DE102021113604A1 - RADIATION EMITTING DEVICE, MEASUREMENT SYSTEM AND VEHICLE WITH MEASUREMENT SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Strahlung emittierende Vorrichtung (100) angegeben, die auf einer sich in lateralen Richtungen (x, y) erstreckenden Montageebene (6) angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, Licht entlang einer Abstrahlrichtung (z) abzustrahlen, wobei die Abstrahlrichtung (z) eine Richtung senkrecht zur Montageebene (6) umfasst. Die Strahlung emittierende Vorrichtung (100) weist zumindest eine Laserlichtquelle (1) auf, und ein der zumindest einen Laserlichtquelle (1) nachgeordnetes und zumindest ein Optikelement (21, 22, 23) umfassendes nicht-abbildendes Optiksystem (2) zur Formung eines Strahlprofils der Strahlung emittierenden Vorrichtung (100) entlang der lateralen Richtungen (x, y).Weiterhin werden ein Messsystem (1000) mit der Strahlung emittierenden Vorrichtung (100) und ein Fahrzeug (2000) mit dem Messsystem angegeben.A radiation-emitting device (100) is specified, which is arranged on a mounting plane (6) extending in lateral directions (x, y) and is intended to emit light along an emission direction (z), the emission direction (z) includes a direction perpendicular to the mounting plane (6). The radiation-emitting device (100) has at least one laser light source (1), and a non-imaging optical system (2) arranged downstream of the at least one laser light source (1) and comprising at least one optical element (21, 22, 23) for forming a beam profile of the Radiation-emitting device (100) along the lateral directions (x, y). Furthermore, a measuring system (1000) with the radiation-emitting device (100) and a vehicle (2000) with the measuring system are specified.
Description
Es wird eine Strahlung emittierende Vorrichtung angegeben. Insbesondere kann die Strahlung emittierende Vorrichtung für ein Messsystem verwendet werden, besonders bevorzugt zur Durchführung eines unter dem Begriff LIDAR („light detection and ranging“, Lichtdetektion und Abstandsmessung) bekannten Verfahrens, das zu einem oder mehreren optischen Messverfahren, beispielsweise optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen, eingesetzt werden kann. Weiterhin kann das Messsystem in einer Vorrichtung wie einem Fahrzeug verwendet werden.A radiation-emitting device is specified. In particular, the radiation-emitting device can be used for a measuring system, particularly preferably for carrying out a method known under the term LIDAR (“light detection and ranging”, light detection and distance measurement), which includes one or more optical measuring methods, for example optical distance and speed measurements , can be used. Furthermore, the measurement system can be used in a device such as a vehicle.
Insbesondere in Bezug auf LIDAR-Systeme im Automotive-Bereich erfordern viele Anwendungsfälle eine hohe detektierbare Reichweite in eine Vorzugsrichtung, während eine reduzierte detektierbare Reichweite in einer oder mehreren anderen Richtungen oft ausreichend ist. Beispielsweise kann eine hohe detektierbare Reichweite für die zentrale Vorwärtsrichtung und eine reduzierte detektierbare Reichweite in der Peripherie oder umgekehrt gewünscht sein. Um die Reichweite in eine bestimmte Richtung zu erhöhen, kann prinzipiell die in diese Richtung abgestrahlte Lichtleistung erhöht werden. Wird das System über einen Blitzsystemtyp realisiert, wird die komplette Szene gleichzeitig durch einen Lichtpuls beleuchtet und das reflektierte Licht wird durch ein zeitaufgelöstes Kamerasystem detektiert. Das Gleiche gilt für LIDAR-Systeme vom CW-Typ (CW: „continuous wave“, kontinuierliche Welle), bei denen anstelle von Lichtpulsen ein kontinuierlich modulierter Lichtstrahl ausgesendet wird und beispielsweise die Phasenverschiebung des zurückkehrenden Lichts erfasst wird.Especially with regard to LIDAR systems in the automotive sector, many applications require a high detectable range in a preferred direction, while a reduced detectable range in one or more other directions is often sufficient. For example, a high detectable range for the central forward direction and a reduced detectable range in the periphery or vice versa may be desired. In order to increase the range in a specific direction, the light output radiated in this direction can in principle be increased. If the system is implemented using a flash system type, the entire scene is simultaneously illuminated by a light pulse and the reflected light is detected by a time-resolved camera system. The same applies to CW-type (CW: "continuous wave") LIDAR systems, in which a continuously modulated light beam is emitted instead of light pulses and, for example, the phase shift of the returning light is detected.
In Automotive-Anwendungen wird zum Beispiel eine Matrix, auch als Array bezeichnet, von Emittern zur Beleuchtung verwendet. Das emittierte Licht wird in Richtung des potenziellen Ziels zum Beispiel mit einer Abbildungs- oder Projektionsoptik projiziert, die die Intensitätsverteilung der Lichtquelle beispielsweise auf die Straße überträgt. Da es sich bei der Lichtquelle um eine Matrix aus gleichmäßig verteilten Strahlern handeln kann, ergibt sich eine homogene Intensitätsverteilung über alle Winkel. Dies hat zur Folge, dass die Intensität in der Mitte oft nicht für den gewünschten Messbereich ausreicht, während in der Peripherie eine zu hohe Lichtintensität bereitgestellt wird. Insbesondere in transversaler Richtung führt dies zu einer Energieverschwendung, da der Lichtstrahl nach unten hin schon nach einigen Metern auf die Fahrbahnoberfläche trifft, was die benötigte Reichweite einschränkt, da nur Objekte, die näher als die Fahrbahnoberfläche liegen, erfasst werden sollen. Auch in Winkelrichtungen, die nach oben zeigen, ist nur eine begrenzte Reichweite erforderlich, da Objekte in einer Höhe von mehr als etwa fünf Metern über der Straße für das Fahren nicht von Interesse sind. Bei geringeren Entfernungen ist die Erkennung von Objekten unter solchen Winkeln jedoch zwingend erforderlich. Daher müssen LIDAR-Systeme ein großes Sichtfeld abdecken, was zu einer Menge unnötiger Lichtemission unter solch großen Winkeln führt, wenn die Systeme auf homogene Abstrahlung ausgelegt sind.In automotive applications, for example, a matrix, also referred to as an array, of emitters is used for lighting. The emitted light is projected in the direction of the potential target, for example with imaging or projection optics, which transmits the intensity distribution of the light source onto the road, for example. Since the light source can be a matrix of evenly distributed emitters, there is a homogeneous distribution of intensity across all angles. As a result, the intensity in the center is often not sufficient for the desired measurement range, while the light intensity provided in the periphery is too high. In the transversal direction in particular, this leads to a waste of energy, since the downward light beam hits the road surface after just a few meters, which limits the required range, since only objects that are closer than the road surface are to be detected. Limited range is also required in angular directions pointing upwards, since objects higher than about five meters above the road are of no interest for driving. At shorter distances, however, the detection of objects at such angles is imperative. Therefore, LIDAR systems have to cover a large field of view, which leads to a lot of unnecessary light emission at such large angles when the systems are designed for homogeneous radiation.
Eine Methode, um dieses Problem zu umgehen, ist die Verwendung von Arrays aus einzeln adressierbaren Emittern, oder zumindest Gruppen von Emittern, die separat angesteuert werden können. In solchen Systemen kann eine größere Anzahl von Impulsen in die relevantesten Richtungen abgestrahlt werden, was aufgrund der Rauschreduzierung durch Mittelung über mehrere Impulse zu einer größeren Reichweite führt. Die Senderemitter, die nur zu demjenigen Winkelbereich beitragen, in dem eine reduzierte Reichweite ausreicht, werden mit einer reduzierten Frequenz gepulst, was die Sendeleistung und damit die maximal detektierbare Reichweite reduziert. Diese Methode erfordert jedoch einzeln adressierbare Arrays, die in der Herstellung teurer sind als Arrays mit vollständiger Parallelschaltung aller Emitter.One way to get around this problem is to use arrays of individually addressable emitters, or at least groups of emitters that can be addressed separately. In such systems, a greater number of pulses can be radiated in the most relevant directions, resulting in greater range due to noise reduction by averaging over multiple pulses. The transmitter emitters, which only contribute to that angular range in which a reduced range is sufficient, are pulsed at a reduced frequency, which reduces the transmission power and thus the maximum detectable range. However, this method requires individually addressable arrays, which are more expensive to manufacture than arrays with all emitters connected fully in parallel.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine verbesserte Strahlung emittierende Vorrichtung anzugeben. Weitere Aufgaben von bestimmten Ausführungsformen sind es, ein Messsystem mit der Strahlung emittierenden Vorrichtung und ein Fahrzeug mit dem Messsystem anzugeben.At least one object of certain embodiments is to provide an improved radiation-emitting device. Further objects of specific embodiments are to specify a measurement system with the radiation-emitting device and a vehicle with the measurement system.
Diese Aufgaben werden insbesondere durch Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.These objects are achieved in particular by subject matter according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and developments of the objects are characterized in the dependent claims and also emerge from the following description and the drawings.
Vorliegend werden Richtungsangaben wie „horizontal“, „transversal“ und „vertikal“ verwendet. Diese Begriffe beziehen sich bevorzugt auf eine solche Anordnung, in der das Messsystem und insbesondere die Strahlung emittierende Vorrichtung im Messsystem für den bestimmungsgemäßen Gebrauch relativ zur Umgebung ausgerichtet sind. Wird das Messsystem beispielsweise in einem Fahrzeug wie einem Straßenfahrzeug verwendet, bezeichnet die horizontale Richtung eine Richtung parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zur Fahrbahnoberfläche. Die transversale Richtung, die senkrecht zur horizontalen Richtung steht, entspricht dann einer Richtung senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Fahrbahnoberfläche. Die Abstrahlrichtung steht bevorzugt senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur transversalen Richtung und zur horizontalen Richtung.In the present case, directional information such as "horizontal", "transversal" and "vertical" is used. These terms preferably relate to such an arrangement in which the measuring system and in particular the radiation-emitting device in the measuring system are aligned relative to the environment for the intended use. If the measuring system is used, for example, in a vehicle such as a road vehicle, the horizontal direction designates a direction parallel or at least essentially parallel to the road surface. The transverse direction, which is perpendicular to the horizontal direction, then corresponds to a direction perpendicular or at least essentially perpendicular to the roadway surface. The direction of emission is preferred perpendicular or substantially perpendicular to the transverse direction and the horizontal direction.
Begriffe wie „senkrecht“ oder „parallel“ können hier und im Folgenden jeweils eine genaue senkrechte oder parallele Anordnung bezeichnen. Weiterhin können senkrechte oder parallele Anordnungen jeweils auch um einen geringen Winkel, der beispielsweise einer Montagetoleranz oder äußeren Umständen geschuldet sein kann und der beispielsweise kleiner oder gleich 10° oder kleiner oder gleich 5° oder kleiner oder gleich 3° oder kleiner oder gleich 1° sein kann, von der jeweils genauen Anordnung abweichen.Terms such as "perpendicular" or "parallel" can denote an exact perpendicular or parallel arrangement here and in the following. Furthermore, vertical or parallel arrangements can each also be at a small angle, which can be due to an assembly tolerance or external circumstances, for example, and which can be less than or equal to 10° or less than or equal to 5° or less than or equal to 3° or less than or equal to 1° may deviate from the exact arrangement in each case.
Hier und im Folgenden kann „Strahlung“ oder „Licht“ insbesondere elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen aus einem ultravioletten bis infraroten Spektralbereich bezeichnen. Insbesondere kann hier und im Folgenden beschriebenes Licht oder beschriebene Strahlung infrarotes Licht oder sichtbares Licht sein und Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aus einem infraroten Spektralbereich zwischen etwa 800 nm und etwa 3 µm oder aus einem sichtbaren Spektralbereich zwischen etwa 350 nm und etwa 800 nm aufweisen oder sein.Here and in the following, “radiation” or “light” can refer in particular to electromagnetic radiation with one or more wavelengths or wavelength ranges from an ultraviolet to infrared spectral range. In particular, the light or radiation described here and below can be infrared light or visible light and have or have wavelengths or wavelength ranges from an infrared spectral range between about 800 nm and about 3 μm or from a visible spectral range between about 350 nm and about 800 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlung emittierende Vorrichtung ist die Strahlung emittierende Vorrichtung auf einer sich in lateralen Richtungen erstreckenden Montageebene angeordnet. Die Strahlung emittierende Vorrichtung ist dazu vorgesehen, elektromagnetischer Strahlung entlang einer Abstrahlrichtung abzustrahlen, wobei die Abstrahlrichtung eine Richtung senkrecht zur Montageebene umfasst. Die Strahlung emittierende Vorrichtung weist zumindest eine Laserlichtquelle auf, und ein der zumindest einen Laserlichtquelle nachgeordnetes nicht-abbildendes Optiksystem. Das Optiksystem umfasst zumindest ein Optikelement. Das Optiksystem ist zur Formung eines Strahlprofils der Strahlung emittierenden Vorrichtung entlang der lateralen Richtungen vorgesehen.In accordance with at least one embodiment of the radiation-emitting device, the radiation-emitting device is arranged on a mounting plane extending in lateral directions. The radiation-emitting device is intended to emit electromagnetic radiation along an emission direction, the emission direction including a direction perpendicular to the mounting plane. The radiation-emitting device has at least one laser light source and a non-imaging optical system arranged downstream of the at least one laser light source. The optical system comprises at least one optical element. The optics system is provided for shaping a beam profile of the radiation-emitting device along the lateral directions.
