WO2020187724A1 - Vorrichtung und verfahren zur projektion einer mehrzahl von strahlungspunkten auf eine objektoberfläche - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur projektion einer mehrzahl von strahlungspunkten auf eine objektoberfläche Download PDF

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Harald Koenig
Alfred Lell
Muhammad Ali
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    • H01S5/4093—Red, green and blue [RGB] generated directly by laser action or by a combination of laser action with nonlinear frequency conversion

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for projecting a plurality of radiation points onto an object surface or for radiating the plurality of radiation points, for example for the purpose of distance measurement or obstacle detection in a LIDAR system.
  • a radiation source is provided which has a plurality of emitters for emitting electromagnetic radiation. The radiation emitted at least temporarily by the emitters is directed onto the object surface via a beam path, a control being provided which controls the radiation source to change at least one property of the emitted radiation as a function of a light object to be generated on the object surface.
  • Both projectors that generate an image on a projection surface and devices that direct electromagnetic radiation specifically onto the object surface for processing an object surface are known from the prior art. What these devices have in common is that electromagnetic radiation generated by a radiation source is directed with the aid of at least one optical element via a beam path in a targeted manner onto an object surface arranged at a distance from the radiation source.
  • the known projectors for large-area image generation are comparatively large and not very energy efficient. If lasers are used for projection, the laser diodes used are particularly exposed to high loads due to the fast modulation. With the projectors or beamers currently in use, which have a laser light source, two different functional principles are used.
  • DE 10 2014 216 390 A1 discloses a projector for projecting a pattern onto at least a partial area of an object surface of an object.
  • the projector has a plurality of light sources and a microlens array.
  • the individual microlenses of the microlens array are each assigned to one of the light sources and optically coupled to it, so that individual pairs for beam generation and beam shaping are formed. It is essential for the technical solution described that the individual light sources are designed as lasers.
  • a laser diode which has a semiconductor layer sequence on a substrate, where the semiconductor layer sequence has at least one active layer set up to generate laser light, and where at least one filter layer is provided, which is designed to scatter and / or absorb light that propagates in the semiconductor layer sequence and / or the substrate in addition to the laser light.
  • the present invention is based on the objective of projecting a radiation object onto an object surface with comparatively simple technical means , whereby at the same time a high image resolution and fast image sequence should be made possible.
  • the technical solution to be specified should, in particular, be robust and allow operation with as little wear as possible.
  • the object described above is achieved with a device according to the features of claim 1 and a method according to the features of claim 15.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims and are explained in more detail in the following description with partial reference to the figures.
  • the invention relates to a device for projecting a plurality of radiation points onto an object surface with at least one radiation source which has a plurality of Emit tern for emitting electromagnetic radiation.
  • the radiation emitted at least temporarily by the emitters of the radiation source is directed onto the object surface via at least one beam path, a control being provided which, for changing at least one property of the emitted radiation, controls the radiation source as a function of a radiation or light to be generated on the object surface object controls.
  • the device has been developed in such a way that at least two of the plurality of emitters of the radiation source are individually controlled by the controller depending on the radiation or light object to be generated to change at least one property of the emitted radiation and that in the beam path at least one object element for shaping , Steering and / or conversion of the electromagnetic radiation is arranged.
  • the technical solution according to the invention is thus initially characterized in that a plurality of emitters is provided, whereby it is preferably up to 20, up to 50, up to 100 or up to 200 light sources, which are particularly preferably designed as laser diodes, that are individually controllable by the control and are arranged in a comparatively small space.
  • a plurality of emitters is provided, whereby it is preferably up to 20, up to 50, up to 100 or up to 200 light sources, which are particularly preferably designed as laser diodes, that are individually controllable by the control and are arranged in a comparatively small space.
  • individually controllable light sources of a radiation source it is possible to generate radiation objects with a large number of different pixels in a short time sequence and with high resolution on an object surface, in particular a projection surface, such as a screen, in a comparatively simple manner.
  • the invention provides for at least one optical element to be provided in the beam path between the individual emitters of the radiation source and the object surface on which a large number of pixels are generated, which forms the electromagnetic radiation emitted by at least two of the plurality of emitters, directs and / or converts.
  • the electromagnetic radiation is converted if the at least one optical element is designed as a converter element with converter material, with the converter material emitting radiation, in particular visible light, due to the excitation by the incident electromagnetic radiation, the wavelength of which is different from the wavelength of the exciting electromagnetic radiation differs.
  • Optikele elements such as microlenses, micro-opto-electro-mechanical systems, rotating mirrors and / or galvo scanners, alternatively or in addition to directing and / or shaping the radiation generated by excitation, in particular from red, green and / or blue light, are used and are arranged at the appropriate point in the beam path.
  • the device according to the invention can be used in connection with a LIDAR system, in particular as a component of a LIDAR system.
  • LIDAR stands for "light detection and ranging".
  • the object surface can be viewed as an imaginary object surface that can be located, for example, at a distance in front of a vehicle.
  • Backscattered radiation from an object lying in the object surface can be detected by means of an associated detector
  • a distance measurement to the object or an obstacle detection can take place on the basis of detected radiation that is reflected back.
  • the wavelength of the emitted radiation is preferably in the range between 750 nm and 1200 nm.
  • At least two of the plurality of emitters are part of a laser bar.
  • laser bars offer the advantage that a very compact structure of a radiation source with a plurality of different light sources is made possible at the chip or component level.
  • the use of at least one laser bar with at least two individually controllable light sources is particularly advantageous since individually controllable emitters of a radiation source can be combined in a narrow space with suitable optical elements arranged in the beam path.
  • each of the at least two individually controllable emitters of a radiation source is assigned at least one optical element in the beam path between the respective emitter and the object surface, which deflects, shapes and / or converts the radiation emitted by the emitter.
  • a pair or unit formed from an emitter and at least one optical element each emits either red, green or blue light. If a device according to the invention has several such pairs that at least partially emit red, green or blue or optionally yellow light, it is possible to add any light with other colors by appropriately mixing the light with the three colors of the RGB color space produce.
  • the additional use of a fourth color, in particular yellow light enables a color triangle to be spanned in an improved manner. This allows more brilliant images to be generated.
  • the additional use of a fourth color, such as yellow can be used in particular in connection with "cinema" applications.
  • At least two of the plurality of emitters are arranged at a distance from one another and along a line in a vertical or horizontal plane.
  • image points arranged in a row can be projected onto an object surface in a preferred manner.
  • this movement is initiated in a targeted manner with the aid of a control unit, which is preferably part of the emitter control.
  • a control unit which is preferably part of the emitter control.
  • At least two of the plurality of emitters are individually controllable and electrically conductive are connected to a common cathode.
  • a particularly compact structure of a radiation source By connecting a plurality of emitters to a common cathode, a particularly space-saving layered structure can be achieved of laser diodes that are part of a laser bar.
  • At least one of the plurality of emitters emits light with a wavelength between approximately 380 and 490 nm.
  • Such an emitter thus emits blue, violet or ultraviolet light which, according to a special development, is converted into radiation with a wavelength that differs from the excitation radiation with the aid of a converter element arranged in the beam path.
  • the converter element is advantageously designed in such a way that it is excited to emit visible red, blue or green light due to the excitation by the blue, violet or ultraviolet light emitted by the emitter.
  • the converter element has a suitable converter material which, when excited by the electromagnetic radiation, emits light with a wavelength that is different from the wavelength of the electromagnetic radiation causing the excitation.
  • the converter elements are preferably designed and arranged in such a way that they emit red, green and blue light, which is then mixed so that patterns and images with different colors can be displayed on an object surface, for example a canvas, with a projection device designed in this way.
  • the object surface has converter material at least in some areas which, due to an incident, a first Radiation having a wavelength, radiation with a second, different wavelengths from the first wavelength emit.
  • Optical elements are arranged in the respective beam paths between the emitters and the object surface so that the excitation radiation is specifically directed to the required sub-areas of the object surface, whereby these are microlenses, micro-opto-electro-mechanical systems, rotating mirrors, galvo scanners and / or other elements to guide the beam. Due to the provision of converter material on different partial areas of the object surface, different colors or color patterns are generated directly on the object surface in this special embodiment of the invention due to the excitation by the impact of the excitation radiation.
  • control is designed as belonging to an integrated circuit (IC), in particular to an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • IC integrated circuit
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the integrated circuit (IC) used contains not only the control and possibly the driver logic for the individual emitters, but also elements for converting the image signal for the majority of emitters, such as the laser of a laser bar, sensors for monitoring the radiation source and, for example / or the individual emitters, preferably including the possibility of regulating certain parameters such as temperature, voltage, current strength and / or optical power and / or a digital interface, such as an HDMI interface, so that only one image signal has to be fed in .
  • Integrated circuits that come with a silicon substrate have been applied, for use where the control is directly or indirectly connected to the emitters to be controlled.
  • a corresponding connection can optionally have individual wires, bond pads and / or specifically applied and structured miniaturizations.
  • An efficient and space-saving arrangement of the controller provides that the integrated circuit is located in or on a substrate via which heat is at least temporarily dissipated from at least one of the plurality of emitters.
  • a heat-conducting or heat-dissipating element is also referred to as a heat sink or heat spreader.
  • heat is preferably dissipated via a heat sink, in particular a heat sink made of a material with a high thermal conductivity, such as silicon carbide (SiC), aluminum nitride (A1N), copper-tungsten (CuW), diamond, Diamond-like carbon (DLC), boron nitride (BN).
  • the heat sink can at least be in contact with one or a plurality of emitters, so that the heat generated at the emitters during light generation is dissipated via the heat sink.
  • the heat derived from the respective light source of a radiation source is finally fed to a heat exchanger in which this heat is transferred to a heat transfer medium, for example a directed air flow or water, and is released from this to the environment.
  • a heat transfer medium for example a directed air flow or water
  • At least one of the plurality of emitters can light with at least one wavelength im emit infrared spectral range.
  • the device can thus be used in applications in the infrared spectral range.
  • at least one converter element with a converter material can be arranged which, when excited by the electromagnetic radiation, emits light with a wavelength that is different from the wavelength of the electromagnetic radiation causing the excitation, the converter element being designed for this purpose to emit light with at least one wavelength in the infrared spectral range. Infrared radiation can thus also be generated by conversion.
  • the infrared radiation is preferably in the near-infrared spectral range with wavelengths between 750 nm and 1 gm, preferably between 750 nm and 1.5 gm, more preferably between 750 nm and 2 gm, and even more preferably between 750 nm and 3 gm.
  • At least one of the plurality of emitters emits light with one wavelength and at least one further emitter of the plurality of emitters emits light with a different wavelength, the difference between the two wavelengths being smaller than a predetermined difference value, for example 50 nm , 40 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm or 15 nm.
  • the emitters can be arranged on a laser bar or on different laser bars.
  • the blue light can consist of 445nm or 465nm, the green light of 525 and 545nm and the red light of 637nm or 657nm.
  • 3D cinema for example, it can be used to ensure that the image signal of the left eye differs from that of the right eye via appropriate filters in the glasses, thereby creating a 3D impression.
  • a special advantageous embodiment of a dual head 3D cinema can be generated using so-called 6P technology.
  • At least two converter elements with a respective converter material can be arranged in the beam path, with the respective converter material emitting light with a wavelength that is different from the wavelength of the electromagnetic radiation causing the excitation, one of the Converter elements emit light with at least one wavelength, and the other converter element emits light with a different wavelength, the difference between the two wavelengths being less than a predetermined difference value, for example 50 nm, 40 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm or 15 nm.
  • the converter elements can be illuminated by the same or different laser bars.
  • the device can thus have laser bars and / or converter elements arranged downstream of the laser bars, by means of which light with slightly different colors can be generated. For example, blue light can be generated at 450 nm and 465 nm.
  • the colors can be very similar to the eye of a user.
  • one color can be supplied to one eye and the other color to the other eye. This creates a 3-D effect, similar to conventional 3-D systems that work with polarization filters.
  • the emitters can preferably be implemented as semiconductor laser diodes.
  • a semiconductor laser diode can be an edge-emitting laser, for example a so-called stripe laser, a ridge waveguide laser, a trapezoidal laser, or a combination thereof.
  • the front facet and also the rear facet are formed by side surfaces of a semiconductor layer sequence and a substrate, which are preferably arranged perpendicular to the direction in which the semiconductor layers of the semiconductor layer sequence extend.
  • the at least one active layer formed in the semiconductor layer sequence can for example have an active region which is formed by part of the active layer and in which the laser light is generated.
  • the semiconductor layer sequence can thus have an active region that includes all or only part of the active layer.
  • the semiconductor laser diode can be designed as a laser bar which has active areas in the active layer laterally next to one another, ie in a direction parallel to the main extension plane of the active layer, via which laser light can be emitted during operation.
  • the semiconductor layer sequence with at least one active layer can be grown epitaxially on a growth substrate.
  • the growth substrate can preferably be an at least partially transparent substrate that is at least partially permeable for the light generated in the active layer during operation of the semiconductor laser diode.
  • the growth substrate is preferably formed by a GaN substrate or by a sapphire substrate.
  • the epitaxial growth can take place, for example, by means of metal-organic gas phase epitaxy (MOVPE) or molecular beam epitaxy (MBE).
  • MOVPE metal-organic gas phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a nitride compound semiconductor material such as AlxInl-x-yGayN or a phosphide compound semiconductor material such as AlxInl-x-yGayP or an arsenide compound semiconductor material such as AlxInl-x-yGayAs , in which O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ 1 apply.
