在波导元件110上彼此分开地成形并且通往耦出区域130，波导在那里邻近彼此布置并且光以限定的方式转向到射束形成机构上。波导元件110和波导125、126、127为此被集成，即在唯一一个结构元件中制造，并且不是由不同的构件组装而成，这有利地是利于成本的并且实现了紧凑的构造形式。第一波导125具有与第二波导126的第一间距，该第一间距从耦入元件140起朝着耦出区域130的方向减小。第二波导126具有与第三波导127的第二间距，该第二间距例如和第一间距一样大，该第二间距从耦入区域140起朝着耦出区域130的方向减小。在波导125、126、127的开端处，在各个波导125、126、127之间的间距例如由光源140、141、142的伸展范围和间隔距离来限定，在一个区段中，所述间距沿着耦出区域130的方向减小，例如减小到一个物理上最小可能的间距。波导末端的横截面形状和位置额外是可变的并且能个性化地与各个光源140、141、142匹配、例如与光源140、141、142的颜色匹配，由此实现的是，有待形成的多色光束针对每个颜色具有特定的射束参数。尤其可以针对所有颜色将射束发散度都选择成相同的。在此示出的波导125、126、127相应地具有不同的长度和因此波导125、126、127的末端的不同的位置。因此，波导125、126、127的末端距离波导元件110的面朝射束形成机构的末端不一样远地或者距离射束形成机构不一样远地布置。

波导125、126、127的单模性是有利的，因为由此使在波导125、126、127的末端处发出的光的分布与光源的特性无关。因此光源的制造公差不会影响所发出的光分布，这对所述装置在投影仪中的使用是有利的，因为所有这些射束都具有相同的射束参数（原点、方向、直径和发散角），所以诸如射束形成机构之类的所有下列光学元件中仅需要唯一一个样本。由此实现射束参数的一致性，其方式是，波导125、126、127的轮廓与各个波长相匹配，即波长越大，那么相应的波导125、126、127的高度和宽度选择得就越大，此外，如借助下列附图所示的那样，例如可以通过波导125、126、127的漏斗形的扩宽部或收窄部、到较大的波导中的嵌入、微透镜、微镜或它们的组合，形成波导末端并且可以配设有另外的辅助元件。基于分开保持的波导125、126、127没能完全实现射束原点的一致性，但由于波导125、126、127的末端的窄的间隔距离近似实现了这一点。在两个波导125、126、127之间的最小的间距由在波导元件110的芯材和护套材料之间的折射率对比确定。这个折射率对比越高，那么在波导125、126、127之间的最小的间距就越小。折射对比同时也影响发散角，这更为详细地借助接下来的附图说明。

图9至11分别示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导元件110的一部分的示意图。示出了波导125、126、127的末端和耦出区域130作为波导元件110的部分。

图9示例性地示出了波导125、126、127的位置和轮廓。第一波导125具有宽度b1，其大于第二波导126的宽度b2。第三波导127具有相比最小的宽度b3。第一波导125的末端比第二波导126的末端更远地伸入到耦出区域130中，第三波导127的末端则最远地进入到耦出区域中。波导125、126、127的末端的不同的位置和不同的轮廓尺寸实现了通过波导125、126、127导引的光的射束参数的均衡，这在关于有待形成的多色光束的均匀的射束直径和射束发散度方面是有利的。有待通过波导125、126、127导引的光的波长越大，那么相应的波导125、126、127的高度和宽度b1、b2、b3就选择得越大。

图10示出了波导125、126、127的位置和轮廓，其与借助图9所说明的实施例类似，因此在此所示的波导125、126、127的各不同的宽度b1、b2、b3也对应于在图9中所示的实施例。在此处所示的实施例中，波导125、126、127的末端分别额外具有收窄部。波导125、126、127的收窄部是不同的。波导125、126、127的收窄部对通过波导125、126、127导引的光的射束参数的力求的一致性而言是有利的。

图11示出了波导125、126、127的轮廓的横截面，在此相应地标出了波导元件11的高度H。波导125、126、127的在此所示的轮廓是不同的：第一波导125成形为扁平的矩形，并且具有宽度b1，该宽度至少是第一波导125的高度h1的两倍。第二波导126具有接近正方形的轮廓，第二波导126的高度h2接近第二波导126的宽度b2。第三波导127设计成高的矩形，第三波导127的高度h3比宽度b3的两倍还要大。波导125、126、127的横截面的不同的构型对均衡射束参数而言是有利的。

