專利名稱：棱鏡分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及光學(xué)器件，尤其涉及棱鏡分束器。
背景技術(shù)：
分束器是一種光學(xué)器件，用于將一束光分成兩束或更多束不同的光。分束器具有 各種不同的且有用的應(yīng)用。例如，分束器可以被用在照相機(jī)和投影儀中，并且可以被用于干 涉測量，這些僅是一些例子。圖1A-1B示出了兩類通常使用的分束器的示意圖。圖IA示出 了立方體分束器100的頂視圖和立體圖。立方體分束器100包括第一三角形棱鏡102和第 二三角形棱鏡104。棱鏡102和104的斜邊表面是平行的且是平整的，其上涂有一層部分 反射性材料106，比如銀或鋁。可以用粘合劑將這兩個平整的表面固定到一起，該粘合劑的 折射率與棱鏡102、104大致相同。可以調(diào)節(jié)層106的厚度，以允許光按期望的比例被透射 和被反射。如圖1所示，入射光束108基本上垂直于平整的表面而進(jìn)入立方體分束器100。 層106將入射光束108分成透射光束110以及反射光束112，透射光束110從立方體分束器 100中出射且方向與入射光束108 —致，反射光束112從立方體分束器100中出射且方向 與入射光束108大致垂直。圖IB示出了平板分束器120的側(cè)視圖。平板分束器120包括 單個玻璃板122，玻璃板122的一個表面涂有一層部分反射性材料124。如圖IB所示，玻璃 板122取向成與入射光束126呈45度。層124反射該入射光束126的第一部分，以產(chǎn)生與 入射光束126大致垂直的反射光束128。入射光束126的第二部分進(jìn)入玻璃板122，玻璃板 122產(chǎn)生折射光束130，折射光束130在從玻璃板122中出射時再次發(fā)生折射從而給出透射 光束132，透射光束132大致平行于入射光束126。因為進(jìn)入玻璃板的光束發(fā)生了折射，所 以透射光束132的路徑移動到入射光束126的路徑的下方，這被稱為“光束偏移”。光束偏 移的大小正比于玻璃板122的厚度。盡管分束器100、120已成功地應(yīng)用于許多不同的器件中，但是這兩種常用的分束 器100、120具有許多缺點。例如，從分束器100、120中出射的反射光和透射光是呈直角，這 通常必然需要外部鏡子對光進(jìn)行重新引導(dǎo)。因此，期望有這樣的分束器，能夠配置成產(chǎn)生呈 各種角度的反射光和透射光。


圖IA示出了立方體分束器的頂視圖和立體圖。圖IB示出了平板分束器的側(cè)視圖。圖2示出了兩種不同材料之間的界面的光學(xué)性質(zhì)，每種材料具有不同的折射率。圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第一分束器的立體圖。圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的、圖3A所示的第一分束器的側(cè)視圖。圖3C示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式用于將入射光束分成兩個出射光束的、圖3A 所示的第一分束器的立體圖。圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第二分束器的立體圖。
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圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的、圖4A所示的第二分束器的側(cè)視圖。圖4C示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式用于將入射光束分成兩個出射光束的、圖4A 所示的第二分束器的立體圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第三分束器的立體圖。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的、圖5所示的第三分束器的側(cè)視圖。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第四分束器的側(cè)視圖。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第三分束器的側(cè)視圖。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第四分束器的側(cè)視圖。圖10A-10C示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的三個示例性復(fù)合分束器。
