CN116888841A - 激光二极管装置、照明单元和激光投影设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于激光投影设备的激光二极管装置，其具有载体；布置在载体上的激光二极管阵列，激光二极管阵列包括具有多个第一激光二极管的第一光组和具有多个第二激光二极管的第二光组，其中，第一光组发出具有第一偏振方向的偏振的电磁辐射，并且第二发光组发出具有第二偏振方向的偏振的电磁辐射，并且第一偏振方向和第二偏振方位彼此垂直，其中，本发明的特征在于，第一光组包括容纳至少一个第一激光二极管的至少一个第一激光器壳体，并且第二光组包括容纳至少一个第二激光二极管的至少一个第二激光器壳体；并且激光二极管阵列的第一激光二极管的数量至少对应第二激光二极管的数量的两倍，其中，第一激光二极管和第二激光二极体具有一致的最大光学输出功率；并且用于激光二极管阵列的电气布线布置在载体上，使得第一激光二极管处的电流强度能够连续地且独立于第二激光二极管的供电来调节。

Description

激光二极管装置、照明单元和激光投影设备

技术领域

本申请要求2021年2月5日的德国专利申请号为102021102799.3的优先权，在此，其公开内容通过引用并入本申请内。

本发明涉及激光二极管装置、包括该激光二极管装置的照明单元和具有该照明单元的激光投影设备。

背景技术

使用半导体光源用于投影设备(例如微镜装置(DMD)或者液晶板)中的成像系统的照明是已知的。与具有放电灯的大型照明模块相比，半导体光源能够实现更紧凑的照明组件。除了LED(LED＝发光二极管)以外，半导体光源还采用激光二极管阵列，其特征是较长的使用寿命、高能效、高光谱稳定性，从而能够实现具有改进的色彩饱和度的高亮度的激光投影设备。

提供单独的蓝色、绿色或红色发射光源单元，以覆盖可见光谱，特别是对于影院的专业激光投影设备、高质量的家庭影院和智能手机的小型投影仪，这些光源单元通常在空间上分开地布置并且其发射借助于射线组合光学器被组合。在这方面例如参考US2020/0301265A1。

在可见的光谱的蓝色、绿色和红色部分中发射的激光二极管根据可实现的光产率的当前的发展状态不同，其中，基于InGaN半导体在可见光谱中的绿黄部分中具有最大发射值的激光二极管比发射蓝光的激光二极管具有更低的电流密度。此外，与用于较短波长的激光二极管相比，用于红光的激光二极管对热稳定性提出了更高的要求。由此，具有单色光源的激光投影仪的光产生装置通常更经济。这些使用的通常功率强大的、蓝色发射激光二极管，其馈送蓝色通道，并且除了用于激励波长转换元件之外，还提供在绿色和红色范围内的电磁辐射。对于这种类型的激光投影设备，蓝色激光二极管用于激发光谱不同的荧光材料，例如基于磷光体。对于光谱颜色的顺序产生，具有荧光图层的旋转构件能够作为波长转换元件。这种色轮例如能够由DE 10 2010 003 234 A1公开。

DE 11 2013 004 405 B4描述了一种用于激光投影设备的照明装置，该激光投影设备具有分配给不同的光谱范围的两个固定的、空间分离的波长转换元件。因此，能够允许绿色和红色的同时的辐射发射，其叠加在另一个射线路径中。为了激励两个波长转换元件，使用具有两种交替布置的激光二极管类型的激光二极管阵列，这种激光二极管类型在发射的电磁辐射的偏振方向和/或光谱带方面不同。布置在激光二极管阵列与波长转换元件之间的射线路径中的分束光学器使用发射特性的这种差异，使得从第一激光二极管类型仅辐射到第一波长转换元件，并且从第二激光二极管类型只辐射到第二波长转换元件。对于照明的蓝色部分，DE 11 2013 004 405 B4提出使用第三独立光源的优选实施方式，其在波长转换元件之后的射线路径中通过准直透镜系统耦合。用于光束引导的光学器导致了复杂的和大规模的照明装置。

