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Die Erfindung betrifft eine Laserdiode, aufweisend einen auf einer Oberseite einer Wärmesenke angebrachten Laserchip mit einer seitlichen Emissionsfläche zur Abstrahlung von Primärlicht. Die Erfindung betrifft ferner ein Lasermodul, aufweisend eine Laserdiode und ein strahlformendes optisches Element, wobei das strahlformende optische Element zumindest teilweise von dem Primärlicht anstrahlbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Beleuchtungsmodul, aufweisend mindestens ein Lasermodul und einen durch das von dem mindestens einen Lasermodul emittierten Primärlicht bestrahlbaren Leuchtstoffkörper, wobei der Leuchtstoffkörper zum zumindest teilweisen Umwandeln des Primärlichts in Sekundärlicht vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Justieren eines Lasermoduls an einem Beleuchtungsmodul. Die Erfindung ist beispielsweise nutzbar für Fahrzeuganwendungen, Effektbeleuchtungen und/oder Außenbeleuchtungen. Die Erfindung ist beispielsweise nutzbar für Scheinwerfer, speziell Fahrzeugscheinwerfer.
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Es sind Laserdioden bekannt, welche als sog. "Kantenemitter" ausgebildet sind, bei denen Primärlicht seitlich an einer Schmalseite oder Kante eines lichterzeugenden Bereichs emittiert wird. Das seitlich abgestrahlte Primärlicht kann von einer separat von der Laserdiode angeordneten Linse auf einen Leuchtstoffkörper gestrahlt werden. Der Leuchtstoffkörper wandelt zumindest einen Teil des auf ihn auffallenden Primärlichts in Sekundärlicht längerer Wellenlänge um. Von dem Leuchtstoffkörper kann dann insbesondere weißes Mischlicht abgestrahlt werden. Jedoch ist hierbei nachteilig, dass eine hochgradige Homogenität des auf den Leuchtstoffkörper einfallenden Primärlichts nur schwer herstellbar ist und es dadurch zu ggf. schädigenden lokalen Intensitätsmaxima (oder "Hot Spots") kommen kann. Auch ist eine solche Anordnung vergleichsweise großvolumig, insbesondere mit einer großen Bauhöhe. Darüber hinaus ist eine solche Anordnung nur schwer zu justieren.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserdiode, aufweisend einen auf einer Oberseite einer Wärmesenke angebrachten Laserchip mit einer seitlichen Emissionsfläche zur Abstrahlung von Primärlicht, wobei die Emissionsfläche von einer Seitenfläche der Wärmesenke zurückversetzt ist. Dies mag beispielsweise mittels einer sog. "p-side-down-Technologie" umgesetzt sein.
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Durch die zurückversetzte Anordnung wird zumindest ein Teil der Oberseite der Wärmesenke durch das von der Emissionsfläche emittierte Primärlicht angestrahlt bzw. befindet sich zumindest ein Teil der Oberseite der Wärmesenke in einem von der Emissionsfläche emittierten Primärlichtstrahl. Die Oberseite der Wärmesenke dient somit als eine Blende, die einen unteren Teil des von der Emissionsfläche emittierten Primärlichtstrahls blockiert. Da eine oberseitige Kante der Wärmesenke typischerweise sehr genau herstellbar ist, wird eine sehr scharfe Hell-Dunkel-Grenze bereitgestellt. Auf große, der Laserdiode nachgeschaltete Blenden oder Blendensysteme kann verzichtet werden. Insbesondere kann so ohne einen erhöhten apparativen Aufwand eine Bauhöhe der Laserdiode oder einer die Laserdiode aufweisenden Beleuchtungsvorrichtung gering gehalten werden.
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Die Wärmesenke mag insbesondere eine Form einer Platte aufweisen, z.B. eine Quaderform oder Kreisscheibenform, insbesondere mit konstanter Dicke. Ihre (spezifische) Wärmeleitfähigkeit λ, auch Wärmeleitzahl genannt, liegt vorzugsweise über 100 W/(m·K), insbesondere über 150 W/(m·K). Durch die Wärmesenke kann von dem Laserchip erzeugte Wärme abgeführt werden. Zur Erlangung eines besonders geringen Wärmeübergangswiderstands mag zwischen der Wärmesenke und dem Laserchip eine Goldschicht vorhanden sein.
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Die Wärmesenke ist insbesondere mit ihrer von der Oberseite abgewandten Unterseite auf einem Träger befestigt. Der Träger mag z.B. eine Leiterplatte sein, z.B. eine herkömmliche FR4-Platine, eine Metallkernplatine (MCPCB), ein DCB("Direct Copper Bonded)-Substrat oder ein IMS ("Insulated Metal Substrate") sein. Der Träger dient insbesondere auch zum elektrischen Anschluss oder Verschaltung des Laserchips und mag dazu mit einer Leitungsstruktur versehen sein, z.B. aufweisend mindestens eine Leiterbahn und/oder mindestens eine Kontaktfläche. Die Wärmesenke mag auf der Leitungsstruktur aufgebracht sein. Der Träger mag aber z.B. auch ein Keramiksubstrat sein, z.B. mit einem Grundkörper aus AlN.
