发光系统的制作方法

专利名称：发光系统的制作方法
发光系统本发明涉及发光系统，更特定地，涉及包括至少一个半导体激光器二极管网格的发光系统。
背景技术：
二极管激光器是半导体激光器。一般通过晶片级处理(在该处理后晶片被切割为独立的激光器)来产生多个这样的激光器。在边缘发光类型的激光器中，光在半导体激光器的平面中传播。激光的增益介质的横断面(intersection),垂直于光的传播，一般是矩形的。该高度一般是Iym数量级的。增益介质的宽度是由激光器的应用确定的对于单空间模激光器，增益介质必须非常窄，而对于高功率应用，增益介质被制成很宽(如，增益介质高度的20倍)。在较宽增益介质的情况下，在激光器增益介质的最宽方向中可出现数种空间模式。对于基于2D成像仪的高亮度激光器投影，不要求逐激光器的良好的光束质量，且因而具有逐发射器的相对较宽的增益介质和增加的功率二极管是优选的。增益介质的宽度的方向一般被称为慢轴，而增益介质的高度方向一般被称为快轴。二极管的增益介质的形状对于二极管激光器的光束性质具有重要影响。首先，由于多空间模的存在，高功率二极管激光器的光束分布一般在慢轴具有不规则的形状可在慢轴方向中观察到激光器远场光强度的数个最大值。这是由于，由于增益介质的宽度，光在沿慢轴的空间中较少地被限制，这样的事实引起的。此外，衍射将引起光束发散的差异。在快轴中，相比在慢轴方向中，光束将更为发散。不同的发散是由衍射引起的较小的孔径将引起较大的衍射角度。这样，激光器增益介质的最宽方向对应于 最窄的角度分布。激光器的发散可为在一个方向中是25°且在其他方向中是50°。激光器一般与准直透镜组合来将发散光束变化为平行光束。然后，在准直后，在快轴和慢轴之间的发散的差异转换为快轴中的相对于慢轴而言较大的束腰。这个不对称是高亮度激光器投影仪的光设计的重要参数，其中系统的光学扩展量(6tendue)必须被准确地管理且任何光学扩展量损失必须被避免、或者至少被最小化。为了获得最大亮度，必须将各激光器二极管的最大量组合在系统可获得的光学扩展量中。在切割之后，激光器被封装在例如T09罐中、或其他类型的一般标准化的封装中(如，还有较小尺寸的TO-罐类型封装存在如T038，直径只有3. 8mm)O图1示出T09封装的图片。该封装由金属板构成，金属板用作激光器的冷却表面。在这个冷却板上，金属外壳被安装从而保护激光器。光在与冷却板垂直的方向(在图1的左面，向上)中被发射并通过外壳中的窗口离开该T09罐。一般在冷却板的背部上有2或3个引脚，这被用于驱动该激光器。这些引脚存在的问题在于它们将会刺穿将在其上放置激光器的冷却表面激光器中散发的热量被转移至作为封装底部的冷却板。然后该热量必须由冷却系统所移除。由此，激光器的冷却板必须被安装为与散热器接近接触。这个散热器可由空气或液体冷却系统所冷却。冷却激光器并非不重要的，因为激光器一般应该在室温附近的温度处操作。此外，优选的是密切控制激光器的温度，因为温度变化导致所发射的光功率和激光器波长的变化。因此，激光器被设计用于经细致定义的温度并在该温度处操作；如25°C。
T0-9罐上的引脚的长度也受到限制。如果做出与驱动印刷电路板之间的直接连接，这极大地限制了散热器的厚度。

发明内容
为了将激光器组合为一个强光束，激光器封装可被放置得尽可能靠近彼此。如，可通过在类晶片的安装中将所有的TO-罐放置为尽可能靠近彼此来实现此。然而，这具有一些重要限制。光束性质并不是对称的相比沿慢轴，激光束的发散沿快轴更大。作为结果，在准直后，相比沿慢轴，光束沿快轴更宽。即使相邻光束之间的空间沿快轴被最小化，沿慢轴在相邻光束之间将存在极大空间。这导致光学扩展量损失，因为光学扩展量空间一部分没有被使用。换言之，组合的光束的光学扩展量显著大于各光束的光学扩展量之和。为了控制紧密地间隔的高功率激光器二极管阵列的温度，液体冷却系统是优选的。因此需要在散热器中提供冷却液体通道，不过同时这个散热器被用于激光器的电驱动的引脚所刺穿。将激光器放得尽可能靠近限制了液体冷却通道的尺寸。该散热器还必须足够薄，从而激光器封装的引脚仍可达到被安装在散热器背侧上的驱动电子元件。这样，散热器的厚度也被限制且变得极难提供足够的冷却。本发明的目的在于提供包括多个激光器二极管的发光系统，且其中从所述多个激光器二极管产生的最大数量的激光束被组合到具有最小光学扩展量的预定输出孔径，这样解决了上述问题中的至少一些。本发明的又一个目的在于提供一种发光系统，其中从激光器二极管产生的最大数量的激光束(一般具有不对称的光束分布)被组合到具有最小光学扩展量的预定孔径中。本发明的又一个目的在于提供包括多个激光器二极管的发光系统，其将激光器二极管产生的光束与最小的 光学扩展量组合，并提供足够的冷却与激光器二极管的驱动装置。根据本发明的第一方面，公开了激光器二极管网格元件，包括-适于产生相应的多个激光束的多个激光器二极管，且该多个激光器二极管沿相应的基本平坦的表面而被设置；-每一个激光器二极管的准直装置，适于从相应激光束产生经准直的光束，该经准直的光束基本垂直于各自相应的基本平坦的表面；其中该激光器二极管被包括在标准封装中，标准封装包括用作激光器二极管的冷却表面的底板(一般是金属底板)、设置在底板上用于保护激光器二极管的外壳(一般是金属外壳)、以及从激光器二极管延伸通过底板并被用于驱动封装中的激光器二极管的至少两个驱动引脚；且-其中激光器二极管网格元件包括散热器，该散热器被设置为与底板相接触，且其中每一个激光器二极管的至少两个驱动引脚至少部分地穿过该散热器。为本发明描述的目的，使用了术语“网格”和“网格元件”。“网格”是指如此的几何设置，而“网格元件”是指包括根据其表面(优选地根据网格结构)设置的激光器二极管的设备。本领域技术人员将理解何时术语中的一个还暗指另一个。本发明的实施例提供的优势在于，在至少一个方向中以最小距离(例如，小于2_、小于1_、优选地小于O. 