CN102084283A

CN102084283A - 光学元件和合色器

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Publication number: CN102084283A
Application number: CN2008801302567A
Authority: CN
Inventors: 查尔斯·L·布鲁泽; 安德鲁·J·乌德科克; 丹尼尔·J·金斯敦
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2011-06-01
Also published as: KR20110015010A; WO2009139798A1; JP2011524019A; EP2286296A4; TW200947102A; EP2286296A1; US20110149547A1

Abstract

本发明描述了一种光学元件、使用所述光学元件的合色器以及使用所述合色器的图像投影仪。所述光学元件包括颜色选择二向色滤光器和反射型偏振器。垂直穿过所述颜色选择二向色滤光器中的每一个的直线以大约45度与所述反射型偏振器相交。所述光学元件还可包括定位成邻近所述颜色选择二向色滤光器的延迟片。所述合色器包括连接到所述光学元件的部分反射光源。具有不同颜色的非偏振光可穿过所述二向色滤光器进入所述合色器，并且可从所述合色器发出所需偏振态的组合光。具有非所需偏振态的光可在所述合色器中进行再循环至所需偏振态，从而提高光利用效率。所述图像投影仪包括连接到成像源的合色器以及投影元件，以使所述组合光的第一部分被导向到所述投影元件，而所述组合光的第二部分再循环返回到所述合色器中。

Description

光学元件和合色器

背景技术

用于将图像投影到屏幕上的投影系统可使用多个彩色光源，例如具有不同颜色的发光二极管(LED)，以生成照明光。在LED和图像显示单元之间设置若干光学元件，以用于将来自LED的光组合并转移到图像显示单元。图像显示单元可以使用多种方法来将图像施加到光上。例如，正如透射型或反射型液晶显示器一样，图像显示单元可以利用偏振。

图像亮度是投影系统的重要参数。彩色光源的亮度以及将集光、组合光、均质化光及将光递送到图像显示单元的效率均会影响亮度。由于现代投影仪系统的尺寸减小，因此需要在将彩色光源产生的热保持在可以在小型投影仪系统中消散的低水平时，仍保持足够的输出亮度水平。需要一种光组合系统，所述光组合系统以更高效率组合多个色光，以提供具有足够亮度水平的输出光且无光源的过度功耗。另外需要一种光组合系统，所述光组合系统以该光组合器中的波长敏感元件的劣化降至最低的方式来导向不同波长谱的光。

发明内容

一般来讲，本发明涉及一种光学元件、使用所述光学元件的合色器、以及使用所述合色器的图像投影仪。在一个方面，光学元件包括第一颜色选择二向色滤光器、第二颜色选择二向色滤光器和反射型偏振器。二向色滤光器和反射型偏振器布置成使分别垂直穿过第一和第二颜色选择二向色滤光器的第一和第二直线以大约45度角与反射型偏振器相交。在一个实施例中，该光学元件还包括反射器，该反射器布置成使垂直于反射器的直线也以大约45度角与反射型偏振器相交。在另一个实施例中，反射型偏振器选自胆甾反射型偏振器和麦克尼尔(MacNeille)反射型偏振器。在又一个实施例中，反射型偏振器设置在第一和第二棱镜之间，以使第一和第二颜色选择二向色滤光器中的每一个邻近棱面设置。

在再一个实施例中，反射型偏振器为以第一偏振方向定向的笛卡尔(Cartesian)反射型偏振器，并且光学元件还包括第一和第二延迟片，所述第一和第二延迟片设置成使第一和第二直线在与反射型偏振器相交之前分别垂直穿过第一和第二延迟片。在一个实施例中，第一和第二延迟片中的每一个相对于第一偏振方向以45°定向。

在一个方面，光学元件包括第一颜色选择二向色滤光器、第二颜色选择二向色滤光器和反射型偏振器。二向色滤光器和反射型偏振器布置成使分别垂直穿过第一和第二颜色选择二向色滤光器的第一和第二直线以大约45度角与反射型偏振器相交。在一个实施例中，光学元件还包括第三二向色滤光器，所述第三二向色滤光器布置成使垂直于第三二向色滤光器的直线以大约45度与反射型偏振器相交。在另一个实施例中，反射型偏振器为胆甾反射型偏振器。在又一个实施例中，反射型偏振器为麦克尼尔反射型偏振器。在又一个实施例中，反射型偏振器设置在第一和第二棱镜之间，以使第一和第二颜色选择二向色滤光器中的每一个邻近棱面设置。

在另一个实施例中，反射型偏振器为以第一偏振方向定向的笛卡尔反射型偏振器，并且该光学元件还包括第一、第二和第三延迟片，所述第一、第二和第三延迟片设置成使第一、第二和第三直线在与反射型偏振器相交之前分别垂直穿过第一、第二和第三延迟片。在一个实施例中，第一、第二和第三延迟片中的每一个相对于第一偏振方向成45度定向。

在一个方面，合色器包括光学元件、设置成朝向二向色滤光器中的每一个发射光的光源以及设置成透射组合色光输出的输出区。在一个实施例中，光源包括发光二极管(LED)。在另一个实施例中，LED中的每一个均包括反射表面。在又一个实施例中，组合色光输出为偏振的。

在一个方面，图像投影仪包括合色器和成像器，所述成像器设置成将组合色光输出的第一部分导向至投影元件。在一个实施例中，组合色光输出的第二部分穿过输出区再循环返回到合色器。在另一个实施例中，成像器选自LCOS成像器、微镜阵列和透射型LCD成像器。

附图说明

整个说明书中都参考了附图，附图中类似的附图标记表示类似的元件，并且附图中：

图1是偏振光分束器的透视图。

图2是具有1/4波长延迟片的偏振光分束器的透视图。

图3a为示出具有抛光面的偏振光分束器的示意性俯视图。

图3b为光学元件和准直光导的示意性俯视图。

图4a-4c为合色器的示意性俯视图。

图5为投影仪的示意图。

图6a-6b为合色器的示意性俯视图。

图7a-7c为合色器的示意性俯视图。

附图未必按比例绘制。附图中使用的类似的附图标记表示类似的部件。然而，应当理解，在给定附图中使用附图标记指示部件并非意图限制另一个附图中用相同附图标记的部件。

具体实施方式

本文所述的光学元件可构造成合色器，所述合色器接收不同波长谱的光，并且产生包括不同波长谱的光的组合输出光。在一个方面，所接收的输入光为非偏振的，并且组合输出光为非偏振的。在一个实施例中，组合输出光中的一部分可再循环返回到合色器中。在一个方面，所接收的输入光为非偏振的，并且组合输出光为沿所需方向的偏振光。在一个实施例中，将具有非所需偏振方向的所接收的光进行再循环并且旋转至所需的偏振方向，以提高光利用效率。在一些实施例中，组合光具有与所接收的光中的每一种相同的集光率。组合光可为包括一种以上波长谱的光的多色组合光。组合光可为所接收的光中的每一种的时序输出。在一个方面，不同波长谱的光中的每一种对应不同的色光(如，红、绿和蓝)，并且组合输出光为白光、或者按时间顺序的红、绿和蓝光。针对本文给出的说明目的，“色光”和“波长谱的光”都旨意指如果肉眼可见，在具有可与特定颜色相关的波长谱范围的光。更一般的术语“波长谱的光”是指可见光和其他波长谱的光，包括例如红外光。

同样针对本文给出的说明目的，术语“面向”是指一个元件设置成使来自该元件表面的垂直线沿着同样垂直于其他元件的光学路径而行。一个面向另一个元件的元件可包括设置成彼此邻近的元件。一个面向另一个元件的元件还包括由光学元件隔开的元件，使得垂直于一个元件的光线还垂直于另一个元件。

当将两束或多束非偏振色光导向至光学元件时，每束光根据通过反射型偏振器产生的偏振态分束。根据下文所述的一个实施例，色光组合系统从不同的非偏振色光源接收非偏振光，并且产生沿一个所需方向偏振的组合输出光。在一个方面，至多三束接收色光每一束根据通过偏振光分束器(PBS)中的反射型偏振器产生的偏振态(例如s-偏振和p偏振，或右旋或左旋圆偏振)分束。将具有某个偏振方向的接收光再循环，以变为所需的偏振方向。

