CN1532590A - 使用有机激光器阵列照射区域光阀的电成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种由图像数据流提供可以观察的彩色图像的电成像系统，包括：设置成至少一个阵列的多个不同颜色的激光源，每种颜色的激光源包括垂直腔结构；至少一个用于接收激光并由图像数据流产生可以观察的彩色图像的区域光阀；以及将该可以观察的彩色图像投影到目标平面上的投影透镜。

Description

使用有机激光器阵列照射区域光阀的电成像系统
技术领域
本发明概括来说涉及显示或打印系统领域，具体涉及一种使用用激光照射的区域光阀的显示或打印系统。更具体而言，本发明涉及在显示或打印系统中使用有机激光元件阵列照射区域光阀。
包括用信息空间调制光束的光阀的电成像系统在本领域中是众所周知的。这种系统的常见用途包括投影显示和打印系统。一般，这些系统采用基本的白光光源形式，最著名的是白炽灯或弧光灯，通过适当的颜色过滤照射一个或多个光阀或空间光调制器，以形成所需图像，该图像被投影到观察屏或感光介质上。
背景技术
已知激光是吸引人的可选光源，作为基于光阀的投影显示和打印系统的灯。激光器的一种潜在优点是以特别饱和的颜色为特征的更宽色域。激光照射使简单、低成本高效光学系统成为可能，当与某些传统光阀成对使用时产生更高效率和更高对比度。激光器用于投影显示的一个缺点是缺少在适当可见光波长处具有足够功率的经济合算的激光器。
适于显示和照片打印机中电成像系统的低成本可见光激光器的缺少，大大地阻碍了满足这些需要的基于光阀的电成像系统的发展。在典型的电视应用中，例如红、绿和蓝激光器每一个均需要大约1W的功率。目前能得到的处于该功率大小的蓝和绿激光器，如腔内倍频二极管泵浦的固态激光器，由于需要二极管激光器泵浦的固态激光晶体、谐振器装置且需要非线性频率转换来产生可见光，因而极为昂贵。还存在必须解决稳定性和寿命的问题。此外，对于显示和打印系统来说每种颜色一个激光器在许多方面是不合乎需要的。因为这些激光器在光谱和空间均相干，最好应当避免光学系统内由于系统中的空气隙或薄玻璃元件中的光谱干涉仪效应(etalon effects)而产生的相干假象。在显示系统中，必须克服由于粗糙显示屏而产生的斑点，这很难由激光光源的光谱和空间相干性实现。最后，正如已经讨论的，感兴趣的区域光阀无需完全空间相干的光源。因此，希望使用具有低光谱和空间相干性的光源。
由排成矩形的可单独操作像素的二维阵列组成的光阀，提供另一种可用于激光显示和打印系统的部件。区域光阀的例子包括反射式液晶调制器，如可从JVC、Three-Five、Aurora和菲利普购得的硅上液晶(LCOS)调制器；以及微反射镜阵列，如可从Texas Instruments购得的数字光处理(Digital Light Processing)(DLP)芯片。二维调制器相对一维阵列调制器和光栅扫描系统的优点，是无需扫描；没有因调制器阵列的非均匀性导致的条纹假象(streakartifact)；并且没有频率远大于显示系统帧刷速率(≥120HZ)的激光噪声。二维空间光调制器的另一个优点是容许照射光束具有低空间相干性。相反，一维或线性光阀如Silicon Light Machines制造的光栅光阀(GLV)和共形光栅调制器，需要空间相干照射小尺寸光阀。
提供具有低空间和光谱相干性的激光的一种方法是利用多个激光源。根据专利合作条约(PCT)公布的国际申请，Waarts等人的1995年8月3日出版的名称为“Laser Illuminated Display System”的国际公布No.WO95/20811，公开了使用复合和光纤耦合的多个二极管激光器照射空间光调制器。2001年11月20日公布的Tiao等人名称为“Illumination Device And Image Projection ApparatusIncluding The Same”的美国专利No.6,318,863，公开了使用耦合到锥形光导管阵列的多个光源(在一个实施例中使用激光二极管)照射区域光阀。其他现有技术的例子是用激光器阵列。1998年1月6日公布的Kappel等人名称为“Laser Illuminated Image ProjectionSystem And Method Of Using Same”的美国专利No.5,704,700，公开了一种图像投影系统，其中微激光器阵列耦合至光束成形器以便照射光阀。此外，1999年7月13日公布的Kurtz等人名称为“LaserPrinter Using A Fly’s Eye Integrator”的美国专利No.5,923,475公开了一种使用二极管激光器阵列和光阀的打印系统。
当在要求使用RGB激光器阵列的显示或打印系统中使用区域光阀时，常常希望使用完全集成的二维激光器阵列。易于集成为二维的几种激光器技术之一，是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
基于无机半导体(例如AlGaAs)的VCSEL，从80年代中期已开始发展(Susumu Kinoshita等人的“Circular Buried Heterostructure(CBH) GaAlAs/GaAs surface Emitting Lasers”，IEEE Journalof Quantum Electronics，Vol.QE-23，No.6，June 1987)。达到由多个公司制造在850nm处发射的基于AlGaAs的VCSEL，并且寿命超过100年的目的(Kent D.Choquette等人的“Vertical-CavitySurface Emitting Lasers：Moving from Research toManufacturing”，Proceedings of the IEEE，Vol.85，No.11，November 1997)。随着这些近红外激光器的成功，近年来将注意力转移到其他无机材料系统用以制造在可见光波长范围内发光的VCSEL(Carl W.Wilmsen等人，“Vertical-Cavity Surface-EmittingLasers”，剑桥大学出版社，2001年剑桥)。可见光激光器具有许多潜在用途，如显示、光存储读/写、激光打印和采用塑料光纤的短距离无线电通讯系统(T.Ishigure等人，“2.5Gbits/s 100m datatransmission using graded-index polymer optical fibre andhigh-speed laser diode at 650nm wavelength”，ElectronicsLetters，March 16，1995，Vol.31，No.6)。尽管众多工业和学术实验室作出世界范围的努力，不过要制造产生覆盖可见光谱的光输出的可见激光二极管(端发射器或VCSEL)，还有许多工作要做。
在致力于制造可见波长VCSEL时，摒弃基于无机的系统而将重点放在基于有机的激光器系统是有益的，因为在可见光谱内基于有机的增益材料具有优于基于无机的增益材料的若干优点。例如，典型基于有机的增益材料具有低非泵浦散射/吸收损耗和高量子效率的性质。与无机激光系统相比，有机激光器相对来说制造廉价，在整个可见光范围上发光；可以设计成任意尺寸；并且最为重要的是，能从一个芯片发射出多个波长(如红、绿和蓝)。在过去若干年中，对于制造基于有机的固态激光器的兴趣已不断提高。激光器增益材料可以为聚合物或者小分子材料，并且采用多种不同的谐振腔结构，如VCSEL(参见2000年12月12日公开的、Kozlov等人名称为“OrganicVertical-Cavity  Surface-Emitting Laser”的美国专利No.6,160,828)、波导、环形微激光器和分布反馈(参见例如G..Kranzelbinder等人的“Organic solid-state lasers”，Rep.Prog.Phys.63，2000和Diaz-Garcia等人的1999年3月9日公开的名称为“Conjugated Polymers As Materials For Solid State Laser”的美国专利No.5,881,083)。所有这些结构的问题在于，为了获得激光发射，必须使用另一激光源通过光学泵浦来激励腔。最好电泵浦激光腔，因为这通常会导致更加紧凑和易于调节的结构。
