CN112698511B - 光合波器以及使用其的图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光合波器以及使用其的图像投影装置，光合波器具备：入射面(10)，入射波长不同的多个入射光；第1反射部(20)，对多个入射光进行反射；以及射出面(30)，将由第1反射面反射的多个反射光射出，在入射面设置有与各入射光对应的多个相邻的聚光透镜(11、12、13)，第1反射面具有反射由聚光透镜聚光的光的多个相邻的反射面(21、22、23)，多个反射面分别被配置为：相对于由相邻的聚光透镜聚光的各入射光所成的角度(α)，由相邻的反射面反射的各反射光所成的角度(β)小，在射出面设置有由多个反射面反射的各反射光向相同的位置入射而沿相同方向被衍射的衍射光栅(31)。

Description

光合波器以及使用其的图像投影装置
技术领域
本发明涉及对波长不同的多个入射光进行合波并射出的光合波器以及使用该光合波器的图像投影装置。
背景技术
已知有使用能够对每个波长控制反射和透射的分色镜来将不同波长的光合波为1个光的光合波器。
使用了分色镜的光合波器能够以高的光效率对不同波长的光进行合波，但需要多层的光学薄膜，存在成本变高的课题。
在专利文献1中公开了使用衍射光栅的光合波器。专利文献1所公开的光合波器如图9所示，衍射光栅100与准直透镜110、120、130由一体化的树脂构成。波长不同的光L1、L2、L3分别被准直透镜110、120、130平行光化，并在衍射光栅100进行衍射反射。设定光L1、L2、L3向衍射光栅100的入射角，使得入射到衍射光栅100的相同位置且各光的反射光成为同一光路L4。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-243987号公报
发明内容
本发明所涉及的光合波器是对波长不同的多个入射光进行合波并射出的光合波器，具备：入射面，入射多个入射光；第1反射部，对入射到入射面的多个入射光进行反射；以及射出面，将由第1反射部反射的多个反射光向外部射出。
在入射面设置有与各入射光对应的多个相邻的聚光透镜，第1反射部具有分别反射由各聚光透镜聚光的光的多个相邻的反射面，多个反射面分别被设置为：相对于由相邻的聚光透镜聚光的各入射光所形成的角度，由相邻的反射面反射的各反射光所成的角度小，在射出面，设置有由多个反射面反射的多个反射光向相同的位置入射而沿相同方向被衍射的透射型的衍射光栅。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的一实施方式中的光合波器的结构的俯视图。
图2是沿着图1的II-II线的剖视图。
图3A是第1反射部的俯视图。
图3B是沿着图3A的IIIb-IIIb线的剖视图。
图4是表示入射到第1反射部的入射光与由第1反射部全反射的反射光的关系的图。
图5是在图2中从与X轴垂直的方向观察的衍射光栅的放大图。
图6A是本发明的变形例中的第1反射部的俯视图。
图6B是沿着图6A的VIb-VIb线的剖视图。
图7是表示入射到第1反射部的入射光与由第1反射部全反射的反射光的关系的图。
图8是示意性地表示本发明的其他实施方式中的图像投影装置的图。
图9是表示现有的光合波器的结构的图。
符号说明
1 光合波器
2 图像投影装置
10 入射面
11、12、13 聚光透镜
20 第1反射部
21 第1反射面
22 第2反射面
23 第3反射面
30 射出面
31 衍射光栅
40 第2反射部
50、51、52 光源
60 扫描单元
70 控制单元
L1、L2、L3 入射光
L1a、L2a、L3a 反射光
L1b、L2b、L3b 反射光
具体实施方式
专利文献1所公开的光合波器能够通过树脂成形而一体地制造衍射光栅100和准直透镜110、120、130，因此能够实现成本的降低。
然而，若将不同波长的光L1、L2、L3的光源在物理上分离地配置，则各波长的光在衍射光栅100处的衍射角变大，因此衍射效率大幅降低。这是因为，对于一个波长的光，能够实现高衍射效率的最佳化，但对于最佳化的波长以外的光，衍射效率降低。特别是，若增大衍射角，则相对于最佳化的波长以外的光，衍射效率的降低变得显著。
