WO2022167594A1 - Laserdiodenanordnung, beleuchtungseinheit und laserprojektionsvorrichtung - Google Patents

Laserdiodenanordnung, beleuchtungseinheit und laserprojektionsvorrichtung Download PDF

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Tilman Ruegheimer
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Ams-Osram International Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a laser diode arrangement, a lighting unit comprising this and a laser projection device with this lighting unit.
  • LED Light Emitting Diode
  • laser diode arrays are used as semiconductor light sources, which are characterized by an improved service life, good energy efficiency and high spectral stability, so that bright laser projection devices with improved color saturation can be implemented.
  • Separate light source units emitting blue, green or red are provided for extensive coverage of the visible spectrum, in particular for professional laser projection devices in movie theaters, high-quality home cinemas and miniaturized projectors for smartphones .
  • laser diodes emitting in the blue, green and red part of the visible spectrum differ with regard to the achievable light yield, whereby laser diodes based on InGaN semiconductors with an emission maximum in the green-yellow part of the visible spectrum have lower current densities than those emitting in blue tolerate .
  • laser diodes for red light have higher thermal stabilization requirements compared to laser diodes for shorter wavelengths.
  • light generating devices for laser projectors with a monochromatic light source are usually more economical. These typically use powerful blue-emitting laser diodes that feed the blue channel and are used in addition to exciting a wavelength conversion element that delivers electromagnetic radiation in the green and red ranges.
  • blue laser diodes are used to excite materials that have different spectral fluorescence, for example based on phosphorus.
  • a rotating component with a fluorescence coating can be used as the wavelength conversion element for sequential generation of the spectral colors. Such a color wheel is disclosed for example by DE 10 2010 003 234 A1.
  • DE 11 2013 004 405 B4 describes an illumination arrangement for a laser projection device with two stationary, spatially separate wavelength conversion elements that are assigned to different spectral ranges. Simultaneous radiation emission in the green and red is possible, which is superimposed in the further beam path.
  • a beam placed in the beam path between the laser diode array and the wavelength conversion elements ordered beam splitter optics uses this difference in the emission characteristics, so that radiation from the first type of laser diode is fed exclusively to the first wavelength conversion element and from the second type of laser diode exclusively to the second wavelength conversion element.
  • DE 11 2013 004 405 B4 proposes a preferred embodiment of using a third separate light source, which is coupled in the beam path after the wavelength conversion elements by means of a collimation lens system.
  • the optics required for guiding the beam lead to a complex and large-scale lighting arrangement.
  • US 20190068936 A1 describes an illumination unit with a blue-emitting laser diode array and a wavelength conversion element for emitting fluorescent radiation.
  • a polarization beam splitter is provided in the beam path emanating from the laser diode array, which directs part of the radiation onto a diffuser to create a blue channel and feeds the remaining part to the wavelength conversion element. Since the laser diode array emits linearly polarized radiation, a polarization element is provided in the beam path in front of the polarization beam splitter, which rotates the polarization direction by 90° for part of the radiation.
  • the object of the invention is to specify a laser diode arrangement which makes it possible to simplify the optics for guiding the beam in lighting units of laser projection devices. Furthermore, the laser diode arrangement should be able to be better adapted to different lighting units. Also to be mentioned is an illumination unit with a wavelength conversion element and the laser diode arrangement and a laser projection device accommodating this, the optical components of which for beam guidance can be designed to be small. The object is solved by the features of claim 1 . Advantageous embodiments of the laser diode arrangement are the subject matter of the dependent claims and claims 10 and 11 relate to an illumination unit comprising this and a laser projection device.
  • the starting point of the invention is a laser diode arrangement with a carrier and a laser diode array arranged on it.
  • the laser diode array comprises a first light group with a multiplicity of first laser diodes and a second light group with a multiplicity of second laser diodes, the first light group emitting linearly polarized electromagnetic radiation with a first polarization direction and the second light group emitting linearly polarized electromagnetic radiation with a second polarization direction and the first polarization direction and the second polarization direction are perpendicular to one another.
  • the laser diode arrangement is therefore suitable for use in an illumination unit with a polarization beam splitter, which splits radiation into a blue channel and into an excitation channel for a wavelength conversion element.
  • the laser diode arrangement according to the invention is designed in such a way that the power weighting between the blue channel and the excitation channel can be adapted without additional optics having to be provided for this purpose in the illumination unit receiving the radiation.
  • the first lighting group comprises at least one first laser housing, which accommodates at least one first laser diode
  • the second lighting group comprises at least one second laser housing, which accommodates at least one second laser diode.
  • the number of first laser diodes in the laser diode array corresponds to at least twice the number of second laser diodes, with the first laser diodes and the second laser diodes having the same maximum optical output power.
  • each of the first th and second laser diodes preferably refers to each of the first th and second laser diodes, it being particularly advantageous for the radiation-generating subunits of the first and second laser diodes to be of identical design.
  • electrical wiring for the laser diode array is laid out on the carrier of the laser diode arrangement according to the invention in such a way that the current intensity at the first laser diodes can be adjusted continuously and independently of the current supply to the second laser diodes.
  • the laser diode array with first and second laser diodes of the same power and a different number of light sources for the two directions of polarization leads to a simplification of production technology and at the same time implements the basic setting for the distribution of the radiation intensity for the blue and excitation to be illuminated channels .
  • the number of first laser diodes is at most five times the number of second laser diodes.
