用于将激光器阵列输出组合为携带数字数据的单个光束的系统技术方案

实施方式包括：激光发射器件，该激光发射器件生成准直的光束，该准直的光束的强度或幅度可以被改变以高效率地携带数据信号，并且该激光发射器件对检测器的对准较不敏感；以及检测器系统，该检测器系统用于检测同一准直的光束并且读取该光束中携带的数据。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本国际申请要求于2014年11月20日提交的美国专利申请号14/085,686的权益，其全部内容通过引用而被并入。
本公开内容涉及激光发射器系统和检测器系统。
技术介绍
光已被用于产生用于显示的颜色强度，但是所使用的方法和系统效率低、体积大，并且产生暗淡的或非可扩展(non-scalable)的结果。目前最先进的激光成像显示器通过利用各种光束扫描装置将激光用作强的彩色光束。在激光的情况下，根据以下三束光的组合来生成显示像素输出：红色、绿色和蓝色。可以以各种强度组合这三束光以产生特定的颜色深度、强度和饱和度。特别的，因为半导体激光器的尺寸、重量和功率要求在其被持续使用的情况下已经随着时间得以减小，因此半导体激光器已变成成像系统应用的重要部件。通过将来自光源的光描绘(delineate)成用于创建像素的高分辨的强度分布(intensity profile)，来将半导体激光器用作用于显示的光源。然而，一些现有技术需要使用模拟电源变动，而其他技术依赖于使用定时和/或机械反射装置。将激光器用作光源还具有闪烁效应的缺点，该缺点产生点或像素的明暗区域。仅可以使用边缘发射半导体激光器件来生成正确的彩色半导体激光源。然而，由于这种类型的激光器件必须在边缘上被切割以产生用于产生激光的腔，因此其不利于光刻阵列设计。通常，衬底在制造之后被切割。因此，这将激光显示源限制于单个器件或机械地成组的单个器件。垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种类型的半导体激光二极管，其中，激光光束发射与顶表面垂直。相比而言，传统的边缘发射半导体激光器从通过从晶圆切割出单个芯片而形成的表面发射。虽然，相比于边缘发射激光器而言，VCSEL提供了优点，但是VCSEL在成像系统中未发现应用，这是因为能够产生绿色输出波长的VCSEL仅是最近才产生的。虽然已产生了绿色输出VCSEL，但是这些器件具有极大的功率要求以及许多可靠性问题。产生能够生成更佳的绿色输出以及其他颜色输出的其他VCSEL所必需的材料研究进展缓慢。事实上，蓝色VCSEL仅商用了几年。具有外部腔的VCSEL(VECSEL)是已被重新配置为使腔延伸到晶圆外部的一种类型的VCSEL。VECSEL是使用常规的激光二极管来进行光学泵浦的(optically pumped)。此外，光学元件例如非线性晶体可以用于对光进行倍频，并且用于使用最适合于半导体激光器制造的材料来使得输出彩色的光。设计了在显示器中为了倍频输出而使用VECSEL的器件，以产生三种不同颜色的光源。这与使用白光源(该白光源被滤光以生成特定颜色)的显示设备例如投影仪是不同的。VECSEL器件阵列用于产生单个的、明亮的、彩色的光源。单个彩色的光源通常是静态的，意味着光源的强度不会改变。然而，已知可以在多个反射镜之中安置一个反射镜以确定在一个点处的颜色强度。其他已知的且相关的技术包括单个光源的脉动(pulsing)或对光源进行定时以改变强度值。然而，所有这些方法都非常依赖于机械反射镜。这种技术通常被称为数字光处理器(DLP)技术。DLP技术已在高品质显示领域占据主导地位许多年。DLP技术广泛地用于投影显示器以及许多其他不同类型的显示器。DLP将微机电(MEM)器件阵列用作多个小反射镜，该多个小反射镜可以通过电信号来调制，反射特定量的彩色光，以用于根据3种颜色源产生组合颜色。这些源通常是从白光源中滤出的颜色，该白光源例如是使用大量的被浪费能量(不在所滤出的波长中)的昂贵的投影仪灯。所有这种过度浪费的能量产生大量的热，这使得系统尺寸更大并且更加昂贵，以处理由过度的热产生的热问题。为了平行光学扫描和数据传输的目的，VCSEL阵列已被排列并且可被单独地寻址。可矩阵寻址的VCSEL先前已被用于成像和数据传输，但是被配置成使用在单独可控制的装置中的器件，形成被独立驱动的许多单独器件。已存在其他概念，建议通过改变每个器件的电源以产生强度，来将阵列中的这些单独受控的器件用于产生图像。对当前技术的概括示出了要通过以下操作来生成的用于显示器的激光颜色形成：调节电流源以产生形成像素的明暗颜色强度，或者使用激光器阵列以产生颜色源并且反射或定时并且扫描该源以产生最终的强度。