激光光源装置、照明单元和激光投影设备的制作方法

激光光源装置、照明单元和激光投影设备
1.本技术要求2021年2月5日的德国专利申请号10 2021 102 798.5的优先权，其公开内容通过引用并入本技术。
2.本发明涉及一种激光光源装置、一种包括该激光光源装置的照明单元以及一种具有该照明单元的激光投影设备。
3.使用半导体光源来为投影设备中的成像系统、例如微镜装置(dmd)或液晶面板照明是已知的。与具有放电灯的大型照明模块相比，半导体光源实现更紧凑的照明组件。除led(led＝light emitting diode发光二极管)外，激光二极管阵列也被用作半导体光源，该激光二极管阵列的特点在于改进的使用寿命、良好的能量效率和高光谱稳定性，使得可以实现具有改进的色彩饱和度的明亮的激光投影设备。
4.为了广泛覆盖可见光谱、尤其是电影院、高品质家庭影院的专业激光投影设备和智能手机的小型投影仪的可见光谱，设有独立的发射蓝色、绿色或红色的光源单元，这些光源单元通常在空间上分离设置并且其发射借助于射束组合光学器件进行组合。在这方面，例如参考us2020/0301265a1。
5.us2020/0301156 a1描述一种具有至少两个照明模块的紧凑的光源结构单元，这些照明模块分别组合成用于蓝色、绿色和红色的激光二极管阵列。各个照明模块彼此成直角，使得借助于以角位置设置的、前侧和后侧放射的光学多路复用器进行射束叠加或光谱混合，该光学多路复用器具有局部不同的二向色镜面。
6.根据目前的发展状况，在发射可见光谱的蓝色、绿色和红色部分的激光二极管在可达到的光产率方面不同，其中基于具有可见光谱的黄绿部分发射最大值的ingan半导体的激光二极管比发射蓝色的激光二极管耐受更小的电流密度。此外，用于红光的激光二极管与用于较短波长的激光二极管相比对热稳定性提出更高的要求。出于该原因，具有单色光源的激光投影仪的光生成设备通常更经济。该光生成设备通常使用功率强大的蓝色发射激光二极管，该激光二极管供应蓝色通道，并且还用于激发提供绿色和红色范围内的电磁辐射的波长转换元件。对于通用激光投影设备，蓝色激光二极管用于激发不同光谱的荧光材料，例如，磷基材料。具有荧光涂层的旋转构件能够用作波长转换元件，来顺序产生光谱颜色。例如，de 102010 003 234a1公开了这种色轮。
7.为了激发波长转换元件，通常使用激光二极管，其发射最大值位于440-462nm的波长范围内。用于此目的的已知的激光二极管阵列提供455nm的发射，在该最大值附近具有+/-6nm的窄光谱分布。该波长带证明特别适合用磷材料或掺铈钇铝石榴石产生荧光。如果还使用蓝色激发光来显示蓝色，则对波长转换元件的适配会导致可投影到幕布上的色调(色域)受限。因此，rec.2020标准要求在467.1nm波长下呈现100％饱和度的蓝色，色彩空间srgb、rec.709和dci-p3在467.7nm下限定了这种借助上述适配于荧光激发的波长带无法实现的“纯蓝色”。
8.de 11 2013 004 405 b4描述一种用于激光投影设备的照明装置，其具有两个位置固定的、空间上分离的波长转换元件，该波长转换元件与不同的光谱范围相关联。因此，绿色和红色的同时辐射发射是可能的，其在另外的射束路径中叠加。具有两种交替设置的
激光二极管类型的激光二极管阵列用于激发两个波长转换元件，这两个激光二极管类型在发射的电磁辐射的偏振方向和/或光谱带方面不同。设置在激光二极管阵列与波长转换元件之间的射束路径中的分束光学器件使用发射特性的这种差异，使得来自第一激光二极管类型的辐射仅被引向第一波长转换元件并且来自第二激光二极管类型的辐射仅被引向第二波长转换元件。对于照明的蓝色部分，de 11 2013 004 405b4对于优选的实施方案提出使用第三独立光源，该第三独立光源借助于准直透镜系统在波长转换元件之后的射束路径中耦合输入。射束引导所需的光学器件导致复杂且大规模的照明装置。
9.本发明基于以下目的：提出一种用于激光投影设备的照明单元的紧凑的、易于操作的激光光源装置。此外，提及一种具有波长转换元件和激光光源装置的照明单元，其特征在于具有高色彩空间覆盖并且占用较少的安装空间。对于优选的实施方案，应根据rec.2020标准给出尽可能大的色域，特别是具有长波(蓝色)范围的尽可能完整的色彩空间覆盖。此外，该目的涉及提出一种具有节省空间的照明单元的激光投影设备，该激光投影设备具有高图像质量和宽色彩空间。
10.该目的通过权利要求1的特征来实现。激光光源装置的有利实施方案是从属权利要求的主题，并且权利要求10和11涉及包括该激光光源装置的照明单元和激光投影设备。
