TWI385460B - 光電裝置 - Google Patents

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TWI385460B
TWI385460B TW097102281A TW97102281A TWI385460B TW I385460 B TWI385460 B TW I385460B TW 097102281 A TW097102281 A TW 097102281A TW 97102281 A TW97102281 A TW 97102281A TW I385460 B TWI385460 B TW I385460B
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Patent Treuhand Ges Fuer Elektrische Gluehlampen Mbh
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Description

光電裝置
本發明涉及一種依據申請專利範圍第1項前言所述的光電裝置。
本專利申請案主張國際專利申請案PCT/DE2007/000127之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
在考慮一種藉由相參的(coherent)光所照明的表面或藉由相參的光投影在該表面上時，在反射光的遠場中可查覺一種形式是所謂斑點圖樣之不規則的發亮之照明圖樣。此種斑點圖樣因此在照明的表面之成像過程中會形成在眼睛之視網膜上、或藉由該表面之表面結構上所反射的光之干擾效應而形成在可解析位置之偵測系統上。典型的表面結構通常是由表面的粗糙度來設定。在表面或眼睛位置或偵測器位置之照明區域連續地改變時，則該連續變化的斑點圖樣大都以不期望的方式被視為閃光。
本發明之特定的實施形式之至少一目的是提供一種具有相參的輻射源之光電裝置，其可使斑點圖樣之印象減輕。
上述目的藉由一種具有申請專利範圍獨立項第1項特徵之物件來達成。該物件之其它有利的形式描述在申請專利範圍各附屬項中且另外亦可由以下的說明書和附圖中得知。
依據本發明之至少一實施形式的光電裝置特別是包括： 一第一輻射源，其適合用來在操作時發出相參的第一電磁輻射的第一光束，一第一相位修改元件，其位於第一電磁輻射之光路中以使第一光束之部份區域中的第一電磁輻射之相位改變，一輻射轉向元件，其位於第一電磁輻射之光路中以使第一光束之輻射方向改變。
特別是第一光束之部份區域中的相位改變在意義上是表示第一光束之第一部份區域中的相位相對於第二區域中的相位已發生改變。因此，特別是亦可稱為二個部份區域之相位之相位差已改變。
相參的第一電磁輻射的第一光束特別是可以為第一電磁輻射的輻射束或第一電磁輻射的一種光束。一束電磁輻射特別是可描述此種電磁輻射，其較佳是可沿著一任意的或特定的傳送方向、光路或輻射方向而傳送且因此特別有利的是與光路成橫向而在空間上受到限制。
此外，上述的光電裝置適合用來使一表面上的第一光束轉向。此表面大致上可以是一種投影銀幕。
第一相位修改元件之作用在於，使第一電磁輻射之相位的至少一部份，即，在第一部分區域中或在多個部份區域中，發生變化，以產生一種”粗的”相位波前(phase front)。這在意義上特別是表示：第一電磁輻射在第一相位修改元件之後仍然是相參的輻射，但不再具有平滑的相位波前。
光電裝置可對一表面進行照明或第一光束可投影至一表面上，由於該表面典型上具有一種粗糙度，則通常在對該 表面照明時可藉由一種具有平滑的相位波前之相參的電磁輻射而在一觀看者中產生一種斑點圖樣的印象。此種斑點圖樣是一種干擾圖像，其是由相參的電磁輻射在粗糙表面之個別的部份區域上的反射所造成。當一束具有平滑的相位波前之相參的電磁輻射經由一表面而移動時，亦可產生斑點圖樣之印象，此乃因只要該表面之一特定的部份區域位於該束中(即，由該束所覆蓋)，則該電磁輻射之相位在該部份區域中可保持相同。
藉由本發明的光電裝置所產生的第一電磁輻射之粗的相位波前，則可有利地使上述之斑點圖樣之印象減輕或消失。這可以下述方式來達成：在第一光束經由表面而進行最少量的移動時，一觀看者中所產生的干擾圖像持續地改變，此乃因入射至該表面上的第一部份區域中的電磁輻射的相位由於”粗的”相位波前而持續地改變。藉由折疊，即，粗的相位波前與該表面的粗糙度之重疊，則可持續地產生一種可變化的干擾圖像或斑點圖樣。藉由一觀看者中所產生的干擾圖像之持續地改變，則可藉由眼睛之慣性而使該干擾圖像或斑點圖樣形成一種時間上的平均效應。眼睛之時間上的平均作用因此可有利地使斑點圖樣之印象減輕或甚至消失。