另一方面，若减小衍射光栅100处的衍射角，则衍射效率变高，但各波长的光的衍射角彼此接近。因此，为了将各波长的光的光源相互分离，需要加长从各波长的光源到衍射光栅100的光路长度。其结果，需要将各波长的光源配置在距衍射光栅100相当远的位置，因此存在包括光源的光学***统大型化的课题。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其主要目的在于，提供一种衍射效率高、能够实现包括光源的光学***统的小型化的光合波器。
以下，基于附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，本发明并不限定于以下的实施方式。此外，在不脱离发挥本发明的效果的范围的范围内能够进行适当的变更。
图1是示意性地表示本发明的一实施方式中的光合波器的结构的俯视图。此外，图2是沿着图1的II-II线的剖视图。另外，在图1中，将纸面上下方向设为X轴，将纸面进深方向设为Y轴，将纸面左右方向设为Z轴。
如图1以及图2所示，本实施方式中的光合波器1具备入射面10、第1反射部20、第2反射部40以及射出面30，分别形成于透明的同一构件的表面。透明的同一构件例如包括丙烯酸、聚碳酸酯、玻璃等。
波长不同的多个入射光入射到入射面10。入射到入射面10的多个入射光被第1反射部20反射。由第1反射部20反射的多个反射光在第2反射部40被平行光化而被反射。由第2反射部40反射的多个平行光被设置于射出面30的衍射光栅31合波，从射出面30射出到外部。例如，在使用光的3原色即红色、绿色、蓝色的波长的光作为波长不同的多个入射光的情况下，从射出面30射出合波了3个波长的光的白色光。
以下，对光合波器1的各结构进行详细说明。
如图1以及图2所示，在与光合波器1对置的位置配置有射出波长不同的光L1、L2、L3的光源50、51、52。光源50、51、52例如包括半导体激光器。
从光源50、51、52射出的L1、L2、L3入射到入射面10。在入射面10相邻地设置有与各入射光L1、L2、L3对应的多个聚光透镜11、12、13。由聚光透镜11、12、13聚光的光L1、L2、L3入射到第1反射部20。
图3A是第1反射部20的俯视图，图3B是沿着图3A的IIIb-IIIb线的剖视图。
如图3A以及图3B所示，第1反射部20具有将由各聚光透镜11、12、13聚光的光分别反射的多个相邻的反射面(第1反射面21和与第1反射面相邻的第2反射面22以及第3反射面23)。
在本实施方式中，如图3B所示，第1反射面21形成于XZ面内，第2反射面22以及第3反射面23分别相对于第1反射面21而相互沿斜向倾斜地配置。另外，第1反射部20形成在从光合波器1的底部凹陷的位置。
聚光透镜11、12、13包括在正交的方向上不同的曲率的透镜，例如包括变形形状。入射到各聚光透镜11、12、13的光L1、L2、L3分别在XZ面内和YZ面内分别聚光。由此，如图3A和图3B所示，光L1、L2、L3在各反射面21、22、23的中央附近以宽度b的线状聚光。此外，如图2所示，光L1在YZ面中以接***行光的状态入射到反射面21。同样地，光L2、L3也分别在YZ面中以接***行光的状态入射到反射面22、23。
入射光L1、L2、L3向各反射面21、22、23的入射角被设定为大于全反射的临界角。例如，在光合波器1由聚碳酸酯(折射率为约1.59)构成的情况下，全反射的临界角为约39°。
图4是表示入射到反射面21、22、23的入射光L1、L2、L3与由反射面21、22、23全反射的反射光L1a、L2a、L3a的关系的图。
如图4所示，相对于Z轴平行地入射到第1反射面21的光L1相对于Z轴平行地反射出反射光L1a。与此相对，第2反射面22相对于第1反射面21倾斜，因此相对于Z轴以角度α入射的光L2相对于Z轴以比角度α小的角度β反射出反射光L2a。同样地，由于第3反射面23也相对于第1反射面21倾斜，因此相对于Z轴以角度α入射的光L3相对于Z轴以比角度α小的角度β反射出反射光L3a。
即，多个反射面21、22、23被配置为：相对于由相邻的聚光透镜11、12(11、13)聚光的入射光L1、L2(L1、L3)所成的角度α，由相邻的反射面21、22(21、23)反射的反射光L1a、L2a(L1a、L3a)所成的角度β小。
