CN103890639A - 倾斜的二向色偏振分束器 - Google Patents

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A·J·乌德柯克
P·E·沃森
程晓辉
K·L·谭
S·J·威利特
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Abstract

本发明整体涉及可用于合色器的分束器，并且具体地涉及可用于诸如口袋投影仪等小尺寸形式的投影仪的合色器。本发明所公开的分束器和合色器包括倾斜的二向色反射偏振器板，其具有至少两个相对于入射光束以不同角度倾斜的二向色反射偏振器，用光收集光学器件组合至少两种颜色的光。

Description

倾斜的二向色偏振分束器
相关的申请
本专利申请涉及以引用方式并入的以下美国专利申请：名称为“Tilted Dichroic Color Combiner I”(倾斜的二向色合色器I)(代理人案卷号66530US002)的美国专利申请序列号61/385237；名称为“TiltedDichroic Combiner II”(倾斜的二向色合色器II)(代理人案卷号66791US002)的美国专利申请序列号61/385241；以及名称为“TiltedDichroic Combiner III”(倾斜的二向色合色器III)(代理人案卷号66792US002)的美国专利申请序列号61/385248；所有这些专利申请均提交于2010年9月22日；并且还涉及与本文同日提交的名称为TILTEDDICHROIC POLARIZED COLOR COMBINER(倾斜的二向色偏振合色器)(代理人案卷号67924US002)的美国专利申请。。
背景技术
用于将图像投影到屏幕上的投影系统可使用多色光源，例如发光二极管(LED)，其具有不同颜色以生成照明光。若干光学元件设置在LED与图像显示单元之间，用于从LED向图像显示单元对光进行组合和传送。图像显示单元可以使用多种方法来将图像赋予光。例如，如同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。
用于将图像投影在屏幕上的其它投影系统可以使用被构造用于从数字微反射镜(DMM)阵列中进行影像反射的白光，该数字微反射镜阵列例如为用于德州仪器(Texas Instruments)的数字光处理器
Figure BDA0000495176690000011
显示器中的阵列。在
Figure BDA0000495176690000012
显示器中，数字微反射镜阵列内的各个反射镜表示投影图像的各个像素。当对应的反射镜倾斜以使得入射光导入投影的光路时，显示像素被照亮。安置在光路内部的旋转色轮被定时，以对来自数字微反射镜阵列的光进行反射，使得反射的白光得以过滤，从而投影对应于像素的颜色。然后，数字微反射镜阵列切换到下一个所需的像素颜色，并且这个过程会继续非常迅速地进行，从而使得整个投影的显示内容看起来被持续照亮。数字微反射镜投影系统需要的像素化阵列部件较少，这可形成尺寸较小的投影仪。
图像亮度是投影系统的重要参数。颜色光源的亮度以及收光收集、组合光、匀化光并且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，在将颜色光源产生的热保持在小型投影仪系统中可以消散的低水平的同时，需要保持足够的输出亮度水平。需要一种以提高的效率组合多种颜色光的光组合系统，以提供亮度水平足够的光输出，同时不会使光源的功耗过大。
此类电子投影仪通常包括用于对光束进行光学匀化以提高投影于屏幕上的光的亮度和颜色均匀度的装置。两种常见的装置为积分隧道和蝇眼阵列(FEA)匀化器。蝇眼匀化器可以非常紧凑，并且为此成为常用装置。积分隧道在匀化方面的效率可能更高，但中空隧道需要的长度通常为高度或宽度(取较大者)的5倍。实心隧道通常由于折射效应而比中空隧道长。
微型投影仪和口袋式投影仪中可用于有效合色器、光学积分器和/或匀化器的空间有限。因此，来自这些投影仪(诸如合色器和偏振转换器)中使用的光学装置的有效且均匀的光输出可能需要紧凑且有效的光学设计。
发明内容
本发明整体涉及可用于合色器的分束器，并且具体地涉及可用于诸如口袋投影仪等小型投影仪的合色器。本发明所公开的分束器和合色器包括倾斜的二向色反射偏振器板，其具有至少两个相对于入射光束以不同角度倾斜的二向色反射偏振器，用光收集光学器件组合至少两种颜色的光。在一个方面，本发明提供了一种合色器，该合色器包括具有光输入表面和光轴的光收集光学器件；以及第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源设置为将第一颜色光和第二颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源和第二光源中的至少一者从所述光轴移位。合色器还包括二向色反射偏振器板，其具有第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第一颜色光，并透射其他光；以及第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第二颜色光，并透射其他光。第一二向色反射偏振器和第二二向色反射偏振器各自倾斜，使得第一和第二颜色光从偏振旋转反射器反射，形成具有正交的第二偏振方向的合色偏振光束，所述合色偏振光束沿着垂直于偏振旋转反射器的方向传播。在另一个方面，本发明提供了包括合色器和投影光学器件的图像投影仪。
在另一个方面，本发明提供了一种合色器，所述合色器包括具有光输入表面和光轴的光收集光学器件；第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源设置为将第一颜色光和第二颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源和第二光源中的至少一者从所述光轴移位；以及二向色反射偏振器板。二向色反射偏振器板包括第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝第一偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第一颜色光，并朝第二偏振旋转反射器透射其他光；以及第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝第一偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第二颜色光，并朝第二偏振旋转反射器透射其他光。第一二向色反射偏振器和第二二向色反射偏振器各自倾斜，使得：第一和第二颜色光从第一偏振旋转反射器反射，形成具有正交的第二偏振方向的第一合色光束；并且第一和第二颜色光从第二偏振旋转反射器反射，形成具有第一偏振方向的第二合色光束，且第一和第二合色光束沿着垂直于第一偏振旋转反射器的方向传播。在另一个方面，本发明提供了包括合色器和投影光学器件的图像投影仪。
在另一个方面，本发明提供了一种合色器，所述合色器包括具有光输入表面和光轴的光收集光学器件；第一、第二和第三光源，所述第一、第二和第三光源设置为将第一、第二和第三颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一、第二和第三光源中的至少一者从所述光轴移位；以及二向色反射偏振器板。二向色反射偏振器板包括第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第一颜色光，并透射其他光；第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第二颜色光，并透射其他光；以及第三二向色反射偏振器，所述第三二向色反射偏振器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第三颜色光，并透射其他光。合色器还包括半波长延迟片，其被设置为将其他透射光的正交的第二偏振方向转换成第一偏振方向；以及二向色反射板，其被设置为向输出方向反射第一偏振方向的其他透射光。二向色反射板包括第一二向色反射器，所述第一二向色反射器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第一颜色光；第二二向色反射器，所述第二二向色反射器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第二颜色光；以及第三二向色反射器，所述第三二向色反射器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第三颜色光。第一、第二和第三二向色反射偏振器以及第一、第二和第三二向色反射器各自倾斜，使得第一、第二和第三颜色光形成具有第一偏振方向的合色光束。在另一个方面，本发明提供了图像投影仪，所述图像投影仪包括合色器、空间光调制器和投影光学器件。
上述发明内容并非意图描述本发明的每个所公开实施例或每种实施方案。以下附图和具体实施方式更具体地举例说明了示例性实施例。
附图说明
整个说明书参考附图，在附图中，类似的附图标号表示类似的元件，并且其中：
图1A-1C示出了倾斜的二向色偏振合色器的横截面示意图；
图2示出了倾斜的二向色偏振合色器的横截面示意图；并且
