Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einem Halbleiterlaserbauteil.

Durch die in den letzten Jahren stattgefundene Steigerung der Leistungsdichten bei vertikal emittierenden Halbleiterlasern, sogenannten VCSELn (vertical cavity surface emitting laser), ist es möglich, Laserlicht mit einer maximalen Leistung aus einem Chip zu emittieren, die an die Grenzen der Lasersicherheit stoßen. Dabei ist für die Lasersicherheit für Laser im Bereich des sichtbaren und nah-infraroten Spektrums (400nm bis 1050nm) dass die Größe der scheinbaren Quelle wichtig, wenn die Laserquelle eine ausgedehnte Quelle ist (siehe IEC 60825-1 :2014 Abschnitt 4.3.d). Die erlaubte Laserleistung erhöht sich linear mit dem Parameter C6 welcher linear mit der gemittelten Kantenlänge der scheinbaren Quellengröße alpha (siehe IEC 60825-1:2014, Abschnitt 4.3. d) der Laserquelle steigt, wenn diese im Bereich von 1.5mrad bis 100mrad liegt. Unterhalb von 1.5mrad wird der Laser als Punktquelle betrachtet und die erlaubte Laserleistung hängt nicht mehr von der Lasergröße ab. Wichtig ist hierbei das ohne Optik die Emissionsfläche auf dem Halbleiterlaserchip die scheinbare Quellengröße bestimmt, nach einem perfekten Diffusor jedoch die beleuchte Fläche dieses Diffusors die Quellengröße bestimmt. Zur Erhöhung der Lasersicherheit kann also einerseits die Emissionsfläche des Laserchips vergrößert werden, andererseits aber auch die ausgeleuchtete Fläche auf dem strahlformenden Element, wenn es die Eigenschaften des perfekten Diffusors erfüllt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laservorrichtung zu schaffen, deren emittiertes Laserlicht hinsichtlich seiner Leistung innerhalb der Grenzen der Lasersicherheitsregularien liegt.

Hierzu wird vorgeschlagen, eine Laservorrichtung mit einem Halbleiterlaserbauteil, das ein Laserarray aufweist, das mehrere ein Laserlicht vertikal emittierende Halbleiterlaser aufweist, mit einer Optikeinrichtung, die mindestens ein zweites und ein zwischen dem zweiten Optikelement und dem Laserarray angeordnetes erstes Optikelement aufweist, die entlang einer Optikachse angeordnet sind, wobei die Optikeinrichtung zum Aufweiten des aus den Halbleiterlasern emittierten Laserlichts, zum Kollimieren des Laserlichts und zum Formen des Strahlprofils des kollimierten Laserlichts vorgesehen ist.

Das Laserlicht propagiert entlang der Optikachse. Die Optikachse kann mit einer Symmetrieachse des Laserarrays und/oder den optischen Achsen der Optikelemente zusammenfallen. Die einzelnen Halbleiterlaser emittieren jeweils eigenes Laserlicht, welches sich spätestens nach dem Durchtritt aller Optikelemente überlagert und insbesondere im Fernfeld eine quer zur Optikachse verlaufende homogene Lichtintensität aufweist. Das Formen des Laserlichts durch die Optikeinrichtung kann durch einen Streueffekt und/oder durch eine Überlagerung von Laserlicht unterschiedlicher Halbleiterlaser des Laserarrays z.B. durch Brechung an einem Linsenarray oder Beugung an einem diffraktiven optischen Elements erreicht werden. Hierbei wird jeder Raumwinkelbereich des geformten Laserlichts aus vielen verteilten Bereichen innerhalb des ausgeleuchteten Bereichs der Optik, die den Strahl formt, beleuchtet und die Bedingungen der Norm IEC 60825-1 :20144.3.d für alle Raumwinkel und die gesamte ausgeleuchtete Fläche und alle Teilbereiche erfüllt. In der bevorzugten Form beleuchtet die gesamte ausgeleuchtete Fläche jeden Raumwinkel des geformten Laserlichts (perfekter Diffusor). Durch die Verwendung der Optikeinrichtung kann die Größe der Quelle, die das Laserlicht im Sinne der Lasersicherheitsregularien ausstößt, unabhängig von der tatsächlichen Größe des Laserarrays vergrößert werden. Dabei kann die Größe der Optikelemente zur Einhaltung der Grenzwerte der Lasersicherheitsregularien herangezogen werden, anstatt das Laserarray zu vergrößern. Dies ist möglich, da die effektive Emissionsfläche durch das bezüglich der Optikachse äußerste Optikelement vorgegeben ist, durch das das Laserlicht als letztes durchtritt und entsprechend der oben aufgeführten Beschreibung als neue scheinbare Quelle gemäß IEC 60825-2:2014 gewertet wird. Schließlich kann durch die Verwendung der drei Optikelemente eine sichere, von der temperaturbedingten Leistungsbeschränkung entkoppelte Einhaltung der Lasersicherheitsregularien gewährleistet werden.

