TW200947102A - Optical element and color combiner - Google Patents

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200947102 九、發明說明： 【先前技術】 用於將影像投射至屏幕上之投影系統可使用4有不同色 彩之多個色光源（例如發光二極體（LED))來產生照射光。 若干光學元件位於LED與影像顯示單元之間以結合光並將 光自LED傳遞至影像顯示單元。影像顯示單元可使用各種 方法來將影像施加於該光上。例如，影像顯示單元可如同 透射或反射液晶顯示器（LCD)—樣使用偏振。 影像亮度係一投影系統之一重要參數。色光源之亮度及 收集、結合、均勻化光並將光投送至影像顯示單元之效率 皆影響焭度。隨著現代投影機尺寸之減小，需要保持一適 當輸出亮度位階同時使由色光源所產生之熱量處於一可在 一小投影系統中耗散之低位階。需要一種光結合系統，其 以提高之效率來結合多個色光以提供一具有一適當亮度位 階而不存在光源之過度功率消耗之光輸出。亦需要一種光 • 結合系統，其以使光結合器中之波長敏感組件之降級最小 化之方式來引導不同波長頻譜之光。 【發明内容】 概言之，本說明係關於光學元件、使用該等光學元件之 色彩結合器及使用該等色彩結合器之影像投影機。於一個 態樣中’ 一光學元件包括一第一選色二向色濾光片、一第 二選色二向色濾光片及一反射偏光器。該等二向色濾光片 及反射偏光器經佈置以使分別垂直穿過該第一及第二選色 137232.doc 200947102 二向色濾光片之一第一及一第二線呈約45度交切該反射偏 光器。於一個實施例中，該光學元件進一步包含一反射 器，該反射器經佈置以使一垂直於該反射器之線亦呈45度 交切該反射偏光器。於另一實施例中，該反射偏光器係選 自一膽固醇反射偏光器及一 MacNeille反射偏光器。於再 一實施例中，該反射偏光器位於一第一與第二稜鏡之間， ' 以使該第一及第二選色二向色濾光片中之每一者毗鄰一稜 鏡面安置。 © 於再一實施例中，該反射偏光器係一與一第一偏振方向 對準之笛卡兒反射偏光器，且該光學元件進一步包括一第 一及第二延遲器’該第一及第二延遲器經安置以使該第一 及第二線分別在交切該反射偏光器之前垂直穿過該第一及 第二延遲器。於一個實施例中，該第一及第二延遲器中之 每一者與該第一偏振方向呈45度對準。 於一個態樣中，一光學元件包括一第一選色二向色濾光 片、一第二選色二向色濾光片及一反射偏光器。該等二向 色濾光片及反射偏光器經佈置以使分別垂直穿過該第一及 第一選色一向色遽光片之一第一及一第二線呈大約45度交 - 切該反射偏光器。於一個實施例中，該光學元件進一步包 含一第三二向色濾光片，該第三二向色濾光片經佈置以使 一垂直於該第三二向色濾光片之線呈大約45度交切該反射 偏光器。於另一實施例中，該反射偏光器係一膽固醇反射 偏光器。於再一實施例中，該反射偏光器係一 MacNeille 反射偏光器。於再一實施例中，該反射偏光器位於一第一 137232.doc 200947102 與第二稜鏡之間，以使該第一及第二選色二向色濾光片中 之每一者就鄰一稜鏡面安置。 於再一實施例中，該反射偏光器係一與一第一偏振方向 對準之笛卡兒反射偏光器，且該光學元件進一步包括一第 一、第二及第三延遲器，該第一、第二及第三延遲器經安 置以使該第一、第二及第三線分別在交切該反射偏光器之 刖垂直穿過該第一、第二及第三延遲器。於一個實施例 中，該第一、第二及第三延遲器中之每一者與該第一偏振 Ο 方向呈45度對準。 於一個態樣中，一色彩結合器包括一光學元件、經安置 以朝該等二向色濾光片中之每一者發射光之光源及一經安 置以透射一結合色光輸出之輸出區。於一個實施例中，該 等光源包括一發光二極體（led)。於另一實施例中，該等 LED中之每一者包括若干反射表面。於再一實施例中該 結合色光輸出經偏振。 φ 於一個態樣中，一影像投影機包括一色彩結合器及一成 像器’該成像器經安置以將該結合色光輸出之一第一部分 引導至一投影元件。於一個實施例中，該結合色光輸出之 - 一第二部分經由該輸出區再循環回至該色彩結合器。於另 - 一實施例中，該成像器係選自一 LCOS成像器、一微反射 鏡陣列及一透射LCD成像器。 【實施方式】 本文中所述之光學7G件可構形為接收不同波長頻譜光並 產生一包含該等不同波長頻譜光之結合光輸出之色彩結合 137232.doc -9- 200947102 器。於-個態樣中，所接收光輸人係非偏振的，且結合光 輸出亦係非偏振的。於一個實施例中，該結合光輸出之— 部分可再循環回至該色彩結合器中。於—個態樣^，所^ 收光輸入係非偏振的，而結合光輸出沿一所期望方向偏 振。於-個實施例中’具有不期望偏振方向之所接收光再 循環並旋轉至所期望偏振方向，以提高光利用效率。於一 些實施例中，所結合之光具有與所接收之光中之每一者相 同之光展量。所結合之光可係—包含多於—個波長頻譜之 光之多色結合光。所結合光可係所接收光中之每一者之一 時序性輸出。於一個態樣中，該等不同之波長頻譜之光中 之每一者對應於一不同色光（例如，紅色、綠色及藍色）， 且所結合之光輸出係白色光、或一時序性紅色、綠色及藍 色光。為了本文中所提供之說明之目的，"色光"及”波長 頻譜光”皆旨在指具有一可在由人眼看到時與一特定色彩 相關之波長頻譜範圍之光。更通用之術語"波長頻譜光"係 指可見光及其他波長頻譜之光兩者，包括（例如）紅外光。 亦為了本文中所提供之說明之目的’術語"面向"係指一 個元件經安置以使一垂直於該元件之表面之線沿著一亦垂 直於另一個元件之光程而行。一個元件面向另一個元件可 包括批鄰彼此安置之元件，一個元件面向另一個元件進一 步包括由光學器件隔開以使一垂直於一個元件之光線亦垂 直於另一個元件之元件。 當兩個或更多個非偏振色光被引導至該光學元件時，每 一非偏振色光皆由一反射偏光器根據偏振來進行分裂。根 137232.doc • 10- 200947102 據下文所述之一個實施例’一色光結合系統自不同色彩非 偏振光源接收非偏振光，並產生一沿一個所期望方向偏振 之結合光輸出。於一個態樣中，多達三個所接收色光各自 由一偏振光束分束器（PBS)中之一反射偏光器根據偏振（例 如，s-偏振及p-偏振，或右圓偏振及左圓偏振）來進行分 裂。一個偏振方向之所接收光再循環以成為所期望之偏振 方向。 根據一個態樣’ PBS包含一反射偏光器，該反射偏光器 經定位以使來自該三個色光中之每一者之光呈大約45度角 交切該反射偏光器。該反射偏光器可係任何已知反射偏光 器’例如一 MacNeille偏光器、一線柵偏光器、一多層光 學膜偏光器、或一例如一膽固醇液晶偏光器之圓形偏光 器。根據一個實施例，一多層光學膜偏光器可係一較佳反 射偏光器。反射偏光器可位於兩個稜鏡之對角面之間，或 其可係一例如一薄臈之獨立式膜。於一些實施例中，當反 射偏光器位於兩個稜鏡之間時，PBS光利用效率得到提 兩。於此實施例中，一些原本自光程丟失之穿過該pBS之 光可經歷自稜鏡面之全内反射（TIR)並再加入光程。由於 至少此原因’下文說明係針對其中反射偏光器位於兩個稜 鏡之對角面之間的pB s ;然而，應理解，該pB s可在用作 一薄膜時以相同方式起作用。於一個態樣中，該等PBS稜 鏡之所有外部面皆係高度拋光的以使進入該pB s之光經歷 TIR »以此方式，光包含於該pBS内且該光部分地均勻化 同時仍保持光展量。 137232.doc 200947102 根據一個態樣，例如選色二向色濾光片之波長選擇濾光 片位於自不同色彩之光源中之每一者之輸入光之路徑中。 每一二向色濾光片皆經定位以使輸入光呈接近正入射交切 滤光片以使對S-偏振光及p_偏振光之分裂最小化，並且使 色移最小化。每一二向色濾光片皆經選擇以透射具有毗鄰 輸入光源之一波長頻譜之光，並反射具有其他輸入光源中 之至少一者之一波長頻譜之光。於一些實施例中，每一二 向色濾光片皆經選擇以透射具有毗鄰輸入光源之一波長頻 譜之光，並反射具有所有其他輸入光源之一波長頻譜之 光。於一個態樣中，每一二向色濾光片皆相對於反射偏光 器疋位以使每一一向色濾光片之表面之一法線呈一大約45 度之交切角交切反射偏光器。所謂一二向色濾光片之表面 之法線係指一垂直穿過二向色濾光片之表面之線。於一個 實施例中，交切角範圍從35到55度；從4〇到5〇度；從43到 48度；或從44.5到45.5度。 於一個態樣中，一不期望偏振方向之輸入光藉由下述方 式再循環：將其往回朝光源引導，在那裏其自表面（例如 分反射LED)反射。於一個實施例中，一延遲器位於自 每一輸入光至稜鏡面之光路徑内，以使由光源發出之光在 進入該PBS稜鏡面之前透過一二向色濾光片及一延遲器。 具有一不期望偏振方向之光往回再循環且自LED反射，並 兩次透過延遲器，從而變成所期望之偏振方向。 於—些實施例中，該延遲器放置於該二向色濾光片與該 光源之間。