US 20190068936 A1描述了一种具有蓝色发射激光二极管阵列和用于发射荧光辐射的波长转换元件的照明单元。在从激光二极管阵列发出的射线路径中，提供偏振分束器，其将射线的一部分集中到漫射器以创建蓝色通道并且将其余部分引导至波长转换元件。由于激光二极管阵列发射线性偏振辐射，因此在偏振分束器上游的射线路径中提供偏振元件，其将射线的一部分的偏振方向旋转90°。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光二极管装置，其能够简化激光投影设备的照明单元中用于射线引导的光学器。此外，还应该给出激光二极管装置对不同的照明单元的改进的适应性。此外，将具有波长转换元件和激光二极管装置的照明单元和容纳该激光二极管装置的激光投影设备命名，其用于射线引导的光学部件能够在小构造空间中实施。

该目的通过权利要求1的特征来实现。激光二极管装置的有利的实施例是从属权利要求的主题，并且权利要求10和11涉及包括该激光二极管装置的照明单元和激光投影设备。

本发明的出发点是具有载体和布置在载体上的激光二极管阵列的激光二极管装置。激光二极管阵列包括具有多个第一激光二极管的第一光组合具有多个第二激光二极管的第二光组，其中，第一光组发射具有第一偏振方向的线性偏振电磁辐射，并且第二光组发射具有第二偏振方向的线性偏振电磁辐射，并且第一偏振方向与第二偏振方向相互垂直。因此，激光二极管装置适合用于具有偏振分束器的照明单元中，该偏振分束器将辐射分到蓝色通道中和用于波长装换元件的激励通道中。

此外，根据本发明的激光二极管装置被设计为，使得蓝色通道与激励通道之间的功率加权是能够调节的，而不必为此目的在接收辐射的照明单元中提供额外光学器。为此，第一光组包括容纳至少一个第一二极管的第一激光器壳体，并且第二光组包括至少一个容纳至少一个第二二极管的第二激光器壳体。从这种模块化的构造开始，激光二极管阵列的第一激光二极管的数量至少对应于第二激光二极管的数量的两倍，其中，第一激光二极管和第二激光二极管具有一致的最大光学输出功率。这优选地涉及第一激光二极管和第二激光二极管中的每一个个体，其中，特别有利的是，第一激光二极管和第二激光二极管的辐射产生子单元设计成相同的。此外，在根据本发明的激光二极管装置的载体上施加用于激光二极管阵列的电布线，使得第一激光二极管处的电流强度是连续可调的，并且独立于第二激光二极管的通电。

具有相同功率的第一激光二极管和第二激光二极管以及用于两个偏振方向的不同数量的光源的激光二极管阵列，与模块化的壳体方案结合，导致了生产技术方面的简化，并且同时实现了用于待照明的蓝色通道和激励通道的辐射强度的分布的基本设置。在此，对于优选的实施方式，第一激光二极管的数量最多是第二激光二极管的数量的五倍。

第一个实施方式基于在载体上具有不同定向的用于辐射产生的一致的构件。因此，第一激光二极管和第二激光二极管设计成结构相同的，并且相应地第一激光器壳体和第二激光器壳体设计成对应一致的，其中，相应设有偏振方向被预设的壳体轴线。因此，配属于第一光组的第一激光器壳体布置在载体上，使得其壳体轴线垂直于用于第二光组的第二激光器壳体，从而给出偏振方向的正交性。

对于有利的第二实施方式，第一激光二极管和第二激光二极管在半导体层序或光学结构方面有所不同，从而导致发射辐射的不同偏振方向由内部设计而产生。替代地，也能够通过调整激光器壳体的光学部件来作用偏振方向。使用不同类型的激光二极管可简化载体上不需要旋转的构件的布线。

优选的设计是每个激光器壳体容纳一个激光二极管。通常每个激光器壳体还配备一个保护二极管。如果还需要从激光器壳体中进行垂直发射，则能够为每个激光器壳体分配一个微透镜来将发散的激光辐射聚焦。对于另一种变体方案，相对于共同载体位置固定的微透镜阵列整体跨越了激光二极管阵列。因此，激光二极管及其相应的激光器壳体在制造技术方面能够简化地设计。

