WO2023111137A1 - Laservorrichtung - Google Patents

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WO2023111137A1
WO2023111137A1 PCT/EP2022/086071 EP2022086071W WO2023111137A1 WO 2023111137 A1 WO2023111137 A1 WO 2023111137A1 EP 2022086071 W EP2022086071 W EP 2022086071W WO 2023111137 A1 WO2023111137 A1 WO 2023111137A1
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optical
optics
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Holger Joachim MOENCH
Stephan Gronenborn
Samuel Freywald
Thomas Dietz
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Trumpf Photonic Components Gmbh
Ifm Electronic Gmbh
pmdtechnologies ag
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    • H01S2301/20—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian

Definitions

  • the present invention relates to a laser device having a semiconductor laser device.
  • VCSELs vertical cavity surface emitting lasers
  • the permitted laser power increases linearly with the parameter C6, which increases linearly with the mean edge length of the apparent source size alpha (see IEC 60825-1:2014, Section 4.3.
  • the laser source if it is in the range from 1.5mrad to 100mrad. Below 1.5mrad the laser is considered a point source and the allowed laser power no longer depends on the laser size. It is important here that without optics the emission surface on the semiconductor laser chip determines the apparent source size, but after a perfect diffusor the illuminated surface of this diffusor determines the source size. In order to increase laser safety, the emission area of the laser chip can be enlarged on the one hand, but also the illuminated area on the beam-shaping element on the other hand, if it fulfills the properties of the perfect diffuser.
  • the object of the invention is to create a laser device whose emitted laser light is within the limits of the laser safety regulations in terms of its power.
  • a laser device with a semiconductor laser component, which has a laser array that has a plurality of semiconductor lasers that emit laser light vertically, with an optics device that has at least a second optics element and a first optics element arranged between the second optics element and the laser array, along an optics axis are arranged, the optics device being provided for expanding the laser light emitted from the semiconductor lasers, for collimating the laser light and for shaping the beam profile of the collimated laser light.
  • the laser light propagates along the optical axis.
  • the optical axis can coincide with an axis of symmetry of the laser array and/or the optical axes of the optical elements.
  • the individual semiconductor lasers each emit their own laser light, which is superimposed at the latest after it has passed through all the optical elements and, in particular in the far field, has a homogeneous light intensity running transversely to the optical axis.
  • the shaping of the laser light by the optics device can be achieved by a scattering effect and/or by superimposition of laser light from different semiconductor lasers of the laser array, for example by refraction on a lens array or diffraction on a diffractive optical element.
  • Each solid angle area of the shaped laser light is illuminated from many distributed areas within the illuminated area of the optics that shapes the beam, and the conditions of the standard IEC 60825-1:20144.3.d are met for all solid angles and the entire illuminated area and all sub-areas. In the preferred form, the entire illuminated area illuminates every solid angle of the shaped laser light (perfect diffuser).
  • the size of the source that emits the laser light to comply with laser safety regulations can be increased regardless of the actual size of the laser array.
  • the size of the optical elements can be used to comply with the limit values of the laser safety regulations instead of enlarging the laser array.
  • the effective emission area is determined by the outermost optical element with respect to the optical axis, through which the laser light passes last and is evaluated as a new apparent source according to IEC 60825-2:2014 according to the description given above.
  • such laser devices can be used to illuminate a rectangular field of view of a camera with laser light.
  • Laser light is particularly preferred, which emanates from at least two locations of an illuminated area, which is generated by the laser light on an optical element of the optical device provided for shaping, and is directed onto at least one solid angle area of an area illuminated outside of the optical device, so that the conditions of the IEC standard are met 60825-1:20144.3.d is fulfilled for all solid angles.
  • a number of locations on the illuminated surface can illuminate a location specified by the solid angle.
  • the first optics element can be a diffusing lens that completely covers the entire laser array of the semiconductor component with respect to the optics axis of the laser light. This ensures a particularly efficient use of all of the emitted laser light.
  • the first optical element expands the laser light in such a way that a half-power angle of the laser light of all the semiconductor lasers is more than 10°. In this case, a divergence of the laser light that goes beyond the original divergence of the laser light generated by the structure of the semiconductor laser without optical elements is made possible.
  • the first optical element is preferably formed in one piece with the semiconductor component.
  • a highly integrated construction of the laser device can thereby be achieved.
  • the first optical element is made of the same material as Sections of the semiconductor device are made.
  • the material of a mirror section or the material of the semiconductor substrate can serve as the basis for the first optical element.
  • the first optical element can have a lens array of refractive lenses, each of which has an axis of symmetry that is offset relative to the normal axes of the semiconductor lasers, the axes of symmetry and the normal axes being aligned parallel to the optical axis.
  • the normal axes are arranged centrally on an emission region of each semiconductor laser, the normal axes being aligned perpendicularly to a surface of the respective semiconductor laser in which the emission region is formed.
  • the laser light propagates along the emission area, with a respective light cone preferably being formed symmetrically about the normal axis.
  • the second optics element is a converging lens that generates a half-power angle of the laser light of at most 10°. This enables the laser light to be collimated, with the collimated laser light diverging by at most 10°.
