導(dǎo)語：如何才能寫好一篇球面透鏡的光學(xué)特性，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

0引言

將空間光場(chǎng)高效耦合進(jìn)較小芯徑光纖特別是單模光纖的技術(shù)已廣泛用于光纖激光器［1－2］、空間激光通信［3－4］和天文觀測(cè)［5－6］等研究領(lǐng)域．當(dāng)前本文研究組提出的全光纖轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼激光雷達(dá)研究課題將采用光纖布喇格光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）作為分光系統(tǒng)的核心器件，而由多模光纖制成的布喇格光柵由于其光譜特性的多峰性，不能滿足大氣分子純轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼信號(hào)精細(xì)光譜分離的要求，故系統(tǒng)中將采用單模光纖作為連接傳輸器件［7－8］．因此激光雷達(dá)的空間回波光場(chǎng)耦合進(jìn)單模光纖的耦合效率將是該系統(tǒng)信噪比的關(guān)鍵因素，耦合效率越高信噪比將越好．當(dāng)前將空間光場(chǎng)耦合進(jìn)小芯徑光纖的耦合器主要有球透鏡［9－10］、格林透鏡和非球面透鏡［11］等，球透鏡一般耦合效率略低，而格林透鏡主要用于光場(chǎng)前向傳輸?shù)目臻g激光通信領(lǐng)域，在激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用研究表明需要定制特種參量器件，成本較高［12］，此外目前現(xiàn)有產(chǎn)品主要用于近紅外的通信波段，而正在研究的全光纖激光雷達(dá)系統(tǒng)則工作在可見光波段．另外，Chiou，A．等人曾利用互泵浦相位共軛技術(shù)設(shè)計(jì)了光致折變空間模式轉(zhuǎn)換器提高多模光場(chǎng)耦合進(jìn)單模光纖的效率，使耦合效率突破了纖芯直徑比或模式數(shù)量比的限制［13］，但是該方法需要選擇合適的晶體，且對(duì)空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較高，不適用于正在研究的全光纖激光雷達(dá)系統(tǒng)．非球面透鏡以其靈活的光場(chǎng)分布調(diào)整能力已應(yīng)用于激光光束整形［14］，另外非球面透鏡具有很強(qiáng)的集光能力，這或許可提高空間光場(chǎng)耦合進(jìn)單模光纖的效率．本文以設(shè)計(jì)用于全光纖喇曼激光雷達(dá)的單模光纖耦合系統(tǒng)為研究目標(biāo)，采用成本較低的非球面透鏡作為核心耦合器件，結(jié)合現(xiàn)有卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，通過ZEMAX光學(xué)軟件搭建望遠(yuǎn)鏡與單模光纖的耦合系統(tǒng)；由于激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種能量探測(cè)系統(tǒng)，不同于成像系統(tǒng)的高像質(zhì)要求，為充分利用非球面透鏡較強(qiáng)的集光能力，以將空間光場(chǎng)耦合進(jìn)單模光纖的效率為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參量進(jìn)行優(yōu)化分析；直接與通常多模光纖（如芯徑0．1～0．4mm）進(jìn)行耦合效率比較，會(huì)因絕對(duì)耦合效率值低而弱化對(duì)比效果，此處構(gòu)建初步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行耦合實(shí)驗(yàn)，采用不同型號(hào)單模光纖（芯徑約為3～10μm）的耦合效果進(jìn)行相對(duì)耦合效率對(duì)比分析，測(cè)試和分析非球面透鏡對(duì)耦合效率的改善作用，得到了構(gòu)建全光纖喇曼激光雷達(dá)系統(tǒng)的有益結(jié)論．

