ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ЛИНЕЙКОЙ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ
LIGHTING DEVICE WITH LASER DIODES LINE

Изобретение относится к осветительному устройству в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы. Кроме того, изобретение относится к осветительному устройству в соответствии с ограничительной частью п. 5 формулы. Далее изобретение относится к осветительному устройству в соответствии с ограничительной частью п. 9 формулы.
Определения. Под «направлением распространения» следует понимать среднее направление распространения света, в частности, если он не является плоской волной или, по меньшей мере, частично сходящийся или расходящийся. Под «световым лучом», «частичным лучом» или «лучом», если это не указано особо, подразумевается не идеализированный луч геометрической оптики, а реальный световой луч, например лазерный луч гауссова профиля, который имеет не бесконечно малое, а вытянутое сечение.
Линейки лазерных диодов в качестве источников лазерного света известны из уровня техники и имеют большое число полупроводниковых излучателей, которые расположены рядом на расстоянии друг от друга в первом направлении, так называемом направлении slow axis (медленная ось). Направление slow axis является тем направлением, в котором проходит активный слой полупроводникового диода, тогда как так называемое направление fast axis (быстрая ось) является перпендикулярным ему направлением. Излучаемые отдельными излучателями линейки лазерных диодов частичные лучи имеют в направлении быстрой оси существенно большее схождение, чем в направлении медленной оси. Вследствие этого частичные лучи на быстрой оси распространятся быстрее, чем на медленной оси.
В уровне техники, в частности, осветительные устройства с волоконной связью и, по меньшей мере, одной линейкой лазерных диодов, выполнены так, что произведение параметров луча этой линейки симметризируется оптическим средством преобразования луча, как это раскрыто, например, в EP 1006382 A1. Такое оптическое средство преобразования луча имеет входную сторону, через которую может проникать лазерный свет, с некоторым числом параллельных друг другу сегментов цилиндрических линз и выходную сторону также с некоторым числом параллельных друг другу сегментов цилиндрических линз. Оси сегментов цилиндрических линз на входной и выходной сторонах заключают с основанием средства преобразования луча, проходящим в первом направлении (направление x), угол 45°. При прохождении лазерного луча, который формируется линейкой лазерных диодов и линейно падает на средство его преобразования, частичные лучи испытывают при прохождении через средство преобразования луча общий поворот луча на 90°.
По геометрическим причинам между отдельными частичными лучами, выходящими из средства преобразования луча, должно соблюдаться относительно большое расстояние. Это необходимое расстояние значительно ухудшает произведение параметров луча, являющееся физической характеристической величиной, которой описываются качество и, тем самым, фокусируемость лазерного луча, по длинной оси за средством преобразования луча по сравнению с теоретически возможным значением. Возможное предложение по улучшению произведения параметров луча состоит, например, в том, чтобы расположить за средством преобразования луча средство расширения луча, в частности, телескопическую решетку с несколькими телескопическими средствами. За счет этого, по меньшей мере, теоретически можно достичь уменьшения расхождения отдельных частичных лучей. Кроме того, можно увеличить ширину отдельных частичных лучей и закрыть теоретически ненужные промежутки между соседними частичными лучами. Однако на практике реализовать такое предложение не удается из-за так называемого искажения типа «смайл» излучателей линейки лазерных диодов. Причиной этого искажения типа «смайл» является обусловленный производством прогиб линейки лазерных диодов, приводящий к тому, что частичные лучи за средством преобразования луча распространяются непараллельно друг другу. В реальной конструкции осветительного устройства с коллиматором быстрой оси и средством преобразования луча искажение типа «смайл» сказывается таким образом, что некоторые из излучателей линейки лазерных диодов излучают не на высоте оптической оси. При этом оптическая ось для каждого из излучателей определяется вершиной выполненного в виде цилиндрического линзового средства коллиматора быстрой оси. Частичные лучи тех излучателей линейки лазерных диодов, которые падают на коллиматор быстрой оси на «неправильной» высоте, коллимируются, правда, хорошо, однако пойнтинг коллимированных частичных лучей этих излучателей имеет ошибку по сравнению с обычными, лежащими на «правильной» высоте излучателями. Эта ошибка Пойнтинга оценивается следующим образом: ошибка высоты (мкм) / фокусное расстояние коллиматора быстрой оси (мм) = ошибка Пойнтинга (мрад).