Die Montageebene besitzt eine Haupterstreckungsebene, wobei die lateralen Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufen. Die lateralen Richtungen können insbesondere die horizontale Richtung und die transversale Richtung umfassen. Beispielsweise kann die Montageebene durch eine Leiterplatte oder Platine (engl.: „printed circuit board“, PCB) gebildet sein. Es können weitere elektronische Bauteile auf der Montageebene angeordnet sein. Insbesondere kann neben der Strahlung emittierenden Vorrichtung auch eine Strahlung detektierende Vorrichtung, d.h. eine Detektoreinheit, auf der Montageebene angeordnet sein.The mounting plane has a main plane of extent, with the lateral directions running parallel to the main plane of extent. The lateral directions can in particular include the horizontal direction and the transverse direction. For example, the mounting level can be formed by a printed circuit board or circuit board (PCB). Further electronic components can be arranged on the assembly level. In particular, in addition to the radiation-emitting device, a radiation-detecting device, i.e. a detector unit, can also be arranged on the mounting plane.
Die Abstrahlrichtung umfasst eine Richtung senkrecht zur Montageebene. Das kann bedeuten, dass die Abstrahlrichtung eine Vielzahl von Richtungen umfasst, wobei die Richtungen zumindest eine Komponente aufweisen, die senkrecht zur Montageebene steht. In anderen Worten kann die Lichtabstrahlung als von der Montageebene aus nach oben, von der Montageebene weg, gerichtet bezeichnet werden.The direction of emission includes a direction perpendicular to the mounting plane. This can mean that the direction of emission comprises a multiplicity of directions, with the directions having at least one component which is perpendicular to the mounting plane. In other words, the light emission can be referred to as being directed upwards from the mounting plane, away from the mounting plane.
Eine Detektoreinheit hat insbesondere ein nach oben gerichtetes Sichtfeld. Vorteilhafterweise strahlt die Strahlung emittierende Vorrichtung die elektromagnetische Strahlung senkrecht zur Montageebene ab, und hat damit ein gleiches oder ähnliches Sichtfeld wie die Detektoreinheit. Die Strahlung emittierende Vorrichtung und die Detektoreinheit können somit auf der gleichen Montageebene angeordnet sein, oder auf zueinander parallel ausgerichteten Montageebenen. Eine Rotation der Montageebene um 90° ist nicht notwendig.In particular, a detector unit has an upwardly directed field of view. Advantageously, the radiation-emitting device emits the electromagnetic radiation perpendicular to the mounting plane and thus has the same or a similar field of view as the detector unit. The radiation-emitting device and the detector unit can thus be arranged on the same assembly plane, or on assembly planes aligned parallel to one another. It is not necessary to rotate the mounting level by 90°.
Die Laserlichtquelle kann auf der Montageebene oder auf einem auf der Montageebene befestigen Trägersubstrat abgeordnet sein. Auf diese Weise können die Montageebene und/oder das Trägersubstrat vorteilhafterweise als Wärmesenke verwendet werden. Dadurch ergibt sich ein niedriger thermischer Widerstand, der wiederum hohe elektrische Ströme erlaubt. Die Laserlichtquelle kann somit mit einer hohen elektrischen Leistung betrieben werden. Außerdem erlaubt diese Anordnung eine Stapelanordnung von Laserdiodenchips.The laser light source can be arranged on the assembly level or on a carrier substrate fastened on the assembly level. In this way, the mounting level and/or the carrier substrate can advantageously be used as a heat sink. This results in a low thermal resistance, which in turn allows high electrical currents. The laser light source can thus be operated with high electrical power. In addition, this arrangement allows a stack arrangement of laser diode chips.
Die Laserlichtquelle weist in einer Ausführungsform zumindest eine Laseremittereinheit auf. Besonders bevorzugt weist die Laserlichtquelle eine Mehrzahl von Laseremittereinheiten auf. Insbesondere weist die Laserlichtquelle zumindest eine Halbleiterlaserdiode auf. Die Halbleiterlaserdiode, die insbesondere als Laserdiodenchip ausgebildet sein kann, ist dazu vorgesehen und eingerichtet, im Betrieb Licht abzustrahlen, das zumindest bei Überschreiten bestimmter Schwellenbedingungen Laserlicht ist. Vereinfachend wird daher im Folgenden davon ausgegangen, dass die Strahlung emittierende Vorrichtung im Betrieb Laserlicht abstrahlt.In one embodiment, the laser light source has at least one laser emitter unit. The laser light source particularly preferably has a plurality of laser emitter units. In particular, the laser light source has at least one semiconductor laser diode. The semiconductor laser diode, which can be embodied in particular as a laser diode chip, is provided and set up to emit light during operation, which is laser light at least when certain threshold conditions are exceeded. For the sake of simplicity, it is therefore assumed below that the radiation-emitting device emits laser light during operation.
Die zumindest eine Halbleiterlaserdiode kann zumindest eine aktive Schicht aufweisen, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, im Betrieb in einem aktiven Bereich Licht zu erzeugen. Die aktive Schicht kann insbesondere Teil einer Halbleiterschichtenfolge mit einer Mehrzahl von Halbleiterschichten sein und eine Haupterstreckungsebene aufweisen, die senkrecht zu einer Anordnungsrichtung der Schichten der Halbleiterschichtenfolge ist. Beispielsweise kann die aktive Schicht genau einen aktiven Bereich aufweisen. Weiterhin kann die Halbleiterlaserdiode auch eine Mehrzahl von aktiven Schichten aufweisen, die innerhalb der Halbleiterschichtenfolge übereinander gestapelt und beispielsweise über Tunnelübergänge miteinander in Serie geschaltet sein können. Die Halbleiterschichten können zumindest stellenweise hochdotiert sein, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Auf diese Weise ist es möglich, die Halbleiterlaserdiode mit einer hohen elektrischen Leistung zu betrieben. Des Weiteren können Halbleiterlaserdioden mit kurzen elektrischen Zuleitungen verwendet werden, wodurch niedrige Induktivitäten erreicht werden.The at least one semiconductor laser diode can have at least one active layer which is designed and provided to generate light in an active region during operation. The active layer can in particular be part of a semiconductor layer sequence with a plurality of semiconductor layers and have a main extension plane which is perpendicular to an arrangement direction of the layers of the semiconductor layer sequence. For example, the active layer can have exactly one active region. Furthermore, the semiconductor laser diode can also have a plurality of active Have layers that are stacked on top of one another within the semiconductor layer sequence and can be connected to one another in series, for example via tunnel junctions. The semiconductor layers can be highly doped at least in places in order to ensure good electrical conductivity. In this way it is possible to operate the semiconductor laser diode with high electrical power. Furthermore, semiconductor laser diodes with short electrical supply lines can be used, as a result of which low inductances can be achieved.
Besonders bevorzugt ist das von der Laserlichtquelle erzeugte Licht langwelliges Licht im infraroten Spektralbereich und weist eine Wellenlänge von größer oder gleich 800 nm oder größer oder gleich 850 nm auf. Weiterhin kann das Licht eine Wellenlänge von kleiner oder gleich 2 µm oder kleiner oder gleich 1,5 µm oder kleiner oder gleich 1 µm aufweisen. Eine bevorzugte Wellenlänge des von der Laserlichtquelle erzeugten Lichts kann bei etwa 940 nm liegen. Für eine langwellige, infrarote Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InxGayAl1-x-yAs oder auf Basis von InxGayAl1-x-yP geeignet, wobei jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt.The light generated by the laser light source is particularly preferably long-wave light in the infrared spectral range and has a wavelength of greater than or equal to 800 nm or greater than or equal to 850 nm. Furthermore, the light can have a wavelength of less than or equal to 2 μm, or less than or equal to 1.5 μm, or less than or equal to 1 μm. A preferred wavelength of the light generated by the laser light source can be around 940 nm. For example, a semiconductor layer sequence or at least one active layer based on In x Ga y Al 1-xy As or based on In x Ga y Al 1-xy P is suitable for long-wave infrared radiation, with 0≦x≦1 in each case, 0 ≤ y ≤ 1 and x + y ≤ 1 holds.
Die Laserlichtquelle kann, muss aber nicht notwendigerweise, Licht in Abstrahlrichtung abstrahlen. Vielmehr kann das der Laserlichtquelle nachgeordnete Optiksystem dazu verwendet werden, das von der Laserlichtquelle abgestrahlte Licht zur Abstrahlrichtung umzulenken und das Strahlprofil zu formen.The laser light source can, but does not necessarily have to, emit light in the emission direction. Rather, the optics system arranged downstream of the laser light source can be used to deflect the light emitted by the laser light source to the direction of emission and to shape the beam profile.
Wenn das Optiksystem mehr als ein Optikelement umfasst, können die Optikelemente bevorzugt voneinander unabhängige optische Effekte in Bezug auf das von der Laserlichtquelle abgestrahlte Licht haben, wobei die Gesamtheit dieser Effekte die gewünschte Abstrahlcharakteristik der Strahlung emittierenden Vorrichtung ergibt. Insbesondere ist die Abstrahlcharakteristik der Strahlung emittierenden Vorrichtung von der Abstrahlcharakteristik der Laserlichtquelle verschieden.If the optics system comprises more than one optics element, the optics elements can preferably have mutually independent optical effects in relation to the light emitted by the laser light source, with the totality of these effects yielding the desired emission characteristics of the radiation-emitting device. In particular, the emission characteristics of the radiation-emitting device differ from the emission characteristics of the laser light source.
Das Optiksystem formt das Strahlprofils der Strahlung emittierenden Vorrichtung entlang der lateralen Richtungen. Das bedeutet insbesondere, dass das Strahlprofil entlang der horizontalen und der transversalen Richtung durch das Optiksystem geformt wird. Vorteilhafterweise ist das Optiksystem in der Strahlung emittierenden Vorrichtung integriert, was eine Kompaktheit des Systems ermöglicht und eine Ausrichtung zu externen optischen Komponenten unnötig macht.The optics system shapes the beam profile of the radiation-emitting device along the lateral directions. In particular, this means that the beam profile is formed by the optical system along the horizontal and transverse directions. Advantageously, the optics system is integrated in the radiation-emitting device, which allows the system to be compact and makes alignment with external optical components unnecessary.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist die Laserlichtquelle als Laserbarren oder Lasermatrix ausgebildet. Wie oben erwähnt kann die Laserlichtquelle eine Mehrzahl von Laseremittereinheiten aufweisen. Das kann beispielsweise bedeuten, dass die Laserlichtquelle eine Mehrzahl von Halbleiterlaserdioden aufweist. Weiterhin kann eine Halbleiterlaserdiode auch eine Mehrzahl von aktiven Bereichen und/oder aktiven Schichten aufweisen, die eine Mehrzahl von Laseremittereinheiten bilden können.In accordance with at least one further embodiment, the laser light source is designed as a laser bar or laser matrix. As mentioned above, the laser light source may have a plurality of laser emitter units. This can mean, for example, that the laser light source has a plurality of semiconductor laser diodes. Furthermore, a semiconductor laser diode can also have a plurality of active regions and/or active layers, which can form a plurality of laser emitter units.
Wenn kantenemittierende Laserdioden verwendet werden, kann die Laserlichtquelle als Laserbarren mit zumindest einer aktiven Schicht mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten aktiven Bereichen und/oder als gestapelte Halbleiterlaserdiode mit einer Mehrzahl von übereinander angeordneten aktiven Schichten ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Laserlichtquelle somit ein eindimensionales Array von Laseremittereinheiten aufweisen. Weist jede aktive Schicht einer Mehrzahl von aktiven Schichten jeweils eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten aktiven Bereichen auf, ist die Halbleiterlaserdiode also als Laserbarren mit gestapelten aktiven Schichten ausgebildet, kann die Laserlichtquelle ein zweidimensionales Array, d.h. Matrix, von Laseremittereinheiten aufweisen.If edge-emitting laser diodes are used, the laser light source can be embodied as a laser bar with at least one active layer with a plurality of active regions arranged next to one another and/or as a stacked semiconductor laser diode with a plurality of active layers arranged one on top of the other. In this case, the laser light source can thus have a one-dimensional array of laser emitter units. If each active layer of a plurality of active layers has a plurality of active regions arranged side by side, i.e. if the semiconductor laser diode is designed as a laser bar with stacked active layers, the laser light source can have a two-dimensional array, i.e. matrix, of laser emitter units.
