激光光源、波長轉換光源、合光光源和投影顯示裝置的制作方法

技術領域

本發明涉及光源領域，尤其涉及一種激光光源及使用該激光光源的波長轉換光源、合光光源和投影顯示裝置。

背景技術：

隨著半導體技術的發展，固態照明光源的優勢越來越明顯。激光光源作為一種高亮度、高準直的新型光源，正被逐步應用到投影、照明等領域。激光光源的光學擴展量小，可以得到高亮度的光輸出，同時也使對其勻光會更加困難。

圖1是現有技術中利用方棒進行勻光的一種激光光源，其中，11a-11c為激光二極管，12a-12c為準直透鏡，13為會聚透鏡，14為矩形方棒。其中準直透鏡12a-12c為球面或非球面透鏡陣列，每個透鏡對應一個激光二極管。從激光二極管11a-11c發出的激光，先經準直透鏡12a-12c準直為平行光束，然后經會聚透鏡13會聚成一個小光斑，該光斑尺寸與矩形方棒14的入光口尺寸匹配。矩形方棒14是中空或實心的導光棒，用來對輸入光束進行勻光。然而，經過實驗發現這樣的勻光效果并不好，從方棒14出口的出射光依然呈現分離的激光點而不能混為一個均勻的面分布。延長方棒14的長度來增加激光在方棒中的反射次數也不能顯著的改善。

技術實現要素：

本發明提出了一種激光光源，能夠實現均勻的面分布。

本發明提出一種激光光源，包括激光光源陣列，用于產生準直的一次激光光束陣列；包括位于激光光源陣列后端依次排列的聚焦光學元件和準直光學元件，一次激光光束陣列依次經過聚焦光學元件和準直光學元件后形成準直的二次激光光束陣列，二次激光光束陣列中的二次激光光束的間距小于一次激光光束陣列中的一次激光光束的間距；還包括位于準直光學元件后端的積分棒，用于接收二次激光光束陣列并使其均勻化。

優選的，聚焦光學元件為凸透鏡，準直光學元件為凸透鏡或凹透鏡，聚焦光學元件和準直光學元件的焦點重合。

優選的，積分棒的光入口緊貼準直光學元件。

優選的，激光光源還包括位于準直光學元件與積分棒之間的角分布控制元件，用于將入射的二次激光光束會聚或發散以形成預定角分布。

優選的，積分棒的光入口緊貼角分布控制元件。

優選的，角分布控制元件距離準直光學元件適當的距離，使得二次激光光束陣列入射到角分布控制元件上時相鄰的二次激光光束形成的光斑存在交疊。

優選的，角分布控制元件是復眼透鏡，該復眼透鏡包括微透鏡陣列，每個微透鏡能將入射的二次激光光束會聚或發散以形成預定角分布。

優選的，復眼透鏡的每個微透鏡為正方形、長方形或正六邊形。

優選的，激光光源陣列由激光元件陣列和準直透鏡陣列組成，其中每個準直透鏡對應于一個激光元件，用于對該激光元件發出的激光進行準直。

優選的，激光元件的發光位置沿激光傳播的方向偏離與其對應的準直透鏡的焦點。

本發明還提出一種波長轉換光源，包括上述的激光光源，還包括波長轉換裝置，用于接收激光光源發出的光并發射受激光。

本發明還提出一種合光光源，包括上述的激光光源；還包括波長轉換光源，該波長轉換光源包括激發光源和波長轉換裝置，波長轉換裝置吸收激發光源發出的激發光并發射受激光；還包括合光裝置，激光光源發射的光和波長轉換光源發射的受激光從不同方向入射于合光裝置并經合光裝置合為一束出射。

本發明還提出一種投影顯示裝置，包括上述的激光光源。

在本發明中經過聚焦光學元件和準直光學元件的作用后一次激光光束陣列的截面被壓縮而形成二次激光光束陣列，二次激光光束的發散角大于一次激光光束的發散角；這樣二次激光光束經過其后端的積分棒后可以實現均勻的面分布。

附圖說明

圖1為現有技術中的激光光源；

圖2為現有技術中矩形方棒工作原理的示意圖；

圖3為實施例一的激光光源的結構示意圖；

圖4為激光光源的結構的另一個例子；

圖5為實施例二的激光光源的結構示意圖；

圖6為復眼透鏡的工作原理的示意圖；

圖7為復眼透鏡的微透鏡陣列的一個舉例。

具體實施方式

針對圖1所示的激光光源不能產生均勻面分布的問題，發明人做了針對性的研究。發明人發現，一般的光束之所以在方棒14中能夠實現均勻化，其關鍵在于該光束的角分布是連續的，這樣經過方棒內多次反射后其面分布才可能是連續的，而且能夠實現反射次數越多面分布的均勻性越好。

然而經過會聚透鏡13會聚的激光光束不同于一般的光束，它是由多個激光光束組合而成的，每個激光光束來自于一個激光二極管和對應的準直透鏡，所以總的光束的角分布并不是連續的，而是分立的。這些分立的激光束在方棒14中的傳播過程如圖2所示。激光束L1以入射角α入射，以出射角α出射，激光束L2以入射角β入射，以出射角β出射，兩者由于各自的角度都很小，在方棒中反射多次仍然保持為一根很細的光線，因此在方棒的出口處無法形成混合的效果，即均勻的光分布。