  • the semiconductor layer sequence can have dopants and additional components.
  • the invention also relates to a method for projecting a plurality of radiation points onto an object surface, in which a plurality of emitters of a radiation source emit electromagnetic radiation at least temporarily, the radiation emitted by the emitters is directed via a beam path onto the object surface and with the help of a control
  • the radiation source is controlled in such a way that at least one property of the emitted radiation is at least temporarily changed as a function of a radiation or light object to be generated on the object surface.
  • the method has been developed in such a way that the controller controls at least two of the plurality of emitters of a radiation source in each case in such a way that at least one property of the emitted radiation is changed depending on the radiation or light object to be generated and that each of the at least two emitters at least an optical element arranged in the beam path is assigned which at least temporarily reshapes, directs and / or converts the radiation emitted by the at least two emitters.
  • the controller changes a radiation power and / or a radiation intensity of the radiation emitted by at least one emitter.
  • the at least two individually controllable emitters of the radiation source are preferably lasers, in particular lasers which emit blue, violet and / or ultraviolet light.
  • at least one of the plurality of emitters emits red, green or blue or optionally yellow light. This red, green and / or blue light is guided directly onto the object surface with the aid of at least one optical element and / or mixed depending on the desired color.
  • the individual emitters are advantageously designed as lasers of a laser bar, which enables a particularly space-saving arrangement of a plurality of emitters in a comparatively narrow space.
  • the control is preferably designed such that at least one of the plurality of emitters is controlled in such a way that a beam direction and / or a beam angle of the emitted electromagnetic radiation is changed.
  • the electromagnetic radiation is thus formed or directed in a suitable manner directly in the area of the emitter.
  • the controller controls at least one optical element arranged in the beam path such that a change in radiation impinging on the optical element caused by the optical element is varied.
  • a deflection mirror, a prism or a similar component is moved in order to change the type of beam influencing.
  • the optical elements provided according to the invention in the beam path are advantageously controlled in such a targeted manner that the desired arrangement of image points on the object surface can be generated at a particularly short time interval and with high image resolution.
  • Such controllable Optikelemen are, for example, movable and controllable microlenses, microlens arrays, rotating mirrors and / or MO-EMS.
  • the invention also relates to a LIDAR system, which comprises a device according to the invention and a detector for detecting radiation reflected back on an object.
  • Fig. 1 illustration of the basic structure of a projection device designed according to the invention
  • Fig. 10 Schematic representation of a component-integrated
  • Fig. 11 Representation of the use of a projection device designed according to the invention for the projection of image points on a video screen.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a device designed according to the invention for projecting a plurality of image points onto an object surface 3, here a screen, which is via a radiation source 1 with a plurality of emitters 2 and via various optical elements 6 that shape the emitted radiation, convert and direct features.
  • the radiation source 1 is designed as a laser bar which has a plurality of laser light sources as individual emitters 2.
  • the advantage such a laser bar 1 is primarily that a large number of emitters 2 or light sources can be arranged in different ways in a comparatively small space.
  • a single laser bar 1 is shown in this context, which has four broad area lasers arranged side by side in a row in one plane.
  • Figure lb) also shows an arrangement in which three laser bars 1 are arranged one above the other in parallel planes E1, E2, E3.
  • the individual emitters 2, here lasers, of the laser bar 1 emit blue light which initially strikes a converter element 8.
  • Such converter elements 8 have a converter material which, when an excitation radiation hits, emits light with a specific wavelength that differs from the wavelength of the excitation radiation.
  • the converter elements 8 present in the three superimposed levels El, E2, E3 differ in that, caused by the incident excitation radiation, the converter element 8 of the top level El rotes, that of the middle level E2 emits green light and that of the lowest level e3 emits blue light.
  • a microlens as an optical element 6, which collimates the radiation emerging from the converter element 8 so that red, green and blue light leaves the respective microlens approximately in parallel.
  • the radiation generated in this way with the colors red, green and blue is, as shown schematically in Figure lc), with the help of a microsystem technology, designed as a further optical element rotating mirror (MOEMS) appropriately deflected so that the desired image on a Object surface 3, which here is a screen, is generated.
  • MOEMS optical element rotating mirror
  • a controller 5 which individually controls the individual emitters 2 of the laser bars forming the radiation source 1, which are executed as lasers, so that images, patterns or text with a large number of pixels in a short time sequence and higher Resolution on the object surface 3 can be generated.
  • the controller 5 also controls the rotating mirror arranged as a further optical element 6 in the beam path 4 in such a way that the incident beams are deflected in a suitable manner and, if necessary, combined in such a way that 3 different colors can be displayed in different subregions of the object surface.
  • the different colors are generated here by suitably combining the beams that have the colors red, green and blue characteristic of the RGB color space.
  • the device shown in Fig. 1 for generating a plurality of pixels on an object surface 3 thus has a laser bar as the radiation source 1, which can preferably have up to 50 laser diodes arranged in a very small space.
  • the individual emitters 2, in this case the laser diodes are individually electrically controlled depending on the light object to be generated on the object surface 3.
  • laser bars as the radiation source 1 also offers the advantage that a particularly compact structure can be implemented.
  • suitable converter elements 8 and other optical elements 6 for beam Steering and / or beam shaping offers the possibility of providing a multichannel RGB light source in a comparatively simple manner.
  • collimation lenses for example fast-axis collimation lenses (FAC) or slow-axis collimation lenses (SAC), arranged, whereby the shown compact structure of a collimated RGB laser light source with up to 3 c 50 channels can be implemented in the smallest of spaces.
  • FAC fast-axis collimation lenses
  • SAC slow-axis collimation lenses
  • collimation lenses in particular micro-collimation lenses, and / or the converter elements 8 are applied directly to the radiation source 1, here the laser bar, an almost monolithically integrated device for projecting a plurality of radiation points onto an object surface 3 can be implemented.
  • an integrated circuit 9 attached to a heat sink or a heat spreader is used (cf. FIGS. 6 and 7).
  • the terms heat sink and heat spreader are used synonymously herein.
  • Such an integrated circuit 9 can also be adapted in an advantageous manner to the respective requirements and is then also referred to as an application-specific integrated circuit.
  • each individual laser diode is collimated and, if necessary, converted.
  • Several laser bars with different colored converter elements 8 can, as shown in FIG. 1c), be stacked or placed next to one another.
  • the beams are each guided onto an object surface 3, in particular a screen or canvas, with the aid of suitable optics 6, such as rotating mirrors, galvo scanners or optical elements in microsystem technology (MOEMS).
  • 2 and 3 show two special embodiments of a laser bar used as a radiation source 1 for a projection device designed according to the invention.
  • FIG. 2 shows a laser bar which has three individually controllable emitters 2 for emitting blue excitation radiation and which is mounted with its p-side down on a silicon chip.
  • the silicon chip serves as a heat spreader 10 or a heat sink to dissipate the heat generated by the laser diodes when the light is generated. Due to the better cooling, laser bars are usually, as shown in Fig. 2, with the p-side to the heat spreader 10 benefits on it. This is what is known as p-side-down assembly. So that the individual detectors 2, here laser diodes, remain individually controllable, a structured metallization is applied to the heat spreader 10.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment in which the La serbarren in contrast to the embodiment shown in Fig. 2 form by way of the so-called p-side-up assembly on a heat sink or a heat spreader 10 has been applied.
  • a laser bar used as a radiation source is operated only with short pulses or in an interrupted, quasi-stationary operation (QCW).
  • the individual emitters 2 are located on the side of the laser bar opposite the heat spreader 10.
  • the individual emitters 2 of the radiation source 1 here the laser diodes of the laser bar, are contacted with bonding wires.
  • a structured metallization 11 or a structured sheet metal for contacting the individual emitters 2.
  • Fig. 4 shows in two images an inventively performed device for projecting a plurality of Strah treatment points on an object surface 3, in which the individual Emitter 2 of the radiation source 1 are arranged in series in one plane.
  • the in Fig. 4 projected projection device according to the arrangement of the individual emitters 2 at least temporarily a series of pixels 12 on the object surface 3, which is designed here as a screen.
  • both the emitter 2 and the projected pixels 12 are arranged in a horizontal row, while according to Fig. 4b) the emitter 2 and the pixels 12 on the screen are angeord net in a vertical row.
  • the individual beams emanating from investigators 2 are collimated with the help of a collimation lens 13 used as an optical element 6 and directed onto the screen serving as the object surface 3 with a MEMS-supported rotating mirror 14 as a further optical element 6, optionally with a galvo scanner.
  • a controller 5 is provided, which controls the individual emitter 2 and the rotating mirror 14 in a targeted manner, taking into account the Bil to be generated, pattern or writing.
  • a laser bar is used as radiation source 1, which has a plurality of laser diodes as emitter 2.
  • a plurality of horizon tal or vertical pixels 12 can be generated simultaneously and displayed on the object surface 3. It is thus possible to display a plurality of image points 12 with a particularly high resolution side by side in a line.
  • a projection device designed according to the invention it is possible here that at a given image repetition frequency each individual laser diode does not have to be switched or pulsed as quickly or as often as is necessary with the projection techniques known from the prior art.
  • the individual emitters 2 are each arranged in a different manner.
  • the individual emitters 2 are each arranged in a different manner.
  • the radiation source 1 it is important that, if laser bars are used as the radiation source 1, these emit light with different wavelengths and the laser bars with different emission wavelengths are arranged as compactly as possible. In this way, pixels of different colors with high resolution can be generated with comparatively little effort.
  • the different colors can generally either with the help of laser bars that emit light with different wavelengths, in particular with the wavelengths characteristic of the RGB color space, or with a blue, violet or ultraviolet pump laser, which then emits suitable converter elements 8 for emitting Light with the corresponding colors is stimulated and generated.
  • FIG. 5a shows once again the arrangement of three laser bars already explained in connection with FIG. 1, which are arranged in three parallel planes E1, E2, E3, which are located one above the other in the vertical direction.
  • the electromagnetic radiation emitted by the laser diodes of the individual laser bars is converted into visible red, green or blue light with the aid of suitable converter elements 8 arranged in the respective planes.
  • the emitted light is collimated by collimation lenses 13 placed directly on the converter elements 8, so that red light propagates in the upper level E1, green light in the middle level E2 and blue light in the lowest level E3 at least approximately parallel.
  • FIG. 5b) also shows a special embodiment in which the respective laser bars with the associated converter elements 8 and collimation lenses 13 are not shown as in FIG. 5a). placed, stacked on top of each other, but are arranged side by side. According to Fig. 5b) a planar arrangement is thus created which emits red, green and blue light in different, adjacent areas.
  • Each of the elements arranged next to one another has a laser bar provided as radiation source 1 with laser diodes as emitter 2, a converter element 8 which converts the excitation radiation into visible light of the desired color, here red, green and blue, and a collimation lens 13 through the radiation leaving the converter element 8 in a divergent manner is collimated.
  • Fig. 5c an arrangement is shown in which two laser bars are stacked on top of each other.
  • the two laser bars have been joined together by means of so-called back-to-back assembly.
  • the two n-sides of the laser bars are arranged facing each other.
  • the activation of the individual laser diodes takes place with the aid of bonding wires and the current flows through a common cathode 7.
  • the laser bars can also be stacked in that the respective p-side of a laser bar is arranged above and the n-side is arranged below.
  • insulating layers 15 are provided between the n-sides of the upper laser diodes and the p-sides of the lower laser diodes.
  • FIG. 5d) shows a stack of laser bars in which the individual laser bars with the insulating layers 15 located between them are arranged offset to one another.
  • the individual laser diodes serving as emitters 2 are each contacted from above with the aid of bonding wires 16.
  • the insulating layers 15, which are significantly thinner than the individual laser bars are metallized on one side, this metallization forming the cathode 7 for discharging current.
  • Fig. 5e shows a special embodiment of a radiation source 1, which can be used to implement the invention, and in which the individual laser bars are stacked without offset to one another.
  • the insulating layers 15 arranged between the laser bars have contacts 17 for contacting the p- and n-sides of the laser diodes.
  • the p-contacts of the individual laser diodes are routed around the insulating layer 15 on its upper side, so that on this side of the insulating layer 15 both the p- and the n- Contacts can be bonded or contacted.
  • suitable heat sinks or heat spreaders 10 are introduced into the respective arrangement. In general, it is conceivable to dissipate heat only from one side of a laser bar or laser bar stack or from several sides.
  • the radiation source 1 is again designed as a laser bar, the individual laser diodes of which emit blue or ultraviolet light as emitters 2.
  • at least one optical element 6 for beam guidance or beam shaping and a converter element 8 with suitable converter material are provided in the beam path 4.
  • the converter element 8 or the converter material located on or in it is activated by the excitation radiation to emit light with a wavelength which differs from the wavelength of the excitation radiation, excited.
  • the radiation conversion varies depending on the selected converter material and the excitation radiation.
  • Blue or ultraviolet radiation is preferably converted into light with the colors red, green or blue characteristic of the RGB color space, into white light, into light of a different color or into infrared radiation. It is also possible to convert infrared radiation into longer-wave infrared radiation in order to carry out material processing processes, for example.
  • FIG. 6a shows in this context a converter element 8 which has been applied directly to the laser mirror 18 of the laser bar.
  • the aforementioned variants are each a monolithic, integrated technical solution which enables a particularly space-saving radiation source 1, the emitter 2 of which can be individually controlled.