После поворота частичных лучей средством преобразования луча ошибка Пойнтинга также повернута. Из этого следует, что огибающая углового распределения всех излучателей линейки лазерных диодов соответственно увеличена (расширена).
В основе изобретения лежит задача создания осветительного устройства, которое обеспечивало бы эффективную компенсацию искажения типа «смайлик», чтобы за счет этого произведение параметров луча привести как можно ближе к теоретически возможному пределу.
Эта задача решается посредством осветительного устройства с признаками отличительной части п. 1 формулы. Альтернативное решение этой задачи обеспечивает осветительное устройство с признаками отличительной части п. 5 формулы. Другое альтернативное решение этой задачи обеспечивает осветительное устройство с признаками отличительной части п. 9 формулы. Зависимые пункты формулы изобретения касаются предпочтительных вариантов его осуществления.
Предложенное осветительное устройство отличается по п. 1 тем, что оно содержит решетку призм, которая расположена в направлении распространения луча за средством его преобразования и включает в себя соответствующее числу излучателей число призм, которые в первом направлении расположены рядом друг с другом и имеют каждое входную и выходную световые поверхности для одного из частичных лучей, причем входные и/или выходные световые поверхности тех призм, через которые проходят частичные лучи, имеющие смещение по высоте, выполнены так, что ошибку Пойнтинга можно компенсировать путем параллелизации этих частичных лучей. Другими словами, решетка призм выполнена так, что ошибку Пойнтинга в направлении распространения луча за средством его преобразования для каждого излучателя можно исправить за счет выполненной подходящим образом призмы. Следовательно, достигается эффективная компенсация искажения типа «смайлик», так что произведение параметров луча можно привести как можно ближе к теоретически возможному пределу.
Особенно эффективной компенсации искажения типа «смайлик» можно достичь за счет того, что выходные световые поверхности тех призм, через которые проходят частичные лучи, имеющие смещение по высоте, выполнены в первом направлении клинообразными. Входные световые поверхности этих призм выполнены преимущественно плоскими.
Чтобы после произведенной посредством решетки призм компенсации искажения типа «смайлик» заполнить промежутки между коллимированными частичными лучами и эффективно уменьшить расхождение, в особенно предпочтительном варианте предложено, что в направлении распространения луча за решеткой призм расположено, по меньшей мере, одно средство расширения луча. Последнее может в особенно предпочтительном варианте содержать телескопическую решетку с несколькими телескопическими средствами, которые в первом направлении расположены рядом друг с другом. При этом преимущественно каждому из излучателей или каждому из частичных лучей придано ровно одно телескопическое средство.
По п. 5 альтернативное решение задачи предусматривает, что входные и/или выходные световые поверхности тех телескопических средств, через которые проходят частичные лучи, имеющие смещение по высоте, выполнены так, что ошибку Пойнтинга можно компенсировать путем параллелизации этих частичных лучей. В противоположность описанному в п. 1 решению осветительное устройство содержит телескопическую решетку для расширения частичных лучей и для уменьшения расхождения луча, причем некоторые из телескопических средств выполнены специально для компенсации ошибки Пойнтинга. За счет этого также достигается эффективная компенсация искажения типа «смайлик», так что произведение параметров луча можно привести как можно ближе к теоретически возможному пределу.
В одном предпочтительном варианте может быть предусмотрено, что входные и/или выходные световые поверхности тех телескопических средств, через которые проходят частичные лучи, имеющие смещение по высоте, выполнены асимметричными по отношению к оптической оси приданных им частичных лучей.
В одном альтернативном предпочтительном варианте существует также возможность того, что те телескопические средства, через которые проходят частичные лучи, имеющие смещение по высоте, имеют боковое смещение к оптической оси.
В одном особенно предпочтительном варианте предложено, что входные световые поверхности телескопических средств выполнены вогнутыми, а их выходные световые поверхности - выпуклыми. За счет этого можно достичь эффективного расширения частичных лучей.
