TWI841624B - 光學裝置 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種光學裝置。第一二向色分束器在第一棱鏡中部署在相對於光波入射表面傾斜的平面上。第二二向色分束器在第二棱鏡中部署在相對於光波入射表面傾斜的平面上，使得相對於第一二向色分束器處於第一偏振狀態的偏振光相對於第二二向色分束器處於第二偏振狀態。第一二向色分束器透射相對於第一二向色分束器處於第一偏振狀態的第一顏色的偏振光，並且反射相對於第一二向色分束器處於第一偏振狀態的第二顏色的偏振光。第二二向色分束器透射相對於第二二向色分束器處於第二偏振狀態的第一顏色和第二顏色的偏振光，並且反射相對於第二二向色分束器處於第一偏振狀態的第三顏色的偏振光。

Description

光學裝置

本發明涉及光學裝置和系統。

本發明要求於2018年11月8日提交的美國臨時專利申請No.62/757，199的優先權，該美國臨時專利申請的全部公開內容通過參引併入本文。

在頭戴式顯示器(HMDs，head-mounted displays)領域中特別需要緊湊的光學裝置，其中，光學模組執行圖像生成和圖像準直至無窮遠以用於傳送至觀察者的眼睛的功能。圖像可以從顯示器裝置獲得，或者從空間光調變器(SLM，spatial light modulators)比如陰極射線管(CRT，cathode ray tube)、液晶顯示器(LCD，liquid-crystal display)、液晶覆矽(LCoS，Liquid Crystal On Silicon)、數位微鏡裝置(DMD，digital micromirror display)、OLED(organic light emitting diode)顯示器、掃描源或類似裝置直接獲得，或者借助於中繼透鏡或光纖束間接獲得。由像素陣列構成的圖像通過準直裝置聚焦至無窮遠，並且該圖像通常通過反射表面或部分反射表面透射到觀察者的眼睛中，反射表面或部分反射表面用作組合器，分別用於非透視應用和透視應用。通常，常規的自由空間光學模組用於這些目的。

用於HMDs和近眼式顯示器(NEDs，near-eye displays)的一系列特別有利的解決方案能夠從Lumus有限公司(以色列)商購獲得，這些解決方案通常採用光導引基板(波導引件)，該光導引基板(波導引件)具有用於將圖像傳遞至使用者的眼睛的部分反射表面或其他可適用的光學元件。

在某些使用SLMs作為顯示器裝置的光學架構中，特別是那些使用LCoS或LCDs來生成圖像像素的架構中，顯示器裝置的有效區域需要來自由源自不同顏色的照射源的組成顏色光束構成的組合顏色光束的照射以便生成圖像像素。已經提出了用於顏色組合器的各種光學架構概念。在用於組合來自三個照射源的光的一個概念中，部署了兩個二向色鏡，其中，二向色鏡中的每個二向色鏡分別透射特定顏色的光並反射另一種顏色的光。然而，產生足夠高品質的組合顏色光束使得SLM能夠投射良好的圖像在來自照射源的光沒有被準直時是難以實現的，這在緊湊的光學裝置和系統中、比如用於HMDs和NEDs中的那些光學裝置和系統是典型的情況。

在用於組合來自三個照射源的光的另一個概念中，三個照射源在傳輸組合光的光管前面以密集陣列、通常以二乘二的矩陣部署。然而，需要更長的光管以實現顏色均勻性，這在緊湊的光學裝置和系統中是有問題的。此外，照射源的能量必須受到限制，這是由於因密集排列引起的熱限制，這對由SLM生成的圖像的亮度和強度做出了限制。

本發明是一種光學裝置，該光學裝置具有部署在相應的棱鏡中的兩個二向色分束器，兩個分束器協作以用作顏色組合器。

根據本發明的實施方式的教示，提供了一種光學裝置。該光學裝置包括：第一棱鏡，第一棱鏡包括：第一光波入射表面、第二光波入射表面和光波出射表面以及第一二向色分束器結構，第一二向色分束器結構在第一棱鏡內部署在相對於光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上；以及第二棱鏡，第二棱鏡包括：第一光波入射表面和與第一棱鏡的光波出射表面相關聯的第二光波入射表面、以及第二二向色分束器結構，第二二向色分束器結構在第二棱鏡內部署在相對於第二棱鏡的光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上並使得關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的光關於第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態，第一二向色分束器結構透射關於第一二向色分束器結構以 第一偏振狀態偏振的第一顏色的波長的光，並且第一二向色分束器結構反射關於第一二向色分束器結構以第一偏振狀態偏振的第二顏色的波長的光，並且第二二向色分束器結構透射關於第二二向色分束器結構以第二偏振狀態偏振的第一顏色的波長的光和第二顏色的波長的光，並且第二二向色分束器結構反射關於第二二向色分束器結構以第一偏振狀態偏振的第三顏色的波長的光。

可選地，光學裝置還包括：與第一棱鏡的第一光波入射表面相關聯的第一偏振光源，第一偏振光源產生關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第一顏色的光；與第一棱鏡的第二光波入射表面相關聯的第二偏振光源，第二偏振光源產生關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第二顏色的光；以及與第二棱鏡的第一光波入射表面相關聯的第三偏振光源，第三偏振光源產生關於第二二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第三顏色的光。

可選地，由第一偏振光源和第二偏振光源產生的光以關於第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態的形式到達第二棱鏡的光波出射表面，並且由第三偏振光源產生的光以關於第二二向色分束器結構處於第一偏振狀態的形式到達第二棱鏡的光波出射表面。

可選地，由第一偏振光源和第二偏振光源產生的光以及由第三偏振光源產生的光作為未準直的光分別進入第一棱鏡和第二棱鏡。

可選地，第一偏振光源配置成產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的紅光，並且第二偏振光源配置成產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的藍光，並且第三偏振光源配置成產生關於第二二向色分束器結構為s偏振的綠光。

可選地，第一偏振光源配置成產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的紅光，並且第二偏振光源配置成產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的綠光，並且第三偏振光源配置成產生關於第二二向色分束器結構為s偏振的藍光。

可選地，第一偏振光源配置成產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的綠光，並且第二偏振光源配置成產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的藍光，並且第三偏振光源配置成產生關於第二二向色分束器結構為s偏振的紅光。

可選地，偏振光源包括發光二極體。

可選地，偏振光源包括雷射器。

可選地，光學裝置還包括：與第二棱鏡的光波出射表面相關聯的色彩延遲器，該色彩延遲器定向成使得將來自第一偏振光源和第二偏振光源的光的偏振狀態從關於第二二向色分束器結構為第二偏振狀態改變成關於第二二向色分束器結構為第一偏振狀態。

可選地，光學裝置還包括：反射顯示器裝置，該反射顯示器裝置回應於被從第二棱鏡的光波出射表面輸出的光照射而產生偏振光。

可選地，光學裝置還包括：光導引基板，該光導引基板具有彼此平行的至少兩個主表面，由反射顯示器裝置產生的光耦合到光導引基板中。

可選地，反射顯示器裝置包括液晶覆矽顯示器。

可選地，關於第一二向色分束器結構的第一偏振狀態為s偏振。

可選地，第一棱鏡的光波入射表面彼此正交。

可選地，第二棱鏡的光波入射表面彼此正交。

可選地，第二棱鏡還包括與第一棱鏡的光波出射表面平行的光波出射表面。

可選地，第一棱鏡和第二棱鏡在第一棱鏡的光波出射表面和第二棱鏡的第二光波入射表面處光學地耦合至彼此。

可選地，光學耦合包括光學黏合。

可選地，光學耦合包括機械佈置。

可選地，第一棱鏡或第二棱鏡中的至少一者為方形長方體棱鏡。

根據本發明的教示的實施方式，還提供了一種光學裝置。該光學裝置包括：第一棱鏡，第一棱鏡包括：第一光波入射表面和第二光波入射表面、以及第一二向色分束器結構，第一二向色分束器結構在第一棱鏡內部署在相對於光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上；第二棱鏡，第二棱鏡包括：光波入射表面以及第二二向色分束器結構，第二二向色分束器結構在第二棱鏡內部署在相對於第二棱鏡的第一光波入射表面傾斜的平面上並使得關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的光關於第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態；與第一棱鏡的第一光波入射表面相關聯的第一偏振光源，第一偏振光源產生關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第一顏色的光；與第一棱鏡的第二光波入射表面相關聯的第二偏振光源，第二偏振光源產生關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第二顏色的光；以及與第二棱鏡的第一光波入射表面相關聯的第三偏振光源，第三偏振光源產生關於第二二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第三顏色的光，由第一偏振光源產生的光被第一二向色分束器結構透射並被第二二向色分束器結構透射，並且由第二偏振光源產生的光被第一二向色分束器結構反射並被第二二向色分束器結構透射，並且由第三偏振光源產生的光被第二二向色分束器結構反射。