根据一个方面，PBS包括反射型偏振器，该反射型偏振器设置成使来自三束色光中的每一束光以大约45度角与该反射型偏振器相交。该反射型偏振器可为任何已知的反射型偏振器，例如麦克尼尔偏振器、线栅偏振器、多层光学膜偏振器或诸如胆甾型液晶偏振器之类的圆偏振器。根据一个实施例，多层光学膜偏振器可优选为反射型偏振器。反射型偏振器可设置在两个棱镜的对角面之间，或者其可为诸如保护膜之类的自立式膜。在一些实施例中，当反射型偏振器设置在两个棱镜之间时，PBS的光利用效率得到提高。在此实施例中，穿过PBS的原本从光学路径损失的一些光可发生来自棱面的全内反射(TIR)，并且重新结合到光学路径中。由于至少此原因，下述说明涉及其中反射型偏振器设置在两个棱镜的对角面之间的PBS；然而，应当理解，PBS可以与用作保护膜时相同的方式起作用。在一个方面，PBS棱镜的所用外表面均为高度抛光的，从而使进入PBS的光发生TIR。以此方式，光包含在PBS内并且光部分均质化，同时仍保持集光率。

根据一个方面，将诸如颜色选择二向色滤光器之类的波长选择滤光器设置在来自不同彩色光源中的每一个的输入光路径中。二向色滤光器中的每一个设置成使输入光以接近垂直入射的角度与滤光器相交，以使s及p偏振光的分裂降至最低，并且还使色移降至最低。二向色滤光器中的每一个选择成透射具有邻近输入光源的波长谱的光，并反射具有其他输入光源中的至少一个的波长谱的光。在一些实施例中，二向色滤光器中的每一个选择成透射具有邻近输入光源的波长谱的光，并反射具有其他输入光源中的全部波长谱的光。在一个方面，二向色滤光器中的每一个相对于反射型偏振器设置，以使每个二向色滤光器的表面的法线以大约45度的相交角与反射型偏振器相交。二向色滤光器的表面法线是指垂直穿过二向色滤光器的表面的线。在一个实施例中，相交角的范围为35到55度；40到50度；43到48度；或44.5到45.5度。

在一个方面，非所需偏振方向的输入光通过引导返回光源而进行再循环，在所述光源处，输入光从例如部分反射型LED等表面反射。在一个实施例中，延迟片设置在从每束输入光到棱面的光路内，以使来自光源的光在进入PBS棱面之前穿过二向色滤光器和延迟片。具有非所需偏振方向的光再循环返回，从LED反射，并且穿过延迟片两次，从而变为所需的偏振方向。

在一些实施例中，延迟片设置在二向色滤光器和光源之间。在其他实施例中，二向色滤光器设置在延迟片和光源之间。二向色滤光器、延迟片和光源取向的特定组合共同配合，以使更小、更紧凑的光学元件成为可能，该光学元件在构造成合色器时可有效地产生具有单一偏振方向的组合光。根据一个方面，延迟片为相对反射型偏振器的偏振方向成大约45度定向的1/4波长延迟片。在一个实施例中，所述定向可为相对反射型偏振器的偏振方向成35到55度；40到50度；43到48度；或44.5到45.5度。

在一个方面，第一色光包括蓝光，第二色光包括绿光，第三色光包括红光，并且色光组合器混合红光、蓝光和绿光来产生偏振白光。在一个方面，第一色光包括蓝光，第二色光包括绿光，第三色光包括红光，并且色光组合器组合红、绿和蓝光来产生按时间顺序的偏振红、绿和蓝光。在一个方面，第一、第二和第三色光中的每一束以单独的光源设置。在另一个方面，三色光中的一个以上组合为光源中的一个光源。

根据一个方面，反射型偏振膜包括多层光学膜。PBS产生第一组合输出光，第一组合输出光包括p偏振的第二色光以及s偏振的第一和第三色光。第一组合输出光可穿过颜色选择多层延迟滤光器，所述滤光器在第二色光穿过所述滤光器时选择型地改变第二色光的偏振态。这种颜色选择多层延迟滤光器购自例如科罗拉多州博尔德市的ColorLink公司。所述滤光器产生第二组合输出光，该第二组合输出光包括组合成具有相同偏振态(例如如，s偏振)的第一、第二和第三色光。第二组合输出光可用于调节偏振光来产生图像的透射型或反射型显示机构中的照明。

光在进入PBS时可以是平行光、会聚光或发散光。在穿过PBS的表面或端面中的一个时，进入PBS的会聚光或发散光可产生损失。为了避免此类损失，基于棱镜的PBS的所有外表面可被抛光，以能在PBS内产生全内反射(TIR)。能够进行全内反射提高了进入PBS的光的利用率，从而基本上所有在一定角度范围内进入PBS的光都被重导向，以穿过所需表面离开PBS。

每束色光的偏振分量可传送至偏振旋转反射器。偏振旋转反射器将光的传播方向反向，并且根据设置在偏振旋转反射器中的延迟片的类型和取向改变偏振分量的大小。偏振旋转反射器可包括诸如二向色滤光器之类的波长选择反射镜，以及延迟片。延迟片可以提供任何所需的延迟，例如，1/8波长延迟片、1/4波长延迟片等。在本文所述的实施例中，使用1/4波长延迟片和相关的二向色反射器是有利的。当线偏振光穿过关于光偏振轴以45°角定向的1/4波长延迟片时，线偏振光变为圆偏振光。合色器中的反射型偏振器和1/4波长延迟片/反射器的后续反射导致从合色器输出有效的组合光。相比之下，当线偏振光穿过其他延迟片并取向时，线偏振光变为在s偏振和p偏振(椭圆或线状)之间的偏振态，并可造成合色器的低效率。

光学元件的部件，包括棱镜、反射型偏振器、1/4波长延迟片、反射镜、滤光器或其他部件，可通过合适的光学粘合剂粘合在一起。用来将部件粘合在一起的光学粘合剂可具有的折射率比用于光学元件中的棱镜的折射率更低。完全粘合在一起的光学元件提供的优点包括：组装、处理和使用期间的定向稳定性。

通过参照附图和下面的附图说明，上述的实施例可以更容易地理解。

图1是PBS的透视图。PBS100包括设置在棱镜110和120的对角面之间的反射型偏振器190。棱镜110包括两个端面175及185，以及在两个端面之间的具有90°角的第一和第二棱面130及140。棱镜120包括两个端面170及180，以及在两个端面之间的具有90°角的第三和第四棱面150及160。第一棱面130与第三棱面150平行，而第二棱面140与第四棱面160平行。采用“第一”、“第二”、“第三”和“第四”标识图1所示的四个棱面，以使下面的讨论中对PBS100的描述更清楚。第一反射型偏振器190可为笛卡尔反射型偏振器或非笛卡尔反射型偏振器。非笛卡尔反射型偏振器可包括多层无机膜，例如通过顺序沉积无机电介质制备的那些，例如麦克尼尔偏振器。笛卡尔反射型偏振器具有偏振轴方向，并包括线栅偏振器和聚合物多层光学膜，例如可以通过挤出并后续拉伸多层聚合物型层合物制备的聚合物多层光学膜。在一个实施例中，反射型偏光器190定向成使一个偏振轴平行于第一偏振方向195，并垂直于第二偏振方向196。在一个实施例中，第一偏振方向195可以是s偏振方向，而第二偏振方向196可以是p偏振方向。如图1中所示，第一偏振方向195垂直于端面170、175、180、185中的每一个。

