專利名稱：光整形裝置和激光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種光整形裝置和利用該光整形裝置來輸出特定形狀光斑的激光光源
背景技術(shù)：
目前，激光被應(yīng)用于多種場合，例如光刻、投影顯示等。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，往往需要激光光源出射一個(gè)均勻的特定形狀的光斑。例如在美國專利US7547114中公開了一種投影顯示光源，它利用激發(fā)光來激發(fā)一個(gè)熒光粉色輪來交替產(chǎn)生各單色光。在該光源中，激發(fā)光照射到熒光粉色輪上的光斑的形狀最好是長寬比為4 : 3或16 : 9的長方形，因?yàn)檫@個(gè)形狀與投影顯示后端的光閥的形狀相同，這時(shí)照射在熒光粉上的激發(fā)光的局部能量密度最低，因此可以實(shí)現(xiàn)熒光轉(zhuǎn)化效率的最大化。在光刻、激光顯影等領(lǐng)域同樣有類似的需求。 同時(shí)，由于不同的投影機(jī)的光機(jī)設(shè)計(jì)不同，而且光閥的尺寸也不同，因此在這些光機(jī)中的激發(fā)光照射到熒光粉色輪上的光斑的尺寸要求也是不同的。例如，兩臺(tái)投影機(jī)分別使用O. 55英寸和O. 45英寸的光閥，則兩臺(tái)投影機(jī)內(nèi)激光光斑的形狀都是4 3的長方形，但尺寸不同。因此如果激光光斑的尺寸可以自由的調(diào)節(jié)同時(shí)保持形狀不變，則可以適應(yīng)各種應(yīng)用的需要。然而，根據(jù)激光原理的理論可以知道，一般的激光光源發(fā)射出的激光光束的截面的光分布都是近似高斯分布的，光強(qiáng)的角分布也同樣是高斯分布，這顯然不能很好的滿足上述的應(yīng)用對(duì)于激光光斑的需求。為了解決這個(gè)問題，人們提出多種為激光光束整形的方法。最常用的方法是如中國專利200510071783提到的，使用一片或一對(duì)復(fù)眼透鏡(fly’ s eye lens)對(duì)將近平行的入射激光光束分成多個(gè)子光束，再使多個(gè)子光束分別經(jīng)過該一片或一對(duì)復(fù)眼透鏡光路后端的成像透鏡在屏幕上成相互重疊的像，每一個(gè)子光束的成像的形狀都與復(fù)眼透鏡對(duì)中第一片復(fù)眼透鏡的單元形狀相同。這個(gè)方法很好的解決了激光光束的整形問題，但是利用這個(gè)方法無法實(shí)現(xiàn)激光光斑尺寸的調(diào)整。也就是說，一旦該光學(xué)系統(tǒng)中各元件加工完成，激光光斑的尺寸就確定了 ；當(dāng)需要其它尺寸的光斑時(shí)，必須重新加工這些元件。中國專利200410014127公開了對(duì)激光進(jìn)行整形的另一種方案，它利用將聚焦透鏡表面的曲面磨平加工來實(shí)現(xiàn)對(duì)原有聚光光場的發(fā)散，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整形。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于裝置簡單易行，成本低廉，但是這種方法也不能實(shí)現(xiàn)光斑尺寸的調(diào)整。因此，需要一種新的激光光斑整形方案來克服上述的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的主要技術(shù)問題是提出一種光整形裝置，解決了現(xiàn)有的光整形裝置不能自由的調(diào)整光斑尺寸的問題。本發(fā)明提出一種光整形裝置，用于將入射光聚焦于一個(gè)特定的聚焦平面上并形成特定形狀的光斑，包括聚焦部件，該聚焦部件用于將入射光會(huì)聚于聚焦平面上；還包括至少一個(gè)位于聚焦部件和聚焦平面的光路之間的第一弧面鏡陣列，該第一弧面鏡陣列包括多個(gè)并排排列的第一弧面鏡單元，該第一弧面鏡單元用于將從聚焦部件出射的入射于該第一弧面鏡單元的光投射到聚焦平面上形成與該第一弧面鏡單元對(duì)應(yīng)的子光斑。其中子光斑的外形與其對(duì)應(yīng)的第一弧面鏡單元的外形為相似形。本發(fā)明還提出一種激光光源，包括用于發(fā)射激光的激光發(fā)射源，還包括上述的光整形裝置，該光整形裝置用于將激光聚焦于一個(gè)特定的聚焦平面上并形成特定形狀的光斑。在本發(fā)明的光整形裝置和激光光源中，利用弧面鏡陣列將從聚焦部件出射的光分別在聚焦平面上形成特定形狀的光斑，從而實(shí)現(xiàn)了光斑的整形；同時(shí)由于光斑尺寸與弧面鏡陣列的位置有關(guān)，因此可以通過調(diào)整弧面鏡陣列的位置來實(shí)現(xiàn)光斑尺寸的調(diào)控。