11.根据本发明的激光光源装置包括激光二极管阵列，该激光二极管阵列具有：具有至少一个第一激光二极管的第一发光组和具有至少一个第二激光二极管的第二发光组。在此，第一激光二极管和第二激光二极管提供光谱不同的发射最大值，其中第一激光二极管在440-462nm的波长范围内提供发射最大值，第二激光二极管在462-472nm的波长范围内提供发射最大值。附加地，激光二极管阵列容纳到壳体中，使得第一激光二极管的和第二激光二极管的射束路径在壳体内空间分离地伸展。
12.因此，根据本发明的激光光源装置形成可作为结构单元进行操作的模块，该模块利用第一发光组提供在440-462nm的蓝色波长带中具有发射最大值的辐射以进行荧光激发，并且利用第二发光组形成单独的蓝色通道，该第二发光组的波长同样位于光谱的蓝色部分中(发射最大值在462-472nm的波长范围内)，该蓝色通道满足对根据标准rec.2020、srgb、rec.709或dci-p3之一的100％饱和的纯蓝色的要求。因此，根据本发明的激光光源装置能够借助于呈具有紧凑尺寸模块形式的构件来扩展色调。
13.对于有利的实施方案，第一发光组在450-460nm的波长范围内提供发射最大值。还优选的是：将在464-470nm的波长范围内的并且特别优选地在466-468nm的波长范围内的发射最大值用于第二发光组。
14.可见光谱的绿色和红色范围内的照明能够通过用第一发光组激发波长转换元件来引起。这在进一步的描述中结合本发明的有关激光投影设备的照明单元的进一步实施方案更详细地说明，该照明单元包括激光光源装置。
15.对于根据本发明的激光光源装置的有利实施方案，能够使用可直接提供照明的另外的色彩通道。优选地，第三发光组容纳到由共同的壳体围住的激光二极管阵列中。在此，第三发光组具有至少一个第三激光二极管，该第三激光二极管在610-635nm的红色波长范围内并且优选地在627-633nm的波长范围内放射发射最大值。
16.除了减少安装空间需求外，根据本发明的激光光源装置的特征还在于作为模块的简化操作。为此目的，激光二极管阵列的激光二极管设置在壳体内，使得来自不同的发光组
的激光二极管的射束路径至少直到离开壳体为止空间分离地伸展。因此，能够通过简单的光学器件、特别是反射部件(例如，阶梯反射镜)和微透镜，将一个或多个单独的色彩通道与设置用于荧光激发的第一发光组的发射分开。因此，能够省去二向色光学器件的使用。因此，激光二极管优选地根据其发射特性、即根据其所属的发光组之一进行空间设置。有利地，激光二极管设置在形成壳体的一部分的载体上，使得来自不同的发光组的激光二极管之间的横向间距为至少2mm并且优选为至少4mm。在此，横向间距限定为两个激光二极管的有源区的重心之间的距离。激光二极管能够更紧密地封装在相应的发光组内，其中优选地形成产生属于发光组之一的激光二极管集中的布置。如果相邻区域的激光二极管与其他的发光组相关联，则由此产生的这些激光二极管区域具有距相邻区域的所需的横向间距。为了不使激光光源装置的结构尺寸增加太多，横向间距的优选上限设定为10mm，并且特别优选为8mm。
17.对于根据本发明的激光光源装置的另一有利实施方案，用于准直和/或分离来自不同的发光组的激光二极管的射束路径的射束引导设备与激光二极管阵列相关联。优选地，射束引导设备的部件的至少一部分设置在壳体内和/或与壳体合并成组件。射束引导设备用于分离不同的发光组的发射，使得单独的色彩通道和激发光以空间上间隔开的射束伸展从激光光源装置的壳体中离开并且优选地沿不同的空间方向放射。
18.有利地，每个发光组包括多个单色激光二极管，这些单色激光二极管的发散辐射允许在壳体内重叠，只要确保不与不属于相应发光组的激光二极管的射束路径重叠。优选地，微透镜阵列和与各个激光二极管相关联的反射光学器件用于射束引导。
19.对于激光光源装置的另一有利实施方案，存在激光二极管阵列的所有激光二极管共用的热学路径，以用于冷却。该热学路径能够与激光二极管的载体一体构成。当具有长波发射的激光二极管的第三发光组被容纳到设计为模块的激光光源装置中时，该设计方案尤其是有利的，因为于是形成对温度恒定的更高要求。附加地，公共热学路径实现了：借助于统一的工艺将激光二极管安装在载体上以形成激光二极管阵列。
20.此外，激光光源装置优选地被设计用于外部操控。为此，设有用于接触激光二极管的电极装置，该电极装置从壳体引出。在此，电极装置被设计成使得能够彼此独立地操控来自不同的发光组的激光二极管。对于可能的实施方案，在一个发光组内形成可共同操控的另外的子组，例如激光二极管的行形布置或列形布置。外部的电操控允许：分开地调节不同的发光组的激光二极管的电流强度和输出功率。
