TWI471603B - 光學元件、色彩結合器、結合光之方法及影像投影機 - Google Patents

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Description

光學元件、色彩結合器、結合光之方法及影像投影機
用於將影像投射至屏幕上之投影系統可使用具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)一樣使用偏振。
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亮度。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。
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，一光學元件包括一具有三個輸入表面及一輸出表面之偏振光束分束器(PBS)。該PBS包括一第一反射偏光器，且該第一反射偏光器可係一獨立式膜，例如一薄膜。該第一反射偏光器亦可位於兩個具有拋光面之直角稜鏡之間以促進該PBS內之全內反射(TIR)。一包含一延遲器及一第二反射偏光器之光再循環結構面向該三個輸入表面中之每一者安置，且一偏振濾光片面向該輸出表面安置。該第一及第二反射偏光器中之每一者可係一與一第一偏振方向對齊之笛卡兒反射偏光器，且該等延遲器中之每一者可與該第一偏振方向呈45度角對齊。該偏振濾光片能夠改變至少一個選定波長頻譜之光之一偏振方向而不改變至少另一個選定波長頻譜之光之一偏振方向。該光學元件進一步包括一偏振旋轉堆疊式，該偏振旋轉堆疊位於至少一個光再循環結構與該對應輸入表面之間，以使經由該偏振旋轉堆疊輸入至該表面之光具有一所期望偏振方向。
於一個態樣中，一色彩結合器包括該光學元件及一第一、第二及(可選)第三輸入光源，該第一、第二及(可選)第三輸入光源經構形以經由該光再循環結構朝該PBS發射光，並經由該輸出表面透射一結合色光。該等輸入光源可係非偏振色光源，且該結合色光可係一沿一所期望方向偏振之結合色光。該等輸入光源中之每一者可係部分反射的以允許再循環沿一非合意方向偏振之光。於一個態樣中，一種結合光之方法包括：將一第一、第二及(可選)第三色彩之非偏振光朝該色彩結合器引導，並自該偏振濾光片接收一結合偏振光。於另一態樣中，一種影像投影機包括該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，並將該結合色光輸出之一第二部分引導回到該色彩結合器以進行再循環。
本文中所述之光學元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器。於一個態樣中，所接收光輸入係非偏振的，而結合光輸出沿一所期望方向偏振。於一個實施例中，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。所結合之光可係一包含多於一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入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與該元件之表面垂直之線沿著一亦與另一個元件垂直之光程而行。一個元件面向另一個元件可包括毗鄰彼此安置之元件。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。
根據一個態樣，一光學元件包含一偏振光束分束器(PBS)，該偏振光束分束器具有三個輸入表面、一輸出表面及一第一反射偏光器。於一個實施例中，第一反射偏光器可與一第一偏振方向對齊。第一反射偏光器經定位以使輸入至該PBS之三個色光中之每一者呈大約45度角交切第一反射偏光器。於一個實施例中，交切角度範圍從35到55度；從40到50度；從43到48度；或從44.5到45.5度。
第一反射偏光器可係任一已知反射偏光器，例如一MacNeille偏光器、一線柵偏光器、或一多層光學膜偏光器。根據一個實施例，一多層光學膜偏光器可係一較佳第一反射偏光器。第一反射偏光器可位於兩個稜鏡之對角面之間，或其可係一獨立式膜，例如一薄膜。於一些實施例中，當第一反射偏光器位於兩個稜鏡之間時，PBS光利用效率得到提高。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內反射(TIR)並再加入光程。由於至少此原因，下文說明係針對其中第一反射偏光器位於兩個稜鏡之對角面之間的PBS；然而，應理解，PBS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PBS之光經歷TIR。以此方式，光包含於該PBS內且該光部分地均勻化同時仍保持光展量。
可將兩個或兩個以上非偏振色光引導至光學元件之輸入表面，並藉由一毗鄰該等輸入表面中之每一者安置之光再循環膜堆疊根據偏振來***每一非偏振色光。一偏振濾光片毗鄰PBS之輸出表面安置，且可隨著輸入色光中之至少一者退出PBS而有選擇地改變其偏振方向。於一個實施列中，每一光再循環膜堆疊皆包含一延遲器及一第二反射偏光器。
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關聯第二反射偏光器之優點。線性偏振光隨著其透過一與光偏振軸線呈45°對齊之四分之一波長延遲器而改變至圓偏振光。自該色彩結合器中之反射偏光器及四分之一波長延遲器之後續反射產生自該光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位而改變至一介於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。
