專利名稱：激光光學(xué)引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及便攜式微型投影機(jī)，特別涉及便攜式微型投影機(jī)的光源技術(shù)。
背景技術(shù)：
為了將相對于手掌還要小的便攜式微型投影機(jī)或者對筆記本等設(shè)備進(jìn)行嵌入式 設(shè)計的投影儀進(jìn)行實(shí)用化，就需要開發(fā)出體積小的投影機(jī)用光學(xué)引擎。決定光學(xué)引擎大小的重要元件之一就是光源。激光是小體積高光輸出能力的光源 代表。激光芯片的大小在2000um左右，但可以輸出IW以上的光，是非常優(yōu)秀的發(fā)光元件。 但激光的缺點(diǎn)是存在散斑(Speckle)現(xiàn)象。散斑是激光的固有特性，是有著同一波長、相位、和振幅的激光的高連貫性 (Coherence)引起的一種干涉現(xiàn)象。散斑在屏幕上體現(xiàn)為斑點(diǎn)，會損害影像畫面質(zhì)量，給觀 看者一種閃爍的感覺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光光學(xué)引擎，能夠減少激光的連貫特性，削弱散斑 現(xiàn)象。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種激光光學(xué)引擎，包括至少一個激光光源；光調(diào)制器，利用光源發(fā)出的光生成圖象；投射透鏡，對光調(diào)制器所生成的圖象進(jìn)行放大投射，還包括調(diào)制驅(qū)動單元，用于將光源在開啟時間期間的輸入負(fù)載調(diào)制成以一千赫茲以上頻 率變化的負(fù)載。本發(fā)明實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于在激光光源的On time驅(qū)動時進(jìn)行KHz以上頻率的調(diào)制驅(qū)動，減少了激光的連貫 特性，削弱了散斑現(xiàn)象。進(jìn)一步地，對無需倍頻的激光光源進(jìn)行300Mhz的高速調(diào)制，波長波動引起的散斑 減少效果明顯。這是因?yàn)榧す舛O管特有的共振現(xiàn)象，使存在于激光二極管活性領(lǐng)域的電 荷密度的大小波動大，這使共振機(jī)內(nèi)的曲折率產(chǎn)生變化引發(fā)波長的波動。進(jìn)一步地，對經(jīng)倍頻生成的綠色激光進(jìn)行以2KHz頻率反復(fù)開關(guān)的調(diào)制，不但可以 減少散斑，還可以增加綠色激光總的光輸出量。進(jìn)一步地，通過引入漫射體，可以使散斑擴(kuò)散，削弱因激光光源引起的紋路之間的 干擾。進(jìn)一步地，通過振動光束整形器可以進(jìn)一步削弱激光散斑。


圖1是應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)方案的光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)的簡略圖2是把各光源和光調(diào)制器同步協(xié)調(diào)驅(qū)動的驅(qū)動信號簡略圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施方式中激光光源驅(qū)動方式的簡略圖；圖4是綠色激光生成過程簡略圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施方式中根據(jù)輸入負(fù)載變化，DPM的光輸出變化圖。
具體實(shí)施例方式在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化 和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施 方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。可以應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)方案的一種光學(xué)引擎的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該光學(xué)引擎為反射 型，包括R光源(IOR)，G光源(IOG)，B光源(IOB)，分色鏡50R、40G、50B，漫射體(20)，光 束整形器(Beam Shaper) (30)，物鏡(40_1，40_2)，光調(diào)制器(60)，投射透鏡(70)，偏振分光 鏡(80)，其中R代表紅色，G代表綠色，B代表藍(lán)色。