具有色彩组合元件的光多路复用器的制造方法

具有色彩组合元件的光多路复用器的制造方法
【专利摘要】在此披露了一种光多路复用系统，该系统包括色彩组合元件以及两个或更多个第一色彩通道、第二色彩通道和第三色彩通道。每个色彩通道包括光源，该光源朝向该色彩组合元件对应地引导具有相应第一波长带、第二波长带或第三波长带的光。该色彩组合元件包括第一和第二。该第一窗口和第二窗口是由固体透明材料制成并且共同地包括三个涂覆表面。这些表面可以是非邻接的。第一涂覆表面接收具有该第一波长带、第二波长带和第三波长带的光。该第一涂覆表面反射该具有该第一波长带的光并且透射该具有该第二波长带和第三波长带的光。第二涂覆表面接收由该第一涂覆表面透射的具有该第二波长带和第三波长带的光。该第二涂覆表面反射该具有第二波长带的光并且透射该具有该第三波长带的光。该第三涂覆表面接收由该第二涂覆表面透射的该具有该第三波长带的光并且将其反射。该所反射的第一波长带、第二波长带和第三波长带作为同轴光束离开该色彩组合元件的该第一表面。
【专利说明】具有色彩组合元件的光多路复用器
[0001 ]本申请根据35U.S.C.§119要求在2013年12月12日提交的美国临时申请序列号61/915，126的优先权权益，该申请的内容被用作依据并且通过引用以其全部内容结合在此。
技术领域
[0002]本披露涉及一种用于色彩成像、投影系统以及其他应用的光多路复用器。更具体地，本披露涉及一种用于将来自两个或更多个固态光源的具有不同波长的光组合来形成同轴多色光束以便递送到被配置用于投影或成像的光学系统的装置和方法。
【背景技术】
[0003]电子成像和投影系统典型地包括若干色彩通道，这些色彩通道中的每一个提供具有不同光谱带(例如，红色、绿色和蓝色)的光。来自每个光谱带的光构成预期图像的色彩分量。将这些组分色图像混合(组合)以形成复合的多色图像。可以使用不同技术来混合这些组分色图像。对于大型系统，典型地针对每个组分色图像使用单独的调制和投影光学器件并且通过聚焦光学器件将这些组分色图像会聚到屏幕或其他显示表面上来使这些组分色图像混合。然而，对于紧凑且便携的系统，经常优选的是通过同轴混合来组合组分色图像。利用同轴混合，源自每个色彩通道的这些组分色图像在递送到屏幕或显示表面之前被组合并且合并到公共光轴上。组分色图像的同轴混合通过使用针对这些不同色彩通道的一组投影光学器件并且通过由这些不同色彩通道共用调制和光学部件来节约空间和成本。
[0004]早期电子成像系统采用灯具和其他多色光源来提供每个色彩通道的彩色光。开发了若干不同的光混合系统以便在早期系统(例如，从彩色电视摄像机光学装置适配而成的复杂棱镜安排)中将组分色图像组合。随着功率更大且更接近单色的光源(例如，发光二极管(LED)和激光)的出现，减少色彩混合部件的大小和成本以及改善成像系统的色域、光效率和整体性能变得可能。对于色彩混合，开发了复合棱镜和二向色涂层的不同安排以便在投影仪和类似成像系统中使用。在与早期电子成像系统一起使用的较熟悉的解决方案当中的是X立方体或X棱镜(图1A中示出)和相关二向色光学元件以及飞利浦棱镜(图1B中示出)。非棱镜解决方案包括多组成角度的二向色平板，诸如在(Cobb(科布)等人)标题为“使用具有中继透镜和二向色组合器的空间光调制器的投影装置(Project1n Apparatus UsingSpatial Light Modulator with Relay Lens and Dichroic Combiner)，，的美国专利号6，676，260中所提出的那些。
[0005]参考图1A，X立方体10是由四个单独的棱镜元件10a、10b、1c和1d形成的复合棱镜，如插图El中所示，这些棱镜元件被涂覆并且然后胶粘在一起以形成单个色彩组合器元件。该X立方体将来自对应地发射红光、绿光和蓝光的三个固态光源14r、14g和14b (诸如激光二极管)的光组合。当组装时，X立方体10具有被处理以便选择性地反射并透射不同波长的两个内部交叉二向色界面12a和12b。二向色界面12a反射蓝色波长并且透射绿色波长和红色波长。二向色界面12b(其与二向色界面12a邻接，这样使得这两个界面沿着穿过该X立方体的中心的线相交)反射红色波长并且透射绿色波长和蓝色波长。这些二向色表面的相交线正交于附图的平面，如图1A显示的X立方体10。这些色彩被组合到光轴OA上，为清楚起见该光轴在图1A中利用分开的色彩路径示出，但实际上是同轴的。
[0006]图1B中示出的飞利浦棱镜70是用于组合色彩的更复杂的复合棱镜。飞利浦棱镜70是由三个单独的棱镜，即棱镜元件70a、70b和70c形成，并且包括气隙72。二向色表面成倾斜角度的安排将来自固态光源14r、14g和14b的光引导到光轴OA上。
[0007]二向色表面是由不同电介质材料的超薄涂层的堆叠层形成并且可以进行配制以便针对不同波长的光提供选择性反射和透射。在X立方体和飞利浦棱镜设备以及其他相关光谱组合器或分离器中，不同类型的二向色涂层提供允许光以高度受控的方式在光谱上重新组合或分离的色彩选择机构。
[0008]小型手提式投影仪以及不同类型的嵌入式或辅助式投影仪典型地使用二向色表面的安排来将红色、绿色和蓝色激光混合到单个光轴上。这些设备然后将所产生的光快速扫描到显示表面上。为了最小化电池使用和热发生，这些设备通过直接调制这些激光中的每一个来形成每个像素，从而仅产生用来形成图像本身的光。这些投影仪通过生成连续扫描的像素线来形成图像，这些像素线然后被引导到显示表面。