於一些實施例中，該二向色濾光片放置於延遲 137232.doc -12- 200947102 器與光源之間。二向色濾光片、延遲器及源定向之特定結 口協作以實現一在構形為一色彩結合器時有效地產生一單 個偏振方向之結合光之更小、更緊湊之光學元件。根據一 個態樣，該延遲器係一與該反射偏光器之一偏振方向呈大 約45度對準之四分之一波長延遲器。於一個實施例中，該 對準可與該反射偏光器呈從35到55度；從40到50度；從43 到48度；或從44.5到45.5度。 於一個態樣中，第一色光包含一藍色光，第二色光包含 一綠色光且第三色光包含一紅色光，且該色光結合器結合 該紅色光、藍色光及綠色光以產生偏振白色光。於一個態 樣中，第一色光包含一藍色光，第二色光包含一綠色光且 第三色光包含一紅色光’且該色光結合器結合該紅色、綠 色及藍色光以產生一時序性偏振紅色、綠色及藍色光。於 一個態樣中，第一、第二及第三色光中之每一者位於單獨 的光源中。於另一態樣中’將該三個色光中之一者以上結 合成該等源中之一者。 根據一個態樣’該反射偏振膜包含一多層光學膜。該 PBS產生一包括p_偏振第二色光、及s_偏振第一及第三色 光之第一結合光輸出。可使第一結合光輸出透過一選色堆 疊式延遲濾光片，該選色堆疊式延遲濾光片隨著第二光透 過該濾光片而有選擇地改變第二色光之偏振。此等選色堆 疊式延遲濾光片可自（例如）科羅拉多州Boulder之ColorLink 公司購得。該濾光片產生一包括結合成具有同一偏振（例 如s-偏振）之第一、第二及第三色光之第二結合光輸出。第 137232.doc • 13· 200947102 二結合輸出適用於照射調變偏振光以產生影像之透射或反 射顯示機構。 當該光進入該PBS時，其可係準直、會聚或發散的。進 入該PBS之會聚或發散光可經由該pbs之面或端中之一者 丟失。為了避免此類丟失’ 一基於稜鏡之PBS之所有外部 • 面可皆係拋光的以實現該PBS内之全内反射（TIR)。實現 TIRk局對進入該PBS之光之利用率，以便重引導在一角 度範圍内進入該PBS之光之大致全部以經由所期望之面退 〇 出該PBS。 每一色光之一偏振分量可透過至一偏振旋轉反射器。該 偏振旋轉反射器反轉光之傳播方向並根據一位於該偏振旋 轉反射器中之延遲器之類型及定向來改變該等偏振分量之 里值。該偏振旋轉反射器可包括一例如一二向色渡光片之 波長選擇反射鏡及一延遲器。該延遲器可提供任一所期望 之延遲’例如一八分之一波長延遲器、一四分之一波長延 遲器及類似延遲器。於本文中所述之實施例中，具有一使 ® 用一四分之一波長延遲器及一關聯二向色反射器之優點。 隨著線性偏振光透過一與光偏振轴線呈45。角對準之四分 之一波長延遲器時’線性偏振光變成圓偏振光。自該色彩 結合器中之反射偏光器及四分之一波長延遲器/反射器之 後續反射產生自該色彩結合器之有效結合光輸出。與此相 反，線性偏振光隨著其透過其他延遲器及定向時而改變至 一介於s-偏振與p-偏振之中途之偏振狀態（橢圓形或線 性），且可導致結合器之效率下降。 137232.doc 14 200947102 光學元件之組件（包括稜鏡、反射偏光器、四分之一波 長延遲器、反射鏡、濾光片或其他組件）可藉由一合適之 光學黏合劑黏接在一起。用於將該等組件黏接在一起之光 學黏合劑可具有一較用於光學元件中之稜鏡之折射率為低 之折射率。一完全黏接在一起之光學元件提供若干優點， 包括裝配、操縱及使用期間之對準穩定性。 參考下文圖式及其隨附說明可更容易理解上文所述之實 施例。 圖1係一 PBS之透視圖。PBS 100包括一位於稜鏡11〇與 120之對角面之間之反射偏光器190。稜鏡n〇包括兩個端 面175、185、以及其之間呈90。角之一第一及第二稜鏡面 130、140。稜鏡120包括兩個端面17〇、18〇、以及其之間 呈90。角之第三及第四稜鏡面15〇、160。第一稜鏡面130平 行於第三棱鏡面150，且第二稜鏡面14〇平行於第四稜鏡面 1 60。以一”第一”、’’第二"、"第三"及"第四"來識別圖】中 所示之四個稜鏡面用來詳細闡明下文闡述中對pBS j 〇〇之 說明。第一反射偏光器190可係一笛卡兒反射偏光器或一 非笛卡兒反射偏光器》—非笛卡兒反射偏光器可包括諸如 藉由依序沈積無機介電質而產生之多層無機膜，例如一 MacNeille偏光器。一笛卡兒反射偏光器具有一偏振轴線 方向’且包括線柵偏光器及諸如可藉由擠製並隨後拉伸多 層聚合壓層而產生之聚合多層光學膜兩者。於一個實施例 中’反射偏光器19 0經對準以使一個偏振軸線平行於一第 一偏振方向195 ’且垂直於一第二偏振方向196。於一個實 137232.doc 15 200947102 施例中，第一偏振方向195可係s-偏振方向，且第二偏振 方向196可係p-偏振方向。如圖1中所示，第一偏振方向 195垂直於端面170、175、180、185中之每一者。

一笛卡兒反射偏光器膜為偏振光束分束器提供—以高效 率傳遞不完全準直且相對於一中心光束轴線發散或偏斜之 輸入光線之能力。笛卡兒反射偏光器膜可包含一聚合多層 光學膜’該聚合多層多光學膜包含多個介電質或聚合材料 層。介電膜之使用可具有低光衰減及高透光效率之優點。 多層光學膜可包含聚合多層光學膜，例如美國專利 5,962，114(J0nza 等人）或美國專利 6,721〇96(Bruzz〇ne等人) 中所述之聚合多層光學膜。 圖2係用於一些實施例中之四分之一波長延遲器與 之對準之透視圖。四分之一波長延遲器可用來改變入射光 之偏振狀態。PBS延遲器系統2〇〇包括具有第一及第二稜鏡 110 及 120 之 PBS 1〇〇 四分之一波長延遲器220毗鄰第一 棱鏡面130安置。反射偏光器190係一與第-偏振方向195 對準之笛卡兒反射偏光器膜。四分之—波長延遲器22〇包 括一與第-偏振方向195呈45。對準之四分之—波長偏振方 向295。儘管圖2顯示偏振方向295沿順時針方向斑第一偏 振方向195呈45。對準，然而，偏振方向295亦可i逆時針 方向與第-偏振方向195呈45。對準。於—些實施例令，四 ^之一波長㈣方向295可㈣—偏財向195呈任一度數 疋向對準’例如從沿逆時針方向9〇。到沿順時針方向9〇。。 所述可有利地將延遲器定向呈大約仏Μ。，此乃因圓 137232.doc •16- 200947102 偏振光產生於線性偏振光透過一與偏振方向如此對準之四 分之一波長延遲器時。四分之一波長延遲器之其他定向可 導致S-偏振光在自反射鏡反射時不完全變換至p_偏振光， 且P-偏振光不完全變換至S-偏振光，從而導致本說明中別 處所述之光學元件之效率下降。 圖3a顯示一拋光PBS 300内之一光線路徑之俯視圖。根 據一個實施例，稜鏡110及120之第一、第二、第三及第四 稜鏡面130、140、150、160係拋光外部表面。根據另一實 施例，PBS 300之所有外部面（包括端面，未顯示）皆係拋 光面’其達成對PBS 300内之傾斜光線之TIR。該等拋光外 部表面與一具有一小於稜鏡110及12〇之折射率”n2，，之折射 率'’η!"之材料接觸。TIR提高PBS 300中之光利用率，尤其 在引導至PBS中之光不沿一中心軸線準直（亦即，入射光係 會聚或發散的）時。至少一些光因全内反射而陷獲於PBS 300中直至其經由第三稜鏡面ι5〇離開為止。在一些情況 下’該光之大致全部因全内反射而陷獲於PBS 300中直至 其經由第三稜鏡面1 50離開為止。 如圖3a中所示，光線L〇在一角度範圍Θ〗内進入第一稜鏡 面130。PBS 300内之光線Li在一角度範圍θ2内傳播，以在 稜鏡面140、160及端面（未顯示）處滿足TIR條件。光線 "ΑΒ”、"AC"及"AD”代表經由PBS 300之諸多光路徑中之三 個光路徑’其在經由第三稜鏡面15〇退出之前與反射偏光 器190相交成不同之入射角度。光線"ΑΒ"及"AD”亦在退出 之前分別在稜鏡面140及160處經歷TIR。應理解，角度範 137232.doc •17· 200947102 圍θ!&θ2可係一角度錐，以便亦可在PBS 300之端面處出 現反射。於一個實施例中，反射偏光器190經選擇以有效 地分裂處於一廣泛之入射角度範圍内之不同偏振之光。一 聚合多層光學膜尤其很適用於分裂處於一廣泛之入射角度 範圍内之光。其他反射偏光器（包括MacNeille偏光器及線 柵偏光器）亦可使用，但其在分裂偏振光方面不太有效。 一 MacNeille偏光器不能有效地透射處於實質不同於設計 角度（其通常與偏振選擇表面呈45度，或與PBS之輸入面垂 直）之入射角度下之光。使用MacNeille偏光器來有效地分 裂偏振光可僅限於相對於法線低於約6或7度之入射角，此 乃因在一些更大之角度下可出現對p_偏振狀態之顯著反 射’且在一些更大之角度下亦可出現對3_偏振狀態之顯著 反射。兩種效應可降低MacNeille偏光器之分裂效率。