TW201027228A - Laser device for projection systems - Google Patents

Description

201027228 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於經調適用於投影系統之雷射裝置的領域， 且較佳地經調適用以應用於飛點投影器、照明及/或影像 應用中。 【先前技術】 一般已知在投影系統中使用放電燈及發光二極體 (LEDs) 〇此等兩種類型之光源均發射不同調光。 最近，已有人表示可在飛點投影器中使用雷射。此等投 影器包括至少三個發射紅（例如在635 nm)、綠（例如在532 nm)及藍光（例如在440 nm)之雷射。然而，發射所提及之 顏色的三個雷射之使用，使得系統體積大且昂貴。 在WO 2005/036211 A2中描述在投影系統中使用之一光 學系統及一方法。該系統包括一光源系統，其經組態且可 操作以產生採一複數形式之構形化光或空間分離的光射 束；以及一射束賦形配置。該射束賦形配置係經組態為一 繞射光學單元，該單元係經組態且可操作地實現以下作 用：合併一空間分離光射束陣列為一單一光射束，藉此顯 著地增加照明光的強度且影響該光射束之強度分佈以提供 一實質上矩形之均勻強度分佈的照明光。 基於雷射之光源適用於在投影顯示器中之色彩的連續投 影，這是因為其等具有一與不同調光源相比較低之頻寬及 一較低之功率消耗。此外，一簡單微電子機械系統 (MEMS)，尤其一 MEM掃描器可被用於產生一影像，而使 143449.doc 201027228 得該系統小型化。如此，非常小的射束器，所謂的彼射束 器可被整合到行動裝置，諸如蜂巢式電話中。 包括雷射裝置之習知投影系統相當複雜、體積大及昂貴 的。在幾乎所有投影純中均使用三個分離的雷射，且因 此此等系統之尺寸大且成本。 【發明内容】 本發明之目㈣提供可料包含雷射裝系統之 尺寸及複雜性的可能性，且因此降低此投f彡化之成本。 此目的係藉由投影系統之-雷射裝置而完成， 置包括： 雷射，其以一泵波長發射一泵雷射射束； -第-孔六配置，其具有一第一孔穴及經調適用以當以 該泵雷射射束泉抽時產生在-第—波長之一第一雷射射束 的一晶體； 一第二孔穴配置’其具有一第二孔穴及經調適用以當以 該泵雷射射束泵抽時產生在一第二波長之一第二雷射射束 ® 的一晶體；及 一光學配置，其用於依序地導引該第一雷射射束及該第 二雷射射束至該雷射裝置之一輸出；其中 該第二波長與該第一波長不同，且該第一波長及該第二 波長係在可見光譜範圍内且高於該泵波長。 一般而言，對於產生該第一雷射射束及該第二雷射射 束，存在兩個不同的較佳可能性。根據本發明之一較佳實 施例，該第一孔穴配置及該第二孔穴配置包括一共通晶 體，且提供一孔穴開關用於分別依序地切換該該第一孔穴 143449.doc 201027228 配置及該第二孔穴配置至該共通晶體。替代於此，根據本 發明之另一較佳實施例，該第一孔穴配置包括一第一晶 體，且該第二孔穴配置包括一第二晶體，該第—晶體不同 於該第二晶體’而且設有一光學開關供分別依序地切換該 泵雷射射束至該第一孔穴配置及該第二孔穴配置。關於此 點，該第二晶體之特徵不同於該第一晶體之特徵，這並不 表示此等晶體的材料彼此不同。替代於此，根據本發明之 另一較佳實施例’該等材料甚至是相同的。然而，此特徵 表示提供兩個分離之晶體，也就是一個用於該第一孔穴配 置’且一個用於該第二孔穴配置。 響 根據本發明之一較佳實施例，該泵波長係在該紫外線或/ 及可見光譜範圍中，該泵波長宜為>380 nm且$540 nm。此 外，根镡本發明之一較佳實施例，該第一波長及/或該第 二波長係 2440 nm且 $7〇〇 nm。 根據本發明之一較佳實施例，若該泵波長係在可見光譜 範圍中’特別是若使用—藍泵雷射射束用於依序地導引該 第雷射射束及該第二雷射射束至該雷射裝置之輸出的該 ❿ 光學配置亦經調適用以依序地導引該泵雷射射束至該雷射 裝置之輸出。如此，不需要用於該雷射裝置之藍光的分離 孔穴配置》 換句話說，根據本發明，發射可見光譜範圍内之一波長 之含有一高能量之一單一雷射源係用於泵抽至少一晶體， 以產生發射可見光譜範圍内之不同波長之含有比該泵波長 之能量低之一較低能量的雷射射束。此等雷射亦稱為「向 143449.doc -6 - 201027228 下轉換雷射」。