CN103261782B - 超高效率色彩混合和色彩分离 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了通过多色物质的方式将光谱成分组合和分离的方法和装置。使用多色物质以将来自各源的多个射束组合成单个输出射束，从而提供对输出射束的亮度、色彩、色均匀性、发散角、准直度、偏振、焦距和束腰中的一个或多个特性的定义。源和多色物质的结合可用作隐私增强隐私显示器和用于将多个光谱成分的信号多路复用。在本发明的另外的实施方式中，多色物质用于衍射光谱成分以用于分光镜或解复用应用中。

Description

超高效率色彩混合和色彩分离
本申请要求申请日为2010年9月27日的美国临时专利申请序列第61/404,062号的优先权，在此结合该申请作为参考。
技术领域
本发明大体涉及用于组合或分离光的光谱成分的装置和方法，更具体地涉及为了任一上述目的使用多色物质。
背景技术
对于应用于街道和汽车照明，至家用、LCD显示器和娱乐照明范围的多种应用中的白光照明的实现，色彩混合是必须的。通常通过以蓝光照射发出红和绿光的荧光材料而得到白光。当三种颜色混合时，总体发出的光看起来是白色的。在图1中示出了该方法，其中从p-n结发出的蓝光101照射发出红光103和绿光104的荧光体102。这三种颜色的混合产生白光。
上述用于将不同颜色的光混合的方法具有以下三个主要缺点：
●该荧光体随着时间趋于劣化。这对色彩输出寿命以及装置的整体效率造成不利影响。
●该整体的装置的效率低于常规的3-色LED系统。这主要由于斯托克斯频移（非弹性散射）的热损失和与荧光体有关的劣化（degradation）问题。因此，没有实现LED的高固有效率。
●该系统遭受差的色彩稳定性和渲染之害。利用此方法对高质量的照明进行色彩控制是很难的，因为其几乎不能控制不同颜色的相关光的输出。
产生白光的另一个方法是使用三个为原色：红、绿和蓝（RGB）色的分离的LED。这允许独立地控制每种颜色的强度，从而实现输出光的更好的色域。在最简单的情况中，仅将三个LED封装在单个、密封的壳体里。由于没有提出高效率的三色混合的方法，因此三种颜色在传播期间混合并且产生白光。这在白光输出中产生了显著的非均匀性，且很难控制白光的质量。包括使用漫射体的调色方法受到由于漫射体中的光吸收和散射引起的固有效率损失。
发明内容
本发明的实施例提供，与诸如发光二极管的彩色光源相结合地使用多色物质，用于照明、显示、光谱学和相关的应用中的非常有效的色彩混合。
根据本发明的优选实施方式，提供了色彩组合装置，其具有多个照射源，每个照射源发出的射束特征在于不同的光谱范围。共同地，射束构成射束组。该装置还具有多色物质，其被配置成在多个照射源对该多色物质照射时定义在至少一个容积中的光输出特性。
在本发明的多个实施方式中，多色物质被配置成在多个照射源对该多色物质照射时定义不仅仅是一个容积而是多个容积中的光输出特性。在多个容积中的至少两个容积中定义的光输出特性可以是相互不同的光输出特性。
在本发明的另一个实施方式中，多色物质可用于将射束组结合到输出射束中。该多色物质可被进一步配置成定义输出射束的传播方向。
在本发明的另一个实施方式中，该多色物质可被配置成定义在空间的特定容积中的至少一个光特性，其中一个特性选自包括以下特性的组：（i）亮度；（ii）色彩；（iii）色均匀性；（iv）偏振。其中形成输出射束，该多色物质可被配置成定义输出射束的至少一种特性，该一种特性选自包括以下特性的组：（i）亮度；（ii）色彩；（iii）色均匀性；（iv）发散角；（v）准直度；（vi）偏振；（vii）焦距；和（viii）束腰。
在本发明的另一个实施方式中，各所述照射源的不同光谱范围在光谱上基本不重叠。所述色彩组合装置还包括设置在各照射源和所述多色物质之间的计算机生成的全息底板。所述多个源可以，但并不必须是，设置在非平面基底上。可提供至少一个控制器用于独立地控制各光源。所述多个源的子集至其整体，可共享公共电极。所述多色物质可制造在透明的材料上或在吸收材料上。所述多色物质可配置成以透射模式或以反射模式工作。所述多色物质可以是二元的、多级的或具有渐变的折射率分布指数。所述多色物质还包括镶拼的多色物质。