笛卡尔反射型偏振器膜使偏振光分束器能够以高效率使不完全平行的以及从中心光束轴发散或偏斜的输入光线通过。笛卡尔反射型偏振器膜可以包括具有多层电介质或聚合物材料的聚合物多层光学膜。电介质膜的使用可以具有低光衰减和高透光效率的优点。多层光学膜可以包括聚合物多层光学膜，例如在美国专利5,962,114(Jonza等人)或美国专利6,721,096(Bruzzone等人)中所述的那些。

图2是在一些实施例中使用的1/4波长延迟片关于PBS定向的透视图。1/4波长延迟片可用来改变入射光的偏振态。PBS延迟片系统200包括具有第一棱镜110和第二棱镜120的PBS100。1/4波长延迟片220设置为与第一棱面130相邻。反射型偏振器190是与第一偏振方向195对准的笛卡尔反射型偏振膜。1/4波长延迟片220包括1/4波长偏振方向295，该1/4波长偏振方向295可以定向成相对于第一偏振方向195成45°。尽管图2示出偏振方向295定向成相对于第一偏振方向195沿顺时针方向成45°，但是偏振方向295可以相反定向成相对于第一偏振方向195沿逆时针方向成45°。在一些实施例中，1/4波长偏振方向295可以定向成相对于第一偏振方向195成任意角度，例如从沿逆时针方向90°到沿顺时针方向90°。将延迟片以所述的大约+/-45°取向会是有利的，因为当线偏振光穿过关于偏振方向这样定向的1/4波长延迟片时产生圆偏振光。在从反射镜反射时，1/4波长延迟片的其他取向会导致s偏振光未完全转换为p偏振光以及p偏振光未完全转换为s偏振光，从而造成在本说明书别处所述的光学元件的效率降低。

图3a示出了抛光的PBS 300内的光线路径的俯视图。根据一个实施例，棱镜110和120的第一、第二、第三和第四棱面130、140、150、160为抛光的外表面。根据另一个实施例，PBS300的所有外表面(包括未示出的端面)为抛光的表面，其在PBS300内产生倾斜光线的TIR。抛光的外表面与具有比棱镜110和120的折射率“n₂”小的折射率“n₁”的材料接触。TIR提高了PBS300中的光利用率，尤其是当导向到PBS的光没有沿中心轴准直时，即入射光为会聚光或者发散光时。至少一些光通过全内反射被捕获在PBS300中，直到光穿过第三棱面150离开。在一些情况下，基本所有的光通过全内反射被捕获在PBS300内，直到它们穿过第三棱面150离开。

如图3a中所示，光线L₀在角度θ₁范围内进入第一棱面130。PBS300内的光线L₁在角度θ₂的范围内传播，从而在棱面140、160和所述端面(未示出)处满足TIR条件。光线“AB”、“AC”和“AD”代表穿过PBS300的多条光路中的三条路径，这三条路径在穿过第三棱面150离开之前以不同的入射角与反射型偏振器190相交。在离开之前，光线“AB”和“AD”还分别在棱面140和160处发生TIR。应当理解，角度θ₁和θ₂的范围可以是使得还可以在PBS300的所述端面处发生发射的角度圆锥。在一个实施例中，反射型偏振器190选择成在宽入射角范围内将不同的偏振光有效地分裂。聚合物多层光学膜特别适于在宽泛的入射角范围内分离光。可使用包括麦克尼尔偏振器和线栅偏振器在内的其他反射型偏振器，但是它们在分离偏振光方面效率较低。麦克尼尔偏振器在显著不同于设计角的入射角下不会有效地透射光，所述设计角通常关于偏振选择表面成45度，或垂直于PBS的入射面。利用麦克尼尔偏振器进行偏振光的有效分离可受距法线方向低于约6或7度的入射角的限制，因为在一些更大角度下可发生p偏振态的显著反射，并且在一些更大角度下也可发生s偏振态的显著透射。这两种影响均可降低麦克尼尔偏振器的分离有效性。利用线栅偏振器进行偏振光的有效分离通常需要邻近金属线一侧的空气间隙，并且当线栅偏振器浸入较高折射率介质中时效率下降。用于分离偏振光的线栅偏振器示于例如PCT公开WO 2008/1002541中。

在一个方面，图3b示出了构造成合色器的光学元件310，所述合色器包括设置在第一、第二和第三光源(320、330、340)中的每一个与PBS300之间的光隧道350。光隧道350可用于部分准直源自光源的光，并且减小光进入PBS的角度。第一、第二和第三光源320、330、340发射第一、第二和第三非偏振色光321、331、341，所述第一、第二和第三非偏振色光(分别地)通过光隧道350，穿过第一、第二和第三偏振旋转反射器360、370、380进入PBS300，穿过颜色选择多层延迟偏振器390，并且以沿第一方向偏振的第一、第二和第三色光322、332、342离开光学元件310。偏振旋转反射器360、370、380将在别处进行更全面的描述，但通常包括二向色滤光器和延迟片。延迟片和二向色滤光器相对邻近光源的位置取决于偏振分量中的每一个的所需路径，并且在别处参照附图进行描述。光隧道350为用于光学元件310的任选部件，并且从下述合色器的描述中省去。这些光隧道可具有直的或弯曲的侧面的，或者它们可被透镜系统代替。根据每种应用的具体详情，可以优选不同的方法，并且本领域的技术人员将会很容易为具体的应用选择最佳的方法。

在一些实施例中，颜色选择多层延迟偏振器390是可任选的，例如在不需要将色光中的一种或多种的偏振方向旋转的情况下。在一些实施例中，光学元件310可构造成将非偏振光源组合为组合非偏振光，并且不需要颜色选择多层延迟偏振器390。

在一个方面，反射型偏振器190可为诸如胆甾液晶偏振器之类的圆偏振器。根据该方面，偏振旋转反射器360、370、380包括二向色滤光器，而不具有任何相关的延迟片，并且省略颜色选择多层延迟偏振器390。在一个实施例中，第一、第二和第三非偏振色光321、331、341(分别地)通过光隧道350，穿过第一、第二和第三偏振旋转反射器360、370、380进入PBS300，并且以第一、第二和第三非偏振(左和右圆偏振)色光322、332、342离开合色器310。

在一个方面，图4a-4c为包括PBS100的合色器400的俯视示意图。合色器400可与在别处描述的多个光源一起使用。从第一、第二和第三部分反射光源470、480、490发射的每一束偏振光的光路示于图4a-4c中，以更清晰地示出合色器400的各个部件的功能。PBS100包括如在别处所述的相对于第一偏振方向195定向的反射型偏振器190。在一个方面，反射型偏振器190可包括聚合物多层光学膜。第一、第二和第三波长选择滤光器440、450、460设置为分别面向第二、第三和第四棱面140、150、160。第一、第二和第三波长选择滤光器440、450、460中的每一个可为二向色滤光器，所述二向色滤光器选择成透射第一、第二和第三波长谱的光，并且反射其他波长谱的光。

延迟片220面向第一、第二和第三波长选择滤光器440、450、460中的每一个设置。延迟片220、波长选择滤光器(440、450、460)和部分反射光源(470、480、490)相配合，以透射一种偏振方向的光，并再循环其他偏振态的光，如在别处所述。在一个实施例中，合色器400中的每个延迟片220均为相对于第一偏振方向195定向成45°角的1/4波长延迟片。

合色器400还包括设置成面向第一棱面130的滤光器430，滤光器430能改变至少一种选定波长谱的光的偏振方向而不改变至少另一种选定波长谱的光的偏振方向。在一个方面，滤光器430为颜色选择多层延迟偏振器，例如

滤光器(购自科罗拉多州博尔德市的

公司)。

部分反射光源(470、480、490)中的每一个具有至少部分反光的表面。每个光源安装在也可以为至少部分反光的基底上。反射光源和可任选的反射基底与合色器相配合，以使光再循环并提高效率。根据另一个方面，可设置光隧道或集光镜，以提供将光源和偏振光分束器分开的间距，如在别处所述。可在合色器的输出端处可设置积分器，以提高组合输出光的均匀度。根据一个方面，每个部分反射光源(470、480、490)均包括一个或多个发光二极管(LED)。可结合合适的集光器或反射器来使用各种光源，例如激光器、激光二极管、有机LED(OLED)和诸如超高压(UHP)卤素灯或氙灯之类的非固态光源。可用于本发明的光源、光隧道、透镜和光积分器进一步地描述于例如共同未决的美国专利申请序列号60/938,834中，该专利的公开内容以其全文并入到本文中。

