CN101317117A - 光分离器 - Google Patents

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Abstract

光分离器将多色光分离成较长波长的谱带和较短波长的谱带。所述光分离器被限定在两个相对的侧表面之间，所述相对的侧表面反射入射光，并且所述光分离器还具有用来接受所述多色光的输入侧和用来提供已分离的谱带的输出侧。第一光波导通道从输入侧到输出侧变窄，并位于第一二向色表面和第一外表面之间，所述第一二向色表面用于反射较长的波长并透射较短的波长，所述第一外表面反射入射光。第二光波导通道从输入侧到输出侧变窄，并位于第二二向色表面和第二外表面之间，所述第二二向色表面用于反射较短的波长并透射较长的波长，所述第二外表面反射入射光。光分离器的一部分是第一和第二光波导通道共有的。

Description

光分离器
技术领域
本发明主要涉及用于光的光谱分离的装置，更具体地，涉及将光的光谱分离与光能的空间均匀化组合起来的装置。
背景技术
分色器(color separator)和复合器(recombiner)是光学领域中已知的，并具有多种应用，尤其是用于显示或记录彩色图像。在该图像应用中，分色器接受多色光输入，并按照波长将光进行分离，以提供用于调制的两种，三种或多种光谱波段的光。然后使用光复合器将调制过的光的光谱波段进行组合，从而形成全色图像(full color image)。
二向色涂层为在很多应用中为进行分色提供了有用的机制，提供以下优点，诸如最小的光损失，较好的光谱选择性。在棱镜表面上使用二向色涂层的各种类型的分色器的例子包括以下例子：
Cobb等人的题目为“Projection Apparatus Using Telecentric Optics(使用圆形光学的投影仪)”的美国专利No.6,758,565描述了以V-棱镜的形式使用二向色分离器，用来将白光分离成主要的红色、绿色和蓝色(RGB)成分；
Sugawara的题目为“Color Combining Optical Element，Color SeparationOptical Element，and Projection Type Display Apparatus Using Them(色复合光学元件，色分离光学元件以及使用它们的投影型显示器)”的美国专利No.6,671,101描述了由三个棱镜形成的色分离和复合光学器件，其中所述三个棱镜之间具有二向色表面；
Huang的题目为“Color-Separating Prism Utilizing Reflective Filters and TotalInternal Reflection(使用反射滤光器和全内反射的色分离棱镜)”的美国专利No.6,517,209描述了另一种使用联合棱镜的色分离装置，其中所述棱镜之间具有二向色表面；
Peterson等人的题目为“Method and Apparatus for Combining Light Paths ofMultiple Colored Light Sources Through a Common Integration Tunnel(通过共同的集成隧道将多种彩色光源的光路组合起来的方法和装置)”美国专利No.6,956,701描述了用于将多个彩色光路组合在一起的集成装置，所述彩色光路用于在投影系统中照明；
Sonehara的题目为“Dichroic Optical Elements for use in a Proj ection TypeDisplay Apparatus(用于投影型显示装置的二向色光学元件)”的美国专利5,098,183描述了使用交叉二向色表面(crossed dichroic surface)的棱镜光学元件。所述交叉二向色表面也成为X-立方(X-cube)，并用于各种类型的用来将白光分离成RGB组分的成像装置中；
Okuyama的题目为“Cross Dichroic Prism(交叉二向色棱镜)”的美国专利No.6,327,092描述了X-立方设计的一种变型，其中相对的外表面并不平行；
DeLang等人的题目为“Optical System for a Color Television Camera(用于彩色电视摄像机的光学系统)”的美国专利No.3,202,039用于色分离的Philips棱镜，该棱镜已经被用于多种投影仪设计，使用三种三棱镜和多种二向色表面；
Huang的题目为“Color Separation Prism Assembly Compensated for ContrastEnhancement and Implemented as Reflective Imager(补偿对比度增强和作为反射成像器的色分离棱镜组件)”  的美国专利No.6,704,144描述了用于引导多色光通过各种二向色涂层以得到分离的RGB组分的三棱镜排列的另一种实施方式。