本发明的另一实施方式还提供一种隐私增强显示器，其包括发出电磁辐射的多个源像素，各像素的特征在于发散角；和与各像素相邻设置的多色物质，用于将从远离所述源像素的位置看的辐射视野变窄。
本发明的另一实施方式提供一种高效率LCD显示器，包括：偏振背光的源；基本设置在一个平面中的多个LCD像素；和设置在偏振背光的源与LCD像素的平面之间的多色物质，用于将背光分为一定的光谱成分。
根据本发明的另一方面，提供一种方法用于组合色彩。该方法包括以下步骤：
a．以来自多个源的电磁辐射照射多色物质，各源的特征在于不同的光谱范围；以及
b．将来自多个源的电磁辐射组合，使得来自所述多色物质的辐射具有特定的色彩和功率均匀性以及准直度。
在本发明的可选实施方式中，还可包括控制输出射束空间分布以产生要求的图案或纹理的步骤。
根据本发明的另一方面，提供了用于对光信号进行复用和解复中的至少一个操作的方法，所述方法包括：
a．以来自多个源的电磁辐射照射多色物质，各源的特征在于不同的光谱范围并发出不同的光谱成分；
b．将来所述自多个源的电磁辐射组合以耦合至具有出口的光管道；以及
c．将所述光管道的输出耦合至第二多色物质，用于将所述电磁辐射分离成不同的光谱成分。
在本发明的另一方面，提供了一种用于高分辨率成像的方法，该方法包括：
a．在样本中激发辐射，该辐射包括多个指示不同功能性的光谱成分；
b．通过多色物质将所述多个光谱成分分离；
c．将所述不同的光谱成分分别成像。
根据本发明的另一实施方式，提供了对具有色散元件的光谱仪的改进，该色散元件用于将输入光的光谱成分分散，该改进包括以多色物质替代所述色散元件。所述多色物质被最优化用于实现特定的衍射效率或将光谱带指引至特定的探测器像素。所述多色物质被最优化以抑制特定的衍射级以及增加所述光谱仪的输入光接收。所述多色物质可用作被供能的衍射光学元件，将衍射光聚焦至探测器阵列上。
附图说明
本发明或申请文件包括以色彩绘制的至少一幅附图。可通过请求和支付必须的费用由专利和商标局（PatentandTrademarkOffice）提供该专利的具有色彩附图的复印件。
参考附图，根据以下详细说明，本发明的前述特征将更容易理解，其中：
图1示意性示出现有技术的LED，其具有蓝光源和用于产生其他色彩成分的荧光体，以得到色彩混合输出；
图2是色混合系统的一个实施方式的示意性图示，根据本发明的一个实施方式，其中来自光源（如LED）阵列的不同色彩的光照射一组中间计算机生成的全息图（CGH），其预处理光以接着照射多色物质，该多色物质将颜色混合产生混色输出；
图3示出了根据本发明的另一实施方式的安装在非平面基底上的光源，该多色物质被设计成进行色混合；
图4(a)和图4(b)是分别示出了根据本发明的多个实施方式的源的配置的剖视图，其中每个源具有各自的底部电极，并且所有的源具有公共底部电极；
图5是根据本发明的实施方式，基于图2的排列，将用于RGB色混合系统中的中间CGH最优化的相位图；
图6是根据本发明的实施方式，基于图2的排列，将用于RGB色混合系统的多色物质最优化的高度图；
图7是根据本发明的实施方式，示出了对于每个单独的光谱通道在多色物质之后1mm处设置的平面上的输出亮度分布；
图8示出了根据本发明的实施方式的模拟色混合输出亮度分布；
图9示出了根据本发明的实施方式的模拟“纹理”输出亮度分布；
图10示出了根据本发明的实施方式的隐私增强显示器；
图11（a）示出了常规的显示器；图11（b）是基于多色物质的显示器；且图11（c）是根据本发明的实施方式将RGB色分至各LCD像素上的多色物质块；
图12示出了根据本发明的实施方式的将用于颜色分离的多色物质用于次-衍射-有限分辨率成像；
图13示出了在复用和解复用步骤中的光互连中使用多色物质；
图14（a）示出了根据用于衍射入射光的衍射光栅的现有技术常规光谱仪；图14（b）示出了根据本发明实施方式的替代衍射元件的多色物质的应用；以及
图15(a)-15(e)示出了根据本发明的实施方式的基于扫描光射束光刻法（scanning-opticalbeamlithography）和使用纳米印刷光刻法的复制的多色物质制造步骤：（a）用于二元结构的常规方法；（b）用于多极结构的灰度方法；（c）复制过程；（d）和（e）使用灰度技术制造的闪耀光栅和圆柱微透镜的扫描电子显微照片。
具体实施方式
