DE212020000798U1 - Spezialisierte mobile Lichtvorrichtung mit einer gallium- und stickstoffhaltigen Laserquelle - Google Patents

Spezialisierte mobile Lichtvorrichtung mit einer gallium- und stickstoffhaltigen Laserquelle Download PDF

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    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs
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Abstract

Tragbare Lichtvorrichtung, eingerichtet zur Ausleuchtung mit sichtbarer Lichtemission und Infrarotlichtemission, wobei die tragbare Lichtvorrichtung umfasst:
eine erste Pumplichtvorrichtung, eingerichtet mit einer optischen Kavität, die einen optischen Wellenleiterbereich und einen oder mehrere Facettenbereiche aufweist, die in einem Paket angeordnet sind;
wobei die erste Pumplichtvorrichtung mindestens eine Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie eine gerichtete elektromagnetische Strahlung, die durch eine erste Spitzenwellenlänge gekennzeichnet ist, durch mindestens einen der Facettenbereiche ausgibt;
einen ersten Wellenlängenkonverter, der in dem Paket in einem Pfad eingerichtet ist, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung zu empfangen, und der eingerichtet ist, um mindestens einen Teil der gerichteten elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in mindestens eine zweite Spitzenwellenlänge umzuwandeln, die länger als die erste Spitzenwellenlänge ist, und um eine Weißfarbenemission zu erzeugen, die mindestens die zweite Spitzenwellenlänge umfasst;
eine zweite Pumplichtvorrichtung, die mit einer infrarotemittierenden Laserdiode auf dem Paket eingerichtet ist, um eine elektromagnetische Infrarotstrahlung in dem Pfad bereitzustellen;
ein kompaktes Gehäuseelement mit einer Oberflächenstruktur, die die erste Pumplichtvorrichtung, den ersten Wellenlängenkonverter und die zweite Pumplichtvorrichtung umschließt, und einer Frontöffnung, die dazu eingerichtet ist, dass sie die Weißfarbenemission und/oder die elektromagnetische Infrarotstrahlung ausgibt;
eine in dem kompakten Gehäuseelement eingeschlossene Leistungsversorgung und einen an der Oberflächenstruktur angeordneten Ladeanschluss;
einen Strahlformer, der dazu eingerichtet ist, dass er die Weißfarbenemission und/oder die elektromagnetische Infrarotstrahlung, die von der vorderen Öffnung abgegeben wird, kollimiert oder projiziert.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
  • Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Anmeldung Nr. 16/725,410 , die am 23. Dezember 2019 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme in vollem Umfang für alle Zwecke hierin enthalten ist.
  • HINTERGRUND
  • In den späten 1800er Jahren erfand Thomas Edison die Glühbirne. In den letzten zehn Jahren hat die Festkörperbeleuchtung aufgrund mehrerer entscheidender Vorteile gegenüber der herkömmlichen Beleuchtungstechnik an Bedeutung gewonnen. Alternative Festkörper-Laserlichtquellen, wie z. B. Laserdioden (LDs), können aufgrund der Enge ihres Spektrums, die eine effiziente spektrale Filterung, hohe Modulationsraten und kurze Ladungsträgerlebensdauern ermöglicht, der geringeren Größe und der weitaus größeren Oberflächenhelligkeit im Vergleich zu Leuchtdioden (LEDs) als sichtbare Lichtquellen bevorzugt werden.
  • KURZFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine tragbare Vorrichtung bereit, die mit einer Weißlicht- und/oder einer Infrarot-(IR)-Beleuchtungsquelle auf der Basis von Gallium- und Stickstoff-haltigen Laserdioden in oberflächenmontierten Geräten konfiguriert ist. Mit der Fähigkeit, Licht sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Spektrum zu emittieren, ist das tragbare Gerät optional eine Dualband-Lichtquelle, wobei entweder eine oder beide für die Entfernungsmessung und/oder Lichtkommunikation verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen wird die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode mit einem Verfahren zur Übertragung von Gallium und Stickstoff enthaltenden Schichten und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung hergestellt. In einigen Ausführungsformen umfasst die tragbare Vorrichtung ein Gehäuse, das so konfiguriert ist, dass es ein kompaktes, tragbares oder handgehaltenes Paket ist, das Steuergeräte/Treiber, Sender und Sensoren/Detektoren enthält, um Rückkopplungsschleifen zu bilden, die die Infrarot-Beleuchtungsquelle und/oder die laserbasierte Weißlicht-Beleuchtungsquelle aktivieren, die von diesen Quellen ausgesendeten Lichtsignale auf der Grundlage bestimmter Eingangsdaten modulieren und vom Feld zurückgegebene Lichtsignale für verschiedene Anwendungen erfassen können. Die Erfindung stellt integrierte intelligente Laserlichtvorrichtungen und -verfahren bereit, die mit Infrarot- und sichtbarer Beleuchtungsfähigkeit für Spotlighting, Detektion, Bildgebung, Projektionsanzeige, räumlich dynamische Lichtvorrichtungen und -verfahren, Tiefenbestimmung, Infrarotvermessung und sichtbare/infrarote Lichtkommunikationsvorrichtungen und -verfahren und verschiedene Kombinationen der oben genannten in Anwendungen der allgemeinen Beleuchtung, kommerziellen Beleuchtung und Anzeige, Automobilbeleuchtung und - kommunikation, Verteidigung und Sicherheit, Suche und Rettung, industrielle Verarbeitung, Internetkommunikation, Landwirtschaft oder Gartenbau konfiguriert sind. Die tragbare integrierte Lichtquelle gemäß dieser Erfindung kann miniaturisiert werden, um diese Funktionen in eine Taschenlampe, eine handgehaltene Beleuchtungsquelle oder eine Sicherheitslichtquelle oder eine Suchlichtquelle oder eine Verteidigungslichtquelle sowie ein Light Fidelity (LiFi) Kommunikationsgerät oder ein Gerät für Gartenbauzwecke zur Optimierung des Pflanzenwachstums oder viele andere Anwendungen zu integrieren.
  • In einem Aspekt bietet diese Erfindung neuartige Verwendungen und Konfigurationen von Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdioden in Beleuchtungssystemen, die für IR-Beleuchtung konfiguriert sind, die in Dual-Spektrum-Strahlern, Bildgebung, Sensorik und Suchanwendungen eingesetzt werden können. Mit einer laserbasierten Weißlichtquelle und einer IR-Lichtquelle ist diese Erfindung in der Lage, Licht sowohl im sichtbaren Wellenlängenband als auch im IR-Wellenlängenband zu emittieren und selektiv in einem Band oder gleichzeitig in beiden Bändern zu arbeiten. Diese Zweiband-Emissionsquelle kann in Kommunikationssystemen eingesetzt werden, z. B. in Kommunikationssystemen mit sichtbarem Licht wie Li-Fi-Systemen, in Kommunikationssystemen, die die Konvergenz von Beleuchtung und Anzeige mit statischer oder dynamischer räumlicher Musterung unter Verwendung von Strahlformungselementen wie MEMS-Abtastspiegeln oder digitalen Lichtverarbeitungseinheiten nutzen, und in Kommunikationssystemen, die durch integrierte Sensorrückmeldungen ausgelöst werden. Bei bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Übertragung von Gallium und Stickstoff enthaltenden Materialien zur Herstellung von Laserdioden oder anderen Gallium und Stickstoff enthaltenden Bauelementen eingesetzt, das Vorteile gegenüber herkömmlichen Herstellungstechnologien bietet.
  • Die vorliegende Erfindung ist sowohl für die Emission von sichtbarem Licht als auch für die Emission von IR-Licht ausgelegt. Während die Notwendigkeit und Nützlichkeit von sichtbarem Licht ist klar verstanden, ist es oft wünschenswert, Beleuchtung Wellenlängenbereiche, die nicht sichtbar sind, bereitzustellen. In einem Beispiel wird die IR-Beleuchtung für die Nachtsicht verwendet. Nachtsicht- oder IR-Detektionsgeräte spielen eine entscheidende Rolle bei Verteidigung, Sicherheit, Suche und Rettung sowie bei Freizeitaktivitäten sowohl im privaten als auch im kommunalen oder staatlichen Sektor. Da Nachtsichtgeräte die Möglichkeit bieten, bei keinem oder nur geringem Umgebungslicht zu sehen, werden sie auf den Verbrauchermärkten für verschiedene Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Jagd, beim Spielen, beim Autofahren, bei der Ortung, beim Aufspüren, beim persönlichen Schutz und bei anderen. Ob auf biologischem oder technischem Wege, Nachtsicht und IR-Erkennung werden durch eine Kombination aus ausreichendem Spektralbereich und ausreichendem Intensitätsbereich ermöglicht. Eine solche Erkennung kann zur zweidimensionalen Figur oder zur dreidimensionalen Entfernungsmessung (z. B. Entfernungsmessung) oder zur dreidimensionalen Figur (z. B. LIDAR) erfolgen.
  • In einem Aspekt bietet die vorliegende Erfindung eine tragbare Lichtquelle für die Emission von Laser-basierte sichtbarem Licht wie weißes Licht und ein Infrarotlicht konfiguriert, um eine Beleuchtungsquelle der Lage, sichtbare und IR-Beleuchtung zu bilden. Die tragbare Lichtquelle umfasst eine kompakte Stromversorgung, die in einer Gehäusekonstruktion eingeschlossen ist, die so klein wie eine Hand-Taschenlampe ist. Die tragbare Lichtquelle umfasst eine integrierte Leiterplattenbaugruppe, die in dem Gehäuse angeordnet ist, um eine Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdioden-Anregungsquelle zu betreiben, die mit einem optischen Hohlraum ausgestattet ist. Der optische Hohlraum umfasst einen optischen Wellenleiterbereich und einen oder mehrere Facettenbereiche. Der optische Hohlraum ist mit Elektroden ausgestattet, um das Gallium und Stickstoff enthaltende Material mit einem ersten Antriebsstrom zu versorgen. Der erste Treiberstrom sorgt für eine optische Verstärkung einer elektromagnetischen Strahlung, die sich im Lichtwellenleiterbereich des Gallium und Stickstoff enthaltenden Materials ausbreitet. Die elektromagnetische Strahlung wird durch mindestens einen der einen oder mehreren Facettenbereiche als gerichtete elektromagnetische Strahlung abgegeben, die durch eine erste Spitzenwellenlänge im ultravioletten, blauen, grünen oder roten Wellenlängenbereich gekennzeichnet ist. Darüber hinaus umfasst die Lichtquelle einen Wellenlängenkonverter, wie z. B. ein Phosphorelement, der optisch mit dem Strahlengang gekoppelt ist, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung von der Anregungsquelle zu empfangen. Der Wellenlängenkonverter ist so konfiguriert, dass er mindestens einen Teil der gerichteten elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in mindestens eine zweite Spitzenwellenlänge umwandelt, die länger ist als die erste Spitzenwellenlänge. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Ausgangssignal aus einem Weißfarbspektrum, wobei zumindest die zweite Spitzenwellenlänge und teilweise die erste Spitzenwellenlänge die laserbasierte Spektralkomponente des sichtbaren Lichts gemäß der vorliegenden Erfindung bilden. In einem Beispiel ist die erste Peak-Wellenlänge eine blaue Wellenlänge und die zweite Peak-Wellenlänge eine gelbe Wellenlänge. Die Lichtquelle umfasst optional einen Strahlformer, der so konfiguriert ist, dass er das Weiß-Farbspektrum zur Beleuchtung eines Ziels oder eines Bereichs von Interesse lenkt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Dualband-Lichtquelle bereit, die eine IR-emittierende Laserdiode oder Leuchtdiode enthält, um die IR-Emissionskomponente zusätzlich zu einer laserbasierten Weißlicht-Emissionskomponente zu bilden. Die IR-emittierende Laserdiode enthält einen optischen Hohlraum mit Elektroden, die einen zweiten Treiberstrom liefern. Der zweite Treiberstrom sorgt für eine optische Verstärkung der elektromagnetischen IR-Strahlung, die sich in der Lichtwellenleiterregion ausbreitet. Die elektromagnetische Strahlung wird durch mindestens einen der Facettenbereiche als gerichtete elektromagnetische Strahlung abgegeben, die durch eine dritte Spitzenwellenlänge im IR-Bereich gekennzeichnet ist. In einer Konfiguration ist die gerichtete IR-Strahlung optisch an das Wellenlängenkonverterelement gekoppelt, so dass sich das Wellenlängenkonverterelement innerhalb des optischen Weges der IR-Strahlung befindet, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung von der Anregungsquelle zu empfangen. Nach dem Auftreffen auf das Wellenlängenkonverterelement würde die IR-Emission mit der dritten Spitzenwellenlänge zumindest teilweise vom Wellenlängenkonverterelement reflektiert und in denselben Strahlengang wie die Weißlicht-Emission mit der ersten und zweiten Spitzenwellenlänge umgelenkt. Die IR-Emission würde durch den optionalen Strahlformer geleitet, der so konfiguriert ist, dass er das ausgegebene IR-Licht so lenkt, dass es ungefähr dasselbe Ziel oder denselben Bereich von Interesse beleuchtet wie das sichtbare Licht. In dieser Ausführungsform könnten der erste und der zweite Treiberstrom unabhängig voneinander aktiviert werden, so dass die Vorrichtung eine sichtbare Lichtquelle bereitstellen könnte, wenn nur der erste Treiberstrom aktiviert ist, eine IR-Lichtquelle, wenn der zweite Treiberstrom aktiviert ist, oder gleichzeitig eine sichtbare und eine IR-Lichtquelle bereitstellen könnte. Bei einigen Anwendungen wäre es wünschenswert, die IR-Lichtquelle nur für die IR-Erkennung zu verwenden. Sobald ein Objekt erkannt wurde, könnte die sichtbare Lichtquelle aktiviert werden.
  • Lediglich als Beispiel kann die vorliegende Erfindung für Anwendungen wie weiße Beleuchtung, weiße Spot-Beleuchtung, Blitzlichter, Autoscheinwerfer, GeländewagenBeleuchtung, Lichtquellen in Freizeitsportarten wie Radfahren, Surfen, Laufen, Rennen, Bootfahren, Lichtquellen für Drohnen, Flugzeuge, Roboter, andere mobile oder RoboterAnwendungen, Sicherheit, Gegenmaßnahmen in Verteidigungsanwendungen, mehrfarbige Beleuchtung, Beleuchtung für Flachbildschirme, Medizin, Messtechnik, Beam-Projektoren und andere Displays, hohe Intensität Lampen verwendet werden, Spektroskopie, Unterhaltung, Theater, Musik und Konzerte, Analysebetrug, Detektion und/oder Authentifizierung, Werkzeuge, Wasseraufbereitung, Laserblender, Targeting, Kommunikation, LiFi, Kommunikation mit sichtbarem Licht (VLC), Sensorik, Detektion, Entfernungsmessung, Light Detection And Ranging (LIDAR), Transformation, Transport, Nivellierung, Aushärtung und andere chemische Behandlungen, Erhitzen, Schneiden und/oder Abtragen, Pumpen anderer optischer Vorrichtungen, anderer optoelektronischer Vorrichtungen und verwandter Anwendungen, sowie Lichtquellen und dergleichen. Die integrierte Lichtquelle gemäß dieser Erfindung kann in einen Autoscheinwerfer, eine allgemeine Beleuchtungsquelle, eine Sicherheitslichtquelle, eine Suchlichtquelle, eine Verteidigungslichtquelle, als ein Light Fidelity (LiFi) Kommunikationsgerät, für Gartenbauzwecke zur Optimierung des Pflanzenwachstums oder viele andere Anwendungen eingebaut werden.
  • Figurenliste
  • Die folgenden Zeichnungen sind lediglich Beispiele zur Veranschaulichung verschiedener offengelegter Ausführungsformen und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.
    • 1A ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle integriert ist und einen UV- oder blauen Pumplaser, ein Element zur Umwandlung sichtbarer Wellenlängen und eine IR-emittierende Laserdiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
    • 1B ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle integriert ist und einen UV- oder blauen Pumplaser, ein sichtbar emittierendes Phosphorelement und eine IR-emittierende Laserdiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
    • 1C ist ein Beispiel für das optische Spektrum einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit einer IR-emittierenden Laserdiode für IR-Beleuchtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 2A ist eine schematische Darstellung eines IR-emittierenden Einkristall-Leuchtstoffs, der für den Betrieb im Reflexionsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 2B ist eine schematische Darstellung eines IR-emittierenden Leuchtstoffs in einem Glaselement, das für den Betrieb im Reflexionsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 2C ist eine schematische Darstellung eines gesinterten pulverförmigen oder keramischen IR-emittierenden Leuchtstoffs, der für den Betrieb im Reflexionsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 3A ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle integriert ist und einen UV- oder blauen Pumplaser, eine rote oder IR-nahe emittierende Laserdiode, ein sichtbares Licht emittierendes Phosphorelement und ein IR-emittierendes Phosphorelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
    • 3B ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle integriert ist und eine UV- oder blaue Pumplaserdiode, ein Strahlsteuerungselement, ein sichtbares Licht emittierendes Leuchtstoffelement und ein IR-emittierendes Leuchtstoffelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
    • 4A ist ein schematisches Diagramm eines gestapelten Leuchtstoffelements, das aus einem sichtbares Licht emittierenden Leuchtstoff und einem IR-emittierenden Leuchtstoff besteht und für den Betrieb im Reflexionsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 4B ist ein schematisches Diagramm eines zusammengesetzten Leuchtstoffelements, das aus sichtbares Licht emittierenden Leuchtstoffelementen und IR-emittierenden Leuchtstoffelementen besteht, die in einem gemeinsamen Volumenbereich kombiniert und für den Betrieb im Reflexionsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind.
    • 5A ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle integriert ist, die eine UV- oder blaue Pumplaserdiode und ein Phosphorelement enthält, das sowohl für die Emission von sichtbarem Licht als auch von IR-Licht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 5B ist ein Beispiel für das optische Spektrum einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit einem IR-emittierenden Wellenlängenkonverter konfiguriert ist, um eine IR-Beleuchtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
    • 6A ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle integriert ist, die einen UV- oder blauen Pumplaser, eine rote oder IR-nahe emittierende Laserdiode und ein Phosphorelement enthält, das sowohl für die Emission von sichtbarem Licht als auch von IR-Licht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 6B ist ein Beispiel für das optische Spektrum einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit einer rot oder im nahen IR-Bereich emittierenden Laserdiode konfiguriert ist, um einen IR-emittierenden Wellenlängenkonverter anzuregen und eine IR-Beleuchtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
    • 7A ist ein schematisches Diagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsfunktion, die im Transmissionsmodus arbeitet und in einem TO behälterartigen Paket gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung untergebracht ist.
    • 7B ist eine schematische Seitenansicht einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsmöglichkeit, die im Transmissionsmodus arbeitet und in einem TO behälterartigen Paket mit einem IR-emittierenden Wellenlängenkonverterelement untergebracht ist, das mit dem transparenten Fenster der Kappe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 7C ist eine schematische Seitenansicht einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsmöglichkeit, die im Transmissionsmodus arbeitet und in einem TO behälterartigen Paket mit einem IR- und sichtbares Licht emittierenden Wellenlängenkonverterelement untergebracht ist, das mit dem transparenten Fenster der Kappe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 7D ist eine schematische Seitenansicht eines IR- und sichtbares Licht emittierenden Wellenlängenkonverterelements, das mit dem transparenten Fenster der Kappe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 7E ist ein schematisches Diagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle, die im Reflexionsmodus arbeitet und in einem TO behälterartigen Paket untergebracht ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 8A ist ein schematisches Diagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsfunktion, die im Reflexionsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
    • 8B ist ein schematisches Diagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsmöglichkeit, die im Reflexionsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
    • 9A ist ein schematisches Diagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsmöglichkeit, die im Reflexionsmodus in einem oberflächenmontierten Gehäuse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
    • 9B ist ein schematisches Diagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsmöglichkeit, die im Reflexionsmodus in einem oberflächenmontierten Paket gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
    • 9C ist ein schematisches Diagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle mit IR-Beleuchtungsfunktion, die mit seitengepumptem Leuchtstoff in einem oberflächenmontierten Paket gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
    • 10A ist eine schematische Seitenansicht einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsfunktion, die im Reflexionsmodus in einem geschlossenen oberflächenmontierten Paket gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
    • 10B ist eine schematische Seitenansicht einer fasergekoppelten Laser-basierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsfähigkeit, die im Reflexionsmodus in einem geschlossenen Paket gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
    • 11 ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle integriert ist, die einen UV- oder blauen Pumplaser, ein Element zur Umwandlung sichtbarer Wellenlängen, eine IR-emittierende Laserdiode und Sensorelemente enthält, die für die Beleuchtungsaktivierung auf der Grundlage einer Sensorrückmeldung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind.
    • 12A ist ein Funktionsblockdiagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle, die für die Kommunikation mit sichtbarem Licht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aktiviert ist.
    • 12B ist ein funktionales Blockdiagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle, die für die Kommunikation mit sichtbarem Licht gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aktiviert ist.
    • 13A ist ein Funktionsblockdiagramm für ein laserbasiertes intelligentes Beleuchtungssystem gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 13B ist ein Funktionsdiagramm für ein dynamisches, laserbasiertes intelligentes Beleuchtungssystem gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 14A ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die sowohl ein Tiefenerfassungssystem als auch eine laserbasierte sichtbare Lichtquelle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst.
    • 14B ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Laserlicht-Beleuchtungssystems, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung integriert ist.
    • 14C ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Laserlicht-Beleuchtungssystems, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung integriert ist.
    • 14D ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Kombination aus GaNhaltigem Laserlicht und IR-emittierendem Laserbeleuchtungssystem, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist.
    • 14E ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Kombination aus GaNhaltigem Laserlicht und/oder IR-emittierendem Laserbeleuchtungssystem, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist.
    • 14F ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Kombination aus GaNhaltigem Laserlicht und/oder IR-emittierendem Laserbeleuchtungssystem, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist.
    • 14G ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Kombination aus GaNhaltigem Laserlicht und IR-emittierendem Laserbeleuchtungssystem, das mit einem Datenkommunikationssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist.
    • 14H ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Kombination aus GaNhaltigem Laserlicht und IR-emittierendem Laserbeleuchtungssystem, das mit einem Datenkommunikationssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist.
    • 15 ist ein Querschnittsdiagramm eines kompakten Gehäuses einer intelligenten sichtbaren/infraroten Lichtvorrichtung, die mit einer Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserquelle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
    • 16 ist ein vereinfachtes Diagramm eines anbringbaren Beleuchtungsmoduls, das für die Beleuchtung mit sichtbarem Licht/Infrarotlicht, Tiefenerfassung und Kommunikation gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein tragbare Vorrichtung bzw. ein tragbares Gerät bereit, das mit einer Weißlicht- und/oder einer Infrarot-(IR)-Beleuchtungsquelle auf der Grundlage von Gallium- und Stickstoff-haltigen Laserdioden in oberflächenmontierten Vorrichtungen bzw. Geräten konfiguriert ist. Mit der Fähigkeit, Licht sowohl im sichtbaren Spektrum als auch im Infrarotspektrum zu emittieren, ist die tragbare Vorrichtung bzw. das tragbare Gerät optional eine Dualband-Lichtquelle, die entweder für die Entfernungsmessung und/oder die Lichtkommunikation eingesetzt werden kann oder beide. In einigen Ausführungsformen wird die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode mit einem Verfahren zur Übertragung von Gallium und Stickstoff enthaltenden Schichten und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung hergestellt. In einigen Ausführungsformen umfasst die tragbare Vorrichtung ein Gehäuse, das so konfiguriert ist, dass es ein kompaktes, tragbares oder handgehaltenes Paket ist, das Steuergeräte/Treiber, Sender und Sensoren/Detektoren enthält, um Rückkopplungsschleifen zu bilden, die die Infrarot-Beleuchtungsquelle und/oder die laserbasierte Weißlicht-Beleuchtungsquelle aktivieren, die von diesen Quellen ausgesendeten Lichtsignale auf der Grundlage bestimmter Eingangsdaten modulieren und vom Feld zurückgegebene Lichtsignale für verschiedene Anwendungen erfassen können. Die Erfindung stellt integrierte intelligente Laserlichtvorrichtungen und -verfahren bereit, die mit Infrarot- und sichtbarer Beleuchtungsfähigkeit für Spotlighting, Detektion, Bildgebung, Projektionsanzeige, räumlich dynamische Lichtvorrichtungen und -verfahren, Tiefenbestimmung, Infrarotvermessung und sichtbare/infrarote Lichtkommunikationsvorrichtungen und -verfahren und verschiedene Kombinationen der oben genannten in Anwendungen der allgemeinen Beleuchtung, kommerziellen Beleuchtung und Anzeige, Automobilbeleuchtung und - kommunikation, Verteidigung und Sicherheit, Suche und Rettung, industrielle Verarbeitung, Internetkommunikation, Landwirtschaft oder Gartenbau konfiguriert sind. Die tragbare integrierte Lichtquelle gemäß dieser Erfindung kann miniaturisiert werden, um diese Funktionen in eine Taschenlampe, eine handgehaltene Beleuchtungsquelle oder eine Sicherheitslichtquelle oder eine Suchlichtquelle oder eine Verteidigungslichtquelle sowie ein Light Fidelity (LiFi) Kommunikationsgerät oder ein Gerät für Gartenbauzwecke zur Optimierung des Pflanzenwachstums oder viele andere Anwendungen zu integrieren.
  • In einem Aspekt bietet diese Erfindung neuartige Verwendungen und Konfigurationen von Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdioden in Beleuchtungssystemen, die für IR-Beleuchtung konfiguriert sind, die in Dual-Spektrum-Scheinwerfern, Bildgebung, Sensorik und Suchanwendungen eingesetzt werden können. Mit einer laserbasierten Weißlichtquelle und einer IR-Lichtquelle ist diese Erfindung in der Lage, Licht sowohl im sichtbaren Wellenlängenband als auch im IR-Wellenlängenband zu emittieren und selektiv in einem Band oder gleichzeitig in beiden Bändern zu arbeiten. Diese Zweiband-Emissionsquelle kann in Kommunikationssystemen eingesetzt werden, z. B. in Kommunikationssystemen mit sichtbarem Licht wie Li-Fi-Systemen, in Kommunikationssystemen, die die Konvergenz von Beleuchtung und Anzeige mit statischer oder dynamischer räumlicher Musterung unter Verwendung von Strahlformungselementen wie MEMS-Abtastspiegeln oder digitalen Lichtverarbeitungseinheiten nutzen, und in Kommunikationssystemen, die durch integrierte Sensorrückmeldungen ausgelöst werden. Bei bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Übertragung von Gallium und Stickstoff enthaltenden Materialien zur Herstellung von Laserdioden oder anderen Gallium und Stickstoff enthaltenden Bauelementen eingesetzt, das Vorteile gegenüber herkömmlichen Herstellungstechnologien bietet.
  • Die vorliegende Erfindung ist sowohl für die Emission von sichtbarem Licht als auch für die Emission von IR-Licht ausgelegt. Während die Notwendigkeit und Nützlichkeit von sichtbarem Licht ist klar verstanden, ist es oft wünschenswert, Beleuchtung Wellenlängenbereiche, die nicht sichtbar sind, bereitzustellen. In einem Beispiel wird die IR-Beleuchtung für die Nachtsicht verwendet. Nachtsicht- oder IR-Detektionsgeräte spielen eine entscheidende Rolle bei Verteidigung, Sicherheit, Suche und Rettung sowie bei Freizeitaktivitäten sowohl im privaten als auch im kommunalen oder staatlichen Sektor. Da Nachtsichtgeräte die Möglichkeit bieten, bei keinem oder nur geringem Umgebungslicht zu sehen, werden sie auf den Verbrauchermärkten für verschiedene Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Jagd, beim Spielen, beim Autofahren, bei der Ortung, beim Aufspüren, beim persönlichen Schutz und bei anderen. Ob auf biologischem oder technischem Wege, Nachtsicht und IR-Erkennung werden durch eine Kombination aus ausreichendem Spektralbereich und ausreichendem Intensitätsbereich ermöglicht. Eine solche Erkennung kann zur zweidimensionalen Figur oder zur dreidimensionalen Entfernungsmessung (z. B. Entfernungsmessung) oder zur dreidimensionalen Figur (z. B. LIDAR) erfolgen.
  • Lediglich als Beispiel kann die Erfindung auf Anwendungen wie Weißlicht, Weißpunktbeleuchtung, Blitzlichter, Autoscheinwerfer, Geländewagenbeleuchtung, Blitzlichtquellen wie Kamerablitze, Lichtquellen für Freizeitsportarten wie Radfahren, Surfen, Laufen, Rennen, Bootfahren, Lichtquellen für Drohnen, Flugzeuge, Roboter, andere mobile oder Roboteranwendungen, Sicherheit, Suche und Rettung, Sensorik, Entfernungsmessung, Gegenmaßnahmen in Verteidigungsanwendungen, mehrfarbige Beleuchtung, Beleuchtung für Flachbildschirme, Medizin, Messtechnik, Strahlprojektoren und andere Anzeigen, Lampen mit hoher Intensität, Spektroskopie, Unterhaltung, Theater, Musik und Konzerte, Analysebetrug, Erkennung und/oder Authentifizierung, Werkzeuge, Wasseraufbereitung, Laserblender, Targeting, Kommunikation, LiFi, Kommunikation mit sichtbarem Licht (VLC), Erkennung, Entfernungsmessung, Light Detection And Ranging (LIDAR), Umwandlung, Transport, Nivellierung, Aushärtung und andere chemische Behandlungen, Erhitzen, Schneiden und/oder Abtragen, Pumpen anderer optischer Geräte, andere optoelektronische Geräte und verwandte Anwendungen sowie Quellenbeleuchtung und Ähnliches.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Gallium und Stickstoff enthaltende lichtemittierende Vorrichtung keine Laservorrichtung sein, sondern kann stattdessen als superlumineszente Diode oder superlumineszente lichtemittierende Diode (SLED) konfiguriert sein. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung können die Begriffe SLED und Laserdiode austauschbar verwendet werden. Eine SLED ähnelt einer Laserdiode, da sie auf einem elektrisch betriebenen Übergang basiert, der bei Strominjektion optisch aktiv wird und verstärkte spontane Emission (ASE) und Verstärkung über einen breiten Wellenlängenbereich erzeugt. Wenn die optische Leistung durch ASE dominiert wird, gibt es einen Knick in der Kennlinie der Lichtleistung in Abhängigkeit vom Strom (LI), wobei die Einheit der Lichtleistung pro Einheit des injizierten Stroms drastisch größer wird. Dieser Knick in der LI-Kurve ähnelt dem Schwellenwert einer Laserdiode, ist aber viel weicher. Der Vorteil einer SLED-Vorrichtung besteht darin, dass sie die einzigartigen Eigenschaften der hohen optischen Emissionsleistung und der extrem hohen räumlichen Helligkeit von Laserdioden, die sie ideal für hocheffiziente Long-Throw-Beleuchtungen und Anwendungen zur Anregung von Leuchtstoffen mit hoher Helligkeit machen, mit einer breiten spektralen Breite (>5nm) kombinieren kann, die in einigen Fällen für eine verbesserte Augensicherheit und Bildqualität sorgt. Die große spektrale Breite führt zu einer geringen Kohärenzlänge, ähnlich wie bei einer LED. Die geringe Kohärenzlänge sorgt für eine verbesserte Sicherheit, z. B. für die Augen. Darüber hinaus kann die breite spektrale Breite optische Verzerrungen bei Display- oder Beleuchtungsanwendungen drastisch reduzieren. Das bekannte Verzerrungsmuster, das als „Speckle“ bezeichnet wird, ist beispielsweise das Ergebnis eines Intensitätsmusters, das durch die gegenseitige Interferenz einer Reihe von Wellenfronten auf einer Oberfläche oder in einer Betrachtungsebene entsteht. Die allgemeinen Gleichungen, die üblicherweise zur Quantifizierung des Speckle-Grades verwendet werden, sind umgekehrt proportional zur spektralen Breite. In der vorliegenden Beschreibung werden sowohl eine Laserdiode (LD) als auch eine superlumineszente Leuchtdiode (SLED) manchmal einfach als „Lasergerät“ bezeichnet.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mehrere Laserdiodenquellen so konfiguriert, dass sie denselben Leuchtstoff oder dasselbe Leuchtstoffnetzwerk anregen. Die Kombination mehrerer Laserquellen kann viele potenzielle Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung bieten. Erstens kann die Anregungsleistung durch die Kombination von Strahlen erhöht werden, um einen stärkeren Anregungsspieß zu erhalten und somit eine hellere Lichtquelle zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen sind separate einzelne Laserchips in der Laser-Phosphor-Lichtquelle angeordnet. Durch den Einbau mehrerer Laser mit einer Leistung von jeweils 1 W, 2W, 3W, 4W, 5W oder mehr kann die Anregungsleistung erhöht und damit die Helligkeit der Quelle gesteigert werden. Wenn beispielsweise zwei 3-W-Laser denselben Leuchtstoffbereich anregen, kann die Anregungsleistung auf 6 W erhöht werden, was zu einer Verdoppelung der Weißlichthelligkeit führt. In einem Beispiel, in dem etwa 200 Lumen Weißlicht pro 1 Watt Laseranregungsleistung erzeugt werden, würde die Weißlichtleistung von 600 Lumen auf 1200 Lumen erhöht. Über die Skalierung der Leistung jedes einzelnen Laserdiodenemitters hinaus kann der Gesamtlichtstrom der Weißlichtquelle erhöht werden, indem die Gesamtzahl der Laserdioden erhöht wird, die von 10s über 100s bis hin zu 1000s von Laserdiodenemittern reichen kann, was zu 10s bis 100s von kW Laserdiodenanregungsleistung führt. Die Skalierung der Anzahl der Laserdiodenemitter kann auf vielerlei Weise erfolgen, z. B. durch den Einbau mehrerer Laser in ein gemeinsames Paket bzw. Gehäuse, durch räumliche Strahlenbündelung mittels herkömmlicher refraktiver Optik oder durch Polarisationsbündelung und andere. Darüber hinaus können Laserdiodenbarren oder -arrays und Minibarren verwendet werden, bei denen jeder Laserchip viele benachbarte Laserdiodenemitter enthält. Ein Barren kann beispielsweise 2 bis 100 Laserdiodenemitter enthalten, die in einem Abstand von etwa 10 Mikrometern bis etwa 400 Mikrometern angeordnet sind. In ähnlicher Weise kann die Zuverlässigkeit der Quelle erhöht werden, indem mehrere Quellen bei niedrigeren Ansteuerungsbedingungen eingesetzt werden, um die gleiche Anregungsleistung zu erreichen wie eine einzelne Quelle, die unter härteren Bedingungen wie höherem Strom und höherer Spannung betrieben wird.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Lichtquelle bereit, die für die Emission von sichtbarem Licht auf Laserbasis, wie z. B. weißes Licht, und infrarotes Licht konfiguriert ist, um eine Beleuchtungsquelle zu bilden, die sichtbare und IR-Beleuchtung bereitstellen kann. Die Lichtquelle umfasst eine Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdioden-Anregungsquelle, die mit einem optischen Hohlraum konfiguriert ist. Der optische Hohlraum umfasst einen optischen Wellenleiterbereich und einen oder mehrere Facettenbereiche. Der optische Hohlraum ist mit Elektroden ausgestattet, um einen ersten Treiberstrom an das Gallium und Stickstoff enthaltende Material zu liefern. Der erste Treiberstrom sorgt für eine optische Verstärkung einer elektromagnetischen Strahlung, die sich im Lichtwellenleiterbereich des Gallium und Stickstoff enthaltenden Materials ausbreitet. Die elektromagnetische Strahlung wird durch mindestens einen der einen oder mehreren Facettenbereiche als gerichtete elektromagnetische Strahlung abgegeben, die durch eine erste Spitzenwellenlänge im ultravioletten, blauen, grünen oder roten Wellenlängenbereich gekennzeichnet ist. Darüber hinaus umfasst die Lichtquelle einen Wellenlängenkonverter, beispielsweise ein Phosphorelement, der optisch mit dem elektromagnetischen Strahlungsweg gekoppelt ist, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung von der Anregungsquelle zu empfangen. Der Wellenlängenkonverter ist so konfiguriert, dass er mindestens einen Teil der gerichteten elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in mindestens eine zweite Spitzenwellenlänge umwandelt, die länger ist als die erste Spitzenwellenlänge. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Ausgangssignal aus einem Weißfarbspektrum, wobei zumindest die zweite Spitzenwellenlänge und teilweise die erste Spitzenwellenlänge die laserbasierte Spektralkomponente des sichtbaren Lichts gemäß der vorliegenden Erfindung bilden. In einem Beispiel ist die erste Peak-Wellenlänge eine blaue Wellenlänge und die zweite Peak-Wellenlänge eine gelbe Wellenlänge. Die Lichtquelle umfasst optional einen Strahlformer, der so konfiguriert ist, dass er das Weiß-Farbspektrum zur Beleuchtung eines Ziels oder eines Bereichs von Interesse lenkt.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Laserdiode oder Leuchtdiode mit einer dritten Spitzenwellenlänge enthalten, um die IR-Emissionskomponente der Doppelband-Lichtquelle zu bilden. Die IR-Laserdiode enthält einen optischen Hohlraum, der mit Elektroden ausgestattet ist, um der IR-Laserdiode einen zweiten Treiberstrom zuzuführen. Der zweite Treiberstrom sorgt für eine optische Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung, die sich im Lichtwellenleiterbereich des IR-Laserdiodenmaterials ausbreitet. Die elektromagnetische Strahlung wird durch mindestens einen der einen oder mehreren Facettenbereiche als gerichtete elektromagnetische Strahlung abgegeben, die durch eine dritte Spitzenwellenlänge im IR-Bereich gekennzeichnet ist. In einer Konfiguration ist die gerichtete IR-Emission optisch an das Wellenlängenkonverterelement gekoppelt, so dass sich das Wellenlängenkonverterelement innerhalb des optischen Weges der IR-Emission befindet, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung von der Anregungsquelle zu empfangen. Nach dem Auftreffen auf das Wellenlängenkonverterelement würde die IR-Emission mit der dritten Spitzenwellenlänge zumindest teilweise vom Wellenlängenkonverterelement reflektiert und in denselben Strahlengang wie die Weißlicht-Emission mit der ersten und zweiten Spitzenwellenlänge umgelenkt. Die IR-Emission würde durch den optionalen Strahlformer geleitet, der so konfiguriert ist, dass er das ausgegebene IR-Licht so lenkt, dass es ungefähr dasselbe Ziel oder denselben Bereich von Interesse beleuchtet wie das sichtbare Licht. In dieser Ausführungsform könnten der erste und der zweite Treiberstrom unabhängig voneinander aktiviert werden, so dass die Vorrichtung eine sichtbare Lichtquelle bereitstellen könnte, wenn nur der erste Treiberstrom aktiviert ist, eine IR-Lichtquelle, wenn der zweite Treiberstrom aktiviert ist, oder gleichzeitig eine sichtbare und eine IR-Lichtquelle bereitstellen könnte. Bei einigen Anwendungen wäre es wünschenswert, die IR-Lichtquelle nur für die IR-Erkennung zu verwenden. Sobald ein Objekt erkannt wurde, könnte die sichtbare Lichtquelle aktiviert werden.
  • 1A ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die einen Gallium und Stickstoff enthaltenden violetten oder blauen Pumplaser und ein Wellenlängenkonverterelement zur Erzeugung einer Weißlichtemission sowie eine infrarot emittierende Laserdiode zur Erzeugung einer IR-Emission gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. In 1A ist eine violette oder blaue Laservorrichtung dargestellt, die ein Spektrum mit einer Mittelpunktswellenlänge zwischen 390 und 480 nm emittiert. Das Licht der violetten oder blauen Laservorrichtung fällt auf ein Wellenlängenkonverterelement, das das blaue Licht teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts umwandelt, so dass ein weißes Lichtspektrum erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen arbeitet die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode im Bereich von 480 nm bis 540 nm. In einigen Ausführungsformen besteht die Laserdiode aus einem III-Nitrid-Material, das im ultravioletten Bereich mit einer Wellenlänge von etwa 270 nm bis etwa 390 nm emittiert. Es ist ein Lasertreiber vorgesehen, der die Gallium und Stickstoff enthaltende Laservorrichtung mit Energie versorgt, um das Element mit der sichtbaren Emissionswellenlänge anzuregen. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere optische Elemente zur Strahlformung vorgesehen sein, um das Weißlichtspektrum zu formen oder zu fokussieren. Zusätzlich ist eine IR-emittierende Laservorrichtung vorgesehen, um eine IR-Beleuchtung zu erzeugen. Die gerichtete elektromagnetische IR-Strahlung von der Laserdiode fällt auf das Wellenlängenkonverterelement, wobei sie von diesem reflektiert oder durch das Wellenlängenkonverterelement übertragen wird, so dass sie demselben optischen Pfad folgt wie die Weißlichtstrahlung. Die IR-Emission könnte eine Spitzenwellenlänge im Bereich von 700 nm bis 1100 nm auf der Grundlage eines Gallium- und Arsen-Materialsystems (z. B. GaAs) für die Nah-IR-Beleuchtung oder eine Spitzenwellenlänge im Bereich von 1100 bis 2500 nm auf der Grundlage eines Indium- und Phosphor-haltigen Materialsystems (z. B. InP) für augensichere IR-Beleuchtung oder im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm auf der Grundlage der Quantenkaskadenlasertechnologie für die Wärmebildgebung im mittleren IR-Bereich aufweisen. Beispielsweise arbeiten GaInAs/AlInAs-Quantenkaskadenlaser bei Raumtemperatur im Wellenlängenbereich von 3 µm bis 8µm. Ein Lasertreiber versorgt die IR-emittierende Laserdiode mit Energie und liefert eine kontrollierte Strommenge bei einer ausreichend hohen Spannung, um die IR-Laserdiode zu betreiben. Optional kann das eine oder mehrere optische Elemente zur Strahlformung aus einer Kollimationslinse mit langsamer Achse, einer Kollimationslinse mit schneller Achse, einer asphärischen Linse, einer Kugellinse, einer TIR-Optik (Total Internal Reflector), einer parabolischen Linsenoptik, einer refraktiven Optik oder einer Kombination der oben genannten Elemente bestehen. In anderen Ausführungsformen können das eine oder die mehreren strahlformenden optischen Elemente vor dem Laserlicht angeordnet werden, das auf das Wellenlängenkonverterelement trifft.
