CN102282497B - 高耐久性合色器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了光学元件、使用所述光学元件的合色器和使用所述合色器的图像投影仪。该光学元件可构造成下述合色器，该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。该光学元件包括波长选择型二向色镜，该波长选择型二向色镜反射可损害光学元件内的反射型偏振器的光化性光的主要部分。该波长选择型二向色镜透射其他波长的光的主要部分。使用该光学元件的所得合色器与不含波长选择型二向色镜的合色器相比，可具有改善的耐久性。使用该合色器的图像投影仪可包括反射型(包括数字微反射镜)或偏振(包括液晶)成像模块。

Description

高耐久性合色器
背景技术
用于将图像投影到屏幕上的投影***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。在LED和图像显示单元之间设置若干光学元件，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。
用于将图像投影在屏幕的其它投影***可使用来自数字微镜阵列进行影像反射所配置的白光，例如用于德州仪器公司(Texas Instruments)的数字光学处理器显示器中的微镜阵列。在
Figure BPA00001406537100012
显示器中，数字微镜阵列中的各个反射镜表示所投影图像的各个像素。当显示像素所对应的反射镜倾斜以使得入射光导向到投影光路时，该显示像素被照亮。安置在光路内部的旋转色轮被定时为对来自数字微镜阵列的光进行反射，从而使得反射的白光经滤光来投射与像素对应的颜色。数字微镜阵列然后切换到下一个需要的像素颜色，并且这个过程以非常迅速的速度继续进行，从而使得整个投影的显示内容看起来被持续照亮。数字微镜投影***需要较少的像素化阵列部件，这可形成较小尺寸的投影仪。
LED照明正成为投影照明的常用方法。LED提供长寿命、高色域、高效率、选通顺序成像器的能力，并且不含汞。然而，LED具有相对低的亮度。至少使由红光、绿光和蓝光LED制成的白色光源的有效亮度加倍的一种方式为使用合色器，该合色器使用二向色滤光器以使LED的各个颜色在光学上看起来彼此空间重叠。这种类型的装置被广义地描述为“合色器”。
合色器通常使用相对于从其穿过的光束倾斜的二向色滤光器。3M公司最近已开发出下述合色器，其中二向色滤光器与LED输出的平均光路成垂直入射角度，并且光通过反射型偏振器和四分之一波片的组合进行有效地转向。
图像亮度是投影***的重要参数。色光源的亮度和光的会聚、组合、均匀化以及将光传送到图像显示单元的效率均会影响亮度。由于现代投影仪***的尺寸减小，因此在保持足够的输出亮度水平的同时，将色光源所产生的热保持在低水平，以致可在小型投影仪***中散热。需要光组合***以更高的效率组合多路色光，从而得到具有足够亮度水平的输出光，而光源的功耗不大。另外需要一种光组合***，该光组合***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，本说明书涉及高耐久性光学元件、使用该光学元件的合色器和使用该合色器的图像投影仪。
在一个方面，光学元件包括第一选色型二向色滤光器，其具有第一输入表面且设置为透射垂直于第一输入表面的第一色光束；选色型二向色镜，其设置为以成大约45度角与第一色光束相交；以及反射型偏振器，其设置为邻近选色型二向色镜且位于与第一选色型二向色滤光器相反的一侧。选色型二向色镜能够反射第一色光束的主要部分。在一个实施例中，第一色光束包括能使反射型偏振器劣化的光的波长。在另一个实施例中，光学元件还包括第二选色型二向色滤光器，其具有第二输入表面且设置为透射垂直于第二输入表面的第二色光束，并且以成大约45度角与反射型偏振器相交，其中选色型二向色镜能够透射第二色光束的主要部分。在另一个实施例中，光学元件还包括第三选色型二向色滤光器，其具有第三输入表面且设置为透射垂直于第三输入表面的第三色光束，并且以成大约45度角与反射型偏振器相交，其中选色型二向色镜能够透射第三色光束的主要部分。
在另一方面，合色器包括光学元件。光学元件包括第一选色型二向色滤光器，其具有第一输入表面且设置为透射垂直于第一输入表面的第一色光束；选色型二向色镜，其设置为以成大约45度角与第一色光束相交；以及反射型偏振器，其设置为邻近选色型二向色镜且位于与第一选色型二向色滤光器相反的一侧，其中选色型二向色镜能够反射第一色光束的主要部分。在一个实施例中，第一色光束包括能够使反射型偏振器劣化的波长的光。在另一个实施例中，光学元件还包括第二选色型二向色滤光器，其具有第二输入表面且设置为透射垂直于第二输入表面的第二色光束，并且以成大约45度角与反射型偏振器相交，其中选色型二向色镜能够透射第二色光束的主要部分。在另一个实施例中，光学元件还包括第三选色型二向色滤光器，其具有第三输入表面且设置为透射垂直于第三输入表面的第三色光束，并且以成大约45度角与反射型偏振器相交，其中选色型二向色镜能够透射第三色光束的主要部分。
在另一方面，投影***包括光学元件。光学元件包括第一选色型二向色滤光器，其具有第一输入表面且设置为透射垂直于第一输入表面的第一色光束；选色型二向色镜，其设置为以成大约45度角与第一色光束相交；以及反射型偏振器，其设置为邻近选色型二向色镜且位于与第一选色型二向色滤光器相反的一侧，其中选色型二向色镜能够反射第一色光束的主要部分。在一个实施例中，第一色光束包括能够使反射型偏振器劣化的波长的光。在另一个实施例中，光学元件还包括第二选色型二向色滤光器，其具有第二输入表面且设置为透射垂直于第二输入表面的第二色光束，并且以成大约45度角与反射型偏振器相交，其中选色型二向色镜能够透射第二色光束的主要部分。在另一个实施例中，光学元件还包括第三选色型二向色滤光器，其具有第三输入表面且设置为透射垂直于第三输入表面的第三色光束，并且以成大约45度角与反射型偏振器相交，其中选色型二向色镜能够透射第三色光束的主要部分。
在另一方面，光学元件包括第一选色型二向色滤光器，其具有第一输入表面且设置为透射垂直于第一输入表面的第一色光束；反射型偏振器，其设置为以成大约45度角与第一色光束相交；输出表面，其设置为沿垂直于输出表面的输出方向透射第一色光束；以及选色型二向色镜，其设置为以成大约45度角与第一色光束和第二色光束相交。选色型二向色镜能够沿输出方向反射第二色光束的第一主要部分，并且沿输出方向透射第一光束的第二主要部分。在一个实施例中，光学元件还包括第二选色型二向色滤光器，其具有第二输入表面且设置为透射垂直于第二输入表面的第三色光束，所述第三色光束能够以成大约45度角与反射型偏振器和选色型二向色镜相交。选色型二向色镜能够沿输出方向透射第三光束的第三主要部分。
附图说明
整个说明书中都参考了附图，其中类似的附图标记表示类似的元件，并且其中：
图1A为光学元件的示意图。
图1B为PBS的透视图。
图2为PBS的透视图。
图3A-3D为光组合器的俯视图。
图4为抛光PBS的俯视图。
图5为分光器的俯视图。
图6A-6B示出了两通道合色器。
图7A-7B示出了合色器。
图8为透射光谱的曲线图。
图9为投影仪的示意图。
附图未必按比例绘制。在附图中使用的相同的标号表示相同的部件。然而，应当理解，在给定附图中使用标号指示部件并非意图限制另一个附图中用相同标号标记的部件。
具体实施方式
本文所述的光学元件可构造成高耐久性合色器，该高耐久性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，接收输入光为偏振的，并且组合输出光为偏振的。在另一方面，接收输入光为非偏振的，并且组合输出光为非偏振的。在一些实施例中，组合光具有与所接收光中的每一者相同的集光率。组合光可以是具有不止一种波长谱的光的多色组合光。组合光可以是每个所接收光的按时间排序的输出。在一个方面，不同波长谱的光中的每一者对应于不同色光(如红光、绿光和蓝光)并且组合输出光是白光或者按时间排序的红光、绿光和蓝光。为了本文说明之目的，“色光”和“波长谱光”都旨在意指具有可与特定颜色(如果肉眼可见)相关的波长谱范围的光。更普通的术语“波长谱光”是指可见的和其他波长谱的光，其包括，例如，红外线。
