CN101529288A - 减小激光散斑的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于减小激光束散斑的设备(200)和方法。该设备(200)包括光波导(45)、光波导输入面处的高反射镜(43)和光波导外出面处的部分反射镜(46)。通过高反射镜中的清晰开孔(41)将相干激光束(40)引入光波导中。在光波导(45)内，激光束(40)被分成具有不同相移、不同偏振态和/或等于或大于激光束相干长度的光程差的多个连续小光束。各小光束通过部分反射镜(46)离开光波导(45)以提供散斑减小的输出激光。光波导(45)可以是透射材料的固体光导管或者是带有反射内侧壁的中空通道。

Description

减小激光散斑的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请是2003年6月10日提交的题为“Light Guide Array，FabricationMethods，and Optical System Employing Same(光波导阵列、制作方法和使用该阵列的光学系统)”美国专利申请No.10/458,390、2005年2月25日提交的题为“Compact Polarization Conversion System For Optical Displays(用于光学显示器的紧凑型偏振转换系统)”美国专利申请No.11/066,605、2005年2月25日提交的题为“Compact Projection System Including A Light Guide Array(包括光波导阵列的紧凑型投影系统)”的美国专利申请No.11/066/616、以及2005年2月25日提交的题为“Light Recycler and Color Display System IncludingSame(光再循环器以及包含该光再循环器的彩色显示系统)”的美国专利申请No.11/067,591的部分继续申请。本申请还要求2004年12月22日提交的题为“Light Recovery system and Display Systems Employing Same(光恢复系统以及使用该系统的显示系统)”的美国临时申请No.60/639,925的优先权。本申请还与同日提交的律师案卷号No.00024.0009.PZUS00的题为“Compact LightCollection Systems(紧凑型光采集系统)”的美国临时专利申请No.60/719,155相关。上述申请通过引用结合于此，如同详尽阐述一样。
技术领域
本发明主要涉及激光照射系统，尤其涉及减小激光散斑的方法和设备。
背景
由于激光具有包括高亮度以及光束的期望光谱和角度特征在内的众多优点，使其被视为各种应用的有利光源，诸如投影显示、显微术、微蚀刻、机器视觉和打印。然而，在这些系统中使用激光的一个缺陷是散斑。本质上，散斑是激光束横截面强度的不期望变化。在激光投影系统中，它通常使图像呈现颗粒化并且锐度减小。散斑是由于从大多数激光器所发射光的时间和空间的高度相干造成的干涉图案。当这种相干光从粗糙表面反射或传播通过具有随机折射率变化的介质时，散斑作为光强的不均匀、随机分布而出现。该不均匀的亮度使激光照射系统的质量和实用性降级。
现有技术描述了各种散斑减小技术。例如，在美国专利No.5,224,200中，Rasmussen等人提出如图1所示的散斑减小设备10。该系统由激光器和匀化器28之间的连续的相干延迟线构成。相干线由分开距离25的全反射镜24和部分反射镜22构成，距离25等于原始激光束相干长度一半的整数倍。激光束20首先撞击部分反射镜22，部分反射镜22透射部分光束并将剩余光束向全反射镜24反射，在此剩余光束被反射回部分反射镜22。该过程不断进行，直到被反射的光束透过部分反射镜22。最终的光束和传输通过部分反射镜22的光束系列被透镜26聚焦到匀化器28。进入匀化器28的光束被偏移其相干长度的倍数，从而引起其相干长度的明显减小，进而减小散斑量。
在J.M.Florence的美国专利No.5,313,479和Kruschwitz等人的美国专利No.6,594,090B2中，使用运动扩散器来消除或减小散斑图案。
在H.Kikuchi的美国专利No.6,897,992 B2中，对激光束进行旋光并等分成S和P偏振分量。在分成S和P偏振分量之后，在通过适当延迟装置的S和P偏振分量之间产生至少等于激光束相干长度的光程差。’992专利还公开了一种用于将激光束分成两个或更多小平行光束并使这些小光束彼此相对延迟至少等于激光相干长度的光程差。
在1993年4月的Optics Letters(光学快报)18卷第7刊的549-551页的“Speckle-Free Image in a Laser-Diode Microscope by Using the Optical FeedbackEffect(激光二极管中使用光学反馈效应的无散斑图像)”中，B.Dinge1等人示教了一种通过展宽激光的光谱线宽并生成具有随时间变化的多模光谱的输出光束来消除激光散斑的方法。通过使用反射镜、分束器和多模光纤而将适量的激光馈送回激光腔中，由此获得这一结果。
虽然以上散斑减小方法在某些应用中有效，但是它们仍然具有以下缺点中的一个或多个：运动或振动的部件、紧凑度低、集成时间长、光能损失过多(即，效率低)、和/或在角度和强度方面缺乏对光空间分布的控制。
因此，需要一种简单、紧凑、轻便、集成时间短以及有效率的散斑减小设备，该设备在诸如显示面板的活动区域的特定目标区域上提供在强度和角度方面对结果空间分布的控制。
概述