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Die Wärmesenke mag in einem Bereich unterhalb der Emissionsfläche eine Vertiefung (z.B. eine Nut, ein durchgängiger oder nicht-durchgängiger Spalt oder Ausfräsung) aufweisen, damit Lotmaterial dorthin abfließen kann und nicht die Emissionsfläche bedeckt. Die Nut mag z.B. eine Breite und eine Tiefe von jeweils 20 µm aufweisen.
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Zudem gleichen Zweck mag die Wärmesenke auch mehrteilig aufgebaut sein, z.B. zweiteilig sein. Insbesondere mag der Laserchip an einem ersten ("rückwärtigen") Teil der Wärmesenke angebracht sein und mag ggf. mit seiner Emissionsfläche leicht über diesen ersten Teil herausstehen. Ein zweiter ("vorderer") Teil der Wärmesenke mag vor der Emissionsfläche angeordnet sein, und zwar insbesondere mit einem geringen Abstand zu dem rückwärtigen Teil. Der vordere Teil mag als Blende (insbesondere Spiegel, wie weiter unten beschrieben) für das von der Emissionsfläche abgestrahlte Primärlicht dienen. Der zwischen den beiden Teilen der Wärmesenke befindliche Spalt (z.B. mit einer Spaltbreite von 20 µm) kann z.B. der Aufnahme von überschüssigem lotmaterial dienen. Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass auch herkömmliche Laserdioden mit einfachen Mitteln in erfindungsgemäße Laserdioden umgewandelt werden können, indem ihnen in Abstrahlrichtung der Emissionsfläche ein vorderer Teil vorgesetzt wird. Bei dieser Weiterbildung mag der vordere Teil aus dem gleichen oder aus einem anderen Material bestehen wie der erste Teil. Der erste Teil mag auch alleine als Wärmesenke bezeichnet werden, und der zweite Teil als Blenden- oder Spiegelvorsatz.
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Allgemein mag der sich vor der Emissionsfläche befindliche Teil der Wärmesenke eine Oberseite aufweisen, die bis zu der Emissionsfläche reicht oder tiefer als diese liegt.
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Der Träger mag ein oder mehrere Durchkontaktierungen ("Vias") aufweisen.
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Das Primärlicht mag beispielsweise ultraviolettes oder blaues Primärlicht sein. Es mag ein s- oder ein p-polarisiertes Licht sein. Insbesondere mag als s-polarisiertes Licht emittiertes Primärlicht in p-polarisiertes Primärlicht umgewandelt werden, beispielsweise mittels Durchlaufs durch einen Polarisator.
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Die seitliche Emissionsfläche ist insbesondere eine senkrecht zu der Oberseite ausgerichtete oder stehende Fläche, insbesondere im Sinne eines Kantenemitters. Sie weist beispielsweise eine Fläche zwischen 20 und 50 E-12 Quadratmetern, insbesondere von ca. 30 E-12 Quadratmetern, auf. Die seitliche Emissionsfläche mag z.B. als eine rechteckige Fläche mit einer Breite von 30 Mikrometern und einer Höhe von einem Mikrometer vorliegen.
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Der von der Emissionsfläche abgestrahlte Laserstrahl mag divergent sein. Er mag beispielsweise einen Divergenzwinkel von ca. 7° (FWHM) entlang der sog. "Slow Axis" aufweisen.
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Dass die Emissionsfläche von einer Seitenfläche der Wärmesenke zurückversetzt ist, mag insbesondere umfassen, dass die Emissionsfläche und die Seitenfläche der Wärmesenke zwar in die gleiche Richtung, aber nicht flächenbündig zueinander ausgerichtet sind.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass zumindest ein von dem Primärlicht bestrahlbarer Bereich der Oberseite der Wärmesenke mit einer für das Primärlicht reflektierenden Schicht versehen ist. Dadurch wird das auf die Oberseite der Wärmesenke einstrahlende Primärlicht nicht vergeben, sondern weiterverwendet, was Lichtverluste stark reduziert. Zudem wird so eine Strahlmischung in dem von der Laserdiode emittierten Lichtstrahl verstärkt, was eine Intensitätshomogenität weiter verbessert. Darüber hinaus wird vorteilhafterweise die Étendue Et der Emissionsfläche, die mit Et = λ2 ~ 0,2 E-6 sr·mm2 sehr klein ist, ungefähr verdoppelt.
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Die Schicht mag diffus oder spekular reflektierend sein. Sie mag als eine einzelne Schicht oder als ein Schichtstapel ausgebildet sein.