5mm)沿基本平坦的表面设置多个标准激光器封装，同时提供用于充分冷却和驱动激光器的装置。其中进一步，多个二极管激光器的经准直的激光束被组合到具有最小光扩展量的预定形状的输出孔径中。由于封装的发热和不充分的冷却，在例如室温、或不充分的温度调节可能性下，难以实现在特定密度阈值之下的标准封装的设置。激光器经常需要在预定温度处操作，从而最佳地有效或从而提供所要求的频率、亮度、稳定性、和寿命或其他特性。准直装置可包括透镜。该透镜可以是球面或非球面透镜。球面透镜可能遭遇球面像差的问题。非球面透镜可解决这些问题并提供对于理想透镜的更佳的接近，从而可实现更好的准直。透镜可与所述多个激光器二极管对齐地设置。所有透镜的组合可适于将从标准激光器二极管封装产生的激光束调节为基本平行、或平行的经准直的激光束。每一个透镜可适于将由标准激光器二极管封装产生的激光束转换为经准直的激光束，其方向与基本平坦的平面正交。驱动引脚一般是金属的驱动引脚，因为它们为激光器二极管提供电流用于驱动它们并给它们动力。激光器二极管可以是单发射器激光器二极管。根据优选实施例，散热器包括液体冷却热量交换器，该液体冷却热量交换器包括冷却液体的通道，且激光器二 极管的通道和驱动引脚在彼此之间偏移(offset)。该液体冷却热量交换器可进一步包括液体流通驱动装置作为例如用于流通通道中的冷却液体(如，蒸馏水、可能进一步包括添加剂，或对于本领域技术人员已知的其他冷却液体)的泵。通过使得驱动引脚和冷却液体通道偏移，如，在投影于该基本平坦的表面时不交迭，可相对于冷却以最佳设置来设置激光器二极管封装。冷却通道和多个激光器二极管封装优选地相对彼此而设置，从而可获得激光器二极管封装的最佳温度调节或冷却。一项优势在于，来自多个激光器二极管封装的热量可被提取，从而在使用过程中，通过散热器，激光器二极管封装的温度可被控制。散热器和激光器二极管封装被分别地制成。另外，散热器的尺寸、以及冷却通道的尺寸、密度、和设置可基于所使用的激光器二极管的类型、形状、密度、量、驱动功率等中的一个而变化。散热器优选地包括位于与激光器二极管封装、特别是其驱动引脚的位置对应处的穿孔或通孔。这些通孔可以有不变的截面。这可以例如是圆形或椭圆截面。并未排除本领域技术人员所了解的其他截面。通孔可包括“8”(八)_型形状，其包括如两个圆形(或如，椭圆)子通孔，每一个子通孔对应于各自的驱动引脚。该通孔可具有电绝缘的侧壁。通孔的侧壁因此可被设置有由电绝缘材料(例如，PVC或橡胶，但可使用本领域技术人员已知的其他电绝缘材料)制成的衬垫。可选地，通过沿各自驱动引脚周围设置的一个、两个、或更多个电绝缘管，驱动引脚可电绝缘于通孔的侧壁。这些管的性质可与衬垫的性质一样。还可能如上所述地组合衬垫和管。根据优选实施例，驱动引脚电连接至被设置在位于与激光器二极管侧相对的散热器侧的印刷电路板。通过将激光器与被设置在散热器下的印刷电路板直接连接，可实现非常紧凑的设置，这在用于设计发光系统的可用空间/体积受限时是重要的。这还提供的优势在于，来自位于印刷电路板上的驱动电路的热量可被朝向该散热器提取。又一个优势在于，激光二极管和位于印刷电路板上的激光器驱动电路之间的电连接可被最小化。这对于使激光器二极管能够高频调制是尤为重要的。根据优选实施例，驱动引脚通过扩展连接器的方式连接至该印刷电路板，该扩展连接器至少部分地扩展至该散热器中。扩展连接器的使用提供了这样的优势当散热器(或散热器与热传导(且优选地电绝缘)板的组合厚度，如果热传导板存在的话)的最佳厚度，(见下文)，或更一般地，当被组装时的、基板底部与印刷电路板顶部之间的距离，将大于驱动引脚(如，标准激光器二极管封装)的长度，仍可实现穿透散热器的互连。扩展连接器可包括可同位于第一端上的二极管激光器封装的驱动引脚相连接的扩展引脚，且可被连接至第二端处的印刷电路板。因此，该扩展连接器可包括例如靠近其中间部分的夹紧部分，该夹紧部分可确保激光器二极管封装的驱动引脚和扩展连接器的导线之间的良好稳定的接触。使用扩展连接器还提供了这样的优势激光器二极管封装与印刷电路板之间的电连接容忍小的对齐误差，因为扩展连接器、或驱动引脚和扩展连接器的组合可以是柔性的。包括驱动引脚和扩展连接器的电接触的移动受限于尺寸，如通孔的截面积。根据优选实施例，激光器二极管封装的每一个驱动引脚可由单独的扩展连接器所扩展。可选的，可使用单个扩展连接器用于扩展各激光器二极管封装的两个、三个或更多，如，全部，驱动引脚。根据优选实施例，激光器二极管网格元件还包括位于印刷电路板和散热器之间的热传导装置。这提供了这样的优势，来自印刷电路板的热量可被更为有效地由散热器所提取、或导向散热器。根据优选实施例，准直装置包括设置在单个模制的透镜阵列中的多个透镜。这可简化激光器二极管网格元件的组装。单个模制阵列中的透镜被放置于预定的相对位置处。因此，单个校准步骤对于将透镜(准直装置)与多个激光器二极管对齐是有必要的。根据优选实施例，激光器二极管网格元件进一步包括定位板，该定位板适于将激光器二极管保持在预定位置， 且位于准直装置和多个激光器二极管之间。该定位板因此可包括开口，每一个开口适于接收激光器二极管封装的外壳。这些开口可例如具有用于圆柱形外壳的圆形截面，藉此开口的直径仅略大于该圆柱形外壳的直径。根据优选实施例，定位板因此被设置在高于激光器二极管封装的底板水平的水平上，即，定位板的底部表面位于底板的上表面上。优选地，一个或多个弹簧位于将激光器二极管封装推向散热器的平坦表面的这些表面之间。根据可选实施例，定位板可包括与激光器二极管的底板相应的凹入，这些凹入(如，围绕着通孔，形成具有受限厚度的环结构的圆形凹入)适于容纳或接收底板。优选地，底板可被以弹簧位于底板上表面和凹入底部(表面)之间的方式容纳于凹入中，而底板的下表面与定位板的底部表面平齐，即，这些表面位于同一平面中。