第二反射偏光器可係任一已知反射偏光器，例如一MacNeille偏光器、一線柵偏光器或一多層光學膜偏光器。於一個實施例中，每一第二反射偏光器可與第一偏振方向對齊。根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第二反射偏光器根據偏振(例如，s-偏振及p-偏振)來***。每一色彩之s-偏振光朝PBS方向透過第二反射偏光器。每一色彩之p-偏振光自第二反射偏光器反射並在進入PBS之前再循環回至該光源。該光源係至少部分反射的。在自有該光源反射之前及之後，經再循環之p-偏振光兩次透過延遲器，從而成為隨後可朝PBS方向透過第二反射偏光器之s-偏振光。根據一個實施例，該延遲器係一具有一與第一偏振方向呈45度對齊之慢軸之四分之一波長延遲。
於一個態樣中，該光學元件進一步包含一偏振旋轉堆疊，該偏振偏置堆疊包括一夾於兩個延遲器之間的選色二向色濾光片。根據一個實施例，該等延遲器中之每一者皆係一具有一與第一偏振方向呈45度對齊之慢軸之四分之一波長延遲。該偏振旋轉堆疊位於PBS之一輸入表面與對應之光再循環膜堆疊之間。該選色二向色濾光片經選擇以使透過該濾光片之色光在進入PBS之輸入表面之前改變偏振方向。
於一個實施例中，第一色光包含一紅色光，第二色光包含一藍色光且第三色光包含一綠色光，且該色光結合器結合該紅色、藍色及綠色光以產生白色光、或時序性紅色、藍色及綠色光。於一個實施例中，第二色彩之s-偏振光(藍色光)隨著其在進入PBS之前透過該偏振旋轉堆疊而改變至p-偏振藍色光。於此實施例中，該選色二向色濾光片經選擇以透射藍色光並反射至少紅色光。以此方式，僅p-偏振藍色光進入並透過PBS。偏振光束分束器內之第一反射偏光器之壽命及穩定性可藉由使曝光僅限於p-偏振藍光之一次通過而得到改進。
該光可在其進入該PBS係準直、會聚或發散的。進入PBS之會聚或發散光可經由PBS之面或端中之一者丟失。為了避免此等丟失，PBS之所有外部面可係拋光的以實現PBS內之TIR。實現TIR提高對進入該PBS之光之利用率，以便重引導在一角度範圍內進入該PBS之光之大致全部以經由所期望之面退出PBS。
光結合器之組件(包括稜鏡、反射偏光器、四分之一波長延遲器、反射鏡及濾光片)可藉由一合適之光學黏合劑黏接在一起。用於將組件黏接在一起之光學黏合劑可具有一較用於光結合器中之稜鏡之折射率為低之折射率。一完全黏接在一起之光結合器提供若干優點，包括裝配、操縱及使用期間之對齊穩定性。
根據一個態樣，該等反射偏光器各自包含一多層光學膜。該PBS產生一包括p-偏振第一及第二色光、以及s-偏振第三色光之第一結合光輸出。一第一結合光輸出被傳遞透過一偏振濾光片(例如一選色堆疊式延遲濾光片)，從而隨著第三色光透過該偏振濾光片而有選擇地改變第三色光之偏振。該偏振濾光片產生一第二結合光輸出，該第二結合光輸出包括結合成具有同一偏振(例如，p-偏振)之第一、第二及第三色光。第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。
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110與120之對角面之間的第一反射偏光器190。稜鏡110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170、180、以及其之間呈90°角之一第三及第四稜鏡面150、160。第一稜鏡面130平行於第三稜鏡面150，且第二稜鏡面140平行於第四稜鏡面160。以一"第一"、"第二"、"第三"及"第四"來識別圖1中所示之四個稜鏡面用來詳細闡明下文闡述中對PBS 100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。一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軸線方向，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，第一反射偏光器190經對齊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一傳遞不完全準直且相對於一中心光束軸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(Jonza等人)或美國專利6,721,096(Bruzzone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PBS之對齊之透視圖。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200包括具有第一及第二稜鏡110及120之PBS 100。一四分之一波長延遲器220毗鄰第一稜鏡面130安置。第一反射偏光器190係一與第一偏振方向195對齊之笛卡兒反射偏光器膜。四分之一波長延遲器220包括一可與第一偏振方向195呈45°對齊之四分之一波長偏振方向295。儘管圖2顯示偏振方向295在順時針方向上與第一偏振方向195呈45°對齊，然而，偏振方向295亦可在逆時針方向上與第一偏振方向195呈45°對齊。於一些實施例中，四分之一波長偏振方向295可與第一偏振方向195呈任一度數定位對齊，例如從沿逆時針方向90°到沿順時針方向90°。如所述，將延遲器定位呈大約+/-45°是有利的，此乃因圓偏振光產生於線性偏振光透過一與偏振方向如此對齊之四分之一波長延遲器時。四分之一波長延遲器之其他定位可導致在從反射鏡反射時s-偏振光不完全變換至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結合器之效率降低。
