CN108944066A - 一种打印激光光源的打印头模块 - Google Patents
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Abstract
一种打印激光光源的打印头模块，包括：一个或多个打印头，用于在基板上逐次打印或一次打印多个激光光源；所述打印所采用的墨水包括发光染料和基质材料以及溶剂。本发明所揭示的技术方案首先实现了用喷墨打印制得激光光源，这为廉价且工业化制造各种激光光源及其他关联产品提供了新的技术方案；其次，由于所述激光光源便于实现包括多组独立的激光光源的模块，就使得每组激光光源模块发光时能够相互独散立，其出射光之间很难产生激光相干，从而极大消除常见的激光相干所导致的散斑现象。
Description
技术领域
本发明涉及激光光源领域，特别涉及一种打印激光光源的打印头模块。
背景技术
对于激光领域，一方面，现有的激光显示技术，由于激光强相干性的干涉效应引起激光散斑，严重降低了显示质量，不得不采用振屏等手段来消除散斑。另一方面，现有技术中缺乏一种快速、批量制造激光光源且使得每个光源都能发出不同颜色激光的技术。
发明内容
为了解决上述问题，本发明(本文中本发明与本公开概念相同)提供了一种打印激光光源的打印头模块，包括：
一个或多个打印头，用于在基板上逐次打印或一次打印多个激光光源；
所述打印所采用的墨水包括发光染料和基质材料以及溶剂。
优选的，所述激光光源，用于组成多组独立的激光光源模块；
每组独立的激光光源模块中，至少两个光源能够在相同的激发条件下发出不同颜色的光。
优选的，所述打印头的尺寸由所述每个光源的尺寸所决定。
优选的，所述激光光源的尺度为毫米级、微米级或更小。
优选的，施加在所述打印头的电压能够被控制，以便调节打印过程中墨滴的尺寸。
优选的，所述发光染料包括：可光致发激光的染料，可电致发激光的染料或其。
优选的，所述发光染料包括：寡聚苯乙烯类蓝光染料，香豆素类绿光染料，罗丹明系列染料，半花菁类红光染料或其混合物。例如香豆素153，或者香豆素6或者罗丹明6G染料。
优选的，所述基质材料包括：聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，NOA系列光固化材料或其混合物。
优选的，所述墨水采用：水，二氯甲烷，三氯甲烷，二甲基甲酰胺或他们的混合物作为溶剂。
优选的，所述墨水采用下述任一种配方：
对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入300-1000mg/mL的BSA水溶液，其中三个染料与BSA的质量比分别为1-3％，随后加入甘油，甘油与水的体积比为1：1-4，优选为1:2；
更优选地，所述墨水采用下述任一种配方：
(1)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入400mg/mL的BSA水溶液，其中三个染料与BSA的质量比都为1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2；
(2)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入800mg/mL的BSA水溶液，其中三个染料与BSA的质量比都为1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2；
(3)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入500mg/mL的BSA水溶液，其中二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B与BSA的质量比分别为：2％，2％和1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2。
优选的，所述墨水还包括辅助材料；所述辅助材料包括液态的聚合物预聚体。
优选的，所述墨水还包括辅助材料；所述辅助材料包括：热固化环氧树脂，NOA系列光固化胶或他们的混合物。
优选的，所述激光光源包括RGB三原色光源。
优选的，所述激光光源的间隔约为其直径的2.5-4倍。
优选的，对于每一组RGB三原色光源，所述三原色光源的直径基本相同且分别位于等边三角形的三个顶点，所述等边三角形的边长则超出直径的10％-30％。
通过本发明所提供的诸多技术方案，首先其实现了用喷墨打印制得激光光源，这为廉价且工业化制造各种激光光源及其显示装置提供了新的技术方案；其次，由于所述激光光源便于实现包括多组独立的激光光源的模块，就使得每组激光光源模块发光时能够相互独散立，其出射光之间很难产生激光相干，从而极大消除常见的激光相干所导致的散斑现象。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中系统的示意图；
