CN101171847A - 用于组合不同波长的光的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于组合和用于分裂至少三个不同波长间隔的基本非极化的光的光路的方法。在此，如果两个其他波长间隔的光的光路已经或者还要被组合，那么对位于其他波长间隔之间的该波长间隔的光的光路进行分裂或组合。本发明还涉及一种照明单元，该照明单元包括白光源并利用所述方法借助干涉滤光片用以把白光分裂成红色、蓝色和绿色光束。本发明同样还涉及一种照明单元，该照明单元包括红色、绿色和蓝色光源并利用所述方法借助干涉滤光片来组合所述光源的光路。

Description

用于组合不同波长的光的装置
技术领域
本发明涉及一种用于组合不同波长的光的装置。本发明尤其涉及一种能够将红色、绿色、蓝色窄带光源的光组合为白光的照明单元。但本发明还涉及一种能够将白光分裂为红色、绿色和蓝色分光束的照明单元。
背景技术
基于光投影来成像的当前投影机基本上可以划分为2类：这种投影机为红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)三种颜色通道的每一种各设置一个成像元件(3P投影机＝3板投影机(3 PanelProjectoren))。在此给红颜色通道分配波长在600nm至780nm的波长间隔内的光。给绿颜色通道分配波长在500nm至600nm的波长间隔内的光。给蓝颜色通道分配波长在420nm至500nm的波长间隔内的光。
但还存在这种投影机，其中这种投影机仅仅利用成像元件并按照色序来工作(CS投影机＝色序投影机(Color SequentialProjectoren))。
可以以正如成像元件对光进行调制以便转发图像信息的方式来进行另一种分类。成像元件的扩展类使到达的光经受一种空间分辨极化调制。这种极化调制于是借助极化选择的光学元件而被转换为强度调制。必须给这类成像元件施加极化光。然而本说明书的焦点是用于另一类成像元件的照明装置，其中可以给所述另一类成像元件施加非极化光或仅仅部分极化的光。为此所需的照明装置应当能够预先准备非极化光用于施加。
如果宽带白光源被应用于3P投影机中，那么必须首先把白光分裂为红色、绿色和蓝色三种颜色。实现这一点的一种可能是电介质截止滤光片(Kantenfilter)的使用。截止滤光片的任务是对第一波长范围中的光几乎100％地进行反射，而在邻接的第二波长范围中应当使接近100％的光透射。波长范围邻接的区域称为滤光片边缘。如果在白光源的光路中放置滤光片边缘在500nm处的第一截止滤光片，那么首先把分配给蓝颜色通道的蓝色光与黄色光相分离。另外在该情况中，黄色光由绿色和红色光组成。如果现在在该黄色光的光路中放置边缘在600nm处的截止滤光片，那么使绿色光与红色光相分离。
在此哪个波长范围被反射或被透射取决于相应截止滤光片的构造。通常，对具有较小波长的波长范围进行透射而对较大波长进行反射的截止滤光片称为低通。对具有较小波长的波长范围进行反射而对较大波长进行透射的截止滤光片称为高通。
如果采用窄带光源、比如在CS投影机中LED的光，那么对于照明装置来说存在的任务是结合红色、绿色和蓝色窄带光源的光径并把光束引到所述一个成像元件上。又可以采用截止滤光片：比如把红色和绿色光的光径进行组合的第一截止滤光片、以及把蓝色光的光径与两个其它光径相组合的第二截止滤光片。
在此有问题的方面在于以下事实，即不但白光源的光、而且窄带LED的光通常不提供非极化的、而至少不完全极化的光。
但截止滤光片典型地借助电介质干涉层系统在通常透明的玻璃基片上来实现。然而干涉层系统在极化相关性方面具有特性，所述特性在这里所述的截止滤光片中证明是有缺点的。为了不把光的组成部分反射回自身中，也就是说以与光轴相倾斜的一个角度来布置截止滤光片。在此问题是，由此干涉滤光片的反射和透射行为是与极化有关的。尤其，不仅边缘(Kante)的位置、而且在与该边缘邻接的波长范围中的反射和透射与极化有关。在利用非极化的或仅仅部分极化的光工作的光源中，这导致光组成部分的错误引导。这一方面导致光损耗，  并且另一方面可能对相应的颜色坐标(Farbkoordination)产生不利的影响。
