CN112189162A - 光隧道以及制造光隧道的方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学设备包括：均具有反射平面的两个平板；以及两个厚度为H且均具有反射侧壁的平隔板。所述两个平板和所述两个平隔板以叠层的形式排列，所述两个平板的所述反射平面彼此面向设置，所述两个平隔板设置在一个平面中并且设置在所述两个平板之间，所述两个平隔板的反射侧壁彼此面向设置并且在所述两个平隔板的所述两个反射侧壁之间具有间隙，所述两个平板的所述面向设置的反射平面以及所述两个平隔板的所述面向设置的反射侧壁限定出在垂直于所述一个平面的方向上具有尺寸H的光隧道通路。该面向设置的反射侧壁可以相互平行，且以恒定的间隙W分隔开，以提供具有恒定横截面H×W的光隧道通路，或者可以形成一定角度以提供变窄的光隧道通路。
Description
技术领域
本申请要求于2018年5月1日提交的美国临时专利申请序列号62/665,152的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
以下内容涉及光学设备技术、光子学技术、光隧道设备技术及其应用，例如光混合、光投影系统以及投影电视等。
光隧道包括具有反射内表面的管。在光隧道将光源与下游光学部件连接的光学设计中，光隧道用作光学积分棒以使光均匀化。例如，在投影显示设备中，投影灯可以聚焦到光隧道的输入孔上，并且从光隧道的输出孔出射的光由此在输出孔所在的区域上变得更均匀。光隧道在很大程度上保留了光学扩展量，因此，在输出孔处输出的光发散特性可以通过光隧道的适度变窄来设计。光隧道可提供额外或其它益处，例如提供用于连接热白炽灯与热敏下游光学器件的封闭光学路径。光隧道也可以用于使光成型，例如，在用于像素化显示设备的投影仪系统中，具有矩形横截面的光隧道在输出孔处提供矩形光源，该输出孔可以被设计成匹配矩形数字微镜设备(DMD)、像素化LCD显示设备等。
光隧道依赖于光与光隧道的反射内表面之间的强相互作用以提供光学积分器(光混合)效果。在几何光线建模中，这相当于通过光隧道的光线的多次反射(平均来说)。因此，为了高的光学效率，光隧道的内表面应当具有非常高的反射率。如果存在(平均)N次反射并且表面具有反射率r，则输出为rN，损耗为(1-rN)。例如，如果r＝95％并且平均存在N＝4次反射，则光损耗为(1-0.954)＝18％。如果反射率增加到r＝97％，则损耗降低到11％，而在r＝98％时，损耗下降到7.8％。在一种用于制造具有高光学效率的矩形横截面的光隧道的方法中，具有高反射率涂层的四个玻璃板以端对端的方式布置，每个板与相邻板成90度取向，其中高反射率涂层形成光隧道的内表面。心轴可以临时固定所述四个玻璃板，同时该四个玻璃板的相邻端部被粘合或以其它方式固定。
本文公开了一些改进。
发明内容
在本文所公开的一些示例性方面中，公开了一种光学设备，包括：具有第一反射平面的第一元件；具有第二反射平面的第二元件；以及两个平隔板，每个平隔板均具有反射侧壁。所述两个平隔板设置在一个平面上，所述两个平隔板的反射侧壁彼此面向设置，所述两个面向设置的反射侧壁之间具有间隙。所述第一反射平面与含有所述两个平隔板的所述一个平面平行并与所述两个平隔板接触。所述第二反射平面与含有所述两个平隔板的所述一个平面平行并与所述两个平隔板接触。所述第一反射平面和所述第二反射平面设置在所述一个平面的相反两侧。
在本文公开的一些示例性方面中，光学设备包括：具有第一反射平面的第一元件；具有第二反射平面的第二元件，所述第二反射平面面向所述第一反射平面设置；以及两个厚度为H的平隔板，所述平隔板设置在一个平面中并具有面向设置的反射隔板侧壁，所述两个平隔板设置在所述面向设置的第一反射平面和第二反射平面之间，使所述面向设置的第一反射平面和第二反射平面以厚度H间隔分开。