Insbesondere können solche Laservorrichtungen verwendet werden, um ein rechteckiges Sichtfeld einer Kamera mit Laserlicht auszuleuchten.

Weitere beispielhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Besonders bevorzugt ist es Laserlicht, das von mindestens zwei Orten einer ausgeleuchteten Fläche ausgeht, die durch das Laserlicht an einem zum Formen vorgesehenen Optikelement der Optikeinrichtung erzeugt ist, auf mindestens einen Raumwinkelbereich eines außerhalb der Optikeinrichtung beleuchteten Bereichs gelenkt ist, sodass die Bedingungen der Norm IEC 60825-1 :20144.3.d für alle Raumwinkel erfüllt ist. Hierbei können mehrere Orte der ausgeleuchteten Fläche einen durch den Raumwinkel vorgegebenen Ort beleuchten.

Vorteilhafterweise kann das erste Optikelement eine Streulinse sein, die bezüglich der Optikachse des Laserlichts das gesamte Laserarray des Halbleiterbauteils vollständig bedeckt. Hierdurch wird eine besonders effiziente Ausnutzung des gesamten emittierten Laserlichts gewährleistet.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehene, dass das erste Optikelement das Laserlicht derart aufweitet, dass ein Halbwertswinkel des Laserlichts aller Halbleiterlaser mehr als 10° beträgt. Dabei wird eine über die durch den Aufbau des Halbleiterlasers ohne Optikelemente erzeugte ursprüngliche Divergenz des Laserlichts gehende Divergenz des Laserlichts ermöglicht.

Vorzugsweise ist das erste Optikelement einstückig mit dem Halbleiterbauteil ausgebildet.

Hierdurch kann ein hochintegrierter Aufbau der Laservorrichtung erlangt werden.

Insbesondere ist dies der Fall, wenn das erste Optikelement aus dem gleichen Material wie Abschnitte des Halbleiterbauteils gefertigt sind. Beispielsweise kann das Material eines Spiegelabschnitts oder das Material des Halbleitersubstrates als Grundlage für das erste Optikelement dienen.

Insbesondere kann das erste Optikelement ein Linsenarray aus refraktiven Linsen aufweisen, die jeweils eine Symmetrieachse aufweisen, die gegenüber Normalachsen der Halbleiterlaser versetzt sind, wobei die Symmetrieachsen und die Normalachsen parallel zur Optikachse ausgerichtet sind. Die Normalachsen sind mittig an einem Emissionsbereich des jeweiligen Halbleiterlasers angeordnet, wobei die Normalachsen zu einer Oberfläche des jeweiligen Halbleiterlasers senkrecht ausgerichtet sind, in der Emissionsbereich ausgebildet ist. Das Laserlicht propagiert entlang des Emissionsbereichs, wobei sich vorzugsweise ein jeweiliger Lichtkegel symmetrisch um die Normalachse ausbildet.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass das zweite Optikelement eine Sammellinse ist, die einen Halbwertswinkel des Laserlichts von höchsten 10° erzeugt. Hierdurch wird eine Kollimation des Laserlichts ermöglicht, wobei das kollimierte Laserlicht höchstens um 10° divergiert. Zum Ausleuchten eines Sichtfeldes einer Kamera ist es von Vorteil, wenn die Eingangsdivergenz in das Optikelement, welches den Strahl gemäß dem Sichtfeld der Kamera formen soll, möglichst klein ist. Dadurch wird eine Ausschmierung des gewünschten Profils minimiert oder vermieden und die Intensitätsdichte im Kamerasichtfeld erhöht.

Besonders bevorzugt ist es, das zweite Optikelement als eine Fresnellinse, ein diffraktives Optikelement und/oder ein optisches Metamaterial beinhaltendes Optikelement auszuführen.

