CN102722027A - 光整形装置和激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光整形装置，用于将入射光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑；包括聚焦部件，还包括位于聚焦部件和聚焦平面的光路之间的弧面镜阵列，该弧面镜阵列包括多个弧面镜单元，该弧面镜单元用于将从聚焦部件出射的入射于该弧面镜单元的光投射到聚焦平面上形成与该弧面镜单元对应的子光斑。其中子光斑的外形与其对应的弧面镜单元的外形为相似形。本发明还提出一种激光光源，包括上述的光整形装置，来将激光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑。在本发明的光整形装置和激光光源中，利用弧面镜阵列将从聚焦部件出射的光分别在聚焦平面上形成特定形状的光斑，从而实现了光斑的整形。

Description

光整形装置和激光光源

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种光整形装置和利用该光整形装置来输出特定形状光斑的激光光源

背景技术

目前，激光被应用于多种场合，例如光刻、投影显示等。在这些应用领域中，往往需要激光光源出射一个均匀的特定形状的光斑。例如在美国专利US7547114中公开了一种投影显示光源，它利用激发光来激发一个荧光粉色轮来交替产生各单色光。在该光源中，激发光照射到荧光粉色轮上的光斑的形状最好是长宽比为4∶3或16∶9的长方形，因为这个形状与投影显示后端的光阀的形状相同，这时照射在荧光粉上的激发光的局部能量密度最低，因此可以实现荧光转化效率的最大化。在光刻、激光显影等领域同样有类似的需求。

同时，由于不同的投影机的光机设计不同，而且光阀的尺寸也不同，因此在这些光机中的激发光照射到荧光粉色轮上的光斑的尺寸要求也是不同的。例如，两台投影机分别使用0.55英寸和0.45英寸的光阀，则两台投影机内激光光斑的形状都是4∶3的长方形，但尺寸不同。因此如果激光光斑的尺寸可以自由的调节同时保持形状不变，则可以适应各种应用的需要。

然而，根据激光原理的理论可以知道，一般的激光光源发射出的激光光束的截面的光分布都是近似高斯分布的，光强的角分布也同样是高斯分布，这显然不能很好的满足上述的应用对于激光光斑的需求。

为了解决这个问题，人们提出多种为激光光束整形的方法。最常用的方法是如中国专利200510071783提到的，使用一片或一对复眼透镜(fly’s eye lens)对将近平行的入射激光光束分成多个子光束，再使多个子光束分别经过该一片或一对复眼透镜光路后端的成像透镜在屏幕上成相互重叠的像，每一个子光束的成像的形状都与复眼透镜对中第一片复眼透镜的单元形状相同。这个方法很好的解决了激光光束的整形问题，但是利用这个方法无法实现激光光斑尺寸的调整。也就是说，一旦该光学系统中各元件加工完成，激光光斑的尺寸就确定了；当需要其它尺寸的光斑时，必须重新加工这些元件。

中国专利200410014127公开了对激光进行整形的另一种方案，它利用将聚焦透镜表面的曲面磨平加工来实现对原有聚光光场的发散，进而实现整形。这种方法的优点在于装置简单易行，成本低廉，但是这种方法也不能实现光斑尺寸的调整。

因此，需要一种新的激光光斑整形方案来克服上述的问题。

发明内容

本发明解决的主要技术问题是提出一种光整形装置，解决了现有的光整形装置不能自由的调整光斑尺寸的问题。

本发明提出一种光整形装置，用于将入射光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑，包括聚焦部件，该聚焦部件用于将入射光会聚于聚焦平面上；还包括至少一个位于聚焦部件和聚焦平面的光路之间的第一弧面镜阵列，该第一弧面镜阵列包括多个并排排列的第一弧面镜单元，该第一弧面镜单元用于将从聚焦部件出射的入射于该第一弧面镜单元的光投射到聚焦平面上形成与该第一弧面镜单元对应的子光斑。其中子光斑的外形与其对应的第一弧面镜单元的外形为相似形。

本发明还提出一种激光光源，包括用于发射激光的激光发射源，还包括上述的光整形装置，该光整形装置用于将激光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑。

