光发射设备和用于发射光的方法
阅读说明：本技术 光发射设备和用于发射光的方法 (Light emitting device and method for emitting light ) 是由 S·赖斯 H·施佩希特 G·皮拉德 M·埃德尔 S·皮克 于 2020-02-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光发射设备(100；200；300),所述光发射设备具有：激光装置(110；210；310),所述激光装置构造用于发射多个激光射束,其中,所述激光射束的射束横截面的椭圆率至少部分地彼此不同；射束成形装置(120；220；320),所述射束成形装置被引入到所述激光射束中的至少一个激光射束的射束路径中,并且所述射束成形装置构造用于使所述激光射束的射束横截面的椭圆率彼此适配；射束组合装置(130；230；330),所述射束组合装置构造用于,在通过所述射束成形装置(120；220；320)对所述射束横截面的椭圆率进行适配之后,将所述激光射束组合成总光束。(The invention relates to a light emitting device (100; 200; 300) having: a laser device (110; 210; 310) which is designed to emit a plurality of laser beams, wherein the ellipticity of the beam cross-section of the laser beams differs at least in part from one another; a beam shaping device (120; 220; 320) which is introduced into the beam path of at least one of the laser beams and is designed to adapt the ellipticity of the beam cross sections of the laser beams to one another; a beam combining device (130; 230; 330) which is designed to combine the laser beams into a total beam after the ellipticity of the beam cross-section has been adapted by the beam shaping device (120; 220; 320).)
技术领域
本发明涉及一种光发射设备、尤其是与微镜一起使用的光发射设备，例如在投影仪、扫描仪或传感器系统中使用时。本发明还涉及一种用于发射光的方法。
背景技术
在其中将多个激光射束组合以形成总光束的光发射设备例如作为RGB模块已知并且尤其适合于在投影仪、(条形码)扫描仪或传感器设备中应用。特别有利地，可以将这种光发射设备与微镜进行组合，由此存在精确地偏转激光射束的可能性，其中，尽管结构非常紧凑，但是仍然能够实现高的光强度和良好的分辨率。
所发射的激光射束通常具有不对称的射束轮廓，尤其是在使用边缘发射器的情况下，其中，可以通过椭圆来良好地近似描述射束横截面。发散在一个方向上(即沿着快轴或者说主轴)高于沿着垂直于此的方向(即沿着慢轴或者说副轴)。激光射束可以描述为高斯射束，其中，对于多模激光器，在必要时可以考虑m平方因子。
在EP 3226064 B1中描述，两个光源发射相同波长的光，其中，光源如此布置，使得射束轮廓彼此相差一个旋转角度。射束旋转元件构造用于，如此旋转射束轮廓中的至少一个，使得射束轮廓的主轴彼此平行地延伸。由此可以实现，射束轮廓以与偏振无关的方式改变，从而在组合中可以减少射束轮廓的扩大或射束强度的降低。
此外，由DE 10 2013 216896 A1还已知一种光源设备，其中，提供两个红色光源，其波长彼此不同，由此实现散斑效应(Speckleeffekt)的减少。
发明内容
本发明提供一种具有专利权利要求1的特征的光发射设备和一种具有专利权利要求10的特征的用于发射光的方法。
优选实施方式是相应从属权利要求的主题。
根据第一方面，本发明因此涉及一种具有激光装置的光发射设备，该激光装置构造用于发射多个激光射束。激光射束的射束横截面的椭圆率至少部分地彼此不同。光发射设备还包括射束成形装置，该射束成形装置被引入到激光射束中的至少一个激光射束的射束路径中，并且该射束成形装置构造用于使激光射束的射束横截面的椭圆率彼此适配(anzugleichen)。此外，光发射设备还包括射束组合装置，在通过射束成形装置对射束横截面的椭圆率进行适配之后，该射束组合装置将激光射束组合成总光束。
