WO2012129789A1 - 光束整形方法和装置及激光显示光源模组和设备 - Google Patents

Description

光束整形方法和装置及激光显示光源模组和设备 技术领域 本发明涉及光学领域， 具体而言， 涉及一种光束整形方法和装置及激光 显示光源模组和设备。 背景技术 激光显示技术具有大色域、 低能耗、 高寿命等特点， 并开始在电视、 微 型投影、 商用和娱乐系统中应用。 激光光源的红光和蓝光部分主要由半导体 激光器来实现， 但由于半导体激光器的光束质量很差， 因而需要对半导体激 光器输出地光进行光束整形由光纤耦合输出才能用于激光显示。 图 1是根据相关技术的单管半导体激光器的结构和光束示意图， 如图 1 所示， 半导体激光器芯片 12在热沉 10上生长， 其光束质量非常差， 有非常 大的发散角， 并且在垂直于 PN结的方向 （快轴 13 ) 和平行于 PN结的方向 (慢轴 14 ), 光束质量相差非常大， 在快轴 13 方向上发散角很大， 在慢轴 14 方向上发散角 4艮小， 其中， 15 为光斑， 因此在激光投影的应用中， 必须 要对半导体激光器进行光束整形。 我们在激光显示光源模组中用到的是条形 列阵的单管半导体激光器 20, 如图 2所示， 把几颗单管半导体激光器依次排 在一条直线上， 目的是实现高功率输出。 针对此问题， 在现有技术中提供了一种半导体激光器光束整形装置。 该装置对每一个单管的半导体激光器进行快轴准直和慢轴准直以调整光 束质量，但是该装置在对每个单管半导体激光器进行快轴准直和慢轴准直时， 利用紧挨着的两片快轴和慢轴准直镜片对半导体激光器进行光束准直， 之后 再经过光束整形耦合进光纤中。 由于半导体激光器在慢轴方向上的发散角度 4艮小， 光束在这个方向上经过短距离的传播之后， 不会有太明显的发散， 所 以在每个单管半导体激光器前面加一片慢轴准直镜片对于调焦很不利， 并且 造成了资源的浪费， 成本的增加。 针对上述问题， 目前尚未提出有效的解决方案。 发明内容 为此， 本发明的主要目的在于提供一种光束整形方法和装置及激光显示 光源模组和设备， 以解决上述问题。 为了实现上述目的， 根据本发明的一个方面， 提供了一种半导体激光器 阵列的光束整形装置。 该半导体激光器阵列的光束整形装置包括： 单管半导 体激光器阵列， 包括多个单管发光区； 阶梯镜， 设置于所述单管半导体激光 器阵列的发光面一侧， 包括反射部， 用于反射来自所述单管半导体激光器阵 列的光； 多个快轴准直镜， 设置于所述单管半导体激光器阵列和所述阶梯镜 之间， 分别对应于所述多个单管发光区； 以及一个' 1"曼轴准直镜， 设置于所述 阶梯镜的出光方向。 为了实现上述目的， 根据本发明的另一方面， 提供了一种半导体激光器 阵列的光束整形方法。 该半导体激光器阵列的光束整形方法包括： 通过多个 快轴准直镜分别对单管半导体激光器阵列中各个单管发光区发出的光进行快 轴准直； 通过反射镜对快轴准直后的光进行反射， 得到反射光束； 以及利用 一个慢轴准直镜对所述反射光束进行慢轴准直。 为了实现上述目的， 根据本发明的另一方面， 提供了一种半导体激光器 阵列的光纤耦合装置， 该半导体激光器阵列的光纤耦合装置包括本发明所提 供的半导体激光器阵列的光束整形装置。 为了实现上述目的， 才艮据本发明的另一方面， 提供了一种激光显示光源 模组， 该激光显示光源模组包括本发明所提供的半导体激光器阵列的光纤耦 合装置。 为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种激光显示设备， 该激光显示设备包括本发明所提供的激光显示光源模组。 通过本发明， 釆用包括以下部分的半导体激光器阵列的光束整形装置： 单管半导体激光器阵列， 包括多个单管发光区； 阶梯镜， 设置于所述单管半 导体激光器阵列的发光面一侧， 包括反射部， 用于反射来自所述单管半导体 激光器阵列的光； 多个快轴准直镜， 设置于所述单管半导体激光器阵列和所 述阶梯镜之间， 分别对应于所述多个单管发光区； 以及一个慢轴准直镜， 设 置于所述阶梯镜的出光方向，由于在经过阶梯镜之后再对光束进行 'I隻轴准直， 因而不需要对每个单管半导体激光器都加一个慢轴准直镜片， 解决了现有技 术中的半导体激光器阵列的光束整形装置进行调焦比较复杂的问题， 进而达 到了降氐成本， 并且使调焦更加简便的效果。 