视频投影光管理系统的配置和装配所用的方法及设备的制作方法

专利名称：视频投影光管理系统的配置和装配所用的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光管理系统(LMS)。更具体地说，本发明涉及对LMS及其在基于反射式微显示器的视频投影仪上的应用的改进。
背景说明光管理系统(LMS)用于光学装置、特别是投影视频装置中，一般包括光源、聚光器、核、投影透镜、显示屏及相关电子电路。参考

图1说明视频投影仪100的各部件的功能。如图所示，白光110由光源105产生。光由聚光器115收集、均匀化并形成适当形状。UV和IR成分通过滤光镜(如热镜/冷镜116/117)来消除。白光110然后进入棱镜组件150，在其中被偏振并分为红、绿、蓝偏振光束。提供一组反射式微显示器152A、152B和152C并定位为对应于各偏振光束(具有附属微显示器的棱镜组件150称作核)。光束则沿着棱镜组件150中的不同路径，使得各光束被引向特定的反射微显示器。与绿光束交互作用(反射绿光束)的微显示器显示全色视频图像的绿色成分。经反射的绿光束则包含全色视频图像的绿色成分。对于蓝色和红色微显示器也是同样的。微显示器逐个像素地调制、然后反射彩色光束。然后，棱镜组件150把调制光束重新组合成包含全色视频图像的调制白光束160。产生的调制白光束160则从棱镜组件150中出来而进入投影透镜165。最后，含图像的光束(白光束160已经过调制，现在包含全色图像)被投影到屏幕170上。
市场有售的棱镜组件包括Digital Reflection的星型棱镜Philip的三色棱镜
IBM的带3PBS的X棱镜S-Vision/Aurora System的离轴棱镜Digital Reflection的MG棱镜ColorLink的ColorQuad棱镜Unaxis的ColorCorner棱镜在棱镜组件中，路径长度精确地匹配。也就是说，从三个微显示器其中的每个到棱镜组件的出口面(或输出面)155的光学距离[]实质上相同。这允许微显示器同时聚焦于投影透镜。在市面上最流行的棱镜组件中，棱镜组件的配置包括已经接合在一起的精确成形的光学部件。用于实现这一方面的特定构造技术具有不同的优缺点。
在某些棱镜组件配置中，空气隙被引入微显示器和安装微显示器的棱镜组件上的一个面之间。空气隙是实现路径长度匹配的正常方式，但却具有许多缺点。例如，在微显示器的外表面和棱镜组件面上需要防反射(AR)涂层。三个微显示器相互沿微显示器的全部6个轴(x、y、z、滚动、俯仰和偏转轴)对齐。一般利用机械定位器来进行对齐。一旦已经完成了对齐，则在设备运输的机械震动以及视频投影仪使用期间会出现的热膨胀/收缩过程中，保持所需的精确对齐的问题仍然存在。另外，AR表面暴露于灰尘、潮湿和其它大气污染中，可能导致其质量下降。所有这些因素降低了视频投影仪的性能。
在其它棱镜组件配置中，微显示器接合到棱镜组件面上。通过使棱镜组件具有“完善的”(极精确的)尺寸来实现路径长度匹配。目前为产生这些“完善的”尺寸而考虑的技术包括1.精密公差部件制作源部件可制作到极为精密的公差。但是，这类部件目前无法从光学工业的厂商处大量获取。上市时，它们将会极为昂贵。
2.按尺寸对部件分类测量库存的各部件并匹配类似尺寸的部件。匹配的部件则用于构建棱镜组件。但是，这要求增加部件库存以便从中选择匹配部件组。
3.利用自动装配设备该设备测量各光学部件的尺寸，然后在装配过程中主动调节它们的位置。这种设备必须以定制方式来设计，因此预计相当昂贵且不灵活。
在所有三种情况中，极精密公差必须应用于用来把光学部件装配成棱镜组件的过程。在所有三种情况中，尽管具有匹配路径长度，但产生的棱镜组件的外尺寸可能仍然分布在较宽范围内。这要求在视频投影仪中预先安排，以机械方式调节棱镜组件相对投影透镜的位置。虽然接合微显示器使棱镜组件更难以制作，但它的优点是消除了微显示器最终失准的可能性。另外，整体结构消除了暴露表面和可能的质量下降方式。
每种棱镜组件配置都包括若干不同类型的塑胶和/或玻璃材料。这些异类材料被接合在一起。但是，由于每种材料具有不同的热膨胀系数而出现困难。由于棱镜组件及其部件在工作中不可避免地会加热和冷却，因此产生的材料膨胀/收缩会产生应力(实际上，组件本身的加工也会在棱镜组件中建立机械应力)。机械应力产生光学双折射。双折射影响穿过棱镜组件的光束的偏振，并且会在屏幕上显示为不希望的伪像。因此，重要的是使棱镜组件中应力的出现减到最少。使应力最小的一种方式是利用玻璃，它除了满足大量光学要求外，还具有最低的应力引入双折射的可能因数。这种玻璃的一个示例是Schott的SF-57。这种玻璃的使用改善了这种状况，但没有消除问题。
根据上述考虑事项，应当理解，把微显示器直接安装到棱镜组件面上有许多益处。但是却出现其它各种困难，包括实现路径长度的匹配和制备适合直接安装的微显示器的费用。此外，LMS的制造商在大量生产任何棱镜组件配置的过程中尝试实现这些方法时已经遇到困难。本文档中公开的本发明包括棱镜装配和构造技术，这些技术能够应用于构造大多数棱镜组件配置(包括上述全部棱镜组件配置)。它实现路径长度匹配的棱镜组件的低成本大批量制造，从而可实现随后把微显示器直接装到棱镜组件面上的好处。