利用这种常规的X-立方和Philips棱镜实施方式，多色光通过一个或多个二向色表面，并因此被分离成不同的光谱组分。在大多数情况中，相同的组分或构造类似的组分可在调制之前用于色分离，以及用于复合调制过的光，从而用于最终的投影会其它成像。
二向色表面与棱镜的复合，例如X-立方和Philips棱镜所示范的那些，具有许多优点。所述X-立方，即将四个独立的棱镜与具有相应的二向色涂层的各交叉的内表面组合起来的排列方式，已被证明很难以便宜的价格制得。内表面的微小未对准会导致的诸如彩色边纹(color fringing)的问题。机械耐受力(mechanical tolerance)和适当的对准对于Philips棱镜和相关三棱镜器件的制造也构成困难。此外，即使可以克服这些问题，X-立方和Philips棱镜解决方案需要光路在正交方向上或在一些其它的相对于入射光轴成明显的角度的方向上被分开。所得到的空间限制阻止了该器件用于例如任何类型的阵列。
常规的色分离器件的另一个显著的缺点涉及二向色表面本身的特性。二向色涂层的光谱性能会被入射光角度强烈影响。随着入射角的变化，被透射和反射的光的波长也会稍微移动。一般而言，二向色表面被设计成当入射光在小的角度范围内时工作最好，并且通常用于接近法向角的入射光。
在许多类型的器件(包括成像装置)中，需要提供用于调制的均匀的光场。为了得到均匀的光场，一种策略是使用均匀化元件，该元件通过将角分布均匀化来传播光能并形成光束，不会发生光损失。成像器件，诸如上述的用于彩色成像显示或记录的那些器件，通常使用诸如集成棒(integrating bar)、蝇眼透镜阵列(fly’s-eye lenslet array)、纤维光学面板或光导纤维束、漫射体或类似的光学器件的元件作为均匀化元件。作为一个例子，Anikitchev等人的题目为“Methods and Systems for Low Loss Separation and Combination of Light(用于低损失的光分离和复合的方法和系统)”美国专利6,919,990描述了使用集成棒来重新分布照明光束以在显示系统中得到更均匀的照明能量分布。
尽管成像应用通常需要光谱分离或光复合以形成彩色图像，但是也有其中光谱分离和光能的均匀化都很有利的其它应用。这些应用是其中从光获得能量，例如在传感装置和光生伏打能量装置(例如太阳能面板)中。各种光生伏打材料对不同波长的光的响应不同。因此，对于太阳能装置，将日光分解成两个或多个谱带是有益的，将各个谱带引导到适当的材料中，所述材料最优化地提供在该谱带处的能量。当日光被分别分离成更长或更短波长的更高或更低谱带时，可使用不同的光生伏打电池来提高来自日光的总的能量产出。第一种光生伏打电池可最优化较低能量的光，即在较长波长处的光。然后第二种光生伏打电池可最优化较高能量的光，即在较短波长处的光。
尽管意识到能有效地对光进行光谱分离的装置和方法是有益的，但是常规的解决方案与以低成本无损失地分离光、并提供分离元件以改善光能的空间分布这一需要相比，还相距甚远。因此仍然需要一种装置，该装置能提供光均匀化、且无损失的光谱分离，并允许紧凑的包装。
发明内容
本发明的目的是提高光分离技术。基于这一目的，本发明提供一种光分离器，该光分离器将多色光分离成在预定波长之上的较长波长谱带的光和在预定波长之下的较短波长谱带的光，所述光分离器被限定在两个相对的侧表面之间，所述相对的侧表面各自在一定的角度范围内反射入射光，并且所述光分离器还具有用来接受所述多色光的输入侧，和用来提供已分离的较长和较短波长谱带的光的输出侧，所述光分离器包括：
(a)第一光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第一二向色表面，用于反射比预定波长更长的波长并透射比预定波长更短的波长；和
(ii)第一外表面，其在一定的角度范围内反射入射光()；和
(b)第二光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第二二向色表面，用于反射比预定波长更短的波长并透射比预定波长更长的波长；和
(ii)第二外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
还包括光分离器的共同部分，即第一和第二光波导通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之间，从输出侧到输出侧变窄。
本发明的特征是它提供了将光分离成两个或更多个谱带组分的装置，其中可通过调节二向色涂层来改变阈波长(threshold wavelength)。
本发明的优点是它在一个元件中同时提供了光谱分离和光均匀化这两个功能。本发明的实施方式可基本上无损失，使各分离的谱带中所提供的可用光能最优化。
在阅读了以下的详细描述以及附图(其中示出并描述了本发明的示范性的实施方式)以后，本领域技术人员将更清楚本发明的这些和其它目的、特征和优点。
附图说明
图1是本发明的第一光波导通道的侧视简图；
图2是本发明的第二光波导通道的侧视简图；