这样，在本实施方式中，包括多个反射面21、22、23的第1反射部20具有光线角度变换功能。因此，如图1所示，即使将不同波长的光L1、L2、L3的光源50、51、52在光合波器1的附近配置在物理上分离的位置，也能够将相互所成的角度大的入射光L1、L2、L3变换为相互所成的角度小的反射光L1a、L2a、L3a。如后所述，反射光L1a、L2a、L3a入射到衍射光栅，因此能够减小反射光L1a、L2a、L3a在衍射光栅中的衍射角。其结果，能够实现衍射效率高的光合波器1。
此外，即使将不同波长的光L1、L2、L3的光源50、51、52配置在光合波器1的附近，也能够实现衍射效率高的光合波器1，能够缩短包括光源的光学***的长度，实现小型化。
如图1以及图2所示，由反射面21、22、23反射的反射光L1a、L2a、L3a入射到第2反射部40。第2反射部40例如包括变形形状的全反射透镜，在XZ面内和YZ面内分别进行聚光。另外，第2反射部40被配置为全反射透镜的焦点面位于各反射面21、22、23的中央附近，使得第2反射部40处的反射光L1b、L2b、L3b平行光化。由此，由第2反射部40反射的反射光L1b、L2b、L3b成为圆形。
如图1以及图2所示，由第2反射部40反射的反射光L1b、L2b、L3b入射到设置于射出面30的透射型的衍射光栅31。
图5是在图2中从与X轴垂直的方向观察的衍射光栅31的放大图。衍射光栅31的光栅槽是倾斜角θ的火焰型，包括间距p的周期构造。此外，衍射光栅31的光栅槽方向与YZ面平行，面法线P在XZ面内与Z轴成角度地配置。
如图5所示，由第2反射部40反射的反射光L1b、L2b、L3b成为平行光，因此反射光L1b以及反射光L2b所成的角度β以与图4所示的角度β相同的角度入射到衍射光栅31。同样地，反射光L1b以及反射光L3b所成的角度β也以与图4所示的角度β相同的角度入射到衍射光栅31。此外，衍射光栅31被配置为：在反射光L1b、L2b、L3b由衍射光栅31衍射并射出时，1次衍射光L4与衍射光栅31的光栅面垂直。
具体地说，若将反射光L1b、L2b、L3b的衍射角分别设为 将入射光L1、L2、L3的波长设为λ1、λ2、λ3，将光合波器1的折射率设为n，则衍射光栅31被配置为满足以下的式(1)、(2)、(3)。另外，衍射角是入射光相对于衍射光栅31的面法线P的角度。
这里，在以相对于波长λ1的反射光L1b使1次衍射光的衍射效率(以下仅称为“1次衍射效率”)最大的方式使衍射光栅31的光栅槽深度最佳化的情况下，相对于波长λ2、λ3的反射光L2b、L3b的1次衍射效率低于相对于反射光L1b的1次衍射效率。
如图5所示，衍射角与衍射角/>之差/>以及衍射角/>与衍射角/>之差与图4所示的角度β相等。此外，如参照图4所说明的那样，入射光L1、L2以及L1、L3所成的角度α通过具有光线角度变换功能的第1反射部20而被转换为反射光L1a、L2a以及L1a、L3a所成的角度β。
由于角度β小于角度α，因此衍射角与/>之差β/>以及衍射角/>与/>之差β/>变小。因此，反射光L2b、L3b的衍射角/>也变小。由于衍射角/>越小，1次衍射效率的降低越少，因此，反射光L2b、L3b也大部分作为1次衍射光而向与衍射光栅31的光栅面垂直的方向射出。其结果，能够实现1次衍射效率高的光合波器1。
然而，若将第1反射部20(多个反射面21、22、23)与第2反射部40的距离设为D，则如图4所示，反射面21与反射面22以及23的距离L由以下的式(4)表示。
L＝D×tanβ 式(4)
因此，通过减小L，能够进一步减小反射光L1b、L2b的衍射角之差以及反射光L1b、L3b的衍射角之差/>
此外，如图3B所示，入射到聚光透镜11、12、13的入射光L1、L2、L3在各反射面21、22、23的中央附近以宽度b的线状聚光。然而，若减小宽度b，则由于入射光L1、L2、L3的能量集中，反射面21、22、23有可能因热而熔化。因此，宽度b优选至少为衍射极限处的光束直径的数倍以上。例如，若聚光透镜11、12、13的数值孔径(NA)为0.3、波长λ为530nm(绿色的波长)，则衍射极限(λ/NA)为1.77μm。因此，在将宽度b设定为衍射极限的5倍以上的情况下，宽度b优选设为9μm以上。
