CN111142270B - 一种激光散斑消除装置及其激光显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光显示技术领域，具体涉及一种激光散斑消除装置及其激光显示设备，该装置包括：光波导器件，所述光波导器件由衬底，光波导层和包层组成；所述光波导层设置于所述衬底的上方，所述包层覆盖于所述光波导层之上，且所述包层上设有加热器件；所述光波导层的折射率随温度的变化而变化，激光从所述光波导层的一端面射入光波导层内，并从所述光波导层的另一端面射出；本发明通过加热器件使得光波导层中的温度发生变化，从而改变其光波导层的折射率，使得通过光波导层的激光的光程会发生变化，降低了激光相干性，从而达到消除激光散斑的效果；且本发明的结构简单稳定，无需额外的机械辅助结构，有效地降低了产品的尺寸。

Description

一种激光散斑消除装置及其激光显示设备

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，具体涉及一种激光散斑消除装置以及一种激光显示设备。

背景技术

在激光显示技术中，以红绿蓝三基色激光作为光源，可以真实地再现客观世界中丰富的色彩。但是，由于激光具有良好的相干性，当激光照射在粗糙物体表面时反射或投射的光之间会出现干涉的现象，呈现出无规则分布明暗不等的颗粒状的点，即激光散斑。激光散斑是影响成像质量非常关键的因素，历年来都一直是激光显示领域研究的重点和难点。激光散斑导致的颗粒感的存在会严重影响激光显示图像的质量，带来不好的观看体验，因此激光散斑必须要减弱或者消除。

现有的激光散斑消除方法中，最常见的是在激光光路中设置消散斑光学元件，并为光学元件引入机械扰动，例如设置运动的扩散片或散射片等，这种方法只能较粗略地消除散斑，并且由于引入机械扰动，结构不稳定，尺寸也相对较大。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种基于热光效应的激光散斑消除装置以及其激光显示设备。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种激光散斑消除装置，包括：

光波导器件，所述光波导器件由衬底，光波导层和包层组成；所述光波导层设置于所述衬底的上方，所述包层覆盖于所述光波导层之上，且所述包层上设有加热器件；所述光波导层的折射率随温度的变化而变化，激光从所述光波导层的一端面射入光波导层内，并从所述光波导层的另一端面射出。

本发明是一种激光显示设备，包括：发光器件和如上所述的激光散斑消除装置，所述发光器件与所述激光散斑消除装置的前端面相对准，所述发光器件所发射的激光从所述激光散斑消除装置的前端面进入至所述激光散斑消除装置中，并从所述激光散斑消除装置的后端面射出。

本发明的激光散斑消除装置中设有光波导层加热器件，且所述光波导层的折射率随温度的变化而发生改变；并通过加热器件使得光波导层中的温度发生变化，从而改变其光波导层的折射率，使得通过光波导层的激光的光程会发生变化，降低了激光相干性，从而达到消除激光散斑的效果；且本发明的结构简单稳定，无需额外的机械辅助结构，有效地降低了产品的尺寸。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。

图1为本发明激光散斑消除装置一个实施例的整体结构示意图；

图2为本发明激光散斑消除装置一个实施例的剖面结构示意图；

图3为本发明激光散斑消除装置不同波长相位差与温度之间的关系图；

图4为本发明激光散斑消除装置中相位差与电压之间的关系图；

图5为未采用激光散斑消除装置的显示效果图；

图6为采用了本发明激光散斑消除装置的显示效果图；

图7为本发明激光散斑消除装置另一个实施例的整体结构示意图。

标号说明：10、衬底；20、光波导层；21、平板层；22、波导区；23、n型掺杂区；30、包层；40、加热器件；50、电极；60、导电通道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图6，下面以一个实施例对本发明的一种激光散斑消除装置进行具体描述，其包括：