在本说明书中，光的蓝色组成部分所经过的光学路径称为蓝色通道。由光源发射的蓝色光的、到达成像元件的分量称为蓝色通道透射。相应地论及红色通道透射和绿色通道透射。光组成部分的错误引导当然导致通道透射的减少。
对通道透射的另一重要影响因素是该光源或者多个光源的角辐射特性。用于照明的光学元件和滤光片从而必须具有一定的角度接受(Winkelakzeptanz)，该角度接受通常用F数来表示。该F数与数字孔径(NA)成反比，所述数字孔径通过介质的折射率与照明锥体的半张角之乘积来定义。也就是说，F数越小，所要求的角度接受越大。在计算通道透射时必须一起考虑不同的入射角对截止滤光片的透射特性所具有的影响。不仅边缘的位置、而且在与该边缘邻接的范围中的反射和透射与入射角有关。为了对此加以考虑，在不同的入射角上以加权的方式积分。对于通道透射，这意味着对于入射角首先陡峭的边缘通过在不同角度上的积分而丢失陡峭性，并从而在边缘范围中的光被错误引导。
本发明的任务
因此，本发明所基于的任务在于提供一种装置，该装置克服了或至少减少了现有技术的缺点。本发明的装置尤其应当是具有用于投影机的非极化光的照明系统用的与现有技术相比成本低地制造的一种解决方案。
本发明的概述
该任务的解决方案在于，以与现有技术不同的方式对位于两个邻接波长间隔之间的绿色通道单独地进行处理，而(在白光源的情况下)还要或者(在窄带光源的情况下)已经对红色和蓝色光通道进行组合。这意味着，为了把红色光径与蓝色光径相分离、或者为了组合红色和蓝色光径，可以采用非常简化的截止滤光片，其中该截止滤光片的边缘在绿色波长间隔内可以是近似任意极化相关的和/或角度相关的，而基本不影响红色蓝色的分离或组合。从而甚至成问题的是，在此在上述定义的意义上是否应当论及截止滤光片。考虑其，在本说明的范畴内通常论及RB分光器。如果蓝色光被透射且红色光被反射，那么尤其论及RB分光器低通。如果蓝色光被反射且红色光被透射，那么相应地论及RB分光器高通。
与颜色管理系统相关联，对于反射的、局部极化调制的成像元件来说绿色通道的这种单独处理是已知的。当然，在极化灵敏的光学元件把极化调制转换成强度调制之前，该颜色管理系统这里必须传播光、即部分地以一种极化且部分地以另一种极化由成像元件极化调制的和反射的光。
而在极化不起作用的成像元件的照明装置中，不使用极化选择元件。更确切地说根据本发明需要并采用所谓的绿色带通滤光片。这种滤光片例如可以通过以下方式来实现，即在基片的一侧施加边缘位置在约600nm处的低通滤光片，而在另一侧施加边缘位置在约500nm处的高通滤光片。通过这种方式，蓝色光在具有高通滤光片的侧被反射，且红色光在具有低通滤光片的侧被反射。仅仅绿色光穿过基片的两侧被透射。这允许绿色光与不仅包含红色而且包含蓝色光的光组成部分的有效组合和/或分裂。如前所述，在此有利的是附加滤光片可以是RB分光器。在红色波长范围和蓝色波长范围之间形成过渡的绿色波长范围中，这不必满足规范，并从而诸如极化偏移或角度偏移的效应不能或者至少可以起次要作用。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，带通滤光片然而不是在两侧来实现，而是被新施加在该基片的一侧。也就是说，在该基片的一侧借助层系统实现了带通滤光片。在另一侧，如果认为有必要，仅仅设置包括少许层的防反射涂层。这种单侧带通滤光片通常认为难以制造。但是基本统计上的新设计方法大大简化了该任务。已令人惊奇地表明，具有可比的双侧设计的总厚的仅60％的这种单侧设计可以以少得多的涂层耗费的方式并从而非常成本低地来制造。
根据本发明，说明一种方法，用于把基本非极化的白光划分成三个基本非极化的分量，具有至少以下步骤：
-把基本非极化的白光分裂成第一分量和第二分量，其中所述第一分量包括第一波长间隔的基本非极化的光，和所述第二分量包括第二和第三波长间隔的基本非极化的光，并且所述第一波长间隔位于所述第二和第三波长间隔之间；
-把所述第二分量分裂成具有所述第二波长间隔的基本非极化光的第三分量和具有所述第三波长间隔的基本非极化光的第四分量。