图2是本发明的一个实施例中系统的另一示意图；
图3是本发明的一个实施例中的激光光源的示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员理解本发明所披露的技术方案，下面将结合实施例及有关附图，对各个实施例的技术方案进行描述，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明所采用的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖且不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、或方法、或系统、或产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选的还包括没有列出的步骤或单元，或可选的还包括对于这些过程、方法、系统、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员可以理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
在本发明的一个实施例中，其揭示了一种打印激光光源的打印头模块，包括：
一个或多个打印头，用于在基板上逐次打印或一次打印多个激光光源；
所述打印所采用的墨水包括发光染料和基质材料以及溶剂
对于所述实施例而言：首先其实现了用喷墨打印制得激光光源，这为廉价且工业化制造激光光源及其各种显示装置或照明装置等提供了一种新的技术方案；其次，由于所述多个激光光源便于实现包括多组独立的激光光源的模块，就使得每组激光光源模块发光时能够相互独散立，其出射光之间很难产生激光相干，从而极大消除常见的激光相干所导致的散斑现象。
其中，参见图1，其示出了分别针对不同颜色的墨水的打印头，用于在基板上逐次打印不同的光源。每个打印头对应了一种颜色的墨水。参见图2，多个打印头对应了一种颜色的墨水。
结合图1、2，不难看出，上述实施例完整、清楚的描述了：一个或多个打印头，用于在基板上逐次打印或一次打印多个激光光源。
对于所述实施例，参见图1，当使用一个打印头时，打印头逐次打印每组激光光源中的每个光源，例如按照R、G、B顺序逐次打印红、绿、蓝三个光源；当使用多个打印头时，多个打印头可以一次打印每组激光光源中的每个光源——容易理解，工作中的打印头数量必然大于等于每组激光光源模块中的光源数量，例如大于等于RGB三个光源的数量。图2仅示出了多个打印头中的针对某个光源，例如红色光源的多个打印头，针对另外一种颜色的多个打印头则没有示出。
可以看出，喷墨打印需要使用墨水来打印。与激光光源对应的是，所述墨水可以采用激光染料掺杂的聚合物溶液。
在另一个实施例中，对于所述基板，只要有利于在其上喷墨打印光源即可。更佳的，基板需要有一定的透光性。示例性的，基板可以选择如下任一种：(1)镀氟化镁的银镜基底；(2)分布式布拉格反射镜(DBR)基底等。
在另一个实施例中，
所述基板需要预处理，包括在清洁的基板上制作对应于激光光源位置的点阵图案。
对于所述实施例，制作点阵图案的目的在于便于按照图案来进行光源的打印。
在另一个实施例中，所述点阵图案通过绘图仪来制作。示例性的，首先将预处理(包括对基板的清洁)过的基板放置在绘图仪的工作区域内；其次，利用所述绘图仪在基板上绘制对应于激光光源位置的点阵(备注：容易理解，所述点阵是一种阵列化图案，二者在本发明中是针对同一概念的不同表述方式)。进一步地，打印头模块可以基于制作的阵列化图案来打印激光光源。
容易看出，打印各个激光光源后，所述激光光源可能需要人为干涉其固化过程。
对于所述实施例而言，可以是自然的固化，也可以是人为的固化，其中自然固化时间成本往往比较大，人为的固化则是为了加速固化的过程。就人为的固化而言，可以采用对基板加热的方式(往往采用恒温加热板进行加热)，也可以采用类似于加热的其他适当固化方式，例如光辐射(包括紫外光或其他光谱的光线照射)。容易理解的，可选的固化方式取决于墨水。
更优选的，在另一个实施例中，
所述激光光源，用于组成多组独立的激光光源模块；
每组独立的激光光源模块中，至少两个光源能够在相同的激发条件下发出不同颜色的光。
就所述实施例来讲，这使得至少通过两个光源就能实现每组激光光源模块的混色。更为有利的是，鉴于所述实施例可以基于相同的激发条件，以通过飞秒激光来激发所述光源为例，本领域技术人员就可以仅仅通过使用一种波长的飞秒激光来实现至少两个光源的混色。即，能够通过一束光来激发至少两个光源，以实现混色。
可以看出，如果打印复数个光源，那么喷墨打印的所述复数个光源通过墨水来打印时，所述复数个光源往往是微球形，确切的说，是半球形。在所述打印头模块工作的过程中，所采用的喷墨打印的墨水由于是液态，而制得的光源最终是固态，那么喷墨打印过程中一般要使得每个光源之间彼此不接触以避免互相之间融合。