  • the di rectly arranged on the laser mirror 18 converter element 8 is excited by means of blue or ultraviolet excitation radiation to emis sion of red light. Furthermore, a collimation lens 13 is arranged downstream of the converter element 8 in the beam path, which collimates the red light which diverges from the converter element 8.
  • FIG. 6 b shows an embodiment in which the converter element 8 is arranged in front of the laser bar serving as radiation source 1 and at a distance from it.
  • the converter element 8 is arranged between the radiation source 1 designed as a laser bar and the additionally provided collimation lens 13, the converter element 8 being applied directly to the collimation lens 13.
  • FIG. 6c again shows a laser bar as the radiation source 1 with individual emitters 2 which emit blue or ultraviolet light.
  • the radiation emanating from the individual emitters 2 is first collimated with the aid of two collimation lenses 13 and then applied to a flat converter element 8.
  • the converter element 8 is aligned differently in the beam path 4, with the beam direction remaining unchanged (right illustration) or deflected by 90 ° (left illustration) depending on the angle of inclination selected.
  • both a radiation conversion and a reflection of the incident radiation thus take place at one point on the beam path 4.
  • FIG. 6d shows a special embodiment of the invention in which the converter material 8 is located directly on the object surface 3 provided for projection, here a screen.
  • the object surface 3 has individual converter pixels 19 which emit light of the desired color when the excitation radiation impinges. By suitable excitation of the object surface 3, the desired image or pattern is generated on the object surface 3.
  • FIG. 7 shows different options for the configuration of a controller 5 according to the invention, which individually controls the emitters 2 of the radiation source 1.
  • controller 5 is at least partially integrated into an integrated circuit 9 (IC), which is preferably located on a heat sink 20.
  • IC integrated circuit
  • the controller 5 with the heat sink is mounted directly on or on the radiation source 1 designed as a laser bar.
  • the integrated circuit 9 preferably contains not only the controller 5 and possibly the driver logic for the individual emitters 2, but also, for example, elements for converting the image signal for the plurality of emitters 2, such as the laser of a laser bar, sensors for monitoring the radiation source 1 and / or the individual emitter 2, preferably including the possibility of regulating certain parameters such as temperature, voltage, current strength and / or optical power and / or a digital interface, such as an HDMI interface, so that only one image signal is fed in must become.
  • Integrated circuits that are heavily adapted to individual requirements are also known as application-specific integrated controllers (ASIC).
  • Fig. 7a contains an illustration of an embodiment in which the integrated circuit 9 with the controller 5 has a similar size as the laser bar used as the radiation source 1 has.
  • the heat sink 20, which carries the circuit 5 is mounted on the laser bar used as the radiation source 1. If the heat sink with the controller 5 is mounted on the p-side of a laser bar (submount), the heat sink can be used to dissipate the heat that occurs when light is generated at the laser diode.
  • the integrated circuit 9 with the controller 5 is significantly smaller than the laser bar and is mounted on or next to the laser bar.
  • appropriate conductor tracks have been applied to the laser bars, these being made in multiple layers with suitable insulation layers if necessary can.
  • the conductor tracks represent the electrical connection between the individual light-emitting diodes and the contact points to the integrated circuit 9 with the controller 5. If necessary, bonding wires can also be used for contacting.
  • the contact points are preferably arranged in the form of a matrix.
  • control 5 monolithically in the laser bar and / or to use it in a suitable recess in the laser bar.
  • a complete monolithic integration of the controller 5 is also possible, in which the integrated circuit 9 with the controller 5 is formed in the semiconductor material of a laser bar.
  • the semiconductor material of the laser bar could even be formed on a heat sink, on which a suitable circuit with control for the emitters is additionally structured.
  • FIG. 8 different variants are shown in order to reduce the optical crosstalk between adjacent emitters 2 of a radiation source 1, in particular between the individual laser diodes of a laser bar.
  • the n-side of a laser bar is structured and trenches 21 are introduced between the individual laser diodes. If necessary, these trenches 21 can be at least partially filled with absorbent material, such as metals, semiconductor materials and / or insulators.
  • absorbent material such as metals, semiconductor materials and / or insulators.
  • FIG. 8b An alternative embodiment to this can be seen in FIG. 8b), in which not the n-side but the p-side of a laser bar has been structured. Otherwise, trenches 21 are again provided between the individual laser diodes, which, if necessary, can be at least partially filled with suitable absorbent material.
  • Fig. 8c shows a further special embodiment, with which the optical crosstalk between adjacent emitters 2 ner radiation source 1, in particular between the individual laser diodes of a laser bar, can at least be reduced.
  • suitable absorbing material 23 has been applied to the decoupling facet 22 of a laser bar, with recesses 24 being provided for the light exit.
  • Fig. 9 shows different options for the arrangement of optical elements 6 in relation to the radiation source 1 in projection devices designed according to the invention.
  • a microlens or a microlens array is used as the optical element 6 for beam shaping and is arranged in different ways in the beam path 4.
  • the possibility of different arrangements of at least one optical element 6 is not restricted to microlenses or microlens arrays.
  • Fig. 9a are arranged as an optical element 6 collimation lenses, for example fast-axis collimation lenses or slow-axis collimation lenses, at a distance from the individual emitters 2 designed as laser diodes of the laser bar.
  • collimation lenses With the help of the collimation lenses, the diverging radiation emitted by the emitters 2 is collimated.
  • individual microlenses or a microlens array that has both fast-axis collimation lenses and slow-axis collimation lenses with pillow-shaped individual lenses for each emitter 2.
  • FIG. 9 b) shows a further embodiment in which a microlens array is used which was applied directly to the laser bar, in particular by gluing.
  • Fig. 9c) an embodiment is shown in which in the beam path 4 behind the emitters 2 of the radiation source 1, here behind the laser diodes of a laser bar, both as the first optical element 6 a microlens array for collimation of the incident radiation and a further optical element 6 for Beam steering is arranged.
  • the microlens array is located directly on the laser bar, while the deflection optics for reflecting the incident radiation are attached to or integrated into a carrier substrate 25.
  • the deflecting optics are MEMS-supported deflecting optics.
  • the deflection optics and / or a further optics element are arranged even closer to the laser bar, that is to say for example on a heat-dissipating heat sink, the heat spreader 10, or on the laser bar.
  • FIG. 10 shows the use of micro-reflectors for beam shaping, which can be used for a projection device designed according to the invention.
  • the optical element 6 for beam shaping and / or beam steering is integrated directly into the component, which, according to the exemplary embodiment shown, is a micro-reflector as the optical element 6.
  • the micro-reflector is worked out of the heat spreader 10 so that at least almost a monolithic integration is realized.
  • Fig. 11 shows again two different embodiments of the invention, with each of which a plurality of image points or pixels can be displayed on an object surface 3, here a video screen.
  • a laser bar component is again used as the radiation source 1, and according to the embodiment shown in Fig. 11a), individual sub-areas or pixels 19 of the video screen have a converter material, through the excitation of which the desired color is displayed in the sub-area.
  • images or patterns with up to 20, 50, 100 or 200 pixels, which can be individually controlled, can be generated.
  • the large visible sub-areas or pixels 19 of the display are directly irradiated by the laser with the interposition of suitable optical elements 6 for beam guidance and / or beam shaping.
  • smaller pixels 19 of a screen which are also provided with converter material, can be irradiated and the different colored light emitted by them can then be directed by means of an additional optical element 6 onto a larger video screen or screen provided as the object surface 3 will.

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Abstract

Beschrieben werden eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Projektion einer Mehrzahl von Strahlungspunkten auf eine Objektoberfläche (3) mit wenigstens einer Strahlungsquelle (1), die eine Mehrzahl von Emittern (2) zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung aufweist, mit wenigstens einem Strahlenweg (4), über den die zumindest zeitweise von den Emittern (2) emittierte Strahlung in Richtung auf die Objektoberfläche (3) gelenkt wird und mit einer Steuerung (5), die zur Veränderung wenigstens einer Eigenschaft der emittierten Strahlung die Strahlungsquelle (1) in Abhängigkeit eines auf der Objektoberfläche (3) zu erzeugenden Lichtobjekts ansteuert. Die Steuerung (5) ist derart ausgeführt, dass wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern (2) der Strahlungsquelle (1) jeweils einzeln zur Veränderung wenigstens einer Eigenschaft der emittierten Strahlung in Abhängigkeit des zu erzeugenden Lichtobjekts angesteuert werden und im Strahlenweg (4) ist wenigstens ein Optikelement (6) zur Formung, Lenkung und/oder Konvertierung der elektromagnetischen Strahlung angeordnet.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR PROJEKTION EINER MEHRZAHL VON
STRAHLUNGSPUNKTEN AUF EINE OBJEKTOBERFLÄCHE
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 106 674.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Projektion einer Mehrzahl von Strahlungspunkten auf eine Ob- j ektoberfläche oder zur Abstrahlung der Mehrzahl von Strah lungspunkten, zum Beispiel zum Zwecke einer Abstandsmessung o- der Hinderniserkennung in einem LIDAR System. Hierbei ist eine Strahlungsquelle vorgesehen, die eine Mehrzahl von Emittern zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung aufweist. Die zu- mindest zeitweise von den Emittern emittierte Strahlung wird über einen Strahlenweg auf die Objektoberfläche gelenkt, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, die zur Veränderung wenigstens einer Eigenschaft der emittierten Strahlung die Strahlungs quelle in Abhängigkeit eines auf der Objektoberfläche zu erzeu- genden Lichtobjekts ansteuert.
Aus dem Stand der Technik sind sowohl Projektoren, die ein Bild auf einer Projektionsfläche erzeugen, als auch Vorrichtungen, die zur Bearbeitung einer Objektoberfläche elektromagnetische Strahlung gezielt auf die Objektoberfläche richten, bekannt. Gemein ist diesen Einrichtungen, dass von einer Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung mit Hilfe wenigstens ei nes optischen Elements über einen Strahlenweg gezielt auf eine entfernt zur Strahlungsquelle angeordnete Objektoberfläche ge- lenkt wird. Vor allem die bekannten Projektoren zur großflächi gen Bilderzeugung sind vergleichsweise groß und wenig energie effizient. Sofern Laser für die Projektion verwendet werden, so sind vor allem die verwendeten Laserdioden aufgrund der schnel len Modulation einer hohen Belastung ausgesetzt. Bei den zurzeit eingesetzten Projektoren oder Beamern, die über eine Laserlichtquelle verfügen, kommen zwei unterschiedliche Funktionsprinzipien zum Einsatz. Zum einen werden, wie bei LED- Projektoren, drei flächige Strahlen in Rot, Grün und Blau mit großem Durchmesser erzeugt, die auf geeignete Weise kombiniert und auf einen LCD Bildgenerator gegeben werden, um dann unter optischen Verlusten ein Bild zu erzeugen. Zum anderen sind so genannte Flying-Spot-Verfahren bekannt, bei denen das Bild Zeile für Zeile geschrieben wird, wobei hierfür drei fokussierte und kollimierte Laserstrahlen erforderlich sind. Um ein Lichtobjekt hoher Intensität und in der gewünschten Qualität auf einer Pro jektionsfläche erzeugen zu können, sind für beide Verfahren vergleichsweise aufwendige Optiken und teilweise teure mecha nische Vorrichtungen zur Strahlkombination erforderlich. Eine weitere besondere Herausforderung stellt die heutzutage erwar tete Bildauflösung, nämlich HD, QFHD oder sogar Ultra HD, dar. Zur Erreichung der entsprechenden Bildauflösungen werden regel mäßig hohe Anforderungen an die Modulationsfähigkeit der ver wendeten Laserdioden gestellt, was sowohl die Ausführung der Bauteile als auch der Treiber erschwert.
In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2014 216 390 Al ein Projektor zur Projektion eines Musters auf wenigstens einen Teilbereich einer Objektoberfläche eines Objektes bekannt. Der Projektor verfügt über eine Mehrzahl von Lichtquellen und ein Mikrolinsenarray . Die einzelnen Mikrolinsen des Mikrolin- senarrays sind jeweils einer der Lichtquellen zugeordnet und mit dieser optisch gekoppelt, sodass einzelne Paare zur Strah lerzeugung und Strahlformung gebildet werden. Wesentlich für die beschriebene technische Lösung ist, dass die einzelnen Lichtquellen als Laser ausgeführt sind.
Aus der DE 10 2012 109 175 Al ist eine Laserdiode bekannt, die eine Halbleiterschichtenfolge auf einem Substrat aufweist, wo bei die Halbleiterschichtenfolge wenigstens eine zur Erzeugung von Laserlicht eingerichtete aktive Schicht aufweist, und wobei zumindest eine Filterschicht vorgesehen ist, die dazu einge richtet ist, Licht zu streuen und/oder zu absorbieren, das in der Halbleiterschichtenfolge und/oder dem Substrat zusätzlich zum Laserlicht propagiert.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrich tungen zur Projektion von Strahlungspunkten auf eine Objekt oberfläche und den hierbei bestehenden Problemen liegt der vor liegenden Erfindung als eine Aufgabe zu Grunde, die Projektion eines Strahlungsobjekts auf einer Objektoberfläche mit ver gleichsweise einfachen technischen Mitteln zu erreichen, wobei gleichzeitig eine hohe Bildauflösung und schnelle Bildfolge er möglicht werden soll. Die anzugebende technische Lösung sollte insbesondere robust ausgeführt sein und einen möglichst ver schleißarmen Betrieb ermöglichen.
