CN1954241A - 多向光学元件以及利用该多向光学元件的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了包含主体的多向光学元件，该主体包含具有第一曲率的第一侧面、具有第二曲率的第二侧面、具有第三曲率的第三侧面、以及具有第四曲率的第四侧面。所述第二侧面沿第一方向与所述第一侧面大致相对地设置，并且所述第四侧面沿第二方向与所述第三侧面大致相对地设置，所述第二方向与所述第一方向不同。本发明还披露了利用这种多向光学元件的光学系统。

Description

多向光学元件以及利用该多向光学元件的光学系统
技术领域
本公开涉及折射光学元件，更具体地说，本公开涉及能够使光沿至少两个不同方向折射的多向光学元件，其可以用于微显示投影系统。本公开还涉及包含这种多向光学元件的光学系统。
背景技术
光学系统是分布广泛的，并且其通常包含一个或多个光源和光学元件的系统。在某些光学系统中，从光源或光源组件发出的光束可以被分为两个或更多个沿不同方向传播的光束，这些光束在其传播通路的下游(downstream)中可能会被重新组合，也可能不被重新组合。在其他类型的光学系统中，从不同光源或光源组件发出的光束最初可能就沿不同方向传播，并且在其传播通路的下游可能会被重新组合，也可能不被重新组合。这些多向光学系统通常比较复杂，并且包含大量不同的光学元件，例如折射光学元件、反射光学元件和衍射光学元件。通常将折叠反射镜用于使光路折叠，并由此减少复杂的大型光学系统的占地面积(footprint)。
发明概述
本公开涉及包含主体的多向光学元件，所述主体包含具有第一曲率的第一侧面、具有第二曲率的第二侧面、具有第三曲率的第三侧面和具有第四曲率的第四侧面。所述第二侧面沿第一方向与所述第一侧面大致相对地设置，并且所述第四侧面沿第二方向与所述第三侧面大致相对地设置，所述第二方向与所述第一方向不同。
本公开还涉及光学系统，该光学系统包含第一照明通道，该第一照明通道包含第一光源、第一照明目标以及多向光学元件。该多向元件包含主体，该主体包含具有第一曲率的第一侧面、沿第一方向与所述第一侧面大致相对地设置的具有第二曲率的第二侧面、具有第三曲率的第三侧面、以及沿第二方向与所述第三侧面大致相对地设置的具有第四曲率的第四侧面。所述多向光学元件设置在所述第一光源和所述第一照明目标之间，使得所述第一通道的光大致沿所述第一方向传播通过所述多向光学元件。这种光学系统还包含第二照明通道，该第二照明通道包含第二光源、第二照明目标、以及所述多向光学元件。所述多向光学元件设置在所述第二光源和所述第二照明目标之间，使得所述第二通道的光大致沿所述第二方向传播通过所述多向光学元件，所述第二方向与所述第一方向不同。
根据下面结合附图的详细描述，本发明的所述多向光学元件以及包含这种多向光学元件的光学系统的这些和其他方面对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
附图的简要说明
为了使本发明所属领域的普通技术人员更容易理解如何实施本发明以及使用本发明，下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例，其中：
图1A示意性示出了根据本公开构造的示例性多向光学元件的立体图；
图1B示意性示出了图1A所示的多向光学元件的剖视图；以及
图2示意性示出了包含根据本公开构造的示例性多向光学元件的示例性的3面板投影系统的一部分。
发明详述
本公开的示例性实施例适用于多向光学系统，例如微显示投影仪，在所述多向光学系统中，光沿两个或更多个方向传播。这样一种系统在Magarill等人的共同转让并与本申请同日提交的代理机构案卷号为59637US002的美国申请(标题为“Illumination Systems WithSeparate Optical Paths for Different Color Channels”)中有所描述，该专利申请所公开的那些不与本公开的内容相抵触的内容以引用的方式并入本文中。
