CN116724267A - 光电光源和数据眼镜 - Google Patents

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约尔格·埃里克·佐尔格
艾伦·勒内夫
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Abstract

在至少一个实施例中，光电光源(1)包括：‑多个半导体激光器(21，22，23)，每个半导体激光器被配置为发射激光束(L1，L2，L3)并且被布置在安装平台(31)上，以及‑重定向光学元件(4)，被配置为重定向激光束(L1，L2，L3)，其中‑重定向光学元件(4)包括用于多个半导体激光器(21，22，23)中的每一个的单独反射区域(41、42、43)，这些反射区域(41、42、43)的形状彼此不同，并且‑在通过重定向光学元件(4)之后，激光束(L1，L2，L3)在共同平面中行进。

Description

光电光源和数据眼镜
技术领域
提供了一种光电光源。还提供了包括这种光电光源的数据眼镜。
背景技术
文献WO 2020/212221A1和WO 2010/069282A2涉及半导体激光器的布置。
发明内容
要实现的目的是提供一种具有改进的光束组合特性的光电光源。
该目的尤其通过如在独立专利权利要求中所限定的光电光源和数据眼镜来实现。示例性的其他改进构成从属权利要求的主题。
尤其是，光电光源包括多个半导体激光器，其激光束由共同的反射光学元件形成，例如准直或聚焦，该反射光学元件可以由靠近半导体激光器布置的金属单片块形成。此外，AR/VR引擎包括这种具有对应反射自由光束光学件的光电光源。在本文中，AR表示增强现实，并且VR表示虚拟现实。
例如，在此描述了一种可用于AR/VR数据眼镜的μ-投影光引擎的方法。所描述的构造将小形状因数与高光学效率相结合。其关键部件可以通过低成本和大批量生产技术如冲压和/或压印来生产。所需光学元件的数量可被最小化。这两个方面都可能使得制造成本低。
这里描述的光电光源特别可以用于像AR/VR数据眼镜的数据眼镜。对于这种类型的产品，产品的总尺寸是关键的主题和关键性能指标KPI。在本文中，实现紧凑***的一种方式是所谓的飞点激光束FSLB方法，也称为激光束扫描LBS。在这种情况下，通过由至少一个MEMS镜偏转的一个激光束或多个激光束来实现图像。
这种MEMS镜需要被激光束照射，例如被准直或聚焦的激光束照射。在单色眼镜结构中，这可以仅仅是一个激光束，或者它可以是具有轻微波长偏移的多个激光束，用于抑制所产生图像中的光学伪影。其背后的效果是通过顺序地重叠一个波长的稍微不同的波长光谱的发射光谱虚拟加宽。在RGB全色结构中，这是红色、绿色和蓝色激光束的重叠，例如准直或聚焦激光束。或者，多个红、绿和蓝激光束的重叠也是可行的。
在至少一个实施例中，光电光源包括：
-多个半导体激光器，每个半导体激光器被配置成发射激光束并且被布置在安装平台上，以及
-重定向光学元件，该重定向光学元件被配置成用于重定向这些激光束，
其中
-重定向光学元件包括用于多个半导体激光器中的每一个的单独的反射区域，这些反射区域的形状彼此不同，以及
-在通过重定向光学元件之后，激光束在共同平面中行进。例如，反射区域被配置为成形用于例如准直或聚焦相应的激光束。
利用这种光电光源，例如，可以解决与激光束成形和来自各个半导体激光发射器的发射的重叠有关的技术问题。这可以以有效的、精确的、紧凑的和成本有效的方式完成。
典型的边界条件例如为：
-激光束，例如准直激光束，具有约1mm，例如至少0.5mm和/或至多3mm的直径；
-目标光束形状是圆的，尤其是圆形的；
-目标光束轮廓是平顶型的；
-在各激光束之间的目标倾斜角，例如在例如MEMS镜上的准直或聚焦的激光束，为约5°或更小，特别是至多3°或至多1.5°；
-所有激光束倾斜安放在一个平面上；由此，可以通过镜/激光同步(也称为瞄准线(英语：bore-sight)校正)来电子补偿光束倾斜。
可选的解决方案是使用二向色光束组合器、通过二向色镜自由传播光束组合、或者将发射点尽可能靠近地封装在一个平面中、或者通过降低至300μm至500μm典型范围的子组件，通过使用多脊激光发射器管芯(其中发射点的间距可以降到例如5μm到10μm)。