本发明的优点是提供相对紧凑、轻便、集成时间短(或瞬时集成时间)、有效率的散斑减小设备，它能够产生所选横截面积以及强度和角度空间分布的输出光束。经改进的散斑减小设备能够有效地耦合来自激光源(例如单个激光器或激光器阵列)的具有各种尺寸和形状的光，以照射各种形状和尺寸的目标。本发明还提供经改进的散斑减小方法。
本发明的各个方面、特征、实施方式和优点将在以下附图和详细描述中的到描述，或者通过参看附图和详细描述，它们对本领域技术人员将变得显而易见。所有这些方面、特征、实施方式和优点都只在包含在本说明书中、落入本发明的范围内、并且受最终限定本发明的所附权利要求书的保护。
附图简述
应该理解，附图仅为说明目的，并不对本发明构成限制。此外，附图中的部件没有必要按比例绘制，而是着重示出本发明的原理。在附图中，类似的附图标记在不同附图中指代对应的部分。
图1是现有技术散斑减小设备的横截面图。
图2A是使用高反射镜、部分反射镜、光波导和任选平-凹透镜的散斑减小设备的立体图。
图2B是图2A的系统的横截面图。
图3A是具有使用高反射镜、部分反射镜、光波导、延迟板和任选平-凹透镜的第一结构的散斑减小设备的立体图。
图3B是图3A系统的横截面图。
图4A是具有使用高反射镜、部分反射镜、光波导、延迟板和任选平-凹透镜的第二结构的散斑减小设备的立体图。
图4B是图4A的系统的横截面图。
图5A是使用高反射镜、部分反射镜、光波导、任选延迟板、透射扩散器和任选平-凹透镜的散斑减小设备的立体图。
图5B是图5A系统的横截面图。
图6A是使用部分反射镜、光波导、任选延迟板、反射扩散器和任选平-凹透镜的散斑减小设备的立体图。
图6B是图6A系统的横截面图。
图7A是使用高反射镜、部分反射镜、光波导、任选延迟板、可变厚度板和任选平-凹透镜的散焦减小设备的立体图。
图7B是图7A的系统的横截面图。
图8A是使用高反射镜、准直板、光波导、任选延迟板、任选可变厚度板和任选平-凹透镜的散斑减小设备的立体图。
图8B是图8A的系统的横截面图。
图9A是包括微开孔、微波导和微透镜阵列的第一准直板的详细立体图。
图9B是图9A的准直板的横截面图。
图9C是图9A的准直板的分解图。
图10A是包括微开孔和微波导阵列的第二准直板的立体图。
图10B是图10A的准直板的横截面图。
图11A是包括微开孔和微通道阵列的第三准直板的俯视图。
图11B是图11A的准直板的横截面图。
图12A是包括微开孔和微透镜阵列的第四准直板的立体图。
图12B是图12A的准直板的分解图。
图12C是图12A的准直板的横截面图。
图13是接收光线的散斑减小设备的横截面图。
图14A是边缘照明直视液晶显示器中的散斑减小设备的俯视平面图。
图14B是图14A的LCD系统的分解立体侧视图。
图14C是微元件板的示例的立体图。
图14D是光波导板的示例的立体图。
图15A是使用红色、绿色和蓝色激光器和透射微显示器的照射系统的俯视平面图。
图15B包括图15A的透射微显示器的详细横截面图以及该透射微显示器的一个像素的详细立体图。
图15C是使用可调谐激光器和透射微显示器的照射系统的横截面图。
图15D是使用红色、绿色和蓝色激光器的投影系统的横截面图。
图16是配置有微透镜阵列(MLA)的液晶微显示器的横截面图。
图17是在输入侧使用运动扩散器的散斑减小设备的横截面图。
图18是在输出侧使用运动扩散器的散斑减小设备的横截面图。
图19A-B是示例性透射微显示器系统的横截面图。
详细描述
参照并纳入附图的以下详细描述示出并描述了本发明的一个或多个特定实施方式。提供这些实施方式只是为了例示和示教本发明而非限制本发明，并且以充分的细节示出和描述这些实施方式，以使本领域技术人员能够实践本发明。因此，为避免混淆本发明，适当时在说明书中省略本领域技术人员已知的某些信息。
本文所公开的是一种激光散斑减小设备的各种示例性实施方式，该设备至少包括光波导(例如光导管或通道)、高反射镜(例如反射镜板)和部分反射镜(例如反射镜板)。在操作中，散斑减小设备将输入激光束分成彼此相隔一光程差的多个小光束，该光程差较佳地至少等于激光束的相干长度。激光散斑减小设备的优点在于它是静态的，即它不包括任何运动或振动部件。
还公开一种实施本文所述的某些激光散斑减小结构的示例性显示系统。
现在参照附图，图2A和2B示出散斑减小设备200的一实施方式的立体图和横截面图，该设备包括诸如具有反射侧壁的光波导的光波导45、高反射镜43、部分反射镜46和任选平-凹透镜42(如图2B所示)。部分反射镜46位于光波导45的外出面，而全反射(或者至少高反射)镜43则位于波导的输入面。在高反射镜46中形成的清晰开孔允许向光波导45中引入输入激光束。
高反射镜43较佳地由将全部或大多数入射光向部分反射镜46反射的金属和/或介电涂层制成。部分反射镜46较佳地由将部分入射光反射回高反射镜43并使剩余部分透射的介电涂层制成。
平-凹透镜42的功能是将激光束40的锥角扩展成期望的锥角。使用透光粘合剂将该透镜42附连到高反射镜43。使用适当的粘合剂将高反射镜43和部分反射镜46分别附连到光波导45的进入和外出面。高反射镜43与部分反射镜46之间的距离L较佳地等于输入激光束40相干波长一半的整数倍。对本领域技术人员显而易见的是，激光的相干长度是在对激光束进行分束时会发生干涉的长度。
光波导45可以是具有抛光表面的、由诸如玻璃的透光材料制成的固体光导管或者是具有反射侧壁的中空光通道，并且可以是直线型或渐变型的光波导。光波导的长度范围从几毫米到几十毫米，这取决于其进入和外出开孔的尺寸、在光波导45中传播的光的锥角、传播光的相干长度和期望的光均匀程度。某些合适光波导的示例在2003年6月10日提交的美国专利申请No.10/458,390和2005年2月25日提交的No.11/066,616中有所描述，这些申请通过引用结合于此。
