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一种激光器图像投影仪包括衬底以及在所述衬底上形成的可逐一寻址的激光像素的二维阵列，用于发射与衬底垂直的成像的激光束，每个所述激光像素包括可寻址有机发光二极管(OLED)和由所述OLED泵激的有机垂直空腔激光器。

1.  一种激光器图像投影仪，它包括：
a)衬底
b)在所述衬底上形成的可逐一寻址的激光像素的二维阵列，用于发射与所述衬底垂直的成像激光束，每个所述激光像素包括可寻址有机发光二极管和由所述有机发光二极管泵激的有机垂直空腔激光器。

激光图像投影仪
技术领域
本发明涉及图像投影仪领域。
背景技术
图像投影装置众所周知并已使用多年。这种系统通常依靠图像调制器和光学投影装置将图像投影到散射屏幕上，由观众观看。图像调制器原先是基于硬拷贝介质，例如幻灯片和电影胶片等薄膜。最近，已有软拷贝投影仪，基于例如微型机电系统或液晶显示器件，以及激光投影系统，例如参阅2003年2月27日公开的Kryschwitz等人的美国专利申请2003/0039036 A1。在任何情况下，图像调制器建立图像平面，通过光学系统将图像平面投影到屏幕上，例如通常在电影院或数字计算机监视器投影仪中看到的。图像投影装置也用在安装在头戴显示器中。
用于图像投影仪的光学系统通常包括带有焦点控制且常带有变焦控制的透镜组合。这些控制件允许投影仪将聚焦图像从各种距离以各种显示图像的大小投影到屏幕上。但这些系统受到投影光学系统的重量和尺寸的困扰，且限于成像到单一屏幕上。
2001年1月9日授予Lee等人的美国专利6,170,953B1说明了用于将图像投影到多个屏幕上的激光视频投影仪。但这种系统依靠大量的光束组合光学部件来汇集光路并在多个屏幕上投影图像。
所以需要有能避免这些限制的另一种图像投影系统。
发明内容
本发明可满足这个需要，本发明提出一种激光图像投影仪，它包括：衬底；以及在衬底上形成的可逐一寻址的激光像素的二维阵列，用于发射垂直于衬底的成像的激光光束，每个激光像素包括可寻址有机发光二极管(OLED)和由OLED泵激的有机垂直空腔激光器。
本发明的优点是提供一种不需要投影光学系统的投影显示器。
附图说明
图1为按照本发明的激光图像投影仪的示意侧视图；
图2为按照本发明的激光图像投影仪的示意顶视图；
图3为能用于本发明的先有技术光束扩展器的示意图；
图4为能用于本发明的分束器和镜面的示意图；
图5为能用于本发明的OLED泵激的有机激光器的示意截面图；
图6为能用于本发明的另一OLED泵激的有机激光器的示意截面图；
图7为能用于本发明的具有周期增益区域的有机激光空腔的示意截面图；
图8为由锁相激光元件阵列形成的激光像素的透视图；
图9为由分开的各组锁相激光元件形成的激光像素的透视图；
图10为带有扬声器的激光投影仪示意图；
图11为按照本发明的激光投影仪的示意侧视图，所述激光投影仪包括与激光器对准的小透镜阵列。
具体实施方式
参阅图1，可逐一寻址的激光像素11包括有机激光器12，激光器12由来自形成在衬底上的OLED 14的光线以光学方式泵激并通过电路16以电方式加以控制。在无源矩阵投影仪中，电路16只包括电导体。在有源矩阵投影仪中，电路16包含诸如晶体管等有源电子元件和电容器。
OLED 14发出非相干光15，以便以光学方式泵激有机激光器12，激光器12发出垂直于衬底的激光13并且激光13传播而使例如光散射投影屏18等元件曝光，在屏幕上此发射的光被散射而成为对观众(未示出)的可见光。光散射投影屏18可以或者是透射式的或者是反射式的，以便可以或者背面观看或者正面观看。