获得电泵浦有机激光器的主要障碍是有机材料的低载流子迁移率，其一般为10-5cm2/(V-s)的量级。这种低载流子迁移率引发若干问题。具有低载流子迁移率的装置通常限于使用薄层来避免大电压降和大的欧姆加热。这些薄层导致激光模式穿透到有损耗阴极和阳极中，这会导致激光阈值大大增大(V.G..Kozlov等人，“Study of lasingaction based on Frster energy transfer in optically pumpedorganic semiconductor thin films”，Journal of Applied Physics，Vol.84，No.8，October 15，1998)。由于有机材料中电子-空穴复合受Langevin复合的控制(其速度正比于载流子迁移率)，低载流子迁移率产生比单激子具有更多电荷载流子的幅值量级。从而，电荷导致(极化子)的吸收成为一种重要的损耗机制(N.Tessler等人，“Pulsed excitation of low-mobility light-emitting diodes：Implication for organic lasers”，Applied Physics Letters，Vol.74，No.19，May 10，1999)。假设激光装置具有5％的内量子效率，使用迄今为止报道的最低激光阈值～100W/cm2(M.Berggren等人，“Light amplication in organic thin films using cascade energytransfer”，Letters to Nature，Vol.389，October 2，1997)，并且忽略上述的损耗机制，则电泵浦激光阈值的下限为1000A/cm2。包含这些损耗机制，则激光阈值最好高于1000A/cm2，这是到目前为止所报道的有机装置所能支持的最高电流密度(Nir Tessler等人，“HighPeak Brightness Polymer Light-Emitting Diodes”，AdvancedMaterials，1998，10，No.1)。
克服这些困难的一种方法，是使用结晶有机材料替代非晶无机材料作为激光介质。最近采用这种方法(J.H.Schon，“An Organic SolidState Injection Laser”，Science，Vol.289，July 28，2000)，用单晶并四苯作为增益材料构造法布里帕罗谐振器。通过使用结晶并四苯，可以获得更大电流密度；可以采用更厚的层(因为载流子迁移率为2cm2/(V-s)量级)；并且极化子吸收要低得多。这种有机结构在室温中产生大约1500A/cm2的激光器阈值电流密度。
基于有机的激光器的一个优点是，因为增益材料一般是非晶的，与要求高结晶度的增益材料(无机或有机材料)的激光器相比，可以更廉价地形成装置。此外，可以制造大面积的基于有机非晶增益材料的激光器，不涉及制造大区域单晶材料；结果可以设计成可产生更大输出功率的任意尺寸。因为其非晶性，基于有机的激光器可以在多种基片上生长；从而，诸如玻璃、挠性塑料和硅的材料可以作为这些装置的支撑物。因此，具有显著的成本优点以及非晶有机激光器可使用的支撑材料具有更大可选择性。
另一种有机激光器的电泵浦为非相干光源的光泵浦，如发光二极管(LED)，可以是无机的(M.D.McGehee等人，“Semiconductingpolymer distributed feedback laser”，Applied Physics Letters，Vol.72，No.13，March 30，1998)或有机的(1999年3月9日公布的Berggren等人名称为“Article Comprising An Organic Laser”的美国专利No.5,881,089)。这是由于在激光波长处使散射与吸收损耗的组合大大减小(～0.5cm-1)的未泵浦有机激光系统导致的，特别是当采用宿主-掺杂剂混合物作为活性介质时。即使利用这些小损耗，迄今为止所报道的基于波导激光器设计的有机激光器的最小光泵浦阈值为100W/cm2(M.Berggren等人，“Light amplification inorganic thin films using cascade energy transfer”，Nature，Vol.389，October 2，1997)。由于现货供应的无机LED仅能提供最高～20W/cm2的功率密度，必须采用不同方法将非相干源进行的光泵浦合并在一起。需要一种使激光器面结构的增益量最小，同时使光泵浦功率密度阈值小于5W/cm2的方法。
发明内容
本发明意在通过提供一种用于由图像数据流形成可以观看的彩色图像的电成像系统而克服上面所述的一个或多个问题，其包括具有用于接收彩色激光并具有漫射元件的观察屏，从而使电成像系统根据彩色激光产生可以观看的彩色图像。该电成像系统还包括多个设置成至少一个阵列的彩色激光源，每个激光源包括垂直腔构造，具有：i)用于接收并透过泵浦光，并且反射预定波长范围激光的第一介电堆；ii)用于接收第一介电堆发射的泵浦光，并发射激光的有机活性区域；以及iii)用于将透过有机活性区域的泵浦光和激光反射回有机活性区域中的第二介电堆，其中第一和第二介电堆以及有机活性区域的组合产生了激光。另外，该电成像系统中包括至少一个用于接收激光、并由图像数据流产生可见彩色图像的区域光阀。
本发明具有下列优点：改善图像均匀性，减小加框(letterboxing，即上下加黑边)时的闪耀，并抑制激光斑点出现。此外，本发明提供一种使用区域光阀和至少一个光泵浦的有机VCSEL阵列的打印系统。从而，本发明可以通过用多种易于获得的非相干光源如LED进行光泵浦而驱动。另外，因为泵浦LED可以设置在一个区域上，本发明的有机激光器可以构建成二维阵列。
附图说明
结合下面的描述和附图，显然可以看出本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中可使用相同附图标记表示附图中共有的相同特征，并且其中：
图1为垂直腔有机激光装置的示意截面图；
图2为使用谐振周期增益结构的垂直腔有机激光装置的示意截面图；
图3为使用锁相阵列的垂直腔有机激光装置的示意截面图；
图4为有机VCSEL阵列的剖开立体图的透视图；
图5为本发明电成像系统的示意透视图；
图6为使用微透镜阵列使有机VCSEL阵列的输出重叠的电成像系统的截面图；
图7为使用积分棒与垂直腔有机激光阵列的电成像系统的截面图；
图8为使用积分棒与垂直腔有机激光阵列的电成像系统的截面图；
图9为直接与积分棒集成的有机VCSEL阵列的截面图；
图10表示使用重叠激光光谱减小垂直腔有机激光阵列的光谱相干性的示图；
图11为使用垂直腔有机激光阵列和反射式液晶光阀的调制光学系统的截面图；
图12为使用垂直腔有机激光阵列和微反射镜阵列光阀的调制光学系统的截面图；
图13为使用三个垂直腔有机激光器阵列和三个区域光阀的全色电成像系统的示意图；
图14为使用三个垂直腔有机激光器阵列和一个区域光阀的全色顺序制彩色电成像系统的示意图；
图15为表示顺序制彩色电成像系统中红、绿和蓝光阀驱动信号与红、绿和蓝激光器驱动信号之间时间关系的时序图；
图16为使用单个垂直腔有机激光器阵列和一个区域光阀的全色顺序制彩色(color-sequential)电成像系统的示意图；以及
图17为适用于使用单个垂直腔有机激光器阵列和一个区域光阀的全色顺序制彩色电成像系统的三色垂直腔有机激光器阵列的示意图。
具体实施方式
为了便于理解，在可能的地方，已经使用相同附图标记表示幅图共有的相同元件。
图1中表示垂直腔有机激光装置10的示意图。基片20可以透光或不透光，这取决于想要的光泵浦和激光发射方向。透光基片20可以为透明玻璃、塑料或如兰宝石的其它透明材料。或者，在通过相同表面产生光泵浦和发射的情况下可以使用包括但不限于半导体材料(例如硅)或陶瓷材料的不透明基片。在基片上沉积有机激光薄膜结构35，其包括第一介电堆(stack)30，随后为有机活性区域(activeregion)40和第二介电堆50。光子源65发射的泵浦光束60通过基本上透射泵浦光束60的第一介电堆30来光泵浦垂直腔有机激光装置10。第二介电堆50应基本上反射泵浦光束60，以便迫使泵浦光束60两次穿过有机活性区域40。泵浦光束60源可以是非相干的，如来自发光二极管(LED)的辐射。或者，泵浦光束60可以来自相干激光源。图1表示泵浦光束60通过基片20传输，并且从第二介电堆50发射出激光70。或者，可以通过从空气侧传输的泵浦光束60和，通过实质上颠倒(inverting)有机激光薄膜结构35发射到基片20中的激光70操纵垂直腔有机激光装置10。在不透明基片如硅的情形中，光泵浦和激光发射均通过空气侧进行，这可以通过从图1中所示结构颠倒的有机激光膜结构35而实现。
有机活性区域40的优选材料为通常通过高真空热蒸发沉积的小分子量有机宿主-掺杂剂混合物(organic host-dopant combination)。这些宿主-掺杂剂混合物是有益的，因为它们会引起增益介质非常低的非泵浦散射/吸收损耗。最好有机分子具有小分子量，因为与旋涂聚合材料相比，可以更加均匀地沉积真空沉积材料。最好选择本发明中所使用的宿主材料，使它们充分吸收泵浦光束60，并能通过Frster能量转移将其激发能量的大部分转移到掺杂剂材料中。本领域技术人员熟悉Frster能量转移的概念，包括宿主与掺杂剂分子之间的无辐射能量转移。用于发射红激光的可用的宿主-掺杂剂混合物的例子为三(8-羟基喹啉)铝(Alq)(aluminum tris(8-hydroxyquinoline)(Alq))作为宿主，[4-(双菁亚甲基)-2-t-丁基-6-(1，1，7，7-四甲基julolidyl-9-enyl)-4H-吡喃](DCJTB)([4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1，1，7，7-tetramethyl julolidyl-9-enyl)-4H-pyran])作为掺杂剂(体积百分比为1％)。对于其他波长发射而言可以使用其他宿主-掺杂剂混合物。例如，在绿光中，可用的混合物为Alq作为宿主，[10-(2-苯并噻唑基)-2，3，6，7-四氢-1，1，7，7-四甲基-1H，5H，11H-[1]苯并吡喃[6，7，8-ij]喹嗪-11-酮](C545T)作为掺杂剂(体积百分比为0.5％)。其它有机增益区域材料可以为聚合物物质，例如聚苯乙烯撑衍生物，二烷氧基聚苯乙烯撑，聚-对-亚苯基衍生物，以及聚芴衍生物，如2001年2月27日公开的共同受让的Wolk等人的美国专利No.6,194,119中所教导的，其专利在此引作参考。