使 用線栅偏光器來有效地分裂偏振光通常需要一毗鄰導線之 一側之空氣間隙，且效率在一線柵偏光器沉沒於一更高指 數介質中時下降。一用於分裂偏振光之線柵偏光器顯示 (例如）於pct公開申請案w〇 2008/1002541中。 於一個態樣中，圖3b顯示一構形為一色彩結合器之光學 元件310,其包含一位於一第一、第二及第三光源（32〇、 330、340)中之每一者與一 PBS 3〇〇之間的光隧道35〇。光 隧道350可適用於部分地準直自該光源發出之光，並減小 光進入PBS之角度。一第一、第二及第三光源32〇、33〇、 3 40發射第一、第二及第三非偏振色光321、331、341，第 、第一及第二非偏振色光321、331、341穿過光隧道 137232.doc 200947102 35〇，透過第—、第二及第三偏振旋轉反射器36〇、 370、380(分別地）至PBS 3〇〇中，透過選色堆疊式延遲偏 光器390,並以沿一第一方向偏振之第一、第二及第三色 光322、332、342形式退出光學元件31〇β偏振旋轉反射器 3 60、37〇、380將在別處加以更全面闡述，但通常包含一 二向色濾光片及延遲器。延遲器及二向色濾光片相對於毗 鄰光源之位置取決於偏振組件中每一者之所期望路徑，且 在別處參照該等圖式來加以闡述。光隧道35〇係光學元件 〇 310之可選組件，且自下文關於色彩結合器之說明省略 掉。此等光隧道可具有直邊或曲邊，或其可由一透鏡系統 取代。不同之方法可端視每一應用之具體細節優先選用， 且熟習此項技術者不會面臨針對一具體應用選擇最佳方法 之困難》 於一些實施例中’選色堆疊式延遲偏光器39〇係可選 的，例如當不期望旋轉該等色光中之一者或多者之偏振方 ❹向時於一些實施例中，光學元件3 10可經構形以將非偏 振光源結合成一結合非偏振光，且不需要選色堆疊式延遲 偏光器390。 於一個態樣中，反射偏光器190可係一圓偏光器，例如 一膽固醇液晶偏光器。根據此態樣，偏振旋轉反射器 360 370、380包含二向色濾光片而無任何關聯延遲器， 且省略掉選色堆疊式延遲偏光器390。於一個實施例中， 第一、第二及第三非偏振色光321、331、341穿過光隧道 350’透過一第_、第二及第三偏振旋轉反射器36〇、 137232.doc -19- 200947102 370、380(分別地）至PBS 300中，並以第一、第二及第三 非偏振（左圓偏振及右圓偏振）色光322、332、3 42形式退出 色彩結合器310。 於一個態樣中，圖4a-4c係一包括一 PBS 100之色彩結合 器400之俯視示意圖。色彩結合器400可與別處所述之各種 光源一起使用。自一第一、第二及第三部分反射光源 470、480、490發射之每一偏振之光線路徑顯示於圖4&_铋 中’以更清楚地圖解闡釋色彩結合器400之各種組件之功 ® 能。PBS 100包含一如別處所述與第一偏振方向195對準之 反射偏光器190。於一個態樣中，反射偏光器19〇可包含一 聚合多層光學膜。一第一、第二及第三波長選擇濾光片 440、450、460分別面向第二、第三及第四稜鏡面14〇、 150、160安置。第一、第二及第三波長選擇濾光片44〇、 450、460中之每一者可係一二向色濾光片，其經選擇以透 射一第一、第二及第三波長頻譜之光並反射其他波長頻譜 之光。 一延遲器220位於面向第一、第二及第三波長選擇濾光 片440、450、460中之每一者。延遲器22〇、波長選擇濾光 . 片（440、450、460)及部分反射光源（470、480、490)協作 以透射一個偏振方向之光，並再循環其他偏振狀態之光， 如別處所述。於一個實施例中，色彩結合器4〇〇中之每一 延遲器220皆係一與第一偏振方向195呈45。定向之四分之 一波長延遲器。 色彩結合器400亦包括一位於面向第一稜鏡面13〇之濾光 137232.doc -20- 200947102 片430，濾光片430能夠改變至少一個選定波長頻譜之光的 偏振方向而不改變至少另一個選定波長頻譜之光的偏振方 向。在一個態樣中，濾光片43〇係一選色堆疊式延遲偏光 器，例如一 ColorSelect®濾光片（其可自科羅拉多州B〇uMer 之ColorLink®公司購得）。 分反射光源（470、480、490)中之每一者皆具有一為 ' 至少部分光反射之表面。每一光源皆安裝於一亦可為至少 部分光反射之基板上。該反射光源及選擇性地該反射基板 © 肖該色彩結合器協作以再循環光並提高效率。根據再一態 樣，光隧道或集光透鏡可經提供以提供將光源與該偏振光 束分束器分隔開之間隔，如別處所述。一積分器可提供於 色彩結合器之輸出處以提高結合光輸出之均勻度。根據一 個態樣，每一部分反射光源（47〇、48〇、49〇)皆包含一個或 多個發光二極體（LED)。可使用各種先源，例如雷射、雷 射二極體、有機LED(OLED)、及非固態光源，例如具有適 〇 當集光器或反射器之超高壓（UHP)、鹵素或氙燈。適用於 本發明之光源、光隧道、透鏡及光積分器進一步闞述（例 如）於同在申請中的美國專利申請案第6〇/938,834號中，該 • 專利申請案之揭示内容以全文引用方式併入本文中。 現在參照圖4a來闡述一第一色光471之路徑，其中非偏 振第一色光471以s-偏振第一色光479形式退出色彩結合器 4〇〇。第一光源470將非偏振第一色光471射出透過第一二 向色濾光片440、延遲器220，經由第二稜鏡面14〇進入pBS 100 ’交切反射偏光器19〇，並被分裂成p偏振第一色光 I37232.doc -21 - 200947102 472及s-偏振第一色光473。S-偏振第一色光473自反射偏光 器190反射，經由第一稜鏡面13〇退出Pbs 1〇〇並無變化地 透過濾光片430，從而成為s_偏振第一色光479。 P-偏振第一色光472透射過反射偏光器190，經由第四棱 鏡面160退出PBS 100，自第三二向色濾光片460反射，並 經由第四稜鏡面160以p_偏振第一色光474形式重新進入 ' PBS 100。P-偏振第一色光474透過反射偏光器190，經由 第二稜鏡面140退出PBS 100，並隨著其透過延遲器220而 © 變成第一方向圓偏振第一色光475。第一方向圓偏振第一 色光475透過第一二向色濾光片44〇從而成為圓偏振光 476，圓偏振光476自部分反射第一光源470反射，改變圓 偏振方向，並以第二方向圓偏振第一色光477形式透過二 向色濾光片440。第二方向圓偏振第一色光477透過延遲器 220從而成為s·偏振第一色光478，s-偏振第一色光478經由 第二面140進入PBS 100，自反射偏光器190反射，經由第 一稜鏡面130退出PBS 100，並無變化地透過濾光片430， ❹ 從而成為s-偏振第一色光479。 現在參照圖4b來闡述一第二色光481之路徑，其中非偏 • 振第二色光481以s-偏振第二色光487形式退出色彩結合器 - 400。第二部分反射光源480將非偏振第二色光481射出透 過延遲器220及第二二向色濾光片450，經由第三稜鏡面 150進入PBS 100 ’交切反射偏光器190，並被分裂成p-偏 振第二色光482及s·偏振第一色光483。P-偏振第二色光482 無變化地透過反射偏光器190，經由第一稜鏡面130退出 137232.doc • 22· 200947102 PBS 100並透過濾光片430，改變偏振方向從而變成3_偏振 第二色光487。 S -偏振第一色光483自反射偏光器190反射，經由第四棱 鏡面160退出PBS 100 ’自第三二向色濾光片460反射，並 經由第四稜鏡面160以s-偏振第二色光484形式進入PBS 100。S-偏振第二色光484自反射偏光器190反射，經由第 • 三稜鏡面150退出PBS 100，透過第二二向色濾光片45〇 , 並隨著其透過延遲器220而變成圓偏振第二色光485。圓偏 ❹ 振第二色光485自第二部分反射光源480反射，改變圓偏振 方向’並透過延遲器220,從而變成p-偏振第二色光486。 P-偏振第二色光486透過第二二向色遽光片450，經由第三 稜鏡面150進入PBS 100，透過反射偏光器190，經由第一 棱鏡面130退出PBS 100，並隨著其透過濾光片430而變成 s-偏振第二色光487。 現在參照圖4c來闞述一第三色光491之路徑，其中非偏 振第三色光491以s-偏振第三色光499形式退出色彩結合器 ❹ 400。第三部分反射光源490將非偏振第三色光491射出透 過延遲器220及第三二向色濾光片460，經由第四稜鏡面 160進入PBS 100 ’交切反射偏光器190，並被分裂成p-偏 振第三色光492及s-偏振第三色光493。P-偏振第三色光492 透過反射偏光器190，經由第二棱鏡面140退出PBS 100並 隨著其透過延遲器220而變成圓偏振第二色光495。圓偏振 第二色光495自第一二向色濾光片440反射從而改變圓偏振 方向，並隨著其透過延遲器220而變成s-偏振第三色光 137232.doc -23· 200947102 498。