Das zweite Optikelement kann einen Elementabschnitt zum Kollimieren und einen Elementabschnitt zum Formen des Laserlichts auf einer gemeinsamen Seite aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann das zweite Optikelement auf einer ersten Seite einen Elementabschnitt zum Kollimieren und auf einer zweiten Seite einen Elementabschnitt zum Formen des Laserlichts aufweist oder das zweite Optikelement aufweisen. Hierdurch wird eine hohe Funktionsintegration in das zweite Optikelement erreicht.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Optikvorrichtung ein drittes Optikelement aufweist, das zum Formen des kollimierten Laserlichts vorgesehen ist, wobei das zweite Optikelement vorzugsweise nur zum Kollimieren des Laserlichts vorgesehen ist. Hierdurch können einzelne Optikelemente verwendet werden, die einfach und präzise hergestellt werden. Es ist von Vorteil, wenn eine am dritten Optikelement ausgeleuchtete Fläche eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlangen als das Laserarray aufweist. Die am dritten Optikelement ausgeleuchtete Fläche stellt die effektive Quelle dar, die maßgeblich für die Einhaltung der Laserlichtregularien ist.

Damit eine effiziente Anwendung der Laservorrichtung im Bereich der Kameraanwendungen möglich ist, formt das dritte Optikelement das Laserlicht derart, dass es einen quer zur Optikachse ausgerichteten rechteckigen Querschnitt aufweist. Hierdurch kann ein rechteckiges Sichtfeld der Kamera konform ausgeleuchtete werden.

Damit beispielsweise ein Sichtfeld einer Kamera möglichst mit einer homogenen Lichtintensität ausgeleuchtet wird, kann das dritte Optikelement ein Linsenarray, mindestens ein diffraktives Optikelement und/oder ein optisches Metamaterial beinhaltendes Optikelement aufweisen.

Das aus der Optikeinrichtung austretende Laserlicht weist einen senkrecht zur Optikachse ausgerichteten Querschnitt auf, der in einem Abstand von mindestens einem Millimeter eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlängen als das Laserarray aufweist. Hierdurch wird eine besonders sichere Laservorrichtung geschaffen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Richtungsangaben in der folgenden Erläuterung sind gemäß der Leserichtung der Zeichnung zu verstehen.

Es zeigt:

Figur 1 eine Laservorrichtung mit einer drei Optikelemente aufweisenden Optikeinrichtung,

Figur 2 eine Laservorrichtung mit einer eine Fresnellinse aufweisenden Optikeinrichtung, und

Figur 3 eine Laservorrichtung mit einer zwei Optikelemente aufweisenden Optikeinrichtung. In den Figuren 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele eine Laservorrichtung 10 dargestellt, die ein Halbleiterlaserbauteil 12 aufweist. Das Halbleiterlaserbauteil 12 weist ein Laserarray 14 auf, das mehrere ein Laserlicht 16 vertikal emittierende Halbleiterlaser 18 aufweist. Das Laserarray 14 ist auf einer Seite des Halbleiterlaserbauteils 12 angeordnet, dass einer Optikeinrichtung 19 zugewandt ist. Die Halbleiterlaser 18 sind vorzugsweise entlang einer Ebene angeordnet.

Die Halbleiterlaser sind oberflächenemittierende VCSEL (vertical cavity surface emitting laser), die einen Schichtaufbau aufweisen. Die Optikachse 24 ist senkrecht zu den dem Schichtaufbau zugrundeliegenden Schichten ausgerichtet. Das aus den Halbleiterlasern 18 austretende Laserlicht 16 divergiert im Fernfeld mit einem vollen Winkel von in etwa 10° bis 20°, bestimmt nach der Methode des zweiten Moments der Intensitätsverteilung.

Die Optikeinrichtung 19 weist Optikelemente 21, 22, 23 auf, die entlang einer Optikachse 24 angeordnet sind. Die Optikachse 24 ist senkrecht zu der Ebene des Laserarrays 14 ausgerichtet. Das Laserlicht 16 propagiert entlang der Optikachse 24. Die Optikachse 24 verläuft mittig durch das Laserarray 14 und kann mit einer Symmetrieachse des Laserarrays 14 und/oder den optischen Achsen der Optikelementen 21, 22, 23 zusammenfallen. Das Laserlicht 16 überlagert sich spätestens nach dem Durchtritt aller Optikelemente 21 , 22, 23, um im Fernfeld eine quer zur Optikachse 21 , 22, 23 verlaufende homogene Lichtintensität zu erhalten.

Das Laserlicht 16, welches aus der Optikeinrichtung 19 austritt, weist einen zur Optikachse 24 senkrecht ausgerichteten Querschnitt auf, der insbesondere rechteckig sein kann. Die Laservorrichtung 10 kann insbesondere für Kameraanwendungen vorgesehen werden, wobei das Sichtfeld einer Kamera durch das Laserlicht 16 ausgeleuchtet werden kann.