[0009]虽然手提式投影设备使用常规的色彩组合技术实现了良好的结果，但是仍存在一些问题。使用二向色表面的常规色彩组合的一个问题涉及入射角。二向色涂层反射和透射的光随着入射角和波长而变化。当入射角改变时，所透射或反射的光的波长也改变。对于以较低角度(接近于法线的角度)入射的光，在小的入射角或波长范围内的响应变化可为非常低的或可忽略的。然而，对于以较大角度入射的光，在一定角度范围内的响应变化可为显著的，从而损害了二向色涂层的性能。这些涂层在相对于法线的较小入射角下效果最佳，并且设计和制造在处于较大角度或大范围的角度内的入射光的情况下给出均匀结果的二向色涂层可能是昂贵且困难的。在二向色涂层必须接受在大范围角度内的光的情况下，可能容易导致可感知的色彩不均匀性。
[0010]现存色彩组合器的其他缺点涉及光入射到其上的表面的数量，不管光是从该表面反射还是透射穿过该表面。每个入射表面显示出效率损失并且导致亮度降低。另外，由于不完整的二向色性能，来自二向色表面的每个光反射或穿过二向色表面的每个光透射导致一定损失。当光遇到表面时(无论被涂覆与否)，由于泄漏，对比度也会受损。在图1A中的X立方体10中，这些光束中的每一个入射在至少三个表面上，并且在图1B的飞利浦棱镜70中，这些光束中的每一个入射在至少四个表面上。高数量的表面损害了用于色彩混合的X立方体和飞利浦棱镜设备的性能。
[0011]针对二向色涂层的另一个考虑涉及偏振光的反射和透射。随着光在该二向色表面上的入射角变得更大，针对不同偏振态的反射效率的差别变得越来越显著。此外，当入射偏振光源自多个激光二极管源时，必须考虑这些不同激光二极管的独特偏振特性。可以将一个或多个相位延迟器添加到这些不同的色彩通道，但是这以增加成本和复杂性为代价。设计并制造允许将具有不同波长但相同偏振的激光进行组合的二向色涂层的任务提出了相当大的挑战。
[0012]由激光源提供的色彩混合的进一步复杂性涉及这些激光束的尺寸特性。许多固态激光束的截面形状是变形的:波束截面在形状上更接近椭圆而非圆形，并且椭圆畸变的程度典型地根据不同色彩而变化。这使得难以由三个组分色形成均匀大小的像素并且导致色彩质量的退化。
[0013]成本是常规色彩混合器的另一个问题。如图1A和图1B所示，用于色彩混合的常规设备包括二向色表面和棱镜元件的复杂安排。这些安排的实现需要一些制造和精密组装操作。在常规制造中，形成两个或更多个单独棱镜元件，将二向色涂层施加到这些棱镜元件的一个或多个外表面，并且然后将两个或更多个棱镜元件胶粘在一起或以其他方式结合成精密的几何安排。在典型的棱镜组件中，一个或多个二向色涂层是在该色彩组合器的内部，由玻璃或形成这些不同棱镜元件的其他透明材料围绕。色彩混合性能可能被涂层容差、棱镜定位的轻微未对准、气隙、表面缺陷以及其他因素损害。
[0014]仍然存在对用于固态光源的色彩混合解决方案的需要，该解决方案能够最小化成本，最小化来自不同色彩通道的光入射在其上的表面的数量，减小入射角并且改善偏振响应。
概述
[0015]本发明提供一种用于使光谱波长带(色彩)混合的光多路复用系统。该光多路复用系统包括一个色彩组合元件和两个或更多个色彩通道。这些色彩通道包括光源，该光源产生包括特定光谱波长带(色彩)的光束。每个色彩通道产生包括不同光谱波长带的光束并且将该光束引导到色彩组合元件上。该色彩组合元件接收来自两个或更多个色彩通道的光束并且将它们组合以形成输出光束。在一个实施例中，该色彩组合元件将源自该两个或更多个色彩通道的色彩混合以产生同轴输出光束。该同轴输出光束可以包括两种或更多种色彩、或三种或更多种色彩、或四种或更多种色彩。
[0016]该色彩组合元件包括两片固体材料。每片固体材料在与这些色彩通道中的至少一个相关联的光谱波长带上是透明的。该固体透明材料可以是玻璃或塑料。该两个固体透明材料可以是相同或不同成分、相同或不同大小、或者相同或不同形状。每片固体透明材料包括一个或多个涂覆表面并且该多片固体透明材料中的至少一片包括两个或更多个涂覆表面。布置在这些表面上的涂层可以包括二向色性材料。每个涂层被选择以便选择性地反射源自不同色彩通道的波长带。不同的波长带从这些涂覆表面中的每一个反射并且这些反射光束被混合以形成输出光束。这些涂层可以包括金属涂层。
[0017]该光多路复用系统可以任选地包括用于从该输出光束投影或形成图像的光学器件。
[0018]在一个实施例中，本发明延伸到:
一种光多路复用系统，该光多路复用系统包括:
色彩组合元件，所述色彩组合元件包括:
第一片固体透明材料，所述第一片固体透明材料具有第一表面和第二表面；
第二片固体透明材料，所述第二片固体透明材料具有第三表面和第四表面；
第一涂层，该第一涂层被布置在所述第一表面上；
第二涂层，该第二涂层被布置在所述第二表面或所述第三表面上；以及第三涂层，该第三涂层被布置在所述第四表面上；
第一色彩通道，该第一色彩通道具有第一光源，所述第一光源将第一光束引导到所述第一涂层上，所述第一光束包括第一波长带；
第二色彩通道，该第二色彩通道具有第二光源，所述第二光源将第二光束引导到所述第一涂层上，所述第二光束包括第二波长带并且平行于所述第一光束；
第三色彩通道，该第三色彩通道具有第三光源，所述第三光源将第三光束引导到所述第一涂层上，所述第三光束包括第三波长带并且平行于所述第二光束；
其中所述第一涂层反射所述第一波长带并且透射所述第二波长带和所述第三波长带； 其中所述第二涂层反射所述第二波长带并且透射所述第三波长带;并且其中所述第三涂层反射所述第三波长带。
[0019]本发明的光多路复用系统的特征是，它采用包括至少两片一种或多种透射性固体光学材料的色彩组合元件，该色彩组合元件在三个或更多个外表面上具有适当的涂层以便执行光混合或色彩组合。光优选地仅入射在色彩组合元件的其上布置有二向色涂层的表面上。
[0020]本发明的一个优点是，它允许来自三个或更多个彩色光源的色彩以在二向色表面上较低的入射角组合到单个光轴上。