  • the input divergence into the optical element which is intended to shape the beam in accordance with the field of view of the camera, is as small as possible. This minimizes or avoids smearing of the desired profile and increases the intensity density in the camera field of view.
  • the second optical element is particularly preferred to design the second optical element as a Fresnel lens, a diffractive optical element and/or an optical element containing optical metamaterial.
  • the second optical element may have an element portion for collimating and an element portion for shaping the laser light on a common side.
  • the second optical element can have an element section for collimating on a first side and an element section for shaping the laser light on a second side, or can have the second optical element. This achieves a high level of functional integration in the second optical element.
  • the optics device has a third optics element which is provided for shaping the collimated laser light, with the second optics element preferably only being provided for collimating the laser light.
  • the third optics element which is provided for shaping the collimated laser light
  • the second optics element preferably only being provided for collimating the laser light.
  • the third optical element shapes the laser light in such a way that it has a rectangular cross-section aligned transversely to the optical axis. As a result, a rectangular field of view of the camera can be illuminated in a conformal manner.
  • the third optical element can have a lens array, at least one diffractive optical element and/or an optical element containing optical metamaterial.
  • the laser light emerging from the optics device has a cross section aligned perpendicularly to the optics axis, which has a side length that is two to five times larger than the laser array at a distance of at least one millimeter. This creates a particularly safe laser device.
  • FIG. 1 shows a laser device with an optical device having three optical elements
  • FIG. 2 shows a laser device with an optical device having a Fresnel lens
  • FIG. 3 shows a laser device with an optical device having two optical elements.
  • a laser device 10 which has a semiconductor laser component 12 are shown in FIGS.
  • the semiconductor laser component 12 has a laser array 14 which has a plurality of semiconductor lasers 18 emitting a laser light 16 vertically.
  • the laser array 14 is arranged on a side of the semiconductor laser component 12 that faces an optical device 19 .
  • the semiconductor lasers 18 are preferably arranged along a plane.
  • the semiconductor lasers are surface-emitting VCSELs (vertical cavity surface-emitting lasers) that have a layered structure.
  • the optical axis 24 is aligned perpendicular to the layers on which the layer structure is based.
  • the laser light 16 emerging from the semiconductor lasers 18 diverges in the far field at a full angle of approximately 10° to 20°, determined using the method of the second moment of the intensity distribution.
  • the optics device 19 has optics elements 21 , 22 , 23 which are arranged along an optics axis 24 .
  • the optical axis 24 is aligned perpendicular to the plane of the laser array 14 .
  • the laser light 16 propagates along the optical axis 24.
  • the optical axis 24 runs centrally through the laser array 14 and can coincide with an axis of symmetry of the laser array 14 and/or the optical axes of the optical elements 21, 22, 23.
  • the laser light 16 is superimposed at the latest after it has passed through all optical elements 21, 22, 23 in order to obtain a homogeneous light intensity running transversely to the optical axis 21, 22, 23 in the far field.
  • the laser light 16 which emerges from the optics device 19 has a cross section which is aligned perpendicularly to the optics axis 24 and which can in particular be rectangular.
  • the laser device 10 can be provided in particular for camera applications, in which case the field of view of a camera can be illuminated by the laser light 16 .
  • the cross section through the emitted laser light 16 in the beam-shaping optical element that generates the new apparent source has a side length that is two to five times greater than that of the laser array.
  • a laser device 10 is shown in FIG. 1, the optical device 19 of which has a first, a second and a third optical element 21, 22, 23.
  • the first optics element 21 is provided for expanding the laser light 16 emitted from the semiconductor lasers 16, the first optics element 21 being embodied purely by way of example as a refractive scattering lens.
  • a concave surface of the diffusing lens can dem Laser array 14 facing.
  • the first optical element 21 covers the entire laser array 14. In particular, the concave surface completely covers the entire laser array 14 of the semiconductor component 12, so that the entire emitted laser light 16 is expanded by the diffusing lens.
  • the first optics element 21 widens the laser light 16 to an angle that is greater than the divergence of the lasers. As a result, the cross section of the entire laser light 16 can be enlarged after a shorter distance than would be possible without the first optical element 21 .
  • the second optics element 22 is provided for collimating the laser light 16 that was expanded by the first optics element 21 .
  • the first optics element 21 is arranged between the laser array 14 and the second optics element 22 .
  • the second optical element 22 is a converging lens.
  • the converging lens produces a half power angle of the laser light 16 of at most 10°, which approximately represents the original angle of divergence of the laser light 16 that has not been changed by optical elements.
  • the divergence after the second optics element 22 is preferably significantly smaller than the original divergence of the laser 14, so that the third optics element 23 can shape the beam better and the final beam profile is less smeared out by different entry angles into the optics 23.
  • the third optics element 23 is provided for shaping the laser light 16 .
  • the beam profile of the laser light 16 can be homogenized by a scattering effect as in the case of a diffuser when passing through the third optical element 23 .
  • the third optical element 23 has a lens array made up of refractive lenses.
  • each of the individual lenses of the lens array illuminates the entire camera field of view or at least a large part of it, so that each area of the camera field of view is illuminated from many points within the illuminated area of the optics 23 and thus represents a new apparent source according to IEC 60825-1:2014 .