S-偏振第三色光498經由第二稜鏡面140進入PBS 100，自反射偏光器190反射’經由第一稜鏡面130退出PBS 100並無變化地透過濾光片430，從而成為s-偏振第三色光 499 ° S-偏振第三色光493自反射偏光器190反射，經由第三稜 • 鏡面150退出PBS 100 ’自第二二向色濾光片450反射，並 • 經由第三稜鏡面150以s-偏振第三色光494形式進入PBS 100。S-偏振第三色光494自反射偏光器190反射，經由第 © 四稜鏡面160退出PBS 100，透過第三二向色遽光片460， 隨著其透過延遲器220而變成圓偏振第三色光495,自第三 部分反射光源4 90反射從而改變圓偏振方向，並隨著其透 過延遲器220而變成p-偏振第三色光496。P-偏振第三色光 496透過第三二向色滤光片460，經由第四稜鏡面1 6〇進入 PBS 100’透過反射偏光器190’並經由第二稜鏡面140退 出PBS 100。P-偏振第三色光496隨著其透過延遲器220而 @ 變成圓偏振第三色光495，自第一二向色濾光片44〇反射從 而改變圓偏振方向’並隨著其透過延遲器22〇而變成s•偏 振第二色光497。P-偏振第三色光497經由第二稜鏡面14〇 進入PBS 100，自反射偏光器190反射，經由第一稜鏡面 130退出PBS 100，並以s_偏振第二色光497形式無變化地 透過濾光片430。 於一個實施例中，第一色光47〇係藍色光，第二色光48〇 係綠色光，且第二色光49〇係紅色光。根據此實施例，二 向色濾光片440係一紅色光反射及藍色光透射二向色濾光 137232.doc •24- 200947102 片，二向色濾光片450係一紅色光反射及綠色光透射二向 色遽光片，且二向色遽光片460係一綠色和藍色光反射及 紅色光透射二向色遽光片。根據一個實施例，滤光片43〇 係-改變綠色光之偏振方向同時使紅色及藍色光兩者能夠 無偏振變化地透射之GM C〇l〇rSelect⑧濾光片。根據另一 實施例’濾光片430係一改變紅色及藍色光之偏振方向同 時使綠色光能夠無偏振變化地透射之MG c〇i〇rSdect⑧濾 光片。 > 於一個態樣中，圖7&_化係一根據本發明之另一態樣之 色彩結合器之俯視示意圖β於圖7a_7c中，藉助一包含一 PBS 100之展開式色彩結合器7〇〇來闡述一第一至第三光線 771、781、791之路徑。展開式色彩結合器7〇〇可係參照圖 4a-4c所述之光結合器4〇〇之一個實施例，且可與別處所述 之各種光源一起使用。自位於平面730上之一第一、第二 及第三部分反射光源77〇、78〇、79〇發射之每一偏振之光 線路徑顯不於圖7a-7c中，以更清楚地圖解闡釋展開式色 彩結合器700之各種組件之功能。於一個實施例中，平面 730可包括一為該三個光源所共有之熱交換器。 展開式色彩結合器700包括分別面向PBS i 00之第二稜鏡 面M0及第四稜鏡面160安置之一第三棱鏡71〇及一第四棱 鏡720(其闞述於別處）。第三稜鏡71〇及第四棱鏡72〇各自係 一"轉動稜鏡"。自位於平面73〇上之第一及第三光源77〇、 790發出之第一及第三光771、791由第三及第四稜鏡71〇、 720轉動以分別沿一垂直於第二及第四稜鏡面14〇、16〇之 137232.doc -25- 200947102 方向進入PBS 100。 第三稜鏡710包含第五及第六棱鏡面712、714、以及其 之間的對角稜鏡面916。第五及第六稜鏡面712、714係"轉 動稜鏡面"。第五稜鏡面712經定位以自第一光源770接收 第一光771並將光引導至第二棱鏡面140。第四棱鏡720包 括第七及第八稜鏡面722、724、以及其之間的對角稜鏡面 . 726。第七及第八稜鏡面722、724亦係"轉動稜鏡面"。第 七稜鏡面722經定位以自第三光源790接收第三光791並將 ® 光引導至第四稜鏡面160。 第五、第六、第七及第八稜鏡面712、714、722、724、 以及對角稜鏡面716、726可係拋光的以保持tir，如別處 所述。第三及第四稜鏡710、720之對角稜鏡面716、726亦 可包括一金屬塗層、一介電質塗層、一有機或無機干涉堆 疊、或一結合以增強反射。 第一、第二及第二波長選擇j慮光片440、450、460分 參 別面向第二、第三及第四稜鏡面140、150、160安置。第 、第一及第二波長選擇渡光片440、450、460中之每一 者可係一二向色濾光片，其經選擇以透射一第一、第二及 • 第三波長頻譜之光並反射其他波長頻譜之光。如圖7a_7c - 中所示’第二及第三波長選擇濾光片450、460分別面向並 峨鄰第三及第四稜鏡面150、160安置，而第一波長選擇滤 光片則面向但不戚鄰第二棱鏡面140安置，如別處所述。 一延遲器220面向第一、第二及第三波長選擇渡光片 440、4S0、460中之每一者安置。延遲器22〇、波長選擇濾 137232.doc -26- 200947102 光片（440、450 ' 460)及部分反射光源（770、780、790)協 作以透射一個偏振方向之光，並再循環其他偏振狀態之 光，如別處所述。於一個實施例中，展開式色彩結合器 700中每一延遲器220皆係一與第一偏振方向195呈45。定向 之四分之一波長延遲器。 於圖7a-7c中所示之一個實施例中，第一波長選擇濾光 • 片440及關聯延遲器220分別面向第五及第六稜鏡面712、 714安置’且亦面向PBS 100之第二稜鏡面14〇。於一個實 〇 施例中’第三波長選擇濾光片460及關聯延遲器220分別面 向第八及第七稜鏡面724、722安置，且亦面向pbs 100之 第四棱鏡面160。於另一實施例（未顯示）中，第一波長選擇 濾光片440及關聯延遲器220以一類似於第二波長選擇濾光 片450及關聯延遲器220之定位之方式面向彼此定位（例如 毗鄰彼此）。在此情況下，第一波長選擇濾光片44〇及延遲 器220可她鄰第五稜鏡面712，或毗鄰第二稜鏡面140放 Θ 置。原則上，展開式光結合器7〇〇可起作用而不管波長選 擇濾、光片與關聯延遲器之間的間隔如何，但其限制條件係 每一者相對於光線路徑之定向不變，亦即，每一者大致垂 直於光線路徑。然而，端視自對角稜鏡面716及726之反射 之性質，可存在由自彼等面之反射而引入之或多或少偏 振混合。此偏振混合可導致光效率丟失，且可藉由將波 長選擇濾光片440與460更靠近稜鏡面14〇及16〇放置而最 巧、4匕。 波長選擇濾光片440、450、460中之每一者可與關聯四 137232.doc -27- 200947102 分之一波長延遲器220隔開’如圖7a_7c中所示。此外，波 長選擇濾光片440、450、460中之每一者可與毗鄰四分之 一波長延遲器220直接接觸。另一選擇係，波長選擇濾光 片440、450、460中之每一者可藉助一光學黏合劑黏合至 她鄰四分之一波長延遲器220。該光學黏合劑可係一可固 化黏合劑。該光黏合劑亦可係一感壓黏合劑。 展開式光結合器700可係一雙色彩結合器。於此實施例 中’波長選擇濾、光片440、450、460中之兩者係一第一及 一第二二向色遽光片’其經選擇以分別透射一第一及一第 二色光，並反射其他色彩之光。第三反射器係一反射鏡。 所s胃反射鏡係指一經選擇以反射大致所有色彩之光之鏡面 反射器。第一及第二色光可具有處於鏡面範圍内之最小重 疊；然而，若期望’則可具有實質性重疊。 於圖7a-7c中所示之一個實施例中，展開式光結合器7〇〇 係一三色彩結合器。於此實施例中，波長選擇濾光片 440、450、460係第一、第二及一第三二向色濾光片其 經選擇以分別透射第一、第二及一第三色光，並反射其他 色彩之光。於一個態樣中，第一、第二及第三色光具有處 於鏡面範圍内之最小重疊，然而，若期望，則可具有實質 性重疊。使用此實施例之展開式光結合器7〇〇之方法包 括：將一具有第一色彩之第一光77丨朝第一二向色濾光片 440引導，將一具有第二色彩之第二光781朝第二二向色濾 光片450引導，將一具有第三色彩之第三光791朝第三二向 色濾光片460引導，並自pBS 1〇〇之第二面13〇接收結合 137232.doc -28- 200947102 光。參照圖7a-7c來進一步闡述第一、第二及第三光771、 781、791中每一者之路徑。 於一個實施例中，第一、第二及第三光771、78 i、79i 中之每一者可係非偏振光且所結合光係偏振的。於另一實 施例中，第一、第二及第三光771、781、791中之每一者 可係紅色、綠色及藍色非偏振光，且所結合光可係偏振白 色光。第一、第二及第三光771、781、79 i中之每一者可 包含參照圖4a-4c闞述於別處之光。 於一個態樣中，展開式光結合器7〇〇可包括可選光隧道 350,如圖扑中所描述。光隧道35〇可適用於部分地準直自 光源發出之光，並減小光進入PBS 1〇〇之角度。