R/G/B光源依次照射R/G/B光，具體地說，把照射一個幀的時間設(shè)為T，T/3的時間 照射R光源，接著的T/3的時間照射G光源，再接著的T/3時間照射B光源。可以理解，光 源也可以按照其它順序依次照射，如B/G/R等。微型投影機(jī)用的光源，既要體積小也要發(fā)光多，因此需要使用激光光源。三個光源 (10R，10G, 10B)被各自的分色鏡50R，50G, 50B反射或是透射到漫射體(20)。分色鏡50G起到反射G光源(從IOG照射出的綠色激光)并讓剩余光線透過的作 用，分色鏡50G也可以使用能夠?qū)⑵胀梢暪饩€全部予以反射的一般鏡子。分色鏡50R起 到反射R光源(從IOR照射出的紅色激光)、通過剩余波長范圍的光線的作用，分色鏡50B 起到反射R光源(從IOB照射出的藍(lán)色激光)通過剩余波長范圍光線的作用。漫射體(20)垂直于光軸振動，因此通過漫射體(20)的時候，光的隨機(jī)性 (Randomness)會得到增加。這種漫射體，是為了消除激光特有的激光散斑(Speckle)而設(shè) 置的裝置，用以減少激光光線的連貫性(Coherence)特征來達(dá)到減少激光散斑的目的。通過漫射體(20)的光會通過光束整形器(30)來轉(zhuǎn)變光束形狀。轉(zhuǎn)變光束形狀的 原因是要將光束的模樣整形成適應(yīng)于光調(diào)制器(60)的入射面形狀以提高光效率。圖1中的實(shí)例中光束整形器(30)使用了兩面由小型透鏡體構(gòu)成的復(fù)眼透鏡，也可 以使用2枚單面透鏡。在這樣的兩面，或者是兩枚上面各自聚集成型的多個小型透鏡體會 相互之間一一對應(yīng)來成形。這樣的光速整形器把以100至200微米直徑大小入射的激光， 轉(zhuǎn)換成面狀態(tài)并擴(kuò)大，可緩和激光的連貫特性，并把光能量擴(kuò)散成面光，可降低因?yàn)榧性?一起產(chǎn)生的激光特有的危險性。包含在復(fù)眼透鏡的小型透鏡體可以是多種形狀比如四角凸透鏡形狀，六角凸透 鏡形狀或者圓形等，不過最好是和光調(diào)制器的有效區(qū)域形狀一致。比如說光調(diào)制器的有效 區(qū)域形狀是四角形的時候，小型透鏡體的形狀也做成四角形能把光損失將到最低。小透鏡體的直徑最好為80_500um，這個尺寸下光束更容易整形。這是因?yàn)樾⌒屯?鏡的直徑小于80um的話會因?yàn)榧す獾倪B貫性在光束里產(chǎn)生格子紋路，并且在現(xiàn)有技術(shù)下很難制做出比80um還小的光滑面的透鏡構(gòu)造。直徑變大的話光束整形器的效果會減弱，得不到超小型光學(xué)引擎所需的均勻光源，所以用500um以下為好。各小透鏡體由多種不同大小的小透鏡混合組成，從而使激光散斑得以減少。物鏡(40)是將經(jīng)過光束整形器整形的光線利用光調(diào)制器(60)進(jìn)行集束的透鏡，
一般由一至兩片組成。光調(diào)制器(60)是指將入射的光線進(jìn)行選擇性通過、阻斷或改變光徑來形成影像 圖片的元件。光調(diào)制器(60)的典型實(shí)例有數(shù)字微鏡器件(DigitalMicromirror Device, 簡稱 “DMD”)、液晶顯示(Liquid Crystal Display，簡稱 “LCD”)元件、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，簡稱 “LCOS”)等等。DMD是用在數(shù)字光處理(Digital Light Processing，簡稱“DLP”)投影機(jī)的元件， 它利用場時序(field sequential)的驅(qū)動方式，使用與像素數(shù)量一樣多的矩陣形態(tài)排列的 數(shù)碼鏡(DIGITAL MIRROR)。DLP是指從光源照射出的光用數(shù)碼鏡來調(diào)節(jié)光徑，并用隔板反 射來達(dá)到漸變(Gradation)或形成圖象的投影儀。液晶顯示元件(IXD)是指選擇性地開/關(guān)液晶來形成圖象的元件。使用IXD元件 的投影機(jī)中，有直視型(direct-view)、投射型以及反射型。直視型投影是液晶顯示元件后 面的背景光通過LCD面板形成圖象并可以直接觀察的方式；投射型投影是將通過液晶顯示 元件形成的圖象利用投射透鏡放大后投射到屏幕，觀察從屏幕反射的圖象的方式；反射型 與投射型的結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別之處在于，反射型在LCD下面基板上設(shè)有反射膜，反射的光 線被放大投射到屏幕上。LCOS屬于反射型液晶顯示，它將以往液晶顯示端的兩面基板中的下方基板由透明 的玻璃改為硅基板，從而用反射型方式運(yùn)作。偏振分光鏡(80)是起到將入射光傳遞到光調(diào)制器(60)的作用的光學(xué)元件，其玻 璃材質(zhì)的六面體內(nèi)，偏光分離膜以對角線分布，是反射型光學(xué)引擎所必須的一個光學(xué)元件。