  • the third optical element 23 preferably shapes the laser light 16 in such a way that it has a rectangular cross-section aligned transversely to the optical axis 24 .
  • the cross-section can be square or have sides of different lengths.
  • the half-power angle may be approximately 45° along a first direction and approximately 70° along a second direction. It is important for the improvement of the laser safety that the optical element 23 transmits the laser light at many angles of the desired beam profile in the far field different points within the illuminated cross-section in the optical element 23 deflects. In the ideal case, the entire illuminated area in element 23 shines in every angular range of the desired beam profile, as outlined in FIG.
  • Each of the three laser beams from the three lasers shown is broken down (scattered, diffracted or refracted) into many partial beams in element 23 .
  • a surface 34 illuminated on the third optical element 23 has a side length that is two to five times greater than that of the laser array 14 .
  • the illuminated area 34 represents the relevant area for compliance with the laser safety regulations.
  • the illuminated area 34 is the area on the third optical element 23 on which the laser light 16 impinges after it has passed through the upstream optical elements 21, 22.
  • the third optical element 23 can be designed as a lens array. In this case, a plurality of refractive lenses is arranged on one side of the third optical element 23 .
  • FIG. 2 shows a laser device 10 which has a first optical element 21 which is formed in one piece with the semiconductor component 12 .
  • the first optical element 21 can be a refractive lens, a diffractive element and/or an optical element containing optical metamaterial.
  • the first optical element 21 can be formed from a semiconductor material. Alternatively or additionally, additional dielectric and/or transparent materials can also be used for the first optics element 21 .
  • the second optics element 22 is designed as a Fresnel lens, for example, which collimates the laser light 16 .
  • FIG. 3 shows a laser device which has an optics device 19 which contains only a first and a second optics element 21 , 22 .
  • the first optics element 21 has a lens array 30 composed of refractive lenses, each of the lenses being assigned to an individual semiconductor laser 14 .
  • the lenses shown in FIG. 3 have axes of symmetry 26 which are offset relative to normal axes 28 of the individual semiconductor lasers 18 .
  • the normal axes 28 are in the middle of a Emission region of the respective semiconductor laser 18 arranged.
  • the laser light 16 is emitted from the emission area, with the emission area facing the optics device 19 .
  • the axes of symmetry 26 and the normal axes 28 are aligned parallel to the optical axis 24 .
  • the laser light 16 propagates along the normal axis 28 out of the emission area, with a respective light cone forming symmetrically around the normal axis 28 .
  • the normal axes 28 are aligned perpendicular to a respective surface of the semiconductor laser 18 .
  • the second optical element 22 has a first side 31 facing the semiconductor component 12 and a second side 32 facing away from the semiconductor component 32 .
  • the second optical element 22 has an element section for collimating on the first side and an element section for shaping the laser light on the second side 32 .
  • the element sections on the first and the second side 31, 32 can be designed in the same way as the optical elements 21, 22, 23 of the previous exemplary embodiments.
  • Each of the optical elements 21, 22, 23 described can have diffractive optical elements and/or optical elements containing an optical metamaterial.
  • the lens arrays of the first, the second and/or the third optical element 21, 22, 23 can have lenses, the distances between the axes of symmetry of adjacent lenses being the same.

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Abstract

Laservorrichtung (10) mit einem Halbleiterlaserbauteil (12), das ein Laserarray (14) aufweist, das mehrere ein Laserlicht (16) vertikal emittierende Halbleiterlaser (13) aufweist, mit einer Optikeinrichtung (19), die mindestens ein zweites und ein zwischen dem zweiten Optikelement (22) und dem Laserarray (14) angeordnetes erstes Optikelement (21) aufweist, die entlang einer Optikachse (24) angeordnet sind, wobei die Optikeinrichtung (19) zum Aufweiten des aus den Halbleiterlasern (18) emittierten Laserlichts (16), zum Kollimieren des durch das erste Optikelement (21) aufgeweiteten Laserlichts (16) und zum Formen des Strahlprofils des kollimierten Laserlichts (16) vorgesehen ist.

Description

Laservorrichtunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einem Halbleiterlaserbauteil.
