專利名稱：偏振轉換合色器的制作方法
偏振轉換合色器
背景技術：
用于將圖像投影到屏幕上的投影系統可使用多色光源，例如發光二極管(LED)，其具有不同顏色以生成照明光。在LED和圖像顯示單元之間設置若干光學元件，用于將來自 LED的光混合并轉移到圖像顯示單元。圖像顯示單元可以使用多種方法來將圖像施加到光上。例如，正如透射型或反射型液晶顯示器一樣，圖像顯示單元可以利用偏振。用于將圖像投影在屏幕上的其它投影系統可以使用被構造用于從數字微反射鏡鏡陣列顯示器中的陣列)進行影像反射的白光，該數字微反射鏡陣列例如為用于Texas Instruments的數字光處理器(DLP )。在DI^P 顯示器中，數字微反射鏡陣列中的各個反射鏡表示投影的圖像的各個像素。當對應的反射鏡傾斜以使得入射光導向到投影的光路時，顯示像素被照明。安置在光路內部的旋轉色輪被定時為對來自數字微反射鏡陣列的光進行反射，從而使得反射的白光經過濾來投射與像素對應的顏色。然后，數字微反射鏡陣列切換到下一個需要的像素顏色，并且這個過程以非常迅速的速度繼續進行，從而使得整個投影的顯示內容看起來被持續照亮。數字微反射鏡投影系統需要較少的像素化陣列部件， 這可能形成較小尺寸的投影儀。圖像亮度是投影系統的重要參數。彩色光源的亮度以及將集光、組合光、均質化光及將光遞送到圖像顯示單元的效率均會影響亮度。由于現代投影儀系統的尺寸減小，因此在將彩色光源產生的熱保持在低水平(可以在小型投影儀系統中擴散)的同時需要保持足夠的輸出亮度水平。需要光組合系統以更高的效率組合多個彩色光，從而得到具有足夠亮度水平的輸出光，而光源的功耗不能過大。另外需要一種光組合系統，所述光組合系統以該光組合器中的波長敏感部件的劣化降至最低的方式來導向不同波長譜的光。

發明內容
一般來講，本說明書涉及高耐久性光學元件、使用該光學元件的合色器以及使用該合色器的圖像投影儀。在一個方面，光學元件包括第一顏色選擇型二向色濾光器，其具有第一輸入表面且設置為透射垂直于第一輸入表面的第一光束；光學元件還包括第二顏色選擇型二向色濾光器，其具有第二輸入表面且設置為透射垂直于第二輸入表面的第二光束。 光學元件還包括反射型偏振器、第一延遲片和第二延遲片，該反射型偏振器設置為以成大約45度角與第一光束和第二光束相交，該第一延遲片設置為面向第一顏色選擇型二向色濾光器，并且該第二延遲片設置為面向第二顏色選擇型二向色濾光器。反射型偏振器和延遲片設置用于將第一和第二光束的第二偏振態分別轉換成該第一和第二光束的第一偏振態。在另一個方面，光學元件包括第一顏色選擇型二向色濾光器，其具有第一輸入表面且設置為透射垂直于第一輸入表面的第一光束。光學元件還包括第二顏色選擇型二向色濾光器，其具有第二輸入表面且設置為透射垂直于第二輸入表面的第二光束。光學元件還包括第一反射型偏振器和第二反射型偏振器，第一反射型偏振器設置為以成大約45度角與第一光束相交，第二反射型偏振器設置為以成大約45度角與第二光束相交。光學元件另外還包括設置為面向第一顏色選擇型二向色濾光器的第一延遲片和設置為面向第二顏色選擇型二向色濾光器的第二延遲片。第一和第二反射型偏振器以及第一和第二延遲片設置用于將第一和第二光束的第二偏振態分別轉換成第一和第二光束的第一偏振態。在另一方面，光學元件包括第一顏色選擇型二向色濾光器，其具有第一輸入表面且設置為透射垂直于第一輸入表面的第一光束；第二顏色選擇型二向色濾光器，其具有第二輸入表面且設置為透射垂直第二輸入表面的第二光束；以及第三顏色選擇型二向色濾光器，其具有第三輸入表面且設置為透射垂直于第三輸入表面的第三光束。光學元件還包括第一反射型偏振器和第二反射型偏振器，該第一反射型偏振器設置為以成大約45度角與第一光束和第二光束相交，該第二反射型偏振器設置為以成大約45度角與第三光束相交。 光學元件還包括反射器，其設置為使得垂直于該反射器的線以成大約45度角與第二反射型偏振器相交。光學元件另外還包括第一、第二、第三和第四延遲片，其設置為分別面向第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器以及反射器中的每一個。第一和第二反射型偏振器以及延遲片設置用于將第一、第二和第三光束的第二偏振態分別轉換成第一、第二和第三光束的第一偏振態。在另一方面，光學元件包括第一顏色選擇型二向色濾光器，其具有第一輸入表面且設置為透射垂直于第一輸入表面的第一光束；第二顏色選擇型二向色濾光器，其具有第二輸入表面且設置為透射垂直第二輸入表面的第二光束；以及第三顏色選擇型二向色濾光器，其具有第三輸入表面且設置為透射垂直于第三輸入表面的第三光束。光學元件還包括第一反射型偏振器，其設置為以成大約45度角與第一光束和第二光束相交；第二反射型偏振器，其設置為以成大約45度角與第三光束相交；以及半波長延遲片，其設置在第一反射型偏振器和第二反射型偏振器之間。光學元件另外還包括第一、第二和第三四分之一波長延遲片，其設置為分別面向第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器中的每一個。第一和第二反射型偏振器以及延遲片設置用于將第一、第二和第三光束的第二偏振態分別轉換成第一、第二和第三光束的第一偏振態。在另一方面，光學元件包括第一顏色選擇型二向色濾光器，其具有第一輸入表面且設置為透射垂直于第一輸入表面的第一光束；第二顏色選擇型二向色濾光器，其具有第二輸入表面且設置為透射垂直第二輸入表面的第二光束；以及第三顏色選擇型二向色濾光器，其具有第三輸入表面且設置為透射垂直于第三輸入表面的第三光束。光學元件還包括第一反射型偏振器，其設置為以成大約45度角與第一光束和第二光束相交；以及第二反射型偏振器，其設置為以成大約45度角與第三光束相交。光學元件還包括半波長延遲片，其設置為面向第三顏色選擇型二向色濾光器且位于第二反射型偏振器的相反側；以及第一、 第二和第三四分之一波長延遲片，其設置為分別面向第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器中的每一個。在一個實施例中，半波長延遲片改為鄰近第二反射型偏振器，并且位于與第三顏色選擇型二向色濾光器相反的一側。第一反射型偏振器以及第一和第二延遲片設置用于將第一和第二光束的第二偏振態分別轉換成第一和第二光束的第一偏振態，并且第二反射型偏振器和第三延遲片設置用于將第一、第二和第三光束的第一偏振態分別轉換成第一、第二和第三光束的第二偏振態。


整個說明書中都參考了附圖，其中類似的附圖標記表示類似的元件，并且其中
圖1是偏振分束器的透視圖。
圖2是具有四分之一波長延遲片的偏振分束器的透視圖。
圖3為具有拋光表面的偏振分束器的俯視示意圖。
圖4a-4b為合色器的俯視示意圖。
圖為合色器的俯視示意圖。
圖6a-6b為合色器的俯視示意圖。
圖7a-7d為合色器的俯視示意圖。
圖8a_8d為合色器的俯視示意圖。
圖9a_9c為合色器的俯視示意圖。
圖10是投影儀的示意圖。
附圖未必按比例繪制。在附圖中使用的相同的標號表示相同的部件。然而，應當理
解，在給定附圖中使用標號指示部件并非意圖限制另一個附圖中用相同標號標記的部件。