Wenn vertikal emittierende Laserdioden verwendet werden, kann die Laserlichtquelle mit einer Mehrzahl von Laseremittereinheiten eine Mehrzahl von besonders bevorzugt matrixartig angeordneten aktiven Bereichen in der Halbleiterschichtenfolge aufweisen. In diesem Fall kann die Laserlichtquelle somit ein zweidimensionales Array, d.h. Matrix, von Laseremittereinheiten aufweisen.If vertically emitting laser diodes are used, the laser light source with a plurality of laser emitter units can have a plurality of active regions, particularly preferably arranged in a matrix-like manner, in the semiconductor layer sequence. In this case the laser light source can thus comprise a two-dimensional array, i.e. matrix, of laser emitter units.
Die Laseremittereinheiten innerhalb des Laserbarrens oder der Lasermatrix können je nach Ausgestaltung der Laserlichtquelle, individuell, in Gruppen oder alle gemeinsam ansteuerbar sein. Besonders bevorzugt werden die Laseremittereinheiten im Betrieb alle gemeinsam und damit parallel angesteuert. Die Verwendung eines Laserbarrens oder einer Lasermatrix kann eine gleichmäßige Ausleuchtung der Umgebung ermöglichen. Des Weiteren kann das Licht, das von unterschiedlichen Laseremittereinheiten ausgeht, in unterschiedliche Richtung gelenkt werden. Auf diese Weise können Bereiche, in denen eine hohe Lichtintensität bzw. Reichweite benötigt wird, und Bereiche, in denen eine niedrige Lichtintensität ausreichend ist, z.B. in der Peripherie, unterschiedlich behandelt werden.Depending on the design of the laser light source, the laser emitter units within the laser bar or the laser matrix can be controlled individually, in groups or all together. The laser emitter units are particularly preferably all driven together and therefore in parallel during operation. The use of a laser bar or a laser matrix can enable uniform illumination of the surroundings. Furthermore, the light emanating from different laser emitter units can be directed in different directions. In this way, areas where high light intensity or range is required and areas where low light intensity is sufficient, e.g. in the periphery, can be treated differently.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laserlichtquelle eine kantenemittierende Laserdiode. In wenigstens einer Ausführungsform ist die kantenemittierende Laserdiode auf einem zur Montageebene planparallelen Trägersubstrat angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist die kantenemittierende Laserdiode auf einem zur Montageebene verkippten Trägersubstrat angeordnet.According to at least one further embodiment, the laser light source includes an edge emitting laser diode. In at least one embodiment, the edge-emitting laser diode is arranged on a carrier substrate that is plane-parallel to the mounting plane. In other embodiments, the edge emitting laser diode is on a to Mounting level arranged tilted carrier substrate.
Bei einer kantenemittierende Laserdiode wird das in der zumindest einen aktiven Schicht im Betrieb erzeugte Licht über eine als Facette ausgebildete Seitenfläche abgestrahlt, die senkrecht zur zumindest einen aktiven Schicht ausgebildet sein kann. Kantenemittierende Laserdioden besitzen ein für diese Laserlichtquellen typisches Fernfeld und einen charakteristischen Öffnungswinkel des Strahlprofils. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, durch die Verwendung einer kantenemittierenden Laserdiode ein elliptisch geformtes Strahlprofil im Fernfeld zu erreichen, mit einer für kantenemittierende Laserdioden typischen schmalen „langsamen Achse“.In the case of an edge-emitting laser diode, the light generated in the at least one active layer during operation is emitted via a side face designed as a facet, which can be designed perpendicularly to the at least one active layer. Edge-emitting laser diodes have a far field that is typical for these laser light sources and a characteristic opening angle of the beam profile. In particular, it can be advantageous to use an edge-emitting laser diode to achieve an elliptically shaped beam profile in the far field, with a narrow "slow axis" typical of edge-emitting laser diodes.
Durch das Trägersubstrat ist die Laserlichtquelle, in diesem Fall die kantenemittierende Laserdiode, von der Montageebene beabstandet. Die Montageebene stellt somit für das abgestrahlte Licht der Laserlichtquelle kein optisches Hindernis dar. Im Fall eines zur Montageebene planparallelen Trägersubstrats weist das Trägersubstrat eine Vorder- und Rückseite auf, deren Flächen im Wesentlichen parallel zur Montageebene verlaufen. Die Rückseite des Trägersubstrates ist der Montageebene zugewandt, während die Vorderseite des Trägersubstrats, auf der der Laserdiodenchip befestigt ist, von der Montageebene abgewandt ist. Die kantenemittierende Laserdiode kann so auf dem Trägersubstrat angeordnet sein, dass die zumindest eine aktive Schicht der Laserdiode parallel zur Montageebene ausgerichtet ist, und die Laserdiode somit Licht in eine laterale Richtung abstrahlt. Eine derartige Anordnung weist einen günstigen Wärmewiderstand auf.The laser light source, in this case the edge-emitting laser diode, is spaced apart from the mounting plane by the carrier substrate. The mounting plane thus does not represent an optical obstacle for the emitted light of the laser light source. In the case of a carrier substrate that is plane-parallel to the mounting plane, the carrier substrate has a front and rear side whose surfaces run essentially parallel to the mounting plane. The rear side of the carrier substrate faces the assembly level, while the front side of the carrier substrate, on which the laser diode chip is attached, faces away from the assembly level. The edge-emitting laser diode can be arranged on the carrier substrate in such a way that the at least one active layer of the laser diode is aligned parallel to the mounting plane, and the laser diode thus emits light in a lateral direction. Such an arrangement has a favorable thermal resistance.
Im Fall eines verkippten Trägersubstrats kann die Vorderseite des Trägersubstrats, auf der der Laserdiodenchip befestigt ist und die von der Montageebene abgewandt ist, in einer zur Montageebene schiefen Ebene liegen. Das von der Laserlichtquelle ausgehende Licht kann somit eine Komponente in Abstrahlrichtung aufweisen, was wiederum die Anforderungen an das Optiksystem vermindern kann.In the case of a tilted carrier substrate, the front side of the carrier substrate, on which the laser diode chip is attached and which faces away from the mounting plane, can lie in a plane that is inclined to the mounting plane. The light emanating from the laser light source can thus have a component in the emission direction, which in turn can reduce the demands on the optics system.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Optiksystem ein Licht reflektierendes Optikelement mit zumindest einer Reflektorfläche auf. Das Licht reflektierende Optikelement ist dazu vorgesehen und ausgebildet, das Licht zur Abstrahlrichtung umzulenken und eine schnelle Achse des Strahlprofils entlang einer horizontalen Richtung auszurichten.According to at least one further embodiment, the optical system has a light-reflecting optical element with at least one reflector surface. The light-reflecting optical element is provided and designed to deflect the light to the direction of emission and to align a fast axis of the beam profile along a horizontal direction.
Halbleiterlaserdioden weisen zum Beispiel Abstrahlcharakteristiken auf, die abhängig vom jeweiligen Aufbau und der Beschaffenheit sind. Beispielsweise strahlen kantenemittierende Laserdioden das in einem aktiven Bereich erzeugte Licht in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht mit einem anderen Öffnungswinkel ab als in einer Ebene senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht. Mit anderen Worten können die Öffnungswinkel des Strahlprofils einer Halbleiterlaserdiode in den beiden besagten Ebenen unterschiedlich sein. Die Ebene beziehungsweise Richtung, in der das Strahlprofil den größten Öffnungswinkel aufweist, wird auch als schnelle Achse („fast axis“) bezeichnet, während die Ebene beziehungsweise Richtung, in der das Strahlprofil den kleinsten Öffnungswinkel aufweist, als langsame Achse („slow axis“) bezeichnet wird.Semiconductor laser diodes, for example, have emission characteristics that depend on the respective structure and condition. For example, edge-emitting laser diodes emit the light generated in an active region in a plane parallel to the main plane of extension of the active layer with a different opening angle than in a plane perpendicular to the main plane of extension of the active layer. In other words, the opening angles of the beam profile of a semiconductor laser diode can be different in the two said planes. The plane or direction in which the beam profile has the largest opening angle is also referred to as the fast axis (“fast axis”), while the plane or direction in which the beam profile has the smallest opening angle is called the slow axis (“slow axis”). ) referred to as.
Bevorzugt ist die Laserlichtquelle in der Strahlung emittierenden Vorrichtung zum Licht reflektierenden Optikelement so justiert, dass das von der Laserlichtquelle abgestrahlte Licht zur Abstrahlrichtung umgelenkt wird, wobei dadurch die schnelle Achse des Strahlprofils entlang der horizontalen Richtung ausgerichtet wird.The laser light source in the radiation-emitting device is preferably adjusted to the light-reflecting optical element such that the light emitted by the laser light source is deflected towards the emission direction, the fast axis of the beam profile thereby being aligned along the horizontal direction.
Das Licht reflektierende Optikelement kann mehr als eine Reflektorfläche aufweisen. Beispielsweise können jeweils unterschiedliche Laseremittereinheiten Licht auf verschiedene Reflektorflächen abstrahlen und somit unterschiedliche Winkelbereiche der Umgebung ausleuchten. Die zumindest eine Reflektorfläche des Licht reflektierenden Optikelements kann beispielsweise eine metallbeschichtete Fläche sein. Die zumindest eine Reflektorfläche ist gegenüber der Montageebene verkippt.The light-reflecting optical element can have more than one reflector surface. For example, different laser emitter units can emit light onto different reflector surfaces and thus illuminate different angular areas of the environment. The at least one reflector surface of the light-reflecting optical element can be a metal-coated surface, for example. The at least one reflector surface is tilted relative to the mounting plane.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist die Reflektorfläche des Licht reflektierenden Optikelements als gekrümmte Reflektorfläche ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Reflektorfläche als facettierte Reflektorfläche ausgebildet sein.In accordance with at least one further embodiment, the reflector surface of the light-reflecting optical element is designed as a curved reflector surface. Alternatively or additionally, the reflector surface can be designed as a faceted reflector surface.
Im Fall einer gekrümmten Reflektorfläche kann eine Krümmung in einer horizontalen Aufsicht oder in einer transversalen Aufsicht vorliegen. Alternativ kann eine Krümmung entlang beider Richtungen verlaufen. Insbesondere kann entlang der horizontalen Richtung die Krümmung der Reflektorfläche durch eine konkave Funktion definiert sein. Eine dergestalte Krümmung der Reflektorfläche bewirkt eine Aufspreizung des auf die Reflektorfläche einfallenden Lichts in horizontaler Richtung.In the case of a curved reflector surface, there can be a curvature in a horizontal plan view or in a transverse plan view. Alternatively, a curve can run along both directions. In particular, the curvature of the reflector surface can be defined by a concave function along the horizontal direction. Such a curvature of the reflector surface causes the light incident on the reflector surface to be spread out in the horizontal direction.
Im Fall einer facettierten Reflektorfläche kann die Reflektorfläche Wölbungen aufweisen, durch die einfallendes Licht in unterschiedliche Richtungen abgelenkt und/oder aufgeweitet wird. Durch eine gekrümmte und/oder facettierte Reflektorfläche des Optiksystems können die optischen Anforderungen anderer Optikelemente des Optiksystems reduziert, oder andere Optikelemente ganz überflüssig werden. Dadurch können Herstellungskosten verringert und eine Kompaktheit des Systems vergrößert werden. Des Weiteren verringern sich die Anforderungen einer Ausrichtung der Optikelemente zueinander, je weniger Optikelemente das Optiksystem aufweist.In the case of a faceted reflector surface, the reflector surface can have bulges, through which incident light is deflected and/or widened in different directions. A curved and/or faceted reflector surface of the optical system can reduce the optical requirements of other optical elements of the optical system decorated, or other optical elements become completely superfluous. Thereby manufacturing costs can be reduced and a compactness of the system can be increased. Furthermore, the requirements for an alignment of the optical elements to one another are reduced the fewer optical elements the optical system has.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Optiksystem ein Licht kollimierendes Optikelement auf. Das Licht kollimierendes Optikelement ist dazu vorgesehen und ausgebildet, eine Kollimierung des Lichts entlang einer transversalen Richtung zu bewirken. Das kann insbesondere bedeuten, dass das Licht kollimierende Optikelement den Öffnungswinkel des von der Laserlichtquelle abgestrahlten Lichts in transversaler Richtung so verändert, dass der ausgeleuchtete Winkelbereich kleiner ist als der Öffnungswinkel des Strahlprofils der Laserlichtquelle entlang der langsamen Achse. Vorteilhafterweise wird die Umgebung effektiv ausgeleuchtet, insbesondere in transversaler Richtung.In accordance with at least one further embodiment, the optics system has a light-collimating optics element. The light-collimating optical element is provided and designed to cause the light to be collimated along a transverse direction. This can mean in particular that the light-collimating optical element changes the opening angle of the light emitted by the laser light source in the transverse direction in such a way that the illuminated angular range is smaller than the opening angle of the beam profile of the laser light source along the slow axis. The surroundings are advantageously illuminated effectively, in particular in the transverse direction.