第一和第二介电堆30和50最好分别通过传统的电子束沉积而沉积，并且可以包含交替的高折射率和低折射率介电材料，如分别为TiO2和SiO2。可以使用其他材料如Ta2O5作为高折射率层。在图1所示的实施例中，在大约240℃的温度下沉积第一介电堆30。在第二介电堆50的沉积过程中，温度保持在70℃左右，以避免熔化有机活性材料。在本发明的一个可选实施例中，通过沉积反射金属镜层取代第二介电堆。典型金属为银或铝，其反射率超过90％。在该可选实施例中，泵浦光束60和激光70均穿过基片20。根据垂直腔有机激光装置10的所需发射波长，第一介电堆30和第二介电堆50对于预定波长范围的激光均是反射性的。
使用具有非常高精度(finesse)的垂直微腔，使激光以非常低的阈值(低于0.1W/cm2功率密度)跃迁。这种低阈值允许使用非相干光源进行泵浦，而不是其他激光器系统中通常使用的聚焦的激光二极管输出。泵浦源的一个例子为UV LED，或者来自Cree的UV LED阵列(具体来说，为XBRIGHT900 UltraViolet Power ChipLED)。这些光源发射中心在405nm波长附近的光，并且已知可在芯片形式中产生20W/cm2量级的功率密度。因此，即使考虑因装置组装和LED扩展角发射分布导致的利用率限制，LED亮度也足以以高于激光作用阈值许多倍的大小泵浦激光腔。
使用图2中所示的用于垂直腔有机激光装置80的活性区域构造，进一步提高激光器的效率。有机激光器膜结构35包括有机活性区域40，有机活性区域40包括一个或多个周期性增益区域100和沉积在周期性增益区域100两侧上的有机间隔层110，并且设计成使周期性增益区域100与该装置驻波电磁场的波腹103对准。这在图2中表示出，其中示意出有机活性区域40中激光的驻波电磁场图案120。由于在波腹103处的受激发射最高，并且在电磁场的节点105处很小，形成图2中所示的有机活性区域40具有固有的优点。有机间隔层110没有经历受激或自发发射，并且基本上不吸收激光70或泵浦光束60波长。间隔层110的例子为有机材料1，1-双-(4-二(4-甲基-苯基)-氨基-苯基)-环己烷(TAPC)。TAPC作为间隔材料而言很优异，因为它基本上不吸收激光输出或泵浦光束能量，此外，其折射率稍低于大多数有机宿主材料。这种折射率差异是有益的，因为其有助于使电磁场波腹103与周期性增益区域100之间的重叠最大。正如下面针对本发明将要讨论的，采用周期性增益区域(一个或多个)而不是块增益区域，导致更高功率转换效率，和明显减小不希望的自发发射。使用标准光学矩阵方法确定周期性增益区域(一个或多个)的位置(Scott W.Corzine等人，“Design of Fabry-Perot Surface-Emitting Lasers with aPeriodic Gain Structure”，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.25，No.6，June 1989)。为了获得良好效果，周期性增益区域(一个或多个)100的厚度必须等于或小于50nm，以避免不希望的自发发射。
通过利用图3中所示的锁相有机激光器阵列190，激光器可以增大面积同时保持空间相干度。为了形成二维锁相激光器阵列190，将有机激光器膜结构35图案化以形成激光器像素200，激光器像素200由像素间区域210分隔开。通过少量的内在折射率或增益引导，或者通过调节至少一个反射镜的反射率，将激光限制在像素间区域210中，产生激光器像素200。在一个实施例中，通过使用标准光刻和蚀刻技术，在第一介电堆30中图案化蚀刻区域220和形成蚀刻区域220，从而在第一介电堆30的表面上形成二维圆柱阵列，从而实现反射率调节。如上所述，在图案化的第一介电堆30上沉积有机激光器微腔结构的其余部分。在同一实施例中，激光器像素200的形状为圆形；不过，也可以为其他像素形状，如矩形。
激光器像素200的尺寸对于确定激光器像素200所支持的横模而言很关键。对于折射率引导结构的情形，用控制光波导的众所周知的定律表示所支持的横模数量(参见H.Kogelnik的“Theory ofDielectric Waveguides”，“Integrated Optics”的第二章，T.Tamir出版，1979)。对于增益引导结构而言，用所支持的腔模式与增益分布之间的重叠度表示所支持的横模数量。对于反射率调节结构而言，由与给定模式受到的衍射损耗有关的反射镜结构的尺寸决定所支持的横模数量(参见A.G.Fox和Tingye Li的“Resonant Modes in a Masterinterferometer”，B.S.T.J.Vol.40，453-458页，1961年3月)。根据引导结构，存在临界尺寸，在其之下仅支持单横模；在其之上支持多个横模。这些原则适用于通常的激光器系统，并非仅仅专用于有机激光器结构。
为了实现锁相，应当在激光器像素200之间交换强度和相位信息。为了实现这一目的，像素间间隔应当在0.25至4μm范围内。也对更大像素间间隔进行锁相阵列操作；不过，这会导致未充分利用光泵浦能量。为了获得稳定的锁相，激光器像素200最好仅支持基横模。为了实现这一目的，横向尺寸(例如圆形激光器像素的直径)最好为5μm或者更小。蚀刻深度最好为200至1000nm深，以形成蚀刻区域220。通过刚好蚀刻奇数层到达第一介电堆30，可以使蚀刻区域220中纵模波长明显移动偏离增益介质的峰值。因此，防止激光发射行为，并显著减小像素间区域210中的自发发射。形成蚀刻区域220的最终结果是将激光发射微弱地限制于激光器像素200，没有从像素间区域210发射激光，并且由阵列190发射出相干锁相激光。
图4表示有机VCSEL装置的另一优点；它们易于制造成单独寻址的元件阵列。图4表示有机VCSEL阵列300的透视图。有机VCSEL阵列300包括泵浦源阵列310，而泵浦源阵列310包括多个泵浦阵列元件320。泵浦阵列元件320是波长和功率密度可用于泵浦有机VCSEL阵列300的光子源。可使用的泵浦源阵列310的例子为彩色LED阵列。在泵浦源阵列310上设置基片20，在基片20上沉积有机激光器膜结构35。有机激光器膜结构35可以为上面参照图1到3讨论的任何一种实施方式。
泵浦源阵列310的排列确定了多个有机激光元件330。有机VCSEL阵列300中一个有机激光元件330为一个泵浦阵列元件320所泵浦的区域。可通过单独寻址泵浦阵列元件320而单独寻址有机激光元件330。这在图4中表示出，其中示出单个被激励的有机激光元件340。被激励的有机激光元件340包括一个被激励的发射出泵浦光束60的泵浦元件350。泵浦光束60将已被激活的有机激光元件340区域中的有机增益材料激发到阈值之上。这导致在被激活的有机激光元件340的区域内，大体垂直于有机激光器膜结构35的表面发射出激光70。
在有机VCSEL阵列300中，优选每个有机激光元件330与相邻的有机激光元件330是非相干的。这可以通过确定相邻有机激光器元件330的激光器像素200之间的间隙大于10μm而实现。或者，可以使泵浦源阵列310离开相邻有机激光元件330之间的非泵浦区域。因此，整个有机VCSEL阵列300发射出的激光70具有空间非相干度。即使使用锁相阵列结构作为有机激光器薄膜结构35也是如此，在该情形中各有机激光元件330的输出可以是衍射受限的。不过在此情形中整个有机VCSEL阵列300的etendue应该至少为衍射受限etendue的N倍，N为有机VCSEL阵列300中有机激光元件330的数量。空间非相干性应用于显示系统，因为它减小激光斑点的出现。有机激光元件330还可以包括多种宿主-掺杂剂混合物和/或多种腔构造，以使单一阵列可以产生多个波长。
图5示出了本发明的电成像系统。图5中的示意性透视图表示电成像系统400。电成像系统400包括产生图像的调制光学系统405，和将该图像投影到目标平面440上的投影透镜430。该图像为调制光强度的二维图案。所示电成像系统400建议为单色图像，不过本发明不限于使用单一颜色。图13到17中示出使用三种颜色的成像系统的具体实施例。
调制光学系统405包括有机VCSEL阵列300，而有机VCSEL阵列300包括发射激光70并且在一个区域上排列的各有机激光元件330。设置区域光阀420，用数据调制激光70产生图像。该数据包括但不限于，用于投影显示器或图像打印机的图片图像。或者，可以通过用区域光阀420强度调制激光70而将如文本打印机中的文本数据或其他数据编码到图像上。光束成形光学系统410设置在有机VCSEL阵列300与区域光阀420之间，用于接收激光70，并在区域光阀420上产生所需的照度分布。