  • In einigen Ausführungsformen werden die sichtbaren und/oder IR-Emissionen der Lichtquelle in einen Lichtwellenleiter wie eine optische Faser eingekoppelt, bei der es sich um eine optische Glasfaser oder eine optische Kunststofffaser handeln kann.
  • In einer zusätzlichen Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform, die eine direkte Laserdioden-IR-Beleuchtungsquelle umfasst, wird die IR-Beleuchtung optisch direkt an die optischen Strahlformungselemente gekoppelt, anstatt mit dem Wellenlängenkonverterelement zu interagieren, wo sie reflektiert und/oder übertragen würde. 1B ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die einen Gallium und Stickstoff enthaltenden violetten oder blauen Pumplaser und ein Wellenlängenkonverterelement zur Erzeugung einer Weißlichtemission sowie eine infrarotemittierende Laserdiode zur Erzeugung einer IR-Emission gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. In einigen Ausführungsformen wird die Weißlichtquelle als „Lichtmaschine“ für VLC oder intelligente Beleuchtungsanwendungen verwendet. In 1B ist eine blaue oder violette Laservorrichtung dargestellt, die ein Spektrum mit einer Mittelpunktswellenlänge zwischen 390 und 480 nm emittiert. Das Licht der violetten oder blauen Laservorrichtung trifft auf ein Wellenlängenkonverterelement, das das blaue Licht teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts umwandelt, so dass ein weißes Lichtspektrum erzeugt wird.
  • Das resultierende Spektrum der in den 1A und 1B beschriebenen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung würde aus einem relativ schmalbandigen (etwa 0.5 bis 3 nm) von der Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdiode im UV- oder blauen Wellenlängenbereich, einer breitbandigen (etwa 10 bis 100 nm) Wellenlängenkonverteremission im sichtbaren Spektrum mit einer längeren Spitzenwellenlänge als die UV- oder blaue Laserdiode und der relativ schmalbandigen (etwa 1 bis 10 nm) Emission von der IR-Laserdiode mit einer längeren Wellenlänge als die Spitzenemissionswellenlänge von dem sichtbaren Phosphorelement. 1C zeigt ein Beispiel für ein optisches Spektrum im Sinne der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur emittiert die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode im blauen Bereich bei etwa 440 bis 455 nm, das sichtbare Wellenlängenkonverterelement im gelben Bereich und die enthaltene IR-Beleuchtungslaserdiode emittiert bei 875 nm. Natürlich sind viele andere Konfigurationen der vorliegenden Erfindung möglich, einschließlich Gallium und Stickstoff enthaltender Laserdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen, sichtbarer Leuchtstoffemission mit unterschiedlichen Wellenlängen und Spitzenemissionswellenlängen von IR-Laserdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen. So könnte die IR-Laserdiode beispielsweise mit einer Spitzenwellenlänge zwischen 700 nm und 3 µm arbeiten.
  • Die IR-Laser gemäß der vorliegenden Erfindung können so konfiguriert werden, dass sie bei Wellenlängen zwischen 700 nm und 2,5 Mikrometern emittieren. Die IR-Laserdiode kann verwendet werden, um eine IR-Beleuchtungsfunktion oder eine LiFi/VLC-Kommunikationsfunktion oder eine Kombination aus beiden Funktionen bereitzustellen. So könnte beispielsweise eine auf GaAs basierende Laserdiode, die im Bereich von 700 nm bis 1100 nm emittiert, für die NIR-Nachtsichtbeleuchtung, Entfernungsmessung, LIDAR-Erfassung und Kommunikation eingesetzt werden. Ein weiteres Beispiel ist eine Laserdiode, die im Bereich von 1100 bis 2500 nm auf der Basis von InP für augensichere IR-Beleuchtung, Entfernungsmessung, LIDAR-Sensorik und Kommunikation eingesetzt werden kann. Ein weiteres Beispiel ist eine Laserdiode, die im Wellenlängenbereich von 2500nm bis 15000nm arbeitet und auf der Quantenkaskadenlasertechnologie für die Wärmebildgebung im mittleren IR-Bereich, die Erkennung und die Kommunikation basiert. Beispielsweise arbeiten GalnAs/AlInAs-Quantenkaskadenlaser bei Raumtemperatur im Wellenlängenbereich von 3 µm bis 8µm. IR-Laserdioden gemäß der vorliegenden Erfindung können auf InP-Substraten unter Verwendung des InGaAsP-Materialsystems oder auf GaAs-Substraten unter Verwendung des InAlGaAsP-Materialsystems hergestellt werden. Für die IR-Emission können Quantenkaskadenlaser eingesetzt werden. In einer Ausführungsform könnten ein oder mehrere IR-Laserbauelemente auf demselben Trägerwafer wie die sichtbare violette oder blaue GaN-Laserdiodenquelle unter Verwendung der erfindungsgemäßen Epitaxie-Transfertechnologie gebildet werden. Ein solches Bauelement wäre für die IR-Beleuchtung vorteilhaft, da es kostengünstig und kompakt ist und eine ähnliche Emissionsapertur wie die sichtbare Laserdiode aufweist, um die IR-Emission und die Emission des sichtbaren Lichts effektiv zu überlagern. Darüber hinaus wäre eine solche Vorrichtung bei Kommunikationsanwendungen von Vorteil, da die IR-Laserdiode zwar nicht zur Lichtausbeute der Lichtmaschine beiträgt, aber einen nicht sichtbaren Kanal für die Kommunikation bereitstellen würde. Dies würde die Fortsetzung der Datenübertragung unter einer größeren Bandbreite von Bedingungen ermöglichen. Eine VLCfähige Lichtmaschine, die nur sichtbare Strahler verwendet, wäre beispielsweise nicht in der Lage, Daten effektiv zu übertragen, wenn die Lichtquelle ausgeschaltet ist, wie es beispielsweise in einem Kino, einem Konferenzraum während einer Präsentation, einem stimmungsvoll beleuchteten Restaurant oder einer Bar oder in einem Schlafzimmer bei Nacht der Fall ist. In einem anderen Beispiel könnte die nicht umgewandelte Laservorrichtung ein Spektrum emittieren, das blauem oder violettem Licht entspricht, mit einer zentralen Wellenlänge zwischen 390 und 480 nm. In einigen Ausführungsformen arbeitet die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode im Bereich von 480 nm bis 540 nm oder im UV-Bereich von etwa 270 nm bis 390 nm. In einer anderen Ausführungsform kann der nicht umgewandelte blaue oder violette Laser entweder nicht auf das Wellenlängenkonverterelement auftreffen und mit dem Weißlichtspektrum in einer Strahlformungs- und Kombinationsoptik kombiniert werden.
  • In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein zweites Wellenlängenkonverterelement enthalten, um eine Emission im IR-Bereich bei einer dritten Spitzenwellenlänge zu erzeugen, um die IR-Emissionskomponente der Doppelband-Lichtquelle bereitzustellen. Das IR-Wellenlängenkonverterelement, z. B. ein Phosphorelement, ist so konfiguriert, dass es ein laserinduziertes Pumplicht empfängt und absorbiert und ein IR-Licht mit längerer Wellenlänge emittiert. In dieser Ausführungsform umfasst die Zweiband-Lichtquelle das erste Wellenlängenkonverterelement zur Emission von sichtbarem Licht und das zweite Wellenlängenkonverterelement zur Emission von IR-Licht.
  • Um den nutzbaren Wellenlängenbereich für laserbasierte Beleuchtung zu erweitern, ist es möglich, Infrarot-abwärtskonvertierende Leuchtstoffe zu verwenden, um Emission im NIR-(0,7-1,4µm) und mittleren IR-Spektrum (1,4-3,0µm) oder im tieferen IR-Spektrum jenseits von 3,0µm zu erzeugen. Dabei kann es sich um eine reine IR-Emission oder um eine Kombination aus sichtbarer und infraroter Emission handeln, je nach den Anforderungen der Anwendung. Es gibt eine große Anzahl potenzieller IR-Leuchtstoffe, deren Eignung jedoch von der Anwendungswellenlänge und den inhärenten Eigenschaften des Leuchtstoffs für die Umwandlung von sichtbarem Licht in IR-Licht abhängt. In einigen Ausführungsformen ist die Leuchtstoffemission durch einen Photolumineszenz-Peak mit einer Wellenlänge von 1550 nm gekennzeichnet, der mit dem 4f-4-Intraband-Übergang des Ions Er+3 verbunden ist.
  • Einige Beispiele für Leuchtstoffe, die infrarotes Licht emittieren, sind Lu3 Als O12 : 0.05 Ce3+ , 0.5% Cr3+ , die im Bereich 500-850nm emittieren, La3Ga4.95 GeO14 :0.05 Cr3+ , die im Bereich 600-1200nm emittieren, Bi-dotiertes GeO2 Glas, das im Bereich 1000-1600nm emittiert, Ca2 LuZr2 Al3 O12 :0.08 Cr3+ emittiert im Bereich 650-850nm, ScBO3 :0.02 Cr3+ emittiert im Bereich 700-950nm, YAl3 (BO3 )4 :0.04 Cr3+ , 0.01 Yb3+ emittiert im Bereich 650-850nm und 980nm, und NaScSi2 O6: 0.06 Cr3+ emittiert im Bereich 750-950nm.
  • Darüber hinaus hat sich ein großer Teil der Arbeiten zu Infrarot-Leuchtstoffen auf die Verwendung von Cr3+ -Materialien konzentriert. ZnGa2 O4 emittiert beispielsweise im Bereich von 650-750 nm, Zn(Ga1-x Alx)2 O4 emittiert im Bereich von 675-800 nm, ZnxGa2 O3+x emittiert im Bereich von 650-750 nm, MgGa2 O4 emittiert im Bereich von 650-770 nm, Zn3 Ga2 Ge2 O10 emittiert im Bereich 650-1000nm, Zm1+x Ga2-2x (Ge,Sn)x O4 emittiert im Bereich 650-800nm, Zn3 Ga2 Ge2 O10 emittiert im Bereich 600-800nm, Zn3 Ga2 Sn1 O8 emittiert im Bereich 600-800nm, Ca3 Ga2 Ge3 O12 emittiert im Bereich von 670-1 100nm, Ca14 Zn6 Al10 O35 emittiert im Bereich von 650-750nm, Y3 Al2 Gas O10 emittiert im Bereich von 500-800nm, Gd3 Ga5 O10 emittiert im Bereich von 650-800nm, Lu3 Als O12 emittiert im Bereich von 500-850nm, La3 Gas GeO14 emittiert im Bereich 600-1200nm, LiGas O8 emittiert im Bereich 650-850nm, β-Ga2 O3 emittiert im Bereich 650-850nm, und SrGa12 O19 emittiert im Bereich 650-950nm.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestehen die IR-Wellenlängenkonverterelemente aus Halbleitermaterialien. In einem Beispiel sind Festkörperstrukturen mit Halbleiter-Bulk-Material-Strukturen, Quantentopf-Strukturen oder Quantendraht-Strukturen enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie infrarotes Licht emittieren. Einige Beispiele solcher Festkörperstrukturen, die in der Lage sind, elektromagnetische IR-Strahlung zu emittieren, sind Si, das im Bereich 700-1000 nm emittiert, Ge, das im Bereich 800-2000 nm emittiert, GaAs, das im Bereich 800-900 nm emittiert, InP, das im Bereich 800-900 nm emittiert, InGaAs, das im Bereich 900-1700 nm emittiert, InAs, das im Bereich 2000-3000 nm emittiert, InAlAs, das im Bereich 900-1600 nm emittiert, AlGaAs, das im Bereich 700-900nm emittiert, AlInGaP, das im Bereich 600-800nm emittiert, InGaAsP, das im Bereich 1200-1800nm emittiert, InGaAsSb, das im Bereich 1800-3500nm emittiert, GaSb im Bereich 1000-1300nm, GaInSb, das im Bereich 1600-1900nm emittiert, InSb, das im Bereich 2500-3000nm emittiert, CdTe, das im Bereich 700-800nm emittiert, HgTe, das im Bereich 3800-5000nm emittiert, [Hgx Cd1-x ]Te, das im Bereich 700-5000nm emittiert.
  • Alternativ können infrarot-emittierende Quantenpunktmaterialien der richtigen Größe als Wellenlängenkonverter in die vorliegende Erfindung einbezogen werden. Einige Beispiele für Materialien, die für infrarot-emittierende Quantenpunkte in Frage kommen, sind Si, das im 700-1000nm-Bereich emittiert, Ge, das im 800-2000nm-Bereich emittiert, GeSn, das im 800-1500nm-Bereich emittiert, PbS, das im 700-2000nm-Bereich emittiert, PbSe, das im 800-5000nm-Bereich emittiert, PbTe, das im 900-3000nm-Bereich emittiert, InAs, das im 750-3000nm-Bereich emittiert, InSb, das im Bereich von 1000-2500nm emittiert, HgTe, das im Bereich von 1000-5000nm emittiert, Ag2S, das im Bereich von 700-1500nm emittiert, Ag2 Se, das im Bereich von 900-2000nm emittiert, CuInSe2 , das im Bereich von 650-1500nm emittiert, AgInSe2 , das im Bereich von 600-900nm emittiert, und CS1-x FAx PbI3 , das im Bereich von 650-850nm emittiert, aber es könnte natürlich noch weitere geben.
  • Um IR-emittierende Leuchtstoffe in ein Gerät auf Basis eines blauen/nahen UV-Lasers einzubauen, sollten eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein.
    • -IR-Phosphor fluoresziert bei Laseremissionswellenlängen im nahen UV-Bereich und/oder Blau (z. B. 380nm-480nm).
    • -IR-Leuchtstoff fluoresziert unter der Sekundäremission der sichtbaren Leuchtstoffe im Gerät (z. B. 480nm-700nm). Dadurch werden die Stokes-Shift-Verluste im Vergleich zur direkten Laserfluoreszenz reduziert, wodurch die Erwärmung des IR-Leuchtstoffs verringert wird.
    • -IR-Leuchtstoff kann in ein Festkörperelement wie einen Einkristall, eine gesinterte Struktur, eine Hybridstruktur oder einen Leuchtstoff in Glas eingebaut werden. Diese Struktur kann sowohl aus sichtbaren als auch aus IR-emittierenden Phosphormaterialien bestehen oder als separate Strukturen ausgeführt sein.
  • Der IR-Leuchtstoff kann aus verschiedenen festen oder pulverförmigen Mikrostrukturen bestehen und für die Anregung durch die Laserdioden-Anregungsquelle konfiguriert sein. In einigen Ausführungsformen sind die Leuchtstoffe mit Beschichtungsschichten versehen, um das Reflexionsvermögen des Anregungslichts und/oder das Reflexionsvermögen der IR-Leuchtstoffemission und/oder das Reflexionsvermögen der sichtbaren Leuchtstoffemission zu verändern. In einem Beispiel gemäß dieser Erfindung würde der Leuchtstoff eine antireflektierende Beschichtung auf der Anregungsoberfläche enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie das Reflexionsvermögen des Anregungsstrahls verringert, so dass er innerhalb des Leuchtstoffelements effizienter in IR- oder sichtbares Licht umgewandelt werden kann. Solche Überzugsschichten können aus dielektrischen Schichten wie Siliziumdioxid, Tantalpentoxid, Hafnium, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder anderen bestehen. In einigen Fällen wird die Oberfläche des Leuchtstoffs absichtlich aufgeraut oder strukturiert, um das Reflexionsvermögen zu verringern und einen optischen Streueffekt zu erzeugen.
  • In einem anderen Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Leuchtstoff für einen Transmissionsmodus konfiguriert, bei dem die Anregungsfläche und die Emissionsfläche auf gegenüberliegenden Seiten oder Flächen des Leuchtstoffs liegen würden. In dieser Konfiguration könnte der Leuchtstoff eine Antireflexionsschicht auf der Emissionsfläche aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie das Reflexionsvermögen der IR-Leuchtstoffemission verringert, so dass sie das Leuchtstoffelement effizienter als nützliche IR-Emission von der Emissionsfläche verlassen kann. Solche das Reflexionsvermögen vermindernden Beschichtungen können aus dielektrischen Schichten wie Siliziumdioxid, Tantalpentoxid, Hafnium, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder anderen bestehen. In einigen Ausführungsformen wird die Leuchtstoffoberfläche absichtlich aufgeraut oder strukturiert, um das Reflexionsvermögen zu verringern und einen optischen Streueffekt zu erzeugen.
  • In einem anderen Beispiel gemäß dieser Erfindung ist der Leuchtstoff für einen reflektierenden Betrieb konfiguriert, bei dem der Anregungsstrahl auf die Emissionsfläche einfällt, so dass die Emission und die Anregung des Leuchtstoffs auf derselben Seite oder Fläche des Leuchtstoffelements stattfindet. In dieser Konfiguration könnte der Leuchtstoff eine antireflektierende Beschichtung auf der Emissionsfläche aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie das Reflexionsvermögen der IR-Leuchtstoffemission verringert, so dass sie effizienter aus dem Leuchtstoffelement austreten kann und/oder das Reflexionsvermögen des Anregungslichts verringert, so dass es effizienter in den Leuchtstoff eindringen kann, wo es in nützliche IR-Emission umgewandelt werden kann. Solche Überzugsschichten können aus dielektrischen Schichten wie Siliziumdioxid, Tantalpentoxid, Hafnium, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder anderen bestehen. In einigen Ausführungsformen eines reflektierenden Leuchtstoffs ist die Rückseite oder Unterseite des Leuchtstoffelements mit einer hochreflektierenden Beschichtung oder Schicht versehen. Die reflektierende Beschichtung würde dazu dienen, das im Leuchtstoff erzeugte IR-Licht von der Rückseite zu reflektieren, so dass es durch die obere oder vordere Emissionsfläche sinnvoll emittiert werden kann. Die reflektierende Beschichtung könnte auch so gestaltet sein, dass sie das Anregungslicht reflektiert. Solche reflektierenden Beschichtungen können aus Metallen wie Ag, Al oder anderen bestehen oder aus dielektrischen Schichten wie verteilten Bragg-Reflektor-Stapeln (DBR).
  • Die 2A-2C zeigen schematische Darstellungen verschiedener IR-Leuchtstoffelemente. In 2A ist ein Einkristall-Leuchtstoffteil für den Betrieb im Reflexionsmodus konfiguriert. Einkristall-Leuchtstoffe bieten Leistungsvorteile wie eine hohe Wärmeleitfähigkeit, die den Betrieb bei hoher Temperatur und Anregungsdichte ermöglicht. Der Einkristall-Leuchtstoff in 2A enthält einen reflektierenden Spiegel auf der Rückseite oder Unterseite des Leuchtstoffs. Der Spiegelstapel kann auch für ein Lötverfahren ausgelegt werden, bei dem Diffusionssperrschichten eingefügt werden können, um eine Beschädigung der Spiegelschicht zu verhindern, wenn der einkristalline IR-Leuchtstoff an einem Paket oder Träger befestigt wird. Der reflektierende Einkristall-Leuchtstoff aus 2A ist mit einer Antireflexionsbeschichtung und/oder einer Aufrauhung oder Strukturierung der Emissionsoberfläche auf der Oberseite versehen.
  • In 2B ist ein Leuchtstoff in Glas für den Betrieb im Reflexionsmodus konfiguriert. Solche Phosphor-in-Glas-Strukturen können Leistungsvorteile bieten, wie z. B. eine hohe optische Streuung der Anregungsemission und der Phosphoremission, um den Emissionsbereich zu kontrollieren und einzuschränken, und gleichzeitig eine akzeptable Wärmeleitfähigkeit für den Betrieb bei hoher Temperatur und Anregungsdichte bieten. Die Leuchtstoff-in-Glas-Struktur in 2A enthält einen reflektierenden Spiegel auf der Rückseite oder Unterseite des Leuchtstoffs. Der Spiegelstapel kann auch für ein Lötbefestigungsverfahren ausgelegt werden, bei dem Diffusionssperrschichten eingefügt werden können, um eine Beschädigung der Spiegelschicht zu verhindern, wenn der IR-Leuchtstoff in Glas an einem Paket oder Träger befestigt wird. Die reflektierende Phosphor-in-Glas-Struktur aus 2B ist mit einer Antireflexionsbeschichtung und/oder einer Aufrauhung oder Strukturierung der Emissionsoberfläche der Oberseite versehen.
  • In 2C ist ein gesintertes Pulver oder ein keramischer Leuchtstoff für den Betrieb im Reflexionsmodus konfiguriert. Solche gesinterten Pulver- oder Keramik-Leuchtstoffstrukturen können Leistungsvorteile bieten, wie z. B. eine hohe optische Streuung der Anregungsemission und der Leuchtstoffemission, um den Emissionsbereich zu kontrollieren und zu begrenzen, während sie eine akzeptable Wärmeleitfähigkeit für den Betrieb bei hoher Temperatur und Anregungsdichte bieten. Der gesinterte Pulver- oder Keramikleuchtstoff in 2C enthält einen reflektierenden Spiegel auf der Rückseite oder Unterseite des Leuchtstoffs. Der Spiegelstapel kann auch für ein Lötbefestigungsverfahren ausgelegt werden, bei dem Diffusionssperrschichten eingefügt werden können, um eine Beschädigung der Spiegelschicht zu verhindern, wenn das gesinterte Pulver oder der keramische IR-Leuchtstoff an einem Gehäuse oder Träger befestigt wird. Die Struktur des gesinterten Pulvers oder keramischen Leuchtstoffs im Reflexionsmodus in 2C ist mit einer Antireflexionsbeschichtung und/oder einer Aufrauhung oder Strukturierung der Emissionsoberfläche auf der Oberseite versehen.
  • Bei der Integration des IR-emittierenden Leuchtstoffelements mit der laserbasierten Weißlicht-Beleuchtungsquelle gibt es mehrere Anordnungen, in denen das sichtbar emittierende und das IR-emittierende Leuchtstoffelement im Verhältnis zueinander konfiguriert werden können. Die in dieser Anmeldung aufgeführten Beispiele sollen nicht alle derartigen Anordnungen abdecken und den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung nicht einschränken, da es natürlich auch andere Anordnungen und Architekturen geben kann. Das vielleicht einfachste Beispiel für eine Phosphoranordnung wäre, wenn das erste und das zweite Wellenlängenkonverterelement nebeneinander oder nebeneinander angeordnet wären, so dass die Weißlicht-Emission des ersten Wellenlängenkonverterelements von einer anderen räumlichen Position als die IR-Emission des zweiten Wellenlängenkonverterelements emittiert wird. In diesem Beispiel könnten das erste und das zweite Wellenlängenkonverterelement durch separate Laserdiodenelemente angeregt werden, wobei in einer Ausführungsform das erste Wellenlängenkonverterelement durch eine erste Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode, wie z. B. eine violette, blaue oder grüne Laserdiode, und das zweite Wellenlängenkonverterelement durch eine zweite Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode, wie z. B. eine violette, blaue oder grüne Laserdiode, angeregt werden würde. In einer zweiten Ausführungsform dieses Beispiels wird das erste Wellenlängenkonverterelement durch eine erste gallium- und stickstoffhaltige Laserdiode, z. B. eine violette oder blaue Laserdiode, angeregt, und das zweite Wellenlängenkonverterelement wird durch eine zweite Laserdiode angeregt, die aus einem anderen Materialsystem besteht, das im roten oder IR-Wellenlängenbereich arbeitet, z. B. einem gallium- und arsenhaltigen Material oder einem indium- und phosphorhaltigen Material. Bei diesen Ausführungsformen würde die erste Laserdiode durch einen ersten Treiberstrom und die zweite Laserdiode durch einen zweiten Treiberstrom angeregt werden. Da der erste und der zweite Ansteuerungsstrom unabhängig voneinander aktiviert werden können, könnte die Zweiband-Lichtquelle eine sichtbare Lichtquelle liefern, wenn nur der erste Ansteuerungsstrom aktiviert ist, eine IR-Lichtquelle, wenn nur der zweite Ansteuerungsstrom aktiviert ist, oder sie könnte gleichzeitig eine sichtbare und eine IR-Lichtquelle liefern, wenn sowohl der erste als auch der zweite Ansteuerungsstrom aktiviert sind. In einigen Anwendungen wäre es wünschenswert, die IR-Lichtquelle nur für die IR-Erkennung zu verwenden. Sobald ein Objekt mit der IR-Beleuchtung erfasst wird, kann die sichtbare Lichtquelle aktiviert werden, um das Ziel sichtbar zu beleuchten.
  • 3A ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die einen Gallium und Stickstoff enthaltenden violetten oder blauen Pumplaser und ein Wellenlängenumwandlungselement zur Erzeugung einer Weißlichtemission sowie ein infrarot emittierendes Wellenlängenumwandlungselement zur Erzeugung einer IR-Emission gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. In 3A ist eine blaue oder violette Laservorrichtung dargestellt, die aus einem Gallium und Stickstoff enthaltenden Material besteht und ein Spektrum mit einer Mittelpunktswellenlänge zwischen 390 und 480 nm emittiert. Das Licht der violetten oder blauen Laservorrichtung fällt auf ein Wellenlängenkonverterelement, das das blaue Licht teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts umwandelt, so dass ein weißes Lichtspektrum entsteht. Das Licht der blauen Laservorrichtung trifft auf ein Wellenlängenkonverterelement, das das blaue Licht teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts umwandelt, so dass ein weißes Lichtspektrum erzeugt wird. Eine zweite Laservorrichtung dient dazu, den IR-Wellenlängenkonverter anzuregen und die IR-Beleuchtungsemission zu erzeugen.
  • In einer anderen Ausführungsform des obigen Beispiels werden die benachbarten oder nebeneinander liegenden Wellenlängenkonverterelemente durch dieselbe Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode mit einer Spitzenwellenlänge im violetten oder blauen Wellenlängenbereich angeregt. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Ausgangslaseranregungsstrahl so zu positionieren, dass er sowohl auf das erste sichtbare Wellenlängenkonverterelement als auch auf das zweite IR-emittierende Phosphorelement trifft. Diese Konfiguration könnte so gestaltet werden, dass der richtige Anteil des Strahls auf das erste Wellenlängenkonverterelement für eine gewünschte sichtbare Lichtemission und ein richtiger Anteil auf das zweite Wellenlängenkonverterelement für eine gewünschte IR-Lichtemission auftrifft. In einem anderen Beispiel könnte ein Strahlsteuerungselement, wie z. B. ein MEMS-Abtastspiegel, in das System integriert werden. Das Strahlsteuerungselement könnte so programmiert oder manuell eingestellt werden, dass es den Anregungslaserstrahl so lenkt, dass er auf das erste Wellenlängenkonverterelement auftrifft, um bei Bedarf sichtbares Licht zu erzeugen, und dass es den Strahl so lenkt, dass er auf den IR-emittierenden Leuchtstoff auftrifft, wenn dies gewünscht wird. In dieser Konfiguration könnte die Zweiband-Beleuchtungsquelle selektiv entweder im sichtbaren oder im IR-Spektrum oder gleichzeitig in beiden Spektren leuchten.
  • 3B ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die einen Gallium und Stickstoff enthaltenden violetten oder blauen Pumplaser und ein Wellenlängenkonverterelement zur Erzeugung einer Weißlichtemission enthält, sowie ein Infrarot emittierendes Wellenlängenkonverterelement zur Erzeugung einer IR-Emission gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 3B ist eine blaue oder violette Laservorrichtung dargestellt, die aus einem Gallium und Stickstoff enthaltenden Material besteht und ein Spektrum mit einer Mittelpunktswellenlänge zwischen 390 und 480 nm emittiert. Das Licht aus der violetten oder blauen Laservorrichtung fällt auf ein Strahllenkelement wie einen MEMS-Abtastspiegel. Das Strahllenkelement dient dazu, den Anregungsstrahl wahlweise auf das erste Wellenlängenkonverterelement zu lenken, um das blaue Licht teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts umzuwandeln, so dass ein weißes Lichtspektrum erzeugt wird, oder auf ein zweites Wellenlängenkonverterelement, um eine IR-Emission zu erzeugen.
  • In einem weiteren Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung können das erste Wellenlängenkonverterelement und das zweite Wellenlängenkonverterelement kombiniert werden. In einer Kombinationskonfiguration sind der sichtbar emittierende Wellenlängenkonverter und der IR-emittierende Wellenlängenkonverter vertikal gestapelt angeordnet. Vorzugsweise wird das erste Wellenlängenkonverterelement auf derselben Seite wie die primäre Emissionsfläche der gestapelten Wellenlängenkonverteranordnung angeordnet, so dass das vom zweiten Wellenlängenkonverter emittierte IR-Licht das erste Wellenlängenkonverterelement ohne nennenswerte Absorption passieren kann. Das heißt, in einer Konfiguration mit Reflexionsmodus würde das erste Wellenlängenkonverterelement, das das sichtbare Licht emittiert, über dem zweiten Wellenlängenkonverterelement, das das IR-Licht emittiert, angeordnet, so dass die sichtbare und die IR-Emission, die aus der Emissionsfläche des ersten Wellenlängenkonverters austritt, als Nutzlicht gesammelt wird. Das heißt, die IR-Emission mit der dritten Spitzenwellenlänge würde in denselben optischen Pfad wie die Weißlicht-Emission mit der ersten und zweiten Spitzenwellenlänge emittiert werden.
  • 4A zeigt ein schematisches Beispiel eines gestapelten Leuchtstoffs, der für den Betrieb im Reflexionsmodus konfiguriert ist, wobei das IR-emittierende Leuchtstoffelement unter dem sichtbar emittierenden Leuchtstoff angeordnet ist. Das gestapelte Leuchtstoffelement in 4A enthält einen reflektierenden Spiegel auf der Rückseite oder Unterseite des Leuchtstoffs. Der Spiegelstapel kann auch für ein Lötverfahren ausgelegt sein, bei dem Diffusionssperrschichten eingefügt werden können, um eine Beschädigung der Spiegelschicht zu verhindern, wenn das gestapelte Leuchtstoffelement an einem Paket oder einem Trägerelement befestigt wird. Das gestapelte Leuchtstoffelement in 4A ist mit einer Antireflexionsbeschichtung und/oder einer Aufrauhung oder Strukturierung der oberseitigen Emissionsfläche versehen.
  • In einer anderen Kombinationskonfiguration werden der sichtbare Wellenlängenkonverter und der IR-emittierende Wellenlängenkonverter in einen einzigen Volumenbereich integriert, um ein einziges Hybrid-Wellenlängenkonverterelement zu bilden. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden, z. B. durch Sintern einer Mischung von Wellenlängenkonverterelementen wie Leuchtstoffen zu einem einzigen festen Körper. Beispielsweise könnte man einen sichtbares Licht emittierenden Leuchtstoff wie einen Leuchtstoff auf YAG-Basis mit einem IR-emittierenden Leuchtstoff mischen, um ein zusammengesetztes Leuchtstoff- oder Wellenlängenkonverterelement zu bilden. In dieser Konfiguration eines zusammengesetzten Wellenlängenkonverters könnte eine gemeinsame gallium- und stickstoffhaltige Laserdiode als Anregungsquelle konfiguriert werden, um sowohl das sichtbare Licht als auch das IR-Licht zu erzeugen. In dieser Konfiguration würde die Aktivierung des Laserdiodenelements mit einem ersten Treiberstrom sowohl die Emission des sichtbaren Lichts als auch des IR-Lichts anregen, so dass eine unabhängige Steuerung der Emission des sichtbaren Lichts und des IR-Lichts schwierig wäre.
  • 4B zeigt ein schematisches Beispiel eines Verbundwerkstoffs, der für den Betrieb im Reflexionsmodus konfiguriert ist, wobei die IR-emittierenden Leuchtstoffelemente in denselben Volumenbereich gesintert sind wie die sichtbar emittierenden Leuchtstoffelemente. Das zusammengesetzte Leuchtstoffelement in 4B enthält einen reflektierenden Spiegel auf der Rückseite oder Unterseite des Leuchtstoffs. Der Spiegelstapel kann auch für ein Lötbefestigungsverfahren ausgelegt sein, bei dem Diffusionssperrschichten eingefügt werden können, um eine Beschädigung der Spiegelschicht zu verhindern, wenn das zusammengesetzte Leuchtstoffelement an einem Paket oder einem Trägerelement befestigt wird. Das zusammengesetzte Phosphorelement in 4B ist mit einer Antireflexionsbeschichtung und/oder einer Aufrauhung oder Strukturierung der Emissionsoberfläche der Oberseite versehen.
  • In dieser zusammengesetzten Wellenlängenkonverterkonfiguration könnte ein gemeinsames Gallium und Stickstoff enthaltendes Laserdiodenelement als Anregungsquelle sowohl für das erste als auch für das zweite Wellenlängenelement konfiguriert werden. Da die IR- und die sichtbare Lichtemission aus den gestapelten Wellenlängenkonverterelementen von derselben Oberfläche und in ungefähr demselben Bereich austreten würden, kann ein einfaches optisches System wie eine Sammel- und Kollimationsoptik verwendet werden, um sowohl die sichtbare Emission als auch die IR-Emission auf denselben Zielbereich zu projizieren und zu richten. In dieser Konfiguration würde die Aktivierung des Laserdiodenelements mit einem ersten Treiberstrom sowohl die Emission des sichtbaren Lichts als auch des IR-Lichts anregen, so dass eine unabhängige Kontrolle der Emission des sichtbaren Lichts und des IR-Lichts schwierig wäre. Andere vertikal gestapelte Wellenlängenkonverterelemente sind möglich, z. B. die Positionierung des IR-emittierenden zweiten Wellenlängenkonverterelements auf der Emissionsseite des Stapels, so dass die Emission von sichtbarem Licht aus dem ersten Wellenlängenkonverterelement dazu dienen würde, die IR-Emission aus dem zweiten Wellenlängenkonverterelement zu aktivieren.
  • 5A ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die einen Gallium und Stickstoff enthaltenden violetten oder blauen Pumplaser enthält, der so konfiguriert ist, dass er ein Wellenlängenkonverterelement anregt, um eine Weißlichtemission zu erzeugen, und ein Wellenlängenkonverterelement, um eine IR-Emission gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. In 5A ist eine blaue oder violette Laservorrichtung dargestellt, die aus einem Gallium und Stickstoff enthaltenden Material besteht und ein Spektrum mit einer Mittelpunktswellenlänge zwischen 390 und 480 nm emittiert. Das Licht aus der violetten oder blauen Laservorrichtung fällt auf ein Wellenlängenkonverterelement, das sowohl ein sichtbares als auch ein IR-emittierendes Element umfasst, die in einer gestapelten oder zusammengesetzten Anordnung konfiguriert sein können. Das Element zur Umwandlung der sichtbaren Wellenlänge, z. B. ein Leuchtstoff, wandelt das blaue Licht teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts um, so dass ein weißes Lichtspektrum erzeugt wird. Außerdem regt das blaue Licht der Laserdiode und/oder das sichtbare Licht des Konverterelements für sichtbare Wellenlängen den IR-emittierenden Leuchtstoff an, um eine IR-Beleuchtung zu erzeugen.
  • Das resultierende Spektrum der in 5A beschriebenen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung würde ein relativ schmalbandiges (etwa 0.5 bis 3 nm) Emissionsspektrum von der Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdiode im UV- oder blauen Wellenlängenbereich, eine breitbandige (etwa 10 bis 100 nm) Wellenlängenkonverteremission im sichtbaren Spektrum mit einer längeren Spitzenwellenlänge als die UV- oder blaue Laserdiode und eine relativ breitbandige (etwa 10 bis 100 nm) Wellenlängenkonverteremission im IR-Spektrum mit einer längeren Spitzenwellenlänge als die Spitzenemissionswellenlänge von dem sichtbaren Phosphorelement. 5B zeigt ein Beispiel für ein optisches Spektrum im Sinne der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur emittiert die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode im blauen Bereich bei etwa 440 bis 455 nm, das sichtbare Wellenlängenkonverterelement emittiert im gelben Bereich, und das enthaltene IR-emittierende Wellenlängenkonverterelement emittiert mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 850 bis 900 nm. Natürlich sind viele andere Konfigurationen der vorliegenden Erfindung möglich, einschließlich Gallium und Stickstoff enthaltender Laserdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen, sichtbarer Leuchtstoff mit unterschiedlichen Wellenlängen und IR-Leuchtstoff mit unterschiedlichen Wellenlängen. Beispielsweise könnte das IR-emittierende Phosphorelement eine Spitzenwellenlänge zwischen 700 nm und 3 µm emittieren.
  • In einem anderen Beispiel des vorliegenden Beispiels mit den kombinierten Wellenlängenkonverterelementen könnten das erste und das zweite Wellenlängenkonverterelement durch separate Laserdiodenelemente angeregt werden, wobei in einer Ausführungsform das erste Wellenlängenkonverterelement durch eine erste Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode, wie eine violette oder blaue Laserdiode, und das zweite Wellenlängenkonverterelement durch eine zweite Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode, wie eine grün emittierende oder längerwellige Laserdiode, angeregt werden würde. In einer zweiten Ausführungsform dieses Beispiels wird das erste Wellenlängenkonverterelement durch eine erste gallium- und stickstoffhaltige Laserdiode, z. B. eine violette oder blaue Laserdiode, angeregt, und das zweite Wellenlängenkonverterelement wird durch eine zweite Laserdiode angeregt, die aus einem anderen Materialsystem besteht, das im roten oder IR-Wellenlängenbereich arbeitet, z. B. aus einem gallium- und arsenhaltigen Material oder einem indium- und phosphorhaltigen Material. Bei dieser Ausführungsform geht es vor allem darum, die zweite Laserdiode mit einer Betriebswellenlänge auszuwählen, die im ersten Wellenlängenkonverter nicht wesentlich absorbiert wird, aber im zweiten Wellenlängenkonverter absorbiert wird, so dass bei Aktivierung der zweiten Laserdiode die Emission den ersten Wellenlängenkonverter durchläuft, um den zweiten Wellenlängenkonverter anzuregen und die IR-Emission zu erzeugen. Das Ergebnis ist, dass das erste Laserdiodenelement in erster Linie das erste Wellenlängenkonverterelement aktiviert, um sichtbares Licht zu erzeugen, und das zweite Laserdiodenelement in erster Linie den zweiten Wellenlängenkonverter aktiviert, um IR-Licht zu erzeugen. Der Vorteil dieser Version der gestapelten Wellenlängenkonverterkonfiguration besteht darin, dass, da die erste Laserdiode durch einen ersten Ansteuerungsstrom und die zweite Laserdiode durch einen zweiten Ansteuerungsstrom angeregt wird, das erste und das zweite Wellenlängenkonverterelement unabhängig voneinander aktiviert werden können, so dass die Zweiband-Lichtquelle eine sichtbare Lichtquelle bereitstellen kann, wenn nur der erste Ansteuerungsstrom aktiviert ist, eine IR-Lichtquelle, wenn nur der zweite Ansteuerungsstrom aktiviert ist, oder gleichzeitig eine sichtbare und eine IR-Lichtquelle bereitstellen kann, wenn sowohl der erste als auch der zweite Ansteuerungsstrom aktiviert sind. In einigen Anwendungen wäre es wünschenswert, nur die IR-Lichtquelle für die IR-Erkennung zu verwenden. Es versteht sich, dass die sichtbare Lichtemission des ersten Wellenlängenkonverterelements die IR-Emission des zweiten Wellenlängenkonverterelements zumindest teilweise anregen kann. In diesem Fall kann die Quelle gleichzeitig sowohl sichtbares als auch IR-Licht emittieren, wenn das sichtbare Licht aktiviert ist. Für die doppelte Emission sowohl des sichtbaren Lichts als auch der IR-Emission kann daher in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung nur die erste Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode erforderlich sein, die im violetten oder blauen Bereich arbeitet. Sehr wichtig ist jedoch, dass, wenn die Laserdiode mit der längeren Wellenlänge aktiviert wird, um das IR-emittierende Wellenlängenkonverterelement anzuregen, kein wesentliches sichtbares Licht emittiert werden würde. Dies würde die IR-Beleuchtung eines Ziels ermöglichen, ohne dass das Vorhandensein der Beleuchtungsquelle sichtbar wird. Sobald ein Objekt erkannt wurde, könnte die sichtbare Lichtquelle aktiviert werden.
  • Alternativ könnte die Emission von sichtbarem Licht durch eine erste gallium- und stickstoffhaltige Laserdiode, z. B. eine violette oder blaue Laserdiode, angeregt werden, und die IR-Emission könnte durch eine zweite Laserdiode angeregt werden, die aus einem anderen Materialsystem besteht, das im roten oder IR-Wellenlängenbereich arbeitet, z. B. einem gallium- und arsenhaltigen Material oder einem indium- und phosphorhaltigen Material. Die wichtigste Überlegung bei dieser Ausführungsform besteht darin, die zweite Laserdiode mit einer Betriebswellenlänge auszuwählen, die in dem das sichtbare Licht emittierenden Element des zusammengesetzten Wellenlängenkonverterelements nicht wesentlich absorbiert wird, aber in dem das IR-Licht emittierenden Element des zusammengesetzten Wellenlängenkonverterelements absorbiert wird, so dass die zweite Laserdiode bei ihrer Aktivierung nicht wesentlich die Emission des sichtbaren Lichts, sondern die IR-Emission anregt. Das Ergebnis ist, dass das erste Laserdiodenelement das erste Wellenlängenkonverterelement in erster Linie zur Erzeugung von sichtbarem Licht aktiviert und das zweite Laserdiodenelement den zweiten Wellenlängenkonverter in erster Linie zur Erzeugung von IR-Licht aktiviert. Da die IR-Emission mit der dritten Spitzenwellenlänge von der gleichen Oberfläche und räumlichen Position wie die sichtbare Emission mit den ersten und zweiten Spitzenwellenlängen emittiert würde, könnte die IR-Emission leicht in den gleichen optischen Pfad wie die Weißlicht-Emission mit den ersten und zweiten Spitzenwellenlängen geleitet werden. Die IR-Emission und die Weißlicht-Emission könnten dann durch den optionalen Strahlformer geleitet werden, der so konfiguriert ist, dass er das Ausgangslicht zur Beleuchtung eines Ziels von Interesse lenkt. In dieser Ausführungsform könnten der erste und der zweite Treiberstrom unabhängig voneinander aktiviert werden, so dass die Vorrichtung eine sichtbare Lichtquelle bereitstellen könnte, wenn nur der erste Treiberstrom aktiviert ist, eine IR-Lichtquelle, wenn der zweite Treiberstrom aktiviert ist, oder gleichzeitig eine sichtbare und eine IR-Lichtquelle bereitstellen könnte. Bei einigen Anwendungen wäre es wünschenswert, die IR-Lichtquelle nur für die IR-Erkennung zu verwenden. Sobald ein Objekt mit der IR-Beleuchtung erfasst wird, kann die sichtbare Lichtquelle aktiviert werden, um das Ziel sichtbar zu beleuchten.