Ferner sollte der Einsatz aufwendiger Optiken und Mechaniken zur Strahlformung und Strahllenkung nicht erforderlich sein. Mithilfe der anzugebenden technischen Lösung sollte es weiter hin möglich sein, eine hohe Anzahl von Strahlungs- bzw. Licht punkten pro Flächeneinheit bereitzustellen, wobei sich vor al lem die Strahlungsquelle durch einen vergleichsweise kleinen und kompakten Aufbau auszeichnen soll. Mit der im Folgenden näher beschriebenen technischen Lösung sollte es im Übrigen auf besondere Weise möglich sein, einen Projektor zu realisieren, der leicht zu handhaben sowie zu transportieren ist und dessen Aufbau ohne erheblichen Montage- und Justageaufwand erfolgen kann .
Die zuvor beschriebene Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsfor men der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert . Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Projektion einer Mehrzahl von Strahlungspunkten auf eine Objektoberfläche mit wenigstens einer Strahlungsquelle, die eine Mehrzahl von Emit tern zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung aufweist. Über wenigstens einen Strahlenweg wird die zumindest zeitweise von den Emittern der Strahlungsquelle emittierte Strahlung auf die Objektoberfläche gelenkt, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, die zur Veränderung wenigstens einer Eigenschaft der emit tierten Strahlung die Strahlungsquelle in Abhängigkeit eines auf der Objektoberfläche zu erzeugenden Strahlungs- oder Licht objekts ansteuert. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung derart weitergebildet worden, dass von der Steuerung wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern der Strahlungsquelle jeweils einzeln in Abhängigkeit des zu erzeugenden Strahlungs- oder Lichtobjekts zur Veränderung wenigstens einer Eigenschaft der emittierten Strahlung angesteuert werden und dass im Strahlenweg wenigstens ein Objektelement zur Formung, Lenkung und/oder Konversion der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße technische Lösung zeichnet sich somit zu nächst dadurch aus, dass eine Mehrzahl von Emittern vorgesehen ist, wobei es sich vorzugsweise um bis zu 20, bis zu 50, bis zu 100 oder bis zu 200 Lichtquellen, die besonders bevorzugt als Laserdioden ausgeführt sind, handelt, die von der Steuerung einzeln ansteuerbar und auf vergleichsweise engem Raum angeord net sind. Mit derart einzeln ansteuerbaren Lichtquellen einer Strahlungsquelle ist es möglich, auf vergleichsweise einfache Weise Strahlungsobjekte mit einer Vielzahl unterschiedlicher Bildpunkte in kurzer zeitlicher Abfolge und mit hoher Auflösung auf einer Objektoberfläche, insbesondere einer Projektionsflä che, wie etwa einer Leinwand, zu erzeugen. In diesem Zusammen hang wird darauf hingewiesen, dass es in Abhängigkeit der von den Emittern der Strahlungsquelle emittierten Strahlung mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist, entweder ge wünschte Bilder oder Bildabfolgen mit hoher Auflösung auf einer Projektionsfläche darzustellen oder eine Objektoberfläche mit hilfe geeigneter Strahlung zu bearbeiten.
Im Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, im Strahlenweg zwi schen den einzelnen Emittern der Strahlungsquelle und der Ob jektoberfläche, auf der eine Vielzahl von Bildpunkten erzeugt werden, zumindest ein Optikelement vorzusehen, das die von we nigstens zwei der Mehrzahl von Emittern emittierte elektromag netische Strahlung formt, lenkt und/oder konvertiert. Zur ge steuerten Lenkung und/oder Formung der Strahlung werden als Optikelemente bevorzugt Mikrolinsen, Mikro-Opto-Elektro-Mecha- nische Systeme, Drehspiegel, Galvo-Scanner und/oder andere ge eignete optische Elemente eingesetzt. Eine Konvertierung der elektromagnetischen Strahlung findet statt, sofern das wenigs tens eine Optikelement als Konverterelement mit Konvertermate rial ausgeführt ist, wobei das Konvertermaterial aufgrund der Anregung durch die auftreffende elektromagnetische Strahlung eine Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, aussendet, deren Wellenlänge sich von der Wellenlänge der anregenden elektromag netischen Strahlung unterscheidet.
Selbstverständlich ist es denkbar, dass geeignete Optikele mente, wie etwa Mikrolinsen, Mikro-Opto-Elektro-Mechanische Systeme, Drehspiegel und/oder Galvo-Scanner alternativ oder er gänzend auch zur Lenkung und/oder Formung der durch Anregung erzeugten Strahlung, also insbesondere von rotem, grünem und/o der blauem Licht, verwendet werden und an entsprechender Stelle im Strahlenweg angeordnet sind.
Aufgrund der Verwendung einer Vielzahl von einzeln ansteuerba ren Lichtquellen, bevorzugt von Laserdioden, besteht auf vor teilhafte Weise die Möglichkeit, beispielsweise beim Einsatz für sogenannte Flying-Spot-Anwendungen, eine Vielzahl von Bild punkten bzw. Pixeln gleichzeitig zu erzeugen, sodass trotz einer Bildauflösung im HD-, QFHD- oder Ultra-HD-Bereich, im Vergleich zu den bekannten technischen Lösungen die Ansteuerfrequenz der Einzelpixel deutlich reduziert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann im Zusammenhang mit einem LIDAR-System eingesetzt werden, insbesondere als Komponente ei nes LIDAR-Systems . LIDAR steht hierbei für „light detection and ranging". Die Objektoberfläche kann dabei als eine imaginäre Objektoberfläche angesehen werden, die sich zum Beispiel in einem Abstand vor einem Fahrzeug befinden kann. Von einem in der Objektoberfläche liegenden Objekt kann zurückgestreute Strahlung mittels eines zugehörigen Detektors erfasst werden. In an sich bekannter Weise kann eine Abstandsmessung zu dem Objekt bzw. eine Hinderniserkennung anhand detektierter, zu rückreflektierter Strahlung erfolgen. Bei Verwendung in einem LIDAR-System liegt die Wellenlänge der emittierten Strahlung bevorzugt im Bereich zwischen 750 nm und 1200 nm.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgese hen, dass wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern, besonders bevorzugt eine größere Anzahl, Teil eines Laserbarrens sind. Laserbarren bieten in diesem Zusammenhang den Vorteil, dass auf Chip- oder Bauteilebene ein sehr kompakter Aufbau einer Strah lungsquelle mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Lichtquel len ermöglicht wird. Der Einsatz wenigstens eines Laserbarrens mit wenigstens zwei einzeln ansteuerbaren Lichtquellen ist be sonders vorteilhaft, da sich einzeln ansteuerbare Emitter einer Strahlungsquelle mit geeigneten, im Strahlenweg angeordneten Optikelementen, auf engem Raum kombinieren lassen. Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist jedem der wenigstens zwei einzeln ansteuerbaren Emitter einer Strahlungsquelle we nigstens ein Optikelement im Strahlenweg zwischen dem jeweili gen Emitter und der Objektoberfläche zugeordnet, das die vom Emitter ausgesandte Strahlung umlenkt, formt und/oder konver tiert . In diesem Zusammenhang ist es weiterhin von Vorteil, wenn ein aus jeweils einem Emitter und wenigstens einem Optikelement gebildetes Paar oder gebildete Einheit entweder rotes, grünes oder blaues Licht emittiert. Sofern eine erfindungsgemäße Vor richtung über mehrere derartige Paare, die zumindest teilweise rotes, grünes oder blaues oder optional gelbes Licht emittieren, verfügt, ist es möglich, durch geeignetes Mischen des Lichts mit den drei Farben des RGB-Farbraums beliebiges Licht mit an deren Farben zu erzeugen. Durch die zusätzliche Verwendung einer 4. Farbe, insbesondere von gelbem Licht, kann in verbesserter Weise ein Farbdreieck aufgespannt werden. Es lassen sich dadurch brillantere Abbildungen erzeugen. Die zusätzliche Verwendung einer 4. Farbe, wie etwa gelb, kann insbesondere im Zusammenhang mit „Cinema"-Anwendungen zum Einsatz kommen.
In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern beabstandet zu einander und entlang einer Linie in einer vertikalen oder ho rizontalen Ebene angeordnet sind. Mit einer derartigen Anord nung von Emittern einer Strahlungsquelle können auf bevorzugte Weise in Reihe angeordnete Bildpunkte auf eine Objektoberfläche projiziert werden. Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, die entsprechenden Reihen bedarfsgerecht zu neigen oder sogar derart zu bewegen, dass entsprechende Reihen von Bildpunkten mit verschiedenen Ausrichtungen auf eine Objektoberfläche, bei spielsweise auf einer Leinwand, abgebildet werden können. So fern die einzelnen Reihen von Emittern bewegt werden, ist es weiterhin von Vorteil, wenn diese Bewegung mit Hilfe einer Steu ereinheit, die vorzugsweise Teil der Emitter-Steuerung ist, ge zielt initiiert wird. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls denkbar, mehrere Ebenen mit in Reihe angeordneten Emittern über einander anzuordnen, insbesondere, indem entsprechende Schich ten, in denen sich die Emitter befinden, gestapelt werden.
Im Weiteren ist es von Vorteil, wenn wenigstens zwei der Mehr zahl von Emittern einzeln ansteuerbar und elektrisch leitend mit einer gemeinsamen Kathode verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, eine Mehrzahl von Emittern einer Strahlungs quelle einzeln und individuell anzusteuern und dennoch einen besonders kompakten Aufbau einer Strahlungsquelle zu realisie ren. Durch die Anbindung einer Mehrzahl von Emittern an eine gemeinsame Kathode lässt sich insbesondere ein besonders platz sparender schichtweiser Aufbau von Laserdioden, die Teil eines Laserbarrens sind, ermöglichen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine der Mehrzahl von Emittern Licht mit einer Wellenlänge zwischen etwa 380 und 490 nm aussendet. Ein derartiger Emitter sendet somit blaues, violettes oder ultraviolettes Licht aus, das gemäß einer speziellen Weiterbildung mithilfe eines im Strahlenweg angeordneten Konverterelements in Strahlung mit einer von der Anregungsstrahlung abweichenden Wellenlänge konvertiert wird. Auf vorteilhafte Weise ist das Konverterelement derart ausge führt, dass dieses aufgrund der Anregung durch das von dem Emitter ausgesandte blaue, violette oder ultraviolette Licht zur Emission von sichtbarem rotem, blauem oder grünem Licht angeregt wird. Das Konverterelement verfügt hierfür über ein geeignetes Konvertermaterial, das aufgrund einer Anregung durch die elektromagnetische Strahlung Licht mit einer Wellenlänge, die von der Wellenlänge der die Anregung verursachenden elekt romagnetischen Strahlung verschieden ist, aussendet.
Ferner werden die Konverterelemente vorzugsweise derart ausge führt und angeordnet, dass diese rotes, grünes und blaues Licht emittieren, welches anschließend gemischt wird, sodass sich mit einer derart ausgeführten Projektionsvorrichtung Muster und Bilder mit unterschiedlichen Farben auf einer Objektoberfläche, beispielsweise einer Leinwand, abbilden lassen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Objektoberfläche wenigstens bereichsweise über Konverter material verfügt, das aufgrund einer auftreffenden, eine erste Wellenlänge aufweisenden Strahlung, Strahlung mit einer zwei ten, von der ersten Wellenlänge verschiedenen Wellenlängen emit tiert. Damit die Anregungsstrahlung gezielt auf die jeweils benötigten Teilbereiche der Objektoberfläche gelenkt wird, sind in den jeweiligen Strahlenwegen zwischen den Emittern und der Objektoberfläche Optikelemente angeordnet, wobei es sich hier bei um Mikrolinsen, Mikro-Opto-Elektro-Mechanische Systeme, Drehspiegel, Galvo-Scanner und/oder andere Elemente zur Strahl führung handelt. Aufgrund des Vorsehens von Konvertermaterial auf unterschiedlichen Teilbereichen der Objektoberfläche werden in dieser speziellen Ausgestaltung der Erfindung aufgrund der Anregung durch das Auftreffen der Anregungsstrahlung unter schiedliche Farben bzw. Farbmuster direkt auf der Objektober fläche erzeugt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Steuerung als zu einem integrierten Schaltkreis (IC), insbesondere zu einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) , gehörig ausgeführt ist. Eine derartige Ausgestaltung der Steuerung ermöglicht einen beson ders platzsparenden Aufbau einer Projektionsvorrichtung, deren einzelne Emitter der Strahlungsquelle individuell von der Steu erung in Abhängigkeit des auf der Objektoberfläche zu erzeugen den Strahlungs- oder Lichtobjektes angesteuert werden. Vorzugs weise enthält der jeweils verwendete integrierte Schaltkreis (IC) nicht nur die Steuerung und eventuell die Treiberlogik für die einzelnen Emitter, sondern beispielsweise auch Elemente zur Umrechnung des Bildsignals für die Mehrzahl von Emittern, etwa die Laser eines Laserbarrens, Sensorik zur Überwachung der Strahlungsquelle und/oder der einzelnen Emitter, vorzugsweise einschließlich der Möglichkeit, bestimmte Parameter, wie etwa Temperatur, Spannung, Stromstärke und/oder optische Leistung zu regeln und/oder eine digitale Schnittstelle, etwa eine HDMI- Schnittstelle, sodass nur noch ein Bildsignal eingespeist wer den muss. Bevorzugt kommen integrierte Schaltkreise, die auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht worden sind, zum Einsatz, wo bei die Steuerung direkt oder indirekt mit den anzusteuernden Emittern verbunden ist. Eine entsprechende Verbindung kann wahl weise einzelne Drähte, Bond-Pads und/oder gezielt aufgebrachte und strukturierte Miniaturisierungen aufweisen.