  • a first embodiment is based on uniform components for generating radiation with a different orientation on the carrier. Consequently, the first laser diode and the second laser diode are structurally identical and accordingly the first laser housing and the second laser housing are designed to match, with each case having a housing axis that specifies the polarization direction. Therefore, the first laser housing assigned to the first light group are arranged on the carrier in such a way that their housing axes are perpendicular to those of the second laser housing for the second light group, so that the polarization directions are orthogonal.
  • the first laser diode and the second laser diode differ with regard to the semiconductor layer sequence or the optical structure, so that a different polarization direction of the emitted radiation tion resulting from the interior design.
  • the direction of polarization can be brought about by adjusting the optics on the laser housing.
  • the use of different laser diode types leads to simplified wiring for the components on the carrier that then do not have to be rotated.
  • the laser housings each accommodate a laser diode.
  • a protective diode per laser housing.
  • a microlens for collimating the divergent laser radiation can be assigned to each laser housing for a structural unit that is easier to assemble.
  • a microlens array stationary with respect to the common support, spans the laser diode array as a whole. In this way, the laser diode and its associated laser housing can be created in a simplified manner in terms of manufacturing technology.
  • a laser housing holds a plurality of laser diodes, which are advantageously of identical construction.
  • the associated collimation optics can in turn be connected to the individual laser diodes or integrally with the laser housing.
  • electrodes are led out of the respective laser housings.
  • the wiring connected to the electrodes on the carrier is designed in such a way that laser diodes from different lighting groups can be externally controlled independently of one another. If there are several laser diodes per housing, they are preferably supplied with current together. For possible designs, further subgroups of the laser diode array are formed within a light group, for example rows or columns of laser diodes on the carrier, which emit electromagnetic radiation. delivery with a matching direction of polarization.
  • an illumination unit comprises the laser diode arrangement described above.
  • a polarization beam splitter for the lighting unit according to the invention, is arranged in a beam path emanating from the laser diode arrangement and is designed in such a way that the polarized electromagnetic radiation emitted by the first lighting group is directed with the first polarization direction into a beam path leading to the wavelength conversion element and the radiation emitted by the second lighting group polarized electromagnetic radiation with the second polarization direction is fed into a blue channel.
  • the uniformity of the temperature distribution can additionally be improved by a common heat path formed by the carrier.
  • a laser projection device with an imaging system and an illumination unit according to the invention is proposed. This is characterized in particular by a compact size and a simplified optics for the lighting unit.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the laser diode arrangement according to the invention in a plan view.
  • Fig. 2 shows a laser diode for the first embodiment of the laser diode arrangement according to the invention from FIG. 1 in cross section.
  • Fig. 3 shows a cross section of a light source for a second embodiment of the laser diode arrangement according to the invention.
  • Fig. 4 shows the arrangement of the light sources for the second embodiment of the laser diode arrangement according to the invention in a plan view.
  • Fig. 5 shows the electrical wiring for the embodiment shown in FIG.
  • Fig. 6 shows a laser projection device with an illumination system comprising a laser diode arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a laser diode arrangement 1 according to the invention with a laser diode array 2 arranged on a common carrier 9 .
  • a first lighting group 3 can be seen, which has the lights arranged in the first, third, fourth and last row first laser diodes 4.1, 4.n includes. These emit linearly polarized electromagnetic radiation with a first direction of polarization 12.
  • a second lighting group 5 with the second laser diodes 6.1, .
  • the first direction of polarization 12 and the second direction of polarization 13 are perpendicular to one another.
  • First laser diodes 4.1, ..., 4.n and second laser diodes 6.1, ..., 6.m are used with a matching maximum optical output power, the number of first laser diodes N of the laser diode array 2 being at least twice the number of the second Laser diodes M corresponds, so that an asymmetrical radiation intensity for the emission in the two different directions of polarization 12, 13 for the same energization of the laser diodes 6.1, ..., 4.n; 6.1, ..., 6.m results. It is also advantageous if the number of first laser diodes N in the laser diode array 2 is limited to five times the number of second laser diodes M.
  • a preferred embodiment of the first laser diode 4.1 arranged in a first laser housing 14 on a submount 10 is outlined in a cross-sectional view in FIG. Shown is a lateral emission of radiation and a beam deflection at a mirror 11 to form a vertical emission in the direction of the surface normal of the carrier 9.
  • a microlens 8 connected to the first laser housing 14 is used to collimate the divergent laser radiation, with linearly polarized electromagnetic radiation being transmitted to the first Polarization direction 12 is released.
  • the second laser housing 15 and the second laser diode 6.1, ..., 6.m accommodated therein are constructed identically for the first exemplary embodiment, with an arrangement on the carrier 9 with a rotation of the housing axis 18 being made by 90°, so that the second direction of polarization Direction 13 of the second lighting group 5 results, which is perpendicular to the first polarization direction 12.
  • the electrical wiring 16 for the laser diode array 2 is created so that the current at the first laser diodes
  • 6.1, ..., 6.m is continuously and independently adjustable.
  • An electrode arrangement 17 is led out of the respective laser housing 14, 15 for this purpose.
  • the laser diode array comprises 2 modules with multiple light sources.
  • FIG. 3 shows a first laser housing 14 for accommodating the first laser diodes 4.3, . . .
  • the interior of the first laser housing 14.1, 14.2 and the second laser housing 15.1 has a different structure, which is chosen such that the second polarization direction 13 is perpendicular to the first polarization direction 12.
  • a microlens array 19 which is stationary in relation to the common carrier 9 and spans the laser diode array 2 as a whole is used for collimation.