具體實施例方式本文描述的光學元件可以被構造為合色器，該合色器接收不同波長譜的光并且產生包括不同波長譜的光的組合輸出光。在一個方面，所接收的輸入光為非偏振的，并且組合輸出光是在所需狀態偏振的。在一個實施例中，將具有非所需偏振態的所接收的光進行再循環并且旋轉至所需的偏振態，以提高光利用效率。組合光可以是具有不止一種波長譜的光的多色組合光。組合光可以是每個所接收光的按時間排序的輸出。在一個方面，不同波長譜的光中的每一個對應不同的色光(如，紅光、綠光和藍光)并且組合輸出光是白光或者按時間排序的紅光、綠光和藍光。為了本文說明的目的，“彩色光”和“波長譜光”都旨在意指具有可與特定顏色(如果肉眼可見)相關的波長譜范圍的光。更普通的術語“波長譜光” 是指可見的和其他波長譜的光，其包括，例如，紅外光。同樣為了本文說明的目的，術語“與所需偏振態對準”旨在涉及光學元件的透光軸與穿過光學元件的光的所需偏振態(即，諸如s偏振、ρ偏振、右圓偏振、左圓偏振等等之類的所需偏振態)對準。在本文參照附圖所述的一個實施例中，與第一偏振態對準的光學元件(例如偏振器)是指下述取向的偏振器，即通過P偏振態的光、并且反射或吸收第二偏振態(在這種情況下為S偏振態)的光。應當理解，如果需要，偏振器可相反對準成通過S偏振態的光、并且反射或吸收P偏振態的光。同樣為了本文說明的目的，術語“面向”是指設置一個元件使得元件表面的垂直線沿著同樣垂直于其他元件的光程。一個面向另一個元件的元件可包括鄰近彼此設置的元件。一個面向另一個元件的元件還包括元件，該元件被光學分離以便垂直于一個元件的光線同樣垂直于另一個元件。當將兩個或兩個以上的非偏振色光導向至光學件時，各個光根據通過一個或多個反射型偏振器產生的偏振而被分離。根據下述的一個實施例，色光組合系統從不同顏色的非偏振光源接收非偏振光，并且產生沿一個所需狀態偏振的組合輸出光。在一個方面，兩個、三個、四個或更多個接收色光根據通過光學元件中反射型偏振器產生的偏振(如s偏振和P偏振、或右或左圓偏振)分別進行分離。將一個偏振態的接收光進行再循環，以變為所需的偏振態。根據一個方面，光學元件包括反射型偏振器，該反射型偏振器定位成使得來自三色光中的每一個的光以成大約45度角與該反射型偏振器相交。該反射型偏振器可為任何已知的反射型偏振器，例如麥克尼爾偏振器、線柵偏振器、多層光學膜偏振器或諸如膽甾型液晶偏振器之類的圓偏振器。根據一個實施例，多層光學膜偏振器可優選為反射型偏振器。多層光學膜偏振器可包括用于與不同波長范圍的光相互作用的不同層“組”。例如，一體多層光學膜偏振器在整個膜厚度上可包括若干層“組”，每個組與不同波長范圍 (如顏色)的光相互作用以反射一個偏振態并且透射其他偏振態。在一個方面，多層光學膜可具有第一層組、第二層組和第三層組，第一層組鄰近膜的第一表面并且與(例如)藍色光相互作用(即，“藍層”)，第二層組與(例如)綠色光相互作用(即，“綠層”)，且第三層組鄰近膜的第二表面并且與(例如)紅色光相互作用(即，“紅層”)。通常，“藍層”中的層之間的間距遠小于“紅層”中的層之間的間距，以便與較短(和較高能量)的藍色波長的光相互作用。聚合物多層光學膜偏振器可為尤其優選的反射型偏振器，其可包括上文所述的膜層組。通常，較高能量波長的光(例如藍光)會不利地影響膜的老化穩定性，并且至少由于此原因，優選最小化藍光與反射型偏振器相互作用的次數。另外，藍光與膜相互作用的特性影響不利老化的嚴重程度。藍光穿過膜的透射與從“藍層”(即薄層)側進入的藍光的反射相比，通常對膜具有較小的損害。另外，從“藍層”側進入膜的藍光的反射與從“紅層”(即， 厚層)側進入的藍光的反射相比，對膜具有較小的損害。本發明描述了下述技術，其包括設置和定向反射型偏振器來減少藍光與反射型偏振器的相互作用次數以及降低相互作用的嚴重性。反射型偏振器可設置在兩個棱鏡的對角面之間，或者其可為諸如保護膜之類的自立式膜。在一些實施例中，當將反射型偏振器設置在兩個棱鏡(如偏振光分束器(PBS))之間時，光學元件的光利用效率得到改善。在該實施例中，穿過PBS傳播的光中原本會在光程中損失的一些光可以經歷棱面的全內反射(TIR)并且再加入光程。至少由于此原因，下面的描述涉及其中反射型偏振器設置在兩個棱鏡的對角面之間的光學元件；然而，應當理解， 當PBS用作護膜時，它可以相同的方式作用。在一個方面，PBS棱鏡的所有外表面被高度拋光，使得進入PBS的光經歷TIR。以此方式，光包含在PBS內并且光部分均質化。根據一個方面，將諸如顏色選擇型二向色濾光器之類的波長選擇型濾光器設置在來自不同彩色光源中的每一個的輸入光的路徑中。顏色選擇型二向色濾光器中的每一個設置為使輸入光束以接近垂直入射的角度與濾光器相交，以使S及P偏振光的分離降至最低， 并且還使色移降至最低。顏色選擇型二向色濾光器中的每一個都選擇為透射具有鄰近輸入光源的波長譜的光，并反射具有其他輸入光源中的至少一個的波長譜的光。在一些實施例中，顏色選擇型二向色濾光器中的每一個都選擇為透射具有鄰近輸入光源的波長譜的光， 并反射具有所有其他輸入光源中的波長譜的光。在一個方面，顏色選擇型二向色濾光器中的每一個都相對反射型偏振器設置，以使得接近垂直每個顏色選擇型二向色濾光器的表面的輸入光束以成大約45度的相交角與反射型偏振器相交。顏色選擇型二向色濾光器的表面的法線是指垂直穿過顏色選擇型二向色濾光器的表面的線；接近垂直是指距法線變化小于約20度、或者優選距法線小于約10度。在一個實施例中，與反射型偏振器的相交角的范圍為約25度至65度；35度至55度；40度至50度；43度至47度；或44. 5度至45. 5度。在一個方面，非所需偏振態的輸入光通過下述方式轉換成所需偏振態，即將其導向至延遲片和顏色選擇型二向色濾光器，在此處該輸入光借助穿過延遲片兩次而反射并改變偏振態。在一個實施例中，延遲片設置在從每束輸入光到棱面的光路內，以使來自一個光源的光在進入PBS棱面之前穿過顏色選擇型二向色濾光器和延遲片。具有非所需偏振態的光通過在從至少第二顏色選擇型二向色濾光器反射之前和之后穿過至少第二延遲片兩次進行轉換，從而變為所需的偏振態。在一個實施例中，延遲片設置在顏色選擇型二向色濾光器和反射型偏振器之間。 顏色選擇型二向色濾光器、延遲片和光源取向的特定組合共同配合，以得到更小、更緊湊的光學元件，該光學元件在構造成合色器時可有效地產生單一偏振態的組合光。根據一個方面，延遲片為以相對反射型偏振器的偏振態成大約45度對準的四分之一波長延遲片。在一個實施例中，對準可為相對反射型偏振器的偏振態成35至55度；40度至50度；43度至47 度；或44. 5到45. 5度。在一個方面，第一色光包括非偏振藍光，第二色光包括非偏振綠光且第三色光包括非偏振紅光，并且色光組合器組合紅光、藍光和綠光以產生偏振白光。在一個方面，第一色光包括非偏振藍光，第二色光包括非偏振綠光且第三色光包括非偏振紅光，并且色光組合器組合紅光、綠光和藍光以產生按照時序的偏振紅光、綠光和藍光。在一個方面，第一、第二和第三色光中的每一束都以單獨的光源設置。在另一個方面，將三色光中的一個以上組合為光源中的一個。在另一方面，將多于三束色光在光學元件中組合以產生組合光。根據一個方面，反射型偏振膜包括多層光學膜。在一個實施例中，PBS產生第一組合輸出光，該第一組合輸出光包括P偏振的第二色光以及S偏振的第一和第三色光。在另一個實施例中，PBS產生ρ偏振的第一和第三色光以及s偏振的第二色光。第一組合輸出光可穿過顏色選擇型堆疊延遲濾光器，該顏色選擇型堆疊延遲濾光器在第二色光穿過該濾光器時選擇性地改變第二色光的偏振態。這種顏色選擇多層延遲濾光器購自例如科羅拉多州博爾德市的ColorLink公司。所述濾光器產生第二組合輸出光，該第二組合輸出光包括組合成具有相同偏振態(例如如，s偏振)的第一、第二和第三色光。第二組合輸出光可用于調節偏振光來產生圖像的透射型或反射型顯示機制中的照明。當光束進入PBS時包括可為準直、會聚或發散的光線。在穿過PBS的表面或端面中的一個時，進入PBS的會聚光或發散光會產生損失。為了避免此類損失，基于棱鏡的PBS 的所有外表面都可被拋光，以能在PBS內產生全內反射(TIR)。IlR的產生提高了進入PBS 的光的利用率，以便所有在角度范圍內進入PBS的光基本上被重導向，從而通過所需的表面射出PBS。每束色光的偏振分量都可傳送至偏振旋轉反射器。