图3示出了倾斜的二向色偏振合色器的横截面示意图。
附图未必按比例绘制。附图中使用的类似标号是指类似的部件。然而，应当理解，使用标号来指代给定附图中的部件并非意图限制在另一附图中以相同标号标记的部件。
具体实施方式
本发明整体涉及图像投影仪，具体地讲，涉及通过使用二向色反射偏振器板来组合光从而改进光的均匀度的图像投影仪。在一个具体的实施例中，二向色反射偏振器板包括多个层合在一起的二向色反射偏振器，其中二向色反射偏振器中的每一个可以与二向色反射偏振器板的垂直方向成一定角度倾斜，并且组合光为偏振光。
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，并且组合输出光为偏振的。在一些实施例中，组合光具有与每个所接收的光相同的光收集率。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者对应于不同颜色光(如，红光、绿光和蓝光)，并且组合输出光为白光或按时间排序的红光、绿光和蓝光。为了在本文进行说明，“颜色光”和“波长谱光”均是指具有与人眼可见的特定颜色相关的波长谱范围的光。更普遍的术语“波长谱光”是指可见光和包括例如红外光等的其他波长谱光。
同样为了本文说明的目的，术语“与所需偏振态对准”旨在涉及光学元件的透光轴与穿过光学元件的光的所需偏振态(即，诸如s偏振、p偏振、右圆偏振、左圆偏振等之类的所需偏振态)对准。在本文参照附图所述的一个实施例中，与第一偏振态对准的光学元件(例如偏振器)是指下述取向的偏振器，即通过p偏振态的光、并且反射或吸收第二偏振态(在这种情况下为s偏振态)的光。应当理解，如果需要，偏振器可相反对准成通过s偏振态的光、并且反射或吸收p偏振态的光。
同样为了本发明说明的目的，术语“面向”是指设置一个元件使得元件表面的垂直线沿着同样垂直于其他元件的光路。面向另一个元件的一个元件可包括彼此相邻设置的元件。面向另一个元件的一个元件还包括这些元件，其被光学分离以便垂直于一个元件的光线同样垂直于另一个元件。
在一个具体实施例中，描述了一种合色器，所述合色器包括至少两个发光二极管(LED)，各LED具有不同的颜色。从两个LED发出的光被准直成基本上重叠的光束，并且来自两个LED的光被组合并被转换成单偏振态。组合的单偏振态光具有比两个LED发出的光更低的光收集率和更高的亮度。
LED可以用来对投影仪进行照明。由于LED在接近朗伯角分布的区域内发出光，因此，投影仪的亮度会受到光源和投影系统的光收集率限制。用于降低LED光源的光收集率的一种方法是使用二向色反射器来使LED的两个或更多个颜色在空间重叠，从而使这些颜色看起来是从相同区域发出的。在一个具体的实施例中，本发明描述了用二向色反射偏振器组合不同颜色LED的制品，所述二向色反射偏振器反射一个偏振方向的一种波长谱的光，并透射其他偏振方向，而且还透射两个偏振方向的其他波长谱的光。
在一个方面，本发明提供一种有效组合从不同颜色光源的输出的简明方法。这可尤其用于为光收集率有限的紧凑型投影系统形成照明器。例如，红色、绿色和蓝色LED的线性阵列入射在包括二向色反射偏振器板组件的偏振转换器上，其中每个LED的输出被一组初级光学器件部分地准直。二向色反射偏振器板组件包含以不同角度反射红光、绿光和蓝光的倾斜二向色反射偏振器。然后，所反射的光作为偏振准直的合色光束而输出。
如本领域的技术人员理解，3个LED的配置可以扩展至其他颜色，包括黄光和红外光。这些LED能够以各种图案来布置，包括线性阵列以及三角形阵列。光源可以包括组合了LED的激光器，而且还可以基于所有的激光系统。LED可以包括至少在红光、绿光和蓝光的短波长范围上发出原色的一套设备，以及至少在红光、绿光和蓝光的长波长范围上发出原色的第二套设备。
基于LCoS的便携式投影系统因可利用低成本和高分辨率的LCoS面板而变得普遍。LED照明式LCoS投影仪中的元件列表可以包括LED光源、任选的合色器、任选的预偏振系统、光中继器件、PBS、LCoS面板以及投影透镜单元。对于基于LCoS的投影系统，投影仪的效率和对比度与进入PBS的光的偏振程度直接相关。至少出于这一原因，常常需要利用反射/循环光学器件或偏振转换光学元件的预偏振系统。
采用偏振分束器和半波长延迟片的偏振转换方案是将偏振光提供到PBS内的最有效方式之一。偏振转换光的一个挑战在于，它可能存在空间不均匀度，由此导致所显示的图像中出现伪影。因此，在使用偏振转换器的系统中，可能需要匀化系统，如其他地方所述。
在一些情况下，光学投影仪使用发光二极管(LED)或放电光源等非偏振光源、偏振选择元件、第一偏振空间调制器，以及第二偏振选择元件。由于第一偏振选择元件会阻隔50％从非偏振光源发出的光，因此，偏振选择型投影仪的效率通常可能比非偏振装置低。在某些情况下，可以通过回收舍弃的偏振方向，例如通过使用反射偏振器和四分之一波片，或通过将舍弃的偏振方向转换成所需的偏振方向来提高此类装置的效率，如其他地方所述。
一种提高偏振选择型投影仪的效率的技术是在光源和第一偏振选择元件之间添加偏振转换器。一般来讲，有两种方式用来设计本领域中所用的偏振转换器。第一种方式为使光源发出的光部分地准直、使部分准直的光束穿过透镜阵列，以及将偏振转换器阵列定位在各个焦点处。偏振转换器通常具有偏振分束器，偏振分束器具有偏振选择型倾斜膜(例如，麦克尼尔偏振器、线栅偏振器或双折射光学膜偏振器)，其中反射的偏振被倾斜反射器反射，使得反射光束平行于偏振选择型倾斜膜所透射的光束传播。使偏振光的一个或另一个光束穿过半波长延迟片，使得这两个光束具有相同的偏振态。
另一种将非偏振光束转换为具有单个偏振态的光束的技术是使整个光束穿过倾斜的偏振选择器，而且分开的光束由反射器和半波长延迟片进行调节，从而发出单个偏振态。用偏振转换器直接对偏振选择型空间光调制器进行照明可导致照明度和颜色不均匀。
图1A-1C示出了根据本发明的一个方面的倾斜二向色偏振合色器100的横截面示意图。在图1A-1C中，倾斜二向色偏振合色器100包括光收集光学器件105和倾斜二向色偏振分束器组件106。光收集光学器件105包括第一透镜元件110和第二透镜元件120、光输入表面114和垂直于光输入表面114的光轴102。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160各自设置在面向光输入表面114的光注入表面104上。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的至少两者从光轴102移位，并且第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的一者可被设置在光轴上。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的每个光源经过设置，以分别将第一颜色光141、第二颜色光151和任选的第三颜色光161注入到光输入表面114中，如其他地方所述。
在一个具体实施例中，光收集光学器件105可以是光准直仪，用来对从第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160发出的光进行准直。光收集光学器件105可以包括单透镜光准直仪(未示出)、双透镜光准直仪(示出)、衍射光学元件(未示出)，或其组合。双透镜光准直仪具有第一透镜元件110，所述第一透镜元件包括设置成与光输入表面114相对的第一凸形表面112。第二透镜元件120包括面向第一凸形表面112的第二表面122，以及与第二表面122相对的第三凸形表面124。第二表面122可以选自凸形表面、平坦表面，以及凹形表面。
第一颜色光141、第二颜色光151和任选的第三颜色光161中的每一个在离开光收集光学器件105时变成准直的第一颜色光141c、准直的第二颜色光151c和准直的任选的第三颜色光161c。由于第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的每一个都设置在光注入表面104上并与光收集光学器件105的光轴102相距不同的距离，当它们进入倾斜二向色偏振分束器组件106时，准直的第一颜色光141c、准直的第二颜色光151c和准直的任选的第三颜色光161c中的每一个都以相对于光轴的稍微不同的角度准直。
在一个具体的实施例中，倾斜二向色偏振合色器100还包括对准第一偏振方向139并设置在倾斜二向色偏振分束器组件106与光注入表面104之间的任选的偏振器172。如果需要，任选的偏振器172可用于只将一个偏振方向注入到倾斜二向色偏振合色器100中，并且在本文所述的实施例中，包括任选的偏振器172。应当了解，在某些情况下，省略了任选的偏振器172，并且可以注入两个偏振态。
任选的偏振器172可以设置在倾斜二向色偏振分束器组件106与光注入表面104之间的任何所需位置处；然而，在某些情况下，可以优选地将任选的偏振器172设置在准直的第一颜色光141c、准直的第二颜色光151c和准直的任选的第三颜色光161c的区域中。任选的偏振器172可以是本文所述的反射偏振器中的任何一种，或者可以是吸收型偏振器。任选的偏振器172还可以包括相关的四分之一波长延迟片(未示出)，其设置在偏振器与光源之间，用于光循环，如本领域技术人员已知的。任选的偏振器172能够透射第一偏振方向的第一颜色光141、第二颜色光151和任选的第三颜色光161中的每一个，并且反射或吸收第二偏振方向的第一颜色光141、第二颜色光151和任选的第三颜色光161中的每一个。