所有这些技术需要昂贵的、体积大的、耗能的技术，和/或依赖于机械反射镜、反射镜阵列、以及昂贵的支持设备，来起作用。附图说明图1示出了根据实施方式的被组织为具有不同尺寸和孔径的六个子阵列的线性VCSEL阵列的平面图；图2示出了根据实施方式的被组织成2D阵列的多个线性VCSEL阵列的平面图；图3示出了根据实施方式的多孔径元件VCSEL结构；图4示出了根据实施方式的使用比特串控制的VCSEL的三个线性阵列；图5示出了根据实施方式的使用顶部发射设计的VCSEL器件结构；图6示出了根据实施方式的使用顶部发射设计的VCSEL器件结构；图7示出了使用底部发射设计的VCSEL器件结构，并且示出了分束器/波长滤波器、用于倍频的非线性晶体以及用于使腔完整的反射器的光学部件；图8示出了使用背向发射设计的VCSEL器件结构，并且示出了用于倍频的非线性晶体和用于使腔完整的反射器的光学部件；图9示出了图7的可替选实施方式，其改进了更佳的热管理；图10示出了用于生成像素的三种颜色分量的三个分离的2D阵列芯片；图11示出了顶部发射布置，其中，通过使用非线性晶体在内腔(intra-cavity)设计中对波长进行倍频；图12示出了根据图11的发射布置的细节图；图13示出了来自图12的输出，其进入扫描反射镜的光路，并且线性阵列通过柱透镜被组合；图14示出了根据使用边缘发射激光器的实施方式的设计；图15、图16和图17示出了由边缘发射激光器的子阵列组成的线性阵列的可替选实施方式；图18示出了根据实施方式的激光器件的操作阵列的局部剖切图；图19示出了具有单个焦点的二进制加权的激光器阵列的发射器系统的实施方式；图20示出了在图19中示出的发射器系统中的不同位置处的激光束斑；图21A和图21B示出了利用多个激光发射芯片并且具有单个焦点的发射器系统的实施方式；图22A和图22B示出了利用多个激光发射芯片并且具有单个焦点的发射其系统的实施方式，其中每个激光发射芯片具有两个波长以及两个幅度；图23示出了针对信号差异而调节的多芯片发射器系统的实施方式；以及图24示出了两通道检测系统的检测器阵列的实施方式。具体实施方式实施方式包括一种器件，该器件可以有效地产生高分辨的强度分布，该分布可以使用二进制串(binary string)容易地转换为各种特定配置。二进制串限定被组合以形成像素的颜色的输出强度。排列这些器件使得能够有效地产生像素的图像线(image line)而没有总的闪烁效应。在该应用中非相干输出是期望的，因为非相干输出减小了在屏幕或最终图像上的闪烁效应。由于VCSEL的高功率和频率响应，使用VCSEL的实施方式允许更高的带宽。由于对形成单个像素的颜色的许多VCSEL元件的输出进行组合，因此这进一步实现了更亮的图像。如下文将进一步描述的，由于激光器件例如VCSEL和VECSEL的光刻限定的特征，实施方式还得到更小的制造尺寸。因为仅生成需要的颜色，而无需对白光进行滤波，因此实施方式还使用更少的能量。通过使用更少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于组合半导体光器件的输出以生成单个光束的系统，所述系统包括：一个或多个半导体光器件的集合，其被配置成生成表示第一通道的数据的多个光束；包含数字数据的二进制串，所述二进制串中的每个比特控制所述一个或多个半导体光器件的集合中的一个或多个半导体光器件中的每个半导体光器件的功率，其中，由每个半导体光器件生成的光束的幅度由控制每个半导体光器件的特定比特的位置来确定，所述幅度将所述数字数据编码到所述光束中；透镜阵列，其被定位在所述半导体光器件的集合上，并且被配置成将所述多个光束聚焦到单个焦点；以及微距镜，其被定位成远离所述透镜阵列，并且被配置成对所述多个光束进行准直，以成为携带第一通道的数字数据的单个光束。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.20 US 14/085,6861.一种用于组合半导体光器件的输出以生成单个光束的系统，所述系统包括：一个或多个半导体光器件的集合，其被配置成生成表示第一通道的数据的多个光束；包含数字数据的二进制串，所述二进制串中的每个比特控制所述一个或多个半导体光器件的集合中的一个或多个半导体光器件中的每个半导体光器件的功率，其中，由每个半导体光器件生成的光束的幅度由控制每个半导体光器件的特定比特的位置来确定，所述幅度将所述数字数据编码到所述光束中；透镜阵列，其被定位在所述半导体光器件的集合上，并且被配置成将所述多个光束聚焦到单个焦点；以及微距镜，其被定位成远离所述透镜阵列，并且被配置成对所述多个光束进行准直，以成为携带第一通道的数字数据的单个光束。