区域光阀420包括排列成矩形形状的单独可操纵光调制像素的二维阵列。适宜的区域光阀420的例子为可以从JVC，Three-Five，Aurora和菲利普购得的透射或反射液晶显示(LCD)板，以及微反射镜阵列如可从Texas Instruments购得的Digital Light Processing(DLP)芯片。为了简化，图5的示意图表示透射光阀。不过，注意区域光阀420可以为反射式的，也处于本发明范围之内。参照图11和12给出使用反射光阀的实施例的详细说明。
图5中所示的区域光阀420还需要分析光学系统(未示出)，以便调制光束。例如，液晶光阀要求偏振光学系统有选择地从激光70中去除偏振成分。或者可以通过使用非对称激光像素200(图3中所示)和其他方法直接由有机VCSEL阵列300产生偏振激光70。作为另一个例子，微反射镜阵列需要光束挡板或光学机械结构，以便仅允许偏转到所需立体角中的光对图像有贡献。
目标平面440处图像的特定用途取决于本发明的应用。在显示系统中，显示屏将放置在目标平面440处以产生可视图像。后投影显示系统中的显示屏将采用透明材料形式，其特征在于有一定的漫射度在水平或垂直方向形成所需视场。透明材料可以为玻璃或塑料，或者基片与漫射膜的组和。可以通过蚀刻表面、全息表面或散射表面提供漫射。前投影显示系统中的显示屏可以采用具有漫射性质的反射材料形式，例如表面粗糙的屏幕。在电照相打印系统中，目标平面440相应于电照像磁鼓的位置，或者其上具有通过调色站发送的打印介质的板。在基于AgX的打印系统中，光敏打印介质设置在目标平面440处，并且随后被显影显示出图像。
在图5中所示最简单的实施例中，光束成形光学系统410包括将有机VCSEL阵列300成像在区域光阀420上的透镜。VCSEL阵列300最好与区域光阀420具有相同的纵横比。或者，可以使用不同纵横比，并且光束成形光学系统410可以产生有机VCSEL阵列300的变形图像。应当选择光束成形光学系统410的放大率，使有机VCSEL阵列300的图像面积与区域光阀420的面积匹配。希望有一些余量，以便消除照射边缘效应及提供机械容差。VCSEL阵列300的图像可以轻微散焦，以便去除各有机激光元件330之间暗区域可能产生的不满足需要的象素效应(pixellation effects)。
本实施例具有两个主要优点。第一，因为区域光阀420上的给定位置主要仅接收来自有机VCSEL阵列300一个有机激光元件330的光，该位置的照度可通过调节该有机激光元件330而控制。因此，可以以不同输出能级驱动有机激光元件330，以便产生均匀图像。其可以用于补偿区域光阀420或有机VCSEL阵列300中的非均匀性，或者用于补偿目标平面440处所产生的图像中的辐射度的cos4降落(radiometric cos4 fall-off)。
将有机VCSEL阵列300成像在区域光阀420上的第二优点在于可以应用加框(letterboxing)来提高性能。加框是一种可通过使光调制像素的行或列按照需要失效而有效改变图像的纵横比，由给定区域光阀产生多个不同纵横比的技术。在现有技术系统中，照射整个光阀，避免如仅照射所需光调制像素时要求的照射光学系统的复杂切换。所有实际光阀都允许小部分光穿过失效的光调制像素，导致图像加框区域闪耀。通过不泵浦照射区域光阀420上失效的光调制像素的有机激光元件330，可以从电成像系统400中消除这种闪耀。
或者，可以使用非成像结构作为光束成形光学系统410。在这种情形中，有机VCSEL阵列300没有成像在区域光阀420上。作为一个普通例子，有机VCSEL阵列300可以放置在距离区域光阀420给定距离处，允许激光70传播，以在区域光阀420上产生给定强度分布。虽然这种方法的简单性很吸引人，不过实际反射光阀系统所需的距离使之难以获得均匀照度分布。在许多方法中最好用来自每个有机激光元件330的光照射区域光阀420的整个区域，而不是将来自有机激光元件330的光映射到区域光阀420的给定部分。从而照射具有固有的冗余度，以消除一个或多个有机激光元件330失效。不过，这表明有机激光元件330应当互不相干，从而它们可以重叠，而在区域光阀420处没有在光分布中引入明显的干涉条纹。
图6中表示使用使来自有机激光元件的光重叠的光束成形光学系统的电成像系统的一个例子。图6为使用微透镜阵列与垂直腔有机激光器阵列的电成像系统500的截面图。电成像系统500包括用于产生包含二维强度图案图像的调制光学系统505，和将该图像投影到目标平面440上的投影透镜430。调制光学系统505包括有机VCSEL阵列300，而有机VCSEL阵列300包括发射激光70并排列在一个区域上的各有机激光元件330。设置区域光阀420，用数据调制激光70以产生图像。光束成形光学系统410设置在有机VCSEL阵列300与区域光阀420之间，用于接收激光70，并在区域光阀420上产生所需照度分布。
光束成形光学系统410包括接收激光70的组合器微透镜阵列510。从每一各个有机激光元件330发射出的激光70，被单个微透镜聚集，形成标称(nominally)的准直光束。组合器场透镜520收集每一准直光束，并形成在区域光阀420上彼此重叠的各有机激光元件330的放大图像。组合器场透镜520最好对于液晶光阀来说是远心的，不过对于其他实施例可以会聚到区域光阀420以外的光瞳。
如果每个有机激光元件330提供均匀(或者近似均匀)的发射光分布，调制光学系统505将均匀照射区域光阀420。或者，如果发射光分布是非均匀的，一个有机激光元件330与下一个之间具有随机的发射光非均匀图案，则该调制光学系统505可以通过求平均而均匀照射区域光阀420。不过如果发射光图案具有图案非均匀性，如一般在有机激光器元件330的边缘处下降，则尽管经过平均，也会在区域光阀420的照明中复制这种下降。如果下降超过应用的均匀性容差，则可以通过过照射区域光阀420，或着通过使用光均匀化光学系统(如蝇眼积分器或积分棒)来修正该问题。
由此，光均匀化光学系统将来自给定有机激光元件330的激光70自身混合。最好从该有机激光元件330发射的激光70是多模的，并且充分不相干(或者部分相干)，可能发生重叠，不会在所产生的照明中引入明显的干涉条纹。结果，与均匀器一起使用的有机激光器阵列300，优选包括分别为多模，并且互不相干的有机激光元件330。可以例如通过使用非锁相阵列或者包括多模激光像素的锁相阵列的有机激光元件330来实现。或者，通过包括用于减小空间相干性的元件，可以与积分器一起使用各单模相干有机激光元件330。相干性减小元件的一个例子为漫射体。不过，漫射体应当在有机激光器阵列300与积分器光学系统之间的光路中旋转或振动，以便将光学粗糙漫射体表面引起的斑点平均。最后，如果存在多个单模有机激光元件330并且他它们互不相干，则可以使用它们。在这种情形中，如果每个有机激光元件330产生的相干性缺陷(artifact)在区域光阀上没有对准，则由于求平均相干性缺陷不明显。
图7中表示出使用包括积分器的光束成形光学系统的电成像系统的一个例子。图7为包含蝇眼积分器的电成像系统550的截面图。该电成像系统550包括产生包含二维强度图案的图像的调制光学系统552，和将该图像投影到目标平面440上的投影透镜430。调制光学系统552包括有机VCSEL阵列300，该有机VCSEL阵列包括发射激光70并且设置在一个区域上的各有机激光元件330。设置区域光阀420，用以用数据调制激光70，产生图像。光束成形光学系统410设置在有机VCSEL阵列300与区域光阀420之间，用于接收激光70，并在区域光阀420上产生所需的照度分布。
光束成形光学系统410包括微透镜组合器系统555和蝇眼积分器557。微透镜组合器系统555包括后面跟有组合器场透镜520的组合器微透镜阵列510。组合器微透镜阵列510和组合器场透镜520接收激光70，并在蝇眼积分器557的入口处产生各有机激光元件330的放大、重叠图像。
蝇眼积分器557包括微透镜阵列560匹配对与蝇眼耦合光学系统570。正如本领域中所熟知的，蝇眼积分器将输入光束分成多个小光束，然后重叠小光束的图像产生均匀照度。在图7中所示的蝇眼积分器中，匹配成对的微透镜阵列560执行将微透镜组合器系统555提供的光分成小光束的任务。蝇眼耦合光学系统570执行在区域光阀420处以重叠方式将小光束重新成像的任务(实际上，在微透镜阵列560匹配对的第一个的入口处的场)。蝇眼耦合光学系统570最好对于液晶光阀是远心的，不过对于其他实施例可以会聚到区域光阀420以外的光瞳。为了有效利用有机VCSEL阵列300产生的光，蝇眼积分器应当产生匹配区域光阀420的所需照度的纵横比的图像(对于准直容差而稍许过量)。这可以通过使微透镜阵列560的匹配对中的各微透镜的纵横比与区域光阀420所需照度的纵横比匹配而很容易地实现。注意所需照度的纵横比并非必须与区域光阀420的纵横比匹配，例如当使用加框时。