根据本发明，此外还说明一种方法，用于把第一光源的第一波长间隔的基本非极化的第一光束的、第二光源的第二波长间隔的基本非极化的第二光束的以及第三光源的第三波长间隔的基本非极化的第三光束的光路进行组合，其中所述第一波长间隔位于所述第二和第三波长间隔之间，并且所述方法包括至少以下步骤：
-把所述第二光束和第三光束的光路组合成第一组合光路，使得相应光束的极化度基本不受影响；
-把所述第一光束的光路与所述第一组合光路如此相组合，使得相应光束的极化度基本不受影响。
在本说明中公开了一种根据本发明的照明单元，其包括：
第一光源，用于辐射第一波长间隔的基本非极化的第一光束，
第二光源，用于辐射第二波长间隔的基本非极化的第二光束，
第三光源，用于辐射第三波长间隔的基本非极化的第三光束，
其中所述第一波长间隔包括位于所述第二和第三波长间隔之间的波长；
并且所述第二光源和第三光源如此被布置，使得所辐射的光的光路相交叉；
并且在交叉区域中设置第一干涉滤光片，以把光路组合成第一组合光路；
并且所述第一光源如此被布置，使得所述第一光源的光路与所述组合光路相交叉；
并且在所述第一光源的光路和所述组合光路的交叉的区域中设置第二干涉滤光片，以把所述第一光路与所述组合光路相组合。
附图简短说明
表1示出了双侧带通滤光片以及RB分光器和RB分光器背面的防反射涂层的以纳米为单位的层厚分布。
表2示出了单侧带通滤光片以及带通滤光片背面的防反射涂层的以纳米为单位的层厚分布。
图1a示出了按照现有技术带两个截止滤光片的具有白光源的照明单元。
图1b示出了按照现有技术带两个截止滤光片的具有3个LED的照明单元。
图2a示出了根据本发明的具有白光源和双侧带通滤光片和RB分光器的照明单元。
图2b示出了根据本发明的具有双侧带通滤光片和RB分光器的基于LED的照明单元。
图3a示出了不仅针对平行施加而且针对具有F数1.0的施加45°入射的光的绿色带通滤光片的透射光谱。
图3b示出了不仅针对平行施加而且针对具有F数1.0的施加45°入射的光的RB分光器高通的透射光谱。
图3c示出了所采用的入射角加权。
图4a示出了根据波长的蓝色通道透射(实线)、以及蓝色LED的光谱分布。
图4b示出了根据波长的绿色通道透射(实线)、以及绿色LED的光谱分布。
图4c示出了根据波长的红色通道透射(实线)、以及红色LED的光谱分布。
图5a示出了在LED照明中的蓝色通道透射。
图5b示出了在LED照明中的绿色通道透射。
图5c示出了在LED照明中的红色通道透射。
图6示出了单侧(虚线)和双侧(实线)通过带通滤光片的透射的比较。
图7示出了具有根据本发明的LED照明单元的投影机的示意结构。
本发明的详述
现在接着应当示例地并借助附图来详细解释本发明。
图1a示意性地示出了在白光源的情况下根据现有技术的情形。在图1a的照明装置1中示出了白光源，该光源辐射白光W。在下游在该光径中以45°放置滤光片边缘在约500nm处的高通滤光片5，用以对蓝色光B进行反射并对绿色光G和红色光R进行透射。在进一步的下游中在光径中以45°取向放置边缘位置在约600nm处的低通滤光片7，该低通滤光片对绿色光G进行透射并对红色光R进行反射。
图1b关于待组合的窄带光源示意性地示出了根据现有技术的照明装置10。示出了蓝色LED 11、红色LED 13和绿色LED 15，其光借助低通滤光片7和高通滤光片5被组合。
与此相对，图2a示出了具有白光源3的用于3P投影机的本发明照明装置20。这例如可以是当今常用的UHP灯。在该光源的下游以45°放置绿色带通滤光片21，在其一个基片侧施加边缘位置在500nm处的高通滤光片23，并在另一侧施加边缘位置在600nm处的低通滤光片25。该带通滤光片优选地如此被布置，使得高通滤光片23朝向光源。通过这种方式，通常最强烈地非故意地由薄膜材料吸收的蓝光必须最少地透射通过薄膜材料。由此使吸收效应最小化。通过高通滤光片23和低通滤光片25的这种组合而形成了绿色带通滤光片21，该绿色带通滤光片对蓝色和红色光进行反射，并对绿色光进行透射。在紧跟红色和蓝色光的路径下游，布置有RB分光器高通，该RB分光器高通基本上对蓝色光进行反射并对红色光进行透射。这里RB分光器低通当然也是可能的，然而由于上述的关于蓝色光吸收的原因，再次有利的是对蓝色光进行反射。在RB分光器的基片的背面上可以设置防反射涂层。
