WO2004110769A1 - Abbildungsvorrichtung für die abbildung des lichtes einer halbleiterlasereinheit mit einer mehrzahl von emittern in eine arbeitsebene sowie beleuchtungsvorrichtung mit einer derartigen abbildungsvorrichtung - Google Patents

Abbildungsvorrichtung für die abbildung des lichtes einer halbleiterlasereinheit mit einer mehrzahl von emittern in eine arbeitsebene sowie beleuchtungsvorrichtung mit einer derartigen abbildungsvorrichtung Download PDF

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light
imaging device
semiconductor laser
laser unit
emitters
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Vitalij Lissotschenko
Fedor Karpushko
Mikhail Petrov
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Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co Kg
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    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

Definitions

  • Imaging device for imaging the light of a semiconductor laser unit with a plurality of emitters in a working plane and lighting device with such an imaging device
  • the present invention relates to an imaging device for imaging the light of a semiconductor laser unit with a plurality of emitters in a working plane, comprising a collimation means for the at least partial collimation of the light coming from the semiconductor laser unit in at least one
  • the present invention relates to an illumination device for illuminating a predeterminable region of a working plane, comprising a semiconductor laser unit and an imaging device of the aforementioned type.
  • a laser diode bar is used as the semiconductor laser unit, which has a multiplicity of emitters which are arranged next to one another at a distance from one another in a first direction.
  • Direction is the so-called slow axis, within which the divergence of the light emerging from the laser diode bar is smaller than in a direction perpendicular thereto, referred to as the fast axis.
  • the imaging device sees a fast
  • Axis collimation lens for collimating the divergence in the fast axis direction.
  • the cylinder axes extend in the fast axis.
  • Each of these cylindrical lenses is assigned to one of the emitters of the laser diode bar and is used for collimation or for focusing the slow-axis component of the light. With these two cylindrical lens arrays, the slow
  • Axis creates a near-field image of the emitters, in which the light of the individual emitters is not overlapping.
  • This near-field image is imaged in a working plane by further collimation or focusing lenses or field lenses.
  • This working level can be, for example, the modulation level of a modulator for a
  • Laser diode bars are correlated with one another, so that very often each of the emitters has an intensity distribution of the emitted light that is not even, particularly in the direction of the slow axis.
  • An example of such correlated emitters can be seen in FIG. 5a, in which the intensity distribution 14 of two is exemplary
  • a comb-shaped waveguide means which has a plurality of waveguides, is inserted between the fast-axis collimation lens and the lens array used for slow-axis collimation or instead of the fast-axis collimation lens.
  • Each of these waveguides is assigned to one of the emitters. I in each one
  • the lighting device is expensive to manufacture and, on the other hand, it is less effective because the large number of optical components results in greater losses.
  • the imaging device comprises light guide means which have an entry surface for light emerging from the collimating means and an exit surface from which light can exit to the focusing means, the imaging device being designed such that light from at least two enters the entry surface the emitter can enter.
  • the light guide means are preferably designed in such a way that the light from the at least two emitters can be at least partially mixed within the light guide means.
  • the light of the at least two emitters is mixed within the light guide means only in a direction perpendicular to the direction of propagation. This can be, for example, the slow axis direction.
  • the imaging device is preferably designed such that light from essentially all of the emitters of the
  • Semiconductor laser unit can enter the entry surface of the light guide. According to the invention it can be achieved that not only is the light from an individual emitter superimposed on itself and possibly homogenized in the light guide means, but that the light from two or more, in particular all, emitters is superimposed or mixed. On the one hand, this results in a significantly more effective overlay than in the prior art known from the aforementioned international patent application. On the other hand, significantly fewer parts can be used because, in particular when all emitters are superimposed, the lens arrays which associate each of the emitters with a single cylindrical lens can be omitted. I n particular the lens arrays contribute significantly to the manufacturing costs of an imaging device of the type mentioned.
  • the light guide means are designed as an at least partially transparent plane-parallel plate which extends essentially in the direction of propagation of the light.
  • the extent of the entry surface can be smaller in a first direction than in a second direction perpendicular to it.
  • the extent of the entry surface in the slow axis direction can be significantly smaller than in the fast axis direction. Due to a very small expansion of the light guide in the slow axis direction, the number of reflections with regard to the slow axis portion of the light is significantly increased, so that a significantly greater mixing of the slow
  • Axis share takes place. Under certain circumstances, if the light of all emitters is to enter the entry surface, a focusing lens with regard to the slow axis component must be provided in front of the entry surface in order to couple the light of all emitters into the entry surface, which is comparatively narrow in the slow axis direction.
  • the light guide means are designed as an at least partially transparent body which extends essentially in the direction of propagation of the light and which has a smaller extent in the direction of propagation in the middle in a direction perpendicular to the direction of propagation than on its side facing the semiconductor laser unit.
  • the body can be comparatively wide in the slow axis direction
  • the body of the light-guiding means preferably has a larger extension in its direction perpendicular to the direction of propagation on its outlet side facing away from the semiconductor laser unit than in its center. This widening of the body adjoining the narrow center ensures that the light emerging from the exit surface is already partially collimated and does not have to be passed through additional collimation lenses before it can be imaged by the focusing means in the working plane. In this way, additional components are saved, so that the imaging device manages with a minimal number of optical elements. The losses within the imaging device can thereby be minimized. Furthermore, the manufacturing costs can be reduced.
