DE60110425T2

DE60110425T2 - Systeme ung verfahren zur speckle-reduzierung durch bandbreitenerhöhung

Info

Publication number: DE60110425T2
Application number: DE60110425T
Authority: DE
Inventors: Glenn Jeffrey MANNI; Jens Robert MARTINSEN
Original assignee: Corp for Laser Optics Research
Current assignee: Corp for Laser Optics Research
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: ATE294410T1; JP2004503923A; WO2002005038A3; AU2001271955A1; WO2002005038A2; DE60110425D1; EP1303796B1; JP2012230414A; US20020196414A1; CA2415142A1; EP1303796A2; CA2415142C; US6975294B2

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle für Bildprojektoren. Sie betrifft insbesondere Laserquellen mit erhöhter Bandbreite für Projektionsabbildungsanwendungen mit reduzierten Specklen.
Hintergrund der Erfindung
Rote, grüne und blaue (RGB) Laser bieten nachweisbare Vorteile gegenüber Glühlichtquellen für Hochleistungsabbildungsanwendungen. Größere(r) Farbsättigung, Kontrast, Schärfe und Farbpalette gehören zu den herausragendsten Attributen, durch die sich Laserdisplays von herkömmlichen Abbildungssystemen unterscheiden, die mit Lichtbogenlampen arbeiten. Trotz dieser Leistungsvorteile ist die Marktakzeptanz von Laseranzeigetechnik aufgrund ihrer höheren Kosten, geringeren Zuverlässigkeit, größeren Pakete und höheren Leistungsaufnahme im Vergleich zu einem äquivalenten lampengestützten Display mit Lumenausgang weiterhin geringer.
Um Laserprojektionstechnik mit herkömmlichen Techniken zu vergleichen, ist es nützlich, zwei Grundparameter zu untersuchen, die sich auf ihre letztendliche Praktikabilität beziehen. Der erste Parameter kann als optische Effizienz definiert werden – in diesem Fall die Ausgangslumen pro Watt Eingang in die Lichtquelle. Der zweite ist die Kostenkompatibilität, d.h. das Ausmaß, in dem die fragliche Technik eine rentable Lösung für die Anforderungen einer bestimmten Anwendung ergibt.
Auf der Basis dieser Parameter scheint ein RGB- (rot/grün/blau) Halbleiter/Mikrolaser-System bestehend aus drei Lasern oder Laserarrays, die jeweils mit einer Grundfarbe arbeiten, bisher die effizienteste Weißlichtprojektionsquelle mit hoher Helligkeit für Displayanwendungen zu sein. Der Halbleiterlaserbetrieb wurde vom UV- bis IR-Bereich des Spektrums mit Hilfe von Gerätestrukturen auf der Basis von Systemen aus InGaAlN-, InGaAlP- und InGaAlAs-Material erzielt. Wünschenswerte Mittenwellenlängenbereiche sind 610–635 nm für Rot, 525–540 nm für Grün und 445–470 nm für Blau, wie nachfolgend erörtert wird. Eine Lichtquelle mit diesem Spektrum ergibt eine größere Farbpalette als ein(e) herkömmliche(r) Lichtbogenlampenansatz und Projektionstechnik, der/die mit Schwarzkörperstrahlung arbeitet.
Laserstrahlung ist von Natur aus schmalbandig und gibt den Anschein von völlig gesättigten Farben. Leider verursacht schmalbandiges Licht, das auf zufallsmäßig raue Oberflächen (z.B. einen Projektionsschirm) fällt, auch ein unakzeptables Bildartefakt, das als „Speckle" bezeichnet wird. Die visuellen Auswirkungen von Specklen lenken von der ästhetischen Qualität eines Bildes ab und führen auch zu einer Reduzierung der Bildauflösung. Demzufolge gilt es im Zusammenhang mit hoch auflösenden Displaysystemen allgemein als wesentlich, Speckle zu eliminieren. Es kann eine Reihe verschiedener „De-speckling"-(Reinigungs-)-Techniken angwendet werden, um dieses Artefakt auf ein „akzeptables Niveau" zu reduzieren, aber nur auf Kosten eines weiteren Effizienzverlustes, was Kosten, Zuverlässigkeit, Paketgröße und Leistungsaufnahme negativ beeinflusst.