在本发明的光整形装置和激光光源中，利用弧面镜阵列将从聚焦部件出射的光分别在聚焦平面上形成特定形状的光斑，从而实现了光斑的整形；同时由于光斑尺寸与弧面镜阵列的位置有关，因此可以通过调整弧面镜阵列的位置来实现光斑尺寸的调控。

附图说明

图1a是本发明的第一实施例的示意图；

图1b是本发明的第一实施例的光整形装置中的第一弧面镜阵列的三维视图；

图2a是本发明的光整形装置的工作原理的示意图；

图2b是本发明的光整形装置的工作原理的三维视图；

图2c是本发明的光整形装置的另一种可能的工作原理；

图3a是本发明第二实施例的示意图；

图3b是本发明第二实施例的光整形装置中的第一弧面镜阵列的正视图；

图4是本发明第三实施例的示意图；

图5a和5b是本发明的投影显示装置的示意图。

具体实施方式

本发明提出一种光整形装置，用于将入射光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑；该光整形装置包括聚焦部件，该聚焦部件用于将入射光会聚于聚焦平面上；还包括至少一个位于聚焦部件和聚焦平面的光路之间的弧面镜阵列，该弧面镜阵列包括多个并排排列的弧面镜单元，该弧面镜单元用于将从聚焦部件出射的入射于该弧面镜单元的光投射到聚焦平面上形成与该弧面镜单元对应的子光斑。其中，子光斑的外形与其对应的弧面镜单元的外形为相似形。

下面根据具体的实施例来进行详细说明。

本发明的第一实施例的光整形装置如图1a所示。其中，待整形的入射光的光线由111a、111b、111c和111d来表示，这些入射光线入射于聚焦部件101上。在本实施例中，聚焦部件是一个凸透镜101，入射光线111a、111b、111c和111d经过该凸透镜101的折光作用会向一个共同的汇聚点104行进并分别形成光线112a、112b、112c和112d。汇聚点104位于该光整形装置的聚焦平面上。

值得注意的是，此处的凸透镜只是聚焦部件的一种形式的举例，并不对聚焦部件构成限制。可以理解，多片透镜组成的透镜组，或反射罩等光学部件，都可以起到使入射光聚焦的作用。这是现有技术，此处不赘述。

在本实施例中，还包括弧面镜阵列102，该弧面镜阵列102包括多个并排排列的弧面镜单元102a。该弧面镜阵列102的三维视图如图1b所示。如图1a所示，光线112a和光线112b入射于弧面镜阵列102上的一个弧面镜单元上，并经过该弧面镜单元折射而形成光线114a和114b。光线114a和114b会聚后再次发散，并在聚焦平面上形成光斑103。根据成像光学的知识可知，该光斑103以光线112a和112b的汇聚点104为中心

在本实施例中，每一个弧面镜阵列单元102a的外形都是正方形，因此从每一个弧面镜阵列发出的光的光强角分布都是方锥的形状；根据仿射几何的知识可以知道，光斑103的外形与其对应的弧面镜单元的外形为相似形；因此入射于聚焦平面上的光斑103的外形也是正方形的，

再考虑另外两条光线112c和112d，这两条光线组成的光束入射于弧面镜阵列102的另一个弧面镜单元表面，并经过其折射分别形成光线114c和114d；与光线114a和114b相似的，光线114c和114d所形成的子光斑同样以112c和112d的汇聚点104为中心。在本实施例中，作为优选的方案，弧面镜阵列102上的每一个弧面镜单元102a的外形全等，因此由光线114c和114d形成的子光斑与由光线114a和114b形成的子光斑外形相同，进而这两个子光斑相互重合。