图12至15示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的带射束参数辅助元件的波导元件110的一部分的各自的示意图。示出了波导125、126、127的末端和耦出区域130作为波导元件110的部分。在波导元件110处在图12和13中示出了微透镜1205并且在图14和15中示出了微镜1405作为射束参数辅助元件。射束参数辅助元件构造用于，实现通过波导125、126、127导引的射束的射束参数的均衡。

图12示出了波导元件110的俯视图。波导125、126、127的末端具有收窄部。此外，波导125、126、127的宽度b1、b2和b3如借助图9和10说明的那样是不同的。根据在此所示的实施例，在波导元件110的末端处毗邻耦出区域130地布置有微透镜。通过波导125、126、127的宽度b1、b2、b3的在此所示的变化以及微透镜1205的布置，实现了波导125、126、127的射束参数的均衡。

图13示出了图12中所示的实施例的剖面图。示出了波导元件110的高度H以及第三波导127的高度h3。高度H表明波导元件110的护套材料410的高度。护套材料410根据在此所示的实施例用作用于嵌入到波导元件110中的波导127的附加的较大的波导，所述嵌入到波导元件中的波导通入到波导元件110的护套材料410内的耦入区域中。护套材料410在此影响从波导127耦出的光的射束参数，这有助于均衡射束参数。

图14示出了波导元件110的俯视图。在此示出的实施例在波导125、126、127的成形和位置方面与借助图12说明的实施例类似，其具有波导125、126、127的相应的各自不同的宽度b1、b2、b3和在每个波导125、126、127的末端处的收窄部。但微镜1405在此毗邻耦出区域130地布置，微镜被这样成形，以用于均衡通过波导125、126、127导引的光的射束参数。

图15示出了图14中所示的实施例的剖面图。示出了波导元件110的高度H以及第三波导127的高度h3。此外，在此可以看到微镜1405的成形。微镜设计成直角三角形，其中，三角形的斜边沿z轴的延伸方向延伸。

图16至18分别示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导125、在此同样仅示例性地为在图1中示出的第一波导的开端的示意图。所示的波导125的开端被这样成形，从而耦入由光源提供的光。通过波导125的开端的在此所示的成形部以及通过如借助图19至21所示的耦入元件，可以调整光源相对于波导元件并且因此相对于波导125的位置公差。有利的是，位置公差有几微米那么大，以便能借助装配机器人实现所述位置公差。波导125的开端的不同的成形部是有利的，以便以明确定义的效率将光从光源耦入到波导125中。

图16作为波导125的开端示出了在波导125的长度上均匀延伸的高度和宽度，所述高度和宽度相对于波导125的进一步的走向没有改变，即在波导125的开端处没有成形收窄部或扩宽部。

图17示出了在波导125的开端处的漏斗形的扩宽部，波导125的宽度在开端处要比波导125的进一步的走向中大好多倍，如在此所示那样大了15倍。在此所示的漏斗形的扩宽部也可以称为耦入元件。波导125的开端的漏斗形的扩宽部额外能与耦入元件组合，如接下来在图19中所示那样。

图18示出了在波导125的开端处的收窄部。为此，波导125沿开端的方向逐渐变尖地成形，其带有均匀延伸的收窄部。在波导125的收窄部的末端处，波导125的宽度相比于波导125的进一步的走向例如是宽度的三分之一。在此的收窄部也可以称为耦入元件，或者能与其它耦入元件、例如与微透镜或微镜作为耦入元件的应用组合或者能与在接下来的图中示出的诸如格栅耦合器之类的耦入元件组合。

图19至21示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导元件110的耦入元件140、141、142的各自的示意图。根据一个实施例，波导元件110针对波导125、126、127成形耦入元件140、141、142。耦入元件140、141、142能实现为是波导125、126、127的区域，即能在波导元件上实现。替代可以在嵌入波导元件110的波导125、126、127和光源之间布置另外的波导作为耦入元件140、141、142，如借助图21所示的那样。

图19示例性地示出了波导125，其带有在波导125的开端处的漏斗形的扩宽部和嵌入漏斗中的作为耦入元件140的格栅耦合器。

图20示例性地示出了波导125，其带有在高度和宽度上均匀延伸的、没有在波导125的开端处的扩宽部或收窄部的波导125。示出了聚焦的格栅耦合器作为耦入元件140，该格栅耦入器没有设计成波导125的一部分，而是与波导125的开端相间隔地布置。