定义。如在本说明书和权利要求中所使用的，以下术语应具有所指示的意思，除非上下文中另作要求：
术语“多色物质”指固体介质，其特征在于结构化表面或者不均匀的折射指数，导致非周期性的且缺乏旋转对称的多个波长衍射光学元件。在一些实施方式中该衍射光学元件可以是二元或多级相位光学元件（binaryormulti-levelphaseoptic），但本发明并不只限于此。可在美国公开的申请2010-0097703（Menon,在下文中称为“Menon的‘703申请”）中，以及在可从http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/57696获得的Domingues-Caballero于2010年2月在MassachusettsInstituteofTechnology发表的博士论文“DesignandOptimizationoftheHolographicProcessforImagingandLithography”中，找到多色物质的示例以及关于其设计和制造的教导，在此结合这两篇参考文献作为参考。
术语“二元衍射元件”指具有以下特性的光学元件，在通过所述元件或从该元件反射时，具有平坦相前（planarphasefront）的光束在平面中的每个位置处经历两次相移中的一次，所述平面横向于所述光束的传递方向。
术语“多级衍射元件”指具有以下特性的光学元件，在通过所述元件或从该元件反射时，具有平坦相前的光束在平面中的每个位置处经历多次相移中的一次，所述平面横向于所述光束的传递方向。一个示例是衍射光栅，其具有量子化分级表面，而不是连续模拟闪耀（continuousanalogblaze）。
如这里所使用的，当多个光束具有“不同的光谱范围”，其光谱范围可部分地重叠。
根据本发明，提供了用于超高效率的色彩混合（colormixing）的方法和设备，以用于，例如照明、显示和相关应用的目的。这里所说明的方法和装置包括使用这里称之为多色物质的光学元件，其允许混合多种输入颜色，以及更具体地，将三个或更多输入颜色组合以产生均匀的白（或其它颜色）光输出光束，该输出光束具有高效率和色彩稳定性，并且该输出光束的光学特性能调节。
参考图2中的示意性的描绘，对本发明的第一实施方式进行说明。在图2中描绘的几何图形中，使用一组中间计算机-生成全息图（CGH）205来辅助对源201、202和203发射的光的重新定向和预调节。所述源中，一个通常是红色201，一个为绿色202，一个为蓝色203，但任何其它照明光谱组合都在本发明的范围内。每个CGH205都针对其相应的工作波长被最优化，以实现高的衍射效率。在Dominguez-Caballero(2010)，pp.47-92，以及在Dominguez-Caballero等的在Int.J.Nanomanufacturing，第6卷，pp.207-18(2010)发表的“DesignandsensitivityanalysisofFresneldomaincomputergeneratedholograms”中对最优化CGH以实现高衍射效率进行了教导，在此结合作为参考。由中间CGHs衍射的光照射多色物质210，其衍射图案接着产生由设计者指定的混合颜色的输出照明215。尽管输出照明215的每个光谱成分是基本上共同校准的，然而应理解输出光束215的多种特性，如校准度、亮度均匀性、渲染和色彩稳定性，可由多色物质元件的适当设计和最优化来精确控制。该适当的设计和最优化在Menon的‘703申请中和在Dominguez-Caballero(2010)中进行了说明。
现参考图3，对本发明的可选实施方式进行说明。光源301、302和303设置成不共面的方式，例如安装在非平坦基底305上。所述源中，一个通常是红色301，一个是绿色302和一个是蓝色303，然而任何其它照明光谱组合都在本发明的范围内。尽管光源301-303发射的通常是在电磁光谱的可视部分中，然而应该理解根据这里所提供的设备和方法可应用在光谱的其它部分中，包括但不限于，微波、亚毫米、红外线和紫外线。由于非平面安装，不需要有中间CGH。光源的直接输出照射多色物质310，其也被设计成进行色彩混合并产生混合的输出光束315。
色彩控制（colorcontrol）