根据第二方面，本发明因此涉及一种用于发射光的方法，其中，发射多个激光射束。在此，激光射束的射束横截面的椭圆率至少部分地彼此不同。使激光射束的射束横截面的椭圆率彼此适配。在对射束横截面的椭圆率进行适配之后，将激光射束组合以形成总光束。
本发明的优点
本发明所基于的一种想法在于，在组合激光射束时考虑如下：具有不同波长的激光射束的射束横截面的椭圆率彼此不同。在本发明的范畴中，椭圆率应理解为也称为“椭圆程度”的参量，其由主轴长度与副轴长度的比率给出并且通常波长相关地在2与4之间。通常，椭圆射束横截面也可以通过另一表征椭圆形状的参数来描述，例如通过由焦点至中心的间距定义的线性偏心率，或通过数值偏心率，该数值偏心率是作为线性偏心率与主轴长度的比率得出的。光发射设备的目标通常是发射如下总光束：该总光束的射束横截面具有尽可能低的椭圆率，即，是尽可能地圆形的。如果首先将各个激光射束组合成总光束并且随后校正该总光束的射束横截面的椭圆率，则通常导致光强度的降低或变差的分辨率，因为这种校正未将组合成总光束的各个激光射束的横截面的不同椭圆率考虑在内。因此，根据本发明设置，在组合激光射束之前，已经使激光射束的射束横截面的椭圆率相互适配。射束成形装置通常构造用于，将激光射束如此成形，使得射束横截面基本上是相同的并且相同地取向，其中，相同的取向应理解为，不同激光射束的椭圆横截面的主轴和副轴相互平行地延伸。由此实现：在组合激光射束时和在对总光束的剩余椭圆率的可选的、随后的校正时，强度不降低，并且同时能够实现良好的分辨率。
通常，在与微镜一起使用时，由于镜几何形状和给定间距下的像素尺寸，导致对光发射设备的要求。这种系统的分辨率可以基于瑞利准则来确定，使得如果一个点的主最大值与另一点的第一最小值一致，则两个点视为可区分的。
根据一种优选的扩展方案，该光发射设备具有另一射束成形装置，该另一射束成形装置布置在总光束的射束路径中并且构造用于校正总光束的横截面的椭圆率。总光束的椭圆率的校正可以理解为，在方向修正(Kurskorrektur)之后得到的总光束具有基本上圆形的横截面。
根据该光发射设备的一种优选的扩展方案，射束成形装置和/或另一射束成形装置具有至少一个柱面透镜和/或柱面望远镜，由此相应激光射束的或总光束的椭圆射束横截面的主轴减小并且适配于副轴。相反，椭圆射束横截面的副轴可以增大并与主轴相适配。主轴和副轴的同时的匹配也是可能的。
根据该光发射设备的一种优选的扩展方案，射束成形装置和/或另一射束成形装置具有棱镜望远镜，以用于校正总光束的椭圆率。棱镜望远镜可以具有多个棱镜，尤其是棱镜对。棱镜望远镜构造用于使椭圆射束横截面的主轴减小和/或使椭圆射束横截面的副轴增大，并且因此适配主轴和副轴。
总光束上不同波长的部分具有略微彼此不同的发射角。为了进行校正，可以使用消色差的非晶棱镜对。根据另一更加成本有利的实施方式，直接在发射之后借助准直透镜对激光射束进行准直。通过在垂直于激光射束发射方向的平面中对准直透镜进行精细匹配，可以实现：激光射束在略微不同的入射角下已经照射到射束成形装置上，从而发射角的由波长决定的偏差恰好可以得到补偿。因此，针对激光射束的不同波长，准直透镜以相对于相应激光射束的发射方向的不同偏移布置。
根据该光发射设备的一种优选的扩展方案，射束成形装置构造用于，如此适配椭圆率，使得激光射束的射束横截面的椭圆率在适配之后分别在预给定的范围中，尤其是在1.5与2.5之间。因此，即使在椭圆率的适配之后，尤其也仍然可以允许椭圆率的一定偏差。根据进一步的实施方式，可以预给定偏差的程度。如此，射束成形装置可以如此构造，使得激光射束的射束横截面的椭圆率与椭圆率的平均值最高相差预给定的百分比，例如相差5％、10％或20％。
根据该光发射设备的一种优选的扩展方案，射束成形装置构造用于，如此适配椭圆率，使得激光射束的射束横截面的椭圆率在适配之后采用相同的值。
根据该光发射设备的一种优选的扩展方案，射束成形装置构造用于，使激光射束的射束横截面的椭圆率与激光射束之一的射束横截面的椭圆率相适配。尤其可以设置，仅对多个激光射束的子集的椭圆率进行适配。
根据该光发射设备的一种优选的扩展方案，激光装置具有多个激光源，这些激光源构造用于发射具有至少部分彼此不同的波长的激光射束。激光源尤其可以发射具有红色和/或绿色和/或蓝色光谱范围中的波长的激光射束。