По п. 9 другое альтернативное решение задачи предусматривает, что цилиндрические линзовые сегменты на входной и/или выходной стороне света, через которую проходят частичные лучи, имеющие смещение по высоте, выполнены так, что ошибку Пойнтинга можно компенсировать путем параллелизации этих частичных лучей. За счет этого также достигается эффективная компенсация искажения типа «смайлик», так что произведение параметров луча можно привести как можно ближе к теоретически возможному пределу. Компенсация искажения типа «смайлик», достигаемая с помощью этого третьего варианта, действует иначе, нежели в первом и втором вариантах по обеим осям, т.е. в направлениях медленной и быстрой осей. Однако ошибка Пойнтинга, добавляющаяся тогда к еще не коллимированной оси, очень мала по сравнению с расхождением этой оси. После коллимации по медленной оси с помощью коллиматора медленной оси диаметр луча лишь незначительно больше, чем прежде.
В одном предпочтительном варианте предложено, что входные и/или выходные световые поверхности тех телескопических средств, через которые проходят частичные лучи, имеющие смещение по высоте, выполнены асимметричными по отношению к оптической оси приданных им частичных лучей.
В одном альтернативном варианте существует также возможность того, что те цилиндрические линзовые сегменты на входной и/или выходной стороне света, через которую проходят частичные лучи, имеющие смещение по высоте, выполнены симметричными и смещены вбок к оптической оси приданных им частичных лучей.
Основная идея изобретения направлена на уменьшение расхождения излучаемого излучателями, по меньшей мере, одной линейкой лазерных диодов лазерного излучения, которое может быть предусмотрено, например, для волоконной связи. Предложенные осветительные устройства способны корректировать ошибки Пойнтинга отдельных излучателей, так что огибающая угловых распределений соответствует угловому распределению одного излучателя.
После компенсации искажения типа «смайлик» цилиндрическая линза во всех представленных здесь вариантах осветительного устройства может коллимировать расхождение по медленной оси. Коллимированный и симметризированный таким образом лазерный луч может быть с помощью двух цилиндрических линз или одной сферической или асферической линзы введен в оптическое волокно.
Другие признаки и преимущества изобретения поясняются с помощью нижеследующего описания предпочтительных примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
- фиг. 1 - схематичный, сильно упрощенный вид сбоку осветительного устройства, выполненного в соответствии с первым примером осуществления изобретения;
- фиг. 2 - схематичный, сильно упрощенный вид сбоку осветительного устройства, выполненного в соответствии со вторым примером осуществления изобретения;
- фиг. 3 - схематичный, сильно упрощенный вид сбоку осветительного устройства, выполненного в соответствии с третьим примером осуществления изобретения.
Ниже со ссылкой на фиг. 1 более подробно поясняется первый пример выполнения осветительного устройства. Для упрощения дальнейшего описания на фиг. 1 показана декартова система координат, причем направление z является направлением распространения лазерного света.
Осветительное устройство 1 включает в себя источник лазерного света, содержащий линейку 100 лазерных диодов. Последняя содержит несколько излучателей 101, 102, 103, расположенных в первом направлении (направление x) рядом друг с другом и на расстоянии друг от друга. Излучаемые отдельными излучателями линейки лазерных диодов 100 лазерные лучи, называемые далее частичными лучами 10, 11, 12, имеют по длинной, соответствующей направлению x оси заметно меньшее расхождение, чем по второй, соответствующей направлению у короткой оси. Как правило, направление большего расхождения (короткая ось) принято называть «направлением быстрой оси», а направление меньшего расхождения (длинная ось) - «направлением медленной оси». Известно, что у линеек лазерных диодов 100 описанного выше рода, у которых несколько излучателей 101, 102, 103 расположены в ряд, может возникнуть так называемое искажение типа «смайлик». Оно происходит, в первую очередь, от изгибания линейки лазерных диодов 100 при изготовлении.
В направлении распространения луча (направление z) за линейкой 100 лазерных диодов расположен коллиматор 2 быстрой оси, выполненный преимущественно в виде плоско-выпуклой цилиндрической линзы с большой числовой апертурой, причем ось цилиндра проходит в первом направлении (направление x), в котором излучатели 101, 102, 103 линейки 100 лазерных диодов расположены рядом друг с другом. В частности, эта цилиндрическая линза может иметь очень маленькое фокусное расстояние и расположена преимущественно очень близко к излучателям 101, 102, 103.
