专利名称：具有多刻面输出面的转换装置以及包含该转换装置的激光投影系统的制作方法
具有多刻面输出面的转换装置以及包含该转换装置的激光
投影系统
优先权本申请要求2008年2月29日提交的美国专利申请No. 12/072，981的优先权。
背景技术：
本发明一般涉及半导体激光器，更具体涉及具有多刻面输出面的波长转换装置以 及包含此类转换装置的激光投影系统。
发明内容
本发明一般涉及可在包括短波长源的激光投影系统中使用的半导体激光器、波长 转换装置以及其他光学部件。通过将诸如例如分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反 射镜(DBR)激光器或法布里-珀罗激光器之类的单波长半导体激光器与诸如例如二次谐波 产生(SHG)晶体之类的波长转换装置组合，可将短波长源配置用于激光投影系统。通过将 例如1060nm的DBR或DFB激光器调谐至诸如例如将波长转换成530nm的MgO掺杂的周期 性极化铌酸锂(PPLN)之类的SHG晶体的光谱中心，可将SHG晶体配置成产生基波激光信号 的高次谐波。当基波信号传播通过波长转换装置的波导区时，SHG晶体的输出会显著地受所产 生的杂光影响。更具体地，参照
图1和2，PPLN晶体或其他类型的波长转换装置10的几何 构造将通常限定由夹在两个低折射率包覆层14之间相对薄的一层周期性极化LiNbO3或其 他合适的二次谐波产生材料形成的波导区12。两条光学沟槽16在该器件的输入面11与 输出面13之间沿传播方向延伸，并通过帮助将传播模式限定到相对线性波导区12A中且限 制在波导区12的侧向平坦波导部分12B中传播而至波导区12的相对线性波导部分12A中 引导传播信号。通常，相对线性波导部分12A的尺寸在垂直方向上为几微米量级，且在侧向 上小于十微米，但可构想从这些基准的尺寸变化。除本文中描述的多刻面输出面13之外， 组装波长转换装置的各层以形成波长转换装置10的具体方式超出了本发明的范围。实际 上，包括相对线性波导部分12A和侧向平坦波导部分12B的各种常规和待开发波长转换装 置可用于实施本发明。在一些实施例中，低折射率包覆层14被附连至各个LiNbO3块。替 代的二次谐波产生材料包括例如其他合适的常规或有待开发的非线性光学材料、光子晶体 平板、手性材料等。本发明人已经认识到，在相对线性波导部分12A中传播的光通常遭受严重的散 射。如图2所示，大多数杂散光将从相对线性波导部分12A逃逸，但在侧向平坦波导部分 12B对中仍将保持大部分被捕获。因此，如图2中示意性示出，该波长转换装置的近场包括 由无散射地传播的光组成的明亮发光点15和由被散射和捕获到侧向平坦波导部分中的光 组成的侧向分布杂光17，在本文中也称为杂散光17。杂散光17的形状取决于光在波长转换装置10中传播的方式。当沿相对线性波导 部分12A传播的光信号被散射时，该光的一部分被转移至波导区12的侧向平坦波导部分12B中，在该部分中传播模式很少受限制。侧向区域中的有效折射率更接近装置10的松散 材料的有效折射率，该有效折射率有效地限定所有散射波同相的一个优先角。该角由以下 关系给出Cos θ = η eff/ η e 其中Θ是散射角，nEFF是相对线性波导部分12Α的有效折射率，而、是波导区 12的侧向平坦波导部分12B中的有效折射率。作为这种散射的结果，本发明人已经认识到波长转换装置10的典型远场包括几 个明确的侧向强度峰，每一个强度峰对应于相对线性波导区12A所支持的模式的散射角。 这些侧向强度峰会干扰许多短波长激光投影系统的性能。本发明人已经认识到用于减少这 些侧向强度峰在利用易受上述寄生或杂光影响的波长转换装置的激光投影系统中的影响 的可能有益方案。根据本发明的一个实施例，提供了包括激光源、波长转换装置以及束投影光学装 置的激光投影系统。波长转换装置的输出面包括多刻面输出面，该输出面包括核心刻面和 至少两个侧刻面。沿相对线性波导部分传播的光信号将遭受一定程度的散射，以限定与沿 输出面的核心刻面的波导区的相对线性波导部分大体对准的相对高强度光斑，以及与沿输 出面的侧刻面的波导区的侧向平坦波导部分大体对准的相对低强度侧向分布杂光。