根據設置在偏振旋轉反射器中的延遲片的類型和取向，偏振旋轉反射器使光的傳播方向轉向，并且改變偏振分量的振幅。 偏振旋轉反射器可包括諸如顏色選擇型濾光器之類的波長選擇型反射鏡以及延遲片。延遲片可以提供任何所需的延遲，例如，八分之一波長延遲片、四分之一波長延遲片等。在本文所述的實施例中，使用四分之一波長延遲片和相關的二向色反射器是有利的。當穿過被對準成與光偏振軸成45°角的四分之一波長延遲片時，線偏振光變為圓偏振光。合色器中的反射型偏振器和四分之一波長延遲片/反射器的后續反射導致從合色器輸出有效的組合光。相反，隨著其穿過其他延遲片并取向，線偏振光部分變為在s偏振和ρ偏振(橢圓或線狀)之間的偏振態，并可造成光組合器的低效率。偏振旋轉反射器通常包括顏色選擇型二向色濾光器和延遲片。延遲片和顏色選擇型二向色濾光器相對鄰近光源的位置取決于偏振分量中的每一個的所需路徑，并且在別處參照附圖進行描述。在一個方面，反射型偏振器可為圓偏振器，例如膽留型液晶偏振器。根據此方面，偏振旋轉反射器可包括不具有任何相關的延遲片的顏色選擇型二向色濾光器。光學元件的部件，包括棱鏡、反射型偏振器、四分之一波長延遲片、反射鏡、濾光器或其他部件，都可通過合適的光學粘合劑粘合在一起。用于將部件粘合在一起的光學粘合劑具有的折射率小于或等于用于光學元件中的棱鏡的折射率。完全粘合在一起的光學元件提供的優點包括組裝、處理和使用期間的定向穩定性。在一些實施例中，可利用光學粘合劑將兩個相鄰棱鏡粘合在一起。在一些實施例中，一體光學部件可整合兩個相鄰棱鏡中的光學件；如(例如)整合兩個相鄰三角形棱鏡中的光學件的單個三角形棱鏡，如在別處所述。通過參照附圖和下面的

，上述的實施例可以更容易地理解。圖1為PBS的透視圖。PBS 100包括設置在棱鏡110和120的對角面之間的反射型偏振器190。棱鏡110包括兩個端面175、185，以及在兩個端面之間的具有90°角的第一和第二棱面130、140。棱鏡120包括兩個端面170、180，以及在其間具有90°角的第三和第四棱面150、160。第一棱面130與第三棱面150平行，第二棱面140與第四棱面160平行。 采用“第一”、“第二”、“第三”和“第四”標識圖1所示的四個棱面，僅用于使下面的討論中對PBS 100的描述更清楚。第一反射型偏振器190可以是笛卡爾反射型偏振器或非笛卡爾反射型偏振器。非笛卡爾反射型偏振器，例如麥克尼爾偏振器，可包括多層無機膜，例如由無機電介質順序沉積而產生的那些。笛卡爾反射型偏振器具有偏振軸狀態，并且包括線柵偏振器和聚合物多層光學薄膜，該聚合物多層光學薄膜例如可通過對多層聚合層合物進行擠出并且隨后進行拉伸而制備。在一個實施例中，反射型偏振器190定向為使得一個偏振軸與第一偏振態195平行，并且與第二偏振態196垂直。在一個實施例中，第一偏振態195 可為s偏振態，并且第二偏振態196可為ρ偏振態。在另一個實施例中，第一偏振態195可為P偏振態，并且第二偏振態196可為s偏振態。如圖1所示，第一偏振態195垂直于端面 170、175、180、185 中的每一個。笛卡爾反射型偏振膜使偏振分束器能夠以高效率使不完全準直的以及從中心光束軸發散或偏斜的輸入光線通過。笛卡爾反射型偏振膜可以包括具有多層的電介質或聚合物材料的聚合物多層光學膜。電介質膜的使用可以具有低光衰減和高透光效率的優勢。多層光學膜可以包括聚合物多層光學膜，例如在美國專利5，962，114(J0nza等人)或美國專利6，721，096 (Bruzzone等人)中所述的那些。圖2為在一些實施例中使用的四分之一波長延遲片與PBS對準的透視圖。四分之一波長延遲片可用于改變入射光的偏振態。PBS延遲片系統200包括具有第一棱鏡110和第二棱鏡120的PBS 100。四分之一波長延遲片220設置為與第一棱面130相鄰。反射型偏振器190為(例如)與第一偏振態195對準的笛卡爾反射型偏振膜。四分之一波長延遲片220包括可與第一偏振態195成45°對準的四分之一波長偏振態四5。盡管圖2示出的偏振態295在順時針方向上與第一偏振態195成45°對準，但偏振態295可相反在逆時針方向上與第一偏振態195成45°對準。在一些實施例中，四分之一波長偏振態295可相對第一偏振態195成任何角度取向對準，例如從逆時針方向的90°到順時針方向的90°。將延遲片以大約+/-45°取向是有利的，因為當線偏振光穿過相對于偏振態這樣對準的四分之一波長延遲片時產生圓偏振光。在從反射鏡反射時，四分之一波長延遲片的其他取向會導致s偏振光未完全轉換為P偏振光以及P偏振光未完全轉換為s偏振光，從而造成在本說明書別處所述的光學元件的效率降低。圖3示出了拋光的PBS 300內的光線路徑的俯視圖。根據一個實施例，棱鏡110和 120的第一、第二、第三和第四棱面130、140、150、160為拋光外表面。根據另一個實施例， PBS 100的所有外表面(包括未示出的端面)均為拋光表面，其在拋光的PBS 300內產生傾斜光線的TIR。拋光的外表面與具有比棱鏡110和120的折射率、2”小的折射率“nl”的材料接觸。IlR提高了拋光的PBS 300中的光利用率，尤其是當導向到拋光PBS300的光沒有沿中心軸準直時，即入射光為會聚光或者發散光時。至少一些光由于全內反射捕獲在拋光的PBS 300中，直至其通過第三棱面150離開。在一些情況下，基本上所有的光都由于全內反射捕獲在拋光的PBS 300內，直至其通過第三棱面150離開。如圖3所示，光線Ltl在角度Q1的范圍內進入第一棱面130。拋光的PBS 300內的光線L1在角度θ 2的范圍內傳播，使得在棱面140、160和端面(未示出)處滿足TIR條件。光線“AB”、“AC”和“AD”表示通過拋光的PBS 300的多個光程中的三個，其在穿過第三棱面150射出之前以不同入射角與反射型偏振器190相交。另外光線“AB”和“AD”在射出之前均分別在棱面160和140經歷TIR。應當理解，角度9工和θ 2的范圍可以為角錐，以便還可在拋光的PBS 300的端面發生反射。在一個實施例中，反射型偏振器190被選擇為在寬泛的入射角范圍有效地將不同偏振的光分離。聚合物多層光學膜特別適于在入射角的寬泛范圍內分光。可以使用包括麥克尼爾偏振器和線柵偏振器在內的其他反射型偏振器， 但是其在分離偏振光方面效率較低。麥克尼爾偏振器在顯著不同于設計角的入射角下不會有效地透射光，該設計角通常關于偏振選擇表面成45度，或垂直于PBS的入射面。利用麥克尼爾偏振器進行偏振光的有效分離可受距法線方向低于約6或7度的入射角的限制，因為在一些更大角度下可發生P偏振態的顯著反射，并且在一些更大角度下也可發生s偏振態的顯著透射。這兩種影響均可降低麥克尼爾偏振器的分離有效性。利用線柵偏振器的偏振光的有效分離通常需要鄰近線一側的空氣間隙，并且當線柵偏振器沉浸在較高折射率介質中時效率下降。用于分離偏振光的線柵偏振器示于例如PCT公開WO 2008/1002541中。在一個方面，圖如-仙為光學元件的俯視示意圖，該光學元件被構造成合色器 400，該合色器400包括PBS 100和鄰近PBS 100的第四棱面160的反射棱鏡460。合色器 400可與在別處描述的多種光源一起使用。從第一和第二光源440、450發射的各偏振態的光線的路徑示于圖中，以更清晰地示出合色器400的各個部件的功能。PBS 100包括對準第一偏振態195、設置在第一和第二棱鏡110、120的對角面之間的反射型偏振器190， 如在別處所述。反射棱鏡460重導向離開PBS 100的光的一部分，如在別處所述。反射棱鏡460包括其間具有90度角的第五棱面462、第六棱面464，以及對角棱面466。反射鏡468 設置為鄰近對角棱面466。反射鏡468也可為類似于如在別處所述的薄膜反射型偏振器的薄膜，并且反射棱鏡460為不需要的。在一個實施例中，反射棱鏡460和第二棱鏡120可為一體光學部件(未示出)，例如具有由反射鏡468、反射型偏振器190以及第三和第六棱面