附图说明 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解， 本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。 在 附图中： 图 1是根据相关技术的单管半导体激光器的结构和光束示意图； 图 2是根据相关技术的单管半导体激光器阵列的结构示意图； 图 3是才艮据本发明第一实施例的半导体激光器阵列的光束整形装置的示 意图； 图 4是才艮据本发明第二实施例的半导体激光器阵列的光束整形装置的示 意图； 图 5是根据本发明实施例的阶梯镜的示意图； 图 6是根据本发明实施例的慢轴准直透镜的示意图； 图 7是根据本发明实施例的聚焦透镜的示意图； 以及 图 8是根据本发明实施例的激光显示设备的示意图。 具体实施方式 需要说明的是， 在不冲突的情况下， 本申请中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 实施例 1 图 3 是 居本发明实施例的半导体激光器阵列的光束整形装置的示意 图。 如图 3所示， 该半导体激光器阵列的光束整形装置包括： 单管半导体激光器阵列 A, 包括多个单管半导体激光器， 也即， 包括多 个单管发光区； 阶梯镜 30 , 设置于单管半导体激光器阵列的发光面一侧， 包括反射部 301 , 用于反射来自单管半导体激光器阵列的光 （如图 5所示）； 多个快轴准直镜 311 ,设置于单管半导体激光器阵列 A和阶梯镜 30之间， 分别对应于多个单管发光区； 以及 一个' 1"曼轴准直镜 312, 设置于阶梯镜 30的出光方向。 在上述半导体激光器阵列的光束整形装置中， 由于在经过阶梯镜之后再 对光束进行慢轴准直， 因而不需要对每个单管半导体激光器都加一个慢轴准 直镜片，从而解决了光束整形装置调焦比较复杂的问题，进而能够降低成本， 并且使调焦更加简便。 优选地， 反射部 301为多个， 其中， 多个单管发光区中的每个单管发光 区分别对应多个反射部中的一个反射部， 并且多个反射部中的每个反射部与 其所对应的单管发光区成 45°夹角， 多个反射部中的每个反射部在多个单管 发光区中的每个单管发光区的发光面的投影长度分别等于与其对应的发光面 的长度。 此时， 通过单管半导体激光器阵列 A发出的具有间隙的光束在经过 阶梯镜 30 的反射后， 变为无间隙的合并光束， 从而能够消除各个单管半导 体激光器发出的光束的间隙， 此外， 通过釆用单管半导体激光器阵列 A, 把几颗单管半导体激光器依 次排在一条直线上， 能够实现高功率输出。 考虑到半导体激光器在快轴方向上有着非常大的发散角， 在本发明中， 优选地， 釆用啟柱透镜作为快轴准直镜 311 , 使得光束在快轴方向上接近于 平行光， 在每一个单管半导体激光器出光面附近安装一个快轴准直镜 311 , 半导体激光器的发光面与快轴准直镜 311要靠的很近， 有利于光束的准直和 调焦。 并且由于半导体激光器在慢轴方向上的发散角很小， 在经过光束整形 装置后的光程也不是很大， 所以在经过光束整形装置之后再对光束进行慢轴 准直， 不需要每个每个单管半导体激光器都加一个慢轴准直镜 312片， 降低 了成本， 并且调焦更加简便容易。 实现了慢轴的准直， 便于实现光纤耦合。 优选地， 阶梯镜 30 还包括多个支持部， 用于连接多个反射部， 其中， 多个支持部相互平行， 且多个反射部相互平行。 通过将多个支持部和多个反 射部均设置为相互平行结构， 能够简便地实现将单管半导体激光器阵列 A中 各个单管发光区的光均反射至同一个方向。 优选地， 'I隻轴准直镜 312的宽度大于或等于阶梯镜 30在其出光方向的 投影宽度。 进一步优选地， 通过将慢轴准直镜 312的宽度等于阶梯镜 30在 其出光方向的投影宽度， 能够使得慢轴准直镜 312的宽度正好等于阶梯镜 30 反射出的光束的宽度， 从而节省了成本。 优选地 ,反射部的两侧均设置有反射膜以形成第一反光面和第二反光面， 单管半导体激光器阵列包括： 第一单管半导体激光器阵列， 其发光面对应于 阶梯镜 30 的第一反光面； 以及第二单管半导体激光器阵列， 其发光面对应 于阶梯镜 30的第二反光面。 图 4为示出了该种情况的示意图。 如图 4所示， 通过该种结构的半导体激光器阵列的光束整形装置， 能够 获得对称的光斑， 然后耦合进光纤。 