图3是本发明的光分离器的侧视简图，所述光分离器通过将图1和图2中的光波导通道组合起来而形成；
图4是本发明的光分离器的外表面的透视图；
图5是本发明的另一实施方式的光分离器的侧视简图；
图6是使用一种实施方式中的一系列光分离器的多波段光分离器的透视图；
图7是从另一个角度得到的图6的多波段光分离器的透视图，该多波段光分离器具有添加的光学聚光器(optical concentrator)；
图8是另一种实施方式中的多波段光分离器的侧视简图；
图9A和9B是从不同角度得到的多波段光分离器阵列的透视图；
图10是所述光分离器的光处理行为的侧视简图，其中通道之间可发生少量的泄漏；和
图11是使用本发明的光分离器的太阳能变换器的示意图。
具体实施方式
本发明的装置使用二向色涂层和光波导光学的关键性质，获得基本上无损失的色分离、并对于所分离的光谱组分具有光能空间均匀化。该装置接收多色光，即涵盖了一定范围波长的光(可包括可见光波长、以及红外波长和紫外波长)，例如日光。所述多色光被分离成比一些预定波长更长或更短的波长光谱组分或谱带。
首先参见图1和图2，分别示出了两个光波导通道12a和12b，这两个光波导通道被组合形成本发明的光分离器。在图1的光波导通道12a中，涂覆二向色表面16a以反射以预定波长更长的波长并朝着输出侧20透射比预定波长更短的波长。光线RL对于来自输入侧14的比预定波长具有更长的波长的光形成典型的光路。该光在二向色表面16a被反射，并在反射性的外表面18a处再次被反射。如图1所示，该较长波长的光在各表面16a和18a处有重复的反射。可用反射性的材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可使用全内反射(TIR)。
由于二向色表面16a朝着外表面18a倾斜，因此光波导通道12a沿着从输入侧14到输出侧20的光路变窄，各反射相对于各表面的法向以稍小的角发生。参见图1，光线RL首先以相对于二向色表面16a的法向的入射角θ1到达二向色表面16a，并以相等的反射角θ1‘反射。它的下一次反射发生在外表面18a处，入射角为α1，反射角为α1’。这之后是在二向色表面16a处的第二次反射，相对于二向色表面16a的法向的入射角为θ2，相等的反射角为θ2‘。明显地，二向色表面16a相对于外表面18a倾斜导致以下关系：
θ1＞θ2
此外，当在二向色表面上有额外的反射时，各个后续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，对于连续的反射n和(n+1)：
θn＞θn+1
类似的关系对于在外表面18a处发生的后续反射也成立。即，由于光波导通道12a的变窄：
α1＞α2
并且一般而言，对于连续的反射：
αn＞αn+1
由于以逐渐减小的入射角发生多次反射，从输出侧20离开光波导通道12a的光线RL以比相应的输入侧14呈现更大的角度。由于通过光波导通道12a的一部分光的这一角度差异，在输出侧20的光相对于输入侧14处的光被空间均匀化。因此，光波导通道12a起到了光均匀器(以类似于锥形集成棒的方式分布光)和光分离元件(如下所述，比其它的二向色色分离器件具有改善的性能)的作用。
图2的光波导通道12b以类似于光波导通道12a的方式作用于比预定波长具有更短波长的光并使其均匀化。涂覆二向色表面16a以反射以预定波长(作为典型的阈)更短的波长并透射比预定波长更长的波长。光线RS对于比阈波长更短的波长形成典型的光路。该光在二向色表面16b被反射，并在反射性的外表面18a处再次被反射。在各表面16b和18b处可以有重复的反射。由于二向色表面16b朝着外表面18b倾斜，各后续反射相对于各表面的法向以稍小的角发生。由于发生多次反射，从输出侧20离开光波导通道12b的光线RS以比相应的输入侧14呈现更大的角度。通过锥形的光波导通道12b进行的该光混合提供了将光在输出侧20进行空间均匀化的措施。因此，光波导通道12b起到了光均匀器和光分离元件的作用。
上面图1和图2中的描述强调了限定用于光均匀化的各光波导通道12a和12b的成对表面的角度关系的重要性。这仅仅是光波导通道12a和12b的几何形状的一个优点。另一个关键的优点涉及改进的色分离，因为光以连续减小的角度重复入射在二向色表面。从前面给出的背景部分可以注意到，已经熟知二向色性能的变化随着入射角的减小而减弱。因此，例如参见图1中的光线RL，每次光入射在二向色表面16a上，重复进行二向色涂层的色分离操作。此外，随着各次反复，入射角越来越有利。利用这种行为，本发明的光分离器10能够获得高度的色分离。如本文上面所述通过形成变窄的通道，使得光多次入射到二向色表面16a，从而使本发明的光分离器10区别于常规的X-立方、菲利普棱镜以及仅提供单次通过二向色表面的光的相关的二向色色分离器件。
