CN1204778A - 分离光束的装置和方法及该装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用平板的光分离装置包括宽带抗反射涂敷薄,允许由一光源生成的入射光束以第一角度透入材料而无反射;第一分色镜,只允许具有第一波长的光束穿过并反射其它波长的光束;强反射涂敷薄膜,用于反射光束;第二分色镜,只允许具有第二波长的光束穿出材料并反射具有第三波长的光束;强反射涂敷薄膜,用于反射光束;抗反射涂敷薄膜,允许具有第三波长的光束穿出材料而无反射。从而将一个光束分离为具有不同颜色的三个光束。

Description

分离光束的装置和方法及 该装置的制造方法
本发明涉及一种将白光分离为红、蓝和绿三色的装置，以及光分离方法。更为具体地说，本发明涉及一种方法，用于通过一种以特殊方式制成的、发自光源的光束进入其中的镜将此光束分离为三色。此外，本发明涉及一种制作此镜的方法。这一装置的应用领域是，比如在诸如彩色扫描器和彩色复印器(复印机)这样的设备之中的光分离。此装置用于一种显示投影方法，此方法通过诸如3通道声-光调制器这样的按照图像信号运作的调制器独立地为每一颜色调制光，并将红、绿和蓝每一单色的调制图像投影在屏幕上。除了以上实例之外，还有许多其它的应用。
现有的一般光分离装置可利用一棱镜或一示于图3的分色镜来分离光。不过，采用这种装置要达到光学效率和光学对准是并不容易的。另外，EPO0，211，596 A2之中的现有技术采用分别具有600nm频带波长(红)、500nm频带波长(绿)和400nm频带波长(蓝)的三束激光作为光源。不过这种***的缺点在于，非常复杂和笨重。
采用光分离方法的现有的声-光调制器通过用分别具有600nm频带波长(红)、500nm频带波长(绿)和400nm频带波长(蓝)的三束激光作为输入装置的三色光源来调制光。由于采用这种光源，此装置不得不是非常庞大的，并且难以商品化。因此，经过一段时间，先前的庞大装置已经简化而制成较小的装置了。在一种情况下，白色激光(包括氪气和氩气)用作一种激光光源。由激光生成的光束利用示于图3的分色镜分离为三色(红、绿和蓝)。这种现有的装置也利用三个光分离镜和三个光学调制器，每种颜色各一个，所以这种装置具有的缺点是不很轻巧而且昂贵。
美国专利第4，125，864号公开了多个基本上具有相等强度的平行出射光束可以从具有短波长的入射光获得，以便用于图像复制装置，诸如打印机。此专利公开了一种分束器，它可以把具有单一波长的光束分离成为多个基本上具有相等强度的光束。这些光束有助于在图像中构成许多半色调斑点，从而工作原理不同于本发明的用于显示器的3通道光分离器。
日本有待公开的专利第55-25045号公开了一种光学波分多路复用-分支方法，具有一光学波分多路复用器和一光学波长分支滤波器，以利用各种光学过滤传输方法同时传输大量光学波长。此专利公开了一种用于光学通信的光学波长多分支滤波器，其中波长范围是从0．7到1．3的红外范围，并且制作得可以使用一种由多层电介质构成的干涉式带通滤波器来滤除非常狭窄的波长频带。因而，这种装置不同于利用分色镜有高输出的激光应用和高效率滤波的本发明。此外，在此日本专利中，考虑到光纤的光学传输损耗特性和各出射波长之间的间距与平行度并非恒定这一事实，干涉式带通滤波器，按照特定波长的顺序予以配置。相反，本发明允许光学滤波器不需考虑光学传输损耗而予以配置，并且设计得可以保持各出射光束之间的平行度。
另一现有技术公开在美国专利第5，071，225号之中。此专利公开了一种分束器，可把具有几种波长的单独一束入射光束分别分解为各波长分量。对于每一分离出来的波长，此装置可把这些光束分解成为具有同一波长的许多局部光束。
美国专利第5，071，225号中许多二次分解的具有相同波长的光束具有彼此不同的强度。此外，它们不允许各出射光束之间保持平行度，因为各光束是由于对于介质的折射率之间的差别而按波长分解开来的，并且各出射光束的出射角是彼此不同的。
