CN1982946B

CN1982946B - 激光显示设备

Info

Publication number: CN1982946B
Application number: CN2006101215627A
Authority: CN
Inventors: 河镜虎
Original assignee: Samsung LED Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2026-08-22
Also published as: US7336686B2; JP2007164163A; KR20070063188A; CN1982946A; JP4586010B2; US20070133630A1; KR101065065B1

Abstract

本发明提供一种可以抑制斑点的激光显示设备。该激光显示设备包括：半导体激光器，包括第一镜和第二镜，他们由空腔距离分隔，并且形成空腔；和空间调节器，调节通过该半导体激光器的第一镜传输的光，以在屏幕上显示图像，其中，当相干长度lc和有效反射率R由下面的等式定义：[等式]

其中d是该半导体激光器的该空腔距离，R₁是该第一镜的该反射率，而R₂是该第二镜的该反射率，该相干长度l_c满足下面的不等式：[不等式]0＜l_c≤0.85[cm]。

Description

激光显示设备

技术领域

本发明涉及具有激光光源的激光显示设备，特别是，可以抑制斑点的激光显示设备。

背景技术

通常，由于激光束平行，激光显示设备可以易于应用到投影显示上。此外，激光束的强度大于其他光源产生光的强度，并且因此激光可以用于呈现清晰、大屏幕图像。

激光显示设备采用高相干性的激光，导致斑点。由于激光光源的高相干性，斑点涉及随机产生的相干噪声。

例如，当图1A图解的图像由激光显示设备呈现在屏幕上时，由于上面描述的斑点，图像呈现为如图1B所图解。

美国专利5,274,494号揭示了“斑点抑制照明器(Speckle SuppressionIlluminator)”，其抑制了上面描述的斑点。

该“斑点抑制照明器”包括拉曼(Raman)单元，其为储存气体的腔体，用于散射入射光，位于辐射具有第一波长的相干光的光源前面。因此，照明器提供空间相干而时间不相干的激光束，以减小斑点的强度和发生区域。

然而，由于拉曼单元在激光光源辐射光的通道上，因此，使激光显示设备的光学结构复杂，并且制造工艺的数量和成本增加。

发明内容

本发明提供抑制斑点而不包含任何附加元件的激光显示设备。

根据本发明的一个方面，所提供的激光显示设备包括：半导体激光器，包括第一镜和第二镜，他们由空腔距离分隔，并且形成空腔；空间调节器，调节通过半导体激光器的第一镜传输的光，以在屏幕上显示图像，其中，当半导体激光器的相干长度l_c和有效反射率R由下面的等式定义：

[等式]

lc = 2 d \frac{π R^{1 / 2}}{1 - R}

R = \sqrt{R_{1} \times R_{2}}

其中d是半导体激光器的空腔距离，R₁是第一镜的反射率，而R₂是第二镜的反射率，相干长度l_c满足下面的不等式：

[不等式]

0＜l_c≤0.85[cm]

半导体激光器的有效反射率R可以为0.1至0.3的范围。

附图说明

参照附图，通过详细描述其中的示范性实施例，本发明的上述的和其他的特征和优点将变得显明，其中：

图1A是原始图像；

图1B是带有斑点的图1A的图像；

图2是根据本发明实施例的激光显示设备的示意图。

图3是图解半导体激光器的相干长度相对于有效反射率的图线。

图4图解了如何在半导体激光器中测量斑点对比度(Cs)；

图5A至5D是有效反射率(R)分别为90.5％、66.6％、18.7％和5.4％时图像的照片；

图6是斑点对比度(Cs)相对于有效反射率的图线；和

图7是斑点对比度(Cs)相对于相干长度的图线。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述本发明，其中展示了本发明的示范性实施例。

图2图解了根据本发明实施例的激光显示设备的光学装置。参照图2，激光显示设备扫描屏幕30上的激光，并且包括半导体激光器10和调节入射光以在屏幕30上显示图像的空间调节器20。