Damit die Laservorrichtung 10 Lasersicherheitsregularien einhält, ist vorgesehen, dass der Querschnitt durch das emittierte Laserlicht 16 in dem strahlformenden Optikelement, das die neue scheinbare Quelle erzeugt, eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlängen als das Laserarray aufweist.

In Figur 1 eine Laservorrichtung 10 gezeigt, deren Optikeinrichtung 19 ein erstes, ein zweites und ein drittes Optikelement 21 , 22, 23 aufweist.

Das erste Optikelement 21 ist zum Aufweiten des aus den Halbleiterlasern 16 emittierten Laserlichts 16 vorgesehen, wobei das erste Optikelement 21 rein exemplarisch als refraktive Streulinse ausgebildet ist. Eine konkav ausgebildete Fläche der Streulinse kann dem Laserarray 14 zugewandt sein. Das erste Optikelement 21 bedeckt das gesamte Laserarray 14. Insbesondere bedeckt die konkave Fläche das gesamte Laserarray 14 des Halbleiterbauteils 12 vollständig, sodass das gesamte emittierte Laserlicht 16 durch die Streulinse aufgeweitet wird. Das erste Optikelement 21 weitet das Laserlicht 16 auf einen Winkel auf, der größer als die Divergenz der Laser ist. Dadurch kann der Querschnitt des gesamten Laserlichts 16 nach einer kürzeren Strecke vergrößert werden, als es ohne das erste Optikelement 21 möglich wäre.

Das zweite Optikelement 22 ist zum Kollimieren des Laserlichts 16 vorgesehen, das durch das erste Optikelement 21 aufgeweitet wurde. Das erste Optikelement 21 ist zwischen dem Laserarray 14 und dem zweiten Optikelement 22 angeordnet. Exemplarischer Weise ist das zweite Optikelement 22 eine Sammellinse. Die Sammellinse erzeugt einen Halbwertswinkel des Laserlichts 16 von höchsten 10°, was in etwa dem ursprünglichen Winkel der Divergenz des Laserlichts 16 darstellt, das nicht durch Optikelemente verändert wurde. Vorzugsweise ist die Divergenz nach dem zweiten Optikelement 22, deutlich kleiner als die ursprüngliche Divergenz der Laser 14, sodass das dritte Optikelement 23 den Strahl besser formen kann und das finale Strahlprofil weniger durch verschiedene Eingangswinkel in die Optik 23 ausgeschmiert wird.

Das dritte Optikelement 23 ist zum Formen des Laserlichts 16 vorgesehen. Beispielsweise kann das Strahlprofil des Laserlichts 16 durch einen Streueffekt wie bei einem Diffusor beim Durchtritt durch das dritte Optikelement 23 homogenisiert werden.

Alternativ oder ergänzend kann solch eine Homogenisierung durch eine Überlagerung des Laserlichts 16 unterschiedlicher Halbleiterlaser 18 des Laserarrays 14 erreicht werden. Hierbei weist das dritte Optikelement 23 ein Linsenarray aus refraktiven Linsen auf. Hierbei wird jede der einzelnen Linsen des Linsenarrays das gesamte Kamerasichtfeld oder zumindest einen großen Teil davon ausgeleuchtet, sodass jeder Bereich des Kamerasichtfeldes von vielen Stellen innerhalb des ausgeleuchteten Bereichs der Optik 23 ausgeleuchtet wird und damit nach IEC 60825-1 :2014 eine neue scheinbare Quelle darstellt.

Vorzugsweise formt das dritte Optikelement 23 das Laserlicht 16 derart, dass es einen quer zur Optikachse 24 ausgerichteten rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Querschnitt kann quadratisch oder unterschiedlich lange Seiten aufweisen. Der Halbwertswinkel kann entlang einer ersten Richtung in etwa 45° und entlang einer zweiten Richtung in etwa 70° aufweisen. Wichtig für die Verbesserung der Lasersicherheit ist hierbei, dass das Optikelement 23 für jeden Winkel des gewünschten Strahlprofils im Fernfeld das Laserlicht an vielen verschiedenen Stellen innerhalb des ausgeleuchteten Querschnitts im Optikelement 23 umlenkt. Im Idealfall leuchtet die gesamte ausgeleuchtete Fläche im Element 23 in jeden Winkelbereich des gewünschten Strahlprofils, wie in Figur 1 skizziert. Jeder der drei Laserstrahlen aus den drei dargestellten Lasern wird im Element 23 in viele Teilstrahlen zerlegt (gestreut, gebeugt oder gebrochen). Ein fiktiver Beobachter, der z.B. von unten auf das Optikelement 23 schaut und nur die nach unten abgelenkten Strahlen empfangen kann, sieht den ganzen ausgeleuchteten Querschnitt leuchten und hat die gleiche scheinbare Quellengröße wie ein Beobachter, der auf der optischen Achse schaut oder von oben.