所有的滤光片都包括由高折射的和低折射的层材料组成的薄膜交替层系统。比如作为涂层材料，Nb2O5用于高折射层H和SiO2用于低折射层L。表1说明了从基片出发相应的滤光片以纳米为单位的层厚分布。在此带通滤光片21的总层厚合计为4360nm。
图3a示出了绿色带通滤光片的非极化光的透射特性，其中绿色带通滤光片由双侧涂层产生。实线表示45°入射角的特性。在495nm和560nm处独特的“阶梯”是极化相关性的结果。虚线表示在向该带通滤光片施加F数1.0时所得出的特性。这里显然，通过角度光谱的扩展使边缘软化(aufweichen)，并由此比如与45°情况相比最大地减少透射。同样由于边缘的软化而使极化“阶梯”消失。
图3b针对入射角45°(实线)和F数1.0(虚线)示出了RB分光器高通的非极化光的透射特性。显然，尽管F数非常小，但损失非常少。另外要注意的是，如此选择RB分光器，使得所述RB分光器在仅仅45°入射角的情况下就已经具有平的“边缘”。在该情况下，斜度为dT/dλ＜2％/nm，其中T是以百分比为单位的透射，λ是以纳米为单位的光波长。
当然只有当同时清楚在照明锥体内角度分布如何被加权时，才使F数的说明以及与之相关的透射特性有意义。由于这个原因，在图3c中示出了光源的不同辐射方向的、透射特性所基于的角度加权。
如果现在考察如在图4a-c中所示的蓝色、绿色和红色通道透射，那么看出在F数为1.0的情况下相当大的光量穿过相应的通道而到达，也即光损耗保持于非常窄的界限中。然而这里必须采取附加措施，以对颜色通道进行调整。特别在图4a的蓝色通道中明确的是，例如必须借助调整滤光片(Trimmfilter)来对最大值在560nm处的绿色光分量进行阻挡。但是由于已经开始颜色分裂，所以可以基本垂直地在光路中在RB分光器之后布置这种调整滤光片。对于红色通道和蓝色通道可以类似地使用简单的调整滤光片。
根据图2b，在用于组合蓝色LED 11、绿色LED 13和红色LED15的光的照明装置中采用相应的带通滤光片21和RB分光器高通27。如果忽略发光二极管的发射光谱，那么在此基本上得到与在图4a-c中利用分别实线所示相同的通道透射。但图4a-c另外还利用虚线示出属于颜色通道的LED的光谱分布。为了找出实际多少光被组合为白光，必须把所述光谱分布与通道透射曲线相乘。这形成了图5a-c。在此虚线再次说明LED的相应发射光谱，而实线说明与之相关的颜色通道透射。从图中可以看出：几乎由LED所发射的馈入通道中的全部光能通过相应的颜色通道被透射。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，绿色带通滤光片借助单侧设计而实现。表2示出单侧带通滤光片的层结构。在基片的另一侧上设置防反射涂层。在该实施形式中此外值得注意的是，包括防反射涂层在内的总层厚总计仅仅为2568nm，并从而仅为双侧带通系统的层厚的60％。在图6中对比针对F数为1.0的单侧和双侧设计的透射曲线。实线涉及单侧设计，虚线涉及双侧设计。在这里所考察的LED具有其发射最大值的区域中，这些滤光片在2-5％内是等值的。在绿色通道中，单侧设计获得甚至更好的结果。
图7示出了基于3个LED的投影机100，其包括根据本发明的照明单元103。该照明单元103的组成部分是至少一个红色LED105、至少一个蓝色LED 107和至少一个绿色LED 109。如这里所示，在45°布置中，绿色LED 109和蓝色LED 107基本平行地定向，而红色LED 105与之垂直地定向。另一组成部分是RB分光器高通111。与在图7中所示的不同，当然可以把蓝色LED 107和相应地把RB分光器高通111以任意围绕轴XX’旋转的方式进行布置。这在一些情况中例如出于位置原因而可能是有利的。此外还可能的是，对于红色和蓝色偏离于45°几何图形，并比如转到30°。