圖3a顯示一拋光PBS 300內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係經拋光之外部表面，其與一具有一小於稜鏡110及120之折射率"n2 "之折射率"n1 "之材料接觸。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，其提供在PBS 300內之傾斜光線之TIR。該等拋光外部表面與一具有一小於稜鏡110及120之折射率"n2 "的折射率"n1 "之材料接觸。TIR改善在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予以準直(亦即，入射光係會聚或發散的)時。至少一些光因全內反射而截獲於PBS 300中直至其經由第三稜鏡面150離開為止。在一些情況下，該光之大致全部因全內反射而截獲於PBS 300中直至其經由第三稜鏡面150離開為止。
如圖3a中所示，光線L0 在一角度θ1 之範圍內進入第一稜鏡面130。PBS 300內之光線L1 在一角度θ2 之範圍內傳播，以在稜鏡面140、160及端面(未顯示)處滿足TIR條件。光線"AB"、"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150退出之前與第一反射偏光器190相交成不同之入射角度。光線"AB"及"AD"亦在退出之前分別在稜鏡面140及160處經歷TIR。應理解，角度範圍θ1 及θ2 可係一角度錐，以便亦可在PBS 300之端面處發生反射。於一個實施例中，第一反射偏光器190經選擇以有效地***處於一廣泛之入射角度範圍內之不同偏振之光。一聚合多層光學膜尤其很適用於***處於一廣泛之入射角度範圍內之光。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***偏振光方面不太有效。一MacNeille偏光器不能有效地透射處於以高入射角度下之光。使用MacNeille偏光器來有效地***偏振光可僅限於相對於法線低於約6或7度之入射角，此乃因在更大之角度下出現對這兩種偏振狀態之顯著反射。使用線柵偏光器來有效地***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。
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(320、330、340)中之每一者與一PBS 300之間的光隧道350。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320、330、340發射第一、第二及第三非偏振色光321、331、341，第一、第二及第三非偏振色光321、331、341穿過光隧道350，透過一第一、第二及第三光再循環膜堆疊360、370、380(分別地)至PBS 300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310。光再循環膜堆疊360、370及380將更全面地闡述於別處，但通常包含一反射偏光器及延遲器。延遲器及反射偏光器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，且參照該等圖式闡述於別處。光隧道350係色彩結合器310之一可選組件，且自下文關於色彩結合器之說明省略掉。
於一個態樣中，圖4係一包含一PBS 100之構形為一色彩結合器之光學元件400之俯視示意圖。第一反射偏光器190與第一偏振方向195對齊，如別處所述。一第二、第三及第四反射偏光器192、193、194分別面向第二、第三及第四稜鏡面130、140、150安置。第一、第二、第三及第四反射偏光器190、192、193、194中之每一者可係一笛卡兒偏光器，如別處所述，且可與第一偏振方向195對齊。於一個態樣中，第一反射偏光器190可包含一聚合多層光學膜。於一個態樣中，第一至第四反射偏光器190、192、193、194可各自包含一聚合多層光學膜。
一延遲器420面向第二、第三及第四反射偏光器192、193、194中之每一者安置，以使每一反射偏光器位於對應延遲器與相應稜鏡面之間。延遲器420與反射偏光器(192、193、194)之結合協作以透射一個偏振方向之光，並再循環另一個偏振狀態之入射光，如別處所述。
一偏振旋轉堆疊425可位於第三稜鏡面140與第三反射偏光器193之間。偏振旋轉堆疊425包含位於一波長選擇反射器(例如一選色二向色濾光片450)之兩側上之延遲器420。選色二向色濾光片450經選擇以透射一選定波長頻譜之光，並反射至少一個其他波長頻譜之光。當所透射光透過偏振旋轉堆疊425時，膜堆疊中之延遲器420改變所透射光之偏振方向，如別處所述。於一個實施例中，色彩結合器400中之每一延遲器420皆係一與第一偏振方向195呈45。定位之四分之一波長延遲器。
光學元件400亦包括一面向第一稜鏡面160安置之偏振濾光片410，偏振濾光片410能夠改變至少一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，偏振濾光片410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Boulder之ColorLink公司購得)。色彩結合器400可與別處所述之各種光源一起使用，且圖4顯示能夠朝色彩結合器400發射光之第一光源460、第二光源470及第三光源480。