Eine effiziente und platzsparende Anordnung der Steuerung sieht vor, dass sich der integrierte Schaltkreis in oder auf einem Substrat befindet, über das wenigstens zeitweise Wärme von we nigstens einem der Mehrzahl von Emittern abgeführt wird. Ein derart wärmeleitendes bzw. wärmeabführendes Element wird auch als Wärmesenke oder Wärmespreizer bezeichnet.
Üblicherweise entsteht bei der Erzeugung von Licht in den Licht quellen Wärme, die abgeführt werden muss, um negative Einflüsse auf die Energieeffizienz der einzelnen Lichtquellen sowie die Langzeitstabilität zu verhindern oder zumindest zu minimieren. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform erfolgt die Abführung von Wärme vorzugsweise über eine Wärmesenke, insbesondere eine Wärmesenke aus einem Material mit einer hohen thermischen Leit fähigkeit, wie zum Beispiel Siliziumkarbid (SiC) , Aluminium nitrid (A1N) , Kupfer-Wolfram (CuW) , Diamant, Diamond-like Car bon (DLC) , Bornitrid (BN) . Die Wärmesenke kann zumindest be reichsweise einen oder eine Mehrzahl von Emittern berühren, sodass die an den Emittern während der Lichterzeugung entste hende Wärme über die Wärmesenke abgeführt wird. Vorzugsweise wird die von der jeweiligen Lichtquelle einer Strahlungsquelle abgeleitete Wärme schließlich einem Wärmeübertrager zugeführt, in dem diese Wärme an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise einen geleiteten Luftstrom oder Wasser, übertragen und von die sem an die Umgebung abgegeben wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann wenigstens eine der Mehrzahl von Emittern Licht mit wenigstens einer Wellenlänge im infraroten Spektralbereich aussenden. Die Vorrichtung kann so mit auf bei Anwendungen im infraroten Spektralbereich zum Ein satz kommen. Im Strahlenweg kann wenigstens ein Konverterelement mit einem Konvertermaterial angeordnet sein, welches aufgrund einer An regung durch die elektromagnetische Strahlung Licht mit einer Wellenlänge, die von der Wellenlänge der die Anregung verursa chenden elektromagnetischen Strahlung verschieden ist, aussen- det, wobei das Konverterelement dazu ausgebildet ist, Licht mit wenigstens einer Wellenlänge im infraroten Spektralbereich zu emittieren. Es kann somit auch infrarote Strahlung durch Kon version erzeugt werden. Bevorzugt liegt die infrarote Strahlung in nahen-infraroten Spektralbereich mit Wellenlängen zwischen 750 nm und 1 gm, be vorzugt zwischen 750 nm und 1,5 gm, weiter bevorzugt zwischen 750 nm und 2 gm, und noch weiter bevorzugt zwischen 750 nm und 3 gm.
Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Mehrzahl von Emittern Licht mit einer Wellenlänge und wenigstens ein weiterer Emitter der Mehrzahl von Emittern Licht mit einer anderen Wel lenlänge emittiert, wobei die Differenz zwischen den beiden Wellenlängen kleiner als ein vorgegebener Differenzwert, bei spielsweise 50 nm, 40 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm oder 15 nm, ist. Die Emitter können dabei auf einem Laserbarren oder auf unter schiedlichen Laserbarren angeordnet sein. Beispielsweise kann bei einer RGB-Proj ektion, das blaue Licht aus 445nm bzw. 465nm bestehen, das grüne Licht aus 525 und 545nm und das rote Licht aus 637nm bzw. 657nm. Damit kann beispiels weise im 3D-Cinema erreicht werden, dass über entsprechende Filter in der Brille das Bildsignal des linken Auges sich von dem des rechte Auges unterscheidet und dadurch ein 3D-Eindruck entsteht. Auf Basis derartiger Laserbarren kann eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Dual Head 3D Cinema mittels sogenannter 6P-Technologie erzeugt werden.
Im Strahlenweg können wenigstens zwei Konverterelemente mit ei nem jeweiligen Konvertermaterial angeordnet sein, wobei das je weilige Konvertermaterial aufgrund einer Anregung durch die elektromagnetische Strahlung Licht mit einer Wellenlänge, die von der Wellenlänge der die Anregung verursachenden elektromag netischen Strahlung verschieden ist, aussendet, wobei eines der Konverterelemente Licht mit wenigstens einer Wellenlänge emit tiert, und wobei das andere Konverterelement Licht mit einer anderen Wellenlänge emittiert, wobei die Differenz zwischen den beiden Wellenlängen kleiner als ein vorgegebener Differenzwert, beispielsweise 50 nm, 40 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm oder 15 nm, ist .
Die Konverterelemente können dabei von dem gleichen oder von unterschiedlichen Laserbarren beleuchtet werden.
Gemäß den vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung somit Laserbarren und/oder den Laserbarren nachge- ordnete Konverterelemente aufweisen, mittels denen Licht mit leicht unterschiedlichen Farben erzeugt werden kann. Zum Bei spiel kann blaues Licht bei 450 nm und bei 465 nm erzeugt werden. Die Farben können dabei für das Auge eines Benutzers sehr ähn lich sein. Durch die Verwendung von entsprechenden Farbfiltern vor den Augen des Benutzers kann die eine Farbe dem einen Auge und die andere Farbe dem anderen Auge zugeführt werden. Es lässt sich dadurch ein 3-D Effekt erzeugen, ähnlich wie bei herkömm lichen 3-D Systemen, die mit Polarisationsfiltern arbeiten.
Die Emitter können bevorzugt als Halbleiterlaserdioden ausge führt sein. Insbesondere kann es sich bei einer Halbleiterla- serdiode um einen kantenemittierenden Laser, beispielsweise ei nen so genannten Streifenlaser, einen Stegwellenleiterlaser, einen Trapezlaser oder eine Kombination hieraus handeln. Die Frontfacette sowie auch die Rückseitenfacette werden bei sol chen Halbleiterlaserdioden durch Seitenflächen einer Halb leiterschichtenfolge und eines Substrats gebildet, die bevor zugt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sind. Die in der Halb leiterschichtenfolge ausgebildete, wenigstens eine aktive Schicht kann beispielsweise einen aktiven Bereich aufweisen, der durch einen Teil der aktiven Schicht gebildet wird und in dem das Laserlicht erzeugt wird. Je nach Ausbildung der Halb leiterlaserdiode kann die Halbleiterschichtenfolge somit einen aktiven Bereich aufweisen, der die gesamte oder auch nur einen Teil der aktiven Schicht umfasst. Weiterhin kann die Halbleiter laserdiode als Laserbarren ausgeführt sein, die in der aktiven Schicht lateral nebeneinander, also in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht, aktive Bereiche aufweist, über die jeweils Laserlicht im Betrieb abgestrahlt werden kann.
Zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode kann die Halbleiter schichtenfolge mit zumindest einer aktiven Schicht auf einem Aufwachssubstrat epitaktisch aufgewachsen werden. Bei dem Auf wachssubstrat kann es sich bevorzugt um ein zumindest teilweise transparentes, für das in der aktiven Schicht im Betrieb der Halbleiterlaserdiode erzeugte Licht zumindest teilweise durch lässiges Substrat handeln. Bevorzugt wird das Aufwachssubstrat durch ein GaN-Substrat oder durch ein Saphir-Substrat gebildet. Das epitaktische Aufwachsen kann beispielsweise mittels metall organischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder Molekularstrahlepi taxie (MBE) erfolgen.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalb- leitermaterial wie AlxInl-x-yGayN oder um ein Phosphid-Verbin- dungshalbleitermaterial wie AlxInl-x-yGayP oder auch um ein Ar- senid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlxInl-x-yGayAs , wobei jeweils O ^ x ^ l, O ^ y ^ l und x + y ^ 1 gilt. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Be standteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halb leiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Im Übrigen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Projektion einer Mehrzahl von Strahlungspunkten auf eine Objektoberfläche, bei dem eine Mehrzahl von Emittern einer Strahlungsquelle zu mindest zeitweise elektromagnetische Strahlung emittiert, die von den Emittern emittierte Strahlung über einen Strahlenweg auf die Objektoberfläche gelenkt wird und mithilfe einer Steu erung die Strahlungsquelle derart angesteuert wird, dass we nigstens eine Eigenschaft der emittierten Strahlung in Abhän gigkeit eines auf der Objektoberfläche zu erzeugenden Strah- lungs- oder Lichtobjekts wenigstens zeitweise verändert wird. Erfindungsgemäß ist das Verfahren derart weitergebildet worden, dass die Steuerung wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern einer Strahlungsquelle jeweils derart ansteuert, dass wenigs tens eine Eigenschaft der emittierten Strahlung in Abhängigkeit des zu erzeugenden Strahlungs- oder Lichtobjekts verändert wird und dass jedem der wenigstens zwei Emitter zumindest ein im Strahlenweg angeordnetes Optikelement zugeordnet ist, das die von den wenigstens zwei Emittern emittierte Strahlung zumindest zeitweise umformt, lenkt und/oder konvertiert.
In einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerung eine Strahlungsleistung und/oder eine Strahlungsin tensität der von wenigstens einem Emitter emittierten Strahlung verändert wird. Vorzugsweise handelt es sich bei den wenigstens zwei einzeln ansteuerbaren Emittern der Strahlungsquelle Laser, insbesondere um Laser, die blaues, violettes und/oder ultravi olettes Licht aussenden. Ebenso ist es allerdings denkbar, dass wenigstens einer der Mehrzahl von Emittern rotes, grünes oder blaues oder optional gelbes Licht emittiert. Dieses rote, grüne und/oder blaue Licht wird mit Hilfe wenigstens eines Optikele ments direkt auf die Objektoberfläche gelenkt und/oder in Ab hängigkeit der gewünschten Farbe gemischt.
Auf vorteilhafte Weise werden die einzelnen Emitter als Laser eines Laserbarrens ausgeführt, was eine besonders platzsparende Anordnung einer Mehrzahl von Emittern auf vergleichsweise engem Raum ermöglicht. Vorzugsweise ist die Steuerung derart ausge führt, dass wenigstens einer der Mehrzahl von Emittern derart angesteuert wird, dass eine Strahlrichtung und/oder ein Ab strahlwinkel der emittierten elektromagnetischen Strahlung ver ändert wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird die elektromag netische Strahlung somit direkt im Bereich des Emitters auf geeignete Weise geformt oder gelenkt. In einer weiteren Ausfüh rungsform ist vorgesehen, dass die Steuerung wenigstens ein im Strahlenweg angeordnetes Optikelement derart ansteuert, dass eine durch das Optikelement bedingte Veränderung einer auf das Optikelement auftreffenden Strahlung variiert wird. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise denkbar, dass ein Umlenk spiegel, ein Prisma oder ein ähnliches Bauteil bewegt wird, um die Art der Strahlbeeinflussung zu ändern. Auf vorteilhafte Weise werden die erfindungsgemäß im Strahlenweg vorgesehenen Optikelemente hierbei derart gezielt angesteuert, dass die ge wünschte Anordnung von Bildpunkten auf der Objektoberfläche in besonders geringem zeitlichem Abstand und mit hoher Bildauflö sung erzeugt werden kann. Bei derart ansteuerbaren Optikelemen ten handelt es sich beispielsweise um bewegbare und ansteuer baren Mikrolinsen, Mikrolinsenarrays , Drehspiegel und/oder MO- EMS .
Die Erfindung betrifft auch ein LIDAR-System, welches eine er findungsgemäße Vorrichtung und einen Detektor zur Detektion von an einem Objekt zurückreflektierter Strahlung umfasst.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemei nen Erfindungsgedankens anhand einzelner Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Fig . 1: Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäß ausgeführten Projektionsvorrichtung;
Fig. 2: Anordnung eines Laserbarrens mit der p-Seite auf einer Wärmesenke;
Fig. 3: Anordnung eines Laserbarrens mit der n-Seite auf einer Wärmesenke;
Fig. 4: Varianten zur gleichzeitigen Projektion von
Reihen von Bildpunkten;
Fig. 5: Unterschiedliche Anordnungen von Laserbarren mit verschiedenen Emissionswellenlängen;
Fig. 6: Unterschiedliche Anordnungen von Konverter elementen im Strahlenweg;
Fig. 7: Varianten zur Integration der Steuerung in eine erfindungsgemäß einsetzbare Strahlungsquelle;
Fig. 8: Verschiedene technische Lösungen zur Verringe rung des optischen Übersprechens zwischen benachbarten Emit tern;
Fig. 9: Darstellung verschiedener Ausgestaltungen von
Bauteilen, in die die Strahlungsquelle und Optikelemente inte griert sind;
Fig. 10: Schematische Darstellung eines bauteilintegrierten
Optikelements sowie
Fig. 11: Darstellung des Einsatzes einer erfindungsgemäß aus geführten Projektionsvorrichtung für die Projektion von Bild punkten auf eine Videoleinwand.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung zur Projektion einer Mehrzahl von Bild punkten auf eine Objektoberfläche 3, hier einem Schirm, die über eine Strahlungsquelle 1 mit einer Mehrzahl von Emittern 2 und über verschiedene Optikelemente 6, die die emittierte Strahlung formen, konvertieren und lenken verfügt.
Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Strahlungs quelle 1 als Laserbarren ausgeführt, der eine Mehrzahl von La serlichtquellen als einzelne Emitter 2 aufweist. Der Vorteil derartiger Laserbarren 1 ist vor allem, dass auf vergleichsweise kleinem Raum eine Vielzahl von Emittern 2 bzw. Lichtquellen auf unterschiedliche Weise angeordnet werden kann.
In Fig . la) ist in diesem Zusammenhang ein einzelner Laserbarren 1 dargestellt, der über vier nebeneinander in Reihe in einer Ebene angeordnete Breitstreifenlaser verfügt.
Figur lb) zeigt des Weiteren eine Anordnung, in der drei Laser barren 1 in parallelen Ebenen El, E2, E3 übereinander angeordnet sind. Die einzelnen Emitter 2, hier Laser, des Laserbarrens 1 emittieren blaues Licht, das zunächst auf ein Konverterelement 8 auftrifft. Derartige Konverterelemente 8 verfügen über ein Konvertermaterial, das bei Auftreffen einer Anregungsstrahlung Licht mit einer bestimmten Wellenlänge, die sich von der Wel lenlänge der Anregungsstrahlung unterscheidet, aussendet. In dem in Figur lb) gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die in den drei übereinander angeordneten Ebenen El, E2, E3 vorhandenen Konverterelemente 8 dahingehend, dass, hervor gerufen durch die auftreffende Anregungsstrahlung, das Konver terelement 8 der obersten Ebene El rotes, das der mittleren Ebene E2 grünes und das der untersten Ebene e3 blaues Licht emittiert .
Im Strahlenweg 4 dem Konverterelement 8 jeweils nachgeordnet befindet sich als Optikelement 6 eine Mikrolinse, die die aus dem Konverterelement 8 austretende Strahlung kollimiert, sodass jeweils rotes, grünes und blaues Licht annähernd parallel die jeweilige Mikrolinse verlässt. Die so erzeugte Strahlung mit den Farben Rot, Grün und Blau wird, wie es schematisch in Figur lc) gezeigt ist, mithilfe eines in Mikrosystemtechnik ausge führten, als weiteres Optikelement ausgeführten Drehspiegels (MOEMS) auf geeignete Weise umgelenkt, sodass das gewünschte Bild auf einer Objektoberfläche 3, bei der sich hier um einen Schirm handelt, erzeugt wird. Das wesentliche technische Merkmal besteht darin, dass eine Steuerung 5 vorgesehen ist, die die einzelnen als Laser ausge führten Emitter 2 der die Strahlungsquelle 1 bildenden Laser barren einzeln ansteuert, sodass Bilder, Muster oder Schrift züge mit einer Vielzahl von Bildpunkten in kurzer Zeitabfolge und hoher Auflösung auf der Objektoberfläche 3 erzeugt werden können. Die Steuerung 5 steuert darüber hinaus den als weiteres Optikelement 6 im Strahlenweg 4 angeordneten Drehspiegel der art, dass die auftreffenden Strahlen auf geeignete Weise umge lenkt und bei Bedarf derart kombiniert werden, dass in ver schiedenen Teilbereichen der Objektoberfläche 3 unterschiedli che Farben dargestellt werden können. Die unterschiedlichen Farben werden hierbei durch geeignetes Kombinieren der Strah len, die die für den RGB-Farbraum charakteristischen Farben Rot, Grün und Blau aufweisen, erzeugt.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Erzeugung einer Mehr zahl von Bildpunkten auf einer Objektoberfläche 3 verfügt somit über einen Laserbarren als Strahlungsquelle 1, der bevorzugt bis zu 50, auf engstem Raum angeordnete Laserdioden aufweisen kann. Gemäß der Erfindung werden die einzelnen Emitter 2, in diesem Fall die Laserdioden, individuell elektrisch in Abhän gigkeit des auf der Objektoberfläche 3 zu erzeugenden Lichtob jekts angesteuert. Mithilfe einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, beispielsweise bei einer Flying-Spot-Anwendung, eine Vielzahl von Bildpunkten bzw. Pixeln gleichzeitig auf der Ob jektoberfläche 3 zu erzeugen, sodass trotz einer Bildauflösung im HD-, QFHD- oder Ultra-HD-Bereich, im Vergleich zu den be kannten technischen Lösungen die Ansteuerfrequenz der Einzel pixel deutlich reduziert wird.
Der Einsatz von Laserbarren als Strahlungsquelle 1 bietet dar über hinaus den Vorteil, dass ein besonders kompakter Aufbau realisierbar ist. Insbesondere die Kombination mit geeigneten Konverterelementen 8 und weiteren Optikelementen 6 zur Strahl- lenkung und/oder Strahlformung bietet die Möglichkeit, auf ver gleichsweise einfache Weise eine Mehrkanal-RGB-Lichtquelle be- reitzusteilen.
Bevorzugt werden als Optikelemente 6 zur Strahlformung, wie in Fig . 1 dargestellt, hinter den Konverterelementen 8 Kollimati onslinsen, beispielsweise Fast-Axis-Kollimationslinsen (FAC) o- der Slow-Axis-Kollimationslinsen (SAC) , angeordnet, wodurch der gezeigte kompakte Aufbau einer kollimierten RGB-Laser-Licht- quelle mit bis zu 3 c 50 Kanälen auf engstem Raum realisierbar ist .
Werden entsprechende Kollimationslinsen, insbesondere Mikrokol limationslinsen, und/oder die Konverterelemente 8 direkt auf die Strahlungsquelle 1, hier den Laserbarren, aufgebracht, lässt sich so eine nahezu monolithisch integrierte Vorrichtung zur Projektion einer Mehrzahl von Strahlungspunkten auf eine Ob jektoberfläche 3 realisieren.
Zur Ansteuerung der einzelnen Emitter 2 der Strahlungsquelle 1, hier der Laserdioden eines Laserbarrens, wird eine, auf einer Wärmesenke bzw. einem Wärmespreizer aufgebrachte, integrierte Schaltung 9 (IC) verwendet (vgl. Fig. 6 und 7) . Die Begriffe Wärmesenke und Wärmespreizer werden hierin als Synonyme verwen det. Eine derartige integrierte Schaltung 9 lässt sich darüber hinaus auf vorteilhafte Weise an die jeweiligen Anforderungen anpassen und wird dann auch als anwendungsspezifische inte grierte Schaltung bezeichnet.
Die von jeder einzelnen Laserdiode emittierte Strahlung wird kollimiert und gegebenenfalls konvertiert. Mehrere Laserbarren mit verschieden farbigen Konverterelementen 8 können, wie dies in Fig. lc) gezeigt ist, gestapelt oder nebeneinander gesetzt werden. Die Strahlen werden jeweils mit Hilfe geeigneter Opti kelemente 6, wie etwa Drehspiegel, Galvo-Scanner oder optische Elemente in Mikrosystemtechnik (MOEMS) auf eine Objektoberflä che 3, insbesondere einen Schirm oder eine Leinwand, gelenkt. Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei spezielle Ausführungsformen eines als Strahlungsquelle 1 für eine erfindungsgemäß ausgeführte Projektionsvorrichtung verwendeten Laserbarrens. In Figur 2 ist ein Laserbarren gezeigt, der über drei einzeln ansteuerbare Emitter 2 zur Emission von blauer Anregungsstrahlung verfügt und der mit seiner p-Seite nach unten auf einen Siliziumchip montiert ist. Der Siliziumchip dient in diesem Fall als Wärme spreizer 10 oder Wärmesenke der Wärmeabfuhr der bei der Licht erzeugung durch die Laserdioden entstehenden Wärme. Aufgrund der besseren Kühlung werden Laserbarren in der Regel, wie in Fig. 2 gezeigt, mit der p-Seite zum Wärmespreizer 10 hin mon tiert. Hierbei handelt es sich um die sogenannte p-side-down- Montage. Damit die einzelnen Ermittler 2, hier Laserdioden, einzeln ansteuerbar bleiben, wird auf den Wärmespreizer 10 eine strukturierte Metallisierung aufgebracht.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der La serbarren im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungs form im Wege der sogenannten p-side-up-Montage auf eine Wärme senke bzw. einen Wärmespreizer 10 aufgebracht worden ist. Eine derartige Montage ist möglich, sofern ein als Strahlungsquelle eingesetzter Laserbarren lediglich mit kurzen Pulsen oder in einem unterbrochenen, quasistationären Betrieb (QCW) betrieben wird. In diesem Fall befinden sich die einzelnen Emitter 2 auf der dem Wärmespreizer 10 gegenüberliegenden Seite des Laserbar rens. Gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform werden die einzelnen Emitter 2 der Strahlungsquelle 1, hier die Laserdioden des Laserbarrens, mit Bonddrähten kontaktiert. Genauso ist es möglich, eine strukturierte Metallisierung 11 bzw. ein struk turiertes Blech zur Kontaktierung der einzelnen Emitter 2 vor zusehen .
Fig. 4 zeigt in zwei Abbildungen eine erfindungsgemäß ausge führte Vorrichtung zur Projektion einer Mehrzahl von Strah lungspunkten auf eine Objektoberfläche 3, bei der die einzelnen Emitter 2 der Strahlungsquelle 1 in einer Ebene in Reihe ange ordnet sind. Die in Fig . 4 gezeigte Projektionseinrichtung pro jiziert entsprechend der Anordnung der einzelnen Emitter 2 zu mindest zeitweise eine Reihe von Bildpunkten 12 auf die Objekt oberfläche 3, die hier als Schirm ausgeführt ist. Gemäß der in Fig. 4a) dargestellten Ausführungsform sind sowohl die Emitter 2 als auch die projizierten Bildpunkte 12 in einer horizontalen Reihe angeordnet, während gemäß Fig. 4b) die Emitter 2 und die Bildpunkte 12 auf dem Schirm in einer vertikalen Reihe angeord net sind. Die einzelnen von den Ermittlern 2 ausgehenden Strah len werden mithilfe einer als Optikelement 6 eingesetzten Kol limationslinse 13 kollimiert und mit einem MEMS-unterstützten Drehspiegel 14 als weiteres Optikelement 6, wahlweise mit einem Galvo-Scanner , auf den als Objektoberfläche 3 dienenden Bild schirm gelenkt. Um die gewünschten Muster, Bilder oder Schrift züge auf dem Schirm erzeugen zu können, ist eine Steuerung 5 vorgesehen, die unter Berücksichtigung des zu erzeugenden Bil des, Musters oder Schriftzugs die einzelnen Emitter 2 und den Drehspiegel 14 gezielt ansteuert.
Auch in der in Fig. 4 gezeigten Weiterbildung der Erfindung wird als Strahlungsquelle 1 jeweils ein Laserbarren verwendet, der über eine Mehrzahl von Laserdioden als Emitter 2 verfügt. Je nach Ausrichtung des Laserbarrens, des Schirms und des Betriebs zustandes des Drehspiegels 14 können so eine Mehrzahl horizon taler oder vertikaler Bildpunkte 12 gleichzeitig erzeugt und auf der Objektoberfläche 3 zur Anzeige gebracht werden. Es ist somit möglich, eine Mehrzahl von Bildpunkten 12 mit besonders hoher Auflösung nebeneinander in einer Linie darzustellen. Auf grund einer erfindungsgemäß ausgeführten Projektionsvorrichtung ist es hierbei möglich, dass bei gegebener Bildwiederholfrequenz jede einzelne Laserdiode nicht so schnell bzw. nicht so oft geschaltet oder gepulst werden muss, wie dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Projektionstechniken erforderlich ist. Im Weiteren zeigt Fig . 5 in mehreren Darstellungen erfindungs gemäß ausgeführte Vorrichtungen zur Projektion von Bildpunkten auf eine Objektoberfläche, wobei die einzelnen Emitter 2 jeweils auf unterschiedliche Art und Weise angeordnet sind. Bei Projek tionsanwendungen ist es wichtig, dass, sofern Laserbarren als Strahlungsquelle 1 verwendet werden, diese Licht mit verschie denen Wellenlängen emittieren und die Laserbarren mit unter schiedlichen Emissionswellenlängen möglichst kompakt angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand Bildpunkte verschiedener Farben mit hoher Auflösung er zeugen. Die verschiedenen Farben können hierbei generell ent weder mithilfe von Laserbarren, die Licht mit verschiedenen Wellenlängen, insbesondere mit den für den RGB-Farbraum charak teristischen Wellenlängen, emittieren, oder durch einen blauen, violetten oder ultravioletten Pumplaser, der dann geeignete Konverterelemente 8 zur Emission von Licht mit den entsprechen den Farben anregt, erzeugt werden.
Figur 5a) zeigt zunächst noch einmal die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterte Anordnung von drei Laserbarren, die in drei parallelen Ebenen El, E2, E3, die sich in vertikaler Rich tung übereinander befinden, angeordnet sind. Die von den Laser dioden der einzelnen Laserbarren emittierte elektromagnetische Strahlung wird mithilfe geeigneter, in den jeweiligen Ebenen angeordneten Konverterelemente 8 in sichtbares rotes, grünes oder blaues Licht konvertiert. Im Folgenden wird das ausgesen dete Licht von unmittelbar auf die Konverterelemente 8 aufge brachten Kollimationslinsen 13 kollimiert, sodass sich in der oberen Ebene El rotes, in der mittleren Ebene E2 grünes und in der untersten Ebene E3 blaues Licht zumindest annähernd paral- lelisiert ausbreitet.
