專利名稱：光分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于光的光譜分離的裝置，更具體地，涉及將光的光譜分 離與光能的空間均勻化組合起來的裝置。
背景技術(shù)：
分色器(color separator)和復(fù)合器(recombiner)是光學(xué)領(lǐng)域中已知的，并具有 多種應(yīng)用，尤其是用于顯示或記錄彩色圖像。在該圖像應(yīng)用中，分色器接受多 色光輸入，并按照波長將光進行分離，以提供用于調(diào)制的兩種，三種或多種光 譜波段的光。然后使用光復(fù)合器將調(diào)制過的光的光譜波段進行組合，從而形成 全色圖像(full color image)。
二向色涂層為在很多應(yīng)用中為進行分色提供了有用的機制，提供以下優(yōu) 點，諸如最小的光損失，較好的光譜選擇性。在棱鏡表面上使用二向色涂層的 各種類型的分色器的例子包括以下例子
Cobb等人的題目為"Projection Apparatus Using Telecentric Optics(使用圓形 光學(xué)的投影儀)"的美國專利No. 6,758,565描述了以V-棱鏡的形式使用二向色分 離器，用來將白光分離成主要的紅色、綠色和藍色(RGB)成分；
Sugawara的題目為"Color Combining Optical Element, Color Separation Optical Element, and Projection Type Display Apparatus Using Them(色復(fù)合光學(xué) 元件，色分離光學(xué)元件以及使用它們的投影型顯示器)"的美國專利No. 6，671，101描述了由三個棱鏡形成的色分離和復(fù)合光學(xué)器件，其中所述三個棱鏡 之間具有二向色表面；
Huang的題目為"Color-Separating Prism Utilizing Reflective Filters and Total Internal Reflection(使用反射濾光器和全內(nèi)反射的色分離棱鏡)"的美國專利No. 6，517,209描述了另一種使用聯(lián)合棱鏡的色分離裝置，其中所述棱鏡之間具有二 向色表面；
Peterson等人的題目為"Method and Apparatus for Combining Light Paths ofMultiple Colored Light Sources Through a Common Integration Tunnel(通過共同
的集成隧道將多種彩色光源的光路組合起來的方法和裝置)"美國專利No. 6,956，701描述了用于將多個彩色光路組合在一起的集成裝置，所述彩色光路用 于在投影系統(tǒng)中照明；
Sonehara的題目為"Dichroic Optical Elements for use in a Projection Type Display Apparatus(用于投影型顯示裝置的二向色光學(xué)元件)"的美國專利 5，098,183描述了使用交叉二向色表面(crossed dichroic surface)的棱鏡光學(xué)元件。 所述交叉二向色表面也成為X-立方(X-cube)，并用于各種類型的用來將白光分 離成RGB組分的成像裝置中；
Okuyama的題目為"Cross Dichroic Prism(交叉二向色棱鏡)"的美國專利 No. 6,327，092描述了X-立方設(shè)計的一種變型，其中相對的外表面并不平行；
DeLang等人的題目為"Optical System for a Color Television Camera(用于彩 色電視攝像機的光學(xué)系統(tǒng))"的美國專利No. 3，202,039用于色分離的Philips棱鏡， 該棱鏡已經(jīng)被用于多種投影儀設(shè)計，使用三種三棱鏡和多種二向色表面；
Huang的題目為"Color Separation Prism Assembly Compensated for Contrast Enhancement and Implemented as Reflective Imager(補償對比度增強和作為反射 成像器的色分離棱鏡組件)"的美國專利No. 6，704,144描述了用于引導(dǎo)多色光 通過各種二向色涂層以得到分離的RGB組分的三棱鏡排列的另一種實施方式。
利用這種常規(guī)的X-立方和Philips棱鏡實施方式，多色光通過一個或多個二 向色表面，并因此被分離成不同的光譜組分。在大多數(shù)情況中，相同的組分或 構(gòu)造類似的組分可在調(diào)制之前用于色分離，以及用于復(fù)合調(diào)制過的光，從而用 于最終的投影會其它成像。
二向色表面與棱鏡的復(fù)合，例如X-立方和Philips棱鏡所示范的那些，具有 許多優(yōu)點。所述X-立方，即將四個獨立的棱鏡與具有相應(yīng)的二向色涂層的各交 叉的內(nèi)表面組合起來的排列方式，已被證明很難以便宜的價格制得。內(nèi)表面的 微小未對準(zhǔn)會導(dǎo)致的諸如彩色邊紋(color fringing)的問題。機械耐受力 (mechanical tolerance)和適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)對于Philips棱鏡和相關(guān)三棱鏡器件的制造 也構(gòu)成困難。此外，即使可以克服這些問題，X-立方和Philips棱鏡解決方案需 要光路在正交方向上或在一些其它的相對于入射光軸成明顯的角度的方向上 被分開。所得到的空間限制阻止了該器件用于例如任何類型的陣列。
常規(guī)的色分離器件的另一個顯著的缺點涉及二向色表面本身的特性。二向色涂層的光譜性能會被入射光角度強烈影響。隨著入射角的變化，被透射和反 射的光的波長也會稍微移動。 一般而言，二向色表面被設(shè)計成當(dāng)入射光在小的 角度范圍內(nèi)時工作最好，并且通常用于接近法向角的入射光。