為了解決這個問題，下面結合具體實施例來進一步說明本發明。

實施例一

圖3為本發明的激光光源實施例一的結構示意圖。該激光光源300包括激光光源陣列，該激光光源陣列用于產生準直的一次激光光束陣列381。其中激光光源陣列由激光元件陣列和準直透鏡陣列組成，激光元件陣列包括激光元件41a、41b和41c，準直透鏡陣列包括42a、42b和42c，其中每個準直透鏡對應于一個激光元件，激光元件的發光位置位于對應的準直透鏡的焦點上，其發出的光經過準直透鏡后得以準直。

在本實施例中，激光元件為激光二極管，實際上激光元件當然可能是其它發射激光的元件，本發明不做限制。另外，若激光元件自身發射的激光束的準直度較好，則準直透鏡也是可能省略的。

激光光源300還包括位于激光光源陣列后端依次排列的聚焦光學元件43和準直光學元件44，一次激光光束陣列381依次經過聚焦光學元件和準直光學元件后形成準直的二次激光光束陣列382。

在本實施例中，聚焦光學元件為凸透鏡43，準直光學元件為凹透鏡44，凸透鏡43和凹透鏡44的焦點重合，其中凹透鏡44的焦點為虛焦點，該虛焦點在凹透鏡44的光路后端。這樣，一次激光光束陣列381首先被凸透鏡43所聚焦而面向其焦點會聚，在入射到凹透鏡44上時其光束截面積會小于在入射到凸透鏡43上時的光束截面積，此時由于該激光光束也是面向凹透鏡的焦點會聚的，因此經過凹透鏡44后會再次呈平行光出射，即形成準直的二次激光光束陣列382，但激光光束的截面面積被壓縮了，即二次激光光束陣列382中的二次激光光束的間距小于一次激光光束陣列中的一次激光光束的間距。

根據光學擴展量守恒原理，光束的截面面積被壓縮，其發散角必然增大，即：

S₁·sin²θ₁＝S₂·sin²θ₂ (1)

其中S₁、θ₁分別是一次激光光束陣列的橫截面積和發散半角，S₂、θ₂分別是二次激光光束陣列的橫截面積和發散半角，其中S₂<S₁，則θ₂一定大于θ₁。值得注意的，公式(1)中的發散半角并不是各激光光束之間的夾角，而是每個激光光束自己的發散半角。

在實際應用中，通過控制凸透鏡43和凹透鏡44的位置和曲率，可以控制二次激光光束陣列382對一次激光光束陣列381截面積的壓縮比例(近似來說，凸透鏡43和凹透鏡44的焦距之比就是光束的壓縮比)，并以此控制二次激光光束陣列中每一個激光光束的發散半角。

激光光源300還包括位于準直光學元件44后端的積分棒46，用于接收二次激光光束陣列382并使其均勻化。由于二次激光光束陣列382中每一束激光光束自身發散半角的增大，其發散角分布是連續的，因此經過積分棒46均勻化后會產生很好的勻光效果。

在現有的對積分棒(背景技術中的方棒是積分棒的一種)的理解中，入射光必須以一個較大的角度范圍入射才能夠產生較好的勻光效果，因為只有這樣光線才能夠在積分棒內部發生多次反射而均勻化。然而針對本發明的研究使我們對積分棒的認識更加深入，即若應用于激光領域，僅將各束激光會聚形成較大的角度范圍是不能工作的，必須使每一束激光的發散半角增大。只要每一束激光的發散半角增大，即使各束激光之間接近于平行，也能夠經過積分棒產生很好的均勻化效果。

在此認識的基礎上，我們發現還可以對本實施例進行擴展。若二次激光光束的發散角仍不夠大，可以使激光二極管(如41a)的發光位置沿激光傳播的方向偏離準直透鏡(如42a)的焦點。這樣實際上是直接使一次激光光束的發散角變大，自然二次激光光束的發散角也跟著變大。但是必須認識到，一次激光光束發散角變大會產生一個不良后果：二次激光光束陣列的總截面積會隨之增大，這對應于光學擴展量的增大，對于對光學擴展量要求較高的應用場合這是不適用的。因此，可以應用激光元件相對于準直透鏡離焦的方式對二次激光光束的發散角進行微調，但調整范圍不能過大(否則造成光學擴展量的過大損失)，因此仍不可能省略聚焦光學元件43和準直光學元件44的作用。

在本實施例中，如圖3所示的，積分棒46的光入口與準直光學元件44之間有一定的間距，這當然可以帶來組裝的方便。但由于二次激光光束的發散半角已經擴大，所以二次激光光束陣列在準直光學元件44和積分棒46之間傳播時的光束截面積會稍微增大，這對應于光學擴展量的擴大。因此優選的，積分棒46的光入口緊貼準直光學元件44會使光學擴展量盡量不擴大，此時積分棒46的光入口面積可以剛好等于二次激光光束陣列從準直光學元件44出射時的截面積。