同样为了本文说明之目的，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该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、左圆偏振等等之类的所需偏振态)的对准。在本文参照附图所述的一个实施例中，诸如与第一偏振态对准的偏振器之类的光学元件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(在此情况下为s偏振态)的光。应当理解，如果需要，偏振器可相反进行对准以通过s偏振态的光，并且反射或吸收p偏振态的光。
同样为了本文说明之目的，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。一个面向另一个元件的元件可包括邻近彼此设置的元件。一个面向另一个元件的元件还包括，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的元件。
根据一个方面，光学元件包括设置为以透射射向反射型偏振器的第一色光的第一选色型二向色滤光器。第一色光以接近垂直入射角度(即，与滤光器的表面成大约90度)穿过第一选色型二向色滤光器并且以成大约45度角与反射型偏振器相交。选色型二向色镜设置为邻近反射型偏振器，并且用于保护反射型偏振器以防可损害反射型偏振器的光(即，诸如较高能量的蓝色或紫外(UV)光之类的光化性光)。在第一色光与反射型偏振器相交之前，选色型二向色镜与第一色光(即，潜在性损害光)相交。选色型二向色镜反射第一色光的主要部分，并且将次要部分透射至反射型偏振器。在一个方面，通过选色型二向色镜反射的主要部分可大于入射到选色型二向色镜上的第一色光的51％、60％、70％、75％、80％、85％、或甚至大于90％。
具有以垂直入射角度使用的选色型二向色滤光器的合色器的一个优点在于其可与低F数光学***一起使用。一个缺点在于反射型偏振器需要具有低吸光性、宽角度接受范围、以及强烈暴露于光化性光下的长寿命。使用3M公司的MZIP或APF多层光学膜(MOF)反射型偏振器的合色器具有足够角度和宽带光学性能，但可因诸如UV、蓝光、以及可能的绿光之类的光化性光而光致劣化。适用于合色器的应用可能需要将反射型偏振器长时间暴露于光化性光之下，这可使得反射型偏振器性能劣化。本发明描述了具有改善的反射型偏振器光稳定性的耐久性合色器。
反射型偏振器光致劣化的过程被部分了解。尽管不希望受理论的约束，但据信该过程通过下述步骤产生：
1.光化性光(UV、蓝光和某些绿光波长)导致反射型偏振器中的聚酯内的键断裂。
2.然后半结晶性聚酯的无定形区域中的裂解聚合物链重排以形成较大晶体、或者在聚酯内扩展共轭，从而导致聚合物的吸光性增加。
3.此较大晶体使光发生散射。
4.散射光具有增加的平均路径长度，从而增加键断裂的速率、吸光性、并最终导致较高的温度。
5.在低光强下，偏振器的效率降低。在高光强下，反射型偏振器可因加热而严重失效。
据信可发生其他劣化过程(包括降低偏振比率的那些)，但这些过程可不及上述过程显著。
当将两个或多个非偏振色光导向至光学元件时，各个非偏振色光可根据一个或多个反射型偏振器的偏振而分离。根据下述的一个实施例，色光组合***从不同颜色的非偏振光源接收非偏振光，并且产生一个非偏振或处于所需偏振态的偏振组合输出光。在一个方面，两个、三个、四个、或更多个所接收色光可根据光学元件中的反射型偏振器的偏振(如s偏振和p偏振、或者右和左圆偏振)而分别被分离。将具有一个偏振态的接收光再循环，以变为所需偏振态。
根据一个方面，光学元件包括反射型偏振器，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。
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层“组”。例如，一个单一多层光学膜偏振器在整个膜厚度上可包括若干层“组”，每个组与不同波长范围(如颜色)的光相互作用以反射一个偏振态并且透射其他偏振态。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”)，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。
聚合物多层光学膜偏振器可为尤其优选的反射型偏振器，其可包括上文所述的膜层组。通常，较高能量波长的光(例如蓝光)可不利地影响膜的老化稳定性，并且至少由于此原因，优选最小化蓝光与反射型偏振器相互作用的次数。另外，蓝光与膜相互作用的特性影响不利老化的严重程度。蓝光穿过膜的透射与从“蓝层”(即薄层)侧进入的蓝光的反射相比，对膜具有较小的损害。另外，从“蓝层”侧进入膜的蓝光的反射与从“红层”(即，厚层)侧进入的蓝光的反射相比，对膜具有较小的损害。用于(例如)通过设置和定向反射型偏振器来减少光化性光与反射型偏振器的相互作用次数、以及降低相互作用严重性的技术已得到描述。合适的技术描述在(例如)与本专利申请同一日提交的、名称为“偏振转换合色器(POLARIZATIONCONVERTING COLOR COMBINER)”的共同待审的代理人案卷号64829US002中。
在一个方面，本发明涉及通过阻止光化性光的主要部分不断到达反射型偏振器来进一步改善光学元件(例如合色器)中的反射型偏振器的稳定性。选色型二向色镜反射光化性光的主要部分，同时透射其他波长光的主要部分。在一个方面，选色型二向色镜设置为邻近反射型偏振器。在一个实施例中，选色型二向色镜可直接形成于反射型偏振器上。在另一个实施例中，选色型二向色镜可相反形成于诸如对角棱面之类的光学元件上，随后设置为邻近反射型偏振器。在另一个实施例中，选色型二向色镜可为设置在反射型偏振器附近的独立膜或板元件。选色型二向色镜可通过任何已知的方法形成，例如无机电介质叠堆的真空沉积。在本发明的一个方面中，可从反射型偏振器除去蓝层，因为在蓝光与反射型偏振器相互作用之前，蓝光的主要部分由选色型二向色镜反射。
反射型偏振器和选色型二向色镜在本文中称为“受保护反射型偏振器(PRP)”，并且可设置在两个棱镜的对角面之间。PRP可相反为诸如薄膜之类的自立式膜。在一些实施例中，当将PRP设置在两个棱镜(如偏振光分束器(PBS))之间时，光学元件的光利用效率得到改善。在该实施例中，穿过PBS传播的原本从光路中损失的一些光可发生来自棱面的全内反射(TIR)，并且重新加入到光路中。由于至少此原因，下述说明涉及其中PRP设置在两个棱镜的对角面之间的光学元件；然而，应当理解，当PBS用作薄膜时，它可以以相同的方式作用。在一个方面，PBS棱镜的所有外表面被高度抛光，使得进入PBS的光经历TIR。以此方式，光被包含在PBS内并且光被部分均化同时仍保持集光率。
根据一个方面，将诸如选色型二向色滤光器之类的波长选择型滤光器设置在来自不同色光源中的每一者的输入光路径中。选色型二向色滤光器中的每一者设置成使输入光束以接近垂直入射的角度与滤光器相交，以使s及p偏振光的分离降至最低，并且还使色移降至最低。选色型二向色滤光器中的每一个选择为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，选色型二向色滤光器中的每一个选择为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的波长谱的光。在一个方面，选色型二向色滤光器中的每一个相对反射型偏振器定位，以使得接近垂直于每个选色型二向色滤光器的表面的输入光束以成大约45度的相交角与反射型偏振器相交。选色型二向色滤光器的表面的法线是指垂直穿过选色型二向色滤光器的表面的线条；接近垂直是指距法线变化小于约20度、或者优选距法线小于约10度。在一个实施例中，与反射型偏振器的相交角的范围为从约25度至65度；从35度至55度；从40度至50度；从43度至47度；或者从44.5度至45.5度。