在許多類型的器件(包括成像裝置)中，需要提供用于調(diào)制的均勻的光場。 為了得到均勻的光場， 一種策略是使用均勻化元件，該元件通過將角分布均勻 化來傳播光能并形成光束，不會發(fā)生光損失。成像器件，諸如上述的用于彩色
成像顯示或記錄的那些器件，通常使用諸如集成棒(integrating bar)、蠅眼透鏡 陣列(fly's-eye lenslet array)、纖維光學(xué)面板或光導(dǎo)纖維束、漫射體或類似的光 學(xué)器件的元件作為均勻化元件。作為一個例子，Anikitchev等人的題目為 "Methods and Systems for Low Loss Separation and Combination of Light(用于
低損失的光分離和復(fù)合的方法和系統(tǒng))"美國專利6,919，990描述了使用集成棒來 重新分布照明光束以在顯示系統(tǒng)中得到更均勻的照明能量分布。
盡管成像應(yīng)用通常需要光譜分離或光復(fù)合以形成彩色圖像，但是也有其中 光譜分離和光能的均勻化都很有利的其它應(yīng)用。這些應(yīng)用是其中從光獲得能 量，例如在傳感裝置和光生伏打能量裝置(例如太陽能面板)中。各種光生伏打 材料對不同波長的光的響應(yīng)不同。因此，對于太陽能裝置，將日光分解成兩個 或多個譜帶是有益的，將各個譜帶引導(dǎo)到適當(dāng)?shù)牟牧现?，所述材料最?yōu)化地提 供在該譜帶處的能量。當(dāng)日光被分別分離成更長或更短波長的更高或更低譜帶 時，可使用不同的光生伏打電池來提高來自日光的總的能量產(chǎn)出。第一種光生 伏打電池可最優(yōu)化較低能量的光，即在較長波長處的光。然后第二種光生伏打 電池可最優(yōu)化較高能量的光，即在較短波長處的光。
盡管意識到能有效地對光進行光譜分離的裝置和方法是有益的，但是常規(guī) 的解決方案與以低成本無損失地分離光、并提供分離元件以改善光能的空間分
布這一需要相比，還相距甚遠。因此仍然需要一種裝置，該裝置能提供光均勻 化、且無損失的光譜分離，并允許緊湊的包裝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高光分離技術(shù)。基于這一目的，本發(fā)明提供一種光分離 器，該光分離器將多色光分離成在預(yù)定波長之上的較長波長譜帶的光和在預(yù)定 波長之下的較短波長譜帶的光，所述光分離器被限定在兩個相對的側(cè)表面之 間，所述相對的側(cè)表面各自在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光，并且所述光分離
9器還具有用來接受所述多色光的輸入側(cè)，和用來提供已分離的較長和較短波長 譜帶的光的輸出側(cè)，所述光分離器包括
(a) 第一光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并被限定在(i)和(ii)之間
(i) 第一二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更長的波長并透射比 預(yù)定波長更短的波長；和
(ii) 第一外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光()；
禾口
(b) 第二光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并被限定在(i)和(ii)之間
(i) 第二二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更短的波長并透射比 預(yù)定波長更長的波長；和
(ii) 第二外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光； 還包括光分離器的共同部分，即第一和第二光波導(dǎo)通道的一部分，所述共
同部分位于所述第一和第二二向色表面之間，從輸出側(cè)到輸出側(cè)變窄。
本發(fā)明的特征是它提供了將光分離成兩個或更多個譜帶組分的裝置，其中
可通過調(diào)節(jié)二向色涂層來改變閾波長(threshold wavelength)。本發(fā)明的優(yōu)點是它在一個元件中同時提供了光譜分離和光均勻化這兩個 功能。本發(fā)明的實施方式可基本上無損失，使各分離的譜帶中所提供的可用光 能最優(yōu)化。
在閱讀了以下的詳細描述以及附圖(其中示出并描述了本發(fā)明的示范性的 實施方式)以后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將更清楚本發(fā)明的這些和其它目的、特征和 優(yōu)點。


圖l是本發(fā)明的第一光波導(dǎo)通道的側(cè)視簡圖； 圖2是本發(fā)明的第二光波導(dǎo)通道的側(cè)視簡圖3是本發(fā)明的光分離器的側(cè)視簡圖，所述光分離器通過將圖1和圖2中的 光波導(dǎo)通道組合起來而形成；
圖4是本發(fā)明的光分離器的外表面的透視圖； 圖5是本發(fā)明的另一實施方式的光分離器的側(cè)視簡圖6是使用一種實施方式中的一系列光分離器的多波段光分離器的透視圖7是從另一個角度得到的圖6的多波段光分離器的透視圖，該多波段光分
離器具有添加的光學(xué)聚光器(optical concentrator);
圖8是另一種實施方式中的多波段光分離器的側(cè)視簡圖； 圖9A和9B是從不同角度得到的多波段光分離器陣列的透視圖； 圖10是所述光分離器的光處理行為的側(cè)視簡圖，其中通道之間可發(fā)生少量 的泄漏；和
