專利名稱：帶有熱去除的帶通反射器的制作方法
本申請(qǐng)是2004年9月29日提交的申請(qǐng)No.10/955,834的部分繼續(xù)，在此通過(guò)參考將其合并，而申請(qǐng)No.10/955,834是2004年6月14日提交的現(xiàn)已經(jīng)放棄的10/867,956的部分繼續(xù)。
背景技術(shù)：
典型的投影系統(tǒng)包括亮白光源的弧光燈、用于將白光分離成紅色、綠色和藍(lán)色譜成分的方法和用于對(duì)譜成分的每個(gè)進(jìn)行二維成像以造成彩色圖片的空間光調(diào)制器(SLM，也稱為光閥)。SLM響應(yīng)于由計(jì)算機(jī)或例如電視調(diào)諧器、VCR、HDTV廣播或DVD播放器的另外的視頻源生成的模擬或數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行空間和時(shí)間調(diào)制。雖然其他的色彩分離技術(shù)也存在，例如青色、黃色、品紅色和選擇的白色平面，但SLM典型地以紅色、綠色和藍(lán)色平面來(lái)造成相續(xù)的圖像。色彩平面可以然后光學(xué)重組且投射到屏幕上，或它們可以以時(shí)間順序閃現(xiàn)在屏幕上，閃現(xiàn)率使觀察者感覺(jué)為僅單一的圖像。
大多數(shù)數(shù)字投影儀基于它放到投影屏幕上的屏幕流明數(shù)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。雖然在投影儀市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)是激烈的，但成本考慮和尺寸制約限制了更有效的光源的開(kāi)發(fā)。
大多數(shù)常規(guī)的小投影儀系統(tǒng)具有從燈泡到屏幕的在12-20％之間的光學(xué)系統(tǒng)總效率。即，燈泡所造成的光的僅12-20％實(shí)際上離開(kāi)投影光學(xué)器件且到達(dá)屏幕。此低效的設(shè)計(jì)不僅導(dǎo)致較模糊的顯示，而且導(dǎo)致消耗了不必要的耗散功率。耗散功率的許多具有可見(jiàn)光光譜之外的電磁能的形式，該電磁能的形式是有害的且應(yīng)被去除以限制對(duì)投影儀內(nèi)其他部件的損壞。數(shù)個(gè)解決方法已試圖于增加效率，但不成功。
存在數(shù)個(gè)與現(xiàn)有的弧光燈光源有關(guān)的問(wèn)題。最通用的燈光源是汞蒸汽弧光燈。此燈對(duì)于給定的瓦特?cái)?shù)產(chǎn)生了最多的光，且具有小的點(diǎn)源。然而，與其他技術(shù)相比汞弧光燈的壽命短，且它產(chǎn)生的光在光譜上缺乏紅色譜而產(chǎn)生了在紫外譜(UV)中的能量。另外，汞是有害的材料，它在許多國(guó)家被限制使用或完全禁止。雖然其他的燈泡技術(shù)可以替代汞蒸汽弧光燈，但沒(méi)有一個(gè)燈泡具有其效率和允許小的光學(xué)擴(kuò)展量且因此產(chǎn)生小的高強(qiáng)度投影儀的小點(diǎn)尺寸。光學(xué)擴(kuò)展量是測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)量的方法。光學(xué)擴(kuò)展量一旦由光源造成則只能被增加。在完全無(wú)損失的光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)擴(kuò)展量總是守恒的。在光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)擴(kuò)展量被具有最小光學(xué)擴(kuò)展量的元件限制。光源系統(tǒng)的光學(xué)擴(kuò)展量必須小于具有限制性光學(xué)擴(kuò)展量或最大系統(tǒng)效率。簡(jiǎn)單地以非弧光燈替換弧光燈燈泡將不提供滿意的有競(jìng)爭(zhēng)性的解決方案，因?yàn)榉腔」鉄舻姆屈c(diǎn)源的屬性限制了它們的可利用的光學(xué)擴(kuò)展量且它們傾向于產(chǎn)生通常需要消除的可見(jiàn)光外的發(fā)射。為允許替換汞燈泡，在投影儀中的光路必須具有增加的光學(xué)擴(kuò)展量效率和有害能量的去除。因此，也存在對(duì)允許其他燈泡技術(shù)與汞蒸汽弧光燈進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的解決方案的需要。
總之，存在克服與弧光燈，特別是汞蒸汽類(lèi)型的弧光燈的燈泡相關(guān)的效率和其他問(wèn)題的需要。


參考如下的附圖將更好地理解本發(fā)明。附圖的元件不必需地相互依比例繪制。作為替代，重點(diǎn)在于清楚地圖示本發(fā)明。此外，在全部數(shù)個(gè)視圖中，同樣的參考數(shù)字指示對(duì)應(yīng)的類(lèi)似的零件。