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Alternativ mag die Wärmesenke als solche eine reflektierend, insbesondere spiegelnd, ausgebildete (z.B. polierte) Oberfläche aufweisen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die reflektierende Schicht eine metallische Schicht ist, welche einen besonders hohen Reflexionsgrad ermöglicht und einfach aufzubringen ist. Eine solche metallische Schicht ist insbesondere als ein spekularer "Metallspiegel" umsetzbar.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die reflektierende Schicht eine Goldschicht ist. Diese ist besonders unanfällig. Zudem mag sie mit einem nur geringen Anpassungsaufwand bereitgestellt werden, z.B. mittels einer Verbreiterung einer als Wärmeleitschicht bereits vorhandenen Goldschicht.
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Es ist zudem noch eine Ausgestaltung, dass die reflektierende Schicht eine Silberschicht ist. Diese erreicht für blaues Licht besonders hohe Reflexionsgrade. Die Silberschicht mag auch ein Schichtstapel sein, z.B. aus MIRO Silver.
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Es sind auch noch andere Metalle als Metallspiegel einsetzbar, z.B. Aluminium oder Kupfer.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass die Wärmesenke aus Keramik besteht. Keramik ist besonders widerstandsfähig gegenüber thermischen und chemischen Beanspruchungen und zudem hochgradig wärmeleitfähig. Beispielsweise eignet sich ein AlN-Substrat als Wärmesenke. AlN-Keramik besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 180 W/(m· K). Durch den Einsatz von AlN-Keramik kann Wärme somit effektiv abgeführt werden. Da Aluminiumnitrid elektrisch nicht leitend ist, kann zudem auf dielektrische Isolierschichten verzichtet werden. Die AlN-Wärmesenke kann auch als AlN-Submount bezeichnet werden.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Wärmesenke und der Laserchip von einer lichtdurchlässigen (insbesondere transparenten) Glasabdeckung überdeckt sind. Diese schützt den Laserchip und ist langlebig und resistent gegen eine Vergilbung.
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Für eine besonders einfache Befestigung ist die Laserdiode ein SMD-Bauteil, kann also mittels einer Oberflächenmontage ("Surface Mounted Technology"; SMT) befestigt werden.
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Die Laserdiode mag z.B. Abmessungen von ca. 2,5 mm × 2,5 mm × 1,2 mm aufweisen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Lasermodul, aufweisend eine Laserdiode wie oben beschrieben und mindestens ein strahlformendes optisches Element, wobei das mindestens eine strahlformende optische Element seitlich an der Laserdiode angeordnet ist und zumindest teilweise von dem Primärlicht anstrahlbar ist.
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Das Lasermodul kann analog zu der Laserdiode ausgestaltet sein und weist die gleichen Vorteile auf. Zudem wird dadurch, dass das mindestens eine strahlformende optische Element eine Komponente des Lasermoduls darstellt, eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht. Die Laserdiode und das strahlformende optisches Element können also mittels des Lasermoduls gemeinsam gehandhabt werden.
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Es ist eine für einen besonders preiswerten und kompakten Aufbau vorteilhafte Weiterbildung, dass das mindestens eine strahlformende optische Element genau ein strahlformendes optisches Element ist.
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Das mindestens eine strahlformende optische Element mag insbesondere den von der Laserdiode stammenden, sich typischerweise auffächernden Primärlichtstrahl fokussieren, aber dabei ein Étendue geeignet erhöhen. Das mindestens eine strahlformende optische Element weist für eine kompakte Bauform vorteilhafterweise eine kurze Brennweite auf.
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Alternativ mag das mindestens eine strahlformende optische Element ein Kollimationselement sein, insbesondere mit kurzer Brennweite.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass ein Abstand mindestens eines strahlformenden optischen Elements zu der Laserdiode einstellbar oder verstellbar ist. Dadurch kann der von dem Lasermodul abgestrahlte Primärlichtstrahl variabel geformt werden, beispielsweise sein Abstrahlwinkel und/oder seine Querschnittsform und/oder seine Querschnittsgröße und/oder seine Helligkeitsverteilung.
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Die Einstellung mag insbesondere motorisch erfolgen, beispielsweise mittels eines Elektromotors oder eines Aktors, z.B. eines Piezoaktors. Das mindestens eine strahlformende optische Element ist dazu beweglich angeordnet, insbesondere mit einem beweglichen Halter verbunden.
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Das mindestens eine strahlformende optische Element mag in Bezug auf die Laserdiode verdrehbar und/oder längsverschieblich sein, z.B. längsverschieblich entlang einer Hauptstrahlrichtung des Laserchips oder des Lasermoduls und/oder längsverschieblich entlang einer optischen Achse des strahlformenden optischen Elements.
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Es ist eine besonders einfach und preiswert umsetzbare Ausgestaltung, dass das strahlformende optische Element fest zu der Laserdiode angebracht ist.