圖ll是使用本發(fā)明的光分離器的太陽能變換器的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的裝置使用二向色涂層和光波導(dǎo)光學(xué)的關(guān)鍵性質(zhì)，獲得基本上無損 失的色分離、并對于所分離的光譜組分具有光能空間均勻化。該裝置接收多色 光，即涵蓋了一定范圍波長的光(可包括可見光波長、以及紅外波長和紫外波 長)，例如日光。所述多色光被分離成比一些預(yù)定波長更長或更短的波長光譜 組分或譜帶。
首先參見圖1和圖2，分別示出了兩個光波導(dǎo)通道12a和12b，這兩個光波導(dǎo) 通道被組合形成本發(fā)明的光分離器。在圖l的光波導(dǎo)通道12a中，涂覆二向色表 面16a以反射以預(yù)定波長更長的波長并朝著輸出側(cè)20透射比預(yù)定波長更短的波 長。光線RL對于來自輸入側(cè)14的比預(yù)定波長具有更長的波長的光形成典型的光 路。該光在二向色表面16a被反射，并在反射性的外表面18a處再次被反射。如 圖1所示，該較長波長的光在各表面16a和18a處有重復(fù)的反射?？捎梅瓷湫缘牟?料涂覆反射性的外表面18a，或者如下面所述，反射性的外表面18a可使用全內(nèi) 反射(TIR)。
由于二向色表面16a朝著外表面18a傾斜，因此光波導(dǎo)通道12a沿著從輸入側(cè) 14到輸出側(cè)20的光路變窄，各反射相對于各表面的法向以稍小的角發(fā)生。參見 圖l，光線RL首先以相對于二向色表面16a的法向的入射角^到達二向色表面 16a，并以相等的反射角A'反射。它的下一次反射發(fā)生在外表面18a處，入射角 為"/，反射角為"/'。這之后是在二向色表面16a處的第二次反射，相對于二向 色表面16a的法向的入射角為&，相等的反射角為^'。明顯地，二向色表面16a 相對于外表面18a傾斜導(dǎo)致以下關(guān)系
A〉 6>2
此外，當(dāng)在二向色表面上有額外的反射時，各個后續(xù)的反射的反射角略小于之前的反射的反射角，因此一般而言，對于連續(xù)的反射n和(n+l):
類似的關(guān)系對于在外表面18a處發(fā)生的后續(xù)反射也成立。g卩，由于光波導(dǎo) 通道12a的變窄
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并且一般而言，對于連續(xù)的反射
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由于以逐漸減小的入射角發(fā)生多次反射，從輸出側(cè)20離開光波導(dǎo)通道12a 的光線RL以比相應(yīng)的輸入側(cè)14呈現(xiàn)更大的角度。由于通過光波導(dǎo)通道12a的一 部分光的這一角度差異，在輸出側(cè)20的光相對于輸入側(cè)14處的光被空間均勻 化。因此，光波導(dǎo)通道12a起到了光均勻器(以類似于錐形集成棒的方式分布光) 和光分離元件(如下所述，比其它的二向色色分離器件具有改善的性能)的作用。
圖2的光波導(dǎo)通道12b以類似于光波導(dǎo)通道12a的方式作用于比預(yù)定波長具 有更短波長的光并使其均勻化。涂覆二向色表面16a以反射以預(yù)定波長(作為典 型的閾)更短的波長并透射比預(yù)定波長更長的波長。光線Rs對于比閾波長更短的 波長形成典型的光路。該光在二向色表面16b被反射，并在反射性的外表面18a 處再次被反射。在各表面16b和18b處可以有重復(fù)的反射。由于二向色表面16b 朝著外表面18b傾斜，各后續(xù)反射相對于各表面的法向以稍小的角發(fā)生。由于 發(fā)生多次反射，從輸出側(cè)20離開光波導(dǎo)通道12b的光線Rs以比相應(yīng)的輸入側(cè)14 呈現(xiàn)更大的角度。通過錐形的光波導(dǎo)通道12b進行的該光混合提供了將光在輸 出側(cè)20進行空間均勻化的措施。因此，光波導(dǎo)通道12b起到了光均勻器和光分 離元件的作用。
上面圖l和圖2中的描述強調(diào)了限定用于光均勻化的各光波導(dǎo)通道12a和 2b的成對表面的角度關(guān)系的重要性。這僅僅是光波導(dǎo)通道12a和12b的幾何形狀 的一個優(yōu)點。另一個關(guān)鍵的優(yōu)點涉及改進的色分離，因為光以連續(xù)減小的角度 重復(fù)入射在二向色表面。從前面給出的背景部分可以注意到，已經(jīng)熟知二向色 性能的變化隨著入射角的減小而減弱。因此，例如參見圖1中的光線R^每次 光入射在二向色表面16a上，重復(fù)進行二向色涂層的色分離操作。此外，隨著各 次反復(fù)，入射角越來越有利。利用這種行為，本發(fā)明的光分離器10能夠獲得高 度的色分離。如本文上面所述通過形成變窄的通道，使得光多次入射到二向色 表面16a，從而使本發(fā)明的光分離器10區(qū)別于常規(guī)的X-立方、菲利普棱鏡以及僅提供單次通過二向色表面的光的相關(guān)的二向色色分離器件。
圖3的側(cè)視簡易圖示出了在光分離器10中的光波導(dǎo)通道12a和12b的組合操 作。這里，表示為R的入射光最初在二向色表面16a被分離成長波長組分和短波 長組分Rp Rs。然后，各組分相繼被反射多次，直到其在輸出側(cè)20形成光譜分 離的光。如圖3的側(cè)視圖所示，在二向色表面16a和16b之間具有光分離器10的共 同部分22，該共同部分是光波導(dǎo)通道12a和光波導(dǎo)通道12b這兩者的一部分。共 同部分22在輸入側(cè)14處最寬，通常和輸入側(cè)14一樣寬，就像圖3中所示出的那 樣，并且隨著其朝著輸出側(cè)20延伸，逐漸變窄。共同部分22僅存在于二向色表 面16a和16b之間。
在圖l、 2或3的剖面?zhèn)纫晥D中看不到的是光分離器10的相對的側(cè)表面，這 兩個側(cè)表面在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光，并提供光波導(dǎo)表面，所述側(cè)表面 的一部分被各光波導(dǎo)通道12a和12b所使用。作為參考，圖4中的透視圖示出了一 種實施方式中光分離器10的外表面的相對位置。從該透視圖中可以看出，光分 離器10的上表面和下表面分別是外表面18a和18b。從這個角度可以看見相對的 側(cè)表面46中的一個，另一個側(cè)表面46是相對的。