优选地，定位板由热传导材料制成，从而可改进从激光器二极管封装到散热器的热传递；可出现穿透定位板的额外热传递板。当激光器二极管的底板与定位板(当由所述底板中的凹入所接收时)底部平齐时，尤其如此。使用定位板提供的优势在于，可易于将标准激光器二极管设置在预定位置。标准封装具有预定尺寸，特别是它们的底板。对于预定类型的激光器二极管封装，可在底板的预定位置处设置合适尺寸的开口(和凹入，如果有的话)。然后可通过在散热器或在定位板上的机械基准来定位激光器二极管的底板。根据优选实施例，可在激光器二极管的底板和散热器之间应用/出现导热胶。根据优选实施例，激光器二极管网格元件进一步包括用于将准直装置相对于散热器或相对于定位板对齐的对齐装置。在准直装置包括准直透镜的模制阵列的情况下，该对齐装置优选地适于对齐且优选地还适于将准直透镜的模制阵列相对于散热器并因此相对于激光器封装固定(因为激光器封装相对于散热器位于预定位置)。对齐装置可包括多个独立的调节装置，例如第一组调节装置适于控制准直透镜阵列和沿其安装激光器二极管的基本平坦的表面之间的距离和平行，且第二组调节装置适于将准直透镜的光轴与从激光器二极管发射的激光束的中心对齐。对齐装置可进一步包括固定装置来在调节后将准直装置锁到位。根据可选实施例，激光器二极管网格元件并不包括所述对齐装置，因为也可用外部对齐装置执行对齐，其本身并不导致准直透镜的模制阵列与散热器之间的永久固定。因此公开了包括根据本发明的实施例的但没有“内部”对齐装置的激光器二极管网格元件的系统，以及在激光器二极管网格元件外部的对齐装置。在对齐步骤后，准直透镜可例如被粘合到位并可移除外部对齐装置。因此，单个对齐足以为所有激光器二极管封装来对齐准直装置。根据优选实施 例，根据在基本平坦的表面上的网格结构设置激光器二极管，且该网格结构具有垂直的二极管间间隔和与垂直的二极管间间隔正交的水平二极管间间隔。每一个激光器二极管可包括慢轴和快轴。激光器二极管可被取向在网格内，其各自的慢轴和快轴沿慢轴方向和快轴方向分别对齐。沿慢轴的经准直的光束的尺寸可基本小于沿慢轴方向的二极管间间隔。本发明的优势在于，在光束组合环境中可被视为劣势的光束的非对称性可替代地被积极地使用。此举通过将基本相同的激光器二极管封装/激光器二极管设置在常规网格中(它们各自的慢轴和快轴对齐)来完成，该网格包括在两个正交的方向(即水平和垂直方向)中，不变的网格距离。每一个激光器二极管的不对称藉此被排序，且可更容易地执行对这个不对称的补偿。特别是可在快和慢轴方向中不同地选择两个激光器二极管封装之间的距离。根据优选实施例，在基本平坦的表面上的冷却通道的正交投影在激光器二极管之间沿快轴方向延伸。它们可基本或仅沿快轴方向延伸。由于在快轴方向和慢轴方向的网格距离不同，在提供最佳光束组合的同时，由最大距离界定的区域(一般沿慢轴方向)，允许将冷却通道定位在与其上垂直的方向，即，沿快轴方向。因此不对称被用来创建设计的自由度，该自由度被用于提供改进的冷却系统，该改进的冷却系统例如包括冷却通道的改进的设置。本领域技术人员可理解的是，通过在快轴方向(沿其快轴和慢轴对齐)将标准激光二极管封装尽可能接近地设置在一起，相应的经准直的光束在这个方向彼此之间不具有或几乎不具有开口(对于T0-9封装，该激光器二极管封装可例如在快轴方向被间隔(具有相应“间隙”)约O. 5_，不过这个距离可依赖于封装的类型可变化一对于大多数封装而言，小于2、1、或O. 5mm的距离是可能的，或约2、1、0. 5的距离是最佳的)。在慢轴中，由于经准直的光束形状的不对称，间隙可自动出现。当光束组合光学元件(optics)必须被或被用于将经准直的激光束彼此接近时，可预见冷却通道的必要距离/预定位置，且光束组合光学元件可被适于考虑该必要的距离/预定位置。将理解的是，冷却通道可以、或也可以，沿慢轴方向延伸，不过这样可需要附加的光束组合光学元件，即，经准直的激光束组合装置可适于将最接近的相邻经准直激光束在快轴方向彼此接近。根据优选实施例，冷却通道具有可变宽度，在具有较高局部激光器二极管密度的区域中的该宽度大于具有较低局部激光器二极管密度的区域中的该宽度。这提供的优势在于，可通过冷却通道提取热量且可根据局部二极管密度来最优化热量。注意，在二极管网格内，二极管密度一般不变。在网格周界、或在没有激光器二极管存在的网格内的区域处(例如由于光束组合装置或所使用的光学元件的类型、或输出孔径的非矩形形状)，需要较少冷却，且冷却通道可相对较窄。根据本发明的第二个方面，公开了发光系统，包括根据第一方面的任意实施例的至少一个激光器二极管网格元件，其进一步包括用于将多个经准直的激光束组合至预定输出孔径的装置。这提供了用于将多个经准直的激光束组合到预定输出孔径中的可选的解决方法。根据优选实施例，用于组合多个激光束的装置适于反射经准直的激光束，以使在由预定输出孔径定义的平面中、源自同一个激光器二极管网格元件的、沿慢轴方向的在两个相邻经准直的激光束之间的距离，小于在由各自的基本平坦的表面所定义的平面中的距离。从特定角度，源自与网格中彼此间隔特定距离处的单个网格的经准直的激光束，在它们穿过预定输出孔径时，可因此 互相接近。根据优选实施例，用于组合多个激光束的装置适于反射经准直的激光束，以使在由预定输出孔径定义的平面中、源自同一个激光器二极管网格元件的、沿慢轴方向的在两个相邻经准直的激光束之间的距离，小于在由各自的基本平坦的表面所定义的平面中的距离。这提供的附加优势在于，如果源自在快轴方向相邻、但不够足够接近的激光器二极管封装的经准直的激光束，在它们穿过预定输出孔径时，可进一步互相接近。根据优选实施例，发光系统，包括根据第一方面的任意实施例的至少一个激光器二极管网格元件，发光系统还包括用于将所述多个经准直激光束组合至预定输出孔径的装置，用于组合的所述装置包括全内反射棱镜和/或镜条和/或图案化的镜子，其中在由所述预定输出孔径界定的平面中的两个相邻经准直激光束之间的距离小于由沿慢和/或快轴方向的至少一个激光器二极管网格元件的基本平坦的表面界定的平面中的两个相邻的经准直的激光束之间的距离。