Durch die in den letzten Jahren stattgefundene Steigerung der Leistungsdichten bei vertikal emittierenden Halbleiterlasern, sogenannten VCSELn (vertical cavity surface emitting laser), ist es möglich, Laserlicht mit einer maximalen Leistung aus einem Chip zu emittieren, die an die Grenzen der Lasersicherheit stoßen. Dabei ist für die Lasersicherheit für Laser im Bereich des sichtbaren und nah-infraroten Spektrums (400nm bis 1050nm) dass die Größe der scheinbaren Quelle wichtig, wenn die Laserquelle eine ausgedehnte Quelle ist (siehe IEC 60825-1 :2014 Abschnitt 4.3.d). Die erlaubte Laserleistung erhöht sich linear mit dem Parameter C6 welcher linear mit der gemittelten Kantenlänge der scheinbaren Quellengröße alpha (siehe IEC 60825-1:2014, Abschnitt 4.3. d) der Laserquelle steigt, wenn diese im Bereich von 1.5mrad bis 100mrad liegt. Unterhalb von 1.5mrad wird der Laser als Punktquelle betrachtet und die erlaubte Laserleistung hängt nicht mehr von der Lasergröße ab. Wichtig ist hierbei das ohne Optik die Emissionsfläche auf dem Halbleiterlaserchip die scheinbare Quellengröße bestimmt, nach einem perfekten Diffusor jedoch die beleuchte Fläche dieses Diffusors die Quellengröße bestimmt. Zur Erhöhung der Lasersicherheit kann also einerseits die Emissionsfläche des Laserchips vergrößert werden, andererseits aber auch die ausgeleuchtete Fläche auf dem strahlformenden Element, wenn es die Eigenschaften des perfekten Diffusors erfüllt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laservorrichtung zu schaffen, deren emittiertes Laserlicht hinsichtlich seiner Leistung innerhalb der Grenzen der Lasersicherheitsregularien liegt.
Hierzu wird vorgeschlagen, eine Laservorrichtung mit einem Halbleiterlaserbauteil, das ein Laserarray aufweist, das mehrere ein Laserlicht vertikal emittierende Halbleiterlaser aufweist, mit einer Optikeinrichtung, die mindestens ein zweites und ein zwischen dem zweiten Optikelement und dem Laserarray angeordnetes erstes Optikelement aufweist, die entlang einer Optikachse angeordnet sind, wobei die Optikeinrichtung zum Aufweiten des aus den Halbleiterlasern emittierten Laserlichts, zum Kollimieren des Laserlichts und zum Formen des Strahlprofils des kollimierten Laserlichts vorgesehen ist.
Das Laserlicht propagiert entlang der Optikachse. Die Optikachse kann mit einer Symmetrieachse des Laserarrays und/oder den optischen Achsen der Optikelemente zusammenfallen. Die einzelnen Halbleiterlaser emittieren jeweils eigenes Laserlicht, welches sich spätestens nach dem Durchtritt aller Optikelemente überlagert und insbesondere im Fernfeld eine quer zur Optikachse verlaufende homogene Lichtintensität aufweist. Das Formen des Laserlichts durch die Optikeinrichtung kann durch einen Streueffekt und/oder durch eine Überlagerung von Laserlicht unterschiedlicher Halbleiterlaser des Laserarrays z.B. durch Brechung an einem Linsenarray oder Beugung an einem diffraktiven optischen Elements erreicht werden. Hierbei wird jeder Raumwinkelbereich des geformten Laserlichts aus vielen verteilten Bereichen innerhalb des ausgeleuchteten Bereichs der Optik, die den Strahl formt, beleuchtet und die Bedingungen der Norm IEC 60825-1 :20144.3.d für alle Raumwinkel und die gesamte ausgeleuchtete Fläche und alle Teilbereiche erfüllt. In der bevorzugten Form beleuchtet die gesamte ausgeleuchtete Fläche jeden Raumwinkel des geformten Laserlichts (perfekter Diffusor). Durch die Verwendung der Optikeinrichtung kann die Größe der Quelle, die das Laserlicht im Sinne der Lasersicherheitsregularien ausstößt, unabhängig von der tatsächlichen Größe des Laserarrays vergrößert werden. Dabei kann die Größe der Optikelemente zur Einhaltung der Grenzwerte der Lasersicherheitsregularien herangezogen werden, anstatt das Laserarray zu vergrößern. Dies ist möglich, da die effektive Emissionsfläche durch das bezüglich der Optikachse äußerste Optikelement vorgegeben ist, durch das das Laserlicht als letztes durchtritt und entsprechend der oben aufgeführten Beschreibung als neue scheinbare Quelle gemäß IEC 60825-2:2014 gewertet wird. Schließlich kann durch die Verwendung der drei Optikelemente eine sichere, von der temperaturbedingten Leistungsbeschränkung entkoppelte Einhaltung der Lasersicherheitsregularien gewährleistet werden.
Insbesondere können solche Laservorrichtungen verwendet werden, um ein rechteckiges Sichtfeld einer Kamera mit Laserlicht auszuleuchten.
Weitere beispielhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Besonders bevorzugt ist es Laserlicht, das von mindestens zwei Orten einer ausgeleuchteten Fläche ausgeht, die durch das Laserlicht an einem zum Formen vorgesehenen Optikelement der Optikeinrichtung erzeugt ist, auf mindestens einen Raumwinkelbereich eines außerhalb der Optikeinrichtung beleuchteten Bereichs gelenkt ist, sodass die Bedingungen der Norm IEC 60825-1 :20144.3.d für alle Raumwinkel erfüllt ist. Hierbei können mehrere Orte der ausgeleuchteten Fläche einen durch den Raumwinkel vorgegebenen Ort beleuchten.
Vorteilhafterweise kann das erste Optikelement eine Streulinse sein, die bezüglich der Optikachse des Laserlichts das gesamte Laserarray des Halbleiterbauteils vollständig bedeckt. Hierdurch wird eine besonders effiziente Ausnutzung des gesamten emittierten Laserlichts gewährleistet.
Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehene, dass das erste Optikelement das Laserlicht derart aufweitet, dass ein Halbwertswinkel des Laserlichts aller Halbleiterlaser mehr als 10° beträgt. Dabei wird eine über die durch den Aufbau des Halbleiterlasers ohne Optikelemente erzeugte ursprüngliche Divergenz des Laserlichts gehende Divergenz des Laserlichts ermöglicht.
Vorzugsweise ist das erste Optikelement einstückig mit dem Halbleiterbauteil ausgebildet.
Hierdurch kann ein hochintegrierter Aufbau der Laservorrichtung erlangt werden.
Insbesondere ist dies der Fall, wenn das erste Optikelement aus dem gleichen Material wie Abschnitte des Halbleiterbauteils gefertigt sind. Beispielsweise kann das Material eines Spiegelabschnitts oder das Material des Halbleitersubstrates als Grundlage für das erste Optikelement dienen.
Insbesondere kann das erste Optikelement ein Linsenarray aus refraktiven Linsen aufweisen, die jeweils eine Symmetrieachse aufweisen, die gegenüber Normalachsen der Halbleiterlaser versetzt sind, wobei die Symmetrieachsen und die Normalachsen parallel zur Optikachse ausgerichtet sind. Die Normalachsen sind mittig an einem Emissionsbereich des jeweiligen Halbleiterlasers angeordnet, wobei die Normalachsen zu einer Oberfläche des jeweiligen Halbleiterlasers senkrecht ausgerichtet sind, in der Emissionsbereich ausgebildet ist. Das Laserlicht propagiert entlang des Emissionsbereichs, wobei sich vorzugsweise ein jeweiliger Lichtkegel symmetrisch um die Normalachse ausbildet.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das zweite Optikelement eine Sammellinse ist, die einen Halbwertswinkel des Laserlichts von höchsten 10° erzeugt. Hierdurch wird eine Kollimation des Laserlichts ermöglicht, wobei das kollimierte Laserlicht höchstens um 10° divergiert. Zum Ausleuchten eines Sichtfeldes einer Kamera ist es von Vorteil, wenn die Eingangsdivergenz in das Optikelement, welches den Strahl gemäß dem Sichtfeld der Kamera formen soll, möglichst klein ist. Dadurch wird eine Ausschmierung des gewünschten Profils minimiert oder vermieden und die Intensitätsdichte im Kamerasichtfeld erhöht.
Besonders bevorzugt ist es, das zweite Optikelement als eine Fresnellinse, ein diffraktives Optikelement und/oder ein optisches Metamaterial beinhaltendes Optikelement auszuführen.
Das zweite Optikelement kann einen Elementabschnitt zum Kollimieren und einen Elementabschnitt zum Formen des Laserlichts auf einer gemeinsamen Seite aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann das zweite Optikelement auf einer ersten Seite einen Elementabschnitt zum Kollimieren und auf einer zweiten Seite einen Elementabschnitt zum Formen des Laserlichts aufweist oder das zweite Optikelement aufweisen. Hierdurch wird eine hohe Funktionsintegration in das zweite Optikelement erreicht.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Optikvorrichtung ein drittes Optikelement aufweist, das zum Formen des kollimierten Laserlichts vorgesehen ist, wobei das zweite Optikelement vorzugsweise nur zum Kollimieren des Laserlichts vorgesehen ist. Hierdurch können einzelne Optikelemente verwendet werden, die einfach und präzise hergestellt werden. Es ist von Vorteil, wenn eine am dritten Optikelement ausgeleuchtete Fläche eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlangen als das Laserarray aufweist. Die am dritten Optikelement ausgeleuchtete Fläche stellt die effektive Quelle dar, die maßgeblich für die Einhaltung der Laserlichtregularien ist.
Damit eine effiziente Anwendung der Laservorrichtung im Bereich der Kameraanwendungen möglich ist, formt das dritte Optikelement das Laserlicht derart, dass es einen quer zur Optikachse ausgerichteten rechteckigen Querschnitt aufweist. Hierdurch kann ein rechteckiges Sichtfeld der Kamera konform ausgeleuchtete werden.
Damit beispielsweise ein Sichtfeld einer Kamera möglichst mit einer homogenen Lichtintensität ausgeleuchtet wird, kann das dritte Optikelement ein Linsenarray, mindestens ein diffraktives Optikelement und/oder ein optisches Metamaterial beinhaltendes Optikelement aufweisen.
Das aus der Optikeinrichtung austretende Laserlicht weist einen senkrecht zur Optikachse ausgerichteten Querschnitt auf, der in einem Abstand von mindestens einem Millimeter eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlängen als das Laserarray aufweist. Hierdurch wird eine besonders sichere Laservorrichtung geschaffen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Richtungsangaben in der folgenden Erläuterung sind gemäß der Leserichtung der Zeichnung zu verstehen.