本发明旨在提供一种方法，用于利用白色激光(包括氪气和氩气)作为激光光源来将一光束分离成为具有不同颜色(红、绿和蓝)的三个光束，比现有技术的光分离***要紧密得多。
本发明的目的是提供一种采用平板的光分离装置。
本发明的另一目的是提供一种采用平板的光分离装置的制作方法。
按照一实施例，本发明的用于将入射光束分离成为分别具有第一、第二和第三波长的各光束的光分离装置包括宽带抗反射涂敷薄膜、第一分色镜、第二分色镜、宽带强反射涂敷薄膜、抗反射涂敷薄膜和一种材料。宽带抗反射涂敷薄膜允许由光源生成的入射光束以第一角度而无反射地进入材料。第一分色镜只允许来自通过宽带抗反射涂敷薄膜而进入的光束中具有第一波长的光束以第一角度透入并以第二角度反射具有其它波长的光束。宽带强反射涂敷薄膜以第二角度反射从第一分色镜反射出来的光束。第二分色镜只允许具有第二波长的光束以第一角度透过，以致它平行于穿过第一分色镜的具有第一波长的光束。第二分色镜也以第二角度反射具有第三波长的光束。宽带强反射涂敷薄膜以第二角度反射从第二分色镜反射出来的光束。抗反射涂敷薄膜允许具有第三波长的光束以第一角度透入而无反射，以致它平行于穿过第二分色镜的具有第二波长的光束。穿过宽带抗反射涂敷薄膜的光束和从第一分色镜、第二分色镜和宽带强反射涂敷薄膜反射出来的光束都通过该材料。
按照本发明的一项实施例，第一角度是从垂直方向到入射平面和输出平面的夹角，而第二角度是从垂直方向到反射平面的夹角。
按照本发明的一项实施例，宽带强反射涂敷薄膜和宽带抗反射涂敷薄膜都平行于第一分色镜、第二分色镜和抗反抗涂敷薄膜。
按照本发明的一项实施例，第一分色镜和第二分色镜，以及抗反射涂敷薄膜通过材料而与宽带强反射涂敷薄膜和宽带抗反射涂敷薄膜隔开一相等的距离t。
按照本发明，入射光束的入射角和材料的厚度t可以调节，以便调节穿过第一分色镜的具有第一波长的光束与穿过第二分色镜的具有第二波长的光束之间或者穿过第二分色镜的具有第二波长的光束与穿过抗反射涂敷薄膜的具有第三波长的光束之间的间距。
按照本发明的一项实施例，穿过第一分色镜的具有第一波长的光束与穿过第二分色镜的具有第二波长的光束之间的间隔等于穿过第二分色镜的具有第二波长的光束与穿过抗反射涂敷薄膜、具有第三波长的光束之间的间距。
按照本发明的一项实施例，入射光束是白色光。
按照本发明的一项实施例，第一波长、第二波长和第三波长分别是蓝光波长、绿光波长和红光波长。
按照本发明的一项实施例，一种将入射光束分离成为分别具有第一、第二和第三波长的三个光束的方法所包括的各步骤是：允许入射光束以第一角度透入一种材料而无反射；只允许具有第一波长的光束以第一角度穿出材料并且以第二角度在材料之内第一次反射具有其它波长的光束；以第二角度在材料之内第二次反射经过第一次反射的光束；只允许具有第二波长的光束以第一角度穿出材料并以第二角度第三次反射具有第三波长的光束；以第二角度在材料之内第四次反射经过第三次反射的光束，以及允许具有第三波长的光束以第一角度穿出材料而无反射。
按照本发明的一项实施例，一种用于分离入射光束成为分别具有第一、第二和第三波长的三个光束的装置，其制造方法各步骤包括：施加一宽带抗反射涂敷薄膜于平板第一面的一部分，此平板具有厚度t、折射率n，而此第一面和对置于此第一面的第二面具有充分的平度以允许来自光源的入射光束以第一角度透入平板而无反射；施加第一分色镜涂敷薄膜于此平板第二面的一部分，以便只允许来自穿过宽带抗反射涂敷薄膜的光束中具有第一波长的光束以第一角度透过并以第二角度反射具有其它各波长的光束；施加一宽带强反射涂敷薄膜在此平板第一面的其余部分上，以便反射以第二角度从第一分色镜反射出来的光束；施加第二分色镜于平板第二面，靠近第一分色镜，以允许具有第二波长的光束以第一角度透过并以第二角度反射来自穿过宽带强反射涂敷薄膜的具有第三波长的光束；以及施加一抗反射涂敷薄膜于平板第二面，靠近第二分色镜，以允许从宽带强反射涂敷薄膜反射的具有第三波长的光束以第一角度透过而无反射。