也就是说，每个光源之间往往不接触，且存在间距；如果把每个光源理解为半球，那么对于复数个光源来讲，第一半球与第二半球(甚至与第三半球等等)彼此不相切。
能够理解的是，在至少两个光源的混色中，可选的，通过飞秒激光来激发所述至少两个光源，且仅仅使用一束飞秒激光的话，那么这束飞秒激光必然要能够同时激发到所述至少两个光源。这样一来，由于一组复数个光源的至少两个光源能够在相同的激发条件下发出不同颜色的光，假设所述复数个光源为一组激光光源模块，例如图3所示的三个一组，那么利用本发明的技术就能够实现每组激光光源模块中的混色。混色是非常有意义的，例如根据RGB三原色就能混色出多种不同的颜色。
需要指出的是，本发明允许所述复数个光源的至少两个光源能够在相同的激发条件下发出相同颜色的光。例如，为了实现某种单一颜色的强光，那么每组激光光源模块中的复数个光源也可以是相同的光源，所述复数个光源的每个光源都能够在相同的激发条件下发出同一颜色的光。这种激光光源可以用于探照灯领域。
在另一个实施例中，
所述激光光源的尺度为毫米级、微米级或更小。
对于所述实施例而言，每个光源的尺度越小，其越有利于实现更高分辨率的图像显示效果。如果将任意一个光源视为一个微半球结构，按照分辨率的要求，我们可以制得与分辨率相应尺寸的微半球结构。所述任意一个光源的微半球结构的尺寸可以是15、35、45、85、100微米等等，甚至更小。如果任意一个光源的微半球结构的尺寸是毫米级，则适用于户外大屏幕显示技术。
可以看出，微半球结构中的光学模式为回音壁模式，对于不同尺寸的微半球结构，其模式间距不同。根据回音壁模式理论，半球直径越小，其模式间距越大，增益区间内存在的模式数越少，当模式数减少为一个时，即为单模激光，得到最好的单色性。
进一步的，当某个光源所对应的微半球结构的半球直径小到一定尺寸，且所述一定尺寸与所述光源激发出的单模激光存在对应关系时，其所发出的单模激光能够进一步增加激光的色域区间。示例性的而非限制的，所述一定尺寸约为15微米。
在另一个实施例中，所述打印头的尺寸由所述每个光源的尺寸所决定。
可以看出，打印头的尺寸与前文所述微半球结构的半球直径相关，受半球直径决定。所述打印头的尺寸可选的范围有5、10、20、30、40、50、60微米等等。如果需要制得比微米尺度更小的微半球结构，当打印头的尺寸无法更小时，可以采用能够调节墨滴尺寸的喷墨打印机来适应性稍加改进以便于通过喷墨打印来制得本发明所述的光源。如前所述，如果要获得毫米级的微半球结构，那么打印头的尺寸可以适当的大一点。
在另一个实施例中，通过控制施加在打印头的电压，来调节墨滴的尺寸。其他能够调节墨滴尺寸的喷墨打印机，可以参见现有技术中的如下专利文献：CN1876375 A、US8042899 B2、US8714692 B1、US8955937 B2、US8985723 B2、US9573382 B1。这些专利文献在此一并引入本发明的说明书，然而需要指出的是：这些只是现有技术中的喷墨打印机有关技术的一部分。由于无法穷举所有现有技术，因此，其余可以参考和稍加改进的现有技术不再列出。
在另一个实施例中，所述发光染料包括如下任一：
可光致发激光的染料，可电致发激光的染料。
一方面，在材料领域，存在光致发激光的染料，也存在电致发激光的染料。这就为本领域技术人员提供了发光染料的多样选择。另一方面，如果采用光致发激光的染料，那么前文所述通过喷墨打印制得的激光光源则可以被其他光所激发，例如飞秒激光；容易理解的，相应的飞秒激光的参数选择与墨水固化后的光源本身的特性，特别是吸收光谱有关；如果采用电致发激光的染料，那么所述激光光源则可以通过施加电压所激发，例如施加直流电压或脉冲电压；示例性的，借由前文所述实施例，本领域技术人员很容易通过对染料的选择而获得：一种通过施加3V的直流电压就能激发的激光光源。依材料不同，直流电压可能会根据需要更改为脉冲电压。脉冲频率和幅值符合显示所需的刷新率即可。
在另一个实施例中，所述发光染料包括如下任一：
寡聚苯乙烯类蓝光染料，香豆素类绿光染料，罗丹明系列染料，半花菁类红光染料。
对于本领域技术人员而言，按照发光颜色需求，选择相应发光波长的染料即可。例如，发光染料还可选择寡聚苯乙烯类蓝光染料，或者香豆素153，或者香豆素6等香豆素类绿光染料，或者罗丹明6G等罗丹明系列，或者半花菁类红光染料。由于所述实施例实现了红绿蓝三种光线，那么很容易通过所述打印头模块和所述墨水制得RGB激光光源。
更优的，在另一个实施例中，所述激光光源包括RGB(红绿蓝)三原色光源。容易理解，这是便于利用RGB三原色原理来混色。如果采用一束飞秒激光来激发且混色，那么这束飞秒激光必然要能够同时激发到所述RGB三个光源，以便利用三原色原理来混色得到各种颜色。类似的，如果采用直流电压激发，那么更精细的控制可以实现：对RGB三个光源能够分别控制其电压，从而利用三原色原理来混色得到各种颜色。
更特别的，所述RGB三原色光源为三个光源，且为一组独立于其他激光光源的光源模块。这样，既能够便于独立的控制、混色，又能够最大化降低散斑现象。