  • the electrode arrangement is used for separate and continuous adjustment of the energization of the two lighting groups 3, 5
  • the refinement shown in FIG. 6 relates to an illumination unit 24 and its integration into a laser projection device 25.
  • the illumination unit 24 comprises a polarization beam splitter 19 , a wavelength conversion element 20 and an overlay optics 21 .
  • the polarization beam splitter 19 directs the radiation emanating from the laser diode arrangement 1 with the first polarization direction to a preferably rotating wavelength conversion element 20 which emits green or red fluorescence radiation 27 by means of the first fluorescence material 22 or the second fluorescence material 23 .
  • the radiation component with the second polarization direction is fed into a blue channel 31 by the polarization beam splitter 19 .
  • the fluorescent materials 22 , 23 are spatially separated from one another.
  • a single, broadband emitting fluorescent material is used. This can be provided specifically for 3LCD systems in which not one, but three image generators (separated according to primary color) are provided and are irradiated with a continuously shining white light source.
  • the beam paths of the primary colors can be separated (not shown) by wavelength-selective optics, for example dichroic mirrors.
  • the fluorescence radiation 27 and the radiation from the blue channel 31 are combined in an illumination beam path 32 .
  • the lighting unit 24 then transmits the radiation to an imaging system 26, which is connected to a controller 34 for projecting an image.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserdiodenanordnung für eine Laserprojektionsvorrichtung, mit einem Träger; einem auf dem Träger angeordneten Laserdioden-Array, umfassend eine erste Leuchtgruppe mit einer Vielzahl erster Laserdioden und eine zweite Leuchtgruppe mit einer Vielzahl zweiter Laserdioden, wobei die erste Leuchtgruppe polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Polarisationsrichtung und die zweite Leuchtgruppe polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Polarisationsrichtung abgeben und die erste Polarisationsrichtung und die zweite Polarisationsrichtung senkrecht aufeinander stehen, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Leuchtgruppe mindestens ein erstes Laser-Gehäuse umfasst, das mindestens eine erste Laserdiode aufnimmt und die zweite Leuchtgruppe mindestens ein zweites Laser-Gehäuse umfasst, das mindestens eine zweite Laserdiode aufnimmt; und die Anzahl ersten Laserdioden des Laserdioden-Arrays mindestens der doppelten Anzahl der zweiten Laserdioden entspricht, wobei die ersten Laserdioden und die zweiten Laserdioden eine übereinstimmende maximale optische Ausgangsleistung aufweisen; und auf dem Träger eine elektrische Verdrahtung für das Laserdioden-Array so angelegt ist, dass die Stromstärke an den ersten Laserdioden kontinuierlich und unabhängig von der Bestromung der zweiten Laserdioden einstellbar ist.

Description

LASERDIODENANORDNUNG , BELEUCHTUNGSEINHEIT UND LASERPROJEKTIONSVORRICHTUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr . 10 2021 102 799 . 3 vom 05 . Februar 2021 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung auf genommen wird .
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserdiodenanordnung, eine diese umfassende Beleuchtungseinheit und eine Laserproj ektionsvorrichtung mit dieser Beleuchtungseinheit .
Die Verwendung von Halbleiterlichtquellen zur Ausleuchtung eines Abbildungssystems in einer Pro ektionsvorrichtung , beispielsweise einer Mikrospiegeleinrichtung ( DMD ) oder einer Flüssigkristallplatte , ist bekannt . Im Vergleich zu großbauenden Beleuchtungsmodulen mit Entladungslampen ermöglichen Halbleiterlichtquellen kompaktere Baugruppen für die Beleuchtung . Neben LEDs ( LED = Light Emitting Diode ) werden als Halbleiterlichtquellen Laserdioden-Arrays verwendet , die sich durch eine verbesserte Standzeit , eine gute Energieeffizienz und eine hohe spektrale Stabilität auszeichnen, sodass leuchtstarke Laserproj ektionsvorrichtungen mit verbesserter Farbsättigung realisierbar sind .
Zur weitreichenden Abdeckung des sichtbaren Spektrums , insbesondere für professionelle Laserproj ektionsvorrichtungen von Lichtspieltheatern, hochwertigen Heimkinos und miniaturisierten Proj ektoren für Smartphones , sind separate , blau, grün oder rot emittierende Lichtquelleneinheiten vorgesehen, die typischerweise räumlich getrennt angeordnet vorliegen und deren Emission mittels einer Strahlkombinationsoptik zusammengeführt werden . Diesbezüglich wird beispielhaft auf US 2020 /0301265 Al verwiesen . Im blauen, grünen und roten Teil des sichtbaren Spektrums emittierende Laserdioden unterscheiden sich nach dem derzeitigen Entwicklungsstand im Hinblick auf die erreichbare Lichtausbeute , wobei Laserdioden auf der Basis von InGaN- Halbleitern mit einem Emissionsmaximum im grün-gelben Teil des sichtbaren Spektrums geringere Stromdichten als blau emittierende vertragen . Des Weiteren stellen Laserdioden für rotes Licht höhere Anforderungen an die thermische Stabilisierung im Vergleich zu Laserdioden für kürzere Wellenlängen . Aus diesen Gründen sind Lichterzeugungsvorrichtungen für Laserproj ektoren mit einer monochromatischen Lichtquelle meist ökonomischer . Diese verwenden üblicherweise leistungsstarke , im Blauen emittierende Laserdioden, die den Blaukanal beschicken und zusätzlich zur Anregung eines Wellenlängenkonversionselements verwendet werden, das elektromagnetische Strahlung im grünen und roten Bereich liefert . Für gattungsgemäße Laserpro ektionsvorrichtungen dienen blaue Laserdioden zur Anregung spektral unterschiedlich fluores zierender Materialien, beispielsweise auf Phosphorbasis . Für eine sequenzielle Erzeugung der Spektralfarben kann als Wellenlängenkonversionselement ein rotierendes Bauteil mit einer Fluores zenzbeschichtung verwendet werden . Ein solches Farbrad wird beispielsweise durch DE 10 2010 003 234 Al offenbart .