Es zeigt:
Figur 1 eine Laservorrichtung mit einer drei Optikelemente aufweisenden Optikeinrichtung,
Figur 2 eine Laservorrichtung mit einer eine Fresnellinse aufweisenden Optikeinrichtung, und
Figur 3 eine Laservorrichtung mit einer zwei Optikelemente aufweisenden Optikeinrichtung. In den Figuren 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele eine Laservorrichtung 10 dargestellt, die ein Halbleiterlaserbauteil 12 aufweist. Das Halbleiterlaserbauteil 12 weist ein Laserarray 14 auf, das mehrere ein Laserlicht 16 vertikal emittierende Halbleiterlaser 18 aufweist. Das Laserarray 14 ist auf einer Seite des Halbleiterlaserbauteils 12 angeordnet, dass einer Optikeinrichtung 19 zugewandt ist. Die Halbleiterlaser 18 sind vorzugsweise entlang einer Ebene angeordnet.
Die Halbleiterlaser sind oberflächenemittierende VCSEL (vertical cavity surface emitting laser), die einen Schichtaufbau aufweisen. Die Optikachse 24 ist senkrecht zu den dem Schichtaufbau zugrundeliegenden Schichten ausgerichtet. Das aus den Halbleiterlasern 18 austretende Laserlicht 16 divergiert im Fernfeld mit einem vollen Winkel von in etwa 10° bis 20°, bestimmt nach der Methode des zweiten Moments der Intensitätsverteilung.
Die Optikeinrichtung 19 weist Optikelemente 21, 22, 23 auf, die entlang einer Optikachse 24 angeordnet sind. Die Optikachse 24 ist senkrecht zu der Ebene des Laserarrays 14 ausgerichtet. Das Laserlicht 16 propagiert entlang der Optikachse 24. Die Optikachse 24 verläuft mittig durch das Laserarray 14 und kann mit einer Symmetrieachse des Laserarrays 14 und/oder den optischen Achsen der Optikelementen 21, 22, 23 zusammenfallen. Das Laserlicht 16 überlagert sich spätestens nach dem Durchtritt aller Optikelemente 21 , 22, 23, um im Fernfeld eine quer zur Optikachse 21 , 22, 23 verlaufende homogene Lichtintensität zu erhalten.
Das Laserlicht 16, welches aus der Optikeinrichtung 19 austritt, weist einen zur Optikachse 24 senkrecht ausgerichteten Querschnitt auf, der insbesondere rechteckig sein kann. Die Laservorrichtung 10 kann insbesondere für Kameraanwendungen vorgesehen werden, wobei das Sichtfeld einer Kamera durch das Laserlicht 16 ausgeleuchtet werden kann.
Damit die Laservorrichtung 10 Lasersicherheitsregularien einhält, ist vorgesehen, dass der Querschnitt durch das emittierte Laserlicht 16 in dem strahlformenden Optikelement, das die neue scheinbare Quelle erzeugt, eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlängen als das Laserarray aufweist.
In Figur 1 eine Laservorrichtung 10 gezeigt, deren Optikeinrichtung 19 ein erstes, ein zweites und ein drittes Optikelement 21 , 22, 23 aufweist.
Das erste Optikelement 21 ist zum Aufweiten des aus den Halbleiterlasern 16 emittierten Laserlichts 16 vorgesehen, wobei das erste Optikelement 21 rein exemplarisch als refraktive Streulinse ausgebildet ist. Eine konkav ausgebildete Fläche der Streulinse kann dem Laserarray 14 zugewandt sein. Das erste Optikelement 21 bedeckt das gesamte Laserarray 14. Insbesondere bedeckt die konkave Fläche das gesamte Laserarray 14 des Halbleiterbauteils 12 vollständig, sodass das gesamte emittierte Laserlicht 16 durch die Streulinse aufgeweitet wird. Das erste Optikelement 21 weitet das Laserlicht 16 auf einen Winkel auf, der größer als die Divergenz der Laser ist. Dadurch kann der Querschnitt des gesamten Laserlichts 16 nach einer kürzeren Strecke vergrößert werden, als es ohne das erste Optikelement 21 möglich wäre.
Das zweite Optikelement 22 ist zum Kollimieren des Laserlichts 16 vorgesehen, das durch das erste Optikelement 21 aufgeweitet wurde. Das erste Optikelement 21 ist zwischen dem Laserarray 14 und dem zweiten Optikelement 22 angeordnet. Exemplarischer Weise ist das zweite Optikelement 22 eine Sammellinse. Die Sammellinse erzeugt einen Halbwertswinkel des Laserlichts 16 von höchsten 10°, was in etwa dem ursprünglichen Winkel der Divergenz des Laserlichts 16 darstellt, das nicht durch Optikelemente verändert wurde. Vorzugsweise ist die Divergenz nach dem zweiten Optikelement 22, deutlich kleiner als die ursprüngliche Divergenz der Laser 14, sodass das dritte Optikelement 23 den Strahl besser formen kann und das finale Strahlprofil weniger durch verschiedene Eingangswinkel in die Optik 23 ausgeschmiert wird.
Das dritte Optikelement 23 ist zum Formen des Laserlichts 16 vorgesehen. Beispielsweise kann das Strahlprofil des Laserlichts 16 durch einen Streueffekt wie bei einem Diffusor beim Durchtritt durch das dritte Optikelement 23 homogenisiert werden.