圖1是汞弧光燈光源、氙燈光源和鎢燈光源的從紫外波長(zhǎng)到近紅外波長(zhǎng)的相對(duì)光譜輻射率的典型的曲線圖；圖2是用于在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例上的反射表面的典型的帶通功能的圖；圖3是使用本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的典型顯示系統(tǒng)的示意圖；圖4是包括本發(fā)明的實(shí)施例的投影系統(tǒng)的典型的方框圖；圖5A至圖5B分別是可以包括本發(fā)明的實(shí)施例的光源的一個(gè)典型的實(shí)施例的透視圖和后視圖；圖6是包括本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的典型的替代光源的截面圖；圖7是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的典型的方框圖；圖8是圖示了可利用于構(gòu)造本發(fā)明的實(shí)施例的典型制造步驟的方框圖。
具體實(shí)施例方式
如下是最好的目前已知的執(zhí)行本發(fā)明的模式的詳細(xì)描述。此描述不理解為限制性意義，而僅用于圖示本發(fā)明的一般原理。應(yīng)注意的是，與本發(fā)明無(wú)關(guān)的投影系統(tǒng)部件的詳細(xì)描述為簡(jiǎn)單起見(jiàn)被省略。本發(fā)明也應(yīng)用于寬范圍的顯示技術(shù)和展示系統(tǒng)，包括目前正被開(kāi)發(fā)或仍待開(kāi)發(fā)的那些系統(tǒng)。例如，雖然在下文中參考了數(shù)字微鏡面投影儀描述了多種典型的投影系統(tǒng)，但其他類(lèi)型的空間光調(diào)制器(SLM)，例如magnetorehological、衍射、透射空間光調(diào)制器等等同地可應(yīng)用于本發(fā)明。
在本發(fā)明的實(shí)施例中的光學(xué)設(shè)備可應(yīng)用于寬范圍的光學(xué)設(shè)備技術(shù)，且可以由多種光學(xué)材料制造。如下的描述討論了如在反射實(shí)施例中實(shí)施的本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的數(shù)個(gè)實(shí)施例，因?yàn)楫?dāng)前可應(yīng)用的光學(xué)設(shè)備的大多數(shù)制造為反射光學(xué)器件，且本發(fā)明的最通常遇到的應(yīng)用將涉及反射光學(xué)器件。然而，本發(fā)明的部分也可以有利地使用在折射、衍射、反射和前述的技術(shù)的組合中。因此，本發(fā)明不意圖于限制于這些制造為反射光學(xué)器件的設(shè)備，而是將包括單獨(dú)地或組合地制造為可利用的光學(xué)方法和本領(lǐng)域技術(shù)人員可利用的技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)的那些設(shè)備，包括那些未列出的設(shè)備。
應(yīng)注意的是，附圖并非真實(shí)地依比例繪制。此外，光學(xué)元件的多種零件未依比例繪制。一些尺寸相對(duì)于其他尺寸被夸大，以提供對(duì)本發(fā)明的更清楚的圖示和理解。
另外，雖然在此圖示的實(shí)施例的一些在二維視圖中示出為帶有長(zhǎng)度和寬度的多種區(qū)域，應(yīng)清楚地理解的是，這些區(qū)域僅是實(shí)際上具有三維結(jié)構(gòu)的設(shè)備的截面部分。因此，這些區(qū)域當(dāng)制造為實(shí)際設(shè)備時(shí)將具有三維，包括長(zhǎng)度、寬度和高度。雖然一些三維結(jié)構(gòu)將是示出的二維結(jié)構(gòu)的橫向旋轉(zhuǎn)，但也存在具有類(lèi)似的縱向截面部分的其他三維結(jié)構(gòu)，例如橫向矩形形狀(例如將橫截面在深度或?qū)挾瘸叽缟现本€地延伸)，且應(yīng)視如落入在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
進(jìn)一步地，雖然在沿縱向軸線的截面中示出了不同的實(shí)施例，但實(shí)施例的不同的部分可以具有橫截面輪廓。本圖示的實(shí)施例意味著覆蓋了多種可能的橫截面組合且仍保留在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
然而，雖然本發(fā)明通過(guò)致力于投影儀設(shè)備的實(shí)施例圖示，但這些圖示不意圖于是對(duì)本發(fā)明的范圍或可應(yīng)用性的限制。本發(fā)明的投影儀設(shè)備不意圖于限制為圖示的物理結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)被包括以論證本發(fā)明對(duì)目前優(yōu)選的和替代的實(shí)施例的效用和應(yīng)用。
本發(fā)明的實(shí)施例可以包括任何將適合于造成電磁能的光源和用于保持光源的限定了光學(xué)腔的固定件相耦合的光學(xué)組件。帶通濾波器沉積在光學(xué)腔上以反射一定范圍的光頻率且進(jìn)一步吸收在光頻率范圍外的電磁能。整合到光學(xué)組件內(nèi)的熱去除設(shè)備將吸收的電磁能耗散。