激光40通过清晰的开孔41进入任选平-凹透镜43，如图2所示。清晰开孔41在全反射镜43中形成，以允许将激光40引入光波导45。清晰开孔41的尺寸和形状可以是圆形、正方形、矩形、椭圆形或任何其它形状。具有与任选平-凹透镜阵列相关联并对应于激光阵列的清晰开口阵列同样是可能的。
平-凹透镜42用于形成以系统200的光轴为中心的对称锥形光束发散。也可以使用其它类型的透镜来实现透镜42的功能，诸如平-凸透镜、平-凸微透镜阵列、平-凹微透镜阵列、全息扩散器或非全息扩散器等。
产生光束40的光源可以是单色激光器、多色激光器(例如，可调谐激光器)或预组合的单色激光器。对激光功率或波长没有限制，它们可以例如在UV、可见或红外范围内。散斑减小设备200可以与具有从较小(几毫米)到较大(米)范围内的相干长度的激光一起使用。
激光40以带有期望锥角的发散光束44离开任选平-凹透镜42。该光44在光波导45内传播时在空间上变得更均匀。当该光44最初撞击部分反射镜46时，其一部分(即第一小光束)透射并离开散斑减小设备200，而剩余部分被反射回高反射镜43。该反射光的一小部分通过清晰开孔41朝向激光器离开散斑减小设备200，而剩余部分被高反射镜43反射回部分反射镜46。该光第二次撞击部分反射镜，第二小光束离开散斑减小设备200，而剩余部分被反射回高反射镜43。该过程不断进行，直到光束44通过部分反射镜46离开散斑减小设备200。
由于两个反射镜43和46相隔较佳地等于输入激光束40相干长度一半的整数倍的距离，使得离开部分反射镜46的小光束全部偏移相干长度的整数倍。因此，离开散斑减小设备200的小光束非相干地重新组合，从而减小了重新组合的输出波长的相干长度。
即使两个反射镜43和46之间的距离小于激光束40相干长度的一半，离开部分反射镜46的小光束也将在强度和角度上具有不相同的空间分布，从而让散斑图案更为平均并有所减小。在反射镜间距小于相干波长的情况下，任选平-凹透镜42增加了激光的不相等空间分布，从而增强了散斑减小的程度。
在散斑减小设备200的替换构造中，将两个反射镜43和46以及清晰开孔41的尺寸设计成允许将所需量的激光馈送回激光腔中，以展宽激光的光谱线宽并产生时间变化的线宽光谱。在这种情况下，单模激光被转换成多模激光，其多模光谱通过弛豫振荡和多个外部腔模式而随时间变化，从而减小激光的相干长度以及所观察到的散斑图案。该光学反馈效应由B.Dingel等人在1993年4月的Optics Letters的18卷第7刊的549-551页的“Speckle-Free Image in aLaser-Diode Microscope by Using the Optical Feedback Effect”中更详细地描述，该文献通过引用结合于此。
图3A-B分别示出根据本发明另一实施方式的散斑减小设备300的立体图和横截面图。设备300包括光波导45、高反射镜43、部分反射镜46、延迟板47和任选平-凹透镜42。延迟板47被放置在部分反射镜之前或全反射镜之后。延迟板允许散斑减小设备通过各种偏振部件传输小光束，这些部件彼此相隔至少等于激光束相干长度的光程。
高反射镜43和部分反射镜46之间的距离L较佳地等于激光束40相干长度一半的整数倍。延迟板47用于引入所需值的相位延迟，该延迟导致具有不同偏振态和减小的散斑图案的多个小光束。波片较佳地可以是诸如石英和MgF2的单轴晶体的切割和抛光片。在单轴晶体中，相对于另两个晶体轴，透过该晶体的光在一个晶体轴上经历不同折射率和相位延迟。
 在散斑减小设备300的替换构造中，将延迟板47置于高反射镜43与光波导45之间、系统300的相对一端。
图4A-B示出根据本发明的另一实施方式的散斑减小设备400。设备400将激光束40的偏振光分量分成S偏振光分量和P偏振光分量(如以下所述)，并在S和P偏振光分量之间产生不小于激光束40的相干长度的光程。两个分量较佳地被分成两个相等的S和P偏振光分量。
散斑减小设备400是先前实施方式的散斑减小设备300的特殊情况，它使用带有开口的四分之一波片47a，在最初将偏振激光40引入光波导45中而没有经历任何延迟。波片47a置于高反射镜43与光波导45之间。偏振激光44入射到部分反射镜46上，其中具有S偏振光分量(或P偏振光分量，取决于激光及其取向)的第一小光束透射而剩余部分则被反射回高反射镜43。在固体光导管或中空光通道45中的一个往返期间，光两次通过四分之一波片47a，其偏振态旋转90度。因此，第二透射小光束离开时具有垂直于第一小光束的P偏振光分量。连续的小光束将会具有在P和S状态之间交替的正交偏振态。由于两个反射镜43和46相隔较佳地等于光束40相干长度一半的整数倍的距离，所以部分反射镜46的小光束全部偏移其相干长度的整数倍。因此，离开散斑减小设备400的小光束非相干地重新组合，从而减小了重新组合光束的相干长度。
在散斑减小设备400的替换构造中，将四分之一波片47a置于部分反射镜46与光波导45之间。在该构造中，激光束40最初被旋光，使得圆偏振光分量入射到四分之一波片47a上，进而得到离开部分反射镜46的带有线偏振光分量的第一小光束。在固体光导管或中空光通道45中的一个往返期间，光两次通过四分之一波片47a，其偏振态被旋转90度。因此，第二透射小光束在离开时具有垂直于第一小光束的偏振光分量。连续小光束将会具有在P和S状态之间交替的正交偏振态。
可以通过例如就在高反射镜43之前放置另一四分之一波片，在最初将激光束40旋光以产生圆偏振光分量。然后圆偏振光分量通过开孔41进入散斑减小设备400。
