CN103119513A - 倾斜的二向色合色器ii - Google Patents

Abstract

本发明整体涉及合色器，具体来讲，涉及适于在口袋投影仪等小型投影仪中使用的合色器。所揭示的合色器包括一个倾斜的二向色板，该倾斜的二向色板具有至少两个反射器，该两个反射器经配置有集光光学器件，来组合至少两种颜色的光。

Description

倾斜的二向色合色器II

相关专利申请

本专利申请涉及以引用方式并入的下述美国专利申请：“倾斜的二向色合色器I(Tilted Dichroic Color Combiner I)”（代理人案卷号66530US002）以及“倾斜的二向色合色器III(Tilted Dichroic ColorCombiner III)”（代理人案卷号66792US002），该两案与本案一起在同一天提交。

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安置若干光学元件，用于将来自LED的光混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使光生成图像。例如，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。

用于将图像投影到屏幕上的其它投影***可以使用白光来从数字微镜(DMM)阵列进行影像反射，该数字微镜阵列例如为在德州仪器(TexasInstruments)的数字光处理器(

)显示器中所用的阵列。在

显示器中，数字微镜阵列内的各个反射镜表示所投影的图像的各个像素。当对应的反射镜倾斜而使得入射光导向到所投影的光路时，显示像素被照明。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过滤而投影出与像素对应的颜色。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，这可导致较小尺寸的投影仪。

图像亮度是投影***的重要参数。彩色光源的亮度、以及集光、组合光、匀化光的效率、以及将光递送到图像显示单元的效率，均会影响亮度。由于现代投影仪***的尺寸减小，因此在保证足够的输出亮度水平的同时需要将彩色光源产生的热保持在低水平（在小型投影仪***中可以消散的水平）。需要一种以更高效率组合多种彩色光的光组合***，以提供具有足够亮度水平的光输出，而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针对投影于屏幕上的光来改善亮度和色均匀度的器件。两种常见器件为积分隧道匀化器和蝇眼阵列(FEA)匀化器。蝇眼匀化器体型较小，并且为此成为常用器件。积分隧道的匀化效率更高，但中空隧道总体上需要通常为高度或宽度（取较大者）的5倍的长度。实心隧道通常由于折射效应(effects of refraction)而比中空隧道长。

微型投影仪和口袋投影仪的空间有限，难以有效地实施合色器、光积分器和/或匀化器。因此，为了能够通过在这些投影仪中所用的光学器件（诸如合色器以及偏振转换器）来输出高效且均匀的光，需要体型小且高效的光学设计。

发明内容

本发明整体涉及合色器，具体来讲，涉及适于在口袋投影仪等小型投影仪中使用的合色器。所揭示的合色器包括一个倾斜的二向色板，该倾斜的二向色板具有至少两个反射器，该两个反射器经配置有集光光学器件，来组合至少两种颜色的光。在一个方面，本发明提供一种合色器，该合色器包括第一集光光学器件，该第一集光光学器件具有光输入表面和光轴；第一与第二光源，该第一与第二光源设置为将第一颜色光和第二颜色光注射到该光输入表面中；以及二向色板，该二向色板设置为面向与该光输入表面相对的第一集光光学器件，并设置为与该光轴成某一倾斜角度。该第一与第二光源中的至少一者偏离于该光轴。该二向色板包括：第一二向色反射器，该第一二向色反射器能够反射该第一颜色光并透射其他颜色光；以及第二反射器，该第二反射器能够反射该第二颜色光，其中该第一二向色反射器与该第二反射器均倾斜以使得第一颜色光与第二颜色光均在输出方向上被反射出，该第一颜色光与该第二颜色光形成合色光束。

在另一个方面，本发明提供一种合色器，该合色器包括第一透镜，该第一透镜具有第一凸形表面、与该第一凸形表面相对的光输入表面以及光轴。该合色器另外包括以该光轴为中心的第二透镜，该第二透镜具有面向该第一凸形表面的第二表面、以及与该第二表面相对的第三凸形表面。该合色器还另外包括第一光源、第二光源以及第三光源，该第一光源、该第二光源以及该第三光源中的至少两者偏离于该光轴并且设置为将第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光注射到该光输入表面中；以及二向色板，该二向色板设置为面向该第三凸形表面并与该光轴成一倾斜角度。该二向色板包括第一二向色反射器，该第一二向色反射器能够反射该第一颜色光并透射该第二颜色光和该第三颜色光；第二二向色反射器，该第二二向色反射器能够反射该第二颜色光并透射该第三颜色光；以及第三反射器，该第三反射器能够反射该第三颜色光。该第一二向色反射器，该第二二向色反射器以及该第三反射器均倾斜以使得该第一颜色光、该第二颜色光以及该第三颜色光均在输出方向上被反射出，该第一颜色光、该第二颜色光以及该第三颜色光形成合色光束。