发明概述本发明人认识到需要光管理系统(LMS)、尤其是棱镜组件和安装在棱镜组件上的微显示器的构造的节省成本的路径长度匹配和制造技术。本发明描述一种新颖的配置棱镜组件的方法，它使因已知的构造技术而出现在棱镜组件中的不希望的机械应力的光学影响减到最小。本发明包括构造路径长度匹配的棱镜组件的廉价装置和方法。该装置和方法利用市场有售的较便宜光学部件。在光学上，这种方法制作的棱镜组件实质上是相同的，因此能够用于视频投影仪中而几乎不需要机械调整。本发明可应用于各种棱镜组件配置，并且不会损害棱镜组件性能的其它所需的机械或光学特征。
在一个实施例中，本发明提供一种棱镜组件，其中包括一组光学部件，设置在路径长度匹配的位置；光学耦合流体，与各光学部件接触并位于它们之间；以及固定在各光学部件上的框架，设置为防止光学耦合流体从光学部件间泄漏。
在另一个实施例中，本发明提供一种棱镜组件，其中包括至少两个具有不精确尺寸的光学部件，为偏振、光束分割、光束反射及光束组合其中至少一项而配置，所述光学部件经过定位，使得通过棱镜组件中的各种路径引至聚焦点的光束路径长度匹配；以及光学耦合流体，设置在所述路径长度中，以便接触至少两个光学部件。
在又一个实施例中，本发明提供一种棱镜组件，其中包括一组光学部件；装在至少一个光学部件上的基板；固定于至少两个光学部件上的密封件；以及设置在所密封的光学部件之间的光学耦合流体。
本发明还包括一种构造棱镜组件的方法，其中包括以下步骤把一组光学部件固定到基板上；密封光学部件之间的空隙；以及采用光学耦合流体填充光学部件之间的空隙。通过以下对公开和附图的详细说明，其它各种方法和配置将变得十分清楚。
附图简介通过结合附图参照以下详细说明，将会更透彻地了解本发明及其众多优点，附图中图1是光管理系统(LMS)视频投影仪的示图；图2是一个简化示例核的示图，说明应用了本发明的棱镜组件的一种可能配置的光路和部件；图3是说明根据本发明的一个实施例的LMS棱镜组件的构造技术的示图；图4是根据本发明的一个实施例的LMS棱镜组件中的部件的液体耦合的示图；图5是根据本发明的一个实施例、支撑LMS棱镜组件的部件的框架的顶视图和侧视图；图6是根据本发明的一个实施例的LMS棱镜组件的部件的间隔件和液体耦合的示图；图7是说明根据本发明的一个实施例的耦合流体填充方法的示图；图8是根据本发明的一个实施例、用于支撑棱镜组件部件的示例机构的示图；图9是根据本发明的一个实施例、配备了膜片900的棱镜组件的示图；图10是根据本发明的一个实施例、配备了气囊的棱镜组件的一个实施例的示图；图11是根据本发明的一个实施例的密封管组件的一个实施例的示图；图12是根据本发明的一个实施例的末端开口气动活塞布置的示图；图13是根据本发明的一个实施例的内部密封棱镜组件的示图；以及图14是根据本发明的一个实施例的内部密封棱镜组件的内部密封件的放大。
最佳实施例说明再参考附图，附图中，类似的参考标号表示相同或对应部分，更具体地参考其中的图2，说明光管理系统(LMS)核200，其中说明应用了本发明的棱镜组件的一种可能配置的光路和部件。根据本发明提供路径长度匹配和其它特征。核200包括棱镜组件201、所附微显示器(“绿色”微显示器230、“红色”微显示器232以及“蓝色”微显示器234-引用这些色彩是因为颜色标识各个微显示器要显示的图像或者正处理的光的成分)。核是视频投影系统的基本部件。
棱镜组件201包括一组光学部件、薄膜和匹配元件，它们构成单个棱镜组件单元。白光205对准偏振分束器(PBS)210。偏振分束器薄膜215使白光垂直偏振并把它分割为两束偏振光220和240。经过棱镜组件的光路均被标记，从而指明各光路的颜色和偏振。例如，输入白光205标记为W S+P(表示白色S和P偏振)；光束220最初标记为WS(表示白色s偏振)。s偏振的白光220通过绿色分色镜221(传递绿光，使光束220成为绿s偏振光束(标记为GS))，并进入第二分束器212。偏振分束器薄膜217把s偏振绿光反射到“绿色”微显示器230上。
绿色微显示器230根据要显示图像的绿色成分来处理偏振绿光。“绿色”微显示器逐个像素地对绿光的偏振进行调制。例如，要显示图像的不含绿色成分的像素保持不变，要显示图像的强绿色成分的像素将使其偏振旋转90°，以及其它具有不同程度的绿色成分的像素将使其偏振按照与绿色成分的量成比例的不同量旋转。微显示器还把(对光线的反射或其它偏振作用由微显示器的偏振处理来解决)绿光(这里已经过调制)重新反射到偏振分束器薄膜217。
偏振分束器薄膜217则反射一部分绿光而透射另一部分绿光。反射光对透射光的数量基于对所反射绿光执行的调制量。具有与反射到绿色微显示器中的光相同的偏振的光再次被反射。透过经过相反偏振(或者至少不同于偏振分束器薄膜217的偏振灵敏度)的光。小于原始绿光的全部数量且大于0的绿光数量取决于调制量(本例中的调制是偏振旋转的数量)。
光束235表示重新穿过偏振分束器薄膜217的调制绿光(例如充分调制以透过偏振分束器薄膜217的绿光)。光束235进入最终分束器216，并从偏振分束器薄膜213上反射。各红色和蓝色分量经过类似调制并透过相应的偏振灵敏材料或被其反射，产生光束250。从偏振分束器薄膜213反射之后，调制绿光束235与光束250的红、蓝成分组合，然后再通过输出面275离开棱镜组件，作为包含要显示图像的白光280。
