CN102156352A - 光束整形方法和装置及激光显示光源模组和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光束整形方法和装置及激光显示光源模组和设备。其中，该光束整形装置包括阶梯镜、第一单管半导体激光器阵列和第二单管半导体激光器阵列，其中，阶梯镜包括：多个反射部，用于反射接收到的光；以及多个支持部，分别用于连接多个反射部中的各个反射部，其中，在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，第一单管半导体激光器阵列的出光面对应于阶梯镜的第一反光面；第二单管半导体激光器阵列的出光面对应于阶梯镜的第二反光面。通过本发明，能够充分利用有效的空间完成光束整形以及简化结构。

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***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方向上发散角很小，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。该半导体激光器光束整形装置主要采用梯形镜实现对单管半导体激光器阵列的光束整形，但是此专利中梯形镜的设计太过简单，这能对单侧的半导体激光器进行光束整形，没有充分利用有效的空间完成光束整形过程。

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阶梯镜、第一单管半导体激光器阵列和第二单管半导体激光器阵列，其中，阶梯镜包括：多个反射部，用于反射接收到的光；以及多个支持部，分别用于连接多个反射部中的各个反射部，其中，在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，第一单管半导体激光器阵列的出光面对应于阶梯镜的第一反光面；第二单管半导体激光器阵列的出光面对应于阶梯镜的第二反光面。

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：通过阶梯镜的第一反光面反射来自第一单管半导体激光器阵列的光；以及通过阶梯镜的第二反光面反射来自第二单管半导体激光器阵列的光；其中，阶梯镜包括：多个反射部，用于反射接收到的光；以及多个支持部，分别用于连接多个反射部中的各个反射部，其中，在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。

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，根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，采用包括以下部分的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、第一单管半导体激光器阵列和第二单管半导体激光器阵列，其中，阶梯镜包括：多个反射部，用于反射接收到的光；以及多个支持部，分别用于连接多个反射部中的各个反射部，其中，在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，第一单管半导体激光器阵列的出光面对应于阶梯镜的第一反光面；第二单管半导体激光器阵列的出光面对应于阶梯镜的第二反光面，能够通过一个阶梯镜实现对两侧的半导体激光器阵列进行光束整形，解决了现有技术中的不能够充分利用有效的空间完成光束整形的问题，进而达到了充分利用有效的空间完成光束整形以及简化结构的效果。

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是根据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；

图4是根据本发明实施例的阶梯镜的示意图；

图5是根据本发明实施例的慢轴准直透镜的示意图；

图6是根据本发明实施例的聚焦透镜的示意图；以及

图7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是根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。

如图3所示，该半导体激光器阵列的光束整形装置包括：阶梯镜30、第一单管半导体激光器阵列A和第二单管半导体激光器阵列B，其中，阶梯镜30包括：多个反射部301(如图4所示)，用于反射接收到的光；以及多个支持部302(如图4所示)，分别用于连接多个反射部301中的各个反射部，其中，在多个反射部301的两侧均设置有反射膜以形成第一反光面和第二反光面，第一单管半导体激光器阵列A的出光面对应于阶梯镜的第一反光面；第二单管半导体激光器阵列B的出光面对应于阶梯镜30的第二反光面。

在上述的半导体激光器阵列的光束整形装置中，由于在阶梯镜的反射部的两面均设置有反射膜以形成第一反光面和第二反光面，因而，阶梯镜能够同时反射来自第一单管半导体激光器阵列和第二单管半导体激光器阵列的光，从而在需要对来自两个单管半导体激光器阵列或两个以上的单管半导体激光器阵列的光进行发射时，能够利用同一个阶梯镜实现对两侧的半导体激光器进行光束整形，从而能够充分利用有效的空间完成光束整形过程，简化结构。

优选地，第一单管半导体激光器阵列A和第二单管半导体激光器阵列B均包括多个单管发光区，半导体激光器阵列的光束整形装置还包括：

多个快轴准直镜311，设置于第一单管半导体激光器阵列A和阶梯镜30之间以及多个快轴准直镜321，第二单管半导体激光器阵列B和阶梯镜30之间，并分别对应于第一单管半导体激光器阵列A的多个单管发光区和第二单管半导体激光器阵列B的多个单管发光区；

第一慢轴准直镜312，设置于阶梯镜30的第一出光方向；以及

第二慢轴准直镜322，设置于阶梯镜30的第二出光方向。

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，第一单管半导体激光器阵列A的多个单管发光区和第二单管半导体激光器阵列B的多个单管发光区均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。

优选地，多个反射部中的每个反射部在第一单管半导体激光器阵列A的多个单管发光区和第二单管半导体激光器阵列B的多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。

优选地，慢轴准直镜312或322的宽度大于或等于阶梯镜30在其出光方向的投影宽度。

优选地，第一慢轴准直镜312和第二慢轴准直镜322的入光面相互平行设置。通过将第一慢轴准直镜312和第二慢轴准直镜322的入光面设置为平行结构，有利于更好地简化结构以及有利于慢轴准直镜的调焦。