在优选的实施替代方案中，一个激光器壳体能够容纳多个激光二极管，这些二极管在构造上优先采用相同的设计。相应的聚焦光学元件能够与各个激光二极管分别连接，或者能够与激光器壳体整体连接在一起。有利地，每个激光器壳体配备一个保护二极管。

为了实现对激光二极管提供的电流的连续可调性，从各个激光器壳体中引出电极。在此，在与载体上的电极连接的布线设计为，使得不同光组中的激光二极管能够独立地从外部可驱动。如果一个壳体中有多个激光二极管，优选同时给它们供电。对于可行的实施方式，在一个光组内的形成激光二极管阵列的子组，例如在载体上以行或列的形式布置的激光二极管，它们以一致的偏振方向发出电磁辐射。

对于本发明的一个扩展方案，照明单元包括上述所述的激光二极管装置。此外，还具有偏振分束器、波长转换元件和叠加光学元件。对于根据本发明的照明单元，偏振分束器布置在激光二极管装置所发出的射线路径中，并且设计为使得由第一光组发射的偏振电磁辐射以第一偏振方向偏转到朝波长转换元件延伸的射线路径中，并且由第二光组发射的偏振电磁辐射以第二偏振方向被输入到蓝色通道中。

在此，基于第一激光二极管的数量至少是第二激光二极管的数量的两倍并且第一激光二极管和第二激光二极管具有一致的最大光学输出功率，能够利用对两个通道的光强的分布的基本设置，确定用于波长转换元件的激发通道较强的基础权重。利用额外的特征，即第一激光二极管的电流能够连续且独立于第二激光二极管的通电来调节，能够实现时间上可变的功率管理，其中，在时间的平均值上，功率消耗不会导致激光二极管阵列中的非均匀的温度分布，从而简化了激光二极管装置的热稳定操作。通过由载体形成的公共的热传导路径，还能够进一步改善温度分布的均匀性。

根据该发明的一个扩展方案，提出了一种激光投影装置，其包括一个成像系统和根据本发明的照明单元。该激光投影装置的特征在于紧凑的结构尺寸和用于照明单元的简化设计的光学器。

附图说明

下面结合附图解释本发明的示例性的设计变体方案。附图分别示意性地示出：

图1示出了根据本发明的激光二极管装置的第一实施方式的俯视图。

图2示出了图1中的根据本发明的激光二极管装置的第一实施方式的激光二极管的截面图。

图3示出了根据本发明的激光二极管装置的第二实施方式的光源。

图4示出了根据本发明的激光二极管装置的第二实施方式的光源的布置的俯视图。

图5示出了图4所示的实施方式的电气连接。

图6示出了具有根据本发明的激光二极管装置的激光投影设备包括照明系统。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的激光二极管装置1，其具有布置在公共的载体9上的激光二极管阵列。明显地，第一光组3包括布置在第一行、第三行、第四行和最后一行的第一激光二极管4.1、…、4.n。它们发射具有第一偏振方向12的线性偏振的电磁辐射。具有第二激光二极管6.1、…、6.m的第二光组5在第二行和第五行发出发出具有第二偏振方向13的线性偏振的电磁辐射。第一偏振方向12和第二偏振方向13彼此垂直。

使用具有一致的最大光学输出功率的第一激光二极管4.1、…、4.n和第二激光二极管6.1、…、6.m，其中，第一激光二极管的数量N至少对应第二激光二极管的数量M的两倍，以便对于激光二极管6.1、…、4.n；6.1、…、6.m的相同的供电在两个不同的偏振方向12和13中产生放射的不对称的辐射强度。此外，优选地，激光二极管阵列的第一激光二极管的数量N限制为第二激光二极管数量M的五倍。

图2以截面图示出了在第一激光器壳体14中的、布置在基台10上的第一激光二极管4.1的一个优选实施方式。显示了横向辐射发射和在镜子11处的辐射偏转，以形成沿载体9的面法线方向的垂直发射。用于使发散激光辐射准直的是与第一激光器壳体14连接的微透镜8，其中，线性偏振的电磁辐射以第一偏振方向12被发出。第二激光器壳体15和其中包含的第二激光二极管6.1、…、6.m与第一实施例结构相同地设计，其中，在载体9上实施了围绕壳体轴线18旋转90°的布置，从而产生了第二光组5的第二偏振方向13，其垂直于第一偏振方向12。