波长 转换装置的输出面的侧刻面被定向成将相对低强度的侧向分布杂光以与相对高强度光斑 通过核心刻面投影的方向不同的多个方向进行投影。此外，束投影光学装置被构造成区别 侧向分布的杂光和相对高强度光斑，利于将相对高强度的光信号向激光投影系统的像场投 影。根据本发明的另一实施例，提供了多刻面波长转换装置，且它们的使用领域不限 于激光投影系统。附图简述本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在 附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中图1是根据本发明的一个实施例的波长转换装置的示意图；图2是图1所示波长转换装置的输出面的示意图；图3是根据本发明的一个实施例的激光投影系统的示意图；图4-6是本发明的几个实施例的一些替代波长转换装置配置的示意图；以及图7A和7B是根据本发明的另一替代波长转换装置配置的俯视和侧视示意图。详细描述参照图1-3，可一般参照激光投影系统100来方便地说明本发明的概念，该激光投 影系统100包括波长转换装置10、激光源20以及束投影光学装置30，束投影光学装置30 包括例如准直透镜32和扫描反射镜34。激光源20可包括多种类型的半导体或非半导体 激光器中的任一种，包括上述那些激光器。同样，束投影光学装置30可具体化为从相对简 单到相对复杂的多种扫描和非扫描光学配置，包括例如双轴、万向节安装的MEMS扫描反射 镜34，其被配置成与激光源协作在激光投影系统100的像场中的投影屏40上产生二维单色 或多色扫描激光图像。还构想该束投影光学装置可被配置为诸如基于空间光调制器的系统 (包括数字光处理(DLP)、透射型LCD以及硅上液晶(LCOS)系统)的非扫描光学系统的一部分。半导体激光器20所发射的光束可以直接耦合到波长转换装置10的波导中，或可 通过准直和聚焦光学装置或某些其他合适类型的光学元件或光学系统耦合。波长转换装置 10将入射光转换成高次谐波并输出经转换的信号。如上所述，该配置在从较长波长的半导 体激光器产生较短波长的激光束时尤其有用，因而可被用作单色激光投影系统或多色RGB 激光投影系统的可见激光源。波长转换装置10包括输入面11、输出面13以及从输入面11延伸至输出面13的 上述波导区12。相对薄的波导区12夹在两个低折射率层14之间，以确保图2的垂直方向 上的光限制。两条光学沟槽16部分延伸入波导区12，以帮助在侧向上限制光并限定波导区 12的相对线性波导部分12A。通常，激光器20所发射的大部分光被耦合到相对线性波导部 分12A中并保持受 限制。然而，当光在相对线性波导部分12A中传播时，光的一部分通过非 线性光学效应被转换成较高频率。相对线性波导部分12A中的粗糙度和其他不规则和缺陷 产生频率经转换的光的散射，这导致一些功率从线性波导部分12A泄漏。低折射率层14限 制了相对线性波导部分12A两侧的侧向平坦波导部分12B中的大部分散射光。波长转换器 件10的输出处所得的近场图案包括与未被散射的光相对应的相对高强度光斑15和与散射 或杂散光相对应的相对低强度侧向分布光17。该杂散光的一个有趣的性质在于，该光在相对线性波导部分12A和侧向平面波导 部分12B中以不同速度传播，因为这两个波导部分具有不同结构。因此，该杂散光优先以对 应于散射光与传播到线性波导中的光同相的角的一个方向发射。该角由以下方程给出Cos θ = η EFF/ η E其中θ是晶松散材料内部的散射角，nEFF是相对线性波导部分12Α中的有效折射 率，nE是侧向平坦波导部分12B中的有效折射率，该折射率nE非常接近松散材料的折射 率。这些优先发射角产生一种远场图案，该远场图案包括由未被散射的光产生的主瓣和由 散射光产生的几个侧瓣。一个以上单侧瓣可见的事实是因为波导有时可支持具有不同有效 折射率(nEFF)的多个模式。通过采用典型波导材料和几何形状，优先散射角小于主瓣的角 宽度。因此，散射峰叠加在否则有用的主瓣上，从而难以利用例如装置远场中的空间滤波器 来滤除有用的未散射光中的杂光。