  • Der Vorteil dieser Version der gestapelten Wellenlängenkonverterkonfiguration besteht darin, dass, da die erste Laserdiode durch einen ersten Ansteuerungsstrom und die zweite Laserdiode durch einen zweiten Ansteuerungsstrom angeregt würde, das erste und das zweite Wellenlängenkonverterelement unabhängig voneinander aktiviert werden könnten, so dass die Zweiband-Lichtquelle eine sichtbare Lichtquelle bereitstellen könnte, wenn nur der erste Ansteuerungsstrom aktiviert ist, eine IR-Lichtquelle, wenn nur der zweite Ansteuerungsstrom aktiviert ist, oder gleichzeitig eine sichtbare und eine IR-Lichtquelle bereitstellen könnte, wenn sowohl der erste als auch der zweite Ansteuerungsstrom aktiviert sind. Es versteht sich, dass die Emission von sichtbarem Licht aus dem ersten Wellenlängenkonverterelement zumindest teilweise die IR-Emission aus dem zweiten Wellenlängenkonverterelement anregen kann. In diesem Fall kann die Quelle gleichzeitig sowohl sichtbares als auch IR-Licht emittieren, wenn das sichtbare Licht aktiviert ist. Für die doppelte Emission sowohl des sichtbaren Lichts als auch der IR-Emission kann daher in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung nur die erste Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode erforderlich sein, die im violetten oder blauen Bereich arbeitet. Wenn jedoch die Laserdiode mit der längeren Wellenlänge aktiviert wird, um das IR-emittierende Wellenlängenkonverterelement anzuregen, wird kein wesentliches sichtbares Licht emittiert. Dies würde die IR-Beleuchtung eines Ziels ermöglichen, ohne dass das Vorhandensein der Beleuchtungsquelle sichtbar wird. Bei einigen Anwendungen wäre es wünschenswert, die IR-Beleuchtungsquelle nur für die IR-Erkennung zu verwenden. Sobald ein Objekt erkannt wurde, könnte die sichtbare Lichtquelle aktiviert werden.
  • 6A ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die einen Gallium und Stickstoff enthaltenden violetten oder blauen Pumplaser enthält, der so konfiguriert ist, dass er ein Wellenlängenumwandlungselement anregt, um eine Weißlichtemission zu erzeugen, und eine IR-emittierende Laserdiode, die so konfiguriert ist, dass sie ein IR-Wellenlängenumwandlungselement pumpt, um eine IR-Emission gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. In 6A ist eine blaue oder violette Laservorrichtung dargestellt, die aus einem Gallium und Stickstoff enthaltenden Material besteht und ein Spektrum mit einer Mittelpunktswellenlänge zwischen 390 und 480 nm emittiert. Das Licht aus der violetten oder blauen Laservorrichtung fällt auf ein Wellenlängenkonverterelement, das sowohl ein sichtbares als auch ein IR-emittierendes Element umfasst, die in einer gestapelten oder zusammengesetzten Anordnung konfiguriert sein können. Das Element zur Umwandlung der sichtbaren Wellenlänge, z. B. ein Leuchtstoff, wandelt das blaue Licht teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts um, so dass ein weißes Lichtspektrum erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen könnte das blaue Licht der Laserdiode und/oder das sichtbare Licht des Konverterelements für sichtbare Wellenlängen den IR-emittierenden Leuchtstoff anregen, um eine IR-Beleuchtung zu erzeugen. Eine zweite Laserdiode ist enthalten. Die zweite Laserdiode arbeitet mit einer Spitzenwellenlänge, die länger als die sichtbare Emission des ersten Wellenlängenkonverterelements, aber kürzer als die Spitzenwellenlänge des IR-emittierenden Wellenlängenkonverterelements ist. Ein zweiter Lasertreiber ist so konfiguriert, dass er das zweite Laserdiodenelement ansteuert. Die elektromagnetische Ausgangsemission des zweiten Laserdiodenelements ist so konfiguriert, dass das IR-emittierende Leuchtstoffelement bevorzugt angeregt wird, ohne dass das sichtbare Leuchtstoffelement wesentlich angeregt wird.
  • Das resultierende Spektrum aus der in den 6A beschriebenen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung würde ein relativ schmalbandiges (etwa 0.5 bis 3 nm) von der Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdiode im UV- oder blauen Wellenlängenbereich, eine breitbandige (etwa 10 bis 100 nm) Wellenlängenkonverteremission im sichtbaren Spektrum mit einer längeren Spitzenwellenlänge als die UV- oder blaue Laserdiode, eine relativ schmalbandige (etwa 1 bis 10 nm) Emission von der zweiten Laserdiode mit einer Spitzenwellenlänge, die länger ist als die Spitzenwellenlänge des sichtbaren Leuchtstoffs, und eine relativ breitbandige (etwa 10 bis 100 nm) Wellenlängenkonverteremission im IR-Spektrum mit einer längeren Spitzenwellenlänge als die Spitzenemissionswellenlänge der zweiten Laserdiode. 6B zeigt ein Beispiel für ein optisches Spektrum im Sinne der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur emittiert die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode im blauen Bereich bei etwa 440 bis 455 nm, das sichtbare Wellenlängenkonverterelement emittiert im gelben Bereich, das zweite Laserdiodenelement emittiert mit einer Spitzenwellenlänge von 900 nm, und das enthaltene IR-emittierende Wellenlängenkonverterelement emittiert mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 1100 nm. Natürlich kann es viele andere Konfigurationen der vorliegenden Erfindung geben, einschließlich Gallium und Stickstoff enthaltender Laserdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen, sichtbarem Leuchtstoff mit unterschiedlichen Wellenlängen und IR-Leuchtstoff mit unterschiedlichen Wellenlängen. Beispielsweise könnte das IR-emittierende Phosphorelement eine Spitzenwellenlänge zwischen 700 nm und 3 µm emittieren.
  • In einigen Ausführungsformen ist ein Tief-UV-Laser enthalten, der so konfiguriert ist, dass er ein UV-Phosphorelement zur Emission von UV-Licht anregt. In einer solchen Konfiguration könnte die UV-Emission als UV-Beleuchtungsquelle für die UV-Bildgebung eingesetzt werden. In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Ausführungsform könnte der tiefe UV-Laser auch so konfiguriert sein, dass er ein Konverterelement für sichtbare Wellenlängen und/oder ein Konverterelement für IR-Wellenlängen anregt.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Lichtmaschine mit einer Vielzahl von blauen oder violetten Pumplasern ausgestattet, die auf eine erste Oberfläche des Wellenlängenkonverterelements einfallen. Die Mehrzahl der blauen oder violetten Pumplaser ist so konfiguriert, dass jeder Pumplaser einen anderen Bereich der ersten Oberfläche des Wellenlängenkonverterelements beleuchtet. In einer bestimmten Ausführungsform überschneiden sich die von den Pumplasern beleuchteten Bereiche nicht. In einer bestimmten Ausführungsform überlappen sich die von den Pumplasern beleuchteten Bereiche teilweise. In einer bestimmten Ausführungsform beleuchtet eine Untergruppe von Pumplasern vollständig überlappende Bereiche der ersten Oberfläche des Wellenlängenkonverterelements, während ein oder mehrere andere Pumplaser so konfiguriert sind, dass sie entweder einen nicht überlappenden oder einen teilweise überlappenden Bereich der ersten Oberfläche des Wellenlängenkonverterelements beleuchten. Eine solche Konfiguration ist vorteilhaft, weil durch die Ansteuerung der Pumplaser unabhängig voneinander die Größe und Form der resultierenden Lichtquelle dynamisch verändert werden kann, so dass der resultierende Weißlichtfleck, sobald er durch entsprechende optische Elemente projiziert wird, dynamisch so konfiguriert werden kann, dass er unterschiedliche Größen und Formen hat, ohne dass ein Bewegungsmechanismus erforderlich ist.
  • 7A ist ein schematisches Diagramm einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsfunktion konfiguriert ist, im Transmissionsmodus arbeitet und in einem TO behälterartigen Paket gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung untergebracht ist. Wie in 7A dargestellt, umfasst das TO behälterartige Paket ein Basiselement 1001, einen geformten Sockel 1005 und Stifte 1002. Das Basiselement 1001 kann aus einem Metall wie Kupfer, Kupfer-Wolfram, Aluminium, Stahl oder einem anderen bestehen. Die Stifte 1002 sind entweder mit dem Sockel geerdet oder von ihm elektrisch isoliert und ermöglichen den elektrischen Zugang zur Laservorrichtung. Das Sockelelement 1005 ist so konfiguriert, dass es Wärme vom Sockel auf das Basiselement 1001 überträgt, wo die Wärme anschließend an einen Kühlkörper weitergeleitet wird. Ein Kappenelement 1006 ist mit einem hermetisch verschlossenen Fenster 1007 versehen. Das Kappenelement 1006 selbst ist ebenfalls hermetisch mit dem Basiselement 1001 versiegelt, um die laserbasierte Weißlichtquelle in der TO-Kanisterverpackung einzuschließen.
  • Eine Laservorrichtung 1003 und ein Wellenlängenumwandlungselement 104 sind auf dem Sockel 1005 montiert. In einigen Ausführungsformen sind zwischen der Laserdiode und dem Sockel und/oder zwischen dem Wellenlängenumwandlungselement und dem Sockel Zwischenbauteile vorgesehen.
  • Das von der Laservorrichtung 1003 emittierte Laserlicht scheint durch das Wellenlängenkonverterelement 1004 und wird entweder vollständig oder teilweise in Licht mit längerer Wellenlänge umgewandelt. Das herunterkonvertierte Licht und das verbleibende Laserlicht werden dann aus dem Wellenlängenkonverterelement 1004 emittiert. Die laseraktivierte Weißlichtquelle mit Phosphorelement, die in einer dosenartigen Verpackung konfiguriert ist, wie in 7A gezeigt, umfasst ein zusätzliches Kappenelement 1006, um eine abgedichtete Struktur um die Weißlichtquelle auf dem Basiselement 1001 zu bilden.
  • Die Laservorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie das Wellenlängenumwandlungselement 1004 beleuchten, und jegliches nicht umgewandeltes Pumplicht wird durch das Wellenlängenumwandlungselement 1004 übertragen und verlässt den Behälter durch das Fenster 1007 des Kappenelements 1006. Abwärtskonvertiertes Licht, das vom Wellenlängenkonverterelement emittiert wird, tritt ebenfalls durch das Fenster 1007 aus dem TO-Behälter aus.
  • In einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung können TO behälterartige Pakete verwendet werden, um die laserbasierte IR-Beleuchtungsquelle zu verpacken. 7B zeigt eine schematische Seitenansicht einer laserbasierten IR-Beleuchtungsquelle, die in der Lage ist, im Transmissionsmodus zu arbeiten, und in einem TO behälterartigen Paket mit einem IR-emittierenden Wellenlängenkonverterelement untergebracht ist, das mit dem transparenten Fenster der Kappe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. Wie in 7B dargestellt, umfasst das TO behälterartige Paket ein Basiselement, das so konfiguriert ist, dass es die in dem Gehäuse erzeugte Wärme zu einem Kühlkörperelement transportiert. Elektrische Durchführungsstifte sind so konfiguriert, dass sie die Anode und die Kathode der Laserdiode mit Strom von einer externen Stromquelle versorgen. Eine Laserdiode ist auf einem Sockelelement innerhalb des TO behälterartigen Paket montiert, und das Paket ist mit einem Kappenelement versiegelt. Das Kappenelement umfasst ein transparentes Fensterelement, das so konfiguriert ist, dass sichtbares und IR-Licht durch das Fenster in die äußere Umgebung gelangen kann. Das transparente Fensterelement umfasst ein IR-emittierendes Wellenlängenumwandlungselement, das so konfiguriert ist, dass es IR-Licht emittiert, wenn der Laserdioden-Anregungsstrahl auf das Fensterelement trifft. In einigen Ausführungsformen dient das Wellenlängenkonverterelement als Fensterelement.
  • In einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung können TO behälterartige Pakete verwendet werden, um die laserbasierte Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsquelle unterzubringen. 7C zeigt eine Seitenansicht schematische Darstellung eines Laser-basierte Weißlichtquelle mit einem IR-Beleuchtung in der Lage, in einem Übertragungsmodus zu arbeiten und in einem TO Kanister Stil Paket mit einem sichtbaren und IR-emittierenden Wellenlängenkonverter Element mit dem transparenten Fenster der Kappe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert untergebracht. Bezug nehmend auf 7C umfasst das TO behälterartige Paket ein Basiselement, das so konfiguriert ist, dass es die im Paket erzeugte Wärme zu einem Kühlkörperelement transportiert. Elektrische Durchführungsstifte sind so konfiguriert, dass sie die Anode und die Kathode der Laserdiode mit Strom von einer externen Stromquelle versorgen. Eine Laserdiode ist auf einem Sockelelement innerhalb des TO behälterartigen Pakets montiert, und das Paket ist mit einem Kappenelement versiegelt. Das Kappenelement umfasst ein transparentes Fensterelement, das so konfiguriert ist, dass sichtbares und IR-Licht durch das Fenster in die äußere Umgebung gelangen kann. Das transparente Fensterelement umfasst ein sichtbares und IR-emittierendes Wellenlängenumwandlungselement, das so konfiguriert ist, dass es sichtbares Licht wie weißes Licht und IR-Beleuchtung emittiert, wenn der Laserdioden-Anregungsstrahl auf das Fensterelement trifft. In einigen Ausführungsformen dient das Wellenlängenkonverterelement als das Fensterelement.
  • 7D ist eine schematische Seitenansicht eines IR- und sichtbares Licht emittierenden Wellenlängenkonverterelements, das mit dem transparenten Fenster der Kappe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. In dieser Ausführungsform besteht das Wellenlängenkonverterelement aus einem gestapelten IR-emittierenden Wellenlängenkonverter und einem sichtbares Licht emittierenden Wellenlängenkonverter. Gemäß diesem Beispiel wird die UV- oder blaue Laserdioden-Anregungsbeleuchtung zuerst auf den Wellenlängenkonverter für sichtbares Licht auftreffen, wobei das Anregungslicht und das emittierte sichtbare Licht den IR-emittierenden Leuchtstoff anregt. In anderen Ausführungsformen könnte der UV- oder blaue Laserdioden-Anregungsstrahl zunächst auf das IR-Wellenlängenkonverterelement einfallen, so dass das Licht, das den IR-Leuchtstoff durchdringt, in das sichtbare Wellenlängenkonverterelement eintritt, um sichtbares Licht anzuregen. In anderen Konfigurationen sind zusammengesetzte Wellenlängenkonverterstrukturen so konfiguriert, dass sie sichtbares Licht und IR-Licht erzeugen.
  • In einer Ausführungsform ist die laserbasierte Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle konfiguriert ist, in einem TO-Kanister mit einem Fenster untergebracht, das das gesamte oder einen Teil des Pumplichts und des abwärtskonvertierten Lichts durchlässt, und das Wellenlängenkonverterelement wird in einem Reflexionsmodus beleuchtet. 7E ist eine schematische Darstellung einer laserbasierten Weißlichtquelle, die im Reflexionsmodus arbeitet und in einem TO behälterartigen Paket gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung untergebracht ist. Das Paket besteht aus einem Sockel 1106, einem keilförmigen Element 1102 und elektrisch isolierten Stiften, die durch den Sockel hindurchgehen. Die Laservorrichtungen 1101 und das Wellenlängenumwandlungselement 1105 sind an dem keilförmigen Element 1102 bzw. dem Sockel unter Verwendung eines wärmeleitenden Bindemittels, wie z. B. Silberepoxid, oder mit einem Lötmaterial befestigt, das vorzugsweise aus einem oder mehreren der Materialien AuSn, AgCuSn, PbSn oder In ausgewählt ist. Das vom Wellenlängenumwandlungselement 1105 emittierte abwärts gewandelte Licht wird in ähnlicher Weise aus dem Behälter durch das Fenster 1104 ausgestrahlt.
  • In einer anderen Ausführungsform ist eine integrierte Weißlichtquelle im Reflexionsmodus in einem flachen Paket mit einem Linsenelement konfiguriert, um einen kollimierten weißen Strahl zu erzeugen. Das flache Paket hat eine Basis oder ein Gehäuseelement mit einer kollimierten weißen Lichtquelle, die an der Basis befestigt und so konfiguriert ist, dass sie einen kollimierten weißen Strahl erzeugt, der aus einem Fenster austritt, das an der Seite der Basis oder des Gehäuseelements konfiguriert ist.
  • In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine integrierte Weißlichtquelle im transmissiven Modus in einem flachen Paket mit einem Linsenelement konfiguriert, um einen kollimierten weißen Lichtstrahl zu erzeugen. In einem Beispiel dieser Ausführungsform wird die weiße Lichtemission kollimiert und auf ein Fenster projiziert, das auf dem flachen Paket konfiguriert ist, wobei der kollimierte weiße Lichtstrahl aus dem transparenten Fenster austritt und durch einen optischen Pfad im freien Raum oder einen fasergekoppelten optischen Pfad zum Zielobjekt oder -bereich geführt wird.
  • Es gibt mehrere Konfigurationen, die ein ferngesteuertes Pumpen von Leuchtstoffmaterial unter Verwendung einer oder mehrerer Laserdioden-Anregungsquellen ermöglichen. In einer Ausführungsform sind eine oder mehrere Laserdioden mit einem oder mehreren Leuchtstoffelementen mit einer Freiraumoptik-Konfiguration ferngekoppelt. Das heißt, dass zumindest ein Teil des optischen Weges von der Emission der Laserdiode zum Leuchtstoffelement aus einer Freiraumoptik besteht. Bei einer solchen Freiraumoptik kann der von der Laserdiode ausgehende optische Strahl mit Hilfe optischer Elemente wie Kollimationslinsen, einschließlich eines Schnellachsen-Kollimators, eines Langsamachsen-Kollimators, einer asphärischen Linse, einer Kugellinse oder anderer Elemente wie Glasstäben geformt werden. In anderen Ausführungsformen eines optischen Freiraumpumpens kann der Strahl nicht geformt werden und wird einfach direkt an den Leuchtstoff gekoppelt. In einer anderen Ausführungsform wird ein Wellenleiterelement verwendet, um die optische Anregungsleistung von einer oder mehreren Laserdioden in das Leuchtstoffteil einzukoppeln. Das Wellenleiterelement besteht aus einem oder mehreren Materialien, ausgewählt aus Si, SiN, GaN, GaInP, Oxiden oder anderen.
  • In einer anderen Ausführungsform wird eine optische Faser als Wellenleiterelement verwendet, wobei an einem Ende der Faser die elektromagnetische Strahlung von der einen oder den mehreren Laserdioden eingekoppelt wird, um in die Faser einzutreten, und am anderen Ende der Faser die elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt wird, um aus der Faser auszutreten, wo sie dann auf das Phosphorelement trifft. Die optische Faser kann aus einem Glasmaterial wie Siliziumdioxid, einem Polymermaterial oder einem anderen Material bestehen und eine Länge von 100µm bis etwa 100 m oder länger haben.
  • In einer Ausführungsform bestehen die Laserdiodenelemente aus Laserbarren, wobei der Laserbarren eine Anzahl von Emittern mit Hohlraumelementen enthält, die durch Rippenstrukturen gebildet werden, wobei die Hohlraumelemente durch die Elektrode elektrisch miteinander gekoppelt sind. Die Laserdioden, die jeweils einen elektrischen Kontakt durch ihr Hohlraumelement haben, teilen sich eine gemeinsame n-seitige Elektrode. Je nach Anwendung kann die n-Seiten-Elektrode in unterschiedlichen Konfigurationen elektrisch mit den Hohlkörperelementen gekoppelt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gemeinsame n-seitige Elektrode elektrisch mit der Unterseite des Substrats verbunden. In bestimmten Ausführungsformen befindet sich der n-Kontakt auf der Oberseite des Substrats, und die Verbindung wird durch tiefes Ätzen des Substrats von oben und anschließendes Aufbringen von Metallkontakten hergestellt. So sind beispielsweise Laserdioden in einer parallelen Konfiguration elektrisch miteinander gekoppelt. Wenn Strom an die Elektroden angelegt wird, können in dieser Konfiguration alle Laserresonatoren relativ gleichmäßig gepumpt werden. Da die Stegbreiten im Bereich von 1,0 bis 5,0 µm relativ schmal sind, befindet sich die Mitte des Hohlkörpers in unmittelbarer Nähe der Kanten des Stegs (z. B. der Durchkontaktierung), so dass eine Stromverdichtung oder ungleichmäßige Injektion verringert wird. In einer weiteren Ausführungsform mit Laserbarren sind die einzelnen Laserdioden, aus denen der Laserbarren besteht, elektrisch in Reihe geschaltet. In einer weiteren Ausführungsform mit Laserbarren sind die einzelnen Laserdioden des Laserbarrens einzeln adressierbar. So können beispielsweise Elektroden einzeln mit den Emittern gekoppelt werden, so dass es möglich ist, einen Emitter selektiv ein- und auszuschalten.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Multichip-Laserdiodenmodule verwendet. Zum Beispiel könnte ein geschlossener Freiraum Strahl kombiniert Multi-Chip-Lasermodul mit einer erweiterten Lieferung Faser plus Phosphor-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sein. Das geschlossene Freiraum-Mehrchip-Lasermodul erzeugt einen Laserlichtstrahl im violetten oder blauen Lichtspektrum, wobei optional auch IR-emittierende Laserdioden enthalten sind. Die mehreren Laserchips im Paket sorgen für eine wesentlich höhere Intensität der Lichtquelle, die für viele neue Anwendungen gewünscht wird. Zusätzlich ist eine verlängerte optische Faser mit einem Ende mit dem Lichtleiterausgang gekoppelt, um den Laserlichtstrahl für bestimmte Anwendungen auf eine gewünschte Entfernung von bis zu 100 m oder mehr zu lenken. Optional kann die optische Faser auch durch mehrere Wellenleiter ersetzt werden, die in einer planaren Struktur aufgebaut sind, um sie in Silizium-Photonik-Bauteile zu integrieren. Am anderen Ende des Lichtwellenleiters kann ein Wellenlängenkonverter auf Phosphormaterialbasis angeordnet sein, um das Laserlicht zu empfangen, wobei das violette oder blaue Laserlicht in weißes Licht umgewandelt und durch eine Blende oder Kollimationsvorrichtung ausgestrahlt wird. Dadurch wird eine Weißlichtquelle mit geringer Größe, ferngesteuerter Pumpe und flexiblem Aufbau bereitgestellt.
  • In einer anderen Ausführungsform sind die Laservorrichtungen zusammen mit dem Wellenlängenumwandlungselement auf einem gemeinsamen Substrat untergebracht. Es kann ein geformtes Element vorgesehen werden, das entweder die Laservorrichtungen oder das Wellenlängenumwandlungselement von dem gemeinsamen Substrat trennt, so dass das Pumplicht auf das Wellenlängenumwandlungselement in einem Winkel auftrifft, der nicht parallel zur Oberflächennormalen des wellenlängenabdeckenden Elements verläuft. Es sind Transmissionsmodus-Konfigurationen möglich, bei denen das Laserlicht auf eine Seite des Wellenlängenkonverterelements einfällt, die nicht der Paketöffnung zugewandt ist. Das Paket kann auch andere optische, mechanische und elektrische Elemente enthalten.
  • In einer Ausführungsform enthält das Wellenlängenkonverterelement geometrische Merkmale, die auf jede der einen oder mehreren Laserdioden ausgerichtet sind. In einem Beispiel enthält das Wellenlängenumwandlungselement ferner ein optisch reflektierendes Material auf dem überwiegenden Teil der Kanten, die senkrecht zu dem gemeinsamen Substrat und einer oder mehreren Laserdioden stehen, und wobei die geometrischen Merkmale, die auf jede der Laserdioden ausgerichtet sind, kein optisch reflektierendes Material enthalten. In einem Beispiel ist das gemeinsame Substrat optisch transparent. In einem Beispiel ist das Wellenlängenkonverterelement teilweise an dem transparenten gemeinsamen Substrat befestigt. In einem Beispiel wird das wellenlängenkonvertierte Licht durch das gemeinsame Substrat geleitet. In einem Beispiel enthält der Wellenlängenkonverter zumindest auf der oberen Oberfläche ein optisch reflektierendes Material. In einem Beispiel sind die eine oder die mehreren Laserdioden und das Wellenlängenkonverterelement in einem Dichtungselement enthalten, um die Exposition gegenüber der Umgebung zu verringern. In einem Beispiel sind die eine oder die mehreren Laserdioden und das Wellenlängenkonverterelement in einem Dichtungselement enthalten, um die Exposition gegenüber der Umgebung zu verringern.
  • 8A ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform einer integrierten Laser-Phosphor-Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung im außermittigen Reflexionsmodus zeigt. In diesem Beispiel ist der Leuchtstoff in Bezug auf die schnelle Achse des Laserstrahls um einen Winkel ω1 geneigt.
  • 8B ist ein schematisches Diagramm, das einen außeraxialen reflektierenden Leuchtstoff mit zwei Laserdiodenvorrichtungen zeigt, die eine integrierte Laser-Phosphor-Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. Die laserbasierte Weißlichtquelle besteht aus zwei oder mehr Laserdioden einschließlich Trägerelementen 1401, die als Trägerelement für die beiden Laserdioden 1402 dienen, die in übertragenen gallium- und stickstoffhaltigen Epitaxieschichten 1403 ausgebildet sind. Das Leuchtstoffmaterial 1406 ist auf einem Trägerelement 408 befestigt, wobei die Trägerelemente 1401 und 1408 an einem gemeinsamen Trägerelement wie einer Oberfläche in einem Gehäuseelement wie einem oberflächenmontierten Paket befestigt sind. Die mehrfachen Laserstrahlen 1407 regen das Leuchtstoffmaterial 1406 an, das sich vor der Ausgangslaserfacette befindet.
  • Wie in 8B gezeigt, werden die Laserdioden-Anregungsstrahlen 1407 so zueinander gedreht, dass die schnelle Achse des ersten Strahls mit der langsamen Achse des zweiten Strahls ausgerichtet ist, um einen kreisförmigeren Anregungspunkt zu bilden.
  • 9A ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften laserbasierten Weißlichtquelle, die im Reflexionsmodus arbeitet und in einem oberflächenmontierten Paket gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung untergebracht ist. In 9A ist eine Weißlichtquelle im Reflexionsmodus in einem SMD-Paket (Surface Mount Device) dargestellt. Das SMD-Paket hat ein gemeinsames Trägerbasisteil 1601. Das reflektierende Leuchtstoffelement 1602 ist an dem Basiselement 1601 befestigt. Optional kann zwischen dem Leuchtstoffelement 1602 und dem Basiselement 1601 ein Zwischenelement für die Untermontage vorgesehen werden. Die Laserdiode 1603 ist an einem abgewinkelten Trägerelement 1604 befestigt, wobei das abgewinkelte Trägerelement 1604 an dem Basiselement 1601 angebracht ist. Das Basiselement 1601 ist so konfiguriert, dass es Wärme von der Weißlichtquelle weg und zu einem Kühlkörper leitet. Das Basiselement 1601 besteht aus einem wärmeleitenden Material wie Kupfer, Kupfer-Wolfram, Aluminium, SiC, Stahl, Diamant, Verbunddiamant, AlN, Saphir oder anderen Metallen, Keramiken oder Halbleitern.
  • Die elektrischen Verbindungen von den Elektroden der Laserdiode werden mit Hilfe von Drahtbonds 1605 zu den Elektrodenelementen 1606 hergestellt. Die Drahtverbindungen 1607 und 1608 sind an den internen Durchführungen 1609 und 1610 angebracht. Die Durchführungen sind elektrisch mit externen Leitungen verbunden. Die externen Leitungen können elektrisch mit einer Stromquelle verbunden werden, um die Weißlichtquelle mit Strom zu versorgen und die Emission von weißem Licht zu erzeugen.
  • Die Oberseite des Basiselements 1601 kann aus einer reflektierenden Schicht bestehen, mit dieser beschichtet oder gefüllt sein, um Verluste durch nach unten gerichtetes oder reflektiertes Licht zu verhindern oder zu mindern. Darüber hinaus können alle Oberflächen innerhalb des Pakets, einschließlich der Laserdiode und des Submount-Elements, für ein erhöhtes Reflexionsvermögen verbessert werden, um die nützliche Weißlichtleistung zu verbessern.
  • 9B ist ein alternatives Beispiel für eine gehäuste Weißlichtquelle mit 2 Laserdiodenchips gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist eine Weißlichtquelle mit Reflexionsmodus auch in einem SMD-Paket konfiguriert. Das SMD-Paket hat ein Basiselement 1601 mit dem reflektierenden Leuchtstoffelement 1602, das auf einem Trägerelement oder auf einem Basiselement montiert ist. Eine erste Laserdiodenvorrichtung 1613 kann auf einem ersten Trägerelement 1614 oder einem Basiselement 1601 montiert werden. Eine zweite Laserdiodenvorrichtung 1615 kann auf einem zweiten Trägerelement 1616 oder einem Basiselement 1601 angebracht werden. Die Trägerelemente und das Basiselement sind so konfiguriert, dass sie Wärme vom Leuchtstoffelement 1602 und den Laserdiodenvorrichtungen 1613 und 1615 ableiten.
  • Die externen Leitungen können elektrisch mit einer Stromquelle gekoppelt werden, um die Laserdiodenquellen zu elektrifizieren und einen ersten Laserstrahl 1618 von der ersten Laserdiodenvorrichtung 1613 und einen zweiten Laserstrahl 1619 von einer zweiten Laserdiodenvorrichtung 1615 zu emittieren. Die Laserstrahlen treffen auf das Phosphorelement 1602, um einen Anregungsfleck und eine Weißlichtemission zu erzeugen. Die Laserstrahlen werden vorzugsweise auf dem Leuchtstoffkörper 1602 überlagert, um eine optimierte Geometrie und/oder Größe des Anregungsflecks zu erzeugen. Beispielsweise werden die Laserstrahlen der ersten und zweiten Laserdiode um 90 Grad zueinander gedreht, so dass die langsame Achse des ersten Laserstrahls 1618 auf die schnelle Achse des zweiten Laserstrahls 1619 ausgerichtet ist.
  • 9C ist ein alternatives Beispiel für eine gehäuste Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel wird ein Reflexionsmodus Weißlichtquelle auch in einem SMD-Typ-Paket konfiguriert. Das SMD-Paket hat ein Basiselement 1601, das als gemeinsames Trägerelement für ein seitengepumptes Leuchtstoffelement 1622 dient, das auf einem Untersockel oder Trägerelement 1623 montiert ist, und eine Laserdiodenvorrichtung 1624, die auf einem Untersockel oder Trägerelement 1625 montiert ist. In einigen Ausführungsformen können die Laserdiode 1624 und/oder das Leuchtstoffelement 1622 direkt auf dem Basiselement 1601 des Pakets montiert werden. Die Trägerelemente und das Basiselement 1601 sind so konfiguriert, dass sie die Wärme von dem Leuchtstoffelement 1622 und der Laserdiode 1624 ableiten. Das Basiselement 1601 ist im Wesentlichen derselbe Typ wie in 9A und 9B in dem SMD-Paket.
  • Die in den 9A, 9B und 9C gezeigten Weißlichtquellen können auf verschiedene Weise umschlossen werden, um eine Light Engine zu bilden. Optional ist die Lichtmaschine in einer geformten Epoxid- oder Kunststoffabdeckung (nicht gezeigt) eingekapselt. Die geformte Abdeckung kann eine flache Oberseite haben oder so geformt sein, dass sie eine gekrümmte oder kugelförmige Oberfläche hat, um die Lichtauskopplung zu unterstützen. Die Abdeckung kann vorgeformt und eingeklebt oder aus flüssigen oder gelartigen Vorprodukten geformt werden. Da eine Polymerabdeckung oder ein geformtes Einkapselungsmaterial Laserlicht oder abwärts konvertiertes Licht aus dem Wellenlängenkonverter absorbieren kann, besteht ein großes Risiko, dass das Einkapselungsmaterial aufgrund von Erwärmung und Lichtabsorption altert. Wenn ein solches Material altert, neigt es dazu, die optische Absorption zu erhöhen, was zu einem unkontrollierten Prozess führt, der unweigerlich zum Ausfall des Geräts führt. Bei laserbasierten Geräten, die Licht mit sehr hoher Helligkeit und hohem optischen Fluss emittieren, dürfte dieser Alterungseffekt sehr stark sein. Es ist daher vorzuziehen, dass eine Polymerabdeckung in der Nähe der emittierenden Facetten der Laser sowie im Weg der Laserstrahlen zwischen den Laserbauelementen und dem Wellenlängenkonverterelement nicht vorhanden ist. Wahlweise berührt die geformte Abdeckung weder die Laservorrichtung noch das Wellenlängenkonverterelement und schneidet auch nicht die Laserlichtstrahlen, bevor sie das Wellenlängenkonverterelement durchdringen. Optional überlagert die geformte Abdeckung einen Teil oder die Mehrheit der Laservorrichtungen und des Wellenlängenumwandlungselements und steht mit ihnen in Kontakt, bedeckt aber weder die emittierende Facette der Laser noch die Oberfläche des Wellenlängenumwandlungselements, noch schneidet sie den Strahlengang des Laserlichts zwischen den Laservorrichtungen und dem Wellenlängenumwandlungselement. Optional wird das Einkapselungsmaterial nach dem Drahtbonden der Laservorrichtungen über die Vorrichtung gegossen, und es sind keine Luftspalten oder Hohlräume vorhanden.
  • In einer anderen Ausführungsform wird die Lichtmaschine mit einem starren Element wie einem Keramik- oder Metallgehäuse gekapselt. Beispielsweise könnte eine gestanzte Metallwand mit Abmessungen vorgesehen werden, die denen der Außenkante des gemeinsamen Substrats entsprechen. Die Wand könnte an dem gemeinsamen Träger befestigt und mit Epoxidharz oder einem anderen Klebstoff, Metalllot, Glasfrittenversiegelung und Reibschweißen sowie anderen Verbindungstechniken luftdicht verschlossen werden. Die Oberkante der Wand könnte beispielsweise durch Anbringen einer transparenten Abdeckung versiegelt werden. Die transparente Abdeckung kann aus einem beliebigen transparenten Material bestehen, z. B. aus kieselsäurehaltigem Glas, Saphir, Spinell, Kunststoff, Diamant und anderen verschiedenen Mineralien. Die Abdeckung kann mit Epoxidharz, Klebstoff, Metalllot, Glasfrittenversiegelung, Reibschweißen und anderen für das Abdeckmaterial geeigneten Verfahren an der Wand befestigt werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Gehäuse direkt auf dem gemeinsamen Substrat unter Verwendung von Standardlithografietechniken hergestellt werden, die den bei der Verarbeitung von MEMS-Bauelementen verwendeten Techniken ähneln. Viele Lichtemitter, wie z. B. Laserdioden, könnten auf demselben gemeinsamen Substrat hergestellt werden und nach Abschluss der Herstellung durch Sägen, Laserritzen oder ähnliche Verfahren in einzelne Bauteile zerlegt werden.
  • 10A ist eine schematische Seitenansicht einer laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsfunktion, die im Reflexionsmodus in einem geschlossenen oberflächenmontierten Paket gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet. Die eine oder mehreren Laserdioden sind auf einer erhöhten Montagefläche angeordnet, die nicht parallel zu der Montagefläche verläuft, auf der die Leuchtstoffplatte montiert ist. Daraus ergibt sich ein Einfallswinkel des Laseranregungsstrahls auf die Leuchtstoffplatte.
  • 10B ist eine schematische Seitenansicht einer fasergekoppelten laserbasierten Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsmöglichkeit, die im Reflexionsmodus in einem geschlossenen Paket gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet. Die Phosphorplatte liegt über dem Trägerelement und ist in einem optischen Pfad für die Lichtemission von einem oder mehreren Lichtleitfaserelementen konfiguriert, die die Anregungsemission von einer oder mehreren Laserdioden in das Paket transportieren. Die Faser ist in einem schrägen Winkel relativ zu der Phosphorplatte angeordnet, so dass der Anregungsstrahl, der die Faser anregt, auf eine obere Fläche des Phosphors trifft.
  • Die 8A, 8B, 9A, 9B, 9C, 10A und 10B zeigen mehrere Ausführungsformen der laserbasierten Weißlichtquelle, die mit einer IR-Beleuchtungsquelle in einem SMD-Paket konfiguriert ist. Optional sind die keilförmigen Elemente 1401, 1604, 1614 und 1616 in dem SMD-Paket so konfiguriert, dass das Laserlicht von jeder der mehreren Laservorrichtungen auf das Wellenlängenkonverterelement 1406 oder 1602 in einem Winkel von 10 bis 45 Grad zur Ebene der Oberseite des Wellenlängenkonverterelements einfällt. Wahlweise ist nur eine der mehreren Laservorrichtungen in der SMD-gepackten Weißlichtquelle eine blaue Pumplichtquelle mit einer zentralen Wellenlänge zwischen 405 und 470 nm. Optional ist das erste Wellenlängenkonverterelement eine Leuchtstoffplatte auf YAG-Basis, die das Pumplicht absorbiert und ein breiteres Spektrum von gelb-grünem Licht emittiert, so dass die Kombination der Pumplichtspektren und der Leuchtstofflichtspektren ein Weißlichtspektrum ergibt.
  • In einigen Ausführungsformen ist die laserbasierte Weißlichtquelle mit einer IR-Beleuchtungsquelle mit einem IR-Sensor oder einem IR-Figurssystem konfiguriert. Die IR-Beleuchtungsquelle der vorliegenden Erfindung würde verwendet werden, um elektromagnetische IR-Strahlung auf einen Zielbereich oder ein Objekt zu richten, und der IR-Sensor oder das Bildgebungssystem würde eingesetzt werden, um das Vorhandensein, die Bewegung oder andere Merkmale eines Objekts oder Gegenstands innerhalb des Beleuchtungsbereichs zu erkennen. Sobald ein bestimmtes Merkmal durch den IR-Sensor erkannt wurde, könnte eine Reaktion ausgelöst werden. In einem Beispiel würde das sichtbare, laserbasierte Weißlicht aktiviert werden, um das Zielobjekt mit sichtbarem Weißlicht zu beleuchten. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Infrarot-Tracking, auch bekannt als Infrarot-Homing, enthalten, bei dem die von einem Zielobjekt emittierte elektromagnetische Infrarotstrahlung verwendet wird, um die Bewegung des Objekts zu verfolgen. Infrarot wird von heißen Körpern wie Menschen, Fahrzeugen und Flugzeugen stark abgestrahlt.
  • Die Infrarotwellen haben typischerweise Wellenlängen zwischen 0,75 und 1000 µm. Das Infrarotspektrum kann in nahes IR, mittleres IR und fernes IR unterteilt werden. Der Wellenlängenbereich von 0,75 bis 3 µm wird als Nahinfrarotbereich bezeichnet. Der Bereich zwischen 3 und 6 µm wird als mittleres Infrarot bezeichnet, und Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 6 µm wird als fernes Infrarot bezeichnet.
  • Wärmebildsysteme verwenden IR-Energie mittlerer oder langer Wellenlänge und gelten als passiv, da sie nur Wärmeunterschiede erfassen. Diese Wärmesignaturen werden dann auf einem Bildschirm, Monitor oder einem anderen Anzeigegerät dargestellt. Wärmebildgeräte sehen kein reflektiertes Licht und werden daher nicht von Lichtquellen in der Umgebung, wie z. B. entgegenkommenden Scheinwerfern, beeinflusst.
  • Nachtsichtgeräte und andere Schwachlichtkameras sind auf reflektiertes Umgebungslicht wie Mondlicht oder Sternenlicht angewiesen. Nachtsichtgeräte funktionieren nicht, wenn zu viel Licht vorhanden ist, aber nicht genug Licht, um mit dem bloßen Auge sehen zu können, z. B. während der Dämmerung. Vielleicht noch einschränkender ist, dass die Empfindlichkeit der Nachtsicht-Bildgebungstechnologie begrenzt ist, wenn nicht genügend sichtbares Umgebungslicht vorhanden ist, da die Figursleistung von allem, was auf reflektiertem Licht beruht, durch die Menge und Stärke des reflektierten Lichts begrenzt ist. In vielen Fällen gibt es an Orten wie Höhlen, Tunneln, Kellern usw. keine natürlichen Beleuchtungsquellen. In solchen Situationen können aktive Beleuchtungssysteme mit IR-Quellen, die für das menschliche Auge nicht erkennbar sind, Nachtsichtbrillen oder Siliziumkameras eingesetzt werden, um einen Bereich oder ein Ziel zu beleuchten. Diese aktiven Bildgebungssysteme umfassen IR-Beleuchtungsquellen, die ihr eigenes reflektiertes Licht erzeugen, indem sie einen Strahl aus Nah-Infrarot-Energie projizieren, der im Bildgebungsgerät erfasst werden kann, wenn er von einem Objekt reflektiert wird. Solche aktiven IR-Systeme können kurzwelliges Infrarotlicht verwenden, um einen Bereich von Interesse zu beleuchten, wobei ein Teil der IR-Energie zu einer Kamera zurückreflektiert und zur Erzeugung eines Bildes interpretiert wird. Eine solche „verdeckte“ Beleuchtung ohne Erkennung durch gängige Bildgebungstechnologien, einschließlich Bildgebungstechnologien für sichtbares Licht, kann von Vorteil sein. In einigen Ausführungsformen können aktive IR-Systeme Beleuchtungsquellen im mittleren oder tiefen IR-Bereich verwenden.