Das Licht kollimierende Optikelement kann einen Linsenkörper aufweisen. Ein solcher Linsenkörper kann auch als Bulk-Linse bezeichnet werden. Insbesondere kann das Licht kollimierende Optikelement eine makroskopische Linsenfläche aufweisen oder dadurch gebildet sein. Das Licht kollimierende Optikelement kann beispielsweise eine konvexe Linsenfläche, insbesondere eine zylinderlinsenartigen Linsenfläche, aufweisen oder dadurch gebildet sein. „Zylinderlinsenartig“ kann hier und im Folgenden insbesondere bedeuten, dass die Form eines Schnitts durch eine Oberfläche des Optikelements zumindest abschnittsweise als Kegelschnitt, als Konik, als Asphäre, als Polynom oder als Kombination dieser beschreibbar ist. Das Licht kollimierende Optikelement kann als Fresnellinse ausgebildet sein, was zu einem kompakteren Optikelement führt.The light-collimating optical element can have a lens body. Such a lens body can also be referred to as a bulk lens. In particular, the light-collimating optical element can have a macroscopic lens surface or be formed by it. The light-collimating optical element can have, for example, a convex lens surface, in particular a cylindrical lens-like lens surface, or be formed thereby. "Cylindrical lens-like" can mean here and in the following in particular that the shape of a section through a surface of the optical element can be described at least in sections as a conic section, as a taper, as an asphere, as a polynomial or as a combination of these. The optical element collimating the light can be designed as a Fresnel lens, which leads to a more compact optical element.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Optiksystem ein Licht divergierendes Optikelement auf. Das Licht divergierendes Optikelement ist dazu vorgesehen und ausgebildet, eine Aufspreizung des Lichts entlang der horizontalen Richtung zu bewirken. Das kann insbesondere bedeuten, dass das Licht divergierende Optikelement in der horizontalen Richtung den Öffnungswinkel des von der Laserlichtquelle abgestrahlten Lichts, also bevorzugt den Öffnungswinkel der schnellen Achse, so verändert, dass ein gewünschter Winkelbereich in horizontaler Richtung ausgeleuchtet wird. Bevorzugt bewirkt die horizontale Aufspreizung eine möglichst gleichförmige winkelabhängige Abstrahlintensität in einem gewünschten Winkelbereich, der besonders bevorzugt insbesondere größer als der Öffnungswinkel des Strahlprofils der Laserlichtquelle entlang der schnellen Achse ist. Insbesondere ist die horizontale Aufspreizung bevorzugt symmetrisch. Das kann insbesondere bedeuten, dass die winkelabhängige Abstrahlintensitätsverteilung in horizontaler Richtung symmetrisch nach links und rechts ist. Auch in horizontaler Richtung wird die Umgebung somit effektiv ausgeleuchtet.In accordance with at least one further embodiment, the optics system has a light-diverging optics element. The light-diverging optics element is provided and designed to spread the light along the horizontal direction. This can mean in particular that the light-diverging optics element changes the opening angle of the light emitted by the laser light source in the horizontal direction, i.e. preferably the opening angle of the fast axis, in such a way that a desired angular range is illuminated in the horizontal direction. The horizontal spread preferably causes an angle-dependent emission intensity that is as uniform as possible in a desired angular range, which is particularly preferably larger than the opening angle of the beam profile of the laser light source along the fast axis. In particular, the horizontal spread is preferably symmetrical. In particular, this can mean that the angle-dependent emission intensity distribution is symmetrical to the left and right in the horizontal direction. The surroundings are also effectively illuminated in the horizontal direction.
Das Licht divergierende Optikelement kann eine makroskopische Linsenfläche aufweisen oder dadurch gebildet sein. Das Licht divergierende Optikelement kann beispielsweise eine konkave Linsenfläche, insbesondere eine zylinderlinsenartigen Linsenfläche, aufweisen oder dadurch gebildet sein. Das Licht divergierende Optikelement kann auch als Fresnellinse ausgebildet sein, was zu einem kompakteren Optikelement führt.The light-diverging optical element can have or be formed by a macroscopic lens surface. The light-diverging optical element can have, for example, a concave lens surface, in particular a cylindrical lens-like lens surface, or be formed thereby. The light-diverging optical element can also be designed as a Fresnel lens, which leads to a more compact optical element.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist das Licht divergierende Optikelement des Optiksystems als Mikrolinsenarray ausgebildet, welches eine Mehrzahl von Mikrolinsen aufweist. Die Mikrolinsen weisen eine Dimension auf, die derart klein ist, dass das Licht der Laserlichtquelle und insbesondere das Licht jeder Laseremittereinheit auf mehrere Mikrolinsen fällt. Die Mikrolinsen werden bevorzugt durch sich eindimensional in eine Richtung erstreckende Strukturen gebildet. Mit anderen Worten kann jede der Mikrolinsen durch eine Zylinderlinse gebildet werden. Als Zylinderlinsen können hier und im Folgenden Strukturen bezeichnet werden, die wie weiter oben beschrieben zylinderlinsenartig ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine Zylinderlinse eine Linsenfläche aufweisen, die einer entlang einer Richtung extrudierten Form entspricht, wobei die Linsenfläche einem Teil einer Mantelfläche eines Zylinders mit runder und/oder eckiger Grundfläche entsprechen kann. Eine „entlang einer Richtung extrudierte Form“ bezieht sich insbesondere auf eine geometrische Beschreibung der Form und ist nicht beschränkend in Bezug auf das Herstellungsverfahren zu verstehen. Insbesondere kann sich eine solche Form entlang eines Extrusionspfads, auch als Extrusionsrichtung bezeichenbar, erstrecken, dessen Richtungsvektor um maximal 30° oder maximal 20° oder maximal 10° von der Symmetrieebene abweicht. Die Verwendung eines Mikrolinsenarrays ermöglicht die kompakte Implementierung des Licht divergierenden Optikelements.According to at least one further embodiment, the light-diverging optics element of the optics system is designed as a microlens array, which has a plurality of microlenses. The microlenses have a dimension that is so small that the light from the laser light source and in particular the light from each laser emitter unit falls on a plurality of microlenses. The microlenses are preferably formed by structures extending one-dimensionally in one direction. In other words, each of the micro lenses can be formed by a cylindrical lens. Here and in the following, structures can be referred to as cylindrical lenses which are designed in the manner of a cylindrical lens as described further above. For example, a cylindrical lens can have a lens surface that corresponds to a shape extruded along one direction, wherein the lens surface can correspond to part of a lateral surface of a cylinder with a round and/or angular base. A “shape extruded along a direction” specifically refers to a geometric description of the shape and is not meant to be limiting in terms of the manufacturing process. In particular, such a shape can extend along an extrusion path, also referred to as an extrusion direction, whose direction vector deviates from the plane of symmetry by a maximum of 30° or a maximum of 20° or a maximum of 10°. The use of a microlens array enables the compact implementation of the light diverging optical element.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform sind zumindest zwei Optikelemente des Optiksystems einstückig ausgebildet. Das kann insbesondere bedeuten, dass das Licht reflektierende und das Licht kollimierende Optikelement einstückig ausgebildet sein können. Alternativ können das Licht reflektierende und das Licht divergierende Optikelement einstückig ausgebildet sein. Alternativ können das Licht divergierende und das Licht kollimierende Optikelement einstückig ausgebildet sein. In diesem Fall können die beiden Optikelemente einen gemeinsamer Linsenkörper aufweisen, dessen eine Linsenfläche das Licht kollimierende Optikelement und dessen andere Linsenfläche das Licht divergierende Optikelement bildet. Es kann auch sein, dass das Licht reflektierende, das Licht divergierende und das Licht kollimierende Optikelement einstückig ausgebildet sind.In accordance with at least one further embodiment, at least two optical elements of the optical system are formed in one piece. This can mean in particular that the light-reflecting and the light-collimating optical element can be designed in one piece. Alternatively, the light-reflecting and the light-diverging optical element can be formed in one piece. Alternatively, the light-diverging and the light-collimating optical element can be formed in one piece. In this case, the two optical elements can have a common lens body, one of which lenses surface forms the light-collimating optical element and whose other lens surface forms the light-diverging optical element. It can also be the case that the optical element reflecting the light, diverging the light and collimating the light are formed in one piece.
Eine einstückige Ausbildung kann insbesondere bedeuten, dass einstückig ausgebildete Elemente gemeinsam durch eine einzige Komponente gebildet werden. Eine solche einstückige Komponente kann durch ein einzelnes Bauteil gebildet werden. Beispielsweise können einstückig ausgebildete Optikelemente durch unterschiedliche Oberflächen eines solchen Bauteils gebildet werden. Weiterhin kann eine einstückige Komponente durch fest miteinander verbundene, zuvor separat hergestellte Bauteile, beispielsweise verschmolzene oder verklebte Bauteile, gebildet werden. Eine einstückige Ausführung führt zur Verringerung von optischen Verlusten, da die Anzahl der Oberflächen und damit Fresnel-Reflexionsverluste reduziert werden. Des Weiteren werden durch die einstückige Ausführung optische Anordnungsschwierigkeiten umgangen.A one-piece design can in particular mean that elements designed in one piece are formed together by a single component. Such a one-piece component can be formed by a single component. For example, optical elements designed in one piece can be formed by different surfaces of such a component. Furthermore, a one-piece component can be formed by components that are firmly connected to one another and previously produced separately, for example components that are fused or glued together. A one-piece design leads to a reduction in optical losses, since the number of surfaces and thus Fresnel reflection losses are reduced. Furthermore, optical arrangement difficulties are avoided by the one-piece design.
Alternativ können die Optikelemente des Optiksystems getrennt voneinander ausgebildet und in der Strahlung emittierenden Vorrichtung montiert sein. Mit anderen Worten können die Optikelemente auch als separate Komponenten ausgebildet sein, die zueinander passend angeordnet werden. Die Fabrikation separater Komponenten kann im Vergleich zur einstückigen Ausführung leichter zu realisieren sein.Alternatively, the optical elements of the optical system can be designed separately from one another and mounted in the radiation-emitting device. In other words, the optical elements can also be designed as separate components that are arranged to match one another. Fabrication of separate components may be easier to implement compared to a one-piece design.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die Strahlung emittierende Vorrichtung weiterhin einen Gehäusekörper auf. Der Gehäusekörper umschließt mit zumindest einem Optikelement des Optiksystems und mit der Montageebene einen hermetisch dichten Innenraum, in dem die Laserlichtquelle angeordnet ist. Das kann insbesondere bedeuten, dass je nach Ausbildung der Laserlichtquelle eine Halbleiterlaserdiode oder eine Mehrzahl von Halbleiterlaserdioden im Gehäusekörper angeordnet und besonders bevorzugt elektrisch angeschlossen ist.In accordance with at least one further embodiment, the radiation-emitting device also has a housing body. The housing body, with at least one optical element of the optical system and with the mounting plane, encloses a hermetically sealed interior space in which the laser light source is arranged. This can mean in particular that, depending on the design of the laser light source, a semiconductor laser diode or a plurality of semiconductor laser diodes is arranged in the housing body and particularly preferably electrically connected.
Ein Optikelement, mehrere Optikelemente oder alle Optikelemente des Optiksystems können in oder am Gehäusekörper angeordnet und insbesondere montiert sein, beispielsweise durch verkleben. Sind alle Optikelement des Optiksystems in oder am Gehäusekörper angeordnet, kann eine große Kompaktheit der Strahlung emittierenden Vorrichtung erreicht werden. Die Integration der optischen Funktion in einen Gehäusekörper führt zur Miniaturisierung und reduziert gleichzeitig die Anzahl der Flächen, was ferner Fresnel-Reflexionsverluste reduziert. Besonders bevorzugt kann zumindest ein Optikelement des Optiksystems mit dem Gehäusekörper und der Montageebene einen hermetisch dichten Innenraum umschließen, in dem zumindest die Laserlichtquelle angeordnet ist. „Hermetisch dicht“ kann hier und im Folgenden insbesondere bedeuten, dass schädigende Substanzen oder andere schädigenden Einflüsse aus der Umgebung nicht in einem solchen Maß in den Innenraum gelangen können, dass dadurch beispielsweise im Laufe einer üblichen zu erwartenden oder spezifizierten Lebensdauer ein schädigender Effekt hervorgerufen wird. Weiterhin kann ein Optikelement des Optiksystems eine Austrittsflache der Strahlung emittierenden Vorrichtung bilden, durch das das Licht in die Umgebung abgestrahlt wird.An optics element, several optics elements or all optics elements of the optics system can be arranged in or on the housing body and in particular mounted, for example by gluing. If all optical elements of the optical system are arranged in or on the housing body, the radiation-emitting device can be very compact. The integration of the optical function in a housing body leads to miniaturization and at the same time reduces the number of surfaces, which further reduces Fresnel reflection losses. Particularly preferably, at least one optical element of the optical system with the housing body and the mounting plane can enclose a hermetically sealed interior space in which at least the laser light source is arranged. Here and in the following, "hermetically sealed" can mean in particular that harmful substances or other harmful influences from the environment cannot get into the interior to such an extent that a damaging effect is caused, for example, in the course of a normal expected or specified service life . Furthermore, an optical element of the optical system can form an exit surface of the radiation-emitting device, through which the light is emitted into the environment.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laserlichtquelle zumindest eine auf der Montageebene angeordnete vertikal emittierende Laserdiode mit horizontaler Kavität. Die vertikal emittierende Laserdiode mit horizontaler Kavität koppelt im Betrieb das in der Kavität generierte Licht über eine integrierte Spiegelschicht zur Abstrahlrichtung aus.In accordance with at least one further embodiment, the laser light source comprises at least one vertically emitting laser diode with a horizontal cavity which is arranged on the mounting plane. During operation, the vertically emitting laser diode with a horizontal cavity couples the light generated in the cavity to the emission direction via an integrated mirror layer.