具體實施例方式本發(fā)明的實施方式涉及單棱鏡分束器以及由一個或多個單棱鏡分束器組合起來 而形成的復(fù)合分束器。這些分束器可以被配置成產(chǎn)生一個或多個分開的光束，這些光束從 棱鏡中出射時彼此之間的角度不是90度。這些棱鏡被配置成使得穿過棱鏡的光遇到一個 或多個相對于光路呈各種角度的中間平面。某些中間平面可以呈一定的角度，使得沿特定 路徑穿行的光在這些中間平面處經(jīng)歷全內(nèi)反射(“TIR”)。一些其它中間平面呈一定的角 度，使得沿特定路徑穿行的光不經(jīng)歷TIR。結(jié)果，通過在不發(fā)生TIR的中間平面上選擇性地 放置完全反射的或部分反射的鏡子，就可以選擇性地將穿過這些棱鏡的一個或多個光束分 開并使其從棱鏡中出射。全內(nèi)反射圖2示出了兩種不同材料之間的界面的光學(xué)性質(zhì)，每種材料具有不同的折射率。 點光源202在所有方向上發(fā)出光。由帶方向的箭頭所標(biāo)識的光線被用于表示光束穿過空間 或光學(xué)系統(tǒng)時的方向。每個光線具有與第一材料206和第二材料208之間的界面204相 關(guān)聯(lián)的入射角。入射角是光線與被稱為“法線”的假想直線之間的角度，法線是垂直于界面 204的線并且法線與界面204的相交點就是光線入射到界面204上的那一點。垂直的直線 210-212表示與點光源202發(fā)出的三個光線相關(guān)聯(lián)的法線。假定第一材料206的折射率nl 大于第二材料208的折射率n2。例如，第一材料206可以由玻璃或丙烯酸構(gòu)成，第二材料 208可以是空氣，界面204可以表示棱鏡(比如下文所描述的棱鏡)的平面。具有特定的 入射角θ。的光線214產(chǎn)生了沿著第一材料206的表面的折射光線216。該角度θ。被稱 為“臨界角”。入射角大于臨界角Θ。的光線經(jīng)歷TIR。入射角小于臨界角θ。的光線發(fā)生 折射，并且穿過第一材料206進(jìn)入第二材料208，且折射角大于入射角。例如，光線218的入 射角Q1大于臨界角θ。，從而產(chǎn)生了反射光線220，根據(jù)反射定律反射光線220以相同的角 度θ工離開界面204。另一方面，光線222的入射角θ 2小于臨界角θ。，從而產(chǎn)生了折射光 線224，根據(jù)折射定律折射光線224從第一材料中出射時的折射角是θ3并且θ3> θ2。本發(fā)明的實施方式圖3Α示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第一分束器300的立體圖。分束器300 包括棱鏡302和部分反射鏡304。棱鏡302被配置成具有第一平面306、第二平面308和中 間平面309-313。部分反射鏡304被放置在平面312的至少一部分之上。圖3Β示出了根 據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的分束器300的側(cè)視圖。虛線314表示垂直于平面312且將棱鏡302平分的對稱面的側(cè)視圖。在理想情況下，第一和第二平面306、308可以平行于平面314， 平面309、310也可以被配置成相對于平面314呈相同的角度Φ。如圖3Β所示，三個不同的光線321-323沿著進(jìn)入棱鏡302的一光束的多個部分的 路徑前進(jìn)，且大致垂直于第一平面306。平面309成一定的角度，使得光線321-323在平面 309處經(jīng)歷TIR，并且朝著平面312反射，其入射角小于與平面312相關(guān)聯(lián)的臨界角。光線 321-323在部分反射鏡304處被分開，部分反射鏡304讓光的第一部分從棱鏡302中出射并 且反射光的第二部分使其達(dá)到平面310，平面310呈一定的角度使得光線321-323經(jīng)歷TIR 并從棱鏡302中出射，出射光線大致垂直于第二平面308。注意到，與上述光的第二部分相 關(guān)聯(lián)的光線321-323從棱鏡302中出射時基本上沒有光束偏移，在這種特定的情況中，該光 相對于進(jìn)入該棱鏡的光的入射取向而言是反轉(zhuǎn)的。圖3C示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式使用分束器300將入射光束分開的立體圖。上 述光束通過第一平面306進(jìn)入棱鏡302，并且被平面309反射至平面312。