PBS 210、212、214和216以类似方式构造。在这个配置中，各PBS包含2个光学部件(如棱镜208和206)和偏振分束器薄膜(例如215)。例如，偏振分束器薄膜是反射s偏振光并传递p偏振光的涂层。光学元件(例如延迟器、旋转器等)用于改变偏振，使得所需光束被偏振分束器薄膜反射或透射，从而使后续偏振分束器薄膜可根据光学部件的配置以及各光束的所需路径来透射或反射所需光束(图2是一个示例配置和所需路径)。例如，当PBS 210把输入白光分割为2个光束时，第二光束240经过波长特定的延迟器(蓝/红选色291)，使得PBS 214还能够把光束240分割为分别指向红色微显示器232和蓝色微显示器234的分量光束(没有延迟器时，光束240中白光的蓝色成分将保持p偏振，PBS 214则会把蓝光传递到红色微显示器232而不是将它反射到蓝色微显示器234)。
图2的配置说明由4个类似构造的PBS组成的棱镜组件，一个优于利用执行各种功能的光学部件(因而各种不同配置的光学部件)的系统的优点，因为类似构造的PBS减少了特定光学设计中组成部分的数量以及部件的不同功能性。因此，相应的生产线从规模经济、降低的库存等中受益。但是，也可以看到，光学元件的许多不同组合可用于使各种光束正确地反射或传递，然后再重新组合成最终光束280。此外，还可以构造采用具有各种不同功能的光学部件的棱镜组件。另外，如上所述，可采用本文所述技术和工艺来构造所有这些种类(不同大小、不同形状、不同配置等)的棱镜组件。
组合光学部件以制作分束器。例如，各棱镜206和208是经过组合而产生偏振分束器(PBS)210的光学部件。制造棱镜组件之前，建造分束光学部件。棱镜组件201说明四个分束光学部件，即偏振分束器(PBS)210、212、214和216。各偏振分束器(以下称作PBS)包含偏振分束器薄膜(如215、217、219和213)。偏振分束器薄膜最好是设置在分束器的对角线上，并延伸穿过PBS外表面所限定的角。例如，偏振分束器薄膜215沿206和208的对角线延伸穿过PBS 210的角202和204。PBS可经过构造，使偏振分束器薄膜处于对角线平面上，且不需要延伸穿过各个角，特别是在光线不经过对角线的整个范围的情况下。
这种PBS的装配通过使用光学路径长度匹配来实现。参考PBS210，可以注意到，两个光学部件(棱镜)206和208不必为完全相同的尺寸(因此PBS的外尺寸也不必满足任何特定的尺寸要求)。由于对PBS没有特定的尺寸要求，因此可采用具有“宽松”机械容差的光学部件。这类光学部件(以及用于构造这些部件的棱镜)能够由现有的光学部件厂商以适当成本大量生产。
光学部件是“由外向内”装配的。如图3所示，棱镜组件201中四个PBS中每一个的两个外表面通过装配工具310的精确对准角300准确定位。例如，PBS 210的外表面保持在对准角300A所确定的固定位置上。
装配工具包括装配工具基板315，其中固定了精确对准角300。对准角300A、300B、300C和300D的构造可利用机械加工来完成。对准角按照某个容差来构造，并设置在装配工具基板上，使得它们精确地固定各PBS的外尺寸。各对准角包括在装配过程中使PBS固定到适当位置的装置。例如，PBS 210经由真空固定器330和335牢固地保持在对准角300A中。真空固定器经由真空管325连接到真空泵330上。在一个实施例中，对准角的角上有单个真空固定器。
对准角提供实现路径长度匹配所需的精确尺寸精度，并通过机械加工而不是昂贵的精密公差光学部件来实现。但是，仅路径长度匹配本身不会产生可接受的棱镜组件。虽然路径长度匹配，但因为光学部件具有变化的非精确容差(不同尺寸)，因此PBS不会精确地固定在一起(例如PBS 210和214的相交以及其间设置的任何分色镜或滤光器不会完全匹配)，以及在PBS的内光学表面之间引入空气隙。空气隙本身导致其它问题，其中包括折射和其它需要减少或消除的光学变化。
本发明通过采用液体耦合PBS，减少了来自不精确配合PBS的不希望的结果。在一个实施例中，棱镜组件的所有内光学表面都采用液体来耦合。图4是根据本发明的一个实施例的光学组件中的部件的液体耦合的示图。在相邻PBS之间是用液体填充的接缝。液体填充接缝的厚度根据各PBS(或者其它棱镜组件配置中所用的其它光学部件)的大小差异来改变，从而保持所需的棱镜组件外尺寸(例如保持棱镜组件中所希望的匹配路径长度)。例如，PBS 212和PBS 216之间的液体填充接缝J1包含PBS之间的液体，整个接缝在空隙t1、t2和t3中包含液体耦合流体400，分色镜和其它光学元件设置在PBS之间(例如光学元件410和420设置在PBS之间)。例如，其它光学元件可以是分色镜或其它滤光器的任何组合。液体耦合流体的适应性调节将防止在元件中形成应力。
在一个实施例中，胶合到棱镜组件外表面的框架用于容纳液体以及把元件固定到位。图5是根据本发明的一个实施例、支撑LMS棱镜组件的部件的框架500的顶视图和侧视图。框架500可由一段或多段组成(注意，对框架材料没有任何光学要求)，设置在PBS之间的每个接缝上。在此实施例中，框架500包括2个侧构件500A和500C以及4个边构件500B。各侧构件为十字(+)形玻璃、塑胶、聚丙烯等或者其它材料，十字形的各附件覆盖一个接缝，以及十字形的中部覆盖所有4个接缝的接头。边构件500B覆盖接缝其中每个的边缘。顶侧构件500A包括可根据需要施加和/或添加液体的填充孔510。盖子(未示出)用于盖住填充孔，防止液体溢出。提供气泡550以补偿液体膨胀/收缩，并防止在光学元件上形成应力。框架500表示为十字形，但完全可以是矩形或任何其它形状，只要它充分覆盖各接缝。用于框架的胶水或其它粘合剂在框架和PBS之间建立密封，从而完全容纳耦合流体。胶水或其它粘合剂还把PBS的位置固定到框架上，确保PBS不会彼此相对移动(保持LMS的整体特性)。