光隧道35〇 係展開式色彩結合器700之可選組件，且亦可係本文中所 述之色彩、.Ό 〇器及分束器中任何一者之可選組件。光隧道 可具有直邊或曲邊，或其可由一透鏡系統取代。不同之方 法可端視每—應用之具體細節優先選肖，且熟習此項技術 者不會面臨針對一具體應用選擇最佳方法之困難。 展開式色赛結合器700亦包括一面向第一棱鏡面13〇安置 之遽光片43G，滤光片43〇能夠改變至少—個選定波長頻譜 之光之偏振方向而不改變至少另一個選定波長頻譜之光之 偏振方向。於一個態樣中，濾光片43〇係一選色堆憂式延 遲偏光器，例如一 ColorSelect⑧濾光片（其可自科羅拉多州 Boulder 之 ColorLink® 公司講得）。 部分反射光源（770、780、79〇)中之每一者皆具有一為 至少部分光反射之表面。每一光源皆安裝於一亦可為至少 I37232.doc -29- 200947102 :反射之平面73〇上。反射光源及視需要該反射平面與 該展開式色彩結合器協作以再循環光並提高效率。根據再 &樣，光隧道或收集透鏡可經提供以提供將光源與該偏 振光束分束器分隔開之間隔，如別處所述。一積分器可提 供於色彩結合器之輸出處以提高結合光輸出之均勻度。根 據—個態樣，每-部分反射光源(770、780、790)皆包含一 個或多個發光二極體（LED)。可使用各種光源，例如雷 射、雷射二極體、有機LED(〇LED)、及非固態光源，例如 具有適當集光器或反射器之超高壓（UHp)、鹵素或氙燈。 適用於本發明之光源、光隧道、透鏡及光積分器進一步揭 不（例如）於同在申請中的美國專利申請案第6〇/938,834號 中’該專利申請案之揭示内容以全文引用方式併入本文 中。 現在參照圖7a來闡述一第一色光771之路徑，其中非偏 振第一色光771以s-偏振第一色光779形式退出展開式色彩 結合器700。第一光源770將非偏振第一色彩光771射出透 過第一二向色濾光片440，經由第五稜鏡面712進入第三稜 鏡710，自對角稜鏡面716反射並經由第六稜鏡面714退出 第三棱鏡710»非偏振第一色光771透過延遲器220，經由 第二稜鏡面140進入PBS 100’交切反射偏光器190，並被 分裂成p-偏振第一色光772及s-偏振第一色光773。S-偏振 第一色光773自反射偏光器1 90反射，經由第一稜鏡面13〇 退出PBS 100並無變化地透過濾光片430，從而成為s·偏振 第一色光779。 137232.doc -30- 200947102 P-偏振第一色光772透射過反射偏光器190，經由第四棱 鏡面160退出PBS 100，自第三二向色濾光片460反射，並 經由第四稜鏡面160以p-偏振第一色光774形式重新進入 PBS 100。P-偏振第一色光774透過反射偏光器190，經由 第二稜鏡面140退出PBS 100，並隨著其透過延遲器220而 變成第一方向圓偏振第一色光775。第一方向圓偏振第一 色光775經由第六稜鏡面714進入第三稜鏡710，自對角稜 鏡面716反射’從而變成第二方向圓偏振第一色光，經由 第五稜鏡面712退出第三稜鏡710，無變化地透過第一二向 色濾光片440，自部分反射第一光源770反射，從而變成第 一方向圓偏振第一色光，並透過二向色濾光片440。第一 方向圓偏振第一色光經由第五稜鏡面712進入第三稜鏡 71〇’自對角稜鏡面71 6反射，從而使圓偏振方向變成第二 方向圓偏振第一色光776，並經由第六稜鏡面714退出第三 稜鏡710。第二方向圓偏振第一色光776透過延遲器220從 而成為s-偏振第一色光777，s-偏振第一色光777經由第二 面140進入PBS 100，自反射偏光器190反射，經由第一稜 鏡面130退出PBS 100，並無變化地透過濾光片430，從而 成為s-偏振第一色光779。 現在參照圖7b來闡述一第二色光78 1之路徑，其中非偏 振第二色光781以s-偏振第二色光787形式退出展開式色彩 結合器700。第二部分反射光源780將非偏振第二色光781 射出透過延遲器220及第二二向色濾光片450，經由第三稜 鏡面150進入PBS 100，交切反射偏光器190，並被分裂成 137232.doc -31 - 200947102 P-偏振第二色光782及s-偏振第一色光783。P-偏振第二色 光7 82無變化地透過反射偏光器190，經由第一稜鏡面13〇 退出PBS 100並透過滤光片430 ’從而改變偏振方向以成為 s-偏振第二色光787。 S-偏振第二色光783自反射偏光器190反射，經由第四稜 鏡面160退出PBS 100 ’自第三二向色濾光片460反射，並 經由第四稜鏡面160以s-偏振第二色光784形式進入pbs 1 〇〇。S-偏振第二色光784自反射偏光器190反射，經由第 ® 三稜鏡面150退出PBS 100，透過第二二向色濾光片45〇， 並隨著其透過延遲器220而變成圓偏振第二色光785»圓偏 振第二色光785自第二部分反射光源780反射，改變圓偏振 方向，並透過延遲器220 ’從而變成ρ-偏振第二色光786。 Ρ-偏振第二色光786透過第二二向色濾光片450，經由第三 稜鏡面150進入PBS 100’透過反射偏光器190，經由第一 稜鏡面130退出PBS 100，並隨著其透過濾光片43〇而變成 s-偏振第二色光787。 現在參照圖7c來闞述一第三色光791之路徑，其中非偏 振第三色光791以s-偏振第三色光796形式退出展開式色彩 結合器700。第三部分反射光源790將非偏振第三色光791 射出透過延遲器220，經由第七棱鏡面722進入第四棱鏡 720 ’自對角稜鏡面726反射’並經由第八稜鏡面724退出 第四稜鏡720。非偏振第三色光791透過第三二向色濾光片 460，經由第四稜鏡面16〇進入PBS 100，交切反射偏光器 190，並被分裂成p-偏振第三色光792及s-偏振第三色光 137232.doc •32- 200947102 793。P-偏振第三色光792透過反射偏光器190，經由第二 稜鏡面140退出PBS 100並隨著其透過延遲器220而變成第 一方向圓偏振第二色光794 ^第一方向圓偏振第二色光794 經由第六棱鏡面714進入第三棱鏡710，自對角稜鏡面716 反射，從而使圓偏振方向變成第二方向圓偏振第二色光， 經由第五稜鏡面712退出第三稜鏡710，自第一二向色濾光 片440反射’從而再次使圓偏振方向變成第一方向圓偏振 第二色光’經由第五稜鏡面712進入第三稜鏡710，自對角 稜鏡面716反射，從而再次使圓偏振方向變成第二方向圓 偏振第二色光775。第二方向圓偏振第二色光775經由第六 稜鏡面714退出第三稜鏡710，並隨著其透過延遲器220而 變成s-偏振第三色光796。S-偏振第三色光796經由第二棱 鏡面140進入PBS 100，自反射偏光器190反射，經由第一 棱鏡面130退出PBS 100並無變化地透過濾光片430，從而 成為s -偏振第三色光796。 S-偏振第三色光793自反射偏光器190反射，經由第三稜 鏡面150退出PBS 100，自第二二向色濾光片450反射，並 經由第三稜鏡面150以s偏振第三色光797形式進入PBS 。S-偏振第三色光<797自反射偏光器190反射，經由第 四稜鏡面160退出PBS 100，透過第三二向色濾光片460， 經由第八稜鏡面724進入第四稜鏡720，自對角稜鏡面726 反射並經由第七稜鏡面722退出第四稜鏡720。S-偏振第三 色光797隨著其透過延遲器220而變成圓偏振第三色光 798 ’隨後自第三部分反射光源79〇反射從而改變圓偏振方 137232.doc -33- 200947102 向，並隨著其透過延遲器220而變成p-偏振第三色光799。 P-偏振第三色光799經由第七稜鏡面722進入第四棱鏡 720，自對角稜鏡面726反射，經由第八棱鏡面724退出第 四稜鏡720 ’透過第三二向色濾光片460，經由第四稜鏡面 160進入PBS 100’並透過反射偏光器190。P-偏振第三色 光799隨後沿著與上文所述之p_偏振第三色光792相同之路 徑穿過展開式色彩結合器700，並以s-偏振第三色光796形 式退出展開式色彩結合器700 » 於一個實施例中，第一色光771係藍色光，第二色光781 係綠色光’且第三色光791係紅色光》根據此實施例，二 向色濾'光片440係一紅色光反射及藍色光透射二向色漶光 片，二向色濾光片450係一紅色光反射及綠色光透射二向 色濾光片，且二向色濾光片460係一綠色和藍色光反射及 紅色光透射二向色濾光片。根據一個實施例，濾光片430 係一改變綠色光之偏振方向同時使紅色及藍色光兩者能夠 無偏振變化地透射之GM ColorS elect®濾光片。根據另一 實施例’濾光片430係一改變紅色及藍色光之偏振方向同 時使綠色光能夠無偏振變化地透射之MG ColorSelect®濾 光片。 