  • Da sich diese Technologie auf reflektiertes IR-Licht stützt, um ein Bild mit herkömmlichen IR-Beleuchtungsquellen wie LED-Beleuchtungsquellen zu erzeugen, können Reichweite und Kontrast des Bildgebungssystems begrenzt sein. Das laserbasierte Weißlichtsystem, das mit einer IR-Beleuchtungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, bietet eine überlegene Beleuchtungsquelle, die diese Herausforderungen hinsichtlich Reichweite und Kontrast überwinden kann. Da die IR-Beleuchtung entweder direkt von einer hochgradig gerichteten IR-emittierenden Laserdiode oder von einem durch eine Laserdiode angeregten IR-emittierenden Wellenlängenkonverterelement ausgeht, kann die IR-Emission um Größenordnungen heller sein als die herkömmliche LED-IR-Emission. Die 10- bis 10.000-fache Helligkeit einer laserbasierten IR-Beleuchtungsquelle kann die Reichweite im Vergleich zu LED-Quellen um das 10- bis 1000-fache erhöhen und einen hervorragenden Kontrast bieten.
  • IR-Detektoren werden verwendet, um die aufgefangene Strahlung zu erfassen. In einigen Ausführungsformen ist der Strom- oder Spannungsausgang der Detektoren sehr klein, so dass Vorverstärker erforderlich sind, die mit Schaltungen zur weiteren Verarbeitung der empfangenen Signale gekoppelt sind. Die beiden Haupttypen von IR-Detektoren sind Thermodetektoren und Photodetektoren. Die Reaktionszeit und Empfindlichkeit von Photodetektoren kann wesentlich höher sein, doch müssen diese oft gekühlt werden, um das thermische Rauschen zu verringern. Die Materialien in diesen Detektoren sind Halbleiter mit schmalen Bandlücken. Einfallende IR-Photonen verursachen elektronische Anregungen. In photoleitenden Detektoren wird der Widerstand des Detektorelements überwacht. Photovoltaische Detektoren enthalten einen p-n- oder p-i-n-Übergang, an dem bei Beleuchtung ein photoelektrischer Strom entsteht.
  • In einer Ausführungsform kann die zur Erzeugung des resultierenden Bildes verwendete Detektortechnologie eine IR-Photodiode sein, die für IR-Licht derselben Wellenlänge wie das von der IR-Beleuchtungsquelle emittierte Licht empfindlich ist. Wenn das reflektierte IR-Licht auf die Fotodiode trifft, wird ein Fotostrom erzeugt, der eine Ausgangsspannung proportional zur Stärke des empfangenen IR-Lichts induziert. Diese Infrarotkameras sollten ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und eine hohe Empfindlichkeit oder Reaktionsfähigkeit aufweisen. In einem Beispiel wird für den IR-Detektor eine InGaAs-Photodiode verwendet. In anderen Beispielen können Fotodioden auf InAs-Basis, InSb-Basis, InAsSb-Basis, PbSe-Basis oder PbS-Basis verwendet werden. In einigen Konfigurationen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Photodiodenarrays für die IR-Detektion enthalten. Zusätzlich sind Avalanche-Photodioden (APD) in der vorliegenden Erfindung enthalten. Die Detektoren können so konfiguriert werden, dass sie als photovoltaische oder photoleitende Leiter arbeiten. In einigen Beispielen gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kombination der beschriebenen Detektortechnologien in zwei Farbdetektoren enthalten. In einigen Beispielen sind Verstärker und Photomultiplier enthalten.
  • Die thermischen Auswirkungen der einfallenden IR-Strahlung lassen sich durch zahlreiche temperaturabhängige Phänomene verfolgen. Bolometer und Mikrobolometer beruhen auf Widerstandsänderungen. Thermoelemente und Thermopiles nutzen den thermoelektrischen Effekt. Golay-Zellen folgen der thermischen Ausdehnung. In IR-Spektrometern sind die pyroelektrischen Detektoren am weitesten verbreitet.
  • In mehreren bevorzugten Ausführungsformen ist die laserbasierte Weißlichtquelle einschließlich einer IR-Beleuchtungsquelle für die Kommunikation konfiguriert. Die Kommunikation könnte für biologische Medien wie Menschen wie Fußgänger, Verbraucher, Sportler, Polizeibeamte und andere öffentliche Bedienstete, Militär, Reisende, Fahrer, Pendler, Freizeitaktivitäten oder andere Lebewesen wie Tiere, Pflanzen oder andere lebende Objekte bestimmt sein. Die Kommunikation könnte auch für Objekte wie Autos oder jede Art von Auto, einschließlich autonomer Beispiele, Flugzeuge, Drohnen oder andere Luftfahrzeuge, die autonom sein könnten, oder eine breite Palette von Objekten wie Straßenschilder, Straßen, Tunnel, Brücken, Gebäude, Innenräume in Büros und Wohnungen und darin enthaltene Objekte, Arbeitsbereiche, Sportbereiche einschließlich Arenen und Felder, Stadien, Erholungsgebiete und alle anderen Objekte oder Bereiche bestimmt sein. In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird die intelligente Lichtquelle im Internet der Dinge (IoT) eingesetzt, wobei das laserbasierte intelligente Licht zur Kommunikation mit Objekten wie Haushaltsgeräten (z. B. Kühlschrank, Öfen, Herd usw.), Beleuchtung, Heiz- und Kühlsystemen, Elektronik, Möbeln wie Sofas, Stühlen, Tischen, Betten, Kommoden usw., Bewässerungssystemen, Sicherheitssystemen, Audiosystemen, Videosystemen usw. verwendet wird. Natürlich können die laserbasierten intelligenten Leuchten so konfiguriert werden, dass sie mit Computern, Smartphones, Tablets, Smartwatches, Augmented-Reality-Komponenten (AR), Virtual-Reality-Komponenten (VR), Spielen einschließlich Spielkonsolen, Fernsehern und anderen elektronischen Geräten kommunizieren.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Laserlichtquelle mit verschiedenen Methoden kommunizieren. In einem bevorzugten Verfahren ist das intelligente Licht als ein sichtbares Lichtkommunikationssystem (VLC) wie ein LiFi-System konfiguriert, wobei mindestens eine Spektralkomponente der elektromagnetischen Strahlung in der Lichtquelle moduliert wird, um Daten so zu kodieren, dass das Licht Daten überträgt. In einigen Beispielen wird ein Teil des sichtbaren Spektrums moduliert, in anderen Beispielen wird eine nicht sichtbare Quelle wie eine Infrarot- oder Ultraviolettquelle zur Kommunikation einbezogen. Das Modulationsmuster oder -format könnte ein digitales oder ein analoges Format sein und wäre so konfiguriert, dass es von einem Objekt oder Gerät empfangen werden kann. In einigen Ausführungsformen könnte die Kommunikation unter Verwendung einer räumlichen Musterung der Lichtemission des laserbasierten intelligenten Lichtsystems erfolgen. In einer Ausführungsform wird ein Mikrodisplay verwendet, um das Licht zu verpixeln oder zu mustern, was in einer schnellen dynamischen Weise geschehen könnte, um kontinuierlich fließende Informationen zu übermitteln, oder wobei das Muster periodisch in ein statisches Muster geändert wird, um eine statische Nachricht zu übermitteln, die aktualisiert werden könnte. Beispiele für die Kommunikation könnten sein, Einzelpersonen oder Menschenmengen über bevorstehende Ereignisse zu informieren, was in einem Geschäft enthalten ist, spezielle Werbeaktionen, Anweisungen zu geben, Bildung, Verkauf und Sicherheit. In einer alternativen Ausführungsform wird die Form oder der Divergenzwinkel des Emissionsstrahls mit Hilfe eines Mikrodisplays oder einer abstimmbaren Linse wie einer Flüssigkristalllinse von einem diffusen Licht in ein Spotlight oder umgekehrt geändert. Beispiele für Kommunikation könnten sein, eine Person oder eine Menschenmenge zu leiten, vor Gefahren zu warnen, zu erziehen oder zu fördern. In einer weiteren Ausführungsform der laserlichtbasierten Kommunikation könnte die Farbe des intelligenten Beleuchtungssystems von einem kühlen Weiß zu einem warmen Weiß oder sogar zu einer einzelnen Farbe wie Rot, Grün, Blau oder Gelb usw. geändert werden.
  • Es versteht sich, dass die VLC-Lichtmaschine nicht auf eine bestimmte Anzahl von Laservorrichtungen beschränkt ist. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst die Lichtmaschine eine einzige Laservorrichtung, die als „Pump“-Lichtquelle dient und entweder eine Laserdiode oder eine SLED-Vorrichtung ist, die bei einer zentralen Wellenlänge zwischen 390 nm und 480 nm emittiert. Eine „Pump“-Lichtquelle ist eine Laserdiode oder eine SLED-Vorrichtung, die ein Wellenlängenkonverterelement beleuchtet, so dass ein Teil oder das gesamte Laserlicht der Laserdiode oder der SLED-Vorrichtung durch das Wellenlängenkonverterelement in Licht längerer Wellenlänge umgewandelt wird. Die spektrale Breite der Pumplichtquelle beträgt vorzugsweise weniger als 2 nm, obwohl Breiten bis zu 20 nm akzeptabel wären. In einer anderen Ausführungsform besteht die VLC-Lichtmaschine aus zwei oder mehr Laser- oder SLED-„Pump“-Lichtquellen, die mit Zentralwellenlängen zwischen 380 nm und 480 nm emittieren, wobei die Zentralwellenlängen der einzelnen Pump-Lichtquellen um mindestens 5 nm voneinander getrennt sind. Die spektrale Breite der Laserlichtquelle beträgt vorzugsweise weniger als 2 nm, obwohl Breiten von bis zu 75 % des Abstandes der zentralen Wellenlängen akzeptabel wären. Die Pumplichtquelle beleuchtet einen Leuchtstoff, der das Pumplicht absorbiert und ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts reemittiert. Jede Pumplichtquelle ist einzeln adressierbar, so dass sie unabhängig voneinander betrieben werden können und als unabhängige Kommunikationskanäle fungieren.
  • Die Kodierung von Informationen für die Kommunikation durch den Laser oder die SLED kann durch eine Vielzahl von Methoden erreicht werden. Grundsätzlich kann die Intensität der LD oder SLED verändert werden, um eine analoge oder digitale Darstellung eines Audiosignals, eines Videobildes oder eines Bildes oder einer beliebigen Art von Information zu erzeugen. Bei einer analogen Darstellung ist die Amplitude oder Frequenz der Intensitätsänderung der LD oder SLED proportional zum Wert des ursprünglichen analogen Signals.
  • Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung, die Beleuchtungssysteme auf Basis von Laserdioden oder SLEDs umfasst, wenn sie auf eine LiFi- oder VLC-Anwendung angewendet werden, besteht darin, dass sowohl Laserdioden als auch SLEDs mit stimulierter Emission arbeiten, wobei die direkten Modulationsraten nicht durch die Trägerlebensdauer wie bei LEDs bestimmt werden, die mit spontaner Emission arbeiten. Die Modulationsrate bzw. der Frequenzgang von LEDs ist umgekehrt proportional zur Trägerlebensdauer und proportional zu den elektrischen Parasiten (z. B. der RC-Zeitkonstante) der Diode und der Bauelementestruktur. Da die Lebensdauer der Ladungsträger bei LEDs in der Größenordnung von Nanosekunden liegt, ist der Frequenzgang auf den MHz-Bereich begrenzt, typischerweise auf einige 100 MHz (d. h. 300-500 MHz). Da Hochleistungs-LEDs oder LEDs mit mittlerer Leistung, die üblicherweise für Beleuchtungszwecke verwendet werden, große Diodenflächen in der Größenordnung von 0,25 bis 2 mm2 benötigen, ist die Eigenkapazität der Diode zu groß und kann die Modulationsrate weiter einschränken. Im Gegensatz dazu arbeiten Laserdioden mit stimulierter Emission, bei der die Modulationsraten von der Photonenlebensdauer bestimmt werden, die in der Größenordnung von Pikosekunden liegt, und können Modulationsraten im GHz-Bereich ermöglichen, von etwa 1 bis etwa 30 GHz, je nach Art der Laserstruktur, der differentiellen Verstärkung, des Volumens des aktiven Bereichs und des optischen Einschlussfaktors sowie der elektrischen Parasiten. Infolgedessen können VLC-Systeme auf der Basis von Laserdioden im Vergleich zu VLC-Systemen auf der Basis von LEDs 10-, 100- und möglicherweise 1000-fach höhere Modulationsraten und damit Datenraten bieten. Da VLC- (d. h. LiFi-) Systeme im Allgemeinen höhere Datenraten als WiFi-Systeme bieten, können laserbasierte LiFi-Systeme im Vergleich zu herkömmlichen WiFi-Systemen eine 100- bis 10.000-fach höhere Datenrate ermöglichen, was enorme Vorteile für die Datenübertragung bei Anwendungen mit hohem Datenaufkommen bietet, z. B. bei einer großen Anzahl von Nutzern (z. B. in Stadien) und/oder wenn die Art der übertragenen Daten ein hohes Bitvolumen erfordert (z. B. bei Spielen).
  • Die digitale Kodierung ist ein übliches Kodierungsschema, bei dem die zu übertragenden Daten als numerische Informationen dargestellt werden und dann die Intensität der LD oder SLED in einer Weise variiert wird, die den verschiedenen Werten der Informationen entspricht. Beispielsweise könnte die LD oder SLED vollständig ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Ein- und Ausschaltzustände mit binären Werten korrelieren, oder sie könnte in einen Zustand hoher und einen Zustand niedriger Intensität versetzt werden, die binäre Werte darstellen. Letzteres würde höhere Modulationsraten ermöglichen, da die Einschaltverzögerung der Laserdiode vermieden würde. Die LD- oder SLED-Diode könnte mit einer gewissen Grundleistung betrieben werden, wobei eine kleine Leistungsschwankung die übertragenen Daten darstellt, die der Grundleistung überlagert werden. Dies ist vergleichbar mit einem DC-Offset oder einer Vorspannung bei einem Hochfrequenz- oder Audiosignal. Die kleine Variation kann in Form von diskreten Änderungen der Ausgabe erfolgen, die ein oder mehrere Datenbits darstellen, obwohl dieses Kodierungsschema fehleranfällig ist, wenn viele Ausgabestufen verwendet werden, um Bits effizienter zu kodieren. So können beispielsweise zwei Stufen verwendet werden, die eine einzelne Binärziffer oder ein Bit darstellen. Die Stufen wären durch einen gewissen Unterschied in der Lichtleistung getrennt. Eine effizientere Kodierung würde 4 diskrete Lichtausgangsstufen in Bezug auf die Basisstufe verwenden, so dass ein Lichtausgangswert eine beliebige Kombination von zwei binären Ziffern oder Bits darstellen kann. Der Abstand zwischen den Lichtausgangsstufen ist proportional zu n-1, wobei n die Anzahl der Lichtausgangsstufen ist. Eine Erhöhung der Effizienz der Kodierung auf diese Weise führt zu geringeren Unterschieden im Signal, das die kodierten Werte unterscheidet, und damit zu einer höheren Fehlerquote bei der Messung der kodierten Werte.
  • In einigen Ausführungsformen werden zusätzliche Strahlformer zwischen den Laserdiodenelementen und dem Wellenlängenkonverterelement eingesetzt, um den Pumplichtstrahl vor dem Auftreffen auf den Leuchtstoff vorzubereiten. In einer bevorzugten Ausführungsform würde beispielsweise die Laser- oder SLED-Emission vor dem Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter kollimiert, so dass der Laserlicht-Anregungspunkt eine bestimmte und kontrollierte Größe und Lage hätte. Das Lichtsignal verlässt dann die Lichteinheit und breitet sich entweder im freien Raum oder über einen Wellenleiter wie eine optische Faser aus. In einer Ausführungsform fällt das nicht umgewandelte Laserlicht auf das Wellenlängenumwandlungselement 1527. Das nicht umgewandelte Laserlicht wird jedoch vom Wellenlängenumwandlungselement 1527 effizient gestreut oder reflektiert, so dass weniger als 10 % des einfallenden Lichts durch Absorption durch das Wellenlängenumwandlungselement 1527 verloren gehen.
  • Die Verwendung mehrerer Laser derselben Wellenlänge ermöglicht es, jeden Laser mit einer geringeren Leistung zu betreiben, als dies mit nur einem Pumplaser für eine feste Leistung des emittierten weißen Lichtspektrums möglich wäre. Die Hinzufügung von roten und grünen Lasern, die nicht umgewandelt werden, ermöglicht die Einstellung des Farbpunkts des emittierten Spektrums. Solange die Umwandlungseffizienz des Wellenlängenkonverterelements nicht mit der Intensität des Pumplasers in die Sättigung geht, ist der Farbpunkt des Weißlichtspektrums bei einem einzigen Punkt im Farbraum fixiert, der durch die Farbe des blauen Lasers, das vom Wellenlängenkonverterelement emittierte abwärtsgewandelte Spektrum und das Verhältnis der Leistung der beiden Spektren bestimmt wird, das durch die Abwärtswandlungseffizienz und die Menge des vom Wellenlängenkonverterelement gestreuten Pumplaserlichts bestimmt wird. Durch Hinzufügen eines unabhängig gesteuerten grünen Lasers kann der letzte Farbpunkt des Spektrums über den Planck'schen Schwarzkörperpunkt gezogen werden. Durch Hinzufügen eines unabhängig gesteuerten roten Lasers kann der endgültige Farbpunkt des Spektrums unter den Planck'schen Schwarzkörperort der Punkte gezogen werden. Durch Hinzufügen von unabhängig gesteuerten violetten oder cyanfarbenen Lasern, deren Wellenlängen vom Wellenlängenkonverter nicht effizient absorbiert werden, kann der Farbpunkt wieder in Richtung der blauen Seite der Farbskala verschoben werden. Da jeder Laser unabhängig angesteuert wird, kann die zeitlich gemittelte Sendeleistung jedes Lasers so angepasst werden, dass eine Feineinstellung des Farbpunkts und des CRI des endgültigen Weißlichtspektrums möglich ist.
  • Optional können mehrere blaue Pumplaser mit den jeweiligen zentralen Wellenlängen von 420, 430 und 440 nm verwendet werden, während nicht umgewandelte grüne und rote Laservorrichtungen zur Anpassung des Farbspektrums der Vorrichtungen eingesetzt werden. Optional müssen die nicht umgewandelten Lasergeräte keine zentralen Wellenlängen haben, die dem roten und grünen Licht entsprechen. Der nicht umgewandelte Laser könnte beispielsweise im Infrarotbereich bei Wellenlängen zwischen 800 nm und 2 Mikrometern emittieren. Eine solche Lichtquelle wäre für die Kommunikation vorteilhaft, da die Infrarotvorrichtung die Lichtausbeute der weißen Lichtquelle nicht erhöht, oder als sichtbare Lichtquelle mit einem nicht sichtbaren Kommunikationskanal. Dies ermöglicht die Fortsetzung der Datenübertragung unter einem breiteren Spektrum von Bedingungen und könnte höhere Datenraten ermöglichen, wenn der für die Datenübertragung konfigurierte nicht sichtbare Laser optimal für Hochgeschwindigkeitsmodulation geeignet wäre, wie z. B. ein Telekom-Laser oder ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL). Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer nicht sichtbaren Laserdiode für die Kommunikation besteht darin, dass die VLC-fähige Weißlichtquelle einen nicht sichtbaren Emitter verwenden kann, der auch dann effektiv Daten überträgt, wenn die sichtbare Lichtquelle aus irgendeinem Grund in der Anwendung ausgeschaltet ist.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Weißlichtquelle so konfiguriert, dass sie eine intelligente Lichtquelle mit einem strahlformenden optischen Element ist. Optional liefert das strahlformende optische Element einen optischen Strahl, bei dem mehr als 80 % des emittierten Lichts in einem Emissionswinkel von 30 Grad enthalten sind. Wahlweise liefert das Strahlformungselement einen optischen Strahl, bei dem mehr als 80 % des emittierten Lichts in einem Abstrahlwinkel von 10 Grad enthalten sind. Optional kann die Weißlichtquelle innerhalb der allgemein akzeptierten Standardform und -größe bestehender MR-, PAR- und AR111-Lampen geformt werden. Optional enthält die Weißlichtquelle außerdem eine integrierte elektronische Stromversorgung, um das laserbasierte Lichtmodul elektrisch zu versorgen. Optional enthält die Weißlichtquelle außerdem eine integrierte elektronische Stromversorgung mit einer Eingangsleistung innerhalb der allgemein anerkannten Standards. Natürlich kann es auch andere Variationen, Modifikationen und Alternativen geben.
  • In einigen Ausführungsformen verfügt die intelligente Lichtquelle, die mindestens ein laserbasiertes Lichtmodul enthält, über ein oder mehrere Strahlsteuerungselemente, um die Kommunikation zu ermöglichen. Optional bietet das Strahllenkelement ein reflektierendes Element, das die Ausbreitungsrichtung des emittierten Laserlichts dynamisch steuern kann. Optional bietet das Strahllenkelement ein reflektierendes Element, das die Ausbreitungsrichtung des emittierten Laserlichts und des vom Wellenlängenkonverterelement emittierten Lichts dynamisch steuern kann. Optional enthält die intelligente Weißlichtquelle außerdem eine integrierte elektronische Stromversorgung, um die Strahllenkelemente elektrisch zu versorgen. Wahlweise enthält die intelligente Weißlichtquelle außerdem eine integrierte elektronische Steuerung zur dynamischen Kontrolle der Funktion der Strahlsteuerungselemente.
  • Gemäß einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine dynamische laserbasierte Lichtquelle oder Lichtprojektionsvorrichtung bereit, die ein Mikroanzeigeelement enthält, um eine dynamische Strahlsteuerung, Strahlmusterung oder Strahlpixelierung zu bewirken. Mikrodisplays, wie z. B. ein MEMS-Scannerspiegel oder ein „fliegender Spiegel“, ein DLP-Chip (Digital Light Processing) oder ein DMD (Digital Mirror Device) oder ein LCOS (Liquid Crystal on Silicon) können eingebaut werden, um das räumliche Muster und/oder die Farbe des emittierten Lichts dynamisch zu verändern. In einer Ausführungsform wird das Licht gepixelt, um bestimmte Pixel zu aktivieren und andere Pixel nicht zu aktivieren, so dass ein räumliches Muster oder ein Bild aus weißem Licht entsteht. In einem anderen Beispiel ist die dynamische Lichtquelle so konfiguriert, dass sie den Lichtstrahl lenkt oder ausrichtet. Die Steuerung oder Ausrichtung kann durch eine Benutzereingabe erfolgen, die über einen Drehknopf, einen Schalter oder einen Joystick-Mechanismus konfiguriert wird, oder sie kann durch eine Rückkopplungsschleife mit Sensoren gesteuert werden.
  • In einer Ausführungsform ist ein Lasertreibermodul vorgesehen. Das Lasertreibermodul ist unter anderem dazu geeignet, die der Laserdiode zuzuführende Leistungsmenge einzustellen. Beispielsweise erzeugt das Lasertreibermodul einen Ansteuerungsstrom auf der Grundlage von Pixeln aus digitalen Signalen, wie z. B. Bildrahmen, wobei die Ansteuerungsströme zum Ansteuern einer Laserdiode geeignet sind. In einer speziellen Ausführungsform ist das Lasertreibermodul so konfiguriert, dass es ein pulsmoduliertes Lichtsignal in einem Frequenzbereich von etwa 50 MHz bis 100 GHz erzeugt.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist ein DLP- oder DMD-Mikroanzeigechip in der Vorrichtung enthalten und so konfiguriert, dass er einen Lichtstrahl lenkt, strukturiert und/oder pixeliert, indem er das Licht von einer zweidimensionalen Anordnung von Mikrospiegeln, die den Pixeln entsprechen, in einem vorbestimmten Winkel reflektiert, um jedes Pixel ein- oder auszuschalten. In einem Beispiel ist der DLP- oder DMD-Chip so konfiguriert, dass er einen kollimierten Strahl des Laseranregungslichts von einer oder mehreren Laserdioden lenkt, um ein vorbestimmtes räumliches und/oder zeitliches Muster des Anregungslichts auf dem Wellenlängenumwandlungs- oder Leuchtstoffelement zu erzeugen. Mindestens ein Teil des wellenlängenkonvertierten Lichts aus dem Leuchtstoffteil könnte dann mit einem Strahlformungselement wie einer Optik rekollimiert oder geformt werden. In diesem Beispiel befindet sich das Mikrodisplay stromaufwärts vom Wellenlängenkonverter im optischen Pfad. In einem zweiten Beispiel ist der DLP- oder DMD-Mikroanzeigechip so konfiguriert, dass er einen kollimierten Strahl von zumindest teilweise wellenlängenkonvertiertem Licht lenkt, um ein vorbestimmtes räumliches und/oder zeitliches Muster von konvertiertem Licht auf einer Zieloberfläche oder in einem Zielraum zu erzeugen. In diesem Beispiel befindet sich das Mikrodisplay stromabwärts des Wellenlängenkonverters im optischen Pfad. DLP- oder DMD-Mikroanzeigechips sind für eine dynamische räumliche Modulation konfiguriert, bei der das Bild von winzigen Spiegeln erzeugt wird, die in einem Array auf einem Halbleiterchip wie einem Siliziumchip angeordnet sind. Die Spiegel können mit hoher Geschwindigkeit in ihrer Position moduliert werden, um Licht entweder durch ein optisches Strahlformungselement wie eine Linse oder in einen Strahlenkanal zu reflektieren. Jeder der winzigen Spiegel stellt ein oder mehrere Pixel dar, wobei der Abstand 5,4 µm oder weniger betragen kann. Die Anzahl der Spiegel entspricht oder korreliert mit der Auflösung des projizierten Bildes. Übliche Auflösungen für solche DLP-Mikroanzeigechips sind 800×600, 1024×768, 1280×720 und 1920×1080 (HDTV) und sogar noch höher.
  • Gemäß einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine dynamische laserbasierte Lichtquelle oder Lichtprojektionsvorrichtung bereit, die ein Gehäuse mit einer Öffnung umfasst. Die Vorrichtung kann eine Eingabeschnittstelle für den Empfang eines Signals zur Aktivierung der dynamischen Funktion der Lichtquelle enthalten. Die Vorrichtung kann ein Video- oder Signalverarbeitungsmodul enthalten. Darüber hinaus umfasst das Gerät eine Lichtquelle, die auf einer Laserquelle basiert. Die Laserquelle umfasst eine violette Laserdiode oder eine blaue Laserdiode. Die Ausgabe des dynamischen Lichtmerkmals besteht aus einer Phosphoremission, die durch den Ausgangsstrahl einer Laserdiode oder einer Kombination aus einer Laserdiode und einem Phosphorelement angeregt wird. Die violette oder blaue Laserdiode wird auf einem polaren, unpolaren oder semipolaren, Ga-haltigen Substrat hergestellt. Die Vorrichtung kann ein mit der Laserquelle gekoppeltes Lasertreibermodul enthalten. Die Vorrichtung kann einen digitalen Lichtverarbeitungs-Chip (DLP) enthalten, der eine digitale Spiegelvorrichtung umfasst. Die digitale Spiegelvorrichtung umfasst eine Vielzahl von Spiegeln, wobei jeder der Spiegel den Pixeln der Bildrahmen entspricht. Die Vorrichtung umfasst eine Stromquelle, die elektrisch mit der Laserquelle und dem digitalen Lichtverarbeitungschip verbunden ist.
  • Die Vorrichtung kann ein mit der Laserquelle gekoppeltes Lasertreibermodul enthalten. Die Vorrichtung umfasst ein optisches Element, das sich in der Nähe der Laserquelle befindet, wobei das optische Element so ausgelegt ist, dass es den Laserstrahl auf den digitalen Lichtverarbeitungschip richtet. Die Vorrichtung umfasst eine Stromquelle, die elektrisch mit der Laserquelle und dem digitalen Lichtverarbeitungschip verbunden ist. In einer Ausführungsform können die dynamischen Eigenschaften der Lichtquelle durch den Benutzer des Geräts ausgelöst werden. Zum Beispiel kann der Benutzer einen Schalter, einen Drehknopf, einen Joystick oder einen Auslöser betätigen, um die Lichtleistung von einem statischen in einen dynamischen Modus, von einem dynamischen Modus in einen anderen dynamischen Modus oder von einem statischen Modus in einen anderen statischen Modus zu ändern.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist ein Flüssigkristall-auf-Silizium (LCOS)-Mikroanzeigechip in der Vorrichtung enthalten und so konfiguriert, dass er einen Lichtstrahl lenkt, strukturiert und/oder pixeliert, indem er das Licht von einer zweidimensionalen Anordnung von Flüssigkristallspiegeln, die Pixeln entsprechen, in einem vorbestimmten Winkel reflektiert oder absorbiert, um jedes Pixel ein- oder auszuschalten. In einem Beispiel ist der LCOS-Chip so konfiguriert, dass er einen kollimierten Strahl des Laseranregungslichts von einer oder mehreren Laserdioden lenkt, um ein vorbestimmtes räumliches und/oder zeitliches Muster des Anregungslichts auf dem Wellenlängenumwandlungs- oder Leuchtstoffteil zu erzeugen. Mindestens ein Teil des wellenlängenkonvertierten Lichts aus dem Leuchtstoffteil könnte dann mit einem Strahlformungselement wie einer Optik rekollimiert oder geformt werden. In diesem Beispiel befindet sich die Mikroanzeige stromaufwärts vom Wellenlängenkonverter im optischen Pfad. In einem zweiten Beispiel ist der LCOS-Mikroanzeigechip so konfiguriert, dass er einen kollimierten Strahl von zumindest teilweise wellenlängenkonvertiertem Licht lenkt, um ein vorbestimmtes räumliches und/oder zeitliches Muster von konvertiertem Licht auf einer Zieloberfläche oder in einem Zielraum zu erzeugen. In diesem Beispiel befindet sich die Mikroanzeige stromabwärts des Wellenlängenkonverterteils im optischen Pfad. Das erstgenannte Beispiel ist das bevorzugte, da LCOS-Chips polarisationsempfindlich sind und der Ausgang von Laserdioden oft stark polarisiert ist, beispielsweise zu mehr als 70 %, 80 %, 90 % oder mehr als 95 % polarisiert. Dieses hohe Polarisationsverhältnis der direkten Emission der Laserquelle ermöglicht eine hohe optische Durchsatzleistung für das Laseranregungslicht im Vergleich zu LEDs oder herkömmlichen Lichtquellen, die unpolarisiert sind, wodurch etwa die Hälfte des Lichts verschwendet wird.
  • LCOS-Mikroanzeigechips sind für räumliche Lichtmodulation konfiguriert, wobei das Bild durch winzige aktive Elemente erzeugt wird, die in einem Array auf einem Siliziumchip angeordnet sind. Die Reflektivität der Elemente wird mit schnellen Raten moduliert, um Licht selektiv durch ein optisches Strahlformungselement wie eine Linse zu reflektieren. Die Anzahl der Elemente entspricht oder korreliert mit der Auflösung des projizierten Bildes. Gängige Auflösungen für solche LCOS-Mikro-Display-Chips sind 800×600, 1024×768, 1280×720 und 1920×1080 (HDTV) und sogar noch höher.
  • Optional ergibt das teilweise umgewandelte Licht, das vom Wellenlängenumwandlungselement emittiert wird, einen Farbpunkt, der weiß erscheint. Wahlweise liegt der Farbpunkt des weißen Lichts auf dem Planck'schen Schwarzkörper-Ortskurve der Punkte. Wahlweise liegt der Farbpunkt des weißen Lichts innerhalb von du'v' von weniger als 0,010 des Planck'schen Schwarzkörperortes der Punkte. Wahlweise liegt der Farbpunkt des weißen Lichts vorzugsweise innerhalb von du'v' von weniger als 0,03 des Planck'schen Schwarzkörperortes der Punkte. Wahlweise werden die Pumplichtquellen unabhängig voneinander betrieben, wobei ihre relativen Intensitäten variiert werden, um den Farbpunkt und den Farbwiedergabeindex (CRI) des weißen Lichts dynamisch zu verändern.
  • In mehreren bevorzugten Ausführungsformen sind in der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Strahlformungselemente enthalten. Solche Strahlformungselemente könnten enthalten sein, um den einen oder die mehreren Laserdioden-Anregungsstrahlen im optischen Pfad vor dem Auftreffen auf den Leuchtstoff oder das Wellenlängenumwandlungselement zu konfigurieren. In einigen Ausführungsformen werden die Strahlformungselemente in den Strahlengang eingebracht, nachdem zumindest ein Teil des Laserdioden-Anregungslichts durch den Leuchtstoff oder das Wellenlängenkonverterelement umgewandelt wurde. In weiteren Ausführungsformen sind die Strahlformungselemente in den Strahlengang des nicht umgewandelten Laserdiodenlichts eingeschlossen. Natürlich ist in vielen bevorzugten Ausführungsformen eine Kombination aus einem oder mehreren der Strahlformungselemente in der vorliegenden Erfindung enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen muss der Ausgangsstrahl einer Laserdiode so konfiguriert sein, dass er auf das Leuchtstoffmaterial trifft, um den Leuchtstoff anzuregen. In einigen Ausführungsformen kann der Laserstrahl direkt auf den Leuchtstoff auftreffen, in anderen Ausführungsformen kann der Laserstrahl mit einer Optik, einem Reflektor oder einem anderen Objekt interagieren, um den Strahl vor dem Auftreffen auf den Leuchtstoff zu manipulieren oder zu formen. Beispiele für solche Optiken sind u. a. Kugellinsen, asphärische Kollimatoren, asphärische Linsen, Kollimatoren mit schneller oder langsamer Achse, dichroitische Spiegel, Drehspiegel, optische Isolatoren, aber auch andere. In einigen Ausführungsformen können andere Optiken in verschiedenen Kombinationen zur Formung, Kollimation, Lenkung, Filterung oder Manipulation des optischen Strahls eingesetzt werden. Beispiele für solche Optiken sind u. a. Re-Imaging-Reflektoren, Kugellinsen, asphärische Kollimatoren, dichroitische Spiegel, Drehspiegel, optische Isolatoren, aber auch andere.
  • In einigen Ausführungsformen wird das umgewandelte Licht, z. B. eine Weißlichtquelle, mit einem oder mehreren optischen Elementen kombiniert, um das erzeugte weiße Licht zu manipulieren. In einem Beispiel könnte die umgewandelte Lichtquelle, wie z.B. die Weißlichtquelle, in einem Scheinwerfersystem, wie z.B. einer Taschenlampe, einem Scheinwerfer, einem Autoscheinwerfer oder anderen Richtungslichtanwendungen eingesetzt werden, bei denen das Licht auf einen bestimmten Ort oder Bereich gerichtet oder projiziert werden muss. In einer Ausführungsform ist ein Reflektor mit der Weißlichtquelle verbunden. Insbesondere wird ein parabolischer (oder paraboloidaler oder parabolischer) Reflektor eingesetzt, um das weiße Licht zu projizieren. Wird die Weißlichtquelle im Brennpunkt eines Parabolreflektors positioniert, werden die ebenen Wellen reflektiert und breiten sich als kollimierter Strahl entlang der Achse des Parabolreflektors aus. In einem anderen Beispiel wird eine Linse verwendet, um das weiße Licht zu einem projizierten Strahl zu bündeln. In einem Beispiel würde eine einfache asphärische Linse vor dem Leuchtstoff positioniert, um das weiße Licht zu bündeln. In einem anderen Beispiel wird eine interne Totalreflexionsoptik zur Kollimation verwendet. In anderen Ausführungsformen können andere Arten von Kollimationsoptiken wie sphärische Linsen oder asphärische Linsen verwendet werden. In mehreren Ausführungsformen wird eine Kombination von Optiken verwendet.
  • In einer Ausführungsform ist das Gerät in der Lage, dem Benutzer oder einem anderen Beobachter Informationen zu vermitteln, indem es bestimmte Eigenschaften des projizierten Lichts dynamisch einstellt. Zu diesen Eigenschaften gehören die Größe, die Form, der Farbton und der Farbpunkt des Lichtpunkts sowie die unabhängige Bewegung des Lichtpunkts. Beispielsweise kann das Gerät Informationen durch die dynamische Veränderung der Form des Lichtpunktes vermitteln. In einem Beispiel wird das Gerät als Taschenlampe oder Fahrradlicht verwendet, und während es den Weg vor dem Benutzer beleuchtet, kann es Richtungen oder Informationen übermitteln, die von einer gekoppelten Smartphone-Anwendung empfangen werden. Zu den Änderungen der Form des Spots, die Informationen vermitteln könnten, gehören unter anderem: das Formen des Spots in Form eines Pfeils, der anzeigt, in welche Richtung der Benutzer gehen sollte, um einem vorgegebenen Weg zu folgen, und das Formen des Spots in Form eines Symbols, um den Empfang einer E-Mail, einer Textnachricht, eines Anrufs oder einer anderen Push-Benachrichtigung anzuzeigen. Der weiße Lichtpunkt kann auch zur Übermittlung von Informationen verwendet werden, indem Text in den Punkt eingeblendet wird. So können beispielsweise vom Benutzer empfangene Textnachrichten in dem Spot angezeigt werden. Ein weiteres Beispiel: Geräte mit Mechanismen zur Veränderung des Farbtons oder des Farbpunkts des emittierten Lichtspektrums können dem Benutzer Informationen über eine Veränderung dieser Eigenschaften vermitteln. Zum Beispiel könnte die oben erwähnte Fahrradlampe, die dem Benutzer den Weg weist, den Farbton des emittierten Lichtspektrums schnell von weiß auf rot ändern, um zu signalisieren, dass sich der Benutzer einer Kreuzung oder einem Stoppschild nähert, das sich außerhalb der Reichweite der Lampe befindet.
  • In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Zweiband-Lichtquelle umfasst, die in der Lage ist, im sichtbaren und im IR-Wellenlängenbereich zu emittieren, wird ein oder mehrere Emissionsbänder der Lichtquelle durch eine Rückkopplungsschleife aktiviert, die einen Sensor umfasst, um eine dynamische Beleuchtungsquelle zu schaffen, die in der Lage ist, die Aktivierung der Beleuchtungsbänder zu wechseln. Solche Sensoren können unter anderem ausgewählt werden aus einer IR-Figurseinheit, einschließlich einer IR-Kamera oder einer Brennebenenanordnung, einem Mikrofon, einem Geophon, einem Hydrophon, einem chemischen Sensor wie einem Wasserstoffsensor, einem CO2 -Sensor oder einem elektronischen Nasensensor, einem Durchflusssensor, einem Wasserzähler, einem Gaszähler, einem Geigerzähler, einem Höhenmesser, einem Fluggeschwindigkeitssensor, einem Geschwindigkeitssensor, einem Entfernungsmesser, einem piezoelektrischen Sensor, einem Gyroskop, einem Trägheitssensor Beschleunigungsmesser, MEMS-Sensor, Hall-Effekt-Sensor, Metalldetektor, Spannungsdetektor, fotoelektrischer Sensor, Fotodetektor, Fotowiderstand, Drucksensor, Dehnungsmessstreifen, Thermistor, Thermoelement, Pyrometer, Temperaturmesser, Bewegungsmelder, passiver Infrarotsensor, Doppler-Sensor, Biosensor, Kapazitätssensor, Videosensor, Wandler, Bildsensor, Infrarotsensor, Radar, SONAR, LIDAR oder andere.
  • In einem Beispiel umfasst eine dynamische Beleuchtungsfunktion eine Rückkopplungsschleife mit einem IR-Sensor, um eine Bewegung oder ein Objekt zu erkennen. Die dynamische Lichtquelle ist so konfiguriert, dass sie eine sichtbare Beleuchtung des Objekts oder der Stelle, an der die Bewegung erkannt wird, erzeugt, indem sie die räumliche Position der Bewegung erfasst und den Ausgangsstrahl auf diese Stelle lenkt. Ein weiteres Beispiel für ein dynamisches Lichtmerkmal ist eine Rückkopplungsschleife mit einem Sensor, wie z. B. einem Beschleunigungsmesser, enthalten. Der Beschleunigungsmesser ist so konfiguriert, dass er erkennt, wohin sich die Laserlichtquelle bewegt, und den Ausgangsstrahl dorthin lenkt, noch bevor der Benutzer der Vorrichtung die Lichtquelle so bewegen kann, dass sie auf den gewünschten Ort gerichtet ist. Natürlich sind dies nur Beispiele für dynamische Lichtquellen mit Rückkopplungsschleifen und Sensoren. Es kann viele andere Implementierungen dieses Erfindungskonzepts geben, das die Kombination dynamischer Lichtquellen mit Sensoren beinhaltet.
  • 11 ist ein funktionales Blockdiagramm für eine laserbasierte Weißlichtquelle, die einen Gallium und Stickstoff enthaltenden violetten oder blauen Pumplaser und ein Wellenlängenkonverterelement zur Erzeugung einer Weißlichtemission sowie eine infrarotemittierende Laserdiode zur Erzeugung einer IR-Emission gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält und mit Sensoren zur Bildung von Rückkopplungsschleifen konfiguriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Anwendungsbereich der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. In 11 ist eine blaue oder violette Laservorrichtung dargestellt, die ein Spektrum mit einer Mittelpunktswellenlänge zwischen 390 und 480 nm emittiert. Das Licht der blauen Laservorrichtung trifft auf ein Wellenlängenkonverterelement, das das blaue Licht teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts umwandelt, so dass ein weißes Lichtspektrum erzeugt wird. Ein erster Lasertreiber versorgt die Gallium und Stickstoff enthaltende Laservorrichtung mit Energie, um das Element mit der sichtbaren Wellenlänge anzuregen. Zusätzlich ist eine IR-emittierende Laservorrichtung vorgesehen, um eine IR-Beleuchtung zu erzeugen. Die gerichtete elektromagnetische IR-Strahlung von der Laserdiode fällt auf das Wellenlängenkonverterelement, wobei sie vom Wellenlängenkonverterelement reflektiert oder durch dieses hindurchgelassen wird, so dass sie demselben optischen Pfad folgt wie die Weißlichtstrahlung. Ein zweiter Lasertreiber dient dazu, die IR-emittierende Laserdiode mit Strom zu versorgen und eine kontrollierte Strommenge mit einer ausreichend hohen Spannung zu liefern, um die IR-Laserdiode zu betreiben.