图21示出了波导元件110和光源105、106、107的俯视图，在波导元件中成形有波导125、126、127。光源105、106、107布置在聚合物2105上。此外，聚合物2105部分重叠地布置在波导元件110上，因而波导125、126、127的每个开端均被聚合物2105覆盖。分别在第一光源105和第一波导125之间、第二光源106和第二波导126之间以及第三光源107和第三波导127之间布置有另外的波导作为耦入元件140、141、142。为此，例如通过光刻曝光工艺将另外的波导作为耦入元件140、141、142写入到聚合物2105中或者替代写入到混合聚合物中。在这种情况下，光源105、106、107相对于波导元件110的位置公差比在没有波导作为耦入元件140、141、142时更大。在弱光源105、106、107中有利的是，以特别高的效率设计耦入元件140、141、142。反之，在强光源105、106、107中有利的是，这样来设计耦入元件140、141、142，使得它们反射或吸收光功率的限定的部分。这在带有装置作为投影仪光源的投影仪的运行时可以提高有关避免潜在的眼睛受损的安全性。

图22示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导元件110和射束形成机构115的示意图。波导元件110在此包括第一波导125、第二波导126和第三波导127，它们在开端处分别具有漏斗形的扩宽部和格栅耦合器作为耦入元件140、141、142。射束形成机构115在此示例性地包括微透镜215。在这个图示中示出了在波导元件110和微透镜215之间的校准公差δx、δy、δz。此外还示出了微透镜215的焦距f、射束分散度

和由射束形成机构115形成的光束220的直径。校准公差δy倾斜射束，但这对在此所说明的应用并不重要。校准公差δx改变射束分散度

。若人们将所述装置微型化，那么焦距f减小，并且射束分散度

的敏感性上升到公差δx，如下列公式阐明的那样：

。

通过使用集成的波导元件110，极为精准地定义了波导125、126、127的末端的相对位置，即波导125、126、127的彼此间的间距和长度。出于这个原因，校准问题有利地减小到唯一一个自由度，即δx。

对光束220的小的射束分散度而言有利的是，耦出区段130以波导125、126、127的末端处在射束形成机构115的焦点中或附近。所述装置设计得越小，那么这个距离就越重要。与带有玻璃纤维的实现方案相反的是，在此处所示的装置中，可以例如以在5立方毫米的范围内的所提及的尺寸作为多色的光源模块来实现微型化。在此，能光刻实现的集成的波导125、126、127的能实现的高精度使用在波导元件110中，以避免成本昂贵的公差问题。为此，波导125、126、127的末端在耦出区域130中的相对位置通过波导元件110的集成的制造方法以高精度实现。由此仅还需要调整唯一一个自由度：在射束形成机构115的射束形成元件和耦出区域130之间的间距f。为了也利于成本地实现这一点，可能有利的是，将射束形成机构115划分成多个子部件，如借助图2所示那样。尤其可以使用微透镜，该微透镜的焦距首先不够准确地已知，并且微透镜可以用所述方法集成到所述装置中，微透镜的位置公差不足以好到实现投影仪所要求的射束发散度。在集成微透镜之后，可以测量实际上实现的射束发散度，并且匹配的修正板、即有小的折射能力的透镜可以安装在微透镜后方，以便修正射束发散度中的错误。在这种实现方案中，射束形成机构115由两个部件、即微透镜和修正板构成。

图23至25分别示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导125的末端的示意图。示出了波导125的不同的视图，其阐明了在波导125的末端处的衍射。波导125的芯材405具有折射率n₁并且波导元件110的护套材料410具有折射率n₂。

图23示出了波导125的末端的俯视图。因为波导125的末端在此具有锥形的收窄部。此外还示出了波导125的宽度b和在波导125沿射束形成机构的方向的末端和波导元件110的末端之间的间距d。

图24示出了在图23中示出的波导125的末端的纵剖面。示出了波导125的高度h以及间距d。额外示出了在波导125和波导元件110的下方的末端之间的间距A以及在波导125和波导元件110的上方的末端之间的间距B。