图8中表示出使用均匀化光束成形装置的电成像系统的另一实施例。图8为使用具有垂直腔有机激光器阵列的导光管积分器的电成像系统600的截面图。电成像系统600包括产生包括二维强度图案的图像的调制光学系统605，和将该图像投影到目标平面440上的投影透镜430。调制光学系统605包括一个有机VCSEL阵列300，而有机VCSEL阵列300包括发射激光70并排列在一个区域上的各有机激光元件330。设置区域光阀420，用数据调制激光70，产生图像。光束成形光学系统410设置在有机VCSEL阵列300与区域光阀420之间，用以接收激光70，并在区域光阀420上产生所需的照度分布。
光束成形光学系统410为形成区域光阀420均匀照度的导光管积分器。光束成形光学系统410包括接收有机VCSEL阵列300发射的激光70并将其聚焦到积分棒620入口中的聚光透镜610。当沿棒长度方向传播时由于全内反射而限制在积分棒620中的激光70，在传播足够长长度之后产生均匀光630。均匀光630在平面A处射出积分棒620。导光管光学系统640具有像平面A与共轭平面A’。区域光阀420设置在平面A’处或附近。
积分棒620是一段具有矩形截面的光学性能玻璃或塑料。优选材料为BK7，熔融石英或其他光学玻璃。积分棒620截面的纵横比最好与区域光阀420所需照度的纵横比匹配，在此情形中导光管光学系统640可以仅包括球面透镜元件。注意所需照度的纵横比并非必须与区域光阀420的纵横比匹配，例如当使用加框时。积分棒620的截面可以使用不同的纵横比，不过必须使用变形导光管光学系统640。该积分棒620平直且在其整个长度上具有恒定宽度。不过，积分棒620可以为锥形，或者弯曲，也处于本发明范围之内。
图9表示单片积分器650的截面图。单片积分器650包括一个直接设置在积分棒620入口面上的有机VCSEL阵列300。有机VCSEL阵列300包括发射激光70并且设置在一个区域上的各有机激光器元件330，从而激光70直接入射到积分棒620中。积分棒620最好是锥形的，从而随着激光70的传播其截面缩小。这有利于使来自不同有机激光元件330的激光70混合，在积分棒620的出射面(像平面A)处产生均匀光630。
为了产生单片积分器650，可以如图4中所示在分离基片上制造有机VCSEL阵列，随后用光学粘合剂将基片固定到积分棒620。
对于使用激光器的显示系统而言，激光斑点的出现是主要关心的问题。斑点是由于激光源的自然相干性导致的，当激光散射离开光学粗糙显示屏时会导致复杂的干涉图案出现。在减小激光斑点可见度的多种方法中，一种最吸引人的方法是减小激光源的时间和空间相干性(参见G.Parry，“Speckle Patterns in Partially CoherentLight”，Ch.3 in Laser Speckle and Related Phenomena，ed.J.C.Dainty，Springer，1975)。该技术特别适用于本发明的有机VCSEL阵列。
由于本发明的有机增益材料与传统激光材料相比表现出极大地增益带宽这一事实，可以减小时间相干性。例如，据报道掺有掺杂剂DCM的Alq的增益带宽超过100nm(参见S.Riechel等人，Optics Letters，Vol.26，No.9，May 1，2001)。从而，存在使用相同宿主-掺杂剂混合物制造出具有宽波长范围的激光器的可能性。参照图1和4，在具有均匀宿主-掺杂剂混合物的有机VCSEL阵列300中，有机激光元件330之间的激光波长，可以通过例如控制改变有机活性区域40的厚度而改变。因为激光器中的激光纵模的波长正比于腔长度，改变活性区域厚度产生出随有机激光元件330而变的激光波长。
有意改变有机激光元件330的激光波长的容易性，与同样改变半导体或固态激光器阵列时遇到的困难相比非常有益。作为一个例子，1995年1月24日公布的Welch等人，名称为“Monolithic Multi-Wavelength Laser Diode Array”的美国专利No.5,384,797描述了一种复杂的单片多波长激光二极管阵列，其包括与布喇格反射器光栅阵列耦合，然后与激光放大器阵列和倍频波导阵列耦合的激光振荡器阵列，从而产生与有机VCSEL阵列300相比设计和波长灵活性更小的多波长激光器阵列。
当利用使所有有机激光元件330发射的激光70重叠的光束成形光学系统410时，可以获得非常宽的光谱宽度。图10中解释了这一概念。图10表示使用重叠的激光光谱减小有机VCSEL阵列300的光谱相干性。每个有机激光器元件330具有各个的激光光谱700，各个激光光谱700具有特征各个波长λi和单独光谱宽度Δλi。假设为单模VCSEL结构，通过垂直腔设计精度(finesse)，决定单独光谱宽度Δλi。非常宽的各光谱宽度Δλi是由于使用具有低反射率的第二介电堆50和/或第一介电堆30(参见图1)导致的低精度垂直腔构造导致的。不过，为了获得能进行LED泵浦的低阈值泵浦密度，垂直腔应该具有高精度，这将导致各光谱宽度Δλi太窄(＜1nm)，这直接影响斑点的可见度。
不过，如前面所述，通过改变有机VCSEL阵列300的有机活性区域40的厚度，可以使各有机激光元件330中各中心波长λi变化。全部有机激光元件330所发射激光70的重叠的效果，是产生为所有各激光光谱700之和的光谱带710。所产生的光谱带710具有可能非常宽(＞＞1nm)的总光谱宽度Δλtot，从而对于具有足够表面粗糙度的显示屏而言斑点实质上不可见。Waarts等人在名称为“Laser IlluminatedDisplay System”的国际专利申请No.WO 95/20811中已经披露了使用可见光无机半导体激光器的相关技术。
常常用斑点对比度表示激光斑点的可见度，其中斑点对比度定义为用平均强度归一化的斑点强度的标准偏差的比。这也相当于斑点噪声信噪比的倒数。为了定量地预测使用多个波长对激光斑点出现的影响，我们考虑具有光谱宽度σk的高斯光谱带710的情形，其具有根据公式1可以写出的功率光谱密度(S)。
S ( k ) = 1 2 π k e - ( k - k 0 ) 2 / 2 σ k 2 (公式1)
在公式1中，k＝2π/λ为波数，k0＝2π/λ0为平均波数，或者为光谱带710中心处的波数。假设散射表面具有以标准偏差为特征的正态分布，表示为表面粗糙度σh，则由公式2给出时间非相干性导致的斑点对比度减小(参见Parry)，
         CT＝[1+(2σkσz)2]-1/4         (公式2)其中光学表面粗糙度(对于可能存在的观察屏)对于反射性散射表面定义为σz＝2σh，对于透射性散射表面定义为σz＝(n-1)σh，其中n表示散射表面的折射率。例如，考虑表面粗糙度σh＝50μm的前投影显示屏，为了将对比度减小到20％，要求σk＝0.125μm-1，这相当于对于中心波长λ0＝550nm而言，总光谱宽度Δλtot＝14nm(FWHM)。
本发明还提供一种减小激光源空间相干性的方法。因为各有机激光元件330互不相干，则整个阵列空间上不相干。因此，考虑向后在电成像系统中观看光源图像时光源的有效位置，Iwai和Asakura(参见T.Iwai和T.Asakura，“Speckle Reduction in CoherentInformation Processing”，Proceedings of the IEEE，Vol.84，No.5，May 1996)已经证明斑点对比度近似由公式3给出。
C s = [ 1 + ( NA proj NA obs ) 2 ] - 1 / 2 (公式3)其中NAproj为投影仪的有效数值孔径(近似为区域光阀420上给定点照射的角宽度除以投影透镜430的放大率)，NAobs为观察者眼睛的数值孔径(近似为观察者的瞳孔半径除以观察者距离屏幕的距离)。为了用有机VCSEL阵列的性质进行表示，可以利用电成像系统的拉格朗日不变量近似为目标平面处图像半宽度的NAproj倍这一事实，还假设光学系统完全利用了有机VCSEL阵列所产生的光(即该系统的拉格朗日不变量近似为有机VCSEL阵列的拉格朗日不变量)。如果进一步考虑有机VCSEL阵列300包括NLE个都发射光束品质因数为M2的的相同有机激光元件330，则整个有机VCSEL阵列的拉格朗日不变量近似等于衍射受限高斯光束的拉格朗日不变量的NLEM2倍，其中衍射受限高斯光束的拉格朗日不变量为λ/π。因此，可以用观察者的瞳孔半径(Reye)、观察者距离(用屏幕宽度数Nsw表示)、各有机激光元件330的光束品质因数(M2)以及有机激光器元件330的数量(NLE)表示空间相干性引起的斑点对比度降低，如公式4中所示。
Cs ≈ [ 1 + ( 2 λ 0 π M 2 N sw R eye N LE ) 2 ] - 1 / 2 (公式4)
作为一个例子，考虑将显示系统设计成从至少一个屏幕宽度距离观察，并使用本发明具有分别发射衍射受限的高斯光束(M2＝1)的有机激光元件的绿光有机VCSEL阵列(λ0＝550nm)。假设观察者瞳孔半径为大约1.5mm，公式4表明NLE＝21,000个有机激光元件足以获得0.2的斑点对比度。并非制造如此大量的单独可操纵的有机激光元件，最好将每个激光器像素设计成产生非衍射受限光束，这样，有机VCSEL阵列300的总拉格朗日(Lagrange)不变量至少为衍射极限的大约20,000倍。实际上这易于通过将锁相区域限制为每个有机激光元件330的一个小区域，例如通过在锁相阵列中插入间隙而实现。例如，通过将有机激光元件330设计成发射M2～100的非衍射受限光束，仅仅大约200个有机激光元件就足以获得明显的斑点减小。