根据该光发射设备的一种优选的扩展方案，射束组合装置具有波长选择镜，以用于将激光射束组合成共同的光束。这尤其可以理解为介电镜或二向色镜，其反射来自确定光谱范围的激光射束并透射来自其他光谱范围的激光射束，从而使激光射束叠加成总光束，而此外不影响激光射束的光学特性。
附图说明
图1示出根据本发明的第一实施方式的光发射设备的示意性横截面视图；
图2示出根据本发明的第二实施方式的光发射设备的示意性横截面视图；
图3示出根据本发明的第三实施方式的光发射设备的示意性横截面视图；
图4示出作为根据本发明的光发射设备的一部分的微镜布置的示意图；
图5示出根据微镜的孔径和与微镜的投影间距的、分辨率的图示；
图6示出在使用根据本发明的光发射设备时对于红光而言关于快轴的发散的示意图；
图7示出在使用根据本发明的光发射设备时对于红光而言关于慢轴的发散的示意图；
图8示出在使用根据本发明的光发射设备时对于绿光而言关于快轴的发散的示意图；
图9示出在使用根据本发明的光发射设备时对于绿光而言关于慢轴的发散的示意图；
图10示出根据本发明的实施方式的用于发射光的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了光发射设备100的示意图。光发射设备100具有激光装置110，该激光装置具有至少一个第一激光源111至11n，其发射如下激光射束：该激光射束的射束横截面具有第一椭圆率ε_1。例如，第一椭圆率可以为大约2.0，并且更通常在1.5<ε_1<2.5的范围中。特别地，至少一个第一激光源111至11n可以发射红色波长范围中的激光射束。激光装置110具有至少一个另外的激光源11i或11j，其发射如下激光射束：该激光射束的射束横截面具有与第一椭圆率ε_1不同的椭圆率ε_i至ε_j。第二椭圆率ε_2尤其可以为大约3.5，并且更一般地在2.5<ε_2<4.5的范围中。激光源111至11j的椭圆率ε_1至ε_j可以部分相同。激光源111至11j可以优选地涉及激光二极管并且尤其涉及边缘发射器。优选地，光发射设备100具有至少三个激光源111至11j。
光发射设备100还包括射束成形装置120，其被引入到激光射束中的至少一个激光射束的射束路径中。射束成形装置120可以具有射束成形元件12i至12j，其分别被引入到激光射束的射束路径中。也可以不将任何射束成形元件引入到激光射束中的若干激光射束的射束路径中。如此，例如，至少一个第一激光源111至11n的激光射束可以不受射束成形装置120的影响，而由另外的激光源11i至11j发射的激光射束通过相应的所分配的射束成形元件12i到12j如此成形，使得在穿过射束成形装置120之后相应的射束横截面的椭圆率ε_i到ε_j相应于第一椭圆率ε_1，其优选地采用椭圆率ε_1、ε_i至ε_j的最小值。射束成形元件12i至12j优选地包括柱面透镜，然而也可以通过棱镜对或用于改变椭圆率的任何其他光学元件来实现。射束成形元件12i至12j可以构造为用于减小椭圆射束横截面的主轴和/或增大椭圆射束横截面的副轴。
此外，光发射设备100还包括射束组合装置130，其将激光射束组合成总光束。为此，射束组合装置130可以包括波长选择镜、尤其是介电镜或二向色镜。此外，还可以在总光束的射束路径中布置另一射束成形装置140，其校正总光束的射束横截面的椭圆率，从而总光束的射束横截面具有第零椭圆率ε_0，其值例如为大约1.0，并且更一般地可以在0.6<ε_0<1.4的范围中。因此，总光束具有尽可能圆形的射束横截面。例如，第一椭圆率ε_1可以借助1.9的射束成形因子(Strahlformfaktor)校正为第零椭圆率ε_0，第二椭圆率ε_2可以借助3.2的总射束成形因子校正为第零椭圆率ε_0。可以设置射束成形装置120提供1.9的射束成形因子，而另一射束成形装置140提供3.2/1.9＝1.7的射束成形因子。
光发射设备100此外还可以具有至少一个微镜，该微镜构造为用于偏转可能经校正的总光束。
图2示出另一光发射设备200的示意图，另一光发射设备200具有激光装置210，该激光装置具有五个激光二极管211至215，其中，第一至第三激光二极管211至213发射其射束横截面具有第一椭圆率ε_1的激光射束，而第四和第五激光二极管214、215发射其射束横截面具有第二椭圆率ε_2的激光射束。射束成形装置220包括第一射束成形元件221和第二射束成形元件222，这些射束成形元件被引入到由第四激光二极管214发射的激光射束的或由第五激光二极管215发射的激光射束的射束路径中，并且使射束横截面的第二椭圆率ε_2适配于第一椭圆率ε_1。
在通过上述射束成形装置230组合经适配的激光射束之后，借助上述另一射束成形装置240如此校正由此产生的总光束，使得经校正的总光束的射束横截面的椭圆率相应于第零椭圆率ε_0。