单管半导体激光器排成对称的两排， A、 B两排半导体激光管在一条直线上两两相对， 中间放置一个阶梯镜 30, 与每 个单管发光区对应的是一片与发光面成 45°的镜片， 镜片的镜面在半导体激 光器的发光面上的投影正好等于发光面的长度，镜片正反两面都镀上高反膜， 这样 A、B两排单管半导体激光器分别经过快轴准直镜 311和快轴准直镜 321 的准直之后， 正好打在阶梯反射镜上， 经过阶梯镜 30 的反射之后， 每个单 管半导体激光器出射的光会在慢轴方向上紧挨着依次排列， 再分别利用慢轴 准直镜 312和慢轴准直镜 322进行慢轴准直， 通过聚焦透镜 313和聚焦透镜 323进行聚焦以分别耦合进光纤 314和 324中， 这样原来发散角很小的慢轴 方向上光束扩大了， 从而均衡了快慢轴方向的光束质量。 从图 4中我们可以 看出， 利用两侧镀膜的阶梯镜 30实现了 A、 B两排单管半导体激光器的光束 整形， 并且消除了两列单管半导体激光器之间的缝隙， 经过台阶镜（阶梯镜 30 )反射之后的光束经过一个慢轴准直镜 312和一个聚焦透镜耦合进光纤中， 作为激光光源模组的输出端。 优选地， 单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器线阵或单管半导体 激光器面阵， 其中， 在单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器线阵时， 阶梯镜 30 在单管半导体激光器线阵方向的投影长度等于单管半导体激光器 线阵的长度； 在单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器面阵时， 阶梯镜 30 在单管半导体激光器面阵方向的投影宽度等于单管半导体激光器面阵的 宽度。 单管半导体激光器阵列由于散热等因素的影响， 有时需要设计成单管半 导体激光器线阵， 此时， 每个单管半导体激光器之间有很大的间隙， 这样的 结构会是光斑尺寸变大， 光强分布不均匀， 非常不利于在激光显示中应用， 而通过设置台阶反射镜则消除了间隙， 如图 5所示， 台阶镜的每个台阶装配 一个镜片， 每个镜片上面镀一层高反膜， 设计每个镜片的尺寸使得光刚好反 射出来， 然后在平行于发光面的方向依次排列镜片， 这样经过反射之后， 每 个单管半导体激光器发出的光束就会依次排列， 这样就消除了间隙。 与此同 时， 我们在每个镜片的两面都镀上高反膜， 另一侧的激光器也会反射出来同 样的光束。 由于单管半导体激光器在快轴方向上的发散较大， 在慢轴方向上 发散很小， 通过用反射的办法使得光束在慢轴上依次排列， 这样就可以均衡 快慢轴方向上的光束质量， 并且消除了单管半导体激光管之间的间隙， 有利 于下一步进行光纤耦合。 图 6是慢轴准直镜 312, 图 7是聚焦透镜， 经过台阶反射镜整形之后的 光经过慢轴准直镜 312的准直和聚焦透镜 313的聚焦耦合进光纤中， 然后用 于激光显示。 通过本发明实施例所提供的光束整形装置， 对于非条形阵列的单管半导 体激光器（如半导体激光器面阵）进行光束整形和光纤耦合。 在这种情况下， 通过对条形半导体激光器的上面加一层或者几层同样的条形激光器， 设计成 阵列型形状， 然后把将阶梯镜 30 在平行于发光平面的方向上增大一倍， 这 样每一个条形的半导体激光器就会通过反射实现在慢轴方向上重排， 并且去 掉了半导体激光器之间的空隙。 这种方案适用于功率较高的情况， 这样设计 结构会更加紧凑， 体积会更小。 通过本发明实施例所提供的光束整形装置， 可以实现单管半导体激光器 条形阵列的光束整形， 获得快轴和慢轴方向上对称的光斑， 并且通过一个阶 梯镜 30 实现了两列半导体激光器条形阵列的光纤耦合输出， 去掉了每个单 管半导体激光器之间的空隙， 本装置结构紧凑， 并且操作较为简便， 耦合效 率较高。 通过利用本发明实施例所提供的装置对线阵单管半导体激光器进行快慢 轴准直和光束整形， 其快轴和慢轴准直分别用快慢轴准直镜片完成， 快轴和 慢轴准直镜片可以都是利用柱透镜制作成的。 其位置关系是在靠近半导体激 光器出光面的位置依次放置快轴准直镜 311片和慢轴准直镜 312片， 快轴准 直镜 311片和慢轴准直镜 312片的距离很近， 两个镜片距离半导体激光器的 出光面也很近， 然后经过一个阶梯镜 30 的反射去掉单管半导体激光器中间 的空隙， 之后再经过聚焦耦合装置耦合进光纤。 