CN1860399A

CN1860399A - 具有振荡反射器的光学装置

Info

Publication number: CN1860399A
Application number: CNA2004800282498A
Authority: CN
Inventors: W·L·伊泽尔曼; O·H·威廉森; T·W·塔克
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-11-08
Also published as: US20060274396A1; JP2007512545A; KR20060097717A; WO2005031426A1; EP1673650A1

Abstract

一种光学系统包括光源，其输出入射到振荡反射器上的光。该光学系统包括至少一个透镜元件，其与振荡反射器的定向无关地以准直光束的形式将光输出在振荡反射器上。该光学系统可以用于通常的激光显示器中，以及小特征的激光显示器中。

Description

具有振荡反射器的光学装置

光束的扫描具有多种应用。例如，条形码阅读器通常使用激光或发光二极管的输出光以扫描条形码。这些器件也包括反射来自光源的入射光的反射元件如反射镜，并投影扫描图像。此外，反射镜振荡，并且在振荡期间取决于其定向，反射镜将沿不同方向反射光。如已知的那样，这些器件可以用于激光显示器中，该激光显示器使用在扫描反射镜/旋转多面镜上的调制激光束以产生图像。这些器件可以用于用户装置中，其中图像以相对小的格式被投影。通常希望提供包括振荡反射镜的投影仪，该反射镜反射来自在小的组件如可移动扫描器件中的源的光。在这些应用中，使反射元件以相对高的频率振荡是有利的，提供所需相对高的扫描速率。

不幸地，已知器件相对较大，并且反射镜的平衡应当非常仔细地实现，这使得该器件非常昂贵。此外，快速旋转器件很难与可移动应用结合，这是因为改变其方向非常困难。最后，该器件固有存在噪声，这使得它不适合家用。

此外，利用已知的光学扫描器件，扫描角度可能恶化，使得来自激光器的投影光失真。为此，已知器件包括激光器，其定位使得其发散光束入射到非常小的扫描反射镜(例如悬臂)上。为了聚焦反射的发散光束，正透镜配置在反射镜和投影表面之间。这种设置的缺点在于正透镜减小光束的扫描角度，从而在给定的投影距离处产生较小的图像。此外，由于扫描反射镜相对小的直径，因此光束直径应当甚至更小。这种小的光束直径自动引起衍射作用，这在作为发散光束时变得明显。这最终导致在投影表面处的失真图像。此外，由于光束的直径接近反射镜的宽度，因此衍射作用将会扩大。这些衍射源导致效率减小和来自激光器的投影图像失真。

因此，需要一种光学系统，其至少克服了上述结构的缺陷。

因此，根据示例性实施例，光学系统包括光源，其输出入射到振荡反射器上的光。光学系统包括至少一个透镜元件，其不管振荡反射器的定向，以准直光束的形式将光输出在振荡反射器上。

本发明从下面参考所附附图的详细描述中得到最好的理解。应当强调，各个特征并没有必要按照比例绘制。事实上，为了讨论的清楚，尺寸可以任意增加或减小。

图1是根据示例性实施例的光学系统的透视图。

图2是根据示例性实施例的光学系统的透视图。

图3是根据示例性实施例的相对强度与激光器的远场角度的图形表示。

图4是根据示例性实施例的光学系统的透视图。

图5是根据示例性实施例的光学系统的透视图。

图6是根据示例性实施例的光学系统的透视图。

在下面的详细描述中，为了解释但不用于限制，陈述了公开具体细节的示例性实施例，以便提供对本发明的彻底理解。然而，对于得益于本发明的公开内容的本领域技术人员而言，很显然本发明可以以其他实施方式实现，只要不偏离在此公开的具体细节。此外，已知器件、方法和材料的描述可以省略，以便不混淆本发明的描述。

根据示例性实施例，光学系统提供在悬臂扫描仪上形成点的光源，以及该光学系统将该点聚焦在无穷远处。例证性光学系统100在图1中示出。光学系统100包括光源101，其例证性为半导体激光器，如激光二极管。从光源发射的光102以已知角度从光源101散开发射，并入射到第一透镜元件103上。该第一透镜元件103是正透镜元件，其将光104聚焦在某个有限的图像点处。第一透镜元件103例证性为在本领域技术人员范围内的已知正焦度透镜元件(positive power lenselement)。例如，第一透镜元件103可以是几何透镜，全息光学元件或渐变折射率(GRIN)透镜。