参阅图2，激光投影仪8包括由控制区19控制的可逐一寻址的激光像素11的阵列。可逐一寻址的激光像素11可发出不同颜色的光而形成彩色激光图像投影仪。由发光像素11发射的光的频率取决于由OLED 14发射的光的频率以及有机激光器12的材料和构造，如下所述。
在本发明另外的实施例中，被激光投影仪曝光的元件可以是光吸收元件，例如生物组织。这在需将特定频率的光以成像的图案射向生物组织的医学应用中很有用。这种激光投影系统可以辅之以图像传感器，使得反馈系统实时地照明图像区域内的特定元件。或者，所述元件可以是光敏感材料，例如，光电导体或照相纸或胶片。在另一种可供选择的实例中，激光投影仪可以用来照明用于印刷或制造过程的传热材料。
参阅图3，可以利用光束扩展器，例如具有平凹透镜元件30和平凸透镜元件32的Galilean光束扩展器，将激光13的成像光束扩大或缩小，例如将激光13扩大成更宽的光束17。这种扩展器也可用来控制激光束17的角发散。光束扩展器地放大倍数是两个透镜元件30和32的焦距比。元件30和32之间的距离是焦距之和。
参阅图4，光学元件例如分束器和镜面也可用来将激光的成像光束分开或改变方向，这样激光图像投影仪就能使光线绕过拐角或通过复杂的路径到达所需的位置。由于本发明的激光图像投影仪能以任意距离将图像投影到表面上，而不需光学部件，就可将折叠光学部件例如镜面放置在投影路径中使图像绕过拐角投影。还可以或者通过移动激光图像投影仪本身或者通过移动光学元件，例如通过移动镜面的反射表面来移动图像。
本发明的激光图像投影仪还可以通过采用分束器而用来将图像投影到多个位置的多个表面上。此外，由于投影距离不同，所以，所述投影位置距激光图像投影仪的距离也不同并且可以如上所述用适当定位的镜面来定位。适用的分束器和镜面在光学界已众所周知。参阅图4，激光图像投影仪8发射激光束13，光束被分束器34分光并由镜面36反射，在距激光图像投影仪8不同距离处的反射光散射屏18上产生图像。
参阅图5，可用于本发明的电泵激有机固体激光发射器20包括OLED 14和有机激光器12以及位于OLED 14和有机激光器12之间的透明层110。有机激光器12是垂直空腔激光器，它包括一对镜面112和116(例如分布式Bragg反射器(DBR)镜面)和有源层114，有源层114由采用基质(host)掺杂物材料系统的有机材料构成，如下所述。透明层110是能与OLED 14兼容的(例如二氧化硅)透光绝缘平面层，但它可以是能与OLED 14兼容的任何光学平面层，且其上可生长DBR镜面。将DBR镜面112淀积在透明层110上。最好用传统的溅射或电子束(e-beam)淀积方法来生长DBR镜面112，因为对于介质层来说，获得精确的厚度是很重要的。底部DBR镜面112包括折射率高低交替的各介质层，使得在激光13的波长条件下其反射率大于99.9％并且它透射多于90％的OLED光120。DBR镜面112包括λ/4厚的折射率高低交替的介质层，以便在激光波长λ₁的条件下得到高的反射率；还淀积附加的折射率高低交替的介质层，使得对OLED发射的非相干光15具有宽的最大透射率。在DBR镜面112上淀积有机有源层114，可以采用传统的高真空(10^-7Torr)热蒸发淀积法或采用溶液旋转铸造法形成。为了获得低的阈值，最好有源层114的厚度是λ/2的整数倍，λ为激光波长。在所述整数倍为1或2时可以获得最低阈值。
有源层114包括基质和掺杂物分子，最好有机分子是小分子量的，因为目前它们可以淀积得更为均匀。本发明中所用的基质材料是从能对非相干光15有足够吸收并能将其大部分激励能量通过Forster能量转换传送到掺杂材料上的任何材料中选取的。本专业技术人员会熟悉Forster能量转换的概念，它涉及在基质和掺杂物分子之间能量的无辐射转换。