可選地，由第一偏振光源和第二偏振光源產生的光以及由第三偏振光源產生的光作為未準直光分別進入第一棱鏡和第二棱鏡。

根據本發明的教示的實施方式，還提供了一種光學裝置。該光學裝置包括：棱鏡元件，棱鏡元件包括：第一外表面、第二外表面和第三外表面，第一外表面、第二外表面和第三外表面相互正交，並且在第一外表面的至少一部分上形成第一光波入射表面，在第二外表面的至少一部分上形成第二光波入射表面，並且在第三外表面的至少一部分上形成第三光波入射表面，以及第一二向色分束器結構和第二二向色分束器結構，第一二向色分束器結構在棱鏡元件的第一部分內部署在相對於第一光波入 射表面或第二光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上，第二二向色分束器結構在棱鏡元件的第二部分內部署在相對於第三光波入射表面傾斜的平面上，使得關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的光關於第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態；與第一光波入射表面相關聯的第一偏振光源，第一偏振光源產生關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第一顏色的光；與第二光波入射表面相關聯的第二偏振光源，第二偏振光源產生關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第二顏色的光；以及與第三光波入射表面相關聯的第三偏振光源，第三偏振光源產生關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第三顏色的光，第一二向色分束器結構構造成透射關於第一二向色分束器結構以第一偏振狀態偏振的第一顏色的波長的光，並且第一二向色分束器結構反射關於第一二向色分束器結構以第一偏振狀態偏振的第二顏色的波長的光，並且第二二向色分束器結構構造成透射關於第二二向色分束器結構以第二偏振狀態偏振的第一顏色或第二顏色的波長的光，並且第二二向色分束器結構反射關於第二二向色分束器結構以第一偏振狀態偏振的第三顏色的波長的光。

可選地，由第一偏振光源、第二偏振光源和第三偏振光源產生的光作為未準直光進入棱鏡元件。

根據本發明的教示的實施方式，還提供了一種光學裝置。該光學裝置包括：第一棱鏡，第一棱鏡包括：第一光波入射表面、第二光波入射表面和光波出射表面、以及第一二向色分束器結構，第一二向色分束器結構在第一棱鏡內部署在相對於光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上；第二棱鏡，第二棱鏡包括：第一光波入射表面、第二光波入射表面和光波出射表面、以及第二二向色分束器結構，第二二向色分束器結構在第二棱鏡內部署在相對於第二棱鏡的光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上，使得關於第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的光關於第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態；第一偏振光源，第一偏振光源產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的紅光； 第二偏振光源，第二偏振光源產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的藍光；第三偏振光源，第三偏振光源產生關於第一二向色分束器結構為s偏振的綠光，第一二向色分束器結構透射偏振紅光並反射偏振藍光以便通過第一棱鏡的光波出射表面輸出偏振混合光，該偏振混合光是偏振紅光和偏振藍光的混合物，並且第二二向色分束器結構透射偏振混合光並反射偏振綠光以便通過第二棱鏡的光波出射表面輸出混合光，該混合光是偏振紅光、偏振藍光和偏振綠光的混合物。

如本文在說明書中使用的術語“顏色組合”和“組合的顏色”可以分別與術語“顏色混合”和“混合的顏色”以及分別與“顏色多工”和“多工的顏色”互換使用。

如本文使用的，在描述由二向色分束器結構，例如“透射光的二向色分束器結構”執行的波長和偏振相關的透射功能的上下文中使用的術語“正在透射”、“被透射”、“透射”及其變型通常應該理解為指的是二向色分束器結構對入射至二向色分束器結構的表面的波長和偏振特定光的大部分進行透射，並且更優選地對入射至二向色分束器結構的表面的波長和偏振特定光的至少70%進行透射，並且最優選地對入射至二向色分束器結構的表面的波長和偏振特定光的至少80%進行透射。

如本文在描述由二向色分束器結構，例如“反射光的二向色分束器結構”執行的波長和偏振相關的反射功能的上下文中所使用的術語“正在反射”、“被反射”、“反射”及其變型通常應當理解為指的是二向色分束器結構對入射至二向色分束器結構的表面的波長和偏振特定光的大部分進行反射，並且更優選地對入射至二向色分束器結構的表面的波長和偏振特定光的至少70%進行反射，並且最優選地對入射至二向色分束器結構的表面的波長和偏振特定光的至少80%進行反射。

如本文中使用的，術語“光導引”指任何光波傳輸本體、優選為光波傳輸固體本體，該本體也可以被稱為“光學基底”。

除非本文另有限定，否則本文使用的所有技術和/或科學術 語具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。儘管類似於或等同於本文描述的方法和材料的方法和材料可以用於本發明的實施方式的實施或測試，但是示例性方法和/或材料在下面進行描述。在衝突的情況下，以包括定義在內的專利說明書為準。另外，材料、方法和示例僅是說明性的並且不必意在限制。

10,100:光學裝置

12,22,24,32,42,44,112,114:棱鏡

14,16,18,26,28,30,34,36,38,46,48,50,126,128,132:表面

20,40:二向色分束器結構(DBS)

52:色彩延遲器

54,58,62:光源

55,59,63:線性偏振器

56,60,64:入射光束

70:棱鏡元件

110:圖像投影裝置

116:光波准直部件

118:偏振選擇性分束器結構(PBS)

120:反射顯示器裝置

122:光波

124:基板

本文僅參照圖式以示例的方式對本發明的一些實施方式進行描述。具體詳細參照圖式，強調的是，所示的細節是通過示例的方式，並且是為了說明性地論述本發明的實施方式的目的。在這方面，結合圖式進行的描述使得如何實施本發明的實施方式對於本領域技術人員是明顯的。

現在將注意力轉向圖式，其中，相似的圖式標記或字元表示對應或相似的部件。在圖式中：第1圖是根據本發明的實施方式構造和操作的光學裝置的示意性等軸視圖，該光學裝置具有部署在相應棱鏡中以提供顏色組合器的兩個二向色分束器；第2圖是被修改以示出光源的第1圖的光學裝置的分解平面圖；第3圖是將各種部件組裝成單一結構之後的第2圖的光學裝置的平面圖；第4圖是第2圖的光學裝置的分解前視圖；第5圖是將各種部件組裝成單一結構之後的第4圖的光學裝置的前視圖；第6圖是用以示出第2圖和第3圖的光學裝置的第一棱鏡的細節的示意性分解平面圖；第7圖是用以示出第4圖和第5圖的光學裝置的第二棱鏡的細節的示意性分解前視圖； 第8A圖和第8B圖是分別示出了彼此分離並且光學地附接的第1圖的光學裝置的兩個棱鏡的示意性等軸視圖；第9圖是第1圖的光學裝置的色彩延遲器的取向的圖式；第10圖圖示了作為對於第1圖的光學裝置的第二二向色分束器的可能設計的二向色塗層的s偏振的波長的函數的反射率曲線；第11圖圖示了作為對於第二二向色分束器的可能設計的二向色塗層的p偏振的波長的函數的反射率曲線；第12圖圖示了作為對於第11圖的設計的二向色塗層在三種特定波長下的入射角的函數的反射率曲線；第13圖圖示了作為對於第1圖的光學裝置的第一二向色分束器的可能設計的二向色塗層的s偏振的波長的函數的反射率曲線；第14圖圖示了作為對於第13圖的設計的二向色塗層的入射角的函數的反射率曲線；第15圖圖示了作為對於與第1圖的光學裝置類似的、但是具有將光注入棱鏡中的不同順序的光源的光學裝置的第二二向色分束器的可能設計的二向色塗層的s偏振的波長的函數的反射率曲線；第16圖圖示了作為對於參照第15圖論述的光學裝置的第二二向色分束器的可能設計的二向色塗層的p偏振的波長的函數的反射率曲線；第17圖圖示了作為對於與第1圖的光學裝置和參照第15圖論述的光學裝置類似、但是具有將光注入棱鏡中的不同順序的光源的光學裝置的第二二向色分束器的可能設計的二向色塗層的s偏振的波長的函數的反射率曲線；第18圖圖示了作為對於參照第17圖論述的光學裝置的第二二向色分束器的可能設計的二向色塗層的p偏振的波長的函數的反射率曲線；以及第19圖是根據本發明的實施方式的光學系統的示意性平面圖，該光學系統包括聯接至圖像投影儀裝置的第1圖至第7圖的光學裝置和光波傳 輸基板。