与之前可能情况相比，根据本发明的方法和装置可有利提供对输出光的更好的控制。在阵列中的光源301、302、303中的每一个（如LED）可由每个LED电耦合的一个或多个控制器318独立地控制。例如，从红、绿和蓝LED发出的光可通过控制LED输入电流而独立地控制。这允许以特定的比例产生原色，从而实现极宽的动态色彩范围，包括白光。在这种情况下，多色物质优选地被设计成同等且高效地响应3种原色。具体地，该多色物质被设计成将光源在空间中交错排列并将色彩适当地混合。
装置结构
光源201、202和203可如所示地结合到单个基底中或简单作为分离的元件的组合，如图4(a)和4(b)中的剖视图中所示。底部电极401、402、403和顶部电极404可通过绝缘体406对于每个源分离，如图4（a）中所示，或可选地，可使用公共底部电极405，如图4（b）中所示。该基底本身也可用作底部电极。如果通过底部电极和埋藏的导线将源独立地连接，则分离的电极是有用的。为排除对发射光的干扰，埋藏的线是优选的。
多色物质
多色物质210（图2中所示）是光学元件，优选为平坦的，其被数字地设计成执行要求的色彩混合和光束成形，例如针对给定入射光束组进行的校准（collimate）或特定射束发散（divergence）。此外，该多色物质可被灵活地设计成产生均匀的（平顶）或非均匀的（如，高斯型）输出亮度分布。该多色物质可被设计成调节空间中的无限的或有限的三维区域中的光。可定义一个或多个输出区域。在Menon的703申请和Dominguez-Caballero（2010）中透彻展示了为了在立体区域中实现亮度分布的特定定义而进行的对多色物质的设计。多色物质所提供的额外的自由度使其适合用于在不同要求和限制的条件下的宽范围的应用中。
根据本发明的优选的实施方式，多色物质210由在诸如玻璃等的基底上的微或纳米结构的波纹（corrugation）构成。如在Dominguez-Caballero（2010）中所说明的，根据基于一组约束条件的非线性最优化算法来确定波纹的位置和高度，所述一组约束条件由选定的几何结构和目标应用给出。例如，对于图2中所示的几何结构，将最优化问题分为两部分，一部分包括中间CGH的最优化，而另一部分用于最优化多色物质。这两个最优化块可连接在一起以改善整体系统效率。例如，图5示出了用于三个中间CGH的最优化相位图，该三个中间CGH被设计成用于RGB系统，其中中间波长：λ=650nm(红色)，λ=530nm(绿色)，且λ=480nm(蓝色)。该中间CGH也包括在基底上的微/纳米结构。根据以下方程式，该波纹的物理高度与所得到的相位图有关：
T ( x , y ) = λφ ( x , y ) 2 π ( n 2 - n 1 ) - - - ( 1 )
其中T(x,y)是波纹高度图，φ(x,y)是相位图，n2和n1分别是基底和周围介质的折射率。在本发明的优选实施方式中，CGH205（图2中所示）是100μm×100μm的尺寸，其中具有0.5μm的相元间距，并且被设置成距LED源约1mm。这些LED源优选为15μm×15μm尺寸，并且被布置在一条线上且间隔开约200μm距离。
图6中示出了最优化的多色物质的高度图。在所示的实施例中，中间CGH和多色物质两者都具有相同的0.5μm的相元间距，并且可采取在熔融石英基底上制造，其中考虑相应的色散值。
图7示出了独立地用于各光谱通道（spectralchannel）的模拟输出亮度分布，其中在每个图中，不同的单个LED被“打开”。亮度分布是在距多色物质1mm远的输出平面上计算的。如所示，各光谱通道被正确地校准并输出高效率的均匀亮度分布。该系统的平均衍射效率是80.83%。图8示出了相应的色彩混合输出（所有的LED被“打开”）。
根据本发明的可选实施例，多色物质210可有利地产生“纹理”照明，例如适用于诸如娱乐照明的应用。图9示出了为基于图2的几何形状的RGB色彩混合系统进行多色物质最优化之后的输出纹理亮度分布的示例。
用于显示器的隐私过滤器