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Es ist eine für eine besonders kompakte Bauform und eine besonders präzise Position des strahlformenden optischen Elements vorteilhafte Ausgestaltung, dass das strahlformende optische Element bündig zu einer Glasabdeckung der Laserdiode angebracht ist oder angebracht werden kann. Das strahlformende optische Element mag also in Kontakt mit der Laserdiode stehen oder einen nur schmalen Spalt dazu aufweisen. Bei fester Anbringung des strahlformenden optischen Elements zu der Laserdiode mag das strahlformende optische Element an die Laserdiode, insbesondere an deren Glasabdeckung, befestigt, insbesondere angeklebt, sein.
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Es ist eine für eine einfache Montage, Handhabung und kompakte Bauform vorteilhafte Ausgestaltung, dass das Lasermodul einen Träger aufweist, an dessen Oberseite die Laserdiode und das strahlformende optische Element angebracht sind.
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Es ist auch noch eine Ausgestaltung, dass das strahlformende optische Element eine optische Achse aufweist, die parallel, aber versetzt zu einer Hauptabstrahlrichtung des Lasermoduls ausgerichtet ist. Dadurch lässt sich mit einem geringen baulichen Aufwand eine besonders starke Fokussierung und Richtung des Primärlichtstrahls erreichen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das strahlformende optische Element ein Reflektor ist. Es ist für einen besonders kompakten Aufbau vorteilhafte Weiterbildung, dass das strahlformende optische Element ein Durchlichtelement ist, beispielsweise eine Linse.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das strahlformende optische Element eine parabolische Linse ist, insbesondere eine zylindrische Linse ist, insbesondere eine plan-konvexe Linse ist. Die zylindrische Linse mag insbesondere als ein Zylinderausschnitt in Längsrichtung einer Zylinderform ausgebildet sein. Diesem Teil mag sich in Richtung der Laserdiode ein plattenförmiger Teil anschließen.
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Für eine besonders einfache Befestigung ist das Lasermodul ein SMD-Bauteil, kann also mittels einer Oberflächenmontage ("Surface Mounted Technology"; SMT) befestigt werden.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Beleuchtungsmodul, aufweisend mindestens ein Lasermodul wie oben beschrieben und mindestens einen durch das von dem mindestens einen Lasermodul emittierten Primärlicht bestrahlbaren Leuchtstoffkörper, wobei der Leuchtstoffkörper zum zumindest teilweisen Umwandeln des Primärlichts in Sekundärlicht vorgesehen ist.
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Dadurch kann ein kompaktes Beleuchtungsmodul mit einer hochgradigen Homogenität des von dem Leuchtstoffkörper abgestrahlten Lichts bereitgestellt werden, das besonders einfach justierbar ist. Das mindestens eine strahlformende optische Element des Lasermoduls richtet, insbesondere fokussiert, einen zugehörigen Primärlichtstrahl auf den Leuchtstoffkörper.
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Der Primärlichtstrahl trifft vorteilhafterweise zumindest ungefähr unter dem Brewster-Winkel auf den Leuchtstoffkörper und ist insbesondere dann (ggf. mittels einer Polarisationsumwandlung) p-polarisiert. Dies erleichtert beispielsweise eine Überprüfung auf eine Schädigung des Leuchtstoffkörpers.
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Die Étendue des Leuchtstoffkörpers ist mit Et = π2r2 ~ 0,6 sr·mm2 vergleichsweise groß, was im Vergleich zu der Étendue der Emissionsfläche einem Faktor von ca. 10.000 entspricht. Daher ist es vorteilhaft, dass das strahlformende optische Element die Étendue des aus der Laserdiode austretenden Laserstrahls (dessen Étendue dort bereits intern durch die Spiegelung ungefähr verdoppelt wurde) um eine Größenordnung von 1.000 (z.B. zwischen 1.000 und 5.000) erhöht. Dies mag insbesondere durch das Vorsehen der seitlich versetzten Zylinderlinse erreicht werden, insbesondere durch von der Zylinderlinse erzeugte Aberration(en).
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Der Leuchtstoffkörper weist mindestens einen Leuchtstoff auf, welcher dazu geeignet ist, einfallendes Primärlicht zumindest teilweise in Sekundärlicht unterschiedlicher Wellenlänge umzuwandeln oder zu konvertieren. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe mögen diese Sekundärlicht von zueinander unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen. Die Wellenlänge des Sekundärlichts mag länger sein (sog. „Down Conversion“) oder kürzer sein (sog. „Up Conversion“) als die Wellenlänge des Primärlichts. Beispielsweise mag blaues Primärlicht mittels eines Leuchtstoffs in grünes, gelbes, orangefarbenes oder rotes Sekundärlicht umgewandelt werden. Bei einer nur teilweisen Wellenlängenumwandlung oder Wellenlängenkonversion wird von dem Leuchtstoffkörper eine Mischung aus Sekundärlicht und nicht umgewandeltem Primärlicht abgestrahlt, die als Nutzlicht dienen kann. Beispielsweise mag weißes Nutzlicht aus einer Mischung aus blauem, nicht umgewandeltem Primärlicht und gelbem Sekundärlicht erzeugt werden. Jedoch ist auch eine Vollkonversion möglich, bei der das Nutzlicht entweder nicht mehr oder zu einem nur vernachlässigbaren Anteil in dem Nutzlicht vorhanden ist. Ein Umwandlungsgrad hängt beispielsweise von einer Dicke und/oder einer Leuchtstoffkonzentration des Leuchtstoffs ab. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe können aus dem Primärlicht Sekundärlichtanteile unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung erzeugt werden, z.B. gelbes und rotes Sekundärlicht. Das rote Sekundärlicht mag beispielsweise dazu verwendet werden, dem Nutzlicht einen wärmeren Farbton zu geben, z.B. sog. „warm-weiß“. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe mag mindestens ein Leuchtstoff dazu geeignet sein, Sekundärlicht nochmals wellenlängenumzuwandeln, z.B. grünes Sekundärlicht in rotes Sekundärlicht. Ein solches aus einem Sekundärlicht nochmals wellenlängenumgewandeltes Licht mag auch als „Tertiärlicht“ bezeichnet werden.