在本文公开的一些示例性方面中，光学设备包括：两个平板，每个平板均具有反射平面；以及两个厚度为H的平隔板，每个平隔板均具有反射侧壁。所述两个平板和所述两个平隔板以叠层的形式排列，所述两个平板的所述反射平面彼此面向设置，所述两个平隔板设置在一个平面中并且设置在所述两个平板之间，所述两个平隔板的反射侧壁彼此面向设置并且在所述两个平隔板的所述两个反射侧壁之间具有间隙，所述两个平板的所述面向设置的反射平面以及所述两个平隔板的所述面向设置的反射侧壁限定了在垂直于所述一个平面的方向上具有尺寸H的光隧道通路。
在本文所公开的一些示例性方面中，公开了一种制造光隧道的方法。在两个平面上涂覆反射涂层以形成两个反射平面。在两个平隔板中每一个平隔板的至少一个侧壁上涂覆反射涂层，以形成均具有反射侧壁的隔板。将所述两个平面和所述两个隔板固定在一起，其中所述两个平面彼此面向设置，所述两个平隔板设置在所述两个面向设置的平面之间的一个平面内，所述两个平隔板的反射侧壁彼此面向设置，使得所述两个面向设置的平面和所述两个面向设置的反射侧壁限定光隧道通路。
附图说明
图1示意性的示出了光隧道的端视图。
图2示意性的示出了图1所述的截面S-S。
图3示意性的示出了制造图1和图2所述的光隧道的制造过程。
图4和图5分别通过分解的截面S-S视图和截面S-S视图示出了渐缩形光隧道的替换实施例。
具体实施方式
这种将四个玻璃板布置成矩形，使玻璃板的高反射率表面向内设置以形成光隧道内表面的矩形光隧道的制造方法对于典型的光隧道尺寸(例如，孔面积大约为一平方厘米至几平方厘米或更大)是有效的，。然而，已经发现，由于在处理、定位和组装玻璃板组分时的繁琐性，通过这种方法制造横截面面积为大约从亚毫米平方到几平方毫米的较小尺寸的光隧道是很困难的。本文公开的实施例通过改进的处理方式、更容易的部件定位和组装对可制造性进行了改进。本文公开的实施例也可以对高吞吐量制造进行放大或缩小规模。此外，本文所公开的实施例容易用于渐缩形光隧道。
参照图1，其示出了光隧道8的端视图。图2示出了图1所述的截面S-S。光隧道8包括第一元件10和第二元件12，第一元件10具有第一反射平面14，第二元件12具有第二反射平面16。在一个适当的实施例中，两个元件10、12是平板，例如玻璃平板。光隧道8还包括两个平隔板20、22，平隔板20具有反射侧壁24，平隔板22具有反射侧壁26。在一个适当的实施例中，两个平隔板20、22是玻璃平板。
反射表面14、16和反射侧壁24、26优选地具有高反射率，例如反射率r≥90％，更优选地r≥95％，更进一步优选地r≥98％。例如，每一个反射表面14、16和反射侧壁24、26可以包括反射的多层光干涉滤光片涂层，所述反射的多层光干涉滤光片涂层使用常规的干涉滤光器设计方法进行设计，为设计基准光谱波长或波段提供所需的高反射率。作为非限制性的说明，反射表面14、16和侧壁24、26可以具有干涉滤光涂层，所述干涉滤光涂层由硅(a-Si:H)和较低折射率电介质(例如SiO2、氮氧化硅(SiOxNy)、五氧化二钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)或二氧化钛(TiO2))的交互层构成。代替干涉滤光片，反射表面14、16和反射侧壁24、26可以包括反射性金属，例如银(Ag，取决于波长，反射率可达r＝98％)、铝(Al，取决于波长，反射率可达r＝95％)等，可选地，通过表面钝化或其他表面处理/覆盖层提供的更高的反射率。在一些实施例中，反射表面14、16和反射侧壁24、26的反射涂层在400-700纳米(包括端值在内)的波长范围内具有至少0.95的反射率。更常见地，反射表面14、16和反射侧壁24、26优选地对于设计波长或波段具有0.9或更高(即90％或更高)的反射率，并且更优选地对于设计波长或波段具有0.95或更高(即95％或更高)的反射率。