Eine vertikal emittierende Laserdiode mit horizontaler Kavität kann im Folgenden auch als HCSEL („Horizontal Cavity surface emitting Laser“) bezeichnet werden. Bei einer vertikal emittierenden Laserdiode mit horizontaler Kavität beziehen sich die Bezeichnungen „horizontal“ und „vertikal“ allein auf die Halbleiterlaserdiode und nicht auf die in Verbindung mit der Strahlung emittierenden Vorrichtung definierten Richtungen. Indes kann die Ausrichtung der Kavität entlang der lateralen Richtungen erfolgen, d.h. die Kavität kann entlang der horizontalen und/oder transversalen Richtung ausgerichtet sein. Die vertikale Lichtemission der Laserdiode fällt dann mit der Abstrahlrichtung der Strahlung emittierenden Vorrichtung zusammen.A vertically emitting laser diode with a horizontal cavity can also be referred to below as an HCSEL (“Horizontal Cavity Surface Emitting Laser”). In a horizontal cavity vertical emitting laser diode, the terms "horizontal" and "vertical" refer solely to the semiconductor laser diode and not to the directions defined in connection with the radiation emitting device. However, the orientation of the cavity can be along the lateral directions, i.e. the cavity can be oriented along the horizontal and/or transverse direction. The vertical light emission of the laser diode then coincides with the emission direction of the radiation-emitting device.
Eine vertikal emittierende Laserdiode mit horizontaler Kavität basiert auf dem Aufbau einer kantenemittierenden Laserdiode, bei der durch Gräben in der Halbleiterschichtenfolge zumindest eine Facette ausgebildet wird, über die im Betrieb Licht parallel zur aktiven Schicht abgestrahlt werden kann. Die der zumindest einen Facette gegenüber liegende, durch die Gräben erzeugte Fläche der Halbleiterschichtenfolge ist beispielsweise in einem Winkel von 45° geneigt und reflektierend ausgebildet, so dass das auf diese von den Facette abgestrahlte Licht in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht stehende Richtung abgestrahlt wird.A vertically emitting laser diode with a horizontal cavity is based on the construction of an edge emitting laser diode in which at least one facet is formed by trenches in the semiconductor layer sequence, via which light can be emitted parallel to the active layer during operation. The surface of the semiconductor layer sequence opposite the at least one facet and produced by the trenches is inclined at an angle of 45°, for example, and is reflective, so that the light emitted by the facet onto this surface is emitted in a direction perpendicular to the main plane of extension of the active layer becomes.
Zur Herstellung einer solchen Laserlichtquelle können nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge Teile dieser beispielsweise durch Ätzen in monolithisch integrierte Umlenkelemente mit einer Reflektorfläche strukturiert werden. Den Reflektorflächen gegenüberliegend werden die Lichtauskoppelflächen ausgebildet, so dass im Betrieb Licht, das von den Lichtauskoppelflächen emittiert wird, auf die Reflektorflächen gestrahlt wird. Die Reflektorflächen können bevorzugt mit einer reflektierenden Beschichtung, beispielsweise einer Metallbeschichtung oder einer Bragg-Spiegel-Schichtenfolge, beschichtet werden. Die so hergestellten Umlenkelemente können beispielsweise als gerade Prismen mit einer ebenen Reflektorfläche oder als gekrümmte Prismen mit einer gekrümmten Reflektorfläche, die beispielsweise zur Erzeugung eines zirkularen Lichtflecks dienen kann, ausgebildet werden.In order to produce such a laser light source, parts of the semiconductor layer sequence can be integrated into monolithically integrated deflection elements after the growth thereof, for example by etching be structured with a reflector surface. The light output surfaces are formed opposite the reflector surfaces, so that during operation light emitted by the light output surfaces is radiated onto the reflector surfaces. The reflector surfaces can preferably be coated with a reflective coating, for example a metal coating or a Bragg mirror layer sequence. The deflection elements produced in this way can be designed, for example, as straight prisms with a flat reflector surface or as curved prisms with a curved reflector surface, which can be used, for example, to generate a circular light spot.
Alternativ kann die vertikal emittierende Laserdiode beispielsweise auch Reflektorflächen aufweisen, die über Totalreflexion das in der aktiven Schicht im Betrieb erzeugte Licht vor dem Austritt aus der Halbleiterschichtenfolge in eine Richtung senkrecht zur Resonatorrichtung umlenken. Ausbildungsformen für derartige Laserdioden sind in den Druckschriften
Durch die Verwendung einer vertikal emittierenden Laserdiode sind kein externer Spiegel und keine Umlenkung des von der Laserdiode emittierten Laserlichts erforderlich. Das bedeutet, dass weniger diskrete Bauteile vorliegen, die zueinander ausgerichtet werden müssen. Das wiederum reduziert die Herstellungskosten. Des Weiteren kann somit die Strahlung emittierende Vorrichtung größenmäßig reduziert werden. Wenn mehrere vertikal emittierenden Laserdioden verwendet werden oder die vertikal emittierende Laserdiode aus einer Mehrzahl von Laseremittereinheiten besteht, können diese eine gemeinsame Anode aufweisen. Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung einer vertikal emittierenden Laserdiode die Abstrahlcharakteristik einer kantenemittierender Laserdiode beibehalten werden, wodurch sich im Fernfeld eine schmale langsame Achse des Strahlprofils ausbildet, als dies unter Verwendung einer VCSEL-Diode der Fall wäre. Das wiederum führt zu reduzierten Anforderungen an das verwendete Optiksystem.By using a vertically emitting laser diode, no external mirror and no deflection of the laser light emitted by the laser diode are required. This means there are fewer discrete components that need to be aligned with one another. This in turn reduces the manufacturing costs. Furthermore, the radiation-emitting device can thus be reduced in size. If a plurality of vertically emitting laser diodes are used or the vertically emitting laser diode consists of a plurality of laser emitter units, these can have a common anode. Advantageously, the emission characteristics of an edge-emitting laser diode can be retained through the use of a vertically emitting laser diode, as a result of which a narrow, slow axis of the beam profile is formed in the far field than would be the case using a VCSEL diode. This in turn leads to reduced demands on the optical system used.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die zumindest eine vertikal emittierende Laserdiode mit horizontaler Kavität eine Mehrzahl von Emissionsbereichen auf, ausgehend von denen Licht entlang der Abstrahlrichtung ausgekoppelt wird.In accordance with at least one further embodiment, the at least one vertically emitting laser diode with a horizontal cavity has a plurality of emission regions, starting from which light is coupled out along the emission direction.
Wie oben beschrieben, werden die Emissionsbereiche durch Gräben in der Halbleiterschichtenfolge gebildet. Hierbei wird eine Mehrzahl von Facetten ausgebildet, und eine der jeweiligen Facette gegenüberliegende geneigte Fläche. Die gegenüberliegende geneigte Fläche reflektiert das von der jeweiligen Facette abgestrahlte Licht in eine Richtung, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht steht. Die Emissionbereiche können in einer Linie angeordnet sein und voneinander in einem definierten Abstand entfernt sein. Beispielsweise befindet sich jeweils ein Emissionsbereich an gegenüberliegenden Enden des Laserdiodenchips. Vorteilhafterweise ergibt sich durch die Mehrzahl von Emissionsbereichen eine bessere Ausleuchtung des Optiksystem und damit der Umgebung. Durch die Verteilung des abgestrahlten Lichts auf mehrere Emissionsbereiche wird ferner Verschleiß reduziert. Insbesondere kann eine hohe Intensität der Strahlung und/oder eine lange Betriebsdauer ein Schmelzen der aktiven Schicht am Emissionsbereich begünstigen. Das Schmelzen wird regelmäßig als COD („Catastrophic Optical Damage“) bezeichnet. Der COD Pegel wird durch die Verteilung auf mehrere Emissionsbereiche reduziert. Außerdem führt die Verwendung mehrerer Emissionsbereiche zu einer höheren Homogenität an den äußeren Rändern des Sichtfeldes, auch genannt FoV (engl: „Field of View“) der Strahlung emittierenden Vorrichtung. Dies ist möglich durch eine Überlagerung zweier oder mehrerer Strahlenbündel desselben Laserdiodenchips.As described above, the emission regions are formed by trenches in the semiconductor layer sequence. Here, a plurality of facets are formed, and an inclined surface opposed to each facet. The opposite inclined surface reflects the light emitted by the respective facet in a direction that is perpendicular to the main plane of extension of the active layer. The emission areas can be arranged in a line and separated from each other by a defined distance. For example, there is in each case an emission region at opposite ends of the laser diode chip. Advantageously, the plurality of emission areas results in better illumination of the optics system and thus of the surroundings. Wear is also reduced by distributing the emitted light over a number of emission areas. In particular, a high intensity of the radiation and/or a long operating time can promote melting of the active layer in the emission area. Melting is regularly referred to as COD (Catastrophic Optical Damage). The COD level is reduced by the distribution over several emission areas. In addition, the use of multiple emission regions leads to higher homogeneity at the outer edges of the field of view, also called FoV (Engl: "Field of View") of the radiation-emitting device. This is possible by superimposing two or more beams of rays from the same laser diode chip.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die zumindest eine vertikal emittierende Laserdiode eine Mehrzahl horizontaler Kavitäten auf, die um einen zentralen Emissionsbereich paarweise gegenüberliegend angeordnet sind. Das kann bedeuten, dass in jeder der sich gegenüberliegenden Kavitäten Laserlicht generiert wird, welches über einen gemeinsamen zentralen Emissionsbereich emittiert wird. Die horizontalen Kavitäten und der Emissionsbereich sind in der lateralen Ebene angeordnet. Beispielsweise kann eine vertikal emittierende Laserdiode zwei sich gegenüberliegende horizontale Kavitäten aufweisen, und einen zwischen den Kavitäten liegenden Emissionsbereich. Es ist auch möglich, dass mehrere horizontale Kavitäten sternförmig um einen zentralen Emissionsbereich angeordnet sind.In accordance with at least one further embodiment, the at least one vertically emitting laser diode has a plurality of horizontal cavities which are arranged in pairs opposite one another around a central emission region. This can mean that laser light is generated in each of the opposing cavities, which laser light is emitted via a common central emission area. The horizontal cavities and the emission area are arranged in the lateral plane. For example, a vertically emitting laser diode can have two opposite horizontal cavities and an emission region located between the cavities. It is also possible for several horizontal cavities to be arranged in a star shape around a central emission area.
Eine vertikal emittierende Laserdiode mit einer Mehrzahl horizontaler Kavitäten kann auch als Verbindung mehrere HCSEL-Dioden aufgefasst werden, die sich einen Emissionsbereich teilen. Mit anderen Worten werden durch diese Anordnung zwei oder mehr HCSEL-Dioden miteinander verbunden. Auf diese Weise kann eine hohe Leistung des Laserlichts erzielt und ein kompakter Laserdiodenchip realisiert werden. Aufgrund des im Vergleich zum gesamten Laserdiodenchip kleinen Emissionsbereichs kann eine kleine Etendue erreicht werden, d.h. die Ausdehnung eines von der Laserdiode abgestrahlten Strahlenbündels kann gering sein. Insbesondere kann im Fall sternförmig angeordneter horizontaler Kavitäten der vom Emissionsbereich abgestrahlte Lichtkegel symmetrisch sein und sich damit vom typischen Strahlprofil eines kantenemittierenden Emitters unterscheiden.A vertically emitting laser diode with a plurality of horizontal cavities can also be understood as a connection of several HCSEL diodes that share an emission area. In other words, this arrangement connects two or more HCSEL diodes together. In this way, a high power of the laser light can be achieved and a compact laser diode chip can be realized. Because the emission area is small compared to the entire laser diode chip, a small etendue can be achieved, ie the extent of a radiated beam can be small. In particular, in the case of horizontal cavities arranged in a star shape, the light cone emitted by the emission area can be symmetrical and thus differ from the typical beam profile of an edge-emitting emitter.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist jeder der zumindest einen vertikal emittierenden Laserdiode ein weiteres Optikelement zugeordnet ist. Das weitere Optikelement ist dazu vorgesehen und ausgebildet, das von der jeweiligen Laserdiode zur Abstrahlrichtung ausgekoppelte Licht entlang der horizontalen Richtung umzulenken.According to at least one further embodiment, each of the at least one vertically emitting laser diode is assigned a further optical element. The additional optical element is provided and designed to deflect the light coupled out from the respective laser diode to the direction of emission along the horizontal direction.