在一較佳的實施形式中，該第一相位修改元件適合用來使第一光束之一部份的相位相對於第一光束之另一部份的相位而發生變化。於此，當第一相位修改元件具有第一區域和第二區域時是有利的，設置此二個區域及/或此二個區 域適合用來分別以不同的程度來修改第一電磁輻射之相位。第一相位修改元件特別適合用來在第一光束之多個部份區域中分別使第一電磁輻射之相位改變。於此，第一相位修改元件可具有多個相位修改區域。於是，第一電磁輻射在第一相位修改元件之後在與第一光束之輻射方向成橫向的方向中，特別是例如在與輻射方向成垂直的方向中，可在第一光束之光束橫切面之不同的區域中具有不同的相位。於是，當分別形成第一和第二區域，使第一電磁輻射之相位在整個第一區域中恆定地修改，且第一電磁輻射之相位在整個第二區域中恆定地修改但由第一區域中的修改值偏移，則這樣是有利的。這樣可在第一光束之光束橫切面上產生一種階梯式形式的相位輪廓。第一電磁輻射因此可在與第一光束之光束方向成橫向的方向中具有相位跳躍值或相位階梯式值。當可產生一種隨機式分佈之階梯式形式的相位輪廓時特別有利，此乃因這種相位輪廓可使一表面上的的斑點圖樣快速地改變，這樣可如上所述地藉由一觀看者之眼睛的平均效應而有利地使斑點圖樣之被查覺性受到抑制。
另一方式是可形成第一相位修改元件，以分別形成第一區域和第二區域，使第一電磁輻射之相位可與第一光束方向成橫向(特別是垂直)地連續受到修改。於是，可產生一種連續的相位輪廓。特別是例如可產生一種周期性的、特別佳時是正弦形式的相位輪廓。一種可產生連續的相位輪廓之相位修改元件因此是有利的，此乃因折射損耗可最小化。
在另一實施形式中，該相位修改元件是圓板形或板形的形式，其具有二個與第一光束之輻射方向成橫向(特別是垂直)的主膨脹方向，且該相位修改元件例如可以是多角形者，特別是長方形或正方形，亦可以是圓形、橢圓形或上述各種形狀的組合。此二個主膨脹方向例如可互相垂直。在圓形或橢圓形的相位修改元件中，其中一個主膨脹方向沿著半徑且另一個主膨脹方向沿著一種旋轉角度來設定。第一相位修改元件之不同的相位修改區域之配置因此可沿著一個主膨脹方向來設置，使多個不同的相位修改區域可形成一種條形的圖樣。在相位修改元件是圓形或橢圓形時，多個不同的相位修改區域亦可形成一種扇形的、或圓形的或橢圓環形式的圖樣。另一方式是不同的相位修改區域之配置亦可形成在二個主膨脹方向中，以便例如以矩陣形式來配置多個相位修改區域。相位修改區域的尺寸(例如，條片的寬度)較佳是大於第一電磁輻射之波長。相位輪廓可有利地具有一種與相位修改區域之配置相同的圖樣，例如，可具有一種條形圖樣或矩陣形式的圖樣。
相位輪廓之振幅是表示由第一相位修改元件所造成的相位之變化。當相位輪廓之振幅在第一和第二區域之間改變至少1.5 π(即，至少270度)時特別有利。於此，第一和第二區域未互相鄰接。特別是階梯式形式的相位輪廓可具有一種隨機的(random)相位分佈。因此，第一相位修改元件可具有多個部份區域，其數目可為5個以上且15個以下。此外，連續的周期式相位輪廓，例如，正弦形式的相位輪廓， 可在照明區域中具有多個周期，周期的數目為1以上且5以下。
若第一光束例如是用來在一表面上移動，則當相位修改元件配置在第一光束中，使第一光束之相位輪廓在第一光束入射至此表面上時在此表面上平行於第一光束之移動方向而改變時是有利的。在相位修改區域配置成條形時，第一光束在表面上所造成的相位輪廓具有條形區，其較佳是垂直於第一光束的移動方向。例如，該第一光束亦可在表面上的二個移動方向中移動，此時該第一光束在一移動方向中移動的速率大於在另一移動方向中移動的速率。於是，當先前所述的方式適用於該較快的移動方向時是有利的。
可有利地形成上述的相位修改元件，使第一電磁輻射之振幅及/或強度未改變或幾乎未改變，該相位修改元件因此不會造成功率損耗或只會造成較小的功率損耗。於是，第一相位修改元件特別是可覆蓋全部的第一光束且因此可有利地成為透明狀。
第一相位修改元件可具有至少二個對第一電磁輻射而言光學路徑長度並不相同的區域，此時不同的路徑長度可由不同的厚度及/或不同的折射率所造成。這在意義上特別是表示：第一光束在第一相位改變元件之至少二個區域中必須橫向越過二個不同的光學路徑長度，使第一光束之經由第一區域而照射的部份之第一電磁輻射之相位可相對於第一光束之經由第二區域而照射的部份之第一電磁輻射之相 位而發生變化。不同的厚度例如可藉由該第一相位修改元件之至少一輻射入射面或一輻射發射面之結構化來達成。不同的折射率例如可除了一種載體材料之外藉由添加或使用不同的材料來達成。例如，第一相位修改元件可具有透明的玻璃或透明的塑料或由這些材料所構成。於是，在各個部份區域中可藉由離子交換或離子植入來使折射率改變。此外，相位修改元件之材料之密度在不同的部份區域中可不相同。
又，第一相位修改元件可以一種全息攝影之圖像板來製成。於是，相位修改區域，例如，第一區域和第二區域，可具有全息攝影之結構，其適合用來修改第一電磁輻射之相位使在各區域中互相不同。
相位修改元件特別是可具有透過性或反射性，這表示：相位修改元件在第一電磁輻射經由該相位修改元件而進行照射時或在一表面上反射時可修改該第一電磁輻射之相位。
