光电光源和数据眼镜的制作方法

提供了一种光电光源。还提供了包括这种光电光源的数据眼镜。

背景技术：

1、文献wo 2020/212221a1和wo 2010/069282a2涉及半导体激光器的布置。

技术实现思路

1、要实现的目的是提供一种具有改进的光束组合特性的光电光源。

2、该目的尤其通过如在独立专利权利要求中所限定的光电光源和数据眼镜来实现。示例性的其他改进构成从属权利要求的主题。

3、尤其是，光电光源包括多个半导体激光器，其激光束由共同的反射光学元件形成，例如准直或聚焦，该反射光学元件可以由靠近半导体激光器布置的金属单片块形成。此外，ar/vr引擎包括这种具有对应反射自由光束光学件的光电光源。在本文中，ar表示增强现实，并且vr表示虚拟现实。

4、例如，在此描述了一种可用于ar/vr数据眼镜的μ-投影光引擎的方法。所描述的构造将小形状因数与高光学效率相结合。其关键部件可以通过低成本和大批量生产技术如冲压和/或压印来生产。所需光学元件的数量可被最小化。这两个方面都可能使得制造成本低。

5、这里描述的光电光源特别可以用于像ar/vr数据眼镜的数据眼镜。对于这种类型的产品，产品的总尺寸是关键的主题和关键性能指标kpi。在本文中，实现紧凑系统的一种方式是所谓的飞点激光束fslb方法，也称为激光束扫描lbs。在这种情况下，通过由至少一个mems镜偏转的一个激光束或多个激光束来实现图像。

6、这种mems镜需要被激光束照射，例如被准直或聚焦的激光束照射。在单色眼镜结构中，这可以仅仅是一个激光束，或者它可以是具有轻微波长偏移的多个激光束，用于抑制所产生图像中的光学伪影。其背后的效果是通过顺序地重叠一个波长的稍微不同的波长光谱的发射光谱虚拟加宽。在rgb全色结构中，这是红色、绿色和蓝色激光束的重叠，例如准直或聚焦激光束。或者，多个红、绿和蓝激光束的重叠也是可行的。

7、在至少一个实施例中，光电光源包括：

8、-多个半导体激光器，每个半导体激光器被配置成发射激光束并且被布置在安装平台上，以及

9、-重定向光学元件，该重定向光学元件被配置成用于重定向这些激光束，

10、其中

11、-重定向光学元件包括用于多个半导体激光器中的每一个的单独的反射区域，这些反射区域的形状彼此不同，以及

12、-在通过重定向光学元件之后，激光束在共同平面中行进。例如，反射区域被配置为成形用于例如准直或聚焦相应的激光束。

13、利用这种光电光源，例如，可以解决与激光束成形和来自各个半导体激光发射器的发射的重叠有关的技术问题。这可以以有效的、精确的、紧凑的和成本有效的方式完成。

14、典型的边界条件例如为：

15、-激光束，例如准直激光束，具有约1mm，例如至少0.5mm和/或至多3mm的直径；

16、-目标光束形状是圆的，尤其是圆形的；

17、-目标光束轮廓是平顶型的；

18、-在各激光束之间的目标倾斜角，例如在例如mems镜上的准直或聚焦的激光束，为约5°或更小，特别是至多3°或至多1.5°；

19、-所有激光束倾斜安放在一个平面上；由此，可以通过镜/激光同步(也称为瞄准线(英语：bore-sight)校正)来电子补偿光束倾斜。

20、可选的解决方案是使用二向色光束组合器、通过二向色镜自由传播光束组合、或者将发射点尽可能靠近地封装在一个平面中、或者通过降低至300μm至500μm典型范围的子组件，通过使用多脊激光发射器管芯(其中发射点的间距可以降到例如5μm到10μm)。

21、激光束成形，例如激光束的聚焦或激光束的准直，可以用单个透镜完成，例如消色差系统，而激光束倾斜偏移经过电子校正。此外，可以使用具有透镜的自由光束结构，或平面光组合器plc元件。这种plc元件包括基于全内反射tir效应引导激光的单片集成波导。

22、在这里描述的光电光源中，提出了使用镜进行光束成形。镜面可以布置在单块中。单片镜块可以是激光壳体的元件。典型地，短波长半导体激光器需要被密封封装以确保在所有环境操作条件下的有效时间要求。在这种情况下，镜块可以形成封装的侧壁，或者可以是封装的侧壁的一个部件。为了术语一致，这样的镜或重定向光学元件也可以称为偏转镜。

23、镜的光学表面可以具有相对于彼此的倾斜。由此，激光束，例如反射的、聚焦的或准直的激光束，可以被引导到公共点，在那里它们被重叠到一个点。在所描述的数据眼镜中，这可以是放置成像单元(如用于激光束扫描的mems镜lbs)结构的位置。倾斜的激光束都被布置在一个平面中，以通过一维镜与激光器的同步实现光束倾斜的电子校正。