依次类推，每一个弧面镜单元都形成各自的子光斑，这些子光斑的形状都相同，而且都以汇聚点104为中心，因此这些子光斑相互重合，共同构成了聚焦平面上的光斑。

可以理解，虽然每一个子光斑的光分布都不是均匀的，但是多个子光斑相互叠加后其不均匀性会相互抵销进而可以得到一个均匀的光斑，该光斑的外形与弧面镜单元的外形是相似形。

下面具体的解释本发明中弧面镜单元的工作原理，如图2a所示。透镜202a代表弧面镜阵列中的一个弧面镜单元，近似于平行的入射光经过该弧面镜单元202a的折射后聚焦于该弧面镜单元的焦点A上，然后再次发散并入射与聚焦平面上形成子光斑203。设该弧面镜单元202a的口径是D，焦距是f，该弧面镜单元202a到聚焦平面的距离为L，则根据相似三角形的等比例原理可知，光斑203的尺寸d等于：

$d=\frac{D}{f}\·(L-f)---\left(1\right)$

由此可知，如果弧面镜单元的外形和曲率不变，即口径D和焦距f是常数，则光斑203的尺寸d与距离L有关。也就是说，通过调节弧面镜单元的位置，就可以实现在聚焦平面上的光斑的尺寸的调节，而不需要重新加工新的弧面镜阵列。

因此，对于某些需要在使用中调节光斑尺寸的应用，或者需要这个光源可以适应多种对光板尺寸要求不同的应用，则在本实施例中还包括一个调节装置，用于调节弧面镜阵列到聚焦平面之间的距离。这种调节可以使用多种方法实现，例如移动马达、手动调节装置等，这是现有技术，此处不赘述。

图2a中使用二维的形式表示了弧面镜单元的工作原理，图2b则使用三维视图的形式予以更清晰的表示，其中两个相邻的弧面镜单元202a和202b分别将入射与其上的光束聚焦后在发散的投射与聚焦平面上形成各自的子光斑，这两个子光斑相互重合的叠加成为光斑203。

在图2a和2b中，弧面镜单元都是将入射光先聚焦于一点后在使其发散，然后入射于聚焦平面，图2c则表示了另外一种方式。其中入射光线经过弧面镜单元222a折射后直接投射于聚焦平面上形成光斑203，该弧面镜单元222a的焦点在聚焦平面的光路后端的A位置。与图2a表示的光路相比，在该方案中弧面镜单元222a的焦距更大，但是可以理解，这同样可以实现与图2a相同的光斑整形的目的，只不过在这个方案中f＞L，因此在这个方案中光斑203的尺寸d表示为：

$d=\frac{D}{f}\·(f-L)---\left(2\right)$

综合公式(1)和(2)，对于两种不同的光路，聚焦平面上的光斑的尺寸可以统一表示成：

$d=\frac{D}{f}\·|f-L|---\left(3\right)$

可见，不论是哪种情况，都可以通过调节距离L来实现光斑尺寸的改变。

根据图2a和2c所示的弧面镜单元的工作原理还可以这样理解：由于入射于弧面镜单元的入射光入射于弧面镜单元的不同位置上具有不同的入射角，从而具有不同的折射光角度；因此弧面镜单元的曲率决定了特定的弧面的斜率分布，从而也就决定了从该弧面镜单元出射的折射光的光锥角分布，而这部分光入射于聚焦平面后形成的光斑就具有相对应的光分布。例如，在本实施例中，外形是正方形的弧面镜单元对应于一个具有正方形角分布的光锥，而这个光锥在聚焦平面上形成的光斑必然是正方形的。

因此，在本实施例中，弧面镜阵列可以被位于所述聚焦部件和所述聚焦平面的光路之间的光锥角度控制膜所代替，该光锥角度控制膜包括微结构面，该微结构面包括多个微结构；该光锥角度控制膜利用从聚焦部件出射的光在不同的微结构上具有不同的入射角来控制从该光锥角度控制膜出射的折射光的光锥角度分布。例如，折射光的光锥是正方形角分布光锥，这样同样可以在聚焦平面上形成正方形的光斑。

该光锥角度控制膜也可以使用衍射光学元件(DOE，Diffraction OpticalElement)来实现，它利用光线在其表面的微结构上的衍射来实现对出射光角度分布的控制。这是现有技术，此处不赘述。

本发明中，由于入射于每一个弧面镜单元的光束都不是理想的平行光束，而是具有共同的汇聚点的聚焦光束，因此在聚焦平面上形成的子光斑的外形相对于弧面镜单元的外形会存在一定的边缘的陡峭度不理想和光能量扩散，但是一方面这可以随着弧面镜单元的变小以及相应的弧面镜单元的数目增多而改善，另一方面这在实际应用中往往是可接受的。