在一个实施例中，延迟片设置在选色型二向色滤光器和PRP之间。选色型二向色滤光器、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组合光。根据一个方面，延迟片为以相对反射型偏振器的偏振态成大约45度对准的四分之一波长延迟片。在一个实施例中，所述对准可为相对反射型偏振器的偏振态成35到55度；40度至50度；43度至47度；或44.5到45.5度。
在一个方面，第一色光包括非偏振蓝光，第二色光包括非偏振绿光且第三色光包括非偏振红光，并且色光组合器组合红光、蓝光和绿光以产生非偏振白光。在一个实施例中，色光组合器组合红、绿和蓝光以产生时序的非偏振红、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，将三束色光中的至少一束组合成光源中的一个。在另一个方面，将多于三束色光在光学元件中组合以产生组合光。
光束在其进入PBS时包括可为准直、会聚或发散的光线。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)。TIR的产生提高了进入PBS的光的利用率，以便所有在角度范围内进入PBS的光基本上被重导向，来通过所需的表面而射出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选色型二向色滤光器之类的波长选择型反射镜、以及延迟片。延迟片可以提供任何所需的延迟，例如，八分之一波长延迟片、四分之一波长延迟片等。在本文所述的实施例中，使用四分之一波长延迟片和相关的颜色选择型二向色反射器是有利的。当穿过被对准成与光偏振轴成45°角的四分之一波长延迟片时，线偏振光变为圆偏振光。合色器中的反射型偏振器和四分之一波长延迟片/反射器的后续反射导致从合色器输出有效的组合光。相反，随着其穿过其他延迟片并取向，线偏振光部分变为在s-偏振和p-偏振(椭圆或线状)之间的偏振态，并可造成光组合器的低效率。偏振旋转反射器通常包括选色型二向色滤光器和延迟片。延迟片和选色型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。在一个方面，反射型偏振器可为圆偏振器，例如胆甾型液晶偏振器。根据此方面，偏振旋转反射器可包括选色型二向色滤光器而不具有任何相关的延迟片。
光学元件的部件，包括棱镜、反射型偏振器、四分之一波长延迟片、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。在一些实施例中，可利用光学粘合剂将两个相邻棱镜粘合在一起。在一些实施例中，一体光学部件可整合两个相邻棱镜中的光学件；如(例如)整合两个相邻三角形棱镜中的光学件的单个三角形棱镜，如在别处所述。
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1A为根据本发明的一个方面的光学元件10的示意图。光学元件10包括PBS 100、第一色光源80、可选的光隧道40、具有输入表面55的第一选色型二向色滤光器50、四分之一波长延迟片60、以及可选的波长选择型吸光器70。PBS 100在下文中参照图1B进行进一步地描述，并且包括第一棱镜110，该第一棱镜110具有第一棱面130、第二棱面140、以及它们之间的对角棱面25。PBS 100还包括第二棱镜120，该第二棱镜120具有第三棱面150、第四棱面160、以及它们之间的对角棱面35。PBS 100另外还包括设置在两个对角棱面25、35之间的受保护反射型偏振器(PRP)190。PRP 190包括选色型二向色镜20和反射型偏振器30。光学元件10中PRP 190与四分之一波长延迟片60的相对定位和取向如在别处并且参照图1B和图2所述。
第一色光源80为可损害无保护反射型偏振器的光化性光源，如在别处所述。第一色光82穿过可选的光隧道40并且沿如示的大致垂直方向与选色型二向色滤光器50的输入表面55相交。第一色光82穿过选色型二向色滤光器50、四分之一波长延迟片60，通过第一棱面130进入PBS 100，并且以成大约45度角与选色型二向色镜20相交。来自第一色光源80的第一色光82的主要部分84在第一色光82与反射型偏振器30相交之前从PRP 190中的选色型二向色镜20反射。第一色光82的次要部分86穿过选色型二向色镜20射向PRP 190中的反射型偏振器30。图1A示出第一色光82的次要部分86穿过反射型偏振器30(可能导致某些损害)并且被可选的波长选择型吸光器70吸收。在一些实施例中，可选的波长选择型吸光器70可设置在光化性光的光路中的任何位置处，例如：选色型二向色镜20和反射型偏振器30之间；反射型偏振器30和对角棱面35之间；邻近第三棱面150；或如图1A所示的与第三棱面150分开。
根据另一方面，可选的光隧道40或透镜组件(未示出)可提供将光源与其他部件分开的间距，以及提供光的某些准直，如在别处所述。光隧道可具有直或弯曲侧面，或者其可被透镜***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。
图1B为PBS的透视图。PBS 100包括设置在棱镜110和120的对角面之间的受保护反射型偏振器(PRP)190。PRP 190包括选色型二向色镜20和反射型偏振器30，如参照图1A所述。棱镜110包括两个端面175、185、以及其间具有90°角的第一和第二棱面130、140。棱镜120包括两个端面170、180，以及其间具有90°角的第三和第四棱面150、160。第一棱面130与第三棱面150平行，并且第二棱面140与第四棱面160平行。采用“第一”、“第二”、“第三”和“第四”标识图1B所示的四个棱面，仅用于使下面的讨论中对PBS 100的描述更清楚。PRP 190可包括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，例如麦克尼尔偏振器，可包括多层无机膜，例如由无机电介质连续沉积而产生的那些。笛卡尔反射型偏振器具有偏振轴状态，并且包括线栅偏振器和聚合物多层光学薄膜，该聚合物多层光学薄膜例如可通过对多层聚合层合物进行挤出并且随后进行拉伸而制备。在一个实施例中，PRP 190定向为使得一个偏振轴与第一偏振态195平行，并且与第二偏振态196垂直。在一个实施例中，第一偏振态195可为s偏振态，并且第二偏振态196可为p偏振态。在另一个实施例中，第一偏振态195可为p偏振态，并且第二偏振态196可为s偏振态。如图1B所示，第一偏振态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准直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的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势。多层光学膜可包括聚合物多层光学膜，例如描述于美国专利5,962,114(Jonza等人)或美国专利6,721,096(Bruzzone等人)中的那些。