图3的侧视简易图示出了在光分离器10中的光波导通道12a和12b的组合操作。这里，表示为R的入射光最初在二向色表面16a被分离成长波长组分和短波长组分RL，RS。然后，各组分相继被反射多次，直到其在输出侧20形成光谱分离的光。如图3的侧视图所示，在二向色表面16a和16b之间具有光分离器10的共同部分22，该共同部分是光波导通道12a和光波导通道12b这两者的一部分。共同部分22在输入侧14处最宽，通常和输入侧14一样宽，就像图3中所示出的那样，并且随着其朝着输出侧20延伸，逐渐变窄。共同部分22仅存在于二向色表面16a和16b之间。
在图1、2或3的剖面侧视图中看不到的是光分离器10的相对的侧表面，这两个侧表面在一定的角度范围内反射入射光，并提供光波导表面，所述侧表面的一部分被各光波导通道12a和12b所使用。作为参考，图4中的透视图示出了一种实施方式中光分离器10的外表面的相对位置。从该透视图中可以看出，光分离器10的上表面和下表面分别是外表面18a和18b。从这个角度可以看见相对的侧表面46中的一个，另一个侧表面46是相对的。
在图4的实施方式中，使用三个棱镜50a、50b和50c的组合来构造光分离器10，在图1-3所用的横截面方向各自为三角形，将必要的二向色涂层施加于各三棱镜表面。使用TIR在外表面18a和18b处进行反射，以及在相对的侧表面46处进行反射。共同部分22对应于被围起的棱镜50b的体积。
在一种实施方式中，如图4所示，外表面18a和18b基本上互相平行，棱镜实施方式的典型排列如图3的横断面视图所示。然而，这一关系并不是必要的，也有很多这样的应用，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通常仅在输出侧20处或输出侧20附近交叉，和不交叉。然而，对于光分离器10的适当操作，二向色表面16a和16b不必精确交叉。如果二向色表面16a和16b恰巧在输出侧20附近彼此交叉，位于二向色表面16a和16b之间的光分离器的任何部分在交叉之后将不能用于该装置的色分离功能。尽管如图所示，二向色表面16a和16b具有(相对于中心轴)互补的斜率，因此如横截面图所示，这两个表面从输出侧14的相反的拐角延伸到输出侧的中心，但是其它的排列也是可以的。例如，光波导通道12a和12b各自的体积不必相等。
如图4的实施方式所示，光分离器10可以是由玻璃、塑料或其它适合的透明材料形成的棱镜结构，所示棱镜结构在其二向色表面16a和16b的内部部分具有二向色涂层。在棱镜实施方式中，外表面18a和18b通常使用全内反射(TIR)反射入射光，这在光导本领域是熟知的并且被广泛使用，例如在用作均匀化元件的集成棒中。任选地，一个或多个外表面18a、18b或棱镜结构的相对表面46可以部分地涂敷有反射性材料。TIR是有利的，因为当以合适的入射角提供光的时候，TIR基本是无损失的。另一方面，用涂覆的材料进行反射，在各反射中洄游一些损失，因此多次反射会导致显著量的能量损失。然而，在外表面18a和18b的至少一些部分上提供反射性表面材料可能还有其它原因。
基于棱镜的实施方式的另一种替换方式示于图5的实施例中。在该实施方式中，输入侧14敞开在空气中。然后反射性外表面18a和18b必须具有一些类型的反射性涂层。反射性涂层还将用于相对的侧表面46，在图5的剖面侧视图中看不到相对的侧表面46。在图5的实施方式中，共同部分22仅仅是位于二向色表面16a和16b之间的所述大气空间。
串联实施方式
尽管图3、4和5所示的实施方式提供了将光分离成两个谱带的装置，但是有很多应用需要将光分离成三个、四个或更多个谱带。为了实现这一点，还可以使用串联来获得多波段光分离器24，如图6和7的透视图以及图8的简易图所示。参见图6，光分离器10a首先将输入侧14a处的入射光分离成来自输出侧20a处的更长或更短波长的谱带组分。然后输出侧20a与第二光分离器10b的输入侧14b光学耦合。第二光分离器10b从第一光分离器10a沿轴向旋转90°，从而使得由第一光分离器10a提供的各谱带组分被再次分离成更长或更短波长的谱带。结果，在输出侧20b处的光输出具有四个谱带，在图6中分别表示为26a、26b、26c和26d。
图7从不同的透视角示出了与锥形的集成棒30(作为光学聚光器)耦合的多波段光分离器24。该实施方式允许以放大的倍率对光进行光谱分离，这样的一种排布：可以具有用于收集和分布太阳能或其它光生伏打能量的光谱组分的特定值。作为锥形的集成棒30的一种替换方式，可以使用聚焦透镜作为光学聚光器。该透镜的直径比光分离器10a的输出侧14a更大。
图8的侧视简易图示出了使用串联光分离器10a和10b进行光谱分离的另一种实施方式。这里，多波段分离器24被构造成在输出侧14a处接受白光W，输出RGB光，其中各谱带被空间均匀化。第一光分离器10a将红色光谱组分从蓝色和绿色光中分离出来。在输出侧20a的该蓝色和绿色光与光分离器10b光学耦合，所述光分离器10b将蓝光从绿光中另外分离出来。
阵列实施方式
尽管本发明的装置可被单独用作光分离器，例如很多成像器件中的照明系统，但还有很多这样的应用，其中阵列排列将是有利的，包括小型化的光分离器元件的阵列，各光分离器按照本发明进行设计。