图5A-B分别示出根据本发明另一实施方式的散斑减小设备500的立体图和横截面图。设备500包括光波导45、高反射镜43、部分反射镜46、任选延迟板47、透射扩散器48和任选平-凹透镜42。扩散器是一类能够采集激光束并将激光束重新分布成所需角度图案的衍射光学部件。可以用包括全息和二元光学元件的不同方法制作扩散器。扩散器对偏振光有不同影响，这取决于其类型和材料。透射扩散器48a用于引入期望值的相移，这会导致带有不同相移的透射小光束以及减小的平均散斑图案。
高反射镜43与部分反射镜46之间的距离L较佳地等于激光束40的相干波长一半的整数倍。
在散斑减小设备500的替换构造中，透射扩散器48a置于任选延迟板47与光波导45之间。
图6A-B分别示出根据本发明另一实施方式的散斑减小设备600的立体图和横截面图。设备600包括光波导45、部分反射镜46、任选延迟板47、反射扩散器48b和任选平-凹透镜42。反射扩散器对所接收的光束进行反射而非透射(如在透射扩散器48a的情形中)，使所反射的光具有期望的角分布。除了充当扩散器之外，反射扩散器48b还实现高反射镜43的功能。
图7A-B分别示出根据本发明另一实施方式的散斑减小设备700的立体图和横截面图。设备700包括光波导45、高反射镜43、部分反射镜46、任选延迟板47、可变厚度板49和任选平-凹透镜42。可变厚度板49用于在光束内引入可变的相移，由此导致带有不同相移的透射小光束以及减小的散斑图案。可变厚度板49在表面区域上具有均匀或随机的厚度变化。这种变化可以是阶梯状或者平滑的，并不重新调整光束的角分布。
高反射镜43与部分反射镜46之间的距离L较佳地等于光束40相干长度一半的整数倍。
图8A-B分别示出根据本发明的另一实施方式的散斑减小设备800的立体图和横截面图。设备800包括光波导45、任选延迟板47、任选可变厚度板49、任选平-凹透镜42和准直板50。除了充当光准直器之外，准直板50还实现部分反射镜46的功能。更具体地，准直板50可以在光波导45的外出面处充当部分反射镜，以提供对准直板50表面上每一点上所传输光的强度和角度的控制。
任选可变厚度板49可由任选透射扩散器替代。用反射扩散器来代替高反射镜43和任选可变厚度板49两者也是有可能的。
图9A是图8A-B的准直板50的详细立体图。准直板50包括开孔板34a、微波导阵列34b和微透镜阵列34c。每个微透镜对应于一微波导和一微开孔。如图9D所示，开孔阵列34a包括由期望激光波长高透射的透射材料34a1制成的板。该板的上表面具有施加其上的经图案化的高反涂层34a2。
微波导34b和微透镜34c阵列的立体图在图9C中示出。两个阵列34b和34c可在单个玻璃板上制成。开孔34a、微波导34b和微透镜34c阵列的横截面图在图9B中示出。在保持激光的偏振态十分重要的应用中，可以将微波导阵列34b内微波导的侧壁取向成保持进入和离开微波导阵列34b的光的偏振态。
阵列34a、34b和34c内的每个微元件(例如微波导、微透镜或微通道)的设计参数包括进入和外出开孔的形状和尺寸、侧壁形状和渐变、及取向。阵列34a、34b和34c内的微元件可以具有均匀、不均匀、随机或不随机的分布，并且在数量上可从一个微元件到数百万个，其中每个微元件能够在其设计参数上有所区别。在使用可见光的应用中，每个微元件的进入/外出开孔的尺寸较佳地≥5μm，以避免光衍射现象。然而，有可能用＜5μm的进入/外出开孔尺寸来设计微元件。在这种应用中，设计应该考虑衍射现象以及光在该尺度下的行为以在特定区域上提供在强度、视角和色彩方面的均匀光分布。这种微元件可被排列成一维阵列、二维阵列、圆形阵列，并可单独对齐或取向。此外，准直板50可以具有比波导45的外出面更小的尺寸，并且其形状可以是矩形、正方形、圆形或任何其它任意形状。
以下描述准直板50的操作。入射到准直板50上的一部分光通过开孔阵列34a的开口进入，而剩余部分则被光反射涂层34a2反射回来。由微波导阵列34b接收到的光在这些微波导内经历全内反射并在离开阵列34b时变得高度准直。该准直光经折射作为更加准直的光离开微透镜阵列34c。除了该高准直水平之外，准直板50提供对所传输光在强度和锥角方面在每个微元件位置上的分布的控制。
图10A-B示出可用于散斑减小设备800的替换准直板60的立体图和横截面图。该准直板包括微波导阵列34b和开孔阵列34a。
图11A-B示出可用于散斑减小设备800的另一替换准直板70的俯视图和横截面图。该准直板70包括中空微通道阵列37b和开孔阵列37a。每个微通道的内侧壁38b(图1 1A的分解图)涂敷有高反涂层39b(图11B)。入射到准直板70上的一部分光进入中空微通道阵列37b并经由反射而得到准直。该光的剩余部分由开孔阵列37a的高反涂层39a反射回来。准直板70的优点是紧凑以及高透光效率，而在其微通道的进入开孔38a和外出开孔38c处无需减反射(AR)涂层。
图12A-C示出可用于散斑减小设备800的准直板80的另一替换构造的立体图(集成和分解)和横截面图。准直板80包括在单个板上制成的开孔阵列74a和微透镜阵列74c。在准直板80中，微透镜阵列74c经由折射实现对所传输辐射的准直功能。
诸如示例准直板50、60、70和80的准直板的构造、制造和操作的附加细节在2003年6月10日提交的相关美国专利申请No.10/458,390、2005年2月25日提交的11/066,616以及律师案卷No.00024.0009.PZUS00的题为“CompactLight Collection Systems(紧凑型光收集系统)”的美国临时专利申请No.60/______中给出，这些申请通过引用结合于此。