根据优选实施例，该发光系统包括至少两个激光器二极管网格元件，且用于组合多个激光束的装置适于反射经准直的激光束，从而在由源自不同激光器二极管网格元件的经准直的激光束的预定输出孔径所界定的平面上的投影被插入在彼此之间。根据优选实施例，用于组合多个激光束的装置适于反射经准直的激光束，以使在由预定输出孔径定义的平面中、在任意对的最近的经准直的激光束之间的距离，小于沿在由各自激光器二极管网格元件的基本平坦的表面所定义的平面中的慢轴方向的最小二极管间的距离。根据优选实施例，用于组合的装置包括平坦的反射表面。用于组合的装置可仅包括平坦的反射表面。用于组合的装置可包括全内反射的棱镜或镜子。用于组合的装置可包括至少一个图案化的镜子。图案化的镜子可例如是或包括平坦的光学表面，该平坦表面的一部分适于反射光且该表面的其他部分适于允许光通过。图案可例如包括条状图案或棋盘图案。根据优选实施例，用于组合的装置可包括反射表面的阵列，用于反射经准直的激光束通过预定输出孔径。当引入了其中激光器二极管封装被设置为沿基本平坦表面的网格结构的顺序时，可因此简化用于组合的装置。特别当它们包括慢轴和快轴且激光器二极管封装根据网格中的这些轴而对齐时，尤其如此。根据优选实施例，反射表面的阵列的每一个反射表面适于并设置为反射沿各自激光器二极管网格元件的相同行或列放置的激光器二极管经准直的激光束。根据优选实施例，发光系统包括至少两个、或两个，激光器二极管网格元件，根据本发明的第一方面的第一和第二激光器二极管网格元件。第一和第二激光器二极管网格元件的各自基本平坦的表面可基本平行。根据优选实施例，第一激光器二极管网格和第二激光器二极管网格的激光器二极管的位置在与各自基本平坦的表面基本平行的面上的投影是交互的。由于源自不同激光器二极管网格元件的经准直的激光束之间没有交迭，可获得组合到预定输出孔径中的最佳光束。根据优选实施例，发光系统包括至少三个、或三个根据本发明的第一方面的激光器二极管网格元件，首先，其中两个激光器二极管网格元件被放置为包括激光器二极管的它们的基本平坦的表面基本平行并彼此相对，且其中第三激光器二极管网格的基本平坦的表面被放置为垂直于其上。根据优选实施例，发光系统包括至少五个根据本发明的第一方面的激光器二极管网格元件，这五个激光器二极管网格元件根据立方排列而设置，该立方体排列定义了具有六个表面的立方体，其中六个表面中的一个为开口，且其中激光器二极管望各元件的基本平坦的表面面对着立方体内部和其他各自5个表面。此处创建了用于组合经准直的激光束的高密度光束组合系统，另外最佳地，该系统还可被冷却。根据本发明的第三方面，公开了光学组件用于准直多个激光器二极管的激光束，该多个激光器二极管适于产生多个激光束并根据网格结构被设置在基本平坦的表面上，该光学组件包括准直透镜的单个模制阵列。光学组件可以是准直透镜的单个模制阵列。根据优选实施例，光学组件包括用于将准直透镜的单个模制阵列相对于激光器二极管对齐的装置。对齐装置包括第一调节装置，适于控制准直透镜阵列和沿其安装激光器二极管的基本平坦的表面之间的距离和平行，和第二组调节装置，适于将准直透镜的光轴与从激光器二极管发射的激光束的中 心对齐。


本发明的进一步特征将从附图中明显看出，其中图1是现有技术标准激光器二极管封装的侧视图。图2是根据本发明的方面的实施例的侧视图，其中来自两个激光器二极管网格元件的光被组合至圆形孔径中。图3是根据图2的实施例俯视图或仰视图。图4是根据图2的实施例的侧视图。图5是图2中所示的实施例的光线跟踪示意图。图6根据本发明的实施例，对于激光器二极管的单个网格，示出准直后的激光束分布。图7，根据本发明的实施例示出，当经准直的激光束从两个不同的激光器二极管网格元件组合而来时，在圆形输出孔径处的经准直的激光束分布。图8，与图5类似，是根据本发明的另一个实施例的光线跟踪示意图，其中来自三个激光器二极管网格元件的经准直的激光束被组合至圆形输出孔径中。图9，根据本发明的实施例示出，当经准直的激光束从三个不同的激光器二极管网格元件组合而来时，在圆形输出孔径处的经准直的激光束分布。图10，与图8类似，是根据本发明的另一个实施例的光线跟踪示意图，其中来自三个激光器二极管网格元件的经准直的激光束被组合至圆形输出孔径中，且其中用于组合的装置包括图案化的镜子。图11是图10所示的实施例的侧视图。图12是根据本发明的又一个实施例的光线跟踪示意图。图13示出根据本发明的方面的又一个实施例，其中源自四个不同激光器二极管网格元件的经准直的激光束被组合至圆形孔径中。图14示出通过源自四个不同二极管激光器网格元件的经准直的激光束对于圆形孔径的填充。图15是根据本发明的实施例的激光器二极管网格元件的透视图，对应于例如单个激光器二极管网格。图16是用在图15中所示的组装中的液体冷却板的透视剖面示图。图17是根据本发明各方面的准直透镜阵列的调节装置的透视图。图18示出根据本发明的各实施例的扩展连接器。
具体实施例方式虽然将关于具体实施例并参考特定附图来描述本发明，但是本发明不受限于此而仅由权利要求来限定。所描述的附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明目的，某些元件的尺寸可以放大且不按比例地绘出。在本说明书和权利要求书中使用术语“包括”之处，它不排除其他元件或步骤。在引用单名词时使用不定冠词或定冠词(例如，“一”或“该”，“所述”)之处，这包括该名词的复数形式，除非特别声明。权利要求中所使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的装置；它不排除其他元件或步骤。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应被限制为仅包括组件A和B的设备。它意味着有关本发明， 设备中相关的组件仅是A和B。