在另一个实施例中，所述基质材料包括如下任一：
聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，NOA系列光固化材料。
对于所述实施例而言，基质材料作为激光腔体的支撑材料，其与激光染料有材料兼容性即可。容易理解的，材料兼容性越好，则越适于用作基质材料。可以看出，基质材料如果具有良好的加工性能，那么也是非常有利的。其中，NOA系列光固化材料包括NOA1625，NOA68等等。
在另一个实施例中，所述墨水采用如下任一作为溶剂：水，二氯甲烷，三氯甲烷，二甲基甲酰胺。可以看出，所述实施例示例性的提供了溶剂的选择范围。
在另一个实施例中，所述墨水采用下述任一种配方：
(1)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入400mg/mL的BSA水溶液，其中三个染料与BSA的质量比都为1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2；
(2)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入800mg/mL的BSA水溶液，其中三个染料与BSA的质量比都为1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2；
(3)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入500mg/mL的BSA水溶液，其中二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B与BSA的质量比分别为：2％，2％和1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2；
(4)除以上具体配方的用量外，仍有多种选择，其中BSA水溶液的溶度氛围为300-1000mg/mL。罗丹明B，荧光素钠和对称二苯代乙烯与BSA的质量比分别为1％-2％，1％-3％，和1％-3％。甘油与水的体积比为30％-100％。
在另一个实施例中，当采用上述配方(1)至(3)时，所述激光光源在335-375nm飞秒激光的激发下而受激发光。容易看出，飞秒激光的波长由墨水固化后所形成的光源的吸收光谱决定。
对于上述有关实施例，基质材料选择牛血清蛋白(即BSA)。
在另一个实施例中，
所述墨水还包括辅助材料；
所述辅助材料包括液态的聚合物预聚体。
需要指出的是，辅助材料可能不是必需的。如果包括辅助材料，那么一方面有助于降低溶剂的挥发性，另一方面确保打印过程中墨水不会固化。由于无法穷尽所有墨水配方，所以本领域技术人员能够预见的是：在某些配方下，可能不需要辅助材料，只要溶剂和发光染料选择得当，依然能够确保喷墨打印过程中溶剂挥发性不明显，且墨水不易固化，即：不包括辅助材料的情况下，存在可能性，以使得喷墨打印过程基本能够不受固化的影响。其中，对于聚合物预聚体，其在光照或加热处理后，才会固化。
在另一个实施例中，所述辅助材料包括如下任一：热固化环氧树脂，NOA系列光固化胶。这与前文对于辅助材料的说明相呼应。
上文指出，在另一个实施例中，所述每组激光光源模块通过飞秒激光来激发所述复数个光源。下面进一步描述飞秒激光有关的内容。
可以看出，具体的飞秒激光的参数，例如波长，是由上述墨水固化后所形成的光源本身所决定的。受激光激发，必然与墨水固化后所形成的光源本身的吸收光谱有关。即，此处所说的波长由墨水固化后所形成的光源的吸收光谱决定。
假设每组激光光源模块包括三个光源，每个光源采用一种具体的激光染料来喷墨打印制得，那么：当三种染料制得的所述三个光源都可以被同一波长的激光来受激发光时，本领域技术人员可选择这种波长的激光来作为激发条件；当然，这并不排斥使用两种或三种波长的激光作为激发条件；也就是说，用于激发的激光的波长可灵活选择：选择一束激光，两束激光还是三束激光，来激发所述每组激光光源模块都是可以的，而每束激光的波长则由所述光源的吸收光谱所决定。特别的，与现有技术中采用多束不同颜色的光来扫描发光、并用于图像的显示不同，本发明只需要采用一束激光来激发所述光源即可。
在另一个实施例中，所述光源能够通过直流电压来激发。
对于所述实施例，其揭示了另一种激发方式。当然，无论是飞秒激光来激发，还是直流电压或脉冲电压来激发，都取决于墨水固化后所形成的光源本身。换句话说，所述激光染料显然要具备能够被一定的直流电压激发的特点，例如直流电压约为3V。
在另一个实施例中，当所述光源用于显示一个图像时，每组激光光源模块(即包括复数个激光光源)受激发而发出的光，均对应所述图像的一个像素。
就所述实施例而言，意味着所述每组激光光源模块是像素级的。这有利于实现更精细的图像显示，推动激光技术在高清、超清显示领域的应用。