  • the fast-axis portion of the light can pass through the light-guiding means largely unhindered, so that the collimation of the fast-axis portion is essentially not influenced.
  • the entry surface and / or the side surfaces and / or the exit surface of the light guide means are structured.
  • This structuring of the entry surface and / or the side surfaces and / or the exit surface can preferably be realized by roughening, in particular by targeted roughening.
  • Such a structuring can di ⁇ mixing can be improved because, in particular, a comparatively arbitrary or chaotic reflection or transmission takes place on the corresponding surfaces.
  • the collimation means can be used as in the prior art.
  • the focusing means can comprise a first focusing lens and a second focusing lens, which can serve in particular as a field lens.
  • the lighting device according to the invention is characterized by an imaging device according to the invention.
  • the semiconductor laser unit and the imaging device are arranged on a common carrier.
  • the semiconductor laser unit and imaging device can be permanently preassembled at the factory.
  • the lighting device according to the invention can comprise a semiconductor laser unit with a laser diode bar.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an illumination device according to the invention with an imaging device according to the invention
  • Fig. 2 is a view according to the arrow I l in Fig. 1;
  • Fig. 3 is a view according to the arrow I I I in Fig. 1;
  • Fig. 4 is a perspective view of another embodiment of an inventive
  • Illumination device with a further embodiment of an imaging device according to the invention.
  • 5a schematically shows the intensity distribution of individual emitters of a laser diode bar
  • FIG. 5b schematically shows the superposition of the intensity distributions according to FIG. 5a;
  • 5c schematically shows the overall intensity distribution that can be achieved with an illumination device according to the invention.
  • an illumination device comprises a semiconductor laser unit 1 and an imaging device 2, which are arranged on a common carrier 3.
  • the semiconductor laser unit 1 comprises a laser diode bar 4 and corresponding heat sinks 5.
  • a laser diode bar generally has emitters arranged next to one another in one direction, in the illustrated direction in the X direction. Furthermore, a laser diode bar has a smaller divergence in the X direction in which the emitters are arranged next to one another than in the Y direction perpendicular to it. For this reason, the Y direction is called the fast axis and the X direction is called the slow axis.
  • the light in FIG. 1 essentially emanates from the laser diode bar 4 in the positive Z direction.
  • the collimation means 6 which is designed as a fast-axis collimation lens.
  • the fast-axis collimation lens is essentially a cylindrical lens with a cylindrical axis in the X direction.
  • the collimation means 6 collimates the laser radiation emerging from the laser diode bar 4 in the Y direction.
  • the fast-axis collimation lens is followed in the positive Z direction by a further cylindrical lens 7, the cylinder axis of which extends in the Y direction.
  • the cylindrical lens 7 is used to focus the light emerging from the collimation means 6 onto the entry surface of a light guide 8 arranged behind the cylinder lens 7 in the positive Z direction.
  • the light guide 8 is comparatively thin in the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 , plane-parallel plate made of an at least partially transparent material, which extends essentially in the Z direction.
  • the dimension of the light guide is 8 in X direction significantly smaller than in the Y direction and in the Z direction.
  • the cylindrical lens 7 and the light-guiding means 8 are in particular arranged in such a way that light from several emitters of the laser diode bar 4, in particular the light from all emitters of the laser diode bar 4, enters the entrance surface, that is to say the side of the light-guiding means 8 facing the cylindrical lens 7 in FIG. 1 ,
  • the light from the emitters of the laser diode bar 4 is forwarded in the Z direction within the light guide means, in particular the exit from the side surfaces due to total rejection is largely prevented, so that this in the
  • Light-guiding means 8 light that has left it leaves in the positive Z direction at the right-hand end in FIG. 1.
  • a further cylindrical lens 9 is arranged behind the light guide 8 in the positive Z direction and at least partially collimates the light emerging from the light guide 8 in the X direction.
  • the cylinder axis of the cylindrical lens 9 extends in the Y direction.
  • the imaging device 2 comprises two focusing lenses 10, 11, which can focus or image the light into a working plane (not shown).
  • the first focusing lens 10 is designed as a cylindrical lens with a cylindrical axis in the Y direction.
  • the second focusing lens 1 1 is designed as a spherical lens. It is entirely possible to design the focusing lenses 10, 11 differently, for example to combine them in a single lens. Furthermore, a cylindrical lens with a cylindrical axis in the X direction can be used instead of the spherical focusing lens 11.
  • the focusing lenses 10, 1 1, together with the cylindrical lens 9 used for collimation have the task of imaging the light emerging from the light guide 8 into a certain predetermined area of the working plane. It is achieved by the light guide 8 that the light emanating from several emitters of the laser diode bar 4 is randomly superimposed within the light guide in such a way that the light of the different ones is superimposed in the working plane
  • the Emitter of the laser diode bar 4 is formed, which has a very uniform intensity distribution over the illuminated area.
  • the light-guiding means 8 is designed such that the fast-axis portion of the light emanating from the laser diode bar 4 is not influenced by the light-guiding means, so that a mixture, in particular an arbitrary or chaotic mixture of the light, only in the slow-axis direction takes place.