实际上，可以使用空间相干性减小和时间相干性减小，使用此处所讨论的方法，来减小本发明电成像系统中的斑点。因此，可以利用公式2和3中所描述的两种方法来减少斑点。
现在考虑使用特定类型区域光阀的调制光学系统的实施例。图11为使用具有发射激光70的反射液晶光阀的有机VCSEL阵列300的调制光学系统800的截面图。光束成形光学系统410用于产生均匀且面积与反射液晶光阀830的所需照度匹配的照度分布。注意所需照射区域并非必须相应于反射液晶光阀830的全部区域。可以使用图5到9中所讨论的光束成形光学系统410的任何实施例。反射式液晶光阀830最好为硅上液晶(LCOS)芯片，这是由于该结构的可制造性和电子集成优点。反射液晶光阀830可以为垂直对准向列(VAN)LCOS设计，如可从JVC购得的D-ILA芯片或扭曲向列LCOS设计。反射液晶光阀830接收沿s-方向偏振的光。单独可控制的光调制像素贡献与所施加电压相应的可控制的延迟量。从光调制像素反射的光可以具有s-方向的线偏振(图11中所定义的)以产生图像的暗区域；具有Pref方向(如图11中所定义的)的线偏振以产生图像亮区域，或者将产生图象中间灰度的椭圆或部分旋转的线偏振。
偏振分束器820设置在光束成形光学系统410与反射液晶光阀830之间。偏振分束器820可以为粘接的立方体或者包括二向色偏振敏感涂层或线栅阵列的平板分束器。二向色偏振分束立方体和平板可以从Irvine的Newport，CA和许多其他光学装置销售商处购得，而线栅偏振分束器可从Orem，Utah的Moxtek购得。激光70最好是线偏振的，不过如果在有机VCSEL阵列300与偏振分束器820之间包含有预偏振器810，激光70也可以为非偏振或者其他偏振(例如圆或椭圆偏振)。或者，如果偏振分束器820的消光比超过足够安全余量所需的对比度，可以在没有预偏振器810的条件下使用非偏振有机VCSEL阵列300。则将用于该用途的消光比定义为偏振涂层的s-偏振光的反射率与p-偏振光的反射率的比值。
偏振分束器820接收激光70，并反射s-偏振成分(偏振平行于涂层平面)，透射不使用的并且可以用光束挡板(未示出)阻挡的Pinc-偏振成分。如果使用预偏振片810，则它将从激光70基本上去除Pinc-偏振成分。由于从反射式液晶光阀830反射时偏振态改变，偏振分束器820将s-偏振成分向后朝向有机VCSEL阵列300反射，而朝向检偏器840透过Pref-成分。检偏器840为线偏振器，进一步从光束中滤除任何残留s-偏振光。投影透镜430表明使用电成像系统中的调制光学系统800，将图像投影到目标平面440上。
注意已经在一个特定实施例中描述了调制光学系统800，其中使用入射的s-偏振光，将反射式液晶光阀830设置成接收偏振分束器820所反射的光。还可以为另一种实施方式，如使用入射的p-偏振光，将反射式液晶光阀830设置成接收透过偏振分束器820的光，将检偏器840和投影透镜430设置成接收从反射式液晶光阀830和偏振分束器820反射的s-偏振光。
图12为使用具有微反射镜阵列光阀的有机VCSEL的调制光学系统900的截面图。调制光学系统900包括发射激光70的有机VCSEL阵列300。光束成形光学系统410用于产生均匀且面积与微反射镜阵列光阀910的所需照度匹配的照度分布。注意所需照度并非必须与微反射镜阵列光阀910的全部面积相应。可以使用说明图5到9时所讨论的光束成形光学系统410的任何实施例。微反射镜阵列光阀910可以为可从Texas Instruments购得的Digital Light Processing(DLP)芯片。
微反射镜阵列光阀910上每个单独可操纵光调制像素，通过沿两个方向中的一个方向反射光来调制光。当光调制像素处于断开(off)状态时，其沿第一方向反射入射光，产生被光束挡板930遮蔽(capture)的断开(off)状态光束920。当光调制像素处于接通(on)状态时，其沿第二方向反射入射光，产生接通(on)状态光束940。为了由调制光学系统900形成电成像系统，可以设置投影透镜430，该透镜用于接收on状态光束940，并在目标平面440上产生微反射镜阵列光阀910的图像。使用微反射镜阵列光阀910，通过单独控制每个光调制像素，切换成接通(on)状态给定部分的帧时间，产生所需灰度级数值，从而产生连续色调的图示图象。
现在描述使用有机VCSEL阵列的全色电成像系统。对于这些系统而言，假设需要至少三种不同颜色的激光源，下面将考虑在红、绿和蓝光谱范围内发光的激光器。对于打印系统而言，需要使用红、绿和蓝激光源使用照片介质进行打印。不过，对于电子照相打印而言，可以使用一个处于红光谱区域的光源，使用不同调色剂获得全色图象。因此，任何前面所述的光学系统均可以用于全色电子照相激光打印机。
图13为使用三芯片结构的全色电成像系统1000的示意图。全色电成像系统1000包括全色调制光学系统1005，其产生包括二维红、绿和蓝强度图案的全色图象、以及将该全色图象投影到目标平面440上的投影透镜430。全色调制光学系统1005包括红色有机VCSEL阵列300R。红色有机VCSEL阵列300R中所包含的泵浦源阵列从红色泵浦驱动器1010R接收红色泵浦信号1020R，使各泵浦源发射泵浦光。当泵浦时，红色有机VCSEL阵列300R发射波长在可见光谱红色部分中的红色激光70R。红色激光70R被红色光束成形光学系统410R聚集，产生红色区域光阀420R的所需照度。红色光束成形光学系统410R可以为图5到9中所述的任何一种。红色区域光阀420R最好为反射液晶光阀或者微反射镜阵列光阀，不过如图13所示可以为透射液晶光阀。
全色调制光学系统1005还包括绿色有机VCSEL阵列300G。绿色有机VCSEL阵列300G中所包含的泵浦源阵列从绿色泵浦驱动器1010G接收绿色泵浦信号1020G，使各泵浦源发射泵浦光。当泵浦时，绿色有机VCSEL阵列300G发射波长在可见光谱绿色部分内的绿色激光70G。绿色激光70G被绿色光束成形光学系统410G会聚，产生绿色区域光阀420G的所需照度。绿色光束成形光学系统410G可以为在描述图5到9时所讨论的任何一种。绿色区域光阀420G最好与红色区域光阀420R具有相同类型。
全色调制光学系统1005还包括蓝色有机VCSEL阵列300B。蓝色有机VCSEL阵列300B中所包含的泵浦源阵列从蓝色泵浦驱动器1010B接收蓝色泵浦信号1020B，使各泵浦源发射泵浦光。当泵浦时，蓝色有机VCSEL阵列300B发射波长在可见光谱蓝色部分中的蓝色激光70B。蓝色激光70B被蓝色光束成形光学系统410B聚集，产生蓝色区域光阀420B的所需照度。蓝色光束成形光学系统410B可以为描述图5到9时所讨论的任何一种。蓝色区域光阀420B最好与红色区域光阀420R和绿色区域光阀420G为相同类型。
全色电成像系统1005还包括提供被编码成全色图象形式的数据的数据流1030。该数据可以，例如，对应于打印和显示系统的静止图像，或者对应于显示系统的视频运动图像。数据处理器1040从数据流1030接收数据，并产生用以驱动红色区域光阀420R的红色光阀驱动信号1050R、用以驱动绿色区域光阀420G的绿色光阀驱动信号1050G、和用以驱动蓝色区域光阀420B的蓝色光阀驱动信号1050B。根据这些驱动信号，光阀分别在红色区域光阀420R，绿色区域光阀420G和蓝色区域光阀420B上形成红，绿和蓝图像。
全色调制光学系统1005还包括配色器(color combiner)1060，其接收由红色区域光阀420R、绿色区域光阀420G和蓝色区域光阀420B调制的光，并且将它们组合成一个光束。现有技术中已知多种适用于配色器1060的实施例，最佳的例子为X-射线管(如图13中所示)或Philips棱镜。投影透镜430将全色图象投影到目标平面440上，全色图象由放大且重叠的红、绿和蓝色图像组成。
图14为全色电成像系统1100的示意图，其为场色序的(colorsequential)，并且使用三个有机垂直腔激光器阵列。全色电成像系统1100包括产生具有二维红、绿和蓝强度图案的全色图象的全色调制光学系统1105，和将该全色图象投影到目标平面440上的投影透镜430。全色调制光学系统1105包括红色有机VCSEL阵列300R。红色有机VCSEL阵列300R中所包含的泵浦源阵列从红色泵浦驱动器1010R接收红色泵浦信号1020R，使各泵浦源发射泵浦光。当泵浦时，红色有机VCSEL阵列300R发射波长在可见光谱红色部分中的红色激光70R。
全色调制光学系统1105还包括绿色有机VCSEL阵列300G。绿色有机VCSEL阵列300G中所包含的泵浦源阵列从绿色泵浦驱动器1010G接收绿色泵浦信号1020G，使各泵浦源发射泵浦光。当泵浦时，绿色有机VCSEL阵列300G发射波长在可见光谱绿色部分内的绿色激光70G。