在另一實施形式中，第一電磁輻射之相位藉由第一相位修改元件所達成的變化量可隨著時間而變化。這例如可藉由下述方式來達成：第一相位修改元件可與第一光束之輻射方向成橫向(即，不平行於第一電磁輻射之光路)而移動。例如，該移動可以是一種周期性的移動，特別佳時是一種在與第一電磁輻射之光路成垂直的方向中的移動。此外，該移動亦可以是一種直線的移動或一種旋轉。另一方式是，第一電磁輻射之相位修改在第一相位修改元件之至少 一區域中或多個區域中可隨著時間而變化。該移動例如可藉由一種作為移動及/或適合於移動目的用之馬達或壓電元件來促成。若第一相位修改元件相對於第一光束而移動，則可使斑點圖樣持續地改變，這樣除了使斑點圖樣發生變化之外由於第一光束在一粗的表面上的移動，則可藉由觀看者之眼睛使可變的斑點圖樣之上述平均效應更加放大。
在另一實施形式中，由第一輻射源所發出的電磁輻射是一種在紫外線至紅外線的波長範圍中具有光譜的電磁輻射。此外，該光譜較佳是具有可見光的波長範圍。該光譜特別是可包括至少一個成份，其波長介於400nm和800nm之間。第一電磁輻射具有藍、綠或紅色波長時特別有利，且特別佳時包括單色的電磁輻射。
在一種實施形式中，相參的第一電磁輻射具有大的相參長度，這在意義上特別是表示：第一電磁輻射具有一種數量級是由數米至百米或更大的相參長度。
第一電磁輻射具有良好的可準直化性時特別有利，使相參的第一電磁輻射的第一光束在準直化之後具有小的發散性，第一光束之光束橫切面於是在遠離第一輻射源之一距離處只稍微擴大或甚至未擴大。第一電磁輻射之此一距離可位於數米的數量級中。
此外，當第一輻射源適合發出強度高的第一電磁輻射時是有利的。高的強度可藉由第一電磁輻射之高的功率和小的輻射橫切面來設定。例如，該輻射橫切面可具有一種範圍由一微米至數微米之直徑或邊長，較佳為大約5微米。
在一較佳的實施形式中，第一輻射源包括一種雷射。於是，該雷射例如可具有一種雷射二極體，其在具有緊密的構造尺寸時可產生輻射品質較高的相參的第一電磁輻射。
該雷射二極體因此可包括一種具有活性區的半導體層序列，其適合用來在操作時發出相參的第一電磁輻射的第一光束。此半導體層序列可以一種磊晶層序列或一種具有磊晶層序列(即，磊晶生長的半導體層序列)之發出輻射的半導體晶片來製成。於此，此半導體層序列例如以InGaAlN為主來製成。所謂以InGaAlN為主之半導體晶片和半導體層序列特別是指：以磊晶方式製成的半導體層序列通常具有一種由不同的單一層所構成的層序列，層序列具有至少一單一層，該單一層具有一種由III-V-化合物半導體材料系統Inx Aly Ga1-x-y N，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1所構成的材料。
具有至少一以InGaAlN為主之活性層的半導體層序列例如可發出電磁輻射，其在紫外線至綠色波長範圍中具有一個或更多個光譜成份。
另一方式是，該半導體層序列或以InGaAlP為主之半導體晶片可具有不同的單一層，其中至少一單一層具有一種由III-V-化合物半導體材料系統Inx Aly Ga1-x-y P，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1所構成的材料。
半導體層序列或具有至少一以InGaAlP為主之活性區的半導體晶片例如可發出電磁輻射，其在綠色至紅色波長範圍中具有一個或更多個光譜成份。
另一方式是，半導體層序列或半導體晶片亦可具有另一種III-V-化合物半導體材料系統，其例如是一種以AlGaAs為主的材料；或具有II-VI-化合物半導體材料系統。特別是一種具有以AlGaAs為主的材料之活性層適合用來發出電磁輻射，其在紅色至紅外線波長範圍中具有一個或更多個光譜成份。
在另一實施形式中，第一輻射源具有一輻射發射面，經由此輻射發射面可使操作時所產生的相參的第一電磁輻射發出。特別是在包括半導體層序列或半導體晶片之雷射二極體的情況下，半導體層序列或半導體晶片可具有該輻射發射面。例如，半導體層序列或半導體晶片可以是一種邊緣發射式雷射二極體。這在意義上特別是表示：該輻射發射面可由半導體層序列或半導體晶片之側面所形成。此外，該輻射發射面例如亦可包括多個側面。另一方式是半導體層序列或半導體晶片亦可以是一種垂直發射式雷射二極體(VCSEL)，使該輻射發射面可由半導體層序列或半導體晶片之主表面所形成。此外，第一輻射源可包括多個半導體層序列或半導體晶片，或包括一個半導體層序列或一個半導體晶片，其具有多個活性區。於是，在第一活性區中可產生電磁輻射，在第二活性區中例如可藉由光學泵而產生第一電磁輻射。此外，第一輻射源亦可具有多個用來混合頻率的元件，或特別是用來使頻率加倍。
在一較佳的實施形式中，第一輻射源未具有準直化透鏡。這在意義上特別是表示：由第一輻射源所發出的第一 電磁輻射是一種發散的光束，即，未具有準直化性。由第一輻射源所發出的第一光束特別是具有一種發散角，其為5度以上且20度以下。第一光束在由第一輻射源發出時特別是可具有一種輻射橫切面，其具有數平方微米。例如，第一輻射橫切面可具有一種基本上是矩形的形式，其邊長是在1微米至數微米之範圍中，例如，其邊長可以是3至5微米。