更特定地，不同的實(shí)施例致力于包括從光源去除熱的帶通反射組件。多種光源包括但不限制于汞弧光燈泡、氙弧光燈泡和鹵素光源。實(shí)施例提供了在熱去除表面上制成光學(xué)涂層，其非常有效地在一個(gè)帶寬區(qū)域(例如可見(jiàn)光區(qū)域)內(nèi)反射，而吸收在帶寬區(qū)域外的波長(zhǎng)。例如在一個(gè)實(shí)施例中，用于投影儀的反射器組件包括限定了電磁(EM)室的導(dǎo)熱組件。薄的吸收層布置在EM室上，以吸收在EM室內(nèi)由光源生成的紫外(UV)和紅外(IR)能量。薄的吸收層也用作用于去耦層的粘附層。鍺去耦層布置在吸收層上。鍺也部分地進(jìn)行對(duì)紅外能量的吸收。鍺可以手工拋光或另外地被精加工以提供平滑的光學(xué)表面。薄膜堆濾波器布置在鍺去耦層上，以允許第一頻帶反射(優(yōu)選地在可見(jiàn)光光譜內(nèi))而允許一個(gè)或多個(gè)例如UV和IR的其他頻帶通過(guò)到達(dá)去耦層和吸收層。鍺去耦層提供了反射濾波器與吸收層的隔離，且通過(guò)提供高度地鏡表面允許容易地將濾波器涂敷在吸收層上。當(dāng)使用鍺用于去耦層時(shí)，此隔離和容易地將濾波器涂敷在吸收層上因其光學(xué)和晶體特性可以合并到鍺。鍺也提供了比玻璃料或其他可用作去耦層的電介質(zhì)材料更好的溫度系數(shù)匹配。此外，可以通過(guò)例如拋光的數(shù)個(gè)方法實(shí)現(xiàn)去耦層的表面平滑。導(dǎo)熱組件將UV和IR能量在吸收層和去耦層生成的熱轉(zhuǎn)移到周?chē)h(huán)境。選擇地，風(fēng)扇或其他熱去除設(shè)備用于進(jìn)一步從反射器組件耗散熱。
用作去耦層的鍺層提供了希望的適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)特性、機(jī)械特性和熱學(xué)特性，這些特性是能作為用于薄膜電介質(zhì)或其他金屬膜反射層的堆的基片所必需的。光學(xué)特性包括合適的復(fù)數(shù)折射率和光學(xué)平滑度。機(jī)械特性包括晶格常數(shù)匹配、膜應(yīng)力和膜粘附特性。通過(guò)使鍺的晶格常數(shù)與例如鋁的金屬反射器的緊密匹配，在兩個(gè)金屬的界面處存在很小的應(yīng)力，這增加了結(jié)合力。半導(dǎo)體鍺的熱學(xué)特性比例如玻璃料或大多數(shù)其他電介質(zhì)的絕緣體的熱學(xué)特性好得多。通過(guò)使用鍺作為去耦層和吸收功能的部分，涂層的結(jié)構(gòu)和作為結(jié)果的處理步驟被簡(jiǎn)化。此簡(jiǎn)化提供了在熱循環(huán)和熱傳導(dǎo)上的優(yōu)點(diǎn)。為增加Ge基片到金屬反射器的粘附，一些粘附層可以沉積在金屬反射器上。粘附層也可以提供附加的吸收能力，且因此作為吸收層。吸收層的此使用允許最小化沉積在金屬反射器上的鍺的厚度，且增加了對(duì)有害的UV和IR輻射的熱耦合。
在用于投影儀的反射器的一個(gè)實(shí)施例中，金屬組件用于限定成形的表面，該表面用于集中或另外地聚焦來(lái)自光源的光。例如鋁、銅、金、鎳、鈦、鉻或合金的金屬和它們的組合物可以用于成形的表面。其他金屬當(dāng)然可以。這樣的成形的表面包括橢圓體或拋物面的表面，雖然也可以使用其他的雙曲面、彎曲、凹入、凸出、平的或成角度的表面。鍺的UV和IR吸收濾波器層布置在成形的表面上。如果希望，可以在金屬組件和鍺層之間添加進(jìn)一步的吸收和/或粘附層，以增加對(duì)希望的頻率的吸收且進(jìn)一步將熱傳導(dǎo)到導(dǎo)熱的金屬組件。雖然鍺層用作去耦層，選擇地將附加的去耦層布置在鍺層上。去耦層對(duì)UV和IR能量充分透明且與鍺層一起具有充分的厚度，使得它們的組合比光源的相干長(zhǎng)度長(zhǎng)，且比待吸收的最長(zhǎng)頻率的波長(zhǎng)的二倍短。反射涂層堆布置在去耦層上，用于反射可見(jiàn)光同時(shí)允許UV和IR透射。選擇地，反射涂層堆可以設(shè)計(jì)為允許通過(guò)使用TiOx作為涂層的一個(gè)來(lái)吸收UV。另外地，涂層堆可以設(shè)計(jì)為通過(guò)適當(dāng)?shù)耐繉釉O(shè)計(jì)來(lái)吸收IR。
例如，汞弧光燈可以具有大約半微米的相干長(zhǎng)度。具有大于1微米的厚度的去耦層提供了在反射層和吸收層之間光充分的非相互作用。大約5um到大約10um的去耦層提供了在反射堆和吸收層之間遠(yuǎn)紅外輻射的充分的去耦。
使用散熱器作為光學(xué)反射器的一個(gè)方法是在散熱器內(nèi)限定腔以形成光學(xué)腔。腔然后被沉積、涂敷或另外地形成有吸收至少一個(gè)范圍的光的材料。吸收材料然后涂敷以包括至少一個(gè)鍺層且選擇地被拋光的去耦層。然后在去耦層上沉積、涂敷或另外地形成反射不同范圍的光的材料的薄膜層的堆。
造成用于光學(xué)投影儀的濾波后的光源的另一個(gè)方法是造成跨度為從紅外(IR)到紫外(UV)的寬帶光源。以一組薄膜電介質(zhì)涂層過(guò)濾來(lái)自寬帶光源的IR光和UV光，以造成白光輸出和熱輻射輸出。熱輻射輸出通過(guò)形成了光學(xué)設(shè)備的鍺層被轉(zhuǎn)移到散熱器，光學(xué)設(shè)備上布置了薄膜電介質(zhì)涂層，以允許光學(xué)設(shè)備投射相對(duì)地“冷”的白光輸出。