Alternativ oder ergänzend kann solch eine Homogenisierung durch eine Überlagerung des Laserlichts 16 unterschiedlicher Halbleiterlaser 18 des Laserarrays 14 erreicht werden. Hierbei weist das dritte Optikelement 23 ein Linsenarray aus refraktiven Linsen auf. Hierbei wird jede der einzelnen Linsen des Linsenarrays das gesamte Kamerasichtfeld oder zumindest einen großen Teil davon ausgeleuchtet, sodass jeder Bereich des Kamerasichtfeldes von vielen Stellen innerhalb des ausgeleuchteten Bereichs der Optik 23 ausgeleuchtet wird und damit nach IEC 60825-1 :2014 eine neue scheinbare Quelle darstellt.
Vorzugsweise formt das dritte Optikelement 23 das Laserlicht 16 derart, dass es einen quer zur Optikachse 24 ausgerichteten rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Querschnitt kann quadratisch oder unterschiedlich lange Seiten aufweisen. Der Halbwertswinkel kann entlang einer ersten Richtung in etwa 45° und entlang einer zweiten Richtung in etwa 70° aufweisen. Wichtig für die Verbesserung der Lasersicherheit ist hierbei, dass das Optikelement 23 für jeden Winkel des gewünschten Strahlprofils im Fernfeld das Laserlicht an vielen verschiedenen Stellen innerhalb des ausgeleuchteten Querschnitts im Optikelement 23 umlenkt. Im Idealfall leuchtet die gesamte ausgeleuchtete Fläche im Element 23 in jeden Winkelbereich des gewünschten Strahlprofils, wie in Figur 1 skizziert. Jeder der drei Laserstrahlen aus den drei dargestellten Lasern wird im Element 23 in viele Teilstrahlen zerlegt (gestreut, gebeugt oder gebrochen). Ein fiktiver Beobachter, der z.B. von unten auf das Optikelement 23 schaut und nur die nach unten abgelenkten Strahlen empfangen kann, sieht den ganzen ausgeleuchteten Querschnitt leuchten und hat die gleiche scheinbare Quellengröße wie ein Beobachter, der auf der optischen Achse schaut oder von oben.
Eine am dritten Optikelement 23 ausgeleuchtete Fläche 34 weist eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlängen als das Laserarray 14 auf. Die ausgeleuchtete Fläche 34 stellt die maßgebliche Fläche für die Einhaltung der Lasersicherheitsregularien dar. Hierbei ist die ausgeleuchtete Fläche 34, der Bereich auf dem dritten Optikelement 23, auf den das Laserlicht 16 auftrifft, nachdem es durch die vorgeschalteten Optikelemente 21, 22 tritt.
Das dritte Optikelement 23 kann als ein Linsenarray ausgeführt werden. Dabei ist eine Mehrzahl aus refraktiven Linsen auf einer Seite des dritten Optikelements 23 angeordnet.
Die vorstehend genannten Ausführungen hinsichtlich des dritten Optikelements 23 können auf die Ausführungsbeispiele aus den Figuren 2 und 3 angewendet werden.
In Figur 2 ist eine Laservorrichtung 10 gezeigt, die ein erstes Optikelement 21 aufweist, das einstückig mit dem Halbleiterbauteil 12 ausgebildet ist. Das erste Optikelement 21 kann als refraktive Linse, als diffraktives Element und/oder ein optisches Metamaterial beinhaltendes Optikelement aufweisen. Das erste Optikelement 21 kann aus einem Halbleitermaterial ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend können auch zusätzliche dielektrische und/oder transparente Materialien für das erste Optikelement 21 verwendet werden.
Das zweite Optikelement 22 ist exemplarischer Weise als eine Fresnellinse ausgebildet, die das Laserlicht 16 kollimiert.
In Figur 3 ist eine Laservorrichtung dargestellt, die eine Optikeinrichtung 19 aufweist, die nur ein erstes und ein zweites Optikelement 21 , 22 beinhaltet.
Das erste Optikelement 21 weist ein Linsenarray 30 aus refraktiven Linsen auf, wobei jeder der Linsen einem einzelnen Halbleiterlaser 14 zugeordnet sind. Die in der Figur 3 dargestellten Linsen weisen Symmetrieachsen 26 auf, die gegenüber Normalachsen 28 der einzelnen Halbleiterlaser 18 versetzt sind. Die Normalachsen 28 sind mittig an einem Emissionsbereich des jeweiligen Halbleiterlasers 18 angeordnet. Aus dem Emissionsbereich wird das Laserlicht 16 emittiert, wobei der Emissionsbereich der Optikeinrichtung 19 zugewandt ist. Die Symmetrieachsen 26 und die Normalachsen 28 sind parallel zur Optikachse 24 ausgerichtet. Das Laserlicht 16 propagiert entlang der Normalachse 28 aus dem Emissionsbereich, wobei sich ein jeweiliger Lichtkegel symmetrisch um die Normalachse 28 ausbildet. Die Normalachsen 28 sind zu einer jeweiligen Oberfläche der Halbleiterlaser 18 senkrecht ausgerichtet.