21.对于本发明的进一步实施方案，照明单元包括上述激光光源装置。附加地，存在波长转换元件和叠加光学器件。根据本发明，照明单元被布设成使得波长转换元件通过激光光源装置的第一发光组的光发射而激发以发射荧光辐射，并且叠加光学器件将激光光源装置的第二发光组的光发射和荧光辐射合并到照明射束路径中。通过将激光光源装置设计为模块并且将用于荧光激发的辐射与用于单独色彩通道的辐射进行空间分离，用于射束引导的、与照明单元相关联的光学器件能够被简化并且小结构地布设。此外，作为组件存在的激光光源装置易于更换。
22.根据本发明的进一步实施方案，提出一种具有根据本发明的照明单元和成像系统的激光投影设备。除了结构尺寸紧凑外，该激光投影设备的特征还在于成像系统的照明，该照明在投影面上展开了扩展的色彩空间。除了借此实现的高色彩饱和外，另外的优点是提
高了客户侧进行白点校准的可实现精度。附加地，设计为模块的激光光源装置引起在激光投影设备运行中对热学效应的简化补偿。
23.下面结合附图图示来解释本发明的示例性设计变型。这些附图分别示意性地示出：
24.图1以俯视图示出了根据本发明的激光光源装置的第一实施方案。
25.图2以横截面图示出了图1的根据本发明的激光光源装置。
26.图3以俯视图示出了根据本发明的激光光源装置的第二实施方案。
27.图4以横截面图示出了图3的根据本发明的激光光源装置。
28.图5示出了根据本发明的激光光源装置的第二实施方案的电接触。
29.图6示出了具有包括根据本发明的激光光源装置的第一实施方案的照明系统的激光投影设备。
30.图1以示意简化图示出了根据本发明的激光光源装置1。该激光光源装置包括激光二极管阵列2，该激光二极管阵列由壳体7包围，使得形成可作为结构单元进行操作的模块。
31.激光二极管阵列2被分成第一发光组3和第二发光组5，该第一发光组和该第二发光组发出光谱不同的激光。在此，第一发光组3具有第一激光二极管4.1、
…
、4.n，这些第一激光二级管的发射最大值处于440-462m的波长范围内，优选地处于450-460nm的区间内。该蓝色发射协调于荧光激发，并不完全符合根据色彩空间标准rec.2020、srgb、rec.709或dci-p3对纯蓝色的规定。因此，设有用于供应蓝色通道的第二发光组5，其中与第二发光组5相关联的第二激光二极管6.1、...、6.4在462-472nm、优选464-470nm、特别优选466-468nm的波长范围内具有发射最大值，使得能够放射具有100％的色彩饱和度的“纯蓝色”。借此尤其可以覆盖根据rec.2020色彩标准的整个蓝色范围。
32.根据本发明，将第一激光二极管4.1、...、4.n和第二激光二极管6.1、...、6.4被设置成定位在激光二极管阵列2内，使得由来自不同发光组3；5的激光二极管4.1、...、4.n；6.1、...、6.4发出的射束路径8.1、8.2在壳体7内空间分离地伸展。有利地，激光二极管4.1、...、4.n；6.1、...、6.4安装在形成壳体7的一部分的载体9上，使得不属于同一发光组3；5的激光二极管4.1、...、4.n；6.1、...、6.4具有横向间距d，该横向间距适配于第一激光二极管4.1、...、4.n和第二激光二极管6.1、...、6.4的射束发散。对于典型的结构尺寸，至少2mm并且优选地至少4mm的横向间距d已被证明是有利的，以便保持第一发光组3和第二发光组5的光路在壳体7内分离。横向间距d的上限优选为10mm，特别优选为8mm。
33.作为在空间上分离第一激光二极管4.1、...、4.n和第二激光二极管6.1、...、6.4的射束路径8.1、8.2的另一优选措施，图2示出了壳体7内的射束引导设备10。射束引导设备10包括反射镜11和微透镜12，该反射镜和该微透镜将由第二激光二极管6.1发出的射束路径8.1进行偏转和准直。相应地，阶梯反射镜13和微透镜14.1、...、14.7仅检测由第一激光二极管4.1、...、4.7发出的辐射，并且将该辐射在壳体7的相对侧处成束地发出。
34.图3示出了根据本发明的激光光源装置1的第二实施方案，其中将相同的附图标记用于与第一实施方案一致的部件。示出了壳体7内的附加的第三发光组15。在此，激光二极管阵列2的第三发光组15具有至少一个第三激光二极管16.1、...、16.8，这些第三激光二极管在610-635nm的波长范围内和优选地在627-633nm的波长范围内发出发射最大值，该发射最大值用于为红色通道照明。借此能够附加地扩展可照明的色谱。