於一個態樣中，圖6a-6b係一包含一PBS 100之光結合器 600之俯視示意圖。色彩結合器600可與別處所述之各種光 源一起使用。於一個實施例中，圖6a-6b顯示結合於色彩 結合器600中之兩個或更多個色彩（例如紅色及藍色），該兩 個或更多個色彩包括於一第一部分反射光源670及一包括 137232.doc -34- 200947102 一第二色彩（例如綠色）之第二部分反射光源68〇中。於此實 施例中，色彩結合器600除去一些出現在其他實施例中之 組件，此乃因其可能不需要使用定位於光路徑内之二向色 濾光片。 自第一及第二光源67〇、68〇發射之每一偏振之光線路徑 顯示於圖6a-6b中，以更清楚地圖解闞釋色彩結合器6〇〇之 各種組件之功能。PBS 100包括一如別處所述與第一偏振 方向195對準之反射偏光器19〇。於一個態樣中，反射偏光 〇 器190可包含—聚合多層光學膜。—第-及第二延遲器220 分別面向第二及第三稜鏡面14〇、15〇安置。一反射鏡66〇 面向第四棱鏡面160安置。 延遲器220、反射鏡660及部分反射光源（67〇、68〇)協作 以透射-個偏振方向之光，並再循環其他偏振狀態之光， 如別處所述。於一個實施例中’色彩結合器6〇〇中之每一 延遲器220皆係一與第一偏振方向丨”呈牦。定向之四分之 ❹一波長延遲器° 色彩結合器600亦包括一面向第一棱鏡面13〇安置之遽光 片630,濾光片630能夠改變至少—個選定波長頻譜之光之 . 錢方向而不改變至少另—個選定波長頻譜之光之偏振方 ， 肖。於-個態樣中，濾光片630係一選色堆#式延遲偏光 器’例如一㈤〇rSelec爾光片（其可自科羅拉多州Β〇_6Γ 之ColorLink®公司講得）。 部分反射光源(670、680)中之每一者皆具有一為至少部 分光反射之表面。每-光源皆安裝於一亦可為至少部分反 137232.doc -35· 200947102 射之基板上。該反射光源及視需要該反射基板與該色彩結 合器協作以再循環光並提高效率。根據再一態樣，光隨道 或透鏡可經提供以提供將光源與該偏振光束分束器分隔開 之間隔，如別處所述。一積分器可提供於該結合器之輸出 • 4以提高結合光輸出之均勻度。根據-個態樣，每一部分 反射光源（670、680)皆包含—個或多個發光二極體 (LED) »可使用各種光源，例如雷射、雷射二極體、有機 LED(OLED)、及非固態光源，例如具有適#集光器或反射 © 器之超高壓⑽Ρ)、-素或氛燈。適用於本發明之光源、 光隧道及光積分器進一步闡述（例如）於同在申請中的美國 專利申請案第60/938,834號中，該專利申請案之揭示内容 以全文引用方式併入本文中。 現在參照圖6a來闡述自第一部分反射光源67〇之光路 徑，其中非偏振第一光671以s-偏振第一光677形式退出色 彩結合器600。應理解，第一部分反射光源67〇可包括一第 • 一色光及一第一色光，且此等色光中之每一者之路徑皆將 同樣地穿過色彩結合器600。第一部分反射光源670將第一 光671射出透過延遲器220，經由第二稜鏡面14〇進入pBS 100 ’並交切反射偏光器190，在那裏其被分裂成p_偏振第 一光672及s-偏振第一光673。S-偏振第一光673自反射偏光 器190反射’經由第一稜鏡面130退出PBS 100並以s_偏振 第一光677形式無變化地透過渡光片630。 P-偏振第一光672透過反射偏光器190，經由第四稜鏡面 1 60退出PBS 1 00，自反射鏡660無變化地反射，並經由第 137232.doc •36- 200947102 四棱鏡面160以p-偏振第一光674形式進入PBS 100。P-偏 振第一光674透過反射偏光器19〇，經由第二棱鏡面！ 4〇退 出PBS 100，隨著其透過延遲器22〇而變成圓偏振第一光 675’自部分反射第一光源670反射從而改變圓偏振方向， 並隨著其透過延遲器220而變成s-偏振第一光676。S-偏振 第一光676經由第二稜鏡面進入pBs 1〇〇，自反射偏光器 190反射’經由第一稜鏡面13〇退出pBS 1〇〇並以s_偏振第 一光677形式無變化地透過濾光片630。 現在參照圖6b來闡述自第二部分反射光源680之光路 徑，其中非偏振第二光681以s-偏振第二光687形式退出色 彩結合器600。第二部分反射光源680將第二光681射出透 過延遲器220，經由第三稜鏡面150進入PBS 100，並交切 反射偏光器190，在那裏其被分裂成p-偏振第二光682及s-偏振第二光683。P-偏振第二光682透過反射偏光器190, 經由第一稜鏡面130退出PBS 100，並隨著其透過濾光片 630而變成s-偏振第二光687。 S-偏振第二光683自反射偏光器190反射，經由第四稜鏡 面160退出PBS 100，自反射鏡660無變化地反射，並經由 第四棱鏡面160以s-偏振第二光684形式進入PBS 100。S-偏 振第二光684自反射偏光器190反射，經由第三稜鏡面150 退出PBS 100，隨著其透過延遲器220而變成圓偏振第二光 685，自第二部分反射光源680反射從而改變圓偏振方向， 並隨著其透過延遲器220而變成p-偏振第二光686。P-偏振 第二光686經由第三棱鏡面15〇進入PBS 100 ’透過反射偏 137232.doc 37· 200947102 光器190，經由第一稜鏡面130退出PBS 1〇〇，並隨著其透 過濾光片630而變成s-偏振第二光677。 於一個實施例中，第一光671包含例如可在名稱 OSTAR® SMP系列LED下自Osram Opto半導體賭得之同一 封裝中之一藍色光及一紅色光。於此實施例中，第二色光 681係一綠色光。根據一個實施例，濾光片63〇係一改變綠 光之偏振方向同時使紅色及藍色光兩者能夠無偏振變化地 透射之GM ColorSelect®濾光片。根據另一實施例，據光 片63 0係一改變紅色及藍色光之偏振方向同時使綠色光能 夠無偏振變化地透射之MGColorSelect®濾光片。 可依序激發一三色光結合系統中之光源，如同在申請中 的美國專利申請案第60/638834號所述。根據一個態樣， 使該時序與自該三色光結合系統接收一結合光輸出之投影 系統中之透射或反射成像裝置同步。根據一個態樣，以快 到足以避免出現投射影像之閃爍並避免出現運動假影（例 如色分離）之速率來重複該時序。 圖5圖解闞釋一包括一三色光結合系統502之投影機 5〇〇。三色光結合系統502於輸出區504處提供一結合光輸 出。於一個實施例中’輸出區5〇4處之結合光輸出係偏振 的。輸出區504處之結合光輸出透過光引擎光學器件5〇6至 投影機光學器件508。 光引擎光學器件506包含透鏡522、524及一反射器526。 投影機光學器件508包含一透鏡528、一光束分束器530及 若干投影透鏡532。投影透鏡532中之一者或多者可相對於 137232.doc •38· 200947102 光束分束器530移動以達成對一投射影像512之焦距調整。 一反射成像裝置510調變投影機光學器件中之光之偏振狀 態’以便透過PBS並進入投影透鏡之光之強度將經調變以 產生投射影像512。一控制電路514耦合至反射成像裝置 510並耦合至光源516、5 18及520以使反射成像裝置510之 運作與光源5 16、5 1 8及5 2 0之排序同步。於一個態樣中， 將輸出區504處之結合光之一第一部分引導透過投影機光 學器件508，並使結合光輸出之一第二部分經由輸出區5〇4 再循環回至色彩結合器502中。可藉由自（例如）反射鏡、反 射偏光器、反射LCD或諸如此類反射來使結合光之第二部 分可再循環回至色彩結合器中。根據一個替代態樣，可使 用一透射成像裝置。 根據一個態樣，一如上文所述之色光結合系統產生一三 色（白色）輸出。該系統具有高效率，此乃因具有反射偏光 器膜之偏振光束分束器之偏振性質（對8_偏振光之反射及 對P-偏振光之透射）具有針對一廣泛之源光入射角度之低 靈敏度。可使用附加準直組件以改進對由色彩結合器中之 光源發出之光之準直。在沒有某一準直度之情況下，PBS 中將存在與隨入射角度（AOI)而變化之二向色反射率變化 相關聯之大量光丟失、TIR丟失或増加之挫敗TiR之漸逝耦 合、及/或降級之偏振鑑別及功能。於本揭示内容中，偏 振光束分束器光管之作用以使光保持由全内反射包含且僅 經由所期望表面釋放。 儘管已參照較佳實施例闡述了本發明，然而熟習此項技 137232.doc -39- 200947102 術者應認識到，可在形式及細節上做改動，而此並不背離 本發明之主旨及範脅β 【圖式簡單說明】 貫穿於本說明書’參照其中相同之參考編號表示相同之 元件之附圖，且其中： 圖1係一偏振光束分束器之透視圖。 圖2係一具有一四分之一波長延遲器之偏振光束分束器 之透視圖。 圖3a係一顯示一具有拋光面之偏振光束分束器之俯視示 意圖。 圖3b係一光學元件及準直導光器之俯視示意圖。 