参见图9A和9B，从两个不同的透视图中，示出了多波段光分离器24的阵列32。图9A和9B示出了阵列32的3×3排列，在实践中，阵列32可以是任意的尺寸，随应用而定。当然，光分离器10的简单阵列被构造成仅需要在各阵列元件处将光分离成两个光谱组分。
多色光，例如从图9A和9B的右端所示的光提供表面36或其它的多色光源进入的光，被引导进入阵列32的多波段分离器24中的一个。在所示的实施方式中，各多波段分离器24与相应的锥形集成棒30耦合，因此，谱带26a、26b、26c和26d内的输出光在输出侧20b被有效放大。在图9A中，被分离的光导入光接收表面34，该表面可将被分离的谱带用于显示目的或用于(没有光提供表面36)产生能量。示于图9A和9B中的具体实施方式是有利的，例如，当多波段分离器24与光生伏打电池的相应阵列光学耦合时，例如排列在日光收集装置中的单个光接收表面34上、或排列为独立的器件。如之前所注意到的，可对各光生伏打电池的光生伏打材料进行优化以处理各谱带26a、26b、26c和26d的可用的光谱组分。
对于显示器件，使用图9A所示的排列，光提供表面36可以是背光装置。光接收表面34可以是光选通(light-gating)器件，例如液晶器件(LCD)，数字微镜器件(digital micromirror device)或一些其它类型的空间光调制器，其中独立的光选通元件调制光。参见使用图9A的基本排列的显示实施方式，可将光分离器10a、10b的阵列32构建在薄的材料片(例如玻璃或薄膜)上。光分离器10的阵列32可以以最小型化的形式提供空间均匀化的、空间分离的常规RGB谱带内的可见彩色光，或提供三种或多种颜色。各谱带被引导进入光接收表面34上的光选通元件进行调制。以这种方法使用，阵列32可用来取代常规的滤色片阵列(CFA)，例如Iisaka的美国专利申请公开第2004/0257541中所描述的滤色片阵列。无需增加元件或滤色片就可提供额外的颜色的能力，可用于增加可用的色域。与使用吸收性滤色片的常规CFA相比，阵列32具有增加光输出的优点。
可以观察到光分离器10的设计容易适应串联构造和阵列构造，如图6-9B中所所示。这与任何常规类型的二向色彩色分离器(例如背景部分所提到的那些)不同。可以具有这种串联和/或阵列能力是因为光分离器10一般沿着与输出光相同的轴引导被分离的光。因此光分离器10提供用于光谱分离的“窄分布(narrowprofile)”装置，而不会相对于入射光的光轴正交地或以一些其他极端角来重新定向光。
日光收集实施方式
参见图11，示出了用于从太阳或另外的辐射源产生电能的日光收集装置44。放大透镜38或其它的光学聚光器将光导入光分离器10。透镜38的输入直径(input diameter)优选比输入侧14的尺寸大。光分离器10将光分离成更长波长的谱带和更短波长的谱带。然后将各谱带导入光生伏打电池40a或40b，通常使用任选的透镜42a、42b作为光学聚光器，用于将各谱带的光与相应的光生伏打电池40a或40b耦合。该排布是有利的，例如当不同的材料用在光生伏打电池40a和40b中时，对各自进行优化，以用于不同的波段。以这种方式，本发明的装置提供了通常用于日光收集器件(例如Jackson的题目为“Solar EnergyConverter(太阳能转换器)”的美国专利2,949,498中所述)的常规堆叠光生伏打电池方案的替代方式。
实践考虑
如光学领域技术人员所能理解的，参见图1、2和3进行描述的光的行为是理想化的一级近似。当然，二向色涂层的实际行为不够完美。在实践中，在被分离的光的各个组分中，将有一些量的光谱污染。有益的是更近地观察光的行为以更好地了解本发明的装置和方法的整体性能。
如前面所注意到的，二向色涂层对入射光的角度很敏感，使得可以预期一些光谱污染将位于预定的阈波长处或预定的阈波长附近，这部分地取决于入射光的角度。参见图10，示出了二向色表面16a(在该实施方式中被处理形成红外反射器)如何以高入射角处理光。在一定的入射角范围内，会发生一些量的光谱污染(spectral contamination)，尤其对于IR光。如图10所示，在二向色表面16a可发生一些量的红外泄漏，甚至在低入射角的情况下也会发生。虚线所示的光从输出表面18b反射，由此朝着二向色表面16a重新定向。在其下一次入射在二向色表面16a上时，光以更高的入射角入射，然而，大部分不希望的光被反射。在输出表面18b和二向色表面16a上的重复入射的入射角都越来越大，因此即使该非有意的反射的效率连续变低，仍有一些量的泄漏光，保持“被捕获”在光波导通道中12b。
另一个实践上考虑涉及二向色涂层本身的不完美的滤光性质。关于本发明的光分离器10，一些预定的波长被指定作为参考或在二向色表面16a和16b进行反射和透射的阈波长。例如，参见图3，希望对多色光进行分离，以使得更长波长谱带的光RL在近红外范围或更高的波长(名义上约为750nm和更长的波长)。较短波长谱带的光RS将包含可见波长范围或更短的波长。对于该实施例，对二向色表面进行处理以反射近红外波长和更长的波长(标定的阈波长为750nm)，并透射比该阈波长短的波长。相反地，二向色表面16b被构造成反射比750nm更短的波长并透射更长的波长。