  • the imaging device 2 according to the invention In contrast to the prior art, in which the light emanating from individual emitters was superimposed in such a way that, for example, all the emitters on the left side (see intensity distribution 14 of the individual emitters in FIG a very disadvantageous increase in total intensity (see total intensity distribution 15 in FIG. 5b) on the left-hand side, in the imaging device 2 according to the invention the light emanating from different emitters of the laser diode bar 4 is so randomly and chaotically superimposed that even if, for example, all emitters on it have an intensity increase on the left side, the superimposition of the light taking place in the working plane has no intensity increase on the left side (see total intensity distribution 16 after passing through the imaging device 2 according to the invention in FIG ig.5c).
  • This arbitrary and chaotic overlay effect can be reinforced in particular by the fact that the entrance area and / or the side surfaces of the light guide 8 are roughened in a targeted manner.
  • a sine structure can be applied that has axes of symmetry in the Y direction, so that only the slow-axis component of the light passing through the light guide 8 is influenced, but not the fast-axis component.
  • the semiconductor laser unit 1 does not differ from the semiconductor laser unit of the embodiment according to FIGS. 1 to 3.
  • the imaging device 12 likewise does not have a second cylindrical lens arranged behind the light guide 13 and used to collimate the slow axis. Rather, in the positive Z direction, the focusing lenses 10 adjoin the exit surface of the light guide 13,
  • the cylindrical lenses 7, 9 in front of and behind the light guide 13 can be omitted.
  • the entry surface of the light guide 13 in the X direction is so wide that the light of several, in particular all, emitters of the laser diode bar 4 enters the entry surface.
  • the constriction of the width in the X direction of the light guide 13 approximately in the central region makes it effective
  • the light-guiding means 13 can be structured similarly to the light-guiding means 8 on the entry surface and / or on the side surfaces and / or the exit surface in order to support the mixing of the light with regard to the slow-axis component.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Abbildungsvorrichtung für die Abbildung des Lichtes einer Halbleiterlasereinheit (1) mit einer Mehrzahl von Emittern in eine Arbeitsebene, umfassend ein Kollimationsmittel (6) für die zumindest teilweise Kollimierung des von der Halbleiterlasereinheit (1) ausgehenden Lichtes in zumindest einer, zur Ausbreitungsrichtung (Z) des Lichts im Wesentlichen senkrechten Richtung (Y), Fokussiermittel für die zumindest teilweise Fokussierung oder Abbildung des zumindest teilweise kollimierten Lichts in die Arbeitsebene, wobei die Abbildungsvorrichtung (2, 12) Lichtleitmittel (8, 13) umfasst, die eine Eintrittsfläche für aus den Kollimationsmitteln (6) austretendes Licht und eine Austrittsfläche aufweisen, aus der Licht zu den Fokussiermitteln austreten kann und wobei die Abbildungsvorrichtung (2, 12) derart ausgebildet ist, dass in die Eintrittsfläche Licht aus mindestens zwei der Emitter eintreten kann. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer derartigen Abbildungsvorrichtung.

Description

Abbildungsvorrichtung für die Abbildung des Lichtes einer Halbleiterlasereinheit mit einer Mehrzahl von Emittern in eine Arbeitsebene sowie Beleuchtungsvorrichtung mit einer derartigen Abbild u ngs Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung für die Abbildung des Lichtes einer Halbleiterlasereinheit mit einer Mehrzahl von Emittern in eine Arbeitsebene, umfassend ein Kollimationsmittel für die zumindest teilweise Kollimierung des von der Halbleiterlasereinheit ausgehenden Lichtes in zumindest einer, zur
Ausbreitungsrichtung des Lichts im Wesentlichen senkrechten Richtung, sowie Fokussiermittel für die zumindest teilweise Fokussierung oder Abbildung des zumindest teilweise kollimierten Lichts in die Arbeitsebene. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung eines vorgebbaren Bereichs einer Arbeitsebene, umfassend eine Halbleiterlasereinheit und eine Abbildungsvorrichtung der vorgenannten Art.
Eine Abbildungsvorrichtung und eine Beleuchtungsvorrichtung der vorgenannten Art sind aus dem US-Patent US 6,433,934 B1 bekannt. Bei der darin beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung wird als Halbleiterlasereinheit ein Laserdiodenbarren verwendet, der eine Vielzahl von Emittern aufweist, die beabstandet zueinander in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Bei dieser ersten
Richtung handelt es sich um die sogenannte Slow-Axis, innerhalb derer die Divergenz des aus dem Laserdiodenbarren austretenden Lichtes kleiner ist als in einer dazu senkrechten, als Fast-Axis bezeichneten Richtung. Im Anschluss an den Laserdiodenbarren sieht die Abbildungsvorrichtung eine als Kollimationsmittel dienende Fast-
Axis-Kollimationslinse für die Kollimierung der Divergenz in Fast-Axis- Richtung vor. Daran anschließend sind zwei Arrays von Zylinderlinsen vorgesehen, deren Zylinderachsen sich in der Fast-Axis erstrecken. Eine jede dieser Zylinderlinsen ist jeweils einem der Emitter des Laserdiodenbarrens zugeordnet und dient zur Kollimierung beziehungsweise zur Fokussierung des Slow-Axis-Anteils des Lichtes. Durch diese beiden Zylinderlinsenarrays wird hinsichtlich der Slow-
Axis ein Nahfeldbild der Emitter erzeugt, bei dem das Licht der einzelnen Emitter nicht überlappt ist. Dieses Nahfeldbild wird durch weitere Kollimations- beziehungsweise Fokussierlinsen oder Feldlinsen in eine Arbeitsebene abgebildet. Diese Arbeitsebene kann beispielsweise die Modulationsebene eines Modulators für eine
Druckanwendung sein.