1非球面透鏡的單模光纖耦合系統(tǒng)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

喇曼激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射激光束進(jìn)入大氣，經(jīng)與大氣分子相互作用產(chǎn)生攜帶大氣狀態(tài)信息的后向喇曼散射信號(hào)，由于信號(hào)較弱通常需要對(duì)一定時(shí)間的回波信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，故一般可忽略大氣湍流對(duì)光場(chǎng)傳輸?shù)挠绊?，故通常假設(shè)發(fā)射激光束是高斯分布，而把望遠(yuǎn)鏡接收的大氣后向散射光看作是高斯分布的空間平面光場(chǎng)，其耦合理論分析已較為成熟［10］．其次由于大氣分子散射在各個(gè)方向具有隨機(jī)性，故通過望遠(yuǎn)鏡耦合進(jìn)單模光纖相對(duì)于多模光纖的總耦合效率ηT可表示為ηT＝ηM?ηS（1）式中，ηM是橫向模式數(shù)導(dǎo)致的耦合效率，如果耦合進(jìn)多模光纖的模式數(shù)為M且假設(shè)各模式能量相同，則該參量為1／M，ηS為單橫?？臻g光場(chǎng)入射時(shí)的耦合效率，也是文獻(xiàn)資料討論最多的耦合參量［3，13］，其在廣泛采用的ZEMAX光學(xué)軟件中可表示為單模光纖的總耦合效率，故ηS＝S?T（2）式中，S為系統(tǒng)耦合效率或結(jié)構(gòu)耦合效率，主要反映望遠(yuǎn)鏡入瞳孔徑及中央遮擋引起的光能損失，還包括光學(xué)元件吸收和光學(xué)薄膜的影響，在該耦合系統(tǒng)中主要體現(xiàn)中央遮擋對(duì)耦合效率的影響，可表示為［10］式中，F(xiàn)S（x，y）為入射光場(chǎng)的幅值分布，t（x，y）為光學(xué)系統(tǒng)的幅值傳遞函數(shù)，E表示入瞳平面；而T可稱為接收耦合效率，主要反映由于光學(xué)系統(tǒng)像差引起的波前相位變化與光纖導(dǎo)模失配產(chǎn)生的損耗，是通過光學(xué)器件可改善的主要參量，其定義式為［10］T＝［Fr（x，y）W＊（x，y）dxdy2］／［Fr（x，y）?F＊r（x，y）dxdyW（x，y）W＊（x，y）dxdy］（4）式中，F(xiàn)r（x，y）為光纖導(dǎo)模的模場(chǎng)分布，W＊（x，y）為出瞳波前的復(fù)數(shù)共軛．故ZEMAX軟件可對(duì)單橫?？臻g光場(chǎng)耦合進(jìn)單模光纖的耦合效率進(jìn)行較好的仿真分析．結(jié)合通用多模光纖耦合的喇曼激光雷達(dá)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的日本TAKAHASHI公司Mewlon－250型卡塞格林望遠(yuǎn)鏡為基礎(chǔ)進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡單模光纖耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其三維結(jié)構(gòu)如圖1．該望遠(yuǎn)鏡屬于Dall－Kirkham結(jié)構(gòu)，其主鏡M1為直徑260mm且錐度系數(shù)－0．6925的橢球面，副鏡M2為直徑72mm的球面，反射鏡表面鍍多層鋁膜以提高回波光場(chǎng)信號(hào)的收集效率，P1為入瞳，B1為中央遮擋．望遠(yuǎn)鏡有效焦距為3m，且主鏡與副鏡之間距離可通過電機(jī)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，使焦距可在2．74m到3．25m間變化．由于直接從望遠(yuǎn)鏡耦合進(jìn)光纖，光路較長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)機(jī)械穩(wěn)定性要求較高，同時(shí)為盡量與單模光纖的數(shù)值孔徑0．13進(jìn)行匹配，通常在望遠(yuǎn)鏡底部增加一片附加正透鏡L1（圖1右下局部放大圖）以縮短光路［10］，減少其合成焦距，提高系統(tǒng)機(jī)械穩(wěn)定性．由于單模光纖傳輸條件依賴于光纖芯徑與數(shù)值孔徑，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研情況選擇美國(guó)Nufern公司460－HP單模光纖作為目標(biāo)光纖．望遠(yuǎn)鏡與單模光纖耦合系統(tǒng)的效率依賴于望遠(yuǎn)鏡焦距、附加正透鏡型號(hào)及位置、非球面透鏡AL型號(hào)及位置等，且因激光雷達(dá)遙感技術(shù)是一種能量探測(cè)而不是成像系統(tǒng)，故理論上需要以單模光纖耦合效率為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)上述結(jié)構(gòu)參量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．但ZEMAX軟件很難對(duì)附加正透鏡型號(hào)和非球面透鏡型號(hào)等離散數(shù)據(jù)進(jìn)行全局優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于附加透鏡和非球面透鏡對(duì)耦合效率影響最大的參量是焦距，而將望遠(yuǎn)鏡接收耦合系統(tǒng)的組合焦距設(shè)計(jì)在900mm左右可使激光雷達(dá)探測(cè)效果更佳［12］，通過ZEMAX仿真選擇美國(guó)CVI公司PLCX－50．0－51．5UV平凸透鏡作為附加透鏡，由于非球面透鏡加工及檢測(cè)較為復(fù)雜［15］，通過調(diào)研選擇美國(guó)Thorlabs公司多種焦距且反映集光能力參量數(shù)值孔徑（NA）較大的非球面透鏡（如355390，355660，352330，A414，352340，A230，A390，A110，A240）分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真分析，最終確定由1個(gè)偶次非球面和1個(gè)球面組成的A390非球面透鏡（圖1右上局部放大圖）作為耦合系統(tǒng)核心器件．該非球面透鏡的有效焦距為4．60mm，NA為0．53，其偶次非球面（圖1局部放大圖左側(cè)面）為式中，c為曲面的曲率，其數(shù)值為半徑3．50mm的倒數(shù)，錐度系數(shù)k為－0．3366000，r為橫向坐標(biāo)；球面（圖1右上局部放大圖右側(cè)面）的曲率半徑為－42．19mm．然后以耦合進(jìn)單模光纖的耦合效率為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對(duì)各光學(xué)器件間相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過POPD（物理光學(xué)傳輸）等運(yùn)算符進(jìn)行優(yōu)化表明，當(dāng)未采用非球面透鏡時(shí)，附加正透鏡距望遠(yuǎn)鏡副鏡672．7mm，像面距附加正透鏡51mm，系統(tǒng)效率S為76．4％，接收效率T為46．1％，單模光場(chǎng)總耦合效率ηS為35．2％；當(dāng)采用非球面透鏡時(shí)，附加正透鏡距副鏡704．5mm，非球面透鏡距附加正透鏡35．39mm，光纖端面距非球面透鏡1．268mm，單模光纖的接收效率T可改善為67．6％，單模光場(chǎng)總耦合效率ηS可提高至51．7％，耦合效率比未采用非球面透鏡耦合時(shí)提高約45％．故非球面透鏡將改變望遠(yuǎn)鏡接收會(huì)聚光場(chǎng)的能量分布，提高其與單模光纖導(dǎo)模分布的匹配效率，進(jìn)而提高望遠(yuǎn)鏡與單模光纖的耦合效率．為說明非球面透鏡對(duì)焦平面上愛里斑能量集中程度的改變，圖2給出了軟件仿真得到的采用非球面透鏡前后的包圍圓能量變化情況，可看出通過增加非球面透鏡可使半徑為1．6μm的圓內(nèi)的能量由40％增加到約68％，且在2μm附近出現(xiàn)平坦區(qū)，這可減少光纖對(duì)準(zhǔn)時(shí)橫向偏移的準(zhǔn)確度要求，而通常光纖對(duì)準(zhǔn)誤差中影響最大就是橫向偏移誤差［10，12］．對(duì)不同視場(chǎng)角情況進(jìn)一步仿真分析表明，在0．004°內(nèi)其包圍圓能量分布曲線變化不大。為進(jìn)一步分析視場(chǎng)角對(duì)愛里斑耦合能量分布的影響，圖3（a）～（c）給出了所設(shè)計(jì)耦合系統(tǒng)入射角度分別為0、0．002°和0．004°的點(diǎn)列圖，可看出當(dāng)視場(chǎng)角不為0時(shí)，存在較為明顯的彗差，但其能量基本處于黑色實(shí)線圓（直徑為4．41μm）所表示的衍射極限范圍內(nèi)．由于通常激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行的是能量探測(cè)，不同于天文領(lǐng)域的成像光學(xué)系統(tǒng)，一般不考慮光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，這就使我們可將提高耦合能量作為設(shè)計(jì)和優(yōu)化的唯一目標(biāo)．激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)一般具有0．1mrad的發(fā)散角，而激光雷達(dá)中接收視場(chǎng)角一般要求略大于發(fā)射系統(tǒng)發(fā)散角，取0．12mrad，故可認(rèn)為接收回波信號(hào)將大略位于0．004°范圍內(nèi)，圖3仿真結(jié)果表明在半徑59μm的范圍內(nèi)放置單模耦合光纖，都將獲得較好的耦合效率．另外，由于激光雷達(dá)系統(tǒng)利用發(fā)射光束的回波信號(hào)，而不是空間激光通信系統(tǒng)中的前向傳輸信號(hào)，回波信號(hào)將在耦合平面上形成一個(gè)面積較大的彌散斑，故在此系統(tǒng)中可通過在光纖耦合平面放置多芯光纖束來提高系統(tǒng)總耦合能量．

2耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析

2．1耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為驗(yàn)證上述耦合系統(tǒng)的效果，搭建圖4實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，圖中光源發(fā)出的光，經(jīng)正透鏡會(huì)聚后，分別進(jìn)入直接耦合a和非球面透鏡耦合b兩個(gè)子系統(tǒng)，輸出光進(jìn)入色散型光譜儀（OSA），利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)行三方面耦合效果分析．首先可驗(yàn)證非球面透鏡對(duì)耦合效率的改善作用，由于實(shí)驗(yàn)中直接耦合進(jìn)單模光纖因其芯徑太小導(dǎo)致對(duì)安裝誤差要求較高，故此處未采用單模光纖直接耦合作為耦合效率提高程度比較的基礎(chǔ)，而是將入射光先耦合進(jìn)大芯徑多模光纖（0．2mm）后，再經(jīng)FC接頭直接耦合進(jìn)入單?；蛐⌒緩焦饫w（芯徑約為3～10μm），雖FC接頭同型光纖互聯(lián)時(shí)插入損耗典型值為0．2dB（95．5％），但其主要原因是光纖對(duì)準(zhǔn)誤差，此處因大芯徑光纖NA為0．22，其芯徑為小芯徑光纖幾十倍，故對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)插入損耗影響很小，可用于該實(shí)驗(yàn)測(cè)試；而非球面透鏡耦合子系統(tǒng)b利用非球面耦合透鏡直接將入射光耦合進(jìn)入單?；蛐⌒緩焦饫w，這兩種子系統(tǒng)方案足以說明非球面透鏡對(duì)耦合效率的改善作用．其次，利用不同芯徑光纖的耦合效率比可粗略分析相同入射光場(chǎng)的耦合效果，實(shí)驗(yàn)中單模光纖位置需要測(cè)試幾種不同的小芯徑光纖的耦合效果，如美國(guó)Nufern公司的460－HP光纖、1550B－HP光纖和英國(guó)Fibercore公司的SM980－5．8－125光纖（表1），但實(shí)際上只有460－HP光纖能夠?qū)崿F(xiàn)532nm波段的單橫模傳輸，其目的在于為非球面透鏡改善單模光纖相對(duì)耦合效率提供更可靠的數(shù)據(jù)，并分析耦合效率比與芯徑比平方之間關(guān)系．最后可分析入射光場(chǎng)橫向模場(chǎng)分布對(duì)耦合進(jìn)單模光纖效率的影響，將光源分別采用波長(zhǎng)位于532nm附近LED燈和激光器，以分別模擬多橫模和單橫模光源的耦合效果，實(shí)驗(yàn)分析入射光場(chǎng)橫模分布對(duì)耦合進(jìn)單模光纖的影響，實(shí)驗(yàn)中LED燈型號(hào)為L(zhǎng)ED525E，其發(fā)散角為15°，中心波長(zhǎng)為525nm，3dB帶寬為5nm，功率為15mW；而激光器將使用Nd∶YAG激光器的二倍頻激光．另外，實(shí)驗(yàn)中不同芯徑單模光纖長(zhǎng)度為2m，且需要采用兩個(gè)半徑為10mm圓環(huán)進(jìn)行擾模處理，而對(duì)于多模光纖因其主要作用是減少不同小芯徑耦合光纖的安裝誤差，故未對(duì)其進(jìn)行擾模．實(shí)驗(yàn)中將采用PrincetonInstruments公司的SP2500光譜儀作為耦合系統(tǒng)的光電探測(cè)系統(tǒng)，它采用精密的光柵鍍膜技術(shù)，可將光能損失降至最低，其掃描光譜給出了不同波長(zhǎng)的功率相對(duì)值．為盡量減弱光電轉(zhuǎn)換中非線性效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，評(píng)價(jià)光譜儀相對(duì)光強(qiáng)參量的線性度是非常必要的，將是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有效性的重要保障．首先采用一組濾光片對(duì)光譜儀相對(duì)強(qiáng)度值進(jìn)行測(cè)量，為減少不同濾光片厚度對(duì)耦合光路的影響，構(gòu)造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)首先使LED燈發(fā)出的光通過一個(gè)透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，經(jīng)濾光片后再利用正透鏡使光線匯聚并耦合進(jìn)多模光纖．為減少實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)誤差，未采用標(biāo)稱透過率，而是首先利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)各濾光片進(jìn)行測(cè)試，然后計(jì)算每個(gè)濾光片的透過率，圖5（a）給出了其中1組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，點(diǎn)劃線表示未加濾光片衰減時(shí)LED燈的光譜分布，虛線為增加某濾光片時(shí)的光譜分布，而實(shí)線是由這兩組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的透過率曲線，可看出透過率曲線在490～560nm基本比較穩(wěn)定，說明濾光片對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的衰減率基本是一致的，而在該范圍之外則由于光功率較低而導(dǎo)致透過率起伏較大，故實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)宜采用490～560nm的透過率平均值作為該濾光片透過率值．然后將上步中測(cè)得的透過率作為真值，計(jì)算2個(gè)及以上的濾光片組成濾光片組的理論真值，并利用光譜儀測(cè)試通過該濾光片組的透過光功率，并將理論值與測(cè)得值進(jìn)行比較以評(píng)價(jià)光譜儀相對(duì)光強(qiáng)參量的線性度．圖5（b）給出了測(cè)量點(diǎn)與其擬合直線，其斜率為0．985，截距為173．7，相關(guān)度為0．9994，可說明光譜儀相對(duì)強(qiáng)度與入射光強(qiáng)之間具有很好的線性．