在一个具体实施例中，倾斜二向色偏振分束器组件106包括倾斜二向色偏振分束器130和偏振旋转反射器138。在某些情况下，可以使用棱镜偏振分束器(如图所示)；然而，作为另外一种选择，部件可以作为薄膜(未示出)保留在光路中。倾斜二向色偏振分束器130包括具有第一面131和输入面132的第一棱镜135以及具有第三面133和输出面134的第二棱镜136。倾斜二向色偏振分束器130还包括设置在倾斜二向色偏振分束器130的对角上并在第一棱镜135和第二棱镜136之间的二向色反射偏振器板137，其包括第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和任选的第三二向色反射偏振器167。
偏振旋转反射器138可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宽带反射镜或波长选择型反射镜(例如颜色选择型二向色滤光器)以及延迟片。延迟片可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，例如通过使用四分之一波长延迟片和相关的二向色反射器使偏振方向向正交方向旋转，使得光可透射穿过二向色反射偏振器板137，这是有利的。例如，当s-偏振光穿过与光偏振轴成45°角的四分之一波长延迟片时变为圆形偏振光，经反射而改变圆形偏振的方向，并在再次穿过四分之一波长延迟片时变成p-偏振光。
在一个具体实施例中，偏振旋转反射器138可以包括空间光调制器，例如硅基液晶(LCoS)成像仪，它可以为每种颜色的入射偏振光束赋予图像，并反射具有垂直偏振状态的包含图像的光束。在某些情况下，空间光调制器可以对光的每种颜色按时间排序，以产生可通过投影光学器件放大到投影屏幕上的准直的合色图像。
在一个具体实施例中，组合形成二向色反射偏振器板137的第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和任选的第三二向色反射偏振器167中的每一个可以使用例如用于制造MacNeille偏振器的薄膜无机沉积技术来制造，如本领域技术人员已知的。在某些情况下，二向色反射偏振器中的每一个可以在可被研磨和抛光至所需角度的单独的玻璃基板上制造，并使用光学粘合剂粘结在一起。
在一个具体实施例中，对于二向色反射偏振器中的每一个，可以使用不同的聚合物多层光学膜。多层光学膜偏振器可包括用于与不同波长范围的光相互作用的不同分“组”。例如，一体式多层光学膜偏振器可包括通过膜厚度的若干分组，每个组与不同波长范围(例如颜色)的光相互作用以反射一个偏振态且透射另一个偏振态。在一个方面，多层光学膜可具有第一分组、第二分组和第三分组，第一分组邻近膜的第一表面并且与(例如)蓝色光相互作用(即，“蓝层”)，第二分组与(例如)绿色光相互作用(即，“绿层”)，且第三分组邻近膜的第二表面并且与(例如)红色光相互作用(即，“红层”)。通常，“蓝层”中的层之间的间距远小于“红层”中的层之间的间距，以便与较短(和较高能量)的蓝色波长的光相互作用。
在某些情况下，聚合物多层光学膜偏振器可为尤其优选的反射型偏振器，其可包括如上文所述的膜分组。可以制造与第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和任选的第三二向色反射偏振器167对应的单独的聚合物多层光学膜偏振器，并使用玻璃基板和光学粘合剂进行组装，以形成二向色反射偏振器板137。在某些情况下，一个或多个聚合物多层光学膜偏振器组可以与一个或多个薄膜无机沉积薄膜一起使用，以得到二向色反射偏振器板。
倾斜二向色偏振分束器106的所述部件共同将准直的(和未偏振的)第一颜色光141c、第二颜色光151c和任选的第三颜色光161c中的每一个转换成准直的组合偏振光，其中不同准直光颜色中的每一个以相同方向准直，如参照图所述。
转到图1A，来自第一光源140的第一颜色光141的路径可以穿过倾斜二向色偏振合色器100。第一颜色光141包括沿第一光传播方向行进的第一中心光线142，以及第一输入光准直角θ1内的光线锥，所述光线锥的边界由第一边界光线144、146表示。第一中心光线142从第一光源140以大致平行于光轴102的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并作为在第一准直颜色光141c中心的第一中心光线142从光收集光学器件105显现。第一边界光线144、146中的每一个以大致与光轴102成第一输入光准直角θ1的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并且作为形成第一准直颜色光141c的边界的第一边界光线144、146从光收集光学器件105显现。如可以从图1A中看出，光收集光学器件105用于准直从第一光源140传递的第一颜色光141，以使其作为第一准直颜色光141c显现。
第一中心光线142和第一边界光线144、146中的每一个交切任选的偏振器172并各自分成透射的s-偏振分量和反射或吸收的p-偏振分量。在某些情况下，任选的偏振器172可以是反射偏振器并且可以如其他地方所述使用四分之一波长延迟片反射和回收p-偏振光线；在某些情况下，任选的偏振器172可以替代地为吸收型偏振器，并且可以吸收p-偏振光线。第一中心光线142被分成第一s-偏振中心光线142s和第一p-偏振中心光线(未示出)。透射的第一s-偏振中心光线142s进入第一棱镜135的输入面132，穿过第三二向色反射偏振器167，从第一二向色反射偏振器147反射，再次穿过第三二向色反射偏振器167，并穿过第一面131离开第一棱镜135。透射的第一s-偏振中心光线142s以垂直方向交切偏振旋转反射器138，作为垂直于偏振旋转反射器138的p-偏振中心光线142p反射，穿过第一面131进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和第三二向色反射偏振器167，并作为第一p-偏振准直光148的一部分穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
第一边界光线144、146被分成第一s-偏振边界光线144s、146s和第一p-偏振边界光线(未示出)。透射的第一s-偏振边界光线144s、146s进入第一棱镜135的输入面132，穿过第三二向色反射偏振器167，从第一二向色反射偏振器147反射，再次穿过第三二向色反射偏振器167，并穿过第一面131离开第一棱镜135。透射的第一s-偏振边界光线144s、146s以垂直方向交切偏振旋转反射器138，作为垂直于偏振旋转反射器138的p-偏振边界光线144p、146p反射，穿过第一面131进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和第三二向色反射偏振器167，并作为第一p-偏振准直光148的一部分穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
转到图1B，来自第二光源150的第二颜色光151的路径可以穿过倾斜二向色偏振合色器100。第二颜色光151包括沿第二光传播方向行进的第二中心光线152，以及第二输入光准直角θ2内的光线锥，所述光线锥的边界由第二边界光线154、156表示。第二中心光线152从第二光源150以大致平行于光轴102的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并作为在第二准直颜色光151c中心的第二中心光线152从光收集光学器件105显现。第二边界光线154、156中的每一个以大致与光轴102成第二输入光准直角θ2的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并作为形成第二准直颜色光151c的边界的第二边界光线154、156从光收集光学器件105显现。如可以从图1B中看出，光收集光学器件105用于准直从第二光源150传递的第二颜色光151，以使其作为第二准直颜色光151c显现。
第二中心光线152和第二边界光线154、156中的每一个交切任选的偏振器172并各自分成透射的s-偏振分量和反射或吸收的p-偏振分量。在某些情况下，任选的偏振器172可以是反射偏振器并且可以如其他地方所述使用四分之一波长延迟片反射和回收p-偏振光线；在某些情况下，任选的偏振器172可以替代地为吸收型偏振器，并且可以吸收p-偏振光线。第二中心光线152被分成第二s-偏振中心光线152s和第二p-偏振中心光线(未示出)。透射的第二s-偏振中心光线152s进入第一棱镜135的输入面132，穿过第三二向色反射偏振器167和第一二向色反射偏振器147，从第二二向色反射偏振器157反射，再次穿过第三二向色反射偏振器167和第一二向色反射偏振器147，并穿过第一面131离开第一棱镜135。透射的第二s-偏振中心光线152s以垂直方向交切偏振旋转反射器138，作为垂直于偏振旋转反射器138的p-偏振中心光线152p反射，穿过第一面131进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和第三二向色反射偏振器167，并作为第二p-偏振准直光158的一部分穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