圖Ia是本發(fā)明的第一實(shí)施例的示意圖； 圖Ib是本發(fā)明的第一實(shí)施例的光整形裝置中的第一弧面鏡陣列的三維視圖；圖2a是本發(fā)明的光整形裝置的工作原理的示意圖；圖2b是本發(fā)明的光整形裝置的工作原理的三維視圖；圖2c是本發(fā)明的光整形裝置的另一種可能的工作原理；圖3a是本發(fā)明第二實(shí)施例的示意圖；圖3b是本發(fā)明第二實(shí)施例的光整形裝置中的第一弧面鏡陣列的正視圖；圖4是本發(fā)明第三實(shí)施例的示意圖；圖5a和5b是本發(fā)明的投影顯示裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出一種光整形裝置，用于將入射光聚焦于一個(gè)特定的聚焦平面上并形成特定形狀的光斑；該光整形裝置包括聚焦部件，該聚焦部件用于將入射光會(huì)聚于聚焦平面上；還包括至少一個(gè)位于聚焦部件和聚焦平面的光路之間的弧面鏡陣列，該弧面鏡陣列包括多個(gè)并排排列的弧面鏡單元，該弧面鏡單元用于將從聚焦部件出射的入射于該弧面鏡單元的光投射到聚焦平面上形成與該弧面鏡單元對(duì)應(yīng)的子光斑。其中，子光斑的外形與其對(duì)應(yīng)的弧面鏡單元的外形為相似形。下面根據(jù)具體的實(shí)施例來進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明的第一實(shí)施例的光整形裝置如圖Ia所示。其中，待整形的入射光的光線由llla、lllb、lllc和Illd來表示，這些入射光線入射于聚焦部件101上。在本實(shí)施例中，聚焦部件是一個(gè)凸透鏡101，入射光線111a、111b、Illc和11 Id經(jīng)過該凸透鏡101的折光作用會(huì)向一個(gè)共同的匯聚點(diǎn)104行進(jìn)并分別形成光線112a、112b、112c和112d。匯聚點(diǎn)104位于該光整形裝置的聚焦平面上。值得注意的是，此處的凸透鏡只是聚焦部件的一種形式的舉例，并不對(duì)聚焦部件構(gòu)成限制。可以理解，多片透鏡組成的透鏡組，或反射罩等光學(xué)部件，都可以起到使入射光聚焦的作用。這是現(xiàn)有技術(shù)，此處不贅述。在本實(shí)施例中，還包括弧面鏡陣列102，該弧面鏡陣列102包括多個(gè)并排排列的弧面鏡單元102a。該弧面鏡陣列102的三維視圖如圖Ib所示。如圖Ia所示，光線112a和光線112b入射于弧面鏡陣列102上的一個(gè)弧面鏡單元上，并經(jīng)過該弧面鏡單元折射而形成光線114a和114b。光線114a和114b會(huì)聚后再次發(fā)散，并在聚焦平面上形成光斑103。根據(jù)成像光學(xué)的知識(shí)可知，該光斑103以光線112a和112b的匯聚點(diǎn)104為中心在本實(shí)施例中，每一個(gè)弧面鏡陣列單元102a的外形都是正方形，因此從每一個(gè)弧面鏡陣列發(fā)出的光的光強(qiáng)角分布都是方錐的形狀；根據(jù)仿射幾何的知識(shí)可以知道，光斑103的外形與其對(duì)應(yīng)的弧面鏡單元的外形為相似形；因此入射于聚焦平面上的光斑103的外形也是正方形的，再考慮另外兩條光線112c和112d，這兩條光線組成的光束入射于弧面鏡陣列102的另一個(gè)弧面鏡單元表面，并經(jīng)過其折射分別 形成光線114c和114d ;與光線114a和114b相似的，光線114c和114d所形成的子光斑同樣以112c和112d的匯聚點(diǎn)104為中心。在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選的方案，弧面鏡陣列102上的每一個(gè)弧面鏡單元102a的外形全等，因此由光線114c和114d形成的子光斑與由光線114a和114b形成的子光斑外形相同，進(jìn)而這兩個(gè)子光斑相互重合。依次類推，每一個(gè)弧面鏡單元都形成各自的子光斑，這些子光斑的形狀都相同，而且都以匯聚點(diǎn)104為中心，因此這些子光斑相互重合，共同構(gòu)成了聚焦平面上的光斑?？梢岳斫?，雖然每一個(gè)子光斑的光分布都不是均勻的，但是多個(gè)子光斑相互疊加后其不均勻性會(huì)相互抵銷進(jìn)而可以得到一個(gè)均勻的光斑，該光斑的外形與弧面鏡單元的外形是相似形。