雖然一般地描述了用于投影儀的反射器組件，但本發(fā)明也可以與任何反射器設(shè)備一起使用，例如勻光桿(integrating rod)或其他鏡面表面。反射器將包括帶有吸收和/或粘附涂層的金屬反射器。鍺層布置在吸收和/或粘附涂層上。頻率選擇的光學(xué)反射器布置在鍺層上，它允許UV和IR的至少一個(gè)通過(guò)到鍺層和吸收層。這樣，反射器然后具有限定了光學(xué)表面的金屬反射器，使得吸收表面布置在光學(xué)表面上且鍺層布置在吸收表面上。吸收表面必須吸收可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍外的光。它可以反射或吸收在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光。鍺層作為去耦層和對(duì)于IR的部分吸收的層工作。對(duì)可見(jiàn)光反射且對(duì)非可見(jiàn)光透射的層布置在鍺層上。鍺層精加工為足夠平滑以形成光學(xué)表面，且它的復(fù)數(shù)折射率不導(dǎo)致復(fù)雜的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高反射率可見(jiàn)光帶通涂層。一般地，金屬反射器的熱脹系數(shù)(CTE)大體上類(lèi)似于或接近鍺層的CTE和吸收層的CTE，因此允許寬的運(yùn)行溫度范圍。吸收表面可以制造為在吸收層內(nèi)包括一個(gè)或多個(gè)金屬-電介質(zhì)或半金屬-電介質(zhì)涂層，選擇為它們的吸收能力在特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，例如TixOy。
例如，通過(guò)使用金屬或半金屬電介質(zhì)相匹配層的在金屬反射器上的抗反射(AR)涂層包括了MgF2和鉻的薄膜，以造成寬帶的黑色層。替代地，吸收層可以從金屬反射器組件生長(zhǎng)或另外地造成，例如通過(guò)對(duì)金屬反射器表面(AlOx或一般地AlxOy)的熱氧化或化學(xué)處理。另外，吸收表面可以包括微晶材料(例如氧化釔、Y2O3或一般地YxOy)。吸收表面可以包括直接地沉積在鋁表面上的鉻黑或鍺黑。鍺黑可以通過(guò)化學(xué)地蝕刻鍺表面造成。
在一個(gè)實(shí)施例中，金屬反射器是鋁的且吸收層是氮化鋁。此實(shí)施例可以通過(guò)在氮中轟擊鋁基片制成，以造成氮化鋁，它是非常穩(wěn)定的黑色層(也稱為鋁黑)。此實(shí)施例允許在沉積高反射率涂層之前將鍺層直接地沉積在吸收層上。
鍺層一般地包括大于1微米的厚度，以將反射表面從吸收表面去耦。此厚度一般地大于光源的相干性。鍺層優(yōu)選地小于大約5um到大約10um，以最大化熱轉(zhuǎn)移且充分地將光在吸收表面和高反射率涂層之間去耦。一般地，鍺表面被拋光以形成用于反射表面的平滑的光學(xué)表面。反射表面可以是沉積的金屬膜或可以使用一個(gè)或多個(gè)在鍺層上的薄膜電介質(zhì)層造成。在一些實(shí)施例中，反射表面可以包括如下的層僅舉數(shù)例，如SiO2和氧化鉭(例如Ta2O5或TaOx)、氧化鈦(例如TiO2或TixOy)、氧化鈮(例如NbOx)、氧化鋯(例如ZrOx)和氧化鉿(例如HfOx)，或它們的組合。
金屬反射器可以具有一組冷卻片或連接到金屬反射器的熱管，以允許去除熱。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道數(shù)個(gè)其他的熱去除選擇。取決于希望的熱學(xué)和光學(xué)設(shè)計(jì)，光學(xué)腔可以選擇地與環(huán)境空氣密封或包括開(kāi)口以允許另外的熱流。
對(duì)如何制成和使用本發(fā)明的特定實(shí)施例的更詳細(xì)的描述在如下給出，但不意味著是限制性的，而僅是本發(fā)明的示例，它在此描述后的權(quán)利要求書(shū)中被限定。
圖1是汞弧光燈光源116、氙燈光源118和鎢燈光源120的從紫外(UV)波長(zhǎng)110到可見(jiàn)光波長(zhǎng)112且進(jìn)一步到近紅外(IR)波長(zhǎng)114且向外到遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)115的相對(duì)光譜輻射率的典型的曲線圖100。UV一般地被考慮為具有波長(zhǎng)小于400納米(nm)的電磁能量?？梢?jiàn)光一般地被考慮為具有在帶寬為400nm到700nm內(nèi)的電磁能量。IR電磁能量一般地考慮為具有大于700nm的波長(zhǎng)。如以汞弧光燈光源116可見(jiàn)，能量的大部分集中在紫外和可見(jiàn)光波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)。氙燈光源118遍及所有四個(gè)區(qū)域具有更均勻的分布(雖然帶有一些峰值)。鎢燈光源一般地具有黑體輻射特征，且其相對(duì)輻射率從UV區(qū)域110通過(guò)可見(jiàn)光區(qū)域112且到IR區(qū)域114增加，且在遠(yuǎn)紅外區(qū)域115逐漸減小。所有光源在可見(jiàn)光區(qū)域112外側(cè)造成了能量，該能量在常規(guī)的投影儀系統(tǒng)中需要被過(guò)濾掉，以防止損害其他光學(xué)部件或使用者。大多數(shù)系統(tǒng)使用光源下游的傳播了可見(jiàn)光且反射UV和IR的分光電介質(zhì)濾波器，它要求使用多個(gè)風(fēng)扇和特殊的光學(xué)器件。對(duì)UV和IR的拋棄很經(jīng)常地是非常低效的，最終導(dǎo)致不受控制的由投影儀的多種零件的吸收。然而，本發(fā)明的實(shí)施例允許將非希望的波長(zhǎng)合并被吸收，且使用在光源或其他反射組件的金屬表面上的特殊涂層耗散能量。