用于激光二极管阵列2的电气布线16设计为，使得在第一激光二极管4.1、…、4.n处的、以及相应地在第二激光二极管6.1、…、6.m处的电流强度是连续的且独立地可调节的。为此目的，将电极装置17从相应的激光器壳体14、15中引出。

对于优选的第二实施方式，激光二极管阵列2包括具有多个光源的模块。对此，图3示出了第一激光器壳体14，其用于容纳结构相同的第一激光二极管4.3、…、4.6，他们发射具有第一偏振方向12的电磁辐射。图4示出，在第一激光器壳体14.1、14.2和第二激光器壳体15.1内部设有不同的结构，其被选择为，使得第二偏振方向13垂直于第一偏振方向12。为了准直，使用相对于公共载体9位置固定设计的微透镜阵列19，其横跨整个激光二极管阵列2。

为了对两个光组3、5的供电进行分离的和连续的调节，如图5所示，分别将电极装置17.1、17.2从激光器壳体14.1、14.2、15.1中引出。在此，能够共同来驱控光组3、5内的子组。此外，设有保护二极管36，其被附加地容纳在激光器壳体14.1、14.2、15.1中的每一个激光器壳体中。

图6中示出的改进设计方案涉及照明单元24和其在激光投影设备25中的集成。除了上述根据本发明的激光二极管装置1，照明单元24还包括偏振分束器19，波长转换元件20和叠加光学器件21。在此，偏振分束器19将从激光二极管装置1发出的具有第一偏振方向的辐射引导至优选旋转的波长转换元件20，其借助于第一荧光材料22或第二荧光材料23发射绿色的或红色的荧光辐射27。具有第二偏振方向的辐射部分被偏振分束器19馈送到蓝色通道31中。

在所示的变体方案中，荧光材料22、23在空间上彼此分离。在一个修改的变体方案中，在转换元件29(未示出)上没有提供诸如第一荧光材料22和第二荧光材料23的荧光材料的空间分离。在另一个修改的变体方案中，使用单一的宽带发射的荧光材料。这能够专门为3LCD系统提供，在3LCD系统中，不是提供一个而是提供三个图像发射器(根据基色分隔)，并用连续发光的白色光源照射。在此，基色的射线路径能够通过波长选择光学器、例如双折射镜(未示出)来分离。

将荧光辐射27和来自蓝色通道31的辐射集合到照明射线路径32中。然后，照明单元24将辐射传输至成像系统26，成像系统为了将图像投影而与控制器34连接。因此，产生了激光投影设备25，其具有用于射线引导的简化光学器和紧凑的照明单元24，照明单元包括根据本发明的激光二极管装置1，激光二极管装置用于产生不均匀加权的偏振部分。

参考附图标记

1 激光二极管装置

2 激光二极管阵列

3 第一光组

4.1、4.2、…、4.n 第一激光二极管

5 第二光组

6.1、6.2、…、6.m 第二激光二极管

7 壳体

8 微透镜

9 载体

10 基台

11 镜子

12 第一偏振方向

13 第二偏振方向

14、14.1、14.2 第一激光器壳体

15，15.1 第二激光器壳体

16 电气布线

17、17.1、17.2 电极装置

18 壳体轴线

19 偏振分束器

20 波长转换元件

21 叠加光学器件

22 第一荧光材料

23 第二荧光材料

24 照明单元

25 激光投影设备

26 成像系统

27 荧光辐射

28 照明单元

29 波长转换元件

30 朝波长转换元件延伸的射线路径

31 蓝色通道

32 照明射线路径

34 控制器

35 微透镜阵列

36 保护二极管

N 第一激光二极管的数量

M 第二激光二极管的数量。

Claims (11)