圖4a-4c係一色彩結合器之俯視示意圖。 圖5係一投影機之示意圖β 圖6a-6b係一色彩結合器之俯視示意圖。 圖7a-7c係一色彩結合器之俯視示意圖。 該等圖式未必按比例繪製。圖中所用之相同編號指代相 同組件。然而，應理解使用一編號來指代—既定圖式中之 一組件並非旨在限制另一圖式中以相同編號標記之組件。 【主要元件符號說明】 100 偏振光束分束器 110 棱鏡 120 稜鏡 130 第一稜鏡面 140 第二棱鏡面 137232.doc -40· 200947102 150 第三棱鏡面 160 第四棱鏡面 170 端面 175 端面 180 端面 ' 185 端面 • 190 反射偏光器 195 第一偏振方向 Ο 196 第二偏振方向 200 偏振光束分束器延遲器系統 220 四分之一波長延遲器 300 拋光偏振光束分束器 310 光學元件 320 第一光源 321 第一非偏振色光 322 第一色光 ❹ 330 第二光源 331 第二非偏振色光 - 332 第二色光 340 第三光源 341 第三非偏振色光 342 第三色光 350 光隨道 360 偏振旋轉反射器 137232.doc -41 - 200947102 370 偏振旋轉反射器 380 偏振旋轉反射器 390 選色堆疊式延遲偏光器 400 色彩結合器 430 濾光片 ' 440 第一波長選擇濾光片 450 第二波長選擇濾光片 460 第三波長選擇濾光片 Ο 470 部分反射光源 471 第一色光 472 ρ-偏振第一色光 473 s-偏振第一色光 474 ρ-偏振第一色光 475 第一方向圓偏振第一色光 476 圓偏振光 477 第二方向圓偏振第一色光 478 S-偏振第一色光 479 S-偏振第一色光 480 部分反射光源 . 481 第二色光 482 ρ-偏振第二色光 483 S-偏振第二色光 484 S-偏振第二色光 485 圓偏振第二色光 137232.doc -42- 200947102 486 ρ-偏振第二色光 487 s-偏振第二色光 490 部分反射光源 491 第三色光 492 P-偏振第三色光 493 S-偏振第三色光 494 S-偏振第三色光 495 圓偏振第二色光 〇 496 ρ-偏振第三色光 497 S-偏振第二色光 498 s -偏振第二色光 499 S-偏振第二色光 500 投影機 502 三色光結合系統 504 輸出區 ❹ 506 光引擎光學器件 508 投影機光學器件 510 反射成像裝置 - 512 投射影像 • 514 控制電路 516 光源 518 光源 520 光源 522 透鏡 137232.doc -43- 200947102 524 透鏡 526 反射器 528 透鏡 530 光束分束器 532 投影透鏡 600 光結合器 630 滤光片 660 反射鏡 ❹ 670 第一部分反射光源 671 非偏振第一光 672 p-偏振第一光 673 s-偏振第一光 674 P -偏振第一光 675 圓偏振第一光 676 S-偏振第一光 ❹ 677 p-偏振第一光 680 第二部分反射光源 681 非偏振第二光 • 682 p-偏振第二光 • 683 S-偏振第二光 684 s -偏振第二光 685 圓偏振第二光 686 p-偏振第二光 687 s-偏振第二光 137232.doc -44- 200947102 700 展開式色彩結合器 710 第三棱鏡 712 第五稜鏡面 714 第六稜鏡面 716 對角稜鏡面 720 第四稜鏡 * 722 第七稜鏡面 724 第八棱鏡面 Ο 726 對角稜鏡面 730 平面 770 第一部分反射光源 771 第一光線 772 ρ-偏振第一色光 773 S -偏振第'一色光 774 ρ-偏振第一色光 775 第一方向圓偏振第一色光 ❹ 776 第二方向圓偏振第一色光 777 S-偏振第一色光 • 779 S-偏振第一色光 . 780 第二部分反射光源 781 第二光線 782 ρ -偏振第二色光 783 S-偏振第一色光 784 s-偏振第二色光 137232.doc -45- 200947102 785 786 787 790 791 792 * 793 794 ❹ 796 797 798 799 囫偏振第二色光 p -偏振第二色光 S-偏振第二色光 第三部分反射光源 第三光線 P-偏振第三色光 s-偏振第三色光 第一方向圓偏振第二色光 S-偏振第三色光 s -偏振第二色光 圓偏振第三色光 P -偏振第二色光 137232.doc -46-

Claims (1)

1. 200947102 十、申請專利範圍： 1. 一種光學元件，其包含： 一第一選色二向色濾光片； 一第二選色二向色濾光片；及 一反射偏光器， •其中分別垂直穿過該第—選色二向色濾光片及該第二 -選色一向色濾光片之一第一及一第二線呈大約45度交切 該反射偏光器。 ❹2.如請求項！之光學元件’其進一步包含一反射器其中 一自該反射器之法線呈大約45度交切該反射偏光器。 3.如叫求項1之光學元件，其進一步包含一第三選色二向 色濾光片，其中一垂直穿過該第三選色二向色濾光片之 第二線呈大約45度交切該反射偏光器。 4如請求項1之光學元件，其中該反射偏光器係一膽固醇 反射偏光器。 5. 如請求項丨之光學元件’其中該反射偏光器係一 ❹ MacNeille反射偏光器。 6. 如晴求項1之光學元件，其中該反射偏光器係一笛卡兒 • 反射偏光器’其與一第一偏振方向對準，且進一步包含 一第一及第二延遲器，該第一及第二延遲器經安置以使 該第一及第二線分別在交切該反射偏光器之前垂直穿過 該第一及第二延遲器。 7. 如請求項3之光學元件，其中該反射偏光器係一笛卡兒 反射偏光器，其與一第一偏振方向對準，且進一步包含 137232.doc 200947102 一第一、一第二及一第三延遲器，該第一、該第二及該 第三延遲器經安置以使該第一、第二及第三線分別在交 切該反射偏光器之前垂直穿過該第一、第二及第三延遲 器。 8. 如請求項6或7之光學元件，其中該笛卡兒反射偏光器係 一線橋偏光器。 9. 如請求項6或7之光學元件，其中該笛卡兒反射偏光器係 一聚合多層光學膜。 10. 如請求項6或7之光學元件，其中每一延遲器皆係一四分 之一波長延遲器。 11. 如請求項6或7之光學元件，其中每一延遲器皆與該第一 偏振方向呈大約45度對準。 12. 如請求項1之光學元件，其中該反射偏光器位於一第一 與一第二稜鏡之間’以使該第一及第二選色二向色濾光 片中之每一者位於®Λ鄰一稜鏡面。 13. —種色彩結合器，其包含： 如請求項2之光學元件；及 一第一及一第二光源，其經構形以分別朝該第一及第 一選色二向色濾光片之每一者發射光；及 一輸出區，其經安置以透射一結合色光輸出。 14. 如請求項13之色彩結合器，其中該第一及第二光源分別 包含一第一及一第二色彩LED。 15. 如請求項14之色彩結合器，其中該第一及第二色彩led 各自包含若干反射表面。 137232.doc 200947102 16. 如請求項13之色彩結合器，其中該結合色光輸出係予以 偏振。 17. —種色彩結合器，其包含： 如請求項3之光學元件；及 一第一、一第二及一第三光源，其經構形以分別朝該 第一、第二及第三選色二向色濾光片中之每一者發射 光；及 一輸出區’其經安置以透射一結合色光輸出。 ❹ 18.如請求項17之色彩結合器，其中該第一、第二及第三光 源分別包含一第一、一第二及一第三色彩led。 19·如請求項18之色彩結合器，其中該第一、第二及第三色 彩LED各自包含若干反射表面。 20.如請求項17之色彩結合器，其中該結合色光輸出係予以 偏振。 2 1. —種影像投影機，其包含： 如請求項13或17之色彩結合器； ❹ 一成像器，其經安置以將該結合色光輸出之一第一部 分引導至一投影元件。 * 22.如請求項21之影像投影機，其中該結合色光輸出之一第 • 一 4刀經由該輸出區再循環至該色彩結合器。 23. 如請求項21之影像投影機，其中該成像器包含— 成像器。 24. 如請求項21之影像投影機，其中該成像器包含一微反射 鏡陣列。 137232.doc 200947102 25. 如請求項21之影像投影機，其中該成像器包含一透射 LCD成像器。 26. —種色彩結合器，其包含： 一偏振光束分束器，其包含： 第一及第二稜鏡； 第一、第二、第三及第四棱鏡面； • 一反射偏光器，其位於該第一與第二稜鏡之間以使 該第一稜鏡面與該第三稜鏡面相對； © 一選色偏振旋轉濾光片，其位於面向該第一棱鏡面， 該濾光片能夠改變至少一個選定色彩之光的一偏振方向 而不改變至少另一個選定色彩之光的一偏振方向； 一第一、第二及第三二向色濾光片，其分別位於面向 該第二、第三及第四棱鏡面；及 一第一、第二及第三延遲器，其位於面向該第二、第 三及第四稜鏡面中之每一者， 0 其中該第一延遲器位於該第一二向色濾光片與該第二 稜鏡面之間，且該第二及第三二向色濾光片中之每一者 位於該第二及第三延遲器與該各別稜鏡面之間。 