Als nachteilig bei einer Beleuchtungsvorrichtung und einer Abbildungsvorrichtung gemäß dem vorgenannten Stand der Technik erweist sich, dass in der Regel die einzelnen Emitter eines
Laserdiodenbarrens miteinander korreliert sind, so dass sehr häufig jeder der Emitter eine Intensitätsverteilung des emittierten Lichtes aufweist, die insbesondere in Richtung der Slow-Axis nicht eben ist. Ein Beispiel für derartige miteinander korrelierte Emitter ist aus Fig. 5a ersichtlich, in der beispielhaft die Intensitätsverteilung 14 zweier
Emitter hinsichtlich der Ausbreitung der Emitter in der Slow-Axis- Richtung, die in Fig. 5a mit X bezeichnet ist, abgebildet ist. Wenn über entsprechende als Feldlinsen ausgebildete Fokussierlinsen das Licht der einzelnen Emitter in der Arbeitsebene überlagert wird, entsteht eine Gesamtintensitätsverteilung 15, die aus Fig. 5b ersichtlich ist. Bei dieser Gesamtintensitätsverteilung 15 addieren sich die Intensitätsverteilungen 14 der einzelnen Emitter, so dass sich beispielsweise in Fig. 5b eine Gesamtintensitätsverteilung 15 ergibt, die auf ihrer linken Seite eine deutlich größere Intensität aufweist als auf ihrer rechten Seite. Beispielsweise für die Druckindustrie ist eine solche Intensitätsverteilung kaum akzeptabel, weil zumeist eine rechteckförmige Intensitätsverteilung benötigt wird. Aus der internationalen Patentanmeldung WO 03/00051 03 A1 ist eine Anordnung zur Abbildung des von einem Laserdiodenbarren ausgehenden Lichts auf eine Brennebene bekannt, die zumindest teilweise das vorgenannte Problem löst. Bei dieser Anordnung ist zwischen der Fast-Axis-Kollimationslinse und dem zur Slow-Axis- Kollimierung dienenden Linsenarray oder anstelle der Fast-Axis- Kollimationslinse ein kammförmiges Wellenleitermittel eingefügt, das eine Mehrzahl von Wellenleitern aufweist. Dabei ist ein jeder dieser Wellenleiter jeweils einem der Emitter zugeordnet. I n einem jeden der
Wellenleiter wird das Licht eines einzelnen der Emitter derart häufig hin und her reflektiert, dass es zumindest teilweise homogenisiert wird. Durch diese Homogenisierung kann die I ntensitätsverteilung 14 eines jeden der Emitter teilweise begradigt werden, so dass bei der Überlagerung der I ntensitätsverteilung der einzelnen Emitter letztlich eine Intensitätsverteilung entsteht, die eine rechteckigere Form als der Stand der Technik aufweist. Als nachteilig bei der Ausfϋhrungsform gemäß der vorgenannten internationalen Patentanmeldung erweist sich insbesondere, dass eine Vielzahl von optischen Komponenten verwendet wird, die die
Beleuchtungsvorrichtung zum Einen kostenaufwendig in ihrer Herstellung und zum Anderen weniger effektiv gestalten, weil durch die Vielzahl der optischen Komponenten größere Verluste auftreten.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die
Schaffung einer Abbildungsvorrichtung und einer Beleuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Art, die einfacher aufgebaut sind und eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung des Lichtes in der Arbeitsebene zur Verfügung stellen.