在本實施例中，準直光學元件為凹透鏡，實際上如圖4所示，準直光學元件也可以使凸透鏡47，只要凸透鏡43與凸透鏡47的焦點重合，其效果與使用凹透鏡是相同的，只是在光傳播方向的長度會增大，使整個系統變得稍大。更一般的，聚焦光學元件和準直光學元件并不限于本實施例中使用的凸透鏡或凹透鏡，例如聚焦光學元件還可能是一個或多個反射鏡使多束激光光束聚焦，準直光學元件則可以是菲涅爾透鏡，總之只要能夠實現相同的功能就屬于本專利的保護范圍。

實施例二：

圖5為實施例二的激光光源的結構示意圖。與實施例一不同的，本實施例中激光光源還包括位于準直光學元件44與積分棒46之間的角分布控制元件45，用于將入射的二次激光光束會聚或發散以形成預定角分布。

在本實施例中，角分布控制元件45是復眼透鏡45，該復眼透鏡45包括微透鏡陣列，每個微透鏡能將入射的二次激光光束會聚或發散以形成預定角分布。微透鏡陣列的工作原理如圖6所示。圖6中，復眼透鏡左側的光線為入射光，即準直的二次激光光束陣列，該入射光經過每一個微透鏡451后現聚焦然后發散，其發散角會增大，其增大后的角分布是連續分布。例如對于球面鏡的微透鏡451來說，角分布為余弦的負三次方分布。通過對微透鏡451的曲面的設計，則可以實現朗伯分布。圖6中微透鏡是凸透鏡，所以可以將二次激光光束會聚；實際上微透鏡也可以使凹透鏡，這樣就可以將二次激光光束發散，但同樣可以實現預定的角分布。

應用本實施例，不僅可以如實施例一那樣實現激光光源輸出光均勻的面分布，而且還可以實現對角分布的準確控制。這是因為二次激光光束陣列的角分布范圍很小，基本為平行光，而積分棒又不改變角分布(錐形積分棒雖然改變角分布的范圍，但是并不改變角分布的形態。例如入射光為余弦分布，角度范圍是-30度至30度；使用錐形積分棒后出射光的角度范圍可能被放大至-40度至40度，但其光分布仍為余弦分布)，因此激光光源的出射光的角分布完全取決于角分布控制元件45的設計。例如本實施例中只需要設計好復眼透鏡45中微透鏡的形貌就可以實現想要的角分布。

除了復眼透鏡外，角分布控制元件還可以是散光片，衍射光學元件(利用衍射作用調整入射光的相位以實現預想的光分布)等，本發明并不做限制。

優選的，積分棒46的光入口緊貼角分布控制元件45，這是為了減少從角分布控制元件45出射光的截面積的擴大而造成對光學擴展量的擴大。

在實際應用中發明人發現，角分布控制元件45距離準直光學元件44的距離并不是越近越好。當兩者之間保持適當的距離，使得二次激光光束陣列入射到角分布控制元件45上時相鄰的二次激光光束形成的光斑存在交疊，此時二次激光光束連成一片，這對后端的出射光的面分布有幫助。

值得注意的是，應用本實施例雖然可以控制激光光源的發光角分布，但是相對于實施例一則會增大光學擴展量，在使用時要考慮系統對于光學擴展量的需求。

前面已經提到，通過控制角分布控制元件復眼透鏡中微透鏡的曲面可以控制激光輸出的角分布，另一方面，即使微透鏡的曲面確定了，也可以通過控制每一個微透鏡的外形控制角分布。圖7顯示了一個復眼透鏡的舉例，其中每一個微透鏡為長方形，兩個邊長分別為D₁和D₂。二次激光光束陣列經過這樣的微透鏡后沿長方形兩個邊方向上的發散角度不同，發散角之比約為D₁:D₂，這樣就可以得到一個長方形的光錐。當然，微透鏡也可以是正方形的，也可以是正六邊形的。正六邊形微透鏡的好處在于其發光光錐接近于圓錐，在很多場合有應用。

本發明還提出一種波長轉換光源，包括上述的激光光源；還包括波長轉換裝置，用于接收激光光源發出的光并發射受激光。由于激光光源出射光具有均勻的面分布，使得波長轉換裝置各個被激發的位置有相同的熱負荷，這樣對于波長轉換裝置的光轉換效率有幫助。

本發明還提出一種合光光源，包括上述的激光光源；還包括波長轉換光源，該波長轉換光源包括激發光源和波長轉換裝置，波長轉換裝置吸收激發光源發出的激發光并發射受激光；還包括合光裝置，激光光源發射的光和波長轉換光源發射的受激光從不同方向入射于合光裝置并經合光裝置合為一束出射。

由于波長轉換光源發射的受激光一般是朗伯分布，該受激光與激光直接合光的話會由于光分布不同而出現不均勻的現象。由于本發明的激光光源發光的角分布和面分布都可以精確控制，只要控制其角分布和面分布分別與受激光的角分布和面分布相同，就可以實現這兩者的均勻合光。

本發明還提出一種投影顯示裝置，包括上述的激光光源。

以上所述僅為本發明的實施方式，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。