如进一步参照图1和3所示，为帮助减轻与侧向分布寄生或杂散光17相关联的上 述问题，输出面13包括多个刻面，即核心刻面18和至少两个侧刻面19。相对高强度光斑 15沿核心刻面18对准，同时相对低强度的侧向分布杂光17沿侧刻面19对准。波长转换装 置的输出面的侧向刻面19被定向成将相对低强度的侧向分布杂光17以与相对高强度光斑 15通过核心刻面18投影的方向C1不同的多个方向Lp L2进行投影。给定每种类型光的这些不同投影，束投影光学装置30可被构造成区别侧向分布 杂光17与相对高强度光斑15，以利于将相对高强度光信号向激光投影系统100的像场中 的投影屏40投影。作为示例而非限制，可构想束投影光学装置30可被构造成通过对投影 的相对高强度光斑15作选择性反射(其示例在图3中进行说明)、对投影的相对高强度光 斑15选择性透射(其示例通过在图4中引入透射孔径50来说明)或对投影的杂光17作 选择性反射或吸收(其示例通过在图5中引入转向反射镜/吸收器52来说明)来区别侧 向分布的杂光17与相对高强度光斑15。
在图3所示实施例中，束投影光学装置30包括扫描反射镜34，该扫描反射镜34的 大小和位置被设计成利于反射从高强度光斑15投影的相对高强度光信号。通常，将准直镜 32定位得离波长转换器件10的输出面下游足够远，以确保侧向分布的杂光17的经准直部 分不会被扫描反射镜34反射。可构想，扫描反射镜34的大小和位置可以只使相对高强度 光信号被扫描反射镜34反射，但可容忍杂光和高强度光反射中的某种程度交叠。图1和4-7示出了多种构想的替代输出面配置，其中每种配置包括核心刻面18和 至少两个侧向刻面19。在图4中，侧向和核心刻面18、19相对于彼此定向成限定侧向分布 杂光和相对高强度光斑的侧向发散投影LpI^Clt5在图5中，侧向和核心刻面18、19定向成 限定侧向会聚投影LpI^Clt5在图6中，侧向和核心刻面18、19相对于彼此定向以限定平行 的共面投影L” L2，这些投影与相对高强度光斑的投-C1沿波导区的侧向维度有角度偏移。 在图7A和7B中，侧向和核心刻面18、19也相对于彼此定向以限定平行的共面投影Lp L2, 但图7A和7B的实施例与图6的实施例的不同之处在于，侧向和核心刻面18、19定向成使 侧向分布的杂光的共面投影U、L2与相对高强度光斑的投影C1沿波导区的垂直维度偏移。注意，本文对波导区12的“相对线性”波导部分12A的引用不旨在将波导部分12A 限定为完全线性。相反，应认识到“相对线性”波导部分12A将一定限定二维横截面，且因 此稍平坦。因此，在限定和描述本发明时，应当理解“相对线性”波导部分12A为线性的意 思是，波导部分12A的侧向尺寸比侧向平坦波导部分12B以及波长转换装置10的一些其他 部件的侧向尺寸更不重要。
注意，类似“优先”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不旨在限制要求 保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键的、必要的或甚至对要求保护的本发明的结 构或功能而言重要的。相反，这些术语仅旨在突出在本发明的具体实施例中可采用或可不 采用的替换的或附加的特征。为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“显著地”来表示可归因于任何数 量的比较、值、测量或其它表示的固有不确定程度。本文中还使用了术语“显著”以表示例 如“显著大于零”的量化表示与例如“零”的陈述基准相差的程度，而且应当被解释为要求 该量化表示与陈述基准相差容易辨别的量。此外，本文中对本发明的部件按照特定方式“被构造”或“被配置”以特定方式实 现具体特性或功能的陈述是相对于期望用途陈述的结构陈述。更具体地，本文对部件“被构 造”或“被配置”的方式的引用表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为部件的结构 特性的明确陈述。可以理解，本发明的以上详细描述旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质 和特性的概观或框架。对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范 围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因而，本发明旨在涵盖本发明的所有这些修改 和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中即可。