Dies wird hinsichtlich der Abbildungsvorrichtung durch eine Abbildungsvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Beleuchtungsvorrichtung durch eine Beleuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13 erzielt. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Abbildungsvorrichtung Lichtleitmittel umfasst, die eine Eintrittsfläche für aus den Kollimationsmitteln austretendes Licht und eine Austrittsfläche aufweisen, aus der Licht zu den Fokussiermitteln austreten kann, wobei die Abbildungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass in die Eintrittsfläche Licht aus mindestens zwei der Emitter eintreten kann. Vorzugsweise sind die Lichtleitmittel dabei derart gestaltet, dass das Licht aus den mindestens zwei Emittern innerhalb der Lichtleitmittel zumindest teilweise gemischt werden kann. Insbesondere findet dabei die Mischung des Lichtes der mindestens zwei Emitter innerhalb der Lichtleitmittel nur in einer zu der Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtung statt. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Slow-Axis- Richtung handeln. Vorzugsweise ist die Abbildungsvorrichtung derart gestaltet, dass Licht aus im Wesentlichen sämtlichen der Emitter der
Halbleiterlasereinheit in die Eintrittsfläche der Lichtleitmittel eintreten kann. Erfindungsgemäß kann erreicht werden, dass in den Lichtleitmitteln nicht nur das Licht eines einzelnen Emitters mit sich selbst überlagert und unter Umständen homogenisiert wird, sondern dass das Licht zweier oder mehrerer, insbesondere sämtlicher Emitter überlagert oder gemischt wird. Auf diese Weise ergibt sich zum Einen eine deutlich effektivere Überlagerung als bei dem aus der vorgenannten internationalen Patentanmeldung bekannten Stand der Technik. Zum Anderen können deutlich weniger Teile eingesetzt werden, weil insbesondere bei einer Überlagerung sämtlicher Emitter die Linsenarrays entfallen können, die einem jeden der Emitter eine einzelne Zylinderlinse zuordnen. I nsbesondere die Linsenarrays tragen erheblich zu den Fertigungskosten einer Abbildungsvorrichtung der eingangs genannten Art bei.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind die Lichtleitmittel als zumindest teilweise transparente planparallele Platte ausgeführt, die sich im Wesentlichen in Ausbreitungsrichtung des Lichtes erstreckt. Dabei kann die Ausdehnung der Eintrittsfläche in einer ersten Richtung kleiner sein als in einer dazu senkrechten zweiten Richtung. I nsbesondere kann die Ausdehnung der Eintrittsfläche in der Slow-Axis-Richtung deutlich kleiner sein als in der Fast-Axis-Richtung. Durch eine sehr kleine Ausdehnung des Lichtleitmittels in der Slow-Axis-Richtung wird die Anzahl der Reflektionen hinsichtlich des Slow-Axis-Anteils des Lichts deutlich erhöht, so dass eine deutlich größere Vermischung des Slow-
Axis-Anteils stattfindet. Unter Umständen muss dann, wenn das Licht sämtlicher Emitter in die Eintrittsfläche eintreten soll, eine Fokussierlinse hinsichtlich des Slow-Axis-Anteils vor der Eintrittsfläche vorgesehen sein, um das Licht sämtlicher Emitter in die in Slow-Axis-Richtung vergleichsweise schmale Eintrittsfläche einzukoppeln.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Lichtleitmittel als sich im Wesentlichen in Ausbreitungsrichtung des Lichtes erstreckender zumindest teilweise transparenter Körper ausgebildet, der in Ausbreitungsrichtung in der Mitte eine geringere Ausdehnung in einer zu der Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtung aufweist als auf seiner der Halbleiterlasereinheit zugewandten Seite. Insbesondere kann der Körper eine in Slow-Axis-Richtung vergleichsweise breite
Eintrittsfläche aufweisen, in die das Licht sämtlicher Emitter ohne zusätzliche Fokussierungslinsen eingekoppelt werden kann. Anschließend an die Eintrittsfläche verjüngt sich der Körper jedoch in Slow-Axis-Richtung, bis er eine sehr geringe Dicke in Slow-Axis- Richtung einnimmt. Durch diese Verjüngung wird wiederum die Anzahl der Reflektionen des Slow-Axis-Anteils deutlich erhöht, so dass eine gute Durchmischung des Slow-Axis-Anteils stattfindet.
Vorzugsweise weist der Körper des Lichtleitmittels auf seiner von der Halbleiterlasereinheit abgewandten Austrittsseite eine größere Ausdehnung in einer zu der Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtung auf als in seiner Mitte. Durch diese an die schmale Mitte sich anschließende Verbreiterung des Körpers wird erreicht, dass das aus der Austrittsfläche austretende Licht bereits teilweise kollimiert ist und nicht durch zusätzliche Kollimationslinsen hindurchgeführt werden muss, bevor es von den Fokussierungsmitteln in die Arbeitsebene abgebildet werden kann. Auf diese Weise werden weitere Bauteile gespart, so dass die Abbildungsvorrichtung mit einer minimalen Anzahl von optischen Elementen auskommt. Dadurch können die Verluste innerhalb der Abbildungsvorrichtung minimiert werden. Weiterhin können die Herstellungskosten reduziert werden.
Bei beiden Ausführungsformen der Lichtleitmittel kann vorgesehen sein, dass der Fast-Axis-Anteil des Lichtes durch die Lichtleitmittel weitestgehend ungehindert hindurchtreten kann, so dass die Kollimierung des Fast-Axis-Anteils im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass die Eintrittsfläche und/oder die Seitenflächen und/oder die Austrittsfläche der Lichtleitmittel strukturiert sind. Diese Strukturierung der Eintrittsfläche und/oder der Seitenflächen und/oder der Austrittsfläche kann vorzugsweise durch Aufrauung, insbesondere durch gezielte Aufrauung realisiert werden. Durch eine derartige Strukturierung kann diθ Durchmischung verbessert werden, weil insbesondere eine vergleichsweise willkürliche oder chaotische Reflektion oder Transmission an den entsprechenden Flächen stattfindet.
Wie bei dem Stand der Technik können die Kollimationsmittel als
Fast-Axis-Kollimationslinse ausgebildet sein. Ebenso können ähnlich dem Stand der Technik die Fokussiermittel eine erste Fokussierlinse und eine zweite Fokussierlinse umfassen, die insbesondere als Feldlinse dienen können.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 13 ist gekennzeichnet durch eine erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung.