激光束成形，例如激光束的聚焦或激光束的准直，可以用单个透镜完成，例如消色差***，而激光束倾斜偏移经过电子校正。此外，可以使用具有透镜的自由光束结构，或平面光组合器PLC元件。这种PLC元件包括基于全内反射TIR效应引导激光的单片集成波导。
在这里描述的光电光源中，提出了使用镜进行光束成形。镜面可以布置在单块中。单片镜块可以是激光壳体的元件。典型地，短波长半导体激光器需要被密封封装以确保在所有环境操作条件下的有效时间要求。在这种情况下，镜块可以形成封装的侧壁，或者可以是封装的侧壁的一个部件。为了术语一致，这样的镜或重定向光学元件也可以称为偏转镜。
镜的光学表面可以具有相对于彼此的倾斜。由此，激光束，例如反射的、聚焦的或准直的激光束，可以被引导到公共点，在那里它们被重叠到一个点。在所描述的数据眼镜中，这可以是放置成像单元(如用于激光束扫描的MEMS镜LBS)结构的位置。倾斜的激光束都被布置在一个平面中，以通过一维镜与激光器的同步实现光束倾斜的电子校正。
镜的光学形状可以是球面的、非球面的或者可以具有自由形式的光学件。镜可以将具有高光束发散度的半导体激光器的典型椭圆形发射重新分布和整形为准直或聚焦的圆形光束。对于在AR/VR数据眼镜中的应用，形成平顶光束轮廓可能是有益的。
由于反射元件上的低损耗和镜的高数值孔径，使用反射元件进行光束成形提供了高光学效率。与通过光束限流的其他解决方案的损耗、二向色滤光器层上的损耗、耦合损耗和菲涅耳损耗相比，这里描述的反射概念提供高得多的光学效率。除此之外，激光束成形和光束组合可以仅通过一个光学元件来实现。所描述的光学元件，即重定向光学元件，可以通过例如成本有效的金属冲压和压印工艺来制造。
根据至少一个实施例，半导体激光器被配置成发射近紫外、可见和/或近红外辐射。为此，半导体激光器可以包括半导体层序列。半导体层序列可以包括一个或多个有源区，其中有源区或每个有源区包括至少一个量子阱。量子阱可以是量子点、量子线或量子层或其组合。
根据至少一个实施例，半导体层序列基于III-V化合物半导体材料。半导体材料例如是氮化物化合物半导体材料如AlnIn1-n-mGamN或磷化物化合物半导体材料如AlnIn1-n-mGamP或砷化物化合物半导体材料如AlnIn1-n-mGamAs，其中在每种情况下适用0≤n≤1、0≤m≤1和n+m≤1。半导体层序列可以包括掺杂剂和附加成分。然而，为了简单起见，仅指出了半导体层序列的晶格的基本组分，即Al、As、Ga、In、N或P，即使这些可以部分地由少量其他物质代替和/或补充。半导体层序列尤其优选地基于AlInGaN材料***。
根据至少一个实施例，重定向光学元件对于多个半导体激光器中的每一个包括单独的反射区域。尤其是，在每种情况下，反射区域仅专门分配给激光束之一。反射区域可以彼此直接邻接，并且可以例如通过脊或毛刺或闪光而彼此分离。通过这种脊或毛刺或闪光，在反射区域之间可能产生扭结或断裂，使得来自未分配的半导体激光器的意外撞击的激光辐射被偏转离开并且优选地被阻止离开光电光源。
根据至少一个实施例，反射区域的形状彼此不同。这并不排除不同的反射区域以彼此镜像对称的方式成形。因此，每个激光束可以通过不同的反射区域单独地成形或准直或聚焦。
根据至少一个实施例，反射区域被配置为成形，例如准直或形成相应分配的激光束。即，发散角通过相应的反射区域减小。相应的激光束可以是平行的射线束，或者可会聚到光电光源的壳体内或壳体外的一点，或者仍然以相当小的发散角发散。
根据至少一个实施例，在通过重定向光学元件之后，激光束在共同平面中行进。这特别适用于激光束的光束轴。此外，这可适用于至多2°或至多1°或至多0.5°的公差。
根据至少一个实施例，重定向光学元件是偏转光学元件。因此，重定向光学元件对于激光束可能是不可透过的，并且没有激光辐射可以穿过重定向光学元件。
根据至少一个实施例，重定向光学元件是或包括单片镜块。所有的反射区域可以例如通过冲压或压印或压制形成在单片镜块中。可能的是，所有反射区域都位于重定向光学元件的面向多个半导体激光器的单个光束成形侧上。
根据至少一个实施例，激光束在照射到重定向光学元件上之前彼此平行地行进。这可以在至多30°或至多10°或至多5°或至多2°或至多1°的公差下应用。