下面具體的解釋本發(fā)明中弧面鏡單元的工作原理，如圖2a所示。透鏡202a代表弧面鏡陣列中的一個(gè)弧面鏡單元，近似于平行的入射光經(jīng)過該弧面鏡單元202a的折射后聚焦于該弧面鏡單元的焦點(diǎn)A上，然后再次發(fā)散并入射與聚焦平面上形成子光斑203。設(shè)該弧面鏡單元202a的口徑是D，焦距是f，該弧面鏡單元202a到聚焦平面的距離為L，則根據(jù)相似三角形的等比例原理可知，光斑203的尺寸d等于d = y-(L-f)(I)由此可知，如果弧面鏡單元的外形和曲率不變，即口徑D和焦距f是常數(shù)，則光斑203的尺寸d與距離L有關(guān)。也就是說，通過調(diào)節(jié)弧面鏡單元的位置，就可以實(shí)現(xiàn)在聚焦平面上的光斑的尺寸的調(diào)節(jié)，而不需要重新加工新的弧面鏡陣列。因此，對(duì)于某些需要在使用中調(diào)節(jié)光斑尺寸的應(yīng)用，或者需要這個(gè)光源可以適應(yīng)多種對(duì)光板尺寸要求不同的應(yīng)用，則在本實(shí)施例中還包括一個(gè)調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)弧面鏡陣列到聚焦平面之間的距離。這種調(diào)節(jié)可以使用多種方法實(shí)現(xiàn)，例如移動(dòng)馬達(dá)、手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置等，這是現(xiàn)有技術(shù)，此處不贅述。圖2a中使用二維的形式表示了弧面鏡單元的工作原理，圖2b則使用三維視圖的形式予以更清晰的表示，其中兩個(gè)相鄰的弧面鏡單元202a和202b分別將入射與其上的光束聚焦后在發(fā)散的投射與聚焦平面上形成各自的子光斑，這兩個(gè)子光斑相互重合的疊加成為光斑203。在圖2a和2b中，弧面鏡單元都是將入射光先聚焦于一點(diǎn)后在使其發(fā)散，然后入射于聚焦平面，圖2c則表示了另外一種方式。其中入射光線經(jīng)過弧面鏡單元222a折射后直接投射于聚焦平面上形成光斑203，該弧面鏡單元222a的焦點(diǎn)在聚焦平面的光路后端的A位置。與圖2a表示的光路相比，在該方案中弧面鏡單元222a的焦距更大，但是可以理解，這同樣可以實(shí)現(xiàn)與圖2a相同的光斑整形的目的，只不過在這個(gè)方案中f > L，因此在這個(gè)方案中光斑203的尺寸d表示為
權(quán)利要求
1.一種光整形裝置，用于將入射光聚焦于一個(gè)特定的聚焦平面上并形成特定形狀的光斑，其特征在于，包括 聚焦部件，該聚焦部件用于將所述入射光會(huì)聚于所述聚焦平面上； 至少一個(gè)位于所述聚焦部件和所述聚焦平面的光路之間的第一弧面鏡陣列，該第一弧面鏡陣列包括多個(gè)并排排列的第一弧面鏡單元，該第一弧面鏡單元用于將從聚焦部件出射的入射于該第一弧面鏡單元的光投射到所述聚焦平面上形成與該第一弧面鏡單元對(duì)應(yīng)的子光斑； 所述子光斑的外形與其對(duì)應(yīng)的第一弧面鏡單元的外形為相似形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光整形裝置，其特征在于，第一弧面鏡陣列上每一個(gè)第一弧面鏡單元的外形全等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光整形裝置，其特征在于，第一弧面鏡陣列上每一個(gè)第一弧 面鏡單元的曲率相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光整形裝置，其特征在于，所述第一弧面鏡單元的弧面是球面或非球面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光整形裝置，其特征在于，所述第一弧面鏡單元的外形是正方形或長方形或正六邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光整形裝置，其特征在于，多個(gè)所述第一弧面鏡單元周期性緊密排列形成第一弧面鏡陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任意一項(xiàng)所述的光整形裝置，其特征在于，還包括調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)所述第一弧面鏡陣列到聚焦平面之間的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