24、镜的光学形状可以是球面的、非球面的或者可以具有自由形式的光学件。镜可以将具有高光束发散度的半导体激光器的典型椭圆形发射重新分布和整形为准直或聚焦的圆形光束。对于在ar/vr数据眼镜中的应用，形成平顶光束轮廓可能是有益的。

25、由于反射元件上的低损耗和镜的高数值孔径，使用反射元件进行光束成形提供了高光学效率。与通过光束限流的其他解决方案的损耗、二向色滤光器层上的损耗、耦合损耗和菲涅耳损耗相比，这里描述的反射概念提供高得多的光学效率。除此之外，激光束成形和光束组合可以仅通过一个光学元件来实现。所描述的光学元件，即重定向光学元件，可以通过例如成本有效的金属冲压和压印工艺来制造。

26、根据至少一个实施例，半导体激光器被配置成发射近紫外、可见和/或近红外辐射。为此，半导体激光器可以包括半导体层序列。半导体层序列可以包括一个或多个有源区，其中有源区或每个有源区包括至少一个量子阱。量子阱可以是量子点、量子线或量子层或其组合。

27、根据至少一个实施例，半导体层序列基于iii-v化合物半导体材料。半导体材料例如是氮化物化合物半导体材料如alnin1-n-mgamn或磷化物化合物半导体材料如alnin1-n-mgamp或砷化物化合物半导体材料如alnin1-n-mgamas，其中在每种情况下适用0≤n≤1、0≤m≤1和n+m≤1。半导体层序列可以包括掺杂剂和附加成分。然而，为了简单起见，仅指出了半导体层序列的晶格的基本组分，即al、as、ga、in、n或p，即使这些可以部分地由少量其他物质代替和/或补充。半导体层序列尤其优选地基于alingan材料系统。

28、根据至少一个实施例，重定向光学元件对于多个半导体激光器中的每一个包括单独的反射区域。尤其是，在每种情况下，反射区域仅专门分配给激光束之一。反射区域可以彼此直接邻接，并且可以例如通过脊或毛刺或闪光而彼此分离。通过这种脊或毛刺或闪光，在反射区域之间可能产生扭结或断裂，使得来自未分配的半导体激光器的意外撞击的激光辐射被偏转离开并且优选地被阻止离开光电光源。

29、根据至少一个实施例，反射区域的形状彼此不同。这并不排除不同的反射区域以彼此镜像对称的方式成形。因此，每个激光束可以通过不同的反射区域单独地成形或准直或聚焦。

30、根据至少一个实施例，反射区域被配置为成形，例如准直或形成相应分配的激光束。即，发散角通过相应的反射区域减小。相应的激光束可以是平行的射线束，或者可会聚到光电光源的壳体内或壳体外的一点，或者仍然以相当小的发散角发散。

31、根据至少一个实施例，在通过重定向光学元件之后，激光束在共同平面中行进。这特别适用于激光束的光束轴。此外，这可适用于至多2°或至多1°或至多0.5°的公差。

32、根据至少一个实施例，重定向光学元件是偏转光学元件。因此，重定向光学元件对于激光束可能是不可透过的，并且没有激光辐射可以穿过重定向光学元件。

33、根据至少一个实施例，重定向光学元件是或包括单片镜块。所有的反射区域可以例如通过冲压或压印或压制形成在单片镜块中。可能的是，所有反射区域都位于重定向光学元件的面向多个半导体激光器的单个光束成形侧上。

34、根据至少一个实施例，激光束在照射到重定向光学元件上之前彼此平行地行进。这可以在至多30°或至多10°或至多5°或至多2°或至多1°的公差下应用。

35、根据至少一个实施例，激光束在重定向光学元件处被反射之后，尤其是在重定向光学元件处被反射之后立即以倾斜的方式行进。因此，激光束之间的距离沿着激光束的路径减小，至少紧接在重定向光学元件之后，并且例如，直到成像单元。

36、根据至少一个实施例，激光束在重定向光学元件处被反射之后朝向公共交叉点行进。该单个交叉点可以位于壳体内，即，在重定向光学元件与盖的背离多个半导体激光器的盖顶侧之间。

37、根据至少一个实施例，在重定向光学元件处的激光束方向变化是至少60°或至少80°和/或至多120°。因此，方向变化大约是直角。因为在重定向光学元件可以以倾斜的方式朝向彼此行进之后，该方向变化可以大于90°。

38、根据至少一个实施例，光电光源还包括壳体。优选地，壳体是气密的。因此，可以增加设置在壳体中的半导体激光器的有效时间。此外，重定向光学元件的反射区域也可以位于壳体内，从而可以保护反射区域免受腐蚀和污染。

39、根据至少一个实施例，壳体包括底板、壳体环和盖。壳体环优选地位于底板和盖之间。安装平台优选地也位于壳体内。例如，安装平台是壳体中的附加部分，或者安装平台可以是底板的整体部分，如底板中的台阶。