图2为在一些实施例中使用的四分之一波长延迟片与PBS对准的透视图。四分之一波长延迟片可以用来改变入射光的偏振态。PBS延迟片***200包括具有第一棱镜110和第二棱镜120的PBS 100。四分之一波长延迟片220设置为邻近第一棱面130和第二棱面140。PRP 190包括与第一偏振态195对准的笛卡尔反射型偏振器膜。四分之一波长延迟片220包括可与第一偏振态195成45°对准的四分之一波长偏振态295。尽管图2示出的偏振态295在顺时针方向上与第一偏振态195成45°对准，但偏振态295可相反在逆时针方向上与第一偏振态195成45°对准。在一些实施例中，四分之一波长偏振态295可与第一偏振态195成任何角度取向对准，例如从逆时针方向90°到顺时针方向90°。将延迟片以所述的大约+/-45°取向可为有利的，因为当线偏振光穿过相对于偏振态这样对准的四分之一波长延迟片时产生圆偏振光。在从反射镜反射时，四分之一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为光组合器的俯视图。在图3A中，光组合器300包括在棱镜110和120的对角面之间设置有PRP 190的PBS 100。棱镜110包括其间具有90°角的第一和第二棱面130、140。棱镜120包括其间具有90°角的第三和第四棱面150、160。PRP 190可包括与第一偏振态195(在该图中，垂直于页面)对准的笛卡尔反射型偏振器。PRP 190可相反包括非笛卡尔偏振器。PRP 190还包括设置为邻近反射型偏振器(未示出)的选色型二向色镜(图1A中的元件20)。在图3A-3D中，选色型二向色镜设置用于在光化性光与反射型偏振器相交之前反射该光化性光，如参照图3B所述。光组合器300还包括可选的波长选择型吸光器70，其设置用于吸收穿过PRP 190的部件的任何光化性光。
可选的波长选择型吸光器70可设置为邻近其中不需要通过光化性光的任何棱面；例如，图3A-3D中的第一棱面130、第二棱面140、或者第一和第二棱面130、140。然而应当理解，可选的波长选择型吸光器70可设置在由选色型二向色镜20透射的光化性光的光路中的任何位置处。在一个实施例中，蓝光波长选择型吸光器可设置在PRP 190中的选色型二向色镜20和反射型偏振器30之间。
光组合器300包括设置为面向第一、第二和第三棱面130、140和150的四分之一波长延迟片220。四分之一波长延迟片220与第一偏振态195成45°角对准。光传输材料340设置在各个四分之一波长延迟片220与其相应的棱面之间。光传输材料340可为折射率等于或低于棱镜110、120的折射率的任何材料。在一个实施例中，光传输材料340为空气。在另一个实施例中，光传输材料340是将四分之一波长延迟片220粘合到其相应的棱面的光学粘合剂。
光组合器300包括面向所示的四分之一波长延迟片220而设置的第一、第二和第三反射器310、320、330。反射器310、320、330中的每一个可与相邻的四分之一波长延迟片220分离，如图3A所示。另外，反射器310、320、330中的每一个可以与邻近的四分之一波长延迟片220直接接触。或者，反射器310、320、330中的每一个可以用光学粘合剂粘附到邻近的四分之一波长延迟片220。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。
光组合器300可以是双色光组合器。在此实施例中，反射器310为第一选色型二向色滤光器，并且反射器320、330中的一者为选择成分别透射第一和第二色光并反射其他色光的第二选色型二向色滤光器。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以具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。
在图3A所示的一个实施例中，光组合器300为三色组合器。在此实施例中，反射器310、320、330为选择成分别透射第一、第二和第三色光并反射其他色光的第一、第二和第三选色型二向色滤光器。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。使用这个实施例的光组合器300的方法包括将第一色光350引向第一选色型二向色滤光器310、将第二色光360引向第二选色型二向色滤光器320、将第三色光370引向第三选色型二向色滤光器330、并且从PBS 100的第四面接收组合光380。第一、第二和第三色光350、360、370中的每一者的路径参照图3B-3D来进一步描述。
在一个实施例中，第一、第二和第三色光350、360、370中的每一者可为非偏振光，并且组合光380为非偏振的。在另一个实施例中，第一、第二和第三色光350、360、370中的每一者可分别为蓝色、绿色和红色非偏振光，并且组合光380可为非偏振白光。第一、第二和第三色光350、360、370中的每一者可包括来自发光二极管(LED)光源的光。可以使用各种光源，例如激光器、激光二极管、有机LED(OLED)以及非固态光源，非固态光源诸如具有适当的聚光器或反射器的超高压(UHP)卤素或氙灯。LED光源优于其它光源之处在于：运行经济、长寿命、耐用性、产生发光效率高以及改善的光谱输出。尽管未在图3A-3D中示出，但合色器300可包括可选的光隧道40，如在别处所述。
现在转向图3B，针对其中第一色光350为非偏振光的实施例来描述第一色光350通过光组合器300的光路。在此实施例中，第一色光350为可损害未保护反射型偏振器的光化性光。第一色光350的主要部分351从PRP 190反射。第一色光350的次要部分352穿过PRP 190并且被可选的波长选择型吸光器70吸收。
第一色光350被引导穿过第一选色型二向色滤光器310、四分之一波长延迟片220，并通过第三棱面150进入PBS 100。第一色光350与PRP 190相交并且分离成从PRP 190反射的主要部分351以及通过PRP190透射的次要部分352。主要部分351通过第四棱面160离开PBS 100。
次要部分352穿过PRP 190、通过第一棱面130离开PBS 100、并且被可选的波长选择型吸光器70吸收。
现在转向图3C，针对其中第二色光360为非偏振光的实施例来描述第二色光360通过光组合器300的光路。在此实施例中，包括s偏振的第二色光365和p偏振的第二色光362的非偏振光通过第四棱面160离开PBS 100。
第二色光360被引导穿过第二选色型二向色滤光器320、四分之一波长延迟片220，并通过第二棱面140进入PBS 100。第二色光360与PRP 190相交并且分离成p偏振的第二色光362和s偏振的第二色光361。p偏振的第二色光362穿过PRP 190并且通过第四棱面160离开PBS 100。
s偏振的第二色光361从PRP 190反射、离开PBS 100的第一棱面130、穿过可选的波长选择型吸光器70、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振光390。圆偏振光390从第三选色型二向色滤光器330反射从而改变圆偏振方向、穿过四分之一波长延迟片220、穿过可选的波长选择型吸光器70、并且以p偏振的第二色光363通过第一棱面130进入PBS 100。光线363穿过PRP 190、通过第三棱面150离开PBS 100、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振光390。圆偏振光390从第一选色型二向色滤光器310反射从而改变圆偏振方向、穿过四分之一波长延迟片220、并且以s偏振的第二色光365通过第三棱面150进入PBS 100。s偏振的第二色光365从PRP 190反射并且通过第四棱面160离开PBS 100。
现在转向图3D，针对其中第三色光370为非偏振光的实施例来描述第三色光370通过光组合器300的光路。在此实施例中，包括s偏振的第三色光374和p偏振的第三色光373的非偏振光通过第四棱面160离开PBS 100。