[0021]本发明的另一个优点是，它允许具有相同定向的偏振透射轴的三个或更多个色彩进行组合。
[0022]通过阅读以下对优选实施例和随附权利要求书的详细描述并且参考附图，将更清楚地理解和认识本发明的这些和其他方面、目标、特征以及优点。
[0023]附加特征和优点将在以下详细描述中阐述，并且部分地根据该描述对本领域普通技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如本说明书中所描述的实施例和其权利要求书以及附图将很容易被识别。
[0024]应当理解，上述概括描述和以下详细描述仅仅是示例性的，并且旨在为理解权利要求书的本质和特征提供概要或框架。
[0025]附图被包括以便提供进一步理解，并且被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图展示了本披露的所选择方面并且与本描述一起用于解释由本披露包围的原理和操作方法、产品以及组合物。
附图简要说明
[0026]虽然本说明书以特别指出并明确要求保护本发明的主题的权利要求书作为结论，但是据信，通过以下描述并结合附图可以更好地理解本发明，其中:
[0027]图1A是示出用作色彩组合器的X棱镜内的二向色界面的操作的示意图；
[0028]图1B是示出用作色彩组合器的飞利浦棱镜内的二向色界面的操作的示意图；
[0029]图2是示出用于常规微微投影仪(pico-projector)装置的色彩组合器的操作的示意图；
[0030]图3是示出具有色彩组合元件和三个色彩通道的光多路复用系统的示意图；
[0031]图4A是示出根据本发明的实施例的具有平行涂覆表面的色彩组合器元件的透视图；
[0032]图4B是示出根据本发明的实施例的具有倾斜涂覆表面的色彩组合器元件的透视图；
[0033]图5是示出用于具有成角度前接收表面的色彩组合元件的实施例的红色通道中的光路的不意图；
[0034]图6是示出用于具有成角度前接收表面的色彩组合元件的实施例的蓝色通道中的光路的不意图；
[0035]图7是示出用于具有成角度前接收表面的色彩组合元件的实施例的绿色通道中的光路的不意图；并且
[0036]图8是示出激光束相对于用于补偿光束畸变的一件色彩组合元件的定向的示意图。
详细说明
[0037]应当理解的是，未明确示出或描述的元件可以采取本领域技术人员所熟知的不同形式。例如，常规棱镜元件和其他光学部件是由一块适合的玻璃基板、透明塑料或其他总体上透明的固体材料形成，这些玻璃基板、透明塑料或其他总体上透明的固体材料具有所希望的折射率以及应用中所需要的其他光学特性。二向色涂层制剂以及它们的设计和定制对涂层领域的技术人员是熟知的。金属反射涂层对涂层领域的技术人员也是熟知的。
[0038]在此示出并描述的附图被提供用于说明根据本发明的关键操作原理以及部件沿其对应光路的关系，并且附图并不旨在以实际大小或比例绘制。一些放大可能是必要的以便强调基本的结构关系、功能或操作原理。用于实现所描述的实施例将需要的一些常规部件(例如像不同类型的光学安装件)在附图中并未示出，以便简化对本发明本身的描述。在附图和以下正文中，相同的部件利用相同的参考标号表示，并且省略了关于已经描述的部件和部件的安排或相互作用的类似描述。
[0039]在被使用时，术语“第一”、“第二”等并不一定表示任何顺序或优先关系，而是可以简单地用来将一个元件与另一个元件更清楚地区分开。术语“邻接”具有其常规意义如接触或共用一个或多个边界。两个表面在它们不直接彼此接触的情况下是非邻接的。
[0040]当光从一个表面反射或当光通过或穿过该表面时，认为光入射在那个表面上。
[0041]术语“倾斜”描述非平行或垂直(也就是说，除了90度的整数倍之外)的角度关系。在实践中，如果两个光学表面从平行或垂直偏移了至少约+/-2度或更多，那么认为它们相对于彼此是倾斜的。类似地，如果线或平面从平行或垂直偏移了至少约+/-2度或更多，那么认为它们相对于彼此是倾斜的。基本上平行的平面在+/-2度内是平行的。同样地，平行光束在+/-2度内是平行的。
[0042]如在本披露的上下文中使用的，术语“色彩”和“波长带”总体上是同义的。光源可以通过其总体色彩(诸如红色)而不是通过其峰值输出波长(诸如635nm)或其波长带(诸如630-640nm)标示。在本披露的上下文中，不同色彩或波长带被认为是有区别的并且基本上不重叠。
[0043]术语“直接激光调制”适用于投影或成像系统的实施例，这些系统将图像的每个像素形成为激光信号的组合，这样使得这些图像形成的激光能够快速地开启和关闭并且针对图像的每个单独像素这些激光的相对输出功率是受控制的。这种形式的光调制例如在常规手提式投影仪中使用，并且提供低功耗的优点，因为仅需要生成任何特定像素所需的光。用于图像形成的替代方法包括将光引导到空间光调制器的方法，该空间光调制器诸如数字微镜阵列、液晶设备(LCD)(诸如硅基液晶(LCoS)设备)或与扫描器一起使用的机电光栅设备的线性阵列。本披露的光多路复用系统的实施例可以用来支持直接激光调制类型的图像形成方法，在所述图像形成方法中可以致动扫描器以便充当光调制器部件或使用空间光调制器的那些部件，它们可以被致动来使用具有顺序色彩(诸如红色、绿色和蓝色)的光形成复合色彩图像。
[0044]如光学中所理解的，在此使用术语“棱镜”和“棱镜元件”来指代总体上呈具有平坦表面的η边多面体形式的透明光学元件，光入射在这些平坦表面上并且这些平坦表面是由反射光的透明固体材料形成。应当理解的是，在形状和表面轮廓方面，对棱镜构成材料的光学理解比对棱镜的正式几何定义的光学理解的限制要少。复合棱镜，诸如先前描述的X棱镜和飞利浦棱镜，是由两个或更多个棱镜元件形成的组装棱镜，该两个或更多个棱镜元件中的每一个被单独地制造和涂覆，然后被胶粘在一起或以其他方式安排、结合或安装以便提供色彩组合功能。