图13示出接收光线955而非如图13所示的圆形或椭圆形光束951的散斑减小设备1000。整形光学元件952将从一个或多个激光器950发射的圆形或椭圆形光束951转换成所有光线都平行于光轴(即z轴)的准直光线953。圆柱透镜954将该准直光线953聚焦到在高反射镜961中形成的矩形开孔960中。整形光学元件952的某些示例在J.I.Trisnadi的美国专利6,323,984 B1中有描述，该专利通过引用结合于此。部分反射镜较佳地是用以减小离开散斑减小设备1000的光的锥角(相对于z轴)的一维准直板966。图13还示出了任选延迟板965和可变厚度板962。光波导964的长度较佳地等于原始激光束951的相干长度一半的整数倍。
图14A是在边缘照明直视液晶显示器件中使用的散斑减小设备1200的俯视平面图。在本应用中，微元件板1100用于在激光器1150的光束1151首先通过散斑减小设备1200之后，将光沿光导板1120的边缘均匀分布。散斑减小设备1200包括本文所述的散斑减小设备200、300、400、500、600、700、800中任一个。
图14B是图14A的LCD系统的分解立体侧视图。具有反射底侧1121的板1120在直视液晶显示器件(LCD)中用于将来自光源的光耦合到位于板1120顶部的液晶面板中。离开散斑减小设备1200的激光1152进入光导管1110，并向光波导1110的相对端传播。微元件板1100附连到光波导1110上，如图14A-B所示。
在微元件板1100的表面上形成的数百万微元件(例如微透镜、微波导、微通道)用于将光1152耦合到进入光导板1120。经耦合的光作为光1153进入光导板1120，并在+Y方向上从光导板1120向液晶面板提取。微元件沿微元件板1100不均匀地分布，并且其密度朝微元件板1100的后端增大。由于光密度随其向后端传播而减小，因而这种类型的不均匀微元件分布会引起沿光导板1120的边缘的均匀光分布。微元件板1100的后端较佳地涂敷有高反层1111以避免光泄漏。
图14C示出板2100作为微元件板1100的一个示例。随着光1152在光波导1110内传播，它进入板2100的微波导2100a并撞击微波导2100a的侧壁。撞击微波导侧壁的光朝向光导板1120折射。微元件板1100的设计、操作和制造在2003年6月10日提交的相关美国专利申请No.10/458,390、2005年2月25日提交的11/066,616中有所描述。
将微元件板1100和光导管1110集成在单个板上也是有可能的。
图14D示出板2120，作为光导板1120的另一可能设计。在板2120的一个实现中，用高反白色涂料涂覆其后侧2120b。在板2120内传播的光1153在撞击白色涂料时发生漫射。漫射光的大部分最终(在撞击白色涂料数次之后)通过其前表面2120a(在+Y方向)离开板2120并进入显示面板(或者通常设置在显示面板和光导板2120之间用于光准直的亮度增强膜)。
可在其前表面2121a和/或后表面2120b上使用微元件而不使用白色涂料来实现板2120。这种设计在现有技术中是已知的。光波导1110、微元件板1100和2100和光导板1120和2120是由透光材料制成的，诸如玻璃或聚合物。
图15A-B示出使用红色、绿色和蓝色激光器和透射微显示器的照射系统1500。该系统1500包括三个相关光源1A、1B和1C，三个二向色性分束器2A、2B和2C，激光散斑减小设备1400和透射显示器1410。散斑减小设备1400包括本文公开的散斑减小设备200、300、400、500、600、700、800中任一个。
三个相关光源可以是例如红色1A、绿色1B和蓝色1C激光器，它们被依次选通以产生全彩显示。如果三个相干光源1A、1B和1C连续操作而非选通，则透射微显示器将会在其结构上使用红色、绿色和蓝色滤色器来产生全彩微显示图像。使用二向色性分束器2A、2B和2C来组合红色1A、绿色1B和蓝色1C激光。元件2A可以是反射红色的高反射镜或二向色性分束器。元件2B可以是透射来自激光器1A的红色并反射来自激光器1B的蓝色的二向色性分束器，并且元件2C是透射红色和蓝色而反射来自激光器1C的绿色的二向色性分束器。
图15B是透射微显示器1410的横截面图，该显示器可以是例如基于高温多晶硅(HTPS)或基于低温多晶硅的微显示器。每个像素1411具有光可以通过的开口区域1411b，以及将入射光发送回激光散斑减小设备1400的高反区域1411a。每个像素1411的配线和晶体管区域1411c隐藏在高反区域1411a之后。
图15C示出使用单个可调谐激光器1D来产生全彩显示的照射系统1550。在该系统1550中，去除了图15A的三个二向色性分束器2A、2B和2C。
图15D示出使用红色1A、绿色1B和蓝色1C激光器，三个散斑减小设备1400a、1400b和1400c，三个透射微显示器1410a、1410b和1410c、正交二向色性棱镜1420，投影透镜1430和屏幕1440来产生全彩显示的投影系统1600。
散斑减小设备1400a-c包括本文所述的散斑减小设备200、300、400、500、600、700、800中任一个。
在该系统1600中，激光器1A、1B和1C连续照射其对应的微显示器1410a、1410b和1410c。三个透射微显示器1410a(红色)、1410b(绿色)和1410c(蓝色)分别根据图像信号调制红色、绿色和蓝色的光。正交二向色性棱镜1420具有采用交叉形式的反射红光的多层介电膜叠层1420a以及反射蓝光的多层介电膜叠层1420b。膜叠层1420a和1420b通过沿y-轴延伸的中心轴1420c交叉。将由正交二向色性棱镜1420组合的光传输到投影透镜1430，进而该透镜将该光(即图像)投影到屏幕1440上。