在圖4的實施方式中，使用三個棱鏡50a、 50b和50c的組合來構(gòu)造光分離器 10，在圖l-3所用的橫截面方向各自為三角形，將必要的二向色涂層施加于各三 棱鏡表面。使用TIR在外表面18a和18b處進行反射，以及在相對的側(cè)表面46處 進行反射。共同部分22對應(yīng)于被圍起的棱鏡50b的體積。
在一種實施方式中，如圖4所示，外表面18a和18b基本上互相平行，棱鏡 實施方式的典型排列如圖3的橫斷面視圖所示。然而，這一關(guān)系并不是必要的， 也有很多這樣的應(yīng)用，其中有利地是使得外表面18a和18b相互不平行。二向色 表面16a和16b通常僅在輸出側(cè)20處或輸出側(cè)20附近交叉，和不交叉。然而，對 于光分離器10的適當(dāng)操作，二向色表面16a和16b不必精確交叉。如果二向色表 面16a和16b恰巧在輸出側(cè)20附近彼此交叉，位于二向色表面16a和16b之間的光
分離器的任何部分在交叉之后將不能用于該裝置的色分離功能。盡管如圖所 示，二向色表面16a和16b具有(相對于中心軸)互補的斜率，因此如橫截面圖所 示，這兩個表面從輸出側(cè)14的相反的拐角延伸到輸出側(cè)的中心，但是其它的排 列也是可以的。例如，光波導(dǎo)通道12a和12b各自的體積不必相等。
如圖4的實施方式所示，光分離器10可以是由玻璃、塑料或其它適合的透 明材料形成的棱鏡結(jié)構(gòu)，所示棱鏡結(jié)構(gòu)在其二向色表面16a和16b的內(nèi)部部分具有二向色涂層。在棱鏡實施方式中，外表面18a和18b通常使用全內(nèi)反射(TIR) 反射入射光，這在光導(dǎo)本領(lǐng)域是熟知的并且被廣泛使用，例如在用作均勻化元 件的集成棒中。任選地， 一個或多個外表面18a、 18b或棱鏡結(jié)構(gòu)的相對表面46 可以部分地涂敷有反射性材料。TIR是有利的，因為當(dāng)以合適的入射角提供光 的時候，TIR基本是無損失的。另一方面，用涂覆的材料進行反射，在各反射 中洄游一些損失，因此多次反射會導(dǎo)致顯著量的能量損失。然而，在外表面I8a 和18b的至少一些部分上提供反射性表面材料可能還有其它原因。
基于棱鏡的實施方式的另一種替換方式示于圖5的實施例中。在該實施方 式中，輸入側(cè)14敞開在空氣中。然后反射性外表面18a和18b必須具有一些類型 的反射性涂層。反射性涂層還將用于相對的側(cè)表面46，在圖5的剖面?zhèn)纫晥D中 看不到相對的側(cè)表面46。在圖5的實施方式中，共同部分22僅僅是位于二向色 表面16 a和16b之間的所述大氣空間。
串聯(lián)實施方式
盡管圖3、 4和5所示的實施方式提供了將光分離成兩個譜帶的裝置，但是 有很多應(yīng)用需要將光分離成三個、四個或更多個譜帶。為了實現(xiàn)這一點，還可 以使用串聯(lián)來獲得多波段光分離器24，如圖6和7的透視圖以及圖8的簡易圖所 示。參見圖6，光分離器10a首先將輸入側(cè)14a處的入射光分離成來自輸出側(cè)20a 處的更長或更短波長的譜帶組分。然后輸出側(cè)20a與第二光分離器10b的輸入側(cè) Mb光學(xué)耦合。第二光分離器10b從第一光分離器10a沿軸向旋轉(zhuǎn)90。，從而使得 由第一光分離器10a提供的各譜帶組分被再次分離成更長或更短波長的譜帶。結(jié) 果，在輸出頂ij20b處的光輸出具有四個譜帶，在圖6中分別表示為26a、 26b、 26c 和26d。
圖7從不同的透視角示出了與錐形的集成棒30(作為光學(xué)聚光器)耦合的多 波段光分離器24。該實施方式允許以放大的倍率對光進行光譜分離，這樣的一 種排布可以具有用于收集和分布太陽能或其它光生伏打能量的光譜組分的特 定值。作為錐形的集成棒30的一種替換方式，可以使用聚焦透鏡作為光學(xué)聚光 器。該透鏡的直徑比光分離器10a的輸出側(cè)14a更大。
圖8的側(cè)視簡易圖示出了使用串聯(lián)光分離器10a和10b進行光譜分離的另一 種實施方式。這里，多波段分離器24被構(gòu)造成在輸出側(cè)14a處接受白光W，輸出 RGB光，其中各譜帶被空間均勻化。第一光分離器10a將紅色光譜組分從藍色 和綠色光中分離出來。在輸出側(cè)20a的該藍色和綠色光與光分離器10b光學(xué)耦合，所述光分離器10b將藍光從綠光中另外分離出來。 陣列實施方式
盡管本發(fā)明的裝置可被單獨用作光分離器，例如很多成像器件中的照明系 統(tǒng)，但還有很多這樣的應(yīng)用，其中陣列排列將是有利的，包括小型化的光分離 器元件的陣列，各光分離器按照本發(fā)明進行設(shè)計。
參見圖9A和9B，從兩個不同的透視圖中，示出了多波段光分離器24的陣列 32。圖9A和9B示出了陣列32的3X3排列，在實踐中，陣列32可以是任意的尺寸， 隨應(yīng)用而定。當(dāng)然，光分離器10的簡單陣列被構(gòu)造成僅需要在各陣列元件處將 光分離成兩個光譜組分。
多色光，例如從圖9A和9B的右端所示的光提供表面36或其它的多色光源進 入的光，被引導(dǎo)進入陣列32的多波段分離器24中的一個。在所示的實施方式中， 各多波段分離器24與相應(yīng)的錐形集成棒30耦合，因此，譜帶26a、 26b、 26c和26d 內(nèi)的輸出光在輸出側(cè)20b被有效放大。在圖9A中，被分離的光導(dǎo)入光接收表面 34，該表面可將被分離的譜帶用于顯示目的或用于(沒有光提供表面36)產(chǎn)生能 量。示于圖9A和9B中的具體實施方式