现在将参照图4a来描述第一色光471的路径，其中非偏振的第一色光471以s偏振的第一色光479离开合色器400。第一光源470使非偏振的第一色光471引入穿过第一二向色滤光器440、延迟片220，穿过第二棱面140进入PBS100，与反射型偏振器190相交，并且分离成p偏振的第一色光472和s偏振的第一色光473。s偏振的第一色光473从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且无改变地穿过滤光器430，变为s偏振的第一色光479。

p偏振的第一色光472透射穿过反射型偏振器190，穿过第四棱面160离开PBS100，从第三二向色滤光器460反射，并且以p偏振的第一色光474穿过第四棱面160再次进入PBS100。p偏振的第一色光474穿过反射型偏振器190，穿过第二棱面140离开PBS100，并且当其穿过延迟片220时变为第一方向圆偏振的第一色光475。第一方向圆偏振的第一色光475穿过第一二向色滤光器440为圆偏振光476，圆偏振光476从部分反射第一光源470反射，改变圆偏振方向，并且以第二方向圆偏振的第一色光477穿过二向色滤光器440。第二方向圆偏振的第一色光477穿过延迟片220变为s偏振的第一色光478，s偏振的第一色光478穿过第二面140进入PBS100，从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且无改变地穿过滤光器430，变为s偏振的第一色光479。

现在将参照图4b来描述第二色光481的路径，其中非偏振的第二色光481以s偏振的第二色光487离开合色器400。第二部分反射光源480使非偏振的第二色光481引入穿过延迟片220和第二二向色滤光器450，穿过第三棱面150进入PBS100，与反射型偏振器190相交，并且分离成p偏振的第二色光482和s偏振的第一色光483。p偏振的第二色光482无改变地穿过反射型偏振器190，穿过第一棱面130离开PBS100，并且穿过滤光器430，从而改变偏振方向变为s偏振的第二色光487。

s偏振的第二色光483从反射型偏振器190反射，穿过第四棱面160离开PBS100，从第三二向色滤光器460反射，并且以s偏振的第二色光484穿过第四棱面160进入PBS100。s偏振的第二色光484从反射型偏振器190反射，穿过棱面150离开PBS100，穿过第二二向色滤光器450，并且当其穿过延迟片220时变为圆偏振的第二色光485。圆偏振的第二色光485从第二部分反射光源480反射，改变圆偏振方向，并且穿过延迟片220，从而变为p偏振的第二色光486。p偏振的第二色光486穿过第二二向色滤光器450，穿过第三棱面150进入PBS100，穿过反射型偏振器190，穿过第一棱面130离开PBS100，并且当其穿过滤光器430时变为s偏振的第二色光487。

现在将参照图4c来描述第三色光491的路径，其中非偏振的第三色光491以s偏振的第三色光499离开合色器400。第三部分反射光源490将非偏振的第三色光491引入穿过延迟片220和第三二向色滤光器460，穿过第四棱面160进入PBS100，与反射型偏振器190相交，并且分离成p偏振的第三色光492和s偏振的第三色光493。p偏振的第三色光492穿过反射型偏振器190，穿过第二棱面140离开PBS100，并且在其穿过延迟片220时变为圆偏振的第二色光495。圆偏振的第二色光495从第一二向色滤光器440反射，改变圆偏振的方向，并且在其穿过延迟片220时变为s偏振的第三色光498。s偏振的第三色光498穿过第二棱面140进入PBS100，从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且无改变地穿过滤光器430，变为s偏振的第三色光499。

s偏振的第三色光493从反射型偏振器190反射，穿过第三棱面150离开PBS100，从第二二向色滤光器450反射，并且以s偏振的第三色光494穿过第三棱面150进入PBS100。s偏振的第三色光494从反射型偏振器190反射，穿过第四棱面160离开PBS100，穿过第三二向色滤光器460，在其穿过延迟片220时变为圆偏振的第三色光495，从第三部分反射光源490反射，改变圆偏振的方向，并且在其穿过延迟片220时变为p偏振的第三色光496。p偏振的第三色光496穿过第三二向色滤光器460，穿过第四棱面160进入PBS100，穿过反射型偏振器190，并且穿过第二棱面140离开PBS100。p偏振的第三色光496在其穿过延迟片220时变为圆偏振的第三色光495，从第一二向色滤光器440反射，改变圆偏振的方向，并且在其穿过延迟片220时变为s偏振的第三色光497。s偏振的第三色光497穿过第二棱面140进入PBS100，从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且以s偏振的第二色光497无改变地穿过滤光器430。

在一个实施例中，第一色光470为蓝光，第二色光480为绿光，并且第三色光490为红光。根据该实施例，二向色滤光器440为反射红光且透射蓝光的二向色滤光器，二向色滤光器450为反射红光且透射绿光的二向色滤光器，而二向色滤光器460为反射绿和蓝光且透射红光的二向色滤光器。根据一个实施例，滤光器430为改变绿光的偏振方向，同时允许红光和蓝光不改变偏振态透射的GM

滤光器。根据另一个实施例，滤光器430为改变红光和蓝光的偏振方向，同时允许绿光不改变偏振态透射的MG

滤光器。

在一个方面，图7a-7c为根据本发明另一个方面的合色器的俯视示意图。在图7a-7c中，通过包括PBS100的展开式合色器700来描述第一至第三光线771、781、791的路径。展开式合色器700可为参照图4a-4c所述的光组合器400的一个实施例，并且可与在别处所述的多种光源一起使用。图7a-7c中显示了从位于平面730上的第一、第二和第三部分反射型光源770、780、790发射的每一束偏振光的光线路径，以更清晰地示出展开式合色器700的各个部件的功能。在一个实施例中，平面730可包括三个光源共用的热交换器。

展开式合色器700包括分别面向PBS100的第二棱面140和第四棱面160设置的第三棱镜710和第四棱镜720(如在别处所述)。第三棱镜710和第四棱镜720每一个为“转向棱镜”。从位于平面730上的第一和第三光源770、790发出的第一和第三光771、791被第三和第四棱镜710、720转向，以分别沿垂直于第二和第四棱面140、160的方向进入PBS100。

第三棱镜710包括第五和第六棱面712、714以及它们之间的对角棱面916。第五和第六棱面712、714为“转向棱面”。第五棱面712定位成接收来自第一光源770的第一光771，并将光引到第二棱面140。第四棱镜720包括第七和第八棱面722、724以及它们之间的对角棱面726。第七和第八棱面722、724也为“转向棱面”。第七棱面722定位成接收来自第三光源790的第三光791，并将光引到第四棱面160。

第五、第六、第七和第八棱面712、714、722、724以及对角棱面716、726可抛光，以保持全内反射，如在别处所述。第三和第四棱镜710、720的对角棱面716、726也可包括增强反射的金属涂层、电介质涂层、有机或无机干涉叠堆或组合。

第一、第二和第三波长选择滤光器440、450、460设置为分别面向第二、第三和第四棱面140、150、160。第一、第二和第三波长选择滤光器440、450、460中的每一个可为二向色滤光器，所述二向色滤光器选择成透射第一、第二和第三波长谱的光，并且反射其他波长谱的光。如图7a-7c中所示，第二和第三波长选择滤光器450、460设置为分别面向并且邻近第三和第四棱面150、160，而第一波长选择滤光器设置为面向但不邻近第二棱面140，如在别处所述。

延迟片220面向第一、第二和第三波长选择滤光器440、450、460中的每一个设置。延迟片220、波长选择滤光器(440、450、460)和部分反射光源(770、780、790)相配合，以透射一个偏振方向的光，并且再循环其他偏振态的光，如在别处所述。在一个实施例中，展开式合色器700中的每个延迟片220是相对于第一偏振方向195定向为45°角的1/4波长延迟片。