本發明是具有部署在相應棱鏡中的兩個二向色分束器的光學裝置，兩個二向色分束器協作來組合三個單獨顏色的光束以形成單個的組合顏色光束。

參照說明書圖式，可以更好地理解根據本發明的光學裝置和系統的原理以及操作。

在詳細說明本發明的至少一個實施方式之前，應當理解的是，本發明在其應用中不必限於在以下描述中闡述的和/或在圖式和/或示例中示出的部件和/或方法的構造和裝置的細節。本發明能夠具有其他實施方式，或者能夠以各種方式實施或執行。最初，貫穿本檔，對方向、比方說例如左和右、前和後(或後方)、頂和底、上和下等做出參照。這些方向參照僅是示例性的以說明本發明及其實施方式。

現在參照圖式，第1圖至第7圖示出了根據本發明的各個方面構造和操作的光學裝置及其對應部件的各種視圖，該光學裝置通常用10表示。總體而言，光學裝置10包括第一棱鏡12和第二棱鏡32，每個棱鏡由光波傳輸材料形成，並且每個棱鏡具有部署在其中的相應的二向色分束器結構20、40，二向色分束器結構20、40協作以提供顏色組合功能。

第一棱鏡12具有包括第一光波入射表面14、第二光波入射表面16和光波出射表面18的多個平坦的外表面。二向色分束器結構20(二向色分束器結構20被簡稱為“DBS 20”)在第一棱鏡12內部署於相對於第一光波入射表面14傾斜的平面上。在優選的實施方案中，該平面也相對於第二光波透射表面16傾斜。為了更清楚地說明光學裝置10的部件的取向，在圖式中(在適當的地方)包括任意標記的笛卡爾坐標系(即，XYZ坐標系)。在該任意標記的XYZ坐標系中，當看第1圖時，y軸是通常從紙的平面出來的軸。

考慮到這一點，第一光波入射表面14處於YZ平面中，並 且DBS 20部署在相對於YZ平面傾斜的平面上。在優選的實施方案中，DBS 20部署在與第一光波入射表面14成45度的平面上，使得DBS 20位於光波入射表面14、16之間的中間位置(例如，YZ平面與XZ平面之間的中間位置)的平面上。

第一棱鏡12還可以包括另外的外表面，另外的外表面包括與第二光波入射表面16平行並與第二光波入射表面16相反的第一表面26、與表面14、16、18、26正交的第二表面28以及與第二表面28平行並與第二表面28相反的第三表面30。在圖式中描繪的非限制性任意方向參照框架中，第一棱鏡12的各個表面14、16、18、26、28、30可以替代性地用以下方向術語來指代：左表面14、後(後方)表面16、右表面18、前表面26、上(或頂)表面28和下(或底)表面30。

第二棱鏡32具有包括第一光波入射表面34、第二光波入射表面36和光波出射表面38的多個平坦的外表面。二向色分束器結構40(二向色分束器結構40被簡稱為“DBS 40”)在第二棱鏡32內部署於相對於第一光波入射表面34傾斜的平面上。在優選的實施方案中，該平面也相對於第二光波透射表面36傾斜。在第1圖中任意標記的XYZ坐標系中，第一光波入射表面34處於XY平面中，並且DBS 40部署在相對於XY平面傾斜的平面上。在優選的實施方案中，DBS 40部署在與第一光波入射表面34成45度的平面上，使得DBS 40位於光波入射表面34、36之間的中間位置(例如，XY平面與YZ平面之間的中間位置)的平面上。

第二棱鏡32還可以包括另外的平坦外表面，另外的平坦外表面包括與第一光波入射表面34平行並與第一光波入射表面34相反的第一表面46、與表面34、36、38、46正交的第二表面48以及與第二表面48平行並與第二表面48相反的第三表面50。在圖式中描繪的非限制性任意方向參照框架中，第二棱鏡32的各個表面34、36、38、46、48、50可以替代性地用以下方向術語來指代：下(或底)表面34、左表面36、右表面38、上(或頂)表面46、後(或後方)表面48和前表面50。

當完全組裝成為一體光學結構以形成光學裝置10時，兩個 棱鏡12、32的表面18、36彼此平行並對準，並且在優選但非限制性的實施方案中，表面18、36大致重合，使得表面18、36形成單個有效表面，該單個有效表面雙重地用作第一棱鏡12的光波出射表面和第二棱鏡32的第二光波入射表面。在優選的實施方案中，兩個棱鏡12、32在表面18、36處彼此附接以形成一體棱鏡元件70。第8A圖和第8B圖分別示出了在附接之前彼此分離和在附接之後用以形成一體棱鏡元件70的棱鏡12、32。該附接可以經由各種光學附接裝置來實施，包括但不限於將表面18、36光學地黏合至彼此，以及構造成將兩個棱鏡12、32固定地保持就位，使得在表面18、36之間形成直接(或經由空氣間隙的間接)鄰接的機械佈置。

第一棱鏡12基於在第1圖至第3圖以及第6圖中標記為22和24的兩個棱鏡(即，由兩個棱鏡形成)，其中，棱鏡22、24中的至少一個棱鏡(第6圖中的棱鏡24)在斜邊側部上設置有二向色塗層以形成二向色分束器，該二向色分束器形成DBS 20的至少一部分，其透射某些波長的s偏振光並反射其他波長的s偏振光。兩個棱鏡22、24的斜邊側部彼此黏合以形成構成棱鏡12的黏合棱鏡組件。

第二棱鏡32類似地基於在第1圖、第4圖、第5圖和第7圖中標記為42和44的兩個棱鏡，其中，棱鏡42、44中的至少一個棱鏡(第7圖中的棱鏡44)在斜邊側部上設置有二向色塗層以形成二向色分束器，該二向色分束器形成DBS 40的至少一部分，其透射某些波長的p偏振光並反射其他波長的s偏振光。兩個棱鏡42、44的斜邊側部彼此黏合以形成構成棱鏡32的黏合棱鏡組件。

用於形成DBS 20和DBS 40的二向色塗層呈現波長(即，顏色)和偏振敏感性能，使得DBS 20和DBS 40根據入射光的波長和偏振狀態兩者反射或透射入射至DBS的表面的光。形成DBS 20和DBS 40的二向色塗層的設計將在本發明的後續部分中進行論述。

在該文獻的上下文中，可以以各種方式在棱鏡22、24和42、44中的至少一者的斜邊側部上提供二向色塗層。在一個非限制性示例中，二向色塗層可以直接施加在兩個組成棱鏡中的一者或兩者的斜邊側部上。 在另一非限制性示例中，可以在黏合之前在兩個組成棱鏡的斜邊側部之間部署優選地沿著兩個組成棱鏡的斜邊側部的整體延伸並且具有沉積在其上的二向色塗層的薄片材料，比方說例如片材、箔片或玻璃板。

DBS 20和DBS 40相對於彼此定向成使得關於(即，相對於)DBS 20的表面和表面14、16、18處於第一偏振狀態(s偏振或p偏振)的光關於(即，相對於)DBS 40的表面和表面34、36、38處於第二偏振狀態(p偏振或s偏振)。DBS 20與DBS 40之間的相對取向通過使DBS 20和DBS 40圍繞兩個主正交軸彼此旋轉偏移來設置，這兩個主正交軸在任意標記的XYZ坐標系中是x軸和z軸。在DBS 20部署在與YZ平面成45度角度的平面上並且DBS 40部署在與XY平面成45度角的平面上的優選的實施方案中，DBS 20和DBS 40圍繞x軸彼此旋轉偏移45度並且圍繞z軸彼此旋轉偏移45度。

以下段落描述棱鏡12、32的幾何構型。在優選的實施方案中，第一棱鏡12的光波入射表面14、16彼此正交，並且第一棱鏡12的第一光波入射表面14和光波出射表面18彼此平行。在這樣優選的實施方案中，第二棱鏡32的光波入射表面34、36也彼此正交，並且第二棱鏡32的第二光波入射表面36和光波出射表面38彼此平行。在特別優選的實施方案中，棱鏡12、32中的每個棱鏡被實施為方形長方體棱鏡，其中，部件棱鏡22、24、42、44中的每個棱鏡具有45度直角橫截面形狀。

在優選的幾何構型中，棱鏡12、32具有相同的幾何結構，並且最優選地，棱鏡12、32都是方形長方體棱鏡，其中，DBS 20和DBS 40部署在與平分相應棱鏡12、32的相應光波入射表面14、34成45度角的平面中。

當被實施為方形長方體棱鏡時，通過將兩個棱鏡12、32在表面18、36處光學地附接在一起而形成的棱鏡元件70形成為長形的矩形長方體棱鏡。在這種特別優選的實施方案中，第一棱鏡12的表面14、16、18、26、28、30具有相同的尺寸並具有正交的相鄰表面，並且第二棱鏡32的表面34、36、38、46、48、50具有相同的尺寸並具有正交的相鄰表面。 此外，在這樣特別優選的實施方案中，以下成對的表面是共面的(並且優選地接合以形成單個連續的平坦表面)：第一棱鏡12的第二光波入射表面16和第二棱鏡32的第二表面48、第一棱鏡12的第一表面26和第二棱鏡32的第三表面50、第一棱鏡12的第二表面28和第二棱鏡32的第一表面46，以及第一棱鏡12的第三表面30和第二棱鏡32的第一光波入射表面34。