众所周知，在实践中通常难以得到这样的二向色涂层，该二向色涂层能提供在任何给定波长处的透射和反射之间的很急剧的转变(sharp transition)。因此，用作标定的阈波长的预定波长(在该实施例中为750nm)作为参考点，但是不是作为绝对的“截止(cutoff)”阈值。也就是说，与一些光谱范围(例如740-760nm)不同，在该光谱范围内在各输出光路RL和RS都有一些可测量的光分布，因此两个谱带有些重叠。对于各二向色表面16a和16b仔细地选择阈波长，会有助于补偿长波长谱带和短波长谱带之间的重叠。然而，稍微的重叠是希望的。
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-偏振的输出，该s-偏振的输出可在输出侧20被光谱分离，其中不使用p-偏振的输出。
构造
参见图4，可使用棱镜与施加到各个棱镜表面的必要的二向色涂层的组合来构建光分离器10。可使用玻璃或光学塑料来形成任何的棱镜元件。有利的是，可对相同的棱镜几何形状使用不同的二向色处理。因此，可通过改变二向色(涂层的)配方(无需使用不同的棱镜形状)来实现改变光分离器10的光谱性质。在其它实施方式中，例如图5所示的实施方式，可通过固定能提供所需表面的适当的二向色和反射性元件来形成光分离器10。如图9A和9B中所描述的，以最小型化的阵列形式将光分离器10构建在塑料或玻璃上，可用于各种类型的显示实施方式。
如图4和6中所示，相对的侧表面46可以是棱镜的侧表面，其中这些表面是平行的。然而，侧表面46无需是平行的，可以是楔形的，从输入侧14到输出侧20变窄或变宽。侧表面46和外表面18a和18b的锥形可用来提供放大倍率或使输出光成形。侧表面46可以是平面的，如图4和6中所示，或者可以由不只一个面形成，或具有一个或多个弯曲部分。
有益地注意到二向色色分离器，就如同该术语常规地用于X-立方、菲利普棱镜和类似的元件中一样，在很多应用中还用作色复合器。例如，当光在图3的示范性实施方式中所用的方向相反的方向传播时，本发明的光分离器10可通过将较长波长的光组分和较短波长的光组分组合在一起来用于形成多色光。
已经具体参见某些优选的实施方式详细地描述了本发明，但是应理解在如上所述以及如权利要求中所述的本发明的范围内，本领域技术人员可进行各种变化和修改，不偏离本发明的范围。例如，除了用于如本文的实施例的实施方式所示的从可见光中分离红外光外，二向色表面也可构造用于一定范围的预定阈波长条件。也可向光路中加入额外的滤光器、偏振器、透镜或其它光调节元件，来调节或重新定向输入的多色光或输出的光谱组分。
因此，所提供的是一种用于对光进行光谱分离和空间均匀化的装置和方法。

Claims (37)

1.一种光分离器，该光分离器将多色光分离成在预定波长之上的较长波长谱带的光和在预定波长之下的较短波长谱带的光，所述光分离器被限定在两个相对的侧表面之间，所述相对的侧表面各自在一定的角度范围内反射入射光，并且所述光分离器还具有用来接受所述多色光的输入侧，和用来提供已分离的较长和较短波长谱带的光的输出侧，所述光分离器包括：
(a)第一光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第一二向色表面，用于反射比预定波长更长的波长并透射比预定波长更短的波长；和
(ii)第一外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
和
(b)第二光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第二二向色表面，用于反射比预定波长更短的波长并透射比预定波长更长的波长；和
(ii)第二外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
还包括光分离器的共同部分，即第一和第二光波导通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之间，从输出侧到输出侧变窄。
2.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述第一外表面被涂覆有反射性材料。
3.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述第一外表面是棱镜的一个面。
4.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述第一外表面通过全内反射而反射入射光。
5.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述第一或第二光波导通道中的至少一个的输出侧的光是被偏振的。
6.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述第一二向色表面形成在棱镜的面上。