В направлении распространения луча за коллиматором 2 быстрой оси расположено оптическое средство 3 преобразования луча, выполненное так, что частичные лучи 10, 11, 12, излучаемые расположенными рядом друг с другом в направлении x излучателями 101, 102, 103 линейки 100 лазерных диодов, могут сообща поворачиваться на 90°. Принципиальная конструкция средства 3 преобразования луча известна, например, из EP 1006382 A1, так что ниже следует остановиться лишь коротко на принципе его действия. Средство 3 изготовлено из прозрачного материала и имеет как на входной стороне 30, так и на выходной стороне 31 света оптически функциональные граничные поверхности, имеющие каждая несколько цилиндрических линзовых сегментов 8, 8', оси цилиндров которых ориентированы, в основном, параллельно друг другу. Оси цилиндров всех цилиндрических линзовых сегментов 8, 8' заключают со стороной основания оптического средства 3 преобразования луча, проходящей в направлении x, угол 45°. При этом несколько цилиндрических линзовых сегментов 8, 8' выполнены рядом друг с другом на каждой из обеих поверхностях x, y средства 3 преобразования луча. При прохождении через оптическое средство 3 преобразования луча частичные лучи 10, 11, 12 испытывают совместный поворот на 90°. Искажение типа «смайлик» сказывается таким образом, что часть излучателей 101, 102, 103 линейки 100 лазерных диодов излучают не на высоте оптической оси. При этом оптическая ось для каждого из излучателей 101, 102, 103 определяется вершиной выполненного в виде цилиндрического линзового средства коллиматора 2 быстрой оси. Частичные лучи 10, 11, 12 тех излучателей 101, 102, 103 линейки 100 лазерных диодов, которые падают на коллиматор 2 быстрой оси на «неправильной» высоте, коллимируются, правда, хорошо, однако пойнтинг коллимированных частичных лучей 10, 11, 12 этих излучателей 101, 102, 103 имеет ошибку по сравнению с обычными, лежащими на «правильной» высоте излучателями 101, 102, 103. Эта ошибка Пойнтинга оценивается следующим образом: ошибка высоты (мкм) / фокусное расстояние коллиматора 2 быстрой оси (мм) = ошибка Пойнтинга (мрад). После поворота частичных лучей 10, 11, 12 средством 3 преобразования луча ошибка Пойнтинга также повернута. Из этого следует, что огибающая углового распределения всех излучателей 101, 102, 103 линейки 100 лазерных диодов соответственно увеличена (расширена).
Чтобы достичь компенсации искажения типа «смайлик», осветительное устройство 1 содержит в этом примере решетку 4 призм с некоторым числом расположенных рядом друг с другом в первом направлении (направление x) призм 40, 40', имеющих каждая входную 400, 400' и выходную 401, 401' световые поверхности. Решетка призм 4 расположена в направлении распространения луча (направление z) за оптическим средством 3 его преобразования. Каждый из частичных лучей 10, 11, 12 пересекает одну из призм 40, 40', так что каждому из частичных лучей 10, 11, 12 придана ровно одна призма 40, 40' решетки призм 4.
Для упрощения изображения на фиг. 1, как и на остальных фигурах, показаны только три частичных луча 10, 11, 12. В данном случае следует предположить, что средний частичный луч 12 из-за искажения типа «смайлик» излучателей 101, 102, 103 линейки 100 лазерных диодов имеет по сравнению с обоими остальными частичными лучами 10, 11 смещение 3 мкм в направлении у. Оба остальных излучателя 101, 102 находятся на высоте вершины коллиматора 2 быстрой оси. Чтобы компенсировать это смещение, приданная этому частичному лучу 12 призма 40' имеет клиновидную форму. Это значит, что призма 40' имеет, если смотреть в первом направлении (направление x), слегка скошенную выходную световую поверхность 401' для параллелизации частичного луча 12. Призмы 40, приданные тем частичным лучам 10, 11, излучатели 101, 102 которых не имеют никакого смещения, имеют параллельные друг другу входные 400 и выходные 401 световые поверхности и, тем самым, не имеют клиновидную форму.