在实际应用中，弧面镜阵列上弧面镜单元的数目和尺寸是一个需要经过设计的折中数值，这是因为弧面镜单元的数目越多则有多个子光斑叠加而成的光斑的均匀性越好，但是加工难度越大，而且弧面镜单元的接缝处的光散射损失就越强；因此根据均匀度要求、成本和透过率要求等实际情况进行考量。

在本实施例中，弧面透镜阵列102上每一个弧面透镜单元的外形和曲率都相同，实际上如果希望达到聚焦平面上的光斑不是均匀分布而是有特定分布时，弧面透镜单元之间的外形和曲率可以存在差别，这样不同外形和曲率的弧面透镜单元所对应的聚焦平面上的子光斑的外形和尺寸就不同，进而其组合得到的光斑就不是均匀的，而是一个特定的分布。具体外形和曲率的分布的设计可以根据所需要的聚焦平面上的光斑能量分布决定，例如如果需要中心能量大于四周能量的分布，就可以使部分弧面透镜单元在聚焦平面上构成的子光斑变小而集中于汇聚点104附近。

在本实施例中，弧面透镜单元是球面镜，实际上也可以是非球面；非球面可以实现理想的光斑整形，但是加工精度和难度更高。

在本实施例中，弧面镜单元的外形是正方形的，然而在实际工作中，光斑形状的需求可能是正方形或长方形甚至是正六边形的，因此，弧面镜单元的外形需要根据实际光斑形状的需要做相应调整，弧面镜单元的外形可能是长方形或正六边形。同时，为了有效的实现光斑整形，优选的，多个弧面镜单元周期性紧密排列形成弧面镜阵列。

作为本发明的第二实施例，图3a表示了另一种光整形装置。与第一实施例接近的，在本实施例中，入射光经过聚焦部件301后入射于弧面镜阵列302，该弧面镜阵列包括多个弧面镜单元302a，经过该弧面镜阵列302的作用光束最终投射于聚焦平面形成光斑303。

与第一实施例不同的是，在本实施例中，弧面镜单元302a的外形是沿着第一方向延伸的柱面，如图3b所示。在图3b中，第一方向为水平方向。多个弧面镜单元302a沿垂直于第一方向的方向并排排列形成弧面镜阵列302。

可以理解，相应的，光斑303只在垂直于第一方向的方向上(即图3a和3b中的竖直方向)具有一定的可控制的长度分布，而在第一方向上则弧面镜阵列302完全不起作用，进而仍然遵循聚焦部件301的要求而聚焦于聚焦平面上。因此这个光斑303是一个短边在第一方向上的长条形光斑。这在一些应用场合是有用的。

实际上，本实施例还存在一个变形，即还可能包括位于聚焦部件301与弧面镜阵列㈨2的光路之间的第二弧面镜阵列，该第二弧面镜阵列包括多个并排排列的第二弧面镜单元，第二弧面镜单元的外形是沿着垂直于第一方向的方向延伸的柱面，多个第二弧面镜单元沿第一方向并排排列形成第二弧面镜阵列。也就是说，第一弧面镜单元的延伸方向与弧面镜单元302a的延伸方向相互垂直，光线经过这两个弧面镜阵列后分别在第一方向及其垂直方向上被折射，进而在聚焦平面形成一个在这两个方向上分别可控制的光均匀分布。

与第一实施例相比，本实施例的这个变形实际上等效于把球面镜单元拆分成两个相互垂直的柱面镜单元，根据光学知识，这两者是等效的。

因此容易理解，为了实现在聚焦平面上的光斑是长方形，则弧面镜单元302a沿着垂直于第一方向的方向的宽度与第二弧面镜单元沿着第一方向的宽度不同。

在这个变形中，为了光线经过的平面的个数进而提高光的透过率，可以使弧面镜阵列302与第二弧面镜阵列一体成型加工，并分别位于同一个光学元件的两个表面上。当然，也可以使第二弧面镜阵列与聚焦部件301一体成型并位于同一个光学元件的两个表面上。