13150,464限定的三個側面的棱鏡。第一和第二波長選擇型濾光器410、420設置為分別面向第二和第一棱面140、 130。第一和第二波長選擇型濾光器410、420中的每一個可為顏色選擇型二向色濾光器，其被選擇用于分別透射第一和第二波長譜的光，并反射其他波長譜的光。在一個方面，反射型偏振器190可包括聚合物多層光學膜。在一個實施例中，反射型偏振器190包括設置為靠近第一和第二顏色選擇型二向色濾光器410、420的藍層，如在別處所述。延遲片220設置為面向第一和第二顏色選擇型二向色濾光器410、420中的每一個。延遲片220、顏色選擇型二向色濾光器(410、420)和反射型偏振器190配合以通過第三和第六棱面150、464透射一種偏振態的光，并且再循環其他偏振態的光，如在別處所述。 在下文所述的一個實施例中，合色器400中的各個延遲片220均為相對第一偏振態195成 45°取向的四分之一波長延遲片。根據另一方面，可為第一和第二光源440、450中的每一個提供任選的光隧道430 或透鏡組件(未示出)，以便提供將光源與偏振分束器分開的間距，以及提供某一準直的光。光隧道可具有直的或彎曲的側面，或者其可被透鏡系統代替。根據每種應用的具體詳情，可以優選不同的方法，并且本領域的技術人員將會很容易為具體的應用選擇最佳的方法。可在合色器400的輸出端提供任選積分器(未示出)，以提高組合輸出光的均勻度。根據一個方面，每個光源(440、450)包括一個或多個發光二極管(LED)。可以結合合適的集光器或反射器來使用各種光源，例如激光器、激光二極管、有機LED(OLED)和諸如超高壓(UHP)鹵素燈或氙燈的非固態光源。可用于本發明的光源、光隧道、透鏡和光積分器進一步地描述于例如共同未決的美國專利申請序列號60/938，834中，該專利的公開內容以其全文并入到本文中。現在將參照圖4b來描述第一色光441的路徑，其中非偏振的第一色光441以ρ偏振的第一色光445離開第三棱面150并且以ρ偏振的第一色光442離開第六棱面464。第一光源440使非偏振的第一色光441注入穿過第一顏色選擇型二向色濾光器 410、四分之一波長延遲片220、通過第二棱面140進入PBS 100、與反射型偏振器190相交、 并且分離成P偏振的第一色光442和s偏振的第一色光443。ρ偏振的第一色光442穿過反射型偏振器190、通過第四棱面160離開PBS 100、通過第五棱面462進入反射棱鏡460、 從反射鏡468反射、以ρ偏振的第一色光442通過第六棱面464離開反射棱鏡460。S偏振的第一色光443從反射型偏振器190反射、通過第一棱面130離開PBS 100、 并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光444。圓偏振光444從第二顏色選擇型二向色濾光器420反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220 變為P偏振的第一色光445。ρ偏振的第一色光445通過第一棱面130進入PBS 100、無改變地穿過反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第一色光445通過第三棱面150離開PBS 100。現在將參照圖如來描述第二色光451的路徑，其中非偏振的第二色光451以ρ偏振的第二色光452離開第三棱面150并且以ρ偏振的第二色光455離開第六棱面464。來自第二光源450的非偏振的第二色光451穿過第二顏色選擇型二向色濾光器 420、四分之一波長延遲片220、通過第一棱面130進入PBS 100、與反射型偏振器190相交、 并且分離成P偏振的第二色光452和s偏振的第二色光453。ρ偏振的第二色光452穿過反射型偏振器190，并且以ρ偏振的第二色光452通過第三棱面150離開PBS 100。s偏振的第二色光453從反射型偏振器190反射、通過第二棱面140離開PBS 100、 并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光454。圓偏振光妨4從第一顏色選擇型二向色濾光器410反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220 變為P偏振的第二色光455。ρ偏振的第二色光455通過第二棱面140進入PBS 100、無改變地穿過反射型偏振器190、通過第四棱面160離開PBS 100、通過第五棱面462進入反射棱鏡460、從反射鏡468反射、并且以ρ偏振的第二色光455通過第六棱面464離開反射棱鏡 460。在一個實施例中，第一色光441為綠光，并且第二色光451為洋紅光。根據此實施例，第一顏色選擇型二向色濾光器410為反射紅和藍(S卩，洋紅)光且透射綠光的二向色濾光器；第二顏色選擇型二向色濾光器420為反射綠光且透射洋紅光的二向色濾光器。根據此實施例，第一偏振態的第二色光451的藍色分量被透射兩次，并且第二偏振態的第二色光451的藍色分量被反射型偏振器190反射一次。單次反射優選地為來自藍層的前表面反射，其因反射型偏振器190的取向而產生，如在別處所述。在一個方面，圖為光學元件的俯視示意圖，該光學元件被構造成包括第一 PBS 100和第二 PBS 100’的合色器500。合色器500可與在別處描述的多種光源一起使用。從第一和第二光源540、550發射的各種偏振的光線的路徑示于圖中，以更清晰地示出合色器500的各個部件的功能。第一 PBS 100和第二 PBS 100’包括對準第一偏振態195、設置在第一和第二棱鏡110、120以及110’、120’的對角面之間的第一和第二反射型偏振器190、190’，如在別處所述。在一個實施例中，第二 PBS 100’的第一棱鏡110’和第
一PBS 100的第一棱鏡110可為一體光學部件(未示出)，例如具有由第二反射型偏振器 190’、第一反射型偏振器190以及第一棱面130’和第二棱面140限定的三個側面的棱鏡。第一和第二波長選擇型濾光器510、520設置為分別面向第一 PBS100的第二棱面 140和第二 PBS 100，的第一棱面130，。第一和第二波長選擇型濾光器510、520中的每一個可為顏色選擇型二向色濾光器，其被選擇用于分別透射第一和第二波長譜的光，并反射其他波長譜的光。在一個方面，第一和第二反射型偏振器190、190’可包括聚合物多層光學膜。在一個實施例中，第一反射型偏振器190包括設置為靠近第一顏色選擇型二向色濾光器510的藍層，并且第二反射型偏振器190’包括設置為靠近第二顏色選擇型二向色濾光器 520的藍層，如在別處所述。延遲片220設置為面向第一和第二波長選擇型濾光器510、520中的每一個。延遲片220、波長選擇型濾光器(510、520)以及第一和第二反射型偏振器190、190’配合以通過第一 PBS 100的第四棱面160和第二 PBS 100’的第三棱面150’透射一種偏振態的光并且并且再循環其他偏振態的光，如在別處所述。在下文所述的一個實施例中，合色器500中的各個延遲片220均為相對第一偏振態195成45°取向的四分之一波長延遲片。根據另一方面，可為第一和第二光源M0、550中的每一個提供任選光隧道430或透鏡組件(未示出)，如在別處參照圖4a-4b所述，其公開內容同樣適用于圖fe-5b。現在將參照圖恥來描述第一色光541的路徑，其中非偏振的第一色光Ml以ρ偏振的第一色光542離開第一 PBS 100的第四棱面160并且以ρ偏振的第一色光545離開第