Bekannte Specklereduzierungstechniken neigen dazu, die räumliche oder zeitliche Kohärenz von Laserstrahlen durch Lichtwegrandomisierung und/oder Spektralverbreiterung zu stören. Die meisten dieser Lösungen sind jedoch kostspielig und technisch komplex und beruhen z.B. auf Modenkopplungstechniken, um sehr kurze Impulse in der Größenordnung von 1 ps zu erzeugen, um die Lichtbandbreite zu vergrößern. Idealerweise sollte die Spektralbandbreite für eine Projektionsdisplay-Lichtquelle in der Größenordnung von mehreren Nanometern (d.h. 5–15 nm) liegen. Eine solche Lichtquelle könnte als quasi-monochrom angesehen werden, breitbandig genug zum Auslöschen von Specklen, aber doch schmalbandig genug für Farbreinheit. Eine lasergestützte RGB-Lichtquelle, die eine Mehrzahl von Lasern mit leicht unterschiedlicher Wellenlänge für jede RGB-Farbe umfasst, ist in der WO9520811 beschrieben. Die Speckle des erzeugten Lichtes werden reduziert.
Es wäre daher wünschenswert, eine lasergestützte RGB-Lichtquelle mit einer Spektralbreite von etwa 5–15 nm mit den RGB-Grundwellenlängen (etwa 620 nm für Rot, 530 für Grün und 460 nm für Blau) bereitzustellen, die kompakt, effizient, zuverlässig und kostengünstig herzustellen ist. Der praktische Zweck der lasergestützten RGB-Lichtquelle besteht darin, ein Projektionsdisplay mit hoher Helligkeit (>1000 Lumen) auf einem Bildschirm von etwa 7,5 Fuß diagonal mit Speckle-Reduzierung zu erzielen. Der Bedarf an einer RGB-Laserlichtquelle mit mehreren Nanometern Bandbreite ist für die überwiegende Mehrheit von Projektoren universell (d.h. LCoS, p-Si LCD, DLP und möglicherweise GLV).
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Illuminator zur Laserprojektionsabbildung mit reduzierten Specklen nach Anspruch 1, der je nach der gewünschten Wellenlänge Halbleiterdiodenlaserarrays, diodengepumpte Mikrolaser und/oder nichtlineare Frequenzkonvertierung solcher Laser benutzt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein bandbreitenvergrößertes Laserabbildungssystem eine Mehrzahl von Laserelementen, wobei jedes Laserelement einen Laserstrahl mit einer Mittenwellenlänge λ_0i und einer Spektralbandbreite Δλ_i emittiert. Das Design lässt es zu, dass die Laserelemente eine geringfügig andere Mittenwellenlänge λ_0i haben, so dass eine Ensemble-Bandbreite ΔΛ entsteht, die größer ist als die Bandbreite Δλ_i irgendeines individuellen Emitters in der Array.
Abbildungsoptik kombiniert die jeweiligen Laserstrahlen. Die kombinierten Laserstrahlen haben ein Ensemble-Spektrum Λ mit einem Überlappungsparameter
wobei
eine mittlere Spektralbandbreite der Laserelemente und
eine mittlere Wellenlängenverschiebung zwischen jeweiligen Mittenwellenlängen λ_0i des spektral benachbarter Laserelemente sind.
Die Abbildungsoptik umfasst eine Fliegenaugenlinse und eine Kondensorlinse, die die Laserstrahlen zu einer im Wesentlichen rechteckigen Form kombiniert, die in Größe und Seitenverhältnis einem gleichförmig beleuchteten Abbildungsbereich entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von bandbreitenerhöhter Laserstrahlung nach Anspruch 12 bereitgestellt. Ausgestaltungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Das System kann einen Modulator beinhalten, der mit den kombinierten Laserstrahlen beleuchtet wird und Bildsteuersignale zur Bildung eines projizierten Laserbildes empfängt. Die Laserelemente können Halbleiterlaser beinhalten. die zu einer gemeinsamen Emissionsebene angeordnet sind und beispielsweise eine zweidimensionale Array bildet. Die Laserelemente können sichtbares R-, G-, B-Licht oder optische UV- oder IR-Strahlung abgeben. Im letzteren Fall kann das System auch einen optischen Frequenzwandler wie z.B. Volumenkristalle oder Wellenleiter beinhalten, die phasenabgestimmt oder quasi-phasenabgestimmt (QPM) und von den Laserelementen gepumpt werden. Alternative Lichtquellen können auch Arrays von diodengepumpten Festkörper- und Faserlasern beinhalten. Das Ensemble-Spektrum Λ kann eine Ensemble-Bandbreite ΔΛ zwischen 1 nm und 10 nm haben.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen und aus den Ansprüchen hervor. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die folgenden Figuren veranschaulichen bestimmte illustrative Ausgestaltungen der Erfindung, wobei gleiche Bezugsziffern gleichartige Elemente bezeichnen. Diese veranschaulichten Ausgestaltungen sind als für die Erfindung illustrativ und in keiner Weise als begrenzend anzusehen.