在另外一个方面，本发明提供一种图像投影仪，该图像投影仪包括一个合色器。该合色器包括第一集光光学器件，该第一集光光学器件具有光输入表面以及光轴；第一与第二光源，该第一与第二光源设置为将第一颜色光和第二颜色光注射到该光输入表面中；以及二向色板，该二向色板设置为面向与该光输入表面相对的第一集光光学器件，并设置为与该光轴成某一倾斜角度。该第一与第二光源中的至少一者偏离于该光轴。该二向色板包括：第一二向色反射器，该第一二向色反射器能够反射该第一颜色光并透射其他颜色光；以及第二反射器，该第二反射器能够反射该第二颜色光，其中该第一二向色反射器与该第二反射器均倾斜以使得第一颜色光与第二颜色光均在输出方向上被反射出，该第一颜色光与该第二颜色光形成合色光束。该图像投影仪另外包括偏振转换器，该偏振转换器设置为接收该第一颜色光、该第二颜色光以及该第三颜色光，并输出偏振的第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光；空间光调制器，该空间光调制器设置为使偏振的第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光形成图像；以及投影光学器件。

在另外一个方面，本发明提供一种图像投影仪，该图像投影仪包括一个合色器。该合色器包括第一透镜，该第一透镜具有第一凸形表面、与该第一凸形表面相对的光输入表面以及光轴。该合色器另外包括以该光轴为中心的第二透镜，该第二透镜具有面向该第一凸形表面的第二表面、以及与该第二表面相对的第三凸形表面。该合色器还另外包括第一光源、第二光源以及第三光源，该第一光源、该第二光源以及该第三光源中的至少两者偏离于该光轴并且设置为将第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光注射到该光输入表面中；以及二向色板，该二向色板面向该第三凸形表面并与该光轴成一倾斜角度。该二向色板包括第一二向色反射器，该第一二向色反射器能够反射该第一颜色光并透射该第二颜色光和该第三颜色光；第二二向色反射器，该第二二向色反射器能够反射该第二颜色光并透射该第三颜色光；以及第三反射器，该第三反射器能够反射该第三颜色光。该第一二向色反射器，该第二二向色反射器以及该第三反射器均倾斜以使得该第一颜色光、该第二颜色光以及该第三颜色光均在输出方向上被反射出，该第一颜色光、该第二颜色光以及该第三颜色光形成合色光束。该图像投影仪另外包括偏振转换器，该偏振转换器设置为接收该第一颜色光、该第二颜色光以及该第三颜色光，并输出偏振的第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光；空间光调制器，该空间光调制器设置为使偏振的第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光形成图像；以及投影光学器件。

上述发明内容并非意图描述本发明的每个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

整个说明书中都参考了附图，在附图中，类似的附图标号表示类似的元件，并且其中：

图1A所示为合色器的截面示意图；

图1B所示为合色器的截面示意图；

图1C所示为合色器的截面示意图；

图2所示为关于图1A至图1C中的截面A-A’的截面示意图；以及

图3所示为图像投影仪的示意图。

附图未必按比例绘制。附图中所使用的类似标号是指类似部件。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另一附图中使用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，具体来讲，涉及使用倾斜的二向色反射器板来组合光来改善光的均匀性的图像投影仪。在一个具体实施例中，该倾斜的二向色反射器板包括层合在一起的多个二向色滤光器，其中该等二向色滤光器中的每一者可相对于该二向色反射器板的法线倾斜成某一角度。

在一个具体实施例中，描述了一种合色器，该合色器包括至少两个发光二极管(LED)，每个发光二极管分别具有不同的颜色。从该两个LED发射出的光被准直成几乎完全重叠的光束，并且来自该两个LED的光被组合并导向到一个共同区域中，来自该两个LED的光被组合成组合光束，该组合光束所具有的展度低于由该两个LED发出的光，而亮度则高于由该两个LED发出的光。