  • Die sichtbare und IR-emittierende Beleuchtungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung, die in 11 dargestellt ist, ist mit Sensoren ausgestattet, die so konfiguriert sind, dass sie einen Eingang für den ersten und/oder den zweiten Lasertreiber bereitstellen. In einem Beispiel ist der erste Lasertreiber mit einem IR-Sensor ausgestattet, der Bewegungen oder Objekte unter Verwendung der IR-Beleuchtungsquelle erkennt. Sobald eine Erkennung durch die IR-Beleuchtungsquelle ausgelöst wird, aktiviert der erste Lasertreiber die erste Laserdiode, um weißes Licht zu erzeugen und das Objekt oder Ziel mit sichtbarem Licht zu beleuchten. Es gibt viele Beispiele, bei denen es nützlich wäre, ein Objekt mit Hilfe von IR-Beleuchtung verdeckt zu erkennen, so dass es von Tieren oder Menschen nicht entdeckt werden kann.
  • Gemäß dieser in 11 gezeigten Ausführungsform umfasst die IR-Emission eine Spitzenwellenlänge im Bereich von 700 nm bis 1100 nm auf der Grundlage eines Gallium- und Arsen-Materialsystems (z. B. GaAs) für die IR-Beleuchtung im Nahbereich oder eine Spitzenwellenlänge im Bereich von 1100 bis 2500 nm auf der Grundlage eines Indium- und Phosphor-haltigen Materialsystems (z. B. InP) für die IR-Beleuchtung mit augensicherer Wellenlänge oder im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm auf der Grundlage der Quantenkaskadenlasertechnologie für die Wärmebildgebung im mittleren IR-Bereich.
  • Natürlich könnte jede Art von Sensor mit der vorliegenden Erfindung konfiguriert werden, um eine sichtbare oder IR-Beleuchtung Reaktion zu induzieren, wenn der Sensor ausgelöst oder ausgelöst wurde. Weitere Elemente könnten mit der vorliegenden Erfindung einschließlich Sensoren integriert werden. In einer Ausführungsform wird ein Strahlsteuerungselement wie ein MEMS-Spiegel oder DLP verwendet, um das Licht auf einen bestimmten Bereich oder ein bestimmtes Objekt zu lenken, das sich bewegen könnte. Durch die Verwendung eines Bewegungssensors oder eines IR-Sensors kann die Beleuchtungsquelle mit dem Strahlsteuerungselement so konfiguriert werden, dass das Objekt mit sichtbarem Licht und/oder mit IR-Beleuchtung verfolgt wird. In einem Szenario, in dem der Benutzer nicht möchte, dass das Zielobjekt seine Anwesenheit bemerkt, könnte der Benutzer das Objekt mit IR-Beleuchtung verfolgen. In einem Szenario, in dem der Benutzer möchte, dass sich das Zielobjekt seiner Anwesenheit bewusst ist, könnte er das Zielobjekt mit sichtbarem Licht verfolgen. In vielen Gerichtsbarkeiten ist es wichtig, Fotos oder andere Bilder bei sichtbarem Licht zu machen, in diesem Fall würde die sichtbare Beleuchtungsquelle beleuchtet werden. In einigen Fällen können Filter verwendet werden, um selektiv das sichtbare Licht zu filtern, um selektiv die IR-Beleuchtung zu filtern und/oder um selektiv sowohl das sichtbare Licht als auch die IR-Beleuchtung zu filtern.
  • In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine LiFi- oder VLC-Fähigkeit in der laserbasierten sichtbaren und IR-Beleuchtungsquelle enthalten. In einem Beispiel könnte die LiFi-Fähigkeit so konfiguriert werden, dass sie Daten an ein Zielobjekt in ihrem Sichtfeld überträgt, sobald ein bestimmter Erkennungs- oder Sensorreiz ausgelöst wurde. Die Daten könnten auf der Grundlage von IR-Sensoreingaben oder anderen Sensoreingaben, wie z. B. einer sichtbaren/IR-Kamera, gezielt übertragen werden. In einem anderen Beispiel wird die LiFi- oder VLC-Funktion verwendet, um Daten an den Benutzer oder eine andere Person zu übertragen. In einem Beispiel handelt es sich bei den zu übertragenden Daten um die von dem Gerät erfassten IR- oder sichtbaren Bilddaten. Natürlich kann es auch andere Anwendungen und Beispiele der vorliegenden Erfindung geben, die eine LiFi- oder VLC-Funktion beinhalten.
  • In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein räumliches Erfassungssystem, das die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode und/oder eine enthaltene IR-emittierende Laserdiode verwendet, mit der laserbasierten sichtbaren und IR-Beleuchtungsquelle konfiguriert. In einem Beispiel könnte die räumliche Erfassungsfähigkeit als Tiefendetektor konfiguriert werden, der eine Flugzeitberechnung verwendet. Siehe US-Anmeldung Nr. 15/841,053 , eingereicht am 13. Dezember 2017, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Erfindung als Transceiver für sichtbares Licht zur bidirektionalen Kommunikation eingesetzt werden. Optional enthält das Sende-/Empfangsgerät auch einen Detektor, der eine Fotodiode, eine Avalanche-Fotodiode, eine Fotomultiplier-Röhre oder ein anderes Mittel zur Umwandlung eines Lichtsignals in elektrische Energie umfasst. Der Detektor ist mit dem Modem verbunden. In dieser Ausführungsform ist das Modem auch in der Lage, erfasste Lichtsignale in binäre Daten zu dekodieren und diese Daten an ein Steuersystem wie einen Computer, ein Mobiltelefon, eine Armbanduhr oder ein anderes elektronisches Gerät weiterzuleiten.
  • In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung eine intelligente weiße Lichtquelle zur Verfügung, die in Kraftfahrzeugen zur Beleuchtung der äußeren Umgebung des Fahrzeugs verwendet werden kann. Eine beispielhafte Verwendung wäre als Standlicht, Scheinwerfer, Nebelscheinwerfer, Signallicht oder Spot-Licht. In einer Ausführungsform wird eine Lichtvorrichtung mit einem Gehäuse bereitgestellt, das eine Öffnung aufweist. Außerdem enthält die Lichtvorrichtung eine oder mehrere Pumplichtquellen, darunter einen oder mehrere blaue Laser oder blaue SLED-Quellen. Die einzelnen blauen Laser oder SLEDs haben ein Emissionsspektrum mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich von 400 bis 480 nm. Eine oder mehrere der Pumplichtquellen, die im blauen Wellenlängenbereich emittieren, beleuchten ein Wellenlängenkonverterelement, das einen Teil des Pumplichts absorbiert und ein breiteres Spektrum längerwelligen Lichts wieder aussendet. Jede Pumplichtquelle ist so konfiguriert, dass sowohl das Licht aus dem Wellenlängenumwandlungselement als auch das direkt von der einen oder den mehreren Lichtquellen emittierte Licht zu einem weißen Lichtspektrum kombiniert wird. Die Lichtvorrichtung umfasst ferner optische Elemente zur Fokussierung und Kollimation des weißen Lichts und zur Formung des weißen Lichtflecks.
  • In dieser intelligenten Lichtvorrichtung ist jede Pumplichtquelle unabhängig adressierbar und wird von einem Lasertreibermodul gesteuert, das so konfiguriert ist, dass es pulsmodulierte Lichtsignale in einem Frequenzbereich zwischen 10 MHz und 100 GHz erzeugt. Der Lasertreiber verfügt über eine Eingangsschnittstelle für den Empfang von digitalen oder analogen Signalen von Sensoren und elektronischen Steuerungen, um die Modulation der Pumplaserquellen für die Datenübertragung zu steuern. Die Lichtvorrichtung kann über die Modulation der blauen oder violetten Laser oder SLED-Quellen Daten über das Fahrzeug oder die Vorrichtung, an der sie angebracht ist, an andere Fahrzeuge übertragen, die über entsprechend konfigurierte VLC-Empfänger verfügen. Die weiße Lichtquelle könnte zum Beispiel entgegenkommende Fahrzeuge beleuchten. Wahlweise kann sie auch von hinten oder von der Seite in die gleiche Richtung fahrende Fahrzeuge beleuchten. Die Lichtvorrichtung könnte beispielsweise Straßenschilder, Straßenmarkierungen und Verkehrssignale, die mit VLC-Empfängern ausgestattet sind, sowie spezielle VLC-Empfänger beleuchten, die auf oder in der Nähe der Autobahn installiert sind. Die Lichtvorrichtung würde dann Informationen über das sendende Fahrzeug an die empfangenden Fahrzeuge und die Infrastruktur senden. Optional könnte die Beleuchtungsanlage Informationen über den Standort, die Geschwindigkeit und den Kurs des Fahrzeugs sowie bei autonomen oder halbautonomen Fahrzeugen Informationen über den Zielort oder die Route des Fahrzeugs übermitteln, um Lichtwechsel effizient zu planen oder kooperatives Verhalten, wie z. B. Konvoi fahren, zwischen autonomen Fahrzeugen zu koordinieren.
  • In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung eine Kommunikationsvorrichtung bereit, die intuitiv ausgerichtet werden kann. Ein Beispiel für die Verwendung der Kommunikationsvorrichtung wäre für die Schaffung von temporären Netzwerken mit hoher Bandbreite in abgelegenen Gebieten wie über eine Schlucht, in einer Schlucht, zwischen Berggipfeln, zwischen Gebäuden durch einen großen Abstand getrennt und unter Wasser. An diesen Orten können die Entfernungen für ein normales drahtloses Netzwerk zu groß sein, oder, wie im Fall unter Wasser, kann die Funkkommunikation aufgrund der Absorption von Funkwellen durch Wasser schwierig sein. Das Treibermodul verfügt über eine Eingangsschnittstelle für den Empfang von digitalen oder analogen Signalen von Sensoren und elektronischen Steuerungen, um die Modulation der Laserquellen für die Datenübertragung zu steuern.
  • Die Kommunikationsvorrichtung umfasst einen oder mehrere optische Detektoren, die als VLC-Empfänger fungieren, und einen oder mehrere Bandpassfilter zur Unterscheidung zwischen zwei oder mehreren Laser- oder SLED-Quellen. Optional kann ein VLC-Empfänger VLC-Signale unter Verwendung mehrerer Avalanche-Photodioden erfassen, die in der Lage sind, pulsmodulierte Lichtsignale in einem Frequenzbereich von etwa 50 MHz bis 100 GHz zu messen. Optional enthält das Kommunikationsgerät ein oder mehrere optische Elemente wie Spiegel oder Linsen zur Fokussierung und Kollimierung des Lichts zu einem Strahl mit einer Divergenz von weniger als 5 Grad in einem weniger bevorzugten Fall und weniger als 2 Grad in einem besonders bevorzugten Fall. Zwei derartige Vorrichtungen würden einen Lichtfleck mit einem Durchmesser von etwa 3 bis 10 Metern in einer Entfernung von 100 bis 300 Metern ergeben, und der fokussierte weiße Lichtfleck würde es den Bedienern ermöglichen, die VLC-Transceiver auch über große Entfernungen hinweg aufeinander auszurichten, indem sie ihr Gegenüber einfach wie mit einem Suchscheinwerfer anstrahlen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die in der vorliegenden Erfindung offenbarte Kommunikationsvorrichtung als Blitzlichtquelle, wie z. B. Kamerablitze, die Dateninformationen tragen, verwendet werden. Daten könnten durch den Blitz übertragen werden, um Informationen über das aufgenommene Bild zu übermitteln. Beispielsweise kann eine Person ein Bild an einem Veranstaltungsort mit einem Kameratelefon aufnehmen, das mit einer VLC-fähigen Festkörperlichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. Das Telefon überträgt eine Referenznummer an VLC-Empfänger, die in der Bar installiert sind, wobei die Referenznummer eine Methode zur Identifizierung von Bildern auf Social-Media-Websites darstellt, die zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort aufgenommen wurden.
  • In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung eine Projektionsvorrichtung bereit. Die Projektionsvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einer Öffnung. Die Vorrichtung umfasst auch eine Eingabeschnittstelle zum Empfangen von einem oder mehreren Bildrahmen. Die Vorrichtung umfasst ein Videoverarbeitungsmodul. Zusätzlich enthält das Gerät eine oder mehrere blaue Laser- oder blaue SLED-Quellen, die im Gehäuse angeordnet sind. Die einzelnen blauen Laser oder SLEDs haben ein Emissionsspektrum mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich von 400 bis 480 nm. Eine oder mehrere der Lichtquellen, die im blauen Wellenlängenbereich emittieren, beleuchten ein Wellenlängenumwandlungselement, das einen Teil des Pumplichts absorbiert und ein breiteres Spektrum von Licht mit längerer Wellenlänge wieder aussendet. Die Lichtquelle ist so konfiguriert, dass sowohl das Licht des Wellenlängenumwandlungselements als auch das der mehreren Lichtquellen als weißes Lichtspektrum emittiert wird.
  • Der Faserscanner hat bestimmte Leistungsvor- und -nachteile gegenüber dem Abtastspiegel als optisches Element zur Strahlsteuerung in der dynamischen Lichtquelle. Der Abtastspiegel scheint für Display- und Bildgebungsanwendungen wesentlich mehr Vorteile zu haben. Zum Beispiel kann die Abtastfrequenz bei einem Spiegelscanner viel höher sein als bei einem Faserscanner. Ein Spiegelscanner kann bei nahezu 1000 kHz mit höherer Auflösung (<1µ m), aber ohne 2D-Scan-Beschränkung rastern, während ein Faserscanner nur bis zu 50 kHz mit 2D-Scan-Beschränkung scannen kann. Außerdem kann der Spiegelscanner eine viel höhere Lichtintensität verarbeiten als der Faserscanner. Der Spiegelscanner ist einfacher einzurichten, kann für weißes oder RGB-Licht optimiert werden und verfügt über einen Fotodetektor für das Bild. Da der Lichtstrahl im Spiegelscanner direkt gescannt wird, gibt es keine Kollimationsverluste, AR-Verluste und Einschränkungen bei der Drehung, im Gegensatz zu den Fasern, die im Faserscanner gescannt werden und die gewisse Kollimationsverluste und AR-Verluste über gekrümmte Oberflächen aufweisen. Natürlich hat der Faserscanner den Vorteil, dass er eine viel größere Winkelverschiebung (fast 80 Grad) bietet als der Spiegelscanner (etwa +/- 20 Grad).
  • Diese Weißlicht- oder mehrfarbige dynamische Bildprojektionstechnologie gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht intelligente Beleuchtungsvorteile für die Benutzer oder Beobachter. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass die laserbasierte Lichtquelle mit Benutzern, Gegenständen oder Objekten in zwei verschiedenen Methoden kommunizieren kann, wobei die erste durch VLC-Technologie wie LiFi, die Hochgeschwindigkeitsanalog- oder -digitalmodulation einer elektromagnetischen Trägerwelle innerhalb des Systems verwendet, und die zweite durch die dynamische räumliche Musterung des Lichts, um visuelle Beschilderung und Nachrichten für die Betrachter zu sehen zu schaffen. Diese beiden Methoden der Datenkommunikation können separat verwendet werden, um zwei verschiedene Kommunikationsfunktionen auszuführen, wie z. B. in einem Cafe oder in einem Büro, wo die VLC/LiFi-Funktion Daten an die Smartphones und Computer der Benutzer liefert, um sie bei ihrer Arbeit oder bei der Internetrecherche zu unterstützen, während die projizierte Beschilderung oder die dynamische Lichtfunktion Informationen wie Menüs, Listen, Wegbeschreibungen oder eine bevorzugte Beleuchtung übermittelt, um die Benutzer zu informieren, zu unterstützen oder ihre Erfahrungen in ihrem Lokal zu verbessern.
  • In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine dynamische Lichtquelle oder „Lichtmaschine“ bereit, die als weiße Lichtquelle für allgemeine Beleuchtungsanwendungen mit abstimmbaren Farben fungieren kann.
  • In einer Ausführungsform besteht die Lichtmaschine aus zwei oder mehr Lasern oder SLED-Lichtquellen. Diese Ausführungsform ist insofern vorteilhaft, als bei vielen Leuchtstoffen eine erhebliche Lücke zwischen der Wellenlänge der Laserlichtquelle und der kürzesten Wellenlänge des vom Leuchtstoff emittierten Spektrums besteht, um einen bestimmten Farbpunkt zu erreichen. Durch den Einsatz mehrerer blauer Laser mit deutlich unterschiedlichen Wellenlängen kann diese Lücke geschlossen werden, was zu einem ähnlichen Farbpunkt mit verbesserter Farbwiedergabe führt.
  • In einer Ausführungsform fallen die grünen und roten Laserlichtstrahlen in einem Transmissionsmodus auf das Wellenlängenkonverterelement und werden durch das Wellenlängenkonverterelement gestreut. In dieser Ausführungsform wird das rote und grüne Laserlicht nicht stark vom Wellenlängenkonverterelement absorbiert.
  • In einer Ausführungsform besteht das Wellenlängenumwandlungselement aus einer Vielzahl von Bereichen mit unterschiedlicher Zusammensetzung oder Farbumwandlungseigenschaften. Zum Beispiel kann das Wellenlängenkonverterelement aus einer Vielzahl von Bereichen mit abwechselnden Phosphor-Zusammensetzungen bestehen. Eine Zusammensetzung absorbiert blaues oder violettes Laserlicht im Wellenlängenbereich von 385 bis 450 nm und wandelt es in längerwelliges blaues Licht im Wellenlängenbereich von 430 bis 480 nm um. Eine zweite Zusammensetzung absorbiert blaues oder violettes Laserlicht und wandelt es in grünes Licht im Wellenlängenbereich von 480-550 nm um. Eine dritte Zusammensetzung absorbiert blaues oder violettes Laserlicht und wandelt es in rotes Licht im Wellenlängenbereich von 550 bis 670 nm um. Zwischen der Laserlichtquelle und dem Wellenlängenumwandlungselement befindet sich ein Strahlsteuerungsmechanismus wie ein MEMS-Spiegel, ein rotierender Polygonspiegel, ein Spiegelgalvanometer oder ähnliches. Das Strahllenkelement lenkt einen violetten oder blauen Laserpunkt über die Anordnung von Bereichen auf dem Wellenlängenkonverterelement, und die Intensität des Lasers wird mit der Position des Punktes auf dem Wellenlängenkonverterelement synchronisiert, so dass das vom Wellenlängenkonverterelement emittierte oder gestreute rote, grüne und blaue Licht über die Fläche des Wellenlängenkonverterelements variiert werden kann.
  • In einer anderen Ausführungsform besteht die Vielzahl von Wellenlängenumwandlungsbereichen, die das Wellenlängenumwandlungselement umfassen, aus einer Anordnung von Halbleiterelementen wie InGaN, GaN-Einzel- oder Multi-Quantum-Wells für die Erzeugung von blauem oder grünem Licht und Einzel- und Multi-Quantum-Well-Strukturen, die aus verschiedenen Zusammensetzungen von AlInGaAsP für die Erzeugung von gelbem, rotem Licht oder infrarotem Licht bestehen, obwohl dies nur ein Beispiel ist, das den Umfang der Ansprüche nicht übermäßig einschränken sollte. Ein Fachmann würde auch andere alternative Halbleitermaterialien oder Lichtumwandlungsstrukturen kennen.
  • In einer anderen Ausführungsform besteht die Vielzahl von Wellenlängenumwandlungsbereichen, die das Wellenlängenumwandlungselement umfassen, aus einer Anordnung von Halbleiterelementen wie InGaN-GaN-Quantenpunkten für die Erzeugung von blauem, rotem oder grünem Licht und Quantenpunkten, die aus verschiedenen Zusammensetzungen von AlInGaAsP für die Erzeugung von gelbem und rotem Licht bestehen, obwohl dies nur ein Beispiel ist, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken sollte. Ein Fachmann würde auch andere alternative Halbleitermaterialien oder Lichtumwandlungsstrukturen erkennen.
  • Optional können die in dem intelligenten Beleuchtungssystem verwendeten Sensoren Sensoren zur Messung von atmosphärischen und Umweltbedingungen umfassen, wie z. B. Drucksensoren, Thermoelemente, Thermistoren, Widerstandsthermometer, Chronometer oder Echtzeituhren, Feuchtigkeitssensoren, Umgebungslichtmessgeräte, pH-Sensoren, InfrarotThermometer, Messgeräte für gelösten Sauerstoff, Magnetometer und Hall-Effekt-Sensoren, Farbmessgeräte, Bodenfeuchtesensoren und Mikrofone, um nur einige zu nennen.
  • Optional können die im intelligenten Beleuchtungssystem verwendeten Sensoren Sensoren zur Messung von nicht sichtbarem Licht und elektromagnetischer Strahlung umfassen, wie z. B. UV-Lichtsensoren, Infrarot-Lichtsensoren, Infrarot-Kameras, Infrarot-Bewegungsmelder, RFID-Sensoren und Infrarot-Näherungssensoren.
  • Optional können die im intelligenten Beleuchtungssystem verwendeten Sensoren auch Sensoren zur Messung von Kräften wie Dehnungsmessstreifen, Kraftmessdosen, kraftempfindliche Widerstände und piezoelektrische Wandler und andere umfassen.
  • Optional können die im intelligenten Beleuchtungssystem verwendeten Sensoren auch Sensoren zur Messung von Aspekten lebender Organismen umfassen, wie z. B. Fingerabdruck-Scanner, Pulsoximeter, Herzfrequenzmesser, Elektrokardiographie-Sensoren, Elektroenzephalographie-Sensoren und Elektromyographie-Sensoren und andere.
  • In einem Beispiel des intelligenten Beleuchtungssystems umfasst es eine dynamische Lichtquelle, die in einer Rückkopplungsschleife mit einem Sensor, z. B. einem Bewegungssensor, konfiguriert ist. Die dynamische Lichtquelle ist so konfiguriert, dass sie bestimmte Orte beleuchtet, indem sie den Ausgang des weißen Lichtstrahls in die Richtung der erkannten Bewegung lenkt. In einem anderen Beispiel für ein dynamisches Lichtmerkmal, das eine Rückkopplungsschleife mit einem Sensor umfasst, ist ein Beschleunigungsmesser vorgesehen. Der Beschleunigungsmesser ist so konfiguriert, dass er die Richtung der Bewegung der Lichtquelle misst. Das System steuert dann den Ausgangsstrahl in die Bewegungsrichtung. Ein solches System könnte z. B. als Taschenlampe, Handscheinwerfer oder am Kopf montierte Sicherheitsleuchte verwendet werden. Natürlich sind dies nur Beispiele für dynamische Lichtquellen mit Rückkopplungsschleifen und Sensoren. Es kann viele andere Implementierungen dieses Erfindungskonzepts geben, das die Kombination dynamischer Lichtquellen mit Sensoren beinhaltet.
  • Gemäß einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine dynamische laserbasierte Lichtquelle oder Lichtprojektionsvorrichtung bereit, die räumlich abstimmbar ist. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einer Öffnung zur Aufnahme einer Lichtquelle mit einer Eingangsschnittstelle zum Empfang eines Signals zur Aktivierung der dynamischen Eigenschaft der Lichtquelle. Optional kann das Gerät ein Video- oder Signalverarbeitungsmodul enthalten. Zusätzlich enthält die Vorrichtung eine Laserquelle, die in dem Gehäuse mit einer Öffnung angeordnet ist. Die Laserquelle umfasst eine oder mehrere violette Laserdioden oder blaue Laserdioden. Die dynamische Lichtquelle weist einen Ausgang auf, der aus dem Lichtspektrum der Laserdiode und einer durch den Ausgangsstrahl einer Laserdiode angeregten Leuchtstoffemission besteht. Die violette oder blaue Laserdiode wird auf einem polaren, unpolaren oder semipolaren, Ga-haltigen Substrat hergestellt. Das Gerät kann ein Spiegelgalvanometer oder einen Abtastspiegel (MEMS) oder einen „fliegenden Spiegel“ enthalten, der so konfiguriert ist, dass er das Laserlicht oder das lasergepumpte weiße Phosphorlicht auf einen bestimmten Ort in der Außenwelt projiziert. Durch Rasterung des Laserstrahls mit Hilfe des MEMS-Spiegels kann ein Pixel in zwei Dimensionen gebildet werden, um ein Muster oder Bild zu erzeugen. Die Vorrichtung kann auch einen Aktuator zur dynamischen Ausrichtung der Vorrichtung enthalten, um das Laserlicht oder lasergepumpte weiße Phosphorlicht auf einen bestimmten Ort in der Außenwelt zu projizieren.
  • Optional kann die Qualität des von der Weißlichtquelle emittierten Lichts auf der Grundlage von Eingaben von einem oder mehreren Sensoren eingestellt werden. Zu den Eigenschaften des Lichts, die als Reaktion auf ein Signal eingestellt werden können, gehören unter anderem: der Gesamtlichtstrom der Lichtquelle, der relative Anteil von lang- und kurzwelligem blauem Licht, der durch die Einstellung der relativen Intensitäten von mehr als einer blauen Laserquelle mit unterschiedlichen mittleren Wellenlängen gesteuert wird, und der Farbpunkt der weißen Lichtquelle durch Einstellung der relativen Intensitäten von roten und grünen Laserquellen. Eine solche dynamische Anpassung der Lichtqualität kann die Produktivität und die Gesundheit der Arbeitnehmer verbessern, indem die Lichtqualität an die Arbeitsbedingungen angepasst wird.
  • Optional wird die Qualität des von der Weißlichtquelle ausgestrahlten weißen Lichts auf der Grundlage von Eingaben von Sensoren angepasst, die die Anzahl der Personen in einem Raum erfassen. Solche Sensoren können Bewegungssensoren wie Infrarot-Bewegungssensoren, Mikrofone, Videokameras, RFID-Empfänger (Radio Frequency Identification), die RFID-fähige Ausweise an Personen überwachen, und andere umfassen.
  • Optional wird der Farbpunkt des von der Weißlichtquelle emittierten Spektrums durch dynamische Anpassung der Intensitäten der blauen „Pump“-Laserquellen im Verhältnis zu den Intensitäten der grünen und roten Quellen eingestellt. Der Gesamtlichtstrom der Lichtquelle und die relativen Proportionen werden durch Eingaben eines Chronometers, eines Temperatursensors und eines Umgebungslichtsensors gesteuert, die so gemessen werden, dass der Farbpunkt an die scheinbare Farbe der Sonne bei Tageslicht angepasst und die Helligkeit der Lichtquelle so eingestellt wird, dass Änderungen der Umgebungslichtintensität bei Tageslicht ausgeglichen werden. Der Umgebungslichtsensor wäre entweder durch seine Position oder Ausrichtung so konfiguriert, dass er den Lichteinfall vorwiegend von Fenstern aus misst, oder er würde das Umgebungslicht während kurzer Zeiträume messen, in denen die Leistung der Lichtquelle reduziert oder gestoppt wird, wobei der Messzeitraum zu kurz ist, um vom menschlichen Auge wahrgenommen zu werden.
  • Optional wird der Farbpunkt des von der Weißlichtquelle emittierten Spektrums durch dynamisches Anpassen der Intensitäten der blauen „Pump“-Laserquellen im Verhältnis zu den Intensitäten der grünen und roten Quellen eingestellt. Der Gesamtlichtstrom der Lichtquelle und die relativen Proportionen werden durch Eingaben eines Chronometers, eines Temperatursensors und eines Umgebungslichtsensors gesteuert, die den Farbpunkt so einstellen, dass Mängel in der Umgebungsbeleuchtung ausgeglichen werden. So kann die weiße Lichtquelle beispielsweise automatisch den Gesamtlichtstrom anpassen, um eine Verringerung des von der Sonne kommenden Umgebungslichts aufgrund eines bewölkten Himmels auszugleichen. In einem anderen Beispiel kann die weiße Lichtquelle dem emittierten Spektrum einen Überschuss an blauem Licht hinzufügen, um das geringere Sonnenlicht an bewölkten Tagen auszugleichen. Der Umgebungslichtsensor wäre entweder durch seine Position oder Ausrichtung so konfiguriert, dass er den Lichteinfall vorwiegend von Fenstern aus misst, oder er würde das Umgebungslicht während kurzer Zeiträume messen, in denen die Leistung der Lichtquelle reduziert oder unterbrochen ist, wobei der Messzeitraum zu kurz ist, als dass das menschliche Auge ihn wahrnehmen könnte.
  • In einer speziellen Ausführungsform enthält die Weißlichtquelle mehrere blaue Laservorrichtungen, die Spektren mit unterschiedlichen Zentralwellenlängen in einem Bereich von 420 nm bis 470 nm emittieren. So kann die Quelle beispielsweise drei blaue Laservorrichtungen enthalten, die bei etwa 420, 440 und 460 nm emittieren. In einem anderen Beispiel kann die Quelle fünf blaue Laservorrichtungen enthalten, die bei ca. 420, 440, 450, 460 und 470 nm emittieren. Der Gesamtlichtstrom der Lichtquelle und der relative Anteil des lang- und kurzwelligen blauen Lichts wird durch einen Zeitmesser und einen Umgebungslichtsensor so gesteuert, dass das emittierte weiße Lichtspektrum am Morgen oder an bewölkten Tagen einen größeren Anteil an mittelwelligem blauem Licht zwischen 440 und 470 nm enthält, um einen gesunden zirkadianen Rhythmus und eine produktive Arbeitsumgebung zu fördern. Der Umgebungslichtsensor würde entweder durch seine Position oder Ausrichtung so konfiguriert, dass er den Lichteinfall vorwiegend von Fenstern aus misst, oder er würde das Umgebungslicht während kurzer Zeiträume messen, in denen die Lichtquellenleistung reduziert oder angehalten wird, wobei der Messzeitraum zu kurz ist, als dass das menschliche Auge ihn wahrnehmen könnte.
  • Optional könnte die Weißlichtquelle mit einem VLC-Empfänger ausgestattet werden, so dass eine Vielzahl solcher Weißlichtquellen ein VLC-Mesh-Netzwerk bilden könnte. Ein solches Netzwerk würde es den Weißlichtquellen ermöglichen, Messungen von verschiedenen Sensoren zu übertragen. In einem Beispiel könnte ein VLC-Mesh-Netzwerk, das aus VLC-fähigen weißen Lichtquellen besteht, die Umgebungslichtbedingungen mit Hilfe von Fotosensoren und die Raumbelegung mit Hilfe von Bewegungsmeldern in einem Arbeitsbereich oder Gebäude überwachen sowie die Messung der Umgebungslichtintensität koordinieren, so dass benachbarte Lichtquellen diese Messungen nicht stören. Beispielsweise könnten solche Leuchten die lokalen Temperaturen mit Hilfe von Temperatursensoren wie RTDs und Thermistoren überwachen.
  • In einer Ausführungsform ist die Weißlichtquelle mit einer computergesteuerten Videokamera ausgestattet. Die Weißlichtquelle enthält eine Vielzahl von blauen Lasern, die Spektren mit unterschiedlichen Zentralwellenlängen in einem Bereich von 420 nm bis 470 nm emittieren. So kann die Weißlichtquelle beispielsweise drei blaue Laser enthalten, die bei etwa 420, 440 und 460 nm emittieren. In einem anderen Beispiel kann die Weißlichtquelle fünf blaue Laservorrichtungen enthalten, die bei etwa 420, 440, 450, 460 und 470 nm emittieren. Der Gesamtlichtstrom der weißen Lichtquelle und der relative Anteil des lang- und kurzwelligen blauen Lichts wird durch Eingaben von Algorithmen auf der Grundlage von Gesichtserkennung und maschinellem Lernen gesteuert, die von der Computersteuerung verwendet werden, um die Eigenschaften der im Raum befindlichen Personen zu bestimmen. In einem Beispiel wird die Anzahl der Personen im Raum gemessen. In einem anderen Beispiel können die Bewohner nach Typ, Geschlecht, Größe und Farbe der Kleidung und anderen unterscheidbaren physischen Merkmalen kategorisiert werden. In einem anderen Beispiel können die Stimmung und das Aktivitätsniveau der Bewohner anhand der Menge und der Art der Bewegungen der Bewohner quantifiziert werden.
  • 12A zeigt ein funktionales Blockdiagramm für eine grundlegende laserbasierte VLC-fähige Laserlichtquelle oder „Light Engine“, die als Weißlichtquelle für allgemeine Beleuchtungs- und Displayanwendungen und auch als Sender für die Kommunikation mit sichtbarem Licht wie LiFi funktionieren kann. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie in 12A dargestellt, umfasst die Weißlichtquelle drei Teilsysteme. Das erste Teilsystem ist der Lichtemitter 1509, der entweder aus einem einzelnen Lasergerät oder aus mehreren Lasergeräten (1503, 1504, 1505 und 1506) besteht. Die Laservorrichtungen sind so konfiguriert, dass das Laserlicht von jeder Laservorrichtung auf ein Wellenlängenumwandlungselement 1507, z. B. einen Leuchtstoff, trifft, der das Laserlicht von einer oder mehreren Laservorrichtungen ganz oder teilweise absorbiert und in ein breiteres Spektrum von Photonen mit niedrigerer Energie umwandelt. Das zweite Teilsystem ist die Steuereinheit 1510, die mindestens einen Lasertreiber 1502 und ein VLC-Modem 1501 umfasst. Der Lasertreiber 1502 versorgt und moduliert alle Laservorrichtungen (1503, 1504, 1505 und 1506), um sie für die Kommunikation mit sichtbarem Licht zu aktivieren. Optional kann der Lasertreiber 1502 mindestens eine Laservorrichtung unabhängig von den anderen ansteuern. Das VLC-Modem 1501 ist so konfiguriert, dass es digital kodierte Daten von einer oder mehreren Datenquellen (drahtgebunden oder drahtlos) empfängt und die digital kodierten Daten in analoge Signale umwandelt, die den Ausgang des Lasertreibers 1502 bestimmen. Die Modulation des Laserlichts durch den Lasertreiber auf der Grundlage der kodierten Daten kann entweder digital erfolgen, wobei die emittierte Leistung des Lasers zwischen zwei oder mehreren diskreten Pegeln variiert wird, oder sie kann auf der Variation der Laserintensität mit einem zeitlich variierenden Muster basieren, wobei die Daten im Signal durch Änderungen der Amplitude, der Frequenz, der Phase, der Phasenverschiebung zwischen zwei oder mehreren sinusförmigen Variationen, die zusammen summiert werden, und dergleichen kodiert werden.
  • In einem Beispiel bezieht sich der hier verwendete Begriff „Modem“ auf ein Kommunikationsgerät. Die Vorrichtung kann auch eine Vielzahl anderer Datenempfangs- und - übertragungsvorrichtungen für drahtlose, drahtgebundene, kabelgebundene oder optische Kommunikationsverbindungen sowie eine beliebige Kombination davon umfassen. In einem Beispiel kann die Vorrichtung einen Empfänger mit einem Sender oder einen Transceiver mit geeigneten Filtern und analogen Frontends umfassen. In einem Beispiel kann das Gerät mit einem drahtlosen Netzwerk gekoppelt werden, wie z. B. einem vermaschten Netzwerk, einschließlich Zigbee, Zeewave und anderen. In einem Beispiel kann das drahtlose Netzwerk auf einem 802.11-Drahtlosstandard oder gleichwertigen Standards beruhen. In einem Beispiel kann das drahtlose Gerät auch eine Schnittstelle zu Telekommunikationsnetzwerken, wie 3G, LTE, 5G und anderen, aufweisen. In einem Beispiel kann das Gerät eine Schnittstelle zu einer physikalischen Schicht wie Ethernet oder anderen haben. Das Gerät kann auch mit einer optischen Kommunikation verbunden werden, einschließlich eines Lasers, der mit einer Antriebsvorrichtung oder einem Verstärker gekoppelt ist. Natürlich kann es auch andere Variationen, Modifikationen und Alternativen geben.
  • In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der Ausgang des Lasertreibers für ein digitales Signal konfiguriert. Das dritte Teilsystem ist ein optionaler Strahlformer 1508. Das vom Wellenlängenkonverterelement 1507 (das das einfallende Laserlicht absorbiert hat) emittierte Licht sowie nicht absorbiertes, gestreutes Laserlicht durchläuft den Strahlformer 1508, der die Winkelverteilung des Lichts lenkt, kollimiert, fokussiert oder anderweitig modifiziert. Nach dem Strahlformer 1508 wird das Licht als Kommunikationssignal formuliert, das sich entweder durch den freien Raum oder über einen Wellenleiter wie eine optische Faser ausbreitet. Die Lichtmaschine, d. h. die laserbasierte Weißlichtquelle, ist als VLC-fähige Lichtquelle vorgesehen. Optional kann der Strahlformer 1508 vor dem auf das Wellenlängenkonverterelement 1507 einfallenden Licht angeordnet werden. Wahlweise sind alternative Strahlformer in optischen Pfaden sowohl vor als auch nach dem Wellenlängenkonverterelement 1507 angeordnet.
  • Für eine einzelne laserbasierte VLC-Lichtquelle bietet diese Konfiguration den Vorteil, dass weißes Licht aus der Kombination eines lasergepumpten Leuchtstoffs und dem restlichen, nicht umgewandelten blauen Licht des Lasers erzeugt werden kann. Wenn der Laser stark gestreut wird, weist er eine Lambertsche Verteilung auf, die der des vom Wellenlängenkonverter ausgestrahlten Lichts ähnelt, so dass der projizierte Lichtfleck eine gleichmäßige Farbe über Winkel und Position sowie eine Leistung des abgegebenen Laserlichts aufweist, die proportional zur Intensität des weißen Lichts skaliert. Bei Wellenlängenumwandlungselementen, die das Laserlicht nicht stark streuen, kann das Strahlformungselement so konfiguriert werden, dass die Pump- und Abwärtskonvertierung in ähnlichen Bereichen und Divergenzwinkeln gesammelt werden, was zu einem projizierten Lichtfleck mit gleichmäßiger Farbe über den Winkel, Farbe über die Position innerhalb des Flecks sowie Leistung des abgegebenen Laserlichts führt, die proportional zur Weißlichtintensität skaliert. Diese Ausführungsform ist auch vorteilhaft, wenn sie in einer Konfiguration mit mehreren Pumplasern eingesetzt wird, da sie es ermöglicht, dass das Pumplaserlicht von mehreren Lasern auf dem Wellenlängenkonverterelement räumlich überlappt wird, um einen Lichtfleck von minimaler Größe zu bilden. Diese Ausführungsform ist auch insofern vorteilhaft, als alle Laser zum Pumpen des Wellenlängenumwandlungselements verwendet werden können - vorausgesetzt, die bereitgestellten Laser emittieren bei Wellenlängen, die beim Pumpen des Wellenlängenumwandlungselements wirksam sind -, so dass die von einem einzelnen Laser benötigte Leistung gering ist und somit entweder die Verwendung kostengünstigerer Laser mit geringerer Leistung ermöglicht, um die gleiche Gesamtleistung an weißem Licht zu erzielen, oder die Untersteuerung von Lasern mit höherer Leistung ermöglicht, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems zu verbessern.
  • 12B zeigt ein weiteres Funktionsdiagramm für eine grundlegende laserbasierte VLC-fähige Lichtquelle für allgemeine Beleuchtungs- und Anzeigeanwendungen und auch als Sender für die Kommunikation mit sichtbarem Licht. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie in 12B dargestellt, umfasst die Weißlichtquelle drei Teilsysteme. Das erste Teilsystem ist der Lichtemitter 1530, der aus einem Wellenlängenumwandlungselement 1527 und entweder einem einzelnen Lasergerät oder einer Vielzahl von Lasergeräten 1523, 1524, 1525 und 1526 besteht. Die Laservorrichtungen sind so konfiguriert, dass das Laserlicht von einer Untergruppe der Laservorrichtungen 1523 und 1524 durch das Wellenlängenkonverterelement 1527 teilweise oder vollständig in ein breiteres Spektrum von Photonen niedrigerer Energie umgewandelt wird. Eine andere Untergruppe der Laservorrichtungen 1525 und 1526 wird nicht umgewandelt, obwohl sie auf das Wellenlängenkonverterelement treffen kann. Das zweite Teilsystem ist die Steuereinheit 1520 mit mindestens einem Lasertreiber 1522 und einem VLC-Modem 1521. Der Lasertreiber 1522 ist so konfiguriert, dass er die Lasergeräte mit Strom versorgt und moduliert. Optional ist der Lasertreiber 1522 so konfiguriert, dass er mindestens eine Laservorrichtung aus der Vielzahl der Laservorrichtungen (z. B. 1523, 1524, 1525 und 1526) unabhängig vom Rest ansteuert. Das VLC-Modem 1521 ist so konfiguriert, dass es eine (drahtgebundene oder drahtlose) Verbindung mit einer digitalen Datenquelle herstellt und digital kodierte Daten in analoge Signale umwandelt, die den Ausgang des Lasertreibers 1522 bestimmen. Das dritte Teilsystem ist ein optionales optisches Strahlformungselement 1540. Das vom Wellenlängenumwandlungselement 1527 emittierte Licht sowie nicht absorbiertes, gestreutes Laserlicht durchläuft das optische Strahlformungselement 1540, das die Winkelverteilung des Lichts in ein formuliertes sichtbares Lichtsignal lenkt, kollimiert, fokussiert oder anderweitig modifiziert.
  • In einigen Ausführungsformen werden zusätzliche Strahlformer zwischen den Laserdiodenelementen und dem Wellenlängenkonverterelement eingesetzt, um den Pumplichtstrahl vor dem Auftreffen auf den Leuchtstoff vorzubereiten. In einer bevorzugten Ausführungsform würde beispielsweise die Laser- oder SLED-Emission vor dem Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter kollimiert, so dass der Laserlicht-Anregungspunkt eine bestimmte und kontrollierte Größe und Lage hätte. Das Lichtsignal verlässt dann die Lichteinheit und breitet sich entweder im freien Raum oder über einen Wellenleiter wie eine optische Faser aus. In einer Ausführungsform fällt das nicht umgewandelte Laserlicht auf das Wellenlängenumwandlungselement 1527. Das nicht umgewandelte Laserlicht wird jedoch vom Wellenlängenumwandlungselement 1527 effizient gestreut oder reflektiert, so dass weniger als 10 % des einfallenden Lichts durch Absorption durch das Wellenlängenumwandlungselement 1527 verloren gehen.
  • Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass einer oder mehrere der Datenübertragungslaser nicht durch das Wellenlängenkonverterelement umgewandelt werden. Dies könnte daran liegen, dass der eine oder die mehreren Laser so konfiguriert sind, dass sie nicht auf das Element auftreffen, oder daran, dass die Laser nicht mit einer Wellenlänge emittieren, die von dem Wellenlängenumwandlungselement effizient umgewandelt wird. In einigen Beispielen könnte das nicht umgewandelte Licht eine blaugrüne, grüne oder rote Farbe haben und dazu verwendet werden, den Farbwiedergabeindex des Weißlichtspektrums zu verbessern und gleichzeitig einen Kanal für die Übertragung von Daten bereitzustellen. Da das Licht dieser Laser nicht durch das Wellenlängenumwandlungselement umgewandelt wird, können Laser mit geringerer Leistung verwendet werden, was zu niedrigeren Gerätekosten führt und Geräte mit einem einzigen lateralen optischen Modus ermöglicht, die noch schmalere Spektren aufweisen als Multimode-Laser. Schmälere Laserspektren würden ein effizienteres Wellenlängenmultiplexing in VLC-Lichtquellen ermöglichen.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass die Laser, die das Wellenlängenumwandlungselement umgehen, so konfiguriert werden können, dass von der VLC-fähigen Lichtquelle hochgesättigte Spektren emittiert werden können. Je nach Material und Konfiguration des Wellenlängenkonverterelements ist es beispielsweise nicht möglich, einen blauen Laser auf das Wellenlängenkonverterelement auftreffen zu lassen, der nicht teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. Dies bedeutet, dass es unmöglich wäre, mit einer solchen Quelle ein stark gesättigtes blaues Spektrum zu erzeugen, da immer ein erheblicher Anteil des emittierten Spektrums aus längerwelligem Licht bestehen würde. Mit einer zusätzlichen blauen Laserquelle, die nicht auf das Wellenlängenkonverterelement trifft, könnte eine solche Quelle sowohl ein weißes als auch ein gesättigtes blaues Spektrum emittieren. Durch Hinzufügen grüner und roter Laser könnte die Lichtquelle durch Abwärtskonvertierung eines blauen oder violetten Pumplasers sowohl ein weißes Lichtspektrum als auch gesättigte, farblich abstimmbare Spektren emittieren, die mehrere Spektren mit Farbpunkten in einem breiten Bereich der Farbskala erzeugen können.
  • 13A ist ein Funktionsblockdiagramm für ein laserbasiertes intelligentes Beleuchtungssystem gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie dargestellt, umfasst das Smarting-Beleuchtungssystem eine laserbasierte dynamische Weißlichtquelle mit einem blauen Lasergerät 2005, das ein Spektrum mit einer zentralen Wellenlänge im Bereich von 380-480 nm emittiert. Das System umfasst ein optionales optisches Strahlformungselement 2006, das zur Kollimation, Fokussierung oder anderweitigen Formung des von der Laservorrichtung 2005 emittierten Strahls vorgesehen ist. Das Laserlicht aus der Laservorrichtung 2005 fällt auf ein Wellenlängenkonverterelement 2007. Das System umfasst zusätzlich ein Element 2008 zur Formung und Lenkung des weißen Lichts aus dem Wellenlängenkonverterelement 2007. Ein oder mehrere Sensoren, Sensorl 2002, Sensor2 2002 bis hin zu SensorN 2004, sind vorgesehen, wobei der digitale oder analoge Ausgang des Sensors von dem Lasertreiber 2001 empfangen wird und ein Mechanismus vorgesehen ist, durch den der Ausgang des Lasertreibers durch den Eingang von den Sensoren moduliert wird.
  • 13B ist ein Funktionsdiagramm für ein dynamisches, laserbasiertes intelligentes Beleuchtungssystem gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie dargestellt, sind eine oder mehrere Laservorrichtungen 2106 zusammen mit strahlformenden optischen Elementen 2107 vorgesehen. Die Laservorrichtungen 2106 und die optischen Strahlformungselemente 2107 sind so konfiguriert, dass das Laserlicht auf ein Wellenlängenumwandlungselement 2108 trifft, das einen Teil oder das gesamte Laserlicht absorbiert und ein längeres Wellenlängenspektrum emittiert. Es sind Strahlformungs- und Steuerungselemente 2110 vorgesehen, die das Licht vom Wellenlängenkonverterelement 2008 zusammen mit dem restlichen Laserlicht sammeln und aus der Lichtquelle herausführen. Die Lichtquelle ist mit einem Lasertreiber 2005 ausgestattet, der einen oder mehrere Lasergeräte 2006 mit kontrolliertem Strom und kontrollierter Spannung versorgt. Der Ausgang des Lasertreibers 2105 wird durch den digitalen oder analogen Ausgang eines Mikrocontrollers (oder einer anderen digitalen oder analogen Steuerschaltung) 2101 bestimmt. Die Lichtquelle ist auch mit einem Steuerelementtreiber 2109 ausgestattet, der das optische Strahlsteuerungselement 2110 steuert. Die Ausgabe des Steuerelementtreibers 2109 wird durch die Eingabe der Steuerschaltung bestimmt. Es sind ein oder mehrere Sensoren 2102, 2103 und 2104 vorgesehen. Eine digitale oder analoge Ausgabe der Sensoren wird vom Mikrocontroller 2101 gelesen und dann in eine vorbestimmte Änderung oder Modulation der Ausgabe der Steuerschaltung an den Lasertreiber 2105 und den Lenkelementtreiber 2109 umgewandelt, so dass die Ausgabe der Lichtquelle dynamisch durch die Ausgabe der Sensoren gesteuert wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfassen die optischen Elemente zur Strahlsteuerung einen Abtastspiegel. In einem Beispiel emittiert unter den ein oder mehreren Lasergeräten mindestens ein Lasergerät ein Spektrum mit einer zentralen Wellenlänge im Bereich von 380-480 nm und wirkt als violette oder blaue Lichtquelle. Der blaue Wellenlängenbereich beleuchtet das Wellenlängenumwandlungselement, das einen Teil des Pumplichts absorbiert und ein breiteres Spektrum von Licht längerer Wellenlänge wieder abgibt. Sowohl das Licht des Wellenlängenkonverterelements als auch das eines oder mehrerer Laser werden als weißes Licht emittiert. Optional ist ein Laser- oder SLED-Treibermodul zur dynamischen Steuerung der einen oder mehreren Laservorrichtungen auf der Grundlage einer Eingabe von einer externen Quelle vorgesehen, um eine dynamische Lichtquelle zu bilden. Das Lasertreibermodul erzeugt beispielsweise einen Treiberstrom, der eine oder mehrere Laserdioden auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale ansteuern kann. Die dynamische Lichtquelle verfügt über einen Abtastspiegel und weitere optische Elemente zur Strahlführung, die das emittierte Weißlichtspektrum sammeln, auf den Abtastspiegel richten und das Licht entweder kollimieren oder fokussieren. Es ist ein Abtastspiegeltreiber vorgesehen, der den Abtastspiegel auf der Grundlage von Eingaben von einer externen Quelle dynamisch steuern kann. Beispielsweise erzeugt der Treiber für den Abtastspiegel entweder einen Antriebsstrom oder eine Antriebsspannung, wobei der Antriebsstrom oder die Antriebsspannung dazu geeignet sind, den Abtastspiegel auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale in eine bestimmte Ausrichtung oder über einen bestimmten Bewegungsbereich zu steuern.
  • 14A zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung, die sowohl ein Tiefenerfassungssystem als auch eine laserbasierte sichtbare Lichtquelle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht übermäßig einschränken sollte. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Im Allgemeinen handelt es sich bei diesem Gerät um eine tragbare Lichtvorrichtung zur Tiefenmessung oder Entfernungsmessung oder LIDAR. Hier wird es nur zur Vereinfachung als Tiefenerkennungssystem bezeichnet. Optional kann die tragbare Lichtvorrichtung so konfiguriert werden, dass sie eine Lichtvorrichtung wie z. B. eine Taschenlampe, ein Scheinwerfer, eine Sicherheitsleuchte für den Außenbereich für Freizeit, Verteidigung, Sicherheit, Suche und Rettung usw. ist. Wie gezeigt, besteht die Vorrichtung 2800, z. B. eine mobile Maschine, aus mindestens einer Stromquelle 2801, die als Energiequelle sowohl für das Laserlicht-Beleuchtungssystem 2810 als auch für das Tiefenerkennungssystem 2820 dient. Das Laserlicht-Beleuchtungssystem 2810 besteht aus einer Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdiode 2811, die mit einer ersten elektromagnetischen Strahlung im blauen Wellenlängenbereich (420 bis 485 nm) oder im violetten Wellenlängenbereich (390 bis 420 nm) arbeitet. Die erste ausgegebene elektromagnetische Strahlung fällt auf ein Wellenlängenumwandlungselement, z. B. ein Leuchtstoffmaterial, bei dem zumindest ein Teil der ersten blauen oder violetten Spitzenwellenlänge in eine zweite Spitzenwellenlänge umgewandelt wird, um ein weißes Licht als Ausgangsstrahl mit einer gemischten ersten Spitzenwellenlänge und der zweiten Spitzenwellenlänge zu erzeugen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird das Wellenlängenumwandlungselement oder das Leuchtstoffmaterial in einem Reflexionsmodus betrieben, um den Ausgangsstrahl relativ zu dem einfallenden Strahl zu erzeugen. In anderen bevorzugten Ausführungsformen wird das Wellenlängenkonversionselement oder das Leuchtstoffmaterial in einem Transmissionsmodus betrieben, um den Ausgangsstrahl im Verhältnis zum einfallenden Strahl zu erzeugen. Sobald das weiße Licht erzeugt ist, wird es durch ein optisches Element wie eine Kollimationsoptik geleitet, um den Ausgangsstrahl zu formen.
  • Das Tiefenerkennungssystem 2820 besteht aus einem Laser-Subsystem mit mindestens einem Sendermodul 2822, das einen Laser enthält, wobei der Sender 2822 so konfiguriert ist, dass er Laserlichtimpulse als ein oder mehrere Erkennungslichtsignale erzeugt und in die Umgebung leitet. Das Tiefenerfassungssystem 2820 umfasst auch ein Erfassungs-Teilsystem mit mindestens einem Empfängermodul 2823, das dazu dient, Lichtsignale bei der Rückkehr des einen oder der mehreren Erfassungslichtsignale nach der Reflexion an der Umgebung zu erfassen. Ferner umfasst das Tiefenerkennungssystem 2820 einen Prozessor 2821, der den Sender 2822 und den Empfänger 2823 synchronisiert, sowohl die gesendeten Laserlichtimpulse als auch die reflektierten Lichtsignale verarbeitet und Flugzeitberechnungen durchführt, um die Entfernungen zu allen umgebenden Objekten zu bestimmen und eine dreidimensionale Karte davon zu erstellen.
  • Das Laserlicht-Beleuchtungssystem 2810 kann optional mit dem Tiefenerkennungssystem 2820 über einen Signalprozessor und/oder -generator 2802 gekoppelt sein, der so konfiguriert ist, dass er das Laserlicht-Beleuchtungssystem auf der Grundlage von Rückmeldungen oder Informationen steuert, die vom Tiefenerkennungssystem 2820 bereitgestellt werden. In einem Beispiel erkennt das Tiefenerfassungssystem 2820 ein entgegenkommendes mobiles Objekt. Um eine Blendung des entgegenkommenden Objekts zu verhindern, passt die Verarbeitungseinheit 2802 den Strom für das Laserlicht-Beleuchtungssystem 2810 an, um die Helligkeit des Laserlicht-Beleuchtungssystems 2810 zu dimmen oder zu reduzieren, um Blendungsgefahren zu vermeiden. In einem alternativen Beispiel erkennt das Tiefenerkennungssystem 2820 ein sich bewegendes Objekt, das dem Bediener der mobilen Maschine möglicherweise nicht bekannt ist und ein Sicherheitsrisiko, wie z. B. eine Kollisionsgefahr, verhindern könnte. In diesem Fall erzeugt die Verarbeitungseinheit 2802 ein Signal an das Laserlicht-Beleuchtungssystem 2810, um die Lichtcharakteristik zu verändern, z. B. eine Scheinwerferfunktion auf das sich bewegende Objekt zu aktivieren, um den Bediener darauf aufmerksam zu machen. Darüber hinaus könnte das Laserlicht-Beleuchtungssystem 2810 eine dynamische Quelle sein, die in der Lage ist, den Abstrahlwinkel und/oder das räumliche Muster/den Ort der Lichtabgabe dynamisch zu verändern, so dass das sich bewegende Objekt dynamisch mit einem Scheinwerfer verfolgt werden kann.
  • In einem Beispiel der vorliegenden Ausführungsform können die Komponenten des laserbasierten Beleuchtungssystems 2810 und des Tiefenerkennungssystems 2820 in einem gemeinsamen Paket als integriertes System 2800 oder als separate Systeme untergebracht werden. Beispielsweise könnten das Tiefenerkennungssystem 2820 und das laserbasierte Beleuchtungssystem 2810 im Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs, z. B. eines autonomen Fahrzeugs, untergebracht sein. In einem anderen Beispiel könnten das laserbasierte Beleuchtungssystem und das Tiefenerkennungssystem im Beleuchtungsgehäuse einer Drohne untergebracht sein.
  • In einem Beispiel werden ein laserbasiertes Beleuchtungssystem und ein Tiefenerkennungssystem auf einer mobilen Maschine wie einem autonomen Fahrzeug oder einer Drohne bereitgestellt, wobei das LIDAR-System zum Scannen und zur Navigation und das laserbasierte Beleuchtungssystem zum Anstrahlen von Objekten oder Gelände verwendet wird, um eine Kommunikation oder Warnung bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Tiefenerfassungsfunktion und die Beleuchtungsfunktion über eine Schleife verbunden, wobei das Ergebnis der Tiefenerfassung als Sensorsignal für die Rückkopplung in das dynamische laserbasierte Beleuchtungsmuster dient. Wird beispielsweise bei einer Entfernungsmessung ein Tier am Straßenrand erkannt, kann die Laserlichtquelle so konfiguriert werden, dass sie es bevorzugt anstrahlt. Ein anderes Beispiel: Wird ein entgegenkommendes Fahrzeug von der Entfernungsmessung erkannt, kann das laserbasierte Beleuchtungsmuster so konfiguriert werden, dass der Strahl auf den entgegenkommenden Verkehr ausgeblendet oder abgedunkelt wird. Natürlich gibt es viele Beispiele dafür, wie ein dynamisches Beleuchtungsmuster und ein dynamisches Tiefenabtastungsmuster zusammen verwendet werden können, um die Funktionalität und die Sicherheit in vielen Anwendungen zu erhöhen, z. B. in der Automobilindustrie, im Freizeitbereich, im Handel, in der Raumfahrt und im Verteidigungsbereich usw.
  • 14B ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Laserlicht-Beleuchtungssystems, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung integriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Im Allgemeinen handelt es sich bei dieser Vorrichtung um eine tragbare Beleuchtungseinrichtung zur Tiefenerfassung oder Entfernungsmessung oder LIDAR. Optional kann die tragbare Lichtvorrichtung so konfiguriert werden, dass sie eine Lichtvorrichtung wie z. B. eine Taschenlampe, ein Scheinwerfer, ein Sicherheitslicht für den Außenbereich für Freizeit, Verteidigung, Sicherheit, Suche und Rettung usw. ist. Wie in der Figur dargestellt, ist das integrierte System 2900 mit einer Stromquelle 2901 konfiguriert, um sowohl das Tiefenerkennungssystem als auch das Laserlicht-Beleuchtungssystem mit Strom zu versorgen. Optional können getrennte oder mehrere Stromversorgungen 2901 zusammen mit einer Steuerung 2902 verwendet werden, die einen Prozessor und eine Ansteuerungselektronik enthält, die so konfiguriert ist, dass sie Strom von der Stromversorgung 2901 erhält und Daten oder Signale von den Empfängerkomponenten 2931 des Tiefenerkennungssystems empfängt. Auf der Grundlage externer Eingaben 2990, wie z. B. Benutzereingaben oder vorgegebener Eingaben zur Bereitstellung einer bestimmten Funktionalität, und der von der Stromversorgung 2901 gelieferten Energie bestimmt die Steuerung 2902 geeignete Ansteuersignale, die an eine oder mehrere Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdioden 2903 gesendet werden. Das Ansteuersignal ist so konfiguriert, dass es die Strom- und Spannungscharakteristik der Laserdiode 2903 ansteuert, um ein geeignetes Intensitätsmuster von der Laserdiode zu erzeugen, das eine erste elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge, z. B. einer blauen oder violetten Spitzenwellenlänge, erzeugt. In einer Ausführungsform ist das Ansteuersignal so konfiguriert, dass es sowohl das geeignete Muster des Laserlichts, das in der Laserbeleuchtungsquelle mit der gewünschten Helligkeit und dem gewünschten Lichtstrom benötigt wird, als auch die Laseremission für die Tiefenabtastfunktion mit dem gewünschten Abtastlichtsignal oder Laserimpuls für das Tiefenabtastsystem erzeugt, um das reflektierte Lichtsignal auf der Grundlage des Abtastlichtsignals abzutasten und die Laufzeitberechnung auf der Grundlage des Abtastlichtsignals und des reflektierten Lichtsignals durchzuführen. In einer alternativen Ausführungsform könnte ein optischer Modulator enthalten sein, um ein Signal für das Licht für das Tiefenerfassungssystem oder für die Laserlichtquelle separat zu kodieren.
  • Wie in 14B dargestellt, wird die erste elektromagnetische Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge von der Laserdiode 2903 dann in zwei getrennte optische Pfade aufgeteilt. Der erste optische Pfad fällt auf ein Wellenlängenumwandlungselement 2911 (z. B. einen Leuchtstoff), wo zumindest ein Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in eine zweite elektromagnetische Strahlung (Emission von dem angeregten Leuchtstoff) mit einer zweiten Spitzenwellenlänge umgewandelt wird. Optional liegt die zweite Spitzenwellenlänge im gelben Farbbereich. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zweite elektromagnetische Strahlung mit einem Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung gemischt, um eine elektromagnetische Ausgangsstrahlung des laserbasierten Beleuchtungssystems als weißes Licht zu erzeugen. Die resultierende elektromagnetische Ausgangsstrahlung wird dann mit einem oder mehreren Strahlformungselementen 2912 konditioniert, um eine vorgegebene Kollimation, Divergenz und ein vorgegebenes Muster zu erzeugen. Optional kann dem laserbasierten Beleuchtungssystem ein Strahlsteuerungselement hinzugefügt werden, um eine räumlich dynamische Beleuchtung zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen wird ein zusätzliches Strahlformungselement, z. B. eine Kollimationsoptik, verwendet, um das Laserlicht vor dem Auftreffen auf das Wellenlängenumwandlungselement 2911 zu kollimieren. Darüber hinaus können optische Fasern wie Glas- oder Polymerfasern oder andere Wellenleiterelemente verwendet werden, um das Laserlicht von der Laserdiode 2903 zum Wellenlängenkonverter 2911 zu transportieren und eine Fernumwandlung zu erzeugen.
  • Gemäß 14B leitet der zweite optische Pfad die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge zum Tiefenerkennungs-Sendemodul 2921, wo sie mit anderen Sendekomponenten kombiniert werden kann. In einigen Ausführungsformen wird eine Kollimationsoptik wie eine Linse verwendet, um das Laserlicht vor dem Eintritt in das Sendemodul 2921 des Tiefenerkennungssystems zu kollimieren. Darüber hinaus können optische Fasern wie Glas- oder Polymerfasern oder andere Wellenleiterelemente verwendet werden, um das Laserlicht von der Laserdiode 2903 zum Tiefenmessungs-Sendemodul 2921 zu transportieren. Wie bereits beschrieben, könnte ein optischer Modulator in diesen zweiten optischen Pfad integriert werden, um einen optischen Impuls oder ein anderes optisches Signal als Messlichtsignal zu erzeugen, das für die gewünschte Tiefenmessfunktion erforderlich ist. Vor dem Austritt in die äußere Umgebung kann das Erfassungslichtsignal des LIDAR-Systems durch die Übertragungsoptik 2922 für das Tiefenerfassungssystem mit der geeigneten Divergenz und Richtung ordnungsgemäß aufbereitet werden, um das Erfassungslichtsignal über den gewünschten Zielbereich der Umgebung abzutasten. Eine Karte des gewünschten Zielgebiets kann vom Tiefenerkennungssystem auf verschiedene Weise erfasst werden, z. B. durch Abtasten des Erkennungslichtsignals mit einem dynamischen Scanner wie einem MEMS-Abtastspiegel, durch Aufzeichnung des Bildes mit einem Mikrodisplay wie einem DLP oder LCOS und/oder durch einfache Erweiterung oder Formung des Strahls mit Hilfe von Basisoptiken 2932 wie Linsen, Spiegeln und Streuelementen. Sobald die gesamte Signalverarbeitung und Strahlkonditionierung durch die Übertragungsoptik 2922 abgeschlossen ist, wird der Tiefenerkennungslichtstrahl nach außen auf das Zielgebiet projiziert, wo er von den verschiedenen entfernten Zielobjekten in der Umgebung reflektiert und gestreut wird und teilweise zum Empfängermodul 2931 des Tiefenerkennungssystems zurückkehrt. Das Empfängermodul 2931 besteht aus einigen optischen Komponenten des Empfängers und einem Signalprozessor (wie z. B. einem Analog-Digital-Wandler), einem Detektionselement 2932, wie z. B. einer Fotodiode, einem Fotodioden-Array, einem CCD-Array, einem Antennen-Array, einem Abtastspiegel oder einem Mikrodisplay, das mit einer Fotodiode gekoppelt ist, oder einem anderen Element, das so konfiguriert ist, dass es reflektierte oder gestreute Lichtsignale von dem entfernten Zielobjekt erfasst und in elektrische Signale umwandelt. Die vom Erfassungselement 2932 erfassten elektrischen Signale werden vom Empfängermodul 2931 empfangen und dann zur Berechnung einer Laufzeit für das gesendete und erfasste Tiefenerfassungssignal, wie z. B. einen Erfassungslichtstrahl, verwendet. Optional kann durch den mit dem Empfängermodul 2931 verbundenen Signalprozessor eine räumliche Karte des entfernten Zielobjekts erstellt werden. Die Berechnungen oder Verarbeitungen zur Bestimmung der Flugzeit und der räumlichen Karte können direkt im Empfänger 2931 durchgeführt werden. Alternativ erfolgt die Erzeugung der räumlichen Karte in der separaten Prozessoreinheit 2902.
  • Natürlich können viele neue Konfigurationen dieser Ausführungsform realisiert werden. Zum Beispiel könnte die Lichtquelle des laserbasierten Beleuchtungssystems aus mehreren Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdioden bestehen, wobei eine oder mehrere der mehreren Laserdioden für die Tiefenabtastfunktion verwendet werden. In einem Beispiel werden die mehreren Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdioden, die in einem Bereich von 390 nm bis 550 nm arbeiten, in dem Tiefenerkennungssystem für eine mehrwellige (multispektrale) oder hyper-spektrale Tiefenerkennungs-Beleuchtungsabtastung verwendet. Eine solche Wellenlängenvielfalt in Verbindung mit der entsprechenden Signalaufbereitung und - erfassung kann eine höhere Empfindlichkeit ermöglichen und/oder dem Benutzer des Tiefensensors mehr Informationen über die Umweltlandschaft liefern. In alternativen Ausführungsformen können andere Wellenlängenbereiche von den Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdioden erzeugt werden, wie z. B. Ultraviolett, Cyan, Grün, Gelb, Orange oder Rot. Darüber hinaus kann eine beliebige Anzahl von Abtast-, Raster- oder Bilderzeugungstechnologien eingesetzt werden, wie z. B. DLP, LCOS und Abtastfaser.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird ein laserbasiertes Beleuchtungssystem, bei dem die Wellenlänge der Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdiode für die Tiefenerkennungsbeleuchtung verwendet wird, innerhalb eines herkömmlichen Tiefenerkennungssystems konfiguriert, das standardmäßige Tiefenerkennungswellenlängen wie 905 nm, 1000 nm, 1064 nm, 1550 nm oder andere verwendet. Durch die Kombination von Wellenlängen wie z. B. einer blauen Wellenlänge aus dem Bereich von 390 nm bis 480 nm von der Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdiode mit einer Infrarot-Wellenlänge von einem herkömmlichen Tiefensensorsystem kann eine erhöhte Empfindlichkeit oder Funktionalität erreicht werden. Diese erhöhte Empfindlichkeit und Funktionalität wird dadurch erreicht, dass die verschiedenen Wellenlängen verwendet werden, um unterschiedliche Merkmale der Umgebung zu erfassen, die auf einer differenzierten Analyse der zurückkehrenden Signale oder Echos, wie z. B. der Amplitude, der Laufzeit oder der Phase, basieren. In einigen Ausführungsformen werden in dem System keine Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdioden verwendet, die bei längeren Wellenlängen emittieren, einschließlich Laserdioden auf GaAs- oder InP-Basis.
  • In einer anderen Ausführungsform kann der Laserlicht-Anregungsstrahl, der von dem Wellenlängenkonverter im Laserlicht-Beleuchtungssystem reflektiert und/oder gestreut wurde, zur Realisierung der Tiefenerfassungsfunktion verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird ein Strahlteiler oder eine ähnliche Komponente eliminiert, um einen Teil des direkten Laserstrahls für die Tiefenabtastung vor der Anregung des Wellenlängenumwandlungselements „abzugreifen“. Beispielsweise regt ein violetter bis blauer Laser mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 390 nm bis 480 nm aus einer Laserdiode auf GaN-Basis ein Wellenlängenkonverterelement wie einen Leuchtstoff an, um eine längere zweite Wellenlängenemission zu erzeugen. In einem Beispiel ist die zweite Wellenlänge eine gelbe Farbemission, die sich mit der verbleibenden violetten oder blauen Farbemission der GaN-Laserdiode zu einer weißen Lichtemission vermischt. Diese weiße Lichtemission, die ein Lambertsches Muster aufweisen könnte, wird dann kollimiert und in einen ein- oder zweidimensionalen Scanner wie einen scannenden MEMS-Spiegel eingekoppelt. Das Abtastelement des Scanners würde dann den kollimierten Lichtstrahl über die Umgebung und das Umfeld streuen und als Beleuchtungselement für die Tiefenabtastung dienen. Die erste violette oder blaue Wellenlänge des kollimierten weißen Lichtstrahls überstreicht die Umgebung und erfasst den zurückgeworfenen (gestreuten/reflektierten) Laserstrahl, um die Entfernungen von den streuenden Objekten mit Hilfe einer Flugzeitmethode zu berechnen und somit eine dreidimensionale Karte zu erstellen.
  • In einer üblichen Konfiguration dieser Ausführungsform würde die Laserquelle und/oder das Abtastelement so betrieben, dass ein periodischer kurzer Lichtimpuls oder ein moduliertes Intensitätsschema erzeugt wird, um die Synchronisierung des übertragenen und des erfassten Signals zu ermöglichen. Der Detektor könnte mit einem Notch-Pass-Filter konfiguriert werden, der so ausgelegt ist, dass er nur Wellenlängen innerhalb eines schmalen Bandes (d.h. 2-20nm oder 20-100nm) akzeptiert, das um die Wellenlänge der Laseremission zentriert ist, wie z.B. die violette oder blaue Wellenlänge der Anregungsquelle. Eine solche Konfiguration würde sich optimal für die in dieser Erfindung beschriebenen räumlich dynamischen laserbasierten Lichtausführungen eignen, die ein Mikrodisplay wie einen MEMS-Scannerspiegel mit der laserbasierten Beleuchtungs-/Beleuchtungstechnologie kombinieren.
  • 14C ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Vorrichtung mit einem Laserlicht-Beleuchtungssystem, das mit einem Tiefenerfassungssystem gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung integriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Im Allgemeinen handelt es sich bei dieser Vorrichtung um eine tragbare Beleuchtungseinrichtung zur Tiefenmessung oder Entfernungsmessung oder LIDAR. Optional kann das Gerät als Taschenlampe, Scheinwerfer, Sicherheitslicht im Freien für Freizeit, Verteidigung, Sicherheit, Suche und Rettung usw. konfiguriert werden. Wie in der Figur gezeigt, ist das Gerät 3000 mit einer Stromquelle 3001 konfiguriert, um sowohl das Tiefenerkennungssystem als auch ein Beleuchtungssystem mit Strom zu versorgen, zusammen mit einer Prozessor- und Steuereinheit 3002, die so konfiguriert ist, dass sie Strom von der Stromquelle 3001 und Daten oder Signale vom Empfängerteil 3031 des Tiefenerkennungssystems empfängt. Basierend auf externen Eingaben 3090, wie z. B. Benutzereingaben oder vorgegebenen Eingaben, um eine bestimmte Funktionalität bereitzustellen, und von der Stromversorgung 3001 gelieferter Energie bestimmt die Prozessor- und Steuereinheit 3002 die geeigneten Ansteuersignale auf der Grundlage der externen Eingaben 3090, um eine oder mehrere Laserdioden 3003 anzusteuern, einschließlich Gallium und Stickstoff enthaltende blaue Laserdioden und IR-emittierende Laserdioden. Die Ansteuersignale sind so konfiguriert, dass sie die Strom- und Spannungseigenschaften der Laserdioden 3003 bestimmen, um die entsprechenden Intensitätsmuster zu erzeugen, die als elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge, z. B. einer blauen oder violetten oder infraroten Spitzenwellenlänge, bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform sind die Ansteuersignale so konfiguriert, dass sie sowohl die geeigneten Laserlichtmuster erzeugen, die in der Laserbeleuchtungsquelle mit der gewünschten Helligkeit und dem gewünschten Lichtstrom benötigt werden, als auch die Laseremission für die Abtastfunktion zur Tiefenmessung mit dem gewünschten Signal oder Laserimpuls für die Tiefenmessung und die Flugzeitberechnung. In einer alternativen Ausführungsform ist ein optischer Modulator enthalten, um das Licht für das Tiefenerkennungssystem oder die Beleuchtungsquelle separat mit einem Signal zu kodieren.
  • Wie in 14C gezeigt, wird eine primäre elektromagnetische Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge von den Laserdioden 3003 als einfallendes Licht in ein Wellenlängenkonversionselement 3004 geleitet. Optional ist das Wellenlängenkonversionselement 3004 ein Leuchtstoffmaterial, das durch das einfallende Licht einer bestimmten Wellenlänge zur Reemission von Licht mit einer längeren Wellenlänge angeregt wird. Auf diese Weise wird zumindest ein Teil der primären elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in eine sekundäre elektromagnetische Emission mit einer zweiten Spitzenwellenlänge, beispielsweise einer gelben Spitzenwellenlänge, umgewandelt. Optional wird eine sekundäre elektromagnetische Emission mit einer zweiten Spitzenwellenlänge durch ein oder mehrere Strahlformungselemente 3005 mit mindestens einem Teil der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge kombiniert oder gemischt, um ein weißes Licht zu erzeugen. Wahlweise enthält das weiße Licht als kombinierte Emission mindestens eine erste Spitzenwellenlänge im violetten oder blauen Bereich und eine zweite Spitzenwellenlänge im gelben Bereich. Wahlweise wird eine Infrarotlicht-Emission mit einer dritten Spitzenwellenlänge im Infrarot-Wellenlängenbereich separat erzeugt. Darüber hinaus ist das eine oder die mehreren Strahlformungselemente 3005 so konfiguriert, dass sie eine vorbestimmte Kollimation, Divergenz und ein vorbestimmtes Muster für die Führung der kombinierten Weißlicht-Emissionen oder der separaten Infrarotlicht-Emissionen sowohl für die sichtbare/IR-Beleuchtung als auch für die Tiefenerfassung bereitstellen.
  • Wie in 14C zu sehen ist, wird zumindest ein Teil der kombinierten Emission als tiefenerkennende Abtastemission ausgegeben und geformt. In einer Ausführungsform umfasst die von dem einen oder den mehreren Strahlformungselementen 3005 erzeugte tiefenerkennende Abtastemission ein erstes Abtastlichtsignal mit der ersten Spitzenwellenlänge und ein zweites Abtastlichtsignal mit der zweiten Spitzenwellenlänge, basierend auf dem empfangenen laserbasierten weißen Licht, oder ein drittes Abtastlicht mit der dritten Spitzenwellenlänge im Infrarotbereich. Einerseits könnte die abtastende Tiefenabtastungsemission durch eine Tiefenabtastungsübertragungskomponente 3021 geleitet werden, um das Signal zu formen, zu filtern, wellenlängenabhängig zu übertragen, den Strahl zu lenken (was eine aktive Strahllenkung mit einem MEMS oder etwas anderem sein könnte), usw., bevor ein Strahl des ersten abtastenden Lichtsignals und des zweiten abtastenden Lichtsignals über ein Tiefenabtastungssignalübertragungsmodul 3022 in die Umgebung projiziert wird, um einen entfernten Bereich einschließlich der Zielobjekte und ihrer Umgebung abzutasten. Andererseits wird ein verbleibender Teil der kombinierten sichtbaren oder IR-Emission als Strahl zur Beleuchtung bereitgestellt.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird das weiße Licht, das von dem einen oder den mehreren Strahlformungselementen 3005 als kombinierte Emission einer primären Emission von der Laserdiode und einer sekundären Emission von dem Wellenlängenumwandlungselement 3004 ausgegeben wird, in zwei optische Pfade für separate Konditionierungs- und Lenkungsmöglichkeiten aufgeteilt, wobei ein erster Strahl für das Beleuchtungssystem und ein zweiter Strahl für das Tiefenerfassungssystem vorgesehen ist. In anderen Ausführungsformen können das Tiefenerkennungssystem und das Laserbeleuchtungssystem demselben optischen Pfad folgen, so dass der Beleuchtungsbereich und der vom Tiefenerkennungssystem gescannte 3D-Bereich nahezu identisch sind.
  • In einer anderen alternativen Ausführungsform wird das von dem einen oder den mehreren Strahlformungselementen 3005 ausgegebene weiße Licht durch einen einzigen optischen Pfad zu einem Strahlprojektor geleitet, der die Tiefenerkennungsübertragungskomponenten 3021, das Tiefenerkennungssignalübertragungsmodul 3022, die optischen Strahlformungskomponenten 3011 und das Strahllenkelement 3012 zur Durchführung mehrerer Aufgaben der Signalverarbeitung enthält, Filterung, Strahlformung, Kollimation, Projektion, Verstärkung, Lenkung, Abtastung, Modulation, um das erste Erfassungslichtsignal mit der ersten Spitzenwellenlänge, das zweite Erfassungslichtsignal mit der zweiten Spitzenwellenlänge und optional das dritte Erfassungslichtsignal mit der dritten Spitzenwellenlänge und den Strahl aus weißem Licht und/oder Infrarotlicht zur Beleuchtung zu erzeugen. Alternativ kann der Strahlprojektor auch einen Hybridkollimator enthalten, um die kombinierte Emission zu verarbeiten. Der Hybridkollimator umfasst einen mittleren Kollimator, der so konfiguriert ist, dass er einen Teil des weißen Lichts oder des IR-Lichts als Tiefenerkennungslichtstrahl kollimiert, und einen äußeren Kollimator, der so konfiguriert ist, dass er einen restlichen Teil des weißen Lichts oder des IR-Lichts als Beleuchtungsstrahl kollimiert. Insbesondere umfasst der Teil des weißen Lichts oder des IR-Lichts, der als Tiefenerkennungslichtstrahl kollimiert wird, ein erstes Erkennungslichtsignal mit der ersten Spitzenwellenlänge von der primären Laserdiode 3003, ein zweites Erkennungslichtsignal mit der zweiten Spitzenwellenlänge von der sekundären Emission des Wellenlängenumwandlungselements 3004 und ein drittes Erkennungslichtsignal mit der dritten Spitzenwellenlänge im Infrarotbereich, das von der IR-emittierenden Laserdiode bereitgestellt wird. Der mittlere Kollimator ist so konfiguriert, dass er die Strahlen des ersten Abtastlichtsignals, des zweiten Abtastlichtsignals und/oder des dritten Abtastlichtsignals auf weniger als 1 oder 2 Grad kollimiert, was für die Abtastung des Tiefenlichts und die Erfassung des Rücklichts mit einem stark gerichteten Strahl über ein oder mehrere Zielobjekte und die Umgebung bevorzugt wird. Der äußere Kollimator ist so konfiguriert, dass er einen Strahl des weißen Lichts oder des IR-Lichts auf weniger als 15 Grad kollimiert, um das eine oder die mehreren Zielobjekte einfach zu beleuchten.
  • Wie zuvor beschrieben, umfasst das in ein Tiefenerkennungssystem integrierte Laserlichtbeleuchtungssystem einen optischen Modulator, der so konfiguriert ist, dass er ein Impulssignal erzeugt, das für die gewünschte Tiefenerkennungsfunktion erforderlich ist. Der Zielbereich für die Tiefenabtastung oder Entfernungskartierung kann auf verschiedene Weise erfasst werden, indem die Lichtsignale für die Tiefenabtastung abgetastet werden oder indem der stark kollimierte Strahl einfach mit Hilfe von Basisoptiken wie Linsen, Spiegeln und Streuelementen erweitert oder geformt wird. Der optische Modulator ist so konfiguriert, dass er ein Modulationssignal mit einer ersten Rate bereitstellt, um die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode so anzusteuern, dass sie das erste Licht mit einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert, die mit einer zweiten Rate unterbrochen wird, wobei die zweite Rate im Wesentlichen mit einer verzögerten Modulationsrate des zweiten Lichts gelber Farbe synchronisiert ist, das von dem Wellenlängenkonverter reemittiert wird. Die verzögerte Modulationsrate, die mit dem gelben Impuls aus dem Wellenlängenumwandlungselement verbunden ist, ist mit der Rate der blauen Anregungsimpulse aus der Laserdiode korreliert. Bei langsamen Modulationsraten können die Impulse mehr oder weniger synchronisiert sein, so dass dies kein Problem darstellt. Bei schnellen Modulationsraten, z. B. im GHz-Bereich, werden jedoch Hunderte bis Tausende von blauen Impulsen unter einem gelben Impuls liegen. Die sekundäre gelbe Emission sieht dann wie Hintergrundrauschen aus, da sie im Wesentlichen nicht abgeschaltet wird. Dieses Problem könnte durch die Einfügung von Impulsunterbrechungen in das Erregungssignal gelöst werden. Diese Unterbrechungen würden die Bitlänge für das gelbe Farbsignal festlegen.
  • Sobald die gesamte Signalübertragung und Strahlkonditionierung abgeschlossen ist, wird ein kollimierter Tiefenerkennungslichtstrahl, der sowohl das erste Erkennungslichtsignal als auch das zweite Erkennungslichtsignal für das Tiefenerkennungssystem enthält, nach außen auf einen vorgesehenen Projektionsbereich projiziert, der verschiedene Zielobjekte und die Umgebung umfasst. Optional wird der Tiefenerkennungslichtstrahl in jedem Abtastzyklus als eine Reihe von Lichtimpulsen mit mindestens der ersten Spitzenwellenlänge und der zweiten Spitzenwellenlänge bereitgestellt. Das erste Abtastlichtsignal und das zweite Abtastlichtsignal werden von den verschiedenen Zielobjekten im Projektionsbereich reflektiert bzw. gestreut. Zumindest ein Teil des reflektierten/gestreuten Lichtsignals wird von einem Empfängermodul 3031 des Tiefenerkennungssystems empfangen. Das Empfängermodul 3031 ist mit einigen optischen Empfangskomponenten 3032 gekoppelt, zu denen ein oder mehrere optische Detektoren wie eine Fotodiode, ein Fotodioden-Array, ein CCD-Array, ein Antennen-Array, ein Abtastspiegel oder ein mit einer Fotodiode gekoppeltes Mikrodisplay oder andere gehören, um das reflektierte/gestreute Lichtsignal zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das Empfängermodul 3031 umfasst ferner mindestens einen Signalprozessor, um das elektrische Signal in ein digitales Format umzuwandeln und eine Flugzeit auf der Grundlage des übertragenen zweiten Messlichtsignals und des erfassten Signals in digitalem Format zu berechnen. Die Flugzeitinformation kann verwendet werden, um eine räumliche Karte oder ein Bild der Zielobjekte und ihrer Umgebung zu erstellen.
  • Optional enthält das Empfängermodul 3031 einen ersten Signalempfänger, der so konfiguriert ist, dass er reflektierte Signale des ersten Erfassungslichtsignals erfasst, um ein erstes Bild des einen oder der mehreren Zielobjekte zu erzeugen, einen zweiten Signalempfänger, der so konfiguriert ist, dass er reflektierte Signale des zweiten Erfassungslichtsignals erfasst, um ein zweites Bild des einen oder der mehreren Zielobjekte zu erzeugen. Optional wird das vom ersten Signalempfänger erzeugte erste Bild mit dem vom zweiten Signalempfänger erzeugten zweiten Bild synchronisiert, um ein Farbdifferenzbild des einen oder der mehreren Zielobjekte zu erhalten. Der Unterschied in der Dämpfung zwischen blauem und gelbem Licht kann Informationen über die Umgebung liefern, einschließlich der Luft oder eines anderen Raums, den die Lichtsignale durchlaufen, oder der Materialien, an denen die Lichtsignale reflektiert werden. In ähnlicher Weise kann der Unterschied in der Rücklaufzeit für blaues und gelbes Signallicht Informationen über das Material liefern, durch das sich das Licht aufgrund der Dispersion ausbreitet. Optional können die Berechnungen oder die Verarbeitung zur Bestimmung der Flugzeit und der räumlichen Karte oder des Bildes des Zielobjekts/-gebiets direkt im Empfängermodul 3031 oder alternativ in der Prozessor- und Steuereinheit 3002 erfolgen.