第二边界光线154、156被分成第二s-偏振边界光线154s、156s和第二p-偏振边界光线(未示出)。透射的第二s-偏振边界光线154s、156s进入第一棱镜135的输入面132，穿过第三二向色反射偏振器167和第一二向色反射偏振器147，从第二二向色反射偏振器157反射，再次穿过第三二向色反射偏振器167和第一二向色反射偏振器147，并穿过第一面131离开第一棱镜135。透射的第二s-偏振边界光线154s、156s以垂直方向交切偏振旋转反射器138，作为垂直于偏振旋转反射器138的p-偏振边界光线154p、156p反射，穿过第一面131进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和第三二向色反射偏振器167，并作为第二p-偏振准直光158的一部分穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
转到图1C，来自第三光源160的第三颜色光161的路径可以穿过倾斜二向色偏振合色器100。第三颜色光161包括在第三光传播方向中行进的第三中心光线162以及在第三输入光准直角θ3内的光线锥，该光线锥的边界由第三边界光线164、166来表示。第三中心光线162从第三光源160以大致平行于光轴102的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并作为在第三准直颜色光161c中心的第三中心光线162从光收集光学器件105显现。第三边界光线164、166中的每一个以大致与光轴102成第三输入光准直角θ3的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并作为形成第三准直颜色光161c的边界的第三边界光线164、166从光收集光学器件105显现。如可以从图1C中看出，光收集光学器件105用于准直从第三光源160传递的第三颜色光161，使其作为第三准直颜色光161c显现。
第三中心光线162和第三边界光线164、166中的每一个交切任选的偏振器172并各自分成透射的s-偏振分量和反射或吸收的p-偏振分量。在某些情况下，任选的偏振器172可以是反射偏振器并且可以如其他地方所述使用四分之一波长延迟片反射和回收p-偏振光线；在某些情况下，任选的偏振器172可以替代地为吸收型偏振器，并且可以吸收p-偏振光线。第三中心光线162被分成第三s-偏振中心光线162s和第三p-偏振中心光线(未示出)。透射的第三s-偏振中心光线162s进入第一棱镜135的输入面132，从第三二向色反射偏振器167反射，并穿过第一面131离开第一棱镜135。透射的第三s-偏振中心光线162s以垂直方向交切偏振旋转反射器138，作为垂直于偏振旋转反射器138的p-偏振中心光线162p反射，穿过第一面131进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和第三二向色反射偏振器167，并作为第三p-偏振准直光168的一部分穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
第三边界光线164、166被分成第三s-偏振边界光线164s、166s和第三p-偏振边界光线(未示出)。透射的第三s-偏振边界光线164s、166s进入第一棱镜135的输入面132，从第三二向色反射偏振器167反射，并穿过第一面131离开第一棱镜135。透射的第三s-偏振边界光线164s、166s以垂直方向交切偏振旋转反射器138，作为垂直于偏振旋转反射器138的p-偏振边界光线164p、166p反射，穿过第一面131进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和第三二向色反射偏振器167，并作为第三p-偏振准直光168的一部分穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。在一个具体实施例中，第一p-偏振准直光148、第二p-偏振准直光158和第三p-偏振准直光168可以是形成合色p-偏振准直光的绿色、红色和蓝色光。合色p-偏振准直光可以通过图像投影仪中的投影光学器件进行扩展，从而形成投射到屏幕上的放大图像。
在一个具体实施例中，第一输入准直角θ1、第二输入准直角θ2以及第三输入准直角θ3中的每一个可以相同，而与第一输入光源140、第二输入光源150以及任选的第三输入光源160中的每一者相关的注射光学器件(未示出)可以将这些输入准直角限制在约10度与约80度之间，或在约10度至约70度之间，或在约10度至约60度之间，或在约10度至约50度之间，或在约10度至约40度之间，或在约10度至约30度或更小之间的角度。在一个具体实施例中，输入准直角中的每一个可在约60至约70度的范围内。
图2示出了根据本发明的一个方面的倾斜二向色偏振合色器100’的横截面示意图。在图2中，倾斜二向色偏振合色器100’包括光收集光学器件105和倾斜二向色偏振分束器组件106’。光收集光学器件105包括第一透镜元件110和第二透镜元件120、光输入表面114和垂直于光输入表面114的光轴102。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160各自设置在面向光输入表面114的光注入表面104上。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的至少两者从光轴102移位，并且第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的一者可被设置在光轴上。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的每一个被设置为以类似于参照图1A-1C所述的方式将光注入到光输入表面114中。为简洁起见，仅第一颜色光141的路径将参照图2描述；然而，应当了解，第二颜色光151和任选的第三颜色光161将沿着类似的路径穿过倾斜二向色偏振合色器100’，如其他地方所述。
在一个具体实施例中，光收集光学器件105可以是光准直仪，用来对从第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160发出的光进行准直。光收集光学器件105可以包括单透镜光准直仪(未示出)、双透镜光准直仪(示出)、衍射光学元件(未示出)，或其组合。双透镜光准直仪具有第一透镜元件110，所述第一透镜元件包括设置成与光输入表面114相对的第一凸形表面112。第二透镜元件120包括面向第一凸形表面112的第二表面122，以及与第二表面122相对的第三凸形表面124。第二表面122可以选自凸形表面、平坦表面，以及凹形表面。第一颜色光141在离开光收集光学器件105时变为准直第一颜色光141c。
在一个具体实施例中，倾斜二向色偏振分束器组件106’包括倾斜二向色偏振分束器130、第一偏振旋转反射器138a和第二偏振旋转反射器138b。在某些情况下，可以使用棱镜偏振分束器(如图所示)；然而，作为另外一种选择，部件可以作为薄膜(未示出)保留在光路中。倾斜二向色偏振分束器130包括具有第一面131和输入面132的第一棱镜135以及具有第三面133和输出面134的第二棱镜136。倾斜二向色偏振分束器130还包括设置在倾斜二向色偏振分束器130的对角上并在第一棱镜135和第二棱镜136之间的二向色反射偏振器板137，其包括第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和任选的第三二向色反射偏振器167。
第一偏振旋转反射器138a和第二偏振旋转反射器138b可以各自将光的传播方向反向，并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宽带反射镜或波长选择型反射镜(例如颜色选择型二向色滤光器)以及延迟片。延迟片可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，例如通过使用四分之一波长延迟片和相关的二向色反射器使偏振方向向正交方向旋转，使得光可透射穿过二向色反射偏振器板137，这是有利的。例如，当s-偏振光穿过与光偏振轴成45°角的四分之一波长延迟片时变为圆形偏振光，经反射而改变圆形偏振的方向，并在再次穿过四分之一波长延迟片时变成p-偏振光。在某些情况下，偏振旋转反射器的此类组合可用于提供来自倾斜二向色偏振分束器组件106’的准直非偏振合色光。
在一个具体实施例中，第一偏振旋转反射器138a和第二偏振旋转反射器138b中的至少一者可包括空间光调制器，例如硅基液晶(LCoS)成像仪，它可以为入射偏振光束赋予图像，并反射具有垂直偏振状态的包含图像的光束。在某些情况下，可以单独为与空间光调制器相互作用的每个正交偏振方向赋予不同的图像，如其他地方所述。在这种情况下，所得的准直合色光可以(例如)用作立体显示的一部分，其中s-偏振光对应于一只眼看到的图像，并且p-偏振光对应于另一只眼看到的第二图像，从而形成3维立体图像。在某些情况下，可以替代地为每个正交偏振方向赋予对准的相同图像，并且所得的准直合色光可以具有可高达单个偏振态两倍亮度的提高的亮度，如本领域技术人员已知的。