DE 11 2013 004 405 B4 beschreibt eine Beleuchtungsanordnung für eine Laserproj ektionsvorrichtung mit zwei ortsfesten, räumlich getrennten Wellenlängenkonversionselementen, die unterschiedlichen Spektralbereichen zugeordnet sind . Damit ist eine gleichzeitige Strahlungsemission im Grünen und Roten möglich, die im weiteren Strahlengang überlagert wird . Zur Anregung der beiden Wellenlängenkonversionselemente dient ein La- serdioden-Array mit zwei alternierend angeordneten Laserdiodentypen, die sich im Hinblick auf die Polarisationsrichtung und/oder dem Spektralband der emittierten elektromagnetischen Strahlung unterscheiden . Eine im Strahlengang zwischen dem La- serdioden-Array und den Wellenlängenkonversionselementen ange- ordnete Strahlteileroptik nutzt diesen Unterschied der Emissionscharakteristik, sodass Strahlung vom ersten Laserdiodentyp ausschließlich dem ersten Wellenlängenkonversionselement und vom zweiten Laserdiodentyp ausschließlich dem zweiten Wellenlängenkonversionselement zugeleitet wird . Für den blauen Anteil der Beleuchtung schlägt DE 11 2013 004 405 B4 für eine bevorzugte Ausführung vor , eine dritte separate Lichtquelle zu verwenden, die im Strahlengang nach den Wellenlängenkonversionselementen mittels eines Kollimationslinsensystems eingekoppelt wird . Die zur Strahlführung notwendige Optik führt zu einer komplexen und großbauenden Beleuchtungsanordnung .
US 20190068936 Al beschreibt eine Beleuchtungseinheit mit einem blau emittierenden Laserdioden-Array und einem Wellenlängenkonversionselement zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung . Im vom Laserdioden-Array ausgehenden Strahlengang ist ein Polarisationsstrahlteiler vorgesehen, der einen Teil der Strahlung auf einen Diffusor zur Schaffung eines Blaukanals richtet und den restlichen Teil dem Wellenlängenkonversionselement zuführt . Da das Laserdioden-Array linear polarisierte Strahlung abgibt , ist im Strahlengang vor dem Polarisationsstrahlteiler ein Polarisationselement vorgesehen, das für einen Teil der Strahlung die Polarisationsrichtung um 90 ° dreht .
Der Erfindung liegt als eine Aufgabe zugrunde , eine Laserdiodenanordnung anzugeben, die es ermöglicht , die Optiken zur Strahlführung in Beleuchtungseinheiten von Laserproj ektionsvorrichtungen zu vereinfachen . Des Weiteren soll eine verbesserte Anpassbarkeit die Laserdiodenanordnung an unterschiedliche Beleuchtungseinheiten gegeben sein . Ferner sind eine Beleuchtungseinheit mit einem Wellenlängenkonversionselement und der Laserdiodenanordnung und eine diese aufnehmende Laserproektionsvorrichtung zu nennen, deren optische Komponenten zur Strahlführung kleinbauend ausgeführt werden können . Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausführungen der Laserdiodenanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche und Ansprüche 10 und 11 betreffen eine diese umfassende Beleuchtungseinheit und eine Laserproj ektionsvorrichtung .
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Laserdiodenanordnung mit einem Träger und einem auf diesem angeordneten Laserdioden- Array . Das Laserdioden-Array umfasst eine erste Leuchtgruppe mit einer Vielzahl erster Laserdioden und eine zweite Leuchtgruppe mit einer Vielzahl zweiter Laserdioden, wobei die erste Leuchtgruppe linear polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Polarisationsrichtung und die zweite Leuchtgruppe linear polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Polarisationsrichtung abgeben und die erste Polarisationsrichtung und die zweite Polarisationsrichtung senkrecht aufeinander stehen . Damit ist die Laserdiodenanordnung für den Einsatz in einer Beleuchtungseinheit mit einem Polarisationsstrahlteiler geeignet , der Strahlung in einen Blaukanal und in einen Anregungskanal für ein Wellenlängenkonversionselement auf teilt .
Zusätzlich ist die erfindungsgemäße Laserdiodenanordnung so angelegt , dass die Leistungsgewichtung zwischen Blaukanal und Anregungs kanal anpassbar ist , ohne dass hierfür Zusatzoptiken in der die Strahlung aufnehmenden Beleuchtungseinheit vorgesehen sein müssen . Hierzu umfasst die erste Leuchtgruppe mindestens ein erstes Laser-Gehäuse , das mindestens eine erste Laserdiode auf nimmt , und die zweite Leuchtgruppe umfasst mindestens ein zweites Laser-Gehäuse , das mindestens eine zweite Laserdiode auf nimmt . Von diesem modularen Aufbau ausgehend, entspricht die Anzahl der ersten Laserdioden des Laserdioden- Arrays mindestens der doppelten Anzahl der zweiten Laserdioden, wobei die ersten Laserdioden und die zweiten Laserdioden eine übereinstimmende maximale optische Ausgangsleistung aufweisen . Dies bezieht sich bevorzugt auf j ede einzelne der ers- ten und zweiten Laserdioden, wobei besonders vorteilhaft ist die Strahlungserzeugenden Untereinheiten der ersten und zweiten Laserdioden identische auszubilden . Des Weiteren ist auf dem Träger der erfindungsgemäßen Laserdiodenanordnung eine elektrische Verdrahtung für das Laserdioden-Array so angelegt , dass die Stromstärke an den ersten Laserdioden kontinuierlich und unabhängig von der Bestromung der zweiten Laserdioden einstellbar ist .