Figur 5b) zeigt ferner eine spezielle Ausführungsform, bei der die jeweiligen Laserbarren mit den dazugehörigen Konverterele menten 8 und Kollimationslinsen 13 nicht, wie in Fig. 5a) dar- gestellt, übereinander gestapelt, sondern nebeneinander ange ordnet sind. Gemäß Fig . 5b) wird somit eine flächige Anordnung geschaffen, die in unterschiedlichen, nebeneinander liegenden Bereichen rotes, grünes und blaues Licht aussendet. Jedes der nebeneinander angeordneten Elemente verfügt jeweils über einen als Strahlungsquelle 1 vorgesehenen Laserbarren mit Laserdioden als Emitter 2, ein Konverterelement 8, das die Anregungsstrah lung in sichtbares Licht der gewünschten Farbe, hier Rot, Grün und Blau, konvertiert, und eine Kollimationslinse 13, durch die die das Konverterelement 8 divergierend verlassende Strahlung kollimiert wird.
In Fig. 5c) ist eine Anordnung dargestellt, bei der zwei Laser barren übereinander gestapelt sind. Die als Emitter 2 dienenden Laserdioden der einzelnen Laserbarren emittieren blaues Licht, das mithilfe geeigneter Kollimationslinsen 13 kollimiert wird.
In der in Fig. 5c) gezeigten Ausführungsform sind die beiden Laserbarren im Wege der sogenannten back-to-Back-Montage zusam mengefügt worden. Hierbei sind die beiden n-Seiten der Laser barren einander zugewandt angeordnet. Die Ansteuerung der ein zelnen Laserdioden erfolgt mit Hilfe von Bonddrähten und der Strom fließt über eine gemeinsame Kathode 7 ab.
Neben der zuvor beschriebenen Variante die Laserbarren back-to- back anzuordnen, können die Laserbarren auch gestapelt werden, indem die jeweilige p-Seite eines Laserbarrens oben und die n- Seite unten angeordnet ist. Um Nebenschlüsse und ein Überspre chen zu verhindern, sind zwischen den n-Seiten der oberen La serdioden und der p-Seiten der unteren Laserdioden Isolier schichten 15 vorgesehen. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 5d) einen Stapel von Laserbarren, bei dem die einzelnen Laserbarren mit den dazwischen befindlichen Isolierschichten 15 versetzt zu einander angeordnet sind. Die einzelnen als Emitter 2 dienenden Laserdioden werden jeweils von oben mit Hilfe von Bonddrähten 16 kontaktiert. Die Isolierschichten 15, die deutlich dünner als die einzelnen Laserbaren sind, sind einseitig metallisiert, wobei diese Metallisierung die Kathode 7 zur Stromableitung bildet .
Ergänzend zeigt Fig. 5e) eine spezielle Ausführungsform einer Strahlungsquelle 1, die zur Umsetzung der Erfindung einsetzbar ist, und bei der die einzelnen Laserbarren ohne Versatz zuei nander gestapelt sind. In diesem Fall verfügen die zwischen den Laserbarren angeordneten Isolierschichten 15 über Kontakte 17 zur Kontaktierung der p- und der n-Seiten der Laserdioden. Wie der Detailansicht links zu entnehmen ist, werden bei dieser speziellen Ausgestaltung eines Stapels von Laserbarren die p- Kontakte der einzelnen Laserdioden um die Isolierschicht 15 herum auf deren Oberseite geführt, sodass auf dieser Seite der Isolierschicht 15 sowohl die p- als auch die n-Kontakte gebondet bzw. kontaktiert werden können.
Um die in Fig. 5 gezeigten Laserbarren oder Laserbarren-Stapel gezielt zu kühlen, werden geeignete Wärmesenken bzw. Wärme spreizer 10 in die jeweilige Anordnung eingebracht. Generell ist es denkbar, Wärme nur von einer Seite eines Laserbarrens oder Laserbarren-Stapels oder von mehreren Seiten abzuführen.
In Fig. 6 werden unterschiedliche technische Lösungen gezeigt, um die von den Emittern 2 einer Strahlungsquelle 1 emittierte elektromagnetische Strahlung in Licht mit einer anderen Wellen länge umzuwandeln. Gemäß der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle 1 wiederum als Laserbarren ausgeführt, dessen einzelne Laserdioden als Emitter 2 blaues oder ultravi olettes Licht emittieren. In Ergänzung hierzu sind im Strahlen weg 4 jeweils wenigstens ein Optikelement 6 zur Strahlführung oder Strahlformung sowie ein Konverterelement 8 mit geeignetem Konvertermaterial vorgesehen. Das Konverterelement 8 bzw. das auf oder in diesem befindliche Konvertermaterial wird durch die Anregungsstrahlung zur Emission von Licht mit einer Wellenlänge, die sich von der Wellenlänge der Anregungsstrahlung unterschei det, angeregt. In Abhängigkeit des gewählten Konvertermaterials und der Anregungsstrahlung variiert die Strahlungskonvertie rung. Bevorzugt wird blaue oder ultraviolette Strahlung in Licht mit den für den RGB-Farbraum charakteristischen Farben Rot, Grün oder Blau, in weißes Licht, in Licht mit anderer Farbe oder in Infrarotstrahlung konvertiert. Ebenso ist es möglich, Infrarot strahlung in langwelligere Infrarotstrahlung zu konvertieren, um hiermit beispielsweise Materialbearbeitungsverfahren durch zuführen .
Figur 6a) zeigt in diesem Zusammenhang ein Konverterelement 8, das direkt auf den Laserspiegel 18 des Laserbarrens aufgebracht worden ist. Generell ist es denkbar, das Konverterelement 8 auf den Laserspiegel 18 aufzudampfen, aufzusputtern, aufzukleben und/oder zu bonden oder das Konverterelement 8 in den Laser spiegel 18 zu integrieren, wobei es sinnvoll sein kann, das Konverterelement 8 zunächst in den Laserspiegel 18 zu integrie ren und beide Elemente gemeinsam auf die Emitteroberfläche des Laserbarrens aufzusputtern . Bei den zuvor genannten Varianten handelt es sich jeweils um monolithische integrierte technische Lösungen, die eine besonders platzsparende Strahlungsquelle 1, deren Emitter 2 einzeln ansteuerbar sind, ermöglicht.
Bei dem in Fig. 6a) gezeigten Ausführungsbeispiel wird das di rekt auf dem Laserspiegel 18 angeordnete Konverterelement 8 mittels blauer oder ultravioletter Anregungsstrahlung zur Emis sion von rotem Licht angeregt. Ferner ist dem Konverterelement 8 im Strahlenweg nachgeordnet eine Kollimationslinse 13 ange ordnet, die das das Konverterelement 8 divergierend verlassende rote Licht kollimiert.
Im Weiteren zeigt Fig. 6b) eine Ausführungsform, bei dem das Konverterelement 8 vor dem als Strahlungsquelle 1 dienenden Laserbarren und beabstandet zu diesem angeordnet ist. Bei dem in Figur 6b) gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Konverterele ment 8 zwischen der als Laserbarren ausgeführten Strahlungs quelle 1 und der zusätzlich vorgesehenen Kollimationslinse 13 angeordnet, wobei das Konverterelement 8 direkt auf Kollimati onslinse 13 aufgebracht ist.
Figur 6c) zeigt wiederum einen Laserbarren als Strahlungsquelle 1 mit einzelnen Emittern 2, die blaues oder ultraviolettes Licht aussenden. Bei dem in Figur 6c) gezeigten Ausführungsbeispiel wird die von den einzelnen Emittern 2 ausgehende Strahlung mit hilfe von zwei Kollimationslinsen 13 zunächst kollimiert und dann auf ein flächiges Konverterelement 8 aufgebracht. Eine Besonderheit hierbei ist, dass das Konverterelement 8 unter schiedlich im Strahlenweg 4 ausgerichtet ist, wobei je nach gewähltem Neigungswinkel die Strahlrichtung unverändert bleibt (rechte Darstellung) oder um 90° umgelenkt wird (linke Darstel lung) . Gemäß dem Fig. 6c), rechts gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt somit an einer Stelle des Strahlenwegs 4 sowohl eine Strahlungskonvertierung als auch eine Reflexion der auftreffen den Strahlung.
Figur 6d) zeigt eine spezielle Ausführungsform der Erfindung, bei der sich das Konvertermaterial 8 direkt auf der für die Projektion vorgesehene Objektoberfläche 3, hier ein Schirm, be findet. Die Objektoberfläche 3 verfügt als Konverterelement 8 über einzelne Konverterpixel 19, die bei Auftreffen der Anre gungsstrahlung Licht mit der gewünschten Farbe emittieren. Durch geeignete Anregung der Objektoberfläche 3 wird so das gewünschte Bild oder Muster auf der Objektoberfläche 3 erzeugt.
Im Weiteren zeigt Fig. 7 unterschiedliche Möglichkeiten der Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Steuerung 5, die die Emit ter 2 der Strahlungsquelle 1 einzeln ansteuert.
Mithilfe der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsformen ist es mög lich, auf eine externe Ansteuerelektronik zu verzichten. Bevor- zugt wird die Steuerung 5 zumindest teilweise in eine inte grierte Schaltung 9 (IC), die sich bevorzugt auf einer Wärme senke 20 befindet, integriert. Auf vorteilhafte Weise wird hier bei die Steuerung 5 mit der Wärmesenke direkt auf oder an der als Laserbarren ausgeführte Strahlungsquelle 1 montiert.
Die integrierte Schaltung 9 enthält vorzugsweise nicht nur die Steuerung 5 und eventuell die Treiberlogik für die einzelnen Emitter 2, sondern beispielsweise auch Elemente zur Umrechnung des Bildsignals für die Mehrzahl von Emittern 2, etwa die Laser eines Laserbarrens, Sensorik zur Überwachung der Strahlungs quelle 1 und/oder der einzelnen Emitter 2, vorzugsweise ein schließlich der Möglichkeit, bestimmte Parameter, wie etwa Tem peratur, Spannung, Stromstärke und/oder optische Leistung zu regeln und/oder eine digitale Schnittstelle, etwa eine HDMI- Schnittstelle, sodass nur noch ein Bildsignal eingespeist wer den muss. Integrierte Schaltungen, die stark an einzelne Anfor derungen angepasst sind, werden auch als anwendungsspezifische integrierte Steuerungen (ASIC) bezeichnet.
Fig. 7a) enthält eine Darstellung einer Ausführungsform, bei der die integrierte Schaltung 9 mit der Steuerung 5 eine ähn liche Größe, wie der als Strahlungsquelle 1 verwendete Laser barren hat. In diesem Fall wird die Wärmesenke 20, welche die Schaltung 5 trägt, auf dem als Strahlungsquelle 1 verwendeten Laserbarren montiert. Sofern die Wärmesenke mit der Steuerung 5 auf der p-Seite eines Laserbarrens montiert wird (Submount), kann die Wärmesenke zur Abfuhr der bei der Erzeugung von Licht an der Laserdiode entstehenden Wärme, verwendet werden.
Gemäß einer in Fig. 7b) gezeigten alternativen Ausführungsform ist die integrierte Schaltung 9 mit der Steuerung 5 deutlich kleiner als der Laserbarren und wird auf oder neben dem Laser barren montiert. In diesem Fall sind entsprechende Leiterbahnen auf den Laserbarren aufgebracht worden, wobei diese bei Bedarf mehrlagig mit geeigneten Isolationsschichten ausgeführt werden können. Die Leiterbahnen stellen die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Leuchtdioden und den Kontaktpunkten zur integrierten Schaltung 9 mit der Steuerung 5 dar. Bei Bedarf können zur Kontaktierung auch Bonddrähte eingesetzt werden. Vorzugsweise werden die Kontaktpunkte in Form einer Matrix an geordnet .
Um einen noch höheren Integrationsgrad zu erreichen, ist es ferner generell denkbar, die Steuerung 5 monolithisch in den Laserbarren zu integrieren und/oder in eine geeignete Ausspa rung des Laserbarrens einzusetzen. Auch eine vollständige mo nolithische Integration der Steuerung 5 ist möglich, bei der die integrierte Schaltung 9 mit der Steuerung 5 im Halbleiter material eines Laserbarrens ausgebildet wird. Im Weiteren könnte sogar das Halbleitermaterial des Laserbarrens auf einer Wärme senke ausgebildet werden, auf der zusätzlich eine geeignete Schaltung mit Steuerung für die Emitter strukturiert wird.
In Fig . 8 sind unterschiedliche Varianten dargestellt, um das optische Übersprechen zwischen benachbarten Emittern 2 einer Strahlungsquelle 1, insbesondere zwischen den einzelnen Laser dioden eines Laserbarrens, zu verringern. Gemäß einer ersten speziellen Ausführungsform, die in Fig. 8a) gezeigt ist, wird die n-Seite eines Laserbarrens strukturiert und Gräben 21 zwi schen den einzelnen Laserdioden eingebracht. Diese Gräben 21 können bei Bedarf zumindest teilweise mit absorbierendem Mate rial, wie etwa Metallen, Halbleitermaterialien und/oder Isola toren, aufgefüllt werden. Eine hierzu alternative Ausführungs form ist in Fig. 8b) zu sehen, bei der nicht die n-Seite, sondern die p-Seite eines Laserbarrens strukturiert worden ist. Ansons ten sind wiederum Gräben 21 zwischen den einzelnen Laserdioden vorgesehen, die bei Bedarf zumindest teilweise mit geeignetem absorbierendem Material gefüllt werden können.