图1A和1B示意性示出了根据本公开构造的示例性多向光学元件50。多向光学元件50的示意性立体图示于图1A中。图1B表示按图1A所示的方向截取的横截面的示意性剖视图。该示例性多向光学元件具有沿第一方向彼此大致相对设置的侧面52和56，并且该多向光学元件还具有沿第二方向也彼此大致相对设置的侧面54和58。在某些示例性实施例中，侧面52可以与侧面54相邻，侧面56可以与侧面58相邻。侧面52和54可以具有第一曲率半径，侧面56和58可以具有第二曲率半径。可供选用的另一方式是，侧面52和54可以具有不同的曲率半径，侧面56和58也可以具有不同的曲率半径。在本公开的某些实施例中，根据具体应用，多向元件50可以包含附加表面(图中未示出)，例如，形成近似六边形、八边形和其它多边形的横截面，而不是图1B所示的四边形横截面。在这些示例性实施例中，附加侧面可以是曲面或平面，并且可以包含用于安装的表面结构，例如凹陷、凸起或者两者，以便于这些多向光学元件的安装。
进一步参照图1A，该示例性多向光学元件50还包含彼此大致相对设置的两个侧面53和55。根据具体应用，这两个相对的表面53和55可以基本上是平面，或者它们可以是曲面。在本公开的某些实施例中，这两个相对的侧面53和55可以包含便于安装的表面结构，例如凹陷和/或凸起。在适当的示例性实施例中，任何一个或多个表面的曲率可以如具体应用中所要求的那样为非球面的。类似的，任何一个或多个表面可以包含微结构，例如本领域普通技术人员所公知的衍射结构。
参照图2，在所示的示例性多向元件50中，侧面52和54是凸面，而侧面56和58是凹面。在某些实施例中，多向光学元件50这样构造，使得入射在表面56或58的任意一个上并从与其相对的表面52或54射出的光，沿两个不同的总体方向(general direction)且以基本上相等的光路传播，并且以基本上相同的方式折射。优选的是，这两个方向成大约90度的角度，如图1B中的轴X和Y所示，但是如可用于某些系统结构中的情况那样，这两个方向也可成其它角度，这些角度也在本公开的范围内，特别是如果多向元件的单个横截面具有四个以上的边的情况中。在本公开的某些实施例中，光也可以沿第三方向传播通过多向元件50，例如从侧面53到侧面55，或者从侧面55到侧面53。可供选用的另一方式是，侧面53和55可以用于安装该多向光学元件。
图2示意性示出了包含根据本公开构造的多向光学元件50的3面板投影系统100的一部分。这种投影系统可以与反射式成像装置例如硅基液晶(LCoS)一起使用，并且，在该系统中，每一种颜色(这里指红色、绿色和蓝色)通道的光路的至少一部分不与其它颜色通道共用。具体而言，示例性的投影系统100包含与不同原色相对应的通道，例如红色通道105、绿色通道115和蓝色通道125。适合于具体应用而采用其它颜色的光源和通道的照明系统也在本公开的范围内。
红色通道105包含：一个或多个红光光源(图中未示出)，例如红光LED；积分器104；中继光学装置，例如中继透镜106a和106b；偏振分束器109；以及照明目标108，例如成像装置。绿色通道115包含：一个或多个绿光光源(图中未示出)，例如绿光LED；积分器114；中继光学装置，例如透镜116a和116b；折叠反射镜117；偏振分束器119；以及照明目标118，例如成像装置。相应的是，蓝色通道125包含：一个或多个蓝光光源(图中未示出)，例如蓝光LED；积分器124；中继光学装置，例如透镜126a和126b；偏振分束器129；以及照明目标128，例如成像装置。可以使用交叉二向色组合器(cross dichroic combiner)14来组合由红光、绿光和蓝光成像装置108、118和128调制的光。然后，经调制的红光、绿光和蓝光的组合光束由投影光学装置18收集，以便发送给屏幕(图中未示出)或另一光学元件或装置以用于进一步处理。
绿色通道115和蓝色通道125两者均包含设置在绿色光束和蓝色光束的相交处的多向光学元件50。在图2所示的示例性投影系统中，绿色照明光束从中继透镜116b射出，被折叠反射镜117反射，进入多向光学元件50的侧面56，然后沿第一总体方向从侧面52射出，以绿色照明的光轴表示。蓝色照明光束从同一示例性实施例的中继透镜126b射出，通过侧面58进入多向光学元件50，然后沿第二总体方向从侧面54射出，以蓝色照明的光轴表示。其他示例性实施例可以包含附加的照明通道，使得照明光从侧面53到侧面55传播通过多向光学元件，或者从侧面55到侧面53传播通过多向光学元件，该照明的主光线表示第三总体方向。在这种示例性实施例中，优选增加附加侧面用于安装。