7.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述第一二向色表面形成在透明材料板上。
8.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述光分离器由三个棱镜形成。
9.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，它还包括光学聚光器，用于将所述多色光导入输入侧。
10.如权利要求9所述的光分离器，其特征在于，所述光学聚光器是透镜。
11.如权利要求9所述的光分离器，其特征在于，所述光学聚光器是锥形的光波导。
12.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述较长波长谱带的光被导向第一光生伏打电池，所述较短波长谱带的光被导向第二光生伏打电池。
13.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述相对的侧表面彼此平行。
14.如权利要求1所述的光分离器，其特征在于，所述相对的侧表面相对于彼此呈楔形。
15.一种光分离器阵列，各光分离器将多色光分离成在预定波长之上的较长波长谱带的光和在预定波长之下的较短波长谱带的光，其中各光分离器被限定在两个相对的侧表面之间，所述相对的侧表面各自在一定的角度范围内反射入射光，并且各光分离器还具有用来接受所述多色光的输入侧，和用来提供已分离的较长和较短波长谱带的光的输出侧，各光分离器还包括：
(a)第一光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第一二向色表面，用于反射比预定波长更长的波长，并透射比预定波长更短的波长；和
(ii)第一外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
和
(b)第二光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第二二向色表面，用于反射比预定波长更短的波长，并透射比预定波长更长的波长；和
(ii)第二外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
还包括光分离器的共同部分，即第一和第二光波导通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之间，从输出侧到输出侧变窄。
16.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，所述第一外表面被涂覆有反射性材料。
17.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，所述第一外表面是棱镜的一个面。
18.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，所述第一外表面通过全内反射而反射入射光。
19.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，所述第一或第二光波导通道中的至少一个的输出侧的光是被偏振的。
20.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，所述第一二向色表面形成在棱镜的面上。
21.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，所述第一二向色表面形成在透明材料板上。
22.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，所述光分离器由三个棱镜形成。
23.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，它还包括光学聚光器，用于将所述多色光导入输入侧。
24.如权利要求23所述的光分离器，其特征在于，所述光学聚光器是透镜。
25.如权利要求23所述的光分离器，其特征在于，所述光学聚光器是锥形的光波导。
26.如权利要求15所述的光分离器，其特征在于，对于阵列中的至少一个光分离器，所述较长波长谱带的光被导向第一光生伏打电池，较短波长谱带的光被导向第二光生伏打电池。
27.一种多波段光分离器，所述多波段光分离器用于将多色光分离成多个谱带，所述多波段光分离器包括至少一个用于将多色光分离成第一和第二谱带的第一光分离器，和与所述第一光分离器光学耦合的第二光分离器，所述第二光分离器用于将从所述第一光分离器接收的光分离成至少第三和第四谱带，其中所述第一和第二光分离器各自包括：
(a)各自在一定的角度范围内反射入射光的相对的侧表面；
(b)第一光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并且所述第一光波导通道被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第一二向色表面，用于反射比预定波长更长的波长并透射比预定波长更短的波长；和