用于发红光的激光器的一种可用的基质掺杂物组合是三(8-羟基喹啉)合铝作基质，4-(二氰基亚甲基)-2-叔丁基-6-(1，1，7，7-四甲基久洛尼定-9-烯基)-4H-吡喃(DCJTB)作发红光掺杂物。将DBR镜面116淀积在有源层114上。也是用传统的电子束淀积法，但这次最好在淀积过程中有机物的温度保持在75℃以下。顶部DBR镜面116包括折射率高低交替的各介质层，这样，在激光13的波长的条件下其反射率大于98％并且反射多于90％的非相干光15。因此，除了淀积λ/4厚的折射率高低交替的介质层外(λ选择接近于所需的激光波长)，还要淀积附加的折射率高低交替的各介质层，以便对非相干光15具有宽的最大反射。具体地说，只需反射非相干光15中由有源层114基质材料吸收的那部分非相干光。
有机固态激光发射器20的OLED是一个或多个电驱动的有机发光二极管，它们产生在预定的光谱部分范围内的非相干光。关于OLED器件实例，请参阅2001年1月9日授予Hung等人的美国专利6,172,459，及其中引用的参考文献，其内容均已作为参考包括在本文内。
OLED 14形成在衬底10附近，最好在衬底10上，衬底10上形成有电极100，例如空穴注入阳极，如图5所示。衬底10可以是本领域中所描述的任何适合于制作OLED器件的材料，例如玻璃或石英，电极100可以是氧化铟锡(ITO)薄层或在衬底10上形成的导电金属薄层。电极可以用蒸发、溅射以及化学汽相淀积等方法淀积。
或者，电极可以形成在透明层110上，如图6所示。将有机空穴传输层102形成在电极100上，将有机发光层104形成在空穴传输层102上，将有机电子传输层106形成在发光层104上。作为这三层的一个实例，一种可用的结构包括双胺层，例如4，4’-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]联苯(NPB)作为空穴传输层102，未掺杂的9，10-双(2-萘基)葸(AND)作为发光层104，以及Alq作为电子传输层106。这些有机层通常用高真空热蒸发来制备。它们的优选厚度：NPB为40-250nm，AND为10-50nm，Alq为10-200nm。
第二透明电极层108(例如阴极)形成在电子传输层106上并且由选择的具有低于4.0eV的功函数的材料构成。一种适合的透明电极层108是氧化铟锡或MgAg，其中Mg-Ag的体积比为10∶1。可用传统的热蒸发淀积法形成。光学透明绝缘平面化层110形成在阴极上，有机激光器12形成在透明层110上。业界已知的附加层可包括在OLED结构内，例如空穴注入和电子注入层。正如业界所知，将电压V加到电极上提供必需的电场，用于使发光层产生泵激光束，然后将光传输到有机发光二极管器件之外。电压V可以是连续的，或是脉冲形式的。
在典型偏压条件下，电子(负电荷载流子)从电极层108注入到有机电子传输层106，而空穴(正电荷载流子)从电极100注入到有机空穴传输层102。电子和空穴通过相应的有机层106和102传输，进入发光层104。在有机发光层104中，电子和空穴主要在空穴传输层102和发光层104之间结合处附近复合。复合结果导致有机发光层104发光。在发光层产生的光中，大约50％是直接向衬底10的方向发射的，而另外的50％是直接向电极层108的方向发射的。电极层108是透明的，允许光穿过透明层110，以便以光学方式泵激垂直激光器。
电极100和/或下面的衬底可以作成反射型，使得向电极100发射的那部分光可以被反射到器件外部并且穿透透明绝缘平面化层110。业界已知，阳极和阴极的位置以及空穴和电子注入和/或传输层可以倒换，这样，例如，电极100是阴极，电极108是阳极。此时，可以将反射阴极淀积在衬底上，而阳极是透明的。