由此减少了极化效应，并另外还简化了RB分光器的制造。照明单元103的重要组成部分是带通滤光片113。这里所示的带通滤光片113包括朝向绿色LED的具有防反射涂层115的基片侧以及背向绿色LED并且具有带通滤光片层系统117的基片侧。基于这种布置，蓝色光直接在表面上被反射，而不必穿过基片传播。因为典型地在基片中吸收以短波为主的光，所以可以通过这种布置使吸收最小化。吸收损耗的另一源是为构造层系统117所需的层本身。在确定带通滤光片层系统117时，可以有利地使用统计薄膜优化程序。如果在确定期间注意到尽可能很大程度地在最外层上已对蓝色光进行反射，那么该实施方式就再次抵抗吸收。
在该照明单元之后，3个LED的辐射的光程是相同的。在下游在目前共同的光程中布置有透镜121，该透镜把光聚焦在积分器中。通常在积分器的入口前面设置用于颜色排序的装置，比如色轮(Farbrad)。然而如果LED能够足够迅速地被接通和断开，那么色轮是不必要的。在积分器123的出口端存在均质的光场，该光场借助透镜125被投射到DMD芯片127上。在该透镜125和成像元件(在该情况中为DMD芯片127)之间的路径中布置棱镜129。该DMD芯片127包括可单独控制的、可移动的镜的矩阵。按照该镜的位置，在该镜上被反射的光通过棱镜127到达投影透镜133，或者从该投影透镜被反射开。通过这种方式可以产生图像。
在图7中，从光源出发示出了多个辐射角用来说明。在下游，从积分器开始，这些角度被放弃，并仅仅示出了沿光学轴的中央光束。
在本说明书的范畴内介绍了投影机用的照明单元，其中所述照明单元利用基本非极化的光来工作。但在此清楚的是，本发明的应用并不局限于投影机。在必须对可能关于波长间隔具有宽角度分布的非极化光进行分裂和/或组合的一切地方，可以有利地使用本发明。
表1
 低通     高通     RB分光器
 92.94H136.3L76.34H122.35L77.58H120.6L76.8H121.65L74.87H119.35L74.78H120.48L74.43H125.52L75.38H118.72L70.95H124.13L78.47H128.21L82.36H97.02L121.65H138.23L     39.86H47.54L61.56H52.13L58.31H46.27L64.05H62.63L61.33H95.74L28.75H36.17L80.61H93.1L52.76H121.34L31.58H24.06L76.97H85.83L62.29H69.82L46.45H52.64L55.92H82.46L47.7H68.64L33.85H170.52L     39.63H59.04L52.4890.22L52.45H88.63L46.69H86.03L54.82H83.89L51.61H100.45L57.42H77.47L28.32HRB分光器AR17H38.17L113.98H110.64L
表2
    AR     BP
    17H26.37L88.17H96.49L     70.52H136.55L102.65H106.3L48.63H89.18L71.9H196.53L55.46H101.21L57.3H112.9L77.83H26.2L28.8H63.46L69.52H101.73L55.67H110.19L40.7H27.2L37.91H131.19L63.15H102.04L45.73H60.55L36.98H81.58L30.02H

Claims (13)

1.用于把基本非极化的白光划分为三个基本非极化的分量的方法，具有至少以下步骤：
-把所述基本非极化的白光分裂成第一分量和第二分量，其中所述第一分量包括第一波长间隔的基本非极化的光，并且所述第二分量包括第二和第三波长间隔的基本非极化的光，并且所述第一波长间隔位于所述第二和所述第三波长间隔之间，