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Der Leuchtstoffkörper ist insbesondere in einer reflektiven Anordnung angeordnet, bei der das Primärlicht an einer freien Oberseite eingestrahlt wird und mit einer Unterseite auf einer reflektierenden Fläche aufliegt. Von der gleichen Oberseite wird also auch das als Nutzlicht dienende, vollständig umgewandelte oder nur teilweise umgewandelte Licht abgestrahlt. Diese Anordnung ist besonders verlustarm.
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Das Beleuchtungsmodul mag eine Leiterplatte aufweisen, die einseitig oder zweiseitig mit jeweils mindestens einem Lasermodul und mindestens einem Leuchtstoffkörper bestückt ist.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass ein Leuchtstoffkörper von mehreren Lasermodulen bestrahlbar ist. So wird Nutzlicht mit einem besonders hohen Volumenstrom bereitgestellt. Für eine gleichmäßige Bestrahlung des Leuchtstoffkörpers und damit für eine besonders homogene Verteilung des von dem Leuchtstoffkörperabgestrahlten Nutzlichts können die Lasermodule winkelsymmetrisch um den Leuchtstoffkörper angeordnet sein. Ein radialer Abstand mag zumindest ungefähr gleich sein.
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Das Beleuchtungsmodul mag auch ein oder mehrere elektrische und/oder elektronische Bauelemente aufweisen, die z.B. einen Treiber oder Teile davon zum Betreiben des mindestens einen Lasermoduls darstellen. Das Beleuchtungsmodul mag dann auch als "Light Engine" bezeichnet werden.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass das Beleuchtungsmodul dazu eingerichtet ist, eine Abstrahlung des Primärlichts bei einem beschädigten oder entfernten Leuchtstoffkörper zu unterbrechen oder die Intensität des Primärlichts dann unter vorbestimmte Grenzwerte zu bringen. Dies kann beispielsweise über mindestens einen ebenfalls vorhandenen Lichtsensor über Diffusorflächen und/oder über Filter erreicht werden. Das Filter mag beispielsweise ein polarisationsabhängiges Filter sein, welches p-polarisiertes Primärlicht besonders stark filtert.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung, die mindestens ein Lasermodul und/oder mindestens ein Beleuchtungsmodul wie oben beschrieben aufweist. Die Beleuchtungsvorrichtung mag z.B. ein Scheinwerfer sein, beispielsweise für Fahrzeuganwendungen, Effektbeleuchtungen und/oder Außenbeleuchtungen.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Justieren eines Lasermoduls an einem Beleuchtungsmodul mit folgenden Schritten:
- – Bereitstellen eines Lasermoduls;
- – Bestimmen einer Position eines Brennflecks des Lasermoduls;
- – Bestimmen einer Höhe des Leuchtstoffkörpers in Bezug auf eine Oberfläche der Leiterplatte des Beleuchtungsmoduls;
- – Bestimmen eines zur Anstrahlung des Leuchtstoffkörpers geeigneten Abstands des Lasermoduls zu dem Leuchtstoffkörper; und
- – Positionieren des Lasermoduls auf der Oberfläche der Leiterplatte des Beleuchtungsmoduls in dem bestimmten Abstand zu dem Leuchtstoffkörper.
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Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass eine aufwändige Höhenjustage dadurch vermieden werden kann, dass die Höhenjustage in eine Bedingung für den Abstand des Lasermoduls zu dem Leuchtstoffkörper umgerechnet wird. Der Abstand lässt sich weit einfacher einstellen als eine Höhe.
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Das Bestimmen der Position des Brennflecks kann insbesondere mit einer vorbestimmten, z.B. festen, Position des strahlformenden optischen Elements zu der Laserdiode durchgeführt werden. Das Bestimmen kann an einer dedizierten Messstation erfolgen.
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Die Höhe des Leuchtstoffkörpers kann gemessen oder aus bekannten Höhen bzw. Höhenniveaus berechnet werden oder ist vorbekannt.