本发明实施例所提供的装置 釆用一个新的快慢轴准直方法， 在靠近半导体激光器的输出面的位置用一片 快轴准直镜 311片对快轴方向上进行准直，之后经过一个阶梯镜 30去掉单管 半导体激光器之间的空隙， 经过反射获得快慢轴方向上对称的光束， 然后对 反射后的光束进行慢轴准直， 在阶梯镜 30 出光的位置加一片孔径较大的慢 轴准直镜 312片实现条形半导体激光器阵列的整体光束的慢轴准直， 该镜片 制作简易， 容易调焦， 并且成本较微型的慢轴准直镜 312片要低。 实施例 2 本发明实施例还提供了一种半导体激光器阵列的光纤耦合装置， 该半导 体激光器阵列的光纤耦合装置包括本发明实施例所提供的光束整形装置。 以 及激光显示光源模组， 包括本发明实施例所提供的光纤耦合装置或光束整形 装置。 实施例 3 本发明实施例还提供了一种激光显示设备， 该激光显示设备可以为激光 投影机或激光电视。 本发明实施例所提供的光束整形装置也可作为高功率单 管光纤耦合模块的方案。 图 8是根据本发明实施例的激光显示设备的示意图。 如图 8所示， 单管半导体激光器阵列 C发出的光束经过本发明实施例所 提供的光束整形装置 3之后， 直接提供给光机 5利用以投射到屏幕 6上。 通过阶梯镜的光束整形方案， 每个单管半导体激光器出射的光都是非常 不对称的椭圓光斑， 'I隻轴方向上光斑尺寸 4艮大， 快轴方向上尺寸 4艮小。 阶梯 镜 30由两部分组成， 与半导体激光器发光面成 45°夹角的是阶梯镜 30的反 射部分， 平行的部分的支持部分， 反射部分一般是镀膜实现反射， 支持部分 只是起到连接和支撑的作用。 本发明釆用在反射部分双面镀高反膜的方法， 可以用一个阶梯镜 30 实现两列单管半导体激光器的光束整形过程， 节省了 空间和成本， 便于装置的微型化， 并且使得光路调整更简单。 优选地， 对于本发明实施例所提供的光束整形装置， 单管半导体激光器 线阵在垂直于纸面方向上还可以再堆叠几层， 然后 4巴阶梯镜 30 加高， 这样 就可以实现阵列半导体激光器的光束整形。 实施例 4 本发明实施例还提供了一种半导体激光器阵列的光束整形方法， 该半导 体激光器阵列的光束整形方法包括： 通过多个快轴准直镜 311分别对单管半导体激光器阵列中各个单管发光 区发出的光进行快轴准直； 通过反射镜对快轴准直后的光进行反射， 得到反射光束； 以及 利用一个慢轴准直镜 312对反射光束进行慢轴准直。 在上述半导体激光器阵列的光束整形方法中， 由于在经过阶梯镜之后再 对光束进行慢轴准直， 因而不需要对每个单管半导体激光器都加一个慢轴准 直镜片，从而解决了光束整形装置调焦比较复杂的问题，进而能够降低成本， 并且使调焦更加简便。 实施例 5 本发明实施例还提供了一种半导体激光器阵列的光束整形装置， 该半导 体激光器阵列的光束整形装置包括阶梯镜 30、 单管半导体激光器阵列、 多个 快轴准直镜和两个' 1"曼轴准直镜。 阶梯镜 30包括： 多个反射部， 用于反射接收到的光； 以及 多个支持部， 分别用于连接所述多个反射部中的各个反射部， 其中， 在所述多个反射部的两侧均设置有反射膜以形成第一反光面和第 二反光面。 单管半导体激光器阵列包括： 第一单管半导体激光器阵列 A,其出光面对应于所述阶梯镜 30的第一反 光面； 以及 第二单管半导体激光器阵列 B,其出光面对应于所述阶梯镜 30的第二反 光面。 多个快轴准直镜， 设置于单管半导体激光器阵列和阶梯镜之间， 分别对 应于多个单管发光区。 两个慢轴准直镜，其中， 一个慢轴准直镜设置于阶梯镜的第一出光方向， 该第一出光方向为第一单管半导体激光器阵列 A发出的光经过阶梯镜 30的 第一反光面发射后的出光方向， 另一个慢轴准直镜设置于阶梯镜的第二出光 方向， 该第二出光方向为第二单管半导体激光器阵列 B发出的光经过阶梯镜 30的第二反光面发射后的出光方向。 在该半导体激光器阵列的光束整形装置中， 实现了通过一个阶梯镜对两 个单管半导体激光器阵列进行光束整形， 从而加大的简化了结构， 并且节约 了成本。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本 领域的技术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的 ^"神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims

权 利 要 求 书

1. 一种半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在于包括： 单管半导体激光器阵列， 包括多个单管发光区；

阶梯镜， 设置于所述单管半导体激光器阵列的发光面一侧， 包括 反射部， 用于反射来自所述单管半导体激光器阵列的光；

多个快轴准直镜， 设置于所述单管半导体激光器阵列和所述阶梯 镜之间， 分别对应于所述多个单管发光区； 以及

一个慢轴准直镜， 设置于所述阶梯镜的出光方向。

2. 根据权利要求 1所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 所述反射部为多个， 其中， 所述多个单管发光区中的每个单管发 光区分别对应所述多个反射部中的一个反射部， 并且所述多个反射部 中的每个反射部与其所对应的单管发光区成 45°夹角。

3. 根据权利要求 2所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 所述多个反射部中的每个反射部在所述多个单管发光区中的每个 单管发光区的发光面的投影长度分别等于与其对应的发光面的长度。

4. 根据权利要求 2所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 所述阶梯镜还包括多个支持部， 用于连接所述多个反射部， 其中， 所述多个支持部相互平行， 且所述多个反射部相互平行。

5. 根据权利要求 1所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 所述慢轴准直镜的宽度大于或等于所述阶梯镜在其出光方向的投 影宽度。

6. 根据权利要求 1所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 所述反射部的两侧均设置有反射膜以形成第一反光面和第二反光 面， 所述单管半导体激光器阵列包括：

第一单管半导体激光器阵列， 其发光面对应于所述阶梯镜的第一 反光面； 以及 第二单管半导体激光器阵列， 其发光面对应于所述阶梯镜的第二 反光面。

7. 根据权利要求 6所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 所述第一单管半导体激光器阵列和所述第二单管半导体激光器阵 列相互平行设置。

8. 根据权利要求 1所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 所述单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器线阵或单管半导 体激光器面阵。

9. 根据权利要求 8所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 在所述单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器线阵时， 所述 阶梯镜在所述单管半导体激光器线阵方向的投影长度等于所述单管半 导体激光器线阵的长度。

10. 根据权利要求 8所述的半导体激光器阵列的光束整形装置， 其特征在 于， 在所述单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器面阵时， 所述 阶梯镜在所述单管半导体激光器面阵方向的投影宽度等于所述单管半 导体激光器面阵的宽度。

11. 一种半导体激光器阵列的光束整形方法， 其特征在于包括：

通过多个快轴准直镜分别对单管半导体激光器阵列中各个单管发 光区发出的光进行快轴准直；

通过反射镜对快轴准直后的光进行反射， 得到反射光束； 以及 利用一个慢轴准直镜对所述反射光束进行慢轴准直。

12. 一种半导体激光器阵列的光纤耦合装置， 其特征在于包括权利要求 1 至 10中任一项所述的光束整形装置。

13. —种激光显示光源模组，其特征在于包括权利要求 12所述的光纤耦合 装置。

14. 一种激光显示设备，其特征在于包括权利要求 13所述的激光显示光源 模组。