光源(460、470、480)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反射之基板上。部分反射光源及視需要部分反射基板與色彩結合器協作以再循環光並提高效率。根據再一態樣，光管可經提供以提供將光源與偏振光束分束器分隔開之間隔。一積分器亦可經提供以提高結合光輸出之均勻度。根據一個態樣，每一光源(460、470、480)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(OLED)、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。
現在參照圖4來闡述第一彩色光之路徑。第一光源460將非偏振第一色光462射出透過延遲器420並交切第二反射偏光器192。第二反射偏光器190將該光***成透射第一色彩s-偏振光463及反射第一色彩p-偏振光464。第一色彩p-偏振光464藉由透過延遲器420、成為圓偏振第一色光465、自第一光源460反射、將圓偏振方向改變至圓偏振第一色光466從而再循環，並再次透過延遲器420從而成為再循環第一色彩s-偏振光467。再循環第一色彩s-偏振光467沿著與下文所述之透射第一色彩s-偏振光463相同之路徑穿過該色彩結合器。
第一色彩s-偏振光463經由第二稜鏡面130進入PBS100，自第一反射偏光器190反射，經由第三稜鏡面140退出PBS 100，並隨著其透過偏振旋轉堆疊425之延遲器420而變成第一色彩圓偏振光468。第一色彩圓偏振光468自選色二向色濾光片450反射，從而改變圓偏振方向，再次透過偏振旋轉堆疊425之延遲器420，並經由第三稜鏡面140以第一色彩p-偏振光469形式重新進入PBS 100。第一色彩p-偏振光469無變化地透過第一反射偏光器190，經由第一稜鏡面160退出PBS 100，並以第一色彩p-偏振光469形式無變化地透過偏振濾光片410。
現在參照圖4來闡述第二彩色光之路徑。第二光源470將非偏振第二色光472射出透過延遲器420並交切第三反射偏光器193。第三反射偏光器193將該光***成透射第二色彩s-偏振光473及反射第二色彩p-偏振光474。第二色彩p-偏振光474藉由透過延遲器420以與先前針對第一色彩p-偏振光464所述相同之方式再循環，並沿著與下文所述之透射第二色彩s-偏振光473相同之路徑穿過該色彩結合器。
第二色彩s-偏振光473經由延遲器420進入偏振旋轉堆疊425，從而變成第二色彩圓偏振光475，無變化地透過選色二向色濾光片450，並隨著其經由延遲器420退出偏振旋轉堆疊425而變成第二色彩p-偏振光476。第二色彩p-偏振光476經由第三稜鏡面140進入PBS 100，無變化地透過第一反射偏光器190，經由第一稜鏡面160退出PBS 100，並以第二色彩p-偏振光476形式無變化地透過偏振濾光片410。
現在參照圖4來闡述第三彩色光之路徑。第三光源480將非偏振第三色光482射出透過延遲器420並交切第四反射偏光器194。第四反射偏光器194將該光***成透射第三色彩s-偏振光483及反射第三色彩p偏振光484。第三色彩p-偏振光484藉由透過延遲器420以與先前針對第一色彩p-偏振光464所述相同之方式再循環，並沿著與下文所述之透射第三色彩s-偏振光483相同之路徑穿過該色彩結合器。
第三色彩s-偏振光483經由第四稜鏡面150進入PBS 100，自第一反射偏光器190反射，經由第一稜鏡面160退出PBS 100，並隨著其透過偏振濾光片410而改變偏振方向從而成為第三色彩p-偏振光484。
於一個實施例中，第一色光460係紅色光，第二色光470係藍色光，且第三色光480係綠色光。於此實施例中，選色二向色濾光片450係一紅色光反射和藍色光透射二向色濾光片，且偏振濾光片410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G/RB ColorSelect濾光片。
圖6係一根據本揭示內容之一態樣之色彩結合器之俯視示意圖。於圖6中，藉助一包含一PBS 100之展開式色彩結合器600來闡述一第一至第三光線662、672、682之路徑。展開式色彩結合器600可係參照圖4所述之色彩結合器400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630上之一第一、第二及第三部分反射光源660、670、680發射之每一偏振之光線路徑顯示於圖6中，以更清楚地圖解闡釋展開式色彩結合器600之各種組件之功能。於一個實施例中，平面630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600包分別面向PBS 100之第一稜鏡面130及第三稜鏡面150安置之一第三稜鏡610及一第四稜鏡620(其闡述於別處)。第三稜鏡610及第四稜鏡620各自係一"轉動稜鏡"。自位於平面630上之第一及第三光源660、680發出之第一及第三光662、682由第三及第四稜鏡610、620轉動以分別沿一垂直於第一及第三稜鏡面130、150之方向進入PBS 100。