[0045]为了更好地理解本发明的色彩组合安排如何操作，首先有用的是回顾使用直接激光调制的手提式投影仪的常规色彩组合操作，例如，如在沃特森(Watson)等人的标题为“用于将多个电磁波束组合成复合光束的装置和方法(Apparatus and Method for CombiningMultiple Electromagnetic Beams Into a Composite Beam)” 的美国专利号7，167,315中所教导的并且如图2的示意图中所示。色彩组合元件20是由棱镜元件20a、20b和20c形成的复合棱镜，这些棱镜元件被单独地制造和处理，然后使用光学粘合剂粘结在一起。色彩组合元件20具有在平行平面上的两个内部平面二向色界面22a和22b。二向色界面22a反射蓝色波长并且透射绿色波长。二向色界面22b反射红色波长并且透射绿色波长和蓝色波长。准直透镜64典型地被设置在每个色彩通道中。这些色彩被组合到光轴OA上，为清楚起见该光轴在图2中再次利用单独的色彩路径示出，但实际上是同轴的。
[0046]在图2中所示的常规方法的问题当中的是针对来自固态光源14r、14g和14b的光的入射角相对较大的问题。来自光源14r的光以45度入射在一个二向色界面22b上。来自光源14b的光以45度入射在二向色界面22a上并且然后以45度入射在二向色界面22b上。来自光源Hg的光也以45度入射在二向色界面22a和22b两者上。在入射光处于约这些角度范围的情况下，在每个界面处存在一些效率损失。另外，在接收入射光的其他未涂覆表面上必须提供防反射(AR)涂层，从而增加了色彩组合元件20的成本和制造复杂性。
[0047]使用图2中的色彩组合元件20的另一个问题涉及反射光和透射光入射在其上的表面的数量。来自光源14r的光入射在三个表面上。来自光源14b和14g的光束入射在四个表面上。如先前指出的，不管入射表面是涂覆的还是未涂覆的，在每个入射表面处都存在一些效率损失。这种常规方法的其他性能问题涉及偏振并且涉及由激光源提供的总体上变形的光束形状，如随后描述的。
[0048]用于图2中所示的色彩组合元件20的常规解决方案的又一个问题涉及制造。这个设备的制造需要二向色涂层处理以及复杂的组装和对准过程两者。插图E2示出色彩组合元件20是如何由棱镜元件20a、20b和20c制造的，这些棱镜元件被胶粘在一起以便提供嵌在复合棱镜结构内的二向色界面22a和22b。
[0049]本发明提供一种用于将源自不同光通道的光束混合的光多路复用系统。每个光束包括光谱波长带。该光束或光谱波长带在此可以被称为色彩并且该光多路复用系统可以被说成用于混合或组合色彩。提供光束的这些光通道在此可以被称为色彩通道。该光多路复用系统包括一个色彩组合元件和两个或更多个色彩通道。这些色彩通道包括产生光束的光源。该光束包括光谱波长带(色彩)。每个色彩通道产生包括不同光谱波长带的光束并且将该光束引导到色彩组合元件。该色彩组合元件接收来自不同色彩通道的两个或更多个光束并且将它们组合以形成复合输出光束。该两个或更多个光束中的每一个以不同的方式与该色彩组合元件相互作用并且横穿穿过或来自该色彩组合元件的不同路径。将两种或更多种色彩组合以形成复合输出光束在此可以被称为混色、色彩混合、色彩多路复用、多路复用等等。
[0050]该色彩组合元件包括两片固体材料。每片固体材料在与这些色彩通道中的至少一个关联的光谱带上是透明的。该多片固体透明材料可以是无机材料或有机材料。该多片固体透明材料例如可以是玻璃或塑料。该多片固体透明材料可以是相同或不同成分、相同或不同大小、或者相同或不同形状。每片固体透明材料包括一个或多个涂覆表面并且该多片固体透明材料中的至少一片包括两个或更多个涂覆表面。这些涂层可以包括二向色性材料。每个涂层被选择以便选择性地反射特定的光谱波长带(色彩)。每个涂层还可以被选择以便选择性地透射特定的光谱波长带。这些涂层可以包括单独的或与二向色性材料组合的一个或多个金属反射层。在一个实施例中，该色彩组合元件的前表面、一个或多个内表面以及后表面涂覆有二向色性材料。在另一个实施例中，该色彩组合元件的前表面和一个或多个内表面涂覆有二向色性材料并且该色彩组合元件的后表面涂覆有金属反射材料。如在此使用的，前表面是指该色彩组合元件的初始入射表面并且后表面是指源自该光多路复用系统的光源的光束与其相互作用(通过反射或透射)的一系列表面中的最后一个。该光多路复用系统的色彩组合元件具有光束所遇到的一个前表面、一个后表面以及两个或更多个内表面。如以下更完整地描述的，并不是入射在该色彩组合元件上的所有光束都将遇到所有涂覆表面。
[0051]该光多路复用系统被配置成使得源自这些色彩通道的光源的光束朝向该色彩组合元件的第一表面被引导并且初始地入射到该第一表面。该第一表面具有布置在其上的涂层。当来自不同色彩通道的光束入射到该第一表面时，这些光束可以是平行的。这些色彩通道的光源可以是平行的并且直接地或通过中间光学器件将平行光束递送到该第一表面。这些色彩通道的光源可以是不平行的并且产生光束，利用反射镜或其他光学器件对这些光束进行操控以便在它们到达布置在该第一表面上的该涂层之前实现平行的传播方向。