在一特別有利的實施形式中，第一相位修改元件在第一電磁輻射之光路中直接配置在第一輻射源之後。這在意義上特別是表示：第一輻射源和第一相位修改元件之間未配置任何聚焦透鏡或準直化透鏡。這表示：第一光束以發散光束(即，未準直化的光束)之形式入射至第一相位修改元件上。
在另一較佳的實施形式中，光電裝置另包括第一光學元件，其中此第一光學元件在第一電磁輻射之光路中配置在第一相位修改元件之後。第一光學元件特別適合用來使第一光束準直化及/或聚焦，且因此例如包括一種準直化透鏡或聚焦透鏡。於是，第一光束在經由第一光學元件之後例如可具有一種較小的發散角或未具有此發散角及/或具有較小的輻射橫切面。”較小的發散角”以及”較小的輻射橫切面”在意義上特別是指：在該第一光束之輻射方向中在第一光學元件之後的該第一光束之發散角或輻射橫切面小於第一光學元件之前的發散角或輻射橫切面。第一光學元件因此可配置於離第一輻射源為0.5毫米以上且5毫米以下之距離 處。第一光學元件與該第一輻射源相隔開的距離較佳是1毫米以上且5毫米以下，更佳是2毫米以下。第一光學元件例如可具有一個或更多之透鏡或具有一種透鏡系統，其適合用來使第一輻射源所發出的發散光束準直化及/或聚焦。第一光學元件例如可具有一種變形的透鏡以作為準直化透鏡或具有準直化透鏡的一部份。
如上所述，該相位修改元件適合用來產生第一電磁輻射之一種”粗的”相位波前，此時第一光束可以是發散的光束。藉由在第一光束之光束通道中在第一相位修改元件之後配置第一光學元件，則例如可藉由第一光束準直化至共軛平面中而產生一種具有”粗的”相位波前之平面波。
藉由在第一輻射源和第一光學元件之間配置第一相位修改元件，則可有利地達成一種緊密且構造簡單的裝置，此乃因對一種在第一電磁輻射之光路中配置在該光學元件之後的相位修改元件而言該光電裝置不需另外具備額外的空間。
在另一實施形式中，第一相位修改元件是與第一輻射源隔開一距離，此距離小於或等於第一光學元件至第一輻射源的距離的一半。該相位修改元件至第一輻射源的距離大於或等於第一光學元件至第一輻射源之距離的10%且小於或等於20%時特別有利。於是，可有利地使用一種緊密的第一相位修改元件，其仍然足夠大，以使可能的折射效應可忽略或可被接受。
在另一有利的形式中，輻射轉向元件適合用來使第一光 束在一表面上轉向。這表示：可適當地設計該輻射轉向元件，以使第一光束在一表面上轉向。”在一表面上轉向”在意義上例如是指：第一光束在不同的時間點入射至該表面之不同的部份區域上。於是，該輻射轉向元件設計成可在一時間中或一時段中使第一輻射之輻射方向達成一種連續的-或步進式的變化。因此，該輻射轉向元件可包括至少一可轉向的鏡面。此種鏡面亦稱為”掃描鏡面”且例如可在一維或二維中轉向。例如，此鏡面可圍繞二個互相垂直的軸而分別旋轉一特定的角度。此外，此鏡面可沿著一個或多個空間方向，例如，沿著二個不平行的空間方向，而連續地或以步進方式及/或周期地偏移。
此外，該輻射轉向元件適合及/或設計成可周期性地掃過固定的立體角範圍。
特別是該固定的立體角區域可以是一種具有正方形或長方形橫切面的立體角區域。這在意義上特別是表示：第一光束可在該表面之一四角形的區域，特別是正方形區域或長方形區域上轉向。另一方式是，該固定的立體角區域亦可具有一種圓形、橢圓形或其它形式的橫切面，其特別是可以為上述形式的組合。該立體角區域在此較佳是以列的形式在相鄰的列中被掃過。
藉由上述的掃描鏡面，則第一光束可轉向至一表面，此表面大致上是一壁面、一螢光幕、一銀幕或類似物，且因此使第一電磁輻射投影至該表面上。該表面之一部份區域特別是可解釋成文數字或圖形顯示用的像素，於是在藉由 該表面之一相鄰的面之列形式和行形式的運行來對該表面進行連續的照明時，在同時使第一電磁輻射之強度改變的情況下可使資訊顯示在該表面上。此光電裝置因此可以是一種投影裝置，其使用所謂”飛點(flving spot)”方法來對資訊進行投影。
在一特別有利的實施形式中，該光電裝置形成一投影機(特別是一種雷射投影機)的至少一部份。此外，該光電裝置可以是投影機。
在另一實施形式中，光電裝置另外包括第二輻射源，其適合用來在操作時發出相參的第二電磁輻射的第二光束。
此外，該光電裝置可包括一第二相位修改元件，其配置在第二電磁輻射之光路中且適合用來或設計成在第二光束之部份區域中使第二電磁輻射之相位改變。另一方式是，該光電裝置可未包括第二相位修改元件。這在意義上表示：只有第一幅射源之後直接配置一第一相位修改元件。
又，該光電裝置可包括一種光學組合器以使第一光束和第二光束疊加成一種組合式第一和第二光束。此光學組合器可以是雙色性的鏡面或雙色性的稜鏡，其適合用來使第一光束反射且使第二光束透過，或使第一光束透過且使第二光束反射。
第二輻射源特別是可具有多種特徵，其可參閱以上所述的第一輻射源的描述。同樣，第二相位修改元件亦具有如上所述的第一相位修改元件的特徵。