2．2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析當(dāng)采用LED燈作為光源時(shí)，可評(píng)價(jià)多橫模光源的耦合性能．圖6（a）給出了耦合進(jìn)光纖460－HP的功率譜特性，其中點(diǎn)劃線是直接耦合時(shí)光功率譜的相對(duì)強(qiáng)度，實(shí)線表示非球面透鏡耦合時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度，非球面透鏡耦合比直接耦合時(shí)耦合效率增加約48％；圖6（b）給出了耦合進(jìn)光纖1550B－HP的功率譜特性，點(diǎn)劃線是直接耦合時(shí)光功率譜的相對(duì)強(qiáng)度，實(shí)線表示非球面透鏡耦合時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度，非球面透鏡耦合比直接耦合的效率增加約47％，耦合效率的增加量大略與仿真結(jié)果45％相當(dāng)，這可說明利用圖4中子系統(tǒng)a和b耦合效率的比值可反映非球面透鏡對(duì)耦合效率的改善作用．

2．3直接耦合和非球面透鏡耦合分別耦合進(jìn)460－HP與1550BHP光纖的耦合效率比約為13％和12％，這大略等于通常采用的光纖芯徑比平方12％［13］．當(dāng)采用激光作為光源時(shí)，可評(píng)價(jià)單橫模光源的耦合性能．圖7（a）給出了耦合進(jìn)光纖460－HP的功率譜特性，點(diǎn)劃線表示直接耦合時(shí)光功率譜的相對(duì)強(qiáng)度，實(shí)線為非球面透鏡耦合時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度，非球面透鏡耦合比直接耦合時(shí)耦合效率增加約31％；圖7（b）給出了耦合進(jìn)光纖SM980－5．8－125的功率譜特性，點(diǎn)劃線為直接耦合時(shí)光功率譜的相對(duì)強(qiáng)度，實(shí)線表示非球面透鏡耦合時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度，非球面透鏡耦合比直接耦合時(shí)耦合效率增加約20％，耦合效率的增加量與仿真耦合的45％偏離較大，這或可歸因于單模激光耦合時(shí)耦合效率對(duì)位置的調(diào)整極為敏感．另外，直接耦合和非球面透鏡耦合方式耦合進(jìn)460HP光纖與SM980－5．8－125光纖的耦合效率之比分別約為88％和86％，這偏離光纖模場(chǎng)芯徑之比平方36％較大，其耦合效率之比約為模場(chǎng)芯徑比平方的.

2．4倍，這可能是由于高斯分布的單模激光模場(chǎng)與光纖模場(chǎng)匹配效率較高，且其能量大部分位于纖芯中心導(dǎo)致的，該結(jié)論對(duì)全光纖激光雷達(dá)系統(tǒng)具有重要意義．另外多橫模特性光源（LED燈）與單橫模特性光源（激光）的耦合效果對(duì)比，不僅說明非球面透鏡對(duì)望遠(yuǎn)鏡與單模光纖的耦合效率具有明顯改善，而且對(duì)高斯分布的激光耦合進(jìn)小芯徑光纖不宜采用芯徑比平方估算耦合效率，這對(duì)于搭建采用該激光器的全光纖喇曼激光雷達(dá)系統(tǒng)具有積極意義．

篇2

關(guān)鍵詞：光纖；半導(dǎo)體激光器；耦合方式

0 引言

半導(dǎo)體激光器自1962年問世以來發(fā)生了極大地變化，有力的推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器具有光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、耗電少且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于廣泛使用于光纖通信、激光測(cè)距、激光打印、激光掃描、激光指示器以及航空航天等重要領(lǐng)域。對(duì)于半導(dǎo)體激光器來說，受自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響和制約，進(jìn)而在一定程度上降低了半導(dǎo)體激光器的出射光束的質(zhì)量，不僅在垂直和平行于PN結(jié)兩個(gè)方向上的光束不對(duì)稱，而且存在有很大的發(fā)散角，另外，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源要求比較高，進(jìn)一步增加了實(shí)際應(yīng)用的難度。對(duì)于半導(dǎo)體激光器來說，光纖和半導(dǎo)體激光器的耦合技術(shù)能夠?qū)ζ涔馐M(jìn)行整形、準(zhǔn)直、變換，同時(shí)能夠耦合到光纖中，這樣就可以輸出對(duì)稱并且亮度較高的光束。

1 光纖與半導(dǎo)體激光器的耦合方式

通常情況下，光纖與半導(dǎo)體激光器的耦合方式可以分為：（1）光纖與激光器不經(jīng)過任何系統(tǒng)進(jìn)行直接耦合。（2）將透鏡、棱鏡等光學(xué)零件插入激光器和光纖之間的方法，即分離透鏡耦合法。在光纖與半導(dǎo)體激光器進(jìn)行耦合的過程中，無論哪種方法，其耦合的目的都是對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出的光場(chǎng)進(jìn)行整形，進(jìn)而在一定程度上使得入射光場(chǎng)與光纖本征光場(chǎng)分布實(shí)現(xiàn)最大限度的匹配。

1.1 分離透鏡耦合

在耦合系統(tǒng)內(nèi)部，各光學(xué)零件之間與光纖以及耦合系統(tǒng)都是相互分立的，在這種情況下，對(duì)于半導(dǎo)體激光器、耦合系統(tǒng)和光纖之間的共軸準(zhǔn)直性要求比較好。在封裝的過程中，采用一些加工精度較高的支承件固定各光學(xué)零件，在一定程度上確保較好的準(zhǔn)直性，但是這樣做法增加了成本，并且尺寸比較大。在系統(tǒng)中，一般將光學(xué)零件的尺寸控制在毫米量級(jí)，進(jìn)一步減小其體積，這在無形中增加了加工的難度，同時(shí)成本比較高。但是，這類耦合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，通過精確設(shè)計(jì)和加工可以最大限度地改善光束非圓對(duì)稱性、消除像差影響、減少反射損耗，從而實(shí)現(xiàn)高效率耦合。下面分別對(duì)分離透鏡耦合系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

