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Technisches Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einer Laseranordnung mit wenigstens einer Laserlichtquelle und von einem Verfahren zum Betreiben einer solchen Laseranordnung.
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Stand der Technik
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Eine Laserlichtquelle, deren Licht auf eine Oberfläche fällt, erzeugt im Auge des Betrachters ein sogenanntes Speckle-Muster. Als Speckle oder Speckle-Muster werden körnige Interferenzphänomene bezeichnet, welche sich bei Beleuchtung einer optisch rauen Oberfläche aufgrund der Kohärenz des Laserlichts beobachten lassen. Das englischen Wort Speckle, welches sich als Sprenkel oder Fleck übersetzen lässt, wird hierbei sowohl für die einzelnen Lichtflecken als auch für das durch Interferenzeffekte entstehende Muster verwendet.
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Da ein derartiger Speckle im allgemeinen vom Betrachter als störend empfunden wird, sind Methoden entwickelt worden, um den Speckle zu unterdrücken oder zumindest zu reduzieren. Dies kann bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren durch die Überlagerung zweier oder mehrerer Laserlichtquellen geschehen. Alternativ kann eine Übermodulation des Lasers erfolgen, also ein spektrales Aufweiten der Emissionswellenlänge des Lasers durch Anregen desselben mit einer hohen Frequenz.
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Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass derartige Methoden der Specklereduktion vergleichsweise aufwändig sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laseranordnung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bzw. welches auf besonders einfache Weise eine Verringerung des wahrnehmbaren Specklekontrastes ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laseranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Laseranordnung umfasst eine Temperiereinrichtung, wobei die wenigstens eine Laserlichtquelle durch Einstellen eines ersten Zustands der Temperiereinrichtung erwärmbar und durch Einstellen eines zweiten Zustands der Temperiereinrichtung kühlbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Laserlichtquellen, insbesondere Laserdioden, eine Temperaturabhängigkeit ihrer Emissionswellenlänge zeigen. Durch Erhöhen bzw. Verringern der Temperatur der Laserlichtquelle lässt sich also die Emissionswellenlänge modulieren.
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Diese Veränderung der Emissionswellenlänge kann nun dazu genutzt werden, den wahrnehmbaren Specklekontrast deutlich zu verringern bzw. komplett zu unterdrücken. Dies erfolgt zudem auf besonders einfache Art und Weise und somit aufwandsarm, da lediglich rasch abwechselnd der erste Zustand und der zweite Zustand der Temperiereinrichtung eingestellt zu werden braucht, um die Emissionswellenlänge zu modulieren. Das Vorsehen der Temperiereinrichtung, welche besonders bauraumsparend ausgebildet sein kann, führt des Weiteren zu einer besonders kompakten Laseranordnung. Auch brauchen so keine Aufwand und Kosten mit sich bringenden zusätzlichen optischen Elemente für die Laseranordnung vorgesehen zu werden.
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Als vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn durch das alternierende Einstellen der beiden Zustände der Temperiereinrichtung eine Temperaturdifferenz zwischen zwei durch das Erwärmen und das Kühlen erreichbaren Temperaturen der wenigstens einen Laserlichtquelle mit einer Frequenz von mehr als 10 Hz eingestellt werden kann. Es ist so ein vergleichsweise rascher Wechsel der Temperatur der wenigstens einen Laserlichtquelle erreichbar, so dass auch die Emissionswellenlänge mit vergleichsweise hoher Frequenz moduliert wird. Durch eine ausreichend hohe Frequenz, mit welcher die Temperaturdifferenz eingestellt wird, wird erreicht, dass die Modulation an sich von einem Betrachter kaum oder gar nicht wahrgenommen wird.
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Bevorzugt ist zum alternierenden Einstellen der beiden Zustände der Temperiereinrichtung eine Steuerungseinrichtung vorgesehen. Als Temperiereinrichtung kann somit insbesondere ein hinreichend schnelle schaltbarer Temperaturwiderstand eingesetzt werden.