Das Laserdioden-Array mit leistungsgleichen ersten und zweiten Laserdioden und einer unterschiedlichen Lichtquellenanzahl für die beiden Polarisationsrichtungen, führt in Verbindung mit einem modularen Gehäuse-Konzept zu einer fertigungstechnischen Vereinfachung und realisiert zugleich die Grundeinstellung für die Aufteilung der Strahlungsintensität für die aus zuleuchtenden Blau- und Anregungs kanäle . Dabei beträgt für eine bevorzugte Ausführung die Anzahl der ersten Laserdioden höchstens das Fünffache der Anzahl der zweiten Laserdioden .
Eine erste Ausführung geht von einheitlichen Bauteilen für die Strahlungserzeugung mit einer unterschiedlichen Orientierung auf dem Träger aus . Mithin sind die erste Laserdiode und die zweite Laserdiode baugleich und entsprechend werden das erste Laser-Gehäuse und das zweite Laser-Gehäuse übereinstimmend ausgestaltet , wobei j eweils eine Gehäuseachse vorliegt , die die Polarisationsrichtung vorgibt . Daher sind die der ersten Leuchtgruppe zugeordneten ersten Laser-Gehäuse so auf dem Träger angeordnet , dass deren Gehäuseachsen rechtwinklig zu j enen der zweiten Laser-Gehäuse für die zweiten Leuchtgruppe stehen, sodass die Orthogonalität der Polarisationsrichtungen gegeben ist .
Für eine vorteilhafte zweite Ausführung unterscheiden sich die erste Laserdiode und die zweite Laserdiode im Hinblick auf die Halbleiterschichtfolge oder den optischen Aufbau, sodass eine unterschiedliche Polarisationsrichtung der emittierten Strah- lung durch die innere Gestaltung resultiert . Alternativ kann die Polarisationsrichtung durch eine Anpassung der Optiken an den Laser-Gehäusen bewirkt werden . Die Verwendung unterschiedlicher Laserdiodentypen führt zu einer vereinfachten Verdrahtung für die dann nicht zu drehenden Bauteile auf dem Träger .
Bevorzugt wird eine Ausgestaltung , für die die Laser-Gehäuse j eweils eine Laserdiode aufnehmen . Typischerweise liegt zusätzlich eine Schutzdiode pro Laser-Gehäuse vor . Ist ferner eine vertikale Emission aus dem Laser-Gehäuse vorgesehen, kann für eine vereinfacht zu montierende Baueinheit j edem Laser- Gehäuse eine Mikrolinse zur Kollimation der divergenten Laserstrahlung zugeordnet werden . Für eine Variante überspannt ein Mikrolinsen-Array, das gegenüber dem gemeinsamen Träger ortsfest ist , das Laserdioden-Array als Ganzes . Damit können die Laserdiode und ihre zugeordneten Laser-Gehäuse fertigungstechnisch vereinfacht angelegt werden .
Für eine bevorzugte Ausführungsalternative fasst ein Laser- Gehäuse mehrere Laserdioden, die vorteilhafterweise baugleich ausgeführt sind . Die zugehörige Kollimationsoptik kann wiederum mit den einzelnen Laserdioden oder integral mit dem Laser- Gehäuses verbunden sein . Vorteilhafterweise liegt pro Laser- Gehäuse eine Schutzdiode vor .
Zur kontinuierlichen Anpassbarkeit der den Laserdioden zugeführten Stromstärke , werden Elektroden aus den j eweiligen Laser-Gehäusen herausgeführt . Dabei ist die an die Elektroden auf dem Träger anschließende Verdrahtung so ausgestaltet , dass Laserdioden aus unterschiedlichen Leuchtgruppen unabhängig voneinander extern ansteuerbar sind . Liegen mehrere Laserdioden pro Gehäuse vor , werden diese bevorzugt gemeinsam bestromt . Für mögliche Ausführungen werden innerhalb einer Leuchtgruppe weitere Untergruppen des Laserdioden-Arrays gebildet , beispielsweise zeilen- oder spaltenförmige Anordnungen von Laserdioden auf dem Träger, die elektromagnetische Strah- lung mit einer übereinstimmenden Polarisationsrichtung abgeben .
Für eine Weiterführung der Erfindung umfasst eine Beleuchtungseinheit die voranstehend beschriebene Laserdiodenanordnung . Zusätzlich liegen ein Polarisationsstrahlteiler , ein Wellenlängenkonversionselement und eine Überlagerungsoptik vor . Für die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit wird der Polarisationsstrahlteiler in einem von der Laserdiodenanordnung ausgehenden Strahlengang angeordnet und so ausgebildet , dass die von der ersten Leuchtgruppe emittierte , polarisierte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Polarisationsrichtung in einen zum Wellenlängenkonversionselement führenden Strahlengang gelenkt wird und die von der zweiten Leuchtgruppe emittierte , polarisierte elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Polarisationsrichtung in einen Blaukanal eingespeist wird .