27. 如請求項26之色彩結合器’其中該反射偏光器與一第一 偏振方向對準。 28. 如請求項26之色彩結合器，其中該第一、第二及第三延 遲器係與一第一偏振方向呈大約45度對準之四分之一波 長延遲器。 29. 如請求項27之色彩結合器，其中該反射偏光器係一笛卡 137232.doc • 4 · 200947102 兒反射偏光器。 3 0·如請求項29之色彩結合器，其中該笛卡兒反射偏光器係 一聚合多層光學膜。 3 1.如請求項26之色彩結合器，其中該選色偏振旋轉濾光片 包含一選色堆疊式延遲偏振濾光片。 32_如請求項26之色彩結合器，其中該偏振光束分束器進一 • 步包含若干端面’且其中該等稜鏡面及端面皆係予以拋 光。 ® 33.如請求項32之色彩結合器，其進一步包含一與該等拋光 面中之每一者接觸之光學透射材料，該第一及第二稜鏡 中之每一者之折射率大於該光學透射材料之折射率，以 使在該第一及第二稜鏡内發生全内反射。 34·如請求項33之色彩結合器’其中與該等拋光面中之至少 一者接觸之該光學透射材料係空氣。 35. 如請求項33之色彩結合器，其中與該等拋光面中之至少 一者接觸之該光學透射材料係一光學黏合劑。 ❹ 36. 如請求項26之色彩結合器，其進一步包含： 一第一非偏振光源，其具有一發射表面，該發射表面 • 係至少部分反射的且能夠朝該第二、第三或第四稜鏡面 發射光， 其中該反射發射表面、各別延遲器及二向色濾光片協 作以再循環來自該第一非偏振光源之光。 37. 如請求項36之色彩結合器，其中該非偏振光源係一包含 一第一色彩之光的LED。 137232.doc 200947102 38-如請求項36之色彩結合器，其進一步包含—先管該光 管位於該第一非偏振光源與該各別延遲器之間。 39. —種結合光之方法，其包含： 提供如請求項26之色彩結合器； 分別將該第一、一第二及一第三色彩之非偏振光朝該 第一、第二及第三稜鏡面引導；及 自該選色偏振旋轉濾光片接收一結合偏振光。 40. 如請求項39之方法，其中該所引導光及該所接收光包含 範圍從發散到會聚之光線。 41. 如請求項39之方法，其中該第一、第二、第三色彩分別 係藍色、綠色及紅色’且該結合光係白色光。 42. 如請求項39之方法，其中該第一及第二二向色濾光片經 選擇以反射紅色光且該第三二向色濾光片經選擇以反射 綠色光。 43. 如請求項39之方法，其中該濾光片經選擇以在不改變偏 振的狀況下透射藍色光及紅色光，而在一改變的偏振之 狀況下透射綠色光。 44. 一種色彩結合器，其包含： 一第一二向色濾光片； 一第二二向色濾光片，其位於大約正交於該第一二向 色濾光片； 一第三二向色濾光片，其位於面向該第一二向色濾光 片且大約正交於該第二二向色濾光片； 一選色偏振旋轉濾光片’其位於面向該第二二向色濾 I37232.doc 200947102 光片且大約正交於該第一二向色濾光片及該第三二向色 濾光片兩者； 一反射偏光器，其位於該第一與第三二向色濾光片之 間’以使一來自該第一、第二及第三二向色濾光片中之 每一者的法線呈大約45度交切該反射偏光器；及 一第一、第二及第三延遲器，其分別位於毗鄰該第 一、第二及第三二向色遽光片中之每一者。 45·如請求項44之色彩結合器，其中該反射偏光器與—第一 ❿ 偏振方向對準。 46. 如請求項44之色彩結合器，其中該第一、第二及第三延 遲器係為與一第一偏振方向呈大約45度對準之四分之一 波長延遲器。 47. 如請求項45之色彩結合器，其中該反射偏光器係一笛卡 兒反射偏光器。 48. 如請求項47之色彩結合器，其中該笛卡兒反射偏光器係 一聚合多層光學膜。 ❹ 49. 如請求項44之色彩結合器，其中該選色偏振旋轉濾光片 包含一選色堆疊式延遲偏振濾光片。 ' 50·如請求項44之色彩結合器，其中該第一延遲器位於該第 • 一二向色濾光片與該反射偏光器之間，該第二二向色據 光片位於該第二延遲器與該反射偏光器之間，且該第三 二向色濾光片位於該第三延遲器與該反射偏光器之間》 5 1.如請求項44之色彩結合器，其進一步包含： 一第一非偏振光源，其具有一發射表面，該發射表面 137232.doc 200947102 係至少部分反射的且能夠朝該第一、第二或第三二向色 濾光片發射光， 其中該反射發射表面、各別延遲器及二向色濾光片協 作以再循環來自該第一非偏振光源之光。 52. * 53. © 54. 55. 56. e 57. « 58. 59. 如請求項5 1之色彩結合器，其中該非偏振光源係一包含 一第一色彩之光的LED。 如請求項51之色彩結合器，其進一步包含一光管，該光 管位於該第一非偏振光源與該各別延遲器之間。 一種結合光之方法，其包含： 提供如請求項44之色彩結合器； 分別將一第一、一第二及一第三色彩之非偏振光朝該 第一、第二及第三二向色濾光片引導；及 自該選色偏振方疋轉遽光片接收一結合偏振光。 如請求項54之方法，其中該所引導光及該所接收光包含 範圍從發散到會聚之光線。 如請求項54之方法，其中該第一、第二、第三色彩分別 係藍色、綠色及紅色’且該結合光係白色光。 如請求項54之方法，其中該第一及第二二向色濾光片經 選擇以反射紅色光且該第三二向色濾光片經選擇以反射 綠色光。 如請求項54之方法，其中該選色偏振旋轉濾光片經選擇 以在不改變偏振的狀況下透射藍色光及紅色光，而在一 改變偏振的狀況下透射綠色光。 一種色彩結合器，其包含： 137232.doc 200947102 一第一二向色濾光片； 一第二二向色濾光片’其位於平行於且面向該第一二 向色濾光片； 第二一向色滤光片’其位於正交於該第一二向色遽 光片及該第二二向色濾光片兩者； 一選色偏振旋轉遽光片，其位於面向該第三二向色滤 ’ 光片且正交於該第一二向色濾光片及該第二二向色濾光 片兩者；及 β 一反射偏光器，其位於該第一與第二二向色濾光片之 間，以使一來自該第一、第二及第三二向色濾光片之每 一者的法線呈大約45度交切該反射偏光器。 60. 如請求項59之色彩結合器，其中該反射偏光器位於一第 一與一第二稜鏡之間，以使該第一、第二及第三二向色 濾光片中之每一者與至少一個稜鏡面大約平行。 61. 如請求項59之色彩結合器，其進一步包含： 一第一延遲器，其位於該第一二向色濾光片與該反射 偏光器之間； 一第二延遲器，其經安置以使該第二二向色濾光片位 • 於該第二延遲器與該反射偏光器之間；及 一第三延遲器其經安置以使該第三二向色濾光片位 於該第三延遲器與該反射偏光器之間， 其中該反射偏光器包含一與一第一偏振方向對準之笛 卡兒反射偏光器。 62. 如請求項61之色彩結合器，其中該第一、第二及第三延 137232.doc -9 - 200947102 遲器中之至少一者包含一與該第一偏振方向呈大約45度 對準的四分之一波長延遲器。 63. 如請求項59之色彩結合器，其中該第一、第二及第三二 向色濾光片經選擇以分別透射藍色、綠色及紅色光。 64. —種色彩結合器，其包含： 一反射偏光器，其具有一第一面及一第二面； 一第一二向色濾光片，其面向該反射偏光器之該第一 面； 一第二二向色濾光片，其面向該反射偏光器之該第二 面； 一反射器’其位於大約正交於該第一二向色濾光片， 該反射器面向該反射偏光器之該第一面；及 一選色偏振旋轉濾光片，其位於大約正交於該第二二 向色濾光片，該濾光片面向該反射偏光器之該第二面， 其中一來自該反射器、選色偏振旋轉濾光片、第一二 向色濾光片及第二二向色濾光片中之每一者的法線呈大 約45度交切該反射偏光器。 65. 如請求項64之色彩結合器，其中該反射器包含一第三二 向色滤光片。 66·如請求項64之色彩結合器，其中該反射偏光器位於一第 一與一第二稜鏡之間，以使該等二向色濾光片中之每一 者皆與至少一個稜鏡面大約平行。 67.如請求項64之色彩結合器，其進一步包含： 一第一及第二延遲器，其分別位於該反射偏光器與該 137232.doc -10· 200947102 68. • 69.❹ 70. 71.❹ 第一及第二二向色濾光片之間，且 其中該反射偏光器包含一與一第一偏振方向對準之笛 卡兒反射偏光器。 如請求項67之色彩結合器，其中該第一及第二延遲器中 之至少一者包含一與該第一偏振方向呈大約45度對準的 四分之一波長延遲器。 如請求項65之色彩結合器，其進一步包含： 一第一、第二及第三延遲器’其分別位於該反射偏光 器與該第一、第二及第三二向色濾光片之間，且 其中該反射偏光器包含一與一第一偏振方向對準之笛 卡兒反射偏光器。 如請求項69之色彩結合器，其中該第一、第二及第三延 遲器中之至少一者包含一與該第一偏振方向呈大約45度 對準的四分之一波長延遲器。 如請求項26之色彩結合器，其進一步包含具有一對角面 及一轉動稜鏡面之至少一個轉動稜鏡，其中該轉動棱鏡 面位於面向該第一、第二或第三延遲器中之一者。 137232.doc •11-