图15D的投影系统1600使用相干(例如激光器)和非相干(例如发光二极管(LED)和弧光灯)光源的组合来向微显示器提供红色、绿色和蓝色。由于蓝色激光器相比于绿色和红色激光器(通常在合适功率水平和可接收价格下可用)非常昂贵，使用不同类型光源的灵活性具有使用绿色和红色激光器同时对蓝色使用其它非相干光源的优点。在该构造中，将LED光和/或经聚焦的弧光灯光通过高反射镜的开孔馈送到系统1400a和1400b。由于LED和弧光灯发射非相干光，系统1400a和1400b将不提供散斑减小功能，但仍将提供其余的益处。可使用椭圆反射器或者抛物线反射器以及之后的聚焦透镜来将弧光灯光聚焦到高反射镜的开孔中。可将LED自身机械地或使用合适粘合剂附连到高反射镜的开孔。图15D的投影系统1600的微显示器可以是多种类型和分辨率。例如，接收蓝光的微显示器1410c与其它两个微显示器1410a和1410b相比可具有较低分辨率。由于相对于绿色和红色，人眼对蓝色的敏感性更低，因此这一安排得到更低的成本而又不会损失投影系统的图像质量。
在系统1500、1550、1600的替换构造中，透射微显示器1410、1410a、1410b和1410c自身用作散斑减小设备1400、1400a、1400b和1400c中的部分反射镜，由此消除对散斑减小设备200、300、400、500、600和700中的额外部分反射镜46或如散斑减小设备800的准直板50的需要。
以上照射系统1500、1550和1600的优点包括可移除散斑、高紧凑度和高亮度。即使在像素1411的开口率降低的情况下，使用照射系统1500、1550和1600的显示系统的亮度也比传统系统的更高。开口率是像素1400开口面积1411b(图15B)与像素1411总面积之间的比值。更高亮度的获得是因为对撞击散斑减小设备1400内像素1411(图15B)的高反区域1411a的光进行重复利用直到它通过像素的开口区域1411b。这种亮度增大是在无需微透镜阵列(MLA)来增加透射微显示器的亮度的情况下实现的。MLA中的每个微透镜在透射微显示器中用于通过将所接收的光聚焦到对应像素的开口中来增强显示器亮度。增强的亮度(几乎独立于开口率)允许进一步减小像素和微显示器的尺寸，并由此降低微显示器和投影系统的成本。
图16是配备有微透镜阵列(MLA)1621的液晶微显示器1650的横截面图。该液晶微显示器1650自身用作静态散斑减小设备1400、1400a、1400b和1400c中的部分反射镜，由此消除对散斑减小设备200、300、400、500、600和700中的额外部分反射镜46或如散斑减小设备800的准直板50的需要。
液晶微显示器1650包括至少一个液晶单元1630、微透镜阵列1621和一对偏振器1620和1629。
液晶单元1630具有透光电极基板1628、透光相对基板1623、以及夹在两个基板1628和1623之间的液晶层1626。在电极基板上为每个像素制造薄膜晶体管1635和像素电极1627。公共电极1625在相对基板1623上制成。在相对电极1623与公共电极1625之间设置高反射层1624。高反射层1624具有用于每个像素电极1627的对应开孔(即，透光开口)。
每个像素由一个电极1627、公共电极1625和夹在两个电极1627和1625之间的液晶层1626构成。或者可在液晶单元1630的入射平面(即，相对基板1623的上表面)或电极基板1628上设置高反射层。
微透镜阵列1621经由粘合层1622附连到相对基板1623的上侧。微透镜阵列1621具有多个微透镜1621a。微透镜阵列1621包括较佳地定位在距对应像素开孔1624A的中心轴一偏移处的同心(或者非同心)透镜。
进入微透镜阵列1621的光被多个微透镜1621a分成子光束。平行于清晰观看方向VD(通常导致最高的图像对比度)的每个子光束1610a被聚焦到对应像素电极1627附近，并通过开孔1624A、液晶层1626、像素电极1627、电极基板1628、和偏振器1629。与清晰观看方向VD不平行的光，诸如具有与较小光束1610a对称的入射角的子光束1610b，也被会聚到对应像素电极1627附近，在此它入射到高反层1624B。该子光束1610b被反射回来并在静态散斑减小设备1400、1400a、1400b和1400c中重复使用。该反射光第二次入射到液晶微显示器1650上(在静态散斑减小设备1400、1400a、1400b和1400c内重复使用一次之后)，在此它具有沿清晰观看方向VD离开的机会，这样就增强了微显示器和投影系统的对比度。该重复使用过程不断进行，直到大多数光以清晰观看方向VD离开。可将液晶微显示器1650制成显示单色或彩色图像。
微透镜阵列(MLA)1621具有增强透射微显示器对比度的优点。这种微显示器由Ogawa在美国专利No.6,195,143 B1以及由Saito等人在美国专利No.6,825,889 B1中描述，这些专利通过引用结合于此。为了具有更好的光耦合效率，在微显示器中使用的光遮蔽较佳地是高反层。
图17示出在静态散斑减小设备1710的输入处包括运动扩散器1720的散斑减小设备1750。该静态散斑减小设备1710可以是静态散斑减小设备200、300、400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1400a、1400b和1400c中任一种。在图15D的投影系统1600的情况下需要三个运动或振动扩散器。通常由指定为1730的装置将扩散器1720在其平面上通过旋转、振动或其它运动来移动。旋转运动可由马达或线圈来提供。或者，振动运动可通过使用由交流信号源驱动并产生所需振动的压电换能器来提供。
运动扩散器1720能进一步减小散斑图案或噪声，进而简化静态散斑减小设备1710的设计并增强其光学效率。