第三色光370被引导穿过第三选色型二向色滤光器330、四分之一波长延迟片220、可选的波长选择型吸光器70，并通过第一棱面130进入PBS 100。第三色光370与PRP 190相交并且分离成p偏振的第三色光372和s偏振的第三色光371。p偏振的第三色光372穿过PRP 190、离开第三棱面150、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振光390。圆偏振光390从第一选色型二向色滤光器310反射从而改变圆偏振方向、穿过四分之一波长延迟片220、并且以s偏振的第三色光374通过第三棱面150进入PBS 100。s偏振的第三色光374从PRP 190反射并且通过第四棱面160离开PBS 100。
s偏振的第三色光371从PRP 190反射、通过第二棱面140离开PBS 100并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振光390。圆偏振光390从第二选色型二向色滤光器320反射从而改变圆偏振方向、穿过四分之一波长延迟片220并且以p偏振的第三色光373通过第二棱面140进入PBS 100。p偏振的第三色光373穿过PRP 190并且通过第四棱面160离开PBS 100。
图4示出了抛光PBS 400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为抛光外表面。根据另一个实施例，PBS 100的所有外表面(包括未示出的端面)均为抛光面，该抛光面在PBS 100内产生倾斜光线的TIR。抛光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提高了抛光PBS 400中的光利用率，尤其是当导向到抛光PBS 400内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。至少一些光由于全内反射捕获在抛光PBS 400中，直至其通过第三棱面150离开。在一些情况下，几乎所有的光由于全内反射捕获在抛光PBS 400内，直至其通过第三棱面150离开。
如图4所示，光线L0在角θ1的范围内进入第一棱面130。抛光PBS400内的光线L1在角度θ2的范围内传播，使得在棱面140、160和端面(未示出)处满足TIR条件。光线“AB”、“AC”和“AD”表示通过抛光PBS 400的多个路径中的三个，其在穿过第三棱面150射出之前以不同入射角与PRP 190相交。另外光线“AB”和“AD”在射出之前均分别在棱面160和140经历TIR。应当理解，角度θ1和θ2的范围可为角锥，以便还可在抛光PBS 400的端面发生反射。在一个实施例中，PRP 190被选择为在宽泛的入射角范围有效地将不同偏振的光分离。聚合物多层光学膜特别适于在入射角的宽泛范围内分光。可以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，但是其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。利用线栅偏振器的偏振光的有效分离通常需要邻近线一侧的空气间隙，并且当线栅偏振器沉浸在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。
图5为根据本发明一个方面的分光器500的俯视示意图。分光器500使用与图3A-3D中所示的光组合器相同的部件，但功能相反，即组合光580被引导至第四棱面160，并且分离成分别具有第一、第二和第三颜色的第一、第二和第三接收光550、560、570。在图5中，分光器500包括在棱镜110、120的对角面之间设置有PRP 190的PBS 100。棱镜110包括其间具有90°角的第一和第二棱面130、140。棱镜120包括其间具有90°角的第三和第四棱面150、160。PRP 190可为与第一偏振态195(在该图中，垂直于页面)对准的笛卡尔反射型偏振器、或者为非笛卡尔反射型偏振器，但笛卡尔反射型偏振器为优选的。PRP
190还包括设置为邻近反射型偏振器(未示出)的选色型二向色镜(图1A中的元件20)。在图5中，选色型二向色镜设置用于在光化性光与反射型偏振器相交之前反射该光化性光，如参照图3B所述。光组合器300还包括设置用于吸收穿过PRP 190的任何光化性光的可选的波长选择型吸光器70；在图5中，位于第一棱面130、第二棱面140、或者第一和第二棱面130、140处。一般来讲，可选的波长选择型吸光器70可设置在由选色型二向色镜透射的光化性光的光路中的任何位置处。在一个实施例中，蓝光波长选择型吸光器可设置在选色型二向色镜和反射型偏振器之间。在另一个实施例中，蓝光波长吸光器70可设置为邻近第二棱面140。
分光器500还包括设置为面向第一、第二和第三棱面130、140、150的四分之一波长延迟片220。四分之一波长延迟片220与第一偏振态195成45°角对准，如在别处所述。光传输材料340设置在每个四分之一波长延迟片220与其相应的棱面之间。光传输材料340可以是折射率小于棱镜110、120折射率的任何材料。在一个方面中，光传输材料340可以是空气。在另一方面，光传输材料340可以是光学粘合剂，其将四分之一波长延迟片220粘合到其相应的棱面。
分光器500包括面向所示四分之一波长延迟片220设置的第一、第二和第三反射器310、320、330。在一个方面，反射器310、320、330可与邻近的四分之一波长延迟器220分离，如图3A所示。在一个方面，反射器310、320、330可以与邻近的四分之一波长延迟片220直接接触。在一个方面，反射器310、320、330可以用光学粘合剂粘附到邻近的四分之一波长延迟片220。
在一个实施例中，分光器500是双色分光器。在此实施例中，反射器310为第一选色型二向色滤光器，并且反射器320、330中的一者为选择成分别透射第一和第二色光并反射其他色光的第二选色型二向色滤光器。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。在一个方面，第一和第二色光在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。
在一个实施例中，分光器500是三色分光器。在此实施例中，反射器310、320、330为第一、第二和第三选色型二向色滤光器，其被选择成分别透射第一、第二和第三色光并反射其他色光。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，也可以有大量的重叠。使用此实施例的分光器500的方法包括下述步骤：将组合光580引向PBS 100的第四棱面160、从选色型二向色滤光器310接收第一色光550、从第二选色型二向色滤光器320接收第二色光560、并且从第三选色型二向色滤光器330接收第三色光570。组合光、第一、第二和第三接收光580、550、560、570中每一者的光路遵循图3B-3D中的描述，然而，所有光线的方向被反向。
在一个实施例中，组合光580可为非偏振光，并且第一、第二和第三色光550、560、570中的每一者均为非偏振光。在一个实施例中，组合光580可为非偏振白光，并且第一、第二和第三色光550、560、570中的每一者分别为蓝色、绿色和红色非偏振光。根据一个方面，组合光580包括来自发光二极管(LED)光源的光。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、有机发光二极管(OLED)和诸如超高压(UHP)卤素灯或氙灯的非固态光源。LED光源优于其它光源之处在于：运行经济、长寿命、耐用性、产生发光效率高以及改善的光谱输出。