非相干光15从OLED 14出来之后通过底部BR镜面112进入有机激光器12。作为底部BR镜面112的结构的结果，大部分光进入了有源层114。按构造，有源层基质吸收部分非相干光15。在未被吸收的那部分光中(有源层的吸收长度太小的情况)，其余部分的光进入顶部DBR镜面层116，所述层又将大部分光反射回有源层，第二次通过有源层。在第二次通过时，又有另外一部分非相干光15被有源层基质吸收。
通过Foster能量转换机制，基质所吸收的光能无辐射地转换到掺杂物分子。最好掺杂物分子具有发射的高量子效率，因为这样可使绝大部分无辐射转换的能量以较长波长的光重新发射出去。例如，用AND作为OLED发光材料，Alq作为活性层基质，DCJTB作为活性层掺杂物，则发出的OLED光是蓝色，Alq主要吸收蓝光，而DCJTB发红光。
有机激光器12设计成具有对红光的高Q空腔，具体地说，对于顶部和底部DBR镜面具有最高反射率的波长。业界技术人员都知道这一概念，即：激光现象发生在具有最高净增益的特定波长。在所述波长下，激光13在主要通过顶部DBR镜面16发射以前在顶部和底部DBR镜面之间反射许多次(因为按照设计，底部DBR镜面的镜面损耗比顶部DBR镜面要低得多)。
在此实施例中，有机激光器12和电驱动OLED 14组合在衬底11上形成的集成器件中，其中电驱动OLED 14位于衬底10上，有机激光器12在OLED 14上并通过光学透明平面化层110与其分隔开。因此，底部DBR镜面包括折射率高低交替的各介质层，使得在激光13波长的条件下其反射率大于99.9％并透射多于90％的非相干光15。相应地，顶部DBR镜面包括折射率高低交替的各介质层，使得在激光13波长的条件下，其反射率大于98％并反射多于90％的非相干光15。
参阅图6，在本发明的另一实施例中，衬底10是透明的并且位于有机激光器12附近，并且最好有机激光器12形成在衬底10上，使发射的光可以穿透衬底10。
对于垂直空腔有机激光器结构，利用活性区设计可以提高激光器的效率。参阅图7，周期性增益层305与器件驻波电磁场的波腹对准，图中示意地示出激光元件200中激光器的驻波电磁场图案320。由于激励发射在波腹处最高，而在电磁场的波节处可忽略不计，所以如图7所示地形成通过有机间隔层310分隔开的各周期性增益层305是很有利的。有机间隔层310不经历受激发光或自发发光并且基本上不吸收激光13或泵激非相干光15的波长。适合于形成有机间隔层310的材料实例是有机材料1，1-双-(4-甲基苯基)-氨基苯基)-环己烷(TAPC)。
TAPC作为间隔材料性能良好，因为它基本上不吸收激光器输出或泵激光束的能量，而且其折射率稍稍低于大多数有机基质材料。这种折射率的差异很有用，因为它有助于使电磁场波腹和周期性增益层305之间的重叠最大化。正如以下结合本发明所述，采用周期性增益区而不是整体增益区可获得较高的功率转换效率并显著减少不需要的自发发光。增益区的设置可利用光学标准矩阵法确定，见Corzine等人的“Design of Fabry-Perot Surface-Emitting Laserswith a Periodic Gain Structure”，IEEE Journal of QuantumElectronics，Vol.25，No.6，June 1989。要得到好的结果，周期性增益层305的厚度需为50nm或更小，以避免不需要的自发发光。