Dabei kann mit der Grundeinstellung für die Verteilung der Leuchtintensität auf die beiden Kanäle , aufgrund der mindestens doppelten Anzahl der ersten Laserdioden gegenüber der Anzahl der zweiten Laserdioden und dem Ansatz einer übereinstimmenden maximalen optischen Ausgangsleistung für die ersten und zweiten Laserdioden, eine stärkere Grundgewichtung des Anregungs kanals für das Wellenlängenkonversionselement festgelegt werden . Mit dem zusätzlichen Merkmal , wonach die Stromstärke an den ersten Laserdioden kontinuierlich und unabhängig von der Bestromung der zweiten Laserdioden einstellbar ist , bleibt eine zeitlich variable Leistungsführung möglich, wobei im zeitlichen Mittel die Leistungsaufnahme nicht zu einer inhomogenen Temperaturverteilung im Laserdioden-Array führt , sodass ein thermisch stabiler Betrieb der Laserdiodenanordnung vereinfacht wird . Die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung kann zusätzlich durch einen durch den Träger gebildeten gemeinsamen Wärmepfad verbessert werden . Gemäß einer Weiterführung der Erfindung wird eine Laserproj ektionsvorrichtung mit einem Abbildungssystem und einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit vorgeschlagen . Diese zeichnet sich insbesondere durch eine kompakte Baugröße und eine vereinfacht ausgestaltete Optik für die Beleuchtungseinheit aus .
Nachfolgend sind beispielhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung im Zusammenhang mit Figurendarstellungen erläutert .
Diese zeigen, j eweils schematisch, Folgendes :
Fig . 1 zeigt eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Laserdiodenanordnung in Aufsicht .
Fig . 2 zeigt eine Laserdiode für die erste Ausführung der erfindungsgemäßen Laserdiodenanordnung aus Figur 1 im Querschnitt .
Fig . 3 zeigt eine Lichtquelle für eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Laserdiodenanordnung im Querschnitt .
Fig . 4 zeigt die Anordnung der Lichtquellen für die zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Laserdiodenanordnung in Aufsicht .
Fig . 5 zeigt die elektrische Verschaltung für die in Figur 4 gezeigte Ausführung .
Fig . 6 zeigt eine Laserproj ektionsvorrichtung mit einem eine erfindungsgemäße Laserdiodenanordnung umfassenden Beleuchtungssystem.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Laserdiodenanordnung 1 mit einem auf einem gemeinsamen Träger 9 angeordneten Laserdioden- Array 2 . Ersichtlich ist eine erste Leuchtgruppe 3 , die die in der ersten, dritten, vierten und letzten Zeile angeordneten, ersten Laserdioden 4.1, 4.n umfasst. Diese emittieren linear polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Polarisationsrichtung 12. Eine zweite Leuchtgruppe 5 mit den zweiten Laserdioden 6.1, ..., 6.m in der zweiten und fünften Zeile der Anordnung gibt linear polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Polarisationsrichtung 13 ab. Die erste Polarisationsrichtung 12 und die zweite Polarisationsrichtung 13 stehen senkrecht aufeinander.
Verwendet werden erste Laserdioden 4.1, ..., 4.n und zweite Laserdioden 6.1, ..., 6.m mit einer übereinstimmenden maximalen optischen Ausgangsleistung, wobei die Anzahl der ersten Laserdioden N des Laserdioden-Arrays 2 mindestens der doppelten Anzahl der zweiten Laserdioden M entspricht, sodass eine asymmetrische Strahlungsintensität für die Emission in die beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtung 12, 13 für die gleiche Bestromung der Laserdioden 6.1, ..., 4.n; 6.1, ..., 6.m resultiert. Vorteilhaft ist ferner, wenn die Anzahl der ersten Laserdioden N des Laserdioden-Arrays 2 auf das Fünffache der Anzahl der zweiter Laserdioden M begrenzt ist.
Eine bevorzugte Ausführung der in einem ersten Laser-Gehäuse 14 auf einem Submount 10 angeordneten ersten Laserdiode 4.1 ist in Figur 2 in Querschnittsansicht skizziert. Dargestellt wird eine laterale Strahlungsabgabe und eine Strahlumlenkung an einem Spiegel 11 zur Ausbildung einer Vertikalemission in Richtung der Flächennormale des Träges 9. Zur Kollimation der divergenten Laserstrahlung dient eine mit dem ersten Laser- Gehäuse 14 verbundene Mikrolinse 8, wobei linear polarisierte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Polarisationsrichtung 12 abgegeben wird. Das zweite Laser-Gehäuse 15 und die darin aufgenommene zweite Laserdiode 6.1, ..., 6.m sind für das erste Ausführungsbeispiel baugleich angelegt, wobei eine Anordnung auf dem Träger 9 mit einer Drehung der Gehäuseachse 18 um 90° vorgenommen wird, sodass die zweite Polarisationsrich- tung 13 der zweiten Leuchtgruppe 5 resultiert, die senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung 12 steht.
Die elektrische Verdrahtung 16 für das Laserdioden-Array 2 ist so angelegt, dass die Stromstärke an den ersten Laserdioden
4.1, ..., 4.n und entsprechend an den der zweiten Laserdioden
6.1, ..., 6.m kontinuierlich und jeweils unabhängig einstellbar ist. Zu diesem Zweck wird eine Elektrodenanordnung 17 aus den jeweiligen Laser-Gehäuse 14, 15 herausgeführt.