Fig. 8c) zeigt eine weitere spezielle Ausgestaltung, mit der das optische Übersprechen zwischen benachbarten Emittern 2 ei- ner Strahlungsquelle 1, insbesondere zwischen den einzelnen La serdioden eines Laserbarrens, zumindest verringert werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform ist auf die Auskoppelfacette 22 eines Laserbarrens geeignetes absorbierendes Material 23 auf gebracht worden, wobei Aussparungen 24 für den Lichtaustritt vorgesehen sind.
Generell ist es denkbar, die beschriebenen Varianten zur Ver ringerung des optischen Übersprechens zwischen benachbarten Emittern 2 einer Strahlungsquelle 1 getrennt voneinander zu verwenden oder aber bedarfsgerecht zu kombinieren.
Fig. 9 zeigt unterschiedliche Möglichkeiten der Anordnung von Optikelementen 6 in Bezug auf die Strahlungsquelle 1 bei erfin dungsgemäß ausgeführten Projektionseinrichtungen. Hierbei wird in Fig. 9 als Optikelement 6 eine Mikrolinse oder ein Mikrolin- senarray zur Strahlformung verwendet und auf unterschiedliche Weise im Strahlenweg 4 angeordnet. Generell ist die Möglichkeit unterschiedlicher Anordnungen wenigstens eines Optikelements 6 allerdings nicht auf Mikrolinsen oder Mikrolinsenarrays be schränkt .
In Fig. 9a) sind als Optikelement 6 Kollimationslinsen, bei spielsweise Fast-Axis-Kollimationslinsen oder Slow-Axis-Kolli- mationslinsen, mit einem Abstand zu den einzelnen als Laserdi oden ausgeführten Emittern 2 des Laserbarrens angeordnet. Mit hilfe der Kollimationslinsen wird die divergierend von den Emit tern 2 ausgehende Strahlung kollimiert. Generell ist es denkbar, einzelne Mikrolinsen oder ein Mikrolinsenarray, das sowohl über Fast-Axis-Kollimationslinsen als auch über Slow- Axis-Kollima- tionslinsen mit kissenförmigen Einzellinsen für jeden Emitter 2 verfügt, zu verwenden.
Im Weiteren zeigt Fig. 9b) eine weitere Ausführungsform, bei der ein Mikrolinsenarray verwendet wird, das direkt auf den Laserbarren, insbesondere durch Kleben, aufgebracht wurde. In Fig. 9c) ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der im Strahlenweg 4 hinter den Emittern 2 der Strahlungsquelle 1, hier hinter den Laserdioden eines Laserbarrens, sowohl als erstes Optikelement 6 ein Mikrolinsenarray zur Kollimation der auf treffenden Strahlung als auch ein weiteres Optikelement 6 zur Strahllenkung angeordnet ist. Das Mikrolinsenarray befindet sich, wie in Fig. 9b), direkt auf dem Laserbarren, während die Ablenkoptik zur Reflexion der auftreffenden Strahlung auf einem Trägersubstrat 25 befestigt oder in dieses integriert ist. Ge nerell ist es denkbar, dass es sich bei der Ablenkoptik um eine MEMS-unterstützte Ablenkoptik handelt. Im Weiteren ist es eben falls denkbar, dass die Ablenkoptik und/oder ein weiteres Op tikelement noch näher am Laserbarren, also etwa auf einer wär- meableitenden Wärmesenke, dem Wärmespreizer 10, oder auf dem Laserbarren angeordnet wird.
Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 9 erläutert wurde, ist es von Vorteil, wenn ein im Strahlenweg 4 angeordnetes Optikelement 6 zur Strahllenkung und/oder Strahlformung in ein Bauteil, das die Strahlungsquelle 1 und eventuell zumindest teilweise die Steuerung 5 der Emitter 2 aufweist, integriert ist. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 10 die Verwendung von Mikro-Reflektoren zur Strahlformung, die für eine erfindungsgemäß ausgeführte Projektionsvorrichtung einsetzbar sind. In diesem Fall ist das Optikelement 6 zur Strahlformung und/oder Strahllenkung direkt in das Bauteil integriert, wobei es sich gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Mikroreflektor als Optikelement 6 handelt. Wie dargestellt, ist der Mikroreflektor aus dem Wär mespreizer 10 herausgearbeitet, sodass zumindest nahezu eine monolithische Integration realisiert wird.
Fig. 11 zeigt nochmals zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung, mit denen jeweils eine Mehrzahl von Bildpunkten bzw. von Pixeln auf einer Objektoberfläche 3, hier einer Video leinwand, dargestellt werden können. Als Strahlungsquelle 1 wird wiederum ein Laserbarrenbauteil verwendet, wobei gemäß der in Fig. 11a) gezeigten Ausführungs form, einzelne Teilbereiche bzw. Pixel 19 der Videoleinwand über ein Konvertermaterial verfügen, durch dessen Anregung die je weils gewünschte Farbe in dem Teilbereich dargestellt wird. In Abhängigkeit des zum Einsatz kommenden Laserbarrens können so Bilder oder Muster mit bis zu 20, 50, 100 oder 200 Bildpunkten, die einzeln steuerbar sind, erzeugt werden. In diesem Zusammen hang ist es denkbar, dass die großen sichtbaren Teilbereiche oder Pixel 19 der Anzeige direkt unter Zwischenschaltung geeig neter Optikelemente 6 zur Strahlführung und/oder Strahlformung vom Laser bestrahlt werden.
Alternativ können, wie in Fig. 11b) dargestellt, kleinere, eben falls mit Konvertermaterial versehene Pixel 19 eines Schirms bestrahlt und dann das von diesen emittierte, verschiedenfar bige Licht mittels eines zusätzlichen Optikelements 6 auf eine als Objektoberfläche 3 vorgesehene größere Videoleinwand oder einen Schirm gelenkt werden.
Generell sind auch in diesem Fall wiederum Kombinationen ein zelner oder aller technischer Merkmale der beiden zuvor be schriebenen Ausführungsbeispiele denkbar. Insbesondere ist es denkbar, die Größe der Objektoberfläche 3, auf die ein Bild, Schriftzug oder Muster projiziert wird, in einem weiten Bereich zu variieren. Beispielsweise könnte die Erfindung dafür zu nut zen, ein Bild, einen Schriftzug und/oder ein Muster auf einem Display eines Telefons, insbesondere eines Mobiltelefons oder Smartphones, anzuzeigen. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Strahlungsquelle
2 Emitter
3 Objektoberfläche
4 Strahlenweg
5 Steuerung
6 Optikelement
7 Kathode
8 Konverterelement
9 integrierte Schaltung
10 Wärmespreizer
11 Metallisierung
12 Bildpunkte
13 Kollimationslinse
14 Drehspiegel
15 Isolierschicht
16 Bonddraht
17 Kontakte
18 Laserspiegel
19 Konverterpixel
20 Wärmesenke, Wärmespreizer
21 Graben
22 Auskoppelfacette
23 absorbierendes Material
24 Aussparung für Lichtaustritt
25 Trägersubstrat
El erste Ebene
E2 zweite Ebene
E3 dritte Ebene

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 Vorrichtung zur Projektion einer Mehrzahl von Strahlungs punkten auf eine Objektoberfläche (3) mit wenigstens einer Strahlungsquelle (1), die eine Mehrzahl von Emittern (2) zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung aufweist, mit wenigstens einem Strahlenweg (4), über den die zumin dest zeitweise von den Emittern (2) emittierte Strahlung in Richtung auf die Objektoberfläche (3) gelenkt wird und mit einer Steuerung (5), die zur Veränderung wenigstens einer Eigenschaft der emittierten Strahlung die Strah lungsquelle (1) in Abhängigkeit eines auf der Objektober fläche (3) zu erzeugenden Lichtobjekts ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung (5) derart ausgeführt ist, dass wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern (2) der Strahlungsquelle (1) jeweils einzeln zur Veränderung wenigstens einer Ei genschaft der emittierten Strahlung in Abhängigkeit des zu erzeugenden Lichtobjekts angesteuert werden und dass im Strahlenweg (4) wenigstens ein Optikelement (6) zur Formung, Lenkung und/oder Konvertierung der elektromagne tischen Strahlung angeordnet ist.
2 Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern (2) Teil eines Laserbarrens sind.
3 Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern (2) beabstandet zueinander und entlang einer Linie in einer vertikalen oder horizontalen Ebene (El, E2, E3) angeordnet sind.
4 Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Ebenen (El, E2, E3), in denen jeweils eine Mehrzahl von Emittern (2) entlang einer Linie angeordnet sind, parallel zueinander angeordnet werden.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei der Mehrzahl von Emittern (2) einzeln an steuerbar und elektrisch leitend mit einer gemeinsamen Kathode (7) verbunden sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens einer der Mehrzahl von Emittern (2) Licht mit einer Wellenlänge zwischen etwa 380 und 490 nm aussendet.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens einer der Emitter (2) grünes, rotes, gelbes oder blaues Licht emittiert.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Strahlenweg (4) wenigstens ein Konverterelement (8) mit einem Konvertermaterial angeordnet ist, das aufgrund einer Anregung durch die elektromagnetische Strahlung Licht mit einer Wellenlänge, die von der Wellenlänge der die Anre gung verursachenden elektromagnetischen Strahlung ver schieden ist, aussendet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Konverterelement (8) rotes, grünes, gelbes oder blaues Licht emittiert.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Objektoberfläche (3) wenigstens bereichsweise über Konvertermaterial verfügt, das aufgrund einer auftreffen den eine erste Wellenlänge aufweisenden Strahlung, Strah lung mit einer zweiten, von der ersten Wellenlänge ver schiedenen Wellenlänge emittiert.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Steu erung (5) als zu einer integrierten Schaltung (9) gehörig ausgeführt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich der integrierte Schaltkreis (9) in oder auf einer Wärmesenke (10, 20) befindet, über die wenigstens zeit weise Wärme von wenigstens einem der Mehrzahl von Emittern abgeführt wird.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine der Mehrzahl von Emittern (2) Licht mit wenigstens einer Wellenlänge im infraroten Spektralbe reich, insbesondere im nahen-infraroten Spektralbereich, aussendet, und/oder
dass im Strahlenweg (4) wenigstens ein Konverterelement (8) mit einem Konvertermaterial angeordnet ist, das auf grund einer Anregung durch die elektromagnetische Strah lung Licht mit einer Wellenlänge, die von der Wellenlänge der die Anregung verursachenden elektromagnetischen Strah lung verschieden ist, aussendet, wobei das Konverterele ment (8) Licht mit wenigstens einer Wellenlänge im infra roten Spektralbereich, insbesondere im nahen-infraroten Spektralbereich, emittiert.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Mehrzahl von Emittern (2) Licht mit einer Wellenlänge und wenigstens ein weiterer Emitter der Mehrzahl von Emittern (2) Licht mit einer anderen Wellen länge emittiert, wobei die Differenz zwischen den beiden Wellenlängen kleiner als ein vorgegebener Differenzwert, beispielsweise 50 nm, 40 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm oder 15 nm, ist, und/oder
wobei im Strahlenweg (4) wenigstens zwei Konverterelemente (8) mit einem jeweiligen Konvertermaterial angeordnet sind, das aufgrund einer Anregung durch die elektromagne tische Strahlung Licht mit einer Wellenlänge, die von der Wellenlänge der die Anregung verursachenden elektromagne tischen Strahlung verschieden ist, aussendet, wobei eines der Konverterelemente (8) Licht mit wenigstens einer Wel lenlänge emittiert, und wobei das andere Konverterelement Licht mit einer anderen Wellenlänge emittiert, wobei die Differenz zwischen den beiden Wellenlängen kleiner als ein vorgegebener Differenzwert, beispielsweise 50 nm, 40 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm oder 15 nm, ist.
15. Verfahren zur Projektion einer Mehrzahl von Strahlungs punkten auf eine Objektoberfläche (3),
bei dem
eine Mehrzahl von Emittern (2) einer Strahlungsquelle (1) zumindest zeitweise elektromagnetische Strahlung emit tiert,
die von den Emittern (2) emittierte Strahlung über einen Strahlenweg (4) in Richtung auf die Objektoberfläche (3) gelenkt wird und
mit Hilfe einer Steuerung (5) die Strahlungsquelle (1) derart angesteuert wird, dass wenigstens eine Eigen schaft der emittierten Strahlung in Abhängigkeit eines auf der Objektoberfläche zu erzeugenden Lichtobjekts wenigs tens zeitweise verändert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (5) wenigstens zwei der Mehrzahl von Emit tern (2) der Strahlungsquelle (1) jeweils derart ansteu ert, dass wenigstens eine Eigenschaft der emittierten Strahlung in Abhängigkeit des zu erzeugenden Lichtobjekts verändert wird, und
dass die elektromagnetische Strahlung im Strahlenweg (4) durch wenigstens ein Optikelement (6) geformt, gelenkt und/oder konvertiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Strahlungsleistung und/oder eine Strahlungsintensi tät der von wenigstens einem Emitter (2) emittierten Strahlung verändert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung (5) wenigstens einen der Mehrzahl von Emit tern (2) derart ansteuert, dass eine Strahlrichtung und/o der ein Abstrahlwinkel der emittierten elektromagnetischen Strahlung verändert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung (5) wenigstens ein im Strahlenweg (4) ange ordnetes Optikelement (6) derart ansteuert, dass eine durch das Optikelement (6) bedingte Veränderung einer auf das optische Element (6) auftreffenden Strahlung variiert wird .
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