图25示出了在图23中示出的波导125的末端的横截面。相应地示出了波导125的末端的高度h和宽度b以及间距A和间距B。

图26和27示出了在根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导的末端处的光的强度分布的特征曲线2605、2610、2615、2620。特征曲线2605、2610、2615、2620在坐标系中示出，在该坐标系中，在纵坐标上示出了强度。在图26中在横坐标上示出了单位为µm的y轴的值并且在图27中在横坐标上示出了单位为µm的z坐标的值。相应地，图26示出了在y剖面中波导的模式轮廓（Modenprofil）并且图27示出了在z剖面中波导的模式轮廓。特征曲线2605、2610、2615、2620示出了在波导末端处出来的强度分布针对波导的嵌入波导元件中的末端的在图25中所示的横截面的可调整性。特征曲线2605示出在波导的末端处出来的光的强度分布，带有下列参数配置：高度h为200 nm、宽度b为80 nm、间距d为0 nm、波导的芯材的折射率n₁为1.6、波导元件的护套材料的折射率n₂为1.5、间距A为1900 nm、间距B为1900 nm并且真空中的光波长λ₀为500 nm。特征曲线2610、2615、2620表明，在波导的末端处出来的光的强度分布如何由于限定了波导的末端的几何参数的改变而改变。因为波导根据一个实施例设计成单模的，所以强度分布与光源的特性、例如激光器无关。此外可以看到，另外的波导已经能与所述波导距离约3 µm地放置，这有利地节省了空间。特征曲线2610示出了在波导的末端处出来的光在波导的高度改变时的强度分布，参数即高度h，该高度在此在特征曲线2610中与参照、即特征曲线2605相反地为100 nm。特征曲线2615示出了在波导的末端处出来的光在宽度b变化时的强度分布，该宽度在此在特征曲线2615中与特征曲线2605相反地为120 nm。特征曲线2620示出了在波导的末端处出来的光在间距d变化时的强度分布，该间距在此在特征曲线2620中与特征曲线2605相反地为2000 nm。

图28示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导125的末端的示意图。示例性地示出了波导125的横截面，该波导嵌入到波导元件110中。波导元件110在此设计成结构化的护套。波导125具有高度h、宽度b、间距A和间距B。波导元件110设计成脊形波导并且具有台阶高度t和台阶宽度w。

图29至32示出了在根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的装置的波导的末端处的光的强度分布的特征曲线2905、2910、2915。特征曲线2905、2910、2915分别在坐标系中示出，在该坐标系中，在纵坐标中示出了强度。在图29中，在横坐标上示出了单位为µm的y轴的值，在图30中在横坐标上示出了单位为µm的z轴的值，在图31中在横坐标上示出了数字的y孔径并且在图32中在横坐标上示出了数字的z孔径。图29示出了在y剖面中波导的模式轮廓，图30示出了z剖面中波导的模式轮廓，图31示出了y剖面中波导的发射特征并且图32示出了z剖面中波导的发射特征。特征曲线2905、2910、2915示出了在波导末端处出来的强度分布针对波导的嵌入波导元件中的末端的在图28中所示的横截面的可调整性。特征曲线2905示出在波导的末端处出来的光的强度分布，带有下列参数配置：高度h为200 nm、宽度b为80 nm、波导的芯材的折射率n₁为1.6、波导元件的护套材料的折射率n₂为1.5、间距A为1900 nm、间距B为1900 nm并且真空中的光波长λ₀为500 nm。特征曲线2905也可以称为参照。参数t，即波导元件的台阶高度，在特征曲线2910和2915中为2 µm。特征曲线2910和2915表明，在波导的末端处出来的光的强度分布如何由于限定波导元件的波导的护套的形状的几何参数的改变而改变。特征曲线2910和2915示出了在波导元件的跨宽（Weite）改变时在波导的末端处出来的光的强度分布，参数为跨宽w，该跨宽在特征曲线2910中为2 µm并且在特征曲线2915中为3 µm。

图33示出了根据一个实施例的用于为投影仪提供多色光束的方法3400的流程图。方法3400可以例如在使用上述装置的实施例的情况下予以实施。方法3400具有发射的步骤3405、导引的步骤3410和形成的步骤3415。在发射的步骤3405中，在使用第一光源和第二光源的情况下发出光。在导引的步骤3410中，在使用第一波导的情况下导引第一光源的光。此外，在导引的步骤3410中还在使用第二波导的情况下导引第二光源的光。也在导引的步骤3410中在使用耦出区域的情况下耦出来自第一波导和第二波导的光。第一波导、第二波导和耦出区域由一个波导元件来成形。在形成的步骤3415中，在使用从耦出区域耦出的光的情况下借助射束形成机构来形成多色光束。