[0052]布置在该第一表面上的该涂层反射来自一个色彩通道的光束并且透射来自一个或多个其他色彩通道的一个或多个光束。所透射的一个或多个光束进入该色彩组合元件的第一片固体透明材料的内部并且穿过该第一片固体透明材料传播到其第二表面。该第一片固体透明材料的该第二表面可以平行于该第一片固体透明材料的该第一表面。该第一片固体透明材料的该第二表面可以是未涂覆的或者可以具有布置在其上的涂层。若存在的话，布置在该第二表面上的该涂层是由以下材料形成:该材料反射由布置在该第一表面上的涂层透射的光束中的一个并且通过该第二表面透射由布置在该第一表面上的涂层透射的其他光束。若是未涂覆的，该第二表面透射由布置在该第一表面上的涂层透射的光束。
[0053]透射穿过该第二表面的一个或多个光束离开该色彩组合元件的该第一片固体透明材料并且朝向第二片固体透明材料传播。该第二片固体透明材料在第三表面处接收由该第二表面透射的一个或多个光束。该第二片固体透明材料的该第三表面可以平行于该第一片固体透明材料的该第二表面。该第三表面可以是未涂覆的或者可以具有布置在其上的涂层。若存在的话，布置在该第二片固体透明材料的该第三表面上的该涂层是由以下材料形成:该材料反射由该第二表面透射的光束中的一个并且透射由该第二表面透射的其他光束。该第二表面和第三表面中的至少一个是涂覆的。
[0054]该第一片固体透明材料可以或可以不与该第二片固体透明材料直接接触。在第一实施例中，该第一片固体透明材料的该第二表面具有布置在其上的涂层，该第二片固体透明材料的该第三表面是未涂覆的，并且该第一片固体透明材料和第二片固体透明材料被安排成使得布置在该第二表面上的该涂层与该未涂覆的第三表面直接接触。在第二实施例中，该第一片固体透明材料的该第二表面具有布置在其上的涂层，该第二片固体透明材料的该第三表面是未涂覆的，并且该第一片固体透明材料和第二片固体透明材料被安排成使得布置在该第二表面上的该涂层不与该未涂覆的第三表面直接接触。间隙或填充材料例如可以存在于布置在该第二表面上的该涂层与该未涂覆的第三表面之间。该填充材料可以是光学透明材料，诸如光学胶合剂。
[0055]在第三实施例中，该第一片固体透明材料的该第二表面是未涂覆的，该第二片固体透明材料的该第三表面具有布置在其上的涂层，并且该第一片固体透明材料和第二片固体透明材料被安排成使得布置在该第三表面上的该涂层与该未涂覆的第二表面直接接触。在第四实施例中，该第一片固体透明材料的该第二表面是未涂覆的，该第二片固体透明材料的该第三表面具有布置在其上的涂层，并且该第一片固体透明材料和第二片固体透明材料被安排成使得布置在该第三表面上的该涂层不与该未涂覆的第二表面直接接触。间隙或填充材料例如可以存在于布置在该第三表面上的该涂层与该未涂覆的第二表面之间。该填充材料可以是光学透明材料，诸如光学胶合剂。
[0056]在第五实施例中，该第一片固体透明材料的该第二表面具有布置在其上的涂层，该第二片固体透明材料的该第三表面具有布置在其上的涂层，并且该第一片固体透明材料和第二片固体透明材料被安排成使得布置在该第二表面上的该涂层与布置在该第三表面上的该涂层直接接触。在第六实施例中，该第一片固体透明材料的该第二表面具有布置在其上的涂层，该第二片固体透明材料的该第三表面具有布置在其上的涂层，并且该第一片固体透明材料和第二片固体透明材料被安排成使得布置在该第二表面上的该涂层不与布置在该第三表面上的该涂层直接接触。间隙或填充材料例如可以存在于布置在该第二表面的该涂层与布置在该第三表面上的该涂层之间。该填充材料可以是光学透明材料，诸如光学胶合剂。
[0057]离开该第一片固体透明材料的未被布置在该第二片固体透明材料的该第三表面上的涂层反射的光束透射穿过该第三表面，进入该第二片固体透明材料，并且穿过该第二片固体透明材料传播到第四表面。该第二片固体透明材料的该第四表面可以平行于该第二片固体透明材料的该第三表面。该第四表面具有布置在其上的涂层。布置在该第四表面上的该涂层可以是二向色性材料或金属反射材料并且反射透射穿过该第三表面的光束。
[0058]从布置在该第一片固体透明材料的该第一表面上的该涂层、布置在该第二片固体透明材料的该第四表面上的该涂层以及布置在该第一片固体透明材料的该第二表面或该第二片固体透明材料的该第三表面中的一个或两个上的该一个或多个涂层反射的光束可以是平行的或者可以沿着公共光轴被引导。沿着公共光轴传播的光束在此可以被称为同轴光束。
[0059]这些色彩通道的光源优选地是固态光源。固态光源包括固态激光器和固态LED。这些固态光源的有效(发光)材料可以包括一种或多种半导体材料和/或多种半导体材料之间的接点。这些固态激光器可以包括二极管激光器。由这些固态光源提供的光谱波长带可以处于红外光、可见光或紫外光范围内。由这些固态光源提供的光谱波长带可以是波长不重叠的。在一个实施例中，该光多路复用系统包括具有光源的色彩通道，这些光源提供在可见光中具有不重叠光谱波长带的光束。该系统可以包括例如三个光源，该三个光源提供在光谱的红色、绿色和蓝色部分中的光束。除光源之外，这些色彩通道还可以包括用于使这些光源产生的光束聚焦、准直、滤波、成型或反射的光学器件。
[0060]图3描绘根据本披露的示例性光多路复用系统。光多路复用系统100包括一个色彩组合元件160和三个色彩通道。色彩组合元件160包括固体透明材料片165和170。色彩组合元件160包括前表面162、后表面168以及中间表面164和166。表面162和164与固体透明材料片165相关联并且表面166和168与固体透明材料片170相关联。前表面162平行于中间表面164。中间表面166平行于后表面168。在图3的实施例中，固体透明材料片165和170被配置成使得前表面162平行于后表面168。在图3的实施例中，前表面162、中间表面164、中间表面166和后表面168是色彩组合元件160的表面，一个或多个光束入射在这些表面上。前表面162、中间表面164、中间表面166和后表面168在此可以被称为接收表面。前表面162和中间表面164是固体透明材料片165的非邻接表面。中间表面166和后表面168是固体透明材料片170的非邻接表面。