光波导器件，所述光波导器件由衬底10，光波导层20和包层30组成；所述光波导层20设置于所述衬底10的上方，所述包层30覆盖于所述光波导层20之上，且所述包层30上设有加热器件40，该加热器件40通过电极与导线与电源相连接；所述光波导层20的折射率随温度的变化而变化，激光从所述光波导层20的一端面射入光波导层20内，并从所述光波导层20的另一端面射出，所述光波导层20的折射率、透光率均和热传导率均大于所述包层30的折射率、透光率和热传导率。其中，所述衬底10由硅材料构成，衬底10的厚度为10um-50um，宽度为20um-40um；所述包层30由二氧化硅构成，所述光波导层20由硅材料构成，而衬底10采用选择易于沉积，且热传导率低的材料构成；本发明主要是利用硅材料的折射率随温度变化的特性，通过在光波导器件中设置上加热器件40，将外加电场能量转化为热能，从而改变材料的折射率，实现对光场的调制。当外加电场随机变化时，产生的热能也随之改变，进而光波导层20的折射率也会产生随机变化，不同的折射率会导致激光传输过程产生不同的光程差，在波导出射端会有不同的相位，产生相干而出现散斑的概率大大降低，从而可以达到比较好的激光散斑消除效果。

根据热光效应，用微加热器对光波导进行加热，当有一段长度为l的光波导由于温度的改变而产生折射率的变化时，由于折射率的改变而使传播常数发生一定改变ΔU，在该波导段的出射端会产生一个相位的移动Δh：

Δh＝ΔU·l (1)

其中

其中

为真空中的传播常数，λ₀表示真空中的传播波长；ΔN_eff为有效折射率变化，若取ΔN_eff近似等于材料折射率的变化Δn，则有

而温度变化与材料折射率的变化存在如下关系：

其中ΔT_W为波导温度的变化。

进一步我们可以得出波导输出端相位变化与波导温度变化之间的关系：

根据相位与温度变化关系公式可以得出，波导输出端相位的变化与输入光的波长λ₀、波导材料的温度系数、波导温度变化以及温度发生改变的波导长度l均相关。

我们假设波导输出端的相位差为π时，根据式(5)可以得到，此时需要升高的温度的表达式如下所示：

对于硅基光波导而言，热光系数为1.86×10^-4℃^-1，当微加热器的作用长度为0.5mm，温度变化与相位变化的关系如图(3)所示；当加热器的作用长度为1mm，光波导温升为1℃时，对于波长为532nm的输入光波，此时在输出端口可以达到的相位差为0.699rad。

在本实施例中，所述光波导层20为脊形波导层，所述脊形波导层包括：凸起的波导区22和设置在所述波导区22两侧的平板层21。

在本实施例中，所述波导区22一侧的平板层21中设有n型掺杂区23，所述n型掺杂区23通过导电通道60与所述加热器件40相连通，所述n型掺杂区23位于距离波导中间凸起1um处，长度为3um。n型掺杂的浓度为10¹⁷：10²⁰cm^-1，所述加热器件40设置于所述n型掺杂区23的上方。在本实施例中，对脊形波导层的一端的平板层掺杂适量五价元素砷、磷、锑等的锗或硅等，使其形成n型半导体，其中，该n型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，并且其以电子导电为主，该n型半导体构成了平板层21中的n型掺杂区23，使得脊形波导层中经过n型掺杂的一侧形成电阻，构成单边掺杂电阻波导。并在SiO₂包层30上表面靠近n型掺杂区23的一侧涂覆有热源薄膜，热源薄膜与n型掺杂区23之间的导电通道60用于热源薄膜同种材料连接。优选的，所述加热器件40为由金属铬制成的热源薄膜，所述热源薄膜的厚度为1um，宽度为5um。热源薄膜与n型掺杂区23之间的导电通道60宽度为2um。该热源薄膜为细线状，并通过电极与电源相连接，所述电极为正方形或长方形；所述电极由金、银、箔或铝电极构成，厚度为0.1um。

在本实施例中，所述包层30包括：上包层和下包层，所述下包层设置于所述光波导层20的底面与所述衬底10的上表面之间，所述上包层覆盖于所述光波导层20的上表面和侧面之上。其中，该下包层同时作为绝缘层隔离上面用来传播光波的脊形波导层与下面的衬底10。