通过确定棱镜组件部件的匹配路径长度位置(例如采用具有弯角的工具或其它定位装置来确保正确的光学路径长度)，然后再把部件(如PBS)粘合到在那些匹配路径长度位置的框架的一个或多个部分，在框架和PBS之间利用粘合剂来固定匹配路径长度。然后，其它光学元件定位到接缝上(例如光学元件410和420)，再用光学耦合流体(液体耦合流体)至少部分填充接缝，用顶部框架段盖住接缝，注满耦合流体(除了气泡或其它膨胀空气隙)，然后再盖住填充孔。
本发明包括采用耦合流体填充棱镜组件的各种方法和装置。例如，图7是一个示图，说明根据本发明的一个实施例的耦合流体填充装置和方法。利用装有耦合流体的注射器把耦合流体注入中央填充孔700。中央填充孔700是棱镜组件的中心区域，其中一般没有光学元件。但是，一个或多个光学部件可以至少部分设置到中央填充孔中。在一个实施例中，把框架的顶部固定到棱镜组件之前，至少部分填充棱镜组件。如果框架的顶部没有连接，则耦合流体也可施加到中央填充孔以外的区域，但最好是在中央填充空中填充。同样最好是在中央填充孔底部注入耦合流体。垂直和水平两个方向的光学元件和PBS之间的毛细管作用将有助于填充过程。在其它实施例中，对于框架顶部的到位发生相同过程，在这种情况下，通过填充孔510(取下盖子)把注射器插入中央填充孔700的底部，并用耦合流体填充棱镜组件。包括管、泵或其它灌注装置的其它机构可用于把液体注入中央填充孔。
我们认识到，如果棱镜组件中的元件直接接触(例如光学元件410直接接触光学元件420或PBS 212)，则结果会在棱镜组件所投射的图像中看到伪像。这个问题的解决方案是确保液体薄层存在于光学组件的部件和/或元件之间。可实现许多不同的方法和/或装置来确保液体层存在于元件之间。例如，光学元件在填充耦合流体时可在物理上分离，间隔件可被固定到框架的一些部分，从而分离元件和PBS。在一个实施例中，间隔件用于光学表面之间。图6是根据本发明的一个实施例的LMS棱镜组件的各部件的间隔件(间隔球600)和液体耦合的示图。间隔件可以是直径大约为数千分之一英寸的玻璃棒或球。液体耦合流体的折射率选择为匹配间隔件的折射率，从而使它们不可见。
本发明包括应用间隔件的各种方法和装置。在一组实施例中，间隔件直接加到PBS和/或光学元件的光学表面。在一个实施例中，间隔件被喷射到光学表面。把间隔件喷射到光学表面的过程可利用液晶显示器制造技术和机械来进行。可采用湿式或干式间隔件喷涂。在其它实施例中，间隔件至少在制造过程中悬浮在液体耦合流体中。在制造棱镜组件之后，悬浮间隔件仍然停留在光学表面之间，和/或沉淀到棱镜组件底部的非视见区。
液体耦合流体是选择为具有匹配(或近似匹配)PBS和液体中分隔的任何光学元件的折射率的折射率的光学耦合流体。折射率随波长而改变，并且对于棱镜组件中的各部件和元件是不同的。对于塑胶元件，典型值为1.52，对于玻璃部件为1.71。光学耦合流体一般最好是具有范围为1.50-1.85的折射率。在本发明人进行的实验中，折射率为1.6的光学耦合流体表现出色。同样，在采用间隔件的实施例中，选择的光学耦合流体具有最好是尽量近似匹配各PBS、光学元件和间隔件的折射率。折射率的匹配可通过分割光学部件和元件的折射率之差来进行。另一种方法将是进行阻抗匹配类型的运算(例如取各光学部件/元件的折射率的平方之和的平方根)。但是，本发明人注意到，光学部件和元件的高和低折射率之间的任何折射率的选择提供优于路径长度匹配棱镜组件的任何其它实施例的匹配，其中包括本文其它部分所述的凝胶、固化环氧树脂和充气实施例。耦合流体的所选折射率也可对于更频繁出现在棱镜组件中的匹配部件界面进行加权。在一个实施例中，耦合流体的折射率匹配间隔件的折射率。
耦合流体的重要属性是毒性、可燃性、发黄倾向、化学属性以及成本。毒性和可燃性是安全考虑事项，该产品最好是无毒且不易燃烧的。另外，实用的光学耦合流体需要抗发黄，特别是在强光和加热条件下。光学耦合流体必需具有不会与棱镜组件的其它光学元件、部件和部分发生反应的化学属性。另外，为了推向市场，光学耦合流体需要较便宜且易于获取。在一个实施例中，例如，光学耦合流体是矿物油。许多不同类型和属性的光学耦合流体都是市场有售的(例如CargilleCorp生产许多不同类型的折射率匹配流体)。
在一个实施例中，光学耦合流体是UV固化粘合剂，它在固化时，产生固体棱镜组件，固化粘合剂耦合光学元件/部件而不用液体。但是，液体填充实施例具有优于市面可用的UV固化粘合剂的折射率匹配，因此液体填充实施例是优选的。在另一个实施例中，通过把光学耦合凝胶插入棱镜组件的各种部件/元件之间来进行光学耦合。NYE公司生产这种凝胶(匹配凝胶)。在又一个实施例中，耦合材料是空气，或者另一种气体用作光学部件和元件之间的耦合件。在充气的实施例中，防反射涂层敷设在光学元件和部件的表面，从而消除或减少反射。
注意，本文所述的装配技术的变化可适用于本文档所述的任何棱镜组件配置。
还存在上述配置和制造方法所提供的其它若干优点。这包括以下各项若干棱镜组件配置包括一个或多个偏振旋转部件(旋转器)(例如由偏振分束器薄膜217传递之后旋转光束235，使它由偏振分束器薄膜213反射)。旋转器一般由接合在一起的聚碳酸酯塑料层构成。在先有系统中，粘合剂需要能够把旋转器的聚碳酸脂塑料接合到棱镜组件部件的玻璃上。这个问题的一般解决方案是从厂商购买“夹层”形式的偏振旋转器。在“夹层”形式中，旋转器已经被接合在两块覆盖玻璃之间。覆盖玻璃使得棱镜组件制造商更易于把旋转器接合到棱镜组件中(例如接合在相邻覆盖玻璃的表面之间)。但是，与聚碳酸酯旋转器本身相比，夹层的货源有限并且更昂贵。相反，在本发明中，液体耦合方法允许直接使用容易获得的便宜聚碳酸酯部件。由于采用液体耦合时，聚碳酸酯没有用粘合剂接合，因而消除了这类问题。