根据至少一个实施例，激光束在重定向光学元件处被反射之后，尤其是在重定向光学元件处被反射之后立即以倾斜的方式行进。因此，激光束之间的距离沿着激光束的路径减小，至少紧接在重定向光学元件之后，并且例如，直到成像单元。
根据至少一个实施例，激光束在重定向光学元件处被反射之后朝向公共交叉点行进。该单个交叉点可以位于壳体内，即，在重定向光学元件与盖的背离多个半导体激光器的盖顶侧之间。
根据至少一个实施例，在重定向光学元件处的激光束方向变化是至少60°或至少80°和/或至多120°。因此，方向变化大约是直角。因为在重定向光学元件可以以倾斜的方式朝向彼此行进之后，该方向变化可以大于90°。
根据至少一个实施例，光电光源还包括壳体。优选地，壳体是气密的。因此，可以增加设置在壳体中的半导体激光器的有效时间。此外，重定向光学元件的反射区域也可以位于壳体内，从而可以保护反射区域免受腐蚀和污染。
根据至少一个实施例，壳体包括底板、壳体环和盖。壳体环优选地位于底板和盖之间。安装平台优选地也位于壳体内。例如，安装平台是壳体中的附加部分，或者安装平台可以是底板的整体部分，如底板中的台阶。
根据至少一个实施例，该重定向光学元件是该壳体环的一部分。在这种情况下，壳体环可以是金属环。作为替代方案，壳体环包括非金属基底材料，该非金属基底材料涂覆有至少一种金属以成为镜，或者涂覆有电介质镜，或者涂覆有电介质镜和至少一种金属的组合。这种反射增强涂层也可以存在于金属环上。
根据至少一个实施例，壳体环包括在远离多个半导体激光器的一侧上的外环和面向多个半导体激光器的内环。例如，外环和内环中的至少一个是金属环。优选地，内环的材料比外环的更软。在这种情况下，重定向光学元件可形成内环或者作为内环的集成部分。
根据至少一个实施例，盖对于激光束是透射的。例如，盖是玻璃或类似蓝宝石的透光材料。为了增强透射，盖可以设置有类似抗反射涂层的光学涂层。
根据至少一个实施例，盖具有其他的光学元件。因此，该盖被配置成用于以下各项中的至少一项：改变至少一个激光束的方向，并组合至少两个激光束。如果盖仅为平面平行板，则仅发生光束的偏移，但方向没有变化；也就是说，在撞击到盖上之前和通过盖之后，在平面平行板的情况下，各个激光束的方向彼此平行。
根据至少一个实施例，其他的光学元件包括或作为用于至少一个激光束的光栅。可能在盖的每个主侧面上至少有一个格栅。
根据至少一个实施例，其他的光学元件包括或作为用于至少两个激光束的光导。
根据至少一个实施例，其他的光学元件包括或作为用于至少一个激光束的超构光学元件。术语“超构光学”，是指例如该元件尤其包括结构尺寸低于激光束波长或低于该波长的50％的重复结构单元。
根据至少一个实施例，激光束的公共焦点位于重定向光学元件和盖的背离多个半导体激光器的盖顶侧之间。例如，公共焦点位于盖内。
根据至少一个实施例，激光束在盖内组合。例如，在这种情况下，盖包括至少一个光导，或者包括至少一个超构光学元件。
根据至少一个实施例，反射区域处的激光束的光束直径总计为至少0.6mm或至少1.0mm或至少1.5mm。通过这种相对大的光束直径，重定向光学元件可以被配置为成形，例如用于准直或形成具有低剩余发散角的激光束。例如，剩余发散角为至多5°或至多2°或至多1°。作为选择，反射区域处的激光束直径总计至多3mm或至多2mm或至多1.5mm。
根据至少一个实施例，多个半导体激光器由三个或多于三个激光器组成，并且包括至少一个发射蓝光的激光器，至少一个发射绿光的激光器和至少一个发射红光的激光器。因此，光电光源可以是RGB光源。
根据至少一个实施例，从安装平台的顶视图看，半导体激光器彼此相邻地布置。例如，半导体激光器之间的距离为至少0.1mm和/或至多0.7mm。
根据至少一个实施例，重定向光学元件的镜像对称平面穿过半导体激光器的中心，或者在半导体激光器的两个中间激光器之间，这取决于是否存在奇数或偶数个半导体激光器。
根据至少一个实施例，多个半导体激光器中的每个半导体激光器是边缘发射激光器。在这种情况下，半导体激光器的发射区域可以位于半导体激光器面向安装平台的一侧。
根据至少一个实施例，安装平台是基台。尤其是，安装平台是用于所有半导体激光器的公共基台。
还提供了数据眼镜。数据眼镜可以包括结合至少一个上述实施例所示的光电光源。
因此，还公开了用于光电光源的数据眼镜的特征，反之亦然。