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Besonders weitgehend lässt sich die Wahrnehmbarkeit der Schwankung des Specklekontrastes verringern oder sogar vollständig unterdrücken, wenn die Temperaturdifferenz mit einer Frequenz von mehr als 25 Hz eingestellt wird. Dies setzt voraus, dass auch die beiden Zustände der Temperiereinrichtung entsprechend rasch alternierend eingestellt werden können.
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Von Vorteil ist es daher, wenn die Temperiereinrichtung als Peltierelement ausgebildet ist. Bei einer derartigen Temperiereinrichtung lässt sich das Kühlen und Heizen in besonders rasch wechselnder Folge einstellen. Hierfür braucht lediglich die Polarisation des Peltierelements rasch geändert zu werden, etwa durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer entsprechend hohen Frequenz. Das Peltierelement fungiert dann abwechselnd als Kühler und dann wieder als Heizer. Dies führt zu einer entsprechenden Temperaturänderung der Laserlichtquelle.
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Insbesondere bei Ausbildung der Temperiereinrichtung als Peltierelement kann über eine Steuerungseinrichtung dafür gesorgt werden, dass das Peltierelement mit eine Wechselspannung ausreichend hoher Frequenz beaufschlagt wird, um eine entsprechend rasche Änderung der Temperatur der Laserlichtquelle zu bewirken.
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Damit die Änderung des Zustands der Temperiereinrichtung auch zu einer besonders raschen Änderung der Temperatur der Laserlichtquelle führt, ist es günstig, wenn die Wärmekapazität des Peltierelements sehr gering ist. Dies kann insbesondere durch Vorsehen einer besonders geringen Dicke des Peltierelements erreicht werden, wobei sich eine Dicke von weniger als 1 mm, beispielsweise von ca. 0,5 mm, als besonders günstig und zugleich technisch gut realisierbar herausgestellt hat.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn durch das Einstellen der beiden Zustände der Temperiereinrichtung eine Emissionswellenlänge der wenigstens einen Laserlichtquelle um einen Betrag von etwa 1,5 nm bis 3 nm veränderbar ist. Insbesondere ist ein Verändern der Emissionswellenlänge um einen Betrag aus dem Intervall von etwa 2 nm bis etwa 2,5 nm bevorzugt. Bei einer ausreichend raschen Modulation der Emissionswellenlänge in einer derartigen Größenordnung ist nämlich von einem besonders weitgehenden bis vollständigen Reduzieren des vom Betrachter wahrnehmbaren Specklekontrastes auszugehen.
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Bevorzugt ist des Weiteren die Temperiereinrichtung mit der wenigstens einen Laserlichtquelle einerseits und mit einer Wärmesenke der Laseranordnung andererseits in Anlage. So lässt sich besonders gut und rasch die Temperatur der Laserlichtquelle verändern. Die Wärmesenke kann hierbei auf besonders einfache Art und Weise durch ein Gehäuse der Laseranordnung bereitgestellt sein.
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Insbesondere, wenn zum Einstellen der beiden Zustände der Temperiereinrichtung an diese eine Spannung angelegt wird, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die wenigstens eine Laserlichtquelle auf einer der Temperiereinrichtung zugewandten Seite zumindest bereichsweise passiviert ausgebildet ist. Ein solches Passivieren kann insbesondere durch Oxidieren dieser, der Temperiereinrichtung zugewandten Seite der Laserlichtquelle erfolgen.
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Zusätzlich oder alternativ kann auf einer Seite der Temperiereinrichtung, welche der wenigstens einen Laserlichtquelle zugewandt ist, ein elektrisch isolierendes Isolierelement vorgesehen sein. Beispielsweise kann auf die Temperiereinrichtung eine dünne, jedoch bevorzugt thermisch besonders gut leitfähige keramische Schicht – oder ein Keramikbauteil – auf diese Seite aufgebracht sein. Dann wird dafür gesorgt, dass ein Beaufschlagen der Temperatureinrichtung mit Spannung die Laserlichtquelle nicht in Mitleidenschaft zieht. Dies ist insbesondere bei Ausbildung der Laserlichtquelle als Laserdiode von Vorteil. Das Isolierelement kann insbesondere aus Aluminiumnitrid (AlN) gebildet sein.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine Laserlichtquelle als eine Laserdiode ausgebildet ist, welche im Betrieb Licht mit einer Wellenlänge aus dem roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Insbesondere bei rotem Licht ist nämlich der Speckle besonders ausgeprägt, da die spektrale Breite des roten Laserlichts mit einer Größenordnung von etwa 0,5 nm vergleichsweise gering ist. Zudem zeigt eine rote Laserdiode eine besonders ausgeprägte Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge. So führt eine Temperaturänderung von 10 K bei dieser zu einer Änderung der Wellenlänge von etwa 2,4 nm.