利用新的制造方法获得的棱镜组件的精确外尺寸不仅允许把微显示器直接安装到棱镜组件上，而且还允许使用精确的(或固定的)安装点把完成的核(连接了微显示器的棱镜组件)安装到它所应用的装置中(例如光引擎)。精确或固定安装点的利用减少或消除了把核安装到光引擎时对物理调节机构和工序的需求。
常规棱镜装配一般采用一系列胶水固化步骤。随着棱镜组件尺寸和复杂度的增加，就会因玻璃的光吸收和/或部件的光学属性而逐渐变得更难固化粘合剂。本发明提供的液体耦合消除了这个问题，并且能够极大地减少棱镜组件所需的时间。
本发明包括一种把光学元件(例如光学元件410和420)固定到位的装置和方法。光学元件一般又称作扁平部件，因为它们的形状一般为矩形且是扁平的(具有较薄宽度)。但是，可利用不同的形状和宽度的光学部件来实施本发明。
在任何时候，包括制造、运输、存放和/或实际使用过程在内，所关切的问题是光学部件在耦合流体中可能移动。朝中央填充孔700的移动可能会使移动的部件(或移动部件的一些部分)离开光学路径。本发明提出把间隔件设置在中央填充孔700中，使扁平部件保持在一般稳定的位置。图8是根据本发明的一个实施例、用于支撑光学部件的示例间隔件800的示图。在所述实施例中，间隔件800是一片卷成密实圆筒的聚碳酸酯。间隔件800插入中央填充孔700。到位之后，圆筒将“展开”并压在部件上，从而使它们保持在离开中央孔的位置。
如上所述，气泡可保留在棱镜组件内，解决各种部件的膨胀问题。部件膨胀带来的问题是部件以不同速率膨胀。当光学耦合流体膨胀时，棱镜组件的光学部件也膨胀，但是，液体和光学部件的膨胀速率不同(不均匀膨胀)。在大部分情况下，光学耦合流体以高于光学元件的速率膨胀。没有气泡的情况下，一定大小的应力通过膨胀的流体施加到光学部件上。没有气泡的情况下，这个应力会在液体耦合流体膨胀时产生不希望的大小的应力引入双折射，影响经过棱镜组件的光学部件的各种光束。
现在参考图5，说明气泡550。一旦盖上填充孔510，气泡550便永久地保持在棱镜组件中。在图5中，棱镜组件外部的“框架”元件(500A、500B和500C)用于容纳液体以及把棱镜组件部件严格地保持在适当位置。
在图5的示例实施例中，棱镜组件中由框架500所包围的容积由棱镜组件部件(如PBS)的玻璃、光学元件和光学耦合流体占用。随着棱镜组件温度的升高(在工作中会出现)，所有部件的线性和容积尺寸会增加。但是，至少部分因为光学耦合流体的热体积膨胀系数远远高于玻璃和其它材料的系数的事实，当温度上升时，液体体积比玻璃“容器”(光学部件和包围液体的框架)膨胀快。除了不希望的光学影响之外，这种不均匀膨胀所产生的过度应力可能会导致接合的元件分离。气泡550是调节不均匀膨胀的影响并避免应力形成的一种方式。
图9是根据本发明的一个实施例、配备了膜片900的棱镜组件的示图。膜片900由诸如橡胶、塑料之类的柔性材料或者具有充分强度和韧性的另一种材料构成，以便适应膨胀液体，从而缓解应力。膜片900在液体体积增加或减少时弯曲。膜片900最好是圆形并利用粘合剂固定在填充孔510上。但是，也可采用其它形状和连接机构(例如夹在填充孔周围的框架上的环下装配的柔性材料)。
图10是根据本发明的一个实施例、配备了气囊1000的棱镜组件的示图。在一个实施例中，盖上了框架500(例如盖子1010)，气囊插入光学组件内。气囊随液体体积减小或增大而膨胀和收缩。
充气囊1000插入填充通道(中央填充孔700)。气囊的体积能够增大或减小，以便调节耦合流体的体积变化。在备选实施例中，囊可用任何适当的可压缩材料(例如气体、液体、固体或其组合)来填充。气囊1000还可用于协助将那些未胶合到框架的部件(例如位于偏振分束立方体之间的“扁平”部件(如410、420))固定在适当位置。当配置为协助将“扁平”部件固定在适当位置时，则不需要间隔件、如聚碳酸酯卷800。
图11是根据本发明的一个实施例的密封管1100组件的一个实施例的示图。密封管1100接到填充孔510上。密封管1100的一部分包含气泡1105。气泡1105将增大或收缩以调节棱镜组件中液体的膨胀或收缩。在这个方法中，与上述仅用气泡的方式相似，重要的是理解棱镜组件在光引擎应用中的定向。其原因在于，气泡1100将移动到棱镜组件中的最高点。因此，需要设计这个系统，使管的末端是高点。该管可配置弯头或其它结构，以便把气泡引向适当位置。因此，在仅用气泡的方式的情况下，重要的是棱镜组件的高点(棱镜组件中流体的高点)不是在棱镜组件的光学路径中的点。
图12是根据本发明的一个实施例的末端开口气动活塞1200布置的示图。末端开口管1205接到填充孔510上。滑动活塞1200紧密地装配在末端开口管内。当光学耦合流体随着不断升高的温度而膨胀时，活塞1200在末端开口管内向外滑动。当光学耦合流体随不断下降的温度而收缩时，表面张力(和/或棱镜组件内外之间的压力变化)使活塞在末端开口管1205中向内滑动。在一个实施例中，末端开口管长于光学耦合流体的最大预测膨胀。在一个备选方案中，挡块1210设置在末端开口管内，防止活塞到达管1205的开口端。在另一个备选方案中，挡块1210是连接到紧急切断电路的电极，活塞1200的外表面上具有导电材料。当活塞接触到挡块1210时，安装了棱镜组件的光引擎关闭，至少等到棱镜组件充分冷却，使活塞1200脱离挡块1210。对于本文所述的所有实施例，末端开口管可以与一个或多个其它实施例(如气囊)结合，提供应力缓解以补偿光学耦合流体的膨胀和收缩。