類似於組成棱鏡12、32，棱鏡元件70包括多個平坦外表面，並且在特別優選但非限制性的實施方案中包括六個平坦外表面。第一光波入射表面14用作棱鏡元件70的第一外表面，該第一外表面也是棱鏡元件70的第一光波入射表面。光波出射表面38用作棱鏡元件70的第四外表面，該第四外表面也用作棱鏡元件70的光波出射表面。

棱鏡元件70的外表面中的四個外表面由用以形成連續表面的棱鏡12、32的成對表面的接合形成。棱鏡元件70的第二外表面通過將第一棱鏡12的第二光波入射表面16和第二棱鏡32的第二表面48接合而形成。棱鏡元件70的第二外表面的一部分(即由第一棱鏡12的第二光波入射表面16形成的那部分)用作棱鏡元件70的第二光波入射表面。棱鏡元件70的第三外表面通過將第一棱鏡12的第三表面30和第二棱鏡32的第一光波入射表面34接合而形成。棱鏡元件70的第三外表面的一部分(即由第二棱鏡32的第一光波入射表面34形成的那部分)用作棱鏡元件70的第三光波入射表面。棱鏡元件70的第一外表面、第二外表面和第三外表面相互正交。

棱鏡元件70的第五外表面通過將第一棱鏡12的第一表面26和第二棱鏡32的第三表面50接合而形成。棱鏡元件70的第六外表面通過將第一棱鏡12的第二表面28和第二棱鏡32的第一表面46接合而形成。

特別地參照第2圖至第5圖，光學裝置10具有三個偏振光源。本文中示出為具有第一線性偏振器55的第一光源54的第一偏振光源與第一棱鏡12的第一光波入射表面14(在某些實施方式中，第一光波入射表面14還是棱鏡元件70的第一外表面)相關聯。第一偏振光源構造成產生(即，發射)具有在與第一顏色(例如，紅色)對應的電磁光譜的第一特 定波長範圍中的波長的偏振光。本文中示出為具有第二線性偏振器59的第二光源58(在第4圖和第5圖中以虛線示出)的第二偏振光源與第一棱鏡12的第二光波入射表面16(在某些實施方式中，第二光波入射表面16還是棱鏡元件70的第二外表面的一部分)相關聯。第二偏振光源構造成產生具有在與第二顏色(例如，藍色)對應的電磁光譜的第二特定波長範圍中的波長的偏振光。本文中示出為具有第三線性偏振器63的第三光源62(在第2圖和第3圖中以虛線示出)的第三偏振光源與第二棱鏡32的第一光波入射表面34(在某些實施方式中，第一光波入射表面34還是棱鏡元件70的第三外表面)相關聯。第三偏振光源構造成產生具有在與第三顏色(例如，綠色)對應的電磁光譜的第三特定波長範圍中的波長的偏振光。三個特定的波長範圍是非重疊的波長範圍，使得三個偏振光源分別產生三種不同的顏色、例如紅色、藍色和綠色的光。

在優選但非限制性的實施方案中，第一偏振光源構造成產生以638奈米(nm)或大約638nm的波長為中心的偏振光以產生偏振紅光，第二偏振光源構造成產生以456nm或大約456nm的波長為中心的偏振光以產生偏振藍光，第三偏振光源構造成產生以532nm或大約532nm的波長為中心的偏振光以產生偏振綠光。

如第2圖和第4圖中所示，入射光束56穿過線性偏振器55，入射光束60穿過線性偏振器59，並且入射光束64穿過線性偏振器63。光束56、60、64可以來自相應的LEDs、雷射器、鐳射二極體或任何其他相應的光源54、58、62。需要指出的是，線性偏振器55、59、63在光源54、58、62本身被偏振的情況下不是必需的，儘管其可能仍然有利於確保高品質的偏振照射。在特別優選的實施方案中，如第2圖中所示，入射光束56、60相對於DBS 20的表面為s偏振，並且如第4圖中所示，入射光束64相對於DBS 40的表面為s偏振。

需要指出的是，光源54、58、62優選地實施為非相干光源(例如，LED、雷射器等)，使得由偏振光源產生的入射光束56、60、64是發散(或會聚)光束，這些光束作為未準直光耦合到棱鏡元件70中。此外， 偏振光源構造成產生具有相對寬的光束角度、優選地在±25度的範圍內的光束角度的光束。來自偏振光源的入射光在進入棱鏡12、32時被折射。通過棱鏡12、32傳播的光束具有相對於由光束遇到的DBS的表面的法線測量的對應入射角。如本領域中已知的，光束的折射角(在進入棱鏡時)是構成棱鏡的材料的折射率的函數。例如，當由具有1.7的折射率的材料構造棱鏡12、32時，來自偏振光源的入射光束以在大約±15度的範圍內的角度折射，該角度範圍與相對於由入射光束遇到的第一DBS的表面的法線測量的大約30度至60度的角度範圍對應(例如，第一偏振光源優選地具有與相對於DBS 20的表面的法線的30度至60度的範圍內的入射角對應的光束角度)。在棱鏡元件70的輸入端處的寬光束角度與在光學裝置10的輸出端處的寬光束角度對應，這在輸出光束用於照射反射顯示器裝置、比如LCoS時可能是有利的。

還應需要指出的是，棱鏡12、32的優選幾何構型可以促進在由DBS 20和DBS 40反射入射光的入射角的範圍內的均勻性。然而，可以設想其他幾何構型，比如棱鏡12、32中的一個或兩個棱鏡被實施為長形矩形長方體棱鏡的構型。然而，這種構型可能導致由DBS 20和DBS 40中的一個或兩個DBS反射光的入射角的範圍減小。

以下段落描述了來自三個偏振光源的光穿過棱鏡元件70的過程。如示出的，來自第一光源54的s偏振輸入光波(即，入射光束56)通過第一光波入射表面14耦合到棱鏡12(棱鏡12可以被認為是由棱鏡22、24構成的其中DBS 20位於棱鏡22、24之間的“光導引”光學裝置)中，棱鏡12由光波透射材料構成。s偏振光波(以~638nm的波長為中心，即，s偏振紅光)由DBS 20透射(由於形成DBS 20的二向色塗層的性能)，並且通過光波出射表面18耦合出棱鏡12。在被耦合出棱鏡12時，s偏振光波通過第二光波入射表面36耦合到棱鏡32(棱鏡32可以被認為是由棱鏡42、44構成的其中DBS 40位於棱鏡42、44之間的“光導引”光學裝置)中，棱鏡32由光波透射材料構成。在棱鏡12、32在表面18、36處附接且沒有空氣間隙的實施方案中，從棱鏡12的耦合輸出和到棱鏡32的耦合輸入是相 同的。由於DBS 20與DBS 40之間的相對取向，耦合到棱鏡32中的s偏振光波(來自入射光束56)現在相對於DBS 40的表面是p偏振的(如第4圖中所示)。現在p偏振的光波由DBS 40透射(由於形成DBS 40的二向色塗層的性能)，並且通過光波出射表面38耦合出棱鏡32。因此，s偏振光波(來自入射光束56)在沒有反射的情況下穿過棱鏡元件70的兩個棱鏡12、32。

來自第二光源58的s偏振輸入光波(即，入射光束60)通過第二光波入射表面16耦合到棱鏡12中。s偏振光波(以~456nm的波長為中心，即，s偏振藍光)由DBS 20反射(由於形成DBS 20的二向色塗層的性能)，並且通過光波出射表面18耦合出棱鏡12。在被耦合出棱鏡12時，s偏振光波通過第二光波入射表面36耦合到棱鏡32中。由於DBS 20和DBS 40之間的相對取向，耦合到棱鏡32中的s偏振光波(來自入射光束60)現在相對於DBS 40的表面是p偏振的(如第4圖中所示)。現在p偏振的光波由DBS 40透射(由於形成DBS 40的二向色塗層的性能)，並且通過光波出射表面38耦合出棱鏡32。因此，s偏振光波(來自入射光束60)以單次反射穿過棱鏡元件70的棱鏡12、32。

來自第三光源62的s偏振輸入光波(即，入射光束64)通過第一光波入射表面34耦合到棱鏡32中。s偏振光波(以~532nm的波長為中心，即，s偏振綠光)由DBS 40反射(由於形成DBS 40的二向色塗層的性能)，並且通過光波出射表面38耦合出棱鏡32。因此，s偏振光波(來自入射光束64)僅穿過棱鏡元件70的棱鏡中的一個棱鏡(棱鏡32)，並且具有單次反射，並且沒有偏振方面的變化。