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Hierbei führt eine Temperaturerhöhung zu einer Vergrößerung der Wellenlänge und eine Temperaturerniedrigung zu einer Verschiebung der Wellenlänge hin zu kleineren Werten. Dies gilt sowohl für eine im Betrieb rot leuchtende Laserdiode, welche beispielsweise aus Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) gebildet sein kein, als auch für im Betrieb grün oder blau leuchtende Laserdioden, welche beispielsweise aus Indiumgalliumnitrid (InGaN) gebildet sein können.
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Dadurch lässt sich selbst bei einer vergleichsweise geringen und somit rasch vornehmbaren Temperaturänderung bereits eine vergleichsweise große Änderung der Wellenlänge des von der roten Laserdiode emittierten Lichts erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens einer ersten Laserlichtquelle eine erste Temperiereinrichtung und wenigstens einer zweiten Laserlichtquelle eine zweite Temperiereinrichtung zugeordnet. Hierbei sind die erste Temperiereinrichtung in den ersten Zustand und zeitgleich die zweite Temperiereinrichtung in den zweiten Zustand versetzbar. Durch das entgegengesetzte Ansteuern der Temperiereinrichtungen kann selbst mit einer je Temperatureinheit vergleichsweise kleinen und somit sich vergleichsweise langsam einstellenden Änderung der jeweiligen Emissionswellenlänge eine besonders große Differenz zwischen den beiden Emissionswellenlängen der beteiligten Laserlichtquellen erreicht werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mittels der Temperiereinrichtung die beiden Zustände lediglich mit vergleichsweise niedriger Frequenz alternierend einstellbar sind oder wenn die Wärmekapazität der beiden Laserlichtquellen vergleichsweise groß ist.
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Darüber hinaus ermöglicht dies auf besonders einfache Art und Weise eine wirksame Verringerung des wahrnehmbaren Specklekontrastes selbst bei der Verwendung von Laserlichtquellen, welche eine vergleichsweise geringe Temperaturempfindlichkeit, also eine weniger stark ausgeprägte Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge als eine rot leuchtende Laserdiode aufweisen.
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Entsprechend kann die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Laserlichtquelle jeweils als im Betrieb Licht mit einer Wellenlänge aus dem grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittierende Laserdiode ausgebildet sein. Eine solche, beispielsweise aus Indiumgalliumnitrid (InGaN) oder Galliumnitrid (GaN) hergestellte Laserdiode weist eine ausgeprägtere Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge auf als eine im Betrieb grün leuchtende Laserdiode. Jedoch ist grundsätzlich als erste und zweite Laserlichtquelle ebenfalls jeweils eine Laserdiode verwendbar, welche zum Emittieren von Licht mit einer Wellenlänge aus dem grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet ist. Auch diese im Betrieb grün leuchtende Laserdiode kann aus Indiumgalliumnitrid oder Galliumnitrid hergestellt sein.
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Besonders weitgehend lässt sich die Wahrnehmbarkeit des Speckle-Musters bei Verwendung von blau leuchtenden oder grün leuchtenden Laserdioden vermeiden, wenn diese beiden Laserdioden in der Laseranordnung polarisationsgekoppelt sind. Dies führt einerseits zu einer Vergrößerung der Helligkeit des emittierten Laserlichts und andererseits an sich bereits zu einer Verringerung des Specklekontrastes. Diese liegt in der nicht völlig identischen Strahlcharakteristik beider Dioden begründet. Anstelle der polarisationsgekoppelten Anordnung der beiden Laserdioden kann hierbei auch eine winkelgekoppelte Anordnung vorgesehen sein, wobei die Strahlen der Laserdioden lediglich in einem bestimmten Abstand von den beiden Laserdioden überlagert sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung umfasst folgende Schritte:
- a) Bereitstellen wenigstens einer Laserlichtquelle und zumindest einer der wenigstens einen Laserlichtquelle zugeordneten Temperiereinrichtung;
- b) Erwärmen der wenigstens einen Laserlichtquelle durch Einstellen eines ersten Zustands der Temperiereinrichtung; und
- c) Kühlen der wenigstens einen Laserlichtquelle durch Einstellen eines zweiten Zustands der Temperiereinrichtung.