每个上述实施例具有外框架(例如框架500—位于棱镜组件的光学部件之外)，它密封棱镜组件并容纳光学耦合流体(以及包括上述任何应力缓解功能部件的任何必要附件)。框架还对棱镜组件提供结构强度。但是，本发明人还认识到对于密封光学耦合流体的紧凑布置的需要。紧凑布置让棱镜组件可用于更宽范围的光学应用，其中包括基于不同LCoS的视频投影系统。
此外，任何新设计的和/或现有的光引擎系统均可配备流体耦合棱镜组件。在新设计中，可通过调整投影系统内的固定件以适应一个或多个液体耦合棱镜组件尺寸，从而安装液体耦合棱镜组件。但是，在改进系统的情况下(使液体填充棱镜组件适合先前出售的投影系统和/或使液体耦合棱镜组件适合先前设计的新型投影系统)，可能不太容易实现液体耦合棱镜组件的物理调节。也就是说，流体耦合棱镜组件的物理尺寸和形状可能不允许直接装入为现有光引擎中的传统棱镜组件提供的位置。容纳流体耦合棱镜组件所需的光引擎的修改可能比较困难、费用高，或者在极端情况下是不可行的。因此，通过提供经过密封、提供结构强度且具有类似于等效的传统棱镜组件的外尺寸的流体耦合棱镜组件，该棱镜组件可用作代替任何光引擎设计中的传统棱镜组件的插入装置(drop)。本文档中公开的本发明正是这样一种装置。
由于这些原因，本发明人还开发了一种内部密封的棱镜组件，它为液体填充棱镜组件进行密封并提供结构整合。
图13是根据本发明的一个实施例的内部密封棱镜组件1300的示图。内部密封棱镜组件1300包括基板1310和棱镜组件的光学部件之间的至少一个内密封件1320。把这个实施例与前面的配置进行比较，除基板1310以外，没有外框架的大部分功能部件(基板是传统的和流体耦合的棱镜组件配置共同的功能部件)。基板1310提供用于连接PBS1301-1304的可靠和稳固的表面。如图13所示，内密封件安装在光学元件410和420之间、光学元件410和PBS 1302之间、以及光学元件420和PBS 1303之间。内密封件从光学元件/PBS的顶部向下延伸一小段距离(如1mm)，以便产生使光学耦合流体保持在棱镜组件中的密封件。在一个实施例中，内密封件还与光学元件410和420的顶部重叠，使得密封件覆盖光学元件的暴露表面，但最好是不超过PBS的外表面。在深度方面，密封件在光学元件/PBS之间渗入指定的密封深度(如1mm)。
图14是根据本发明的一个实施例的内部密封棱镜组件1400的内密封的放大(局部视图)。在图14中，2个PBS 4101和1402之间具有内密封件1410。内密封件可描述为PBS元件之间的“相框”。粘合剂不超过棱镜组件的外表面。内密封最好是一种粘合剂，它不仅密封棱镜组件以防止光学耦合流体泄漏，而且还对整个结构提供附加稳定性。例如，粘合剂可以是1或2部分环氧树脂或进行硬化和密封的UV固化粘合剂。
或者，粘合剂密封件可以是柔韧的粘合剂，如硅基粘合剂。但是，如果采用非硬化密封剂，则棱镜组件的挠曲可能成问题。虽然框架的底板提供足够硬度，使得在某些应用中柔韧粘合剂是可接受的，但顶板(在棱镜组件与基板相对的一侧)在基板之外也增加了足够强度，使得在几乎全部应用中可完全接受柔韧粘合剂。
图14还说明一种由间隔件1420分隔的光学元件(“平面”光学部件1430)。光学元件小于粘合密封剂的底部高度。该光学元件是代表性的，并且实际上可以是同样经由附加间隔件与PBS分离且彼此分离的若干光学元件。“平面”光学部件1410是诸如分色镜、反射偏振器和波长特定的延迟器之类、包含在PBS之间且悬浮在光学耦合液体中的部件。平面部件通过采用上述间隔件与玻璃表面分开。粘合剂1410的渗入(指定的密封深度)局限于光学路径以外的区域。基板1310向棱镜组件提供所需硬度。
如上所述，所公开的液体耦合棱镜装配技术和配置的主要优点包括可以采用不太昂贵、公差要求低的玻璃部件；以及可以制作具有“完善”外尺寸的棱镜组件、从而使微显示器能够直接装到棱镜组件上。后一种优点又提供了若干优点，最主要的是产生的整体组件将在各种条件下保持对准。
可实现这些优点的一个备选方法是利用上述“由外向内构建”过程，但不是用光学耦合液体来填充棱镜组件，而是让组件留空、从而用空气“填充”。但是，在这种方法中，需要采用防反射薄膜(AR涂层)来涂敷这里暴露的所有表面，以便抑制反射。在这种配置中不需要扩展端口。在部分应用中，可能还可省略框架的侧杆(如500B)，还可能省略顶杆(500C)。
在又一个备选方案中，用固化的环氧树脂来填充棱镜组件。固化的环氧树脂最好是具有与所用PBS和光学元件的折射率近似匹配的折射率。在又一个实施例中，凝胶物质也可用于填充相邻PBS之间的接缝。同样，凝胶最好是具有与棱镜组件的其它部分的折射率近似的折射率。可采用的一种示例凝胶是由NYE公司制造的。
在描述附图所示的本发明的优选实施例时，为了简明起见采用了特定术语。但是，本发明不是要受限于所选的特定术语，应当理解，各特定元件包括以相似方式工作的全部技术等效物。例如，当描述由卷曲的聚碳酸酯构成的间隔件时，其它任何等效装置、如几何形状的(正方形、三角形、五边形、六边形等)或者其它形状的碳聚酸酯或任何其它材料的卷或具有等效功能或能力的任何其它装置，不管本文是否列出，都可用作代替品。此外，本发明人认识到，现在未知的新开发技术也可代替所述部分，并且仍然没有背离本发明的范围。