因为来自不同通道的照明光可以沿不同的总体方向传播通过多向元件，所以针对这些通道的具体颜色，对元件50沿这些方向进行优选构造。在本公开的上下文中，术语“优选构造”包括光学元件的任何特征，该术语是指至少在某种程度上改善特定颜色通道的性能，例如透射性或像差校正。更具体地说，针对其照明通道的颜色，对光学元件进行优选构造，如果将所述照明通道中的这种元件构造成另一照明通道的相应元件(如果有的话)，则该通道的性能将会下降。例如，元件50可以包含颜色特异性的涂层，例如位于侧面56和52中的至少一个上的绿色抗反射涂层、以及位于侧面54和58中的至少一个上的蓝色抗反射涂层。在本公开的某些实施例中，侧面52和54的至少一个的曲率以及侧面56和58的至少一个的曲率对于不同颜色可以不同，从而更有效地减少色像差。因此，四面光学元件50可以减少渐晕，有助于构造更小型的系统，并且有助于照明通道的颜色特异性的最优化。
可基于图2根据本公开构造的具有红色、绿色和蓝色通道的典型的示例性照明系统可以具有下列参数。该示例性实施例的所有积分器都具有相同的几何形状：入口端大约6.1×6.1mm，长大约50.0mm，出口端大约6.1×10.7mm。但是，用于不同颜色通道的积分器具有不同的颜色特异性的涂层，从而提高特定颜色的透射率或降低损耗。可以将附加的折叠反射镜插入到蓝色通道中，使之介于中继透镜126b和多向元件50之间，以及插入到红色通道中，使之介于中继透镜106a和106b之间。下面的表1-5示出用于绿色、蓝色和红色通道的该示例性典型系统的其它参数。
表1绿色通道
  表面   半径(mm)  离下一表面的距离(mm)    材料   通光孔径(mm) 锥体常量
积分器出口端114   9.25     6.1×10.7
中继透镜116a   1   31.062   6.90 SK5n＝1.5891     22.0
  2   18.818   62.73     24.6
中继透镜116b   3   -59.84   14.31 丙烯酸类树脂n＝1.4917     40.0 -3.9032
  4   39.703   45.00     41.0
反射镜   5   33.38     50×30
多向元件   6   603.87   23.36 丙烯酸类树脂n＝1.4917     23.36×23.36(离顶点的距离)×27(高度)
  7   40   4.5
表2示例性中继透镜116b的非球面系数
      D     E     F     G     H
 3  2.419263E-6  3.834464E-9  -3.443946E-14  -2.223959E-14  2.932641E-17
表3蓝色通道
 表面    半径(mm)  离下一表面的距离(mm)   材料   通光孔径(mm) 锥体常量
积分器出口端124   9.06    6.1×10.7
中继透镜126a  1   31.062   6.30   SK5n＝1.5891    22.0
 2   18.818   61.89    24.6
中继透镜126b  3   -59.84   14.31   丙烯酸类树脂n＝1.4917    40.0 -3.9032
 4   39.703   45.00    41.0
反射镜  5   32.14    50×30
多向元件  6   603.87   23.36   丙烯酸类树脂n＝1.4917    23.36×23.36(离顶点的距离)×27(高度)
 7   40   4.5
表4示例性中继透镜126b的非球面系数
    D     E     F     G     H
 3  2.419263E-6  3.834464E-9   -3.443946E-14   -2.223959E-14  2.932641E-17
表5红色通道
 表面   半径(mm)  离下一表面的距离(mm)    材料   通光孔径(mm)    锥体常量
积分器出口端104   39.78   6.1×10.7
中继透镜106a  1  -38.556   14.00   丙烯酸类树脂n＝1.4917   35.1   -3.1897
 2  29.466   65.00   35.1   -1.6000
反射镜  3   26.72   41×24
中继透镜106b  4  -19.059   11.00   丙烯酸类树脂n＝1.4917   半径为16mm，一侧被截，至半径为12mm   -0.3957
 5  -45.525   12.78
虽然已经参照特定的示例性实施例描述了本公开的多向光学元件以及利用这种多向光学元件的光学系统，但是本领域的那些普通技术人员将容易理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形。例如，多向光学元件的形状、尺寸和材料可以根据具体应用而不同。而且，尽管已经参照红色、绿色和蓝色通道描述了本公开的示例性实施例，但是也可以在不脱离本公开的范围的情况下使用其他类型和数量的颜色通道来替代所述的颜色通道或作为所述的颜色通道以外的附加的颜色通道。