优选地，第一单管半导体激光器阵列A为单管半导体激光器线阵或单管半导体激光器面阵；且第二单管半导体激光器阵列B为单管半导体激光器线阵或单管半导体激光器面阵。

优选地，在第一单管半导体激光器阵列A为单管半导体激光器线阵时，阶梯镜30在第一单管半导体激光器线阵方向的投影长度等于第一单管半导体激光器线阵的长度，在第二单管半导体激光器阵列B为单管半导体激光器线阵时，阶梯镜30在第二单管半导体激光器线阵方向的投影长度等于第二单管半导体激光器线阵的长度。此时，通过阶梯镜30的反射，能够很好地消除单管半导体激光器线阵所发出的激光的间隙。

优选地，在第一单管半导体激光器阵列A为单管半导体激光器面阵时，阶梯镜在第一单管半导体激光器面阵方向的投影宽度等于第一单管半导体激光器面阵的宽度；在第二单管半导体激光器阵列B为单管半导体激光器面阵时，阶梯镜在第二单管半导体激光器面阵方向的投影宽度等于第二单管半导体激光器面阵的宽度。此时，通过阶梯镜30的反射，能够很好地消除单管半导体激光器面阵所发出的激光的间隙。

此外，通过采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，采用微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，慢轴准直镜312或322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或322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或322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。

如图3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线阵面阵，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4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5是慢轴准直镜312，图6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采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7是根据本发明实施例的激光显示设备的示意图。

如图7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圆光斑，慢轴方向上光斑尺寸很大，快轴方向上尺寸很小。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。本发明采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，然后把阶梯镜30加高，这样就可以实现阵列半导体激光器的光束整形。

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：

通过阶梯镜的第一反光面反射来自第一单管半导体激光器阵列的光；以及

通过阶梯镜的第二反光面反射来自第二单管半导体激光器阵列的光；

其中，所述阶梯镜包括：

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所述第一反光面

和所述第二反光面。

在上述的半导体激光器阵列的光束整形方法中，由于利用阶梯镜同时反射来自第一单管半导体激光器阵列和第二单管半导体激光器阵列的光，从而在需要对来自两个单管半导体激光器阵列或两个以上的单管半导体激光器阵列的光进行发射时，能够利用同一个阶梯镜实现对两侧的半导体激光器进行光束整形，从而能够充分利用有效的空间完成光束整形过程，简化结构。

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。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

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：

阶梯镜，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，

第一单管半导体激光器阵列，其出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，其出光面对应于所述阶梯镜的第二反光面。

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均包括多个单管发光区，所述半导体激光器阵列的光束整形装置还包括：

多个快轴准直镜，设置于所述第一单管半导体激光器阵列和所述阶梯镜之间以及所述第二单管半导体激光器阵列和所述阶梯镜之间，并分别对应于所述第一单管半导体激光器阵列的多个单管发光区和所述第二单管半导体激光器阵列的多个单管发光区；

第一慢轴准直镜，设置于所述阶梯镜的第一出光方向；以及

第二慢轴准直镜，设置于所述阶梯镜的第二出光方向。

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，所述第一单管半导体激光器阵列的多个单管发光区和所述第二单管半导体激光器阵列的多个单管发光区均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，其中，所述多个反射部中的每个反射部在所述第一单管半导体激光器阵列的多个单管发光区和所述第二单管半导体激光器阵列的多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，所述多个支持部相互平行，且所述多个反射部相互平行，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，所述第一慢轴准直镜和所述第二慢轴准直镜的入光面相互平行设置。

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，所述第一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；且所述第二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，

在所述第一单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器线阵时，所述阶梯镜在所述第一单管半导体激光器线阵方向的投影长度等于所述第一单管半导体激光器线阵的长度，在所述第二单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器线阵时，所述阶梯镜在所述第二单管半导体激光器线阵方向的投影长度等于所述第二单管半导体激光器线阵的长度。

在所述第一单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器面阵时，所述阶梯镜在所述第一单管半导体激光器面阵方向的投影宽度等于所述第一单管半导体激光器面阵的宽度；在所述第二单管半导体激光器阵列为单管半导体激光器面阵时，所述阶梯镜在所述第二单管半导体激光器面阵方向的投影宽度等于所述第二单管半导体激光器面阵的宽度。

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。

7.一种半导体激光器阵列的光束整形方法，其特征在于包括：

通过阶梯镜的第一反光面反射来自第一单管半导体激光器阵列的光；以及

通过阶梯镜的第二反光面反射来自第二单管半导体激光器阵列的光；

其中，所述阶梯镜包括：

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所述第一反光面和所述第二反光面。

8.一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6中任一项所述的光束整形装置。

9.一种激光显示光源模组，其特征在于包括权利要求8所述的光纤耦合装置。

10.一种激光显示设备，其特征在于包括权利要求9所述的激光显示光源模组。

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