全色调制光学系统1105还包括蓝色有机VCSEL阵列300B。蓝色有机VCSEL阵列300B中所包含的泵浦源阵列从蓝色泵浦驱动器1010B接收蓝色泵浦信号1020B，使各泵浦源发射泵浦光。当泵浦时，蓝色有机VCSEL阵列300B发射波长在可见光谱蓝色部分中的蓝色激光70B。
全色调制光学系统1105还包括配色器1060，其接收红色激光70R、绿色激光70G和蓝色激光70B，并且将它们构成一个光束。设置光束成形光学系统410接收该单一光束，并产生区域光阀420的所需照度。光束成形光学系统410可以为描述图5到9时所讨论的任何一种。虽然图14中配色器1060为X-射线管，不过可以代之以Philips棱镜或一对二向色反射镜。二向色反射镜是用于全色调制光学系统1105中配色器1060的一种可以接受的实施方式，因为它们不设置在全色电成像系统1100的区域光阀420与目标平面440之间的成象光路中。相反，二向色反射镜并非图13全色调制光学系统1005中配色器1060的最佳实施方式，因为倾斜反射镜基片将像散和彗差引入全色电成像系统1000的投影透镜430所产生的图像中。
全色电成像系统1105还包括提供被编码成全色图像形式的数据的数据流1030。该数据可以例如，对应于打印或显示系统的静止图像，或者对应于显示系统的视频运动图像。数据处理器1040从数据流1030接收数据，并产生光阀驱动信号1140，用以驱动区域光阀420。还设置定时产生器1110，用于将光阀调制同步成顺序照射红、绿和蓝有机VCSEL阵列300R，300G和300B。定时产生器1110产生红色定时信号1120R、绿色定时信号1120G和蓝色定时信号1120B。
现在参照图15，将详细描述定时产生器1110分别对图14中所示的红、绿和蓝色有机VCSEL阵列300R、300G和300B以及图像数据处理器1040的动作。图15为说明全色电成像系统1100中红、绿和蓝色定时信号1120R、1120G和1120B各自之间，光阀驱动信号1140分别与红、绿和蓝泵浦信号1020R、1020G和1020B之间的时间关系。水平轴为时间轴，并且分成若干相同的帧时间。帧时间表示显示系统显示单独帧视频运动图像的时间。对于打印系统而言，所示帧时间可能表示一单页的打印时间，不过如果每页使用多次曝光，则也可以表示一次曝光的时间。每帧时间分成红色窗口、绿色窗口和蓝色窗口，其中分别产生红、绿和蓝图像。图15的时序图表明红色、绿色和蓝色窗口具有相同持续时间。尽管这通常是优选的，不过并不要求，例如为了补偿红、绿和蓝色通道之间激光器功率和/或观察者或介质灵敏度的差异，可以使用不同窗口时间。
图15中时序图的竖轴由各信号的说明组成。在红色窗口内，启动红色定时信号1120R。红色定时信号1120R的启动开始接通红色泵浦信号1020R，通过可选择的延迟使红色激光70R稳定，光阀驱动信号1140能将红色图像调制信号发送给图14中所示的区域光阀420。在该红色窗口期间，红色有机VCSEL阵列300R照射区域光阀420，其用红色激光70R调制全色图像的红光成分。在红色窗口结束时，使红色定时信号1120R无效，此时红色泵浦信号1020R无效，并且从光阀驱动信号1140消除红色图像调制信号。
在绿色窗口内，启动绿色定时信号1120G。绿色定时信号1120G的启动开始接通绿色泵浦信号1020G，通过可选择的延迟使绿色激光70G稳定，光阀驱动信号1140能将绿色图像调制信号发送给区域光阀420。在该绿色窗口期间，绿色有机VCSEL阵列300G照射区域光阀420，其用绿色激光70G调制全色图像的绿色成分。在绿色窗口结束时，使绿色定时信号1120G无效，此时绿色泵浦信号1020G无效，并且从光阀驱动信号1140消除绿色图像调制信号。
在蓝色窗口内，启动蓝色定时信号1120B。蓝色定时信号1120B的启动开始接通蓝色泵浦信号1020B，通过可选择的延迟使蓝色激光70B稳定，光阀驱动信号1140能将蓝色图像调制信号发送给区域光阀420。在该蓝色窗口期间，蓝色有机VCSEL阵列300B照射区域光阀420，其用蓝色激光70B调制全色图像的蓝色成分。在蓝色窗口结束时，使蓝色定时信号1120B无效，此时蓝色泵浦信号1020B无效，并且从光阀驱动信号1140消除蓝色图像调制信号。对随后帧重复该过程，其中红、绿和蓝色图像调制信号将随后各帧的特定数据编码到全色图像上。
返回图14，全色电成像系统1100可以用于例如显示系统。从而用于显示系统中的全色电成像系统1100将以对于眼睛来说太快以至于难以区分的速度依次产生红、绿和蓝色图像(实际上，如高于抖动频率，或者小于大约30ms的帧时间)。因此，观察者看到的是全色图像，而不是一系列单色图像。
图16为场色序的且使用单个有机垂直腔激光器阵列的全色电成像系统1200的示意图。全色电成像系统1200包括产生包括二维红、绿和蓝强度图案的全色图像的全色调制光学系统1205，和将该全色图像投影到目标平面440上的投影透镜430。全色调制光学系统1205包括全色有机VCSEL阵列1210，该阵列能发射可见光谱红、绿和蓝部分的激光70全色。全色有机VCSEL阵列1210根据红色泵浦驱动器1010R提供的红色泵浦信号1020R发射红色激光。全色有机VCSEL阵列1210根据绿色泵浦驱动器1010G提供的绿色泵浦信号1020G发射绿色激光。全色有机VCSEL阵列1210根据蓝色泵浦驱动器1010B提供的蓝色泵浦信号1020B发射蓝色激光。设置光束成形光学系统410，接收激光70，并产生区域光阀420的所需照度。光束成形光学系统410可以为描述图5到9时所讨论的任何一种。
全色电成像系统1200还包括提供被编码成全色图像形式的数据的数据流100。该数据可以，例如对应于用于打印或显示系统的静止图像，或者对应于显示系统的视频运动图像。数据处理器1040从数据流1030接收数据，并产生用以驱动区域光阀420的光阀驱动信号1140。还设置定时产生器1110，用于将光阀调制同步成，从全色有机VCSEL阵列1210相继照射红、绿和蓝光。定时产生器1110产生红色定时信号1120R、绿色定时信号1120G和蓝色定时信号1120B。图15所示的时序图也适用于全色电成像系统1200中所使用的颜色顺序处理。
现在详细描述全色有机VCSEL阵列1210。图17为全色有机VCSEL阵列1210一个实施例的示意截面图。全色有机VCSEL阵列1210包括包含红色泵浦阵列元件1230R、绿色泵浦阵列元件1230G和蓝色泵浦阵列元件1230B的泵浦源阵列310。该全色有机VCSEL阵列1210还包括基片20。红色有机激光元件1220R设置在基片20上，具有适合于发射波长在光谱红光部分的红色激光70R的有机掺杂剂。红色有机激光元件1220R对准红色泵浦阵列元件1230R，根据红色泵浦信号1020R产生泵浦光束60。红色泵浦阵列元件1230R产生的泵浦光束60，激励红色有机激光元件1220R，使其发射红色激光70R。
全色有机VCSEL阵列1210还包括绿色有机激光元件1220G，其设置在基片20上，并且包含适于发射波长在光谱绿光部分中的绿色激光70G的有机掺杂剂。绿色有机激光元件1220G对准绿色泵浦阵列1230G，根据绿色泵浦信号1020G产生泵浦光束60。绿色泵浦阵列元件1230G产生的泵浦光束60，激励绿色有机激光元件1220G，使其发射绿色激光70G。
全色有机VCSEL阵列1210还包括蓝色有机激光元件1220B，其设置在基片20上，并且包含适于发射波长在光谱蓝光部分中的蓝色激光70B的有机掺杂剂。蓝色有机激光元件1220B对准蓝色泵浦阵列1230B，根据蓝色泵浦信号1020B产生泵浦光束60。蓝色泵浦阵列元件1230B产生的泵浦光束60，激励蓝色有机激光元件1220B，使其发射蓝色激光70B。
因此，当图17中所示的全色有机VCSEL阵列1210用于图16中所示的全色电成像系统1200中时。能顺序地启动红、绿和蓝色泵浦信号1020R、1020G和1020B以顺序地分别激励红、绿和蓝色有机激光元件1220R，1220G和1220B。
应当考虑显然可以使用红、绿和蓝有机激光元件1220R，1220G和1220B的其他配置。图17中的截面图示出颜色交替存在的有机激光元件，建议为一种全色有机VCSEL阵列1210二个方向的交替结构，或者在全色有机VCSEL阵列1210一个方向与单色有机激光元件行交替。或者，红、绿和蓝色有机激光元件1220R、1220G和1220B可以组织成其他结构，如多个单色有机激光元件的大区域。同样，在全色有机VCSEL阵列1210内，不同颜色可以具有不同数量的有机激光元件。这可以用于例如补偿激光器或系统效率或观察者/接收器灵敏度差异。
此处所述的全色电成像实施例呈现三种颜色(红、绿和蓝)，用于产生图像。不过，可以使用两种颜色用于灰度成像系统，或者使用多于三种颜色用于宽色域电成像系统。还可以想象在例如假彩色打印系统中不使用红、绿和蓝三种颜色。本领域普通技术人员易于实现这些特别指出的变型。
该电成像系统中进一步包括三个彩色激光光源阵列：a)照射红色区域光阀的红色激光源阵列；、b)照射绿色区域光阀的绿色激光源阵列；和c)照射蓝色区域光阀的蓝色激光源阵列。
该电成像系统中，三个彩色激光源阵列与单一区域光阀匹配。
该电成像系统中，三个彩色激光源阵列包括：a)红色激光源阵列；b)绿色激光源阵列；和c)蓝色激光源阵列。