图18示出在静态散斑减小设备1710的输出处使用运动扩散器1720的散斑减小设备1850。以上描述了静态散斑减小设备1710和运动扩散器1720。在该设备1850中，运动扩散器1720提供附加的散斑减小。在投影显示系统中，运动扩散器较佳地置于中间图像面板处。在远距离投影系统，运动扩散器较佳地置于屏幕的共轭位置。
用于减小散斑的其它设备可与本文公开的静态散斑减小设备200、300、400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1400a、1400b和1400c结合使用，无论是在其输入或是输出侧。这些设备的示例包括使用电光设备，如Ramanujan等人的美国专利No.6,791,739中所描述的，该专利通过引用结合于此；流动流体扩散器；非流动流体扩散器；以及章动扩散板(nutating diffusionplate)，如Hargis等人的美国专利No.5,534,950所述，该专利通过引用结合于此。
流动流体扩散器包括一对紧密间隔的玻璃板，其间有高混浊流体流动。这种混浊流体的示例是Liquid该技术能在适度的流速率下移除散斑。在非流动流体扩散器中，散斑在没有流动或运动部件的情况下被消除。由于存在悬浮在流体扩散器中尺寸足够小的颗粒。该现象是由散射颗粒的布朗(Brownian)运动引起的。
静态散斑减小设备200、300、400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1400a、1400b和1400c还可与振动屏幕结合使用以进一步减小散斑。
或者，可通过振动或其它运动来使部分反射镜(可以是例如透射微显示器)运动以进一步减小散斑。在这种情况下，可将部分反射镜紧密靠近光通道/光导管定位而不与之固定附连。
图19A示出透射微显示器2000。图19B示出使用透射微显示器2000作为部分反射板的散斑减小设备2100。
图19A是液晶微显示器2000的部分放大横截面图，该显示器由微波导阵列2621、透光电极基板2628、透光相对基板2623和夹在微波导阵列2621与相对基板2623之间的液晶层2626构成。在电极基板2628上为每个像素制作薄膜晶体管2635和像素电极2627b。在相对基板2623上制作公共电极2625。在电极基板2628与薄膜晶体管2635之间设置高反射层2624。该高反层2624具有用于每个像素电极基底2627a的对应开孔(即，透光开口)2624A。
每个像素由一个电极2627b、电极基底2627a、像素电极连接器2627c、公共电极2625和夹在电极2627b与2625之间的液晶层2626构成。像素电极连接器2627c和电极基底2627a都用于在薄膜晶体管2635与像素电极2627b之间提供电接触。像素电极连接器2627c被沉积在每个微波导2621a的侧壁和进入开孔上(即，微波导2621a面向电极基底2627a的一侧)。
首先在承载基板(未示出)上制作微波导阵列2621，然后用折射率较佳地小于微波导2621a材料折射率的材料2622填充相邻微波导之间的区域。对填充材料2622进行平整化，然后回蚀到大于薄膜晶体管2635阵列的厚度。然后，经由粘合层(未示出)将承载基板的上侧(即，微波导阵列2621一侧)附连到电极基板2628的上侧。微波导阵列2621具有较佳地定位在对应像素开孔2624A的中轴处的多个微波导2621a。将承载基板的上侧移除或向下蚀刻，直到露出像素电极连接器2627c。该步骤之后是沉积电极2627b，并确保电极2627c覆盖电极连接器2627c，从而向像素电极2627b提供电接触。
进入微波导阵列2621的光被多个微波导2621a分成子光束。每个子光束1610a被微波导2621a准直并被传输到像素电极2627b。准直经由全内反射发生。当微波导2621a在像素电极连接器2627c与填充材料2622之间或者在微波导2621a侧壁自身与像素电极连接器2627c之间涂敷有附加反射层时，准直经由镜面反射发生。经准直的光通过像素电极2627b、液晶层2626、公共电极2625、相对基板2623和偏振器1620。诸如光1610b的未通过开孔2624a进入的光被高反层2624B反射到相反方向。该光1610b被反射回并在图19B的本发明的静态散斑减小设备1400内重复使用。该反射光第二次入射到液晶微显示器2000上(在静态散斑减小设备1400内重复使用一次之后)，在这里它具有通过开孔2624a的机会。该重复使用过程不断进行，直到大部分光通过开孔2624a离开。液晶微显示器2000可被制成显示单色或彩色图像。
与常规液晶微显示器相比，微显示器2000的优点在于其高透光效率、高对比度和消除屏幕门效应(即，由于不透光的像素间区域，图像就如同通过屏幕门观看一样)。
本文所述的反射涂层是镜面型的，并且可以是金属涂层、介电涂层、冷光镜涂层、二向色性反射镜涂层或上述各层的组合。光波导45可以是直线型、渐变型、圆柱形、正方形、矩形或球形。光波导45的长度范围从几毫米到几十毫米，这取决于激光源尺寸、通道进入和外出开孔尺寸、在波导45内传播的光的锥角和由散斑减小设备200、300、400、500、600、700和800传输所需的光均匀程度。光波导45的进入和外出开孔可以在尺寸和形状方面独立，并可以具有不同尺寸和不同形状，诸如正方形、矩形、圆形、梯形、多边形、不对称、甚至不规则形状。
虽然以上描述了本发明的一个或多个特定实施方式，但是本领域技术人员显而易见的是，在本发明的范围内，许多实施方式都是有可能的。此外，以上概述、详细描述和附图仅应视为对本发明原理的说明。由于其它更改和变化可以或者变得对本领域技术人员显而易见，所以本发明并不限于以上所示和所述的确切构造和操作，因此所有合适更改和等效方案都旨在落在本发明的范围内，而本发明由所附权利要求书进行限定。