在图7a-7c中所示的一个实施例中，第一波长选择滤光器440和相关的延迟片220设置为分别面向第五和第六棱面712、714，并且还面向PBS100的第二棱面140。在一个实施例中，第三波长选择型滤光器460和相关的延迟片220设置为分别面向第八和第七棱面724、722，并且还面向PBS100的第四棱面160。在另一个实施例(未示出)中，以类似于第二波长选择滤光器450及相关延迟片220的定位方式，第一波长选择滤光器440和相关的延迟片220定位为彼此面对(如，彼此邻近)。在这种情况下，第一波长选择滤光器440和延迟器220可设置为邻近第五棱面712或邻近第二棱面140。原则上，展开式光组合器700可不管波长选择滤光器和相关延迟器之间的间距如何而运行，前提条件是每一个相对于光线路径的取向未改变，即各自基本垂直于光线路径。然而，根据对角棱面716和726的反射特性，可能存在由这些面的反射引入的或多或少的偏振混合。所述偏振混合可导致损失光效率，并且所述偏振混合可通过将波长选择滤光器440和460设置为更靠近棱面140和160而降至最低。

波长选择滤光器440、450、460中的每一个可以与相关的1/4波长延迟片220分开，如图7a-7c所示。此外，波长选择滤光器440、450、460中的每一个可与邻近的1/4波长延迟片220直接接触。或者，波长选择滤光器440、450、460中的每一个可用光学粘合剂粘附到邻近的1/4波长延迟片220上。光学粘合剂可以是可固化粘合剂。光学粘合剂还可以是压敏粘合剂。

展开式光组合器700可以是两色合色器。在此实施例中，波长选择滤光器440、450、460中的两个为选择成分别透射第一和第二色光并且反射其他色光的第一和第二二向色滤光器。第三反射器是反射镜。反射镜是指选择成基本上反射所有色光的镜面反射器。第一和第二色光在光谱范围内可具有最小的重叠；然而如果需要，也可存在大量的重叠。

在图7a-7c所示的一个实施例中，展开式光组合器700是三色合色器。在该实施例中，波长选择滤光器440、450、460为选择成分别透射第一、第二和第三色光并且反射其他色光的第一、第二和第三二向色滤光器。在一个方面，第一、第二和第三色光在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以存在有大量的重叠。使用该实施例展开式光组合器700的方法包括将具有第一色的第一光771朝向第一二向色滤光镜440导向、将具有第二色的第二光781朝向第二二向色滤光镜450导向、将具有第三色的第三光791朝向第三二向色滤光镜460导向并且从PBS100的第二面130接收组合光。第一、第二和第三光771、781、791中的每一束的路径将参照图7a-7c来进一步描述。

在一个实施例中，第一、第二和第三光771、781、791中的每一束可为非偏振光，而组合光为偏振的。在另一个实施例中，第一、第二和第三光771、781、791中的每一束可为红色、绿色和蓝色非偏振光，并且组合光可为偏振白光。第一、第二和第三光771、781、791中的每一束可包括如参照图4a-4c在别处所述的光。

在一个方面，展开式光组合器700可包括如图3b中所述的任选的光隧道350。光隧道350可用于部分准直源自光源的光，并且减小光进入PBS100的角度。光隧道350为用于展开式合色器700的任选部件，并且也可为用于本文所述的合色器和分束器中任一个的任选部件。光隧道可以具有直或弯曲侧面，或者其可以被透镜系统代替。根据每种应用的具体详情，可以优选不同的方法，并且本领域的技术人员将会很容易为具体的应用选择最佳的方法。

展开式合色器700还包括面向第一棱面130设置的滤光器430，滤光器430能改变至少一种选定波长谱的光的偏振方向，而不改变至少另一种选定波长谱的光的偏振方向。在一个方面，滤光器430为颜色选择多层延迟偏振器，例如

滤光器(购自科罗拉多州博尔德市的

公司)。

部分反射光源(770、780、790)中的每一个具有至少部分反光的表面。每个光源安装在也可以为至少部分反光的平面730上。反射光源和可任选的反射平面与展开式合色器相配合，以使光再循环并提高效率。根据另一个方面，可设置光隧道或集光镜，以提供将光源和偏振光分束器分开的间距，如在别处所述。可在合色器的输出端处设置积分器，以提高组合输出光的均匀度。根据一个方面，每个部分反射光源(770、780、790)包括一个或多个发光二极管(LED)。可以结合合适的集光器或反射器来使用各种光源，例如激光器、激光二极管、有机LED(OLED)和诸如超高压(UHP)卤素灯或氙灯的非固态光源。可用于本发明的光源、光隧道、透镜和光积分器进一步地描述于例如共同未决的美国专利申请序列号60/938,834中，该专利的公开内容以其全文并入到本文中。

现在将参照图7a来描述第一色光771的路径，其中非偏振的第一色光771以s偏振的第一色光779离开展开式合色器700。第一光源770将非偏振的第一色光771引入穿过第一二向色滤光器440，穿过第五棱面712进入第三棱镜710，从对角棱面716反射，并且穿过第六棱面714离开第三棱镜710。非偏振的第一色光771穿过延迟片220，穿过第二棱面140进入PBS100，与反射偏振器190相交，并且分离成p偏振的第一色光772和s偏振的第一色光773。s偏振的第一色光773从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且无改变地穿过滤光器430，变为s偏振的第一色光779。

p偏振的第一色光772透射穿过反射型偏振器190，穿过第四棱面160离开PBS100，从第三二向色滤光器460反射，并且以p偏振的第一色光774穿过第四棱面160再次进入PBS100。p偏振的第一色光774穿过反射型偏振器190，穿过第二棱面140离开PBS100，并且当其穿过延迟片220时变为第一方向圆偏振的第一色光775。第一方向圆偏振的第一色光775穿过第六棱面714进入第三棱镜710，从对角棱面716反射，变为第二方向圆偏振的第一色光，穿过第五棱面712离开第三棱镜710，无改变地穿过第一二向色滤光器440，从部分反射第一光源770反射变为第一方向圆偏振的第一色光，并且穿过二向色滤光器440。第一方向圆偏振的第一色光穿过第五棱面712进入第三棱镜710，从对角棱面716反射，将圆偏振的方向变成第二方向圆偏振的第一色光776，并且穿过第六棱面714离开第三棱镜710。第二方向圆偏振的第一色光776穿过延迟片220变为s偏振的第一色光777，s偏振的第一色光777穿过第二面140进入PBS100，从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且无改变地穿过滤光器430，变为s偏振的第一色光779。

现在将参照图7b来描述第二色光781的路径，其中非偏振的第二色光781以s偏振的第二色光787离开展开式合色器700。第二部分反射光源780将非偏振的第二色光781引入穿过延迟片220和第二二向色滤光器450，穿过第三棱面150进入PBS100，与反射型偏振器190相交，并且分离成p偏振的第二色光782和s偏振的第一色光783。p偏振的第二色光782无改变地穿过反射型偏振器190，穿过第一棱面130离开PBS100，并且穿过滤光器430，从而改变偏振方向，变为s偏振的第二色光787。

s偏振的第二色光783从反射型偏振器190反射，穿过第四棱面160离开PBS100，从第三二向色滤光器460反射，并且以s偏振的第二色光784穿过第四棱面160进入PBS100。s偏振的第二色光784从反射型偏振器190反射，穿过第三棱面150离开PBS100，穿过第二二向色滤光器450，并且在其穿过延迟片220时变为圆偏振的第二色光785。圆偏振的第二色光785从第二部分反射光源780反射，改变圆偏振的方向，并且穿过延迟片220，变为p偏振的第二色光786。p偏振的第二色光786穿过第二二向色滤光器450，穿过第三棱面150进入PBS100，穿过反射型偏振器190，穿过第一棱面130离开PBS100，并且在其穿过滤光器430时变为s偏振的第二色光787。