對於可見發射，宜使用氧化物（諸如 YV04、y3ai5o12、ΥΑ1〇3)及/或氟化物晶體（諸如 LiYF4、 L1L11F4、BaY2Fs) ’及摻雜有多種稀土金屬（諸如Tm3+、 Tb3+、ΡΓ3+、Er3+、Eu3+、Nd3+、Sm3+、Sm2+、Ti3+)的氟化 • 物玻璃ZBLAN。 • 根據本發明之一較佳實施例，該光學配置包括一光學系 統’其包括複數個透鏡及複數個反射鏡之至少一者。該雷 _ 射裝置最好包括一第一輸出耦合器，其經調適用於以該第 一發射波長及/或該第二發射波長耦合出一雷射射束。 根據本發明之另一較佳實施例，該雷射裝置進一步包括 用於一第三發射波長之在一第三孔穴中之一第三晶體，該 第三發射波長與該第一發射波長及/或該第二發射波長不 同。如此，當以包括紫色之一波長泵抽時，一單一雷射裝 置發射至少三個不同顏色’其中以獲得紅、綠及藍較佳。 此外’根據此實施例不必再麵合出紫色，也就是該泵波 ❹ I。此係歸因於有了紅、綠及藍色，可獲得投影系統所需 二有其他顏色的事實。該第—晶體、該第二晶體及該第 二晶體之至少一者宜包括一摻雜稀土的主體材料。該稀土 :雜：子宜係對應於镨。該晶體宜包括共摻雜物(諸如 )”支持该第一稀土離子（例如镨）與該第二稀土離子 (例如镱)之間的能量轉移作用。因此，各自之雷射躍遷的 效率被提高。 κ據本發明之又—較佳實施例，該雷射對應於—固態二 5體泵抽晶體雷射。其他雷射諸如氣體雷射同樣亦可適 143449.doc 201027228 用。該泵波長宜包括紫、藍及綠色之一者。 根據本發明之又一較佳實施例利用該雷射射束以該泵 波長泵抽該第一晶體及該第二晶體，該泵波長對應於向下 轉換該泵波長至可見光譜範圍内之該第一發射波長及至可 見光譜範圍内之該第二發射波長，其中該第一發射波長及 該第二發射波長包括比該泵波長之能量低之一較低能量。 利用该雷射射束在該泵波長泵抽該第一晶體及該第二晶體 且包括連續及同時泵抽中之一者。換句話說，該第一孔穴 及該第二孔穴可一個接一個地或同時地被泵抽。 此一雷射裝置宜應用於以下應用之至少一者中：具有諸 如液晶單兀之影像形成元件的數位影像投影器，及可變形 反射鏡裝置、飛點投影器、照明及影像應用。本發明亦有 利地用於生物標諸物應用，諸如標記蛋白質及DNA之識 別。本發明宜亦用於流式細胞分選儀。 【實施方式】 本發明之該等及其他態樣將從下文描述的實施例中變得 顯而易見且將參考下文描述的實施例而說明本發明之該等 及其他態樣。 圖1繪示根據本發明之一較佳實施例的用於泵抽例如包 括分別兩個孔穴及共振器以產生在可見光譜範圍内之不同 波長的雷射發射之一摻雜镨的晶體之一單一雷射源。使用 發射包括該泵波長的一光射束之一雷射1。根據本發明之 此實施例’該泵波長包括藍色（藍波長）。在該藍波長的該 雷射射束之方向使用一光學開關2而改變。該光學開關可 143449.doc 201027228 包括一機械移動元件諸如一個或多個旋轉或移動反射鏡， 但其亦可包括結合偏振方向旋轉器之偏振分光器。此導致 該雷射射束被導引至包括該第一晶體4及該第二晶體5的不 同雷射孔六。此等雷射孔穴產生其他包括顏色與該泵波長 不同且亦在可見光譜範圍中之雷射發射波長。 在此實施例中該雷射裝置在其輸出發射綠及紅色。藉由 在該雷射裝置之輸出插入一適當輸出耦合器亦耦合出該泵 @ 射束之藍色。該光學配置3包括繪示在圖1中的複數個反射 鏡。在圖1所說明之組態中，來自該雷射之藍光亦在該影 像6中使用。根據本發明之另一較佳實施例，該雷射射束 的位置保持固定且一反射鏡及/或一透鏡由包括該光學配 置3的另反射鏡及/或透鏡替換。因此，該雷射發射之顏 色被改變。 根據本發明之又一較佳實施例，一雷射發射包括紫色之 一雷射射束且使用包括一第三晶體之一第三孔穴，其中該 〇 第一、第二及第三晶體由包括紫色（紫外線波長）之該雷射 射束（泵射束）來泵抽。在該雷射裝置之輸出耦合出紅、綠 及藍色。 根據本發明之較佳實施例，包括一低聲子能量（LPE)材 料之-稀土摻雜主體被用於向下轉換雷射。包括藍色的該 泉波長之能量被向下轉換為在發射波長包括綠及紅色較低 能量。 一 LiLuF4晶體中 、橙、綠及藍發 圖2繪示根據本發明之較佳實施例的在 之镨的能階圖表。在圖2中亦繪示包括紅 143449.doc 201027228 射的該最相關雷射躍遷。該最通用雷射躍遷用在亦在該主 體材料之躍遷窗口標籤該等能階的能階圖表中之箭頭指 丁根據本發明之一較佳實施例，該主體材料包括一