Claims (28)

1.一种减小激光散斑的设备，包括：
光波导，具有进入面和外出面；
在所述光波导进入面处的第一反射镜，所述第一反射镜具有在其中形成的用于允许预定输入激光束进入所述光波导的开孔；以及
在所述光波导外出面处的第二部分反射镜，其中所述第二反射镜能够透射入射其上的部分激光束并将入射其上的部分所述激光束朝向所述第一反射镜反射回所述光波导。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光波导是从由固体光导管和中空光通道组成的组中选择的。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述中空光通道在其内侧壁上包括反射材料。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一与第二反射镜之间的距离大约是所述预定输入激光束相干长度一半的整数倍。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一与第二反射镜之间的距离小于所述预定输入激光束相干长度的一半。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一与第二反射镜之间的距离至少是所述预定输入激光束相干长度的一半。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括在所述开孔的外出侧以所述设备的光轴为中心以接收所述预定输入激光束的透镜，所述透镜用于产生带有预定锥角的发散激光束。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述透镜是平-凹透镜、平-凸透镜、平-凹微透镜阵列、平-凸微透镜阵列、全息扩散器或非全息扩散器。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述第一和第二反射镜之间的延迟板。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述延迟板是四分之一波片。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述第一与第二反射镜之间的透射扩散器。
12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述第一反射镜与光波导之间的反射扩散器。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述第一与第二反射镜之间的可变厚度板。
14.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述光波导与所述第二反射镜之间的准直板。
15.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述第二反射镜的外出面处的准直板。
16.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述光波导外出面处的准直板，而没有包括所述第二反射镜。
17.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述准直板包括开孔板和微光波导阵列。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述准直板还包括微透镜阵列。
19.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述准直板包括开孔板和微透镜阵列。
20.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述微光波导是从由固体光导管、中空通道以及前述的组合构成的组中选择的。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述中空通道的至少一个中的内侧壁涂敷有反射涂层。
22.一种用于减小激光散斑的方法，包括：
提供具有进入面和外出面的光波导；
在所述光波导进入面处设置第一反射镜，所述第一反射镜具有在其中形成的清晰开孔；
在所述光波导外出面处设置第二部分反射镜，其中所述第一与第二反射镜之间的距离至少是预定输入激光束相干长度的一半，所述第二反射镜能够透射入射其上的部分激光束并将入射其上的部分所述激光束朝向所述第一反射镜反射回所述光波导中；以及
将预定输入激光束导入所述清晰开孔中，由此散斑减小的输出激光从所述部分反射镜离开。
23.如权利要求22所述的方法，还包括：
设置位于所述光波导与所述第二反射镜之间的准直板。
24.如权利要求22所述的方法，还包括：
设置位于所述第二反射镜的外出面处的准直板。
25.如权利要求22所述的方法，还包括：
设置位于所述光波导外出面处的准直板。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述准直板包括开孔板和微光波导阵列。
27.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述准直板还包括微透镜阵列。
28.如权利要求27所述的设备，其特征在于，所述准直板包括开孔板。
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