（1）單球透鏡耦合

這種耦合系統(tǒng)通常是由單個(gè)球透鏡構(gòu)成，與其他透鏡相比，由于球透鏡本身的圓對(duì)稱性，進(jìn)而使得裝配異常簡(jiǎn)單。對(duì)于單個(gè)球透鏡來說，由于其焦距與球差成正比，進(jìn)而在一定程度上可以通過減小球差的方式，進(jìn)一步提高耦合效率，同時(shí)這也是該耦合方法的關(guān)鍵所在。為了進(jìn)一步消除球差的影響，在這種耦合系統(tǒng)中，對(duì)球透鏡要求比較高，主要表現(xiàn)為折射率高、焦距短等。對(duì)于這種耦合方式來說，激光器與透鏡之間的距離，以及光纖與透鏡之間的距離決定了耦合的效率。

（2）利用自聚焦透鏡

通常情況下，自聚焦透鏡是在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)，借助離子交換技術(shù)產(chǎn)生徑向的折射率制成的，這種耦合系統(tǒng)通過折射率的漸變分布進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)聚光能力，并且透鏡長(zhǎng)度決定焦距。對(duì)于平端自聚焦透鏡來說，由于球差較為嚴(yán)重，進(jìn)而使得聚光斑較大，通常情況下，可以將前端研磨成球面，進(jìn)而在一定程度上對(duì)透鏡的球差進(jìn)行補(bǔ)償，耦合損耗一般可以降為1 db。對(duì)于自聚焦透鏡來說，其外形尺寸比較小，孔徑比較大，損耗比較低，但是，需要精密測(cè)量和復(fù)雜計(jì)算，才能進(jìn)一步優(yōu)化透鏡的折射率分布，并且在加工透鏡的過程中，需要精密研磨曲率球面，進(jìn)一步增加了制作難度和成本。

（3）利用組合透鏡

在許多光纖耦合系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提高耦合效率，通常情況下，利用球透鏡、柱透鏡、自聚焦透鏡，以及錐形光纖等進(jìn)行相互組合。通過透鏡組合可以大幅度提高耦合效率，一般超過75%。但是，在裝配過程中，需要借助專用精密夾具進(jìn)行精密的調(diào)整，進(jìn)而在一定程度上增加了工作的難度，同時(shí)在封裝階段要求也比較高。

1.2 光纖直接耦合

對(duì)于光纖直接耦合來說，通常情況下，主要包括平端光纖直接耦合和對(duì)光纖進(jìn)行加工耦合兩種，例如在光纖的端面制造球形、錐形等。這種耦合系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為靈活方便，加工制作簡(jiǎn)單，并且易于集成封裝，憑借該優(yōu)勢(shì)，光纖直接耦合系統(tǒng)得到廣泛運(yùn)用。

（一）平端光纖直接耦合

所謂平端光纖直接耦合就是將經(jīng)過處理的端面平頭光纖直接對(duì)向半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面。通常情況下，光源的發(fā)光面積和光纖芯徑總面積的匹配，以及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值孔徑角的匹配等是影響耦合效率的主要因素。對(duì)于半導(dǎo)體激光器和光纖來說，由于彼此之間的模失配現(xiàn)象比較嚴(yán)重，所以采用平端光纖的方式進(jìn)行直接耦合，但是這種耦合方式損耗比較大，并且耦合效率低。

（二）球形端面光纖直接耦合

通常情況下，通過多種方式都可以獲得球形光纖端面，比較典型的如：（1）在光纖端面上制造一個(gè)樹脂的半球透鏡，這種方案比較簡(jiǎn)單；（2）在光纖的端面燒制特殊形狀的端球，一般可以采用電弧、氣體火焰或者大功率激光器充當(dāng)燒制的熱源，這種方案比較實(shí)用。在熱源的作用下，光纖端面熔化后經(jīng)過自然冷卻，在表面張力的作用下，進(jìn)而在一定程度上就會(huì)形成各種不同弧度的圓球形端面，并且熱源的溫度、光纖與熱源之間的距離等因素決定著圓球的曲率半徑。在耦合過程中，采用球形光纖端面一方面可以提高半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率，另一方面可以通過實(shí)驗(yàn)光路進(jìn)行調(diào)試。

（三）錐形光纖直接耦合

腐蝕、磨削和加熱是制作錐形光纖主要方法。其中，腐蝕、磨削是通過將光纖包層制成錐體，進(jìn)而使芯徑保持不變，而加熱是通過電弧放電或者熔融拉錐機(jī)的方式進(jìn)行加熱，進(jìn)而在一定程度上使纖芯與包層一起成比例地拉伸，進(jìn)一步形成一定長(zhǎng)度和錐度的錐體。通常情況下，利用這兩種方法得到的錐形光纖系統(tǒng)，其特性存在一定的差異。而通過加熱方式制造的錐形光纖，其芯層同樣是錐形結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的耦合效率比較高，同時(shí)通過增大錐角可以獲得更大的耦合效率，并且最佳工作距離也隨之不斷減小。

（四）錐端球面透鏡直接耦合

錐端球面微透鏡在目前所有的耦合方法中應(yīng)用范圍最廣。其制作流程為：首先將光纖端部制成錐形，進(jìn)而在一定程度上減小端面半徑，然后在錐端形成微透鏡。通常情況下，形成微透鏡的方法，主要包括：（1）直接電弧拋光、整形；（2）對(duì)錐端進(jìn)行處理，然后將其浸入到熔融高折射率玻璃中，同時(shí)對(duì)浸入的深度、時(shí)間等進(jìn)行控制，進(jìn)而得到不同大小、不同形狀的錐端高折射率微透鏡。

2 結(jié)論

本文通過對(duì)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器與光纖耦合的方法進(jìn)行研究、分析。其中，憑借自身結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡(jiǎn)單、成本低廉，并且耦合效率高的優(yōu)勢(shì)，光纖微透鏡直接耦合技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。但是，這種耦合技術(shù)存在偏移容差最小、難于調(diào)整、缺乏穩(wěn)定性等弊端，并且在手工制作時(shí)，重復(fù)性比較差。除此之外，隨著集成光學(xué)、二元光學(xué)的不斷發(fā)展，使得獲得成本較低，同時(shí)能夠消球差特性良好的微透鏡成為可能。同時(shí)，通過對(duì)LD本身的結(jié)構(gòu)、工藝等進(jìn)行改進(jìn)，在一定程度上對(duì)其光束特性進(jìn)行改善，進(jìn)一步降低耦合損耗，進(jìn)而豐富完善了光纖和半導(dǎo)體激光器的耦合方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韋朝炅，查開德，王新宏.尖錐端光纖和半導(dǎo)體激光器的耦合[J].中國(guó)激光，1998（01）.