此外，本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等等用于在类似的元件之间进行区分，而不一定用于描述顺序次序或时间次序。应该理解如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且在此描述的本发明的实施例能够以本文描述或图示以外的其它次序来实施。此外，本说明书和权利要求书中的术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。应该理解如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且在此描述的本发明的实施例能够以此处所描述或图示以外的其他取向来实施。在附图中，类似参考标号指示类似特征；且，在多于一个附图中出现的参考标号指代相同的元件。在图1中，示出标准激光器二极管封装1，也经常被称为二极管激光器。激光器二极管封装可例如是T0-9类型的，不过可以是具有类似特性的任何其他标准或非标准类型，如本领域技术人员所了解的那样。可以例如是T0-38，T0-56, T0-3, SOT-OI, S0T02, CMT02…类型。封装包括底板2, —般是金属板,该底板用作激光器的冷却表面。金属外壳3被安装在这个冷却板上从而保护真正的半导体激光器。激光在与冷却板垂直的方向中(在图1的左面，向上)被发射为光束10并通过外壳中的窗口 4离开该T09罐。一般在冷却板的背部上有二或三个引脚5，这被用于驱动该激光器。这些驱动引脚一般通过绝缘装置14的方式电绝缘于底板。根据本发明的实施例， 如图2中所示，激光器二极管，例如标准激光器二极管封装1，根据两个阵列或网格结构G和G'被设置。这两个网格结构G、G’，各自包括多个激光器二极管1，适于产生多个激光束10。每一个网格结构的激光器二极管优选地被设置在基本平坦的表面上。结构G和G'的激光器二极管彼此面对，且各自基本平坦的表面基本平行或平行。每一个网格结构G、G’一般具有水平的二极管间间隔和垂直的二极管间间隔，如图3中所示，这两种间隔沿垂直的方向。根据优选实施例，激光器封装物理地沿着网格中的慢轴和快轴，这些轴例如对应于网格的水平和垂直方向。激光器二极管在二极管的快轴方向，以激光束之间的相应距离dF，尽可能彼此接近地物理地间隔。在激光器二极管的慢轴方向，封装，以激光束之间的相应距离dS，被进一步物理地间隔开。如将进一步讨论地，这个间隔有助于实现激光器的冷却。激光器二极管、激光束、或经准直的激光束之间的距离，也称为间隔，被认为是相关联的激光束或经准直的激光束的中心之间的距离。将了解的是激光束之间的间隔可被唯一地映射到激光器二极管或激光器二极管封装之间的间隙，且在(经准直的)激光束之间所表达的关系可被映射到激光器二极管或激光器二极管封装之间的关系。为本发明的目的，在提及激光器二极管封装之间的实际间距时，使用术语“间隙”(gs :沿慢轴，gF :沿快轴)。为每一个激光器二极管I预见(foresee)准直透镜6，适于从相应激光束10产生经准直的光束101，该经准直的光束基本垂直于基本平坦的表面。此处，一对于每一个网格结构，一组准直透镜被设置为阵列600，其从单个模具(single mold)形成。如将进一步描述，这将是优势性的，不过这并不是严格地必须的。提供了用于组合多个经准直的激光束至预定输出孔径8 (此处是圆形孔径)的装置7。此处，使用了具有平坦表面的一组全内反射棱镜71。可选地，或与其组合地，可使用一组平坦的镜子或平坦的图案化的镜子。继续进一步描述其中的示例。可用一个或多个外部周界定义一个或多个网格。激光器二极管网格的这个外部周界取决于预定的输出孔径、从其必须组合经准直的激光束的网格(因此网格元件)的数量；还取决于用于组合经准直的激光束的装置的特定类型。当通过仅包括平坦的反射表面的用于组合的装置组合向圆形输出孔径时，外部周界可例如描绘出半椭圆、或半圆。在更一般的级别上，沿慢轴的经准直的光束的尺寸因此基本小于沿慢轴方向的二极管间间隔。例如在慢轴中的一般发散角25°且在快轴中50°，相比在快轴方向中，经准直的光束的尺寸一般在慢轴方向中仅是一半宽。如果二极管间间隔沿快轴被最小化，且准直光学元件被设计为使得沿快轴的经准直光束的宽度紧密切合这个间隔，沿慢轴的经准直的光束的尺寸将是沿慢轴的二极管间间隔的50%或更小。用于组合多个激光束的装置适于反射经准直的激光束，从而沿预定输出孔径定义的平面两个经准直的激光束(对应于沿慢轴方向的两个相邻的激光器二极管)之间的距离dSA，小于沿由基本平坦的表面定义的平面的距离dS。根据进一步的实施例，对于快轴(dFA和dF)这可近似地执行。参看图2到图7中所示的实施例，通过使用一组45度角的镜面，沿慢轴的激光器之间的较大间距被压缩(condense)。为了减少经准直的光束的路径长度，有利地，全部量的激光器被分为两个对半，对应于两个网格结构。在每一个对半中，激光器被设置在半椭圆的周界中。在压缩沿慢轴的间距之后的所组合的光束接近圆形形状且朝向圆形孔径，如图2中所示。图3中的俯视图示出沿阵列的一半的二极管激光器的分布。封装沿二极管激光器的快轴尽可能接近地间隔(距离dF、间隙gF)，而沿慢轴在相邻激光器封装之间留有对应于距离dS的间隙gS。进一步，不同的行和列被填充激光器二极管来接近椭圆形状。除了沿慢轴和快轴的 节距之间的差异，还在沿慢轴方向的激光器的量中存在差异。由于准直后的束腰在慢轴方向中较小，在这个方向可装配更多的激光器。图4示出激光器阵列光束组合的侧视图。选择TIR反射棱镜的间隔来压缩存在于沿激光器二极管的慢轴的相邻激光器之间的距离。TIR反射表面同时将激光器网格的两半组合为同一个圆形孔径。在图5中，示出了对于经准直的激光束101，根据图2到4的光束组合器的光线跟