根据本发明的一个方面，图6A-6B示出了两通道合色器600，其中第一色光源650和第二色光源660设置用于将光注入到PBS 100的同一棱面(即，第三棱面150)中。根据下文所述的一个实施例，第一色光源650可为非偏振蓝色光源650，并且第二色光源660可为非偏振红色光源660。可将来自蓝色光源650的蓝光651和来自红色光源660的红光661进行组合以减少合色器600的部件数量。可使用(例如)集光棒(未示出)将蓝光和红光651、661混合在一起。根据一个方面，可为蓝色、红色和绿色光源650、660、670提供可选的光隧道40或透镜组件(未示出)，以便提供将光源与PBS 100分开的间距以及提供某一准直的光，如在别处所述。
两通道合色器600包括绿光反射型二向色滤光器610、红光反射型二向色滤光器620和宽带反射镜630。两通道合色器600还包括可选的蓝光选择型吸光器(未示出)，如在别处所述。在一个实施例中，蓝光选择型吸光器可包括在宽带反射镜630中，以使得入射到宽带反射镜630上的任何蓝光均被吸收，而非反射(如图6A所示以及下文进一步所述)。在另一个实施例中，蓝光选择型吸光器可设置在透射穿过蓝光反射型选色型二向色镜20的蓝光光路中的任何位置处，如在别处所述。
现在转向图6A，针对其中蓝光651和红光661均为非偏振光的实施例来描述来自蓝色光源650的蓝光651和来自红色光源660的红光661通过光组合器600的光路。在此实施例中，蓝光651为可损害未保护反射型偏振器的光化性光。蓝光651的主要部分652从PRP 190反射。蓝光651的次要部分653穿过PRP 190中的选色型二向色镜20并且被可选的蓝光选择型吸光器(未示出)吸收。
来自蓝色光源650的蓝光651穿过可选的光隧道40、绿光反射型二向色滤光器610、四分之一波长延迟片220，并且通过第三棱面150进入PBS 100。蓝光651与PRP 190相交并且分离成蓝光651的经反射主要部分652和蓝光651的经透射次要部分653。主要部分652以蓝光651的非偏振主要部分652离开PBS 100。蓝光651的次要部分653通过第一棱面130离开PBS 100、穿过四分之一波长延迟片220、并且被包括在宽带反射镜630中的蓝光选择型吸光器吸收。
来自红色光源660的红光661穿过可选的光隧道40、绿光反射型二向色滤光器610、四分之一波长延迟片220，并且通过第三棱面150进入PBS 100。红光661与PRP 190相交并且分离成p偏振的红色光线662和s偏振的红色光线663。s偏振的红色光线663从PRP 190反射并且以s偏振的红色光线663通过第四棱面160离开PBS 100。
p偏振的红色光线662穿过PRP 190、通过第一棱面130离开PBS100、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振的红色光线664。圆偏振的红色光线664从宽带反射镜630反射从而改变圆偏振方向、穿过四分之一波长延迟片220变为s偏振的红色光线665、通过第一棱面130进入PBS 100、从PRP 190反射、并且通过第二棱面140离开PBS 100。s偏振的红色光线665在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振的红色光线666、从红光反射型二向色滤光器620反射从而改变圆偏振方向、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为p偏振的红色光线667。p偏振的红色光线667通过第二棱面140进入PBS100、无改变地穿过PRP 190、并且以p偏振的红色光线667通过第四棱面160离开PBS 100。
现在转向图6B，针对其中绿光671为非偏振光的实施例来描述来自绿色光源670的绿光671通过光组合器600的光路。在此实施例中，包括p偏振的绿色光线672和s偏振的绿色光线677的非偏振光通过第四棱面160离开PBS 100。
来自绿色光源670的绿光671穿过可选的光隧道40、红光反射型二向色滤光器620、四分之一波长延迟片220并且通过第二棱面140进入PBS 100。绿光671与PRP 190相交并且分离成p偏振的绿色光线672和s偏振的绿色光线673。p偏振的绿色光线672穿过PRP 190并且以p偏振的绿色光线672通过第四棱面160离开PBS 100。
s偏振的绿色光线673从PRP 190反射、通过第一棱面130离开PBS 100、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振的绿色光线674。圆偏振的绿色光线674从宽带反射镜630反射从而改变圆偏振方向、穿过四分之一波长延迟片220变为p偏振的绿色光线675、通过第一棱面130进入PBS 100、穿过PRP 190、并且通过第三棱面150离开PBS 100。p偏振的绿色光线675在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振的绿色光线676、从绿光反射型二向色滤光器610反射从而改变圆偏振方向、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为s偏振的绿色光线677。s偏振的绿色光线677通过第三棱面150进入PBS100、从PRP 190反射、并且以s偏振的绿色光线677通过第四棱面160离开PBS 100。
在双通道合色器600的另一个实施例(未示出)中，可转换宽带反射镜630与第二选色型二向色滤光器620、可选的光隧道40和第三光源670的相对位置。在此实施例中，宽带反射镜630邻近第二棱面140；并且第二选色型二向色滤光器620、可选的光隧道40和第三光源670邻近第一棱面130。蓝光波长选择型吸光器70可设置在透射穿过选色型二向色镜20的蓝光的光路中的任何位置处，如在别处参照图3A-3D所述。
根据一个方面，图7A-7B示出了合色器700，其中图3A-3D和图6A-6B中的PRP 190被分离成部件选色型二向色镜20和反射型偏振器30，如下文所述。选色型二向色镜20可为自立式选色型二向色镜(如，薄膜)、或者其可设置在棱镜(例如第三和第四棱镜780、790)的对角面上，如图7A-7B所示。在此方面，光化性光的路径(即，来自第一色光源750的第一色光751)进一步与反射型偏振器30分离。
图7A-7B示出了合色器700，其中第二色光源760和第三色光源770设置用于将光注入到PBS 100内。第二色光源760和第三色光源770沿输出方向通过输出表面(第四棱面160)离开第一PBS 100。
第一色光源750设置用于注入将与来自第二色光源760的第二色光761和来自第三色光源770的第三色光771进行组合、但不进入PBS100的第一色光751(光化性光)。根据下文所述的一个实施例，第一色光源750可为非偏振蓝色光源750，第二色光源760可为非偏振红色光源760，并且第三色光源770可为非偏振绿色光源770。可将来自蓝色光源750的蓝光751、来自红色光源760的红光761和来自绿色光源770的绿光771进行组合以改善合色器700的耐久性。根据一个方面，可为蓝色、红色和绿色光源750、760、770提供可选的光隧道40或透镜组件(未示出)，以便提供将光源与PBS 100分开的间距以及提供某一准直的光，如在别处所述。
合色器700包括绿光反射型二向色滤光器720、红光反射型二向色滤光器730和宽带反射镜740。在一个实施例中，蓝光选择型吸光器可包括在透射穿过蓝光反射型二向色镜20的蓝光光路中，如在别处所述。
现在转向图7A，针对其中蓝光751为非偏振光的实施例来描述来自蓝色光源750的蓝光751通过光组合器700的光路。在此实施例中，蓝光751为可损害未保护反射型偏振器的光化性光。蓝光751的主要部分752从选色型二向色镜20反射。蓝光751的次要部分753穿过选色型二向色镜20、离开合色器700、并且被可选的蓝光选择型吸光器(未示出)可任选地吸收。