第三稜鏡610包括第五及第六稜鏡面612、614、以及其之間的對角稜鏡面616。第五及第六稜鏡面612、614係"轉動稜鏡面"。第五稜鏡面612經定位以自第一光源660接收第一光662並將光引導至第一稜鏡面130。第四稜鏡620包括第七及第八稜鏡面622、624、以及其之間的對角稜鏡面626。第七及第八稜鏡面622、624亦係"轉動稜鏡面"。第七稜鏡面622經定位以自第三光源680接收第三光682並將光引導至第三稜鏡面150。
第五、第六、第七及第八稜鏡面612、614、622、624、以及對角稜鏡面616、626可係拋光的以保持TIR，如別處所述。第三及第四稜鏡610、620之對角稜鏡面616、626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。
第一反射偏光器190與第一偏振方向195對齊，如別處所述。一第二、第三及第四反射偏光器192、193、194分別面向第二、第三及第四稜鏡面130、140、150安置。第一、第二、第三及第四反射偏光器190、192、193、194中之每一者可係一如別處所述之笛卡兒偏光器，且可與第一偏振方向195對齊。於一個態樣中，第一反射偏光器190可包含一聚合多層光學膜。於一個態樣中，第一至第四反射偏光器190、192、193、194各自可包含一聚合多層光學膜。
一延遲器420面向第二、第三及第四反射偏光器192、193、194中之每一者安置，以使每一反射偏光器位於對應延遲器與相應稜鏡面之間。如圖6中所示，第三反射偏光器193面向且毗鄰延遲器420安置，而第二及第四反射偏光器192、194則分別由第三及第四稜鏡610、620與延遲器420分隔開(亦即，面向但不毗鄰)，如別處所述。延遲器420與第二反射偏光器(192、193、194)之結合協作以透射一個偏振方向之光，並再循環另一個偏振狀態之光，如別處所述。
於圖6中所示之一個實施例中，第二反射偏光器192及關聯延遲器420分別面向第六及第五稜鏡面614、612安置，且亦面向PBS 100之第一稜鏡面130。於一個實施例中，第四反射偏光器194及關聯延遲器420分別面向第八及第七稜鏡面624、622安置，且亦面向PBS 100之第三稜鏡面150。於另一實施例(未顯示)中，第二反射偏光器192及關聯延遲器420以一類似於第三反射偏光器193及關聯延遲器420之定位之方式面向彼此定位(例如毗鄰彼此)。在此情況下，第二反射偏光器192及關聯延遲器420可毗鄰第五稜鏡面612，或毗鄰第一稜鏡面130放置。原則上，展開式光結合器600可起作用而不管反射偏光器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位不變，亦即，每一者大致垂直於光線路徑。然而，端視自對角稜鏡面616及626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，且可因將第二及第四反射偏光器192、194更靠近稜鏡面130及150放置而最小化。
第二、第三及第四反射偏光器192、193、194中之每一者可與關聯四分之一波長延遲器420分隔開，如圖6中所示。此外，第二、第三及第四反射偏光器192、193、194中之每一者可與毗鄰四分之一波長延遲器420直接接觸。另一選擇係，第二、第三及第四反射偏光器192、193、194中之每一者可藉助一光學黏合劑黏合至毗鄰四分之一波長延遲器420。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。
於一個實施例中，第一、第二及第三光662、672、682中之每一者可係非偏振光且結合光係偏振的。於另一實施例中，第一、第二及第三光662、672、682中之每一者可係紅色、綠色及藍色非偏振光，且結合光可係偏振白色光。第一、第二及第三光662、672、682中之每一者可包含如參照圖4所述於別處之光。
於一個態樣中，展開式光結合器600可包括可選光隧道350，如圖3b中所描述。光隧道350可適用於部分地準直自光源發出之光，並減小光進入PBS 100之角度。光隧道350係展開式色彩結合器600之可選組件，且亦可係本文中所述之色彩結合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。
一偏振旋轉堆疊425可位於第三稜鏡面140與第三反射偏光器193之間。偏振旋轉堆疊425包含位於一波長選擇反射器(例如一選色二向色濾光片450)之兩側上之延遲器420。選色二向色濾光片450經選擇以透射一選定波長頻譜之光，並反射至少另一波長頻譜之光。在反射光透過偏振旋轉堆疊425時，膜堆疊中之延遲器420改變透射光之偏振方向，如別處所述。於一個實施例中，色彩結合器400中之每一延遲器420皆係一與第一偏振方向195呈45°定位之四分之一波長延遲器。
展開式色彩結合器600亦包括一面向第一稜鏡面160安置之偏振濾光片410，偏振濾光片410能夠在不改變至少另一個選定波長頻譜之光的偏振方向之狀況下改變至少一個選定波長頻譜的光之偏振方向。於一個態樣中，偏振濾光片410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Boulder之ColorLink公司購得)。展開式色彩結合器600可與別處所述之各種光源一起使用，且圖6顯示能夠朝展開式色彩結合器600發射光之第一光源660、第二光源670及第三光源680。