Das kann bedeuten, dass an dem zumindest einen Emissionsbereich einer vertikal emittierenden Laserdiode ein weiteres Optikelement angeordnet ist. Das weitere Optikelement kann in Abstrahlrichtung auf oder über dem jeweiligen Emissionsbereich angeordnet sein. Das weitere Optikelement kann direkt auf dem Laserdiodenchip angebracht sein, wodurch eine Ausrichtung des weiteren Optikelements in der Strahlung emittierenden Vorrichtung vermieden wird. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem weiteren Optikelement um ein refraktives Optikelement. Alternativ kann das weitere Optikelement auch diffraktiv oder phasenmodulierend sein. Wenn eine Mehrzahl von Laserdiodenchips verwendet wird, kann durch die weiteren Optikelemente insbesondere erreicht werden, dass die von den Laserdiodenchips abgestrahlten Lichtkegel in unterschiedliche Richtungen umgelenkt werden. Auf diese Weise können das Optiksystem und die Umgebung effektiv ausgeleuchtet werden.This can mean that a further optical element is arranged on the at least one emission region of a vertically emitting laser diode. The further optical element can be arranged in the emission direction on or above the respective emission area. The further optics element can be mounted directly on the laser diode chip, thereby avoiding an alignment of the further optics element in the radiation-emitting device. In one embodiment, the further optical element is a refractive optical element. Alternatively, the additional optical element can also be diffractive or phase-modulating. If a plurality of laser diode chips is used, the additional optical elements can in particular ensure that the light cones emitted by the laser diode chips are deflected in different directions. In this way, the optical system and the environment can be effectively illuminated.
Insbesondere können in dieser Ausführungsform individuell adressier- und steuerbare Laserdiodenchips verwendet werden, die sequentielle Lichtblitze abstrahlen. Die Laserdiodenchips können individuell oder in Gruppen angesteuert werden. Jeder Laserdiodenchip oder jede Gruppe von Laserdiodenchips kann einen anderen Bereich im Fernfeld ausleuchten, wobei das Strahlprofil im Fernfeld durch das Optiksystem optimiert wird. Insbesondere kann das Optiksystem dergestalt sein, dass für unterschiedliche Bereiche des Fernfeldes unterschiedliche Strahlmuster generiert werden, d.h. dass das Strahlprofil für jeden der ausgeleuchteten Bereiche im Fernfeld unterschiedlich sein kann.In particular, individually addressable and controllable laser diode chips that emit sequential light flashes can be used in this embodiment. The laser diode chips can be controlled individually or in groups. Each laser diode chip or group of laser diode chips can illuminate a different area in the far field, with the beam profile in the far field being optimized by the optics system. In particular, the optical system can be such that different beam patterns are generated for different areas of the far field, i.e. the beam profile can be different for each of the illuminated areas in the far field.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist das weitere Optikelement ein Prisma. Alternativ kann das weitere Optikelement ein Beugungsgitter, ein photonischer Kristall, oder eine integrierte Phasenmodulationsstruktur sein. Mithilfe eines Prismas, eines Beugungsgitters, eines photonischen Kristalls, oder eine integrierten Phasenmodulationsstruktur können die von einem Laserdiodenchip abgestrahlten Strahlbündel modelliert und in unterschiedliche Richtungen umgelenkt werden.According to at least one further embodiment, the further optical element is a prism. Alternatively, the further optical element can be a diffraction grating, a photonic crystal, or an integrated phase modulation structure. With the help of a prism, a diffraction grating, a photonic crystal, or an integrated phase modulation structure, the beam of rays emitted by a laser diode chip can be modeled and deflected in different directions.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst die zumindest eine Laserlichtquelle eine auf der Montageebene angeordnete oberflächenemittierende Laserdiode mit vertikaler Kavität. Im Betrieb koppelt die oberflächenemittierende Laserdiode mit vertikaler Kavität das in der Kavität generierte Licht zur Abstrahlrichtung aus.According to at least one further embodiment, the at least one laser light source comprises a vertical cavity surface-emitting laser diode arranged on the mounting plane. During operation, the surface-emitting laser diode with a vertical cavity couples the light generated in the cavity to the emission direction.
Eine vertikal emittierende Laserdiode mit vertikaler Kavität kann auch VCSEL-Diode (VCSEL: „vertical-cavity surfaceemitting laser“) genannt werden. Bei dieser Art von Laserdiode wird das in der zumindest einen aktiven Schicht im Betrieb erzeugte Licht über eine parallel zur aktiven Schicht angeordnete Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge abgestrahlt wird. Die VCSEL-Diode kann direkt auf der Montageebene angebraucht sein. Wenn neben einer oder mehrerer VCSEL-Dioden zusätzlich noch kantenemittierende Dioden verwendet werden, kann die VCSEL-Diode auch zusammen mit diesen auf einem Trägersubstrat angeordnet sein, was die Fabrikation erleichtert und Ausrichtungsschwierigkeiten reduziert.A vertically emitting laser diode with a vertical cavity can also be called a VCSEL diode (VCSEL: "vertical-cavity surface-emitting laser"). In this type of laser diode, the light generated in the at least one active layer during operation is emitted via a surface of the semiconductor layer sequence arranged parallel to the active layer. The VCSEL diode can be applied directly at the assembly level. If edge-emitting diodes are also used in addition to one or more VCSEL diodes, the VCSEL diode can also be arranged together with these on a carrier substrate, which facilitates fabrication and reduces alignment difficulties.
Eine VCSEL-Diode besitzt im Fernfeld ein symmetrischeres Strahlprofil als eine kantenemittierende Laserdiode. Beispielsweise kann der Lichtkegel einer kantenemittierenden Laserdiode im Fernfeld einen Öffnungswinkel entlang der schnellen Achse von etwa 120°, und entlang der langsamen Ache von etwa 12° erreichen. Demgegenüber kann der Lichtkegel einer VCSEL-Diode oder eines VCSEL-Dioden Arrays im Fernfeld Öffnungswinkel von etwa 30°-60° in der horizontalen Richtung und 30° in der transversalen Richtung erreichen. Die Verwendung einer VCSEL-Diode oder eines VCSEL-Dioden Arrays kann deshalb vorteilhaft sein, um im Fernfeld Hindernisse oberhalb der Straße, wie beispielsweise Auffahrrampen, Brücken oder Garagen, auszuleuchten. Die VCSEL-Diode oder das VCSEL-Dioden Array kann zum Beispiel je nach Situation an- oder ausgeschaltet werden. Das von der VCSEL-Diode oder von dem VCSEL-Dioden Array ausgehende Licht kann vorteilhafterweise ohne zusätzliche Kollimierung abgestrahlt werden, und die Strahlung emittierende Vorrichtung kann deshalb kompakt realisiert werden.A VCSEL diode has a more symmetrical beam profile in the far field than an edge-emitting laser diode. For example, in the far field, the light cone of an edge-emitting laser diode can achieve a beamwidth of about 120° along the fast axis and about 12° along the slow axis. In contrast, the light cone of a VCSEL diode or a VCSEL diode array in the far field can achieve opening angles of about 30°-60° in the horizontal direction and 30° in the transverse direction. The use of a VCSEL diode or a VCSEL diode array can therefore be advantageous in order to illuminate obstacles above the road, such as ramps, bridges or garages, in the far field. For example, the VCSEL diode or VCSEL diode array can be turned on or off depending on the situation. The light emanating from the VCSEL diode or from the VCSEL diode array can advantageously be emitted without additional collimation, and the radiation-emitting device can therefore be implemented in a compact manner.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform bildet das Optiksystem eine kuppelförmige Austrittsfläche für das abgestrahlte Licht. Alternativ weist das Optiksystem eine Mehrzahl von Austrittsflächen auf, deren Flächennormalen in unterschiedliche Richtungen zeigen.According to at least one further embodiment, the optics system forms a dome-shaped exit surface for the emitted light. Alternatively, the optics system has a plurality of exit surfaces whose surface normals point in different directions.
Die Austrittsfläche oder die Mehrzahl an Austrittsflächen können eine Abdeckung des Gehäusekörpers bilden. Im Fall einer kuppelförmigen Austrittsfläche kann die Austrittsfläche beispielsweise halbkugelförmig über der Montageebene angeordnet sein und mit dem Gehäusekörper abschließen. In der Austrittsfläche können die oben erwähnten Optikelemente, insbesondere das Licht divergierende und/oder das Licht kollimierende Optikelement, integriert sein. Wenn das Optiksystem eine Mehrzahl von Austrittsflächen aufweist, können diese abschnittsweise ebene Flächen sein. Ferner können die Austrittsflächen in geeigneter Weise miteinander verbunden, z.B. verklebt, sein und mit dem Gehäusekörper abschließen. Ausgehend von einem zentralen Punkt auf der Montageebene können die Austrittsfläche oder die Mehrzahl von Austrittsflächen einen großen Raumwinkel in der horizontalen Richtung abdecken. Mithilfe einer kuppelförmigen Austrittsfläche oder einer Mehrzahl von Austrittsflächen, deren Flächennormalen in unterschiedliche Richtungen zeigen, kann die Strahlung emittierende Vorrichtung Licht in einen weiten Winkelbereich abstrahlen. Beispielsweise kann ein Winkelbereich von etwa 240° in horizontaler Richtung und 12° in vertikaler Richtung abgedeckt werden. Besonders bevorzugt kann diese Ausführungsform mit Ausführungsformen kombiniert werden, in denen kantenemittierende Laserdioden auf zu der Montageebene verkippten Trägersubstraten angeordnet sind, so dass die Laserdioden Licht im Wesentlichen senkrecht zu einer jeweiligen Austrittsfläche abstrahlen. Alternativ kann mit entsprechenden Licht reflektierenden Optikelementen, wie oben ausgeführt, ein von einer Laserdiode abgestrahltes Strahlenbündel im Wesentlich senkrecht zur jeweiligen Austrittsfläche umgelenkt werden. Eine derartige Strahlung emittierende Vorrichtung kann zum Beispiel auf dem Dach eines Fahrzeuges montiert sein, so dass ein großer Winkelbereich um das Fahrzeug ausgeleuchtet wird.The exit surface or the plurality of exit surfaces can cover the housing body. In the case of a dome-shaped exit surface, the exit surface can be arranged, for example, in a hemispherical shape above the mounting plane and can end with the housing body. The optical elements mentioned above, in particular the light-diverging and/or the light-collimating optical element, can be integrated in the exit surface. If the optical system has a plurality of exit surfaces, these can be flat surfaces in sections. Furthermore, the exit surfaces can be connected to one another in a suitable manner, for example glued, and can end with the housing body. Starting from a central point on the mounting plane, the exit surface or the plurality of exit surfaces can cover a large solid angle in the horizontal direction. With the aid of a dome-shaped exit surface or a plurality of exit surfaces whose surface normals point in different directions, the radiation-emitting device can emit light over a wide angular range. For example, an angular range of approximately 240° in the horizontal direction and 12° in the vertical direction can be covered. Particularly preferably, this embodiment can be combined with embodiments in which edge-emitting laser diodes are arranged on carrier substrates that are tilted relative to the mounting plane, so that the laser diodes emit light essentially perpendicularly to a respective exit surface. Alternatively, a bundle of rays emitted by a laser diode can be deflected essentially perpendicularly to the respective exit surface with appropriate light-reflecting optical elements, as explained above. Such a radiation-emitting device can be mounted on the roof of a vehicle, for example, so that a large angular range around the vehicle is illuminated.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist ein Messsystem eine solche Strahlung emittierende Vorrichtung auf. Weiterhin weist das Messsystem eine Detektoreinheit auf. Die Detektoreinheit ist dazu vorgesehen und eingerichtet, von der Strahlung emittierenden Vorrichtung abgestrahltes und zur Detektoreinheit reflektiertes Licht zu detektieren. Die Detektoreinheit ist auf der Montageebene oder einer im Wesentlichen parallel zur Montageebene ausgerichteten weiteren Montageebene angeordnet.According to at least one further embodiment, a measuring system has such a radiation-emitting device. Furthermore, the measuring system has a detector unit. The detector unit is provided and set up to detect light emitted by the radiation-emitting device and reflected to the detector unit. The detector unit is arranged on the assembly plane or on another assembly plane aligned essentially parallel to the assembly plane.
Die Strahlung emittierende Vorrichtung kann insbesondere eine Sendereinheit des Messsystems bilden und dazu vorgesehen und eingerichtet sein, im Betrieb zumindest einen Lichtpuls oder ein kontinuierlich emittiertes Licht als Sendersignal abzustrahlen. Ein Lichtpuls kann je nach gewünschter Anwendung beispielsweise die Form eines Rechteckpulses, eines Sägezahnpulses, eines Dreieckspulses, einer Halbwelle oder eine Kombination hieraus aufweisen. Ein kontinuierlich emittiertes Licht kann insbesondere moduliert sein, beispielsweise amplituden- und/oder phasenmoduliert.The radiation-emitting device can in particular form a transmitter unit of the measurement system and be provided and set up to emit at least one light pulse or continuously emitted light as a transmitter signal during operation. Depending on the desired application, a light pulse can, for example, have the form of a square pulse, a sawtooth pulse, a triangular pulse, a half-wave or a combination thereof. A continuously emitted light can in particular be modulated, for example amplitude and/or phase modulated.