在本发明的第三实施例的结构如图4所示。本实施例的光整形装置与第一实施例不同的是，聚焦部件401a和弧面镜阵列401b是一体成型的，分别位于同一个光学元件401的两个表面上，其工作原理与第一实施例接近，且同样的可以在聚焦平面上得到整形后的光斑404。一体成型后，可以使系统变得更加简化，同时可以通过减少光线通过光学平面的数目来提高光线的透过率。

本发明还提出一种激光光源，包括用于发射激光的激光发射源，还包括上述的光整形装置，该光整形装置用于将激光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑。

本发明还提出一种投影显示装置，如图5a和5b所示，该投影显示装置包括用于发射激发光的激发光源500；还包括波长转换层511，该波长转换层511包括至少一种波长转换材料。在本实施例中，波长转换层511是一个圆形，包括波长转换材料511a等四种波长转换材料，这些波长转换材料沿圆周方向分布于波长转换层511上，并且随着该波长转换层511的转动依次经过激发光的照射位置并发射出不同颜色的受激光。激发光入射于该波长转换层511并形成激发光斑530。

该投影显示装置还包括位于激发光源500与波长转换层511的光路之间的上述的光整形装置590，用于对激发光斑530进行整形使其形状具有一极性方向。

光斑形状的极性方向的定义是：若光斑形状在某方向u上的长度与垂直于该方向u上的长度的比值定义为该光斑在该方向u的纵横比，则极性方向指的是光斑形状的纵横比最大的方向。可以说，只要光斑形状不是各向同性的，该光斑形状就具有一极性方向。例如长方形光斑的极性方向为其长边方向，此时该光斑在极性方向上的长度为其长边长度，在垂直于极性方向上的长度为其短边长度，二者比值为该长方形的长宽比。又例如椭圆形光斑，其极性方向是其长轴方向，此时该光斑在极性方向上的长度为其长轴长度，在垂直于极性方向上的长度为其短轴长度。

该投影显示装置还包括用于接收并调制受激光或激发光和受激光的混合光的光阀521，该光阀具有光调制区，该光调制区的外形为长方形。

该投影显示装置还包括位于波长转换层511与光阀521的光路之间的用于将从波长转换层511出射的光投射到光阀的光调制区的中继系统551，该中继系统551包括用于接收波长转换层发出的光的光入口；其中光阀521的光调制区在中继系统的光入口端的共轭面上的像的长边方向，与激发光斑530的极性方向平行。

具体来说，在该投影显示系统中，如图5a所示，中继系统551用于将从波长转换层511上发出的光沿垂直于光阀521的微镜翻转轴的方向投射到光阀521表面。显而易见的，当其投射光斑523刚好覆盖光阀521的光调制区时，投影显示系统的整体效率最高。作为举例，在本实施例中光阀521为数字微镜器件(DMD，DigitalMicromirror Device)。

根据光路可逆原理，光斑530发出的光经过中继系统551后投射于光阀521的光斑523刚好覆盖光阀521的调制区，则光阀521的光调制区在中继系统551的光入口处的共轭面就在波长转换层311上，且其在共轭面上的像被光斑530所覆盖(需要解释的是，一个成像光学系统的物面及其像面互为共轭面)。因此，只要光阀521的光调制区在中继系统的光入口端的共轭面上的像的长边方向，与激发光斑530的极性方向平行，此时投影显示系统的整体效率较高。优选的，激发光斑530的外形是长方形，且光阀521的光调制区在中继系统的光入口端的共轭面上的像的长边方向与该激发光斑530的长边方向平行，且激发光斑530的长宽比与光阀521的光调制区的长宽比相同，此时投影显示系统的整体效率最高。

可以理解，本发明可以但并不限于应用于激光光束的整形中，只要是需要对入射光束进行特定形状的整形和均匀化本发明都适用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种光整形装置，用于将入射光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑，其特征在于，包括：