在一个具体实施例中，组合形成二向色反射偏振器板137的第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和任选的第三二向色反射偏振器167中的每一个可以使用薄膜无机沉积技术制造，如本领域技术人员已知的。在某些情况下，二向色反射偏振器中的每一个可以在可被研磨和抛光至所需角度的单独的玻璃基板上制造，并使用光学粘合剂粘结在一起。
在一个具体实施例中，对于二向色反射偏振器中的每一个，可以使用不同的聚合物多层光学膜。多层光学膜偏振器可包括用于与不同波长范围的光相互作用的不同分“组”。例如，一体式多层光学膜偏振器可包括通过膜厚度的若干分组，每个组与不同波长范围(例如颜色)的光相互作用以反射一个偏振态且透射另一个偏振态。在一个方面，多层光学膜可具有第一分组、第二分组和第三分组，第一分组邻近膜的第一表面并且与(例如)蓝色光相互作用(即，“蓝层”)，第二分组与(例如)绿色光相互作用(即，“绿层”)，且第三分组邻近膜的第二表面并且与(例如)红色光相互作用(即，“红层”)。通常，“蓝层”中的层之间的间距远小于“红层”中的层之间的间距，以便与较短(和较高能量)的蓝色波长的光相互作用。在某些情况下，聚合物多层光学膜偏振器可为尤其优选的反射型偏振器，其可包括如上文所述的膜分组。可以制造与第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和任选的第三二向色反射偏振器167对应的单独的聚合物多层光学膜偏振器，并使用玻璃基板和光学粘合剂进行组装，以形成二向色反射偏振器板137。
倾斜二向色偏振分束器106’的所述部件共同将准直的(和未偏振的)第一颜色光141c、第二颜色光151c和任选的第三颜色光161c中的每一个转换成第一准直组合p-偏振光和第二准直组合s-偏振光，其中不同准直光颜色中的每一个以相同方向准直，如参照图所述。
转到图2，来自第一光源140的第一颜色光141的路径可以穿过倾斜二向色偏振合色器100’。第一颜色光141包括沿第一光传播方向行进的第一中心光线142，以及第一输入光准直角θ1内的光线锥，所述光线锥的边界由第一边界光线144、146表示。第一中心光线142从第一光源140以大致平行于光轴102的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并作为在第一准直颜色光141c中心的第一中心光线142从光收集光学器件105显现。第一边界光线144、146中的每一个以大致与光轴102成第一输入光准直角θ1的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并且作为形成第一准直颜色光141c的边界的第一边界光线144、146从光收集光学器件105显现。如可以从图2中看出，光收集光学器件105用于准直从第一光源140传递的第一颜色光141，以使其作为第一准直颜色光141c显现。
第一中心光线142进入倾斜二向色偏振分束器130，穿过第三二向色反射偏振器167并交切第一二向色反射偏振器147，在此处它被分成反射的第一s-偏振中心光线142s和透射的第一p-偏振中心光线142p。
反射的第一142s穿过第三二向色反射偏振器167并穿过第一面131离开倾斜二向色偏振分束器130，以垂直方向交切第一偏振旋转反射器138a，并作为垂直于偏振旋转反射器138的第一转换的p-偏振中心光线142p2反射。第一转换的p-偏振中心光线142p2穿过第一面131进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和第三二向色反射偏振器167，并作为第一转换的p-偏振中心光线142p2穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
透射的第一p-偏振中心光线142p穿过第二二向色反射偏振器157并穿过第三面133离开倾斜二向色偏振分束器130，以垂直方向交切第二偏振旋转反射器138b，并作为垂直于偏振旋转反射器138的第一转换的s-偏振中心光线142s2反射。第一转换的s-偏振中心光线142s2穿过第三面133进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第二二向色反射偏振器157，从第一二向色反射偏振器147反射，并作为第一转换的s-偏振中心光线142s2穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
第一边界光线144、146进入倾斜二向色偏振分束器130，穿过第三二向色反射偏振器167并交切第一二向色反射偏振器147，在此处它们被分成反射的第一s-偏振边界光线144s、146s和透射的第一p-偏振边界光线144p、146p。
反射的第一s-偏振边界光线144s、146s穿过第三二向色反射偏振器167并穿过第一面131离开倾斜二向色偏振分束器130，以垂直方向交切第一偏振旋转反射器138a，并作为垂直于偏振旋转反射器138的第一转换的p-偏振边界光线144p2、146p2反射。第一转换的p-偏振边界光线144p2、146p2穿过第一面131进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和第三二向色反射偏振器167，并作为第一转换的p-偏振边界光线144p2、146p2穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
透射的第一p-偏振边界光线144p、146p穿过第二二向色反射偏振器157并穿过第三面133离开倾斜二向色偏振分束器130，以垂直方向交切第二偏振旋转反射器138b，并作为垂直于偏振旋转反射器138的第一转换的s-偏振边界光线144s2、146s2反射。第一转换的s-偏振边界光线144s2、146s2穿过第三面133进入倾斜二向色偏振分束器130，不变地穿过第二二向色反射偏振器157，从第一二向色反射偏振器147反射，并作为第一转换的s-偏振边界光线144s2、146s2穿过输出面134离开倾斜二向色偏振分束器130。
在一个具体实施例中，第一准直光141c、第二准直光151c和第三准直光161c可以是形成合色p-偏振准直光和合色s-偏振准直光的绿色、红色和蓝色光。第一偏振旋转反射器138a和第二偏振旋转反射器138b中的每一个可为每一种不同颜色光的每一种偏振方向赋予不同的信息。在某些情况下，偏振旋转反射器可以是空间光调制器，如LCoS成像仪，并且合色p-偏振准直光可包含具有对应于第一LCoS成像仪138a的图像信息的p-偏振光，并且合色s-偏振准直光可以包含具有对应于第二LCoS成像仪138b的图像信息的s-偏振光。
图3示出了根据本发明的一个方面的倾斜二向色偏振合色器100’’的横截面示意图。倾斜二向色偏振合色器100’’包括光收集光学器件105和倾斜二向色偏振分束器组件106’’。光收集光学器件105包括第一透镜元件110和第二透镜元件120、光输入表面114和垂直于光输入表面114的光轴102。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160各自设置在面向光输入表面114的光注入表面104上。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的至少两者从光轴102移位，并且第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的一者可被设置在光轴上。第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160中的每一个被设置为以类似于参照图1A-1C所述的方式将光注入到光输入表面114中。为简洁起见，仅第一颜色光141的路径将参照图3描述；然而，应当了解，第二颜色光151和任选的第三颜色光161将沿着类似的路径穿过倾斜二向色偏振合色器100’’，如其他地方所述。
在一个具体实施例中，光收集光学器件105可以是光准直仪，用来对从第一光源140、第二光源150和任选的第三光源160发出的光进行准直。光收集光学器件105可以包括单透镜光准直仪(未示出)、双透镜光准直仪(示出)、衍射光学元件(未示出)，或其组合。双透镜光准直仪具有第一透镜元件110，所述第一透镜元件包括设置成与光输入表面114相对的第一凸形表面112。第二透镜元件120包括面向第一凸形表面112的第二表面122，以及与第二表面122相对的第三凸形表面124。第二表面122可以选自凸形表面、平坦表面，以及凹形表面。第一颜色光141在离开光收集光学器件105时变为准直第一颜色光141c。
在一个具体实施例中，倾斜二向色偏振分束器组件106’’包括第一倾斜二向色偏振分束器130a、第二倾斜二向色偏振分束器130b和设置在它们之间的半波长延迟片。在某些情况下，棱镜偏振分束器(如图所示)可用于第一倾斜二向色偏振分束器130a和第二倾斜二向色偏振分束器130b中的每一个；然而，作为另外一种选择，部件可以作为薄膜(未示出)保留在光路中。第一倾斜二向色偏振分束器130a包括具有输入面131a和第二面132a的第一棱镜135a，以及具有第三面133a和输出面134a的第二棱镜136a。第一倾斜二向色偏振分束器130a还包括设置在第一倾斜二向色偏振分束器130a的对角上并在第一棱镜135a与第二棱镜136a之间的第一二向色反射偏振器板137a，其包括第一二向色反射偏振器147a、第二二向色反射偏振器157a和任选的第三二向色反射偏振器167a。