光整形裝置，其特征在于，所述第一弧面鏡單元的外形是沿著第一方向延伸的柱面，多個(gè)所述第一弧面鏡單元沿垂直于第一方向的方向并排排列形成第一弧面鏡陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光整形裝置，其特征在于，還包括位于聚焦部件與第一弧面鏡陣列的光路之間的第二弧面鏡陣列，該第二弧面鏡陣列包括多個(gè)并排排列的第二弧面鏡單元，所述第二弧面鏡單元的外形是沿著垂直于第一方向的方向延伸的柱面，多個(gè)所述第二弧面鏡單元沿第一方向并排排列形成第二弧面鏡陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光整形裝置，其特征在于，所述第一弧面鏡單元沿著垂直于第一方向的方向的寬度與第二弧面鏡單兀沿著第一方向的寬度不同。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光整形裝置，其特征在于，所述第一弧面鏡陣列與所述第二弧面鏡陣列是一體成型的，分別位于同一個(gè)光學(xué)元件的兩個(gè)表面上。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光整形裝置，其特征在于，所述聚焦部件和第一弧面鏡陣列是一體成型的，分別位于同一個(gè)光學(xué)元件的兩個(gè)表面上。
13.—種光整形裝置，用于將入射光聚焦于一個(gè)特定的聚焦平面上并形成特定形狀的光斑，其特征在于，包括 聚焦部件，該聚焦部件用于將所述入射光會(huì)聚于所述聚焦平面上； 位于所述聚焦部件和所述聚焦平面的光路之間的光錐角度控制膜，該光錐角度控制膜包括微結(jié)構(gòu)面，該微結(jié)構(gòu)面包括多個(gè)微結(jié)構(gòu)；該光錐角度控制膜利用從聚焦部件出射的光在不同的微結(jié)構(gòu)上具有不同的入射角來控制從該光錐角度控制膜出射的折射光的光錐角度分布。
14.一種激光光源，其特征在于，包括 用于發(fā)射激光的激光發(fā)射源； 根據(jù)權(quán)利要求I至13中任意一項(xiàng)所述的光整形裝置，該光整形裝置用于將所述激光聚焦于一個(gè)特定的聚焦平面上并形成特定形狀的光斑。
15.一種投影顯示裝置，其特征在于，包括 用于發(fā)射激發(fā)光的激發(fā)光源； 包括至少一種波長轉(zhuǎn)換材料的波長轉(zhuǎn)換層，所述激發(fā)光入射于該波長轉(zhuǎn)換層并形成激發(fā)光斑，該波長轉(zhuǎn)換層吸收入射的激發(fā)光并發(fā)射受激光； 位于所述激發(fā)光源與所述波長轉(zhuǎn)換層的光路之間的根據(jù)權(quán)利要求I至13中任意一項(xiàng)所述的光整形裝置，用于對(duì)所述激發(fā)光斑進(jìn)行整形使其形狀具有一極性方向； 用于接收并調(diào)制所述受激光或所述激發(fā)光和所述受激光的混合光的光閥，該光閥具有光調(diào)制區(qū)，該光調(diào)制區(qū)的外形為長方形； 位于所述波長轉(zhuǎn)換層與所述光閥的光路之間的用于將從波長轉(zhuǎn)換層出射的光投射到所述光閥的光調(diào)制區(qū)的中繼系統(tǒng)，該中繼系統(tǒng)包括用于接收波長轉(zhuǎn)換層發(fā)出的光的光入Π ； 所述光閥的光調(diào)制區(qū)在所述中繼系統(tǒng)的光入口端的共軛面上的像的長邊方向，與所述激發(fā)光斑的極性方向平行。
全文摘要
本發(fā)明提出一種光整形裝置，用于將入射光聚焦于一個(gè)特定的聚焦平面上并形成特定形狀的光斑；包括聚焦部件，還包括位于聚焦部件和聚焦平面的光路之間的弧面鏡陣列，該弧面鏡陣列包括多個(gè)弧面鏡單元，該弧面鏡單元用于將從聚焦部件出射的入射于該弧面鏡單元的光投射到聚焦平面上形成與該弧面鏡單元對(duì)應(yīng)的子光斑。其中子光斑的外形與其對(duì)應(yīng)的弧面鏡單元的外形為相似形。本發(fā)明還提出一種激光光源，包括上述的光整形裝置，來將激光聚焦于一個(gè)特定的聚焦平面上并形成特定形狀的光斑。在本發(fā)明的光整形裝置和激光光源中，利用弧面鏡陣列將從聚焦部件出射的光分別在聚焦平面上形成特定形狀的光斑，從而實(shí)現(xiàn)了光斑的整形。
文檔編號(hào)F21V9/10GK102722027SQ20121002646
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者胡飛 申請(qǐng)人:深圳市光峰光電技術(shù)有限公司