在第一透镜元件103后，但在第一透镜元件103的图像点之前，定位第二透镜元件105。第二透镜元件105是负透镜，其定位使得其焦点在第一透镜的图像点处从而将光聚焦在无穷远处。光106从而作为平行光束从第二透镜元件105中出射，该平行光束入射到反射元件107上。

反射元件107例证性地为光度反射镜，但是可以是在光学领域中普通技术人员已知范围内的其它类型的反射元件。反射元件107以旋转方式并且关于轴108以预定弧长振荡。例证性的旋转在109处示出。反射元件提供光学系统100的扫描能力，并且可以用于提供光102的扫描光学图像，所述光102从光学系统100中作为反射光110出射。例证性地，这种器件以高重复速率扫描光束。

如上所述，扫描器件用于多种应用，如条形码阅读器、照明系统和激光打印机。尽管这些应用可以以扫描仪的方式使用，该扫描仪在大约1kHz至大约10kHz的条件下工作，但是对于更快速应用的不断增长的需求使得这些已知的扫描仪存在不足。例如，激光显示器，特别是当它以超过VGA格式的分辨率工作时，需要在大约16kHz或更高的频率下工作的扫描仪。

与已知的光学扫描装置相比，光学系统100提供某些好处。首先，由于光106被准直，因此它以基本上准直的方式被反射。相反地，已知的光学系统导致从振荡反射镜反射的光实质上发散。不幸地，该发散的光束导致分辨率损耗。因此，光学系统100的一个明确的好处是提高的光束分辨率。

应当注意，图1的示例性实施例包括正透镜和负透镜。该配置仅仅是例证性的，可以使用包括但不限于与其他例证性实施例有关的所述配置的其他光学系统，以形成入射到振荡反射器上并自该反射器反射的准直光束。例如，两个正透镜可以放置在光源101和振荡反射器107之间。在该情况下，第一正透镜(最靠近光源101)的像点和第二正透镜(最靠近反射器107)的后焦点重合。这导致光的准直，所述光当入射到反射器时如所希望的那样作为准直光束被反射。

根据示例性实施例的光学系统200在图2中示出。光学系统200在功能方面基本上与图1的光学系统100一致。然而，非常明显地，光学系统200在光源202和振荡反射器203之间仅包括一个光学元件201。光学元件201实质上为结合了正和负透镜的透镜元件，以便从源202发散的光204输出准直光束205，其入射到振荡反射器203上。如上所述，来自反射器的输出也被准直，这在成像表面处是明显有利的。

根据示例性实施例，光学系统如光学系统200具有大约0.4的数值孔径。在这种系统中，在23.5°的孔径角内的来自光学系统的光源的光(例如发散光束204)在光学系统中收集。激光二极管光源的光输出的例子在图3中示出。激光二极管的远场图案利用沿纵坐标的相对强度和沿横坐标的角度用图形示出。如可以容易理解的那样，光输出的大多数在指定的孔径角内。

根据图4所示的另一示例性实施例，光学系统包括光源401，其输出发散光束402。该光束入射到封装光源的窗口405上，然后入射到透镜元件403上。透镜元件403的光输出404是平行(准直)光束。在示例性实施例中，来自光源的光具有660μm的波长，以及该系统的总长度为3.12mm。以扫描系统的振荡悬臂反射器(未示出)为目标的光输出404具有100μm的直径。该实施例以与所述示例性实施例类似的方式起作用。

根据图5所示的另一示例性实施例，光学系统500包括两个透镜元件。该系统具有4.43mm的总长度。因为透镜表面的曲率较小，因此抗反射涂层的设计困难较小。应当注意，图5的系统包括许多与图4的系统相似的特征和元件。为了清楚，省略了相同的说明。