Die Detektoreinheit kann ein Detektorelement aufweisen, beispielsweise in Form einer Fotodiode oder eines Fotodiodenarrays. Beispielsweise kann die Detektoreinheit ein SPAD-Array (SPAD: „single-photon avalanche diode“, Einzelphotonenlawinendiode), ein APD-Array (APD: „avalanche photodiode“, Lawinenfotodiode) oder ein sogenanntes Gated-Imaging-System aufweisen. Die Detektoreinheit ist dazu vorgesehen und eingerichtet, ein Rücksignal zu empfangen, das zumindest einen Teil des von einem externen Objekt zurückgestrahlten Sendersignals aufweist. Das Rücksignal kann demensprechend beispielsweise einem zumindest in Bezug auf einige spektrale Komponenten abgeschwächten und/oder zumindest teilweise frequenzverschobenen und/oder zumindest teilweise phasenverschobenen Sendersignal entsprechen, was durch Interaktionen des Sendersignals mit dem Objekt hervorgerufen werden kann. Bei einem Verfahren zum Betrieb eines solchen Messsystems sendet die als Sendereinheit ausgebildete Strahlung emittierende Vorrichtung ein Sendersignal aus. Die Empfängereinheit detektiert das Rücksignal.The detector unit can have a detector element, for example in the form of a photodiode or a photodiode array. For example, the detector unit can have a SPAD array (SPAD: “single-photon avalanche diode”, single-photon avalanche diode), an APD array (APD: “avalanche photodiode”, avalanche photodiode) or what is known as a gated imaging system. The detector unit is provided and set up to receive a return signal which has at least a part of the transmitter signal radiated back from an external object. The return signal can accordingly correspond to a transmitter signal that is attenuated and/or at least partially frequency-shifted and/or at least partially phase-shifted at least with respect to some spectral components, which can be caused by interactions of the transmitter signal with the object. In a method for operating such a measuring system, the radiation-emitting device designed as a transmitter unit emits a transmitter signal. The receiver unit detects the return signal.
Beispielsweise kann das Verfahren dazu verwendet werden, einen oder mehrere Parameter in Bezug auf das Sendersignal und/oder das Rücksignal zu bestimmen. Der eine oder die mehreren Parameter können beispielsweise ausgewählt sein aus einem Zeitunterschied zwischen dem Sendersignal und dem Rücksignal, einer Wellenlängenverschiebung und/oder Phasenverschiebung zwischen dem Sendersignal und dem Rücksignal, einer spektralen Änderung zwischen dem Sendersignal und dem Rücksignal. Aus dem einen oder den mehreren durch Auswertung bestimmten Parametern können eine oder mehrere Zustandsgrößen in Bezug auf das das Sendersignal zumindest teilweise reflektierende Objekt abgeleitet werden, beispielsweise ein Abstand und/oder eine Geschwindigkeit und/oder zumindest eine oder mehrere Geschwindigkeitskomponenten und/oder zumindest ein Teil einer chemischen und/oder physikalischen Zusammensetzung. Zur Parameterbestimmung kann das Messsystem weiterhin eine dafür vorgesehene und eingerichtete Auswertungseinheit aufweisen. Insbesondere kann das Messsystem Eigenschaften und Merkmale eines LIDAR-Systems aufweisen oder ein LIDAR-System sein.For example, the method can be used to determine one or more parameters related to the transmitter signal and/or the return signal. The one or more parameters can be selected, for example, from a time difference between the transmitter signal and the return signal, a wavelength shift and/or phase shift between the transmitter signal and the return signal, a spectral change between the transmitter signal and the return signal. One or more state variables in relation to the object that at least partially reflects the transmitter signal can be derived from the one or more parameters determined by evaluation, for example a distance and/or a speed and/or at least one or more speed components and/or at least a part a chemical and/or physical composition. In order to determine the parameters, the measuring system can also have an evaluation unit provided and set up for this purpose. In particular, the measurement system can have properties and features of a LIDAR system or be a LIDAR system.
Wie oben erwähnt hat eine Detektoreinheit insbesondere ein nach oben gerichtetes Sichtfeld. Vorteilhafterweise strahlt die Strahlung emittierende Vorrichtung Licht senkrecht zur Montageebene ab, und hat damit ein gleiches oder ähnliches Sichtfeld wie die Detektoreinheit. Die Strahlung emittierende Vorrichtung und die Detektoreinheit können somit auf der gleichen Montageebene angeordnet sein, oder auf zueinander parallel ausgerichteten Montageebenen. Eine Rotation der Montageebene um 90° ist nicht notwendig.In particular, as mentioned above, a detector unit has an upwardly directed field of view. Advantageously, the radiation-emitting device emits light perpendicular to the mounting plane and thus has the same or a similar field of view as the detector unit. The Radiation Emitting The device and the detector unit can thus be arranged on the same assembly level, or on assembly levels aligned parallel to one another. It is not necessary to rotate the mounting level by 90°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Messsystems ist die Laserlichtquelle und die Detektoreinheit in einem gemeinsamen Gehäusekörper angeordnet. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der Gehäusekörper eine optische Trennung zwischen der Laserlichtquelle und der Detektoreinheit aufweist, beispielsweise in Form einer Trennwand. Durch einen gemeinsamen Gehäusekörper kann das Messsystem sehr kompakt sein. Beispielsweise kann die Strahlung emittierende Vorrichtung und die Detektoreinheit auf der gleichen Montageebene, z.B. einer Platine, angeordnet sein.According to at least one embodiment of the measuring system, the laser light source and the detector unit are arranged in a common housing body. It can be advantageous here if the housing body has an optical separation between the laser light source and the detector unit, for example in the form of a partition. The measuring system can be very compact thanks to a common housing body. For example, the radiation-emitting device and the detector unit can be arranged on the same mounting level, e.g.
Elektrische Verbindung und/oder optische Ausrichtung werden dadurch erleichtert.Electrical connection and/or optical alignment are thereby facilitated.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist ein Fahrzeug ein solches Messsystem auf. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug, ein schienengebundenes Fahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug sein. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein Kraftfahrzeug wie etwa ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen. Weiterhin ist es auch möglich, das Messsystem beispielsweise in einer anderen Vorrichtung wie einer festen Installation, etwa in einer Überwachungsvorrichtung, zu verwenden. Entsprechend kann eine solche Vorrichtung, etwa eine Überwachungsvorrichtung, beispielsweise für ein Verkehrsmanagement, eine Parkplatzmanagement, eine Sicherheitsanwendung oder industrielle Zwecke, das Messsystem aufweisen.According to at least one further embodiment, a vehicle has such a measuring system. The vehicle can be, for example, a road vehicle, a rail vehicle, a watercraft or an aircraft. The vehicle is particularly preferably a motor vehicle such as a passenger car or a truck. Furthermore, it is also possible to use the measuring system, for example, in another device such as a fixed installation, for example in a monitoring device. Accordingly, such a device, for example a monitoring device, for example for traffic management, parking lot management, a security application or industrial purposes, can have the measuring system.
Die vorherige und nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die Strahlung emittierende Vorrichtung, das Messsystem mit der Strahlung emittierenden Vorrichtung und Verwendungen des Messsystems, also beispielsweise ein Fahrzeug oder eine fest installierte Vorrichtung mit dem Messsystem.The previous and following description relates equally to the radiation-emitting device, the measurement system with the radiation-emitting device and uses of the measurement system, ie for example a vehicle or a permanently installed device with the measurement system.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantages, advantageous embodiments and developments result from the exemplary embodiments described below in connection with the figures.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels. -
2 und3 zeigen schematische Darstellungen von Laserlichtquellen und Eigenschaften dieser gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels. -
5a bis5c zeigen schematische Darstellungen eines Optiksystems gemäß4 . -
6 bis 12 zeigen schematische Darstellungen einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
13 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserlichtquelle und Eigenschaften dieser gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
14 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
15 zeigt eine schematische Aufsicht einer Laserlichtquelle und Eigenschaften dieser gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
16 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
17 zeigt eine schematische Aufsicht einer Laserlichtquelle und Eigenschaften dieser gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
18 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
19 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlprofils im Fernfeld gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
20 und 21 zeigen schematische Darstellungen einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
22 zeigt eine schematische Detailansicht gemäß desAusführungsbeispiels von 21 . -
23 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. -
24 zeigt eine Abstrahlcharakteristik einer Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels. -
25 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß eines Ausführungsbeispiels. -
26 bis28 zeigen schematische Darstellungen eines Fahrzeugs und einer Vorrichtung mit einem Messsystem gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
-
1 shows a schematic representation of a radiation-emitting device according to an embodiment. -
2 and3 show schematic representations of laser light sources and properties of these according to further exemplary embodiments. -
4 shows a schematic representation of a radiation-emitting device according to a further embodiment. -
5a until5c show schematic representations of an optical system according to FIG4 . -
6 until12 show schematic representations of a radiation-emitting device according to further exemplary embodiments. -
13 shows a schematic representation of a laser light source and properties of this according to further exemplary embodiments. -
14 shows a schematic representation of a radiation-emitting device according to further exemplary embodiments. -
15 shows a schematic top view of a laser light source and properties of this according to further exemplary embodiments. -
16 shows a schematic representation of a radiation-emitting device according to further exemplary embodiments. -
17 shows a schematic top view of a laser light source and properties of this according to further exemplary embodiments. -
18 shows a schematic representation of a radiation-emitting device according to further exemplary embodiments. -
19 shows a schematic representation of a beam profile in the far field according to further embodiments. -
20 and21 show schematic representations of a radiation-emitting device according to further exemplary embodiments. -
22 shows a schematic detailed view according to the embodiment of FIG21 . -
23 shows a schematic representation of a radiation-emitting device according to further exemplary embodiments. -
24 FIG. 1 shows an emission characteristic of a radiation-emitting device according to a further exemplary embodiment. -
25 shows a schematic representation of a measurement system according to an embodiment. -
26 until28 show schematic representations of a vehicle and a device with a measuring system according to further exemplary embodiments.