图3示出光发射设备300的示意性截面图视图，其具有带有第一至第四激光二极管311至314的激光装置310，其中，第一激光二极管311发射红外范围中的激光射束，第二激光二极管312发射红色波长范围中的激光射束，第三激光二极管313发射绿色波长范围中的激光射束，并且第四激光二极管314发射蓝色波长范围中的激光射束。射束横截面的椭圆率，对于红光通常为2.0，对于绿光通常为3.5，并且对于蓝光通常为4.0。所发射的激光射束通过准直装置350的布置在激光射束的射束路径中的相应非球面准直透镜351至354进行准直。由第三激光二极管313发射的激光射束和由第四激光二极管314发射的激光射束由光发射设备300的射束成形装置320的相应射束成形元件321、322如此成形，使得这些激光射束的射束横截面的椭圆率与由第一激光二极管311和由第二激光二极管312发射的激光射束的射束横截面的椭圆率相匹配。尤其可以通过射束成形元件321、322的适当选择实现：椭圆率全部在预给定的范围中，并且例如仅偏离平均值预给定的百分比。经适配的激光射束借助包括波长选择镜的射束组合装置330组合成总光束。另一射束成形装置340包括棱镜对341、342，由此校正仍然剩余的椭圆率，即实现总光束的基本上圆形的射束横截面。为了校正波长相关的发射角度，准直透镜351至354可以在垂直于激光射束的发射方向的平面中偏移。
如果借助射束成形装置320减小主轴，则必须相对于没有射束成形装置320的情况来相应地匹配准直透镜353至354的焦距，即，如果在没有射束成形装置320的情况下对于确定的波长需要焦距f_a，并且射束宽度通过射束成形装置320而减小至1/M，则准直透镜353至354的焦距必须设置为f_b＝f_a*M。焦距由此更大，从而在必要时可以避免与其他构件的不期望的重叠。
图4示出微镜对M1、M2，其可以是上面示出的光发射设备100至300之一的一部分。微镜M1、M2能够围绕彼此垂直的第一轴A1或第二轴A2偏转第一角度α或第二角度β。通过偏转微镜M1、M2，可以在屏幕B上扫描图案，其中，微镜M1以比第二微镜M2更高的频率偏转。替代于微镜对，光发射设备100至300还可以具有能够围绕两个轴偏转的微镜。
图5图示出取决于微镜M1、M2(或在多个微镜M1、M2的情况下最小的微镜M1、M2)的孔径A和屏幕B与微镜M1、M2的间距d的、可能的分辨率。下限由第一函数f1给出，其中，相邻像素彼此直接邻接。在像素的间距更大的情况下，光强度降低。像素可以通过如下方式定义：强度降低到值1/e^2。上限由第二函数f2给出，其中，像素增大到两倍。在相邻像素的间距更小的情况下，可能的分辨率降低。
分别在使用根据本发明的光发射设备100至300的情况下，图6图示出对于红光而言关于主轴或者说快轴的发散，图7示出对于红光而言关于副轴或者说慢轴的发散，图8示出对于绿光而言关于主轴或者说快轴的发散，并且图9示出对于绿光而言关于副轴或者说慢轴的发散。第三函数f3、第五函数f5、第七函数f7和第九函数f9分别相应于最大发散角，并且第四函数f4、第六函数f6、第八函数f8和第十函数f10分别相应于最小发散角，其中，最大和最小发散角由激光二极管的制造中的容差产生。如从图6至图9中可以获悉，对于足够大的间距d而言，第三至第十函数f3至f10全部趋于通过第一函数f1和通过第二函数f2预给定的范围中。因此，可以借助单一的设置针对全部波长范围保证足够强度下的良好分辨率。如果在组合成总光束之前没有对椭圆率进行适配，则这通常是不可能的。在这种情况下，通过适当地选择用于校正总光束的椭圆率的另一射束成形装置，虽然能够针对确定的波长范围实现：间距d的期望范围(对于微型投影仪，通常在0.5与2米之间)中的相应发散位于通过第一函数f1和通过第二个函数f2预给定的范围中，然而不能同时针对全部波长范围保证这一点。同样的情况适用于：使用圆形的孔径作为另一射束成形装置，且没有先前适配激光射束的射束横截面的椭圆率，由此大幅降低光强度并且生成附加的噪声效应。激光射束的射束横截面的椭圆率的先前的适配因此导致光强度和分辨率的显著改善。
图10示出用于发射光的方法的流程图。在第一方法步骤S1中，发射至少两个激光射束，其中，激光射束的射束横截面的椭圆率至少部分地彼此不同。
在随后的方法步骤S2中，使射束横截面的椭圆率适配于共同的椭圆率。
在方法步骤S3中，在通过射束成形装置对射束横截面的椭圆率进行适配之后，将激光射束组合以形成总光束。随后，发射总光束。可选地，总光束还可以由至少一个微镜进行偏转。
可以在使用上述光发射设备100至300之一的情况下执行该方法。