1 ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte bandbreitenerhöhte Laserlichtquelle mit n Laserelementen;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Farbkanals eines Projektionsdisplays mit der bandbreitenerhöhten Laserlichtquelle;
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der bandbreitenerhöhten Laserlichtquelle, die in ein Projektionsdisplay integriert ist;
4 zeigt schematisch ein Vollfarben-RGB-Projektionsdisplay, das die bandbreitenerhöhten Laserlichtquellen in jedem Farbkanal beinhaltet;
5 zeigt schematisch die Spektralemission und das Ensemble-Spektrum von fünf beispielhaften Emittern mit einem mittleren Spektralüberlappungsparameter γ > 1;
6 zeigt schematisch die Spektralemission und das Ensemble-Spektrum von fünf beispielhaften Emittern mit einem mittleren Spektralüberlappungsparameter γ = 1;
7 zeigt schematisch die Spektralemission und das Ensemble-Spektrum von fünf beispielhaften Emittern mit einem mittleren Spektralüberlappungsparameter γ < 1; und
8 zeigt schematisch die Spektralemission und das Ensemble-Spektrum von fünf beispielhaften Emittern mit einem mittleren Spektralüberlappungsparameter γ ≪ 1.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine bandbreitenerhöhte Laserlichtquelle für Bildprojektoren. Insbesondere kann die hierin beschriebene Laserlichtquelle Speckle in Projektionsabbildungsanwendungen reduzieren.
Gemäß 1 wird bandbreitenerhöhtes Laserlicht von einer zweidimensionalen (2D) Array 10 von räumlich getrennten, diskreten Laserstrahlungsemittern 101, 102 ... produziert, wobei jeder Emitter 101, 102 eine jeweilige Spektralbandbreite Δλ_i hat, die an einer arbiträren roten, grünen oder blauen Wellenlänge λ_0i zentriert ist. Die Elemente der Array sind so ausgelegt, dass sie geringfügig unterschiedliche Mittenwellenlängen haben, so dass eine Ensemble-Bandbreite ΔΛ entsteht, die größer ist als die Bandbreite Δλ_i eines beliebigen individuellen Emitters in der Array. Indem die Menge an Ensemble-Bandbreite ΔΛ, die zum Auslöschen von Specklen benötigt wird, genau geplant wird, wird die Quasi-Monochromeigenschaft, die für das Aussehen von vollgesättigter Farbe verantwortlich ist, konserviert.
Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von Interesse für RGB-Projektionsdisplays können in einer Reihe von in der Technik bekannten Weisen produziert werden. So werden in der nahen Zukunft beispielsweise möglicherweise Halbleiterdiodenlaser hoher Leistung verfügbar werden, die direkt rote, grüne und blaue Wellenlängen erzeugen können, die für Projektionsdisplayanwendungen geeignet sind. Diodenlaser, die im blauen und grünen Spektralbereich emittieren, können aus AlGaInN-Legierungen hergestellt werden, während Diodenlaser, die im roten Spektralbereich emittieren, aus AlGaInAsP gefertigt werden können. Die Emissionswellenlängen dieser Laser werden hauptsächlich anhand der Materialzusammensetzung der aktiven Schicht bestimmt. So kann beispielsweise die Wellenlänge von GaAlInN-Lasern zwischen UV und Grün durch Wählen des Ga:Al:In-Verhältnisses des Materials variiert werden. Ebenso kann die Wellenlänge von GaAlInAsP-Lasern zwischen Orange und IR durch Wählen der jeweiligen Ga:Al:In und As:P-Verhältnisse variiert werden. Im Laufe der letzten Jahre wurden erhebliche Fortschritte gemacht, um Lichtausgangsleistung und Lebensdauer dieser Lasergeräte zu verbessern, so dass Halbleiterlaserelemente mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit als bevorzugte Leuchtvorrichtungen für Bildprojektionsanwendungen hervorgehen werden.