LiLuF4晶體。如可源自於該能階圖表中，镨可用藍光泵抽 以產生綠及紅發射。依照本發明之另一較佳實施例亦包括 兩種不同材料被用以產生綠及紅發射，諸如錯及鏡。在此 情況中，在此兩個稀土金屬離子之間的能量轉移被有效地 用於增強該等雷射躍遷之效率。 圖3不意性地描述根據本發明之較佳實施例的一雷射共 振器。為獲得在可見光譜範圍中以發射波長發射之一雷射 7，一摻雜稀土金屬之晶體1〇被分別插入到該孔穴或共振 器中’其中該共振器包括用於聚焦透鏡8及/或用於所使用 之反射鏡的適當塗層。圖3示意性地描述一共振器，其包 括用於藍色例如用於該泵波長之一抗反射塗層及用於在該 粟反射鏡9之綠發射波長的一高反射塗層。在該輸出耦合 器11 ’該共振器繪示用於藍之一高反射塗層及用於綠發射 波長之一部分反射器。該輸出透鏡12被用於以包括綠色之 一發射波長瞄準該雷射射束。 根據本發明之另一較佳實施例選擇適當反射鏡及/或透 鏡同樣發射紅及綠色。為此目的，一單一雷射源係足夠 的° 一泵反射鏡在紅與綠反射狀態之間切換致使該雷射顏 色被選擇。該輸出反射鏡對綠及紅色均為反射的。因此由 在綠及紅反射狀態之間切換該泵反射鏡，該雷射顏色也就 是該發射波長相應地被選擇。 143449.doc •10· 201027228 然而亦可能為該泵窗口製造一寬頻反射器。為此該輸出 窗口可在綠及反射狀態切換。亦可切換泵及在綠及紅反射 狀態之間的輸出窗口二者。 根據本發明之另一較佳實施例，使用一滦藍或紫泵且選 擇適當的反射鏡及/或透鏡，同樣發射藍、紅及綠色。為 此目的’一單一雷射源係足夠的。一泵反射鏡在藍、紅與 綠反射狀態之間切換致使該雷射顏色被選擇。該輸出反射 _ 鏡對藍、綠及紅色為反射的。因此，由在藍、綠及紅反射 狀態之間切換該泵反射鏡，該雷射顏色也就是該發射波長 被相應地選擇。 可切換的反射鏡可例如由物理地改變該等反射鏡的位置 而獲得°亦可能使用諸如可切換膽固醇狀液晶材料及/或 可在外部刺激諸如電場及溫度的影響下切換的可切換光子 能帶間隙材料。 雖然本發明已在圖式及前述描述中詳細說明及描述，此 φ 說明及描述被認為係說明性的或例示性的且不為限制性 的；本發明不限制於所揭示之實施例。 在主張的本發明之實踐中’熟悉此項技術者可從圖式、 所揭示之内容及附加技術方案之一研究中理解及實現所揭 不之實施例的其他變動。在申請專利範圍中，該詞「包 括」不排除其他元件或步驟，且該不定冠詞「一」不排除 一複數。某些措施係在互不相同之技術方案中敘述，此一 純粹事實並不表示不可有利地使用該等措施之組合。在申 請專利範圍中任何參考符號不應被解釋為限制範圍。 143449.doc 201027228 【圖式簡單說明】 圖1不意性地描述根據本發明之〜實施例的用於泵抽兩 個晶體以產生在可見光譜範圍内之不同波長的雷射發射之 一單一雷射源； 圖2繪不根據本發明之實施例的—摻雜镨的[江以匕晶體 及其相關雷射躍遷之能階圖表；及 圖3不意性地描述根據本發明之實施例包括用於該泵波 長之一抗反射塗層及在泵抽反射鏡上用於_第一發射波長 之一而反射塗層的一雷射共振器。 【主要元件符號說明】 1 雷射 2 光學開關 3 光學配置 4 第一晶體 5 第二晶體 6 影像 7 雷射 8 透鏡 9 栗反射鏡 10 晶體 11 輸出耦合器 12 輸出透鏡 143449.doc