本发明的其它各项目的和优点，在阅读以下详细说明之后和在参考各附图之后，将变得更加清楚，其中：
图1示出采用根据本发明的平板的一种光分离装置的总体结构；
图2示出采用根据本发明的平板的光分离装置的尺寸；
图3示出一种传统的光分离装置的总体结构。
由于本发明易于作出多种改型和替换形式，其一些具体实施例业已通过范例显示在附图之中并将在此予以详细说明。不过，应当理解，并不试图把本发明限制于所公开的一些特定形式，而是相反，本发明试图包括属于由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范畴之内的所有改型、等效和替代装置。
本发明将通过各附图予以详细说明。
按照本发明的一实施例，一种采用混合分色镜分离光束的装置包括一种材料13；宽带抗反射涂敷薄膜12，用于允许从白光光源10以第一角度(θO)进入的入射光束11透过而无反射；第一分色镜涂敷薄膜14，用于只允许具有第一波长(λ1)的光束以第一角度透过并用于以第二角度(θG)反射来自穿过宽带抗反射涂敷薄膜12的光束中具有其它各波长的光束；一宽带强反射涂敷薄膜16，用于以第二角度反射由第一分色镜涂敷薄膜14反射的光束；第二分色镜涂敷薄膜15，只允许具有不同于第一波长(λ1)的第二波长(λ2)的光束以第一角度透过，以致它平行于穿过第一分色镜涂敷薄膜14的具有第一波长(λ1)的光束并用于以第二角度反射由宽带强反射涂敷薄膜16反射的具有不同于第一和第二波长(λ1，λ2)的第三波长的光束；宽带强反射涂敷薄膜16以第二角度反射从第二分色镜涂敷薄膜15反射的光束；抗反射涂敷薄膜17，用于允许具有第三波长的光束以第一角度透过而无反射，以致它平行于从宽带强反射涂敷薄膜16反射的由第二分色镜涂敷薄膜15使之透过的具有第二波长的光束，其中，穿过宽带抗反射涂敷薄膜12的光束和从第一分色镜涂敷薄膜14、第二分色镜涂敷薄膜15和宽带强反射涂敷薄膜16反射的各光束都通过材料13。
按照本发明的一实施例，一种分离光束的方法包括以下步骤：允许入射光束以第一角度透入一种材料而无反射；只允许来自入射光束的具有第一波长的光束以第一角度穿出材料，并且以第二角度在材料之内第一次反射来自入射光束的具有其它波长的光束；以第二角度在材料之内第二次反射经过第一次反射的光束；只允许具有第二波长的光束以第一角度穿出材料并以第二角度第三次反射经过第二次反射的具有第三波长的光束；以第二角度在材料之内第四次反射经过第三次反射的光束；以及允许经过第三次反射的光束的具有第三波长的光束以第一角度穿出材料而无反射。
按照本发明的一项实施例，一种用于光分离装置的制造方法包括各步骤是：施加宽带抗反射涂敷薄膜于平板第一面的一部分，此平板厚度为t、折射率为n，而此第一面和对置于此第一面的第二面具有足够的平度以允许来自光源的入射光束以第一角度透入平板而无反射；施加第一分色镜涂敷薄膜于此平板第二面的一部分，以便只允许具有第一波长的光束以第一角度透过并以第二角度反射穿过宽带抗反射涂敷薄膜的光束中的其它各波长的光束；施加宽带强反射涂敷薄膜在此平板第一面的其余部分上，以便以第二角度反射从第一分色镜涂敷薄膜反射的光束；施加一第二分色镜涂敷薄膜于平板第二面，靠近第一分色镜涂敷薄膜，以允许具有第二波长的光束以第一角度透过并以第二角度反射穿过宽带强反射涂敷薄膜的具有第三波长的光束；以及施加一抗反射涂敷薄膜于平板第二面，靠近第二分色镜涂敷薄膜，以允许从宽带强反射涂敷薄膜反射的具有第三波长的光束以第一角度透过而无反射。
特别是，本发明提供一种方法，按照此方法，通过将上面指出的各部分集中于平板上，一入射白光光束自动地被分离成为三色光束。因此，本发明具有的优点是，可以制成一种可以低价供应的紧密装置。此外，在分别使用三个分色镜的现有技术中的方法难以对准各光束。相反，根据本发明的装置具有的优点是，如果平板足够平且具有平行的两面，则各光束自动地对准。