Bis leistungsstarke Halbleiterdiodenlaser, die im sichtbaren Spektralbereich emittieren, verfügbar werden, können in einer alternativen Ausgestaltung 1D- und/oder 2D-Arrays von Nahe-Infrarot-Halbleiterdiodenlasern frequenzverdoppelt werden, um rote, grüne und blaue Laseremissionen zu erzeugen. Aufgrund ihrer hohen Strahlqualität können VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) als Pumpquellen zum Pumpen eines nichtlinearen Kristalls oder Wellenleiters verwendet werden. Der nichtlineare Kristall oder Wellenleiter kann in Kristallform (Volumen) oder in Form eines quasi-abgestimmten (QPM) Frequenzwandlers zum Erzeugen von sichtbarem Licht vorliegen. Weitere Lichtquellen können Arrays von diodengepumpten Festkörper- und Faserlasern beinhalten, aber solche Geräte sind aufgrund ihrer Größe, Komplexität und Kosten für praktische Anwendungen weniger attraktiv.
Sichtbares Licht kann von IR-gepumpten Gain-Medien auf mehrere in der Technik bekannte Weisen erzeugt werden. Wenn ein gemeinsames Laser-Gain-Medium für den Aufbau einer Array verwendet wird und wenn das Gain-Medium eine ausreichend breite Gain-Bandbreite hat, dann können die einzelnen Laser so „getunt" werden, dass die Ensemble-Bandbreite ΔΛ der Array wesentlich größer ist als die Bandbreite Δλ_i irgendeines Lasers.
Selbst ohne beabsichtigtes „Tuning" kann eine Array von endgepumpten Lasern bereits eine Ensemble-Bandbreite ΔΛ aufweisen, die etwas größer ist als die der individuellen Laser. Die Bandbreitenverteilung kann beispielsweise dadurch erhöht werden, dass ein Temperaturgradient über die Array von Gain-Elementen erzeugt wird. Dies könnte den Peak der Netto-Gain-Kurve für jedes Element und somit den Peak der Laseremission in Bezug auf die anderen verschieben. Dieser Effekt würde durch einen temperaturabhängigen Verlustmechanismus verstärkt, der im Laserprozess auftritt, wie z.B. Aufwärtskonvertierung.
Bei einem anderen Ansatz könnte ein Tuning-Element, z.B. ein Etalon, mit einer Peak-Übertragung vorgesehen werden, die sich für jeden Laser in der Array geringfügig unterscheidet. Das Tuning-Element würde eine Oszillation bei einer Wellenlänge innerhalb der Gain-Bandbreite des Lasermaterials erzwingen, die nicht unbedingt mit dem Peak der Gain-Kurve zusammenfällt.
Es könnten diskrete Tuning-Elemente (Etalons) separat in jeden Resonator eingebaut werden, oder ein einzelnes „Makro"-Tuning-Element könnte auf allen Resonatoren gleichzeitig arbeiten. So könnte z.B. ein einzelnes „Makro-Etalon", mit einer kontinuierlich variierenden Dicke über seine Breite, gleichzeitig auf allen Lasern arbeiten. Alternativ könnte ein Temperaturgradient über das Makro-Etalon als eine Möglichkeit erzeugt werden, die Peak-Übertragungswellenlänge gegenüber der Distanz des Etalons zu „chirpen".
Alternativ könnte ein periodisch gepoltes (PP) nichtlineares Material mit einer „gechirpten" Gitterperiode oder mit mehreren Regionen, die geringfügig unterschiedliche Gitterperioden haben, in die Resonatoren eingeführt werden. Seit etwa einem Jahrzehnt ziehen Emissionen von sichtbarem Licht unter Verwendung von nichtlinearen PP-Materialien ernsthaft die Aufmerksamkeit auf sich. Kristalle, die aufgrund des Fehlens von ausreichender Doppelbrechung nicht phasenabgestimmt werden können, um Dispersion zu korrigieren, können durch Ändern des Vorzeichens des nichtlinearen Koeffizienten phasenabgestimmt werden. Periodisch gepoltes LiNbO₃, zum Beispiel, kann über den gesamten Transparenzbereich von weniger als 400 nm bis über 4000 nm quasi-phasenabgestimmt werden. Ferner kann die Kristallorientierung so gewählt werden, dass die nichtlineare Interaktion optimiert wird. PP-Chips können so betrieben werden, dass sie eine zweite harmonische Strahlung (SHG) oder Summenfrequenzstrahlung (SFG) erzeugen.