1.一种用于激光投影设备的激光二极管装置(1)，所述激光二极管装置具有：

载体(9)；

布置在所述载体(9)上的激光二极管阵列(2)，所述激光二极管阵列包括具有多个第一激光二极管(4.1，…，4.n)的第一光组(3)和具有多个第二激光二极管(6.1，…，6.m)的第二光组(5)，

其中，所述第一光组(3)发射具有第一偏振方向(12)的线性偏振的电磁辐射，并且第二光组(5)发射具有第二偏振方向(13)的线性偏振的电磁辐射，并且所述第一偏振方向(12)和所述第二偏振方向(13)相互垂直，

其特征在于，

所述第一光组(3)包括至少一个第一激光器壳体(14)，所述第一激光器壳体容纳至少一个所述第一激光二极管(4.1，…，4.n)，并且所述第二光组(3)包括至少一个第二激光器壳体(15)，所述第二激光器壳体容纳至少一个所述第二激光二极管(6.1，…，6.m)；并且

所述激光二极管阵列(2)的所述第一激光二极管的数量(N)至少对应于所述第二激光二极管的数量(M)的两倍，其中，所述第一激光二极管(4.1，…，4.n)和所述第二激光二极管(6.1，…，

6.m)具有一致的最大光学输出功率；并且

在所述载体(9)上布设用于所述激光二极管阵列(2)的电气布线(16)，从而能够连续地并且独立于所述第二激光二极管(6.1，…，6.m)的供电地调节所述第一激光二极管(4.1，…，4.n)的电流强度。

2.根据权利要求1所述的激光二极管装置，其特征在于，所述激光二极管阵列(2)的所述第一激光二极管的数量(n)最多对应于所述第二激光二极管的数量(m)的五倍。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一激光二极管(4.1，…，4.n)和所述第二激光二极管(6.1，…，6.m)设计成结构相同的，并且所述第一激光器壳体(14)和所述第二激光器壳体(15)设计成对应一致的，其中，相应设有壳体轴线(18)，所述壳体轴线预设偏振方向(12，13)，并且配属于所述第一光组(3)的所述第一激光器壳体(14)布置在所述载体(9)上，使得所述第一激光器壳体的壳体轴线(18)与用于所述第二光组(5)的所述第二激光器壳体(15)的所述壳体轴线成直角。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一激光二极管(4.1，…，4.n)和所述第二激光二极管(6.1，…，6.m)具有不同的结构，和/或所述第一激光器壳体(14)和所述第二激光器壳体(15)设计成不同的。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，第一激光器壳体(14)容纳单个所述第一激光二极管(4.1，…，4.n)，和/或所述第二激光器壳体(15)容纳单个所述第二激光二极管(6.1，…，6.m)。

6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一激光器壳体(14)容纳多个结构相同的所述第一激光二极管(4.1，…，4.n)，和/或所述第二激光器壳体(15)容纳多个结构相同的所述第二激光二极管(6.1，…，6.m)。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，每个激光器壳体(14，15)配有一个或多个微透镜(8)。

8.根据前述权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，设有相对于公共的所述载体(9)位置固定的微透镜阵列(35)，所述微透镜阵列横跨整个所述激光二极管阵列(2)。

9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，设有用于电接触的电极装置(17)，所述电极装置从相应的激光器壳体(14，15)引出。

10.一种照明单元，包括：

根据前述权利要求1至9中任一项的激光二极管装置(1)；

偏振分束器(19)；

波长转换元件(20)；和

叠加光学器件(21)，

其中，所述偏振分束器(19)布置在由所述激光二极管装置(1)发出的射线路径中，并且所述偏振分束器设计用于，使得由所述第一光组(3)发射的具有所述第一偏振方向(12)的偏振电磁辐射偏转到朝所述波长转换元件(20)延伸的射线路径(30)中，并且由所述第二光组(5)发射的具有所述第二偏振方向(13)的偏振电磁辐射馈入到蓝色通道(31)中；并且

所述叠加光学器件(21)将由所述波长转换元件(20)发出的荧光辐射(27)和来自所述蓝色通道(31)的辐射集合到照明射线路径(32)中。

11.一种激光投影设备，具有成像系统和根据权利要求10所述的照明单元(24)，所述照明单元用于所述成像系统(26)的照明。