如第1圖、第2圖和第4圖中所示，並且進一步根據以上論述，形成DBS 20的二向色塗層使得第一棱鏡12能夠將來自第一偏振光源和第二偏振光源的光混合在一起，並且通過光波出射表面18輸出雙色混合光。在本文描述的優選但非限制性的實施方案中，第一棱鏡12的輸出端處的混合光是分別由第一偏振光源和第二偏振光源產生的紅光和藍光(兩者以相同的偏振狀態偏振，例如s偏振)的混合物。DBS 40使得第二棱鏡32 能夠將來自第三偏振光源的光和由第一棱鏡12輸出的雙色混合光混合在一起，並且通過光波出射表面38輸出三色混合光。在本文描述的優選但非限制性的實施方案中，第二棱鏡32的輸出端處的三色混合光是由第一棱鏡12輸出的混合的紅光和藍光(現在相對於DBS 40的表面和光波出射表面38是p偏振的)以及由第三偏振光源產生的s偏振綠光的混合物。

附帶說明，為了簡單起見，在圖式中僅使用較少數目(三個)的光線來表示入射光束56、60、64以及它們的穿過棱鏡元件70的相應過程。如應當理解的，圖式中示出的代表性光線僅是構成入射光束的光線的一小部分，並且入射光束中的每個入射光束由源自相應的偏振光源的多個光線形成。

在此階段，應該理解的是，本發明提供了一種特別有利的光學裝置。特別地，通過使用與棱鏡元件70的三個相互正交的光波入射表面相關聯並且產生在耦合到棱鏡元件70之前未準直的寬光束的三個偏振光源，可以實現具有高能量寬角度輸入光束和在棱鏡元件70的輸出(即，光波出射表面)(其等同於棱鏡32的光波出射表面38)處的高能量寬角度混色輸出光束(由光源輸出的角度在±25度的範圍內，這又與如前面提到的30度至60度的範圍內的入射角度對應)的緊湊的光學裝置，這在將光學裝置10實施為用於照射NED或HMD系統的微顯示器的照射部件的一部分時可能是有利的。

各種特別優選的微顯示器利用了以下事實：在比如LCDs或LCoS顯示器的一些SLM微顯示器源中，特別是那些用於HMD和NEDs的SLM微顯示器源中，SLM的操作基於入射在微顯示器裝置上的偏振光，然後該偏振光以不同的偏振狀態反射。光學裝置10的緊湊構型的一個結果是，第二棱鏡32輸出端處的混合光由不同偏振的組成顏色光波構成。具體地，在第二棱鏡32的輸出端處，與第三偏振光源對應的組成顏色光波正交於與第一偏振光源和第二偏振光源對應的組成顏色光波地偏振。在第2圖和第4圖中示出的示例中，與第一偏振光源和第二偏振光源(即，入射光束56、60)對應的在第二棱鏡32的輸出端處的光波是p偏振的，而與第三偏振光 源(即，入射光束64)對應的在第二棱鏡32的輸出端處的光波是s偏振的。由於上述微顯示器裝置是偏振敏感的，因此保持在入射至微顯示器裝置的所有光的偏振均勻性是至關重要的。下面描述的各種實施方式公開了元件被設置以保持入射至微顯示器裝置的光的偏振均勻性的實施方案。

特別地參照第1圖至第5圖，色彩延遲器52部署在棱鏡元件70的輸出端處，並且色彩延遲器52與棱鏡32的光波出射表面38相關聯，使得來自三個偏振光源的耦合出第二棱鏡32(即，來自入射光束56、60、64)的所有光波在耦合出棱鏡32之後並且在撞擊微顯示器裝置之前穿過色彩延遲器52。色彩延遲器52用作用於某些波長的光、比如與入射光束56、60對應的光波的半波片，從而將那些光波的偏振狀態從p偏振旋轉成s偏振，同時保留某些波長的s偏振光、比如與入射光束64對應的光波的偏振狀態。因此，在色彩延遲器52的輸出端處的來自入射光束56、60、64的所有光波處於相同的偏振狀態(s偏振)。

在非限制性示例中，色彩延遲器52被實施為若干數量級的1λ₃波片，其中，λ₃是由第三偏振光源產生的光的波長。如前面所述，在特別優選的實施方案中，第一偏振光源構造成產生以638奈米(nm)或大約638nm的波長(λ₁)為中心的偏振綠光，第二偏振光源構造成產生以456nm或大約456nm的波長(λ₂)為中心的偏振藍光，第三偏振光源構造成產生以532nm或大約532nm的波長(λ₃)為中心的偏振綠光。

色彩延遲器52在常軸(o軸)和非常軸(e軸)之間具有等於N*λ₃(對於N的某些整數值，將在下面進行進一步論述)的差值。色彩延遲器52在o偏振與e偏振之間的以規定的45度角度的放置確保了對於三種顏色的光的在波長方面適當的必要延遲。在圖式中使用的任意標記的XYZ坐標系中，色彩延遲器52部署成具有其中o軸和e軸與y軸(和z軸)成45度的軸向偏移，如第9圖中所示。

色彩延遲器52可以實施為提供在波長方面的必要延遲的任何非色散雙折射元件。例如，任何具有延遲N*λ₃的非色散雙折射元件，其中，對於n的非負整數值N=6*(n+0.5)可以用於形成色彩延遲器52。

下面的表1示出了n=0、1和2以及λ₁=638.4nm、λ₂=456nm和λ₃=532nm情況下的波長方面的延遲。

如從表1可以看到，對於λ₁和λ₂的延遲是半波長的奇整數倍，而對於λ₃，延遲是半波長的偶整數倍。因此，由色彩延遲器52提供的延遲用作λ₁和λ₂的半波片，從而將λ₁和λ₂的偏振從p偏振變化為s偏振，同時保留λ₃的偏振狀態。

如上所述，光穿過棱鏡元件70以產生期望的顏色組合(即，混合的顏色)光波效果部分是由於形成DBS 20和DBS 40的二向色塗層的性能。以下段落論述了對於這些二向色塗層的設計考慮。應該明顯的是，DBS 20和DBS 40的必要反射和透射特性直接與由偏振光源注入到棱鏡元件70中的有顏色的光的順序以及該注入光的偏振狀態有關。為此，參照第1圖至第7圖中所示的光學裝置10的優選的實施方案做出以下二向色塗層論述，在該優選的實施方案中，第一偏振光源產生s偏振紅光，第二偏振光源產生s偏振藍光，並且第三偏振光源產生s偏振綠光。優選地利用低吸收材料設計二向色塗層，因此如果反射率高，則透射率低，反之亦然。

考慮到這一點，棱鏡元件70被設計成使得形成DBS 20的二向色塗層具有對於s偏振紅光的低反射率和高透射率(即，低R_S、高T_S)，並且具有高反射率藍光(即，高R_S、低T_S)，並且使得形成DBS 40的二向色塗層具有對於p偏振紅光和藍光的低反射率和高透射率(即，低R_P、高T_P)並且具有對於s偏振綠光的高反射率和低透射率(即，高R_S、低T_S)。因此，由第一偏振光源產生的紅光由DBS 20和DBS 40透射，由第二偏振光源產生的藍光由DBS 20反射並由DBS 40透射，並且由第三偏振光源產生的綠光由DBS 20反射。

以下段落參照對於s偏振和p偏振兩者的各種反射率曲線描述了用於DBS 20和DBS 40的二向色塗層的不同設計選項，並且還圖示了使DBS 20與DBS 40旋轉偏移以提供顏色組合功能背後的原理。反射率曲線示出了入射到非限制性結構中的棱鏡12、32的DBS的光的反射行為，其中，棱鏡12、32由具有1.7的折射率的材料構成。因此，以下段落中考慮的入射角度在30度至60度範圍內。為了完整起見，反射率曲線中示出了0度至60度的範圍內的更寬範圍的入射角度。如前面論述的，入射角度是相對於由光束遇到的DBS的表面的法線測量的。

第10圖示出了作為對於DBS 40的可能設計的二向色塗層的s偏振的波長的函數的反射率曲線，其用於針對相對於DBS 40的表面測量的不同入射角度的s偏振。如示出的，儘管s偏振綠光對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度具有高反射率，但是s偏振紅光和藍光對某些入射角度、特別是大於30度的入射角度也具有高反射率。因此，對於DBS 40使用這種設計的二向色塗層而不將DBS 20與DBS 40適當地旋轉偏移將導致對於大於30度的入射角度，紅光和藍光被DBS 40反射。因此，對於0度至60度的入射角度範圍內的特別重要的子範圍(例如，30度至60度)，紅光和藍光將被DBS 40反射，使得被DBS 40透射並與綠光組合的任何殘餘紅光和藍光將受到強度方面的顯著損失。