第二倾斜二向色偏振分束器130b包括具有输入面131b和第二输出面132b的第三棱镜135b。第二倾斜二向色偏振分束器130b还包括设置在第三棱镜135b的对角上的第二二向色反射偏振器板137b，其包括第一二向色反射偏振器147b、第二二向色反射偏振器157b和任选的第三二向色反射偏振器167b。在某些情况下，第二二向色偏振器板137b中的第一二向色反射偏振器147b、第二二向色反射偏振器157b和第三二向色反射偏振器167b中的每一个可以替代地为第一、第二和第三二向色反射器，如本领域技术人员已知的。
在一个具体实施例中，组合形成二向色反射偏振器板137的第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和任选的第三二向色反射偏振器167中的每一个可以使用薄膜无机沉积技术制造，如本领域技术人员已知的。在某些情况下，二向色反射偏振器中的每一个可以在可被研磨和抛光至所需角度的单独的玻璃基板上制造，并使用光学粘合剂粘结在一起。
在一个具体实施例中，对于二向色反射偏振器中的每一个，可以使用不同的聚合物多层光学膜。多层光学膜偏振器可包括用于与不同波长范围的光相互作用的不同分“组”。例如，一体式多层光学膜偏振器可包括通过膜厚度的若干分组，每个组与不同波长范围(例如颜色)的光相互作用以反射一个偏振态且透射另一个偏振态。在一个方面，多层光学膜可具有第一层组、第二层组和第三层组，第一层组邻近膜的第一表面并且与(例如)蓝色光相互作用(即，“蓝层”)，第二层组与(例如)绿色光相互作用(即，“绿层”)，并且第三层组邻近膜的第二表面并且与(例如)红色光相互作用(即，“红层”)。通常，“蓝层”中的层之间的间距远小于“红层”中的层之间的间距，以便与较短(和较高能量)的蓝色波长的光相互作用。在某些情况下，聚合物多层光学膜偏振器可为尤其优选的反射型偏振器，其可包括如上文所述的膜层组。可以制造与第一二向色反射偏振器147、第二二向色反射偏振器157和任选的第三二向色反射偏振器167对应的单独的聚合物多层光学膜偏振器，并使用玻璃基板和光学粘合剂进行组装，以形成二向色反射偏振器板137。
倾斜二向色偏振分束器106’’的所述部件共同将准直的(和未偏振的)第一颜色光141c、第二颜色光151c和任选的第三颜色光161c中的每一个转换成准直的组合s-偏振光，其中不同准直光颜色中的每一个以相同方向准直，如参照图所述。
转到图3，来自第一光源140的第一颜色光141的路径可以穿过倾斜二向色偏振合色器100’’。第一颜色光141包括沿第一光传播方向行进的第一中心光线142，以及第一输入光准直角θ1内的光线锥，所述光线锥的边界由第一边界光线144、146表示。第一中心光线142从第一光源140以大致平行于光轴102的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并作为在第一准直颜色光141c中心的第一中心光线142从光收集光学器件105显现。第一边界光线144、146中的每一个以大致与光轴102成第一输入光准直角θ1的方向注入到光输入表面114中，穿过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并且作为形成第一准直颜色光141c的边界的第一边界光线144、146从光收集光学器件105显现。如可以从图3中看出，光收集光学器件105用于准直从第一光源140传递的第一颜色光141，以使其作为第一准直颜色光141c显现。
第一中心光线142进入第一倾斜二向色偏振分束器130a，穿过第三二向色反射偏振器167a并交切第一二向色反射偏振器147a，在此处它被分成反射的第一s-偏振中心光线142s和透射的第一p-偏振中心光线142p。
反射的第一s-偏振中心光线142s穿过第三二向色反射偏振器167a并穿过第二面132a离开第一倾斜二向色偏振分束器130a。
透射的第一p-偏振中心光线142p穿过第二二向色反射偏振器157并穿过输出面134a离开第一倾斜二向色偏振分束器130a，并且在穿过半波长延迟片192时旋转变成转换的s-偏振中心光线142s2。转换的s-偏振中心光线142s2穿过输入面131b进入第三棱镜135b，穿过第三二向色反射偏振器167b，从第一二向色反射偏振器147b反射，再次穿过第三二向色反射偏振器167b，并穿过第二输出面132b离开第三棱镜135b。
第一边界光线144、146进入第一倾斜二向色偏振分束器130a，穿过第三二向色反射偏振器167a并交切第一二向色反射偏振器147a，在此处它们被分成反射的第一s-偏振边界光线144s、146s和透射的第一p-偏振边界光线144p、146s。
反射的第一s-偏振边界光线144s、146s穿过第三二向色反射偏振器167a并穿过第二面132a离开第一倾斜二向色偏振分束器130a。
透射的第一p-偏振边界光线144p、146p穿过第二二向色反射偏振器157并穿过输出面134a离开第一倾斜二向色偏振分束器130a，并且在它们穿过半波长延迟片192时旋转变成转换的s-偏振边界光线144s2、146s2。转换的s-偏振边界光线144s2、146s2穿过输入面131b进入第三棱镜135b，穿过第三二向色反射偏振器167b，从第一二向色反射偏振器147b反射，再次穿过第三二向色反射偏振器167b并穿过第二输出面132b离开第三棱镜135b。
在一个具体实施例中，第一准直光141c、第二准直光151c和第三准直光161c可以是形成合色s-偏振准直光的绿色、红色和蓝色光。合色s-偏振准直光可用于照明空间光调制器，例如LCoS成像仪，以生成携带信息的图像，并且投影光学器件可用于将图像放大到投影屏幕上，如本领域技术人员已知的。
根据一方面，各个输入光源均包括一个或多个发光二极管(LED)。激光器、激光二极管、有机LED(OLED)等各种光源以及超高压(UHP)卤素灯或氙灯之类的非固态光源可以结合合适的光收集器或反射器来使用。可用于本发明的光源、光准直仪、透镜和光积分器进一步描述于(例如)已公布的美国专利申请No.US2008/0285129中，该专利申请的公开内容全文并入到本文中。
以下为本发明各个实施例的列表。
项目1为一种合色器，包括：光收集光学器件，所述光收集光学器件具有光输入表面和光轴；第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源设置为将第一颜色光和第二颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源和第二光源中的至少一者从所述光轴移位；二向色反射偏振器板，所述二向色反射偏振器板包括：第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第一颜色光，并透射其他光；第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第二颜色光，并透射其他光；其中所述第一二向色反射偏振器和所述第二二向色反射偏振器各自倾斜，使得第一和第二颜色光从偏振旋转反射器反射，以形成具有正交的第二偏振方向的合色偏振光束，所述合色偏振光束沿着垂直于偏振旋转反射器的方向传播。
项目2为项目1所述的合色器，还包括设置为面向所述光收集光学器件并与光输入表面相对的偏振器，所述偏振器能够透射第一偏振方向的第一颜色光和第二颜色光两者。
项目3为项目1或项目2所述的合色器，其中所述二向色反射偏振器板包括偏振分束器(PBS)或薄膜的对角面。
项目4为项目1至项目3所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括光准直光学器件。
项目5为项目3所述的合色器，其中所述光准直光学器件包括单透镜设计、双透镜设计、衍射光学元件，或它们的组合。
项目6为项目1至项目5所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括：第一透镜，所述第一透镜具有与所述光输入表面相对的第一凸形表面；以及第二透镜，所述第二透镜具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及与所述第二表面相对的第三凸形表面。
项目7为项目1至项目6所述的合色器，其中所述偏振旋转反射器包括四分之一波长延迟片和宽带反射镜。
项目8为项目1至项目7所述的合色器，其中所述偏振旋转反射器包括空间光调制器。
项目9为项目8所述的合色器，其中所述空间光调制器包括反射硅基液晶(LCoS)显示面板。
项目10为项目1至项目9所述的合色器，其中所述第一二向色反射偏振器和第二二向色反射偏振器各自包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
项目11为项目1至项目10所述的合色器，还包括设置为将第三颜色光注射到光输入表面中的第三光源，其中所述二向色反射偏振器板还包括能够朝偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第三颜色光并透射其他光的第三二向色反射偏振器，所述第三二向色反射偏振器倾斜，使得第三颜色光从偏振旋转反射器反射，以形成具有第二偏振方向的合色光束，所述合色光束沿着垂直于偏振旋转反射器的方向传播。