40、根据至少一个实施例，该重定向光学元件是该壳体环的一部分。在这种情况下，壳体环可以是金属环。作为替代方案，壳体环包括非金属基底材料，该非金属基底材料涂覆有至少一种金属以成为镜，或者涂覆有电介质镜，或者涂覆有电介质镜和至少一种金属的组合。这种反射增强涂层也可以存在于金属环上。

41、根据至少一个实施例，壳体环包括在远离多个半导体激光器的一侧上的外环和面向多个半导体激光器的内环。例如，外环和内环中的至少一个是金属环。优选地，内环的材料比外环的更软。在这种情况下，重定向光学元件可形成内环或者作为内环的集成部分。

42、根据至少一个实施例，盖对于激光束是透射的。例如，盖是玻璃或类似蓝宝石的透光材料。为了增强透射，盖可以设置有类似抗反射涂层的光学涂层。

43、根据至少一个实施例，盖具有其他的光学元件。因此，该盖被配置成用于以下各项中的至少一项：改变至少一个激光束的方向，并组合至少两个激光束。如果盖仅为平面平行板，则仅发生光束的偏移，但方向没有变化；也就是说，在撞击到盖上之前和通过盖之后，在平面平行板的情况下，各个激光束的方向彼此平行。

44、根据至少一个实施例，其他的光学元件包括或作为用于至少一个激光束的光栅。可能在盖的每个主侧面上至少有一个格栅。

45、根据至少一个实施例，其他的光学元件包括或作为用于至少两个激光束的光导。

46、根据至少一个实施例，其他的光学元件包括或作为用于至少一个激光束的超构光学元件。术语“超构光学”，是指例如该元件尤其包括结构尺寸低于激光束波长或低于该波长的50％的重复结构单元。

47、根据至少一个实施例，激光束的公共焦点位于重定向光学元件和盖的背离多个半导体激光器的盖顶侧之间。例如，公共焦点位于盖内。

48、根据至少一个实施例，激光束在盖内组合。例如，在这种情况下，盖包括至少一个光导，或者包括至少一个超构光学元件。

49、根据至少一个实施例，反射区域处的激光束的光束直径总计为至少0.6mm或至少1.0mm或至少1.5mm。通过这种相对大的光束直径，重定向光学元件可以被配置为成形，例如用于准直或形成具有低剩余发散角的激光束。例如，剩余发散角为至多5°或至多2°或至多1°。作为选择，反射区域处的激光束直径总计至多3mm或至多2mm或至多1.5mm。

50、根据至少一个实施例，多个半导体激光器由三个或多于三个激光器组成，并且包括至少一个发射蓝光的激光器，至少一个发射绿光的激光器和至少一个发射红光的激光器。因此，光电光源可以是rgb光源。

51、根据至少一个实施例，从安装平台的顶视图看，半导体激光器彼此相邻地布置。例如，半导体激光器之间的距离为至少0.1mm和/或至多0.7mm。

52、根据至少一个实施例，重定向光学元件的镜像对称平面穿过半导体激光器的中心，或者在半导体激光器的两个中间激光器之间，这取决于是否存在奇数或偶数个半导体激光器。

53、根据至少一个实施例，多个半导体激光器中的每个半导体激光器是边缘发射激光器。在这种情况下，半导体激光器的发射区域可以位于半导体激光器面向安装平台的一侧。

54、根据至少一个实施例，安装平台是基台。尤其是，安装平台是用于所有半导体激光器的公共基台。

55、还提供了数据眼镜。数据眼镜可以包括结合至少一个上述实施例所示的光电光源。

56、因此，还公开了用于光电光源的数据眼镜的特征，反之亦然。

57、在至少一个实施例中，该数据眼镜被配置用于虚拟或增强现实应用，并且包括一个或多个上述光电光源，以及在该至少一个光电光源下游的至少一个成像单元，以及在该至少一个成像单元下游的至少一个图像生成元件。该至少一个光电光源被配置为借助于至少一个成像单元照射至少一个图像生成元件，使得图像或视频可以由至少一个图像生成元件产生和/或被投影到至少一个图像生成元件上。例如，至少一个图像生成元件是屏幕或二维波导或全息镜。在成像单元和至少一个指定的图像生成元件之间可以有中继光学件。

58、根据至少一个实施例，成像单元是微机电系统mems镜。mems镜的零状态偏转对于每个激光束可能是不同的。因此，可以补偿朝向成像单元的激光束的不同角度。

59、根据至少一个实施例，成像单元包括至少一个硅基液晶lcos元件。例如，对于所有半导体激光器有一个公共lcos元件，或者每个半导体激光器有一个lcos元件。

60、根据至少一个实施例，在多个半导体激光器与重定向光学元件之间的第一光学距离是至少0.3mm或至少0.5mm或至少0.8mm。可选地或另外地，第一光学距离为至多5mm或至多3mm或至多1.5mm。

61、根据至少一个实施例，在光电光源与成像单元之间的第一光学距离为至少2mm或至少5mm或至少10mm。可选地或另外地，第一光学距离为至多10cm或至多5cm或至多25mm。