第11圖示出了作為對於DBS 40的可能設計的二向色塗層的p偏振的波長的函數的反射率曲線，其用於針對第10圖中論述的0度至60度的入射角度範圍的p偏振。如可以看出的，p偏振紅光和藍光對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度具有低反射率。因此，在將DBS 20與DBS 40適當地旋轉偏移的同時對於DBS 40使用這種設計的二向色塗層將導致對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度，紅光和藍光被DBS 40透射。因此，DBS 40這種設計的二向色塗層有助於提供所需的寬光束顏色組合功能，這是因為對於0度至60度範圍內的所有入射角度，p偏振紅光和藍光將被DBS 40透射。

第12圖示出了作為對於關於第11圖論述的設計的二向色 塗層在三組特定偏振波長下的入射角的函數的反射率曲線：波長為456nm的p偏振光(藍光)、波長為532nm的s偏振光(綠光)和波長為638nm的p偏振光(紅光)。如可以看出的，對於p偏振光(即456nm和638nm)的反射率在幾乎整個0度至60度範圍內相對較低(低於約15%)，除了638nm光在約24度至30度範圍內超越15%，其中，在約28度處峰值反射率約為16%。另外，對於s偏振光(即532nm)的反射率在幾乎整個0度至60度範圍內相對較高(高於約77%)，除了在47度至53度之間下降至低於約77%，並且其中，在約50度處的最小反射率約為70%。

第13圖示出了作為對於DBS 20的可能設計的二向色塗層的s偏振的波長的函數的反射率曲線，其用於針對相對於DBS 20的表面測量的0度至60度之間的各種入射角度的s偏振。如可以看出的，s偏振紅光對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度具有低反射率，而s偏振藍光對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度具有高反射率。因此，對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度，對於DBS 20使用這種設計的二向色塗層將導致紅光被DBS 20透射並且藍光被DBS 20反射。

第14圖示出了作為對於參照第13圖論述的設計的二向色塗層的在兩種特定波長下的入射角度的函數的反射率曲線(對於s偏振光)：456nm(藍光)和638nm(紅光)。如可以看出的，對於638nm光的反射率在整個0度至60度範圍內保持較低(低於約7%)，並且對於456nm光的反射率在幾乎整個0度至60度範圍內保持較高(高於約93%)。

如從前面對於光學裝置10的描述應明顯的，只要保持DBS 20與DBS 40之間的取向，使得相對於DBS 20的表面處於第一偏振狀態(s偏振或p偏振)的光相對於DBS 40的表面處於第二偏振狀態(p偏振或s偏振)，DBS 20和DBS 40中的任一者或兩者可以圍繞一個或更多個主軸旋轉，同時仍然保持顏色組合功能。

例如，DBS 20可以圍繞z軸旋轉90度，並且/或者DBS 40可以圍繞y軸旋轉90度。這種旋轉將固有地改變棱鏡12、32的光波入射表面。例如，在DBS 20圍繞z軸旋轉90度之後，表面26將成為棱鏡12 的第二光波入射表面，在DBS 40圍繞y軸旋轉90度之後，表面46將成為棱鏡32的第一光波入射表面。

應當理解的是，在本文中被設想了在對光波入射表面的適當對應的改變的情況下，DBS 20和DBS 40中的任一者或兩者(並且等同地，棱鏡12、32中的任一者或兩者)圍繞一個或更多個主軸的其他旋轉並且其鑒於前述公開內容對於本領域技術人員而言是明顯的。

需要指出的是，第一偏振光源產生偏振紅光，第二偏振光源產生偏振藍光，並且第三偏振光源產生偏振綠光的優選的實施方案在光學裝置10的設計中提供了若干優點。一個這樣的優點是色彩延遲器52的設計，因為關注的特定波長自身不適於找到對於在波長方面的必要延遲的好的解決方案。另一個優點是，優選的實施方案自身適於使得通過棱鏡元件70傳播的綠光具有更高效率。產生綠光的光源通常比產生藍光或紅光的光源效率低。這在這些光源被實施為LEDs時尤其如此。因此，優選的是，盡可能減少綠光在其穿過棱鏡元件70時的能量損失。如上所述，在優選的實施方案中，綠光僅穿過棱鏡32並且不進入棱鏡12。因此，綠光以與紅光和藍光(必須穿過兩個棱鏡12、32)相比能量損失更少的方式傳播通過棱鏡元件70。

儘管如目前為止所描述的光學裝置10的操作涉及以下優選的實施方案：在該實施方案中，偏振光源在第1圖中從左到右被排序為紅色(R，red)、藍色(B，blue)、綠色(G，green)，即，第一偏振光源產生s偏振紅光，第二偏振光源產生s偏振藍光，並且第三偏振光源產生s偏振綠光，但是偏振光源的所有可能排序在本文中被設想並且落入本發明的範圍內。

以下段落描述了根據光學裝置10的附加實施方案的兩個光源排序。在第一附加實施方案中，第一偏振光源產生s偏振紅光，第二偏振光源產生s偏振綠光，並且第三偏振光源產生s偏振藍光。第15圖示出了作為對於DBS 40的可能設計的二向色塗層的s偏振的波長的函數的反射率曲線，其用於針對相對於DBS 40的表面測量的各種入射角度的s偏振。如 示出的，儘管s偏振藍光對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度具有高反射率(特別是對於420nm至450nm範圍內的波長)，但是s偏振綠光和紅光對於某些入射角度、特別是大於30度的入射角度也具有高反射率。因此，對DBS 40使用這種設計的二向色塗層而不將DBS 20與DBS 40適當地旋轉偏移將分別導致分別對於大於30度和20度的入射角度，紅光和綠光被DBS 40反射。因此，對於0度至60度入射角度範圍的特定子範圍(例如，20/30度至60度)，紅光和綠光將被DBS 40反射，使得由DBS 40透射並與藍光組合的任何殘餘的紅光和綠光將受到強度方面的顯著損失。

第16圖示出了作為對於DBS 40的可能設計的二向色塗層的p偏振的波長的函數的反射率曲線，其用於針對在0度至60度入射角度範圍的p偏振。如可以看出的，p偏振紅光和綠光對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度具有低反射率。因此，對DBS 40使用這種設計的二向色塗層，同時將DBS 20與DBS 40適當地旋轉偏移將導致被對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度，紅光和綠光被DBS 40透射。因此，DBS 40的這種設計的二向色塗層有助於提供所需的寬光束顏色組合功能，這是因為對於0度至60度範圍內的所有入射角度，p偏振紅光和綠光將被DBS 40透射。

使得DBS 20透射s偏振紅光並反射s偏振綠光的二向色塗層的設計將不在本文中進行詳細論述。基於本文中二向色塗層的先前論述，用以分別影響s偏振紅光和綠光的反射和透射的這種二向色塗層的設計對於本領域普通技術人員而言應該是明顯的。

在第二附加實施方案中，第一偏振光源產生s偏振綠光，第二偏振光源產生s偏振藍光，並且第三偏振光源產生s偏振紅光。第17圖示出了作為對於DBS 40的可能設計的二向色塗層的s偏振的波長的函數的反射率曲線，其用於針對相對於DBS 40的表面測量的各種入射角度的s偏振。如示出的，儘管s偏振紅光對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度具有高反射率(特別是對於625nm至660nm的範圍內的波長)，但是s偏振藍光和綠光對於某些入射角度、特別是大於30度的入射角度也具有 高反射率。因此，對DBS 40使用這種設計的二向色塗層而不將DBS 20與DBS 40適當地旋轉偏移將導致對於大於30度的入射角度，藍光和綠光被DBS 40反射。因此，對於0度至60度入射角度範圍的特別重要的子範圍(例如，30度至60度)，藍光和綠光將被DBS 40反射，使得由DBS 40透射並與紅光組合的任何殘餘的藍光和綠光將受到強度方面的顯著損失。

第18圖示出了作為對於DBS 40的可能設計的二向色塗層的p偏振的波長的函數的反射率曲線，其用於針對在0度至60度入射角度範圍的p偏振。如可以看出的，p偏振藍光和綠光對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度具有低反射率。因此，對DBS 40使用這種設計的二向色塗層，同時將DBS 20與DBS 40適當地旋轉偏移將導致對於0度至60度的入射角度範圍內的所有角度，藍光和綠光被DBS 40透射。因此，DBS 40的這種設計二向色塗層有助於提供所需的寬光束顏色組合功能，這是因為對於0度至60度範圍內的所有入射角度，p偏振藍光和綠光將被DBS 40透射。

使得DBS 20透射s偏振綠光並反射s偏振藍光的二向色塗層的設計將不在本文中進行詳細論述。基於本文中二向色塗層的先前論述，用以分別影響s偏振綠光和藍光的反射和透射的這種二向色塗層的設計對於本領域普通技術人員而言應該是明顯的。