是有利的，例如，當(dāng)多波段分離器24與光 生伏打電池的相應(yīng)陣列光學(xué)耦合時，例如排列在日光收集裝置中的單個光接收 表面34上、或排列為獨立的器件。如之前所注意到的，可對各光生伏打電池的 光生伏打材料進行優(yōu)化以處理各譜帶26a、 26b、 26c和26d的可用的光譜組分。
對于顯示器件，使用圖9A所示的排列，光提供表面36可以是背光裝置。光 接收表面34可以是光選通(light-gating)器件，例如液晶器件(LCD)，數(shù)字微鏡器 件(digital micromirror device)或一些其它類型的空間光調(diào)制器，其中獨立的光選 通元件調(diào)制光。參見使用圖9A的基本排列的顯示實施方式，可將光分離器10a、 10b的陣列32構(gòu)建在薄的材料片(例如玻璃或薄膜)上。光分離器10的陣列32可以 以最小型化的形式提供空間均勻化的、空間分離的常規(guī)RGB譜帶內(nèi)的可見彩色 光，或提供三種或多種顏色。各譜帶被引導(dǎo)進入光接收表面34上的光選通元件 進行調(diào)制。以這種方法使用，陣列32可用來取代常規(guī)的濾色片陣列(CFA)，例 如lisaka的美國專利申請公開第2004/0257541中所描述的濾色片陣列。無需增加 元件或濾色片就可提供額外的顏色的能力，可用于增加可用的色域。與使用吸 收性濾色片的常規(guī)CFA相比，陣列32具有增加光輸出的優(yōu)點。
可以觀察到光分離器10的設(shè)計容易適應(yīng)串聯(lián)構(gòu)造和陣列構(gòu)造，如圖6-9B中 所所示。這與任何常規(guī)類型的二向色彩色分離器(例如背景部分所提到的那些) 不同?？梢跃哂羞@種串聯(lián)和/或陣列能力是因為光分離器10—般沿著與輸出光相同的軸引導(dǎo)被分離的光。因此光分離器10提供用于光譜分離的"窄分布(narrow profile)"裝置，而不會相對于入射光的光軸正交地或以一些其他極端角來重新 定向光。
日光收集實施方式
參見圖ll，示出了用于從太陽或另外的輻射源產(chǎn)生電能的日光收集裝置 44。放大透鏡38或其它的光學(xué)聚光器將光導(dǎo)入光分離器10。透鏡38的輸入直徑 (i叩ut diameter)優(yōu)選比輸入側(cè)14的尺寸大。光分離器IO將光分離成更長波長的 譜帶和更短波長的譜帶。然后將各譜帶導(dǎo)入光生伏打電池40a或40b，通常使用 任選的透鏡42a、 42b作為光學(xué)聚光器，用于將各譜帶的光與相應(yīng)的光生伏打電 池40a或40b耦合。該排布是有利的，例如當(dāng)不同的材料用在光生伏打電池40a 和40b中時，對各自進行優(yōu)化，以用于不同的波段。以這種方式，本發(fā)明的裝 置提供了通常用于日光收集器件(例如Jackson的題目為"Solar Energy Converter(太陽能轉(zhuǎn)換器)"的美國專利2，949，498中所述)的常規(guī)堆疊光生伏打電 池方案的替代方式。
實踐考慮
如光學(xué)領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解的，參見圖l、 2和3進行描述的光的行為是 理想化的一級近似。當(dāng)然，二向色涂層的實際行為不夠完美。在實踐中，在被 分離的光的各個組分中，將有一些量的光譜污染。有益的是更近地觀察光的行 為以更好地了解本發(fā)明的裝置和方法的整體性能。
如前面所注意到的，二向色涂層對入射光的角度很敏感，使得可以預(yù)期一 些光譜污染將位于預(yù)定的閾波長處或預(yù)定的閾波長附近，這部分地取決于入射 光的角度。參見圖IO，示出了二向色表面16a(在該實施方式中被處理形成紅外 反射器)如何以高入射角處理光。在一定的入射角范圍內(nèi)，會發(fā)生一些量的光譜 污染(spectral contamination),尤其對于IR光。如圖10所示，在二向色表面16a 可發(fā)生一些量的紅外泄漏，甚至在低入射角的情況下也會發(fā)生。虛線所示的光 從輸出表面18b反射，由此朝著二向色表面16a重新定向。在其下一次入射在二 向色表面16a上時，光以更高的入射角入射，然而，大部分不希望的光被反射。 在輸出表面18b和二向色表面16a上的重復(fù)入射的入射角都越來越大，因此即使 該非有意的反射的效率連續(xù)變低，仍有一些量的泄漏光，保持"被捕獲"在光 波導(dǎo)通道中12b。
另一個實踐上考慮涉及二向色涂層本身的不完美的濾光性質(zhì)。關(guān)于本發(fā)明 的光分離器IO， 一些預(yù)定的波長被指定作為參考或在二向色表面16a和16b進行反射和透射的閾波長。例如，參見圖3，希望對多色光進行分離，以使得更長
波長譜帶的光RL在近紅外范圍或更高的波長(名義上約為750nm和更長的波 長)。較短波長譜帶的光Rs將包含可見波長范圍或更短的波長。對于該實施例， 對二向色表面進行處理以反射近紅外波長和更長的波長(標(biāo)定的閾波長為 750nm)，并透射比該閾波長短的波長。相反地，二向色表面16b被構(gòu)造成反射 比750nm更短的波長并透射更長的波長。
眾所周知，在實踐中通常難以得到這樣的二向色涂層，該二向色涂層能提 供在任何給定波長處的透射和反射之間的很急劇的轉(zhuǎn)變(sharp transition)。因此，
用作標(biāo)定的閾波長的預(yù)定波長(在該實施例中為750nmM乍為參考點，但是不是作 為絕對的"截止(cutoff)"閾值。也就是說，與一些光譜范圍(例如740-760nm)
不同，在該光譜范圍內(nèi)在各輸出光路RL和Rs都有一些可測量的光分布，因此兩 個譜帶有些重疊。對于各二向色表面16a和16b仔細地選擇閾波長，會有助于補
償長波長譜帶和短波長譜帶之間的重疊。然而，稍微的重疊是希望的。
二向色表面可用于提供偏振的光。例如，反射性的二向色表面可提供s-偏 振的輸出，該s-偏振的輸出可在輸出側(cè)20被光譜分離，其中不使用p-偏振的輸 出。
構(gòu)造