该等LED可用来给投影仪照明。因为LED对着某一区域发射的光接近郎伯曲线角分布，所以投影仪的亮度受到光源以及投影***的展度的限制。减少LED光源展度的一种方法是使用二向色反射器来使得两种或两种以上颜色的LED在空间上重叠，使得它们看起来像是从相同区域发出的。一般情况下，合色器使用成约45度角的二向色反射器。这样会导致强烈的反射带偏移，并且限制了二向色反射器的适用光谱及角度范围。在一个具体实施例中，本发明描述一种制品，该制品使用二向色反射器来组合不同颜色的LED，这些二向色反射器相对于入射光束的角度近乎垂直。

在一个方面，本发明提供一种将来自不同颜色的光源的光输出高效地组合的简捷方法。此方法尤其可适用于生产展度有限的小型投影***的照明器件。举例来说，红色LED、绿色LED以及蓝色LED的线性阵列，其中每个LED的输出被一组主光学器件部分地准直，入射到倾斜的反射器板总成上，该倾斜的反射器板总成包括能够以不同角度来反射红光、绿光以及蓝光的二向色反射器板。然后，所反射的光被输出为经准直的合色光束。

包含三种LED的这种配置可以扩展到其他颜色，包括黄光和红外光，所属领域的技术人员会理解。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。该等光源可以包括与LED组合的激光器，并且还可基于全部的激光器***。该等LED可由两组组成，第一组在红色、绿色以及蓝色的短波长范围上至少发出基本色，而第二组在红色、绿色以及蓝色的长波长范围上发出基本色。另外，对于将光混合的孔隙来说，可以并入蝇眼阵列(FEA)，来提供进一步的色光积分。该阵列可由一维或二维的透镜阵列来组成，其中至少一个维度具有2到约20个透镜，本文中别处另有描述。

藉着成本低且分辨率高的LCoS面板，基于LCoS的便携式投影***正越来越常见。LED照明式LCoS投影仪中的元件可包括LED光源、可选的合色器、可选的预偏振化***、光中继器件、PBS、LCoS面板和投影光学器件单元。对于基于LCoS的投影***，投影仪的效率和对比度与进入PBS的光的偏振度直接相关。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化***。

采用偏振分束器和半波延迟器的偏振转换方案为将偏振光提供到PBS内的最高效方式之一。经偏振转换后的光的一个问题在于其中存在空间不均匀度，由此导致显示出的图像中的伪影。因此，在具有偏振转换器的***中，需要匀化***，如本文中别处所描述。

在一个具体实施例中，用于图像投影仪的照明光源包括一种光源，该光源将发出的非偏振光导向到偏振转换器中。该偏振转换器将光分成两个路径，且每一个偏振态使用其中一个路径。两种偏振态中每一种的路径长度大致相等，偏振光束传播并到达单片FEA积分器。单片FEA积分器可使得光束发散，并且随后对光束进行导向以用于进一步的处理，例如，通过空间光调制器来使光束形成图像以及通过投影光学器件来将图像显示到屏幕上。

在一些情况下，光学投影仪使用非偏振光源（例如发光二极管(LED)或放电光源）、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从非偏振光源发出的光中的50%，因此偏振选择性投影仪的效率通常低于非偏振器件。

提高偏振选择性投影仪的效率的一种技术为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，存在两种方式来设计用于本领域中的偏振转换器。第一种方式为部分地准直从光源发射的光、使部分准直的光束穿过透镜阵列以及将偏振转换器的阵列安置在各个焦点处。偏振转换器通常具有偏振分束器，这些偏振分束器具有偏振选择性倾斜膜(例如，麦克尼尔(MacNeille)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，使得经反射的光束平行于倾斜偏振选择性膜所透射的光束来传播。偏振光中的一个光束或另一个光束会穿过半波延迟器，使得这两个光束具有相同的偏振态。

将非偏振光束转换成具有单一偏振态的光束的另一种技术为使整个光束穿过倾斜偏振选择器，并且通过反射器和半波延迟器来调节被分开的光束以使得仅发出单一偏振态。用偏振转换器直接对偏振选择性空间光调制器进行照明会导致照度和颜色的不均匀。

在一个具体实施例中，偏振转换器可以并入蝇眼阵列(FEA)来在投影***中匀化光。偏振转换器的输出侧包括单片FEA以匀化光。单片FEA的输入侧和输出侧包括相同数量的透镜，其中输出侧的各个透镜的中心大致位于输入侧的匹配透镜的焦点处。透镜可为圆柱形的、双凸的、球形的或非球形的；但是，在许多情况下，可优选球面透镜。蝇眼积分器和偏振转换器可显著改善投影仪的亮度和颜色均匀度，文中别处会描述。