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Es kann hierbei auch der Schritt des Kühlens vor dem Schritt des Erwärmens vorgenommen werden.
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Da sich durch das Erwärmen bzw. Kühlen der Laserlichtquelle deren Emissionswellenlänge beeinflussen lässt, kann auf besonders einfache Art und Weise eine Verringerung des wahrnehmbares Specklekontrastes erreicht werden.
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Die für die erfindungsgemäße Laseranordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 schematisch eine Laseranordnung, bei welcher zwischen einer Laserdiode und einer Wärmesenke ein Peltierelement angeordnet ist;
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2 eine Änderung der Temperatur der Laserdiode gemäß 1 in Abhängigkeit von der jeweils am Peltierelement anliegenden Spannung; und
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3 das gegengleiche Kühlen bzw. Heizen von zwei Laserdioden einer alternativen Laseranordnung mittels jeweiliger Peltierelemente als Funktion der Zeit;
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Eine in 1 schematisch gezeigte Laseranordnung 10 umfasst als Laserlichtquelle eine Laserdiode 12, welche beispielsweise zum Emittieren von Licht mit eine Wellenlänge aus dem roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet ist. Eine solche, rot leuchtende Laserdiode 12 weist eine vergleichsweise ausgeprägte Temperaturabhängigkeit ihrer Emissionswellenlänge auf. So kann bei einer Temperaturänderung der Laserdiode 12 von 10 K eine Änderung ihrer Emissionswellenlänge um etwa 2,4 nm erreicht werden.
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Das Modulieren der Temperatur der Laserdiode 12 wird vorliegend zum Zweck der Reduktion des Speckles eingesetzt, welcher vom Betrachter im Allgemeinen als störend empfunden wird und auf die Kohärenz des Laserlichts zurückzuführen ist, welche zu Interferenzeffekten führt.
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Um eine hinreichend schnelle Modulation der Temperatur der Laserdiode 12 zu erreichen, ist zwischen eine Wärmesenke 14 der Laseranordnung 10 und die Laserdiode 12 ein Peltierelement 16 eingebracht. Dieses Peltierelement 16 wird von einer Wechselspannungsquelle 18 versorgt, sodass mit der Änderung der an dem Peltierelement 16 anliegenden Spannung dieses abwechselnd als Kühler oder als Heizer wirkt.
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Dieses abwechselnde Kühlen bzw. Heizen der Laserdiode 12 mittels des Peltierelements 16 führt zu einer entsprechenden Temperaturänderung der Laserdiode 12, welche in 2 durch eine Kurve 20 veranschaulicht ist.
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In einem in 2 gezeigten Graphen 22 ist des Weiteren auf einer Ordinate 24 die Spannung U des Peltierelements 16 bzw. die Temperatur T der Laserdiode 12 als Funktion der Zeit t angegeben, wobei die Zeit t auf einer Zeitachse 26 angegeben ist. Eine Kurve 28 veranschaulicht die je nach Polarisation des Peltierelements 16 abrupt sich ändernde Spannung, welche in der Folge zum Ansteigen bzw. Absinken der Temperatur der Laserdiode 12 führt.
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Vorliegend wird die Spannung U des Peltierelements 16 mit einer Frequenz von mindestens 25 Hz verändert, sodass sich auch ein sehr rascher Temperaturwechsel der Laserdiode 12 einstellt. Durch die ebenfalls mit einer Frequenz von 25 Hz sich einstellende Temperaturänderung ΔT der Laserdiode 12 wird eine hinreichend rasche Modulation der Emissionswellenlänge der Laserdiode 12 im Bereich von 2 nm erreicht. In der Folge kommt es zu einer deutlichen bis kompletten Unterdrückung des vom Betrachter wahrnehmbaren Specklekontrastes.