图1示出装置的总体结构，用以说明采用根据本发明的平板的光分离混合分色镜。图1示出本发明的结构，包括来自光源10的白色入射激光光束11；宽带抗反射涂敷薄膜12；平板或材料13；形成第一和第二分色镜14、15的分色镜涂敷薄膜；宽带强反射涂敷薄膜16；以及抗反射涂敷薄膜17。按照本发明的一项实施例，光源是白光激光源，而形成平板的材料是一种白光透明材料。
在图1中，由入射光源10生成的白光光束11以入射角(θO)通过宽带抗反射涂敷薄膜12。光束11随后射向第一分色镜14的一部分，此镜允许具有蓝光波长(λ1)的光束穿出材料并反射具有绿光和红光波长(λ2、λ3)的光束。由第一分色镜14所反射的绿和红波长光束完全由宽带强反射涂敷薄膜16予以反射而射向第二分色镜15。第二分色镜15只允许绿光波长光束(λ2)穿过，并反射红光波长光束(λ3)。由第二分色镜15分离出来的红光波长光束(λ3)向宽带强反射涂敷薄膜16反射，宽带高反射涂敷薄膜16把红光波长光束(λ3)向抗反射涂敷薄膜17反射。红光波长光束(λ3)通过抗反射涂敷薄膜17穿出材料而无反射。
按照上述本发明的一项实施例，第一波长、第二波长和第三波长为不同的波长，具体地说，分别是蓝光波长、绿光波长和红光波长。本领域的普通技术人员都具有能力把装置设计成以致每一第一、第二和第三波长能够具有三种颜色，红、蓝或绿之中的任何一种。
以下表达式决定装置的尺寸。在图2中，当入射光束在F点以θO角度进入时，分离出来的蓝、绿和红光(分别是λ1，λ2，λ3)的光束间隔保持为固定的1nm，而平板的折射率按照每一波长分别是n1、n2、n3。折射率的差别在可见光范围内是一可忽略不计的量，所以，如果假定进入平板平面的各波长的折射角都是彼此相等的，则以下的表达式1可确定平板的厚度。[表达式1]
d=[2cosθOtan(sin′(θO／nG))]
表达式2可确定平板宽度和长度的大小。[表达式2]
31／cosθO
按照本发明，为了调节穿出材料的具有第一波长的光束与穿出材料的具有第二波长的光束之间或者穿出材料的具有第二波长的光束与穿出材料之外的具有第三波长的光束之间的间隔，可以调节入射光束的入射角和材料的厚度t。
按照本发明的一项实施例，第一角度是从垂直方向到入射面和出射面的夹角，而第二角度是从垂直方向到反射面的夹角。在此情况下，垂直方向指的是平板的厚度t的方向。
按照本发明的一项实施例，宽带强反射涂敷薄膜12和宽带抗反射涂敷薄膜16平行于第一分色镜14和第二分色镜15以及抗反射涂敷薄膜17。
按照本发明的一项实施例，第一分色镜14和第二分色镜15以及抗反射涂敷薄膜17由材料以相等间距t与宽带强反射涂敷薄膜12和宽带抗反射涂敷薄膜16间隔开来。
如上所述，与各种光分离子***的现有结构相比，本发明简单而小巧，而分离开来的三色各光束的对准自然地达到，所以易于制造。因而，本发明可以通过用一小尺寸光学装置把图像直接投影在屏幕上而用于提供大尺寸的显示，而且对于诸如光分离子***这样的光分离装置的小型化是非常有效的。
如上所指出，本发明示出与现有技术中大型光学装置具有同样的性能的小尺寸光学分离结构，所以它的优点是可以商品化和简化。特别是，通过本发明可以供应大量轻巧而具有较低价格的装置。

Claims (15)

1．一种采用由某一材料制成的平板的光分离装置，包括：
宽带抗反射涂敷薄膜，用于允许从光源产生的入射光束以第一角度进入所述材料而无反射；
第一分色镜，用于只允许具有第一波长的光束以第一角度透出所述材料并用于以第二角度反射来自穿过宽带抗反射涂敷薄膜的光束的具有其它波长的光束；
宽带强反射涂敷薄膜，用于以第二角度反射由第一分色镜反射的光束；
第二分色镜，只允许具有第二波长的光束以第一角度透过，以致它平行于穿过第一分色镜的具有第一波长的光束，并用于以第二角度反射由宽带强反射涂敷薄膜反射的光束中具有第三波长的光束；