图1A至图1C所示为根据本发明的一个方面的合色器100的截面示意图，在与本发明在同一天提交的共同待审的美国专利申请案“倾斜的二向色合色器I(TILTED DICHROIC COLOR COMBINER I)”（代理人档案号66530US002）中有所描述。在图1A至图1C中，合色器100包括第一集光光学器件105，第一集光光学器件105包括第一透镜元件110以及第二透镜元件120。第一集光光学器件105包括光输入表面114以及垂直于光输入表面114的光轴102。第一光源140、第二光源150以及可选的第三光源160均设置在面向光输入表面114的光注射表面104上。光输出区域170位于光轴102上，并设置在光注射表面104上。第一光源140、第二光源150以及可选的第三光源160中的每一者偏离于光轴102。第一光源140、第二光源150以及可选的第三光源160中的每一者设置为分别将第一颜色光141、第二颜色光151以及可选的第三颜色光161注射到光输入表面114中，如文中别处所描述。

在一个具体实施例中，合色器100另外包括二向色板130，二向色板130被设置成沿光轴102面向第一集光光学器件105，使得第一透镜元件110与第二透镜元件120处于二向色板130与光输入表面114之间。二向色板130可设置成相对于光轴成一倾斜角度

并且包括第一二向色反射器132，该第一二向色反射器132能够反射第一颜色光141并透射所有其他颜色的光。二向色板130另外包括第二二向色反射器134，该第二二向色反射器134能够反射第二颜色光151并透射所有其他颜色的光。二向色板130另外还包括可选的第三二向色反射器136，该可选的第三二向色反射器136能够反射可选的第三颜色光161。在一些情况下，举例来说，当仅包括第一光源140与第二光源150时（也就是说，可选的第三光源160被省略），第二二向色反射器可以是宽带反射镜等通用反射器，这是因为不需要透射其他波长的光，也就是说，不需要透射其他颜色的光。在一些情况下，举例来说，当包括可选的第三光源160时，可选的第三二向色反射器136也可以是宽带反射镜等通用反射器，这是因为所有其他颜色的光在抵达第三二向色反射器136之前已被其他的二向色反射器所反射掉。

二向色板130经制造而使得第一二向色反射器132、第二二向色反射器134以及可选的第三二向色反射器136中的每一者分别相对于光轴102倾斜成第一二向色倾斜角度α1、第二二向色倾斜角度α2以及第三二向色倾斜角度α3。在一些情况下，例如图1A至图1C所示，第一二向色倾斜角度α1可以与二向色板倾斜角度相同，尽管它还可以与之不同。第一二向色倾斜角度α1、第二二向色倾斜角度α2、第三二向色倾斜角度α3中的每一者可经选择以导向从第一光源140、第二光源150以及可选的第三光源160中的每一者反射的光束，使这些光束通过光输出区域170，如文中别处所描述。

在一个具体实施例中，第一集光光学器件105可以是光准直仪，用来对从第一光源140、第二光源150以及可选的第三光源160发出的光进行准直。第一集光光学器件105可包括单透镜光准直仪（未图示）、双透镜光准直仪（如图示）、散射光学元件（未图示）或这些元件的组合。该双透镜光准直仪具有第一透镜元件110，第一透镜元件110包括第一凸形表面112，该第一凸形表面112被设置成与光输入表面114相对。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中的一者。

现在来看图1A，来自第一光源140的第一颜色光141的路径可以通过合色器100来追溯。第一颜色光141包括在第一光传播方向中传播的第一中央光线142、以及在第一输入光准直角θ1i内的锥形光线，该锥形光线的边界由第一边界光线144、146来表示。第一中央光线142从第一光源140在大体上平行于光轴102的方向中注射到光输入表面114，通过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并从第一二向色反射器132反射，使得被反射的光束与图示中的光轴102重合。第一边界光线144、146中的每一者在大体上与光轴102成第一输入光准直角θ1i的方向中被注射到光输入表面114中，通过第一透镜元件110，第二透镜元件120，并从第一二向色反射器132反射，使得被反射的光束大体上平行于图示中的光轴102。如图1A所示，集光光学器件105用来准直从第一光源140传播到二向色板130的第一颜色光141。

第一中央光线142以及第一边界光线144、146中的每一者从第一二向色反射器132反射，并反向传播，通过集光光学器件105，成为平行于光轴102或以光轴102为中心的准直光线。在如图1A所示的一个具体实施例中，经准直的光线经会聚，而离开合色器100，通过光输出区域170，成为具有第一输出准直角θ2o的第一颜色光束148。