Claims (1)

1. 201027228 七、申請專利範圍： 1 · 一種投影系統之雷射裝置，其包括：’ 一雷射（1)’其發射具有一泵波長之一泵雷射射束， 一第一孔穴配置，其具有一第一孔穴及一晶體，該晶 . 體經調適用以當用該泵雷射射束泵抽時，產生在一第一 波長之一第一雷射射束， # 一第二孔穴配置，其具有一第二孔穴及一晶體，該晶 體經調適用以當用該泵雷射射束泵抽時，產生在一第二 波長之一第二雷射射束，及 一光學配置（3)，用於依序地導引該第一雷射射束及該 第二雷射射束至該雷射裝置之一輸出（6)，其中

   該第二波長與該第一波長不同，且該第一波長及該第 二波長係在可見光譜範圍内且高於該泵波長。 如請求項1之雷射裝置，其中該第一孔穴配置及該第二 孔穴配置包括一通用晶體，且提供一孔穴開關以分別依 序地切換該第一孔穴及該第二孔穴至該通用晶體。 如請求項1之雷射裝置，其中該第一孔穴配置包括一第 一晶體（4)及該第二孔穴配置包括一第二晶體（5)，該第 二晶體（5)與該第-晶體⑷不$，且提供—光學開關⑺ 以分別依序地切換該泵雷射射束至該第一孔穴配置及至 該第二孔穴配置。 4.如請求们之雷射裝置，進一步包括一第一輸出耗合器 (11)，其經調適用於以該第一發射波長及/或該第二發射 波長耦合出一雷射射束。 143449.doc 201027228 5. 如請求項3之雷射裝置，進一步包括一第三發射波長之 一第二晶體，其中該第三晶體包括一第三孔穴，該第三 發射波長與該第一及/或第二發射波長不同。 6. 如明求項5之雷射裝置，其中該第一晶體（4)、該第二晶 體（5)及該第三晶體之至少—者包括一捧雜稀土金屬主體 材料。 ’ 7. 如清求項6之雷射裝置’其中該稀土金屬摻雜物離子對 應於譜。 8. 如凊求項1之雷射裝置，其中該雷射（丨）對應於一固態二❹ 極體泵抽晶體雷射。 9_如咕求項1之雷射裝置，其中該泵波長包括紫、藍及綠 色之一者。 1 〇.如β求項3之雷射裝置，其中利用該雷射射束以該泵波 長泵抽該第一晶體（4)及該第二晶體（5)，該泵波長對應 於向下轉換該泵波長至在可見光譜範圍内之該第一發射 波長及至在可見光譜範圍内之該第二發射波長，其中該 第一發射波長及該第二發射波長包括比該泵波長之能量 G 低之一較低能量。 Π.如請求項1之雷射裝置，其中該泵波長係2380 nm且£540 nm ° · 12. 如請求項丨之雷射裝置，其中該第一波長及/或該第二波 長係 2440 nm且 $700 nm。 13. 一種具有如請求項1之一雷射裝置的光學投影系統。 14. 一種在以下應用之至少一者中使用如請求項1之一雷射 143449.doc -2- 201027228 裝置的方法： 數位影像投影器；飛點投影器；照明應用；影像應 用；生物微陣列應用；及流式細胞分選儀。

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