參見圖4，可使用棱鏡與施加到各個棱鏡表面的必要的二向色涂層的組合 來構(gòu)建光分離器IO?？墒褂貌ＡЩ蚬鈱W(xué)塑料來形成任何的棱鏡元件。有利的是， 可對相同的棱鏡幾何形狀使用不同的二向色處理。因此，可通過改變二向色(涂 層的)配方(無需使用不同的棱鏡形狀)來實現(xiàn)改變光分離器10的光譜性質(zhì)。在其 它實施方式中，例如圖5所示的實施方式，可通過固定能提供所需表面的適當(dāng) 的二向色和反射性元件來形成光分離器IO。如圖9A和9B中所描述的，以最小型 化的陣列形式將光分離器10構(gòu)建在塑料或玻璃上，可用于各種類型的顯示實施 方式。
如圖4和6中所示，相對的側(cè)表面46可以是棱鏡的側(cè)表面，其中這些表面是 平行的。然而，側(cè)表面46無需是平行的，可以是楔形的，從輸入側(cè)14到輸出側(cè) 20變窄或變寬。側(cè)表面46和外表面18a和18b的錐形可用來提供放大倍率或使輸 出光成形。側(cè)表面46可以是平面的，如圖4和6中所示，或者可以由不只一個面 形成，或具有一個或多個彎曲部分。
有益地注意到二向色色分離器，就如同該術(shù)語常規(guī)地用于X-立方、菲利普 棱鏡和類似的元件中一樣，在很多應(yīng)用中還用作色復(fù)合器。例如，當(dāng)光在圖3的示范性實施方式中所用的方向相反的方向傳播時，本發(fā)明的光分離器10可通 過將較長波長的光組分和較短波長的光組分組合在一起來用于形成多色光。
已經(jīng)具體參見某些優(yōu)選的實施方式詳細地描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解在如 上所述以及如權(quán)利要求中所述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可進行各種 變化和修改，不偏離本發(fā)明的范圍。例如，除了用于如本文的實施例的實施方 式所示的從可見光中分離紅外光外，二向色表面也可構(gòu)造用于一定范圍的預(yù)定 閾波長條件。也可向光路中加入額外的濾光器、偏振器、透鏡或其它光調(diào)節(jié)元 件，來調(diào)節(jié)或重新定向輸入的多色光或輸出的光譜組分。
因此，所提供的是一種用于對光進行光譜分離和空間均勻化的裝置和方法。
權(quán)利要求
1.一種光分離器，該光分離器將多色光分離成在預(yù)定波長之上的較長波長譜帶的光和在預(yù)定波長之下的較短波長譜帶的光，所述光分離器被限定在兩個相對的側(cè)表面之間，所述相對的側(cè)表面各自在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光，并且所述光分離器還具有用來接受所述多色光的輸入側(cè)，和用來提供已分離的較長和較短波長譜帶的光的輸出側(cè)，所述光分離器包括(a)第一光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并被限定在(i)和(ii)之間(i)第一二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更長的波長并透射比預(yù)定波長更短的波長；和(ii)第一外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光；和(b)第二光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并被限定在(i)和(ii)之間(i)第二二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更短的波長并透射比預(yù)定波長更長的波長；和(ii)第二外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光；還包括光分離器的共同部分，即第一和第二光波導(dǎo)通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之間，從輸出側(cè)到輸出側(cè)變窄。
2. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述第一外表面被涂覆有反射 性材料。
3. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述第一外表面是棱鏡的一個面。
4. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述第一外表面通過全內(nèi)反射 而反射入射光。
5. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述第一或第二光波導(dǎo)通道中 的至少一個的輸出側(cè)的光是被偏振的。
6. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述第一二向色表面形成在棱 鏡的面上。
7. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述第一二向色表面形成在透 明材料板上。
8. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述光分離器由三個棱鏡形成。
9. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，它還包括光學(xué)聚光器，用于將所述多色光導(dǎo)入輸入側(cè)。
10. 如權(quán)利要求9所述的光分離器，其特征在于，所述光學(xué)聚光器是透鏡。
11. 如權(quán)利要求9所述的光分離器，其特征在于，所述光學(xué)聚光器是錐形的光波導(dǎo)。
12. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述較長波長譜帶的光被導(dǎo) 向第一光生伏打電池，所述較短波長譜帶的光被導(dǎo)向第二光生伏打電池。
13. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述相對的側(cè)表面彼此平行。
14. 如權(quán)利要求l所述的光分離器，其特征在于，所述相對的側(cè)表面相對于彼 此呈楔形。
15. —種光分離器陣列，各光分離器將多色光分離成在預(yù)定波長之上的較 長波長譜帶的光和在預(yù)定波長之下的較短波長譜帶的光，其中各光分離器被限 定在兩個相對的側(cè)表面之間，所述相對的側(cè)表面各自在一定的角度范圍內(nèi)反射 入射光，并且各光分離器還具有用來接受所述多色光的輸入側(cè)，和用來提供已 分離的較長和較短波長譜帶的光的輸出側(cè)，各光分離器還包括(a) 第一光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并被限定在(i)和(ii)之間(i) 第一二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更長的波長，并透射 比預(yù)定波長更短的波長；和(ii) 第一外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光；禾口(b) 第二光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并被限定在(i)和(ii)之間(i) 第二二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更短的波長，并透射 比預(yù)定波長更長的波長；和(ii) 第二外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光； 還包括光分離器的共同部分，即第一和第二光波導(dǎo)通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之間，從輸出側(cè)到輸出側(cè)變窄。
16. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，所述第一外表面被涂覆有反射性材料。
17. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，所述第一外表面是棱鏡的一 個面。
18. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，所述第一外表面通過全內(nèi)反射而反射入射光。
19. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，所述第一或第二光波導(dǎo)通道 中的至少一個的輸出側(cè)的光是被偏振的。
20. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，所述第一二向色表面形成在 棱鏡的面上。
21. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，所述第一二向色表面形成在 透明材料板上。
22. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，所述光分離器由三個棱鏡形成。
23. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，它還包括光學(xué)聚光器，用于 將所述多色光導(dǎo)入輸入側(cè)。
24. 如權(quán)利要求23所述的光分離器，其特征在于，所述光學(xué)聚光器是透鏡。
25. 如權(quán)利要求23所述的光分離器，其特征在于，所述光學(xué)聚光器是錐形的光 波導(dǎo)。
26. 如權(quán)利要求15所述的光分離器，其特征在于，對于陣列中的至少一個光分 離器，所述較長波長譜帶的光被導(dǎo)向第一光生伏打電池，較短波長譜帶的光被導(dǎo)向 第二光生伏打電池。
27. —種多波段光分離器，所述多波段光分離器用于將多色光分離成多個 譜帶，所述多波段光分離器包括至少一個用于將多色光分離成第一和第二譜帶 的第一光分離器，和與所述第--光分離器光學(xué)耦合的第二光分離器，所述第二 光分離器用于將從所述第一光分離器接收的光分離成至少第三和第四譜帶，其 中所述第一和第二光分離器各自包括(a) 各自在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光的相對的側(cè)表面；(b) 第一光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并且所述第一光波導(dǎo)通道 被限定在(i)和(ii)之間(i) 第一二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更長的波長并透射比 預(yù)定波長更短的波長；和(ii) 第一外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光；禾口(c) 第二光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并且所述第二光波導(dǎo)通道被限定在(i)和(ii)之間(i) 第二二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更短的波長并透射比 預(yù)定波長更長的波長；和(ii) 第二外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光； 還包括光分離器的共同部分，即第一和第二光波導(dǎo)通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之間，從輸出側(cè)到輸出側(cè)變窄。