光源(660、670、680)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反射之平面630上。該部分反射光源及選擇性地該反射平面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，光管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。一積分器亦可經提供以提高經結合之光輸出的均勻度。根據一個態樣，每光源(660、670、680)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(OLED)，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。
現在參照圖6來闡述第一彩色光之路徑。第一光源660將非偏振第一色光662射出透過延遲器420，經由第五稜鏡面612進入第三稜鏡610，自稜鏡對角面616反射，經由第六稜鏡面614退出第三稜鏡610並交切第二反射偏光器192。第二反射偏光器192將該光***成經透射之第一色彩s-偏振光663及經反射之第一色彩p偏振光664。第一色彩p-偏振光664藉由下述方式再循環：經由第六稜鏡面614進入第三稜鏡610、自稜鏡對角面616反射、經由第五稜鏡面612退出第三稜鏡610、透過延遲器420、成為圓偏振第一色光665、自第一光源660反射、將圓偏振方向改變至圓偏振第一色光666、並再次透過延遲器420從而成為經再循環之第一色彩s-偏振光667。經再循環之第一色彩s-偏振光667經由第五稜鏡面612進入第三稜鏡610，自稜鏡對角面616反射，經由第六稜鏡面614退出第三稜鏡610並如同第一色彩s-偏振光667透過第二反射偏光器192。第一色彩s-偏振光667沿著與下文所述透射第一色彩s-偏振光663相同之路徑穿過該色彩結合器。
第一色彩s-偏振光663經由第二稜鏡面130進入PBS 100，自第一反射偏光器190反射，經由第三稜鏡面140退出PBS 100，並隨著其透過偏振旋轉堆疊425之延遲器420而變成第一色彩圓偏振光668。第一色彩圓偏振光668自選色二向色濾光片450反射，從而改變圓偏振方向，再次透過偏振旋轉堆疊425之延遲器420，並經由第三稜鏡面140以第一色彩p-偏振光669形式重新進入PBS 100。第一色彩p-偏振光669無變化地透過第一反射偏光器190，經由第一稜鏡面160退出PBS 100，並以第一色彩p-偏振光690形式無變化地透過偏振濾光片410。
現在參照圖6來闡述第二彩色光之路徑。第二光源670將非偏振第二色光672射出透過延遲器420並交切第三反射偏光器193。第三反射偏光器193將該光***成透射第二色彩s-偏振光673及反射第二色彩p-偏振光674。第二色彩p-偏振光674藉由透過延遲器420以與先前針對圖4之第一色彩p-偏振光464所述相同之方式再循環，並沿著與下文所述之透射第二色彩s-偏振光673相同之路徑穿過該色彩結合器。
第二色彩s-偏振光673經由延遲器420進入偏振旋轉堆疊425，從而變成第二二向色圓偏振光675，無變化地透過選色二向色濾光片450，並隨著其經由延遲器420退出偏振旋轉堆疊425而變成第二色彩p-偏振光676。第二色彩p-偏振光676經由第三稜鏡面140進入PBS 100，無變化地透過第一反射偏光器190，經由第一稜鏡面160退出PBS 100，並以第二色彩p-偏振光690形式無變化地透過偏振濾光片410。
現在參照圖6來闡述第三彩色光之路徑。第三光源680將非偏振第三色光682射出透過延遲器420，經由第七稜鏡面622進入第四稜鏡620，自稜鏡對角面626反射，經由第八稜鏡面624退出第四稜鏡620，並交切第四反射偏光器194。第四反射偏光器將該光***成透射第三色彩s-偏振光683及反射第三色彩p-偏振光684。第三色彩p-偏振光684藉由透過延遲器420以與先前針對第一色彩p-偏振光664所述相同之方式再循環，並沿著與下文所述之透射第三色彩s-偏振光683相同之路徑穿過該色彩結合器。
第三色彩s-偏振光683經由第四稜鏡面150進入PBS 100，自第一反射偏光器190反射，經由第一稜鏡面160退出PBS 100，並隨著其透過偏振濾光片410而改變偏振方向從而成為第三色彩p-偏振光684。
於一個實施例中，第一色光660係紅色光，第二色光670係藍色光，且第三色光680係綠色光。於此實施例中，選色二向色濾光片450係一紅色光反射和藍色光透射二向色濾光片，且偏振濾光片410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G/RB ColorSelect濾光片。
可依序激發一三色光結合系統中之光源。根據一個態樣，使該時序與一自該三色光結合系統接收一結合光之投影系統中之一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圖解闡釋一包括一三色光結合系統502之投影機500。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504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506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、518及520以使反射成像裝置510之運作與光源516、518及520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504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。圖5中所圖解闡釋之佈置係實例性的，且所揭示之光結合系統亦可與其他投影系統一起使用。根據一個替代態樣，可使用一透射成像裝置。