现在来看图1B，来自第二光源150的第二颜色光151的路径可以通过合色器100来追溯。第二颜色光151包括在第二光传播方向中传播的第二中央光线152、以及在第二输入光准直角θ2i内的锥形光线，该锥形光线的边界由第二边界光线154、156来表示。第二中央光线152从第二光源150在大体上平行于光轴102的方向中注射到光输入表面114，通过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并从第二二向色反射器134反射，使得被反射的光束与图示中的光轴102重合。第二边界光线154、156中的每一者在大体上与光轴102成第二输入光准直角θ2i的方向中被注射到光输入表面114中，通过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并从第二二向色反射器134反射，使得被反射的光束大体上平行于图示中的光轴102。如图1B所示，集光光学器件105用来准直从第二光源150传播到二向色板130的第二颜色光151。

第二中央光线152以及第二边界光线154、156中的每一者从第二二向色反射器134反射，并反向传播，通过集光光学器件105，成为平行于光轴102或以光轴102为中心的准直光线。在如图1B所示的一个具体实施例中，经准直的光线经会聚，而离开合色器100，通过光输出区域170，成为具有第二输出准直角θ2o的第二颜色光束158。

现在来看图1C，来自可选的第三光源160的可选的第三颜色光161的路径可通过合色器100来追溯。可选的第三颜色光161包括在第三光传播方向中传播的第三中央光线162以及在第三输入准直角θ3i内的锥形光线，该锥形光线的边界由第三边界光线164、166来表示。第三中央光线162从可选的第三光源160在大体上平行于光轴102的方向中注射到光输入表面114，通过第一透镜元件110、第二透镜元件120，并从第三二向色反射器136反射，使得被反射的光束与图示中的光轴102重合。第三边界光线164、166中的每一者在大体上与光轴102成第三输入光准直角θ3i的方向中被注射到光输入表面114中，通过第一透镜元件110，第二透镜元件120，并从第三二向色反射器136反射，使得被反射的光束大体上平行于图示中的光轴102。如图1C所示，集光光学器件105用来准直从可选的第三光源160传播到二向色板130的可选的第三颜色光161。

第三中央光线162以及第三边界光线164、166中的每一者从第三二向色反射器136反射，并反向传播，通过集光光学器件105，成为平行于光轴102或以光轴102为中心的准直光线。在如图1C所示的一个具体实施例中，经准直的光线经会聚，而离开合色器100，通过光输出区域170，成为具有第三输出准直角θ3o的可选的第三颜色光束168。

在一个具体实施例中，第一输入准直角θ1i、第二输入准直角θ2i以及第三输入准直角θ3i中的每一者可以相同，而与第一输入光源140、第二输入光源150以及可选的第三输入光源160中的每一者相关的注射光学器件（未图示）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度与约70度之间，或在约10度与约60度之间，或在约10度与约50度之间，或在约10度与约40度之间，或在约10度与约30度之间，或者是在约10度与小于30度的角度之间。在一些情况下，集光光学器件105与二向色板130可以经制造以使得第一输出准直角θ1o、第二输出准直角θ2o以及第三输出准直角θ3o中的每一者可以相同，并且还大体上等于相应的输入准直角。在一个具体实施例中，输入准直角中的每一者处于从约60度到约70度的范围中，而输出准直角中的每一者同样处于从约60度到约70度的范围中。

本发明在图1A至图1C中描述了合色器100，其中输出第一颜色光束148、输出第二颜色光束158以及输出第三颜色光束168（即经组合的输出光）从二向色板130反射，然后反向传播，通过光输入表面114的光输出区域170。在图1A至图1C中，合色器100另外包括在第二透镜元件120上截取的截面A-A’，下文将参考图2来描述该截面A-A’。本发明提供了能够保持光在离开第二透镜元件120时的准直性质的输出光路径，并且经组合的输出光不会通过光输出区域170，而是会经导向而朝向第一集光光学器件105外部的其他光学部件。在此具体实施例中，第一光源140、第二光源150以及可选的第三光源160中的每一者可以设置在光注射表面104上的任何位置，并且具体来讲，该等光源中的至少一者可以设置在光轴102上，这是因为经组合的输出光不再通过光输入表面114。

图2所示为根据本发明的一个方面的合色器元件200的图1A至图1C中的截面A-A’的截面示意图。图2中所示的元件102-136中的每一者对应于之前描述的在图1A至图1C中所示的具有相似编号的元件102-136。图中所示为图1A至图1C的第二透镜元件120的第三凸形透镜表面124中的一部分，图中所示的二向色板130相对于光轴102倾斜一倾斜角度