聚焦部件，该聚焦部件用于将所述入射光会聚于所述聚焦平面上；

至少一个位于所述聚焦部件和所述聚焦平面的光路之间的第一弧面镜阵列，该第一弧面镜阵列包括多个并排排列的第一弧面镜单元，该第一弧面镜单元用于将从聚焦部件出射的入射于该第一弧面镜单元的光投射到所述聚焦平面上形成与该第一弧面镜单元对应的子光斑；

所述子光斑的外形与其对应的第一弧面镜单元的外形为相似形。

2.根据权利要求1所述的光整形装置，其特征在于，第一弧面镜阵列上每一个第一弧面镜单元的外形全等。

3.根据权利要求1所述的光整形装置，其特征在于，第一弧面镜阵列上每一个第一弧面镜单元的曲率相同。

4.根据权利要求1所述的光整形装置，其特征在于，所述第一弧面镜单元的弧面是球面或非球面。

5.根据权利要求4所述的光整形装置，其特征在于，所述第一弧面镜单元的外形是正方形或长方形或正六边形。

6.根据权利要求5所述的光整形装置，其特征在于，多个所述第一弧面镜单元周期性紧密排列形成第一弧面镜阵列。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的光整形装置，其特征在于，还包括调节装置，用于调节所述第一弧面镜阵列到聚焦平面之间的距离。

8.根据权利要求1所述的光整形装置，其特征在于，所述第一弧面镜单元的外形是沿着第一方向延伸的柱面，多个所述第一弧面镜单元沿垂直于第一方向的方向并排排列形成第一弧面镜阵列。

9.根据权利要求8所述的光整形装置，其特征在于，还包括位于聚焦部件与第一弧面镜阵列的光路之间的第二弧面镜阵列，该第二弧面镜阵列包括多个并排排列的第二弧面镜单元，所述第二弧面镜单元的外形是沿着垂直于第一方向的方向延伸的柱面，多个所述第二弧面镜单元沿第一方向并排排列形成第二弧面镜阵列。

10.根据权利要求9所述的光整形装置，其特征在于，所述第一弧面镜单元沿着垂直于第一方向的方向的宽度与第二弧面镜单元沿着第一方向的宽度不同。

11.根据权利要求9所述的光整形装置，其特征在于，所述第一弧面镜阵列与所述第二弧面镜阵列是一体成型的，分别位于同一个光学元件的两个表面上。

12.根据权利要求1所述的光整形装置，其特征在于，所述聚焦部件和第一弧面镜阵列是一体成型的，分别位于同一个光学元件的两个表面上。

13.一种光整形装置，用于将入射光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑，其特征在于，包括：

聚焦部件，该聚焦部件用于将所述入射光会聚于所述聚焦平面上；

位于所述聚焦部件和所述聚焦平面的光路之间的光锥角度控制膜，该光锥角度控制膜包括微结构面，该微结构面包括多个微结构；该光锥角度控制膜利用从聚焦部件出射的光在不同的微结构上具有不同的入射角来控制从该光锥角度控制膜出射的折射光的光锥角度分布。

14.一种激光光源，其特征在于，包括：

用于发射激光的激光发射源；

根据权利要求1至13中任意一项所述的光整形装置，该光整形装置用于将所述激光聚焦于一个特定的聚焦平面上并形成特定形状的光斑。

15.一种投影显示装置，其特征在于，包括：

用于发射激发光的激发光源；

包括至少一种波长转换材料的波长转换层，所述激发光入射于该波长转换层并形成激发光斑，该波长转换层吸收入射的激发光并发射受激光；

位于所述激发光源与所述波长转换层的光路之间的根据权利要求1至13中任意一项所述的光整形装置，用于对所述激发光斑进行整形使其形状具有一极性方向；

用于接收并调制所述受激光或所述激发光和所述受激光的混合光的光阀，该光阀具有光调制区，该光调制区的外形为长方形；

位于所述波长转换层与所述光阀的光路之间的用于将从波长转换层出射的光投射到所述光阀的光调制区的中继系统，该中继系统包括用于接收波长转换层发出的光的光入口；

所述光阀的光调制区在所述中继系统的光入口端的共轭面上的像的长边方向，与所述激发光斑的极性方向平行。

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