该电成像系统中，在一帧时间内顺序泵浦所述至少三个彩色激光源阵列的每一个。
该电成像系统中，在连续泵浦所述至少三个彩色激光源阵列期间，所述至少三个彩色激光源阵列中每一个与所述单一区域光阀同步。
该电成像系统中，单个彩色激光源阵列包括：多个红色激光源、多个绿色激光源、和多个蓝色激光源。
该电成像系统中，用所述单一彩色激光源阵列照射所述至少一个区域光阀。
该电成像系统中，在一帧时间内连续泵浦多个红激光源，多个绿激光源，和多个蓝激光源。
该电成像系统中，在泵浦序列期间多个红激光源、多个绿激光源和多个蓝激光源中的每一个分别与所述单一区域光阀同步。
该电成像系统还包括：d)用于在所述至少一个区域光阀上产生均匀照度的至少一个光学积分器。
该电成像系统中，所述至少一个光学积分器包括蝇眼积分器。
该电成像系统中，所述至少一个光学积分器包括积分棒。
该电成像系统中，所述至少一个区域光阀包括液晶板。
该电成像系统中，所述液晶板为处于硅光阀上的反射液晶。
该电成像系统中，所述至少一个区域光阀包括微反射镜阵列。
该电成像系统中至少一个彩色激光源阵列直接设置在积分棒的前表面上。
该电成像系统可以引入打印系统中，引入打印系统中的电成像系统，还包括：d)处于目标平面处用于接收激光并记录数据的光敏介质。
一种用于由图像数据流形成彩色图像的调制光学系统，包括：a)设置成至少一个阵列的多个不同颜色的激光源，每个激光源包括泵浦腔结构，泵浦腔结构具有：i)用于接收并透过泵浦光束，并且反射预定波长范围的激光的第一介电堆；ii)用于接收从第一介电堆透过的泵浦光束，并发射激光的有机活性区域；和iii)用于将从有机活性区域透过的泵浦光束和来自有机活性区域的激光反射回有机活性区域中的第二介电堆，其中第一和第二介电堆以及有机活性区域的组合产生激光；以及b)至少一个用于接收激光，并由图像数据流产生彩色图像的区域光阀。
该调制光学系统还包括：c)用于将所述至少一个阵列成像在所述至少一个区域光阀上的透镜。
该调制光学系统中，将多个不同颜色的激光源调制成在所述至少一个区域光阀上产生均匀图像。
该调制光学系统中，三个彩色激光源阵列按照颜色分别与三个区域光阀匹配。
该调制光学系统中，所述三个彩色激光源阵列包括a)红色激光源阵列；b)绿色激光源阵列；和c)蓝色激光源阵列。
该调制光学系统中，所述三个彩色激光源阵列还包括：a)照射红色区域光阀的红色激光源阵列；b)照射绿色区域光阀的绿色激光源阵列；和c)照射蓝色区域光阀的蓝色激光源阵列。
该调制光学系统中，三个彩色激光源阵列与单一区域光阀匹配。
该调制光学系统中，所述三个彩色激光源阵列包括：a)红色激光源阵列；b)绿色激光源阵列；和c)蓝色激光源阵列。
该调制光学系统中，在一帧时间内顺序泵浦所述至少三个彩色激光源阵列的每一个。
该调制光学系统中，在顺序泵浦所述至少三个彩色激光源阵列期间，所述至少三个彩色激光源的每一个与所述单一区域光阀同步。
该调制光学系统中，单一阵列彩色激光源包括：多个红激光源；多个绿激光源；和多个蓝激光源。
该调制光学系统中，用所述单一阵列彩色激光源照射所述至少一个区域光阀。
该调制光学系统中，在一帧时间内顺序泵浦多个红激光源，多个绿激光源和多个蓝激光源。
该调制光学系统中，在泵浦序列期间，多个红激光源，多个绿激光源和多个蓝激光源的每一个分别与所述单一区域光阀同步。
该调制光学系统还包括：c)至少一个用于在所述至少一个区域光阀上产生均匀照度的光学积分器。
该调制光学系统中，所述至少一个光学积分器包括蝇眼积分器。
该调制光学系统中，所述至少一个光学积分器包括积分棒。
该调制光学系统中，所述至少一个区域光阀包括液晶板。
该调制光学系统中，该液晶板为处于硅光阀上的反射液晶。
该调制光学系统中，所述至少一个区域光阀包括微反射镜阵列。
该调制光学系统中，每个激光源产生具有各自波长λi和各自光谱宽度Δλi的激光光谱的激光。
该调制光学系统中，多个不同颜色激光源的组合产生具有总光谱宽度为Δλtot的至少一个光谱带。
该调制光学系统中，所述至少一个光谱带包括重叠的激光光谱。
该调制光学系统中，总光谱宽度Δλtot大于1纳米。
该电成像系统中，每个激光源产生光束品质因数为M2的激光，并且所述至少一个阵列包括NLE个彩色激光源，其中M2与NLE的乘积大于1000。
该调制光学系统中，所述至少一个彩色激光源阵列直接设置在积分棒的前表面上。
调制光学系统可以引入显示系统中，引入显示系统中的该调制光学系统还包括：c)用于接收彩色激光并且具有漫射元件的观察屏；和d)用于将彩色图像投影到观察屏上以便形成可以观看的彩色图像的投影透镜。
该调制光学系统中，观察屏具有光学表面粗糙度σz，多个不同颜色光源具有总光谱宽度σk，使
C T = [ 1 + ( 2 σ k σ z ) 2 ] - 1 / 4
小于0.5。
调制光学系统包含在打印系统中的该调制光学系统，还包括c)用于接收激光并记录数据的光敏介质。
一种垂直腔面发射激光器，包括：i)用于接收并透射从发光二极管阵列来的泵浦光束，并且反射预定波长范围的激光束的第一介电堆；ii)用于接收从第一介电堆透过的泵浦光束，并发射激光的有机活性区域；以及iii)用于将有机活性区域透过的泵浦光束和来自有机活性区域的激光反射回有机活性区域中的第二介电堆，其中第一和第二介电堆以及有机活性区域的组合产生激光。
该垂直腔面发射激光器中，从设置成至少一个阵列的多个不同颜色的激光源发射出激光。
该垂直腔面反射激光器中，调制多个不同颜色的激光源以产生均匀图像。
一种由图像数据流形成彩色图像的方法，包括步骤：a)将图像数据流提供给电成像系统；b)在电成像系统中由设置成至少一个阵列的多个不同颜色的激光源产生彩色激光，每个彩色激光源包括的垂直腔结构，垂直腔结构具有：i)用于接收和透过泵浦光束，并且反射预定波长范围上的激光的第一介电堆；ii)用于接收从第一介电堆透过的泵浦光束，并发射彩色激光的有机活性区域；和iii)用于将透过有机活性区域的泵浦光束和来自有机活性区域的彩色激光反射回有机活性区域中的第二介电堆，其中第一和第二介电堆以及有机活性区域的组合产生彩色激光；c)在电成像系统的至少一个区域光阀上接收彩色激光；以及d)由电成像系统在观察屏上形成彩色图像。

Claims (13)

1.一种用于由图像数据流提供可以观察的彩色图像的电成像系统，包括：
a)设置成至少一个阵列的多个不同颜色的激光源，每个激光源包括一个垂直腔结构，垂直腔结构具有：
i)用于接收并透过泵浦光束，并且在预定波长范围上反射激光的第一介电堆；
ii)用于接收透过第一介电堆的泵浦光，并发射激光的有机活性区域；
iii)用于将透过的有机活性区域的泵浦光束和来自有机活性区域的激光反射回有机活性区域中的第二介电堆，其中第一和第二介电堆以及有机活性区域的组合产生激光；以及
b)至少一个用于接收激光并由图像数据流产生可以观察的彩色图像的区域光阀；以及
c)用于将可以观察的彩色图像投影到目标平面上的投影透镜。
2.如权利要求1所述的电成像系统，还包括：
d)用于将所述至少一个阵列成象在所述至少一个区域光阀上的透镜。
3.如权利要求1所述的电成像系统，其中所述多个不同颜色的激光源被调制以在目标平面上产生均匀图像。
4.如权利要求1所述的电成像系统，其中三个彩色激光源阵列按照颜色分别与三个区域光阀匹配。
5.如权利要求4所述的电成像系统，其中所述三个彩色激光源阵列包括：
a)红色激光源阵列；
b)绿色激光源阵列；和
c)蓝色激光源阵列。
6.如权利要求1所述的电成像系统，其中每个激光源产生激光光谱具有各自波长λi和各自光谱宽度Δλi的激光。
7.如权利要求6所述的电成像系统，其中多个不同颜色激光源的组合产生具有总光谱宽度Δλtot的至少一个光谱带。
8.如权利要求6所述的电成像系统，其中所述至少一个光谱带包括重叠的激光光谱。
9.如权利要求7所述的电成像系统，其中所述总光谱宽度Δλtot大于1纳米。
10.如权利要求1所述的电成像系统，其中每个激光源产生光束品质因数为M2的激光，并且所述至少一个阵列包括NLE个彩色激光源，其中M2与NLE的乘积大于1000。
11.如权利要求1所述的电成像系统，其中该电成像系统被引入显示系统中，该电成像系统还包括：
d)用于接收激光并且具有漫射元件的观察屏。
12.如权利要求11所述的电成像系统，其中该观察屏具有光学表面粗糙度σz，多个不同颜色光源具有总光谱宽度σk，使
C T = [ 1 + ( 2 σ k σ z ) 2 ] - 1 / 4
小于0.5。
13.一种在成象系统中产生激光的方法，包括步骤：
a)从发光二极管提供泵浦光束；
b)通过第一介电堆接收和透过该泵浦光束；
c)在发射激光的有机活性区域中接收和部分吸收所透过的泵浦光束；
d)由第二介电堆将未吸收的泵浦光束反射回有机活性区域中，其中未吸收的泵浦光束被部分吸收，并且有机活性区域产生彩色激光；以及
e)在第一介电堆与第二介电堆之间反射彩色激光，产生激光谐振。
CNA2004100085631A 2003-03-24 2004-03-24 使用有机激光器阵列照射区域光阀的电成像系统 Pending CN1532590A (zh)

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