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Das Bestimmen des geeigneten Abstands kann z.B. durch trigonometrische Rechnungen, insbesondere Triangulationsrechnungen, durchgeführt werden.
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Das Positionieren des Lasermoduls mag ein Befestigen des Lasermoduls umfassen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt in Schrägansicht eine Laserdiode ohne zurückversetzten Laserchip;
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Lasermoduls mit der Laserdiode aus 1 mit nachgeschalteter Optik;
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3A zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Lasermoduls mit einer Laserdiode, die einen zurückversetzten Laserchip aufweist, mit nachgeschalteter Optik;
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3B zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Lasermoduls mit einer weiteren Laserdiode, die einen zurückversetzten Laserchip aufweist, mit nachgeschalteter Optik;
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4 zeigt in Schrägansicht ausgewählte Komponenten eines Beleuchtungsmoduls mit einem weiteren Lasermodul mit einer Laserdiode, die einen zurückversetzten Laserchip aufweist;
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5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht als Skizze einen Ausschnitt aus dem Beleuchtungsmodul aus 4;
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6 zeigt das Beleuchtungsmodul aus 4 in Schrägansicht; und
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7 zeigt das Beleuchtungsmodul aus 4 in Draufsicht.
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1 zeigt eine als ein SMD-Bauteil ausgebildete Laserdiode 101. Die Laserdiode 101 weist einen Träger 102 auf, der z.B. als DCB-Substrat, IMS-Substrat oder Keramikleiterplatte (insbesondere mit AlN als dem keramischen Material) ausgebildet sein kann. Auf einer Oberseite 102a des Trägers 102 befindet sich eine Leitungsstruktur 103, z.B. aus Kupfer, die z.B. mindestens eine Leiterbahn und/oder mindestens eine Kontaktfläche aufweist. Die Leitungsstruktur 103 mag eine oder mehrere Durchkontaktierungen zu einer Unterseite 102b des Trägers 102 aufweisen. Die Unterseite 102b mag auch eine Leitungsstruktur oder Metallisierung (o. Abb.) aufweisen.
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Auf der Leitungsstruktur 103 ist eine Wärmesenke in Form eines quaderförmigen AlN-Submounts 104 aufgebracht. Während eine Unterseite des AlN-Submounts 104 auf der Leitungsstruktur 103 aufliegt, ist an einer Oberseite des AlN-Submounts 104 über eine Goldschicht 105 ein Laserchip 106 angebracht. Der Laserchip 106 ist über Bonddrähte 107 mit der Leitungsstruktur 103 elektrisch verbunden.
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Eine Schmal- oder Seitenfläche 108 des Laserchips 106 ist flächenbündig zu einer Seitenfläche 109 des AlN-Submounts 104 angeordnet. Im Grenzbereich zwischen diesen Seitenflächen 108, 109 ist eine Emissionsfläche 110 zur seitlichen Abstrahlung von Primärlicht P ausgebildet, wobei die Hauptabstrahlrichtung oder optische Achse des Primärlichts P hier durch den Pfeil angedeutet ist. Die Emissionsfläche 110 mag z.B. eine Fläche von 30 Mikrometer × 1 Mikrometer aufweisen.
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Das AlN-Submount 104 und der Laserchip 106 sind von einer auf dem Träger 102, insbesondere auf der Leitungsstruktur 103, aufsitzenden, lichtdurchlässigen (insbesondere transparenten) Glasabdeckung 111 überwölbt. Die Glasabdeckung 111 dient dem Schutz der überwölbten Komponenten z.B. vor einer thermischen, chemischen und/oder mechanischen Beanspruchung.
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Lasermoduls 112 mit der Laserdiode 101 und mit einer optisch nachgeschalteten Optik in Form einer Linse 113. Die Linse 113 ist hier als eine plan-konvexe Linse mit einer planen Lichteintrittsfläche 113a und einer kugelkalottenförmigen konvexen Lichtaustrittsfläche 113b ausgebildet. Die Linse 113 ist eine Kollimationslinse mit kurzer Brennweite.
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Das Lasermodul 112 weist insbesondere auch aufgrund der Linse 113 eine hohe Bauform auf. Zudem ist die Linse 113 nur aufwändig in Bezug auf ihre korrekte Höhe zu dem Lasermodul 112 justierbar.
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3A zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Lasermoduls 1 mit einer Laserdiode 2, die einen zu der Seitenfläche 109 des AlN-Submounts 104 zurückversetzten Laserchip 106 aufweist. Dadurch ist auch die Emissionsfläche 110 zurückversetzt. Die Seitenfläche 108 des Laserchips 106 ist dabei weiterhin in die gleiche Richtung wie die Seitenfläche 109 ausgerichtet.