图34示出了根据一个实施例的用于制造用于为投影仪提供多色光束的装置的制造方法3500的流程图。制造方法3500具有提供第一光源和第二光源的步骤3505。此外，制造方法3500还具有提供波导元件的步骤3510，该波导元件成形用于导引第一光源的光的第一波导、用于导引第二光源的光的第二波导和用于耦出来自第一波导和第二波导的光的耦出区域。此外，制造方法3500还具有提供射束形成机构的步骤3515，该射束形成机构构造用于，在使用从耦出区域耦出的光的情况下形成多色光束。步骤3505、3510、3515能以合适的顺序或彼此并行地予以实施。制造方法3500此外还包括将第一光源、第二光源、波导元件和射束形成机构布置在结构元件上以制造所述装置的步骤3520。在布置的步骤3520中，所提及的部件可选在使用固定方法、例如钎焊工艺或借助共晶键合来固定在结构元件上。

若实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”连词，那么这可以理解为，该实施例根据一种实施方式既具有第一特征也具有第二特征并且根据另一种实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。

Claims (12)

1.用于为投影仪（300）提供多色光束（220）的装置（100），其中，装置（100）具有下列特征：

第一光源（105）和第二光源（106）；

波导元件（110），其成形用于导引第一光源（105）的光的第一波导（125）、用于导引第二光源（106）的光的第二波导（126）和用于耦出来自第一波导（125）和第二波导（126）的光的耦出区域（130）；

射束形成机构（115），其构造用于，在使用从耦出区域（130）耦出的光（210）的情况下形成多色光束（220）；和

结构元件（120），第一光源（105）、第二光源（106）、波导元件（110）和射束形成机构（115）布置在该结构元件上。

2.根据权利要求1所述的装置（100），其中，所述第一波导（125）和所述第二波导（126）设计成单模的，并且其中，所述第一波导（125）的和所述第二波导（126）的在所述耦出区域（130）中成形的末端布置成与所述射束形成机构（115）间隔不同距离。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置（100），其中，所述第一波导（125）和/或所述第二波导（126）成形为条形波导或脊形波导或者柱筒形波导。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置（100），其中，所述波导元件（110）设计成光学芯片。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置（100），其中，所述波导元件（110）成形用于将来自所述第一光源（105）的光耦入到所述第一波导（125）中的第一耦入元件（140）和/或用于将来自所述第二光源（106）的光耦入到所述第二波导（126）中的第二耦入元件（141）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置（100），其中，所述射束形成机构（115）包括至少一个微透镜（215）和用于修正微透镜（215）的焦点的修正板（216）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置（100），带有操控电子元件（135），该操控电子元件布置在所述结构元件（120）上，其中，该操控电子元件（135）能传输信号地与所述第一光源（105）和所述第二光源（106）连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置（100），带有第三光源（107），其中，所述波导元件（110）成形用于导引来自第三光源（107）的光的第三波导（127），并且其中，成形额外用于耦出来自第三波导（127）的光的耦出区域（130）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置（100），其中，所述装置（100）小于8毫米。

10.投影仪（300），带有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的装置（100）。

11.用于为投影仪（300）提供多色光束（220）的方法（3400），其中，该方法（3400）具有下列步骤：

在使用第一光源（105）和第二光源（106）的情况下发出（3405）光；

在使用第一波导（125）的情况下导引（3410）第一光源（105）的光并且在使用第二波导（126）的情况下导引第二光源（106）的光，并且在使用耦出区域（130）的情况下耦出来自第一波导（125）和第二波导（126）的光，其中，第一波导（125）、第二波导（126）和耦出区域（130）由波导元件（110）成形；并且

在使用从耦出区域（130）耦出的光（210）的情况下借助射束形成机构（115）来形成（3415）多色光束（220）。

12.用于制造为投影仪（300）提供多色光束（220）的装置（100）的制造方法（3500），其中，该制造方法（3500）具有下列步骤：

提供（3505）第一光源（105）和第二光源（106）；

提供（3510）波导元件（110），该波导元件成形用于导引第一光源（105）的光的第一波导（125）、用于导引第二光源（106）的光的第二波导（125）和用于耦出来自第一波导（125）和第二波导（126）的光的耦出区域（130）；

提供（3515）射束形成机构（115），该射束形成机构构造用于，在使用从耦出区域（130）耦出的光（210）的情况下形成多色光束（220）；并且

将第一光源（105）、第二光源（106）、波导元件（110）和光束形成机构（115）布置（3520）在结构元件（120）上，以便制造装置（100）。

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