該組合式第一和第二光束可特別有利地入射至該輻射轉 向元件，使只有一種包括第一和第二電磁輻射之光束入射至該表面上，但此光束之色印象可藉由第一和第二電磁輻射之強度之變化來改變。
第一電磁輻射和第二電磁輻射可互相不同，此時特別有利。
在另一較佳的實施形式中，光電裝置另外包括第三輻射源，其適合用來或設計成在操作時可發出相參的第三電磁輻射的第三光束。
此外，光電裝置可在第三電磁輻射之光路中具有第三相位修改元件，以使第三光束之部份區域中的第三電磁輻射之相位改變。另一方式是，該光電裝置可未具有第三相位修改元件。這在意義上表示：只有第一輻射源之後配置一第一相位修改元件。這所表示的另一意義是：只有第一輻射源之後配置一第一相位修改元件且第二輻射源之後配置一第二相位修改元件。
此外，該光電裝置可包括一種光學組合器，其大致上是一種雙色性的鏡面或雙色性的稜鏡，以使第一及/或第二光束可與第三光束疊加。
第三輻射源或第三相位修改元件可具有上述第一輻射源或第一相位修改元件中所述的特徵。輻射轉向元件特別是在第一及/或第二及/或第三輻射之光路中可配置在光學組合器之後。
第一和第二和第三電磁輻射可互相不同，此時特別有利。於是，第二相位修改元件及/或第二輻射源之後可配置 一第二光學元件，其包括如上述第一光學元件中所述的特徵。此外，第三相位修改元件及/或第三輻射源之後可配置一第三光學元件，其包括如上述第一光學元件中所述的特徵。
第一、第二和第三電磁輻射可特別有利地包括一種紅、綠和藍色的波長，使轉向至該表面上的由第一、第二和第三光束所疊加的光束可造成一種混合彩色之發光印象。藉由第一、第二和第三電磁輻射之強度上的相對變化，則可造成一種可變的發光印象。此光電裝置因此例如可以RGB投影機來構成。
本發明有利的其它實施形式描述在與第1至3圖有關的以下的實施形式中。
在各實施例和圖中，相同或作用相同的組件分別設有相同的參考符號。所示的各元件和其相互之間的大小比例基本上未按比例繪出。反之，個別的元件，例如，層、構件、組件以及表面和各區域為了能更佳地顯示及/或為了能更佳地被了解而加厚或在尺寸上予以放大。
第1圖顯示一種具有第一輻射源11的光電裝置1之實施例。第一輻射源11適合用來在操作時發出相參的第一電磁輻射的第一光束110。相參的第一電磁輻射於是具有一平滑的相位波前111，此時第一電磁輻射之光路沿著以P1來表示的方向而延伸。本實施例中第一輻射源11較佳是一種雷射，其可發出一種具有大的相參長度之第一電磁輻射的第 一光束。
在第一電磁輻射之第一光束110之光束通道中，該輻射源11之後配置一第一相位修改元件21，其在第一光束110之光束橫切面中具有一第一和一第二相位修改區域211，212，這些相位修改區域對第一電磁輻射而言分別具有不同的光學路徑長度。特別是第一相位修改元件21之第一區域211所具有的光學路徑長度小於第二區域212之光學路徑長度。於是，第一光束110在橫越第一相位修改元件21之後具有一種相位波前112，其具有二個部份區域1101和1102，此時該部份區域1102中的相位相對於該部份區域1101中的相位而偏移，且第一部份區域1101中的相位特別是緊追著第二部份區域1102中的相位。因此，藉由第一相位修改元件21，則可達成一種具有階梯式輪廓之粗的相位波前112。另一方式是，第一相位修改元件21具有全息結構，其可另外在部份區域1101和1102之相位之間造成一種相位差。
光電裝置1特別是在第一輻射源11和第一相位修改元件21之間未具備其它元件，特別是未具備其它的光學元件，第一相位修改元件21因此在光路中直接配置在第一輻射源11之後。
沿著第一電磁輻射之方向P1之光路中，第一相位修改元件21之後配置著一輻射轉向元件4，其使沿著方向P1之輻射方向改變成沿著方向P2之輻射方向。該輻射轉向元件4特別適合用來使方向P2改變。
第2圖顯示光電裝置2之另一實施例，其具有第一輻射 源11，此第一輻射源11以雷射二極體來構成。雷射二極體因此具有本說明書之一般部份中所述的至少一實施形式的特徵。雷射二極體特別是具有一種半導體晶片且以邊緣發射式或垂直發射式半導體晶片來構成。雷射二極體在操作時發出相參的第一電磁輻射的第一光束110，其平滑的相位波前111具有一種沿著方向P1之光路。該輻射源11於是未包括一種準直化透鏡或聚焦透鏡而是發出第一光束110之發散式相參的第一電磁輻射，其具有大約是矩形的輻射橫切面，此輻射橫切面開始時具有大約3微米和5微米之邊長且具有一種曲面形之平滑的相位波前。第一光束110典型上具有一種大約5度至20度的發散角。這些值純粹只是舉例而已且與所使用的第一輻射源1之形式有關。
發散的第一光束110橫越一種具有多個相位修改區域的相位修改元件21，使第一光束在透過第一相位修改元件21之後具有相參的第一電磁輻射，其具有曲面形的粗的相位波前112。
在第一光束110之光路中，大約與該輻射源11相隔開1至2mm而在第一相位修改元件21之後配置第一光學元件31，其設計成一種準直化用的變形透鏡且使輻射成形。於是，第一光束110在橫越第一光學元件31之後具有一種圓形的輻射橫切面和一種平坦的、粗的相位波前113。第一光束110特別是經由第一光學元件21而被準直化且具有小的發散性。