[0061]该三个色彩通道对应地包括固态激光器105、125和145。第一色彩通道提供穿过准直透镜115的光束110。第二色彩通道提供穿过准直透镜135的光束130。第三色彩通道提供穿过准直透镜155的光束150。在这个说明性实例中，固态激光器105、125和145对应地提供红色、蓝色和绿色输出光束。包括在红色光束110、蓝色光束130和绿色光束150中的波长的范围对应地是由固态激光器105、125和145的性能确定的。对于典型的固态激光器，该输出光束的行宽较窄并且光谱强度分布在较窄的波长范围内。在图3的实施例中，由固态激光器105、125和145产生的光谱波长带是不重叠的。
[0062]前表面162和后表面168具有布置在其上的二向色涂层。可替代地，后表面168可以具有布置在其上的金属涂层。在图3的实施例中，第三涂层被布置在中间表面164与166之间并且与它们接触。固体透明材料片165和170经由该中间第三涂层彼此接触。该第三涂层可以在组装片165和170之前初始地被布置在表面164或表面166上以形成色彩组合元件160。
[0063]这些色彩通道将红色光束110、蓝色光束130和绿色光束150引导到前表面162。当入射在前表面162上时，红色光束110、蓝色光束130和绿色光束150是平行的。布置在前表面162上的该涂层反射红色光束110、透射蓝色光束130并且透射绿色光束150。所反射的红色光束112成为输出光束180的分量。所透射的蓝色光束132和所透射的绿色光束152进入固体透明材料片165并且传播到布置在中间表面164与166之间的该涂层。布置在中间表面164与166之间的该涂层反射蓝色光束132并且透射绿色光束152。所反射的蓝色光束134穿过固体透明材料片165返回，穿过布置在前表面162上的该涂层，并且与所反射的红色光束112组合以成为输出光束180的第二分量。所透射的绿色光束152进入固体透明材料片170并且传播到布置在后表面168上的该涂层。布置在后表面168上的该涂层反射绿色光束152。所反射的绿色光束154穿过固体透明材料片170返回，传播穿过布置在中间表面164与166之间的该涂层，穿过布置在前表面162上的该涂层，并且与所反射的蓝色光束134和所反射的红色光束112组合以成为输出光束180的第三分量。所反射的绿色光束154、所反射的蓝色光束134以及所反射的红色光束112同轴地组合以形成输出光束180。
[0064]图3的实施例示出将由三个色彩通道提供的三种色彩的混合以便提供包括该三种色彩中的每一种的同轴输出光束。图3的实施例指示的总则延伸到具有两个或更多个色彩通道的光多路复用系统，该两个或更多个色彩通道递送两个或更多个不重叠的光谱波长带。混合η种色彩所需的固体透明材料片的数量可以是η-1并且混合η种色彩所需的涂覆表面的数量可以是η。例如，四种色彩的混合可以利用包括三片固体透明材料的色彩组合元件实现，该三片固体透明材料包括四个非邻接的涂覆表面。用于形成该色彩组合元件的该多片固体透明材料以及用于形成这些涂层的这些二向色性材料的材料可以被选择以便选择性地反射和透射光谱的红外光、可见光和紫外光部分中的波长带。
[0065]如上文所指示，形成该色彩组合元件的一片或两片固体透明材料的非邻接接收表面可以是平行的或不平行的。图4Α描绘具有平行接收表面232和234的一片固体透明材料230。图4Β描绘具有接收表面242和244的一片固体透明材料240，这些接收表面是不平行的并且相对于彼此以楔角β倾斜地布置。该色彩组合元件可以包括图4Α所示类型的两片固体透明材料，或图4Β所示类型的两片固体透明材料，或图4Α所示类型的一片固体透明材料和图4Β所示类型的一片固体透明材料。正交于光轴截取的该多片固体透明材料的截面形状(诸如平行于接收表面所截取的截面)可以是矩形、圆柱形、六边形或其他适合的形状。
[0066]图5描绘包括图4Α所示的固体透明材料片230和图4Β所示的固体透明材料片240的色彩组合元件，其中表面232和244直接接触。表面242、表面232和244中的一个以及表面234涂覆有二向色性材料。该色彩组合元件被配置成使得倾斜(如由图4Β所示的楔角β指示)的表面242是前接收表面。图5描绘来自图3的实施例的红色通道的红色光束110入射到固体透明材料片240的接收表面242上并且所反射的红色光束112反射到光轴OA上。图6描绘来自图3的实施例的蓝色通道的蓝色光束130入射到固体透明材料片240的接收表面242上。布置在接收表面242上的涂层被选择以便反射红光并且透射蓝光和绿光。所透射的蓝色光束132穿过固体透明材料片240并且被布置在表面232或244上的涂层反射。所反射的蓝色光束134沿着光轴OA被引导。图7描绘来自图3的实施例的绿色通道的绿色光束150入射到固体透明材料片240的接收表面242上。布置在接收表面242上的涂层被选择以便反射红光并且透射蓝光和绿光。布置在表面232或244中的一个上的涂层被选择以便反射蓝光并且透射绿光。所透射的绿色光束152穿过固体透明材料片230并且被布置在表面234上的涂层反射。所反射的绿色光束134沿着光轴OA被引导。