来自蓝色光源750的蓝光751穿过可选的光隧道40、通过第七棱面792进入第四棱镜790、并且与选色型二向色镜20相交。蓝光751被分离成蓝光751的经反射主要部分752和蓝光751的经透射次要部分753。蓝光751的主要部分752沿输出方向通过第八棱面794离开第四棱镜790。蓝光751的次要部分753穿过选色型二向色镜20、并且通过第六棱面784离开第三棱镜780从而离开合色器700。
返回图7A，针对其中红光761为非偏振光的实施例来描述来自红色光源760的红光761通过光组合器700的光路。在此实施例中，包括p偏振的红色光线767和s偏振的红色光线765的非偏振光沿输出方向通过第八棱面794离开第四棱镜790。
来自红色光源760的红光761穿过可选的光隧道40、绿光反射型二向色滤光器720、四分之一波长延迟片220并且通过第一棱面130进入PBS 100。红光761与反射型偏振器30相交并且分离成p偏振的红色光线762和s偏振的红色光线763。p偏振的红色光线762穿过反射型偏振器30、通过第三棱面150离开PBS 100、并且在其穿过四分之一波长偏振器220时变为圆偏振的红色光线764。圆偏振的红色光线764从宽带反射镜740反射从而改变圆偏振方向、在其穿过四分之一波长延迟片220时变为s偏振的红色光线765、并且通过第三棱面150进入PBS 100。s偏振的红色光线765从反射型偏振器30反射、通过第四棱面160离开PBS 100、通过第五棱面782进入第三棱镜780、穿过选色型二向色镜20、并且以s偏振的红色光线765通过第八棱面794离开第四棱镜790。
s偏振的红色光线763从反射型偏振器30反射、通过第二棱面140离开PBS 100、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振的红色光线766。圆偏振的红色光线766从红光反射型二向色滤光器730反射从而改变圆偏振方向、穿过四分之一波长延迟片220变为p偏振的红色光线767、通过第二棱面140进入PBS 100、穿过反射型偏振器30、并且通过第四棱面160离开PBS 100。p偏振的红色光线767通过第五棱面782进入第三棱镜780、穿过选色型二向色镜20、并且以p偏振的红色光线767通过第八棱面794离开第四棱镜790。
现在转向图7B，针对其中绿光771为非偏振光的实施例来描述来自绿色光源770的绿光771通过光组合器700的光路。在此实施例中，包括p偏振的绿色光线772和s偏振的绿色光线777的非偏振光通过第八棱面794离开第四棱镜790。
来自绿色光源770的绿光771穿过可选的光隧道40、红光反射型二向色滤光器730、四分之一波长延迟片220，并且通过第二棱面140进入PBS 100。绿光771与反射型偏振器30相交并且分离成p偏振的绿色光线772和s偏振的绿色光线773。p偏振的绿色光线772穿过反射型偏振器30、通过第四棱面160离开PBS 100、通过第五棱面782进入第三棱镜780、穿过选色型二向色镜20、并且以p偏振的绿色光线772通过第八棱面794离开第四棱镜790。
s偏振的绿色光线773从反射型偏振器30反射、通过第一棱面130离开PBS 100、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振的绿色光线774。圆偏振的绿色光线774从绿光反射型二向色滤光器720反射从而改变圆偏振方向、穿过四分之一波长延迟片220变为p偏振的绿色光线775、通过第一棱面130进入PBS 100、穿过反射型偏振器30、并且通过第三棱面150离开PBS 100。p偏振的绿色光线775在其穿过四分之一波长延迟片220时变为圆偏振的绿色光线776、从宽带反射镜740反射从而改变圆偏振方向、并且在其穿过四分之一波长延迟片220时变为s偏振的绿色光线777。s偏振的绿色光线777通过第三棱面150进入PBS 100、从反射型偏振器30反射、通过第四棱面160离开PBS 100、通过第五棱面782进入第三棱镜780、穿过选色型二向色镜20、并且以s偏振的绿色光线777通过第八棱面794离开第四棱镜790。
在另一个实施例(未示出)中，合色器可包括第四色光。在此实施例中，可将宽带反射镜740替换成第三选色型二向色镜、可选的光隧道40和第四色光源，布置方式类似于如图7A-7B所示的第一和第二选色型二向色滤光器720、730、可选的光隧道40和第二和第三光源760、770。第三选色型二向色滤光器可对第四色光透明，并且可反射第二和第三色光760、770。
在另一个实施例(未示出)中，选色型二向色镜20可相反为透射蓝光、反射红和绿光的选色型二向色镜。在此实施例中，红和绿光761、771如前文所述沿输出方向通过第四棱面160离开PBS 100、随后通过第五棱面782进入第三棱镜780、从选色型二向色镜20反射、并且通过第六棱面784离开第三棱镜780。蓝光750如前文所述进入第四棱镜790，然而，蓝光751的主要部分753穿过透射蓝光的选色型二向色镜20并且通过第六棱面784离开第三棱镜780；蓝光750的次要部分752从透射蓝光的选色型二向色镜反射并且通过第八棱面794离开第四棱镜790。
图9示出包括三色光组合***902的投影仪900。三色光组合***902在输出区域904提供组合输出光。在一个实施例中，输出区域904的组合输出光被偏振。输出区域904的组合输出光穿过光引擎光学件906到达投影光学件908。
光引擎光学件906包括透镜922、924和反射器926。投影光学件908包括透镜928、PBS 930和投影透镜932。投影透镜932中的一个或多个可相对PBS 930移动，以实现对投影图像912的对焦调节。反射型成像装置910可调节投影光学件中的光的偏振态，使得穿过PBS930并进入投影透镜的光的强度将被调节以产生投影图像912。控制电路914连接到反射型成像装置910以及光源916、918和920，以将反射型成像装置910的操作与光源916、918和920的时序同步。在一个方面，输出区域904的组合光的第一部分被引导穿过投影光学件908，组合输出光的第二部分可穿过输出区域904循环返回至合色器902内。组合光的第二部分可通过(例如)反射镜、反射型偏振器、反射型LCD等的反射而循环返回至合色器内。图9中所示的布置为示例性的，并且所公开的光组合***也可与其它投影***(包括反射型微反射镜成像装置等等)一起使用。根据一个可供选择的方面，可以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***生成三色(白色)输出。该***具有高效率的原因在于，具有反射型偏振膜的偏振分束器的偏振性质(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。另外的准直组件可以用于提高合色器内光源的光的准直。在没有一定程度的准直的情况下，将存在如下方面导致的大量光损失：取决于入射角(AOI)的二向色性反射的变化、TIR的丢失或因增加的倏逝波耦合而产生的TIR受挫和/或PBS内的劣化的偏振鉴别度和功能。在本公开中，偏振分束器用作光管，用于使光由于全内反射而被包含并且只通过所需表面射出。
实例
图8为利用TFCalc软件(得自Software Spectra公司(Portland，OR))建模的红色、绿色和蓝色二向色滤光器(标记为R、G、B)和一个二向色镜(标记为BB)的透射光谱图。TFCalc模型以10对具有460nm四分之一波长厚度的交替SiO2与TiO2层的光学叠堆开始，并且通过针式最佳化***额外的SiO2和TiO2层使用局部搜索来最佳化。光学叠堆的总厚度不应高于3000nm。
三个二向色滤光器经建模以透射成0°平均入射角(即，垂直于表面)沿具有Lambertian角分布的F 1.5锥形入射的红色(630nm)、绿色(530nm)和蓝色(460nm)光。各个二向色滤光器的输入侧位于空气中。二向色镜经建模以阻挡成45°平均入射角沿具有Lambertian角分布的F1.5锥形入射的以460nm为中心的光，并且透射530nm和630nm的光。将二向色镜的输入侧建模于具有1.52折射率的玻璃中。