Ошибку Пойнтинга за оптическим средством 3 преобразования луча можно корректировать посредством решетки призм 4 для каждого излучателя 101, 102, 103 за счет соответствующей подгонки клиновидных форм призм 40, 40', причем соответствующие скосы предусмотрены преимущественно только в зоне выходных световых поверхностей 401, 401'.
Чтобы предпочтительным образом заполнить промежутки между коллимированными частичными лучами 10, 11, 12 и уменьшить расхождение луча, в направлении распространения луча за решеткой 4 призм может быть расположено средство расширения луча (не показано). Им может быть, в частности, телескопическая решетка с несколькими расположенными рядом друг с другом в направлении x телескопическими средствами, которые могут расширять частичные лучи 10, 11, 12. Телескопические средства могут быть выполнены преимущественно в виде телескопических средств Галилея с вогнутой входной и выпуклой выходной сторонами света.
Осветительное устройство 1 обеспечивает эффективную компенсацию искажения типа «смайлик», так что произведение параметров луча может быть приведено очень близко к теоретически возможному пределу.
Со ссылкой на фиг. 2 ниже более подробно поясняется второй пример осветительного устройства 1. Оно также содержит линейку 100 лазерных диодов с несколькими излучателями 101, 102, 103, расположенными рядом друг с другом в первом направлении (направление x), коллиматор 2 быстрой оси, выполненный описанным выше со ссылкой на фиг. 1 образом в виде плоско-выпуклой цилиндрической линзы с проходящей в первом направлении (направление x) осью цилиндра, и средство 3 преобразования луча, выполненное так, что оно может сообща поворачивать частичные лучи 10, 11, 12 описанным выше образом на 90°.
Для компенсации искажения типа «смайлик» осветительное устройство 1 содержит в этом примере специальную телескопическую решетку 5 с несколькими телескопическими средствами 50, 50', которые расположены рядом друг с другом в первом направлении (направление x) и могут расширять частичные лучи 10, 11, 12 после их прохождения. Число телескопических средств 50, 50' соответствует числу излучателей 101, 102, 103 линейки 100 лазерных диодов, так что каждому из частичных лучей 10, 11, 12 придано ровно одно телескопическое средство 50, 50'. Каждое их них имеет вогнутую входную 510, 510' и выпуклую выходную 511, 511' световые поверхности. Компенсация искажения типа «смайлик» интегрирована в данном случае в виде функции в телескопическую решетку 5. Это достигается тем, что, по меньшей мере, некоторые из телескопических средств 50, 50' выполнены асимметричными по отношению к оптической оси приданных им частичных лучей 10, 11, 12 или имеют боковое смещение к этой оптической оси. В этой связи асимметричное выполнение входных световых поверхностей 510, 510' телескопических средств 50, 50' особенно предпочтительно, поскольку таким образом можно воспрепятствовать тому, чтобы входящие в одно из них частичные лучи 10, 11, 12 из-за искажения типа «смайлик» выходили из выходной световой поверхности 511, 511' другого (в частности, соседнего) телескопического средства 50, 50'.
На фиг. 2 оба излучателя 101, 102 линейки 100 лазерных диодов, излучающие первый 10 и второй 11 частичные лучи, также находятся на высоте вершины выполненного в виде цилиндрической линзы коллиматора 2 быстрой оси. Расположенный между этими обоими излучателями 101, 102 излучатель 103 линейки 100 лазерных диодов, который излучает третий частичный луч 12, проходящий через приданное ему телескопическое средство 50', имеет по сравнению с обоими другими излучателями 101, 102 смещение по высоте (здесь 3 мкм). Из фиг. 2 видно, что телескопические средства 50, через которые проходят первый 10 и второй 11 частичные лучи, выполнены симметричными оптической оси соответствующего частичного луча 10, 11. Приданное третьему пучку 12 лазерных лучей телескопическое средство 50' выполнено на своих вогнутой входной 510' и выпуклой выходной 511' световых поверхностях так, что в этих зонах возникает асимметрия по отношению к оптической оси третьего пучка 12 лазерных лучей и его после прохождения можно параллелизировать. Эти асимметрии могут быть особенно простым образом получены за счет того, что симметричное в остальном по отношению к оптической оси третьего пучка 12 лазерных лучей телескопическое средство 50' децентрировано вырезается на входной 510' и выходной 511' световых поверхностях, чтобы получить форму на фиг. 2. В принципе, возможно, чтобы входная 510' и выходная 511' световые поверхности были выполнены по отношению к оптической оси по-разному децентрированными или асимметричными.