圖2是用于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例上的反射/吸收表面的典型的帶通功能210的圖200。反射層反射在可見(jiàn)光112的區(qū)域內(nèi)的光而允許在UV 110的區(qū)域和IR 114的區(qū)域內(nèi)的其他能量被透射到吸收層且被轉(zhuǎn)化為熱(光子到聲子的轉(zhuǎn)化)。此熱可以然后通過(guò)反射器內(nèi)的整體式熱去除設(shè)備被耗散，例如通過(guò)散熱器或熱管系統(tǒng)耗散。
圖3是在合并了本發(fā)明的至少一個(gè)方面的典型的投影設(shè)備中存在的展開(kāi)的光學(xué)顯示系統(tǒng)300的示意圖。光學(xué)顯示系統(tǒng)包括光源10、色輪16、空間均化器20、空間光調(diào)制器(SLM)40和成像光學(xué)器件50。光源10包括橢圓反射器13和燈泡70。燈泡70一般地是汞蒸汽弧光燈，它在寬帶光的橢圓的第一焦點(diǎn)(物點(diǎn))處產(chǎn)生了小的火球17，小火球17成像(聚焦)到第二焦點(diǎn)以造成在空間均化器20，如以勻光桿22示出的入口24處的圖像點(diǎn)14。雖然示出的光源10是汞燈泡的光源，但其他類(lèi)型的光源也可以使用，例如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以以封閉環(huán)境的氙燈泡系統(tǒng)代替它，且仍符合本發(fā)明的精神和范圍。一般地，本發(fā)明可以合并許多具有反射表面的光學(xué)設(shè)備，包括空間均化器20。
光源10造成了使用反射層32匯聚到圖像點(diǎn)14的一組聚焦的光線15，和不匯聚到圖像點(diǎn)14的雜散光線11。光源10具有在UV和IR波長(zhǎng)內(nèi)的電磁能，它們被通過(guò)可見(jiàn)光反射層32和去耦層31透射以在鍺(Ge)的吸收層30內(nèi)被吸收。光源10包括限定了橢圓反射器13的金屬反射器33，在橢圓反射器13上施加吸收層30、去耦層31和反射層32的特殊涂層。金屬反射器33包括整體式熱去除設(shè)備，例如散熱器12，它去除由吸收層30吸收的能量。
色輪16繞色輪軸線18旋轉(zhuǎn)以呈現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)色彩區(qū)(僅舉數(shù)例，例如紅色-綠色-藍(lán)色、紅色-綠色-藍(lán)色-白色或紅色-綠色-藍(lán)色-紅色-綠色-藍(lán)色)，以將來(lái)自光源10的可見(jiàn)光光譜(白光)轉(zhuǎn)化為色彩的時(shí)間序列。然而，汞燈通常在產(chǎn)生的紅色譜的量上不足，因此造成了灰白色光，必須通過(guò)色輪或其他機(jī)構(gòu)將其修正。色輪16是多個(gè)可以產(chǎn)生一系列色彩的色域生成器56(見(jiàn)圖4)的一個(gè)?？臻g均化器20用于造成在出口26處從橫截面輪廓發(fā)出的光線中的均一的強(qiáng)度。
在圖像點(diǎn)14處的聚焦的光在入口24處基于橢圓鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)以第一角度19(通常稱為圓錐半角)進(jìn)入空間均化器20。典型地，常規(guī)的用作空間均化器20的勻光桿22具有矩形橫截面外形(如與示出的縱向橫截面相對(duì))，以將光轉(zhuǎn)化為矩形圖像用于在成相應(yīng)的比例的成形為矩形的SLM 40上聚焦。大多數(shù)勻光桿22構(gòu)造為空心矩形盒且在內(nèi)部涂敷以高反射涂層，以允許進(jìn)來(lái)的光線在反射離開(kāi)表面。選擇地，可以通過(guò)為勻光桿涂敷與涂敷在金屬反射器33表面上的膜類(lèi)似的膜，包括鍺層，來(lái)實(shí)現(xiàn)附加的UV和IR濾波。此反射空間地均化了光，因此將光均勻地在橫截面出口孔口上分布，以造成在離開(kāi)勻光桿22的出口26的光線截面內(nèi)的均一的強(qiáng)度。一般地，對(duì)于常規(guī)的矩形勻光桿22，光以第一角度19離開(kāi)出口26。離開(kāi)勻光桿的光線然后以聚光透鏡28或其他的光學(xué)器件成像為一組均一的光線42，以填充由SLM 40的有效元件占據(jù)的區(qū)。此成像通過(guò)使勻光桿22的高度和寬度與SLM 40的尺寸比例相匹配來(lái)進(jìn)行。離開(kāi)SLM 40的反射的光44然后選擇地耦合到成像光學(xué)器件50內(nèi)，使得反射的光44大體上在投影光學(xué)器件48的成像光學(xué)器件孔口49內(nèi)被捕獲。偏離的光46被引導(dǎo)離開(kāi)成像光學(xué)孔口49，所以它不被投射。雖然SLM 40描述為反射的，但示出的光路是展開(kāi)的以便于理解。實(shí)際的設(shè)計(jì)將要求光以復(fù)合的角度反射離開(kāi)SLM 40。替代地，SLM 40可以是透射的，例如帶有LCD面板，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。