此外，通过使反射面21与反射面22以及23的距离L为L≥2×b，能够在相邻的反射面21、22、23之间防止入射光L1、L2、L3的泄漏。例如，若将第1反射部20与第2反射部40的距离D设为10mm，则在将宽度b设定为9μm的情况下，β约为0.1°。此外，在将宽度b设定为90μm的情况下，β/>约为1°。因此，由相邻的反射面21、22、23反射的反射光L1a、L2a、L3a所成的角度β典型地优选为2°以下。
如上所述，根据本实施方式，通过在设置有聚光透镜11、12、13的入射面10与设置有衍射光栅31的射出面30之间配置具有光线角度变换功能的第1反射部20，能够实现衍射效率高且能实现包括光源的光学***的小型化的光合波器1。
此外，通过使第1反射部20包括第1反射面21和相对于第1反射面21相互沿斜向倾斜配置的第2反射面22以及第3反射面23，能够以简单的结构实现光线角度变换功能。
此外，通过在透明的同一构件的表面形成入射面10、第1反射部20、第2反射部40以及射出面30，能够通过模具成形来制造光合波器1。由此，能够实现量产化容易且低成本的光合波器1。
在本实施方式中，在作为波长不同的多个入射光而使用光的3原色即红色、绿色以及蓝色的半导体激光器的情况下，能够从衍射光栅31射出3原色的入射光被合波的白色的射出光L4。由此，与LED相比，能够得到显色性高的白色光。此外，通过改变各波长的光强度，能够生成各种颜色的射出光。
此外，在作为波长不同的多个入射光而使用红色、绿色以及蓝色的波长的光的情况下，优选使绿色的波长的入射光入射到第1反射面21，使波长比绿色长的红色的入射光入射到第2反射面22，使波长比绿色短的蓝色的入射光入射到第3反射面23。在该情况下，优选绿色的波长的入射光被设定为在衍射光栅31中1次衍射效率最大。
(变形例)
在上述实施方式中，如图3A以及图3B所示，将第1反射部20形成在从光合波器1的底部凹陷的位置。然而，如图6A以及图6B所示，也可以将第1反射部20形成在从光合波器1的底部突出的位置。在此，图6A是第1反射部20的俯视图，图6B是沿着图6A的VIb-VIb线的剖视图。
与图3A以及图3B所示的情况同样地，第2反射面22以及第3反射面23分别配置为相对于第1反射面21而相互沿斜向倾斜。
图7是表示入射到反射面21、22、23的入射光L1、L2、L3与由反射面21、22、23全反射的反射光L1a、L2a、L3a的关系的图。
如图7所示，相对于Z轴平行地入射到第1反射面21的光L1相对于Z轴平行地反射出反射光L1a。另一方面，入射光L2与入射光L1交叉，相对于Z轴以角度α入射到第3反射面23，以相对于Z轴小于角度α的角度β反射出反射光L2a。同样地，入射光L3与入射光L1交叉，相对于Z轴以角度α入射到第2反射面22，以相对于Z轴比角度α小的角度β反射出反射光L3a。即，入射光L2以及L3与图3A以及图3B所示的情况不同，分别入射到相反侧的反射面23、22并被反射。
这样，在本变形例中，包括多个反射面21、22、23的第1反射部20也具有光线角度变换功能。
(其他实施方式)
图8是示意性地表示使用上述实施方式中说明的光合波器1构成的图像投影装置的图。另外，关于光合波器1的各结构以及功能，省略说明。
如图8所示，本实施方式中的图像投影装置2具备：光合波器1；将波长不同的多个光L1、L2、L3入射到光合波器1的光源50、51、52；扫描从光合波器1射出的射出光L4的扫描单元60；控制各光源50、51、52中的射出光L1、L2、L3以及扫描单元60中的射出光L4的扫描的控制单元70。在此，光L1、L2、L3例如包括红色、蓝色、绿色的波长。
具体地说，控制单元70与从外部输入的影像信号81同步地，将与各波长的颜色分量对应的驱动信号82输入到各光源50、51、52，各光源50、51、52根据驱动信号82射出光L1、L2、L3。同时，控制单元70与影像信号81同步地向扫描单元60输入控制射出光L4的扫描的控制信号80。扫描单元60根据控制信号80，在水平方向以及垂直方向上扫描射出光L4，将扫描光线L5投影到屏幕(未图示)上。由此，在屏幕上，投影与影像信号81对应的影像。
另外，也可以代替将扫描光线L5投影到屏幕上，而投影到人眼的视网膜上。例如，可以应用于将眼镜佩戴于人的头部而投影到视网膜的头戴式显示器、将图像投影装置2设置于汽车的车体并用半透半反镜使扫描光线L5反射而投影到视网膜的平视显示器等。