In Verbindung mit der
Die Strahlung emittierende Vorrichtung 100 nach
In
Der Laserdiodenchip 1 aus
Auf der Montageebene 6 ist ferner ein Licht reflektierendes Optikelement 21 mit zumindest einer Reflektorfläche 25 angeordnet. Das Licht reflektierendes Optikelement 21 ist Teil des Optiksystems 2. Die Reflektorfläche 25 kann beispielsweise durch eine Metallbeschichtung realisiert sein. Das von der Laserlichtquelle 1 abgestrahlte Laserlicht wird auf die Reflektorfläche 25 projiziert. Das Licht reflektierende Optikelement 21 ist dazu vorgesehen und ausgebildet, das Licht zur Abstrahlrichtung z umzulenken. Des Weiteren kann das Licht reflektierende Optikelement 21 dafür vorgesehen sein, eine schnelle Achse 13 des Strahlprofils entlang einer horizontalen Richtung x auszurichten. Wie anhand von
Die Laserlichtquelle 1 auf dem Trägersubstrat 7 und das Licht reflektierendes Optikelement 21 sind auf der Montageebene 6 innerhalb eines Gehäusekörpers 5 angeordnet. Der Gehäusekörper 5 ist mit der Montageebene 6 fest verbunden und bildet, wie in
Das Optiksystem 2 der Strahlung emittierenden Vorrichtung kann ferner weitere Optikelement 22, 23 aufweisen, wie in
Der Gehäusekörper 5 kann, wie in
In Verbindung mit den
In
Die aktive Schicht 12 und insbesondere die Halbleiterschichtenfolge 11 mit der aktiven Schicht 12 können auf einem Substrat (nicht gezeigt) aufgebracht sein. Beispielsweise kann das Substrat als Aufwachssubstrat ausgebildet sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 11 aufgewachsen wird. Die aktive Schicht 12 und insbesondere die Halbleiterschichtenfolge 11 mit der aktiven Schicht 12 können mittels eines Epitaxieverfahrens, beispielsweise mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder Molekularstrahlepitaxie (MBE), aufgewachsen werden. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge 11 mit elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) in Form von einem oder mehreren Kontaktelementen versehen werden. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass das Aufwachssubstrat nach dem Aufwachsprozess entfernt wird. Hierbei kann die Halbleiterschichtenfolge 11 beispielsweise auch nach dem Aufwachsen auf ein als Trägersubstrat ausgebildetes Substrat übertragen werden. Das Substrat kann beispielsweise Saphir, GaAs, GaP, GaN, InP, SiC, Si, Ge und/oder ein Keramikmaterial wie beispielsweise SiN oder AlN aufweisen oder aus einem solchen Material sein.The
Besonders bevorzugt ist das von der Laserlichtquelle 1 im Betrieb erzeugte Licht langwelliges Licht im infraroten Spektralbereich und weist eine Wellenlänge von größer oder gleich 800 nm oder größer oder gleich 850 nm auf. Weiterhin kann das Licht eine Wellenlänge von kleiner oder gleich 2 µm oder kleiner oder gleich 1,5 µm oder kleiner oder gleich 1 µm aufweisen. Eine bevorzugte Wellenlänge kann bei etwa 940 nm liegen. Für eine langwellige, infrarote Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge 11 oder zumindest eine aktive Schicht 12 auf Basis von InxGayAl1-x-yAs oder auf Basis von InxGayAl1-x-yP geeignet, wobei jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt.The light generated by the
Die aktive Schicht 12 kann beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Struktur) oder andere dafür geeignete Strukturen zur Lichterzeugung aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge 11 kann zusätzlich zur aktiven Schicht 12 weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche aufweisen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektrodenschichten sowie Kombinationen daraus. Darüber hinaus können zusätzliche Schichten, etwa Pufferschichten, Barriereschichten und/oder Schutzschichten auch senkrecht zur Aufwachsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 11 beispielsweise um die Halbleiterschichtenfolge 11 herum angeordnet sein, also etwa auf den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 11.The
In der aktiven Schicht 12 können auch mehrere senkrecht zur Resonatorrichtung nebeneinander angeordnete aktive Bereiche ausgebildet sein, die unabhängig voneinander oder bevorzugt gemeinsam ansteuerbar sein können. Bei einer derartigen, auch als Laserbarren bezeichneten Ausführung weist die Halbleiterlaserdiode und damit die Laserlichtquelle 1 eine Mehrzahl von Laseremittereinheiten 10 auf.In the
Wie in
In Verbindung mit der
Weiterhin können in jeder aktiven Schicht 12 auch mehrere aktive Bereiche nebeneinander ausgebildet sein, so dass sich eine zweidimensionale Matrix von Laseremittereinheiten 10 ergibt. Die übereinander angeordneten aktiven Bereiche können beispielsweise gemeinsam ansteuerbar sein und einen Kanal bilden, so dass eine solche Laserlichtquelle mehrere Multiemitter-Kanäle aufweisen kann. Rein beispielhaft weist die in
In Verbindung mit der
Das Licht reflektierende Optikelement 21 ist über eine Haltevorrichtung an einem oberen Ende mit dem Linsenkörper 24 verbunden. An einem unteren Ende kann das Licht reflektierende Optikelement 21 mit den Montageebene 6 in Kontakt stehen. Das Licht reflektierende Optikelement 21 ist gegenüber der Montageebene 6 in horizontaler Richtung x gekippt.The light-reflecting
In den
In
In Verbindung mit
In
Die in
In
In Verbindung mit
In Verbindung mit
Ferner können zum Beeinflussen der von der Laserlichtquelle 1 abgestrahlten Strahlung eine, zwei oder mehrere optisch wirksame Schichten an ein, zwei oder mehreren Grenzflächen des Laserdiodenchips 1 ausgebildet sein. Die optisch wirksamen Schichten dienen in diesem Zusammenhang dazu, eine Reflektion an der entsprechenden Grenzfläche zu erhöhen oder zu verringern. Die optisch wirksamen Schichten umfassen beispielsweise eine erste und/oder zweite optisch wirksame Oberflächenschicht 31, 32. Die optisch wirksamen Schichten können eine Strahlungsausbeute pro aufgewendeter Energie beeinflussen. Ferner kann eine Energieschwelle, in anderen Worten Laserschwelle, ab der Laserstrahlung erzeugt wird, herabgesenkt werden. Ferner kann durch die optisch wirksamen Schichten eine Strahlungsleistung der vertikal emittierende Laserdiode 1 bei einer vorgegebenen Versorgungsenergie eingestellt werden. Ferner können die optisch wirksamen Schichten genutzt werden, um eine Wellenlänge der aus der Laserlichtquelle 1 austretenden Strahlung besonders präzise vorzugeben.Furthermore, in order to influence the radiation emitted by the
Die erste optisch wirksame Oberflächenschicht 31 kann beispielsweise eine Reflektion der aus dem Emissionsbereich ausgekoppelten Strahlung verringern und somit als antireflektierende Schicht ausgebildet sein.The first optically
Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise die zweite optisch wirksame Oberflächenschicht 32 eine Reflexion an der Oberfläche der Laserlichtquelle 1 erhöhen. Dabei kann die Reflexion durch die zweite optisch wirksame Oberflächenschicht 32 beispielsweise so weit erhöht werden, dass nahezu Totalreflexion an der Oberfläche der Laserlichtquelle 1 stattfindet. Dies führt dazu, dass die aus einen aktiven Schicht 12 (siehe
In Verbindung mit
In
Die in
In
Ferner können, wie in
In
In
In diesem Zusammenhang zeigt
Beispielsweise kann der Lichtkegel kantenemittierender Laserdioden 1 im Fernfeld einen Öffnungswinkel entlang der schnellen Achse 13 (entspricht nach Rotation durch das Licht reflektierende Optikelement 21 dem Öffnungswinkel C'') von etwa 120°, und entlang der langsamen Ache (entspricht dem Öffnungswinkel ϑy) von etwa 12° erreichen. Demgegenüber kann der Lichtkegel einer VCSEL-Diode oder eines VCSEL-Dioden Arrays im Fernfeld Öffnungswinkel von etwa 30°-60° in der horizontalen Richtung x und 30° in der transversalen Richtung y erreichen. Die Verwendung einer VCSEL-Diode oder eines VCSEL-Dioden Arrays kann deshalb vorteilhaft sein, um im Fernfeld Hindernisse oberhalb der Straße, wie beispielsweise Auffahrrampen, Brücken oder Garagen, auszuleuchten. Die VCSEL-Diode oder das VCSEL-Dioden Arrays kann zum Beispiel je nach Situation an- oder ausgeschaltet werden.For example, the light cone of edge-emitting
In
In
In
In
Die Strahlung emittierende Vorrichtung 100 des Messsystems 1000 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, im Betrieb ein Sendersignal L abzustrahlen, wie durch die entsprechend gekennzeichneten Pfeile in
Beispielsweise kann die Strahlung emittierende Vorrichtung 100 so ausgebildet sein, dass ein Bereich mit einer Breite B von mehreren 10 m in einer horizontalen Richtung x, beispielsweise mit einer Breite B von mindestens 20 m oder mindestens 30 m oder mindestens 50 m, in einer Entfernung D von mehreren 10 m, beispielsweise in einer Entfernung D von mindestens 50 m oder mindestens 100 m oder mindestens 200 m, ausleuchtet wird. Weiterhin kann der vom Sendersignal L ausgeleuchtete Bereich in einer transversalen Richtung y eine Höhe von mehreren Metern, beispielsweise eine Höhe von mindestens 2 m oder mindestens 5 m, ausleuchten.For example, the radiation-emitting
Die Richtungsangaben „horizontal“ und „transversal“ beziehen sich bevorzugt auf eine derartige Anordnung des Messsystems 1000, in der das Messsystem 1000 und insbesondere die Strahlung emittierende Vorrichtung 100 im Messsystem 1000 für den bestimmungsgemäßen Gebrauch relativ zur Umgebung ausgerichtet sind. Wird das Messsystem 1000 beispielsweise in einem Fahrzeug wie einem Straßenfahrzeug oder in einer Überwachungsvorrichtung verwendet, wie in Verbindung mit den
Das Sendersignal L kann beispielsweise ein Lichtpuls sein, der in Form eines Einzelpulses mit einer bestimmten Pulsfrequenz abgestrahlt wird. Weiterhin kann das Sendersignal L anstelle eines Einzelpulses beispielsweise auch einen Pulszug, also eine Mehrzahl von Pulsen, und/oder einen in seiner Amplitude modulierten Puls oder einen amplituden- und/oder phasenmodulierten kontinuierlichen Lichtstrahl aufweisen.The transmitter signal L can be a light pulse, for example, which is emitted in the form of a single pulse with a specific pulse frequency. Furthermore, instead of an individual pulse, the transmitter signal L can, for example, also have a pulse train, ie a plurality of pulses, and/or a pulse modulated in its amplitude or an amplitude- and/or phase-modulated continuous light beam.
Die Detektoreinheit 200 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, ein Rücksignal R zu empfangen, das zumindest einen Teil des von einem externen Objekt 99 zurückgestrahlten Sendersignals L aufweist. Das Rücksignal R kann durch Interaktion des Sendersignals L mit einem Objekt 99 vom Sendersignal L abweichen, beispielsweise im Hinblick auf den zeitlichen Verlauf, auf eine spektrale Zusammensetzung, eine Amplitude und/oder eine Phase. So kann das Rücksignal R etwa einem zumindest in Bezug auf einige spektrale Komponenten abgeschwächten und/oder zumindest teilweise frequenzverschobenen und/oder phasenverschobenen Sendersignal L entsprechen.The
Die Detektoreinheit 200 weist zumindest ein Detektorelement 3 auf, beispielsweise in Form einer Fotodiode oder einem Fotodiodenarray. Beispielsweise kann die Detektoreinheit 200 ein SPAD-Array, ein APD-Array oder ein Gated-Imaging-System aufweisen oder sein. Weiterhin kann die Detektoreinheit 200 ein Optiksystem 4 aufweisen, das besonders bevorzugt ein abbildendes Optiksystem ist.The
Die Strahlung emittierende Vorrichtung 100 und die Detektoreinheit 200 und damit die Laserlichtquelle 1, das Optiksystem 2, das Detektorelement 3 und das Optiksystem 4, können, wie in
Bei einem Verfahren zum Betrieb des Messsystems 1000 sendet die Strahlung emittierende Vorrichtung 100 wie beschrieben als Sendersignal L zumindest einen Lichtpuls aus. Die Detektoreinheit 200 detektiert das Rücksignal R. Beispielsweise kann das Verfahren dazu verwendet werden, einen oder mehrere Parameter in Bezug auf das Sendersignal L und/oder das Rücksignal R zu bestimmen, um so Rückschlüsse auf ein Objekt 99 ziehen zu können. Beispielsweise können ein Zeitunterschied zwischen dem Sendersignal L und dem Rücksignal R und/oder eine Wellenlängenverschiebung und/oder Phasenverschiebung zwischen dem Sendersignal L und dem Rücksignal R und/oder eine spektrale Änderung zwischen dem Sendersignal L und dem Rücksignal R bestimmt werden. Aus dem einen oder den mehreren aus dem Rücksignal R bestimmten Parametern können eine oder mehrere Zustandsgrößen in Bezug auf das Objekt 99 abgeleitet werden, beispielsweise ein Abstand und/oder eine Geschwindigkeit und/oder zumindest eine oder mehrere Geschwindigkeitskomponenten. Insbesondere können mit einem abbildenden Optiksystem 4 und einem Detektorarray als Detektorelement 3 mehrere Objekte gleichzeitig detektiert werden. Zur Parameterbestimmung kann das Messsystem 1000 weiterhin eine dafür vorgesehene und eingerichtete Auswertungseinheit aufweisen (nicht gezeigt). Bevorzugt weist das Messsystem 1000 Eigenschaften und Merkmale eines LIDAR-Systems auf und ist besonders bevorzugt ein LIDAR-System.In a method for operating the
In den
Wie in
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.The features and exemplary embodiments described in connection with the figures can be combined with one another according to further exemplary embodiments, even if not all combinations are explicitly described. Furthermore, the exemplary embodiments described in connection with the figures can alternatively or additionally have further features in accordance with the description in the general part.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited to these by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Laserlichtquellelaser light source
- 22
- Optiksystemoptical system
- 33
- Detektorelementdetector element
- 44
- Optiksystemoptical system
- 55
- Gehäusekörpercase body
- 66
- Montageebenemounting level
- 77
- Trägersubstratcarrier substrate
- 1010
- Laseremittereinheitlaser emitter unit
- 1111
- Halbleiterschichtenfolgesemiconductor layer sequence
- 1212
- aktive Schichtactive layer
- 1313
- schnelle Achsefast axis
- 1414
- langsame Achseslow axis
- 1515
- Emissionsbereichemission range
- 1616
- Kavitätcavity
- 1717
- Spiegelschichtmirror layer
- 1818
- weiteres Optikelementanother optical element
- 2121
- reflektierendes Optikelementreflective optical element
- 2222
- kollimierendes Optikelementcollimating optical element
- 2323
- divergierendes Optikelementdiverging optical element
- 2525
- Reflektorflächereflector surface
- 2929
- Austrittsflächeexit surface
- 31, 3231, 32
- optisch wirksame Oberflächenschichtoptically effective surface layer
- 41, 4241, 42
- Strahlprofilbeam profile
- 100100
- Strahlung emittierende VorrichtungRadiation Emitting Device
- 200200
- Detektoreinheitdetector unit
- 10001000
- Messsystemmeasuring system
- 20002000
- Fahrzeugvehicle
- 30003000
- Überwachungsvorrichtungmonitoring device
- BB
- BreiteBroad
- DD
- Entfernungdistance
- LL
- Sendersignaltransmitter signal
- RR
- Rücksignalreturn signal
- xx
- horizontale Richtunghorizontal direction
- yy
- transversale Richtungtransverse direction
- ze.g
- Abstrahlrichtungbeam direction
- ϑx, ϑyϑx, ϑy
- Abstrahlwinkelbeam angle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- US 2009/0097519 A1 [0050]US 2009/0097519 A1 [0050]
Claims (20)
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