存在數(shù)個(gè)制造金屬反射器33的實(shí)施例的方法一個(gè)方法是在圓柱體內(nèi)形成大致空心橢圓形狀且然后在圓柱體內(nèi)單點(diǎn)金剛石車(chē)削(SPDT)出空心的形狀。另一個(gè)解決方法是造成兩個(gè)零件，它們沿光學(xué)軸線電形成有縫。替代地，兩個(gè)零件可以電形成為使縫垂直(橫向)于光學(xué)(縱向)軸線。另外，多種鑄造方法在本領(lǐng)域中已知且使用于高質(zhì)量光學(xué)表面。更多的關(guān)于制造步驟的信息在圖8中詳細(xì)示出。
雖然常規(guī)的橢圓反射器由固體光學(xué)材料制成，例如玻璃，但從汞弧光燈產(chǎn)生的熱如未被適當(dāng)?shù)乜刂苿t可能導(dǎo)致橢圓表面變形且因此導(dǎo)致效率下降。使用帶有例如散熱器12的整體式熱去除設(shè)備的金屬反射器33允許反射器在寬的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)維持橢圓形表面，例如在100攝氏度的過(guò)渡。然而，在一些應(yīng)用中，反射器材料的選擇可能受到燈的能量的影響，例如在低強(qiáng)度的應(yīng)用中。然而，在此所描述的涂層仍可以應(yīng)用于橢圓形或其他平的或彎曲的表面(例如拋物面、雙曲面、雙曲面的等)，且仍實(shí)現(xiàn)了濾波功能。
圖4是合并了本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)的實(shí)施例的更一般的方框圖400。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光路以點(diǎn)劃線圖示。其他信號(hào)以實(shí)線示出。光生成器23包括光源10、帶有吸收層30、去耦層31和反射層32的金屬反射器33，以造成優(yōu)選地可見(jiàn)光的帶通濾波后的光25，且將光25傳輸?shù)缴蛏善?6(用于造成色彩)。光源10優(yōu)選地包括成像表面，它使用平的或彎曲的表面將光集中，僅舉數(shù)例，例如橢圓面、拋物面或復(fù)合拋物面。用于造成色彩的色域生成器56可以選擇地合并在光生成器內(nèi)的不同的點(diǎn)處，或甚至合并在光路內(nèi)的被投射的光進(jìn)入人眼前的任何位置處。例如，色域生成器56可以整合在光源10內(nèi)或替代地它可以放置在光源10或空間均化器20后。也可以將色域生成器56合并到例如帶有衍射光設(shè)備的空間光調(diào)制器40內(nèi)。
來(lái)自光生成器23的已濾波的光25光學(xué)地耦合到空間光調(diào)制器40。接收來(lái)自視頻或圖片源數(shù)據(jù)輸入52的模擬或數(shù)字輸入的控制器54控制SLM 40。來(lái)自SLM 40的光然后光學(xué)地耦合到成像光學(xué)器件50用于在目標(biāo)60上投影或成像。這樣的目標(biāo)60包括前或后投影屏幕、墻壁、透明的屏幕或其他顯示設(shè)備，例如主動(dòng)屏幕。主動(dòng)屏幕允許對(duì)投射到其上的圖像進(jìn)行光學(xué)放大或?qū)Ρ榷仍鰪?qiáng)。另外，色域生成器56可以合并在空間光調(diào)制器40、成像光學(xué)器件50后，或甚至合并在目標(biāo)60內(nèi)，例如與主動(dòng)屏幕一起。
圖5A至圖5B分別是造成了已過(guò)濾的光的可能的反射器組件33的僅一個(gè)的典型的實(shí)施例的透視圖和后視圖。圖5A是帶有燈泡開(kāi)口540和部分橢圓的反射器腔550的橢圓光源500。部分橢圓反射器513的形狀使得來(lái)自橢圓的第一焦點(diǎn)的光，例如來(lái)自火球17(圖2)的位置處的光從反射表面510反射且在橢圓的第二焦點(diǎn)處形成圖像點(diǎn)14。橢圓可以在反射器主體520內(nèi)成形以形成更靠近鏡的遠(yuǎn)端端部560的圖像點(diǎn)，其代價(jià)是在制造鏡時(shí)要求更高的光學(xué)精度。如果圖像點(diǎn)14位于更離開(kāi)橢圓鏡的遠(yuǎn)端端部560，則要求的精度較低，然而，光路的長(zhǎng)度增大。使圖像點(diǎn)14位于更遠(yuǎn)離橢圓鏡出口的另一個(gè)益處是在形成圖像點(diǎn)14時(shí)的匯聚圓錐半角比當(dāng)圖像點(diǎn)14較靠近出口孔口形成時(shí)更小。這不僅導(dǎo)致了更小的圖像點(diǎn)失真，且也幫助將圖像點(diǎn)14耦合到空間均化器20內(nèi)。反射表面510通過(guò)將橢圓反射器腔550的表面覆蓋以吸收層30的覆蓋物、用作去耦層31的鍺的覆蓋物和反射層32的覆蓋物形成。
圖5B是圖示了冷卻片530的圖5A中的近端端部570的后視圖，冷卻片530徑向分配以允許空氣流從例如風(fēng)扇或吹風(fēng)機(jī)的空氣移動(dòng)設(shè)備流過(guò)它們且將熱去除到周?chē)h(huán)境中。也已知了形成在冷卻片530上的紊流誘導(dǎo)特征部580，以當(dāng)空氣流通過(guò)冷卻片530時(shí)最大化空氣流的紊流。最大化從反射器主體傳導(dǎo)的熱的量降低了在腔550內(nèi)積聚的熱，因此增加了燈組件的壽命以及允許反射器的形狀被維持且有效地將光耦合到空間均化器20內(nèi)。開(kāi)口540允許放置固定的或可替換的燈泡組件。