如图2所示，已将倾斜角度增加，使得从二向色板130反射的光不会返回到第一集光光学器件105。在一些情况下，倾斜角度

大约可为45度，并且经定位而使得第一颜色光141、第二颜色光151以及可选的第三颜色光161中的每一者从相应的第一二向色反射器132、第二二向色反射器134或第三二向色反射器136反射出，输出方向为281，该输出方向能够保证输出的合色光束280的准直。图中所示的合色器200的光瞳128位于第三凸形透镜表面124与第一二向色反射器132之间。

图3所示为根据本发明的一个方面的图像投影仪1的示意图。图像投影仪1包括合色器模块10，合色器模块10能够将部分准直的合色光输出24注射到匀化偏振转换器模块30内，在匀化偏振转换器模块30中，该部分准直的合色光输出24转换成匀化偏振光45，匀化偏振光45离开匀化偏振转换器模块30并进入到图像生成器模块50中。图像生成器模块50输出成像光65，成像光65进入投影模块70中，在投影模块70中成像光65变为投影出的成像光80。

在一个方面，合色器模块10包括不同波长谱的输入光源，这些输入光源的光输入并通过合色器200，如文中别处所描述。合色器200生成部分准直的合色光输出24，该部分准直的合色光输出24包括不同波长谱的光，如文中别处所描述。

在一个方面，这些输入光源是非极化的，并且部分准直的合色光输出24也是非极化的。部分准直的合色光输出24可以是包括多种波长谱的光的多色组合光。部分准直的合色光输出24可以是将所接收的光中的每一者按时间顺序来输出。在一个方面，不同波长谱的光中的每一者对应于不同的颜色光（例如，红色、绿色及蓝色），并且经组组合的光输出为白光或按时间顺序输出的红光、绿光和蓝光。为了在本文进行说明，“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。更广泛的术语“波长光谱光”是指可见光和包括例如红外光等其它波长谱的光。

根据一个方面，各个输入光源包括一个或多个发光二极管(LED)。可结合合适的集光器或反射器来使用各种光源，例如激光器、激光二极管、有机LED(OLED)和诸如超高压(UHP)卤素灯或氙灯之类的非固态光源。可用于本发明中的光源、光准直器、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第US2008/0285129号中，该专利申请的公开内容以其全文并入到本文中。

在一个方面，匀化偏振转换器模块30包括偏振转换器40，偏振转换器40能够将非极化的部分准直的合色光输出24转换为匀化偏振光45。匀化偏振转换器模块30进一步可包括单片透镜阵列42，诸如在文中别处描述的可选的单片透镜FEA，该可选的单片透镜FEA能够匀化并改善部分准直的合色光输出24的均匀性，该部分准直的合色光输出24离开匀化偏振转换器模块30，成为匀化偏振光45。与匀化偏振转换器模块30相关的可选FEA的代表性布置描述于（例如）题目为“蝇眼积分偏振转换器(FLY EYEINTEGRATOR POLARIZATION CONVERTER)”的共同待审中的美国专利第61/346183号（代理人案卷号66247US002，2010年5月19日）中；题目为“偏振投影照明光源(POLARIZED PROJECTION ILLUMINATOR)”的共同待审中的美国专利第61/346190号（代理人案卷号66249US002，2010年5月19日）中；题目为“小型照明光源(COMPACT ILLUMINATOR)”的共同待审中的美国专利第61/346193号（代理人案卷号66360US002，2010年5月19日）中。

在一个方面，图像生成器模块50包括偏振分束器(PBS)56、代表性的成像光学器件52、54、以及空间光调制器58，这些器件协同以将匀化偏振光45转换成成像光65。合适的空间光调制器（即，图像生成器）此前已在（例如）美国专利第7,362,507号（Duncan等人）、第7,529,029号（Duncan等人）；美国专利公开第2008-0285129-A1号（Magarill等人）；以及PCT专利公开第WO2007/016015号（Duncan等人）中有所描述。在一个具体实施例中，匀化偏振光45是源自可选的FEA的每一透镜的发散光。在穿过成像光学器件52、54以及PBS56之后，匀化偏振光45变为均匀照射空间光调制器的成像光60。在一个具体实施例中，来自可选的FEA中的每一透镜的每一发散光线束照射空间光调制器58的大部分，使得各个发散光线束彼此重叠。

在一个方面，投影模块70包括可用于将成像光65投影为投影光80的代表性的投影光学器件72、74、76。合适的投影光学器件72、74、76已在此前有所描述并且对于本领域的技术人员而言为熟知的。