Wenn periodisch gepolte (PP) Materialien verwendet werden, dann könnte eine 1D-Laserarray mit einem Flachchip aus gepoltem Material zusammengebracht werden, um die gewünschte 1D-Array von sichtbaren Lasern zu erzeugen. 2D-Arrays könnten durch Stapeln der 1D-Arrays erzeugt werden. Um Grün zu erzeugen, wäre der PP-Chip ein SHG-Chip. Zur Roterzeugung kann der PP-Chip OPO- und SFG-Gitter im gemeinsam auf demselben Chip haben (OPO-Spiegel könnten direkt auf den Chip aufgebracht werden). Um Blau zu erzeugen, könnte der PP-Chip SHG- und SFG-Tandemgitter haben, um die dritte Oberwelle zu erzeugen. Die Gitterperiode der PP-Chips kann bei Bedarf über ihre Breite gechirpt werden, um die vergrößerte Bandbreite der 1D-Laserarray effizient umzuwandeln (obwohl die Spektralbandbreite des PP-Materials möglicherweise groß genug ist, damit dies nicht notwendig ist).
Es ist möglicherweise unerwünscht, periodisch gepolte Materialien mit hohen Temperaturen zu betreiben, besonders dann, wenn sie gewartet werden müssen. In diesem Fall würde man möglicherweise für die nichtlinearen Konversionstandem-Anordnungen von nichtkritischen phasenabgestimmten (NCPM) Materialien bei Raumtemperatur oder Walk-off-kompensierte Kristalle benutzen. Alternativ können diskrete Kristalle verwendet werden, die einen geeigneterweise „breiten" Tuning-Bereich haben und bei geringfügig anderen Temperaturen in der Nähe der Raumtemperatur oder in verschiedenen Winkeln gehalten werden. Infolgedessen könnte sich die optimale phasenabgestimmte Wellenlänge für Intrahohlraum-Frequenzkonversion von einem Laser zum nächsten in der Array geringfügig unterscheiden.
Die oben beschriebenen Verfahren zum Erzeugen von sichtbarer RGB-Laserstrahlung sind in der Technik bekannt und sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung.
Die beispielhafte, in 1 veranschaulichte kompakte bandbreitenerhöhte 2D-Laserarray 10 kann entweder aus einer zweidimensionalen Array von VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) oder durch Überlagerung von 1D-Kantenemitter-Laserbalken 122, 124, ... konstruiert werden, wobei jeder Laserbalken mehrere Laseremitter 101, 102, ..., 106 hat. VCSELs neigen dazu, aufgrund ihrer höheren Strahlqualität eine überlegene Gesamteffizienz zu haben. Kantenemitter-Laserbalken können Dutzende bis Hunderte von dicht beabstandeten Emittern beinhalten, die auf demselben Balken ausgebildet sind. Alternativ können individuelle Laserkantenemitter nebeneinander gelegt werden, um den 1D-Laserbalken herzustellen. Die Balken können recht dünn gemacht werden, indem das Substrat, auf dem die Laseremitter wachsen gelassen werden, wenigstens teilweise entfernt wird. Die Balken können elektrisch in Reihe geschaltet werden, so dass von jedem Element eine im Wesentlichen identische optische Leistung emittiert wird. Array-Bandbreiten von 10 nm oder mehr können durch Wählen von Diodenemittern mit unterschiedlichen Peak-Emissionswellenlängen erzielt werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Es wurde beobachtet, dass nicht alle Laserelemente voneinander unterschiedliche Wellenlängen zu haben brauchen und dass sich eine Wellenlänge über die 2D-Array wiederholen kann, solange die Emitter nicht stark interagieren und die gewünschte Gesamtbandbreite von etwa 1–10 nm erzeugen.