Es besteht insbesondere die Möglichkeit, dass bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung die Halbleiterlasereinheit und die Abbildungsvorrichtung auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Auf diese Weise können Halbleiterlasereinheit und Abbildungsvorrichtung werkseitig fest vormontiert werden.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung kann wie der Stand der Technik eine Halbleiterlasereinheit mit einem Laserdiodenbarren umfassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung;
Fig. 2 eine Ansicht gemäß dem Pfeil I l in Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Ansicht gemäß dem Pfeil I I I in Fig. 1 ;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungsvorrichtung mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung;
Fig. 5a schematisch die Intensitätsverteilung einzelner Emitter eines Laserdiodenbarrens;
Fig. 5b schematisch die Überlagerung der Intensitätsverteilungen gemäß Fig. 5a;
Fig. 5c schematisch die Gesamtintensitätsverteilung, die mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung erzielbar ist.
I n Fig. 1 bis Fig. 4 sind zur besseren Übersichtlichkeit kartesische
Koordinatensysteme eingezeichnet. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung eine Halbleiterlasereinheit 1 und eine Abbildungsvorrichtung 2 umfasst, die auf einem gemeinsamen Träger 3 angeordnet sind. Die Halbleiterlasereinheit 1 umfasst in dem abgebildeten Ausfϋhrungsbeispiel einen Laserdiodenbarren 4 und entsprechende Kühlkörper 5. Ein Laserdiodenbarren weist in der Regel in einer Richtung , in dem abgebildeten Ausführungsrichtung in X-Richtung, nebeneinander angeordnete Emitter auf. Weiterhin weist ein Laserdiodenbarren in der X-Richtung, in der die Emitter nebeneinander angeordnet sind eine kleinere Divergenz auf als in der dazu senkrechten Y-Richtung. Aus diesem Grunde wird die Y- Richtung die Fast-Axis und die X-Richtung die Slow-Axis genannt.
Von dem Laserdiodenbarren 4 geht das Licht in Fig. 1 im Wesentlichen in positiver Z-Richtung aus. Die Abbildungsvorrichtung
2 weist auf ihrer dem Laserdiodenbarren 4 zugewandten Seite ein Kollimationsmittel 6 auf, das als Fast-Axis-Kollimationslinse ausgebildet ist. Die Fast-Axis-Kollimationslinse ist im Wesentlichen eine Zylinderlinse mit Zylinderachse in X-Richtung. Das Kollimationsmittel 6 kollimiert die aus dem Laserdiodenbarren 4 austretende Laserstrahlung in Y-Richtung.
An die Fast-Axis-Kollimationslinse schließt sich in positiver Z- Richtung einer weitere Zylinderlinse 7 an, deren Zylinderachse sich in Y-Richtung erstreckt. Die Zylinderlinse 7 dient der Fokussierung des aus dem Kollimationsmittel 6 austretenden Lichtes auf die Eintrittsfläche eines in positiver Z-Richtung hinter der Zylinderlinse 7 angeordneten Lichtleitmittels 8. Das Lichtleitmittel 8 ist in dem in den Fig. 1 bis Fig. 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel als vergleichsweise dünne, planparallele Platte aus einem zumindest teilweise transparenten Material ausgebildet, die sich im Wesentlichen in Z- Richtung erstreckt. Dabei ist die Abmessung des Lichtleitmittels 8 in X-Richtung deutlich kleiner als in Y-Richtung und in Z-Richtung. Die Zylinderlinse 7 und das Lichtleitmittel 8 sind insbesondere derart angeordnet, dass Licht aus mehreren Emittern des Laserdiodenbarrens 4, insbesondere das Licht aus sämtlichen Emittern des Laserdiodenbarrens 4 in die Eintrittsfläche, das heißt die in Fig. 1 der Zylinderlinse 7 zugewandten Seite des Lichtleitmittels 8 eintritt. Das Licht aus den Emittern des Laserdiodenbarrens 4 wird in Z-Richtung innerhalb des Lichtleitmittels weitergeleitet, wobei insbesondere das Austreten aus den Seitenflächen aufgrund von Totalrefflektion weitestgehend verhindert wird, so dass das in das
Lichtleitmittel 8 eingetretene Licht dieses an dem in Fig. 1 rechten stirnseitigen Ende in positiver Z-Richtung verlässt.
Hinter dem Lichtleitmittel 8 ist in positiver Z-Richtung eine weitere Zylinderlinse 9 angeordnet, die das aus dem Lichtleitmittel 8 austretende Licht in X-Richtung zumindest teilweise kollimiert. Die Zylinderachse der Zylinderlinse 9 erstreckt sich in Y-Richtung.