[0067]本发明的色彩组合元件允许将光源定位成使得来自每一个光源的光束的入射角较低。如在此使用的，入射角是指光束的入射方向与该光束入射在其上的表面的法线之间的角度。低入射角是有益的，因为它们降低了从二向色涂层透射或反射的光的波长依赖性以及二向色涂层对反射光的偏振状态的影响。典型地，二向色涂层被设计成透射P偏振光，使其透射轴平行于入射平面，并且反射正交偏振的s偏振光。这种特性对于色彩组合器会产生问题，其中一些色彩从这些二向色表面被反射并且其他色彩被透射。例如当照明被提供到通过选择性地改变各个像素的偏振状态来对光进行调制的LCoS设备时，正交偏振轴是一个问题。在常规成像装置中，必须使用波形板来针对这种情况进行矫正。在即时色彩组合元件的实施例中，在二向色表面处的低入射角减少了由于偏振造成的二向色响应的差异。该入射角可以小于20度或小于10度或小于5度。对于成角度的接收表面，该入射角还可以小于楔角β。
[0068]固态激光器的发散通常是变形的，沿着一个轴线比沿着正交轴更长。图8例如示出椭圆形光束轮廓CSl在其从图3的实施例的蓝色通道的蓝色激光源125和准直透镜135出现时的截面视图。光束轮廓CSl在y方向(在这个实例中是垂直的)上具有低发散角并且在X方向上具有高发散角。优选地，这个激光束被定向成使得其低发散角(y方向)基本上位于图5-7所示的色彩组合元件的固体透明材料片240的楔角β的平面中，该平面在所示实例中是垂直的。示出了该色彩组合元件的固体透明材料片240的侧截面视图和顶部截面视图，其中所示出的光束路径相对于高度和宽度尺寸是放大的。该光束的垂直分量或y分量“看到”楔形反射结构，该结构使得光束在垂直方向上相应地伸展。光束的正交水平分量或X分量穿过该色彩组合元件的固体透明材料片240而不会在这个方向上遇到显著的折射，如顶视图截面中所示。所产生光束轮廓CS2因此更匀称或更接近圆形。
[0069]具有混合色彩的同轴光束沿着光轴OA被定向并且可以进一步被引导到光学器件、调制器或其他光束成型元件或光束操控元件以便提供输出光束。该输出光束可以被引导到显示器。在一个实施例中，该同轴光束被引导到可以对光束强度进行调制的光调制器，诸如扫描器。该扫描器可以是可致动来形成连续像素线并且朝向显示表面引导光。每个像素可以单独地写入并且可以形成为主要分量红色光、绿色光和蓝色光的组合。为了提供高速像素生成，在其对应色彩通道中的每个固态光源(例如，105、125和145)可以具有与该扫描器同步操作的相应激光驱动器。例如，示例性高速像素生成和扫描计时模式例如在来自美国华盛顿州雷德蒙德市的维视公司(Microvis1n Inc.,Redmond,WA,USA,)的微微投影仪显示器中使用。
[0070]该同轴输出光束可以被引导到空间光调制器以便形成图像以供投影。空间光调制器的实例包括数字微镜阵列或其他微机电成像阵列设备，这些设备在被致动时使用反射或衍射对光进行调制，这些设备包括不同类型的机电光栅光调制器或偏振调制设备(诸如液晶设备)。光积分器元件(例如，蝇眼积分器、积分棒或其他适合类型的光学均匀器)可以用来提供均匀的光束以便进行调制。透镜可以用来将光从沿着光轴引导到该光积分器元件，每次一种色彩，用于以色彩顺序安排形成图像。此处，该色彩组合元件的功能可以是用于通过该光积分器元件将每个固态光源引导到该空间光调制器，每次一个固态光源。投影透镜可以用来朝向显示表面引导光。
[0071]该光多路复用系统可以进一步包括用于测量这些光源的输出功率的传感器。这些传感器可以与控制电子器件整合在一起以使这些光源的输出功率稳定化。传感器可以在不干扰入射光束、透射光束或反射光束的光路的位置处被附接到一片或两片固体透明材料上。传感器可以例如被附接到该即时色彩组合设备的一片或两片固体透明材料的未涂覆表面上。传感器可以通过检测杂散的或不完整的反射光来测量功率。可以测量包括在该光多路复用系统中的每个光源的功率。
[0072]用于本发明的色彩组合元件的该多片固体透明材料是基于一些因素进行选择的，这些因素包括成本、折射率以及涂层的适合性。该材料的折射率是重要的，因为其与来自这些激光源的光的入射角相关。该材料的折射率例如是固态激光源的角定位的因子。
[0073]该多片固体透明材料的涂覆有二向色性材料的表面是平坦的。因为来自这些光源的光并未入射在色彩组合元件的其他未涂覆表面上，所以这个元件的其他表面可以不是平坦的，诸如具有一定量的曲率或其他形状，这例如在包装或安装中可以是有用的。毛玻璃表面在一些实施例中是可接受的。
[0074]本发明已经具体参考其某些优选实施例进行了详细描述，但是将理解的是，在不背离本发明的情况下，本领域技术人员可以在如上所述并且如随附权利要求书中所指出的发明范围内进行变化和修改。例如，尽管以上描述主要针对激光二极管，但是本发明的色彩组合元件可以与其他彩色光源(包括其他激光器类型)以及固态光源一起利用，这些固态光源可通电以便发射具有适合波长带的光以用于成像或需要光组合的其他功能。可以使用具有多个光发射器的阵列。总的来说，这种方法将与提供具有较窄光束宽度的良好准直光的光源一起最佳地操作。尽管本发明的色彩组合元件被描述用于在不可以通过空间光调制器进行调制的照明入射在该色彩组合器的前接收表面之前对该照明进行混合，但是这种方法可以可替代地用于将已经在每个色彩通道内使用单独调制器阵列进行调制的光组合。然而，除了使用如早先所描述的直接激光调制调制的光之外，对于组合调制的光也可能存在一些实际约束，这是因为每个色彩通道内的畸变可能显著不同。还应当注意，所示的示例性实施例描述红色通道、绿色通道和蓝色通道并且示出被制造用于透射或反射特定色彩的二向色表面的特定安排。然而，这些实例旨在描述特定实施例并且是非限制性的;可以使用用于二向色表面行为的其他色彩组合，例如，在不同图中互换色彩名称并且允许所反射或透射的色彩的不同安排，或除了常规红色波长带、绿色波长带和蓝色波长带之外的不同波长带。
[0075]因此，所提供的是一种用于在成像装置中将具有第一波长带、第二波长带和第三波长带的光组合的装置和方法。