藉由該輻射轉向元件4，則輻射方向可改變成以P1來表 示的方向。構成此輻射轉向元件的掃描鏡面4因此可圍繞一種垂直於圖面之軸而旋轉，如雙箭頭41所示。此外，此掃描鏡面4亦可圍繞一與其垂直的軸而移動(例如，旋轉)，但這為了清楚之故並未顯示在圖中。於是，該方向P2可在一種由該掃描鏡面4之角度所設定的立體角範圍中連續地改變。
藉由該掃描鏡面4，則第一光束110可轉向至一較佳是平坦的裝置9之一表面91上，此表面91大致上是一壁面、一螢光幕、一銀幕或類似物，其在部份區域90中由光電裝置2來照射，或第一光束110在此部份區域90中可投影至該表面上。此部份區域90特別是可解釋成一種文數字或圖形顯示器之像素，於是，在藉由該表面91之有限的面積之行和列形式之運行以使該表面91連續地受到照射時(如雙箭頭41所示)，同時使第一電磁輻射之強度改變，則資訊可顯示在該表面91上。因此，依據所示的實施例，光電裝置2是一種投影裝置。
一觀看者瞬間由方向P3向該表面觀看，則此觀看者可查覺以上所示的資訊。在每一時間點，此觀看者可查覺該方向P3之反方向中由該表面91所反射的第一電磁輻射之干擾圖像，其是由表面91之粗糙度和第一光束110之粗的相位波前113所設定。此干擾圖像或該觀看者可查覺的斑點圖樣是由第一光束110在該表面91之拓撲形粗糙度結構上的散射和折射所造成。由於在第一光束110經由該表面91而大致上沿著方向941移動時，粗的相位波前113之位置持 續地相對於該拓撲形粗糙度結構而改變，則該干擾圖像和該斑點圖樣印象亦會在一觀看者中發生變化。由於觀看者之眼睛之慣性，則該觀看者只會查覺一種依據時間而平均後的斑點圖樣，這在意義上表示：藉由該干擾圖像之統計上的本質，則該斑點圖樣印象已大大地減弱或甚至已不能被查覺。
為了加強上述之效應，則該相位修改元件21例如可另外在一與沿著方向P1之輻射方向不平行的方向中移動，使該粗的相位波前113可依時間的變化來修改。
第3圖中顯示光電裝置3之另一實施形式之透視圖。此光電裝置3具有像先前之光電裝置2之實施例中所述的特徵，因此以下只對不同的特徵來說明。第一光束具有一種高斯(Gauss)輻射輪廓且藉由光學元件31(本實施例中是一種準直化透鏡)來準直化。此光學元件31因此與第一輻射源11相隔一距離1103。
藉由一可在二個互相垂直的方向41和42中移動的鏡面41，則第一光束110可轉向至該表面91上且在該表面91上在二個方向941和942中以行和列的形式而移動。此種沿著方向941之移動較該沿著方向942的移動還快，這樣可使光束110在相鄰的列中離開該表面91。方向942中的移動特別是可以步進方式來進行。
此外，光電裝置3包括一種相位修改元件21，其與輻射源11相隔開一距離1104，此距離1104小於該距離1103之20%。相位修改元件21具有多個相位修改用的配置成條形 的區域，其中顯示出純作為舉例用的第一區域211和第二區域212。此相位修改元件21於是適合用來產生第一電磁輻射之條形和階梯式形式之相位輪廓且須在第一光束110中定向，使條片9211、9212以相同的相位而與快速的移動方向941相垂直。因此，依時間而平均後的斑點圖樣之在第2圖中所述的效應可有利地被促成。為了強化此效應，該相位修改元件21可另外在與條形的區域211、212相垂直的方向中來回移動。
第4圖顯示光電裝置4之一實施例，其可依據先前的各實施例而將整個彩色的資訊投影在一表面91上。於此，光電裝置4具有第一輻射源11、第二輻射源12和第三輻射源13，其例如分別發出(第一)紅色，(第二)綠色和(第三)藍色之單色性相參的電磁輻射。個別的波長對應於個別的輻射源只是純舉例而已。就像先前的實施例一樣，各輻射源11、12、13之後分別配置第一、第二和第三相位修改元件21、22、23以及第一、第二和第三光學元件31、32、33。
由第一輻射源11所發出的第一光束110和由第二輻射源12所發出的第二光束120經由光學組合器而疊加成一光束152，其包括第一和第二電磁輻射且因此包含第一光束110和第二光束120。光學組合器51因此以雙色性之鏡面來構成，其可透過第一電磁輻射且可使第二電磁輻射反射。光束152另外可藉由另一光學組合器52而與由第三輻射源13所發出的第三光束130疊加成一光束153，其因此包含第一、第二和第三電磁輻射。光學組合器52因此同樣是一種 雙色性的鏡面，其可透過第一和第二電磁輻射且可使第三電磁輻射反射。另一方式是，光學組合器51和52可以單件式的組件來構成。
光束153包括第一、第二和第三光束110、120、130。此光束153就像先前的實施例一樣是藉由輻射轉向元件4(其大致上是一種掃描鏡面)而轉向至一表面91上。由於該掃描鏡面之位置和第一、第二和第三電磁輻射之相對強度之周期性的改變，因此可使整個彩色資訊投影至該表面上。