现在将参照图7c来描述第三色光791的路径，其中非偏振的第三色光791以s偏振的第三色光796离开展开式合色器700。第三部分反射光源790将非偏振的第三色光791引入穿过延迟片220，穿过第七棱面722进入第四棱镜720，从对角棱面726反射，并且穿过第八棱面724离开第四棱镜720。非偏振的第三色光791穿过第三二向色滤光器460，穿过第四棱面160进入PBS100，与反射型偏振器190相交，并且分离成p偏振的第三色光792和s偏振的第三色光793。p偏振的第三色光792穿过反射型偏振器190，穿过第二棱面140离开PBS100，并且当其穿过延迟片220时变为第一方向圆偏振的第二色光794。第一方向圆偏振的第二色光794穿过第六棱面714进入第三棱镜710，从对角棱面716反射，将圆偏振的方向变成第二方向圆偏振的第二色光，穿过第五棱面712离开第三棱镜710，从第一二向色滤光器440反射，再次将圆偏振的方向变成第一方向圆偏振的第二色光，穿过第五棱面712进入第三棱镜710，从对角棱面716反射，再次将圆偏振的方向变成第二方向圆偏振的第二色光775。第二方向圆偏振的第二色光775穿过第六棱面714离开第三棱镜710，并且在其穿过延迟片220时变为s偏振的第三色光796。s偏振的第三色光796穿过第二棱面140进入PBS100，从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且无改变地穿过滤光器430，变为s偏振的第三色光796。

s偏振的第三色光793从反射型偏振器190反射，穿过第三棱面150离开PBS 100，从第二二向色滤光器450反射，并且以s偏振的第三色光797穿过第三棱面150进入PBS100。s偏振的第三色光797从反射型偏振器190反射，穿过第四棱面160离开PBS100，穿过第三二向色滤光器460，穿过第八棱面724进入第四棱镜720，从对角棱面726反射，并且穿过第七棱面722离开第四棱镜720。s偏振的第三色光797在其穿过延迟片220时变为圆偏振的第三色光798，然后从第三部分反射光源790反射，改变圆偏振的方向，并且在其穿过延迟片220时变为p偏振的第三色光799。p偏振的第三色光799穿过第七棱面722进入第四棱镜720，从对角棱面726反射，穿过第八棱面724离开第四棱镜720，穿过第三二向色滤光器460，穿过第四棱面160进入PBS100，并且穿过反射型偏振器190。p偏振的第三色光799然后按照与上文所述的p偏振的第三色光792相同的路径穿过展开式合色器700，并且以s偏振的第三色光796离开展开式合色器700。

在一个实施例中，第一色光771为蓝光，第二色光781为绿光，并且第三色光791为红光。根据该实施例，二向色滤光器440为反射红光且透射蓝光的二向色滤光器，二向色滤光器450为反射红光且透射绿光的二向色滤光器，而二向色滤光器460为反射绿和蓝光且透射红光的二向色滤光器。根据一个实施例，滤光器430为改变绿光的偏振方向，同时允许红光和蓝光不改变偏振态透射的GM

滤光器。

在一个方面，图6a-6b为包括PBS100的光组合器600的俯视示意图。合色器600可与在别处描述的多种光源一起使用。在一个实施例中，图6a-6b示出了包括在第一部分反射光源670内的两种或多种颜色(如红色和蓝色)以及包括第三颜色(如绿色)的第二部分反射光源680，上述颜色在合色器600中混合。在该实施例中，合色器600消除了出现在其他实施例中的一些部件，因为其可不需要使用定位在光路径中的二向色滤光器。

从第一和第二光源670、680发射的每种偏振光的光线的路径示于图6a-6b中，以更清晰地示出合色器600的各个部件的功能。PBS100包括如在别处所述的相对于第一偏振方向195定向的反射型偏振器190。在一个方面，反射型偏振器190可包括聚合物多层光学膜。第一和第二延迟片220设置为分别面向第二和第三棱面140、150。反射镜660设置为面向第四棱面160。

延迟片220、反射镜660和部分反射光源(670、680)相配合，以透射一种偏振方向的光，并且再循环其他偏振态的光，如在别处所述。在一个实施例中，合色器600中的每个延迟片220为相对于第一偏振方向195以45°角定向的1/4波长延迟片。

合色器600还包括面向第一棱面130设置的滤光器630，滤光器630能改变至少一种选定波长谱的光的偏振方向，而不改变至少另一种选定波长谱的光的偏振方向。在一个方面，滤光器630为颜色选择多层延迟偏振器，例如

滤光器(购自科罗拉多州博尔德市的

公司)。

部分反射光源(670、680)中的每一个具有至少部分反光的表面。每个光源安装在也可以为至少部分反光的基底上。反射光源和可任选的反射基底与合色器相配合，以使光再循环并提高效率。根据又一个方面，可提供光隧道或透镜，以提供将光源和偏振光分束器分开的间距，如在别处所述。在合色器的输出端处可设置积分器，以提高组合输出光的均匀度。根据一个方面，每个部分反射光源(670，680)包括一个或多个发光二极管(LED)。可以结合合适的集光器或反射器来使用各种光源，例如激光器、激光二极管、有机LED(OLED)和诸如超高压(UHP)卤素灯或氙灯的非固态光源。可用于本发明中的光源、光隧道和光积分器进一步地描述于例如共同未决的美国专利申请序列号60/938,834中，该专利的公开内容以其全文并入到本文中。

现在将参照图6a描述来自第一部分反射光源670的光的路径，其中非偏振的第一光671以s偏振的第一光677离开合色器600。应当理解，第一部分反射光源670可包括第一色光和第二色光，并且这些色光中的每一束穿过合色器600的路径相同。第一部分反射光源670将第一光671引入穿过延迟片220，穿过第二棱面140进入PBS100，并且与反射型偏振器190相交，第一光在此处分离成p偏振的第一光672和s偏振的第一光673。s偏振的第一光673从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且以s偏振的第一光677无改变地穿过滤光器630。

p偏振的第一光672穿过反射型偏振器190，穿过第四棱面160离开PBS100，从反射镜660无改变地反射，并且以p偏振的第一光674穿过第四棱面160进入PBS100。p偏振的第一光674穿过反射型偏振器190，穿过第二棱面140离开PBS100，在其穿过延迟片220时变为圆偏振的第一光675，从部分反射第一光源670反射，改变圆偏振的方向，并且在其穿过延迟片220时变为s偏振的第一光676。s偏振的第一光676穿过第二棱面进入PBS100，从反射型偏振器190反射，穿过第一棱面130离开PBS100，并且以s偏振的第一光677无改变地穿过滤光器630。

现在将参照图6b描述来自第二部分反射光源680的光路，其中非偏振的第二光681以s偏振的第二光687离开合色器600。第二部分反射光源680将第二光681引入穿过延迟片220，穿过第三棱面150进入PBS100，并且与反射型偏振器190相交，第二光在此处分离成p偏振的第二光682和s偏振的第二光683。p偏振的第二光682穿过反射型偏振器190，穿过第一棱面130离开PBS100，并且在穿过滤光器630时变为s偏振的第二光687。

s偏振的第二光683从反射型偏振器190反射，穿过第四棱面160离开PBS100，从反射镜660无改变地反射，并且以s偏振的第二光684穿过第四棱面160进入PBS100。s偏振的第二光684从反射型偏振器190反射，穿过第三棱面150离开PBS100，在其穿过延迟片220时变为圆偏振的第二光685，从第二部分反射光源680反射，改变圆偏振的方向，并且在其穿过延迟片220时变为p偏振的第二光686。p偏振的第二光686穿过第三棱面150进入PBS100，穿过反射型偏振器190，穿过第一棱面130离开PBS100，并且在其穿过滤光器630时变为s偏振的第二光677。