部分反射鏡304 將光束分成從棱鏡302中出射的第一部分334以及被內(nèi)部反射至平面310的第二部分。該 光束的第二部分被平面310反射，并且通過第二平面308從棱鏡302中出射。平面309、310 處的內(nèi)部反射是因TIR而導(dǎo)致的，在平面312處圖像的第二部分的內(nèi)部反射是因部分反射 鏡304而導(dǎo)致的。圖4Α示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第二分束器400的立體圖。分束器400 包括棱鏡402、部分反射鏡404和完全反射鏡406。棱鏡402被配置成具有第一平面408、第 二平面410和中間平面411-416。部分反射鏡404被放置在平面414的至少一部分之上，鏡 子406被放置在平面416的至少一部分之上。圖4Β示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的 第二分束器400的側(cè)視圖。虛線418表示垂直于平面412且將棱鏡402平分的對稱面的側(cè) 視圖。在理想情況下，第一和第二平面408、410平行于平面418，平面411、413被配置成相 對于平面418成相同的角度β，并且平面414、416被配置成相對于平面418呈相同的角度 α ο如圖4Β所示，三個不同的光線425-427沿著進(jìn)入棱鏡402的一光束的多個部分的 路徑前進(jìn)，且大致垂直于第一平面108。平面411成一定的角度，使得進(jìn)入該棱鏡402的光 線425-427經(jīng)歷TIR并且朝著平面414反射，其入射角小于與平面414相關(guān)聯(lián)的臨界角。光 線425-427在部分反射鏡404處被分開，該光的第一部分從棱鏡402中出射，該光的第二部 分被反射至平面412，平面412成一定的角度使得該光的第二部分經(jīng)歷TIR并且被反射至 平面416，其入射角小于與平面416相關(guān)聯(lián)的臨界角。光線425-427被鏡子406反射至平 面413，平面413成一定的角度，使得光線425-427從棱鏡402中出射且大致垂直于第二平 面410。注意到，與該光的第二部分相關(guān)聯(lián)的光線425-427從棱鏡402中出射，且基本上沒 有光束偏移。圖4C示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式使用分束器400將入射光束分開的立體圖。 上述光束432通過第一平面408進(jìn)入棱鏡402，并且被平面411反射至平面414。部分反射 鏡404將該光束分成從棱鏡402中出射的第一部分434以及被反射至平面412的第二部 分。第二部分經(jīng)反射，離開平面412、鏡子406和平面413，然后從棱鏡402中出射436。平 面411-413處的內(nèi)部反射是因TIR而導(dǎo)致的，并且平面416處的內(nèi)部反射是因鏡子406而 導(dǎo)致的。
分束器300和400的棱鏡被配置成產(chǎn)生奇數(shù)次內(nèi)部反射。這種分束器系列也包括 具有偶數(shù)次內(nèi)部反射的分束器。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第三分束器500 的立體圖。分束器500包括棱鏡502、部分反射鏡504和完全反射鏡506。棱鏡502被配置 成具有第一平面508、第二平面510和中間平面512、514。部分反射鏡504被放置在平面 512的至少一部分之上。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的分束器500的側(cè)視圖。三個不同的光線 521-523沿著進(jìn)入棱鏡502的一光束的多個部分的路徑前進(jìn)，且大致垂直于第一平面508。 在這種特定的實施方式中，平面514成一定的角度，使得光線521-523在平面514處不經(jīng) 歷TIR，并且被鏡子504反射至平面512，其入射角小于與平面512相關(guān)聯(lián)的臨界角。光線 521-523在部分反射鏡504處被分開，讓該光的第一部分從棱鏡502中出射，并且反射該光 的第二部分使其從棱鏡502中出射。注意到，與該光的第二部分相關(guān)聯(lián)的光線521-523從 棱鏡502中出射時并未相對于進(jìn)入該棱鏡502的光的入射取向而反轉(zhuǎn)。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第四分束器700的側(cè)視圖。分束器 700包括棱鏡702，棱鏡702被配置成具有第一平面704、第二平面706和四個中間平面 708-711。