35.第二实施方案的图4中所示的侧视图说明，第一激光二极管4.1、...、4.n、第二激光二极管6.1、...、6.4和第三激光二极管16.1、...、16.8的布置被选择成使得来自不同发光组的激光二极管4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8的射束路径8.1、8.2、8.3在壳体7中空间分离地伸展。为此，遵守上述横向间距d。此外，在壳体7内存在射束引导设备10，其中微透镜18.1、...、18.7与第一激光二极管4.1、...、4.n相关联；反射镜11和微透镜12与第二激光二极管6.1相关联，反射镜17.1、17.2和微透镜18.1、18.2与第三激光二极管16.1、16.5相关联，使得不同的发光组3；5；15将光在激光光源装置1的壳体7的不同侧上发出。
36.此外，为激光二极管阵列2的所有激光二极管4.1、...、4.n；6.1、
…
、6.4；16.1、...、16.8提供公共热学路径20。通过使用集成到载体9中或形成该载体的单个冷却元件，能够简化地在统一的工艺步骤中执行激光二极管4.1、...、4.n；6.1、
…
、6.4；16.1、...、16.8的安装。还改进了运行中的热稳定性。
37.图5示出了第二实施方案的优选的设计方案的电接触。从壳体7引出的电极装置21是可见的。该电极装置实现对不同的发光组3；5；15进行外部且独立的操控进而实现对激光二极管4.1、...、4.n；6.1、
…
、6.4；16.1、...、16.8的电流强度和输出功率的分组调节。详细地绘制出了用于第一发光组3的第一阳极22和第一阴极23、用于第二发光组5的第二阳极24和第二阴极25以及用于第三发光组15的第三阳极26和第三阴极27。
38.图6示出了根据本发明的照明单元28，该照明单元具有上面描述的形成可更换的模块的激光光源装置1、波长转换元件29和叠加光学器件32。波长转换元件29接收来自激光光源装置1的第一发光组3的辐射，该辐射用于激发第一荧光材料30和第二荧光材料31，这两种材料又发出可见光谱的绿色和红色部分的辐射。叠加光学器件32将该荧光辐射与蓝色通道35连接，该蓝色通道直接由激光光源装置1的第二发光组5供应。在所示出的变型中，荧光材料30、31在空间上彼此分离。
39.在改良变型中，转换元件29(未示出)上未提供荧光材料(例如，第一荧光材料30和第二荧光材料31)的空间分离。在另一改良变型中，使用单个宽带发射荧光材料。这能够专门设置用于3lcd系统，在该3lcd系统中不设置一个图像生成器，而是设置三个图像生成器(根据原色分离)并且利用连续发光的白色光源进行照射。原色的射束路径在此能够通过波长选择光学器件、例如二向色镜(未示出)来分离。
40.照明单元28作为组件容纳到激光投影设备33中并且用于为成像系统34照明。在此，激光投影设备33的特征尤其在于扩展的色调和紧凑且易于安装的结构。由于激光光源装置1作为模块存在，所以单独的蓝色通道不形成附加部件，使得可以简化光源的更换和白光校准。
41.附图标记列表
[0042]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光光源装置
[0043]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光二极管阵列
[0044]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一发光组
[0045]
4.1、4.2、
…
、4.n
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第一激光二极管
[0046]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二发光组
[0047]
6.1、6.2、6.3、6.4
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第二激光二极管
[0048]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
壳体
[0049]
8.1、8.2、8.3
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射束路径
[0050]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
载体
[0051]
10
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射束引导设备
[0052]
11
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反射镜
[0053]
12
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微透镜