权利要求
1.一种包括激光源、波长转换装置以及束投影光学装置的激光投影系统，其特征在于所述波长转换装置包括输入面、输出面以及波导区，所述波导区从输入面延伸到输出 面且被限制在一对相对低折射率包覆层之间；所述波导区包括相对线性波导部分和通过沟槽与所述相对线性波导分离的一对侧向 平坦波导部分；所述波长转换装置的输出面包括多刻面输出面，所述多刻面输出面包括核心刻面和至 少两个侧向刻面；所述波导区被构造成使沿所述波导区从输入面传播到输出面的光信号将限定沿输出 面的核心刻面与相对线性波导部分大体对准的相对高强度光斑，且将遭受一定程度散射以 限定沿输出面的侧向刻面与侧向平坦波导部分大体对准的相对低强度侧向分布杂光；所述波长转换装置的输出面的侧向刻面定向成将相对低强度的侧向分布杂光以与相 对高强度光斑通过核心刻面投影的方向不同的多个方向投影；以及所述束投影光学装置被构造成区别侧向分布的杂光和相对高强度光斑，以利于将相对 高强度的光信号向激光投影系统的像场投影。
2.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核心 刻面相对于彼此定向成限定侧向分布的杂光和相对高强度光斑的侧向发散投影。
3.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核心 刻面相对于彼此定向成限定侧向分布的杂光和相对高强度光斑的侧向会聚投影。
4.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核心 刻面相对于彼此定向成限定侧向分布的杂光的平行共面投影。
5.如权利要求4所述的激光投影系统，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核心 刻面相对于彼此定向成使所述侧向分布的杂光的平行共面投影与所述相对高强度光斑的 投影沿所述波导区的侧向维度在角度上偏移。
6.如权利要求4所述的激光投影系统，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核心 刻面相对于彼此定向成使所述侧向分布的杂光的平行共面投影与所述相对高强度光斑的 投影沿所述波导区的垂直维度在角度上偏移。
7.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述束投影光学装置被构造成通 过所投影的相对高强度光斑的选择性反射来区别侧向分布的杂光和相对高强度光斑。
8.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述束投影光学装置被构造成通 过所投影的相对高强度光斑的选择性透射来区别侧向分布的杂光和相对高强度光斑。
9.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述束投影光学装置被构造成通 过所投影的杂光的选择性反射来区别侧向分布的杂光和相对高强度光斑。
10.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述束投影光学装置被构造成通 过所投影的杂光的选择性吸收来区别侧向分布的杂光和相对高强度光斑。
11.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述束投影光学装置包括扫描反 射镜，所述扫描反射镜的大小和位置被设计成有利于反射所述相对高强度光信号。
12.如权利要求11所述的激光投影系统，其特征在于，所述束投影光学装置包括扫描 反射镜，所述扫描反射镜的大小和位置被设计成仅反射所述相对高强度光信号。