Für eine bevorzugte zweite Ausführung umfasst das Laserdioden- Array 2 Module mit mehreren Lichtquellen. Figur 3 zeigt hierzu ein erstes Laser-Gehäuse 14 zur Aufnahme der baugleichen ersten Laserdioden 4.3, ..., 4.6, die jeweils elektromagnetische Strahlung mit der ersten Polarisationsrichtung 12 emittieren. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass im Innern des ersten Laser- Gehäuses 14.1, 14.2 und des zweiten Laser-Gehäuses 15.1 ein unterschiedlicher Aufbau vorliegt, der so gewählt ist, dass die zweite Polarisationsrichtung 13 senkrecht auf der ersten Polarisationsrichtung 12 steht. Zur Kollimierung wird ein gegenüber dem gemeinsamen Träger 9 ortsfest angelegtes Mikrolin- sen-Array 19 verwendet, das das Laserdioden-Array 2 als Ganzes überspannt .
Zur getrennten und kontinuierlichen Einstellung der Bestromung der beiden Leuchtgruppen 3, 5 wird die Elektrodenanordnung
17.1, 17.2, wie in Figur 5 dargestellt, jeweils aus den Laser-
Gehäusen 14.1, 14.2, 15.1 herausgeführt. Dabei können Untergruppierungen innerhalb einer Leuchtgruppe 3, 5 gemeinsam angesteuert werden. Des Weiteren liegt eine Schutzdiode 36 vor, die zusätzlich in jedem der Laser-Gehäuse 14.1, 14.2, 15.1 auf genommen wird.
Die in Figur 6 gezeigte Weitergestaltung betrifft eine Beleuchtungseinheit 24 und deren Integration in eine Laserprojektionsvorrichtung 25. Zusätzlich zur voranstehend beschrie- benen, erfindungsgemäßen Laserdiodenanordnung 1 umfasst die Beleuchtungseinheit 24 einen Polarisationsstrahlteiler 19 , eine Wellenlängenkonversionselement 20 und eine Überlagerungsoptik 21 . Dabei lenkt der Polarisationsstrahlteiler 19 die von der Laserdiodenanordnung 1 ausgehende Strahlung mit der ersten der Polarisationsrichtung zu einem vorzugsweise rotierenden Wellenlängenkonversionselement 20 , das mittels des ersten Fluoreszenzmaterials 22 oder des zweiten Fluores zenzmaterials 23 grüne oder rote Fluoreszenzstrahlung 27 abgibt . Der Strahlungsanteil mit der zweiten Polarisationsrichtung wird vom Polarisationsstrahlteiler 19 in einen Blaukanal 31 eingespeist .
In der dargestellten Variante sind die Fluoreszenzmaterialen 22 , 23 räumlich voneinander getrennt . In einer abgewandelten Variante ist keine räumliche Trennung der Fluores zenzmaterialien, wie etwa des ersten Fluores zenzmaterials 22 und des zweiten Fluores zenzmaterials 23 , auf dem Konversionselement 29 vorgesehen ( nicht dargestellt ) . In einer weiteren abgewandelten Variante wird ein einziges , breitbandig emittierendes Fluoreszenzmaterial verwendet . Dies kann speziell für 3LCD Systeme vorgesehen sein, bei denen nicht ein, sondern drei Bildgeber ( getrennt nach Grundfarbe ) vorgesehen sind und mit einer kontinuierlich leuchtenden Weißlichtquelle bestrahlt werden . Die Strahlengänge der Grundfarben können dabei durch wellenlängenselektive Optiken, zum Beispiel di-chroitische Spiegel , getrennt sein ( nicht gezeigt ) .
Die Fluores zenzstrahlung 27 und die Strahlung aus dem Blaukanal 31 werden in einen Beleuchtungsstrahlengang 32 vereint . Die Beleuchtungseinheit 24 gibt dann die Strahlung an ein Abbildungssystem 26 weiter, die zur Proj ektion eines Bildes mit einer Steuerung 34 verbunden ist . Damit resultiert eine Laserpro ektionsvorrichtung 25 mit einer vereinfachten Optik zur Strahlführung und einer kompakten Beleuchtungseinheit 24 , die die erfindungsgemäße Laserdiodenanordnung 1 zur Erzeugung unterschiedlich gewichteter Polarisationsanteile umfasst .