Eine am dritten Optikelement 23 ausgeleuchtete Fläche 34 weist eine zwei- bis fünfmal größere Seitenlängen als das Laserarray 14 auf. Die ausgeleuchtete Fläche 34 stellt die maßgebliche Fläche für die Einhaltung der Lasersicherheitsregularien dar. Hierbei ist die ausgeleuchtete Fläche 34, der Bereich auf dem dritten Optikelement 23, auf den das Laserlicht 16 auftrifft, nachdem es durch die vorgeschalteten Optikelemente 21, 22 tritt.

Das dritte Optikelement 23 kann als ein Linsenarray ausgeführt werden. Dabei ist eine Mehrzahl aus refraktiven Linsen auf einer Seite des dritten Optikelements 23 angeordnet.

Die vorstehend genannten Ausführungen hinsichtlich des dritten Optikelements 23 können auf die Ausführungsbeispiele aus den Figuren 2 und 3 angewendet werden.

In Figur 2 ist eine Laservorrichtung 10 gezeigt, die ein erstes Optikelement 21 aufweist, das einstückig mit dem Halbleiterbauteil 12 ausgebildet ist. Das erste Optikelement 21 kann als refraktive Linse, als diffraktives Element und/oder ein optisches Metamaterial beinhaltendes Optikelement aufweisen. Das erste Optikelement 21 kann aus einem Halbleitermaterial ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend können auch zusätzliche dielektrische und/oder transparente Materialien für das erste Optikelement 21 verwendet werden.

Das zweite Optikelement 22 ist exemplarischer Weise als eine Fresnellinse ausgebildet, die das Laserlicht 16 kollimiert.

In Figur 3 ist eine Laservorrichtung dargestellt, die eine Optikeinrichtung 19 aufweist, die nur ein erstes und ein zweites Optikelement 21 , 22 beinhaltet.

Das erste Optikelement 21 weist ein Linsenarray 30 aus refraktiven Linsen auf, wobei jeder der Linsen einem einzelnen Halbleiterlaser 14 zugeordnet sind. Die in der Figur 3 dargestellten Linsen weisen Symmetrieachsen 26 auf, die gegenüber Normalachsen 28 der einzelnen Halbleiterlaser 18 versetzt sind. Die Normalachsen 28 sind mittig an einem Emissionsbereich des jeweiligen Halbleiterlasers 18 angeordnet. Aus dem Emissionsbereich wird das Laserlicht 16 emittiert, wobei der Emissionsbereich der Optikeinrichtung 19 zugewandt ist. Die Symmetrieachsen 26 und die Normalachsen 28 sind parallel zur Optikachse 24 ausgerichtet. Das Laserlicht 16 propagiert entlang der Normalachse 28 aus dem Emissionsbereich, wobei sich ein jeweiliger Lichtkegel symmetrisch um die Normalachse 28 ausbildet. Die Normalachsen 28 sind zu einer jeweiligen Oberfläche der Halbleiterlaser 18 senkrecht ausgerichtet.

Das zweite Optikelement 22 weist eine erste dem Halbleiterbauteil 12 zugewandte Seite 31 und eine zweite vom Halbleiterbauteil 32 abgewandte Seite 32 auf. Das zweite Optikelement 22 weist auf der ersten Seite einen Elementabschnitt zum Kollimieren und auf der zweiten Seite 32 einen Elementabschnitt zum Formen des Laserlichts auf.

Die Elementabschnitte auf der ersten und der zweiten Seite 31, 32 können in gleicher Weise wie die Optikelemente 21, 22, 23 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschaffen sein.

Jedes der beschriebenen Optikelemente 21, 22, 23 kann diffraktive Optikelemente und/oder ein optische Metamaterial beinhaltende Optikelemente aufweisen.

Es ist auch denkbar, die Fresnellinse aus Figur 2 mit einem ersten Optikelement 21 aus Figur 1 und/oder Figur 3 zu kombinieren.

Die Linsenarrays des ersten, des zweiten und/oder des dritten Optikelements 21, 22, 23 können Linsen aufweisen, wobei die Abstände zwischen Symmetrieachsen benachbarter Linsen gleichgroß sind.