Die Emissionswellenlänge von Halbleiterdioden-Laseremittern 101, 102 ..., die in 1 dargestellt sind, kann mit einer der folgenden Methoden gewählt und/oder eingestellt werden: (1) Aufbauen der 2D-Array aus gestapelten 1D-Balken, wobei der Wellenlängenbereich jedes Balkens so gewählt wird, dass er nicht mit der Wellenlänge eines anderen Balkens zusammenfällt, wobei die 2D-Array den gewünschten Ensemble-Wellenlängenbereich Λ abdeckt; (2) Variieren der Zusammensetzung der aktiven Schicht über die Gerätestruktur während des Kristallwachstums; (3) Variieren der Dicke und/oder Zusammensetzung der Quantumtopf-(QW)-Schicht in einer QW-Struktur während des Kristallwachstums; (4) Variieren der Spektralantwort der Endspiegel über die Gain-Kurve des Lasers (dies kann auch ein Etalon mit einem Durchlasskoeffizienten beinhalten, der über die Emitterarray 10 variiert); und/oder (5) ungleichförmige Erhitzung oder Abkühlung der Array (10), um einen Temperaturgradienten und dadurch eine Verschiebung des Bandabstands zu erzeugen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Farbkanals 20 eines Projektionsdisplays. Der Farbkanal 20 beinhaltet die bandbreitenerhöhte Laserlichtquelle 10, eine zweidimensionale Mikrolinsenarray 22, die nachfolgend als „Fliegenaugen"-Linse bezeichnet wird, mit Lenslets 221, 222, ..., die mit der räumlichen Anordnung der jeweiligen Laserelemente 201, ..., 206 der Laserlichtquelle 10 weitgehend übereinstimmen, eine Kondensorlinse 24 und einen Raumlichtmodulator 26, der die Form eines Flüssigkristalllichtventils (LCD) oder eines verformbaren Spiegels (DMD) haben kann. So bildet beispielsweise das Lenslet 221 in Verbindung mit der Kondensorlinse 24 den von den jeweiligen Laserelementen 201 emittierten Laserstrahl 211 auf die aktive Oberfläche 28, 29 des Raumlichtmodulators 26 ab. Ebenso bildet das Lenslet 222 den von den jeweiligen Laserelementen 202 emittierten Laserstrahl 212 auf die aktive Oberfläche 28, 29 ab, usw. Infolgedessen wird der Spektralausgang aller Laserelemente 201, 202, ... auf die aktive Oberfläche 28, 29 des Raumlichtmodulators 26 überlagert, so dass die gewünschte bandbreitenerhöhte Laserbeleuchtung für ein Projektionsdisplay entsteht. Die Lenslets der „Fliegenaugen"-Linsen sind auch so aufgebaut, dass sie die kreisförmigen oder elliptischen Strahlen 211, 212, ... in eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt umformen, so dass sie Größe und Seitenverhältnis des Modulators 26 entsprechen. Mit anderen Worten, die "Fliegenaugen"-Linsenarray und eine Kondensorlinse erzeugen einen rechteckigen Fleck gleichmäßiger Intensität des bandbreitenerhöhten Lichts auf einem Modulator in der Bildebene.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausgestaltung eines Farbkanals 30 eines Projektionsdisplays. Wie in dem Beispiel von 2, wird der Spektralausgang der Laserelemente 301, 302, ... auf die aktive Oberfläche 28, 29 des Raumlichtmodulators 26 überlagert, so dass die gewünschte bandbreitenerhöhte Laserbeleuchtung für ein Projektionsdisplay entsteht. Im Gegensatz zur Ausgestaltung von 2 wird jedoch davon ausgegangen, dass die Leuchtarray 32 Licht in einem Spektralbereich emittiert, der nicht für RGB-Projektionsdisplays geeignet ist. z.B. im IR-Spektralbereich. In diesem Fall kann der IR-Emitter mit einem nichtlinearen optischen Element 34 eines oben beschriebenen Typs (wie z.B. OPO, SHG, SFG oder eine Kombination davon) oder einem anderen in der Technik bekannten Typ zusammengefügt werden, im illustrierten Beispiel stumpfverbunden. Die Wellenlänge des aus den Lenslets 221, 222, ... austretenden Lichts kann durch Wählen der Wellenlänge der einzelnen Emitter 301, 302, ... und/oder Abstimmen der nichtlinearen Konversionsmodule 34 über die optische Bandbreite der Emitter abgestimmt werden. Die Emitter 301, 302, ... könnten IR- oder UV-emittierende Halbleiterlaserdioden oder Faserlaser sein. Alternativ könnten die optischen Elemente 34 passive Wellenleiter sein, wie z.B. optische Fasern oder eine Blende, wenn die Emitter 301, 302, ... geeignetes R-, G- oder B-Licht emittieren.