在一个实施例中，第一光671包括位于同一组件内的蓝色光和红色光，所述同一组件为例如购自Osram Opto Semiconductors公司的商品名为

SMP系列LED的那些半导体。在该实施例中，第二色光681为绿色光。根据一个实施例，滤光器630为改变绿光的偏振方向，同时允许红光和蓝光不改变偏振态透射的GM

滤光器。根据另一个实施例，滤光器630为改变红光和蓝光的偏振方向，同时允许绿光不改变偏振态透射的MG

滤光器。

三色光组合系统中的光源可按顺序通电，如在共同未决的美国专利申请序列号60/638834中所述。根据一个方面，时序与接收来自三色光组合系统的组合输出光的投影系统中的透射型或反射型成像装置同步。根据一个方面，以足够快的速率来重复所述时序，从而避免投影图像出现闪烁，并且避免在投影视频图像中出现诸如色断之类的运动伪影。

图5示出了包括三色光组合系统502的投影仪500。三色光组合系统502在输出区504处提供组合输出光。在一个实施例中，输出区504处的组合输出光为偏振的。输出区504处的组合输出光穿过光引擎光学器件506直至投影仪光学器件508。

光引擎光学器件506包括透镜522、524和反射器526。投影仪光学器件508包括透镜528、分束器530和投影透镜532。投影透镜532中的一个或多个可相对分束器530移动，以提供投影图像512的对焦调整。反射型成像装置510调节投影仪光学器件中的光的偏振态，从而调节穿过PBS并且进入投影透镜内的光的强度，以产生投影图像512。控制电路514连接到反射型成像装置510以及光源516、518和520，以使反射型成像装置510的操作与光源516、518和520的顺序同步。在一个方面，将输出区504处的组合光的第一部分导向穿过投影仪光学器件508，并且使组合输出光的第二部分穿过输出区504再循环返回到合色器502中。组合光的第二部分可通过从例如透镜、反射型偏振器、反射LCD等反射再循环返回到合色器中。图5中所示的装置为示例性的，并且所公开的光组合系统也可与其他投影系统一起使用。根据一个可供选择的方面，可使用透射型成像装置。

根据一个方面，如上文所述的色光组合系统生成三色(白色)输出。所述系统具有高效率的原因在于，具有反射型偏振膜的偏振光分束器的偏振性质(对s偏振光的反射和对p偏振光的透射)对于大范围的光源入射角的敏感性低。可使用额外的准直部件来提高得合色器中光源发出的光的准直性。如果不具有某种程度的准直，则将会存在与作为入射角(AOI)的函数的二向色反射率变量相关的显著光损失、TIR损失或增大的抑制TIR的倏逝波耦合和/或下降的偏振识别度以及PBS功能。在本公开中，偏振光分束器用作光管，以使光由于全内反射而得到控制，并且只穿过所需表面射出。

尽管已经结合优选的实施例描述了本发明，但是本领域中的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节的修改。

Claims

1.一种光学元件，包括：

第一颜色选择二向色滤光器；

第二颜色选择二向色滤光器；以及

反射型偏振器，

其中分别垂直穿过所述第一颜色选择二向色滤光器和所述第二颜色选择二向色滤光器的第一和第二直线以大约45度与所述反射型偏振器相交。

2.根据权利要求1所述的光学元件，还包括反射器，其中所述反射器的法线以大约45度与所述反射型偏振器相交。

3.根据权利要求1所述的光学元件，还包括第三颜色选择二向色滤光器，其中垂直穿过所述第三颜色选择二向色滤光器的第三直线以大约45度与所述反射型偏振器相交。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述反射型偏振器为胆甾反射型偏振器。

5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述反射型偏振器为麦克尼尔反射型偏振器。

6.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述反射型偏振器为定向成第一偏振方向的笛卡尔反射型偏振器，并且还包括第一和第二延迟片，所述第一和第二延迟片设置成使所述第一和第二直线在与所述反射型偏振器相交之前分别垂直穿过所述第一和第二延迟片。

7.根据权利要求3所述的光学元件，其中所述反射型偏振器为定向成第一偏振方向的笛卡尔反射型偏振器，并且还包括第一、第二和第三延迟片，所述第一、第二和第三延迟片设置成使所述第一、第二和第三直线在与所述反射型偏振器相交之前分别垂直穿过所述第一、第二和第三延迟片。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的光学元件，其中所述笛卡尔反射型偏振器为线栅偏振器。

9.根据权利要求6或权利要求7所述的光学元件，其中所述笛卡尔反射型偏振器为聚合物多层光学膜。

10.根据权利要求6或权利要求7所述的光学元件，其中每个延迟片为1/4波长延迟片。

11.根据权利要求6或权利要求7所述的光学元件，其中每个延迟片定向成与所述第一偏振方向成大约45度。

12.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述反射型偏振器设置在第一和第二棱镜之间，以使所述第一和第二颜色选择二向色滤光器中的每一个设置为邻近于棱面。

13.一种合色器，包括：

根据权利要求2所述的光学元件；以及

第一和第二光源，构造成分别向所述第一和第二颜色选择二向色滤光器中的每一个发射光；以及

输出区，设置成透射组合色光输出。

14.根据权利要求13所述的合色器，其中所述第一和第二光源分别包括第一和第二色LED。

15.根据权利要求14所述的合色器，其中所述第一和第二色LED每一个包括反射表面。

16.根据权利要求13所述的合色器，其中所述组合色光输出为偏振的。

17.一种合色器，包括：

根据权利要求3所述的光学元件，以及

第一、第二和第三光源，构造成分别向所述第一、第二和

第三颜色选择二向色滤光器中的每一个发射光；以及输出区，设置成透射组合色光输出。

18.根据权利要求17所述的合色器，其中所述第一、第二和第三光源分别包括第一、第二和第三色LED。

19.根据权利要求18所述的合色器，其中所述第一、第二和第三色LED每一个包括反射表面。

20.根据权利要求17所述的合色器，其中所述组合色光输出为偏振的。

21.一种图像投影仪，包括：

根据权利要求13或权利要求17所述的合色器；

成像器，设置成将所述组合色光输出的第一部分导向至投影元件。

22.根据权利要求21所述的图像投影仪，其中所述组合色光输出的第二部分穿过所述输出区再循环到所述合色器。

23.根据权利要求21所述的图像投影仪，其中所述成像器包括LCOS成像器。

24.根据权利要求21所述的图像投影仪，其中所述成像器包括微镜阵列。

25.根据权利要求21所述的图像投影仪，其中所述成像器包括透射型LCD成像器。

26.一种合色器，包括：

偏振光分束器，包括：

第一和第二棱镜；

第一、第二、第三和第四棱面；

反射型偏振器，设置在所述第一和第二棱镜之间，以使所述第一棱面与所述第三棱面相对；

颜色选择偏振旋转滤光器，设置为面向所述第一棱面，所述滤光器能够改变至少一种选定色光的偏振方向，而不改变至少另一种选定色光的偏振方向；

第一、第二和第三二向色滤光器，设置为分别面向所述第二、第三和第四棱面；以及

第一、第二和第三延迟片，设置为面向所述第二、第三和第四棱面中的每一个，

其中所述第一延迟片位于所述第一二向色滤光器和所述第二棱面之间，并且所述第二和第三二向色滤光器中的每一个位于所述第二和第三延迟片与相应的棱面之间。

27.根据权利要求26所述的合色器，其中所述反射型偏振器定向成第一偏振方向。

28.根据权利要求26所述的合色器，其中所述第一、第二和第三延迟片为定向成与第一偏振方向成大约45度的1/4波长延迟片。

29.根据权利要求27所述的合色器，其中所述反射型偏振器为笛卡尔反射型偏振器。

30.根据权利要求29所述的合色器，其中所述笛卡尔反射型偏振器为聚合物多层光学膜。

31.根据权利要求26所述的合色器，其中所述颜色选择偏振旋转滤光器包括颜色选择叠层延迟偏振滤光器。

32.根据权利要求26所述的合色器，其中所述偏振光分束器还包括端面，并且其中所述棱面和端面为抛光的。

33.根据权利要求32所述的合色器，还包括与所述抛光面中的每一个接触的光传输材料，所述第一和第二棱镜中的每一个的折射率大于所述光传输材料的折射率，从而在所述第一和第二棱镜内能够发生全内反射。