如图1中最佳示出，在光隧道8中，两个平隔板20、22布置在一个平面(例如，截面S-S所示的平面)中，其中两个平隔板20、22的反射侧壁24、26彼此面向设置，在两个彼此面向设置的反射侧壁24、26之间具有间隙W(如图2中的截面S-S所示)。该间隙W限定了光隧道8的宽度W。应当注意，附图是示意性的，假设用于形成反射表面14、16和反射侧壁24、26的反射涂层具有可忽略的厚度，例如大约微米的量级。如果涂层厚度不能忽略，则每个反射表面14、16和每个反射侧壁24、26的位置均限定为反射涂层的顶部裸露反射表面。
此外，在光隧道8中，第一反射平面14设置成与包含两个平隔板20、22的一个平面平行(即，与图1所示的截面S-S的平面平行)。此外，两个反射平面14、16在一个平面(即，示意性截面S-S)的相反的两侧彼此面向设置并且与两个平隔板20、22接触。通过这种布置，光隧道8具有矩形横截面，该矩形横截面具有前述宽度W和等于两个平隔板20、22厚度的高度H(假设在设计公差内具有相同的厚度)。通常，高度H和宽度W不需要相等，但是如果对于特定的光隧道设计，这些尺寸可以相等。光隧道8具有尺寸为H×W的矩形通道30，该矩形通道由(1)第一元件10和第二元件12的具有厚度H的两个面向设置的反射表面14、16以及(2)以间隙W间隔开的两个平隔板20、22的两个面向设置的反射侧壁24、26限定。应当注意，尽管示例性的侧壁24、26是直的并且与反射表面14、16垂直，但是这并不是严格必需的，尽管应当分析与直的正交侧壁轮廓和取向的任何偏差对于光损失的影响；另一方面，使反射侧壁24、26具有一些凸或凹的曲度可有助于光混合。
应当注意，在图2的截面S-S视图中，两个平隔板20、22被绘制为不透明的，这使得第一元件10下的反射表面14除了在两个平隔板20、22的反射表面24、26之间的间隙W中之外并不可见。应当理解，如果两个平隔板20、22由透明材料制成，例如玻璃，则示出截面S-S的剖视图实际上会具有通过透明的平隔板20、22的可见的反射表面14。然而，由于两个面向设置的反射表面14、16和两个面向设置的反射侧壁24、26一起形成了尺寸为H×W的矩形通道30的连续边界，所以平隔板20、22的透明性或不透明性，或者就此而言，元件10、12的透明性或不透明性不会影响作为光学光隧道的矩形通路30的光学特性。
现在参照图3，图3示出了一种制造图1和图2中所述的光隧道8的制造过程。在本说明示例中，第一和第二元件10、12由玻璃板40(例如，作为非限制性说明示例的显微镜载玻片)通过用反射涂层涂覆玻璃板40的两个平面以形成两个反射平面14、16。在一些实施例中，这可以通过涂覆较大玻璃板的一个表面来完成，该较大玻璃板然后被切割(即，切块)以形成具有反射涂层14、16的单独的玻璃板10、12。可以理解，当大型工业规模的涂覆机可以在单批处理中涂覆许多此类元件时，容易实现扩大或缩小规模。
同样地，两个平隔板20、22可选地作为大批处理的单独的部分来形成。示意性地如图3所示，将两块厚度为H的玻璃板42与其它可替换玻璃板42组装在一起，形成板堆44。在该堆叠中，堆叠44一侧的所有侧壁都平行并朝向相同的方向，因此，所有这些侧壁都可以在一批涂覆工艺中涂覆，以产生具有涂覆侧壁的涂覆堆叠46。此外，玻璃板42的较小厚度H，使得更多的具有较小厚度H的玻璃板能够组装在堆叠44中，所以可扩展性实际上随着厚度H的减小而增加(因此伴随着所得到的光隧道通路30的尺寸H的减小)。然后，将涂覆堆叠46中单独的板拆散，并且将由可替换板构成的堆叠46中的任意两个涂覆板作为具有相应涂覆侧壁24、26的两个平隔板20、22。
