[发明专利]用于组合不同偏振的激光光束的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及偏振光束分离器及使用它们的方法，更具体地，涉及用于组合具有不同偏振态的激光光束的多窄带偏振光束分离器（PBS）和方法以及使用这种光束分离器的投影设备。

背景技术

投影系统要求高质量光源。尽管投影系统常规地使用放电灯作为光源，现在对于诸如激光器的备选光源存在兴趣。激光器具有若干有利属性。它们发射高密度光束且具有非常长的操作寿命。激光是准直的且具有窄光谱。

即使激光光源具有极低的作用域（étendue），当从若干独立激光器模块构建极高亮度的投影仪时，每个激光器模块具有光束角上的特定容差，且在从投影系统的可用作用域中组合来自不同激光器模块的光变成挑战。可调节工作台可以用于消除一些光束容差，但是增加了明显的费用和对准努力。因为激光器产生偏振光，通过使用偏振光束分离器（PBS），具有正交偏正的两个激光光束可以组合而不增加作用域。

例如，US 2009/0141242 A1描述了一种数字图像投影仪，其包括第一偏振光源、偏振态与第一偏振光源正交的第二偏振光源、布置为引导第一或第二偏振的光沿着公共照射轴的PBS、MEMS空间光调制器以及用于传送来自MEMS空间光调制器的成像光的投影光学装置。照射和调制组件之间的改善的作用域匹配被实现。

如果数字光处理（DLP）投影仪与外部偏振系统组合使用，具有正交偏振的两个激光光束的这种组合（其中用于两个偏振方向的光通量被平衡）也是有利的。对于这种应用，重要的是，来自投影仪的光被完全偏振或两个偏振方向被等同地表达。没有专门的测量，来自激光光源的原始偏振将以基色之间相互不同且在图像上非均匀的方式被干扰。因此，使用外部偏振系统产生的三维（3D）图像将经受变色和严重不均匀性。甚至更糟，如果经受双折射的移动组件被包括在光路（诸如移动漫射器）中，则变色将随时间变化。

本领域中已知若干解决方案来组合具有正交偏振的光射线。大多数PBS组合器使用这一原理：在良好定义的入射角（已知为布鲁斯特角），仅s偏振光被反射，且应用很多电介质涂层。PBS立方体典型地显示针对s偏振光的极高反射（>99.5%），但是对于p偏振光的透射相当低（约90%-95%）。线栅偏振器典型地在反射和透射方面均具有低于90%的效率。而且，在线栅偏振器中，一些能量被吸收，这可能导致在高照射水平损坏组件。

大多数已知偏振光束分离器一般设计为在宽范围波长中操作。然而，当透射宽光谱信号同时反射在窄波长带中的光时，这种宽带二向色性PBS的使用导致相对高的光损耗。此外，对于不同于布鲁斯特角的角度，宽带PBS不能达到高于90至95%的效率。这使得难以以有效的方式组合两个正交偏振宽带光源。

效率在设计高亮度激光投影仪中是十分重要的。激光是昂贵的且因此较低的效率代表明显的成本增加。使用用于组合不同偏振的多个激光光束的当前已知设备和方法，这是不能实现的。

发明内容

本发明的一个目的是提供与投影仪一同使用的备选光源装置以及用于组合不同偏振的激光光束的备选方法。本发明的实施方式的优点在于，可以实现超过97%的反射和透射的总效率。

本发明的实施方式利用输出具有第一偏振的第一白色激光光束和具有正交于第一偏振的第二偏振的第二白色激光光束的第二激光光源。本发明的实施方式利用定位为接收所述第一和第二白色激光光源以用于组合第一和第二偏振的多窄带偏振光束分离器（操作为光束组合器）。

具体而言，投影系统设置有布置为输出偏振彼此正交的两组激光光束的两个激光光源以及以约45°角定位在第一和第二激光光束之间的多窄带偏振光束分离器。可以在用于三个或更多基色（红色、绿色和蓝色或更多）的多个波长提供激光光束组。

优选地，偏振光束分离器包括可以嵌入在光学介质中的多层式二向色性涂层或褶皱滤光器。

再者，偏振光束分离器可以优选地设计为具有5°或更小的半锥角。取代完整可见光谱的范围，偏振光束分离器还可以在诸如用于红色、绿色和蓝色或更多颜色的三个或更多窄光谱范围上优化，导致较高效率的实现。

优选地，每组的激光光束使用诸如二向色性滤光器的多个滤光器叠加以形成具有彼此正交偏振的第一和第二白色激光光束。这两个白色激光光束然后通过操作为光束组合器的多窄带偏振光束分离器组合。PBS、滤光器和可选地光源可以提供为用于现有投影仪或其他设备的升级套件。