28. 如權(quán)利要求27所述的光分離器，其特征在于，它還包括光學(xué)聚光器，用于 將多色光導(dǎo)入所述第一光分離器的輸入側(cè)。
29. 如權(quán)利要求28所述的光分離器，其特征在于，所述光學(xué)聚光器是透鏡。
30. 如權(quán)利要求28所述的光分離器，其特征在于，所述光學(xué)聚光器是錐形的光 波導(dǎo)。
31. —種顯示裝置，該裝置包括多波段光分離器的陣列，其中所述各多波段光 分離器將多色光分離成至少三個譜帶，所述至少三個譜帶各自被導(dǎo)向光選通元 件，所述每個多波段光分離器都包括至少一個用于將多色光分離成第一和第二 譜帶的第一光分離器，和與所述第一光分離器光學(xué)耦合的第二光分離器，所述 第二光分離器用于將從所述第一光分離器接收的光分離成第三和第四譜帶，其中所述第一和第二光分離器各自包括(a) 各自在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光的相對的側(cè)表面；(b) 第一光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并且所述第一光波導(dǎo)通道被限定在(i)和(ii)之間:(i) 第一二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更長的波長并透射比預(yù)定波長更短的波長；和(ii) 第一外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光；和(c) 第二光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并且所述第二光波導(dǎo)通道被限定在(i)和(ii)之間(i) 第二二向色表面，用于反射比預(yù)定波長更短的波長并透射比預(yù)定波長更長的波長；和(ii) 第二外表面，其在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光； 還包括光分離器的共同部分，即第一和第二光波導(dǎo)通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之間，從輸出側(cè)到輸出側(cè)變窄。
32. 如權(quán)利要求31所述的顯示裝置，其特征在于，所述光選通元件是液晶 器件。
33. 如權(quán)利要求31所述的顯示裝置，其特征在于，所述光選通元件是數(shù)字 微鏡器件。
34. —種由光源產(chǎn)生電能的裝置，所述裝置包括(a) 光分離器，該光分離器用于將接收到的光分離成在預(yù)定波長之上的較 長波長譜帶的光和在預(yù)定波長之下的較短波長譜帶的光，所述光分離器被限定 在兩個相對的側(cè)表面之間，所述相對的側(cè)表面各自在一定的角度范圍內(nèi)反射入 射光，并且所述光分離器還具有用來接受所述多色光的輸入側(cè)，和用來提供已 分離的較長和較短波長譜帶的光的輸出側(cè)，所述光分離器包括(i)第一光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并被限定在第一 二向色表面和第一外表面之間，所述第一二向色表面用于反射比預(yù)定波 長更長的波長并透射比預(yù)定波長更短的波長；所述第一外表面在一定的 角度范圍內(nèi)反射入射光；和(ii)第二光波導(dǎo)通道，從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并被限定在第 二二向色表面和第二外表面之間，所述第二二向色表面用于反射比預(yù)定 波長更短的波長并透射比預(yù)定波長更長的波長，所述第二外表面在一定的角度范圍內(nèi)反射入射光；還包括光分離器的共同部分，即第一和第二光波導(dǎo)通道的一部 分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之間，從輸出側(cè)到輸 出側(cè)變窄；(b) 與所述光分離器光學(xué)耦合的第一光生伏打電池，用于獲得較長波長譜帶的光；(c) 與所述光分離器光學(xué)耦合的第二光生伏打電池，用于獲得較短波長譜帶的光。
35. 如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，它還包括用于將光導(dǎo)向所述光分 離器的透鏡。
36. 如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，它還包括用于將光導(dǎo)向所述光分 離器的錐形集成棒。
37. 如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，它還包括用于將較長波長譜帶的 光導(dǎo)向所述第一光生伏打電池的光學(xué)聚光器。
全文摘要
光分離器將多色光分離成較長波長的譜帶和較短波長的譜帶。所述光分離器被限定在兩個相對的側(cè)表面之間，所述相對的側(cè)表面反射入射光，并且所述光分離器還具有用來接受所述多色光的輸入側(cè)和用來提供已分離的譜帶的輸出側(cè)。第一光波導(dǎo)通道從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并位于第一二向色表面和第一外表面之間，所述第一二向色表面用于反射較長的波長并透射較短的波長，所述第一外表面反射入射光。第二光波導(dǎo)通道從輸入側(cè)到輸出側(cè)變窄，并位于第二二向色表面和第二外表面之間，所述第二二向色表面用于反射較短的波長并透射較長的波長，所述第二外表面反射入射光。光分離器的一部分是第一和第二光波導(dǎo)通道共有的。
文檔編號G02B27/14GK101317117SQ200680044635
公開日2008年12月3日 申請日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者J·M·科布 申請人:康寧股份有限公司