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个半导体光器件的集合包括一个或多个激光器阵列。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个半导体光器件的集合是发光二极管。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个半导体光器件的集合是谐振腔发光二极管。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个半导体光器件的集合包括多个激光器芯片。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个光束包括多个波长。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述微距镜被定位在所述单个焦点处或者所述单个焦点附近。8.根据权利要求1所述的系统，还包括第二透镜阵列，所述第二透镜阵列被定位在所述透镜阵列与所述微距镜之间，并且所述第二透镜阵列被配置成改变所述单个焦点的位置，以扩展所述一个或多个半导体光器件的集合的偏移，扩展所述透镜阵列的偏移，以及引导多个激光光束达到与所述微距镜的数值孔径相配的更广的汇聚度。9.根据权利要求1所述的系统，还包括检测器阵列，所述检测器阵列被定位在所述单个光束的远场，在所述检测器阵列中的每个检测器均具有不同的衰减并且被配置成以至少每秒1吉比特的速率检测来自所述单个焦点的多个幅度编码的信号。10.根据权利要求1所述的系统，还包括：电通道，其用于控制所述一个或多个半导体光器件的集合，并且所述一个或多个半导体光器件的集合被安装在所述电通道上；以及基座，所述电通道被安装在所述基座上。11.根据权利要求1所述的系统，还包括：另外的半导体光器件的一个或多个集合，其被配置成生成表示一个或多个另外通道的数据的一个或多个另外的多个光束；包含数字数据的一个或多个另外的二进制串，所述一个或多个另外的二进制串中的每个比特控制所述另外的半导体光器件的一个或多个集合中的一个或多个另外的半导体光器件中的每个半导体光器件的功率，其中，由每个另外的半导体光器件生成的光束的幅度由控制每个另外的半导体光器件的特定比特的位置来确定，所述幅度将所述数字数据编码到所述光束中；以及一个或多个另外的透镜阵列，其被定位在半导体光器件的一个或多个另外的集合上，并且被配置成将所述一个或多个另外的多个光束聚焦到所述单个焦点，其中，所述微距镜还被配置成对所述一个或多个另外的多个光束进行准直，以成为携带一个或多个另外通道的数字数据的单个光束。12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述一个或多个半导体光器件的集合和所述另外的半导体光器件的一个或多个集合包括一个或多个激光器阵列。13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述一个或多个半导体光器件的集合和所述另外的半导体光器件的一个或多个集合是发光二极管。14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述一个或多个半导体光器件的集合和所述另外的半导体光器件的一个或多个集合是谐振腔发光二极管。15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述一个或多个半导体光器件的集合和所述另外的半导体光器件的一个或多个集合包括多个激光器芯片。16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个光束和所述一个或多个另外的多个光束包括多个波长。17.根据权利要求11所述的系统，其中，所述微距镜被定位在所述单个焦点处或者所述单个焦点附近。18.根据权利要求11所述的系统，还包括第二透镜阵列，所述第二透镜阵列被定位在所述透镜阵列、所述一个或多个另外的透镜阵列、以及所述微距镜之间，并且所述第二透镜阵列被配置成改变所述单个焦点的位置，以扩展所述一个或多个半导体光器件的集合和所述另外的半导体光器件的一个或多个集合的偏移，扩展所述透镜阵列和所述一个或多个另外的透镜阵列的偏移，以及引导多个激光光束和一个或多个另外的多个激光光束达到与所述微距镜的数值孔径相配的更广...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·R·约瑟夫，
申请(专利权)人：三流明公司，
类型：发明
国别省市：美国;US