在至少一个实施例中，该数据眼镜被配置用于虚拟或增强现实应用，并且包括一个或多个上述光电光源，以及在该至少一个光电光源下游的至少一个成像单元，以及在该至少一个成像单元下游的至少一个图像生成元件。该至少一个光电光源被配置为借助于至少一个成像单元照射至少一个图像生成元件，使得图像或视频可以由至少一个图像生成元件产生和/或被投影到至少一个图像生成元件上。例如，至少一个图像生成元件是屏幕或二维波导或全息镜。在成像单元和至少一个指定的图像生成元件之间可以有中继光学件。
根据至少一个实施例，成像单元是微机电***MEMS镜。MEMS镜的零状态偏转对于每个激光束可能是不同的。因此，可以补偿朝向成像单元的激光束的不同角度。
根据至少一个实施例，成像单元包括至少一个硅基液晶LCoS元件。例如，对于所有半导体激光器有一个公共LCoS元件，或者每个半导体激光器有一个LCoS元件。
根据至少一个实施例，在多个半导体激光器与重定向光学元件之间的第一光学距离是至少0.3mm或至少0.5mm或至少0.8mm。可选地或另外地，第一光学距离为至多5mm或至多3mm或至多1.5mm。
根据至少一个实施例，在光电光源与成像单元之间的第一光学距离为至少2mm或至少5mm或至少10mm。可选地或另外地，第一光学距离为至多10cm或至多5cm或至多25mm。
附图说明
下面通过参考附图的示例性实施例更详细地解释在此描述的光电光源和数据眼镜。在各个附图中相同的元件用相同的附图标记表示。然而，没有按比例示出元件之间的关系，而是夸大地示出各个元件以帮助理解。
在附图中：
图1是在此描述的光电光源的示例性实施例的示意性顶视图，
图2至图4是在此描述的光电光源的示例性实施例的示意性截面图，
图5是图4的光电光源的示意性侧视图，
图6是用于在此描述的光电光源的重定向光学元件的示例性实施例的示意性顶视图，
图7是在此描述的光电光源的示例性实施例的示意性截面图，
图8是用于图7的光电光源的盖的示意性截面图，
图9是图7的光电光源的示意性顶视图，
图10是在此描述的光电光源的示例性实施例的示意性截面图，
图11是用于图10的光电光源的盖的示意性截面图，
图12是在此描述的光电光源的示例性实施例的示意性截面图，
图13和图14是用于图12的光电光源的盖的示意性截面图，
图15是在此描述的光电光源的示例性实施例的示意性截面图，
图16是用于图15的光电光源的盖的示意性透视图，
图17是在此描述的光电光源的示例性实施例的示意性截面图，并且
图18和图19是包括在此描述的光电光源的数据眼镜的示例性实施例的示意性截面图。
具体实施方式
图1和图2示出了光电光源1的示例性实施例。光电光源1包括多个半导体层，例如被配置为分别发射红、绿和蓝激光束L1，L2，L3的三个激光器21，22，23。激光器21，22，23被设置在公共安装平台31上，该安装平台例如是基台。
此外，光电光源1包括重定向光学元件4，该重定向光学元件具有面向激光器21，22，23的光束成形侧40。光束成形侧40具有第一反射区域41、第二反射区域42和第一反射区域43，以成形例如用于准直或形成激光束L1，L2，L3。对于激光束L1，L2，L3中的每一个，提供单独的反射区域41，42，43。
激光束L1，L2，L3在安装平台31附近的边缘处离开激光器21，22，23并发散。激光器21，22，23可被彼此平行地安装在安装平台31上。通过重定向光学元件4，激光束L1，L2，L3被整形，例如被准直以变成可在一个公共交叉点相交的聚焦激光束L1，L2，L3。因此，反射区域41，42，43类似于抛物面而弯曲。
作为选择，光电光源1还包括壳体3。壳体3可以包括安装平台31可位于其上的底板30、围绕激光器21，22，23和重定向光学元件4的壳体环33，以及激光器21，22，23顶上的盖32。
例如，壳体3的长度D4为至少2mm和/或至多10mm或至多5mm。替代地或附加地，壳体3的宽度D3为至少0.9mm或至少1.5mm和/或至多8mm或至多4mm。
此外，盖32可以包括另外的光学元件5以成形和/或组合激光束L1，L2，L3。其他的光学元件5可被集成在盖5中，并且可以从内侧55延伸到盖顶侧50。例如，激光束L1，L2，L3在内侧55处或附近、或在盖32内具有共同的焦点。
在图3中，示出了重定向光学元件4还可以成形，尤其是准直激光束L1，L2，L3以变成平行的激光射线束。另外，与图1和图2相同的内容也适用于图3。