足示O首先，激光束10由准直透镜阵列600准直。这个透镜阵列包括非球面透镜，其在由激光器发射出的较广角度范围上充分地准直光。还可使用球面透镜，不过它们一般导致欠准直的光束，但这在整体上可能足够。激光器优选地被准直，以使最大发散小于O. 25度。在一个方向中，发散稍微大于另一个方向。这可通过使用两个圆柱形透镜阵列来解决，如对于本领域技术人员已知的那样。圆柱形透镜的这些阵列之一可被包括在激光器封装内。然而，每个激光器二极管使用单个透镜是优选的。可为每个二极管使用一个或更多个进一步透镜，不过这增加了必须相对于激光束对齐的第二或进一步的光学组件。此外，由于在标准(如，TO-罐)内激光器的机械容差，实践中不可获得较好的校准。这导致被非常良好地准直的激光束、但其几何形状不对称沿快轴宽得多。这在图6中示出。接着，通过光束组合棱镜的组装，减少沿慢轴的经准直的光束之间的距离dS。激光束的每一线由在与激光器阵列平行的方向中的对应棱镜所反射。通过选择这些光束组合棱镜之间的合适间距，可极大将激光器线束之间的距离减少至dSA。优选地，将dSA选择为略大于沿慢轴的束腰，因为这使得系统容差足以使得机械和光学组件准确，同时仍捕捉所有可得到的光。现在获得了组合的激光束，其被良好地准直且其相交尽可能地小。所组合的激光束的形状应该被适于投影仪的其余光学系统。在通过聚光透镜将激光器聚焦在如，结合杆(integration rod)中的情况下,在光束组合棱镜之后的所组合的光束优选是圆形的。这可通过将激光器设置为各自契合半椭圆周界的两个网格结构中来完成。与通过TIR棱镜的放置获得的聚光与光束组合相结合，投影仪的圆形孔径被精细地充满光，如图7中所示。投影仪孔径的均匀性充满，产生最大光输出并传递最佳均匀性以及所投射的图像的减少的光斑对比度。可选地，还可通过将所有二极管激光器设置在椭圆周界中的单个网格结构中获得孔径的圆形填充。然而，这增加了经准直的光束的整体覆盖面积和路径长度，藉此增加了容差敏感度。例如，在T0-9封装的情况下，激光器冷却板直径9mm。考虑到由保持激光器的机械系统所要求的间距(gF=0. 5mm)确定的封装之间的最小间距，可获得沿快轴的二极管间间距dF为9. 5mm。在输出孔径位置处沿快轴相邻光束之间呈现相同的间距(dF=dFA)。准直透镜6被设计为在输出孔径处沿快轴方向中的束腰几乎等于间距dFA。优选地，如图7中所示，其略小从而考虑到机械和光学容差。然而，在准直后的束腰比在慢轴方向中小得多。即使在慢轴方向中使用相同的二极管间间距，而没有任何进一步测量，这导致可得到的光学扩展量的损失，因为在输出孔径处的可用空间的约一半仍没有被使用。光束组合光学元件允许避免这个损失并容纳在慢轴方向中的封装之间的较宽间隙(例如，gS=3mm)。因此可将沿慢轴的二极管间间距增加至dS=12mm。这个较宽的间距有利于冷却系统，因为这导致在类晶片的液体冷却块中的冷却通道的附加间距。这样，冷却的受限空间的问题被解决。该光束组合光学元件将减少在输出孔径处沿慢轴方向的经准直的光束之间的间距dSA为基本等于慢轴方向中的束腰。优选地，该束腰略小于dSA从而考虑机械和光学容差。例如 dSA=5. 5mmο如上所述，根据本发明的实施例的系统被设置并修改为使得，在不同经准直的激光束之间存在优选较小的开口从而容纳任何光学和/或机械容差且仍捕捉所有可获得的光并最大化光效率。在一些应用中，可期望的是进一步增加可耦合至圆形孔径中的激光器的量，即使较小百分比的光可丢失，例如在最差的容差情况下。在这样的应用中，在各激光束(如，沿快轴)之间所留有的开口可通过将二极管激光器的第三网格放置为垂直于那两个对半来填充，如图8中所示。TIR棱镜条现在在来自第三激光器阵列的光线穿过的位置处被遮断(interrupt)。如果所组合的激光器束的偏 振不重要或较不重要，来自第三网格的激光束的取向可相对于来自第一和第二网格的激光束的取向被偏转90度。然后,第三网格中的激光器被放置为沿慢轴彼此尽可能接近，同时沿快轴设置较宽的间隔从而允许液体冷却通道在沿慢轴方向的激光器之间穿过。在第一和第二网格结构的组合由来自第三网格结构的光充满之后，在沿快轴的剩余间距中可获得如图9中所示的孔径充满的方式。替代于使用TIR棱镜，还可能使用一组图案化镜子，其包含反射部分，此处来自激光器的光可被反射，例如90度，和透射部分，此处其他激光器的光需要穿过。这样的镜子可用任何两维图案创建并提供更多的灵活性(flexibiIity)来将激光束交织在两个方向。例如在图10中，顶部和底部阵列在垂直方向交织而右边阵列在深度方向交织。由于现在激光器的非相邻行被交织，激光器的分布接近圆形孔径填充，如图11中所示，现在不再契合入捕圆周界中。填充沿激光器快轴的剩余开口的另一个方法是使用一种设置，其仅具有顶部和底部网格，然而每一个阵列设置成填充整个圆形孔径。通过顶部和底部网格之间的相对偏移，可将光束交织在一个或两个方向中。这在图12中示出。这样的交织能使得阵列中激光器封装沿快轴也有较宽间距。在这个设置中，然后也可沿慢轴取向冷却通道。使用这样的设置，如果所组合的光束期望被偏振，可能在两个阵列中均具有相同的激光器取向。另一方面，如果所组合的光束期望不被偏振，可能具有正交的取向。为了减少路径长度并能有更紧凑的设置，还可能使用四个网格(和因此的网格元件)。两个位于顶部和底部(Gt-未示出，和Gb)且两个位于每一侧(G1、未示出，和Gr)。这在图13中示出。第一组交叉的图案化镜子71H被用于左侧和右侧网格元件的水平组合。交叉的图案化镜子的第二交织组7IV被用于顶部和底部网格的垂直组合。