半导体激光器10包括第一和第二镀层(clad layer)11和15，设置在第一和第二镀层11和15之间的有源层13，和在有源层13和第一和第二镀层11和15的侧面上的第一和第二镜12和14，用于形成空腔。半导体激光器10辐射波长从约400nm到约700nm范围的可见光。第一镜12和第二镜14由空腔距离d彼此分隔。

因此，当给半导体激光器施与动力时，由有源层13产生的光束在第一镜12和第二镜14之间共振，只有预定波长的光通过第一镜12和第二镜14放大和传输。

空间调节器20调节通过第一镜12传输的光来在屏幕30上显示图像。

在本实施例中，通过控制半导体激光器10的空腔距离d和有效反射率R改变相干长度lc，减小了在屏幕30上的斑点对比度。现在来描述半导体激光器10和相干长度lc之间的关系，其决定屏幕30上的斑点强度，然后描述半导体激光器10的反射率R和空腔距离d的最佳化。

具有等于半导体10的宽度的窄宽度的相干长度lc可以用公式1表示。

[公式1]

lc = \frac{cF}{V_{F}} = 2 dF = 2 d \frac{π R^{1 / 2}}{1 - R}

其中，c是光的速度，F是法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔的精细度(finesse)，V_F是给定频率的模数，d是空腔距离，而R是由下面的公式2所定义的半导体激光器10的有效反射率。

[公式2]

R = \sqrt{R_{1} \times R_{2}}

其中：R₁是第一镜12的反射率，而R₂是第二镜14的反射率。

参照公式1，代表保持相干性的距离的相干长度lc取决于半导体激光器10的空腔距离d和有效反射率R。因此，随着反射率R和空腔距离d减少，辐射束的相干性减少，并且因此在屏幕30上的斑点强度减弱。

图3是图解半导体激光器的相干长度相对于有效反射率的图线。具体地讲，图3图解了GaN型半导体激光器在有效反射率分别为90.5％、66.6％、18.7％和5.4％时的相干长度lc和相干性因数Fc。

参照图3，随着半导体激光器的有效反射率的减小，lc和Fc减小。

图4是半导体激光器的斑点对比度测量装置的示意图。斑点对比度测量装置包括安装在冷却装置43上的GaN型半导体激光器41，其有效反射率分别为90.5％、66.6％、18.7％和5.4％，而空腔距离为650μm。半导体激光器41由激光驱动源45驱动，并且半导体激光器41的远场投影在屏幕47上，没有透镜系统。在屏幕47上的图像用照相机49照相，照相机例如是具有手动功能的数字照相机，采用F10孔径和-2.0EV曝光，而斑点对比度Cs用公式3至5计算。

[公式3]

Cs = \frac{σ}{avg}

其中

[公式4]

σ = \sqrt{\frac{Σ_{n = 1}^{N} {| avg - I (n) |}^{2}}{N}}

和

[公式5]

avg = \frac{Σ_{n = 1}^{N} I (n)}{N}

其中，I(n)是光强，N是数据数量，avg是平均光强，而б是标准偏差。

图5A至5D是有效反射率分别为90.5％、66.6％、18.7％和5.4％时摄取的图像照片。图6是斑点对比度Cs相对于有效反射率的图线。

图5A是半导体激光器投影到屏幕上的图像的照片，其中第一镜12的反射率R₁和第二镜14的反射率R₂都是90.5％。斑点对比度Cs是0.422，并且如图解，图像具有粗糙斑点。

图5B是半导体激光器投影在屏幕上的图像的照片，其中第一镜12的反射率R₁是66.6％，而第二镜14的反射率R₂是90.5％。斑点对比度Cs是0.312，而斑点相对小于图5A。

图5C是半导体激光器投影在屏幕上的图像的照片，其中第一镜12的反射率R₁是18.7％，而第二镜14的反射率R₂是90.5％。斑点对比度Cs是0.171，而斑点远小于图5A和5B。