根據一個態樣，該色光結合系統產生一三色(白色)輸出。根據另一態樣，該色光結合系統產生一時序性三色輸出。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s-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丟失或增加之挫敗TIR之漸逝耦合、及/或降級之偏振鑑別及功能。於本揭示內容中，偏振光束分束器光管之作用以使光保持由全內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疇。
100．．．偏振光束分束器
110．．．稜鏡
120．．．稜鏡
130．．．第一稜鏡面
140．．．第二稜鏡面
150．．．第三稜鏡面
160．．．第四稜鏡面
170．．．端面
175．．．端面
180．．．端面
185．．．端面
190．．．第一反射偏光器
192．．．第二反射偏光器
193．．．第三反射偏光器
194．．．第四反射偏光器
195．．．第一偏振方向
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
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．．．光隧道
360．．．光再循環膜堆疊
370．．．光再循環膜堆疊
380．．．光再循環膜堆疊
390．．．選色堆疊式延遲偏光器
400．．．光學元件
410．．．偏振濾光片
420．．．延遲器
425．．．偏振旋轉堆疊
450．．．選色二向色濾光片
460．．．光源
462．．．非偏振第一色光
463．．．透射第一色彩s-偏振光
464．．．反射第一色彩p-偏振光
465．．．圓偏振第一色光
466．．．圓偏振第一色光
467．．．再循環第一色彩s-偏振光
468．．．第一色彩圓偏振光
469．．．第一色彩p-偏振光
470．．．光源
472．．．非偏振第二色光
473．．．透射第二色彩s-偏振光
474．．．反射第二色彩p-偏振光
475．．．第二色彩圓偏振光
476．．．第二色彩p-偏振光
480．．．光源
482．．．非偏振第三色光
483．．．透射第三色彩s-偏振光
484．．．反射第三色彩p-偏振光
500．．．投影機
502．．．三色光結合系統
504．．．輸出區
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
524．．．透鏡
526．．．反射器
528．．．透鏡
530．．．光束分束器
532．．．投影透鏡
600．．．展開式色彩結合器
610．．．第三稜鏡
612．．．第五稜鏡面
614．．．第六稜鏡面
616．．．對角稜鏡面
620．．．第四稜鏡
622．．．第七稜鏡面
624．．．第八稜鏡面
626．．．對角稜鏡面
630．．．平面
660．．．第一部分反射光源
662．．．第一光線
663．．．透射第一色彩s-偏振光
664．．．反射第一色彩p-偏振光
665．．．圓偏振第一色光
666．．．圓偏振第一色光
667．．．第一色彩s-偏振光
668．．．第一色彩圓偏振光
669．．．第一色彩p-偏振光
670．．．第二部分反射光源
672．．．第二光線
673．．．透射第二色彩s-偏振光
674．．．反射第二色彩p-偏振光
675．．．第二二向色圓偏振光
680．．．第三部分反射光源
682．．．第三光線
683．．．透射第三色彩s-偏振光
684．．．反射第三色彩p-偏振光
690．．．第一色彩p-偏振光
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係一色彩結合器及準直導光器之俯視示意圖。
圖4係一光結合器之一俯視示意圖。
圖5係一投影機之示意圖。
圖6係一光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一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。
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
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．．．光隧道
360．．．光再循環膜堆疊
370．．．光再循環膜堆疊
380．．．光再循環膜堆疊
390．．．選色堆疊式延遲偏光器

Claims (38)

  1. 一種光學元件，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、第三及第四稜鏡面；一第一反射偏光器，其位於該第一與第二稜鏡之間；一偏振濾光片，位於面向該第一稜鏡，其能夠改變至少一個選定波長頻譜之光的一偏振方向而不改變至少另一個選定波長頻譜之光之一偏振方向；一第二、第三及第四反射偏光器，其分別位於面向該第二、第三及第四稜鏡面；一第一、第二及第三延遲器，其位於面向與該等反射偏光器相對之該第二、第三及第四稜鏡面中之每一者；及一偏振旋轉堆疊，其位於該第三反射偏光器與該第三稜鏡面之間，該偏振旋轉堆疊包含：一第四及第五延遲器；一選色二向色濾光片，透射一第一波長頻譜之光並阻斷其他波長之光，其位於該第四與第五延遲器之間。
  2. 如請求項1之光學元件，其中該第一至第五延遲器中之每一者係一與一第一偏振方向呈45度對齊之四分之一波長延遲器。
  3. 如請求項2之光學元件，其中該第一至第四反射偏光器中之每一者與該第一偏振方向對齊。