4 zeigt ein beispielhaftes Laserbildprojektionssystem 40, das drei Lichtquellen 20_a (oder alternativ 30_a ) des oben jeweils mit Bezug auf die 2 und 3 beschriebenen Typs verwenden. Jede der beispielhaften Lichtquellen 20_a , 20_b , 20_c im System 40 erzeugt eine der Farben R, G, B und beinhaltet einen Strahlenteiler 41_a , 41_b , 41_c , der das Licht auf eine jeweils rückstrahlende LCD 26_a , 26_b , 26_c richtet. Das System 40 beinhaltet auch einen X-Würfel-Strahlkombinierer 42, der die drei Farben R, G, B zu einem einzelnen modulierten RGB-Strahl kombiniert, der durch eine Projektionslinse 45 passiert, die auf einen Anzeigeschirm (nicht dargestellt) projiziert wird.
Die kritischen Parameter zum Entwerfen einer bandbreitenerhöhten Laserarray (BELA) 10 beinhalten: die Anzahl n von Emittern in der Array, die Mittenwellenlänge λ_0i jedes Emitters, den Spektralabstand S_i zwischen der Mittenwellenlänge λ_0i eines Emitters i und der Mittenwellenlänge λ_0j eines Emitters j, der der Wellenlänge am nächsten liegt, die jeweilige Bandbreite Δλ_i der einzelnen Emitter und die relative Ausgangsleistung A_i des Emitters.
Nun mit Bezug auf die 5–8, eine bandbreitenerhöhte Laserarray kann beispielsweise unter Verwendung von fünf zueinander inkohärenten Emittern gleicher Amplitude implementiert werden. Ein mittlerer Spektralüberlappungsparameter
mit den Werten γ > 1, γ = 1, γ < 1 und γ ≪ 1 kann mit der Ensemble-Wellenlängenkennkurve der Array assoziiert werden.
In einem ersten Szenario mit γ > 1, das in 5 dargestellt ist, existiert eine erhebliche Überlappung der Spektren von den individuellen Emittern (5 oben). Das resultierende Ensemble-Spektrum Λ ist eine glatt variierende Wellenlängenfunktion, die praktisch frei von Spektralmerkmalen von den individuellen Emittern ist (5 unten). Dieser Zustand kann für eine Bandbreitenerhöhung als „ideal angesehen werden, da die auftretende Spektralmittelwertbildung eine gleichförmig verbreiterte Verteilung für γ ≫ 1 und großem n erzeugt, so dass Speckle minimiert werden.
Für einen γ-Wert von gleich oder kleiner als 1, wie in 6 mit γ = 1, 7 mit γ < 1 und 8 mit γ ≪ 1 veranschaulicht wird, wird das am Fuß der jeweiligen Figuren gezeigte Ensemble-Spektrum Λ zu einer geriffelten Funktion mit lokalen Maxima, die mit den Mittenwellenlängen λ_0i der individuellen Emitter zusammenfallen. Es hat sich herausgestellt, dass γ-Werte von kleiner als 1 Speckle weniger effizient reduzieren als γ-Werte von größer als 1. Simulationen mit Fourier-Analyse legen nahe, dass kohärente Interferenzen möglicherweise noch effektiver mit einer ungleichförmigen Verteilung von Emitter-Intensitäten unterdrückt werden, mit der Möglichkeit, Speckle-Rauschen insgesamt zu eliminieren.
Die erfindungsgemäße Lichtquelle hat mehrere Vorteile gegenüber der existierenden Technik:
Der Projektordurchsatz wird erhöht, da die höhere Spektralbandbreite der Laserarray Speckle direkt an der Laserquelle eliminieren kann, ohne die Notwendigkeit für zusätzliche De-speckling-Optik oder Techniken, die dazu neigen, Effizienz und Polarisierung zu reduzieren. Dies ist besonders nützlich bei Anwendung in Kombination mit p-Si LCD und LCoS-Abbildungsgeräten, so dass ein hohes (Effizienz * Kontrast) Produkt erzielt werden kann. Es wird erwartet, dass dies den Projektordurchsatz um 50% bis 100% erhöht, so dass bis zu 10 Lumen pro Watt Eingangsleistung auf den Bildschirm gebracht werden können.
Die Zuverlässigkeit des Systems, ausgedrückt durch seinen MTBF-Wert (mittlere fehlerfreie Zeit), kann dadurch verbessert werden, dass eine große Zahl von Array-Elementen bei einer geringeren als der maximalen theoretischen Ausgangsleistung betrieben werden, während weiterhin die für die Anwendung benötigte kumulative RGB-Leistung bereitgestellt wird. Demzufolge wird erwartet, dass die Qualität von Laserarrays im Laufe der Zeit von Natur aus langsamer zurückgehen wird als bei einem einzelnen Hochleistungslaser.