二PBS 100，的第三棱面150，。
15
來自第一光源MO的非偏振的第一色光541穿過第一顏色選擇型二向色濾光器 510、四分之一波長延遲片220、通過第二棱面140進入第一 PBS 100、與反射型偏振器190 相交、并且分離成P偏振的第一色光542和s偏振的第一色光M3。ρ偏振的第一色光542 穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第一色光542通過第四棱面160離開第一 PBS 100。S偏振的第一色光543從第一反射型偏振器190反射、通過第一棱面130離開第
一PBS 100、通過第二棱面140，進入第二 PBS 100，、從第二反射型偏振器190，反射、并且通過第一棱面130’離開第二 PBS100’。s偏振的第一色光543隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光M4、從第二顏色選擇型二向色濾光器520反射以改變圓偏振狀態、 并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第一色光M5。ρ偏振的第一色光 545通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’并且以ρ偏振的第一色光545通過第三棱面150，離開第二 PBS 100，。現在將參照圖如來描述第二色光551的路徑，其中非偏振的第二色光551以ρ偏振的第二色光555離開第一 PBS 100的第四棱面160并且以ρ偏振的第二色光552離開第
二PBS 100，的第三棱面150，。來自第二光源550的非偏振的第二色光551穿過第二顏色選擇型二向色濾光器 520、四分之一波長延遲片220、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、與第二反射型偏振器190’相交、并且分離成ρ偏振的第二色光552和s偏振的第二色光553。ρ偏振的第二色光552穿過第二反射型偏振器190’、并且以ρ偏振的第二色光552通過第三棱面150’離開第二 PBS 100，。S偏振的第二色光553從第二反射型偏振器190’反射、通過第二棱面140’離開第二 PBS 100，、通過第一棱面130進入第一 PBS 100、從第一反射型偏振器190反射并且通過第二棱面140離開第一 PBS100。s偏振的第二色光553隨著其穿過四分之一波長延遲片 220變為圓偏振光554、從第一顏色選擇型二向色濾光器510反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第二色光555。ρ偏振的第二色光555 通過第二棱面140進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第二色光555通過第四棱面160離開第一 PBS 100。在一個實施例中，第一色光541為綠光，并且第二色光551為洋紅光。根據此實施例，第一顏色選擇型二向色濾光器510為反射紅和藍(S卩，洋紅)光且透射綠光的二向色濾光器；第二顏色選擇型二向色濾光器520為反射綠光且透射洋紅光的二向色濾光器。根據此實施例，第一偏振態的第二色光的藍色分量被透射一次并且第二偏振態的第二色光 551的藍色分量被反射型偏振器190、190’中的每一個反射一次。單次反射優選地為來自藍層的前表面反射，其因反射型偏振器190、190’的取向而產生，如在別處所述。在一個方面，圖6a_6c為光學元件的俯視示意圖，該光學元件被構造成包括第一 PBS 100和第二 PBS 100’的合色器600。合色器600可與在別處描述的多種光源一起使用。 從第一、第二和第三光源650、660、670發射的各種偏振的光線的路徑示于圖6a_6c中，以更清晰地示出合色器600的各個部件的功能。第一 PBS 100和第二 PBS 100’包括對準第一偏振態195、設置在第一和第二棱鏡110、120以及110’、120’的對角面之間的第一和第二反射型偏振器190、190’，如在別處所述。在一個實施例中，第二 PBS100’的第二棱鏡120’和第一 PBS 100的第二棱鏡120可為一體光學部件(未示出)，例如具有由第二反射型偏振器 190’、第一反射型偏振器190以及第四棱面160’和第三棱面150限定的三個側面的棱鏡。第一、第二和第三波長選擇型濾光器610、620、630設置為分別面向第一 PBS 100 的第一棱面130、第二 PBS 100，的第二棱面140，和第二 PBS 100，的第一棱面130，。第一、 第二和第三波長選擇型濾光器610、620、630中的每一個可為顏色選擇型二向色濾光器，其被選擇用于分別透射第一、第二和第三波長譜的光，并反射其他波長譜的光。在一個方面， 第一和第二反射型偏振器190、190’可包括聚合物多層光學膜。在一個實施例中，第一反射型偏振器190包括設置為靠近第一顏色選擇型二向色濾光器610的藍層，并且第二反射型偏振器190’包括設置為靠近第二顏色選擇型二向色濾光器620以及第三顏色選擇型二向色濾光器630的藍層，如在別處所述。包括寬帶反射鏡640的偏振旋轉反射器設置為面向第一PBS 100的第二棱面140。 偏振旋轉反射器還包括設置在第二棱面140和寬帶反射鏡640之間的延遲片220。寬帶反射鏡640和延遲片220用于轉換通過第二棱面140離開第一 PBS 100的光的偏振態，并且將轉換了偏振態的光重導向返回到第一 PBS 100內，如在別處所述。延遲片220設置為面向第一、第二和第三顏色選擇型濾光器610、620、630中的每一個。延遲片220、顏色選擇型濾光器(610、620、630)和第一和第二反射型偏振器190、190’ 配合以通過第一 PBS 100的第三棱面150和第二 PBS 100，的第四棱面160，透射一種偏振態的光并且并且再循環其他偏振態的光，如在別處所述。在下文所述的一個實施例中，合色器600中的各個延遲片220均為相對第一偏振態195成45°取向的四分之一波長延遲片。根據另一方面，可為第一、第二和第三光源650、660、670中的每一個提供任選光隧道430或透鏡組件(未示出)，如在別處參照圖如-仙所述，其公開內容同樣適用于圖 6a-6c0現在將參照圖6c來描述第一色光651的路徑，其中非偏振的第一色光651以ρ偏振的第一色光652離開第一 PBS 100的第三棱面150并且以ρ偏振的第一色光659離開第二 PBS 100，的第四棱面160，。來自第一光源650的非偏振的第一色光651穿過第一顏色選擇型二向色濾光器 610、四分之一波長延遲片220、通過第一棱面130進入第一 PBS 100、與第一反射型偏振器 190相交、并且分離成ρ偏振的第一色光652和s偏振的第一色光653。ρ偏振的第一色光 652穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第一色光652通過第三棱面150離開第一 PBS 100。S偏振的第一色光653從第一反射型偏振器190反射、通過第二棱面140離開第一 PBS 100、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光654、從寬帶反射鏡640反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第一色光655。ρ 偏振的第一色光655通過第二棱面140進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、通過第四棱面160離開第一 PBS 100、通過第三棱面150，進入第二 PBS 100，、穿過第二反射型偏振器190’、并且通過第一棱面130’離開第二 PBS 100’。