最后，如图3所示，四个组成件10、12、20、22固定在一起，其中两个平面14、16彼此面向设置，两个平隔板20、22设置在两个面向设置的平面14、16之间的一个平面内，而反射侧壁24、26彼此面向设置。由此光隧道通路30由两个面向设置的平表面14、16和两个面向设置的反射侧壁24、26限定。
继续参考图3，在一个附加的改进实施例中，堆叠44在两个相对的侧面上涂覆以产生涂覆堆叠47。这种方法的优点是改进了处理方式，减少了装配错误的可能性。
光隧道通路30具有尺寸为H×W的矩形横截面，其中在垂直于一个平面(即，在示意性的图1和2中截面S-S的平面)的方向上具有恒定尺寸H，而在平行于一个平面的方向上具有恒定尺寸W。由于两个面向设置的侧壁24、26相互平行，尺寸H和W沿着光隧道的整个长度是恒定的。尺寸H由两个隔板20、22的厚度确定(忽略任何可任选地用来将表面14、16结合到隔板20、22上的胶或其它粘合剂的厚度；在一些实施例中，可以不使用粘合剂而是使用夹持的方式组装)。该尺寸H可以被制成与一块或多块原料玻璃板的实际厚度一样小，而板42可以由该玻璃板切割或直接获得。例如，在一些预期的实施例中，H为四毫米或更小，尽管也可以预期更大的H值。类似地，面向设置的反射侧壁24、26之间的间隙W可以被制作为几乎任意小。例如，心轴(或间隔件)可在组装期间插入以提供可预定的的间隙W，然后在组装之后移除该心轴(或间隔件)。因此，在一些实施例中，间隙W也可以是四毫米或更小，尽管也可以预期更大的间隙W值。在一些实施例中，可预期孔H×W的尺寸为亚毫米的孔，即H和/或W可以小于一毫米。
参照图4和5，通过沿截面S-S的分解的截面图(图4)和沿截面S-S的组装的截面图(图5)示出了一个变型实施例。在该实施例中，两个矩形隔板20、22被楔形隔板120、122代替，使得两个平隔板120、122布置在一个平面(例如截面S-S)中，面向设置的反射侧壁124、126彼此成角度设置。(或者，矩形板24、26可与相对于彼此倾斜的板一起使用，以限定角度，变型未示出)。这样，如图5中最佳示出，在面向设置的第一反射平面和第二反射平面之间限定了渐缩形的光隧道通路(与图1和2的实施例相同)。面向设置的反射侧壁124、126设置成彼此间成一角度。渐缩形的光隧道通路在垂直于一个平面的方向上具有恒定的尺寸H，该尺寸H由与图1和图2的实施例相同的平隔板120、122的厚度限定。然而，在图4和图5的实施例中，图1和图2实施例的恒定尺寸W(由彼此平行的面向设置的侧壁24、26产生)被非恒定尺寸代替，该非恒定尺寸由于面向设置的反射侧壁124、126的角度而沿着光隧道通路的长度线性地变化。更加常见的是，通过使用抛物线或其他曲率的面向设置的反射侧壁，可以实现非线性变窄，例如使用金刚石锯或其它精密玻璃切割机进行切割。
虽然在示例性实施例中板10、12、20、22是玻璃板，但是可以使用任何其它材料的板，例如金属板。在金属板由具有足够高反射率的金属(例如铝)制成的情况下，可以省略单独的反射涂层。
应当理解，各种上述公开的和其它的特征，以及功能或其替代物可以理想地组合到许多其它不同的系统或应用中。还应当理解，本领域技术人员随后可以在其中做出各种目前无法预料或无法预料的替代、修改、变化或改进，这些替代、修改、变化或改进也旨在由所附权利要求书所涵盖。
Claims (28)
1.一种光学设备，包括：
具有第一反射平面的第一元件；
具有第二反射平面的第二元件；以及
两个平隔板，每个平隔板均具有反射侧壁，其中，
所述两个平隔板设置在一个平面上，所述两个平隔板的反射侧壁彼此面向设置，所述两个面向设置的反射侧壁之间具有间隙；