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Laserdiodenanordnung
2 Laserdioden-Array
3 erste Leuchtgruppe
4.1, 4.2,
..., 4. n erste Laserdiode
5 zweite Leuchtgruppe
6.1, 6.2,
..., 6.m zweite Laserdiode
7 Gehäuse
8 Mikrolinse
9 Träger
10 Submount
11 Spiegel
12 erste Polarisationsrichtung
13 zweite Polarisationsrichtung
14, 14.1,
14.2 erstes Laser-Gehäuse
15, 15.1 zweites Laser-Gehäuse
16 elektrische Verdrahtung
17, 17.1
17.2 Elektrodenanordnung
18 Gehäuseachse
19 Polarisationsstrahlteiler
20 We llenlängen ko nversionse lerne nt
21 Überlagerungsoptik
22 erstes Fluoreszenzmaterial
23 zweites Fluoreszenzmaterial
24 Beleuchtungseinheit
25 Laserprojektionsvorrichtung
26 Abbildungssystem
27 Fluoreszenzstrahlung
28 Beleuchtungseinheit
29 We llenlängen ko nversionse lerne nt 30 zum Wellenlängenkonversionselement führenden Strahlengang
31 Blaukanal
32 Beleuchtungsstrahlengang 34 Steuerung
35 Mikrolinsen-Array
36 Schutzdiode
N Anzahl der ersten Laserdioden M Anzahl der zweiten Laserdioden

Claims

PATENTANS PRÜCHE Laserdiodenanordnung (1) für eine Laserprojektionsvorrichtung, mit einem Träger (9) ; einem auf dem Träger (9) angeordneten Laserdioden-Array (2) , umfassend eine erste Leuchtgruppe (3) mit einer Vielzahl erster Laserdioden (4.1, ..., 4.n) und eine zweite Leuchtgruppe (5) mit einer Vielzahl zweiter Laserdioden (6.1, ..., 6.m) , wobei die erste Leuchtgruppe (3) linear polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Polarisationsrichtung (12) und die zweite Leuchtgruppe (5) linear polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Polarisationsrichtung (13) abgeben und die erste Polarisationsrichtung (12) und die zweite Polarisationsrichtung (13) senkrecht aufeinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leuchtgruppe (3) mindestens ein erstes Laser- Gehäuse (14) umfasst, das mindestens eine erste Laser diode (4.1, ..., 4.n) aufnimmt und die zweite Leuchtgruppe (3) mindestens ein zweites Laser-Gehäuse (15) umfasst, das mindestens eine zweite Laserdiode (6.1, ..., 6.m) auf nimmt; und die Anzahl der ersten Laserdioden (N) des Laserdioden- Arrays (2) mindestens der doppelten Anzahl der zweiten Laserdioden (M) entspricht, wobei die ersten Laserdioden (4.1, ..., 4.n) und die zweiten Laserdioden (6.1, ..., 6.m) eine übereinstimmende maximale optische Ausgangsleistung aufweisen; und auf dem Träger (9) eine elektrische Verdrahtung (16) für das Laserdioden-Array (2) so angelegt ist, dass die Stromstärke an den ersten Laserdioden (4.1, ..., 4.n) kontinuierlich und unabhängig von der Bestromung der zweiten Laserdioden (6.1, ..., 6.m) einstellbar ist. Laserdiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der ersten Laserdioden (n) des Laserdioden-Arrays (2) höchstens der fünffachen Anzahl der zweiten Laserdioden (m) entspricht . Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laserdiode (4.1, ..., 4.n) und die zweite Laserdiode (6.1, ..., 6.m) baugleich und das erste Laser-Gehäuse (14) und das zweite Laser-Gehäuse (15) übereinstimmend ausgestaltet sind, wobei jeweils eine Gehäuseachse (18) vorliegt, die die Polarisationsrichtung (12, 13) vorgibt, und die der ersten Leuchtgruppe (3) zugeordneten ersten Laser- Gehäuse (14) so auf dem Träger (9) angeordnet sind, dass deren Gehäuseachsen (18) rechtwinklig zu jenen der zweiten Laser-Gehäuse (15) für die zweite Leuchtgruppe (5) stehen. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laserdiode (4.1, ..., 4.n) und die zweite Laserdiode (6.1, ..., 6.m) einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen und/oder das erste Laser-Gehäuse (14) und das zweite Laser-Gehäuse (15) unterschiedlich ausgestaltet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Laser-Gehäuse (14) eine einzelne erste Laserdiode (4.1, ..., 4.n) und/oder das zweite Laser-Gehäuse (15) eine einzelne zweite Laserdiode (6.1, ..., 6.m) aufnehmen. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 , - 17 - dadurch gekennzeichnet, dass das erste Laser-Gehäuse (14) mehrere baugleiche erste Laserdioden (4.1, ..., 4.n) und/oder das zweite Laser-Gehäuse (15) mehrere baugleiche zweite Laserdioden (6.1, ..., 6.m) aufnehmen. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Laser-Gehäuse (14, 15) eine oder mehrere Mikrolinsen (8) zugeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gegenüber dem gemeinsamen Träger (9) ortsfestes Mikrolinsen-Array (35) vorliegt, das das Laserdioden-Array (2) als Ganzes überspannt . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenanordnung (17) zur elektrischen Kontaktierung vorliegen, die aus dem jeweiligen Laser-Gehäuse (14, 15) herausgeführt ist . Beleuchtungseinheit umfassend eine Laserdiodenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9; einen Polarisationsstrahlteiler (19) ; eine Wellenlängenkonversionselement (20) ; und eine Überlagerungsoptik (21) , wobei der Polarisationsstrahlteiler (19) in einem von der Laserdiodenanordnung (1) ausgehenden Strahlengang angeordnet und so ausgebildet ist, dass die von der ersten Leuchtgruppe (3) emittierte, polarisierte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Polarisationsrichtung (12) in einen zum Wellenlängenkonversionsele- 18 ment (20) führenden Strahlengang (30) gelenkt wird und die von der zweiten Leuchtgruppe (5) emittierte, polarisierte elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Polarisationsrichtung (13) in einen Blaukanal (31) ein- gespeist wird; und die Überlagerungsoptik (21) eine vom Wellenlängenkonversionselement (20) abgebende Fluoreszenzstrahlung (27) und die Strahlung aus dem Blaukanal (31) in einen Beleuchtungsstrahlengang (32) vereint. Laserprojektionsvorrichtung mit einem Abbildungssystem und einer Beleuchtungseinheit (24) nach Anspruch 10 für die Ausleuchtung eines Abbildungs systems (26) .
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