Также это осветительное устройство 1 обеспечивает эффективную компенсацию искажения типа «смайлик» за счет параллелизации тех частичных лучей 12, излучатели 103 которых имеют смещение по высоте, так что произведение параметров луча может быть приведено очень близко к теоретически возможному пределу.
Со ссылкой на фиг. 3 ниже более подробно поясняется третий пример осветительного устройства 1. Оно также содержит линейку лазерных диодов (не показана) с несколькими излучателями, расположенными рядом друг с другом в направлении x, коллиматор 2 быстрой оси, выполненный описанным выше со ссылкой на фиг. 1 образом в виде плоско-выпуклой цилиндрической линзы с осью цилиндра в первом направлении (направление x), и средство 3 преобразования луча, которое может поворачивать частичные лучи 10, 11, 12 описанным выше образом на 90°. В этом примере оптическое средство 3 преобразования луча имеет как на входной 30, так и на выходной 31 стороне света специальные цилиндрические линзовые сегменты 8, 8' для компенсации искажения типа «смайлик» за счет параллелизации частичных лучей 10, 11, 12. В данном случае это достигается тем, что некоторые из цилиндрических линзовых сегментов 8, 8' средства 3 преобразования луча выполнены асимметричными по отношению к оптической оси приданных им частичных лучей 10, 11, 12 или имеют боковое смещение к оптической оси и, тем самым, децентрированы.
На фиг. 3 оба излучателя решетки лазерных диодов, излучающих первый 10 и второй 11 частичные лучи, также находятся на высоте вершины выполненного в виде цилиндрической линзы коллиматора 2 быстрой оси. Расположенный между этими обоими излучателями излучатель линейки лазерных диодов, который излучает третий частичный луч 12, проходящий через приданные ему цилиндрические линзовые сегменты 8, 8', имеет по сравнению с обоими вышеназванными излучателями смещение по высоте (здесь 3 мкм). Те цилиндрические линзовые сегменты 8, через которые проходят первый 10 и второй 11 частичные лучи, выполнены симметричными оптической оси. По меньшей мере, один из приданных третьему частичному лучу 12 цилиндрических линзовых сегментов 8' на входной 30 или выходной 31 стороне света выполнен так, что он имеет асимметрию по отношению к оптической оси третьего частичного луча 12. Существует также возможность, чтобы оба приданных третьему частичному лучу 12 цилиндрических линзовых сегмента 8' были выполнены на входной 30 и выходной 31 сторонах света так, чтобы они имели асимметрию по отношению к оптической оси третьего частичного луча 12. В качестве альтернативы существует также возможность, чтобы приданные третьему частичному лучу 12 цилиндрические линзовые сегменты 8' были выполнены на входной 30 и/или выходной 31 стороне света симметричными, однако смещенными вбок к оптической оси частичного луча 12.
Компенсация искажения типа «смайлик», которая может достигаться с помощью третьего примера выполнения осветительного устройства 1, действует иначе, нежели в первом и втором примерах по обеим осям, т.е. в направлениях медленной и быстрой осей. Однако ошибка Пойнтинга, добавляющаяся тогда к еще не коллимированной оси, очень мала по сравнению с расхождением этой оси. После коллимации по медленной оси с помощью коллиматора медленной оси диаметр луча лишь незначительно больше, чем прежде.
После компенсации искажения типа «смайлик» цилиндрическая линза во всех примерах может коллимировать расхождение медленной оси. Коллимированный и симметризированный таким образом лазерный луч может быть с помощью двух цилиндрических линз или одной сферической или асферической линзы введен в оптическое волокно.