至此描述的光學裝置10可以用於需要微型顏色組合器的廣泛應用中。適合的應用的示例包括但不限於各種成像應用，比如利用圖像投影儀的近眼式顯示器(NEDs)、頭戴式顯示器(HMDs)和平視顯示器(HUDs)──圖像投影儀將圖像投影到NED、HMD和HUD、蜂窩電話、緊湊型顯示器、三維顯示器、緊湊型擴束器的部件中──以及非成像應用，比如平板指示器和掃描器。本實施方式的光學裝置10在用作這種圖像投影儀的照射部件時可能具有特別的價值，該圖像投影儀採用需要由偏振光進行照射來生成圖像像素的SLM微型顯示器。適用於NED、HMD和HUD應用的各種類型的圖像投影儀能夠從Lumus有限公司(以色列)商購獲得。這些圖像投影儀可以採用包括照射棱鏡和準直棱鏡的各種棱鏡元件以及反射顯示 器裝置(例如，LCoS)。

作為特別優選但非限制性的應用子集的說明，第19圖示出了與參照第1圖至第7圖描述的結構對應的光學裝置100，光學裝置100與生成準直圖像的圖像投影裝置110和接收來自圖像投影裝置110的注入圖像的光導引基板124組合以形成光學系統。現在將對圖像投影裝置110和基板124的通用結構進行描述，然而，圖像投影裝置110和基板124的更詳細的描述可以在以下PCT專利出版物：WO 2018/100582、WO 01/95027和WO 2008/023367中發現，其全部的公開內容通過參引併入本文。需要指出的是，本文中描述的圖像投影裝置110和基板124僅是圖像投影裝置和光導引光學元件的示例，其中，光學裝置100可以有利地與這些圖像投影裝置和光導引光學元件使用。

圖像投影裝置110包括形成圖像準直棱鏡的兩個組成棱鏡112、114。偏振選擇性分束器結構118(PBS 118)部署在圖像準直棱鏡內。從光學裝置100輸出的光波122、優選為s偏振光波進入棱鏡112。s偏振光波被PBS 118朝向圖像顯示器表面反射，在圖像顯示器表面處s偏振光波撞擊在反射顯示器裝置120(優選地實施為LCoS)上。與圖像的明亮區域對應的像素以調變旋轉偏振反射以將光波從s偏振轉換成p偏振，使得來自明亮像素的輻射在進入覆蓋延遲板的至少一部分的至少一個光波準直部件116之前透射通過PBS 118並穿過至少一個延遲板(未示出)、優選為四分之一波板，並且通過四分之一波板反射回來，以將光波轉換回s偏振。然後，s偏振光波被PBS 118反射出棱鏡114，在棱鏡114處s偏振光波進入基板124。

基板124通常包括彼此平行的至少兩個主表面126和128、一個或更多個部分反射表面132以及用於將光耦合到基板124中的光學楔形元件130。來自圖像投影裝置110的輸出光波122通過光學楔形元件130進入基板124。如第19圖中所示，射入光波(相對於基板124)通過全內反射(TIR)被捕獲在基板124中。來自基板124的捕獲的光波的外耦合可以通過部分反射表面132或者通過衍射元件或者任何其他適合的外耦合裝置 來施加。光學楔形元件130僅是一個非限制性光學耦合構型的說明，並且其他元件和構型可以用於將來自圖像投影裝置110的光耦合到基板124中。

貫穿本檔，已經參照優選地以特定波長範圍內的波長為中心的光。這種光通常可以被稱為“有顏色的光”，有顏色的光具有在可見光譜的特定光譜區域中、優選在該特定光譜區域的中心處的波長。儘管已經在以456nm或大約456nm的波長為中心的藍光、以532nm或大約532nm的波長為中心的綠光以及以638nm或大約638nm的波長為中心的紅光的上下文中描述了本發明的實施方式，但是這些特定波長僅是示例性的，並且不同類型的有顏色的光的特定波長可以從可見光譜的相關光譜區域中的任何地方選擇，在藍光的情況下大約在450nm至485nm的範圍內(但是在某些情況下可以延伸至該範圍之外)，並且在綠光的情況下大約在500nm至565nm的範圍內(但是在某些情況下可以延伸到該範圍之外)，並且在紅光的情況下大約在625nm至740nm的範圍內(但是在某些情況下可以延伸到該範圍之外)。

出於說明的目的已經呈現了對本發明的各種實施方式的描述，但是並不意在窮舉或者限於所公開的實施方式。在不背離所述實施方式的範圍和精神的情況下，許多改型和變型對於本領域普通技術人員而言將是明顯的。選擇本文中使用的術語是為了最好地解釋實施方式的原理、實際應用或對市場中發現的技術上進行技術改進，或者使得其他本領域普通技術人員能夠理解本文中公開的實施方式。

如本文中使用的，除非上下文另有明確指示，否則單數形式“一”、“一種”和“該”包括複數的引用。

詞語“示例性”在本文中用於表示“用作示例、實例或說明”。被描述為“示例性”的任何實施方式不一定被解釋為比其他實施方式更加優選或有利並且/或者從其他實施方式中排除特徵的合併。

應理解的是，為了清楚起見而在單獨實施方式的上下文中描述的本發明的某些特徵也可以在單個實施方式中以組合方式提供。相反，為 了簡潔起見而在單個實施方案的上下文中描述的本發明的多個特徵也可以單獨提供或者以任何子合適的組合提供，或者在本發明的任何其他描述的實施方式中合適地提供。在各種實施方式的上下文中描述的某些特徵不應被認為是這些實施方式的必要特徵，除非該實施方式在沒有這些元件的情況下不起作用。

就所附申請專利範圍的起草沒有多重從屬關係而言，這樣做僅為了適應不允許這種多重從屬關係的司法管轄區的形式要求。應當指出的是，通過使申請專利範圍多重從屬所隱含的特徵的所有可能組合都是明確設想的並且應當被認為是本發明的一部分。

儘管已經結合本發明的具體實施方式對本發明進行了描述，但是顯然的，許多替換方案、改型和變型對於本領域技術人員將是明顯的。因此，本發明意在涵蓋落入所附申請專利範圍的精神和廣泛範圍內的所有這些替換方案、改型和變型。

10:光學裝置

12,22,24,32,42,44:棱鏡

20,40:二向色分束器結構(DBS)

52:色彩延遲器

56,60,64:入射光束

70:棱鏡元件

Claims (27)