[0076]除非另外明确指出，否则并不以任何方式意图使在此阐述的任何方法解释为要求其步骤按特定顺序执行。相应地，在方法权利要求没有实际叙述其步骤所要遵循的顺序或在权利要求书或说明中没有另行明确地指出这些步骤将局限于特定顺序的情况下，绝不旨在推测任何具体的顺序。
[0077]对本领域的技术人员而言将明显的是，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下作出多种不同的修改和变更。由于本领域技术人员可能发生结合本发明的精神和实质对所披露实施例加以修改组合、产生子组合和变体，所以本发明应当解释为包括在所附权利要求及其等效物的范围之内的每一事项。
【主权项】
1.一种光多路复用系统，该光多路复用系统包括: 色彩组合元件，所述色彩组合元件包括: 第一片固体透明材料，所述第一片固体透明材料具有第一表面和第二表面； 第二片固体透明材料，所述第二片固体透明材料具有第三表面和第四表面； 第一涂层，该第一涂层被布置在所述第一表面上； 第二涂层，该第二涂层被布置在所述第二表面或所述第三表面上；以及 第三涂层，该第三涂层被布置在所述第四表面上； 第一色彩通道，该第一色彩通道具有第一光源，所述第一光源将第一光束引导到所述第一涂层上，所述第一光束包括第一波长带； 第二色彩通道，该第二色彩通道具有第二光源，所述第二光源将第二光束引导到所述第一涂层上，所述第二光束包括第二波长带并且平行于所述第一光束； 第三色彩通道，该第三色彩通道具有第三光源，所述第三光源将第三光束引导到所述第一涂层上，所述第三光束包括第三波长带并且平行于所述第二光束； 其中所述第一涂层反射所述第一波长带并且透射所述第二波长带和所述第三波长带； 其中所述第二涂层反射所述第二波长带并且透射所述第三波长带;并且 其中所述第三涂层反射所述第三波长带。2.如权利要求1所述的光多路复用系统，其中所述第二涂层与所述第二表面和所述第三表面直接接触。3.如权利要求1或2所述的光多路复用系统，其中所述第一片透明材料和所述第二片透明材料包括玻璃或塑料。4.如权利要求1-3中任一项所述的光多路复用系统，其中所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束中的第一个包括红光;其中所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束中的第二个包括蓝光;其中所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束中的第三个包括绿色波长。5.如权利要求4所述的光多路复用系统，其中所述第一光束包括红光，所述第二光束包括蓝光，并且所述第三光束包括绿光。6.如权利要求1-4中任一项所述的光多路复用系统，其中所述第一波长带、所述第二波长带和所述第三波长带的波长范围是不重叠的。7.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，其中所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源是平行的。8.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，其中所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源是固态光源。9.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，其中所反射的第一波长带、所反射的第二波长带和所反射的第三波长带是同轴的。10.如权利要求1所述的光多路复用系统，其中所述第三涂层被布置在所述第二表面上。11.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，其中所述第一表面和所述第二表面是平行的。12.如权利要求11所述的光多路复用系统，其中所述第三表面和所述第四表面是平行的。13.如权利要求12所述的光多路复用系统，其中所述第一表面和所述第四表面是平行的。14.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，进一步包括光积分器，该光积分器被布置成接收所反射的第一波长带、所反射的第二波长带和所反射的第三波长带。15.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，进一步包括投影光学器件，该投影光学器件被布置成将所反射的第一波长带、所反射的第二波长带和所反射的第三波长带引导到显示表面。16.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，进一步包括光调制器，该光调制器被布置成接收所反射的第一波长带、所反射的第二波长带和所反射的第三波长带。17.如权利要求16所述的光多路复用系统，其中所述光调制器选自由以下各项组成的组:数字微镜阵列、液晶设备和扫描器。18.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，其中所述第一片固体透明材料和所述第二片固体透明材料由间隙分开。19.如权利要求18所述的光多路复用系统，其中所述间隙填充有光学透明材料。20.如权利要求1-6中任一项所述的光多路复用系统，其中所述第三涂层包括金属反射材料。
【文档编号】G02B27/14GK105980913SQ201480075365
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年12月10日
【发明人】J·M·科布, J·W·弗兰克维奇
【申请人】康宁股份有限公司