在图4和图5中，示出了光电光源1的另一实施例。在该光电光源1中，壳体环3包括重定向光学元件4。此外，示出了激光束L1，L2，L3是在共同平面中行进到成像单元6的光线的平行束，成像单元例如是MEMS镜。不同的入射角可以由成像单元6的颜色相关的零状态以电子方式校正。
例如，在激光器21，22，23与重定向光学元件4的光束成形侧40之间的第一光学距离D1约为1mm。替代地或附加地，在盖顶侧50与成像单元6(即激光束L1，L2，L3之间的公共交叉点)的第二光学距离D2为至少4mm或至少8mm和/或至多5cm或至多3cm。激光束L1，L2，L3在穿过盖32之后的直径为例如至少0.6mm和/或至多1.5mm，例如0.9mm。壳体3外部的激光束L1，L2，L3的发散角例如为至多5°或至多2°。优选地，激光束L1，L2，L3具有圆形且平坦的顶部轮廓。这些值也可以单独地或共同地应用于所有其他示例性实施例。
此外，根据图4，盖32、壳体环33和底板30可以通过连接装置36如焊料或金属化连接。如果盖32、壳体环33和底板30是金属化合物或包括至少一个被配置成例如用于焊接的金属化，则尤其如此。
另外，与图1至图3相同的内容也适用于图4和图5。
因此，在这里描述的示例性实施例中，重定向光学元件4可以被称为偏转镜，该偏转镜被设计成将来自例如三个RGB激光器21，22，23的激光束L1，L2，L3倾斜到成像单元6处的公共点，该成像单元例如是AR/VR***的MEMS镜。反射区域41，42，43可被设计用于成形，例如用于倾斜和准直或聚焦来自每个激光器21，22，23的入射椭圆激光束L1，L2，L3的形状。成像单元6可以通过软件适应激光束的不同倾角，其中MEMS镜“零”状态偏转对于图像形成过程中的每种激光颜色是不同的。这可以是在AR/VR飞点成像***中使用的瞄准线算法。
壳体3，也称为封装，可以基于用于底板30的AlN基材，壳体环33作为偏转镜封装，以及盖32作为最终输出窗口。整个封装可以是密封的。可选的其他的光学元件5可以是折射的、衍射的或超构光学，并且可以提供附加的功能，例如二次像差校正、光束倾斜、光束组合和其他功能。
在图6中，示出了示例性的壳体环3。壳体环33由内环35和外环34组成。外环34可以是矩形形状，并且例如是类似FeNiCo合金的金属，并且可以至少在适当位置镀有AuSn。内环35例如由类似Al的金属制成，并且可以被冲压以成形反射区域41，42，43。在反射区域41，42，43处，内环35可以比在顶视图中看到的其余区域中更宽。从顶视图中可以看到，存在穿过中心反射区域42的镜像对称轴线S。
图7至图16示出了额外的实施例，其中来自反射区域41，42，43的倾斜激光束L1，L2，L3被组合以形成单个或接近单个的RGB组合总光束L。这消除了对瞄准线校正的需要，简化了VR/AR***的操作并增强了视野。
根据图7至图9，重定向光学元件4在其他的光学元件5的光导52的三个波导结构的输入面上提供激光束L1，L2，L3的聚焦点。然后波导到达组合器区域，提供单个发射区域。波导结构例如形成在低折射率玻璃中，该低折射率玻璃可以气密地密封到壳体环33和/或盖32。气密可能意味着泄漏率最多为5x10-8atm cm3s-1，例如，根据Mil标准MIL-Std 883测量。
例如，波导结构可以通过离子交换工艺形成。盖32可被应用在包括光导52的壳体环33的一部分的顶部上。
另外，与图1至图6相同的也可以应用于图7至图9。
图10和图11示出了另一种部分光束组合方法的实施例，其中光栅51被应用作为在盖32的内侧55上的其他的光学元件5；盖顶侧50可以没有任何光栅。每个光栅结构被单独地优化以衍射例如来自重定向光学元件4的红色和蓝色激光束L1，L3的大部分。通过调节光栅的周期，可以使偏转光束在垂直方向上衍射，使得所有激光束L1，L2，L3平行发射。
通过设计反射区域41，42，43以在玻璃盖32的内侧55附近提供紧密聚焦的光斑，在顶侧50处的相邻激光束L1，L2，L3之间的距离D5可以非常小，参见图11，并且例如可以在20μm和50μm之间，包括20μm和50μm，只要聚焦光斑直径在5μm至10μm的量级上，包括5μm和10μm。光栅结构可被进一步优化以衍射这些聚焦光束。结果是发射的发散光束来自彼此数十μm内的焦点。