第5A和5B圖中顯示矩形的相位修改元件21之實施例，其顯示出多個相位修改區域之條形的或矩陣形式的配置。於此，為了清楚之故，只顯示一第一區域211和一第二區域212。第5C和5D圖所示的實施例之相位修改元件21具有圓形的形式。第5C圖中顯示多個相位修改區域之扇形的配置形式，第5D圖中則顯示一種相對應的矩陣形式的配置。若不使用多個可產生階梯式形式之相位輪廓的分離式相位修改區域，則各區域亦可連續地互相交錯，以產生一種連續的相位輪廓。矩形和圓形在第5A至5D圖中只是純舉例而已。
第6A圖顯示一種圖形601，其中顯示一隨機分佈之階梯式形式的相位輪廓。x軸顯示輻射橫切面上階梯式式之分佈，且y軸顯示相位升降，即，藉由相位修改元件21之多個相位修改區域所造成的相對的相位修改。最大的相位上升振幅(“振幅”)此處大於270度。理論上的觀察和計算顯示出：利用該相位修改元件21可使斑點對比值下降幾乎5 倍，其中該相位修改元件21可依據第6A圖產生一種相位輪廓。
第6B圖顯示出該圖形602中一種連續之正弦形式的相位輪廓，其具有大約1.8個周期且振幅大約是2 π。理論上的觀察和計算顯示出可使斑點對比值下降幾乎3倍，此倍數例如可藉由電磁輻射之光束中一種相對應的相位修改元件21之移動而進一步提高。
第7圖顯示一種圖形701中藉由相位修改元件21使斑點對比下降之值相對於最大相位上升振幅之關係。於此，最大相位上升振幅顯示在x軸上(以徑來表示)且y軸上顯示由此所得到之斑點對比下降值(SCR)。已顯示的是：最大相位上升振幅至少為1.5 π時是有利的。
第8圖顯示圖形801中最大相位上升振幅大於1.5 π時顯示在y軸上的斑點對比下降值相對於x軸上所示的相位修改元件之相位修改區域之數目的關係，其中該相位修改元件可產生一種像第6A圖所示的隨機分佈之階梯式形式的相位輪廓。
依據上述的實施形式和實施例，可實現一種具有緊密、省空間且成本有利的構造以及一種良好的顯示特性，其可使斑點圖樣印象大大地下降或甚至不被查覺。本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍或不同實施例之個別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中 或各實施例中時亦屬本發明。
3‧‧‧光電裝置
4‧‧‧輻射轉向元件
9‧‧‧平面裝置
11‧‧‧第一輻射源
12‧‧‧第二輻射源
13‧‧‧第三輻射源
21‧‧‧第一相位修改元件
22‧‧‧第二相位修改元件
23‧‧‧第三相位修改元件
31‧‧‧第一光學元件
32‧‧‧第二光學元件
33‧‧‧第三光學元件
41、42‧‧‧旋轉
51、52‧‧‧光學組合器
90‧‧‧部份區域
91‧‧‧表面
110‧‧‧第一光束
111‧‧‧相位波前
112、113‧‧‧相位波前
120‧‧‧第二光束
130‧‧‧第三光束
152、153‧‧‧疊加
211‧‧‧第一區域
212‧‧‧第二區域
601、602‧‧‧圖形
701、801‧‧‧圖形
921‧‧‧圖像
941、942‧‧‧移動方向
1101‧‧‧部份區域
1102‧‧‧部份區域
1103‧‧‧距離
1104‧‧‧距離
9211‧‧‧條片
9212‧‧‧條片
P1‧‧‧輻射方向
P2‧‧‧輻射方向
P3‧‧‧輻射方向
第1圖 一實施例之具有第一輻射源的光電裝置之圖解。
第2和3圖 另一實施例之具有第一輻射源的光電裝置之圖解。
第4圖 另一實施例之具有第一、第二和第三輻射源的光電裝置之圖解
第5A至5D圖 其它實施例之相位修改元件之圖解。
第6A和6B圖 可由相位修改元件所產生的相位輪廓。
第7、8圖 斑點圖樣對比與條形的相位輪廓之相位修改區域之數目以及相位輪廓之最大振幅的關係。
3‧‧‧光電裝置
4‧‧‧輻射轉向元件
9‧‧‧平面裝置
11‧‧‧第一輻射源
21‧‧‧第一相位修改元件
31‧‧‧第一光學元件
41、42‧‧‧旋轉
91‧‧‧表面
110‧‧‧第一光束
211‧‧‧第一區域
212‧‧‧第二區域
921‧‧‧圖像
941、942‧‧‧移動方向
1102‧‧‧部份區域
1103‧‧‧距離
1104‧‧‧距離
9211‧‧‧條片
9212‧‧‧條片

Claims (24)

  1. 一種光電裝置，用於將相參的第一電磁輻射的第一光束(first beam of coherent first electromagnetic radiation)(110)投影至表面(91)上，該光電裝置包括：第一輻射源(11)，其適合用來在操作時發出相參的第一電磁輻射的第一光束(110)，第一相位修改元件(21)，其位在第一電磁輻射之光路中，用於改變第一光束(110)之部份區域(1102)中的第一電磁輻射之相位，以及輻射轉向元件(4)，其位在第一電磁輻射之光路中以使第一光束(110)之輻射方向(P1,P2)改變。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中第一輻射源(11)包括雷射。