在另一个实施例中，当采用直流电压的激发方式时，每组激光光源模块可以通过薄膜晶体管进行驱动，或者通过其他薄膜晶体管进行驱动：例如氧化物半导体薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管。与通过一束或多束飞秒激光这种激发方式相比，直流电压的激发方式能够单独、甚至同时的控制每个像素点，这对于像素级的激光光源装置是非常有益的。附带的，这种激发方式还能够大大缩小激光显示领域中设备的体积。
在另一个实施例中，
所述激光光源的间隔约为其直径的2.5-4倍。
容易理解，此处的间隔，是可以根据光源的需求而改变的。
在另一个实施例中，
打印的光源在固化过程中的温度和时间由墨水固有特性所决定。例如，BSA水溶液体系和聚苯乙烯/二氯甲烷体系在60摄氏度下加热1小时，NOA系列材料则可以采用紫外光照射数分钟。
在另一个实施例中，
对于每一组RGB三原色光源，所述三原色光源的直径基本相同且分别位于等边三角形的三个顶点，所述等边三角形的边长则超出直径的10％-30％。显而易见的，此处的边长与直径的尺寸关系，同样可以根据光源的需求而改变。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种打印激光光源的打印头模块，包括：
一个或多个打印头，用于在基板上逐次打印或一次打印多个激光光源；
所述打印所采用的墨水包括发光染料和基质材料以及溶剂。
2.根据权利要求1所述的打印头模块，其中，
所述激光光源，用于组成多组独立的激光光源模块；
每组独立的激光光源模块中，至少两个光源能够在相同的激发条件下发出不同颜色的光。
3.根据权利要求1或2所述的打印头模块，其中，
所述打印头的尺寸由所述每个光源的尺寸所决定。
优选地，施加在所述打印头的电压能够被控制，以便调节打印过程中墨滴的尺寸。
4.根据权利要求1-3任一项所述的打印头模块，其中，
所述激光光源的尺度为毫米级、微米级或更小。
5.根据权利要求1-4任一项所述的打印头模块，其中，所述发光染料包括：
可光致发激光的染料，可电致发激光的染料。
优选地所述发光染料：寡聚苯乙烯类蓝光染料，香豆素类绿光染料，罗丹明系列染料，半花菁类红光染料或他们的混合物。例如香豆素153，或者香豆素6或者罗丹明6G染料。
优选的激光染料为对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料及其混合物，更优选为三者的混合物。
6.根据权利要求1-5任一项所述的打印头模块，其中，所述基质材料包括：
聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，NOA系列光固化材料或他们的混合物。
7.根据权利要求1-6任一项所述的打印头模块，其中，所述墨水采用：水，二氯甲烷，三氯甲烷，二甲基甲酰胺或他们的混合物作为溶剂。
8.根据权利要求1-7任一项所述的打印头模块，其中，所述墨水采用下述任一种配方：
对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入300-1000mg/mL的BSA水溶液，其中三个染料与BSA的质量比分别为1-3％，随后加入甘油，甘油与水的体积比为1：1-4，优选为1:2；
更优选地，所述墨水采用下述任一种配方：
(1)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入400mg/mL的BSA水溶液，其中三个染料与BSA的质量比都为1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2；
(2)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入800mg/mL的BSA水溶液，其中三个染料与BSA的质量比都为1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2；
(3)对称二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B三种激光染料分别加入500mg/mL的BSA水溶液，其中二苯代乙烯，荧光素钠和罗丹明B与BSA的质量比分别为：2％，2％和1％，最后加入甘油，甘油与水的体积比为1：2。
9.根据权利要求1-8任一项所述的打印头模块，其中，
所述墨水还包括辅助材料；所述辅助材料包括液态的聚合物预聚体。
优选地，所述辅助材料包括：热固化环氧树脂，NOA系列光固化胶或他们的混合物。
10.根据权利要求1-9所述的打印头模块，其中，
所述激光光源包括RGB三原色光源。
优选地，对于每一组RGB三原色光源，所述三原色光源的直径基本相同且分别位于等边三角形的三个顶点，所述等边三角形的边长则超出直径的10％-30％。
还优选地，所述激光光源的间隔约为其直径的2.5-4倍。
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