所述宽带强反射涂敷薄膜以第二角度反射由第二分色镜反射的具有第三波长的光束；
抗反射涂敷薄膜，用于允许具有第三波长的光束以第一角度透出所述材料而无反射，以致它平行于透出第二分色镜的具有第二波长的光束，
其中，穿过宽带抗反射涂敷薄膜的光束和从第一分色镜、第二分色镜和宽带强反射涂敷薄膜反射的各光束都通过所述材料。
2．按照权利要求1所述的光分离装置，其中，第一角度是从垂直方向到入射面和出射面的夹角，而第二角度是从垂直方向到反射面的夹角。
3．按照权利要求2所述的光分离装置，其中，宽带强反射涂敷薄膜和宽带抗反射涂敷薄膜平行于第一分色镜和第二分色镜以及抗反射涂敷薄膜。
4．按照权利要求3所述的光分离装置，其中，第一分色镜和第二分色镜以及抗反抗涂敷薄膜由所述材料以一相等间距与宽带强反射涂敷薄膜和宽带抗反射涂敷薄膜间隔开来。
5．按照权利要求1所述的光分离装置，其中，入射光束的入射角和所述材料的厚度t可以调节以调节穿出第一分色镜的具有第一波长的光束与穿出第二分色镜的具有第二波长的光束之间或者穿出第二分色镜的具有第二波长的光束与穿出抗反射涂敷薄膜的具有第三波长的光束之间的间距。
6．按照权利要求1所述的光分离装置，其中，穿过第一分色镜的具有第一波长的光束与穿过第二分色镜的具有第二波长的光束之间的间距等于穿过第二分色镜的具有第二波长的光束与穿过抗反射涂敷薄膜的具有第三波长的光束之间的间距。
7．按照权利要求1所述的光分离装置，其中，所述入射光束是白光。
8．按照权利要求1所述的光分离装置，其中，所述光源是白光激光。
9．按照权利要求7所述的光分离装置，其中，第一波长、第二波长和第三波长分别是蓝光波长、绿光波长和红光波长。
10．一种采用由某一材料制成的平板的光分离方法，包括以下各步骤：
允许入射光束以第一角度透入所述材料而无反射；
只允许来自入射光束的具有第一波长的光束以第一角度穿出材料，并且以第二角度在材料之内第一次反射具有其它波长的光束；
以第二角度在材料之内第二次反射经过第一次反射的光束；
只允许具有第二波长的光束以第一角度穿出材料并以第二角度第三次反射经过第二次反射的具有第三波长的光束；
以第二角度在材料之内第四次反射经过第三次反射的光束；以及
允许具有第三波长的光束以第一角度穿出材料而无反射。
11．按照权利要求10所述的光分离方法，其中，第一角度是从垂直方向到入射平面和出射平面的夹角，而第二角度是从垂直方向到反射平面的夹角。
12．按照权利要求10所述的一种光分离方法，还包括一个步骤：调节入射光的入射角和材料的厚度t以调节穿出材料的具有第一波长的光束与穿出材料的具有第二波长的光束之间或者穿出材料的具有第二波长的光束与穿出材料的具有第三波长的光束之间的间距。
13．按照权利要求10所述的一种光分离方法，其中，入射光束是白光。
14．按照权利要求13所述的一种光分离方法，其中，第一波长、第二波长和第三波长分别是蓝光波长、绿光波长和红光波长。
15．一种方法，用于制造采用由某一材料制成的平板的光分离装置，包括以下各步骤：
施加宽带抗反射涂敷薄膜于平板第一面的一部分，平板厚度为t、折射率为n，而第一面和对置于第一面的第二面具有足够的平度以允许光源产生的入射光束以第一角度透入平板而无反射；
施加第一分色镜于平板第二面的一部分，以便只允许具有第一波长的光束以第一角度透过并以第二角度反射透过宽带抗反射涂敷薄膜的光束中的其它波长的光束；
施加宽带强反射涂敷薄膜在平板第一面的其余部分上，以便以第二角度反射从第一分色镜反射的光束；
施加第二分色镜于平板第二面，靠近第一分色镜，以允许具有第二波长的光束以第一角度透过并以第二角度反射具有第三波长的光束；以及
施加抗反射涂敷薄膜于平板第二面，靠近第二分色镜，以允许具有第三波长的光束以第一角度透过而无反射。
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