项目12为项目11所述的合色器，其中所述第三二向色反射偏振器包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
项目13为项目11所述的合色器，其中所述第一、第二和第三颜色光包括红色光、绿色光和蓝色光。
项目14为项目1至项目13所述的合色器，其中所述偏振器包括反射偏振器或吸收型偏振器。
项目15为项目1至项目13所述的合色器，还包括设置在偏振器与光收集光学器件之间的四分之一波长延迟片。
项目16为图像投影仪，包括项目1至项目15所述的合色器和投影光学器件。
项目17为一种合色器，包括：具有光输入表面和光轴的光收集光学器件；第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源设置为将第一颜色光和第二颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源和第二光源中的至少一者从所述光轴移位；二向色反射偏振器板，所述二向色反射偏振器板包括：第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝第一偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第一颜色光，并朝第二偏振旋转反射器透射其他光；第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝第一偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第二颜色光，并朝第二偏振旋转反射器透射其他光；其中所述第一二向色反射偏振器和所述第二二向色反射偏振器各自倾斜，使得：第一和第二颜色光从第一偏振旋转反射器反射，形成具有正交的第二偏振方向的第一合色光束；并且第一和第二颜色光从第二偏振旋转反射器反射，形成具有第一偏振方向的第二合色光束，并且第一和第二合色光束沿着垂直于第一偏振旋转反射器的方向传播。
项目18为项目17所述的合色器，其中所述二向色反射偏振器板包括偏振分束器(PBS)或薄膜的对角面。
项目19为项目17或项目18所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括光准直光学器件。
项目20为项目19所述的合色器，其中所述光准直光学器件包括单透镜设计、双透镜设计、衍射光学元件，或它们的组合。
项目21为项目17至项目20所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括：第一透镜，所述第一透镜具有与所述光输入表面相对的第一凸形表面；以及第二透镜，所述第二透镜具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及与所述第二表面相对的第三凸形表面。
项目22为项目17至项目21所述的合色器，其中所述第一偏振旋转反射器和第二偏振旋转反射器中的至少一者包括空间光调制器。
项目23为项目17至项目22所述的合色器，其中所述空间光调制器包括LCoS显示面板。
项目24为项目17至项目23所述的合色器，其中所述第一二向色反射偏振器和第二二向色反射偏振器各自包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
项目25为项目17至项目24所述的合色器，还包括设置为将第三颜色光注射到光输入表面中的第三光源，其中所述二向色反射偏振器板还包括第三二向色反射偏振器，所述第三二向色反射偏振器能够朝第一偏振旋转反射器反射第一偏振方向的第三颜色光并朝第二偏振旋转反射器透射其他光，其中所述第三二向色反射偏振器倾斜，使得所述第三颜色光从第一偏振旋转反射器反射，从而变成具有正交的第二偏振方向的第一合色光束的一部分；并且所述第三颜色光从第二偏振旋转反射器反射，从而变成具有第一偏振方向的第二合色光束的一部分。
项目26为项目25所述的合色器，其中所述第三二向色反射偏振器包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
项目27为项目25或项目26所述的合色器，其中所述第一、第二和第三颜色光包括红色光、绿色光和蓝色光。
项目28为图像投影仪，包括项目17至项目27所述的合色器和投影光学器件。
项目29为合色器，包括：光收集光学器件，所述光收集光学器件具有光输入表面和光轴；第一光源、第二光源和第三光源，所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源设置为将第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源中的至少一者从所述光轴移位；二向色反射偏振器板，所述二向色反射偏振器板包括：第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第一颜色光，并透射其他光；第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第二颜色光，并透射其他光；第三二向色反射偏振器，所述第三二向色反射偏振器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第三颜色光，并透射其他光；半波长延迟片，所述半波长延迟片被设置为将透射的其他光的正交的第二偏振方向转换成第一偏振方向；二向色反射板，所述二向色反射板被设置为向输出方向反射第一偏振方向的透射的其他光，所述二向色反射板包括：第一二向色反射器，所述第一二向色反射器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第一颜色光；第二二向色反射器，所述第二二向色反射器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第二颜色光；以及第三二向色反射器，所述第三二向色反射器能够朝输出方向反射第一偏振方向的第三颜色光；其中第一、第二和第三二向色反射偏振器以及第一、第二和第三二向色反射器各自倾斜，使得第一、第二和第三颜色光形成具有第一偏振方向的合色光束。
项目30为项目29所述的合色器，其中所述二向色反射偏振器板包括偏振分束器(PBS)或薄膜的对角面。
项目31为项目29或项目30所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括光准直光学器件。
项目32为项目29至项目31所述的合色器，其中所述第一、第二和第三二向色反射偏振器各自包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
项目33为项目29至项目32所述的合色器，其中所述第一、第二和第三颜色光包括红色光、绿色光和蓝色光。
项目34为图像投影仪，包括项目29至项目33所述的合色器、设置为在所述合色光束上赋予图像的空间光调制器；以及投影光学器件。
项目35为项目34所述的图像投影仪，其中所述空间光调制器包括硅基液晶(LCoS)成像仪或透射型液晶显示器(LCD)。
除非另外指明，否则在说明书和权利要求中使用的表示结构尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则在上述说明书和所附权利要求中提出的数值参数为近似值，所述近似值可根据本领域内的技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。
本文中引用的所有参考文献和出版物均明确地全文以引用方式并入本发明中，但其可能与本发明直接冲突的部分除外。尽管本文中已示出和描述了具体实施例，但本领域的普通技术人员应该明白，在不脱离本发明的范围的情况下，大量的替代形式和/或同等实施方式可以替代所示出和描述的特定实施例。本专利申请旨在覆盖本文论述的具体实施例的任何改动和变化。因此，预期本发明应仅由权利要求书和其等同形式限制。

Claims (35)

1.一种合色器，包括：
光收集光学器件，所述光收集光学器件具有光输入表面和光轴；
第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源设置为将第一颜色光和第二颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源和第二光源中的至少一者从所述光轴移位；
二向色反射偏振器板，所述二向色反射偏振器板包括：
第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝偏振旋转反射器反射第一偏振方向的所述第一颜色光，并透射其他光；以及
第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝所述偏振旋转反射器反射所述第一偏振方向的所述第二颜色光，并透射其他光；
其中所述第一二向色反射偏振器和所述第二二向色反射偏振器各自倾斜，使得所述第一颜色光和所述第二颜色光从所述偏振旋转反射器反射，以形成具有正交的第二偏振方向的合色偏振光束，所述合色偏振光束沿着垂直于所述偏振旋转反射器的方向传播。