圖6是替代的光源600的截面視圖。在此視圖中，拋物面光源具有在開(kāi)口540內(nèi)的燈泡625，它在腔650內(nèi)的拋物面513的焦點(diǎn)處形成了火球17。離開(kāi)拋物面焦點(diǎn)的可見(jiàn)光從反射表面32反射離開(kāi)以造成大體上準(zhǔn)直的(平行的)光路，它然后通過(guò)聚光透鏡575成像到圖像點(diǎn)514。UV和IR輻射通過(guò)可見(jiàn)光反射層32透射通過(guò)鍺的去耦層31且被吸收層30吸收。被吸收的能量被吸收層轉(zhuǎn)化為熱且耗散到反射主體640內(nèi)，且最終通過(guò)整體式冷卻片530被耗散。此解決方法允許更靈活的設(shè)計(jì)光路的長(zhǎng)度(且因此設(shè)計(jì)半角)，因?yàn)榫酃馔哥R575的光學(xué)器件形成了圖像點(diǎn)514，因此反射器可以制成得帶有更小的公差。此解決方法一般地比橢圓鏡解決方法效率更低且添加了附加的元件，因此增加了光源的重量、長(zhǎng)度和成本。然而，因?yàn)殡x開(kāi)反射表面32的已過(guò)濾的光大體上僅在可見(jiàn)光光譜內(nèi)，可以使用成本更低的聚光透鏡575，因?yàn)椴恍枰诠饴返氖Ｓ嗖糠謨?nèi)對(duì)UV和/或IR過(guò)濾。
為造成已過(guò)濾的光的帶有熱去除的帶通反射器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以設(shè)計(jì)為與數(shù)個(gè)不同的火球尺寸一起運(yùn)行，因此在成像光源的對(duì)齊和不同的光源的協(xié)同工作中允許了更大的公差。常規(guī)的投影儀設(shè)計(jì)一般地限制于具有成像到特定的圖像點(diǎn)的很好地限定的火球的單光源。然而，使用本發(fā)明的投影或其他成像系統(tǒng)能允許使用不同于常規(guī)的汞弧光燈的不同類(lèi)型的光源。汞已知是有毒的材料且一般地希望降低或消除它的使用。例如，如氙的光源具有更長(zhǎng)的運(yùn)行壽命且比汞燈泡更白，但對(duì)于給定的瓦特?cái)?shù)可能不具有同樣多的光輸出，且一般地不形成同樣小的點(diǎn)源。進(jìn)一步地，在IR區(qū)域內(nèi)存在更多的光，它們必須被去除否則將使得投影儀中的其他光學(xué)器件退化。通過(guò)將濾波器涂層合并到帶有熱去除的金屬反射器上且在空間均化器20的進(jìn)入孔口前的圖像點(diǎn)處成像氙火球，氙光源的效率得以改進(jìn)，因此允許了無(wú)汞光源解決方案。因此，燈泡70在任何實(shí)施例中可以由非汞光源替換，僅舉數(shù)例，例如基于氙、鈉或鹵素的光。實(shí)際上，取決于應(yīng)用和空間光調(diào)制器和色域生成器的選擇，可以使用數(shù)個(gè)不同的非點(diǎn)源的光源。
圖7是合并了本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的投影系統(tǒng)700的實(shí)施例的方框圖。投影系統(tǒng)700具有燈組件740、風(fēng)扇組件720、投影組件710和控制組件730?？刂平M件730用于調(diào)整投影組件的形態(tài)、控制到燈組件740的功率和操作風(fēng)扇組件720。燈組件740包括整體式反射器和散熱器，其具有多個(gè)施加到反射器表面的光學(xué)涂層。這些涂層包括吸收層30、鍺去耦層31和反射層32，以造成用于造成在可見(jiàn)光光譜內(nèi)的過(guò)濾的光的帶通濾波器。從在燈組件740內(nèi)的燈發(fā)射的有害的能量通過(guò)反射層32、去耦層31(如果存在)透射到吸收層30。由吸收層30和去耦層31生成的熱被熱耦合到整體式散熱器。當(dāng)要求引導(dǎo)空氣流流過(guò)散熱器以將有害的熱去除到周?chē)h(huán)境中時(shí)，控制器組件730操作風(fēng)扇組件720。來(lái)自燈組件740的已過(guò)濾的光被光學(xué)地耦合到投影組件710。投影組件710可以合并一個(gè)或多個(gè)由控制組件730控制的空間光調(diào)制器，以造成可觀察到的圖像或電影。替代地，也可以控制投影組件用于通信功能，或另外造成圖像。
帶有帶通涂層的整體式反射器和散熱器可以通過(guò)數(shù)個(gè)不同的方法制造。例如，圖8是代表了可制造單獨(dú)的或與其他光學(xué)元件組合的整體式反射器的制造步驟800的數(shù)個(gè)不同的組合的流程圖。例如6061、7000或1000系列的鋁合金可以被粗加工(方框810)到近似希望的形狀，且然后選擇地被熱處理(方框816)和/或選擇地應(yīng)力釋放(方框818)到已知的標(biāo)準(zhǔn)，例如MIL H 6088。其他的形成步驟可以是注模鋁材料(步驟814)或是使用鑄模以形成鑄造材料(步驟812)。如果模具不夠精確，模制的或鑄造的零件然后可以被進(jìn)一步粗加工。選擇地，可決定為鋁表面鍍鎳(步驟820)以將其硬化，且如果這樣決定則為鋁鍍鎳(方框820)。無(wú)論以哪一個(gè)方式，然后選擇地將鋁合金零件單點(diǎn)金剛石車(chē)削(SPDT)以造成光學(xué)精加工件(方框824)。