本实例中采用硅材料作为衬底10，衬底10形状为矩形，长为25um，厚度为20um，沿光束传输方向的长度为0.5mm。在实际应用产品时，可以根据实际需要选择相应的衬底10材料。衬底10材料的形状根据材料和实际需要等不同的情况进行设计即可。利用化学气相沉积的方法形成SiO₂下包层30，长度为25um，厚度为14um。导光部分相当于芯层，材料为Si，采用化学气相沉积的方法在下包层30之上形成带有平板层21的脊型光波导，平板层21长度为15.5um，厚度为2um。脊型凸起部分位于平板层21正中间位置，脊型位置厚度为5um，长度为5.5um，激光束垂直于入射面入射到脊形波导层凸起的波导区22中，并在出射面出射。如图1所示，在波导区22的右侧的平板层211um处有长度为3um的n型掺杂区23，掺杂区浓度选择工艺最高掺杂区浓度10²⁰cm^-1。n型掺杂区23通过2um宽的导电通道60与上包层30表面由铬制成的热源薄膜相连接，热源薄膜的宽度为5um，厚度为1um。热源薄膜的前后两端分别设置有电极，与电源相连接。通过控制所述输入电源的电压，使热源薄膜和导电通道60将电压传到n型掺杂区23，n型掺杂区23相当于电阻，外加电压变化时，产生的电流也随之变化，从而电能发生相应变化，电能通过电阻转换成的热能也发生改变，热能通过导热性能良好的Si材料传到导光区域即芯层，热能改变时导光区域的温度也随之改变，由于材料的热光效应，芯层的折射率会发生改变，入射激光束的光程不同，实现了对激光相干性的干扰。对于n型掺杂，根据掺杂浓度与电阻率的关系

其中

N＝10²⁰cm^-1 (9)

ρ为电阻率，N为掺杂浓度。本实例中选用S＝2μm·3μm的掺杂浓度，其

电导率为

根据电阻的公式

将l＝4mm，S＝2μm·3μm，以及

带入公式(10)，可以计算得到n型掺杂区23的的阻值大小t_h。计算得到n型掺杂区23阻值大小，进而可以通过输入电压的数值，得到所施加的电功率的大小。

当电功率加到n型掺杂区23，波导温升与所加功率P的关系为

其中ΔT_W为波导温升，t_w为波导厚度，W_h为n型掺杂区23宽度，k_W为Si波导的热导率，取值为148W/m·℃。

结合式(5)、(10)、(11)可以得到相位差与各量之间的关系表达式：

t_h为波导宽度。当各尺寸物理量和掺杂浓度按照应用实例中给出的数值固定不变时，相位变化量与所加电压的平方成正比。相位差与所加电压的关系如图4所示。

图5和图6分别表示了未使用本发明和使用本发明实施例的器件所示的激光散斑效果图。人眼可明显看出散斑消除效果。

本发明中的电源加到热源薄膜上后，热源薄膜将电能转换成热能，通过热源薄膜与n型掺杂区23之间的连接通道传递到n型掺杂区23；并且热源薄膜与通道均为导电体，电流流经n型掺杂区23相当于流经电阻，进而会在n型掺杂区23产生热量。由于硅材料良好的导热性，热量将扩散至中心波导区22域，从而改变波导区22域的温度，进一步波导区22域折射率发生改变，从而使光束在出射端产生一定的相位差。输入电压采用脉冲电压的形式，可以是周期性的或随机的，使流经n型掺杂区23的电流随机变化，产生随机的热量，达到不同的温度变化，实现折射率随机变化，使通过的光束产生不同的光程，在出射端口形成相位差，从而减弱激光的相干性，实现激光散斑消除的目的。

请参阅图7，下面以另一个实施例对本发明的一种激光散斑消除装置进行具体描述，其包括：

光波导器件，所述光波导器件由衬底10，光波导层20和包层30组成；所述光波导层20设置于所述衬底10的上方，所述包层30覆盖于所述光波导层20之上，且所述包层30上设有加热器件40，该加热器件40通过电极50与导线与电源相连接；所述光波导层20的折射率随温度的变化而变化，激光从所述光波导层20的一端面射入光波导层20内，并从所述光波导层20的另一端面射出，所述光波导层20的折射率、透光率均和热传导率均大于所述包层30的折射率、透光率和热传导率。其中，衬底10由二氧化硅构成，所述包层30由硅材料构成，所述光波导层20由聚甲基丙烯酸甲酯构成。其通过沉积的方法在衬底10上形成光波导层20，再通过外延生长法在光波导层20上形成包层30。最后在包层30上对应于光波导层20的位置通过沉积法形成加热器件40为光波导层20加热。本实施例中利用有机聚合物作为光波导层20，可以沉积在半导体上，工艺简单利于集成；并且由于有机聚合物有较低的波导传输损耗，热光系数大，约为SiO₂材料的10倍，材料价廉工艺简单，非常适合利用其热光效应来消除散斑。本实施例其工作原理是通过在光波导器件上的加热器件40，将外加电场能量转化为热能，从而改变材料的折射率，实现对光场的调制。当外加电场随机变化时，产生的热能也随之改变，进而光波导层20的折射率也会产生随机变化，不同的折射率会导致激光传输过程产生不同的光程差，在波导出射端会有不同的相位，产生相干而出现散斑的概率大大降低，从而可以达到比较好的激光散斑消除效果。