反射区域41，42，43还可被优化以使每个激光器的次级焦点出现在盖32内或盖32附近的近似相同的垂直位置处。这提供了来自几乎相同位置并具有次级源位置的相同垂直放置的三个波束，这为AR***的设计者提供了相当大的灵活性。此外，在盖32处具有次级焦点为AR***中的外部光学件放置提供了额外的灵活性。
另外，与图1至图9相同的内容也适用于图10和图11。
图12至图14示出了基于光栅偏转器概念的又一实施例。在这种情况下，光栅52位于盖32的内侧55和顶侧50上。来自重定向光学元件4的激光束L1，L2，L3被调节为以例如红、绿和蓝光的特定角度θR、θG、θB入射到三个底部光栅上。调节这些角度，使得各个光栅可以将每个激光束L1，L2，L3偏转到盖32的顶侧50上的相同位置。
此外，盖32内的这些偏转角θR'、θG'、θB'使得它们都被重新衍射到输出光栅的-1级中的相同发射角。对于平行光束的发射，应满足以下条件：sinθ’j＝λj/nsΛ。这里，θj’是入射到顶部光栅上的盖内的j＝R、G或B光束的角度，λj是各光束的波长，并且Λ是顶部光栅的周期；ns表示盖32的折射率。
对于图10至图14中的实施例，光栅51可以通过几种方法制造。可能的生产方法包括DUV光刻和光阻结构的纳米压印，随后蚀刻盖32，或更优选地，在盖32的任一侧上的高折射率涂层，未示出。或者，可以使用两种类型的光刻的剥离过程，借此将涂层施加到所需波导图案的负片的显影光阻图案上。最后，还可以通过使用超构光学结构来制造高度优化的光栅结构。
根据图13，在顶侧50处的光栅结构位于中心部分，例如在内侧55处的中间光栅结构的顶上。另外，参见图14，在顶侧50处的光栅结构位于边界部分处，例如在内侧55处的最右侧光栅结构的顶上。通过改变顶侧50处的光栅结构的位置，可以简化光栅结构，并且所有角度θR、θG、θB、θR’、θG’、θB’可以具有相同的符号，如图14中所示。
另外，与图1至图11相同内容也可适用于图12至图14。
图15和图16示出了超构光技术的完全应用，以形成彩色光束组合结构。这里，该结构利用超构光学元件53作为其他的光学元件5，其将图13和图14的三个不同光栅51的功能组合在一起。例如，可以优化超构结构以将红色光束衍射成-1级，将绿色光束衍射成0级，将蓝色光束衍射成+1级，以给出完全重叠和平行的光束输出。超构光学元件53的设计可以通过包括伴随状态拓扑优化方法的优化方案来实现。
另外，与图1至图14相同的内容也可适用于图15和图16。
此外，图17示出了采用偏转镜和超构透镜技术的另一实施例。这里，重定向光学元件4仅提供弱聚焦快激光轴的更简单功能，使得对于每个激光束L1，L2，L3，快和慢轴在超构光学元件53的位置处具有相同的宽度。然后，超构光学元件53使用像散设计来产生圆形光束。
超构光学元件53具有相当大的灵活性以适应期望的AR/VR光学***设计。它可以被设计成例如使激光束成形，以产生三个共线准直光束、三个倾斜准直光束或三个聚焦光束，它们在扫描AR/VR光学***中的所需中间图像平面处合并。此外，可以针对来自每个激光器21，22，23的每个波长和场像差或像散优化每个超构透镜。另外，超构透镜可以提供一些光束形成能力，以将来自激光器21，22，23的更多高斯场转换为例如高帽轮廓。该方法在不提供直接光束组合的同时，在非理想激光束L1，L2，L3的变换中提供相当大的灵活性，并且可以针对每个RGB激光器21，22，23进行优化。
另外，与图1至图16相同的内容也可适用于图17。
在图18和图19中，示出了数据眼镜10的示例性实施例。数据眼镜10包括一个或多个光电光源1，如图1至图17所示。数据眼镜10可以包括外壳8，其中光电光源1例如被布置在数据眼镜10的镜腿部分中。由于外壳8，可以可选地省略用于半导体激光器21，22，23和重定向光学元件4的公共壳体；然而，为了气密地密封半导体激光器21，22，23，优选地存在这种公共的壳体，在图18和图19中未示出。
在外壳8的前部，可以有图像生成元件7，其可以是某种屏幕。成像单元6可被放置在相应镜腿部分的一端或靠近其一端。
根据图18，将整个激光束L投射到图像生成元件7的成像单元6是微机电***61MEMS，图像生成元件7是二维波导71。可选地，在成像单元6与图像生成元件7之间有中继光学件9，例如，用于调整激光束L的直径。这同样适用于所有其他示例性实施例。