除了不同的路径长度外，图12和图13的设置是类似的，在此二者的情况下，激光器的四个圆形图案被交织来填充整个孔径，如图14中所示，其中阵列中的数量对应于四个激光器二极管网格元件的各网格元件，经准直的激光束源自于这些元件。图案化的镜子在其中来自其他阵列的光线要求通过的位置处应该是透明的。根据又一个示例，上述体系结构的组合是可能的。图12或图13中的设置可与背部的附加激光器阵列所组合。激光器的四个圆形图案的交织仍不能获得阵列中相邻激光器封装之间所期望的间距，如果图13和图14的体系结构被组合，则激光器的高达八个圆形图案的交织是可能的。激光器二极管I的网格G、G’和准直透镜6，通过模制阵列600，与激光器驱动电路板12、和散热器(如，液体冷却热交换器11) 一起，被包括在组装200中。在图15中示出了组装的主要部件。二极管激光器I的T09-罐型封装直接与包含通道111来允许坑却液体流动的液体冷却热交换器11直接接触(热胶被应用在接触区域中确保最佳热传导)。印刷电路板12置于液体冷却热交换器11的背部来连接激光器二极管I。可通过焊接、或经由将参看图16讨论的连接器系统13来做出连接。液体冷却热交换器的厚度受限于连接的长度，在T0-9罐和直接焊接的情况下是约5_。印刷电路板还可包括有源电路来驱动二极管激光器I。然后，有利的是，可在印刷电路板12和冷却板11之间使用热传导接口板,从而也将来自驱动器电路的热较好地引向散热器。可选地，当仅基于多个激光器二极管的冷却腔来设计散热器的大小时，可在印刷电路板12和冷却板11之间设置热绝缘接口板。需要准确地控制阵列中各激光器的放置。因此，散热器的基本平坦的表面可配备有机械基准(如，接合销)。在优选实施例中，通过定位板9和弹簧，激光器二极管的封装的底板被推向这些接合销。定位板9和弹簧可确保激光器封装被维持在基本平坦的表面及其机械基准之间的良好定义的位置中，且因此确保了阵列或网格中所有激光器的准确的相对放置和间隔。在激光器I和驱动PCB12之间固定连接的情况下，在激光器二极管I焊接至PCB上之前，优选地安装定位板9和弹簧。球面准直透镜7优选地被模制为一个单个玻璃件71，这样固有地确保了透镜之间的相对放置和间距，并与阵列/网格中激光器二极管的放置和间距相匹配。用相对于散热器的基本平坦的表面以及因此相对于激光器二极管的调节，准直透镜71的完成的阵列/网格被安装。图16提供液体冷却板11的剖面。沿慢轴的激光器二极管之间的增加的距离，使得激光器二极管I之间有横向的冷却通道111。冷却通道111的形状被优化来将冷却液体成比例地沿每一个通道111分布热负载。较宽的冷却通道被设置为每行激光器的数量向着椭圆中心而增加。因此，在必须传递更多热量的这些通道中流速增加，且最小化阵列中不同位置之间的温差。球面准直透镜被模制为一个单个玻璃件71，且基准平面可用透镜表面模制来用作机械基准。透镜阵列优选地相对于激光器二极管和基本平坦的表面可调节。在图17中，示出螺钉和弹簧系统如何能进行完全六个自由度的调节(沿三个轴放置和倾斜)从而优选地将透镜阵列放置为与激光器阵列对齐并调节聚焦平面。理论上，准直透镜的聚焦平面的位置对准为尽可能接近于激光器二极管的射出端面的位置。在没有容差的情况下，则所组合的激光束几乎完美地被准直。如果聚光透镜将光聚集在光结合杆(light integratingrod)中，这样的接近完美的聚焦可能不是优选的。其可能创建非常高的局部强度，这对于在结合杆中均匀地混合是不利的，或甚至引起损害。因此，优选的是调节准直透镜的焦距从而略为偏离完美准直，只要这不会损害投影系统的光输出即可。这意味着与完美准直的角度偏离应该仍是足够小，从而所有的光可耦合至结合杆的入口。激光器二极管I和印刷电路板12之间的连接可通过直接焊接而做出。尽管这个方法相对简单，其仍可能具有劣势。液体冷却板的最大厚度例如受限于T0-9封装的导线的长度。另外，通过将板放在液体冷却板上，通过焊接和夹持以限制激光器的位置，这可引起机械应力，例如机械应力 由如启动或关闭时的温度变化弓I起。不利地，使用包括连接器130连接器扩展系统13来允许电接触，而不影响激光器的固定的光学和机械定位。由于连接器130的柔性，可校正PCB 12的较小的不对齐。连接器还可在印刷电路板12和激光器二极管I之间延伸从而允许液体冷却热交换器11的附加厚度。在图18中，示出了这样的连接器扩展130的可能实现。扩展连接器130包括位于中间的夹持弹簧部分，从而确保与TO-罐的导线(驱动引脚)之间的良好接触，同时允许导线自由地移动与调节。在另一侧可接收焊接引脚131。可提供绝缘装置例如管132。绝缘装置132在连接器扩展130上滑动。在最终组装中，两个部件均突出于液体冷却热交换器11，绝缘132禁止连接器和液体冷却热交换器之间的电接触。应该理解的是本发明并不限于装置的特定特征和/或所描述的方法的处理步骤，因为装置和方法可变化。应当理解本文中所使用的术语仅为了描述特定的实施而不是限制性的。要注意到，在说明书以及所附权利要求书中所使用地，单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括单数和/或复数引用，除非该内容另外明确地指出相反情形。还应该理解的是复数形式包括单数和/或复数引用，除非语境清楚地另有所指。另外要理解的是，在用数值划界给定参数范围的情况下，该范围意在包括这些极限值。上述具体实施例中的元件和特征的特定组合仅是示例性的。如本领域技术人员所了解的，可进行对本文中所描述内容的变化、修改和其他实现，而不背离本发明的范围。因此，上述描述仅作为示例，而并不意在限制。本发明的范围如以下权利要求书及其等效方案所定义。 进一步，说明书和权利要求中所使用的参考标记并不限制本发明的范围。
权利要求