将图8中的透射光谱应用至图3B中所示的合色器，显示出入射蓝光(图3B的第一色光350)与PRP 190的二向色镜(BB)相交。二向色镜反射蓝光的大约75％(图3B中的主要部分351)并且透射大约25％(图3B中的次要部分352)。蓝光中的经透射的25％具有相同偏振态，其通常是由(例如)图3A-3D中所示的合色器的PRP 190中的反射型偏振器透射的。可通过可选的波长选择型吸光器70从***中移除经透射蓝光，从而相比于不具有二向色镜的合色器，产生反射型偏振器的蓝光照射的大约12.5％。在实施过程中，可增加蓝色LED的输出以补偿25％的损失，使得反射型偏振器的实际蓝光照射将为不具有二向色镜的合色器的约17％。相似地，也可增加绿色LED的输出以补偿通过二向色镜的损失(从图8中，大约75％透射)。
通常，蓝光的光化性比绿光高大约10倍。对于其中绿光的辐射能量为蓝光的辐射能量的2倍的模式而言，具有二向色镜的上述合色器与不具有二向色镜的合色器相比，将提供约4倍的反射型偏振器寿命。寿命改善可得到进一步地提高，这是因为散射对波长敏感，并且照射反射型偏振器的短波长光的减少将往往会降低其散射光的趋势。
将普通合色器(CC)构造(即，不具有波长选择型二向色镜)的适光效率与蓝色受保护合色器(BBCC)进行比较。不具有二向色镜的正常合色器(CC)示于(例如)2008年9月8日提交的、名称为光组合器(LIGHTCOMBINER)的美国专利申请序列号61/095,129中。使用PhlatlightTMLED(得自Luminus公司)的光谱输出来产生用于适光效率的数据。相比于CC构造，BBCC具有蓝光输出的74.3％和绿光输出的88.0％。由于蓝色光源通常不是限制装置输出的LED颜色，因此BBCC具有CC的亮度和输出的88％。
使用具有较长波长的绿色光源(例如，基于II-VI族半导体的绿光LED)来建模另一种构型。可通过使用蓝光和红光LED与II-VI族绿光LED来制备改善的合色器，其提供蓝光和绿光LED之间的较好光谱分离。相比于标准InGaN绿光LED(亮度下降大约12％)，CC与具有较长波长绿色II-VI LED之间的亮度下降(亮度下降大约3％)为不显著的。
可通过在蓝光反射二向色镜和反射型偏振器之间设置波长选择型吸光器(即蓝色滤光器)来进一步降低反射型偏振器的蓝色照射，如在别处所述。使用与上文相同的分析，该方法具有将寿命延长6倍的可能性。
潜在问题在于通过吸收蓝光引起的加热可损害反射型偏振器。可通过将散热器设置在垂直于反射型偏振器的两个面(即，图1B中所示的端面170、175、180、185)上来降低峰值温度。降低峰值温度的其他方法包括在二向色镜中引入具有高导热率的材料层，例如兰宝石层。兰宝石层可通过掺杂合适元素(例如铈)、通过添加额外的蓝光吸收涂层、或通过利用蓝色反射型二向色涂层涂布兰宝石而为黄色。
在CC或BBCC合色器中，反射型偏振器上的蓝光照射可为不均匀的。在CC中，非均匀性可由蓝光LED和PBS(如，在别处所述的光隧道)之间的照明光学件导致。BBCC中的蓝色反射器可由于蓝色二向色的角选择性和偏振选择性而增加非均匀性。
具有保护型蓝色二向色反射器的合色器的效率可高于上文所提供的简单分析。若干机制可减少由蓝色保护型反射器导致的低效率。例如，可通过全局最佳化过程将蓝色反射器最佳化。可通过使用全局最佳化、或通过增加介电涂层叠堆的平均折射率来改善设计。可使用介电叠堆的任何组合，例如，可使用TiO2与Al2O3的介入叠堆来代替上述实例中使用的TiO2与SiO2。另外，不包括实际损失。尽管来自反射型偏振器的反射可非常高，但由反射型偏振器透射的光可通过四分之一波长延迟片旋转4次，并且应最小化散射和/或与反射型偏振器的退偏振相互作用。散射在蓝光情况下可为最严重的，并且通过设计，延迟片优选地提供用于所有三个颜色的四分之一波长延迟片。这种设计可能难以实现，并且性能通常会折衷。上述的效率计算还假定普通合色器有效地发射最初由反射型偏振器透射的蓝光。
改善***效率的另一种技术可为使用蓝色光源的F数比绿色光源更大的光源。在其中光学***需要蓝色光源和绿色光源的F数相同的情况下，可使用高分散性光学元件，例如，“蝇眼式”均化器中的二元透镜。蓝光的较大F数可允许设计较高效的保护型滤光器。
蓝色受保护合色器的性能可相对于正常构型增加，因为蓝光LED前方的延迟片仅需要针对绿色和红色波长起作用，红光LED前方的延迟片仅需要针对绿光提供四分之一波长延迟，并且绿光LED前方的延迟片仅需要针对红光提供四分之一波长延迟。这也可为较长波长的绿光LED(例如II-VI族)提供一个优点，因为红色和绿色LED的波长之间将存在较小差异。这里有用于有限光谱范围的较宽范围的延迟片可供使用。
除非另外指明，在说明书和权利要求中使用的表示部件的尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由词语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，在上述说明书和所附权利要求中所提出的数值参数为近似值，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。
除了与本公开可能直接抵触的程度，本文引用的参考文献及出版物明确地以引用方式全文并入本文中。虽然本文已经示出和描述了一些具体实施例，但本领域的普通技术人员应当理解，可以用多种替代和/或等同实现方式来代替所示出和描述的具体实施例而不脱离本发明范围。本专利申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施例的任何修改或变型。因此，本发明仅受权利要求书及其等同内容的限制。

Claims (9)

1.一种光学元件，包括：
第一选色型二向色滤光器，具有第一输入表面并且设置为透射垂直于所述第一输入表面的第一色光束；
选色型二向色镜，设置为以成大约45度角与所述第一色光束相交；和
反射型偏振器，设置为邻近所述选色型二向色镜且位于与所述第一选色型二向色滤光器相反的一侧，
其中所述选色型二向色镜能够反射所述第一色光束的主要部分，并且透射所述第一色光束的次要部分，其中所述第一色光束包括能够使所述反射型偏振器劣化的第一波长范围的光。
2.根据权利要求1所述的光学元件，还包括波长选择型吸光器，所述波长选择型吸光器能够吸收所述第一波长范围的光，并且设置为与所述第一色光束的次要部分相交。
3.根据权利要求2所述的光学元件，其中所述波长选择型吸光器设置在所述选色型二向色镜和所述反射型偏振器之间。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一波长范围的光包括蓝光或紫外光。
5.一种合色器，包括根据权利要求1所述的光学元件。
6.根据权利要求1所述的光学元件，还包括：
第二选色型二向色滤光器，具有第二输入表面并且设置为透射垂直于所述第二输入表面的第二色光束，所述第二色光束也以成大约45度角与所述选色型二向色镜相交；
其中所述选色型二向色镜能够透射所述第二色光束的主要部分。
7.根据权利要求6所述的光学元件，还包括：
第一延迟片，设置在所述第一选色型二向色滤光器和所述反射型偏振器之间；和
第二延迟片，设置在所述第二选色型二向色滤光器和所述反射型偏振器之间。
8.根据权利要求7所述的光学元件，其中所述反射型偏振器与第一偏振态对准，并且各个延迟片包括与所述第一偏振态成大约45度角对准的四分之一波长延迟片。
9.根据权利要求8所述的光学元件，其中所述第一色光束包括第一颜色非偏振光，并且所述第二色光束包括不同于所述第一颜色非偏振光的第二颜色非偏振光。
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