[0054]
13
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阶梯反射镜
[0055]
14.1、14.2、
…
、14.7微透镜
[0056]
15第三发光组
[0057]
16.1、16.2、
…
、16.8第三激光二极管
[0058]
17.1、17.2
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反射镜
[0059]
18.1、18.2
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微透镜
[0060]
19.1、
…
、19.7
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微透镜
[0061]
20
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热学路径
[0062]
21
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电极装置
[0063]
22
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第一阳极
[0064]
23
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第一阴极
[0065]
24
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第二阳极
[0066]
25
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第二阴极
[0067]
26
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第三阳极
[0068]
27
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第三阴极
[0069]
28
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照明单元
[0070]
29
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波长转换元件
[0071]
30
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第一荧光材料
[0072]
31
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第二荧光材料
[0073]
32
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叠加光学器件
[0074]
33
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激光投影设备
[0075]
34
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成像系统
[0076]
35
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蓝色通道
[0077]
36
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控制装置
[0078]
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照明射束路径
[0079]dꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
横向间距

技术特征：
1.一种用于激光投影设备(33)的激光光源装置，所述激光光源装置具有：激光二极管阵列(2)，其包括具有至少一个第一激光二极管(4.1、...、4.n)的第一发光组(3)和具有至少一个第二激光二极管(6.1、...、6.4)的第二发光组(5)，其中所述第一激光二极管(4.1、...、4.n)和所述第二激光二极管(6.1、...、6.4)具有光谱不同的发射最大值，其特征在于，所述第一激光二极管(4.1、...、4.n)在440-462nm的波长范围内具有发射最大值，所述第二激光二极管(6.1、...、6.4)在462-472nm的波长范围内具有发射最大值；和所述激光二极管阵列(2)容纳到壳体(7)中，使得所述第一激光二极管(4.1、...、4.n)的和所述第二激光二极管(6.1、...、6.4)的射束路径(8.1、8.2)在所述壳体(7)内空间分离地伸展。2.根据权利要求1所述的激光光源装置，其特征在于，所述第一激光二极管(4.1、...、4.n)在450-460nm的波长范围内具有发射最大值。3.根据权利要求1或2所述的激光光源装置，其特征在于，所述第二激光二极管(6.1、...、6.4)在464-470nm的波长范围内并且特别优选在466-468nm的波长范围内具有发射最大值。4.根据前述权利要求1至3之一所述的激光光源装置，其特征在于，所述激光二极管阵列(2)包括具有至少一个第三激光二极管(16.1、...、16.8)的第三发光组，所述至少一个第三激光二极管在610-635nm的波长范围内并且优选在627-633nm的波长范围内具有发射最大值。5.根据前述权利要求1至4之一所述的激光光源装置，其特征在于，激光二极管(4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8)设置在所述激光二极管阵列(2)的载体(9)上，使得来自不同的发光组(3、5、15)的激光二极管(4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8)之间的横向间距(d)为至少2mm并且优选为至少4mm。6.根据权利要求5所述的激光光源装置，其特征在于，各发光组(3、5、15)内的激光二极管(4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8)之间的横向间距(d)小于来自不同的发光组(3、5、15)的激光二极管(4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8)之间的横向间距(d)。7.根据前述权利要求1至6之一所述的激光光源装置，其特征在于，用于准直和/或分离来自不同的发光组(3、5、15)的激光二极管(4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8)的射束路径(8.1、8.2、8.3)的射束引导设备(10)与所述激光二极管阵列(2)相关联。8.根据权利要求7所述的激光光源装置，其特征在于，所述射束引导设备(10)的部件的至少一部分设置在所述壳体(7)内和/或与所述壳体(7)合并成组件。9.根据前述权利要求1至8之一所述的激光光源装置，其特征在于，用于冷却的公共热学路径(20)与所述激光二极管阵列(2)的所有激光二极管(4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8)相关联。10.根据前述权利要求1至9之一所述的激光光源装置，其特征在于，用于电操控激光二
极管(4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8)的电极装置(21)从所述壳体(7)引出，其中所述电极装置(21)被设计成使得能够彼此独立地操控来自不同的发光组(3、5、15)的激光二极管(4.1、...、4.n；6.1、...、6.4；16.1、...、16.8)。11.一种照明单元，包括：根据前述权利要求1至10之一所述的激光光源装置(1)；波长转换元件(29)；和叠加光学器件(32)，其中所述照明单元(28)被布设成使得所述波长转换元件(29)通过所述激光光源装置(1)中的第一发光组(3)的光发射而激发，以发射荧光辐射，并且所述叠加光学器件(32)将所述激光光源装置(1)的第二发光组(5)的光发射和所述荧光辐射合并到照明射束路径(37)中。12.一种激光投影设备，具有成像系统和根据权利要求11所述的照明单元(28)，所述照明单元用于为所述成像系统(34)照明。

技术总结
本发明涉及一种用于激光投影设备的激光光源装置，具有：激光二极管阵列，其包括具有至少一个第一激光二极管的第一发光组和具有至少一个第二激光二极管的第二发光组，其中第一激光二极管和第二激光二极管具有光谱不同的发射最大值，其中本发明的特征在于，第一激光二极管在440-462nm的波长范围内具有发射最大值，第二激光二极管在462-472nm的波长范围内具有发射最大值；并且激光二极管阵列容纳在壳体中，使得第一激光二极管的和第二激光二极管的射束路径在壳体内空间分离地伸展。的射束路径在壳体内空间分离地伸展。的射束路径在壳体内空间分离地伸展。


技术研发人员：蒂尔曼
受保护的技术使用者：AMS-欧司朗国际有限公司
技术研发日：2022.02.04
技术公布日：2023/10/11