In positiver Z-Richtung hinter der Zylinderlinse 9 umfasst die Abbildungsvorrichtung 2 zwei Fokussierlinsen 10, 1 1 , die das Licht in eine nicht dargestellte Arbeitsebene fokussieren beziehungsweise abbilden können. Die erste Fokussierungslinse 10 ist dabei als Zylinderlinse mit Zylinderachse in Y-Richtung ausgebildet. Die zweite Fokussierungslinse 1 1 ist dabei als sphärische Linse ausgebildet. Es besteht durchaus die Möglichkeit, die Fokussierungslinsen 10, 1 1 anders zu gestalten, beispielsweise in einer einzigen Linse zusammen zu fassen. Weiterhin kann anstelle der sphärischen Fokussierungslinse 1 1 eine Zylinderlinse mit Zylinderachse in X- Richtung verwendet werden. Letztlich haben die Fokussierungslinsen 10, 1 1 zusammen mit der zur Kollimierung dienenden Zylinderlinse 9 die Aufgabe, das aus dem Lichtleitmittel 8 austretende Licht in einen bestimmten vorgegebenen Bereich der Arbeitsebene abzubilden. Durch das Lichtleitmittel 8 wird erreicht, dass das Licht, das von mehreren Emittern des Laserdiodenbarrens 4 ausgeht, innerhalb des Lichtleitmittels derart zufällig überlagert wird, dass in der Arbeitsebene eine Überlagerung des Lichtes der unterschiedlichen
Emitter des Laserdiodenbarrens 4 entsteht, die eine sehr gleichmäßige I ntensitätsverteilung über die ausgeleuchtete Fläche aufweist. Insbesondere ist das Lichtleitmittel 8 derart ausgebildet, dass der Fast-Axis-Anteil des von dem Laserdiodenbarren 4 ausgehenden Lichtes durch das Lichtleitmittel nicht beeinflusst wird, so dass nur in der Slow-Axis-Richtung eine Mischung, insbesondere eine willkürliche oder chaotische Mischung des Lichtes stattfindet.
I m Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem das von einzelnen Emittern ausgehende Licht derart überlagert wurde, dass beispielsweise bei allen Emittern auf der linken Seite vorhandene Intensitätsüberhöhungen (siehe Intensitätsverteilung 14 der einzelnen Emitter in Fig. 5a) bei der Überlagerung in der Arbeitsebene zu einer sehr nachteiligen Gesamtintensitätsüberhöhung (siehe Gesamtintensitätsverteilung 15 in Fig . 5b) auf der linken Seite führten, wird bei der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung 2 das von unterschiedlichen Emittern des Laserdiodenbarrens 4 ausgehende Licht derart willkürlich und chaotisch überlagert, dass auch dann, wenn beispielsweise sämtliche Emitter auf ihrer linken Seite eine I ntensitätsüberhöhung aufweisen, die in der Arbeitsebene stattfindende Überlagerung des Lichtes keine Intensitätsüberhöhung auf der linken Seite aufweist (siehe Gesamtintensitätsverteilung 16 nach Durchgang durch die erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung 2 in Fig. 5c).
Dieser willkürliche und chaotische Überlagerungseffekt kann insbesondere dadurch verstärkt werden, dass die Eintrittsfläche und/oder die Seitenflächen des Lichtleitmittels 8 gezielt aufgeraut werden. Beispielsweise kann eine Sinusstruktur aufgebracht werden, die Symmetrieachsen in Y-Richtung aufweist, so dass nur der Slow- Axis-Anteil des durch das Lichtleitmittel 8 hindurchtretenden Lichtes beeinflusst wird, nicht jedoch der Fast-Axis-Anteil.
Anstelle einer sinusähnlichen oder zylinderähnlichen Struktur kann auch eine zufällige, willkürliche Struktur aufgebracht werden.
Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die Austrittsfläche gezielt aufzurauen, um das Mischen oder Mixen des Slow-Axis-Anteils zu unterstützen.
Bei der aus Fig. 4 ersichtlichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung sind gleiche Teile mit ' gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Halbleiterlasereinheit 1 unterscheidet sich nicht von der Halbleiterlasereinheit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis Fig. 3. Die Abbildungsvorrichtung
12 erfüllt die gleiche Funktion wie die Abbildungsvorrichtung 2, weist aber weniger Bauteile auf. Hinter dem Kollimationsmittel 6, das dem
Kollimationsmittel 6 aus Fig. 1 bis Fig. 3 entspricht, ist keine weitere Zylinderlinse sondern direkt ein Lichtleitmittel 13 angeordnet, das eine andere Form aufweist als das Lichtleitmittel 8. Das Lichtleitmittel
13 weist an seinem in Z-Richtung vorderen und hinteren Ende eine größere Breite in X-Richtung auf als in seiner Mitte, wobei insbesondere die dem Laserdiodenbarren 4 zugewandte Eintrittsfläche in X-Richtung eine größere Ausdehnung aufweist als die der Arbeitsebene zugewandte Austrittsfläche. Insbesondere kann die Eintrittsfläche in X-Richtung etwa doppelt so breit sein wie die Austrittsfläche. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 weist die Abbildungsvorrichtung 12 ebenfalls keine zweite zur Kollimierung der Slow-Axis dienende hinter dem Lichtleitmittel 13 angeordnete Zylinderlinse auf. Vielmehr schließen sich in positiver Z-Richtung an die Austrittsfläche des Lichtleitmittels 13 die Fokussierungslinsen 10,
1 1 an, die die gleiche Funktion erfüllen wie die Fokussierungslinsen 10, 1 1 der Abbildungsvorrichtung 2 gemäß Fig. 1 bis Fig. 3.