分束器700也包括三個完全反射鏡714-716，被放置在平面708、709、711的部分 之上；以及一個部分反射鏡717，被放置在平面710的至少一部分之上。如圖7所示，部分 反射鏡717將平面708處所反射的光分成第一部分和第二部分，該第一部分從棱鏡中出射， 該第二部分在鏡子716、715處發(fā)生反射并從棱鏡702中出射。在其它實施方式中，中間平 面708、709可以成一定的角度，使得進(jìn)入該棱鏡702的光在中間平面708、709處經(jīng)歷TIR。 結(jié)果，鏡子714、715可能是任選的。在其它實施方式中，可以用部分反射鏡來替換一個或多 個完全反射鏡714-716，使得不止一個光束可以被分開進(jìn)而從棱鏡中出射。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第三分束器800的側(cè)視圖。分束器800 包括棱鏡，該棱鏡被配置成具有第一平面802、第二平面804和八個中間平面805-811。分 束器800也包括六個完全反射鏡814-819，被放置在平面805_809、811的部分之上；以及 一個部分反射鏡820，被放置在平面810的至少一部分之上。如圖8所示，部分反射鏡820 將平面806處所反射的光分成第一部分和第二部分，該第一部分從棱鏡中出射，該第二部 分被鏡子816-819反射并從棱鏡800中出射。多個鏡子814-819可以是任選的，這取決于 哪些平面成一定的角度以使在該棱鏡中穿行的光發(fā)生TIR。在其它實施方式中，可以用部 分反射鏡來替代一個或多個完全反射鏡，使得不止一個光束可以被分開進(jìn)而從該棱鏡中出 射。在其它實施方式中，并未將部分反射鏡820放置在平面810上，部分反射鏡820可以被 放置在其它平面809、811之一上，并且完全反射鏡被放置在其余的平面上。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的第四分束器900的側(cè)視圖。分束器900 包括棱鏡902、第一部分反射鏡904和第二部分反射鏡906。棱鏡902被配置成具有第一平 面908、第二平面910和中間平面911-916。部分反射鏡904被放置在平面915的至少一部 分之上，部分反射鏡906被放置在平面912的至少一部分之上。在理想情況下，棱鏡902被 配置成具有鏡面對稱性，正如上文參照圖4、6所描述的那樣。如圖9所示，平面912和915 是加長的，使得在棱鏡902中穿行的光束具有9次內(nèi)部反射，每次內(nèi)部反射的入射角都小于 與平面912、915相關(guān)聯(lián)的臨界角。結(jié)果，分束器900將單個光束分成10個分開的光束。注意到，上述分束器實施方式也可以包括光波導(dǎo)，光穿過該光波導(dǎo)作為接近準(zhǔn)直
7的光束而進(jìn)入這些棱鏡。在某些實施方式中，光波導(dǎo)可以是中空的金屬圓柱體。在本發(fā)明的其它實施方式中，兩個或更多個單棱鏡分束器400、600可以被組合起 來以形成復(fù)合分束器，用于將單個光束分成三個或更多個不同的光束。例如，圖10A-10C示 出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的三個示例性復(fù)合分束器。這種分束器是由第一單棱鏡分 束器1002和第二單棱鏡分束器1004構(gòu)成的，它們被組合起來以將單個光束分成三個不同 的光束。第一和第二分束器1002、1004是根據(jù)分束器400進(jìn)行配置的。在圖IOA中，第一 和第二分束器1002、1004具有相同的取向，使得兩個分開的光束具有相同的方向。在圖IOB 中，第一和第二分束器1002、1004具有相反的取向，使得兩個分開的光束具有不同的方向。 在圖IOC中，第一和第二分束器1002、1004具有相同的取向，但光波導(dǎo)1006(比如中空金屬 圓柱體)被用于將這兩個分束器分開。為了解釋，上面的描述使用了特定的術(shù)語，以對本發(fā)明作透徹的理解。然而，對于 本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很明顯，特定的細(xì)節(jié)不是實現(xiàn)本發(fā)明所必需的。上文關(guān)于本發(fā)明特定 實施方式的描述是用于解釋說明。并不打算窮盡或限定本發(fā)明至所揭示的那些精確的形 式。很明顯，考慮到上面的揭示，許多修改和變化都是可能的。上文所示出和描述的實施方 式是為了最佳地解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，由此能使本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員最佳地 利用本發(fā)明和各種實施方式，在適合于特定的預(yù)期用途時可以做出各種修改。本發(fā)明的范 圍旨在由權(quán)利要求書及其等價方案來限定。