然而，成像单元6还可以包括硅基液晶62LCoS，其可以是使用例如硅背板顶部上的液晶层的小型反射有源矩阵液晶显示器，参见图19。
此外，还参见图19，图像生成元件7可以是全息镜72，并且中继光学件9可被放置在重定向光学元件4与成像单元6之间。可选地，存在可被集成在成像单元6中的眼睛跟踪单元63，如另一个MEMS。这种眼睛跟踪单元63也可以存在于所有其他示例性实施例中。
这里描述的本发明不受基于示例性实施例的描述的限制。相反，本发明包括任何新的特征以及特征的任何组合，其尤其是包括专利权利要求中的特征的任何组合，即使该特征或该组合本身没有在专利权利要求或示例性实施例中明确地指定。
本专利申请要求美国申请17/200,068的优先权，其公开内容在此被纳入参考。
附图标记列表
1 光电光源
21 第一半导体激光器
22 第二半导体激光器
23 第三半导体激光器
3 壳体
30 底板
31 安装平台
32 盖
33 壳体环
34 外环
35 内环
36 连接装置
4 重定向光学元件
40 波束成形侧
41 第一反射区域
42 第二反射区域
43 第三反射区域
44 脊
5 其他的光学元件
50 盖顶侧
51 光学光栅
52 光导
53 超构光学元件
55 盖内侧
6 成像单元
61 MEMS镜
62 LCoS元件
63 眼睛跟踪单元
7 图像生成元件
71 二维波导
72 全息镜
8 外壳
9 中继光学件
10 数据眼镜
D1 第一光学距离
D2 第二光学距离
D3 壳体宽度
D4 壳体长度
D5 相邻激光束之间的距离
D6 安装平台高度
D7 壳体环高度
L 总光束
L1 第一激光束
L2 第二激光束
L3 第三激光束
S 镜像对称轴
θ 角度。

Claims (20)

1.一种光电光源(1)，包括
-多个半导体激光器(21，22，23)，每个半导体激光器被配置为发射激光束(L1，L2，L3)并且被布置在安装平台(31)上，以及
-重定向光学元件(4)，被配置为用于重定向所述激光束，
其中，
-所述重定向光学元件包括用于所述多个半导体激光器中的每一个的单独的反射区域(41、42、43)，所述反射区域(41、42、43)的形状彼此不同，以及
-在穿过所述重定向光学元件(4)之后，所述激光束(L1，L2，L3)在共同平面中行进。
2.根据前述权利要求所述的光电光源(1)，其中，所述反射区域(41，42，43)被配置为准直、聚焦或整形相应分配的激光束(L1，L2，
L3)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述重定向光学元件(4)是包括单片镜块的偏转光学元件，其中所有的所述反射区域(41，42，43)被形成在所述重定向光学元件(4)的面向所述多个半导体激光器(21，22，23)的单个光束成形侧上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述激光束(L1，L2，L3)在撞击在所述重定向光学元件(4)上之前彼此平行地行进，其中，所述激光束(L1，L2，L3)在所述重定向光学元件(4)处被反射之后以倾斜的方式并且朝向共同的交叉点行进，其中，所述激光束(L1，L2，L3)在所述重定向光学元件(4)处的方向变化是至少60°并且至多120°。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光电光源(1)，还包括壳体(3)，其中，所述壳体(3)包括底板(30)、壳体环(33)以及盖(32)，并且其中，所述壳体(3)是气密的。
6.根据前述权利要求所述的光电光源(1)，其中，所述重定向光学元件(4)是作为金属环的所述壳体环(33)的一部分。
7.根据权利要求5所述的光电光源(1)，其中，所述壳体环(33)包括在远离所述多个半导体激光器(L1，L2，L3)的一侧上的外环(34)和面向所述多个半导体激光器(L1，L2，L3)的内环(35)，其中，所述外环(34)和所述内环(35)是金属环，所述内环(35)的金属比所述外环(34)的更软，并且其中，所述重定向光学元件(4)形成所述内环(35)。