现参考图10，根据本发明的另一个实施方式，多色物质210可被设计成减小显示器150的视场（FOV），从而增强隐私性。在常规的显示器151中，来自每个像素152的光以较大角度155发散。这使得显示器可在较大角度被看见，且因此有碍于隐私性。根据本发明的实施方式，多色物质215被设计成使得来自像素154的输出光160的角发散如所示地被减小。如果多色物质215被设置成如所示那样足够地接近像素，则每种颜色可具有其本身的设计。因此，多色物质可包括平铺的块（block），每块为入射至其上的波长而设计。接着，每块成角度的-（即，间隔开的-）被多路复用以用于宽范围的源。在这种情况下，通过光的传播而自然地实现色彩混合。如果多色物质与像素之间的间隙更大，则可在设计中使用波长多路复用（wavelengthmultiplexing）。
用于显示器的特别有效的色彩过滤
多色物质215还可有利地用于提高LCD显示器中的色彩滤光片（colorfilter）的效率。在图11(a)-11(c)中示出了该应用。在常规的LCD显示器中，通过吸收色彩滤光片而实现原色，如图11(a)中所示。白光在通过LCD像素之后，被常规的色彩滤光片吸收以形成原色，红、绿和蓝（RGB）。由于其通过吸收而实现，其效率低于33%。多色物质215用于简单地从白光分离出该RGB色彩，且将该分离的色彩入射至独立的LCD像素（或像素扇区）上，如图11(b)和11(c)所示。该效率可高达80-90%，仅受多色物质的设计的限制。在多色物质之前将散射屏（diffuser）移除以减小接收角。在这种情况下，该散射屏可被设置在多色物质之后（在图中未示出）。
用于高分辨率的5-D成像的荧光信号的分离
当前，已经开发了几种技术来在荧光显微法中使用可转换的荧光体来实现3-D中的深的子-衍射-有限分辨率（sub-diffraction-limitedresolution）。例如，在以下出版物中说明了该技术：
Hell，等，“Breakingthediffractionresolutionlimitbystimulatedemission:stimulated-emission-depletionfluorescencemicroscopy”，Opt.Lett.，vol.19,pp.780-82(1994)；
Huang,等，“Three-DimensionalSuper-ResolutionImagingbyStochasticOpticalReconstructionMicroscopy”,Science，vol.319,pp.810-13(2008)；
[4]H.Shroff,等,“Live-cellphotoactivatedlocalizationmicroscopyofnanoscaleadhesiondynamics”,NatureMethods,vo.5,pp.417-23(2008)；和
[5]Hess,等,“Ultra-HighResolutionImagingbyFluorescencePhotoactivationLocalizationMicroscopy”,Biophys.J.,vol.91,pp.4258-72(2006)，
在此结合其所有公开内容作为参考。
为了功能特异性，多种所述技术还使用发出不同波长的荧光体。在这种情况下，信号在成像的时候通过干涉滤光片。这通过时间或通过经由双色向滤光镜（dichroicfilter）将不同颜色转向至分离的探测器上来将发射信号分离而实现。根据本发明的实施例，多色物质可为色彩分离提供更简单的方法。这允许可同时检测到不同的发射信号，从而得到高的时间分辨率（或快速成像）。这还允许使用相同的CCD相机，只要将不同分像素分配给不同颜色。在很多的应用中这是明显可行的。该多色物质被设置在干涉滤光片的位置中。其按照波长将信号分离，且将每个信号-波长分配给CCD相机上的分离的像素块，如图12所示。因此，这允许在所有3个空间维度中以及色彩（用于特异性）和时间（用于快速处理）这两个另外维度中实现高分辨率成像。
用于光互连和光通信的复用器（multiplexer）和解复用器