所述第一反射平面与含有所述两个平隔板的所述一个平面平行并与所述两个平隔板接触；
所述第二反射平面与含有所述两个平隔板的所述一个平面平行并与所述两个平隔板接触；以及
所述第一反射平面和所述第二反射平面设置在所述一个平面的相反两侧。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一元件包括平行于所述一个平面设置的第一平板，所述第二元件包括平行于所述一个平面设置的第二平板。
3.如权利要求2所述的光学设备，其中，所述第一平板、所述第二平板以及所述两个平隔板均为玻璃板。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中，
所述两个平隔板的厚度为H；以及
所述两个平隔板设置在所述一个平面中，所述两个平隔板的面向设置的反射侧壁相互平行，并且所述面向设置的反射侧壁之间具有恒定的间隙W，其中
在所述面向设置的第一反射平面和第二反射平面与所述面向设置的反射侧壁之间限定具有尺寸为H×W的矩形横截面的光隧道通路。
5.如权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中，
所述两个平隔板的厚度为H；以及
所述两个平隔板设置在所述一个平面中，所述面向设置的反射侧壁彼此之间成角度设置，其中
在所述面向设置的第一反射平面和第二反射平面与所述面向设置的反射侧壁之间限定渐缩形的光隧道通路，其中，所述渐缩形的光隧道通路在垂直于所述一个平面的方向上具有恒定尺寸H。
6.如权利要求4-5中任一项所述的光学设备，其中，H为4毫米或更小。
7.如权利要求1-6中任一项所述的光学设备，其中，所述第一反射平面、所述第二反射平面以及所述两个平隔板的所述面向设置的反射侧壁均涂覆有反射涂层，所述反射涂层在包括端值在内的400-700纳米的波长范围内具有至少0.9的反射率。
8.如权利要求1-6中任一项所述的光学设备，其中，所述第一反射平面、所述第二反射平面以及所述两个平隔板的所述面向设置的反射侧壁均涂覆有反射涂层，所述反射涂层在包括端值在内的400-700纳米的波长范围内具有至少0.95的反射率。
9.一种光学设备，包括：
具有第一反射平面的第一元件；
具有第二反射平面的第二元件，所述第二反射平面面向所述第一反射平面设置；以及
两个厚度为H的平隔板，，所述平隔板设置在一个平面中并具有面向设置的反射隔板侧壁，所述两个平隔板设置在所述面向设置的第一反射平面和第二反射平面之间，使所述面向设置的第一反射平面和第二反射平面以厚度H间隔分开。
10.根据权利要求9所述的光学设备，其中，所述第一元件包括平行于所述一个平面设置的第一平板，所述第二元件包括平行于所述一个平面设置的第二平板。
11.如权利要求10所述的光学设备，其中，所述第一平板、所述第二平板以及所述两个平隔板均为玻璃板。
12.如权利要求9-11中任一项所述的光学设备，其中，所述两个平隔板设置在所述一个平面中，所述两个平隔板的面向设置的反射侧壁相互平行，且所述两个面向设置的反射侧壁之间具有恒定的间隙W。
13.如权利要求9-11中任一项所述的光学设备，其中，所述两个平隔板设置在所述一个平面中，所述面向设置的反射平面彼此之间成角度设置。
14.如权利要求9-13中任一项所述的光学设备，其中，H为4毫米或更小。
15.如权利要求9-14中任一项所述的光学设备，其中，所述第一反射平面、所述第二反射平面以及所述两个平隔板的所述面向设置的反射侧壁均涂覆有反射涂层，所述反射涂层在包括端值在内的400-700纳米的波长范围内具有至少0.95的反射率。
16.一种光学设备，包括：
两个平板，每个平板均具有反射平面；以及
两个厚度为H的平隔板，每个平隔板均具有反射侧壁，