Das zweite Optikelement 22 weist eine erste dem Halbleiterbauteil 12 zugewandte Seite 31 und eine zweite vom Halbleiterbauteil 32 abgewandte Seite 32 auf. Das zweite Optikelement 22 weist auf der ersten Seite einen Elementabschnitt zum Kollimieren und auf der zweiten Seite 32 einen Elementabschnitt zum Formen des Laserlichts auf.
Die Elementabschnitte auf der ersten und der zweiten Seite 31, 32 können in gleicher Weise wie die Optikelemente 21, 22, 23 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschaffen sein.
Jedes der beschriebenen Optikelemente 21, 22, 23 kann diffraktive Optikelemente und/oder ein optische Metamaterial beinhaltende Optikelemente aufweisen.
Es ist auch denkbar, die Fresnellinse aus Figur 2 mit einem ersten Optikelement 21 aus Figur 1 und/oder Figur 3 zu kombinieren.
Die Linsenarrays des ersten, des zweiten und/oder des dritten Optikelements 21, 22, 23 können Linsen aufweisen, wobei die Abstände zwischen Symmetrieachsen benachbarter Linsen gleichgroß sind.

Claims

Ansprüche
1. Laservorrichtung (10) mit einem Halbleiterlaserbauteil (12), das ein Laserarray (14) aufweist, das mehrere ein Laserlicht (16) vertikal emittierende Halbleiterlaser (13) aufweist, mit einer Optikeinrichtung (19), die mindestens ein zweites und ein zwischen dem zweiten Optikelement (22) und dem Laserarray (14) angeordnetes erstes Optikelement (21) aufweist, die entlang einer Optikachse (24) angeordnet sind, wobei die Optikeinrichtung (19) zum Aufweiten des aus den Halbleiterlasern (18) emittierten Laserlichts (16), zum Kollimieren des durch das erste Optikelement (21) aufgeweiteten Laserlichts (16) und zum Formen des Strahlprofils des kollimierten Laserlichts (16) vorgesehen ist.
2. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht (16), das von mindestens zwei Orten einer ausgeleuchteten Fläche (34) ausgeht, die durch das Laserlicht (16) an einem zum Formen vorgesehenen Optikelement (21 , 22, 23) der Optikeinrichtung (19) erzeugt ist, auf mindestens einen Raumwinkelbereich eines außerhalb der Optikeinrichtung beleuchteten Bereichs gelenkt ist, sodass die Bedingungen der Norm IEC 60825-1 :20144.3.d für alle Raumwinkel erfüllt ist.
3. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Optikelement (21) eine Streulinse ist, die bezüglich der Optikachse (24) des Laserlichts (16) das gesamte Laserarray (14) des Halbleiterbauteils (12) vollständig bedeckt.
4. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Optikelement (21) das Laserlicht (16) derart aufweitet, dass ein Halbwertswinkel des Laserlichts (16) eines Halbleiterlasers (18) mehr als 10° beträgt.
5. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Optikelement (21) einstückig mit dem Halbleiterbauteil (18) ausgebildet ist.
6. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Optikelement (21) ein Linsenarray (30) aus refraktiven Linsen aufweist, die jeweils einem Halbleiterlaser (18) zugeordnet sind, die jeweils eine Symmetrieachse (26) aufweisen, die gegenüber Normalachsen (28) der Halbleiterlaser (18) versetzt sind, wobei die Symmetrieachsen (26) und die Normalachsen (28) parallel zur Optikachse (24) ausgerichtet sind.
7. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Optikelement (22) eine Sammellinse aufweist, die einen Halbwertswinkel des Laserlichts (16) von höchsten 10° erzeugt.
8. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Optikelement (22) eine Fresnellinse, ein diffraktives Optikelement und/oder ein optisches Meta mate rial beinhaltendes Optikelement aufweist.
9. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Optikelement (22) einen Elementabschnitt zum Kollimieren und einen Elementabschnitt zum Formen des Laserlichts (16) auf einer gemeinsamen Seite aufweist.
10. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass das zweite Optikelement (22) auf einer ersten Seite einen Elementabschnitt zum Kollimieren und auf einer zweiten Seite einen Elementabschnitt zum Formen des Laserlichts (16) aufweist.
11. Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikvorrichtung (19) ein drittes Optikelement (23) aufweist, das zum Formen des kollimierten Laserlichts (16) vorgesehen ist, wobei das zweite Optikelement (22) vorzugsweise nur zum Kollimieren des Laserlichts (16) vorgesehen ist.
12. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine am dritten Optikelement (23) ausgeleuchtete Fläche (34) eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlangen als das Laserarray (14) aufweist.
13. Laservorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Optikelement () das Laserlicht (16) derart formt, dass es einen quer zur Optikachse (24) ausgerichteten rechteckigen Querschnitt aufweist.
14. Laservorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Optikelement (23) ein Linsenarray, mindestens ein diffraktives Optikelemente und/oder ein optisches Metamaterial beinhaltendes Optikelement aufweist.
15. Laservorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Optikachse (24) senkrecht ausgerichteter Querschnitt durch das emittierte Laserlicht (16) in einem Abstand von mindestens einem Millimeter nach der Optikeinrichtung (19) eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlangen als das Laserarray (14) aufweist.
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