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Der sich so zwischen der Emissionsfläche 110 und der gleichgerichteten Seitenfläche 109 des AlN-Submounts 104 ergebende Oberflächenbereich 104a des AlN-Submounts 104 blockiert folglich eine Abstrahlung einer unteren Hälfte des von der Emissionsfläche 110 emittierten Primärlichts P zumindest weitgehend. Da der Oberflächenbereich 104a dort verspiegelt ist, z.B. mittels einer Schicht 3 aus Gold oder Silber, geht das darauf eingestrahlte Primärlicht P nicht verloren, sondern wird in die obere Hälfte der Laserstrahls gespiegelt. Dadurch wird ein besonders kompakter Laserstrahl aus dem Primärlicht P erzeugt und die Étendue in etwa verdoppelt. Eine Schicht 3 aus Silber ermöglicht eine besonders verlustfreie Spiegelung von blauem Primärlicht P. Durch die "Faltung" des Strahls des Primärlichts P kann auch eine Höhe einer nachgeschalteten Optik verringert werden, und damit auch die Bauhöhe des Lasermoduls 1. Das Primärlicht P ist beispielsweise s-polarisiert, mag aber folgend in p-polarisiertes Primärlicht umgewandelt werden.
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Das Lasermodul 1 ist hier mit einer nachgeschalteten Optik in Form einer Kollimationslinse 4 ausgerüstet, die wie die Linse 113 geformt ist, aber an einem unteren Rand 4a abgeschnitten ist. Die Kollimationslinse 4 ist fest oder beweglich auf einem zusätzlichen Träger 5 angebracht sein, an dem auch das Lasermodul 1 angebracht ist. Die Kollimationslinse 4 ist z.B. gegen den zusätzlichen Träger 5 linearverschieblich, wie durch den Doppelpfeil angedeutet.
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Die Kollimationslinse 4 und die Laserdiode 2 können hier zueinander beabstandet sein.
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In dem AlN-Submount 104 mag sich unterhalb der Emissionsfläche 110 eine Ausfräsung 114 (gepunktet angedeutet) befinden, in die Lotmaterial abfließen kann.
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3B zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Lasermoduls 1 mit einer Variante der Laserdiode 2, die eine zweiteilige Wärmesenke 104r, 104v aus einem rückwärtigen Teil 104r, welcher den Laserchip 106 trägt, und einem in Emissionsrichtung des Laserchips 106 vor dem Laserchip 106 angeordneten vorderen Teil 104v aufweist. Zwischen den beiden Teilen 104v und 104r befindet sich ein Spalt 115 z.B. zur Aufnahme von Lotmaterial. Die spiegelnde Oberfläche 104a der Wärmesenke 104r, 104v ist zumindest an der Oberseite des vorderen Teils 104v ausgebildet, z.B. durch Aufbringung der Schicht 3.
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4 zeigt in Schrägansicht ausgewählte Komponenten eines Beleuchtungsmoduls 11 mit einem weiteren Lasermodul 12 mit einer Laserdiode 13, die einen zurückversetzten Laserchip 106 aufweist. 5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht skizzenhaft einen Ausschnitt aus dem Beleuchtungsmodul 11.
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Die Laserdiode 13 unterscheidet sich von der Laserdiode 2 unter anderem dadurch, dass der Träger 14 der Laserdiode 13 so weit seitlich in Lichtabstrahlrichtung über die Glasabdeckung 111 vorragt, dass auf seiner Oberseite auch eine nachgeschaltete Optik, hier vorliegend in Form einer fokussierenden Zylinderlinse 15, befestigt sein kann. Auf einen zusätzlichen Träger 5 kann so verzichtet werden.
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Die Zylinderlinse 15 weist die Form eines längsgeschnittenen Zylinders auf, der mit einer Schnittfläche 15a auf dem Träger 14 aufliegt und einer senkrecht dazu ausgerichteten Schnittfläche 15b parallel zu der benachbarten Seitenfläche der Glasabdeckung 111 ausgerichtet ist. An der Schnittfläche 15b setzt ein plattenförmiger Abschnitt 16 an. Die Zylinderlinse 15 ist an dem plattenförmigen Abschnitt 16 bündig mit einer Seitenfläche der Glasabdeckung 111 verklebt und folglich mit der Laserdiode 13 in seitlicher Anordnung fest verbunden. Eine optische Achse der Zylinderlinse 15 liegt tiefer als die Oberfläche 104a des AlN-Submounts 104 und ist damit auch parallel versetzt zu der Hauptabstrahlrichtung oder optischen Hauptachse des von der Laserdiode 13 abgestrahlten Primärlichts P.
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Mittels der Zylinderlinse 15 wird das einfallende, divergierende Primärlicht P auf einen plättchenförmigen Leuchtstoffkörper 17 fokussiert, vorteilhafterweise zumindest in etwa unter dem Brewster-Winkel. Der Leuchtstoffkörper 17 ist zusammen mit dem Lasermodul 12 auf einer Oberseite einer gemeinsamen Leiterplatte 18 angeordnet (in 4 nicht eingezeichnet). Der Leuchtstoffkörper 17 wandelt beispielsweise das auf ihn einstrahlende Primärlicht P zumindest teilweise in Sekundärlicht (o. Abb.) einer größeren Wellenlänge um. Hier mag der Leuchtstoffkörper 17 z.B. einfallendes blaues Primärlicht P teilweise in gelbes Sekundärlicht umwandeln. So wird in Summe ein blau-gelbes oder weißes Mischlicht von dem Leuchtstoffkörper 17 abgestrahlt, und zwar mit einer Hauptabstrahlrichtung senkrecht zu der Oberfläche des Leuchtstoffkörpers 17 bzw. in Richtung ihres Normalenvektors.