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篇3

關(guān)鍵詞：投影；發(fā)光二極管；光子晶體

中圖分類號(hào)：TN312＋8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Rapid Progress in High-Brightness LEDs for Projection

Christian Hoepfner

（Luminus Devices, Inc., Massachusetts 01821，USA）

Abstract: The increase in the brightness of microdisplay-projection light-emitting-diode (LED) light engines has significantly accelerated during the past 3 years, to a level beyond many industry expectations. This acceleration has enabled the emergence of LED projection TVs. Here, we review the progress made with LEDs for projection applications and the products being enabled. Design considerations for LED-based light engines are discussed, and an outlook for further brightness improvements and new products is presented.

Keywords:projection；LED；photonic lattice

對(duì)微型顯示投影而言，發(fā)光二極管（light-emitting diodes，LED）是長(zhǎng)期有效的優(yōu)良光源；與傳統(tǒng)超高壓燈具相比，它擁有眾多優(yōu)勢(shì)，如壽命長(zhǎng)、發(fā)射光譜窄（因此色彩飽和度高、色域大）、環(huán)境友好等。脈沖 LED 具有很高的速度，能應(yīng)用于精密電源和色彩處理系統(tǒng)中。這種牢固的固態(tài)技術(shù)具有特殊的緊湊結(jié)構(gòu)，使其能夠耐受惡劣環(huán)境。

盡管優(yōu)點(diǎn)很多，將 LED 用作投影電源的研究仍花費(fèi)了多年時(shí)間。其中是唯一的、最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是：需要由投影透鏡提供足夠的亮度。LED 不可能和弧光燈一樣明亮，而且永遠(yuǎn)也不可能。因此，基于 LED 的高亮度微顯示投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要對(duì)投影系統(tǒng)各方面進(jìn)行優(yōu)化，既包括 LED，也涉及照明及投影光路。

自 2005 年以來，一些小封裝（small-form-factor）前投 LED 投影儀已經(jīng)投放市場(chǎng)，它們經(jīng)常被稱作便攜投影儀或便攜探測(cè)器。東芝、三菱、三星相繼推出了這類投影儀，都使用了 OSRAM 和 Lumileds Lighting 公司的 LED。該規(guī)格投影儀投影透鏡的光通量為 15~25 lm。2007 年春季推出了更新的型號(hào)，光通量達(dá)到 50 lm。2006 年夏季，緊隨 NuVision 的原型機(jī)之后，三星推出了第一個(gè)微顯投影電視。該電視使用了 Luminus Devices 公司的新型 LED，即 PhlatLight LED（圖1），這是第一種專門為微顯投影設(shè)計(jì)的 LED，并且亮度首次超出了高品質(zhì)投影電視所需的閥值。2007 年春季，三星的六種新型投影電視產(chǎn)品打入了美國(guó)市場(chǎng)，屏幕尺寸分別為 50in、56 in和 61 in（圖2）。此外，2007 年 7 月，LG 電子公司推出了一款使用 Phlat Light LED 的便攜投影儀，這款商務(wù) LED 便攜投影儀首次突破了 光通量100 lm 的屏障。

下文將介紹投影儀用 LED 的設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)講述促使首款液晶投影電視產(chǎn)生的 Phlat Light LED 的設(shè)計(jì)。伴隨著這次突破，在光學(xué)引擎的設(shè)計(jì)上投入了相當(dāng)可觀的精力，對(duì)此后文將會(huì)提到，只因?yàn)樗谷藗儺a(chǎn)生了將 LED 作為光源的想法。

1小型 étendue 光學(xué)引擎的要求

現(xiàn)代微顯電視光學(xué)引擎使用的微型顯示器的對(duì)角線長(zhǎng)度在 0.45 ～0.95 in之間。微型顯示器是光學(xué)引擎上最昂貴的部件，這就為縮小微型顯示尺寸提供了動(dòng)力，因此誕生了小型 étendue。投影透鏡之類的光學(xué)元件的成本和尺寸也更傾向于使用微型顯示器。

這種光學(xué)引擎的小型 étendues 決定了 LED 發(fā)光面積只能很小，在 8~24mm2 范圍內(nèi)。因此需有效利用 LED 的發(fā)光面積。這對(duì)面發(fā)射的 LED 有利，因?yàn)檠剡吘壈l(fā)射的 LED 需要額外的光學(xué)器件來收集這部分光，從而增加了實(shí)際光源 étendue。一個(gè)好的 LED 光源應(yīng)該是面發(fā)射器，需要非常精確的發(fā)光面照亮微型顯示器。發(fā)光面積的寬高比要與微型顯示器匹配，對(duì)于任何投射角度都要進(jìn)行修正；對(duì)高清晰度電視（HDTV）而言，通常采用 16:9 的寬高比。由于 LED 芯片較小造成的發(fā)射面上的任何縫隙都將使實(shí)際亮度減弱。因此，采用具有合適尺寸和寬高比的單塊大面積 LED 芯片是最理想的。

2投影儀用 LED

LED 光學(xué)引擎亮度得到提高主要?dú)w因于以下三方面：(1) LED 技術(shù)整體得到提高；(2) LED 的設(shè)計(jì)符合光學(xué)引擎的要求；(3) 光子晶體 LED 的出現(xiàn)。

今天，LED 產(chǎn)業(yè)有數(shù)十億美元的產(chǎn)值，其中手機(jī)屏和鍵盤照明占據(jù)了大部分市場(chǎng)。與技術(shù)發(fā)展相隨相伴的是巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，它使得 LED 發(fā)光效率穩(wěn)步改善，這也是 LED 產(chǎn)業(yè)廣泛用作優(yōu)質(zhì)圖像顯示的重要原因。對(duì)于投影電視，實(shí)際亮度是最關(guān)鍵的性能參數(shù)，而不是發(fā)光效率。盡管如此，發(fā)光效率的大幅提高也會(huì)使系統(tǒng)亮度提高。因此，LED能應(yīng)用于投影儀中，得益于標(biāo)準(zhǔn) LED 的整體改善。