(ii)第一外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
和
(c)第二光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并且所述第二光波导通道被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第二二向色表面，用于反射比预定波长更短的波长并透射比预定波长更长的波长；和
(ii)第二外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
还包括光分离器的共同部分，即第一和第二光波导通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之间，从输出侧到输出侧变窄。
28.如权利要求27所述的光分离器，其特征在于，它还包括光学聚光器，用于将多色光导入所述第一光分离器的输入侧。
29.如权利要求28所述的光分离器，其特征在于，所述光学聚光器是透镜。
30.如权利要求28所述的光分离器，其特征在于，所述光学聚光器是锥形的光波导。
31.一种显示装置，该装置包括多波段光分离器的阵列，其中所述各多波段光分离器将多色光分离成至少三个谱带，所述至少三个谱带各自被导向光选通元件，所述每个多波段光分离器都包括至少一个用于将多色光分离成第一和第二谱带的第一光分离器，和与所述第一光分离器光学耦合的第二光分离器，所述第二光分离器用于将从所述第一光分离器接收的光分离成第三和第四谱带，其中所述第一和第二光分离器各自包括：
(a)各自在一定的角度范围内反射入射光的相对的侧表面；
(b)第一光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并且所述第一光波导通道被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第一二向色表面，用于反射比预定波长更长的波长并透射比预定波长更短的波长；和
(ii)第一外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
和
(c)第二光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并且所述第二光波导通道被限定在(i)和(ii)之间：
(i)第二二向色表面，用于反射比预定波长更短的波长并透射比预定波长更长的波长；和
(ii)第二外表面，其在一定的角度范围内反射入射光；
还包括光分离器的共同部分，即第一和第二光波导通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之间，从输出侧到输出侧变窄。
32.如权利要求31所述的显示装置，其特征在于，所述光选通元件是液晶器件。
33.如权利要求31所述的显示装置，其特征在于，所述光选通元件是数字微镜器件。
34.一种由光源产生电能的装置，所述装置包括：
(a)光分离器，该光分离器用于将接收到的光分离成在预定波长之上的较长波长谱带的光和在预定波长之下的较短波长谱带的光，所述光分离器被限定在两个相对的侧表面之间，所述相对的侧表面各自在一定的角度范围内反射入射光，并且所述光分离器还具有用来接受所述多色光的输入侧，和用来提供已分离的较长和较短波长谱带的光的输出侧，所述光分离器包括：
(i)第一光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并被限定在第一二向色表面和第一外表面之间，所述第一二向色表面用于反射比预定波长更长的波长并透射比预定波长更短的波长；所述第一外表面在一定的角度范围内反射入射光；和
(ii)第二光波导通道，从输入侧到输出侧变窄，并被限定在第二二向色表面和第二外表面之间，所述第二二向色表面用于反射比预定波长更短的波长并透射比预定波长更长的波长，所述第二外表面在一定的角度范围内反射入射光；
还包括光分离器的共同部分，即第一和第二光波导通道的一部分，所述共同部分位于所述第一和第二二向色表面之间，从输出侧到输出侧变窄；
(b)与所述光分离器光学耦合的第一光生伏打电池，用于获得较长波长谱带的光；
(c)与所述光分离器光学耦合的第二光生伏打电池，用于获得较短波长谱带的光。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于，它还包括用于将光导向所述光分离器的透镜。
36.如权利要求34所述的装置，其特征在于，它还包括用于将光导向所述光分离器的锥形集成棒。
37.如权利要求34所述的装置，其特征在于，它还包括用于将较长波长谱带的光导向所述第一光生伏打电池的光学聚光器。
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