Claims (21)

1.一种多向光学元件，包含：
主体，该主体包含具有第一曲率的第一侧面、沿第一方向与所述第一侧面大致相对地设置的具有第二曲率的第二侧面、具有第三曲率的第三侧面、以及沿第二方向与所述第三侧面大致相对地设置的具有第四曲率的第四侧面，所述第二方向与所述第一方向不同。
2.如权利要求1所述的多向光学元件，其中，所述第一曲率与所述第三曲率大致相同，所述第二曲率与所述第四曲率大致相同。
3.如权利要求1所述的多向光学元件，其中，所述第一侧面和所述第三侧面是凸面，并且，所述第二侧面和所述第四侧面是凹面。
4.如权利要求1所述的多向光学元件，其中，所述第一方向相对于所述第二方向成大约90度的角度。
5.如权利要求1所述的多向光学元件，其中，所述第一曲率、所述第二曲率、所述第三曲率和所述第四曲率中的至少一个是针对特定颜色的照明而被优选构造的。
6.如权利要求1所述的多向光学元件，所述多向光学元件还包含设置在所述第一侧面、所述第二侧面、所述第三侧面和所述第四侧面中的至少一个侧面上的颜色特异性的涂层。
7.如权利要求1所述的多向光学元件，其中，所述主体还包含第五侧面以及沿第三方向与所述第五侧面大致相对地设置的第六侧面，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均不相同。
8.如权利要求7所述的多向光学元件，其中，所述第五侧面和所述第六侧面基本上是平面。
9.如权利要求7所述的多向光学元件，其中，所述第五侧面和所述第六侧面包含用于安装的表面结构。
10.如权利要求7所述的多向光学元件，其中，所述第五侧面和所述第六侧面是曲面。
11.如权利要求1所述的多向光学元件，其中，所述那些侧面中的至少一个侧面具有非球面曲率。
12.如权利要求1所述的多向光学元件，其中，所述那些侧面中的至少一个侧面包含微结构。
13.一种光学系统，包含：
第一照明通道，该第一照明通道包含第一光源、第一照明目标、以及多向光学元件，该多向光学元件包含主体，该主体包含具有第一曲率的第一侧面、沿第一方向与所述第一侧面大致相对地设置的具有第二曲率的第二侧面、具有第三曲率的第三侧面、以及沿第二方向与所述第三侧面大致相对地设置的具有第四曲率的第四侧面，所述的多向光学元件设置在所述第一光源和所述第一照明目标之间，使得所述第一通道的光大致沿所述第一方向传播通过所述多向光学元件；以及
第二照明通道，该第二照明通道包含第二光源、第二照明目标、以及设置在所述第二光源和所述第二照明目标之间的所述多向光学元件，使得所述第二通道的光大致沿所述第二方向传播通过所述多向光学元件，所述第二方向与所述第一方向不同。
14.如权利要求13所述的光学系统，其中，所述多向光学元件的所述第一曲率与所述第三曲率大致相同，并且所述第二曲率与所述第四曲率大致相同。
15.如权利要求13所述的光学系统，其中，所述多向元件的所述第一侧面和所述第三侧面是凸面，并且，所述第二侧面和所述第四侧面是凹面。
16.如权利要求13所述的光学系统，其中，所述第一方向相对于所述第二方向成大约90度的角度。
17.如权利要求13所述的光学系统，其中，所述第一光源产生第一颜色的照明，并且，所述多向光学元件的所述第一曲率和所述第二曲率中的至少一个是针对所述第一颜色的照明而被优选构造的。
18.如权利要求17所述的光学系统，其中，所述第一光源产生第一颜色的照明，并且，所述多向元件还包含针对所述第一颜色的照明而被优选构造的至少一个颜色特异性的涂层，所述涂层设置在所述第一侧面和所述第二侧面中的至少一个上。
19.如权利要求13所述的光学系统，其中，所述第二光源产生第二颜色的照明，并且，所述多向光学元件的所述第三曲率和所述第四曲率中的至少一个是针对所述第二颜色的照明而被优选构造的。
20.如权利要求19所述的光学系统，其中，所述第二光源产生第二颜色的照明，并且，所述多向元件还包含针对所述第二颜色的照明而被优选构造的至少一个颜色特异性的涂层，所述涂层设置在所述第三侧面和所述第四侧面中的至少一个上。
21.如权利要求13所述的光学系统，所述光学系统还包含第三颜色照明通道，所述第三颜色照明通道包含第三光源和第三照明目标。
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