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6 zeigt das Beleuchtungsmodul 11 in Schrägansicht. 7 zeigt das Beleuchtungsmodul 11 in Draufsicht. Der Leuchtstoffkörpers 17 ist hier mittig auf der kreisscheibenförmigen Leiterplatte 18 angeordnet. Das Beleuchtungsmodul 11 weist mehrere, hier: fünf, Lasermodule 12 auf, die in Umfangsrichtung um den Leuchtstoffkörper 17 herum gleichverteilt angeordnet sind und dabei zumindest ungefähr den gleichen Abstand zu dem Leuchtstoffkörper 17 aufweisen. Eine solche Anordnung kann auch als eine sternförmige Anordnung bezeichnet werden.
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Die Lasermodule 12 strahlen ihr p-polarisiertes Primärlicht P zumindest ungefähr unter dem Brewster-Winkel auf den Leuchtstoffkörper 17, was eine Dämpfung, insbesondere Filterung, des Primärlichts P für den Fall erleichtert, dass der Leuchtstoffkörper 17 in einem Schadensfall beschädigt oder entfernt worden ist. Dazu mag mindestens ein die ursprüngliche s-Polarisation in eine p-Polarisation umwandelnder Polarisator (o. Abb.) zwischen den Lasermodulen 12 und dem Leuchtstoffkörper 17 vorhanden sein. Insbesondere mag jedem Lasermodul 12 ein jeweiliger Polarisator nachgeschaltet sein.
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Das Beleuchtungsmodul 11 mag auch einen oder mehrere Sensoren aufweisen (o. Abb.), mittels derer ein Schadensfall des Leuchtstoffkörpers 17 festgestellt werden kann, woraufhin dann z.B. die Lasermodule 12 abgeschaltet werden können.
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Eine Justage des Lasermoduls 12 zum Einstellen einer richtigen Höhe in Bezug auf den Leuchtstoffkörper 17 (z.B. zur Erlangen eines Brennflecks gewünschter Größe) mag dadurch auf einfache Weise erreicht werden, dass zuvor eine Position eines Brennflecks des Lasermoduls 12 bestimmt, z.B. ausgemessen worden ist, dann eine Höhe des Leuchtstoffkörpers 17 bzw. von dessen freier Oberseite in Bezug auf eine Oberseite der Leiterplatte 18 bestimmt worden ist, dann ein zum Anstrahlen des Leuchtstoffkörpers 17 geeigneter Abstand des Lasermoduls 12 zu dem Leuchtstoffkörper 17 bestimmt worden ist und dann das Lasermodul auf der Oberseite der Leiterplatte 18 in dem bestimmten Abstand zu dem Leuchtstoffkörper 17 angebracht wird, z.B. durch Positionieren und folgende Oberflächenmontage.
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Die Leiterplatte 18 mag wie gezeigt einseitig mit dem Leuchtstoffkörper 17 und den Lasermodulen 12 bestückt sein. Alternativ mag die Leiterplatte 18 beidseitig mit einem jeweiligen Leuchtstoffkörper 17 und Lasermodulen 12 bestückt sein.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lasermodul
- 2
- Laserdiode
- 3
- Schicht
- 4
- Kollimationslinse
- 4a
- Unterer Rand der Kollimationslinse
- 5
- Zusätzlicher Träger
- 11
- Beleuchtungsmodul
- 12
- Lasermodul
- 13
- Laserdiode
- 14
- Träger
- 15
- Zylinderlinse
- 15a
- Schnittfläche der Zylinderlinse
- 15b
- Schnittfläche der Zylinderlinse
- 16
- Plattenförmiger Abschnitt der Zylinderlinse
- 17
- Leuchtstoffkörper
- 18
- Leiterplatte
- 101
- Laserdiode
- 102
- Träger
- 102a
- Oberseite des Trägers
- 102b
- Unterseite des Trägers
- 103
- Leitungsstruktur
- 104
- AlN-Submount
- 104a
- Oberflächenbereich des AlN-Submounts
- 105
- Goldschicht
- 106
- Laserchip
- 107
- Bonddraht
- 108
- Seitenfläche des Laserchips
- 109
- Seitenfläche des AlN-Submounts
- 110
- Emissionsfläche
- 111
- Glasabdeckung
- 112
- Lasermodul
- 113
- Linse
- 113a
- Lichteintrittsfläche der Linse
- 113b
- Lichtaustrittsfläche der Linse
- P
- Primärlicht