在本实施例中，所述加热器件40设置于光波导层20的中心上方。包层30材料采用Si，由于其具有良好的导热性，利于加热器件40产生热量传输到光波导层20中，并且响应速度较快，但是同时也会导致热量在其他方向的损失比较大。加热器件40的两端有电极50，通过施加电压使电极50中的Ti或Cr材料发热，进一步将热量传导到由有机聚合物构成的光波导层20中。优选的，所述加热器件40为由金属铬制成的热源薄膜。

使用该方法可以至少

的相移量，整体响应时间在微秒到亚毫秒量级，可以达到比较好的散斑消除效果。

本发明是一种激光显示设备，包括：发光器件和如上所述的激光散斑消除装置，所述发光器件与所述激光散斑消除装置的前端面相对准，所述发光器件所发射的激光从所述激光散斑消除装置的前端面进入至所述激光散斑消除装置中，并从所述激光散斑消除装置的后端面射出。由于热光电效应，通过控制激光散斑消除装置中的通电电流，使得激光散斑消除装置中的光波导区22在各个时刻中的折射率均不相同，从而导致通过激光散斑消除装置中的各激光束的光程不一样，从而破坏了激光在时间上的相干性，使其显示效果更加清晰，提高画面质量。本实施例中所述的激光显示设备包括激光投影设备。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光散斑消除装置，其特征在于，包括：光波导器件，所述光波导器件由衬底，光波导层和包层组成；所述光波导层设置于所述衬底的上方，所述包层覆盖于所述光波导层之上，且所述包层上设有加热器件；所述光波导层的折射率随温度的变化而变化，激光从所述光波导层的一端面射入光波导层内，并从所述光波导层的另一端面射出；所述光波导层的折射率、透光率均和热传导率均大于所述包层的折射率、透光率和热传导率；所述光波导层为脊形波导层，所述脊形波导层包括：凸起的波导区和设置在所述波导区两侧的平板层；所述波导区一侧的平板层中设有n型掺杂区，所述n型掺杂区通过导电通道与所述加热器件相连通，所述加热器件设置于所述n型掺杂区的上方，所述加热器件为热源薄膜，所述热源薄膜的前后两端分别设置有电极，所述电极与电源相连接。

2.根据权利要求1所述的激光散斑消除装置，其特征在于，所述包层包括：上包层和下包层，所述下包层设置于所述光波导层的底面与所述衬底的上表面之间，所述上包层覆盖于所述光波导层的上表面和侧面之上。

3.根据权利要求2所述的激光散斑消除装置，其特征在于，所述衬底由硅材料构成，所述包层由二氧化硅构成，所述光波导层由硅材料构成。

4.根据权利要求1所述的激光散斑消除装置，其特征在于，所述衬底由二氧化硅构成，所述包层由硅材料构成，所述光波导层由聚甲基丙烯酸甲酯构成。

5.根据权利要求4所述的激光散斑消除装置，其特征在于，所述加热器件设置于光波导层的中心上方。

6.根据权利要求3或5所述的激光散斑消除装置，其特征在于，所述加热器件为由金属铬制成的热源薄膜。

7.一种激光显示设备，其特征在于，包括：发光器件和如权利要求1至6任意一项所述的激光散斑消除装置，所述发光器件与所述激光散斑消除装置的前端面相对准，所述发光器件所发射的激光从所述激光散斑消除装置的前端面进入至所述激光散斑消除装置中，并从所述激光散斑消除装置的后端面射出。

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