要滿足小型 étendue 光引擎的要求，發(fā)射面積尺寸與微型顯示器相匹配的單塊 LED 芯片最為理想。舉例來說，針對(duì) DLPxHD5 微型顯示器已經(jīng)設(shè)計(jì)出了 PT120 PhlatLight 投影芯片組，其發(fā)光面積為 12 mm2，寬高比 16:9。這使得微型顯示器 étendue 具有優(yōu)化利用的前提。

3用于微型顯示投影儀的 PhlatLightTM LED

PhlatLightTM LED 是首個(gè)專為微型顯示投影設(shè)計(jì)的 LED。為實(shí)現(xiàn)高亮度的要求，在芯片和封裝方面采用了一系列新技術(shù)。

光子晶體，通常也稱為光子晶格或光子帶隙材料，是將周期結(jié)構(gòu)嵌入介質(zhì)或半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的。周期結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)與光波波長(zhǎng)相當(dāng)，臨界尺寸小于 100 nm。該周期結(jié)構(gòu)（如圖 5 所示）產(chǎn)生光學(xué)帶隙，阻止某些頻率和方向的光傳播，因此能從根本上改變光在基體材料中的傳播。特定的 PhlatLight LED 光子晶體限制光沿量子阱方向的橫向傳播。因此光線被迫處于垂直于界面的狀態(tài)，并穿過界面射出芯片。因此，PhlatLight LED 芯片沒有邊緣發(fā)射；所有光都從界面發(fā)射。因?yàn)槠叫杏诹孔于澹╭uantum well）傳播的光線易于被重復(fù)吸收，所以光線射出芯片表面的驅(qū)使力也會(huì)使光汲出效率（extraction efficiency）增強(qiáng)。此外，對(duì)光子晶體進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以使更多光線達(dá)到接近表面法線的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)平行發(fā)射（collimated emission）。雖然這種平行效應(yīng)沒有使LED 的總流量增加，但使匯集于光學(xué)引擎 étendue 中的光線增加了，提高了透鏡和分色鏡光透過率的效率。PhlatLight 光子晶體設(shè)計(jì)的三個(gè)特點(diǎn)（表面汲出，提高光汲出效率和平行性）都有利于改善投影系統(tǒng)的亮度。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)亮度，PhlatLight LED 也可以設(shè)計(jì)成在高驅(qū)動(dòng)電流下工作。為了滿足高亮度 LED 的要求，每個(gè)工程師都試圖增大驅(qū)動(dòng)電流，該電流超出典型的工作電流 0.35 A/mm2或 1 A/mm2。然而，按照傳統(tǒng) LED的設(shè)計(jì)，在高電流密度下工作可靠性不好，因?yàn)楦唠娏髅芏认庐a(chǎn)生的電應(yīng)力和熱應(yīng)力會(huì)降低 LED壽命。

通常用于 LED 的半導(dǎo)體接口能在非常高的電流密度下良好工作，例如激光可以產(chǎn)生高達(dá)每mm2數(shù)百安培的電流密度。然而很多 LED 要依靠位于 LED 側(cè)向的金屬小觸點(diǎn)傳輸電流，這就會(huì)導(dǎo)致電流擁堵在這些金屬觸點(diǎn)上，從而限制了這種 LED 的可靠工作電流。

增加電流密度也意味著需要更大功率并產(chǎn)生更多散熱量。為了保證接口溫度處于可以長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的高可靠性水平，從接口到散熱器的熱阻要低于 LED 的標(biāo)準(zhǔn)熱阻。

除了采用光子晶體技術(shù)外，PhlatLight LED 還首創(chuàng)了垂直芯片組的設(shè)計(jì)，以解決電和散熱的問題。已經(jīng)采用藍(lán)寶石晶片作為亮度最高的藍(lán)色和綠色 LED 的材料。雖然藍(lán)寶石能促進(jìn)高品質(zhì)接觸層和量子阱的生長(zhǎng)，但它是電絕緣體、不良導(dǎo)熱體。將外延晶圓和金屬粘著基臺(tái)（metal submount）粘結(jié)在一起，然后移除藍(lán)寶石基板，帶有量子阱的外延層轉(zhuǎn)變成為表面基板材料。新的金屬粘著基臺(tái)的熱阻非常低，而且金屬全面積接觸到 LED 上了。因此， PhlatLight LED 的工作電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)高亮度 LED 在典型工作條件下的電流密度。它們的設(shè)計(jì)和質(zhì)量都能保證在 2.5 A/mm2 電流密度時(shí)有足夠長(zhǎng)的壽命。例如，發(fā)光面積為 12 mm 2的 PT120 芯片可以在 18 A 連續(xù)電流的情況下工作，相當(dāng)于高達(dá) 100 W 電源的工作情況。如果是脈沖運(yùn)行，該裝置可以在更高電流下工作，這些特性改善了工作的限制條件，有利于提高亮度，同時(shí)保證 LED 的高度可靠性。例如，當(dāng)總循環(huán)效率為 50%、正向電流為 30 A 時(shí)，綠色 PT120 LED 的峰值光通量甚至大于 3,300 lm。

PhlatLight LED 芯片截面如圖 3 所示。包括量子阱在內(nèi)的活化層和金屬黏著基臺(tái)相聯(lián)。二維光子晶體結(jié)構(gòu)嵌在 LED 芯片表面。

光子晶體 LED 有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)經(jīng)常被人們忽視，即光汲取時(shí)不需要密封劑。設(shè)計(jì)的光子晶體將光直接從半導(dǎo)體芯片上提取到空氣中，因此不需要密封劑，而密封劑是 LED 中最不可靠的部件之一。PhlatLight LED 組裝過程中獨(dú)有一個(gè)環(huán)氧處理工藝，它將 LED 芯片粘著基臺(tái)與銅散熱器直接粘結(jié)在一起，結(jié)果產(chǎn)生創(chuàng)歷史新低的熱阻。這些優(yōu)勢(shì)及其高效的電熱設(shè)計(jì)，使 PhlatLight LED 這種固態(tài)光源具有極高的可靠性，當(dāng)其在電視工作條件下工作時(shí)，平均壽命為 120,000 hr。

4LED 性能的改進(jìn)