Aufgrund der besonderen Geometrie des Lichtleitmittels 13 kann auf die Zylinderlinsen 7, 9 vor und hinter dem Lichtleitmittel 13 verzichtet werden. I nsbesondere ist die Eintrittsfläche des Lichtleitmittels 13 in X-Richtung so breit, dass das Licht mehrerer, insbesondere sämtlicher Emitter des Laserdiodenbarrens 4 in die Eintrittsfläche eintritt. Durch die Zusammenschnürung der Breite in X-Richtung des Lichtleitmittels 13 etwa im mittleren Bereich wird eine effektive
Mischung hinsichtlich des Slow-Axis-Anteils des Lichts erreicht. Durch die Aufweitung des Lichtleitmittels zur Austrittsseite hin ist das aus der Austrittfläche austretende Licht zumindest teilweise derart kollimiert, dass es von den entsprechend gestalteten Fokussierlinsen 1 0, 1 1 in die Arbeitsebene fokussiert beziehungsweise abgebildet werden kann. Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 setzt somit zwar einen höheren Fertigungsaufwand für das Lichtleitmittel 13 voraus, kommt aber insgesamt mit weniger Teilen aus, so dass die Abbildungsvorrichtung 12 geringere Verluste als die Abbildungsvorrichtung 2 aufweist.
Das Lichtleitmittel 13 kann ähnlich dem Lichtleitmittel 8 an der Eintrittsfläche und/oder an den Seitenflächen und/oder der Austrittsfläche strukturiert sein, um die Mischung des Lichtes hinsichtlich des Slow-Axis-Anteils zu unterstützen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Fokussierlinsen 10, 1 1 anders zu gestalten, beispielsweise in einer Linse zusammen zu fassen.

Claims

Patentansprüche:
1 . Abbildungsvorrichtung für die Abbildung des Lichtes einer Halbleiterlasereinheit ( 1 ) mit einer Mehrzahl von Emittern in eine Arbeitsebene, umfassend
- Kollimationsmittel (6) für die zumindest teilweise
Kollimierung des von der Halbleiterlasereinheit (1 ) ausgehenden Lichtes in zumindest einer, zur Ausbreitungsrichtung (Z) des Lichts im Wesentlichen senkrechten Richtung (Y);
- Fokussiermittel für die zumindest teilweise Fokussierung oder Abbildung des zumindest teilweise kollimierten Lichts in die Arbeitsebene;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abbildungsvorrichtung (2, 12) Lichtleitmittel (8, 13) umfasst, die eine Eintrittsfläche für aus den
Kollimationsmitteln (6) austretendes Licht und eine Austrittsfläche aufweisen, aus der Licht zu den Fokussiermitteln austreten kann, wobei die Abbildungsvorrichtung (2, 12) derart ausgebildet ist, dass in die Eintrittsfläche Licht aus mindestens zwei der Emitter eintreten kann.
2. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitmittel (8, 13) derart gestaltet sind, dass das Licht aus den mindestens zwei Emittern innerhalb der Lichtleitmittel (8, 13) zumindest teilweise gemischt werden kann.
3. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung des Lichtes der mindestens zwei Emitter innerhalb der Lichtleitmittel (8, 13) zumindest hinsichtlich einer zu der Ausbreitungsrichtung (Z) senkrechten Richtung (X) stattfinden kann.
4. Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsvorrichtung (2, 12) derart gestaltet ist, dass Licht aus im Wesentlichen sämtlichen der Emitter der Halbleiterlasereinheit (1 ) in die Eintrittsfläche der Lichtleitmittel (8, 13) eintreten kann.
5. Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitmittel (8) als zumindest teilweise transparente planparallele Platte ausgeführt sind, die sich im Wesentlichen in Ausbreitungsrichtung (Z) des Lichts erstreckt.
6. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Eintrittsfläche in einer ersten Richtung kleiner ist als in einer dazu senkrechten zweiten Richtung.
7. Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitmittel als sich im Wesentlichen in Ausbreitungsrichtung (Z) des Lichtes erstreckender zumindest teilweise transparenter Körper ausgebildet sind, der in Ausbreitungsrichtung (Z) in der Mitte eine geringere Ausdehnung in einer zu der Ausbreitungsrichtung
(Z) senkrechten Richtung (X) aufweist als auf seiner der Halbleiterlasereinheit (1 ) zugewandten Seite.
8. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des Lichtleitmittels ( 13) auf seiner von der Halbleiterlasereinheit (1 ) abgewandten Austrittsseite eine größere Ausdehnung in einer zu der Ausbreitungsrichtung (Z) senkrechten Richtung (X) aufweist als in seiner Mitte.
9. Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche und/oder die Seitenflächen und/oder die Austrittsfläche der Lichtleitmittel (8, 13) strukturiert sind.
10. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der Eintrittsfläche und/oder der Seitenflächen und/oder der Austrittsfläche durch Aufrauung, insbesondere gezielte Aufrauung realisiert ist.
1 1 . Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationsmittel (6) als Fast-Axis-Kollimationslinse ausgebildet sind.
12. Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiermittel eine erste Fokussierlinse (10) und eine zweite Fokussierlinse (1 1 ) umfassen.
1 3. Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung eines vorgebbaren Bereichs einer Arbeitsebene, umfassend eine Halbleiterlasereinheit ( 1 ) und eine Abbildungsvorrichtung (2, 12) zur Abbildung des Lichtes der Halbleiterlasereinheit ( 1 ) in eine
Arbeitsebene, gekennzeichnet durch eine Abbildungsvorrichtung (2, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlasereinheit (1 ) und die Abbildungsvorrichtung (2, 12) auf einem gemeinsamen Träger (3) angeordnet sind.
15. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlasereinheit (1 ) einen Laserdiodenbarren (4) umfasst.
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