8.根据权利要求5所述的光电光源(1)，其中，所述盖(32)对于所述激光束(L1，L2，L3)是透射的并且具有其他的光学元件(5)，使得所述盖(32)被配置为用于以下项中的至少一项：改变所述激光束(L1，L2，L3)中的至少一个的方向和组合所述激光束(L1，L2，L3)中的至少两个。
9.根据前述权利要求所述的光电光源(1)，其中，所述其他的光学元件(5)包括用于所述激光束(L1，L2，L3)中的至少一个的光栅(51)或用于所述激光束(L1，L2，L3)中的至少两个的光导(52)。
10.根据权利要求8和9中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述其他的光学元件(5)包括用于所述激光束(L1，L2，L3)中的至少一个的超构光学元件(53)。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述激光束(L1，L2，L3)的共同焦点位于所述重定向光学元件(4)与所述盖(32)的背离所述多个半导体激光器(21，22，23)的盖顶侧之间。
12.根据权利要求5至10中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述激光束(21，22，23)在所述盖(32)内被组合。
13.根据权利要求5至10中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述激光束(L1，L2，L3)的共同焦点位于所述壳体(3)之外，其中，所述激光束(L1，L2，L3)至少在所述盖(32)的背离所述多个半导体激光器(21，22，23)的盖顶侧与所述共同焦点之间在所述共同平面中行进。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述激光束(L1，L2，L3)在所述反射区域(41，42，43)处的光束直径总计为至少1.0mm，使得所述重定向光学元件(4)被配置为以至多2°的剩余发散角来准直或聚焦所述激光束(L1，L2，L3)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述多个半导体激光器(21，22，23)由三个激光器组成并且包括一个用于发射蓝光的激光器、一个用于发射绿光的激光器和一个用于发射红光的激光器，其中，所述三个激光器(21，22，23)彼此相邻地布置，并且所述重定向光学元件(4)的镜像对称平面穿过所述三个激光器中的中央的激光器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光电光源(1)，其中，所述多个半导体激光器(21，22，23)中的每个激光器是边缘发射激光器，所述激光器的发射区域位于所述激光器的面向所述安装平台(31)的侧面上，其中，所述安装平台(31)是基台。
17.一种用于虚拟或增强现实应用的数据眼镜(10)，包括：
至少一个根据前述权利要求中任一项所述的光电光源(1)，
在至少一个所述光电光源(1)的下游的成像单元(6)，以及在所述成像单元(6)的下游的图像生成元件(7)，
其中，所述至少一个光电光源(1)被配置成用于借助于所述成像单元(6)来照射所述图像生成元件(7)，使得能够借助于所述图像生成元件(7)来产生图像。
18.根据前述权利要求所述的数据眼镜(10)，其中，所述成像单元(6)是微机电***MEMS镜(61)，并且其中，所述MEMS镜(61)的零状态偏转对于所述激光束(L1，L2，L3)中的每一个是不同的。
19.根据权利要求17所述的数据眼镜(10)，其中，所述成像单元(6)包括硅基液晶LCoS元件(62)。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的数据眼镜(10)，其中，在所述多个半导体激光器(21，22，23)与所述重定向光学元件(4)之间的第一光学距离(D1)在0.5mm与3mm之间，包括0.5mm和3mm；其中，在所述至少一个光电光源(1)与所述成像单元(6)之间的第二光学距离(D2)在2mm与5cm之间，包括2mm和5cm，并且其中，所述图像生成元件(7)是屏幕、全息镜(72)和二维波导(71)中的一者。
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