利用如图8所示锁相有机激光器阵列220，既可增加激光器发光像素11的面积，又可保持一定程度的空间相干性。为形成二维锁相激光器阵列220，由元件之间的间隔210分隔的激光元件200需限定在有机激光器12的表面上。为获得锁相，必需在激光元件200之间交换强度和相位信息。通过或者利用小数值的内置指数或者利用增益控制(例如调制镜面的反射率)将激光发射略微限制在激光区，就可做到这一点。
在图8所示的实施例中，反射率的调制是采用以下方法实现的：利用标准的光刻或刻蚀技术在底部介质堆叠中形成图案并形成蚀刻区，从而在底部介质堆叠的表面上形成圆柱形的激光元件200的二维阵列。有机激光区微空腔结构的其余部分淀积在上述具有图案的底部介质堆叠上。在所述实施例中激光元件200的形状是圆形，但其它形状也可以，例如矩形。元件间的间隔210在0.25至4μm的范围之内。
对于较大的区域间间隔也会发生锁相阵列操作，但较大的间隔导致不能有效地利用光学泵激能量。刻蚀深度最好是从200到1000nm。采用刚好超过底部介质堆叠中偶数层的刻蚀，就可使刻蚀区中纵向模式的波长显著移位，远离增益介质的峰值。这样，避免了各激光元件200之间区域中激光作用并显著减少自发发光。形成刻蚀区的最终结果是略微将激光器的发射限制在激光元件200上，而区域之间的面积上没有激光产生，由激光器阵列220发射相干锁相激光。
利用多个相干锁相激光发射器，可以形成发射单一波长的较大的可寻址发光区。可以形成不同的可寻址发光区，发射不同颜色的光，以提供全彩色图像显示系统。也可以制造发射多种颜色光(例如白色)的单一的可逐一寻址的发光区。采用以下方法就可以制造不同的组来发射不同颜色的光：改变元件之间的间隔210，使得元件排列成组，形成激光器阵列220，其中在同一组内各元件之间的间隔210相同，而不同组之间的间隔足够大以避免各组之间的激光作用。
可以根据需要在各组使用不同的OLED材料，以协助在单一的逐一寻址的发光激光像素中从每个组发射不同颜色的光。这样，所述逐一寻址的发光激光像素能发射各频率组合的光。例如可以使所述逐一寻址的发光激光像素发射白光。可以通过调节所述各元件内发不同颜色光的组的数目的比例来控制可寻址发光激光像素的白点，例如使可寻址发光激光像素中一个激光器阵列大于另一激光器阵列。
参阅图9，可逐一寻址发光激光像素11包括发光元件200的三个用于发射不同颜色的光的激光器阵列220。每个激光器阵列220包括一个或多个激光元件200，其中一个激光器阵列220中所有激光元件200发射同一颜色的光。如上所述，激光器阵列220可以具有不同的元件数，以提供每个组的特定发光强度。激光像素11发光的综合颜色可以调节，方法是调节每个组的发光强度，例如调节发白光的激光像素11的白点。或者，发白光的像素11可以包括不同颜色的激光元件200的混合组，所述不同颜色的激光元件200的模式未锁定，但安排成能促进各激光元件200的颜色混合。
参阅图10，激光器图像投影仪8可以与提供互补定向声束42的定向声音系统40组合，例如在2003年2月20日公开的Kolano等人的美国专利申请2003/0035552 A1中所描述的。通过提供散射声音反射器44来提供一种定向视听系统，所述视听系统可以便携，可在各种距离和各种环境下工作，而且易于制造。可以将声束42引导到激光13的图像光束附近并与之平行，以便射到用来接收激光13的图像光束的光散射投影屏18旁边的散射声反射表面上，或者射到光散射投影屏18后面的散射声音反射器44上。在电影界声音透明的投影屏已广为人知。
参阅图11，在某些情况下，激光元件200可以发射不是严格平行的而是具有某种角度的发散的光。可以利用位于衬底上并与激光元件200对准的小透镜74对这种发散光70进行平行校正使其成为平行光72。在此情况下，加上小透镜74能降低对激光元件200的性能要求，同时使平面板投影仪成为可能。