Ein auf 1D- oder 2D-Arrays von Emittern basierender Illuminator kann durch Definition skaliert werden und kann eine breite Palette an Projektortypen abdecken, von äußerst tragbaren bis hin zu Großprojektoren. Eine geeignete Leistungsskalierung erfolgt dadurch, dass einfach die Zahl und/oder Leistung der in der Array verwendeten individuellen Emitter geplant wird. Das Kernstück der Herstellung kompakter 2D-Arrays besteht darin, die 1D-Arrays so kompakt und dünn wie möglich zu machen. 1D-Arrays würden übereinander gestapelt werden, um eine quadratische oder rechteckige 2D-Array von Emittern zu konfigurieren.
Der Illuminator lässt sich leicht herstellen und ist mit den wichtigsten Abbildungsplattformen völlig kompatibel, die in heutigen Projektionsanzeigeprodukten zum Einsatz kommen.

Claims

Illuminator zur Laserprojektionsabbildung mit reduzierten Specklen, der Folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Laserelementen (201, 202 ...), wobei jedes Laserelement einen Laserstrahl (211, 212...) mit einer Mittenwellenlänge λ_0i und einer FWHM-Spektralbandbreite Δλ_i emittiert, wobei die Mittenwellenlänge von wenigstens einem der Laserelemente in Bezug auf die Mittenwellenlänge von wenigstens einem weiteren Laserelement wellenlängenverschoben ist, und Abbildungsoptik, umfassend eine Kondensorlinse (24) und eine Fliegenaugenlinse (221, 222...), die zwischen den Laserelementen und der Kondenserlinse angeordnet ist, wobei die genannte Abbildungsoptik die jeweiligen Laserstrahlen (211, 212...) zu einer im Wesentlichen rechteckigen Form kombiniert, die der Größe und dem Seitenverhältnis eines gleichförmig beleuchteten Abbildungsbereiches (28, 29) entspricht, wobei die genannten kombinierten Laserstrahlen ein Ensemble-Spektrum Λ mit einem Überlappungsparameter
haben, wobei
eine mittlere Spektralbandbreite (FWHM) der Laserelemente und
eine mittlere Wellenlängenverschiebung zwischen den Mittenwellenlängen λ_0i des wenigstens einen und des wenigstens einen anderen Laserelementes sind, wobei
und
der Array so gewählt werden, dass γ ≥ 1 ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Abbildungsoptik eine Fliegenaugenlinse (221, 222...) umfasst, die in der Nähe der Laserelemente angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Modulator (26), der mit dem gleichförmig beleuchteten Bereich beleuchtet wird und Bildsteuersignale zur Bildung eines projizierten Laserbildes empfängt.
System nach Anspruch 3, wobei der Wert γ so gewählt ist, dass Speckle im projizierten Laserbild (46) reduziert werden.
System nach Anspruch 1, wobei die Laserelemente Halbleiterlaser sind, die in einer gemeinsamen Emissionsebene angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, wobei die Laserelemente eine zweidimensionale Matrix bilden.
System nach Anspruch 1, wobei die Laserelemente eine Primärfarbe emittieren, die aus der Gruppe bestehend aus R, G und B ausgewählt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Laserelemente ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Halbleiterdiodenlasern, optisch gepumpten Lasern und Faserlasern.
System nach Anspruch 1, wobei die Laserelemente optische Strahlung im UV- und IR-Spektralbereich emittieren, wobei das System ferner einen optischen Frequenzwandler umfasst, der von den Laserelementen gepumpt wird.
System nach Anspruch 9, wobei der optische Frequenzwandler wenigstens ein Element umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus OPO, SHG, SFG, periodisch gepolten und quasi-phasenabgeglichenen nichtlinearen optischen Strukturen.
Bandbreitenerweitertes RGB-Laserprojektionssystem mit drei Illuminatoren, wobei jeder Illuminator mit einem jeweiligen R-, G- und B-Kanal assoziiert ist und R-, G- und B-Beleuchtung erzeugt, wobei wenigstens ein Illuminator gemäß einem der Ansprüche 1–10 konstruiert ist.
Verfahren zum Erzeugen von bandbreitenerweiterter Laserstrahlung mit einem Illuminator nach einem der Ansprüche 1 bis 10.