ρ偏振的第一色光655隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光656、從第三顏色選擇型二向色濾光器630反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為s偏振的第一色光657、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、從第二反射型偏振器190’反射、并且通過第二棱面140’離開第二 PBS 100’。s偏振的第一色光657隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光658、從第二顏色選擇型二向色濾光器620反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第一色光659、通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且以ρ偏振的第一色光659通過第四棱面160’離開第二 PBS 100，。現在將參照圖6b來描述第二色光661的路徑，其中非偏振的第二色光661以ρ偏振的第二色光669離開第一 PBS 100的第三棱面150并且以ρ偏振的第二色光662離開第二 PBS 100，的第四棱面160，。來自第二光源660的非偏振的第二色光661穿過第二顏色選擇型二向色濾光器 620、四分之一波長延遲片220、通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、與第二反射型偏振器190’相交、并且分離成ρ偏振的第二色光662和s偏振的第二色光663。ρ偏振的第二色光662穿過第二反射型偏振器190’，并且以ρ偏振的第二色光662通過第四棱面160’離開第二 PBS 100，。S偏振的第二色光663從第二反射型偏振器190’反射、通過第一棱面130’離開第二 PBS 100’、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光664、從第三顏色選擇型二向色濾光器630反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第二色光665、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且通過第三棱面150’離開第二 PBS 100’。ρ偏振的第二色光665通過第四棱面160進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、通過第二棱面140離開第一 PBS 100、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光666。圓偏振光666從寬帶反射鏡640反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為s偏振的第二色光667、通過第二棱面140進入第一 PBS 100、從第一反射型偏振器190反射、并且通過第一棱面130離開第一 PBS 100。s偏振的第二色光667隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光 668、從第一顏色選擇型二向色濾光器610反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第二色光669并且通過第一棱面130進入第一 PBS 100。ρ偏振的第二色光669穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第二色光669通過第三棱面 150 離開第一 PBS 100。現在將參照6a來描述第三色光671的路徑，其中非偏振的第三色光671以ρ偏振的第三色光679離開第一 PBS 100的第三棱面150并且以ρ偏振的第三色光675離開第二 PBS 100，的第四棱面160，。來自第三光源670的非偏振的第三色光671穿過第三顏色選擇型二向色濾光器 630、四分之一波長延遲片220、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、與第二反射型偏振器190’相交、并且分離成ρ偏振的第三色光672和s偏振的第三色光673。ρ偏振的第三色光672穿過第二反射型偏振器190’、通過第三棱面150’離開第二 PBS 100’、通過第四棱面160進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、并且通過第二棱面140離開第一 PBS 100。ρ偏振的第三色光672隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光676、從寬帶反射鏡640反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為s偏振的第三色光677、并且通過第二棱面140進入第一 PBS 100。s偏振的第三色光677從第一反射型偏振器190反射、通過第一棱面130離開第一 PBS100、隨著其穿過四分之一波長延遲
18片220變為圓偏振光678、從第一顏色選擇型二向色濾光器610反射以改變圓偏振狀態、并且穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第三色光679。ρ偏振的第三色光679通過第一棱面130進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第三色光679 通過第三棱面150離開第一 PBS 100。S偏振的第三色光673從第二反射型偏振器190’反射、通過第二棱面140’離開第二 PBS 100’、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光674、從第二顏色選擇型二向色濾光器620反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為 P偏振的第三色光675。ρ偏振的第三色光675通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且以ρ偏振的第三色光675通過第四棱面160’離開第二 PBS 100，。在一個實施例中，第一色光651為綠光，第二色光661為藍光，并且第三色光671 為紅光。根據此實施例，第一顏色選擇型二向色濾光器610為反射紅和藍光且透射綠光的二向色濾光器；第二顏色選擇型二向色濾光器620為反射綠和紅光且透射藍光的二向色濾光器；第三顏色選擇型二向色濾光器630為反射藍和綠光且透射紅光的二向色濾光器。根據此實施例，第一偏振態的藍色第二色光661通過反射型偏振器190、190’中的每一個透射兩次，并且第二偏振態的藍色第二色光661被反射型偏振器190、190’中的每一個反射一次。單次反射優選地為來自藍層的前表面反射，其因反射型偏振器190、190’的取向而產生， 如在別處所述。在一個實施例中，也可將第四色光(未示出)注入到合色器600中。在此實施例中，偏振旋轉反射器包括替代上述寬帶反射鏡640的第四顏色選擇型二向色濾光器、任選光隧道以及第四光源，其設置方式類似于圖6a-6c中所示的第一、第二和第三光源650、 660、670、任選光隧道430以及顏色選擇型二向色濾光器610、620、630。