-把所述第二分量分裂成具有所述第二波长间隔的基本非极化的光的第三分量和具有所述第三波长间隔的基本非极化的光的第四分量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了把所述白光分裂成所述第一和第二分量，在光路中放置第一干涉滤光片，并且所述干涉滤光片使所述第一波长间隔的光基本上完全透过，并且所述干涉滤光片对所述第二和第三波长间隔的光基本上完全反射。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了把所述第二分量分裂成所述第三和第四分量，在所述第一干涉滤光片的下游在所述第二分量的光路中放置第二干涉滤光片，并且所述干涉滤光片使所述第三分量基本上穿过，并对所述第四分量基本上反射。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述第四分量的波长间隔与所述第三分量的波长间隔相比包括较小的波长。
5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其特征在于，所述第一干涉滤光片如此被构造，使得所述干涉滤光片的对所述第二和第三波长间隔的光进行反射的层基本上被设置于承载所述层的基片的一侧。
6.根据权利要求2至5之一所述的方法，其特征在于，所述第四分量的波长间隔与所述第三分量的波长间隔相比包括较小的波长，并且该或必要时多个干涉滤光片如此被布置，使得所述第四分量的光分别基本上在该或者多个干涉滤光片的表面被反射，而不事先穿过由该或多个干涉滤光片所包含的基片。
7.用于把第一光源的第一波长间隔的基本非极化的第一光束的、第二光源的第二波长间隔的基本非极化的第二光束的以及第三光源的第三波长间隔的基本非极化的第三光束的光路进行组合的方法，其中所述第一波长间隔位于所述第二和所述第三波长间隔之间，并且所述方法包括至少以下步骤：
-如此把所述第二光束和所述第三光束的光路组合成第一组合光路，使得相应光束的极化度基本上不受影响；
-把所述第一光束的光路与所述第一组合光路如此相组合，使得相应光束的极化度基本上不受影响。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，为了把所述第二和所述第三光束的光路相组合，如此对准所述光源，使得所述第二和所述第三光束的光路相交叉，并在交叉区域中放置干涉滤光片，所述干涉滤光片对所述第二光束进行透射并对所述第三光束进行反射。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，为了把所述第一光束的光路和所述第一组合光路相组合，如此对准所述第一光源，使得所述第一光束的光路与所述第一组合光路相交叉，并且在交叉区域中放置另一干涉滤光片，所述另一干涉滤光片对所述第二和所述第三光束进行反射并对所述第一光束进行透射。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述另一干涉滤光片上，所述干涉滤光片的基本负责反射所述第二光束和所述第三光束的层共同被设置在承载所述层的基片的一侧。
11.照明单元，包括
第一光源，用于辐射第一波长间隔的基本非极化的第一光束，
第二光源，用于辐射第二波长间隔的基本非极化的第二光束，
第三光源，用于辐射第三波长间隔的基本非极化的第三光束，
其中所述第一波长间隔包括位于所述第二和所述第三波长间隔之间的波长；
并且所述第二光源和所述第三光源如此被布置置，使得所辐射光的光路相交叉；
并且在交叉区域中设置第一干涉滤光片，以把所述光路组合成第一组合光路；
并且所述第一光源如此被布置，使得所述第一光源的光路与所述组合光路相交叉；
并且在所述第一光源的光路和所述组合光路的交叉的区域中设置第二干涉滤光片，以把所述第一光路与所述组合光路相组合。
12.根据权利要求11所述的照明单元，其特征在于，所述第二干涉滤光片对所述第一光源的光基本上进行透射，并对所述第二和所述第三光源的光基本完全反射。
13.根据权利要求11所述的照明单元，其特征在于，所述干涉滤光片的为反射所述第二光源和所述第三光源的光而设置的层基本被设置在承载所述层的基片的一侧。
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