图6示出了根据另一示例性实施例的光学系统600。在该示例性实施例中，光学系统600的数值孔径可以通过利用Schwartzschild反射镜提高，如图6所示。光学系统600包括第一反射镜601和第二反射镜602，以聚焦来自光源603的输出发散光604，该光源例证性为激光二极管。系统600的数值孔径主要通过第一反射镜601的尺寸来确定。示例性实施例的光学系统是有利的，这是因为仅很少的光被第二反射镜602阻碍，因此它允许光输出604聚焦到相对小的直径。为此目的，它在减小入射到振荡器反射器605上的光点尺寸方面是有利的，以便它基本上小于反射器605的面积/尺寸，从而最佳化实际反射的光量，以及减小衍射作用。例如，再次参考图3，高斯光束的尾部可能在反射镜的收集角度以外，导致强度损耗。这与由于在反射器605处的衍射引起的损耗结合可以将在图像平面/屏幕处的输出光的强度减小到不可接受的水平。

为了说明衍射作用，考虑强度作为半径r的函数：

I＝I₀exp(-2r²/w₀ ²)

其中w₀是光束直径。

如已知的那样，光束将由于衍射作用，特别是由于在例证性光学系统的振荡反射器处反射的衍射作用而发散。此外，由于希望具有相对小的悬臂振荡反射器，因此存在入射到反射器上的光束点尺寸与反射器几乎具有相同尺寸的可能性。这导致高斯光分布的尾部在反射器的宽度以外，以及反射光束的强度损耗。同样，与反射器的尺寸相比，相对减小入射到反射器上的光束的点尺寸，从而减小衍射作用是有利的。

为了说明，对于具有100μm光束直径w₀的波长(λ)0.6μm的光，角度发散为大约4mrad。同样，如果图像平面/屏幕在0.5m的距离处，则点尺寸由于衍射增加到2mm。将光束直径增加到200μm，这将点尺寸增加到大约1mm，这对于可移动光学扫描仪是完全可接受的。有利地，示例性实施例将光束发散度限制到可以避免衍射所期望的值。

根据上述示例性实施例，公开了适合用于激光投影仪中的光学系统，其中扫描仪基于振荡悬臂。光学系统可以包括可以达到高频率和大的扫描角度的扫描仪。然而，反射表面非常小，一般为100μm×100μm。光学系统将从光源输出的光聚焦在无穷远处，即为平行光束。这意味着除上述部件以外对于聚焦光束没有附加的元件是必需的。例证性光学系统能够在振荡悬臂反射器上产生横截面大约100μm的平行光束，而不需要悬臂之后的透镜作用。因此，示例性实施例的光学系统不恶化扫描角度。实际上，100μm直径的反射镜将导致由于衍射而具有大角度发散的光束。因此，直径大约200μm的反射镜将更有用。

上面已经连同通过示例性实施例的讨论详细描述了示例性实施例，很清楚，本发明的变型对于得益于本发明的公开内容的本领域技术人员而言是显而易见的。这些变型和变化包括在所附权利要求的范围中。

Claims

1.一种光学系统，包括：

光源，其输出入射到振荡反射器上的光，其中该光学系统包括至少一个透镜元件，其与振荡反射器的定向无关地以准直光束的形式将光输出在该振荡反射器上。

2.根据权利要求1的光学系统，其中该光源是激光器。

3.根据权利要求1的光学系统，其中该光学系统包括正透镜元件和负透镜元件。

4.根据权利要求1的光学系统，其中该振荡反射器是悬臂反射镜。

5.根据权利要求1的光学系统，其中该振荡反射器以至少16kHz的频率振荡。

6.根据权利要求1的光学系统，其中该至少一个透镜元件是集成透镜元件，其包括正透镜和负透镜。

7.根据权利要求1的光学系统，其中该光学系统包括两个正透镜，以及第一透镜的像点在第二透镜的焦点处。

8.根据权利要求1的光学系统，其中该光学系统包括在激光显示器中。

9.一种光学系统，包括：

光源，其输出入射到振荡反射器上的光，其中该光学系统包括第一反射镜和第二反射镜，其中结合的第一和第二反射镜与振荡反射器的定向无关地以准直光束的形式将光输出在该振荡反射器上。

10.根据权利要求8的光学系统，其中该光源是激光器。

11.根据权利要求8的光学系统，其中该光学系统包括在激光显示器中。

12.根据权利要求11的光学系统，其中该振荡反射器是悬臂反射镜。

13根据权利要求1的光学系统，其中该振荡反射器以至少16kHz的频率振荡。

14.根据权利要求8的光学系统，其中第一和第二反射镜包括Schwartzschild反射镜。