第四顏色選擇型二向色濾光器反射第一、第二和第三色光651、661、671，并且透射第四色光(未示出)。在此實施例中，第四色光也以P偏振態穿過第一 PBS 100的第三棱面150以及第二 PBS 100’的第四棱面160，。在一個方面，圖7a_7d為光學元件的俯視示意圖，該光學元件被構造成包括第一 PBS 100和第二 PBS 100’的合色器700。合色器700可與在別處描述的多種光源一起使用。 從第一、第二和第三光源740、750、760發射的各種偏振的光線的路徑示于圖7a_7c中，以更清晰地示出合色器700的各個部件的功能。任選第四光源780的路徑示于圖7d中。第一 PBS 100和第二 PBS 100，包括對準第一偏振態195、設置在第一和第二棱鏡110、120以及 110’、120，的對角面之間的第一和第二反射型偏振器190、190’，如在別處所述。第一、第二和第三波長選擇型濾光器710、720、730設置為分別面向第一 PBS 100 的第二棱面140、第二 PBS 100，的第二棱面140，以及第二 PBS 100，的第一棱面130，。第一、第二和第三波長選擇型濾光器710、720、730中的每一個可為顏色選擇型二向色濾光器，其被選擇用于分別透射第一、第二和第三波長譜的光，并反射其他波長譜的光。在一個方面，第一和第二反射型偏振器190、190’可包括聚合物多層光學膜。在一個實施例中，第一反射型偏振器190包括設置為靠近第一顏色選擇型二向色濾光器710的藍層，并且第二反射型偏振器190’包括設置為靠近第二顏色選擇型二向色濾光器720以及第三顏色選擇型二向色濾光器730的藍層，如在別處所述。
延遲片220設置為面向第一、第二和第三顏色選擇型濾光器710、720、730中的每一個。延遲片220、顏色選擇型濾光器(710、720、730)以及第一和第二反射型偏振器190、 190，配合以通過第一 PBS 100的第四棱面160和第二 PBS 100，的第四棱面160，透射一種偏振態的光，并且再循環其他偏振態的光，如在別處所述。在下文所述的一個實施例中，合色器700中的各個延遲片220均為相對第一偏振態195成45°取向的四分之一波長延遲片。合色器700還包括設置在第一 PBS 100的第一棱面130和第二 PBS100，的第三棱面150’之間的半波長延遲片770。半波長延遲片770與第一和第二偏振器190、190’配合以轉換從其穿過的光的偏振態，并且另外相對第一偏振態195成45度取向。根據另一方面，可為第一、第二和第三光源740、750、760中的每一個提供任選光隧道430或透鏡組件(未示出)，如在別處參照圖如-仙所述，其公開內容同樣適用于圖 7a_7d0現在將參照圖7c來描述第一色光741的路徑，其中非偏振的第一色光741以ρ偏振的第一色光742離開第一 PBS 100的第四棱面160并且以ρ偏振的第一色光748離開第二 PBS 100，的第四棱面160，。來自第一光源740的非偏振的第一色光741穿過第一顏色選擇型二向色濾光器 710、四分之一波長延遲片220、通過第二棱面140進入第一 PBS 100、與反射型偏振器190 相交、并且分離成P偏振的第一色光742和s偏振的第一色光743。ρ偏振的第一色光742 穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第一色光742通過第四棱面160離開第一 PBS 100。S偏振的第一色光743從第一反射型偏振器190反射、通過第一棱面130離開第
一PBS 100、隨著其穿過半波長延遲片770變為ρ偏振的第一色光744、通過第三棱面150’ 進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且通過第一棱面130’離開第二 PBS 100’。ρ偏振的第一色光744隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光745、從第三顏色選擇型二向色濾光器730反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為s偏振的第一色光746。s偏振的第一色光746通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、從第二反射型偏振器190’反射、通過第二棱面140’離開第二 PBS 100’、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光747。圓偏振光747從第二顏色選擇型二向色濾光器720反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第一色光748、通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且以P偏振的第一色光748通過第四棱面160，離開第二 PBS 100，。現在將參照圖7b來描述第二色光751的路徑，其中非偏振的第二色光751以ρ偏振的第二色光758離開第一 PBS 100的第四棱面160并且以ρ偏振的第二色光752離開第
二PBS 100，的第四棱面160，。來自第二光源750的非偏振的第二色光751穿過第二顏色選擇型二向色濾光器 720、四分之一波長延遲片220、通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、與第二反射型偏振器190’相交、并且分離成ρ偏振的第二色光752和s偏振的第二色光753。ρ偏振的第二色光752穿過第二反射型偏振器190’、并且以ρ偏振的第二色光752通過第四棱面160’離開第二 PBS100’。
2
S偏振的第二色光753從第二反射型偏振器190’反射、通過第一棱面130’離開第二 PBS 100’、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光754、從第三顏色選擇型二向色濾光器730反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第二色光755、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、 并且通過第三棱面150’離開第二 PBS 100’。ρ偏振的第二色光755隨著其穿過半波長延遲片770變為s偏振的第二色光756、通過第一棱面130進入第一 PBS 100、從第一反射型偏振器190反射、通過第二棱面140離開第一 PBS 100、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光757。圓偏振光757從第一顏色選擇型二向色濾光器710反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第二色光758、通過第二棱面140進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第二色光758通過第四棱面160離開第一 PBS 100。現在將參照圖7a來描述第三色光761的路徑，其中非偏振的第三色光761以ρ偏振的第三色光768離開第一 PBS 100的第四棱面160并且以ρ偏振的第三色光765離開第二 PBS 100，的第四棱面160，。來自第三光源760的非偏振的第三色光761穿過第三顏色選擇型二向色濾光器 730、四分之一波長延遲片220、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、與第二反射型偏振器190’相交、并且分離成ρ偏振的第三色光762和s偏振的第三色光763。