图5D是半导体激光器投影在屏幕上的图像的照片，其中第一镜12的反射率R₁是5.4％，而第二镜14的反射率R₂是90.5％。斑点对比度Cs是0.133，而图像几乎没有斑点。

如上所述，随着半导体激光器的反射率R从90.5％减小到5.4％，相干性降低，并且如图6所图解，斑点对比度Cs可以减小到三分之一。

同时，如公式1所示，相干长度lc不仅取决于有效反射率R，而且取决于空腔距离d。同时，由空腔距离d和有效反射率R所定义的相干长度lc与斑点对比度Cs的变化有关。

图7是斑点对比度相对于相干长度lc的图线。参照图7，随着相干长度lc增加，斑点对比度Cs增加，在高相干长度上变得水平。例如，当lc是0.85cm时，Cs是0.25或更小，而当lc大于0.85时，Cs大于0.25。

因此，半导体激光器没有附加的光学元件或射频(RF)驱动装置也可以得到改进。

参照图2，就是说半导体激光器10具有满足下述不等式的相干长度lc。

[公式6]

0＜l_c≤0.85[cm]

上述不等式根据相干长度lc和斑点对比度Cs之间的关系决定，并且当相干长度lc超出0.85时，斑点对比度Cs超出0.25，并且因此在屏幕上的斑点变大。

同时，空腔距离d可以满足下列不等式，而同时满足公式6。

[公式7]

400≤d≤1000[μm]

该不等式基于相干长度lc与空腔距离d成比例的事实。当空腔距离d保持在公式7的范围时，相干长度lc可以减小。当空腔距离d在公式7的范围时，斑点对比度可以保持在20％以下，即使有效反射率R大于0.3。

同时，在公式6的条件下，半导体激光器10的有效反射率R满足下面的不等式。

[公式8]

0＜R≤0.62

当有效反射率R满足上述不等式时，空腔距离d为650μm时斑点对比度Cs是0.25或更小。因此，斑点对比度Cs与有效反射率为90.5％时半导体激光器的斑点对比度Cs为0.422相比大大减小，并且因此抑制了斑点。

在本发明的一个实施例中，半导体激光器10的有效反射率R满足下面的不等式。

[公式9]

0.1≤R≤0.47

当有效反射率R满足上面的不等式时，半导体激光器10的基本共振结构形成，并且斑点对比度Cs为0.2或更小。

如上所述，激光显示设备可以通过控制在半导体激光器中的有效反射率和/或空腔距离并且因此优化相干长度lc来抑制屏幕上的斑点，而不包含任何附加部件。

尽管本发明参照其中的示范性实施例已经进行了详细地展示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，在此可以对其进行形式上和细节上的各种变化，而不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种激光显示设备，包括：

半导体激光器，包括第一和第二镜，他们由空腔距离分隔，并且形成空腔；和

空间调节器，调节通过该半导体激光器的该第一镜传输的光，以在屏幕上显示图像，

其中，当该半导体激光器的相干长度lc和有效反射率R由下面的等式定义：

[等式]

lc = 2 d \frac{{πR}^{1 / 2}}{1 - R},

R = \sqrt{R_{1} \times R_{2}},

其中d是该半导体激光器的该空腔距离，R₁是该第一镜的反射率，而R₂是该第二镜的反射率，该相干长度l_c满足下面的不等式：

[不等式]

0cm＜l_c≤0.85cm。

2.如权利要求1所述的激光显示设备，其中该空腔距离d满足

400μm≤d≤1000μm。

3.如权利要求1所述的激光显示设备，其中该有效反射率R满足

0≤R≤0.62。

4.如权利要求3所述的激光显示设备，其中该有效反射率R满足

0.1≤R≤0.47。

5.如权利要求1所述的激光显示设备，其中该半导体激光器辐射波长为约400nm到约700nm的可见光。