  • Die Vorteile des vorliegenden Beispiels sind vielschichtig. Wie bereits erwähnt, ist die Integration von Tiefenerkennungssystemen mit laserbasierten intelligenten Beleuchtungssystemen, die Mikrodisplays verwenden, ein schöner zusätzlicher Vorteil der intelligenten Lichtkonfiguration, die bereits eine Laserquelle und ein Abtastsystem erfordert. In dieser Konfiguration wird die dynamische laserbasierte Lichtquelle sowohl für die Beleuchtungsfunktion als auch für die Tiefenerkennungs- oder LIDAR-Funktion verwendet. Durch die Kombination von Tiefenerkennungs- und Laserbeleuchtungsfunktion, wie z. B. bei der intelligenten Beleuchtung, in einem gemeinsamen Gerät können eine höhere Funktionalität, geringere Kosten, eine geringere Größe und eine höhere Zuverlässigkeit erreicht werden. Diese Vorteile sind von entscheidender Bedeutung für verschiedene fortschrittliche technologische Anwendungen wie autonome Fahrzeuge, Flugzeuge und Wasserfahrzeuge sowie für militärische, militärische, automobile, kommerzielle und spezielle Anwendungen, bei denen Größe, Gewicht und Design wichtige Designparameter sind und die Kosten immer eine Rolle spielen.
  • Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal und ein Vorteil des in diesen Ausführungsformen beschriebenen Tiefenerkennungs- oder LIDAR-Systems, das eine oder mehrere sichtbare gallium- und stickstoffhaltige Laserdioden einsetzt, ist die geringere Absorption in Wasser im Vergleich zu den üblicherweise bei der Tiefenerkundung verwendeten Infrarot-Wellenlängen. Infolgedessen können diese sichtbaren Wellenlängen unter bestimmten Bedingungen Feuchtigkeit wie Nebel, Regen oder Gewässer ungehinderter durchdringen als die Infrarot (IR)-Wellenlängen, was eine höhere Empfindlichkeit bei der Tiefenmessung in wasserhaltigen Umgebungen ermöglicht. Obwohl einige Streuungsphänomene mit der inversen vierten Potenz der Wellenlänge zunehmen, ist die Wasserabsorption im sichtbaren Bereich deutlich geringer als im IR-Bereich, was zu einer höheren Effizienz unter Bedingungen führt, in denen Wasser vorhanden sein kann, z. B. bei Nebel oder Regen. Bei 450 nm im Vergleich zu 905 nm steigt die Streuung um das 16-fache, so dass nur 6 % des Lichts durchgelassen werden. Allerdings ist die Wasserabsorption bei 905 nm mehr als 100-mal so hoch wie bei der blauen Wellenlänge von 450 nm, was zu einem mehr als 5-mal höheren Signal führt. In einem Beispiel bietet die blaue Wellenlänge der Laseranregungsquelle eine verbesserte Sichtbarkeit und Sicherheit für ein autonomes Fahrzeug, das unter feuchten oder nassen Bedingungen fährt. Die verbesserte Sichtbarkeit unter feuchten Bedingungen könnte die Sicherheit des Fahrzeugs und der Insassen im Fahrzeug erhöhen.
  • 14D ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Vorrichtung mit einer Kombination aus einem GaN-haltigen Laser und einem IR-emittierenden Laser-Beleuchtungssystem, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein normaler Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Im Allgemeinen handelt es sich bei diesem Gerät um eine tragbare Lichtvorrichtung für die Tiefenerfassung, Entfernungsmessung oder LIDAR-Anwendung. Optional kann das Gerät als Taschenlampe, Scheinwerfer, Sicherheitslicht im Freien für Freizeit, Verteidigung, Sicherheit, Suche und Rettung usw. konfiguriert werden. Wie in der Figur gezeigt, ist das Gerät 3100 mit einer internen Stromquelle 3101 konfiguriert, um sowohl das laserbasierte Beleuchtungssystem als auch ein Tiefenerkennungssystem mit Strom zu versorgen. Optional ist die interne Stromquelle 3101 eine aufladbare Stromquelle, die aufgeladenen elektrischen Strom von externen Eingängen 3190 erhalten kann. Die externen Eingänge 3190 umfassen zum Beispiel einen Ladeanschluss. Optional ist die interne Stromversorgung 3101 eine aufladbare Batterie und der Ladeanschluss ist ein USB-C-Anschluss. In der Ausführungsform umfasst das Gerät 3100 eine Steuereinheit 3102, die einen Prozessor und eine Ansteuerungselektronik enthält, die so konfiguriert ist, dass sie Strom von der internen Stromversorgung 3101 erhält. Die Steuereinheit 3102 ist mit einer GaN-haltigen Laserdiode und einer IR-emittierenden Laserdiode 3103, einem Wellenlängenumwandlungselement 3104, einer Strahlformungsoptik 3105 und einer Optik 3110 zur Projektion eines Tiefenerfassungssignals aus sichtbarem/IR-Licht gekoppelt, um das Beleuchtungssystem des Geräts 3100 mit sichtbarem/IR-Licht zu unterstützen. Gleichzeitig ist die Steuereinheit 3102 mit der Optik 3110 zur Projektion und zum Empfang des Tiefenerfassungssignals für sichtbares/IR-Licht gekoppelt, um das Tiefenerfassungssystem des Geräts 3100 zu unterstützen.
  • Auf der Grundlage der externen Eingänge 3190 bestimmt die Steuereinheit 3102 die geeigneten Ansteuersignale zur Ansteuerung einer oder mehrerer GaN-haltiger Laserdioden und/oder IR-emittierender Laserdioden 3103. Optional sind die Ansteuersignale so konfiguriert, dass sie die Strom- und Spannungseigenschaften jeder der Laserdioden 3103 bestimmen, um Impulse mit bestimmten Frequenzen im emittierten Laserlicht zu erzeugen. Bei GaN-haltigen Laserdioden hat die Laseremission eine erste Spitzenwellenlänge im blauen oder violetten Spektralbereich. Bei der IR-emittierenden Laserdiode hat die Laseremission eine dritte Spitzenwellenlänge im infraroten Spektralbereich. In einer Ausführungsform sind die Ansteuersignale so konfiguriert, dass sie sowohl räumlich modulierte Laserpulse als auch zeitlich modulierte Laserpulse mit der gewünschten Helligkeit und dem gewünschten Lichtstrom erzeugen. Das gepulste Laserlicht dient als Grundlage für die Erzeugung von Tiefenerkennungssignalen zur Durchführung von Abtastfunktionen und Flugzeitberechnungen. In einer alternativen Ausführungsform ist ein optischer Modulator in der Steuereinheit 3102 enthalten, um ein gepulstes Lasersignal für das Tiefenerkennungssystem oder ein räumlich moduliertes Licht für das Beleuchtungssystem getrennt zu kodieren.
  • Wie in 14D gezeigt, wird eine primäre elektromagnetische Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge von der GaN-haltigen Laserdiode 3103 als einfallendes Licht in ein Wellenlängenumwandlungselement 3104 geleitet. Bei dem Wellenlängenkonverter 3104 kann es sich um ein Leuchtstoffmaterial handeln, das so angeregt wird, dass es Licht mit einer zweiten Wellenlänge reemittiert, die länger ist als die erste Spitzenwellenlänge. So wird zumindest ein Teil der primären elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in eine sekundäre elektromagnetische Emission mit einer zweiten Spitzenwellenlänge umgewandelt. Zum Beispiel ist die erste Spitzenwellenlänge eine blaue Wellenlänge und die zweite Wellenlänge eine gelbe Wellenlänge. Optional wird die sekundäre elektromagnetische Emission mit der zweiten Spitzenwellenlänge durch das Wellenlängenumwandlungselement 3104 kombiniert oder gemischt, um ein weißes Licht zu erzeugen. Darüber hinaus wird eine primäre elektromagnetische Strahlung mit der dritten Spitzenwellenlänge von der IR-emittierenden Laserdiode 3103 auch als einfallende IR-Emission in das Wellenlängenkonverterelement 3104 geleitet. Das Wellenlängenumwandlungselement 3104 enthält ein Leuchtstoffmaterial, das so konfiguriert ist, dass es die IR-Emission im Wesentlichen mit geringer Absorption durchlässt und wieder abgibt. Entweder das weiße Licht oder die IR-Emission bildet einen Strahl, der von dem Wellenlängenkonverter 3104 ausgegeben wird. Optional trägt der Strahl die gepulsten Signale, die in der primären elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Wellenlänge im blauen oder violetten Bereich oder der dritten Wellenlänge im Infrarotbereich erzeugt werden.
  • In einer Ausführungsform wird der von der Strahlformungsoptik 3105 erzeugte Strahl aus Weißlicht und/oder Infrarotlicht innerhalb der Vorrichtung 3100 an die Optik 3110 weitergeleitet, um den Strahl aus Weißlicht/IR-Licht zu projizieren, der ein gepulstes Signal zur Tiefenerfassung trägt. Einerseits umfasst die Optik 3110 ein oder mehrere optische Übertragungselemente, die so konfiguriert sind, dass sie Strahlsteuerungsfunktionen ausführen, einschließlich Abtasten, Fokussieren, Ablenken, Verstärken, Projizieren und Übertragen, um zumindest einen Teil des Strahls aus Weißfarb-/IR-Licht als ein gerichtetes Tiefenerfassungssignal zu einem beliebigen Ziel von Interesse im Feld zu leiten. Optional ist die Optik zur Lenkung des sichtbaren Lichtstrahls von der Optik zur Beleuchtung des IR-Lichtstrahls getrennt. Wahlweise tragen entweder der sichtbare Lichtstrahl oder der IR-Lichtstrahl oder beide ein gepulstes Tiefenerkennungssignal, um eine Einzel- oder Doppelspektrum-Tiefenerkennungserfassung zu erzeugen. Das Gerät 3100 ist so konfiguriert, dass es die Optik 3110 verwendet, um die vom Zielobjekt reflektierten gepulsten Lichtsignale zu erfassen und an die Steuereinheit 3102 weiterzuleiten. Optional enthält die Steuereinheit 3102 einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er die ausgesendeten und nach der Reflexion vom Zielobjekt wieder eingefangenen gepulsten Lichtsignale verarbeitet, woraus ein Tiefenerkennungsergebnis über das Zielobjekt abgeleitet werden kann. Optional umfasst die Optik 3110 ein oder mehrere optische Empfangselemente, die zur Durchführung der Erkennungsfunktion konfiguriert sind. Optional umfassen die zusätzlichen optischen Elemente einen Sensor, einen Filter, einen Fotodetektor, einen Fotowiderstand usw., die in demselben Paket der Optik 3110 wie die ein oder mehreren optischen Sendeelemente installiert werden können. Andererseits enthält die Optik 3110 ein oder mehrere Strahlsteuerungs-/Projektionselemente, um zumindest den verbleibenden Teil des Strahls aus weißem Farb-/IR-Licht als Lichtquelle für die Beleuchtung zu lenken. Insbesondere umfasst diese Lichtquelle eine IR-Beleuchtungsmöglichkeit zusätzlich zur Weißlicht-Beleuchtung. Optional kann der Beleuchtungsstrahl weiter geformt und auf einen 3D-Winkel von 15 Grad oder weniger kollimiert werden, mit verbesserter Richtwirkung und reduzierter Dämpfung. Optional wird der Strahl aus Weißlicht/IR-Licht zusätzlich verwendet, um eine räumlich dynamische Beleuchtung des Ziels von Interesse zu erzeugen. Optional kann das Laserlicht aus der GaN-haltigen Laserdiode und der IR-emittierenden Laserdiode, das moduliert ist, um gepulste Signale zu übertragen, direkt als Sonde eines tragbaren LIDAR-Systems verwendet werden.
  • 14E ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Kombination aus GaN-haltigem Laserlicht und/oder IR-emittierendem Laserbeleuchtungssystem, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein normaler Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, wird die GaN-haltige Laser- und/oder IR-emittierende Laser-basierte Beleuchtungsfunktion, die mit einer Tiefenerkennungsfunktion integriert ist, in einer tragbaren Lichtvorrichtung 3150 bereitgestellt, die so konfiguriert werden kann, dass sie ein Handgerät, eine Spot-Lichtvorrichtung, eine Fahrradlichtvorrichtung, eine Auto-Zusatzlichtvorrichtung, eine Drohnenlichtvorrichtung usw. ist. In einer Ausführungsform ist die tragbare Lichtvorrichtung 3150 im Wesentlichen die gleiche wie die in 14D gezeigte Vorrichtung 3100, mit der Ausnahme, dass die Strahlformungsoptik 3105 in die Optik 3106 integriert ist, um sichtbares Licht zu formen, zu projizieren und das Erfassungssignal zu empfangen. Optional ist die Strahlformungsoptik, die in 14D mit dem Wellenlängenkonverter 3104 gekoppelt ist, auch so konfiguriert, dass sie eine Strahlformungsoptik aufweist, die sowohl das sichtbare Licht zur Beleuchtung projizieren als auch das Licht, das das Tiefenerfassungssignal trägt, zum Ziel von Interesse übertragen kann. Optional wird die Optik 3106 für die Formung des sichtbaren Lichts, die Projektion und den Empfang des Erfassungssignals von der Steuereinheit 3102 mit einer Ansteuerelektronik gesteuert, um die Projektionsfunktion auszuführen. Optional ist die Optik 3106 zur Formung, Projektion und zum Empfang von Erfassungssignalen für sichtbares Licht so konfiguriert, dass sie zurückgesendete Erfassungssignale (vom Zielobjekt) empfängt oder erkennt und die erkannten Erfassungssignale an die Steuereinheit 3102 zurücksendet. Die Steuereinheit 3102 enthält einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er sowohl die gesendeten Erfassungssignale als auch die zurückgesendeten Erfassungssignale verarbeiten kann, um den Tiefenerkennungsprozess abzuschließen. Optional ist die Steuereinheit 3012 in der Lage, die Ergebnisse der Tiefenerfassung an einen Datenport zum Exportieren oder an eine Anzeigeschnittstelle der tragbaren Lichtvorrichtung 3150 zu liefern. Optional enthält die tragbare Lichtvorrichtung 3150 eine separate Strahlformungseinheit zur Projektion eines IR-Lichtstrahls für die IR-Beleuchtung und zusätzlich eine IR-Erfassungseinheit für eine alternative Tiefenerfassung zusätzlich zur Tiefenerfassung mit sichtbarem Licht.
  • 14F ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Kombination aus GaN-haltigem Laserlicht und/oder IR-emittierendem Laserbeleuchtungssystem, das mit einem Tiefenerkennungssystem gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein normaler Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, wird die GaN-haltige Laser- und/oder IR-emittierende Laser-basierte Beleuchtungsfunktion, die mit einer Tiefenerkennungsfunktion integriert ist, in einer tragbaren Lichtvorrichtung 3160 bereitgestellt, die so konfiguriert werden kann, dass sie eine tragbare Vorrichtung, eine Spot-Lichtvorrichtung, eine Fahrradlichtvorrichtung, eine zusätzliche Autolichtvorrichtung, eine Drohnenlichtvorrichtung usw. ist. In einer Ausführungsform ist die tragbare Lichtvorrichtung 3160 im Wesentlichen die gleiche wie die in 14E gezeigte Vorrichtung 3150, mit der Ausnahme, dass die Optik 3107 zur Formung des sichtbaren Lichts und zur Projektion des Erfassungssignals von der Optik 3108 zum Empfang des zurückgesendeten Erfassungssignals getrennt ist. Optional ist die Optik 3107 für die Formung und Projektion des Erfassungssignals für sichtbares Licht mit dem Wellenlängenkonverter 3104 gekoppelt, um den sichtbaren Lichtstrahl (weiße Farbe) zu empfangen und ihn unter der Kontrolle der Steuereinheit 3102 zu verarbeiten, um den sichtbaren Lichtstrahl für die Beleuchtung zu formen und zu projizieren. Optional wird dieselbe Optik 3107 auch von der Steuereinheit 3102 mit einer Antriebselektronik gesteuert, die so konfiguriert ist, dass sie die Projektions- oder Abtastfunktion ausführt, um den sichtbaren Lichtstrahl, der das Tiefenerfassungssignal trägt, zu einem Ziel von Interesse im Feld zu übertragen. Optional ist die Optik 3108 für den Empfang des zurückgesendeten Erfassungssignals so konfiguriert, dass sie zurückgesendete Erfassungssignale (vom Zielobjekt) empfängt oder erkennt und die erkannten Erfassungssignale an die Steuereinheit 3102 zurücksendet. Die Steuereinheit 3102 umfasst einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er sowohl die gesendeten Erfassungssignale als auch die zurückgesendeten Erfassungssignale verarbeitet, um den Tiefenerfassungsprozess abzuschließen. Optional ist die Steuereinheit 3012 in der Lage, die Ergebnisse der Tiefenerfassung an einen Datenport zum Exportieren oder an eine Anzeigeschnittstelle der tragbaren Lichtvorrichtung 3160 zu liefern. Optional enthält die tragbare Lichtvorrichtung 3160 eine separate Strahlformungseinheit zur Projektion eines IR-Lichtstrahls für die IR-Beleuchtung und zusätzlich eine IR-Erfassungseinheit für eine alternative Tiefenerfassung zusätzlich zur Tiefenerfassung mit sichtbarem Licht.
  • 14G ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Vorrichtung mit einer Kombination aus einem GaN-haltigen Laser und einem IR-emittierenden Laser-Beleuchtungssystem, das mit einem Datenkommunikationssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Im Allgemeinen handelt es sich bei dieser Vorrichtung um eine tragbare Beleuchtungseinrichtung für die Datenkommunikation mit sichtbarem/IR-Licht. Optional kann das Gerät ein tragbares Kommunikationsgerät sein, wie z.B. eine Taschenlampe, ein Scheinwerfer, eine Sicherheitslichtquelle für den Außenbereich, die mit sichtbarem/IR-Licht für die Kommunikation in den Bereichen Freizeit, Verteidigung, Sicherheit, Suche und Rettung usw. ausgestattet ist. Im Allgemeinen umfasst das tragbare Kommunikationsgerät alle Komponenten in einem kompakten Gehäuse mit darin angeordneter interner Stromversorgung und einem oder mehreren Steuerschaltern und Eingangsanschlüssen, die an der Oberfläche des kompakten Gehäuses angeordnet sind. Wie in der Figur dargestellt, ist das Gerät 3200 mit einer internen Stromquelle 3201 konfiguriert, um sowohl das laserbasierte Beleuchtungssystem als auch ein Datenkommunikationssystem mit Strom zu versorgen. Optional ist die interne Stromquelle 3201 eine aufladbare Stromquelle, die aufgeladenen elektrischen Strom von externen Eingängen 3290 erhalten kann. Zu den externen Eingängen 3290 gehört beispielsweise ein Ladeanschluss, der an eine beliebige Steckdose im Haushalt oder Gewerbe angeschlossen ist. Optional ist die interne Stromversorgung 3201 eine kompakte aufladbare Batterie und der Ladeanschluss ist ein USB-C-Anschluss.
  • In der Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 3200 ferner ein Wellenlängenumwandlungselement 3204, das so konfiguriert ist, dass es mit der Laservorrichtung in einem SMD-Paket (Surface Mount Device) mit einem gemeinsamen Trägerelement integriert wird. Das Wellenlängenumwandlungselement 3204 ist mit einem Phosphormaterial konfiguriert, um die Laserlichtemission mit der ersten Wellenlänge zu empfangen. Das Leuchtstoffmaterial enthält geeignete chemische Bestandteile, die die Laserlichtemission mit der ersten Wellenlänge absorbieren und eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, wieder abgeben. Optional wird die Phosphoremission teilweise mit der Laserlichtemission (entweder dem einfallenden Teil oder dem gestreuten Teil) gemischt, um einen weißfarbigen Lichtstrahl zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist das Wellenlängenumwandlungselement 3204 mit dem Leuchtstoffmaterial konfiguriert, das auch so konfiguriert ist, dass es die IR-Emission mit geringer Absorption im Wesentlichen durchlässt, so dass die IR-Emission von dem Wellenlängenumwandlungselement ohne größeren Leistungsverlust und Wellenlängenänderung ausgegeben wird. Wahlweise wird aus dem SMD-Paket entweder ein Weiß-Farb-Strahl oder ein IR-Emissionsstrahl oder eine Kombination aus beidem ausgegeben. Optional trägt der Weißfarben-/IR-Emissionsstrahl Datensignale, die durch eine in der Steuereinheit 3202 durchgeführte Modulation erzeugt werden.
  • Optional umfasst dieselbe Optik 3210 auch eine optische Übertragungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie das Lichtsignal mit den modulierten Daten darin überträgt. Die modulierten Daten, die in der Weiß-Farbe/IR-Lichtemission enthalten sind, stammen von dem Laserlicht, das von der Steuereinheit 3202 auf der Grundlage von Eingangsdaten moduliert wird. Optional wird die von der Optik 3210 ausgesendete Weiß-Farbe/IR-Lichtabstrahlung verwendet, um eine sichtbare/IR-Lichtkommunikation basierend auf einem oder mehreren verschiedenen Modulations- und Übertragungsprotokollen einschließlich LiFi oder Internetverbindung bereitzustellen.
  • 14H ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Vorrichtung mit einer Kombination aus GaN-haltigem Laser und IR-emittierendem Laser-Beleuchtungssystem, das mit einem Datenkommunikationssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie dargestellt, handelt es sich bei der Vorrichtung 3250 um eine integrierte Beleuchtungseinrichtung mit laserbasierten Beleuchtungs- und Datenkommunikationsfunktionen. Optional ist die Vorrichtung 3250 im Wesentlichen die gleiche wie die in 14G gezeigte Vorrichtung 3200, mit der Ausnahme, dass die Strahlformungsoptik 3205 vollständig in der Optik 3210 zum Senden und Empfangen von Datenkommunikationssignalen aus sichtbarem/IR-Licht absorbiert ist. In der Ausführungsform ist die Optik 3210 so konfiguriert, dass sie eine Weißfarbenemission und/oder eine Infrartemission von dem Wellenlängenumwandlungselement 3204 empfängt, um einen Lichtstrahl zu bilden und den Lichtstrahl, der Kommunikationsdaten trägt, nach unten zu einem Feldempfänger zu projizieren. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 3250 zu einem tragbaren Kommunikationsgerät wie einer Taschenlampe, einem Scheinwerfer, einer Sicherheitslichtquelle für den Außenbereich, einer tragbaren Lichtquelle, einer am Fahrrad/Auto montierbaren Lichtquelle oder einer Drohnenlichtquelle konfiguriert werden, die mit einem kompakten Gehäuse zur Durchführung einer sichtbaren/IR-Lichtkommunikationsfunktion für Freizeit, Verteidigung, Sicherheit, Suche und Rettung usw. konfiguriert ist.
  • In einem spezifischen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine tragbare Lichtvorrichtung bereit, die in einigen Ausführungsformen eine laserbasierte Weißlichtquelle mit einer oder mehreren Funktionseinheiten für IR-Beleuchtung, Tiefenabtastung und Lichtkommunikation integriert. Ein Beispiel ist insbesondere in 15 dargestellt. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Anwendungsbereich der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, ist diese tragbare Lichtvorrichtung 2400 mit einem kompakten Gehäuse 2410 in im Wesentlichen zylindrischer Form, z. B. einem taschenlampenartigen Modul, mit einer vorderen Öffnung 2472 versehen, um einen oder mehrere Lichtstrahlen entweder als Beleuchtungslichtstrahl oder als Erfassungslichtstrahl oder als Lichtstrahl, der Kommunikationssignale in einem relativ engen 3D-Winkelbereich trägt, auszugeben. Optional ist der Beleuchtungslichtstrahl ein Weißlichtstrahl, der von einer laserbasierten Weißlichtquelle erzeugt wird. Der Beleuchtungslichtstrahl kann auch einen Infrarotlichtstrahl enthalten, der von einer IR-emittierenden Laserdiode erzeugt wird. Wahlweise kann entweder das weiße Licht oder das IR-Licht oder beides als Sensorlichtstrahl oder für die Kommunikation von sichtbarem und IR-Licht verwendet werden.
  • Optional ist das kompakte Gehäuse 2410 in einer Trichterform konfiguriert, z.B. ein strahlerähnliches Modul, mit einer Frontöffnung 2472, um einen oder mehrere Lichtstrahlen entweder als Beleuchtungslichtstrahl oder als Erfassungslichtstrahl oder als Lichtstrahl, der Kommunikationssignale in einem breiten 3D-Winkelbereich trägt, auszugeben. Optional kann das kompakte Gehäuse 2410 in verschiedenen anderen Formen wie Kasten, Würfel, Kugel, Halbkuppel, Dreieckspyramide für verschiedene Sicherheitslichteinstellungen konfiguriert werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst die tragbare Lichtvorrichtung 2400 eine erste Pumplichtvorrichtung mit einer Gallium und Stickstoff (GaN) enthaltenden Laserdiode, die einen optischen Hohlraum mit einem optischen Wellenleiterbereich und einem oder mehreren Facettenbereichen in einem SMD-Paket 2432 (z. B. wie in den 8A, 8B, 9A, 9B, 9C, 10A und 10B zu sehen) aufweist. Die tragbare Lichtvorrichtung 2400 umfasst ferner einen ersten Wellenlängenkonverter, der optisch mit dem Pfad gekoppelt ist, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung von der ersten Pump-Light-Vorrichtung zu empfangen.
  • Optional enthält die tragbare Lichtvorrichtung 2400 einen zweiten Wellenlängenkonverter, der aus einem Phosphorelement besteht und so konfiguriert ist, dass er einen Teil der gerichteten elektromagnetischen Strahlung der ersten Pumplichtvorrichtung umwandelt, um eine IR-Emission in einem zweiten Pfad mit einer dritten Spitzenwellenlänge im Infrarotbereich von etwa 850 bis 900 nm oder in einem breiteren Bereich zwischen 760 nm und 3 m zu erzeugen. Optional ist der zweite Wellenlängenkonverter so konfiguriert, dass er die elektromagnetische Infrarotstrahlung mit minimaler Absorption überträgt und/oder streut. Optional sind der erste Wellenlängenkonverter und der zweite Wellenlängenkonverter ein und dasselbe Phosphorelement, das mit gestapelten oder zusammengesetzten Breitband-Wellenlängenkonverter-Materialien konfiguriert ist, und der zweite Pfad überschneidet sich im Wesentlichen mit dem ersten Pfad.
  • Optional enthält die tragbare Lichtvorrichtung 2400 eine zweite Pumplichtvorrichtung mit einer rot oder IR-nah emittierenden Laserdiode, die aus einem im roten oder IR-Wellenlängenbereich arbeitenden Material, wie einem Gallium und Arsen enthaltenden Material oder einem Indium und Phosphor enthaltenden Material, gebildet ist. Die elektromagnetische Ausgangsemission der zweiten Pumplichtvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie vorzugsweise ein IR-emittierendes Leuchtstoffelement anregt, ohne das Leuchtstoffelement für sichtbares Licht wesentlich anzuregen. Optional ist die zweite Pumplichtvorrichtung in demselben SMD-Paket 2432 wie die erste Pumplichtvorrichtung untergebracht.
  • In der Ausführungsform umfasst die tragbare Lichtvorrichtung 2400 eine tragbare Stromversorgung 2440, die vollständig im Inneren des kompakten Gehäuses 2410 installiert ist. Eine Leiterplattenbaugruppe (PCBA) 2450 ist in dem kompakten Gehäuse 2410 angeordnet, um einen Controller 2452 zu tragen, der einen oder mehrere Treiber enthält. Mindestens ein Treiber wird verwendet, um den Strom von der tragbaren Stromversorgung 2440 so aufzubereiten, dass er den ersten oder zweiten Pump-Light-Baustein im SMD-Paket 2432 mit Strom/Spannung antreibt.
  • Optional enthält das Steuergerät 2452 einen Modulator, der so konfiguriert ist, dass er die Amplitude oder Phase des Lichts moduliert, das entweder von der ersten Pumplichtvorrichtung oder optional sowohl von der ersten Pumplichtvorrichtung als auch von der zweiten Pumplichtvorrichtung ausgesendet wird, um einen Datenstrom zu erzeugen. Das modulierte Licht, das den Datenstrom trägt, wird aus der vorderen Öffnung 2422 für die sichtbare/IR-Lichtkommunikation mit einem beliebigen Empfänger unten im Feld übertragen. Optional basiert der Datenstrom auf Daten, die über einen Eingangsanschluss 2464 eingegeben werden, der mit dem Modulator im Controller 2452 auf der PCBA 2450 verbunden ist.
  • Optional enthält der Controller 2452 einen Impulsgenerator, um den sichtbaren oder IR-Laser zu modulieren, der von der in dem SMD-Paket 2432 ausgebildeten Laservorrichtung emittiert wird, und Lichtimpulse zu erzeugen, die als Erfassungssignale konfiguriert sind, die durch die vordere Öffnung 2422 des kompakten Gehäuses 2410 ausgegeben werden. Die Erfassungssignale sind dazu bestimmt, auf ein bestimmtes Ziel von Interesse projiziert zu werden, von dem eine Reflexion der Erfassungssignale durch einen oder mehrere Sensoren 2434, die innerhalb der vorderen Öffnung 2422 installiert sind, erfasst werden kann. Zu den Sensoren gehören Fotodioden, Fotowiderstände, Infrarotsensoren, Kameras, Farbsensoren, Spannungssensoren usw.. Optional sind die Sensoren 2434 in einer Schaltung, die mit dem Steuergerät 2452 verbunden ist, das einen Prozessor enthält, um verschiedene Berechnungen durchzuführen, um Erkennungsergebnisse zu erzielen oder Rückkopplungssignale zur Steuerung des Treibers zu erzeugen, um die Emissionen der Pumplichtvorrichtungen in Abhängigkeit von bestimmten Erkennungsanwendungen abzustimmen, einschließlich Tiefenerkennung, Entfernungsmessung, Feldkartierung, Bilderfassung, Bewegungserkennung, Identitätsprüfung usw.
  • In einigen Ausführungsformen enthält die tragbare Lichtvorrichtung 2400 ein oder mehrere optische Elemente 2424, die im Inneren des kompakten Gehäuses 2410 in der Nähe der vorderen Öffnung 2422 angeordnet sind. Bei den optischen Elementen 2424 handelt es sich im Allgemeinen um ein oder mehrere optische Elemente zur Strahlformung und ein oder mehrere optische Elemente zur Strahlsteuerung. Optional enthält die tragbare Lichtvorrichtung 2400 auch einen geeigneten Sensor oder Detektor 2434 wie eine IR-Kamera, die in der Nähe der vorderen Öffnung angeordnet ist, um ein IR-Figursbild des beleuchteten Ziels von Interesse zu erfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform teilen sich die IR-Beleuchtung und die Weißlicht-Beleuchtungsemission mindestens ein gemeinsames Strahlformungselement, so dass die Beleuchtungsbereiche des weißen Lichts und der elektromagnetischen IR-Strahlung annähernd überlagert werden können. Falls die tragbare Lichtvorrichtung 2400 als Tiefenerkennungsvorrichtung verwendet wird, kann das eine oder die mehreren optischen Elemente 2424 so konfiguriert sein, dass sie den Strahl der Weißlicht-Emission und/oder der IR-Emission formen oder fokussieren oder richten. Gleichzeitig sollten der eine oder die mehreren Sensoren oder Detektoren 2434 zum Erfassen reflektierter Sensorsignale in der Nähe der vorderen Öffnung 2422 angeordnet sein, und die Steuereinheit 2452 umfasst einen Prozessor, der mit den Sensoren verbunden ist, um die reflektierten Sensorsignale zu empfangen und daraus Informationen wie Tiefe, Topografie und Zielidentifikation usw. abzuleiten.
  • In der Ausführungsform enthält die tragbare Lichtvorrichtung 2410 einen oder mehrere Schalter 2470, die auf der Oberfläche des kompakten Gehäuses 2410 angeordnet sind, jedoch mit der tragbaren Stromversorgung 2440 verbunden sind, um die GaN-Laserdiode und die IRemittierte Laserdiode zu aktivieren, um Weißlicht- oder IR-Licht-Beleuchtung, Sensorik oder Kommunikation auszuwählen.
  • In einem weiteren spezifischen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein anbaubares Beleuchtungsmodul zur Verfügung, das an einem tragbaren Gerät oder einer mobilen Maschine angebracht oder in diese integriert werden kann, um in einigen Ausführungsformen Beleuchtung mit sichtbarem Licht/IR-Licht, Tiefenerfassung und Lichtkommunikation durchzuführen. 16 ist ein vereinfachtes Diagramm eines anbringbaren Beleuchtungsmoduls, das für die Beleuchtung mit sichtbarem Licht/Infrarotlicht, Tiefenerfassung und Kommunikation gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein normaler Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie dargestellt, wird das anbringbare Beleuchtungsmodul 4010 an einem tragbaren Gerät oder einer mobilen Maschine 4100 angebracht, um eine mobile Beleuchtungsmaschine 4000 zu bilden, die die Funktionen der Beleuchtung mit sichtbarem Licht/IR, der Tiefenabtastung und der Lichtkommunikation erfüllt. Optional basiert das anbringbare Beleuchtungsmodul 4010 auf einer Pumplichtvorrichtung mit mindestens einer Gallium-und-Stickstoff-haltigen Laserdiode, die von mindestens einem Treiber angesteuert wird, um ein Laserlicht in Form einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge im blauen oder violetten Spektrum zu mindestens einem optischen Pfad zu emittieren, und einem Wellenlängenkonverter, der so konfiguriert ist, dass er mit dem optischen Pfad koppelt, um mindestens einen Teil der gerichteten elektromagnetischen Strahlung in eine Phosphoremission mit einer zweiten Spitzenwellenlänge, beispielsweise einem gelben Spektrum, das länger als die erste Wellenlänge ist, umzuwandeln. Die Phosphoremission wird mit dem Laserlicht kombiniert, um eine weißfarbige Emission zu erzeugen. Das tragbare Gerät oder die mobile Maschine 4100 kann unter anderem ein landgebundenes Automobil, eine Drohne, ein See- oder Unterwasserfahrzeug, ein Unterwasserwerkzeug, ein fliegendes Auto, ein Flugzeug, ein Hubschrauber oder ein ATV sein. Optional kann das anbaubare Beleuchtungsmodul 4010 so konfiguriert werden, dass es als Blitzlicht mit einem einzelnen Projektor oder als Lichtbalken mit mehreren Projektoren in einer Reihe arbeitet (siehe 16). Im Allgemeinen ist das anbaubare Beleuchtungsmodul 4010 so konfiguriert, dass es Strom von dem tragbaren Gerät oder der mobilen Maschine 4100 bezieht, und auf der Grundlage des Stroms kann ein Treiber in einer Steuereinheit die Erzeugung der Weißfarbenemission steuern.
  • Wie in 16 gezeigt, ist das anbringbare Beleuchtungsmodul 4010 so konfiguriert, dass es eine Lichtbalkenkonfiguration mit einem länglichen Gehäuse 4001 und einem oder mehreren Befestigungselementen 4020 ist, die so konfiguriert sind, dass sie an dem tragbaren Gerät oder der mobilen Maschine 4100 angebracht werden können. Optional kann das anbringbare Beleuchtungsmodul 4010 als eingebautes Element in einer kundenspezifisch gestalteten mobilen Beleuchtungsmaschine 4000 ausgeführt werden. Optional ist das anbringbare Beleuchtungsmodul 4010 selbst ein serienmäßig hergestelltes Modul, das frei an einem Körper eines tragbaren Geräts oder einer mobilen Maschine 4100 an der mobilen Beleuchtungsmaschine 4000 angebracht werden kann.
  • In einer Ausführungsform, wie in 16 gezeigt, hat das Gehäuse 4001 ein oberes Kappenelement 4001A, das angehoben ist, um zu zeigen, dass eine Pumplichtvorrichtung 4004 darin installiert ist. Optional ist die Pumplichtvorrichtung 4004 mit einem optischen Hohlraum konfiguriert, der einen Lichtwellenleiterbereich und einen oder mehrere Facettenbereiche umfasst, die auf einem gemeinsamen Trägerelement in einem SMD-Paket (Surface Mount Device) angeordnet sind. Die Pumplichtvorrichtung umfasst mindestens eine Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode, die in dem SMD-Paket so konfiguriert ist, dass sie mindestens eine gerichtete elektromagnetische Strahlung, die durch eine erste Spitzenwellenlänge gekennzeichnet ist, durch mindestens einen der Facettenbereiche ausgibt. Optional enthält die Pumplichtvorrichtung 4004 außerdem mindestens eine infrarotemittierende Laserdiode, die in demselben SMD-Paket konfiguriert ist, um eine Infrarotstrahlung auszugeben, die durch den mindestens einen Pfad zum Wellenlängenkonverter geleitet wird, der sie im Wesentlichen mit minimaler Absorption durchlässt, um eine IR-Emission zu emittieren.
  • In der Ausführungsform ist das Gehäuse 4001 auch so konfiguriert, dass es mindestens eine Strahlformungseinheit 4005 umschließt, die so konfiguriert ist, dass sie die Weißfarbenemission oder die IR-Emission, die von dem mit der Pumplichtvorrichtung 4004 verbundenen Wellenlängenkonverter ausgegeben wird, empfängt, direkt/umgeleitet, fokussiert, kollimiert oder teilt. Optional kann die Strahlformungseinheit 4005 einen oder mehrere Strahlen zu mehreren Auslässen erzeugen, die an einer vorderen Öffnung 4009 des Gehäuses 4001 angeordnet sind. Zum Beispiel gibt es acht Auslässe an der vorderen Öffnung 4009, die effektiv als acht unabhängige Quellen konfiguriert sind. Optional enthält die Pumplichtvorrichtung 4004 eine Laserdiode, da sie Laserlicht erzeugt, das eine viel hellere Leuchtdichte als eine typische LED hat, so dass die Strahlformungseinheit 4005 eine Weißfarbenemission auf die acht Ausgänge aufteilen kann, von denen jeder eine ausreichend starke Leuchtdichte zur Durchführung der Beleuchtungsfunktion aufweist. Optional enthält die Pumplichtvorrichtung 4004 mehrere Laserdioden. Optional enthält die Pumplichtvorrichtung 4004 zwei Arten von Laserdioden, wie z. B. GaN-basierte Laserdioden und Infrarot-Laserdioden, um eine duale Beleuchtung mit sichtbarem Licht/IR-Licht zu ermöglichen. So sind beispielsweise an jedem Ausgang ein Weißlichtquellenkopf 4011 und ein IR-Quellenkopf 4012 vorgesehen.
  • In der Ausführungsform umfasst das anbringbare Beleuchtungsmodul 4010 eine Strahlsteuerungseinheit 4015, die mit jedem Auslass der vorderen Öffnung 4009 so konfiguriert ist, dass sie einen Strahl aus Weißfarbenemission oder IR-Emission projiziert oder überträgt. Optional enthält die Strahlsteuerungseinheit 4015 ein weiteres optisches Element zur Projektion eines Strahls mit weißer Farbe oder IR-Strahlung für die Beleuchtung einer einzelnen Wellenlänge auf das gewünschte Ziel. Optional enthält die Strahlsteuerungseinheit 4015 ein weiteres optisches Element, das so konfiguriert ist, dass es sowohl einen Strahl mit Weißfarbenemission als auch einen Strahl mit IR-Emission projiziert, um eine Beleuchtung mit zwei Wellenlängen zu erreichen.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Steuereinheit (nicht explizit dargestellt), die sich im Gehäuse 4001 des aufsteckbaren Beleuchtungsmoduls 4010 befindet, so konfiguriert, dass sie das von der GaN-haltigen Laserdiode oder der Infrarot-emittierenden Laserdiode emittierte Laserlicht moduliert, um modulierte Signale zu erzeugen. Diese modulierten Signale werden durch die auf die vordere Öffnung 4009 gerichtete Weißfarbenemission und/oder IR-Emission übertragen. Mit einem Schalter in der Steuereinheit kann entweder die Weißlicht-Emission für die Beleuchtung mit sichtbarem Licht oder die IR-Emission für die Infrarot-Beleuchtung aktiviert werden.
  • In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit so konfiguriert, dass sie gepulste Signale aus dem Laserlicht erzeugt. Die Strahlsteuerungseinheit 4015 umfasst ein oder mehrere optische Übertragungselemente, die so konfiguriert sind, dass sie einen Strahl der Weißfarbenemission und/oder einen Strahl der IR-Emission, der die gepulsten Signale trägt, zu einem Ziel von Interesse für die Tiefenerfassung übertragen. Optional hat das anbringbare Beleuchtungsmodul 4010 mehrere Auslässe an der vorderen Öffnung 4009, von denen jeder mit einem oder mehreren optischen Übertragungselementen konfiguriert ist, um mindestens einen Strahl zu übertragen, der die gepulsten Signale trägt. Wie in 16 dargestellt, umfasst das anbringbare Beleuchtungsmodul 4010 außerdem einen oder mehrere Detektoren 4016, die in der Nähe der vorderen Öffnung 4009 angeordnet sind, um zurückgesendete gepulste Signale zu empfangen. Optional ist jeder Detektor 4016 in der Nähe eines optischen Sendeelements an einem entsprechenden Ausgang der vorderen Öffnung 4009 angeordnet und so konfiguriert, dass er das von einem entsprechenden Ziel von Interesse zurückgesendete Impulssignal erfasst. Der Detektor 4016 kann das detektierte Signal an die Steuereinheit zurückgeben, die so konfiguriert ist, dass sie aus dem gesendeten gepulsten Signal und dem zurückgegebenen gepulsten Signal Tiefeninformationen ableitet. Optional ist der Detektor 4016 so konfiguriert, dass er nur eine einzige Erkennung auf der Grundlage der Weißfarbenemission vornimmt. Optional ist der Detektor 4016 so konfiguriert, dass er zwei Erkennungen vornimmt, die sowohl auf der Weißfarbenemission als auch auf der IR-Emission basieren. Mit einem Schalter in der Steuereinheit kann ausgewählt werden, ob entweder die Weißfarbenemission oder die IR-Emission für die Tiefenerkennung aktiviert werden soll.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinheit so konfiguriert, dass sie Phasen- oder Intensitätsmodulationssignale aus dem Laserlicht erzeugt, um Kommunikationsdaten zu übertragen. Die Strahlsteuerungseinheit 4015 umfasst ein oder mehrere optische Übertragungselemente, die so konfiguriert sind, dass sie einen Strahl der Weißfarbenemission und/oder einen Strahl der IR-Emission übertragen, um die Kommunikationsdaten an einen Feldempfänger zu liefern. Optional enthält die Steuereinheit einen Schalter (nicht explizit dargestellt), der so konfiguriert ist, dass er entweder den Betrieb der GaN-haltigen Laserdiode auswählt, um einen Strahl weißer Farbe für die Kommunikation mit sichtbarem Licht zu erzeugen, oder den Betrieb der infrarot-emittierenden Laserdiode auswählt, um einen Strahl IR-Emission für die Kommunikation mit Infrarotlicht zu erzeugen.