34.根据权利要求33所述的合色器，其中与抛光面中的至少一个接触的所述光传输材料为空气。

35.根据权利要求33所述的合色器，其中与抛光面中的至少一个接触的所述光传输材料为光学粘合剂。

36.根据权利要求26所述的合色器，还包括：

具有发射表面的第一非偏振光源，所述发射表面至少部分反光，并且能将光向所述第二、第三或第四棱面发射，

其中反光的发射表面、相应的延迟片和二向色滤光器相配合，以再循环来自所述第一非偏振光源的光。

37.根据权利要求36所述的合色器，其中所述非偏振光源为包括第一色光的LED。

38.根据权利要求36所述的合色器，还包括设置在所述第一非偏振光源和所述相应的延迟片之间的光管。

39.一种组合光的方法，包括：

提供根据要求26所述的合色器；

将第一、第二和第三色的非偏振光分别朝向所述第一、第二和第三棱面导向；以及

接收来自所述颜色选择偏振旋转滤光器的组合偏振光。

40.根据权利要求39所述的方法，其中所导向的光和所接收的光包括从发散到会聚范围的光线。

41.根据权利要求39所述的方法，其中所述第一、第二、第三色分别为蓝色、绿色和红色，并且所述组合光为白光。

42.根据权利要求39所述的方法，其中所述第一和第二二向色滤光器选择成反射红光，而所述第三二向色滤光器选择成反射绿光。

43.根据权利要求39所述的方法，其中所述滤光器选择成透射蓝光和红光而不改变偏振态，且透射绿光同时改变偏振态。

44.一种合色器，包括：

第一二向色滤光器；

第二二向色滤光器，设置为大致垂直于所述第一二向色滤光器；

第三二向色滤光器，设置为面向所述第一二向色滤光器，并且大致垂直于所述第二二向色滤光器；

颜色选择偏振旋转滤光器，设置为面向所述第二二向色滤光器，并且大致垂直于所述第一二向色滤光器以及所述第三二向色滤光器；

反射型偏振器，设置在所述第一和第三二向色滤光器之间，以使所述第一、第二和第三二向色滤光器中的每一个的法线以大约45度与所述反射型偏振器相交；以及

第一、第二和第三延迟片，设置为分别邻近于所述第一、第二和第三二向色滤光器中的每一个。

45.根据权利要求44所述的合色器，其中所述反射型偏振器定向成第一偏振方向。

46.根据权利要求44所述的合色器，其中所述第一、第二和第三延迟片为相对于第一偏振方向以大约45度定向的1/4波长延迟片。

47.根据权利要求45所述的合色器，其中所述反射型偏振器为笛卡尔反射型偏振器。

48.根据权利要求47所述的合色器，其中所述笛卡尔反射型偏振器为聚合物多层光学膜。

49.根据权利要求44所述的合色器，其中所述颜色选择偏振旋转滤光器包括颜色选择叠层延迟偏振滤光器。

50.根据权利要求44所述的合色器，其中所述第一延迟片设置在所述第一二向色滤光器和所述反射型偏振器之间，所述第二二向色滤光器设置在所述第二延迟片和所述反射型偏振器之间，所述第三二向色滤光器设置在所述第三延迟片和所述反射型偏振器之间。

51.根据权利要求44所述的合色器，还包括：

具有发射表面的第一非偏振光源，所述发射表面至少部分反光，并且能将光向所述第一、第二或第三二向色滤光器发射，

52.根据权利要求51所述的合色器，其中所述非偏振光源为包括第一色光的LED。

53.根据权利要求51所述的合色器，还包括设置在所述第一非偏振光源和所述相应的延迟片之间的光管。

54.一种组合光的方法，包括：

提供根据要求44所述的合色器；

将第一、第二和第三色的非偏振光分别朝向所述第一、第二和第三二向色滤光器导向；以及

接收来自所述颜色选择偏振旋转滤光器的组合偏振光。

55.根据权利要求54所述的方法，其中所导向的光和所接收的光包括从发散到会聚范围的光线。

56.根据权利要求54所述的方法，其中所述第一、第二、第三色分别为蓝色、绿色和红色，且所述组合光为白光。

57.根据权利要求54所述的方法，其中所述第一和第二二向色滤光器选择成反射红光，而所述第三二向色滤光器选择成反射绿光。

58.根据权利要求54所述的方法，其中所述颜色选择偏振旋转滤光器选择成透射蓝光和红光而不改变偏振态，并且透射绿光同时改变偏振态。

59.一种合色器，包括：

第一二向色滤光器；

第二二向色滤光器，设置为平行于并且面向所述第一二向色滤光器；

第三二向色滤光器，设置为垂直于所述第一二向色滤光器和所述第二二向色滤光器；

颜色选择偏振旋转滤光器，设置为面向所述第三二向色滤光器，并且垂直于所述第一二向色滤光器以及所述第二二向色滤光器；以及

反射型偏振器，设置在所述第一和第二二向色滤光器之间，以使所述第一、第二和第三二向色滤光器中的每一个的法线以大约45度与所述反射型偏振器相交。

60.根据权利要求59所述的合色器，其中所述反射型偏振器设置在第一和第二棱镜之间，以使所述第一、第二和第三二向色滤光器中的每一个大致平行于至少一个棱面。

61.根据权利要求59所述的合色器，还包括：

第一延迟片，设置在所述第一二向色滤光器和所述反射型偏振器之间；

第二延迟片，设置成使所述第二二向色滤光器位于所述第二延迟片和所述反射型偏振器之间；以及

第三延迟片，设置成使所述第三二向色滤光器位于所述第三延迟片和所述反射型偏振器之间，

其中所述反射型偏振器包括以第一偏振方向定向的笛卡尔反射型偏振器。

62.根据权利要求61所述的合色器，其中所述第一、第二和第三延迟片中的至少一个包括相对于所述第一偏振方向以大约45度定向的1/4波长延迟片。

63.根据权利要求59所述的合色器，其中所述第一、第二和第三二向色滤光器选择成分别透射蓝光、绿光和红光。

64.一种合色器，包括：

反射型偏振器，具有第一面和第二面；

第一二向色滤光器，面向所述反射型偏振器的第一面；

第二二向色滤光器，面向所述反射型偏振器的第二面；

反射器，设置为大致垂直于所述第一二向色滤光器，所述反射器面向所述反射型偏振器的第一面；以及

颜色选择偏振旋转滤光器，设置为大致垂直于所述第二二向色滤光器，所述滤光器面向所述反射型偏振器的第二面，

其中所述反射器、颜色选择偏振旋转滤光器、第一二向色滤光器和第二二向色滤光器中的每一个的法线以大约45度与所述反射型偏振器相交。

65.根据权利要求64所述的合色器，其中所述反射器包括第三二向色滤光器。

66.根据权利要求64所述的合色器，其中所述反射型偏振器设置在第一和第二棱镜之间，以使所述二向色滤光器中的每一个大致平行于至少一个棱面。

67.根据权利要求64所述的合色器，还包括：

第一和第二延迟片，分别设置在所述反射型偏振器与所述第一和第二二向色滤光器之间，并且

68.根据权利要求67所述的合色器，其中所述第一和第二延迟片中的至少一个包括与所述第一偏振方向成大约45度定向的1/4波长延迟片。

69.根据权利要求65所述的合色器，还包括：

第一、第二和第三延迟片，分别设置在所述反射型偏振器与所述第一、第二和第三二向色滤光器之间，并且

70.根据权利要求69所述的合色器，其中所述第一、第二和第三延迟片中的至少一个包括与所述第一偏振方向成大约45度定向的1/4波长延迟片。

71.根据权利要求26所述的合色器，还包括至少一个具有对角面和转向棱面的转向棱镜，其中所述转向棱面设置为面向所述第一、第二或第三延迟片中的一个。