主要结合采用通过旋转各像素的偏振来工作的微显示器来描述本发明。但是，根据本文所提供的描述，应当理解，本发明可以在具有其它类型的微显示器(例如基于散射、吸收、衍射的微显示器)的装置中实施，或者在没有微显示器而构造的光学装置中实施。
显然，根据上述教案，本发明的大量修改和变更是可行的。因此，应当理解，在所附权利要求书的范围内，可以不按照本文的具体说明来实施本发明。
权利要求
1.一种棱镜组件，包括一组设置在路径长度匹配位置的光学部件；以及固定在各个光学部件上、为防止光学耦合流体从所述光学部件之间泄漏而设置的框架。
2.如权利要求1所述的棱镜组件，其特征在于还包括与各个所述光学部件接触并处于其间的光学耦合物质。
3.如权利要求2所述的棱镜组件，其特征在于所述光学耦合物质是液体。
4.如权利要求2所述的棱镜组件，其特征在于所述光学耦合物质是气体混合物。
5.如权利要求4所述的棱镜组件，其特征在于所述气体混合物是空气。
6.如权利要求5所述的棱镜组件，其特征在于所述光学部件包括在所述光学部件的表面上的至少一个防反射涂层。
7.如权利要求2所述的棱镜组件，其特征在于所述光学耦合物质是气体。
8.如权利要求2所述的棱镜组件，其特征在于所述光学耦合物质是凝胶。
9.如权利要求2所述的棱镜组件，其特征在于所述光学耦合物质是UV固化粘合剂。
10.如权利要求1所述的棱镜组件，其特征在于所述路径长度匹配位置是匹配的物理路径长度。
11.如权利要求1所述的棱镜组件，其特征在于所述光学部件包括至少一个偏振分束器。
12.如权利要求1所述的棱镜组件，其特征在于还包括配置成固定所述光学部件的外表面的位置的一组角块。
13.一种棱镜组件，包括至少两个具有不精确尺寸的光学部件，配置成用于偏振、光束分离、光束反射和光束组合其中至少一项，所述光学部件固定在一个位置，使得通过所述棱镜组件中的各种路径引至聚焦点的光束的路径长度匹配；以及光学耦合流体，设置在所述路径长度中，以便接触所述光学部件中的至少一个。
14.如权利要求13所述的棱镜组件，其特征在于所述光学部件的不精确尺寸使得所述路径长度不符合一定的精度，如果所述光学部件装配在一起，则所述路径长度不会向通过所述棱镜组件引导、然后在聚焦点之前重新组合的光束提供焦点。
15.一种棱镜组件，包括一组光学部件；连接到至少一个所述光学部件的基板；固定到至少两个所述光学部件上的密封件；以及设置在所述密封的光学部件之间的光学耦合流体。
16.如权利要求15所述的棱镜组件，其特征在于所述密封件包括连接相邻的密封光学部件之间的内光学表面的粘合剂。
17.如权利要求16所述的棱镜组件，其特征在于还包括一组设置在至少一个所述相邻的密封光学部件之间的至少一个平面光学部件。
18.如权利要求17所述的棱镜组件，其特征在于还包括包含在所述光学耦合流体中的间隔件。
19.如权利要求17所述的棱镜组件，其特征在于至少一个所述平面光学部件划分所述相邻光学部件之间的所述密封件。
20.如权利要求15所述的棱镜组件，其特征在于所述光学部件组包括4个排列成矩形形状的偏振分束器(PBS)部件；所述密封件包围所述PBS的内光学表面，从而形成光学耦合流体密封容器。
21.如权利要求20所述的棱镜组件，其特征在于所述矩形形状是正方形。
22.如权利要求20所述的棱镜组件，其特征在于所述矩形形状包括用于3个不同光束的通过所述棱镜组件的路径长度匹配光学路径。
23.如权利要求22所述的棱镜组件，其特征在于所述3个不同光束是红、绿和蓝的，其中每个光束在相应路径长度的不同部分可包含光谱的其它部分。
24.如权利要求15所述的棱镜组件，其特征在于还包括所述光学耦合流体中的气泡。
25.如权利要求24所述的棱镜组件，其特征在于所述气泡位于通过所述棱镜组件的光学路径长度之外。
26.如权利要求15所述的棱镜组件，其特征在于还包括设置在所述光学耦合流体中的囊。
27.如权利要求26所述的棱镜组件，其特征在于所述囊采用空气来填充。
28.如权利要求26所述的棱镜组件，其特征在于所述囊采用柔性膨胀/收缩材料来填充。
29.如权利要求26所述的棱镜组件，其特征在于所述光学部件组包括排列成矩形形状且每个偏振分束器(PBS)位于一角的4个PBS部件、各个相邻PBS之间的路径长度匹配空隙以及处于各PBS之间中心位置的中央填充区；以及所述囊设置在通过所述棱镜组件的光学路径长度之外的所述中央填充区中。
30.如权利要求26所述的棱镜组件，其特征在于所述光学部件组包括排列成矩形形状且每个偏振分束器(PBS)位于一角的4个PBS部件、各个相邻PBS之间的路径长度匹配空隙以及处于各PBS之间中心位置的中央填充区；以及所述棱镜组件还包括配置为盖住并密封所述中央填充区的盖子。
31.如权利要求15所述的棱镜组件，其特征在于所述光学耦合流体保持在所述光学部件、所述密封件和所述基板之间。
32.如权利要求15所述的棱镜组件，其特征在于还包括具有开口端和闭合端的管，所述开口端与所述光学耦合流体接触；以及设置在所述管内的气泡。
33.如权利要求15所述的棱镜组件，其特征在于还包括末端开口的管，它具有第一端和第二端，所述第一端与所述光学耦合流体接触，而所述第二端朝所述棱镜组件外部开放；设置在所述管中的密封可移动活塞，所述活塞配置成随所述光学耦合流体的膨胀和收缩而移动。
34.如权利要求33所述的棱镜组件，其特征在于还包括至少一个配置成限制所述活塞运动的挡块。
35.如权利要求15所述的棱镜组件，其特征在于还包括在通向所述光学耦合流体的开口上设置并密封的膜片。