  • Zu den Anwendungen für solche tragbaren Lichtvorrichtungen gehören individuell ausführbare Operationen wie Spotlighting, Tiefenerkennung, Entfernungsmessung, IR-Bildgebung, Projektionsanzeige, räumlich dynamische Beleuchtung, LIDAR, WiFi, LiFi, Kommunikation mit sichtbarem/IR-Licht, allgemeine Beleuchtung, kommerzielle Beleuchtung und Anzeige, Internetverbindung, Verteidigung und Sicherheit, Suche und Rettung, industrielle Verarbeitung, Internetkommunikation oder Landwirtschaft und Gartenbau. In einigen Ausführungsformen können die Anwendungen auch überall dort eingesetzt werden, wo der Farbpunkt, die Position oder die Form eines Scheinwerfers, der dynamisch auf der Grundlage der Eingaben von einem oder mehreren Sensoren gesteuert wird, einen ästhetischen, informativen oder künstlerischen Wert hat. Der Hauptvorteil des Geräts für solche Anwendungen besteht darin, dass das Gerät zwischen mehreren Konfigurationen wechseln kann, wobei jede Konfiguration eine optimale Beleuchtung für verschiedene mögliche Kontexte bietet. Einige Beispiele für Kontexte, die eine unterschiedliche Beleuchtungsqualität erfordern können, sind: allgemeine Beleuchtung, Hervorhebung bestimmter Objekte in einem Raum, Spotbeleuchtung, die einer sich bewegenden Person oder einem Objekt folgt, Beleuchtung, die die Farbe ändert, um der Tageszeit oder der Außen- oder Umgebungsbeleuchtung zu entsprechen, und andere.
  • Als Beispiel für einen Anwendungsfall könnte die Vorrichtung als Lichtquelle zur Beleuchtung von Kunstwerken in einem Museum oder einer Kunstgalerie verwendet werden. Bewegungssensoren würden die Änderung der Form und Intensität des ausgestrahlten Lichtflecks von einer räumlichen und farblichen Konfiguration, die für die allgemeine Beleuchtung vorgesehen ist, zu einer Konfiguration auslösen, die das Kunstwerk, das dem auslösenden Bewegungssensor entspricht, auf eine ästhetisch ansprechende Weise hervorhebt. Eine solche Konfiguration wäre auch in Geschäften vorteilhaft, wo das Gerät eine allgemeine Beleuchtung bieten könnte, bis ein auslösender Eingang bewirkt, dass es bevorzugt einen oder mehrere Verkaufsartikel beleuchtet.
  • Die Vorrichtung wäre vorteilhaft für Beleuchtungsanwendungen, bei denen die Übertragung von Informationen auf der Grundlage der Eingaben von Sensoren ausgelöst werden muss. Als beispielhafte Anwendung kann man die Vorrichtung als Autoscheinwerfer verwenden. Die Messungen eines LIDAR- oder Bilderkennungssystems würden das Vorhandensein anderer Fahrzeuge vor dem Auto erkennen und die Übertragung von Position, Kurs und Geschwindigkeit des Autos an die anderen Fahrzeuge über VLC auslösen.
  • Zu den Anwendungen gehören selektive Bereichs-VLC, um Daten nur an bestimmte Orte innerhalb eines Raums oder an ein bestimmtes Objekt zu übertragen, das von Sensoren bestimmt wird - räumlich selektives WiFi/LiFi, das den Standort des Empfängers verfolgen und kontinuierlich Daten liefern kann. Man könnte sogar ein Raum-Zeit-Multiplexing durchführen, bei dem gefaltete Datenströme durch Modulation des Strahlsteuerungsgeräts nacheinander an verschiedene Nutzer oder Objekte gesendet werden. Dies könnte sehr sichere Datenverbindungen für Endnutzer schaffen, die den Standort des Nutzers verfolgen können.
  • In einer Ausführungsform wird das Gerät mit Informationen über den Standort eines Benutzers auf der Grundlage von Eingaben von Sensoren oder anderen elektronischen Systemen zur Bestimmung des Standorts von Personen im Sichtfeld des Geräts versorgt. Bei den Sensoren kann es sich um Bewegungsmelder, Digitalkameras, Ultraschall-Entfernungsmesser oder sogar HF-Empfänger handeln, die die Position von Personen durch die Erfassung von Hochfrequenzemissionen ihrer Elektronik triangulieren. Das Gerät ermöglicht die Kommunikation mit sichtbarem Licht durch den dynamisch steuerbaren weißen Lichtfleck, wobei es auch in der Lage ist, die Größe und den Ort des weißen Lichtflecks zu steuern und den weißen Lichtfleck schnell genug zu rastern, um einen breiten Fleck mit konstanter Beleuchtung zu bilden. Der ermittelte Standort eines Benutzers in Bezug auf das Gerät kann dazu verwendet werden, die für einen bestimmten Benutzer bestimmte VLC-Datenübertragung nur auf den Bereich des Sichtfeldes zu beschränken, der von dem bestimmten Benutzer eingenommen wird. Eine solche Konfiguration ist vorteilhaft, weil sie einen Strahlenlenkungsmechanismus für die Verwendung mehrerer VLC-Sender in einem Raum mit reduzierter Interferenz bietet. Zwei herkömmliche VLC-Sender auf LED-Glühbimenbasis, die in einem Raum nebeneinander platziert sind, würden beispielsweise in dem Bereich des Raums, in dem die von beiden VLC-Sendern auf den VLC-Empfänger eines Benutzers einfallende Strahlungsleistung ähnlich oder gleich ist, einen Bereich mit starker Interferenz erzeugen. Eine solche Ausführungsform ist insofern vorteilhaft, als dass, wenn zwei solche Lichtquellen nebeneinander liegen, der Bereich, der die VLC-Datenübertragung des ersten Geräts enthält, mit größerer Wahrscheinlichkeit einen Bereich des zweiten Geräts überlappt, in dem keine VLC-Daten übertragen werden. Da Gleichstromabweichungen in der empfangenen optischen Leistung leicht aus den VLC-Übertragungen herausgefiltert werden können, können mehrere VLC-fähige Lichtquellen dichter gepackt werden, während immer noch hohe Übertragungsraten für mehrere Nutzer bereitgestellt werden.
  • In einigen Ausführungsformen erhält das Gerät Informationen darüber, wo sich der Benutzer befindet, von HF-Empfängern. Zum Beispiel kann ein Benutzer Daten mit VLC empfangen, aber sie mit einer WiFi-Verbindung mit geringerer Bandbreite übertragen. Triangulations- und Beamforming-Techniken können verwendet werden, um den Standort des Benutzers innerhalb eines Raumes zu bestimmen, indem die Stärke der WiFi-Übertragung des Benutzers an mehreren WiFi-Sendeantennen analysiert wird.
  • In einigen Ausführungsformen überträgt der Benutzer Daten entweder über VLC oder WiFi, und der Standort des Benutzers wird durch Messung der Intensität des VLC-Signals vom Gerät beim Benutzer und anschließende Übertragung dieser Daten zurück zum Gerät über WiFi oder VLC vom VLC-fähigen Gerät des Benutzers bestimmt. Auf diese Weise kann das Gerät den Raum mit einem VLC-Kommunikationspunkt abtasten, und der Zeitpunkt, zu dem ein Benutzer ein maximales VLC-Signal erkennt, wird mit der Position des Punktes korreliert, um den VLC-Strahl auf den Benutzer zu richten.
  • In einer Ausführungsform ist das Gerät an einem funkgesteuerten oder autonomen unbemannten Luftfahrzeug angebracht. Bei den unbemannten Luftfahrzeugen könnte es sich um Drohnen handeln, d. h. um kleine Fahrzeuge wie Miniaturhubschrauber, Quadcopter oder andere mehr- oder einrotorige Senkrechtstarter und -landegeräte, Flugzeuge und dergleichen, die nicht für den Transport eines Piloten oder einer anderen Person konstruiert wurden. Bei den unbemannten Luftfahrzeugen kann es sich um Flugzeuge in Originalgröße handeln, die mit Funksteuerungen oder Autopiloten nachgerüstet wurden. Bei den unbemannten Luftfahrzeugen kann es sich um Luftfahrzeuge handeln, deren Auftrieb durch Auftrieb erzeugt wird, wie z. B. Zeppeline, Luftschiffe, Helium- und Wasserstoffballons und dergleichen.
  • Das Hinzufügen von VLC-fähigen, laserbasierten dynamischen Weißlichtquellen zu unbemannten Flugzeugen ist eine äußerst vorteilhafte Konfiguration für Anwendungen, bei denen eine gezielte Beleuchtung von Bereichen mit wenig oder keiner Infrastruktur bereitgestellt werden muss. In einer beispielhaften Ausführungsform sind eine oder mehrere der Vorrichtungen an einem unbemannten Flugzeug angebracht. Die Stromversorgung der Geräte erfolgt über ein oder mehrere Mittel wie interne Batterien, einen Generator, Solarzellen auf dem Flugzeug, Windturbinen auf dem Flugzeug und dergleichen oder über externe Stromversorgung durch Kabel einschließlich Stromleitungen. Die Datenübertragung zum Luftfahrzeug kann entweder über eine spezielle drahtlose Verbindung zum Luftfahrzeug oder über in der Leine enthaltene Übertragungsleitungen erfolgen. Eine solche Konfiguration ist vorteilhaft für Anwendungen, bei denen die Beleuchtung in Gebieten mit wenig oder gar keiner Infrastruktur bereitgestellt werden muss und bei denen die Beleuchtung gerichtet sein muss und bei denen die Möglichkeit, die Richtung der Beleuchtung zu ändern, wichtig ist. Die geringe Größe des Geräts in Verbindung mit der Fähigkeit des Geräts, die Form und Größe des weißen Lichtpunkts dynamisch zu verändern, sowie die Fähigkeit des unbemannten Flugzeugs, seine Position entweder durch Fernsteuerung durch einen Benutzer oder aufgrund interner Programmierung zu ändern, ermöglichen es einem oder mehreren dieser Flugzeuge, eine Beleuchtung sowie VLC-Kommunikation an einem Ort bereitzustellen, ohne dass eine feste Infrastruktur installiert werden muss. Zu den Situationen, in denen dies vorteilhaft wäre, gehören unter anderem Baustellen und Straßenarbeiten, Veranstaltungsorte, an denen sich nachts Menschen versammeln, Stadien, Kolosseen, Parkplätze usw. Durch die Kombination einer stark ausgerichteten Lichtquelle mit einem unbemannten Luftfahrzeug können weniger Lichtquellen verwendet werden, um größere Gebiete mit weniger Infrastruktur zu beleuchten. Ein solches Gerät könnte mit Infrarot-Bildgebungs- und Bilderkennungsalgorithmen kombiniert werden, die es dem unbemannten Luftfahrzeug ermöglichen, Fußgänger oder sich bewegende Fahrzeuge zu erkennen und sie selektiv zu beleuchten sowie eine allgemeine Beleuchtung und Netzanbindung über VLC in ihrer Nähe bereitzustellen.
  • In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird die intelligente Lichtquelle im Internet der Dinge (IoT) verwendet, wobei das laserbasierte intelligente Licht zur Kommunikation mit Objekten wie Haushaltsgeräten (z. B. Kühlschrank, Öfen, Herd usw.), Beleuchtung, Heiz- und Kühlsystemen, Elektronik, Möbeln wie Sofas, Stühlen, Tischen, Betten, Kommoden usw., Bewässerungssystemen, Sicherheitssystemen, Audiosystemen, Videosystemen usw. verwendet wird. Natürlich können die laserbasierten intelligenten Leuchten so konfiguriert werden, dass sie mit Computern, Smartphones, Tablets, Smartwatches, Augmented-Reality-Komponenten (AR), Virtual-Reality-Komponenten (VR), Spielen einschließlich Spielkonsolen, Fernsehern und anderen elektronischen Geräten kommunizieren.
  • In einigen Ausführungsformen wird die Vorrichtung für Augmented-Reality-Anwendungen verwendet. Eine solche Anwendung ist eine Lichtquelle, die in der Lage ist, eine dynamische Lichtquelle bereitzustellen, die mit Augmented-Reality-Brillen oder Headsets interagieren kann, um mehr Informationen über die Umgebung des Benutzers bereitzustellen. So kann das Gerät beispielsweise mit dem Augmented-Reality-Headset über sichtbares Licht (LiFi) kommunizieren und schnell einen Lichtpunkt abtasten oder ein Lichtmuster auf Objekte im Raum projizieren. Dieses dynamisch angepasste Muster oder dieser Lichtpunkt würde sich zu schnell verändern, als dass das menschliche Auge ihn als eigenständigen Punkt wahrnehmen könnte. Das Augmented-Reality-Headset würde Kameras enthalten, die das Lichtmuster abbilden, während es auf Objekte projiziert wird, und daraus Informationen über die Form und Position der Objekte im Raum ableiten. Das Augmented-Reality-System wäre dann in der Lage, auf dem Systemdisplay Bilder zu liefern, die sich besser in die Objekte im Raum einfügen und so dem Nutzer ein intensiveres Erlebnis bieten.
  • Bei räumlich dynamischen Ausführungsformen muss das Laserlicht oder das resultierende weiße Licht dynamisch ausgerichtet werden. Ein MEMS-Spiegel ist die kleinste und vielseitigste Möglichkeit, dies zu tun, aber dieser Text behandelt auch andere, wie DLP und LCOS, die verwendet werden könnten. Ein rotierender Polygonspiegel war in der Vergangenheit üblich, erfordert aber ein großes System mit Motoren und mehreren Spiegeln, um in zwei oder mehr Richtungen zu scannen. Im Allgemeinen wird der Abtastspiegel beschichtet, um eine stark reflektierende Oberfläche zu erzeugen. Zu den Beschichtungen können unter anderem metallische Beschichtungen wie Silber, Aluminium und Gold gehören. Silber und Aluminium sind bevorzugte metallische Beschichtungen, da sie ein relativ hohes Reflexionsvermögen über einen breiten Wellenlängenbereich aufweisen. Zu den Beschichtungen können auch dichroitische Beschichtungen gehören, die aus Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen. Solche Beschichtungen können ein außergewöhnlich hohes Reflexionsvermögen in relativ engen Wellenlängenbereichen bieten. Durch die Kombination mehrerer dichroitischer Schichten, die mehrere Wellenlängenbereiche abdecken, kann eine reflektierende Schicht mit breitem Spektrum gebildet werden. In einigen Ausführungsformen werden sowohl eine dichroitische Folie als auch ein Metallreflektor verwendet. So kann z. B. zunächst eine Aluminiumschicht auf eine Spiegeloberfläche aufgebracht und dann mit einer dichroitischen Schicht überlagert werden, die im Bereich von 650-750 nm stark reflektiert. Da Aluminium bei diesen Wellenlängen weniger reflektierend ist, ergibt der kombinierte Filmstapel eine Oberfläche mit relativ konstantem Reflexionsvermögen für alle Wellenlängen im sichtbaren Spektrum. In einem Beispiel wird ein Abtastspiegel mit einem Silberfilm beschichtet. Der Silberfilm wird mit einem dichroitischen Filmstapel überlagert, der im Wellenlängenbereich von 400-500 nm zu mehr als 50 % reflektierend ist.
  • In einigen Ausführungsformen reagiert der Treiber des Abtastspiegels auf Eingaben von Bewegungssensoren wie einem Gyroskop oder einem Beschleunigungsmesser. In einem Ausführungsbeispiel fungiert die Weißlichtquelle als Spot-Licht, das einen eng divergierenden Strahl weißen Lichts erzeugt. Der Treiber des Abtastspiegels reagiert auf Eingaben von einem oder mehreren Beschleunigungsmessern, indem er den Lichtstrahl so ausrichtet, dass er der Bewegung der Lichtquelle folgt. In einem Beispiel wird die Lichtquelle als handgehaltenes Blitzlicht verwendet. Während das Blitzlicht in einem Bogen bewegt wird, lenkt der Abtastspiegel den Ausgang der Lichtquelle in eine Richtung, die zur Bewegungsrichtung des Blitzlichts hin abgewinkelt ist. In einem Ausführungsbeispiel fungiert die Weißlichtquelle als Spot-Licht, das einen eng divergierenden Strahl weißen Lichts erzeugt. Der Treiber des Abtastspiegels reagiert auf Eingaben von einem oder mehreren Beschleunigungsmessern und Gyroskopen, indem er den Strahl so ausrichtet, dass er unabhängig von der Position der Lichtquelle denselben Punkt beleuchtet. Eine Anwendung für ein solches Gerät wären selbstausrichtende Scheinwerfer auf Fahrzeugen wie Hubschraubern oder Autos.
  • In einer Ausführungsform könnte die dynamische Weißlichtquelle verwendet werden, um dynamische Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge bereitzustellen. Form, Intensität und Farbpunkt des projizierten Lichtstrahls werden in Abhängigkeit von den Eingaben verschiedener Sensoren im Fahrzeug verändert. In einem Beispiel wird ein Tachometer verwendet, um die Fahrzeuggeschwindigkeit während der Fahrt zu bestimmen. Bei Überschreiten einer kritischen Geschwindigkeit werden die Helligkeit und die Form des projizierten Scheinwerferlichts geändert, um die Beleuchtung in Entfernungen zu verstärken, die mit steigender Geschwindigkeit zunehmen. In einem anderen Beispiel werden Sensoren eingesetzt, um das Vorhandensein von Straßenschildern oder Fußgängern in der Nähe des Fahrwegs des Fahrzeugs zu erkennen. Solche Sensoren können unter anderem sein: vorwärtsgerichtete Infrarotkameras, Infrarotkameras, CCD-Kameras, Kameras, LIDAR-Systeme (Light detection and ranging) und Ultraschall-Entfernungsmesser.
  • In einem Beispiel werden Sensoren verwendet, um das Vorhandensein von Front-, Heck- oder Seitenscheiben an Fahrzeugen in der Nähe zu erkennen. Form, Intensität und Farbpunkt des projizierten Lichtstrahls werden so verändert, dass der Anteil des Scheinwerferstrahls, der die Insassen und Fahrer anderer Fahrzeuge blendet, reduziert wird. Eine solche blendungsmindernde Technologie wäre bei nächtlichen Einsätzen von Vorteil, bei denen Kompromisse zwischen der Platzierung von Lampen an Fahrzeugen, die für die Ausleuchtung eines Bereichs optimiert sind, und der Platzierung des Lichtstrahls zur Verbesserung der Sicherheit anderer Fahrer durch Verringerung der Blendung geschlossen werden müssen.
  • Gegenwärtig werden Fern- und Abblendlicht mit Scheinwerfern verwendet, zwischen denen der Fahrer manuell umschalten muss, mit allen bekannten Nachteilen. Der Scheinwerfer horizontal schwenken ist in einigen Fahrzeugen verwendet, aber es ist derzeit mit der mechanischen Drehung der gesamten Baugruppe umgesetzt. Auf der Grundlage der dynamischen Lichtquelle, die in dieser Erfindung offenbart wird, ist es möglich, den Lichtstrahl allmählich und automatisch vom Fernlicht zum Abblendlicht zu bewegen, basierend auf einfachen Sensoren, die auf den Abstand des sich nähernden Fahrzeugs, Fußgängers, Radfahrers oder Hindernisses reagieren. Die Rückmeldung solcher Sensoren würde das Licht automatisch so steuern, dass die beste Sicht erhalten bleibt und gleichzeitig verhindert wird, dass der Fahrer, der in die entgegengesetzte Richtung fährt, geblendet wird. Mit 2D-Scannern und einfachen Sensoren können laserbasierte Scheinwerfer mit horizontaler und vertikaler Abtastung realisiert werden.
  • Optional kann die Entfernung zu den ankommenden Fahrzeugen, Hindernissen usw. oder die Nebelstärke auf verschiedene Weise erfasst werden. Zu den Sensoren könnten einfache Kameras, einschließlich Infrarotkameras für die Erfassung im Dunkeln, optische Abstandssensoren, einfache Radargeräte, Streulichtsensoren usw. gehören. Der Abstand würde das Signal für die Positionierung des vertikalen Lichtstrahls liefern, so dass die optimale Lichtstrahlhöhe erreicht wird, die die beste Sicht bietet und die Fahrer der ankommenden Fahrzeuge nicht blendet.
  • In einer alternativen Ausführungsform könnte die dynamische Weißlichtquelle verwendet werden, um eine dynamische Beleuchtung in Restaurants auf der Grundlage des maschinellen Sehens zu ermöglichen. Eine Infrarotkamera oder eine Kamera mit sichtbarem Licht wird verwendet, um einen Tisch mit Gästen abzubilden. Die Anzahl und die Positionen der Gäste am Tisch werden von einem Computer, einem Mikrocontroller, einem ASIC oder einer anderen Recheneinheit ermittelt. Der Mikrocontroller gibt dann koordinierte Signale an den Lasertreiber und den Abtastspiegel aus, um räumlich begrenzte Lichteffekte zu erzielen, die sich während des Essens dynamisch verändern. Wenn der weiße Lichtpunkt schnell genug abgetastet wird, erscheint das Licht dem menschlichen Auge als statische Beleuchtung. Die Weißlichtquelle könnte beispielsweise mit roten und grünen Lasern ausgestattet sein, mit denen der Farbpunkt des weißen Lichts, das die einzelnen Gäste beleuchtet, passend zu ihrer Kleiderfarbe moduliert werden kann. Die dynamische Weißlichtquelle könnte bevorzugt Speisen und Getränke beleuchten. Die dynamische Weißlichtquelle könnte mit Nah-UV-Laserquellen ausgestattet sein, mit denen bestimmte Gegenstände am Tisch durch Fluoreszenz hervorgehoben werden könnten, indem sie bevorzugt mit Nah-UV-Licht beleuchtet werden. Die Weißlichtquelle könnte die Zeit der Belegung des Tisches sowie die Anzahl der Speisen auf dem Tisch messen, um die Helligkeit und den Farbpunkt der Beleuchtung für einzelne Abschnitte der Mahlzeit anzupassen.
  • Eine solche Weißlichtquelle könnte auch an anderen Orten eingesetzt werden. In einem anderen Anwendungsbeispiel könnte die dynamische Weißlichtquelle verwendet werden, um Personen, die sich durch abgedunkelte Räume wie Theater oder Lagerhallen bewegen, bevorzugt zu beleuchten.
  • In einer anderen alternativen Ausführungsform könnte die dynamische Weißlichtquelle zur Beleuchtung des Arbeitsbereichs verwendet werden. In einem Beispiel kann die Interaktion zwischen Mensch und Maschine in einer Fabrik unterstützt werden, indem dynamisch wechselnde räumliche Verteilungen des Lichts sowie Lichtfarbpunkte verwendet werden, um den Arbeitern Informationen über ihre Arbeitsumgebung und Aufgaben zu geben. So könnten beispielsweise gefährliche Ausrüstungsgegenstände in einem Lichtfleck mit einem bestimmten Farbpunkt hervorgehoben werden, wenn sich die Arbeiter ihnen nähern. Ein weiteres Beispiel ist die Projektion von Flucht- und Rettungswegen auf den Fußboden oder andere Oberflächen eines Gebäudes, die auf den jeweiligen Standort der Bewohner zugeschnitten sind.
  • In anderen Ausführungsformen würden Personen mit Hilfe der Triangulation von RFID-Ausweisen oder der Triangulation von Wi-Fi-Übertragungen oder anderen Mitteln, die in Geräten wie Mobiltelefonen, Smartwatches, Laptops oder anderen Geräten enthalten sein können, verfolgt werden.
  • Optional ist die zweidimensionale Anordnung von Mikrospiegeln so konfiguriert, dass sie durch einige der ein oder mehreren Steuersignale, die der Strahlsteuerungstreiber vom Mikrocontroller auf der Grundlage der Eingangsinformationen empfängt, aktiviert wird, um die mehreren Ausgangslichtstrahlen zu manipulieren, wobei die jeweiligen Farbpunkte dynamisch eingestellt werden, um ein Farb- und Helligkeitsmuster auf einer Oberfläche eines Zielbereichs oder in einer Richtung eines Zielraums bereitzustellen.
  • Bezugszeichenliste
    • 701
    Kappe
    702
    Laser
    703
    TO Paket
    704
    Anode/Kathode
    705
    Basis
    706
    IR-Leuchtmittel-Fenster
    707
    IR/Vis-Leuchtmittel-Fenster
    708
    Blaues/UV-Laserlicht
    709
    Sichtbar emittierendes Leuchtmittel
    710
    IR-Leuchtmittel
    1001
    Basiselement
    1002
    Stifte
    1003
    Laservorrichtung
    1004
    Wellenlängenkonverterelement
    1005
    Sockelelement
    1006
    Kappenelement
    1007
    Fenster
    1101
    Laservorrichtung
    1102
    keilförmiges Element
    1104
    Fenster
    1105
    Wellenlängenumwandlungselement
    1106
    Sockel
    1201
    Fenster
    1202
    Laser
    1203
    Paketbasis
    1204
    Leuchtmittelplatte
    1205
    Lasererregung
    1206
    Faser
    1401
    Trägerelement
    1402
    Laserdiode
    1403
    gallium- und stickstoffhaltige Epitaxieschicht
    1406
    Leuchtstoffmaterial
    1407
    Laserstrahlen
    1408
    Trägerelement
    1601
    Trägerbasisteil
    1602
    Leuchtstoffelement
    1603
    Laserdiode
    1604
    Trägerelement
    1605
    Drahtbonds
    1606
    Elektrodenelement
    1607
    Drahtverbindung
    1608
    Drahtverbindung
    1609
    interne Durchführung
    1610
    interne Durchführung
    1613
    erste Laserdiodenvorrichtung
    1614
    erstes Trägerelement
    1615
    zweite Laserdiodenvorrichtung
    1616
    zweites Trägerelement
    1618
    erster Laserstrahl
    1619
    zweiter Laserstrahl
    1622
    seitengepumptes Leuchtstoffelement
    1623
    Trägerelement
    1624
    Laserdiodenvorrichtung
    1625
    Trägerelement
    1500
    Controller
    1501
    Modem
    1502
    Treiber
    1503
    Lasergerät
    1504
    Lasergerät
    1505
    Lasergerät
    1506
    Lasergerät
    1507
    Wellenlängenumwandlungselement
    1507
    Strahlformer
    1509
    Lichtemitter
    1520
    Steuereinheit
    1521
    VLC-Modem
    1522
    Lasertreiber
    1523
    Lasergerät 1
    1524
    Lasergerät 2
    1525
    Lasergerät 3
    1526
    Lasergerät 4
    1527
    Wellenlängenumwandlungselement
    1530
    Lichtemitter
    1540
    Strahlformungselement
    2001
    Lasertreiber
    2002
    Sensor 1
    2003
    Sensor 2
    2004
    Sensor N
    2005
    Lasergerät
    2006
    Strahlformungselement
    2007
    Wellenlängenkonverterelement
    2008
    Strahlformungselement
    2101
    Mikrocontroller
    2102
    Sensor 1
    2103
    Sensor 2
    2104
    Sensor N
    2105
    Lasertreiber
    2106
    Laservorrichtung
    2107
    Strahlformungselement
    2108
    Wellenlängenkonverterelement
    2109
    Steuerelementtreiber
    2110
    Strahlformungs- und Steuerungselement
    2400
    tragbare Lichtvorrichtung
    2410
    Gehäuse
    2422
    vordere Öffnung
    2424
    optische Elemente
    2432
    vorderen Öffnung
    2434
    Sensor
    2440
    tragbare Stromversorgung
    2450
    Leiterplattenbaugruppe (PCBA)
    2452
    Controller
    2464
    Eingangsanschluss
    2470
    Schalter
    2472
    vordere Öffnung
    2800
    Vorrichtung
    2801
    Stromquelle
    2802
    Verarbeitungseinheit
    2810
    Beleuchtungssystem
    2811
    Laserdiode
    2812
    Wellenlängenkonverterelement
    2813
    Strahlformungselement
    2820
    Tiefenerkennungssystem
    2821
    Prozessor
    2822
    Sendermodul
    2823
    Empfängermodul
    2900
    integriertes System
    2901
    Stromversorgung
    2902
    Steuerung
    2903
    Laserdiode
    2911
    Wellenlängenumwandlungselement
    2912
    Strahlformungselementen
    2921
    Sendemodul
    2922
    Übertragungsoptik
    2931
    Empfängerkomponenten
    2932
    Detektionselement
    2990
    externe Einaben
    3000
    Gerät
    3001
    Stromquelle
    3002
    Prozessor- und Steuereinheit
    3003
    Laserdiode
    3004
    Wellenlängenkonversionselement
    3005
    Strahlformungselement
    3011
    Strahlformungskomponenten
    3012
    Strahllenkelement
    3021
    Tiefenabtastungsübertragungskomponente
    3022
    Tiefenabtastungssignalübertragungsmodul
    3031
    Empfängerteil
    3090
    externe Eingaben
    3100
    Gerät
    3101
    Stromquelle
    3102
    Steuereinheit
    3103
    Laserdiode
    3104
    Wellenlängenumwandlungselement
    3105
    Strahlformungsoptik
    3106
    Optik
    3107
    Optik
    3108
    Optik
    3110
    Optik
    3150
    tragbare Lichtvorrichtung
    3160
    tragbaren Lichtvorrichtung
    3190
    externe Eingänge
    3200
    Gerät
    3201
    interne Stromquelle
    3202
    Steuereinheit
    3203
    Laserdiode
    3204
    Wellenlängenumwandlungselement
    3205
    Strahlformungsoptik
    3210
    Optik
    3250
    Vorrichtung
    3290
    externe Eingänge
    4000
    mobile Beleuchtungsmaschine
    4001
    Gehäuse
    4001A
    Kappenelement
    4004
    Pumplichtvorrichtung
    4005
    Strahlformungseinheit
    4009
    vordere Öffnung
    4010
    Beleuchtungsmodul
    4011
    Weißlichtquellenkopf
    4012
    IR-Quellenkopf
    4015
    Strahlsteuerungseinheit
    4016
    Detektor
    4020
    Befestigungselement
    4100
    mobile Maschine
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (22)

  1. Tragbare Lichtvorrichtung, eingerichtet zur Ausleuchtung mit sichtbarer Lichtemission und Infrarotlichtemission, wobei die tragbare Lichtvorrichtung umfasst: eine erste Pumplichtvorrichtung, eingerichtet mit einer optischen Kavität, die einen optischen Wellenleiterbereich und einen oder mehrere Facettenbereiche aufweist, die in einem Paket angeordnet sind; wobei die erste Pumplichtvorrichtung mindestens eine Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie eine gerichtete elektromagnetische Strahlung, die durch eine erste Spitzenwellenlänge gekennzeichnet ist, durch mindestens einen der Facettenbereiche ausgibt; einen ersten Wellenlängenkonverter, der in dem Paket in einem Pfad eingerichtet ist, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung zu empfangen, und der eingerichtet ist, um mindestens einen Teil der gerichteten elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in mindestens eine zweite Spitzenwellenlänge umzuwandeln, die länger als die erste Spitzenwellenlänge ist, und um eine Weißfarbenemission zu erzeugen, die mindestens die zweite Spitzenwellenlänge umfasst; eine zweite Pumplichtvorrichtung, die mit einer infrarotemittierenden Laserdiode auf dem Paket eingerichtet ist, um eine elektromagnetische Infrarotstrahlung in dem Pfad bereitzustellen; ein kompaktes Gehäuseelement mit einer Oberflächenstruktur, die die erste Pumplichtvorrichtung, den ersten Wellenlängenkonverter und die zweite Pumplichtvorrichtung umschließt, und einer Frontöffnung, die dazu eingerichtet ist, dass sie die Weißfarbenemission und/oder die elektromagnetische Infrarotstrahlung ausgibt; eine in dem kompakten Gehäuseelement eingeschlossene Leistungsversorgung und einen an der Oberflächenstruktur angeordneten Ladeanschluss; einen Strahlformer, der dazu eingerichtet ist, dass er die Weißfarbenemission und/oder die elektromagnetische Infrarotstrahlung, die von der vorderen Öffnung abgegeben wird, kollimiert oder projiziert.
  2. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode dazu eingerichtet ist, dass sie die gerichtete elektromagnetische Strahlung lasert, die durch die erste Spitzenwellenlänge im violetten Wellenlängenbereich von 390nm bis 420nm oder im blauen Wellenlängenbereich von 420nm bis 480nm charakterisiert ist.
  3. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenlängenkonverter durch einen Betrieb im Reflexionsmodus gekennzeichnet ist, so dass die gerichtete elektromagnetische Strahlung mit der ersten Wellenlänge von der ersten Pumplichtvorrichtung auf eine Anregungsfläche des ersten Wellenlängenkonverters auftrifft; und wobei die Primäremission der zweiten Wellenlänge von dem Wellenlängenkonverter von derselben Anregungsfläche emittiert wird.
  4. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Wellenlängenkonverter optisch mit dem Pfad gekoppelt ist, um die elektromagnetische Infrarotstrahlung von der infrarotemittierenden Laserdiode in der zweiten Pumplichtvorrichtung zu empfangen, wobei der erste Wellenlängenkonverter so eingerichtet ist, dass er die elektromagnetische Infrarotstrahlung mit minimaler Absorption reflektiert und/oder streut; und wobei sich die elektromagnetische Infrarotstrahlung und die Weißfarbenemission innerhalb desselben räumlichen Bereichs überlappen.
  5. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenlängenkonverter durch einen transmissiven Modusbetrieb gekennzeichnet ist, so dass die gerichtete elektromagnetische Strahlung mit der ersten Wellenlänge von der ersten Pumplichtvorrichtung auf eine Anregungsoberfläche des ersten Wellenlängenkonverters auftrifft; und wobei die Primäremission der zweiten Wellenlänge von dem ersten Wellenlängenkonverter von einer Emissionsoberfläche emittiert wird, wobei die Emissionsoberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Anregungsoberfläche liegt.
  6. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste Wellenlängenkonverter optisch mit dem Pfad gekoppelt ist, um die elektromagnetische Infrarotstrahlung von der zweiten Pumplichtvorrichtung zu empfangen, wobei der erste Wellenlängenkonverter so eingerichtet ist, dass er die elektromagnetische Infrarotstrahlung mit minimaler Absorption überträgt und/oder streut; und wobei sich die elektromagnetische Infrarotstrahlung und die Weißfarbenemission innerhalb desselben räumlichen Bereichs überlappen.
  7. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenlängenkonverter aus einem Leuchtstoffmaterial besteht; und wobei das Leuchtstoffmaterial aus einem keramischen Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), das mit Ce dotiert ist, oder einem einkristallinen YAG, das mit Ce dotiert ist, oder einem pulverförmigen YAG, das ein Bindemittelmaterial enthält, besteht; und wobei das Leuchtstoffmaterial einen optischen Umwandlungswirkungsgrad von mindestens 50 Lumen pro optischem Watt aufweist.
  8. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die infrarotemittierende Laserdiode so eingerichtet ist, dass sie die infrarote elektromagnetische Strahlung lasert, die durch eine dritte Wellenlänge im Bereich von 700 nm bis 1100 nm, eine Wellenlänge im Bereich von 1100 bis 2500 nm oder eine Wellenlänge im Bereich von 2500 nm bis 15000 nm gekennzeichnet ist.
  9. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die infrarotemittierende Laserdiode auf einem Materialsystem basiert, das GaAs, InP, InGaAs, InAs, InAlAs, AlGaAs, AlInGaP, InGaAsP oder InGaAsSb oder eine Kombination davon umfasst.
  10. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die infrarotemittierende Laserdiode auf einer Interband-Elektronen-Loch-Rekombination, wie z. B. einer Quantentopf-Laserdiode, beruht oder auf einer Quantenkaskaden-Laserdiode, die mit Intraband- oder Interband-Übergängen arbeitet, oder auf einem kantenemittierenden Hohlraumdesign oder einem vertikalen Hohlraum-emittierenden Design beruht.
  11. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst ferner einen Kühlkörper, der mit der inneren Struktur verbunden ist, um das Paket zu tragen.
  12. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Paket für die Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode und die infrarot-emittierende Laserdiode in einem Laserpaket verwendet wird, das aus einem TO behälterartigen Paket, einem flachen Pakettyp oder einem Schmetterlingstyp ausgewählt ist.
  13. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlformer ein oder eine Kombination mehrerer optischer Elemente umfasst, die aus einer Liste von Kollimationslinsen mit langsamer Achse, Kollimationslinsen mit schneller Achse, asphärischen Linsen, Kugellinsen, TIR-Optiken (Total Internal Reflector), parabolischen Linsenoptiken, refraktiven Optiken und MEMS-Spiegeln (mikroelektromechanische Systeme) ausgewählt werden, die so eingerichtet sind, dass sie die elektromagnetische Weißfarbenemission und/oder die Infrarotstrahlung lenken, kollimieren und fokussieren, um zumindest deren Winkelverteilung zu modifizieren.
  14. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Strahlsteuerungseinheit, die mit der vorderen Öffnung kombiniert ist und mindestens eine Totalreflexionsoptik (TIR) und eine Linse zur Projektion des gerichteten Lichtstrahls der weißfarbigen Emission oder unabhängig von einer elektromagnetischen Infrarotstrahlung mit einem Abstrahlwinkel von nicht mehr als 2 Grad umfasst.
  15. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Schalter, der auf der Oberflächenstruktur des kompakten Gehäuseelements angeordnet und mit der darin befindlichen Leistungsversorgung gekoppelt ist und so eingerichtet ist, dass er entweder die erste Pumplichtvorrichtung für sichtbare Beleuchtung auf der Grundlage der Weißfarbenemission oder die zweite Pumplichtvorrichtung für IR-Beleuchtung auf der Grundlage der elektromagnetischen Infrarotstrahlung unabhängig aktiviert oder beide, die erste Pumplichtvorrichtung und die zweite erste Pumplichtvorrichtung, für eine doppelte Erfassung aktiviert.
  16. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1 ferner aufweisend einen Impulsgenerator, der auf einer in der inneren Struktur befestigten Leiterplattenbaugruppe angeordnet ist, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung und/oder die elektromagnetische Infrarotstrahlung zur Erzeugung von Impulssignalen für die Tiefenerfassung zu steuern.
  17. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Strahlformer ein optisches Sendeelement umfasst, das in der Nähe der vorderen Öffnung angeordnet ist, um die Weißfarbenemission und/oder die IR-Emission, die die gepulsten Signale tragen, zum Ziel von Interesse zu übertragen; wobei die tragbare Lichtvorrichtung ferner einen Detektor umfasst, der in der Nähe der vorderen Öffnung angeordnet ist, um die gepulsten Signale zu erfassen, die vom Ziel von Interesse zurückgegeben werden, um Tiefeninformationen abzuleiten.
  18. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Kommunikationsfunktion für sichtbares Licht, indem sie einen Modulator enthält, um die von der ersten Pumplichtvorrichtung emittierte gerichtete elektromagnetische Strahlung auf der Grundlage von Eingabedaten zu modulieren, um Datensignale zu erzeugen, und einen Strahl der Weißfarbenemission sendet, der die Datensignale trägt.
  19. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsversorgung eine wiederaufladbare Batterie umfasst, die eine Schaltung mit Überladungsschutz, Überentladungsschutz und Kurzschlussschutz sowie einen Schutz mit negativem Temperaturkoeffizienten enthält.
  20. Tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ladeanschluss einen USB-Anschluss zum Laden der wiederaufladbaren Batterie umfasst.
  21. Mobile Maschine, ausgewählt aus einem Auto, einem Boot, einem Motorrad, einer Drohne und einem Roboter, wobei die mobile Maschine die tragbare Lichtvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst.
  22. Mobile Maschine mit einer Lichtvorrichtung, wobei die Lichtvorrichtung aufweist: eine erste Pumplichtvorrichtung, die mit einer optischen Kavität eingerichtet ist, die einen optischen Wellenleiterbereich und einen oder mehrere Facettenbereiche aufweist, die in einem Paket angeordnet sind; wobei die erste Pumplichtvorrichtung mindestens eine Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode umfasst, die so eingerichtet ist, dass sie eine gerichtete elektromagnetische Strahlung, die durch eine erste Spitzenwellenlänge gekennzeichnet ist, durch mindestens einen der Facettenbereiche ausgibt; einen ersten Wellenlängenkonverter, der in dem Paket in einem Pfad eingerichtet ist, um die gerichtete elektromagnetische Strahlung zu empfangen, und der eingerichtet ist, um mindestens einen Teil der gerichteten elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in mindestens eine zweite Spitzenwellenlänge umzuwandeln, die länger als die erste Spitzenwellenlänge ist, und um eine Weißfarbenemission zu erzeugen, die mindestens die zweite Spitzenwellenlänge umfasst; eine zweite Pumplichtvorrichtung, die mit einer infrarotemittierenden Laserdiode auf dem Paket eingerichtet ist, um eine elektromagnetische Infrarotstrahlung in dem Pfad bereitzustellen; ein kompaktes Gehäuseelement mit einer Oberflächenstruktur, die die erste Pumplichtvorrichtung, den ersten Wellenlängenkonverter und die zweite Pumplichtvorrichtung umschließt, und einer Frontöffnung, die so eingerichtet ist, dass sie die Weißfarbenemission und/oder die elektromagnetische Infrarotstrahlung ausgibt; einen Strahlformer, der so eingrichtet ist, dass er die Weißfarbenemission und/oder die elektromagnetische Infrarotstrahlung, die von der vorderen Öffnung abgegeben wird, kollimiert oder projiziert.
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