由于采用了上述改進(jìn)措施，PhlatLight LED 的亮度在過去兩年中得到了很大提高。近年來綠色 PhlatLight LED 亮度的提高情況如圖 4 所示。對(duì)于可見顯示而言，綠色實(shí)際上是最難生產(chǎn)的色彩，在提供白色光通量色彩平衡中幾乎總是瓶頸。與2006 年初使用 PhlatLight LED 設(shè)計(jì)制造的第一臺(tái)投影電視相比，綠色 LED 的亮度已經(jīng)翻了一番。高亮度大多可以降低電視系統(tǒng)的成本，例如，可以使用較小的微型顯示器。

對(duì)于所有 LED，包括 PhlatLight LED 在內(nèi)，亮度提高仍有很大的發(fā)展空間。研究在加速進(jìn)行，預(yù)計(jì)在 18 個(gè)月內(nèi) PhlatLight 的亮度將增加1倍。這將促使更多新穎的、革新的投影儀投入應(yīng)用。

5LED 光學(xué)引擎的設(shè)計(jì)思路

雖然投影 LED 的亮度已大幅提高，通過投影透鏡的光通量足夠大了，但仍需要對(duì)光學(xué)引擎進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)。一般 LED 光學(xué)引擎光路的 f/# 小于燈基模式（lamp-based model）；增加 étendue，促進(jìn)了更大 LED 源的使用，從而使得光通量更高?？赡艿膶?duì)比度損失可以通過很好的光學(xué)設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)；可以利用 LED 的快速響應(yīng)實(shí)現(xiàn)亮度動(dòng)態(tài)管理。雖然錐形光波導(dǎo)或拋物線形光波導(dǎo)有利于收集來自 LED 的光線，無論單個(gè)還是兩個(gè)非球面透鏡，通常都不能產(chǎn)生如此高的亮度。這是因?yàn)檫h(yuǎn)離 LED 表面的光線具有發(fā)散角，雖然它可以被導(dǎo)光板收集，但是并不能被后續(xù)的投影光路有效地傳輸出來。

對(duì)于典型的 LED 發(fā)光光學(xué)，入射光角度大時(shí)，需要對(duì)彩色合成的二向色性進(jìn)行設(shè)計(jì)。LED 不發(fā)射紫外光。因此與燈基系統(tǒng)相比，所有透鏡的鍍層在藍(lán)色光譜范圍內(nèi)均可設(shè)計(jì)成較大透光率。

LED 的散熱處理非常重要。LED 有個(gè)特點(diǎn)：只能在低溫下運(yùn)行。LED 活性區(qū)，包括量子阱，通常在 70~120 ℃ 溫度下工作，在某些情況下允許溫度高些，但一定要低于 200 ℃。這和超高壓燈形成了鮮明對(duì)比，超高壓燈活躍區(qū)（?。囟燃s為 6,000 ℃，甚至石英管外的溫度也可以達(dá)到 800 ℃ 左右。另一方面，由于 LED 結(jié)溫如此之低，所以它會(huì)隨環(huán)境溫度變化。便攜投影儀或投影電視大部分使用帶風(fēng)扇的簡(jiǎn)單散熱片作為空氣冷卻系統(tǒng)。對(duì)于一些電視，則采用熱管傳遞電視柜中的熱量，散熱很方便。LED 通常不需要液體冷卻。

通常冷卻部分的設(shè)計(jì)要保證 LED 結(jié)溫低于最大限度值：藍(lán)色和綠色 PhlatLight LED 結(jié)溫低于 120 ℃，紅色 PhlatLight LED 結(jié)溫低于 80 ℃。藍(lán)、綠、紅色 LED 的結(jié)溫不同，因?yàn)樗鼈兪褂玫陌雽?dǎo)體材料不同，這些材料具有不同的溫度靈敏度。實(shí)際上大部分 LED 結(jié)溫低于最高限制溫度，并隨著環(huán)境溫度的變化而波動(dòng)。因此，需要色彩處理系統(tǒng)補(bǔ)償不同色彩間相對(duì)光強(qiáng)的溫度誘導(dǎo)變化。

6下一代 LED 投影產(chǎn)品

最初的 LED 市場(chǎng)反饋表明，LED 照明投影電視非常流行，因?yàn)樗鼈儾挥酶鼡Q超高壓燈，并具有優(yōu)良的色彩重現(xiàn)性。因此人們期望大部分投影電視生產(chǎn)線在 18 個(gè)月內(nèi)從超高壓燈轉(zhuǎn)為 LED 照明。在 2009 年，絕大部分微顯投影電視將使用 LED 作為光源。

預(yù)計(jì)基于高端電視光學(xué)引擎的高畫面質(zhì)量的家庭影院投影儀將于 2008 年進(jìn)入市場(chǎng)。這些家庭影院投影儀使用更大的微型顯示器，因此具有前投所需的更高的亮度和對(duì)比度，投影透鏡的光通量在 500 ~1，000 lm 之間。

120~150 lm 便攜投影儀將于 2008 年面世。提高LED 亮度可以降低投影儀成本，這樣有利于占有更大的市場(chǎng)份額。

通常稱為 nano-projector 或 pico-projector 的微型投影儀正在研制之中，預(yù)計(jì)于 2008 年進(jìn)入市場(chǎng)。因?yàn)?LED 是一種成熟的技術(shù)而且比較便利，因此大多數(shù)模塊將采用 LED 作為光源。

近年來在投影電視的跟蹤調(diào)查中，LED 亮度和效率的改進(jìn)最終會(huì)使其它視覺顯示產(chǎn)品受益。LCD 電視用的 LED 背光源（BLU）也需要高效綠色 LED。例如，PhlatLight LED 的平行特性使其可以用于光波導(dǎo)的有效光耦合，適用于邊緣散射的巨型 BLU（＞ 52 in）。

7結(jié)論

LED 作為微顯示投影光源具有廣闊的前景。常規(guī)LED 產(chǎn)業(yè)，以及新的、為投影儀專門設(shè)計(jì)的 PhlatLight 光子晶體 LED 促進(jìn)了 LED 性能的快速提高，使 LED 光學(xué)引擎特性達(dá)到了新水準(zhǔn)。LED 已成為成熟的、數(shù)十億產(chǎn)值的產(chǎn)業(yè)。普通光學(xué)應(yīng)用的巨大市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)性以及已有制造商和新興企業(yè)的持續(xù)改進(jìn)，都將持續(xù)推動(dòng) LED 性能的發(fā)展，使其能夠滿足更精彩的顯示領(lǐng)域的應(yīng)用。