  3. 如申請專利範圍第2項之光電裝置，其中該雷射具有雷射二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中由第一輻射源(11)所發出的第一光束(110)是發散的。
  5. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中該由第一輻射源(11)所發出的第一光束(110)具有5度以上且20度以下的發散角(1100)。
  6. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中第一相位修改元件(21)在第一電磁輻射之光路中緊接著 配置在第一輻射源(11)之後。
  7. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中該光電裝置另外具有第一光學元件(31)，且第一光學元件(31)在第一電磁輻射之光路中配置在第一相位修改元件(21)之後。
  8. 如申請專利範圍第7項之光電裝置，其中第一光學元件(31)適合用來將第一光束(110)準直化(collimating)及/或聚焦。
  9. 如申請專利範圍第7項之光電裝置，其中第一光學元件(31)具有距第一輻射源(11)0.5mm以上且5mm以下之距離(1103)。
  10. 如申請專利範圍第7項之光電裝置，其中第一相位修改元件(21)與第一輻射源(11)隔開一個距離(1104)，該距離(1104)小於第一光學元件(31)至第一輻射源(11)之距離(1103)之一半。
  11. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中第一相位修改元件(21)至少具有第一區域(211)和第二區域(212)，它們設計成分別不同程度地修改第一電磁輻射的相位。
  12. 如申請專利範圍第11項之光電裝置，其中該第一區域(211)和第二區域(212)分別建構為使得第一電磁輻射之相位在整個第一區域(211)中恆定地修改，且第一電磁輻射之相位在整個第二區域(212)中恆定地修改。
  13. 如申請專利範圍第11之光電裝置，其中 該第一區域(211)和第二區域(212)分別建構為使得第一電磁輻射之相位與第一光束方向成橫向地連續修改。
  14. 如申請專利範圍第11項之光電裝置，其中該第一區域(211)和第二區域(212)至少部份地具有對第一電磁輻射彼此不同的光學路徑長度。
  15. 如申請專利範圍第11項之光電裝置，其中該第一區域(211)和第二區域(212)具有至少部份地彼此不同的全息結構。
  16. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中該第一電磁輻射之相位之改變是藉由第一相位修改元件(21)而隨時間變化。
  17. 如申請專利範圍第16項之光電裝置，其中第一相位修改元件(21)可橫向於第一電磁輻射之光路而移動。
  18. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中輻射轉向元件(4)適合用來使第一光束(110)轉向到表面(91)。
  19. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中輻射轉向元件(4)包括至少一個可轉向的鏡面。
  20. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中輻射轉向元件(4)適合用來使第一光束(110)周期性地掃過固定的立體角範圍。
  21. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其用於附加地將相參的第二電磁輻射的第二光束(120)投影至該表面(91)上，其 中該光電裝置另外包括：第二輻射源(12)，其適合用來在操作時發出相參的第二電磁輻射的第二光束(120)，以及光學組合器(51)，其用來將第一光束(110)與第二光束(120)疊加(152)。
  22. 如申請專利範圍第21項之光電裝置，其中第二相位修改元件(22)配置在第二電磁輻射之光路中，用於改變第二光束(120)之部份區域中的第二電磁輻射之相位。
  23. 如申請專利範圍第21項之光電裝置，其用於附加地將相參的第三電磁輻射的第三光束投影至該表面(91)上，該光電裝置包括：第三輻射源(13)，其適合用來在操作時發出相參的第三電磁輻射的第三光束(130)，以及光學組合器(52)，用來將第一光束(110)及/或第二光束(120)與第三光束(130)疊加(153)。
  24. 如申請專利範圍第23項之光電裝置，其中第三相位修改元件(23)配置在第三電磁輻射之光路中，用於改變第三光束(130)之部份區域中的該第三電磁輻射之相位。
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