入射光碰到偏振分光鏡的偏光分離膜，S偏光被偏光分離膜反射到光調(diào)制器， P偏光透射過偏振分光鏡被廢棄。所有光源部(10)發(fā)出的光，在光路上的某一點(diǎn)要轉(zhuǎn)換 (Conversion)成線平行狀態(tài)，才能維持光效率。但是激光光源的輸出的光中偏光比達(dá)到數(shù) 百比一，不需要轉(zhuǎn)換線平行的光學(xué)部件，所以非常適用于微型投影機(jī)的光源。這樣經(jīng)過偏光分離膜反射的S偏光通過光調(diào)制器形成影像的過程中轉(zhuǎn)換為P偏 光，轉(zhuǎn)換為P偏光的影像光再次入射到偏振分光鏡(80)，碰到偏光分離膜。這回的影像光全 是P偏光，所以透過偏光分離膜入射到投射透鏡(70)。投射透鏡(70)由多個透鏡構(gòu)成，將由光調(diào)制器(60)形成的圖象向屏幕(圖中未 標(biāo)識)上放大投射。上面描述的是反射型的光學(xué)引擎，本發(fā)明的技術(shù)方案也適用于透射型的光學(xué)引 擎。透射型的光學(xué)引擎的結(jié)構(gòu)與反射型的差不多，區(qū)別主要是沒有偏振分光鏡(80)，此外， 物鏡(40)、光調(diào)制器(60)和投射透鏡(70)的光路為同一直線。圖2是上述微型投影機(jī)中R/G/B三色激光驅(qū)動原理的簡略圖。微型投影機(jī)的光學(xué) 引擎為了小型化，要用一個光調(diào)制器體現(xiàn)彩色影像。利用場時序(field sequential)的驅(qū) 動方式的液晶顯示裝置(LCD)是符合此目的光調(diào)制器。這樣的場時序是指把時間表劃分為 3等分，在各自的時間上把對應(yīng)三原色的綠，紅，藍(lán)影像依次顯示的方式。人眼對影像會有殘留現(xiàn)象，把影像以一定速度以上顯示時，就會認(rèn)為是連續(xù)畫面。電影或動畫就是利用該原理。色彩影像也是一樣，快速顯示R/G/B三原色時，因殘影效果，觀看者會認(rèn)為是三原色混 合色的白色。同樣三原色的光量不同時可以調(diào)整出多種顏色，所以可以調(diào)整三原色的相對 光量來達(dá)到顯示我們所要色彩的目的。場時序驅(qū)動是把60Hz的影像畫面重新3等分。把一個影像畫面根據(jù)各像素制作 三原色光量對應(yīng)的R/G/B分影像，然后把上述的分影像以180Hz驅(qū)動。根據(jù)上述的180Hz 的分影像同步入射R/G/B光，就可以得到60Hz的彩色影像。圖2說明的是上述根據(jù)180Hz 分影像驅(qū)動R/G/B三個光源的驅(qū)動信號。如圖2所示，R光源信號是180Hz，有個On time區(qū)間。各光源之間的區(qū)間用于往 光調(diào)制器傳輸各像素光量數(shù)據(jù)，每幀中有3個這種區(qū)間，其和是全體負(fù)載的10%左右?？刂坪酶鞴庠吹腛n time，協(xié)同光調(diào)制器對應(yīng)的時間信號，用一定的光能量反復(fù)進(jìn) 行180Hz的開/關(guān)動作。本發(fā)明實(shí)施方式對這種簡單的光源驅(qū)動作了改進(jìn)，以減少激光的連貫特性。激光是同一波長，同一振幅，同一相位光的集合體，有著很強(qiáng)的連貫特性。即使通 過光束整形器整形和擴(kuò)大成面光源，還是會產(chǎn)生隨機(jī)性的干涉影像點(diǎn)，這個干涉影像點(diǎn)體 現(xiàn)為斑點(diǎn)，叫做散斑。本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為存在以下關(guān)系隨機(jī)性(Randomness)=波長的可變X相位的可變X入射角的可變相應(yīng)于上面的公式，有以下3種代表性方法可以減少入射光的連貫特性。方法一是入射角可變。圖1的漫射體(20)就是入射角可變的方法。但是光用漫射體(20)是不能完全消 滅散斑，還需配合以其它方法。方法二是相位可變。相位可變方法是在偏光上給于變化，在光調(diào)制器前端使用是存在困難。方法三是波長可變。波長可變可以做為漫射體(20)以外的一種重要手段。圖3是適用本發(fā)明的一個案例中對光源驅(qū)動進(jìn)行改進(jìn)的示意圖。激光二極管發(fā)出的雖然是單一波長的光，不過在兩種情況下可以讓波長有變化。第一種是溫度的變化。激光二極管的工作溫度變化時發(fā)出的光的波長會漸漸改 變，這樣的改變范圍大概是0. 25nm/°C左右。在-10°C +10°C范圍內(nèi)連續(xù)變動的話波長也 會任意持續(xù)變化。要控制工作溫度就要增加改變激光二極管溫度的裝置，這會有使光學(xué)引擎體積會 變大的缺點(diǎn)。