2.根据权利要求1所述的合色器，还包括偏振器，所述偏振器设置为面向所述光收集光学器件并与所述光输入表面相对，能够透射所述第一偏振方向的所述第一颜色光和所述第二颜色光两者。
3.根据权利要求1所述的合色器，其中所述二向色反射偏振器板包括偏振分束器(PBS)或薄膜的对角面。
4.根据权利要求1所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括光准直光学器件。
5.根据权利要求4所述的合色器，其中所述光准直光学器件包括单透镜设计、双透镜设计、衍射光学元件，或它们的组合。
6.根据权利要求1所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括：
第一透镜，所述第一透镜具有与所述光输入表面相对的第一凸形表面；以及
第二透镜，所述第二透镜具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及与所述第二表面相对的第三凸形表面。
7.根据权利要求1所述的合色器，其中所述偏振旋转反射器包括四分之一波长延迟片和宽带反射镜。
8.根据权利要求1所述的合色器，其中所述偏振旋转反射器包括空间光调制器。
9.根据权利要求8所述的合色器，其中所述空间光调制器包括反射硅基液晶(LCoS)显示面板。
10.根据权利要求1所述的合色器，其中所述第一二向色反射偏振器和第二二向色反射偏振器各自包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
11.根据权利要求1所述的合色器，还包括第三光源，所述第三光源设置为将第三颜色光注射到所述光输入表面中，其中所述二向色反射偏振器板还包括第三二向色反射偏振器，所述第三二向色反射偏振器能够朝所述偏振旋转反射器反射所述第一偏振方向的所述第三颜色光并透射其他光，所述第三二向色反射偏振器倾斜，使得所述第三颜色光从所述偏振旋转反射器反射，以形成具有所述正交的第二偏振方向的所述合色偏振光束，所述合色偏振光束沿着垂直于所述偏振旋转反射器的方向传播。
12.根据权利要求11所述的合色器，其中所述第三二向色反射偏振器包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
13.根据权利要求11所述的合色器，其中所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光包括红色光、绿色光和蓝色光。
14.根据权利要求2所述的合色器，其中所述偏振器包括反射偏振器或吸收型偏振器。
15.根据权利要求2所述的合色器，还包括设置在所述偏振器与所述光收集光学器件之间的四分之一波长延迟片。
16.一种图像投影仪，包括根据权利要求9所述的合色器和投影光学器件。
17.一种合色器，包括：
光收集光学器件，所述光收集光学器件具有光输入表面和光轴；
第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源设置为将第一颜色光和第二颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源和第二光源中的至少一者从所述光轴移位；
二向色反射偏振器板，所述二向色反射偏振器板包括：
第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝第一偏振旋转反射器反射第一偏振方向的所述第一颜色光，并朝第二偏振旋转反射器透射其他光；
第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝所述第一偏振旋转反射器反射所述第一偏振方向的所述第二颜色光，并朝所述第二偏振旋转反射器透射其他光；
其中所述第一二向色反射偏振器和所述第二二向色反射偏振器各自倾斜，使得：
所述第一颜色光和所述第二颜色光从所述第一偏振旋转反射器反射，形成具有正交的第二偏振方向的第一合色光束；并且
所述第一颜色光和所述第二颜色光从所述第二偏振旋转反射器反射，以形成具有所述第一偏振方向的第二合色光束，
所述第一合色光束和所述第二合色光束沿着垂直于所述第一偏振旋转反射器的方向传播。
18.根据权利要求17所述的合色器，其中所述二向色反射偏振器板包括偏振分束器(PBS)或薄膜的对角面。
19.根据权利要求17所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括光准直光学器件。
20.根据权利要求19所述的合色器，其中所述光准直光学器件包括单透镜设计、双透镜设计、衍射光学元件，或它们的组合。
21.根据权利要求17所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括：
第一透镜，所述第一透镜具有与所述光输入表面相对的第一凸形表面；以及
第二透镜，所述第二透镜具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及与所述第二表面相对的第三凸形表面。
22.根据权利要求17所述的合色器，其中所述第一偏振旋转反射器和所述第二偏振旋转反射器中的至少一者包括空间光调制器。
23.根据权利要求22所述的合色器，其中所述空间光调制器包括LCoS显示面板。
24.根据权利要求17所述的合色器，其中所述第一二向色反射偏振器和第二二向色反射偏振器各自包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
25.根据权利要求17所述的合色器，还包括第三光源，所述第三电源设置为将第三颜色光注射到所述光输入表面中，其中所述二向色反射偏振器板还包括第三二向色反射偏振器，所述第三二向色反射偏振器能够朝所述第一偏振旋转反射器反射所述第一偏振方向的所述第三颜色光并朝所述第二偏振旋转反射器透射其他光，其中所述第三二向色反射偏振器倾斜，使得所述第三颜色光从所述第一偏振旋转反射器反射，从而变成具有所述正交的第二偏振方向的所述第一合色光束的一部分；并且所述第三颜色光从所述第二偏振旋转反射器反射，从而变成具有所述第一偏振方向的所述第二合色光束的一部分。
26.根据权利要求25所述的合色器，其中所述第三二向色反射偏振器包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
27.根据权利要求25所述的合色器，其中所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光包括红色光、绿色光和蓝色光。
28.一种图像投影仪，包括根据权利要求17所述的合色器和投影光学器件。
29.一种合色器，包括：
光收集光学器件，所述光收集光学器件具有光输入表面和光轴；
第一光源、第二光源和第三光源，所述第一光源、第二光源和第三光源设置为将第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源中的至少一者从所述光轴移位；
二向色反射偏振器板，所述二向色反射偏振器板包括：
第一二向色反射偏振器，所述第一二向色反射偏振器能够朝输出方向反射第一偏振方向的所述第一颜色光，并透射其他光；
第二二向色反射偏振器，所述第二二向色反射偏振器能够朝所述输出方向反射所述第一偏振方向的所述第二颜色光，并透射其他光；
第三二向色反射偏振器，所述第三二向色反射偏振器能够朝所述输出方向反射所述第一偏振方向的所述第三颜色光，并透射其他光；
半波长延迟片，所述半波长延迟片设置为将所述透射的其他光的正交的第二偏振方向转换为所述第一偏振方向；
二向色反射板，所述二向色反射板设置为向所述输出方向反射所述第一偏振方向的所述透射的其他光，所述二向色反射板包括：
第一二向色反射器，所述第一二向色反射器能够朝所述输出方向反射所述第一偏振方向的所述第一颜色光；
第二二向色反射器，所述第二二向色反射器能够朝所述输出方向反射所述第一偏振方向的所述第二颜色光；以及
第三二向色反射器，所述第三二向色反射器能够朝所述输出方向反射所述第一偏振方向的所述第三颜色光；
其中所述第一二向色反射偏振器、所述第二二向色反射偏振器和所述第三二向色反射偏振器以及所述第一二向色反射器、所述第二二向色反射器和所述第三二向色反射器各自倾斜，使得所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光形成具有所述第一偏振方向的合色光束。
30.根据权利要求29所述的合色器，其中所述二向色反射偏振器板包括偏振分束器(PBS)或薄膜的对角面。
31.根据权利要求29所述的合色器，其中所述光收集光学器件包括光准直光学器件。
32.根据权利要求29所述的合色器，其中所述第一二向色反射偏振器、所述第二二向色反射偏振器和所述第三二向色反射偏振器各自包括聚合物多层光学膜或带涂层的介电膜。
33.根据权利要求29所述的合色器，其中所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光包括红色光、绿色光和蓝色光。
34.一种图像投影仪，包括根据权利要求29所述的合色器、设置为在所述合色光束上赋予图像的空间光调制器；以及投影光学器件。
35.根据权利要求34所述的图像投影仪，其中所述空间光调制器包括硅基液晶(LCoS)成像仪或透射型液晶显示器(LCD)。
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