1. 一種光學裝置，所述光學裝置包括：第一棱鏡，所述第一棱鏡包括：第一光波入射表面、第二光波入射表面和光波出射表面，以及第一二向色分束器結構，所述第一二向色分束器結構在所述第一棱鏡內部署在相對於所述光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上；以及第二棱鏡，所述第二棱鏡包括：第一光波入射表面和與所述第一棱鏡的所述光波出射表面相關聯的第二光波入射表面，以及第二二向色分束器結構，所述第二二向色分束器結構在所述第二棱鏡內部署在相對於所述第二棱鏡的所述光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上並使得關於所述第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的光關於所述第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態，所述第一二向色分束器結構透射關於所述第一二向色分束器結構以所述第一偏振狀態偏振的第一顏色的波長的光，並且所述第一二向色分束器結構反射關於所述第一二向色分束器結構以所述第一偏振狀態偏振的第二顏色的波長的光，並且所述第二二向色分束器結構透射關於所述第二二向色分束器結構以第二偏振狀態偏振的所述第一顏色的波長的光和關於所述第二二向色分束器結構以第二偏振狀態偏振的所述第二顏色的波長的光，並且所述第二二向色分束器結構反射關於所述第二二向色分束器結構以所述第一偏振狀態偏振的第三顏色的波長的光。
2. 如請求項1所述的光學裝置，還包括： 第一偏振光源，所述第一偏振光源與所述第一棱鏡的所述第一光波入射表面相關聯，所述第一偏振光源產生關於所述第一二向色分束器結構處於所述第一偏振狀態的所述第一顏色的光；第二偏振光源，所述第二偏振光源與所述第一棱鏡的所述第二光波入射表面相關聯，所述第二偏振光源產生關於所述第一二向色分束器結構處於所述第一偏振狀態的所述第二顏色的光；以及第三偏振光源，所述第三偏振光源與所述第二棱鏡的所述第一光波入射表面相關聯，所述第三偏振光源產生關於所述第二二向色分束器結構處於所述第一偏振狀態的所述第三顏色的光。
3. 如請求項2所述的光學裝置，其中，由所述第一偏振光源和所述第二偏振光源產生的光以關於所述第二二向色分束器結構處於所述第二偏振狀態的形式到達所述第二棱鏡的光波出射表面，並且由所述第三偏振光源產生的光以關於所述第二二向色分束器結構處於所述第一偏振狀態的形式到達所述第二棱鏡的所述光波出射表面。
4. 如請求項2所述的光學裝置，其中，由所述第一偏振光源和所述第二偏振光源產生的光以及由所述第三偏振光源產生的光作為未準直光分別進入所述第一棱鏡和所述第二棱鏡。
5. 如請求項2所述的光學裝置，其中，所述第一偏振光源配置成產生關於所述第一二向色分束器結構為s偏振的紅光，並且其中，所述第二偏振光源配置成產生關於所述第一二向色分束器結構為s偏振的藍光，並且其中，所述第三偏振光源配置成產生關於所述第二二向色分束器結構為s偏振的綠光。
6. 如請求項2所述的光學裝置，其中，所述第一偏振光源配置成產生關於所述第一二向色分束器結構為s偏振的紅光，並且其中，所述第二偏振光源配置成產生關於所述第一二向色分束器結構為s偏振的綠光，並且其中，所述第三偏振光源配置成產生關於所述第二二向色分束器結構為s偏振的藍光。
7. 如請求項2所述的光學裝置，其中，所述第一偏振光源配置成產生關於所述第一二向色分束器結構為s偏振的綠光，並且其中，所述第二偏振光源配置成產生關於所述第一二向色分束器結構為s偏振的藍光，並且其中，所述第三偏振光源配置成產生關於所述第二二向色分束器結構為s偏振的紅光。
8. 如請求項2所述的光學裝置，其中，所述偏振光源包括發光二極體。
9. 如請求項2所述的光學裝置，其中，所述偏振光源包括雷射器。
10. 如請求項2所述的光學裝置，還包括：色彩延遲器，所述色彩延遲器與所述第二棱鏡的光波出射表面相關聯，所述色彩延遲器定向成使得將來自所述第一偏振光源和所述第二偏振光源的光的偏振狀態從關於所述第二二向色分束器結構為所述第二偏振狀態改變成關於所述第二二向色分束器結構為所述第一偏振狀態。
11. 如請求項1所述的光學裝置，還包括：反射顯示器裝置，所述反射顯示器裝置回應於被從所述第二棱鏡的光波出射表面輸出的光照射而產生偏振光。
12. 如請求項11所述的光學裝置，還包括：光導引基板，所述光導引基板具有彼此平行的至少兩個主表面，其中，由所述反射顯示器裝置產生的光耦合到所述光導引基板中。
13. 如請求項11所述的光學裝置，其中，所述反射顯示器裝置包括液晶覆矽顯示器。
14. 如請求項1所述的光學裝置，其中，關於所述第一二向色分束器結構的所述第一偏振狀態為s偏振。
15. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述第一棱鏡的所述光波入射表面彼此正交。
16. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述第二棱鏡的所述光波入 射表面彼此正交。
17. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述第二棱鏡還包括與所述第一棱鏡的所述光波出射表面平行的光波出射表面。
18. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述第一棱鏡和所述第二棱鏡在所述第一棱鏡的所述光波出射表面和所述第二棱鏡的所述第二光波入射表面處光學地耦合至彼此。
19. 如請求項18所述的光學裝置，其中，光學耦合包括光學黏合。
20. 如請求項18所述的光學裝置，其中，光學耦合包括機械佈置。
21. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述第一棱鏡或所述第二棱鏡中的至少一者為方形長方體棱鏡。
22. 一種光學裝置，所述光學裝置包括：第一棱鏡，所述第一棱鏡包括：第一光波入射表面和第二光波入射表面，以及第一二向色分束器結構，所述第一二向色分束器結構在所述第一棱鏡內部署在相對於所述光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上；第二棱鏡，所述第二棱鏡包括：光波入射表面，以及第二二向色分束器結構，所述第二二向色分束器結構在所述第二棱鏡內部署在相對於所述第二棱鏡的光波入射表面傾斜的平面上並使得關於所述第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的光關於所述第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態，第一偏振光源，所述第一偏振光源與所述第一棱鏡的所述第一光波入射表面相關聯，所述第一偏振光源產生關於所述第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第一顏色的光； 第二偏振光源，所述第二偏振光源與所述第一棱鏡的所述第二光波入射表面相關聯，所述第二偏振光源產生關於所述第一二向色分束器結構處於所述第一偏振狀態的第二顏色的光；第三偏振光源，所述第三偏振光源與所述第二棱鏡的所述光波入射表面相關聯，所述第三偏振光源產生關於所述第二二向色分束器結構處於所述第一偏振狀態的第三顏色的光，其中，由所述第一偏振光源產生的光被所述第一二向色分束器結構透射並被所述第二二向色分束器結構透射，並且其中，由所述第二偏振光源產生的光被所述第一二向色分束器結構反射並被所述第二二向色分束器結構透射，並且其中，由所述第三偏振光源產生的光被所述第二二向色分束器結構反射。
23. 如請求項22所述的光學裝置，其中，由所述第一偏振光源和所述第二偏振光源產生的光以及由所述第三偏振光源產生的光作為未準直光分別進入所述第一棱鏡和所述第二棱鏡。
24. 一種光學裝置，所述光學裝置包括：棱鏡元件，所述棱鏡元件包括：第一外表面、第二外表面和第三外表面，其中，所述第一外表面、所述第二外表面和所述第三外表面相互正交，並且其中，在所述第一外表面的至少一部分上形成第一光波入射表面，在所述第二外表面的至少一部分上形成第二光波入射表面，並且在所述第三外表面的至少一部分上形成第三光波入射表面，以及第一二向色分束器結構，所述第一二向色分束器結構在所述棱鏡元件的第一部分內部署在相對於所述第一光波入射表面或所述第二光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上，第二二向色分束器結構，所述第二二向色分束器結構在所述棱鏡元件的第二部分內部署在相對於所述第三光波入射表面傾斜的平面上，使得關於所述第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的光關於 所述第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態；第一偏振光源，所述第一偏振光源與所述第一光波入射表面相關聯，所述第一偏振光源產生關於所述第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的第一顏色的光；第二偏振光源，所述第二偏振光源與所述第二光波入射表面相關聯，所述第二偏振光源產生關於所述第一二向色分束器結構處於所述第一偏振狀態的第二顏色的光；以及第三偏振光源，所述第三偏振光源與所述第三光波入射表面相關聯，所述第三偏振光源產生關於所述第二二向色分束器結構處於所述第一偏振狀態的第三顏色的光，其中，所述第一二向色分束器結構構造成透射關於所述第一二向色分束器結構以所述第一偏振狀態偏振的所述第一顏色的波長的光，並且所述第一二向色分束器結構反射關於所述第一二向色分束器結構以所述第一偏振狀態偏振的所述第二顏色的波長的光，並且其中，所述第二二向色分束器結構構造成透射關於所述第二二向色分束器結構以所述第二偏振狀態偏振的所述第一顏色或所述第二顏色的波長的光，並且所述第二二向色分束器結構反射關於所述第二二向色分束器結構以所述第一偏振狀態偏振的所述第三顏色的波長的光。
25. 如請求項24所述的光學裝置，其中，由所述第一偏振光源、所述第二偏振光源和所述第三偏振光源產生的光作為未準直光進入所述棱鏡元件。
26. 一種光學裝置，所述光學裝置包括：第一棱鏡，所述第一棱鏡包括：第一光波入射表面、第二光波入射表面和光波出射表面，以及第一二向色分束器結構，所述第一二向色分束器結構在所述第一棱鏡內部署在相對於所述光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾 斜的平面上；第二棱鏡，所述第二棱鏡包括：第一光波入射表面、第二光波入射表面和光波出射表面，以及第二二向色分束器結構，所述第二二向色分束器結構在所述第二棱鏡內部署在相對於所述第二棱鏡的所述光波入射表面中的至少一個光波入射表面傾斜的平面上，使得關於所述第一二向色分束器結構處於第一偏振狀態的光關於所述第二二向色分束器結構處於第二偏振狀態；第一偏振光源，所述第一偏振光源產生關於所述第一二向色分束器結構為s偏振的紅光；第二偏振光源，所述第二偏振光源產生關於所述第一二向色分束器結構為s偏振的藍光；第三偏振光源，所述第三偏振光源產生關於所述第二二向色分束器結構為s偏振的綠光，所述第一二向色分束器結構透射偏振紅光並反射偏振藍光以便通過所述第一棱鏡的所述光波出射表面輸出偏振混合光，所述偏振混合光是所述偏振紅光和所述偏振藍光的混合物，所述第二二向色分束器結構透射所述偏振混合光並反射偏振綠光以便通過所述第二棱鏡的所述光波出射表面輸出混合光，所述混合光是所述偏振紅光、所述偏振藍光和所述偏振綠光的混合物。
27. 如請求項26所述的光學裝置，還包括：色彩延遲器，所述色彩延遲器與所述第二棱鏡的所述光波出射表面相關聯，所述色彩延遲器定向成改變所述混合光的所述偏振紅光和所述偏振藍光的偏振狀態。

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