當(dāng)已造成光學(xué)表面后，吸收層被施加到光學(xué)表面(步驟826)。可能的方法的一些包括沉積黑色材料(步驟828)、在氮中轟擊鋁(步驟830)和沉積例如電介質(zhì)相匹配層的抗反射涂層(步驟832)。黑色材料可以是直接地沉積在鋁反射器上的鉻黑或鍺黑。電介質(zhì)相匹配層可以是鋁表面上的MgF2的涂層帶有薄的鉻膜，因此造成了寬帶黑色層。如果氮中轟擊鋁，則氮化鋁變得嵌入到鋁內(nèi)以造成鋁黑表面，它可以直接地涂敷以高反射率涂層(步驟838)。
為防止在反射層和吸收層之間的相互作用，或?yàn)樾纬善涮卣鞅缓芎玫卮_定的拋光的光學(xué)表面，去耦層可以沉積在吸收層上或另外地施加在吸收層上。去耦層由晶體鍺形成，它部分地吸收IR輻射，以允許IR輻射被熱且部分地光學(xué)耦合到吸收層。一個(gè)典型的材料是沉積鍺層(步驟836)，它可以被微研磨或拋光(步驟840)以造成光學(xué)的鏡表面。在沉積去耦層后，由一個(gè)或多個(gè)層制成的高反射率涂層施加在其上(步驟838)。一個(gè)典型的用于可見(jiàn)光的帶通反射表面是施加多層SiO2和如下的一個(gè)或多個(gè)層氧化鉭(Ta2O5)層、氧化鈮(NbOx)層、氧化鋯(ZrOx)層和氧化鉿(HfOx)層、或氧化鈦(TiO2)層(步驟842)。
雖然本發(fā)明已具體地示出且參考前述的優(yōu)選的和替代的實(shí)施例描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到其中可以進(jìn)行許多修改而不偏離本發(fā)明的在如下的權(quán)利要求書(shū)中限定的精神和范圍。本發(fā)明的此描述應(yīng)理解微包括在此描述的所有新穎的和非顯而易見(jiàn)的元件的組合，且可以在此或在隨后的申請(qǐng)中提出對(duì)任何新穎的和非顯而易見(jiàn)的元件的組合的權(quán)利要求。前述的實(shí)施例是說(shuō)明性的且無(wú)單一的特征或元件對(duì)于可能在此或在隨后的申請(qǐng)中被要求的所有可能的組合是基本的。在權(quán)利要求中敘述了權(quán)利要求的等價(jià)物的“一”或“第一”元件處，這樣的權(quán)利要求應(yīng)被理解為包括一個(gè)或多個(gè)這樣的元件的組合，既非要求也非排除兩個(gè)或多個(gè)這樣的元件。
權(quán)利要求
1.一種反射器，其包括限定了光學(xué)表面的金屬反射器(33)；布置在光學(xué)表面上的吸收表面(30)；布置在吸收表面上的鍺層(31)；和布置在鍺層上的帶通反射表面(32)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射器，其中帶通反射表面(32)反射了可見(jiàn)光波長(zhǎng)內(nèi)的光且吸收表面(30)吸收了可見(jiàn)光波長(zhǎng)外的能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射器，其中金屬反射器的熱脹系數(shù)(CTE)大體上接近鍺層的CTE。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射器，其中金屬反射器的熱脹系數(shù)(CTE)大體上與吸收表面的CTE相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射器，其中鍺層(31)包括大約5微米到大約10微米的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射器，其中反射器是勻光桿(22)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射器，其中金屬反射器(33)包括一組冷卻片(12)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射器，其中吸收表面(30)是鉻黑或鍺黑。
9.一種用于制成帶有整體式散熱器(12)的光學(xué)反射器(33)的方法，其包括如下步驟在光學(xué)反射器(33)上限定區(qū)域以形成光學(xué)表面；以吸收第一范圍的光的材料(30)覆蓋表面；以鍺層(31)覆蓋該材料；和以反射至少一個(gè)不同的范圍的光的帶通層(32)覆蓋鍺上方的表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中鍺層(31)的厚度為大約5微米到大約10微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括在氮中轟擊光學(xué)反射器(33)的步驟。
全文摘要
用于投影儀的反射器包括限定了光學(xué)表面的金屬反射器(33)。吸收表面(30)布置在光學(xué)表面上。鍺層(31)布置在吸收表面上。帶通反射表面(32)進(jìn)一步布置在吸收表面上。
文檔編號(hào)G02B5/08GK101031829SQ200580033061
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
發(fā)明者A·吳, A·古普塔, P·G·霍沃德, J·M·克格勒三世 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司