[发明专利]一种用于激光显示的红光半导体面阵光源装置

说明书

技术领域

本发明属于激光显示用半导体激光器光源领域，尤其涉及一种用于激光显示的红光半导体面阵光源装置及其制作方法。

背景技术

目前以半导体激光器为光源的激光显示，由于其色域大、色彩丰富、色饱和度高、表现力强；光源寿命长达几万小时；功耗低，被视为色彩革命的第四代显示技术，被称为“人类视觉史上革命”。相对固体激光器，其体积紧凑，受温度影响小等。随着直接激射的绿光半导体激光器LD的商业化，便携的(紧凑)、高效的激光显示系统将会抢占家庭影院、微型投影显示、激光电视等市场。

尽管LD可以直接调制，发射波长可以随着PN结的温度改变，激射功率也会发生改变，这样会使R、G、B色彩配比发生变化，使画面色彩失真，所以需要对LD精确的温度控制。

另外，LD输出功率有限以及激射光斑为椭圆形状。为获得高功率输出，通常采用列阵输出，但列阵组合的密集程度受到LD热效应的限制，对封装及散热提出了要求。阵列封装导致输出光束的填充因子降低，且由于激光巴条与热沉CTE热系数不匹配，导致输出光束产生“Smile”效应。需要对光束实现长轴准直、慢轴准直等。

激光器作为激光投影显示的最核心的部件之一，光源类型不同，决定了其激光显示系统的光学部分也不一样。其中，采用全固体激光器，样机尺寸偏大，光能利用率偏低。而采用半导体激光器，其结构可以简化一些，光能利用率相对有提高。

目前，基于光调制器的新型激光投影显示系统，其三色激光光源，分别为红光LD阵列，蓝光LD阵列，绿色全固体激光器。该投影显示系统体积都相对比较大，尤其是绿光全固体激光器；同样采用多个单管LD封装为面阵红、蓝光LD阵列，其封装尺寸偏大；及其为实现光束的长短轴准直，采用的光束整形的透镜数目偏多；为实现光斑的均匀一致性，在照明光路中采用的匀光镜片数目较多；且为消弱散斑在光路中加入散射片，每个镜片都有一定的能量损耗，最后到达调制器上的光能量偏低，进而导致整个投影显示系统的光能利用率偏低。

另外，在激光投影显示系统中，消相干的设计也十分必要。由于激光的单色性好，有较长的相干长度。因此若不采取消相干措施，投影系统各光学表面将产生各种干涉效应，形成大量的背景杂散干涉条纹与散斑噪声。为了提高激光投影显示的图像质量，去除相干噪声，应设计合适的消相干器件。目前，通常采用的消相干措施为：在光路中加旋转的散射片，来减少激光投影系统中的复合散斑，缺点是会使系统体积增加不少；利用屏幕消散斑可以实现较好的消散斑效果，但是生产成本太高，而且目前国内不能加工，实用性受到很大限制。当然，如果能从光源部分消散斑的话，优点是可以完全根除散斑，缺点是技术上实现难度大。

综上所述，为解决在激光投影显示系统面临的上述技术瓶颈，激光光源体积偏大，光束整形难、匀光系统复杂，消相干效果不理想，投影显示光学系统体积大，光能利用率偏低，功耗大等，阻碍激光显示真正走向市场。因此，目前迫切需要从显示用的红、绿、蓝三基色激光光源角度来讲，提高激光器输出光束的准直性，简化输出光束整形，提高光束均匀性，及从光源结构上实现消散斑，进而简化投影显示光学系统的结构，缩小光学系统体积，提高光能利用率。

发明内容

本发明要解决现有激光投影显示系统，由于激光光源体积偏大，输出光束整形难、匀光系统复杂，消相干效果不理想，投影显示光学系统体积大，光能利用率偏低，功耗大，以及激光干涉性强导致形成散斑等问题。

为此，本发明公开了一种用于激光显示的红光半导体面阵光源装置，其包括VCSEL面阵和微透镜阵列；其中，所述VCSEL面阵至少包括多个VCSEL单元，所述VCSEL单元用于发出圆化激光光束；所述微透镜阵列由多个微透镜构成，用于对所述VCSEL面阵输出的激光光束进行准直圆化后输出。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

与其它用于激光显示的光源相比，无需激光晶体、倍频晶体和其它复杂的光学系统，结构简单，可靠性高，体积小，功耗低。

采用面阵列光源封装技术可以通过增加单个激光器个数实现任意功率，从而降低对单个激光器激射功率的要求；采用VCSEL，易于集成二维阵列，可以弥补单管发射功率不足的缺点；VCSEL，可在片测试，极大降低成本，并且容易模块化和封装。

VCSEL具有较小的远场发散角，光束质量好，发出圆形对称高斯光束，只需简单整形即可。而传统的边发射激光器发出的光束是带像散的椭圆高斯光束，需要复杂、昂贵的光束整形系统。