36.一种高清晰度监视器，包括白光源；一组反射式微显示器；棱镜组件，配置成把来自所述白光源的白光分离为分量光束，并且把各个分量光束引至所述反射式微显示器之一，然后把所述反射的分量光束重新组合为输出光束；用于投射所述输出光束的透镜；以及屏幕，用于当所述棱镜组件包括一组路径长度匹配的光学部件以及散布在所述光学部件之间的耦合流体时，显示所述投射的输出光束。
37.如权利要求36所述的高清晰度监视器，其特征在于所述分量光束是红的、绿的和蓝的。
38.如权利要求36所述的高清晰度监视器，其特征在于所述高清晰度监视器是HDTV的一部分。
39.如权利要求36所述的高清晰度监视器，其特征在于还包括控制所述微显示器的电子电路。
40.如权利要求36所述的高清晰度监视器，其特征在于所述耦合流体包括具有与所述光学部件的折射率等效的折射率的光学耦合流体。
41.如权利要求36所述的高清晰度监视器，其特征在于分束器。
42.如权利要求36所述的高清晰度监视器，其特征在于所述光学部件包括偏振分束器、对偏振敏感的反射分束器和单向反射光束组合器其中至少一项。
43.一种构造棱镜组件的方法，包括以下步骤把一组光学部件固定到基板上；密封所述光学部件之间的空隙；以及用光学耦合流体填充所述光学部件之间的空隙。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述光学耦合流体是矿物油和其它折射率在所述光学部件折射率的25％以内的流体其中至少一项。
45.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述光学耦合流体中悬浮间隔件。
46.如权利要求43所述的方法，其特征在于还包括以下步骤用所述光学耦合流体涂敷平面光学部件；以及把所述平面光学元件插入所述光学部件之间。
47.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述固定步骤包括以下步骤把所述光学部件安排在路径长度匹配配置中；以及把所述路径长度匹配配置连接到所述基板。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于所述连接步骤包括把所述路径长度匹配配置粘合到所述基板上。
49.如权利要求43所述的方法，其特征在于还包括以下步骤把膨胀补偿装置安装到所述棱镜组件中。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于所述膨胀补偿装置包括用柔性物质填充的囊。
51.如权利要求49所述的方法，其特征在于所述膨胀补偿装置包括具有滑动活塞的末端开口的管。
52.如权利要求49所述的方法，其特征在于所述膨胀补偿装置包括在通向所述棱镜组件光学耦合流体的开口上密封的柔性膜片。
53.如权利要求49所述的方法，其特征在于所述膨胀补偿装置包括具有与所述光学耦合流体接触的开口端和保持气泡的闭合端的管。
54.如权利要求49所述的方法，其特征在于所述膨胀补偿装置包括设置在所述光学耦合流体中的气泡。
55.如权利要求43所述的方法，其特征在于还包括把平面光学元件插入所述光学部件之间的步骤。
56.如权利要求43所述的方法，其特征在于还包括把平面光学元件插入所述光学部件之间的步骤；其中所述填充步骤包括采用光学耦合流体来填充所述光学部件之间的空隙，同时有间隔件悬浮在所述光学耦合流体中。
57.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述光学部件包括4个排列成路径长度匹配的矩形形状的偏振分束器(PBS)装置。
58.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述密封步骤包括把框架固定在各个所述光学部件周围。
59.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述密封步骤包括把粘合剂施加在各个所述光学部件之间。
60.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述填充空隙的步骤包括采用注射器或其它基于桶的注射系统其中任一种来注入光学耦合流体。
61.如权利要求47所述的方法，其特征在于安排所述光学部件的所述步骤包括把所述光学部件安放在工具中，该工具具有设定所述棱镜组件的外尺寸的块。
62.如权利要求61所述的方法，其特征在于所述块包括弯角，各个弯角配置成定位所述光学部件之一的外表面。
63.如权利要求61所述的方法，其特征在于至少一个所述块包括通风管，所述通风管配置成向安放在所述带通风管的块中的所述光学部件施加真空，并使所述光学部件牢固地固定在所述带通风管的块上。
全文摘要
路径长度匹配的棱镜组件(201)由通过将其设置在路径长度匹配位置并将其固定到基板或框架上而具有可变精确度的偏振分束器光学部件(210，212，214，216)构成。光学部件之间的间隙由框架或粘合密封剂来密封。平面光学元件(221，291)插入光学部件之间，光学部件和元件之间的空隙采用具有与部件和元件的折射率近似匹配的折射率的光学耦合流体来填充。膨胀补偿装置(550)连接到棱镜组件，以便补偿光学耦合流体的膨胀和收缩。棱镜组件最适合用于HDTV和高清晰度视频投影仪中。
文档编号G02B5/30GK1582406SQ02822159
公开日2005年2月16日 申请日期2002年8月14日 优先权日2001年9月12日
发明者A·伯曼, M·德特罗 申请人:光控制系统公司