  4. 如請求項3之光學元件，其中該第一至第四反射偏光器中之每一者係一笛卡兒反射偏光器。
  5. 如請求項4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。
  6. 如請求項1之光學元件，其中該偏振濾光片包含一選色堆疊式延遲偏振濾光片。
  7. 如請求項1之光學元件，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拋光的。
  8. 如請求項7之光學元件，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，以便可在該第一及第二稜鏡內發生全內反射。
  9. 如請求項8之光學元件，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。
  10. 如請求項8之光學元件，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。
  11. 一種色彩結合器，其包含：如請求項1之光學元件；一第一光源，其經構形以朝該第一延遲器發射光；一第二光源，其經構形以朝該第二延遲器發射光；及一輸出區，其經安置以透射一結合色光輸出。
  12. 如請求項11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。
  13. 如請求項12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。
  14. 如請求項11之色彩結合器，其中該結合色光輸出係予以偏振。
  15. 如請求項11之色彩結合器，其進一步包含一第三光源，其經構形以朝該第三延遲器發射光。
  16. 如請求項15之色彩結合器，其中該第三光源包含一第三色彩LED。
  17. 如請求項16之色彩結合器，其中該第三色彩LED包含一反射表面。
  18. 如請求項15之色彩結合器，其中該結合色光輸出係予以偏振。
  19. 如請求項11或15之色彩結合器，其進一步包含一光管，其位於該等光源中之每一者與該相應延遲器之間。
  20. 一種結合光之方法，其包含：提供如請求項11之光結合器；分別將該第一及第二色彩之非偏振光引導透過該第一及第二延遲器；及自該偏振濾光片接收一結合偏振光。
  21. 一種結合光之方法，其包含：提供如請求項15之光結合器；分別將該第一、第二及第三色彩之非偏振光引導透過該第一、第二及第三延遲器；及自該偏振濾光片接收一結合偏振光。
  22. 如請求項20或21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。
  23. 如請求項21之方法，其中該第一、第二、及第三色彩分別係藍色、紅色及綠色，且該結合光係白色光。
  24. 如請求項21之方法，其中該選色二向色濾光片包含一經選擇以反射紅色光並透射藍色光之紅色/藍色二向色濾光片。
  25. 如請求項21之方法，其中該偏振濾光片經選擇以在不改變偏振的狀況下透射紅色光及藍色光，而在改變偏振的狀況下透射綠色光。
  26. 如請求項21之方法，其中依序激發該第一、第二及第三色彩之非偏振光。
  27. 一種影像投影機，其包含：如請求項11或15之色彩結合器；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。
  28. 如請求項27之影像投影機，其中該結合色光輸出之一第二部分經由該輸出區再循環至該色彩結合器。
  29. 如請求項27之影像投影機，其中該成像器包含一LCOS成像器。
  30. 如請求項27之影像投影機，其中該成像器包含一微反射鏡陣列。
  31. 如請求項27之影像投影機，其中該成像器包含一透射LCD成像器。
  32. 一種光學元件，其包含：一偏振光束分束器，其包含三個輸入面及一輸出面，每一輸入面皆能夠接收光；一光再循環膜堆疊，其位於面向該等輸入面中之每一者；一偏振旋轉堆疊，其位於該等輸入面中之至少一者與該各自光再循環膜堆疊之間；及一選色堆疊式延遲偏振濾光片，其位於面向該輸出面，其中輸入至該第一、第二及第三輸入面之一非偏振第一、第二及第三色光穿過該選色堆疊式延遲偏振濾光片作為一具有一第一偏振方向之結合光。
  33. 如請求項32之光學元件，其中該偏振光束分束器包含一與該第一偏振方向對齊之第一反射偏光器。
  34. 如請求項33之光學元件，其中該第一反射偏光器位於一第一與一第二直角稜鏡之間，以使該等光再循環膜堆疊中之每一者位於毗鄰一稜鏡面。
  35. 如請求項34之光學元件，其中該等稜鏡中之每一者皆具有若干拋光面。
  36. 如請求項32之光學元件，其中每一光再循環膜堆疊皆包含：一延遲器，與該第一偏振方向呈45度對齊；及一第二反射偏光器，與該第一偏振方向對齊，其位於面向每一延遲器且毗鄰該各別輸入面。
  37. 如請求項32之光學元件，其中該偏振旋轉堆疊包含：一第一四分之一波長延遲器；一第二四分之一波長延遲器；及一選色二向色濾光片，其位於該第一與第二四分之一波長延遲器之間，其中該第一及第二四分之一波長延遲器兩者皆與該第一偏振方向呈45度對齊。
  38. 如請求項1之光學元件，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，其中該轉動稜鏡面係位於面向該第一、第二或第三延遲器中之一者。
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