其中，所述两个平板和所述两个平隔板以叠层的形式排列，所述两个平板的所述反射平面彼此面向设置，所述两个平隔板设置在一个平面中并且设置在所述两个平板之间，所述两个平隔板的反射侧壁彼此面向设置并且在所述两个平隔板的所述两个反射侧壁之间具有间隙，所述两个平板的所述面向设置的反射平面以及所述两个平隔板的所述面向设置的反射侧壁限定出在垂直于所述一个平面的方向上具有尺寸H的光隧道通路。
17.根据权利要求16所述的光学设备，其中，
所述两个平板和所述两个平隔板均为玻璃板；
所述反射平面包括设置在两个平玻璃板的平面上的反射涂层；以及
所述反射侧壁包括设置在平玻璃隔板的侧壁上的反射涂层。
18.如权利要求16-17中任一项所述的光学设备，其中，两个平隔板设置在所述一个平面中，所述面向设置的反射侧壁相互平行，并且所述面向设置的反射侧壁之间具有恒定的间隙W，使得所述光隧道通路具有尺寸为H×W的恒定矩形横截面。
19.如权利要求16-17中任一项所述的光学设备，其中，所述两个平隔板设置在一个平面中，所述面向设置的反射平面彼此之间成角度设置，使得所述光隧道通路在垂直于所述单个平面的方向上具有恒定尺寸H，而沿所述光隧道通路的长度方向逐渐变窄。
20.根据权利要求16-19中任一项所述的光学设备，其中，H为4毫米或更小。
21.如权利要求16-20中任一项所述的光学设备，其中，所述光隧道通路的所有表面对于设计波长或波段具有0.9或更高的反射率。
22.如权利要求16-20中任一项所述的光学设备，其中，所述光隧道通路的所有表面对于设计波长或波段具有0.95或更高的反射率。
23.如权利要求16-22中任一项所述的光学设备，其中，每个平隔板具有至少两个反射侧壁。
24.一种制造光隧道的方法，所述方法包括：
用反射涂层涂覆两个平面以限定出两个反射平面；
用反射涂层涂覆两个平隔板中每一个平隔板的至少一个侧壁以限定出均具有反射侧壁的隔板；以及
将所述两个平面和所述两个隔板固定在一起，其中所述两个平面彼此面向设置，所述两个平隔板设置在所述两个面向设置的平面之间的一个平面内，所述两个平隔板的反射侧壁彼此面向设置，使得所述两个面向设置的平面和所述两个面向设置的反射侧壁限定光隧道通路。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述固定步骤包括将设置在所述一个平面中的所述两个平隔板固定，其中，所述两个平隔板的面向设置的反射侧壁相互平行，并且所述两个面向设置的反射侧壁之间具有恒定的间隙W，使得所述使得光隧道通路具有恒定的尺寸W。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述固定步骤包括将设置在所述一个平面中的所述两个平隔板固定，其中，所述两个平隔板的面向设置的反射侧壁相互成角度设置，使得所述光隧道通路沿着所述光隧道通路的长度逐渐变窄。
27.根据权利要求24-26中任一项所述的方法，其中，所述涂覆操作包括：
用反射涂层涂覆所述两个平面，以限定出所述两个反射平面，所述反射平面对于设计波长或波段具有至少0.9的反射率；以及
用反射涂层涂覆所述两个平隔板中每一个平隔板的至少一个侧壁，以限定出具有反射侧壁的隔板，所述反射侧壁对于设计波长或波段具有至少0.9的反射率。
28.根据权利要求24-26中任一项所述的方法，其中，所述涂覆操作包括：
用反射涂层涂覆所述两个平面，以限定出所述两个反射平面，所述反射平面对于设计波长或波段具有至少0.95的反射率；以及
用反射涂层涂覆所述两个平隔板中每一个平隔板的所述至少一个侧壁，以限定出具有反射侧壁的隔板，所述反射侧壁对于设计波长或波段具有至少0.95的反射率。
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