以下为本发明实施例的列表。

项目1为一种合色器，包括：第一集光光学器件，所述第一集光光学器件具有光输入表面以及光轴；第一光源及第二光源，所述第一光源及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，所述第一光源及第二光源中的至少一者偏离于所述光轴；以及二向色板，所述二向色板被设置成面向与所述光输入表面相对的所述第一集光光学器件，并设置为与所述光轴成某一倾斜角度，所述二向色板包括：第一二向色反射器，所述第一二向色反射器能够反射所述第一颜色光并透射其他颜色光；以及第二反射器，所述第二反射器能够反射所述第二颜色光，其中所述第一二向色反射器与所述第二反射器均倾斜以使得所述第一颜色光与所述第二颜色光均在输出方向上被反射出，所述第一颜色光与所述第二颜色光形成合色光束。

项目2为根据项目1所述的合色器，其中所述第一集光光学器件包括光准直光学器件。

项目3为根据项目2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、散射光学元件或它们的组合。

项目4为根据项目1至项目3所述的合色器，其中所述第一集光光学器件包括：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5为根据项目1至项目4所述的合色器，其中所述第一颜色光与第二颜色光中的每一者包括第一发散角，并且经组合的光束包括第二发散角，其中所述第二发散角包括小于约20度的角度。

项目6为根据项目1至项目5所述的合色器，其中所述第二反射器包括宽带反射镜。

项目7为根据项目1至项目6所述的合色器，其中所述第二反射器包括第二二向色反射器，所述第二二向色反射器能够反射所述第二颜色光并透射其他颜色光。

项目8为根据项目1至项目7所述的合色器，进一步包括第三光源，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，并且其中所述二向色板进一步包括第三反射器，所述第三反射器能够反射所述第三颜色光并使其在输出方向中离开，成为合色光束。

项目9为根据项目8所述的合色器，其中所述第三反射器包括宽带反射镜。

项目10为根据项目8所述的合色器，其中所述第三反射器包括第三二向色反射器，所述第三二向色反射器能够反射所述第三颜色光并透射其他颜色光。

项目11为根据项目5至项目10所述的合色器，其中所述第二发散角包括小于约15度的角度。

项目12为根据项目5至项目11所述的合色器，其中所述第二发散角包括小于约12度的角度。

项目13为一种合色器，包括：第一透镜，所述第一透镜具有第一凸形表面、与所述第一凸形表面相对的光输入表面、以及光轴；以所述光轴为中心的第二透镜，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；第一光源、第二光源以及第三光源，所述第一光源、所述第二光源以及所述第三光源中的至少两者偏离于所述光轴并且设置为将第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光注射到所述光输入表面中；以及二向色板，所述二向色板面向所述第三凸形表面并与所述光轴成一倾斜角度，所述二向色板包括：第一二向色反射器，所述第一二向色反射器能够反射所述第一颜色光并透射所述第二颜色光和所述第三颜色光；第二二向色反射器，所述第二二向色反射器能够反射该第二颜色光并透射所述第三颜色光；以及第三反射器，所述第三反射器能够反射所述第三颜色光，其中所述第一二向色反射器、所述第二二向色反射器以及所述第三反射器均倾斜以使得所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光均在输出方向中被反射出，所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光形成合色光束。

项目14为根据项目13所述的合色器，其中所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光中的每一者包括第一发散角，并且经组合的光束包括第二发散角，其中所述第二发散角包括小于约20度的角度。

项目15为根据项目13或项目14所述的合色器，其中所述第三反射器为宽带反射镜。

项目16为根据项目13至项目15所述的合色器，其中所述第三反射器为第三二向色反射器，所述第三二向色反射器能够反射所述第三颜色光并透射其他颜色光。

项目17为根据项目14至项目16所述的合色器，其中所述第二发散角包括小于约15度的角度。

项目18为根据项目14至项目17所述的合色器，其中所述第二发散角包括小于约12度的角度。

项目19为一种图像投影仪，包括：根据项目1至项目18所述的合色器；偏振转换器，所述偏振转换器设置为接收所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光，并输出偏振的第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光；空间光调制器，所述空间光调制器设置为使偏振的所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光形成图像；以及投影光学器件。

项目20为根据项目19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)成像器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特征的尺寸、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，其可根据本领域内的技术人员利用本申请所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。