第二種是將如圖3所示光源的開啟時間(On Time)分成多個區(qū)間，調(diào)制成高速負(fù) 載。圖紙上為了說明方便分為近10個區(qū)間，但實(shí)際上是3Khz以上的高速調(diào)制。特別是進(jìn) 行300Mhz的高速調(diào)制時，波長的波動引起的散斑減少效果明顯。這是因?yàn)榧す舛O管特有 的共振現(xiàn)象，使存在于激光二極管活性領(lǐng)域的電荷密度的大小波動變大，這使共振機(jī)內(nèi)的 曲折率產(chǎn)生變化引發(fā)波長的波動。調(diào)制驅(qū)動時圖3上把輸入負(fù)載調(diào)整到一半大小，高速調(diào)制時輸入負(fù)載的最小值可 以是最大值至0之間的任意值。
紅色和藍(lán)色激光可以調(diào)制成以數(shù)百M(fèi)hz變化的負(fù)載，但綠色光不可以。是因?yàn)榫G 色光是由叫二極管泵浦模塊(Diode Pumped Module，簡稱“DPM”)的光學(xué)元件發(fā)出的。因?yàn)榈侥壳盀橹惯€沒有開發(fā)出固體的綠色激光器，所以綠色激光通過二次諧波產(chǎn) 生(Second Harmonic Generation，簡稱"SHG”)把長波長的紅外激光(Infrared Laser) 倍頻(Frequency Doubling)轉(zhuǎn)換為綠色波長來使用。一般利用DPM(90)這種光學(xué)元件進(jìn) 行倍頻，其構(gòu)造在圖4中有簡單介紹。紅外激光(100)發(fā)出的800nm左右的波長光通過DPM(90)轉(zhuǎn)換為532nm的綠色光。 這樣的 DPM(Diode Pumped Module)由 Nd:YV04(110，添加了 Nd 的釩酸釔)和 KTP(120)構(gòu) 成。KTP(I2O)是KTi0P04(PotassiumTitanyl Phosphate Crystals 磷酸鈦氧鉀晶體)是屬
于非線性光學(xué)元件，多用于激光的倍頻上。
利用Nd:YV04(110)把808nm的紅外激光(100)轉(zhuǎn)換成1064nm的長波長的光，再 把1064nm的長波長激光通過非線性元件KTP (120)倍頻到532nm的綠色激光。上述DPM(90)不能適應(yīng)數(shù)百M(fèi)hz的高速調(diào)制，所以要改為數(shù)khz程度。在本發(fā)明 的一個優(yōu)先實(shí)例中，上述的綠色光的光調(diào)制可以到2000KHZ。當(dāng)然也可以調(diào)制成其它的頻 率，如1500Hz，2500Hz等等，不過效果會差一些。上述DPM(90)除了在前面說的通過驅(qū)動調(diào)制波長波動減少散斑效果外還有一個 優(yōu)點(diǎn)。圖5是DPM(90)針對輸入負(fù)載的工作特性的示意圖。圖5a是輸入負(fù)載的現(xiàn)有驅(qū) 動方法的輸出圖。圖5b是把輸入負(fù)載高速調(diào)制時的輸出圖。把綠色光源調(diào)制到數(shù)Khz反 復(fù)開/關(guān)情況下整個負(fù)載期間的光輸出量反而增加了。這是因?yàn)镈PM的輸出能力在負(fù)載量 適量增加的時候有逐漸衰減的特性。所以負(fù)載間off區(qū)間增加但光輸出量卻在增加。圖5中對形成綠色光源的紅外激光的輸入負(fù)載以開/關(guān)方式調(diào)制，也就是說輸入 負(fù)載變化的最小值是0，本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于這種調(diào)制方式，輸入負(fù)載變化的最小值 其實(shí)可以是0至最大值之間的任一個值。本實(shí)施方式中，光源的調(diào)制可由調(diào)制驅(qū)動單元完成，該單元用于將光源在開啟時 間期間的輸入負(fù)載調(diào)制成以一千赫茲以上頻率變化的負(fù)載?？梢岳斫猓{(diào)制驅(qū)動單元是一 個邏輯單元，可以以獨(dú)立的物理單元實(shí)現(xiàn)，也可以是一個物理單元的一部分，還可以以多個 物理單元的組合實(shí)現(xiàn)，調(diào)制驅(qū)動單元本身的物理實(shí)現(xiàn)方式并不是最重要的，其所實(shí)現(xiàn)的功 能是才解決本發(fā)明所提出的技術(shù)問題的一個關(guān)鍵。可見，在激光光源的On time驅(qū)動時進(jìn)行數(shù)KHz以上的調(diào)制驅(qū)動，可以減少激光的 連貫特性，削弱散斑現(xiàn)象。特別在綠色光的情況下，除了可以減少散斑現(xiàn)象外還可以增大光 輸出效率。除了通過對激光光源的高頻調(diào)制和引入漫射體可以削弱激光散斑外，還可以引入 用于振動光束整形器的元件，通過振動光束整形器進(jìn)一步削弱激光散斑。