1.一种激光器二极管网格元件，包括 -适于产生相应的多个激光束的多个激光器二极管，且所述多个激光器二极管沿相应的基本平坦的表面而被设置； -用于每一个所述激光器二极管的准直装置，适于从相应激光束产生经准直的光束，所述经准直的光束基本垂直于所述各自对应的基本平坦的表面； 其中所述激光器二极管被包括在标准封装中，所述标准封装包括用作所述激光器二极管的冷却表面的底板、设置在所述底板上用于保护所述激光器二极管的金属外壳、以及从所述激光器二极管延伸通过所述底板并被用于驱动所述封装中的所述激光器二极管的至少两个驱动引脚；且 其中所述激光器二极管网格元件包括散热器，所述散热器被设置为与所述底板相接触，且其中每一个激光器二极管的所述至少两个驱动引脚至少部分地穿过所述散热器。
2.如权利要求1所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，所述散热器包括液体冷却热交换器，所述液体冷却热交换器包括液体冷却的通道，且其中所述通道和所述激光器二极管的所述驱动弓I脚彼此偏移。
3.如前述任一权利要求所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，所述驱动引脚电连接至设置于与所述激光器二极管侧相对的所述散热器侧上的印刷电路板。
4.如权利要求3所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，所述驱动引脚，通过扩展连接器的方式，连接至所述印刷电路板，所述扩展连接器至少部分地延伸至所述散热器中。
5.如权利要求3或4所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，还包括位于所述印刷电路板和所述散热器之间的热传导装置，所述热传导装置适于将热量从所述印刷电路板引至所述散热器。
6.如前述任一权利要求所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，所述准直装置包括设置在透镜的单个模制的阵列中的多个透镜。
7.如前述任一权利要求所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，还包括定位板和弹簧，所述定位板和弹簧适于将所述激光器二极管保持在所述基本平坦的表面上的预定位置处，且设置在所述准直装置和所述多个激光器二极管之间。
8.如权利要求7所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，在所述基本平坦的表面上设置机械基准，界定所述预定位置。
9.如权利要求6到8中任一项所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，还包括对齐装置，用于将所述准直装置相对于所述激光器二极管在所述基本平坦的表面上对齐。
10.如前述任一权利要求所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，所述激光器二极管根据2D网格结构在所述基本平坦的表面上设置，且所述网格结构具有垂直的二极管间间距和与所述垂直的二极管间间距正交的水平的二极管间间距； 且其中每一个所述激光器二极管包括慢轴和快轴，其中所述激光器在所述网格中被取向为它们各自的慢轴和快轴分别沿慢轴方向和快轴方向对齐，且其中沿所述慢轴的经准直的光束的尺寸基本小于沿所述慢轴方向的二极管间间距。
11.如权利要求10所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，当从属于权利要求2时，其中在所述基本平坦的表面上的所述冷却通道的正交投影在沿所述快轴方向的所述激光器二极管之间延伸。
12.如权利要求11所述的激光器二极管网格元件，其特征在于，所述冷却通道具有可变的宽度，在具有较高局部激光二极管密度的区域中的所述宽度大于在具有较低局部激光器二极管密度的区域中的宽度。
13.一种发光系统，包括根据前述任一权利要求的至少一个激光器二极管网格元件，还包括用于将所述多个经准直的激光束组合至预定输出孔径的装置，所述用于组合的装置包括全内反射棱镜和/或镜条和/或图案化的镜子，且其中在由所述预定输出孔径界定的平面中的两个相邻经准直的激光束之间的距离小于由沿慢和/或快轴方向的至少一个激光器二极管网格元件的基本平坦的表面界定的平面中的两个相邻的经准直的激光束之间的距离。
14.如权利要求13所述的发光系统，其特征在于，包括至少两个激光器二极管网格元件，其中所述用于组合所述多个激光束的装置适于反射所述经准直的激光束，从而在由源自不同激光器二极管网格元件的所述经准直的激光束的所述预定输出孔径所界定的平面上的投影在彼此之间交替。
15.如权利要求13所述的发光系统，其特征在于，包括根据权利要求1到12中任一权利要求所述的至少两个激光器二极管网格元件，其中第一和第二激光器二极管网格元件的各自对应的所述基本平坦的表面基本平行并面对彼此。
全文摘要
公开了一种发光系统，包括激光器二极管网格元件，包括-适于产生相应的多个激光束、并沿相应的基本平坦的表面而被设置的多个激光器二极管；-用于每一个激光器二极管的准直装置，适于从相应激光束产生基本垂直于各自对应的基本平坦的表面的经准直的光束；其中该激光器二极管包括在标准封装中，该封装包括用作激光器二极管冷却表面的底板、设置在底板上用于保护激光器二极管的金属外壳、以及从激光器二极管延伸通过底板并被用于驱动封装中的激光器二极管的至少两个驱动引脚；且中激光器二极管网格元件包括被设置为与底板相接触的散热器，且每一个激光器二极管的至少两个驱动引脚至少部分地穿过该散热器；以及用在该发光系统中的光学组件。
文档编号H01S5/042GK103066496SQ20121040327
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月19日 优先权日2011年10月21日
发明者P·E·R·扬森斯, B·范登博瑟, G·J·S·范登伯格, W·T·M·多斯泰林克 申请人:巴科股份有限公司