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Zur Vermeidung einer Schädigung der Laserdiode 12 durch die an dem Peltierelement 16 anliegende Spannung kann das Peltierelement 16 elektrisch isoliert ausgebildet sein, etwa durch Aufbringen einer dünnen, thermisch leitfähigen Keramik auf selbiges.
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Anhand eines in 3 gezeigten Graphen 30 ist der Betrieb einer alternativen Laseranordnung veranschaulicht, bei welcher zwei bevorzugt polarisationsgekoppelte Laserdioden 32, 34 zum Einsatz kommen.
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Jeder dieser Laserdioden 32, 34 ist ein (nicht gezeigtes) Peltierelement zugeordnet, wobei die beiden Peltierelemente gegengleich angesteuert werden. Dies führt dazu, dass während des Aufheizens der ersten Laserdiode 32, deren Temperaturverlauf durch eine Kurve 36 veranschaulich ist, die zweite Laserdiode 34 abgekühlt wird. Der Temperaturverlauf der zweiten Laserdiode 34 ist in dem in 3 gezeigten Graphen 30 durch eine weitere Kurve 38 veranschaulicht.
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Entsprechend ist die Spannung, welche an dem Peltierelement der ersten Laserdiode 32 anliegt, jeweils von der Polarität her der Spannung entgegengesetzt, welche an dem der zweiten Laserdiode 34 zugeordneten Peltierelement anliegt. Der zu der ersten Laserdiode 32 gehörige Spannungsverlauf des dieser zugeordneten Peltierelements ist in dem Graphen 30 durch eine rechteckförmige Kurve 40 veranschaulicht, und der Spannungsverlauf des Peltierelements, welchem die zweite Laserdiode 34 zugeordnet ist, durch eine weitere rechteckförmige Kurve 42.
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Dadurch, dass die erste Laserdiode 32 erwärmt wird, während die zweite Laserdiode 34 abgekühlt wird, tritt während des Durchlaufens lediglich eines Rechteckimpulses der an den beiden Peltierelementen anliegenden, einander entgegengesetzten Spannung U zweimal eine maximale Temperaturdifferenz ΔT zwischen den beiden Laserdioden 32, 34 auf. Dies ermöglicht es, auch bei einer geringeren Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge der beiden Laserdioden 32, 34 als sie bei der in 1 gezeigten Laserdiode 12 vorliegt, mit einer hinreichend hohen Frequenz die erwünschte Temperaturänderung und damit die Veränderung der Emissionswellenlänge der beiden Laserdioden 32, 34 einzustellen.
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Es kann so innerhalb der jeweils zum Aufheizen bzw. Abkühlen der beiden Laserdioden 32, 34 zur Verfügung stehenden Zeit die maximal mögliche Differenz der Emissionswellenlängen beider Laserdioden 32, 34 in rascher Abfolge alternierend eingestellt werden. Es wird so selbst bei einer geringeren Frequenz des Änderns der jeweiligen Polarität der beiden Peltierelemente eine ausreichend rasche Modulation der Emissionswellenlängen der Laserdioden 32, 24 der Laseranordnung erreicht. Es kann nämlich jeweils über einen längeren Zeitraum hinweg die erste Laserdiode 32 erwärmt und zugleich die zweite Laserdiode 34 gekühlt werden, um eine entsprechend starke Änderung der jeweiligen Emissionswellenlängen der beiden Laserdioden 32, 34 zu bewirken. Auch auf diese Weise wird eine vom Betrachter wahrnehmbare Reduktion des Specklekontrastes erreicht, ohne dass der Betrachter das Ändern der jeweiligen Emissionswellenlängen der beiden Laserdioden 32, 34 bemerkt.
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Bei den beiden Laserdioden 32, 34 kann es sich beispielsweise um jeweils grün leuchtende Laserdioden oder um jeweils blau leuchtende Laserdioden handeln. Insbesondere grün leuchtende Laserdioden ermöglichen jedoch aufgrund ihrer höheren Temperaturempfindlichkeit eine größere Modulationstiefe als blau leuchtende Laserdioden.