上述實(shí)施方式是針對三個激光光源的，但本發(fā)明的技術(shù)方案并不限于三個激光光 源的光學(xué)引擎，也可以是一個、二個或更多個激光光源，還可以是激光光源和發(fā)光二級管 (Light Emitting Diode，簡稱“LED”)光源組成的混合光源，例如一個紅色激光光源，一個 由紅外激光光源經(jīng)倍頻生成的綠色激光，還有一個藍(lán)色的LED光源。雖然通過參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施方式，已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了圖示和描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白， 可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本發(fā) 明的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種激光光學(xué)引擎，包括至少一個激光光源；光調(diào)制器，利用所述光源發(fā)出的光生成圖象；投射透鏡，對所述光調(diào)制器所生成的圖象進(jìn)行放大投射，其特征在于，還包括調(diào)制驅(qū)動單元，用于將所述光源在開啟時間期間的輸入負(fù)載調(diào)制成以一千赫茲以上頻率變化的負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，所述激光光源包括紅色激光光 源和藍(lán)色激光光源；所述紅色激光光源和藍(lán)色激光光源的輸入負(fù)載的變化頻率在3KHz至300MHz之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，所述紅色激光光源和藍(lán)色激光 光源的輸入負(fù)載的變化頻率是300MHz之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，所述輸入負(fù)載變化時的最小值 是最大值的1/2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，所述激光光源包括紅外激光光源；所述紅外激光光源的輸入負(fù)載的變化頻率是2000KHZ。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，還包括二極管泵浦模塊，用于將 所述紅外激光光源產(chǎn)生的紅外激光變換成綠色激光。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，所述紅外激光光源輸入負(fù)載變 化時的最小值是0。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，還包括漫射體，位 置在所述光源和光調(diào)制器之間，用于減小光源的激光散斑；所述漫射體包括擴(kuò)散元件和旋轉(zhuǎn)或振動此擴(kuò)散元件的驅(qū)動元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，還包括光束整形器，位于所述光源和物鏡之間，用于將所述光源射出的光束轉(zhuǎn)換成光調(diào)制器 的有效區(qū)域形狀；以及，用于振動所述光束整形器的元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的激光光學(xué)引擎，其特征在于，所述光調(diào)制器是 以下之一液晶顯示元件、數(shù)字微鏡器件、硅基液晶； 所述光調(diào)制器以場時序方式對多個光源進(jìn)行調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明涉及便攜式微型投影機(jī)，公開了一種激光光學(xué)引擎。本發(fā)明中，在激光光源的On time驅(qū)動時進(jìn)行KHz以上頻率的調(diào)制驅(qū)動，減少了激光的連貫特性，削弱了散斑現(xiàn)象。對無需倍頻的激光光源進(jìn)行300MHz的高速調(diào)制，波長波動引起的散斑減少效果明顯。對經(jīng)倍頻生成的綠色激光進(jìn)行以2KHz頻率反復(fù)開關(guān)的調(diào)制，不但可以減少散斑，還可以增加綠色激光總的光輸出量。
文檔編號G02B27/09GK101825832SQ20091005693
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者權(quán)星澤, 金東俠, 金城守 申請人:上海三鑫科技發(fā)展有限公司