權(quán)利要求
一種分束器，包括具有第一平面、第二平面和多個中間平面的棱鏡，其中，所述棱鏡被配置成使第一和第二平面大致平行，一個或多個中間平面成一定的角度以使在所述棱鏡內(nèi)傳播的光束并未在一個或多個中間平面處經(jīng)歷全內(nèi)反射，并且所述光束可以通過一個或多個中間平面從所述棱鏡中出射；以及一個或多個部分反射鏡，被放置在一個或多個中間平面的至少一部分之上，使得在所述棱鏡內(nèi)傳播的光束被分成折射光束和反射光束，所述折射光束通過一個或多個部分反射鏡從所述棱鏡中出射，所述反射光束被反射回到所述棱鏡中。
2.如權(quán)利要求1所述的分束器，其特征在于，所述中間平面是成一定的角度且被定位成使得通過第二平面從所述棱鏡中出射的光 束的路徑大致平行于且大致對準(zhǔn)于通過第一平面進(jìn)入所述棱鏡的光束的路徑。
3.如權(quán)利要求1所述的分束器，其特征在于，所述多個中間平面還包括多個成一定的角度以使在所述棱鏡內(nèi)穿行的光束經(jīng)歷全內(nèi) 反射的中間平面。
4.如權(quán)利要求1所述的分束器，還包括放置在一個或多個中間平面上以使光束被反射回到所述棱鏡中的鏡子。
5.如權(quán)利要求1所述的分束器，其特征在于，所述棱鏡還包括玻璃或丙烯酸。
6.如權(quán)利要求1所述的分束器，其特征在于，所述棱鏡還包括多個成一定的角度以使在所述棱鏡內(nèi)傳播的光束經(jīng)歷奇數(shù)次內(nèi)部反 射的中間平面。
7.如權(quán)利要求1所述的分束器，其特征在于，所述棱鏡還包括多個成一定的角度以使在所述棱鏡內(nèi)傳播的光束經(jīng)歷偶數(shù)次內(nèi)部反 射的中間平面。
8.如權(quán)利要求1所述的分束器，還包括光波導(dǎo)，用于使光以接近準(zhǔn)直的光束的形式進(jìn)入所述棱鏡。
9.如權(quán)利要求8所述的分束器，其特征在于，所述光波導(dǎo)是中空金屬圓柱體。
10.一種包括多個分束器的復(fù)合分束器，其中，每個分束器是根據(jù)權(quán)利要求1的分束器 進(jìn)行配置的，并且多個分束器被安排成使得每個分束器反射進(jìn)入所述復(fù)合分束器的光束的 一部分并透射所述光束的一部分。
11.如權(quán)利要求10所述的復(fù)合分束器，其特征在于，相鄰的分束器是根據(jù)權(quán)利要求1的分束器而被配置成具有第一平面和第二平面，并且 被安排成使得第一分束器的第一平面鄰接著第二分束器的第二平面。
12.如權(quán)利要求10所述的復(fù)合分束器，其特征在于，進(jìn)入所述復(fù)合分束器的光束的路徑大致平行于且大致對準(zhǔn)于在所述復(fù)合分束器內(nèi)穿 行的光束的一部分的路徑。
13.如權(quán)利要求10所述的復(fù)合分束器，還包括光波導(dǎo)，用于使光以接近準(zhǔn)直的光束的形式進(jìn)入所述棱鏡。
14.如權(quán)利要求13所述的復(fù)合分束器，其特征在于， 所述光波導(dǎo)是中空金屬圓柱體。
15.如權(quán)利要求10所述的復(fù)合分束器，還包括一個或多個光波導(dǎo)，定位成將兩個或更多個分束器分開。
全文摘要
本發(fā)明的實施方式涉及單棱鏡分束器以及由一個或多個單棱鏡分束器組合起來而形成的復(fù)合分束器。在一個實施方式中，這些分束器可以被配置成產(chǎn)生一個或多個分開的光束，這些光束出射時彼此之間的角度可以不是90度。這些分束器實施方式的棱鏡被配置成使得穿過棱鏡的光遇到一個或多個相對于光路呈各種角度的中間平面。某些中間平面可以呈一定的角度，使得沿特定路徑穿行的光在該棱鏡內(nèi)經(jīng)歷全內(nèi)反射。一些其它中間平面呈一定的角度，使得沿特定路徑穿行的光不經(jīng)歷全內(nèi)反射。
文檔編號G02B27/14GK101981488SQ200880128547
公開日2011年2月23日 申請日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日
發(fā)明者H·P·郭, M·R·T·譚 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)