以上，通过优选的实施方式对本发明进行了说明，但这样的记述并不是限定事项，当然能够进行各种改变。
例如，在上述实施方式中，设置了对由第1反射部20反射的多个反射光L1a、L2a、L3a进行平行光化的第2反射部40，但若反射光L1a、L2a、L3a接***行光，也可以不设置第2反射部40。
此外，在上述实施方式中，在第1反射部20中，将入射光L1、L2、L3向各反射面21、22、23的入射角设定为使入射光L1、L2、L3全反射，但也可以不进行全反射。此外，也可以将第1反射部20设为蒸镀了铝等的反射镜面。
此外，在上述实施方式中，作为波长不同的入射光，说明了光的3原色的波长的例子，但并不限定于此，只要是任意的不同波长的光即可。此外，波长不同的入射光不限于3个，只要是2个以上的任意数量即可。例如，在2个波长的情况下，可以是可见光与近红外或近紫外的不可见光的组合。或者，也可以是近红外和近紫外的不可见光彼此的组合。此外，也可以对3原色的光施加辅助色的光而使用4个波长，由此，能够扩大合波后的光的表现范围。
此外，在上述实施方式中，作为光源50、51、52，说明了使用半导体激光器的例子，但并不限定于此，例如也可以使用LED光源。另外，在使用LED光源的情况下，优选光谱宽度窄的LED光源。
此外，在上述实施方式中，使入射光L2入射到第2反射面22的角度α和入射光L3入射到第3反射面23的角度α相同，但也可以分别以不同的角度入射到第2反射面22以及第3反射面23。
此外，在上述实施方式中，将入射面10、第1反射部20、第2反射部40以及射出面30形成于透明的同一构件的表面，但其一部分也可以由其他部件构成。
根据本发明，能够提供一种衍射效率高且能实现包括光源的光学***的小型化的光合波器。

Claims (10)

1.一种光合波器，对波长不同的多个入射光进行合波并射出，具备：
入射面，入射所述多个入射光；
第1反射部，对入射到所述入射面的所述多个入射光进行反射；以及
射出面，将由所述第1反射部反射的多个反射光向外部射出，
在所述入射面设置有与各入射光对应的多个相邻的聚光透镜，
所述第1反射部具有分别反射由各所述聚光透镜聚光的入射光的多个相邻的反射面，
所述多个相邻的反射面分别被配置为：相对于由相邻的所述聚光透镜聚光的各入射光所成的角度，由相邻的所述反射面反射的各反射光所成的角度小，
在所述射出面，设置有由所述多个相邻的反射面反射的多个反射光向相同的位置入射而沿相同方向被衍射的透射型的衍射光栅。
2.根据权利要求1所述的光合波器，其中，
所述多个相邻的反射面包括第1反射面、与该第1反射面相邻的第2反射面以及第3反射面，
所述第2反射面以及第3反射面分别被配置为：相对于所述第1反射面而相互沿斜向倾斜。
3.根据权利要求1所述的光合波器，其中，
所述入射面、所述第1反射部以及所述射出面形成于透明的同一构件的表面。
4.根据权利要求1所述的光合波器，其中，
所述光合波器还具备：将由所述多个相邻的反射面反射的各反射光平行光化并反射的第2反射部，
由所述第2反射部反射的多个平行光入射到所述衍射光栅。
5.根据权利要求1所述的光合波器，其中，
所述多个相邻的反射面分别对入射到所述入射面的所述多个入射光进行全反射。
6.根据权利要求1所述的光合波器，其中，
由相邻的所述反射面反射的各反射光所成的角度为2°以下。
7.根据权利要求1所述的光合波器，其中，
多个所述聚光透镜将所述多个入射光分别以线状聚光到所述多个相邻的反射面。
8.根据权利要求2所述的光合波器，其中，
所述多个入射光包括光的3原色的波长即红色的波长、绿色的波长以及蓝色的波长，
所述绿色的波长的入射光入射到所述第1反射面，
所述红色的波长的入射光以及所述蓝色的波长的入射光分别入射到所述第2反射面以及所述第3反射面。
9.根据权利要求8所述的光合波器，其中，
所述绿色的波长的入射光被设定为：在所述衍射光栅中1次衍射光的衍射效率最大。
10.一种图像投影装置，具备：
权利要求1～9中的任一项所述的光合波器；
多个光源，射出波长不同的多个光，将该多个光入射到所述光合波器；
扫描单元，对从所述光合波器将所述多个光合波并射出的射出光进行扫描；以及
控制单元，控制所述光源中射出的多个光以及所述扫描单元中所述射出光的扫描。
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