现参考图13，多色物质130可用作用于光互连，如板内芯片至芯片模块的复用器和解复用器。可在Mill的，“RationaleandChallengesforOpticalInterconnectstoElectronicChips”,Proc.IEEE,vol.8,pp.728-49(2006)中找到该互连所面临的挑战的说明。在该复用步骤中，多色物质130被设计成将不同的离散并行输入通道结合并将其重定向至单个物理通道，例如光纤135，以实现有效的输入处理。在解复用步骤，出自物理通道的组合宽带信号被在光谱上分离，且每个光谱带被重新定向至其相应的光探测器，以实现有效的输出处理。多色物质138允许以高的转换效率来并行地处理多条通道，以用于超高速度的数据传输应用。可将类似的设计有利地用于光通信中的复用器和解复用器。
光学分光计
现参考图14(a)和图14(b)，在本发明的可选实施例中，多色物质140被用于替代色散元件142，如衍射光栅，用于调节输入光141。常规的基于衍射光栅的分光计通常是低效率的，因为光栅是针对单波长被最优化的。相反，多色物质140可基于多波长而设计，且因此提高了系统效率。此外，使用多色物质，可控制光谱输出的振幅分布以产生均匀的或“着色的”输出分布，作为带通滤光片有效地工作。从多色物质输出的光可被最优化以将光谱带匹配至合适的探测器像素。该多色物质可被设计成避免使用任何另外的附属光学器件（secondaryoptic）。
图14(a)示出了常规的Czerny-Turner分光计，但是所有的分光计配置都在本发明的范围内。首先由准直镜143反射入射光141，并将其重定向至衍射光栅142。该衍射光栅142将光分散成多个光谱带，该多个光谱带接着通过成像镜聚焦至探测器阵列145。图14(b)示出了结合有多色物质140的分光计，其整体用数字14指示。这里，也将输入光141校准和重定向至多色物质140。该多色物质140将输入光束分散为多个光谱带且执行成像操作，将光重定向至探测器阵列145的适当区域。所示出的该多色物质以反射模式工作且可被弯曲（或“供以能量”），从而允许取消附属光学器件中的一个。
多色物质的制造
多色物质215可由玻璃、塑料或其它在其应用于的电磁光谱的范围内具有高透射率的电介质制成。可选地，其可由金属面制成且以反射模式工作。如在Gil等的“ThePromiseofDiffractiveOpticsinMasklessLithography”，Microelectron.Eng.,vols.73-74,pp.35-41(2004)；Galus等的“ReplicationofDiffractive-OpticalArraysviaPhotocurableNanoimprintLithography”,J.Vac.Sci.Technol.B.,vol.24(6),pp.2960-63(2006)；以及在授予Feldman的美国专利第5,774,239号中说明了常规的制造技术，如可实施扫描光束光刻术（SOBL），灰度光刻术，或电子束光刻术。
为了减少制造成本，可采用如卷对卷压印的复制过程。已示出所有这些制造技术能够很好地用于在较宽范围内以高保真度制造微米尺寸的特征。图15(a)-图15(e)示出了基于SOBL的制造示例以及纳米印刷复制过程。图15(a)示出了用于制造二元结构的常规的图案形成方式。为了制造多层结构，如图15(b)所示实施“灰度”图案形成（可变剂量）技术。在图15(d)和(e)中示出已说明的多级结构的制造，所述多级结构如闪耀光栅和柱面透镜。在透明塑料中形成该结构是可行的，该透明塑料在固化时，很坚固并且耐磨。这样的处理避免了图形转印步骤。根据本发明的另一实施例，通过镶拼的多色物质可实现大面积源的可缩放性。
这里所说明的本发明的实施例旨在仅作为示例性的；对本领域的技术人员来说多种改变和变化是很明显的。所述变化和改变在所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种高效率LCD显示器，包括：
a.偏振背光的源；
b.基本设置在一个平面中的多个LCD像素；
c.设置在所述偏振背光的源与LCD像素的平面之间的多色物质，用于将背光分为一定的光谱成分，其光谱范围部分地重叠；以及
d.散射屏，其设置成相对于所述偏振背光的源远离所述多色物质。
2.如权利要求1所述的高效率LCD显示器，其中所述多色物质由在基底上的微或纳米结构的波纹构成。
3.如权利要求1所述的高效率LCD显示器，其中所述多色物质由在玻璃基底上的微或纳米结构的波纹构成。
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