13.如权利要求11所述的激光投影系统，其特征在于，所述束投影光学装置进一步包 括准直透镜，所述准直透镜定位成将从所述波长转换装置的输出面传播的发散或会聚光信 号准直。
14.如权利要求13所述的激光投影系统，其特征在于，所述准直透镜定位在所述波长 转换装置的输出面下游足够远处，以确保侧向分布的杂光的经准直部分不会被扫描反射镜 反射。
15.一种包括输入面、输出面以及波导区的波长转换装置，其特征在于所述波导区从所述输入面延伸至所述输出面，且被限制在一对相对低折射率包覆层之间；所述波导区包括相对线性波导部分和一对侧向平坦波导部分； 所述波长转换装置的输出面包括多刻面输出面，所述多刻面输出面包括核心刻面和至 少两个侧向刻面；所述波导区被构造成使沿波导区的相对线性波导部分传播的光信号将遭受一定程度 的散射，以限定沿波长转换装置的输出面的核心刻面与波导区的相对线性波导部分大体对 齐的相对高强度光斑，以及沿波长转换装置的输出面的侧向刻面与波导区的侧向平坦波导 部分大体对齐的相对低强度侧向分布杂光；所述波长转换装置的输出面的侧向刻面定向成将相对低强度的侧向分布的杂光以与 相对高强度光斑通过核心刻面投影的方向不同的多个方向进行投影。
16.如权利要求15所述的波长转换装置，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核 心刻面相对于彼此定向成限定侧向分布的杂光和相对高强度光斑的侧向发散投影。
17.如权利要求15所述的波长转换装置，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核 心刻面相对于彼此定向成限定侧向分布的杂光和相对高强度光斑的侧向会聚投影。
18.如权利要求15所述的波长转换装置，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核 心刻面相对于彼此定向成限定侧向分布的杂光的平行共面投影，且使所述侧向分布的杂光 的平行共面投影与所述相对高强度光斑的投影沿所述波导区的侧向维度在角度上偏移。
19.如权利要求15所述的波长转换装置，其特征在于，所述多刻面输出面的侧向和核 心刻面相对于彼此定向成限定侧向分布的杂光的平行共面投影，且使所述侧向分布的杂光 的平行共面投影与所述相对高强度光斑的投影沿所述波导区的垂直维度在角度上偏移。
20.一种包括激光源、波长转换装置以及束投影光学装置的激光投影系统，其特征在于所述波长转换装置包括输入面、输出面以及波导区，所述波导区从输入面延伸到输出 面且被限制在一对相对低折射率包覆层之间；所述波导区包括相对线性波导部分和一对侧向平坦波导部分； 所述波长转换装置的输出面包括多刻面输出面，所述多刻面输出面包括核心刻面和至 少两个侧向刻面；所述波导区被构造成使沿波导区的相对线性波导部分传播的光信号将遭受一定程度 的散射，以限定沿波长转换装置的输出面的核心刻面与波导区的相对线性波导部分大体对 齐的相对高强度光斑，以及沿波长转换装置的输出面的侧向刻面与波导区的侧向平坦波导 部分大体对齐的相对低强度侧向分布的杂光；所述波长转换装置的输出面的侧向刻面定向成将相对低强度的侧向分布的杂光以与 相对高强度光斑通过核心刻面投影的方向不同的多个方向进行投影；所述束投影光学装置被构造成区别侧向分布的杂光和相对高强度光斑，以利于将相对 高强度的光信号向激光投影系统的像场投影；所述多刻面输出面的侧向和核心刻面相对于彼此定向成限定侧向分布的杂光和相对 高强度光斑的侧向发散或侧向会聚投影，或限定与相对高强度光斑的投影沿波导区的侧向 或垂直维度在角度上偏移的侧向分布的杂光的平行共面投影；以及所述束投影光学装置被构造成通过所投影的相对高强度光斑的选择性反射或透射或 通过所投影的杂光的选择性透射、反射或吸收来区别侧向分布的杂光和相对高强度光斑。
全文摘要
本发明一般涉及多刻面波长转换装置以及包含该波长转换装置的激光投影系统。
文档编号G02B27/09GK102007771SQ200980114487
公开日2011年4月6日 申请日期2009年2月24日 优先权日2008年2月29日
发明者J·高里尔 申请人:康宁股份有限公司