本文中所引用的所有参考文献及出版物以引用方式明确地全文并入本文中，但与本发明直接冲突的部分除外。尽管本文示出和描述了特定实施例，但是本领域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/或等效实施方式可替换所示和所述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文讨论的特定实施例的任何改动和变型。因此，本发明应该仅仅由权利要求及其等同物进行限定。

Claims (20)

1.一种合色器，包括：

第一集光光学器件，所述第一集光光学器件具有光输入表面以及光轴；

第一光源及第二光源，所述第一光源及第二光源设置为将第一颜色光及第二颜色光注射到所述光输入表面中，所述第一光源及第二光源中的至少一者偏离于所述光轴；以及

二向色板，所述二向色板设置为面向与所述光输入表面相对的所述第一集光光学器件，并设置为与所述光轴成某一倾斜角度，所述二向色板包括：

第一二向色反射器，所述第一二向色反射器能够反射所述第一颜色光并透射其他颜色光；以及

第二反射器，所述第二反射器能够反射所述第二颜色光，其中所述第一二向色反射器与所述第二反射器均倾斜以使得所述第一颜色光与所述第二颜色光均在输出方向上被反射出，所述第一颜色光与所述第二颜色光形成合色光束。

2.根据权利要求1所述的合色器，其中所述第一集光光学器件包括光准直光学器件。

3.根据权利要求2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、散射光学元件或它们的组合。

4.根据权利要求1所述的合色器，其中所述第一集光光学器件包括：

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。

5.根据权利要求1所述的合色器，其中所述第一颜色光及第二颜色光中的每一者包括第一发散角，并且所述合色光束包括第二发散角，其中所述第二发散角包括小于约20度的角度。

6.根据权利要求1所述的合色器，其中所述第二反射器包括宽带反射镜。

7.根据权利要求1所述的合色器，其中所述第二反射器包括第二二向色反射器，所述第二二向色反射器能够反射所述第二颜色光并透射其他颜色光。

8.根据权利要求1所述的合色器，进一步包括第三光源，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，并且其中所述二向色板进一步包括第三反射器，所述第三反射器能够反射所述第三颜色光并使其在输出方向中离开，成为所述合色光束。

9.根据权利要求8所述的合色器，其中所述第三反射器包括宽带反射镜。

10.根据权利要求8所述的合色器，其中所述第三反射器包括第三二向色反射器，所述第三二向色反射器能够反射所述第三颜色光并透射其他颜色光。

11.根据权利要求5所述的合色器，其中所述第二发散角包括小于约15度的角度。

12.根据权利要求5所述的合色器，其中所述第二发散角包括小于约12度的角度。

13.一种合色器，包括：

第一透镜，所述第一透镜具有第一凸形表面、与所述第一凸形表面相对的光输入表面、以及光轴；

以所述光轴为中心的第二透镜，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；

第一光源、第二光源以及第三光源，所述第一光源、所述第二光源以及所述第三光源中的至少两者偏离于所述光轴并且设置为将第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光注射到所述光输入表面中；以及

二向色板，所述二向色板设置为面向所述第三凸形表面并与所述光轴成一倾斜角度，所述二向色板包括：

第一二向色反射器，所述第一二向色反射器能够反射所述第一颜色光并透射所述第二颜色光和所述第三颜色光；

第二二向色反射器，所述第二二向色反射器能够反射所述第二颜色光并透射所述第三颜色光；以及

第三反射器，所述第三反射器能够反射所述第三颜色光，其中所述第一二向色反射器、所述第二二向色反射器以及所述第三二向色反射器均倾斜以使得所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光均在输出方向上被反射出，所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光形成合色光束。

14.根据权利要求13所述的合色器，其中所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光中的每一者包括第一发散角，并且所述合色光束包括第二发散角，其中所述第二发散角包括小于约20度的角度。

15.根据权利要求13所述的合色器，其中所述第三反射器为宽带反射镜。

16.根据权利要求13所述的合色器，其中所述第三反射器为第三二向色反射器，所述第三二向色反射器能够反射所述第三颜色光并透射其他颜色光。

17.根据权利要求14所述的合色器，其中所述第二发散角包括小于约15度的角度。

18.根据权利要求14所述的合色器，其中所述第二发散角包括小于约12度的角度。

19.一种图像投影仪，包括：

根据权利要求1或权利要求13所述的合色器；

偏振转换器，所述偏振转换器设置为接收所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光，并输出偏振的第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光；

空间光调制器，所述空间光调制器设置为使偏振的所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光形成图像；以及

投影光学器件。

20.根据权利要求19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)成像器或透射型液晶显示器(LCD)。

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