ρ偏振的第三色光762穿過第二反射型偏振器190’、通過第三棱面150’離開第二 PBS 100’、并且隨著其穿過半波長延遲片770變為s偏振的第三色光766。s偏振的第三色光766從第一反射型偏振器190反射、通過第二棱面140離開第一 PBS 100、隨著其穿過四分之一波長延遲片220 變為圓偏振光767、從第一顏色選擇型二向色濾光器710反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第三色光768。ρ偏振的第三色光768通過第二棱面140進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第三色光768 通過第四棱面160離開第一 PBS 100。S偏振的第三色光763從第二反射型偏振器190’反射、通過第二棱面140’離開第二 PBS 100’、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光764、從第二顏色選擇型二向色濾光器720反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為 P偏振的第三色光765。ρ偏振的第三色光765通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且以ρ偏振的第三色光765通過第四棱面160’離開第二 PBS 100，。在一個實施例中，第一色光741為綠光，第二色光751為藍光，并且第三色光761 為紅光。根據此實施例，第一顏色選擇型二向色濾光器710為反射紅和藍光且透射綠光的二向色濾光器；第二顏色選擇型二向色濾光器720為反射綠和紅光且透射藍光的二向色濾光器；第三顏色選擇型二向色濾光器730為反射藍和綠光且透射紅光的二向色濾光器。根據此實施例，第一偏振態的藍色第二色光751通過第二反射型偏振器190’透射兩次并且通過第一反射型偏振器190透射一次；第二偏振態的藍色第二色光751被第二反射型偏振器 190’和第一反射型偏振器190中的每一個反射一次。從每個反射型偏振器的單次反射優選地為來自藍層的前表面反射，其因反射型偏振器190、190’的取向而產生，如在別處所述。在一個實施例中，也可將第四色光注入到合色器700中，如圖7d所示。在此實施
21例中，可鄰近第一 PBS 100的第三棱面150設置任選光隧道430和第四光源780，其設置方式類似于如圖7a-7c中所示的第一、第二和第三光源740、750、760以及任選光隧道430。在此實施例中，不需要額外的四分之一波長延遲片220和額外的顏色選擇型二向色濾光器， 因為來自第一、第二、或第三光源740、750、760的任何光線均不穿過第三棱面150。在此實施例中，s偏振的第四色光穿過第一 PBS 100的第四棱面160和第二 PBS 100’的第四棱面 160’。s偏振的第四色光可通過顏色選擇型層疊延遲濾光片旋轉成ρ偏振的第四色光，如在別處所述。來自第四色光源780的第四色光781穿過任選光隧道430、通過第三棱面150進入第一 PBS 100、并且與第一反射型偏振器190相交，在該處其分離成ρ偏振的第四色光782 和s偏振的第四色光783。s偏振的第四色光783從第一反射型偏振器190反射并且以s 偏振的第四色光783通過第四棱面160離開第一 PBS 100。P偏振的第四色光782穿過第一反射型偏振器190、通過第一棱面130離開第一 PBS 100、隨著其穿過半波長延遲片770變為s偏振的第四色光784、通過第三棱面150’進入第二 PBS 100、從第二反射型偏振器190’反射、并且以s偏振的第四色光784通過第四棱面 160，離開第二 PBS 100，。在一個方面，圖8a為光學元件的俯視示意圖，該光學元件被構造成包括第一 PBS 100和第二 PBS 100’的合色器800。合色器800可與在別處描述的多種光源一起使用。從第三光源860發射的各種偏振的光線的路徑示于圖8a中，以更清晰地示出合色器800的各個部件的功能。從第一和第二光源840、850發射的各種偏振的光線的路徑未示于圖8a中； 然而，這些光程易于根據針對第三光源860提供的描述以及針對圖6a-6c和7a_7d中的合色器實施例提供的描述進行確定。第一 PBS 100和第二 PBS 100，包括第一和第二反射型偏振器890、190，。第一反射型偏振器890與第一偏振態195成90度對準，并且設置在第一和第二棱鏡110、120的對角面之間，如在別處所述。第二反射型偏振器190’對準第一偏振態195，并且設置在第一和第二棱鏡110’、120’的對角面之間，如在別處所述。在一個實施例中，第二 PBS100’的第二棱鏡120’和第一 PBS 100的第一棱鏡110可為一體光學部件(未示出)，例如具有由第二反射型偏振器190’、第一反射型偏振器890、第四棱面160’和第二棱面140限定的四個側面的平行四邊形。第一、第二和第三波長選擇型濾光器810、820、830設置為分別面向第一 PBS 100 的第二棱面140、第二 PBS 100，的第二棱面140，和第二 PBS 100，的第一棱面130，。第一、 第二和第三波長選擇型濾光器810、820、830中的每一個可為顏色選擇型二向色濾光器，其被選擇用于分別透射第一、第二和第三波長譜的光，并反射其他波長譜的光。在一個方面， 第一和第二反射型偏振器890、190’可包括聚合物多層光學膜。在一個實施例中，第一反射型偏振器890包括設置為靠近第一顏色選擇型二向色濾光器810的藍層，并且第二反射型偏振器190’包括設置為靠近第二顏色選擇型二向色濾光器820和第三顏色選擇型二向色濾光器830的藍層，如在別處所述。延遲片220設置為面向第一、第二和第三顏色選擇型濾光器810、820、830中的每一個。延遲片220、顏色選擇型濾光器(810、820、830)以及第一和第二反射型偏振器890、 190’配合以通過第一 PBS 100的第四棱面160透射一種偏振態的光、通過第二 PBS 100’的第四棱面160’透射其他偏振態的光、并再循環其他偏振態的光，如在別處所述。在下文所述的一個實施例中，合色器800中的各個延遲片220均為相對第一偏振態195成45°取向的四分之一波長延遲片。合色器800還包括設置為面向第一 PBS 100的第四棱面160的半波長延遲片870。 半波長延遲片870與第一和第二偏振器890、190’配合以轉換從其穿過的光的偏振態，并且另外相對第一偏振態195成45度取向。在一個實施例(未示出)中，半波長延遲片可改為鄰近第一反射型偏振器890設置在第二棱鏡120的對角面上。來自光源840、850、860中的每一個的所得輸出光仍與參照示于圖8a和圖8c中的構型所述相同。根據另一方面，可為第一、第二和第三光源840、850、860中的每一個提供任選光隧道430或透鏡組件(未示出)，如在別處參照圖所述，其公開內容同樣適用于圖8a。現在將參照圖8a來描述第三色光861的路徑，其中非偏振的第三色光861以ρ偏振的第三色光868離開半波長延遲片870并且以ρ偏振的第三色光865離開第二 PBS100’ 的第四棱面160’。來自第三光源860的非偏振的第三色光861穿過第三顏色選擇型二向色濾光器 830、四分之一波長延遲片220、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、與第二反射型偏振器190’相交、并且分離成ρ偏振的第三色光862和s偏振的第三色光863。ρ偏振的第三色光862穿過第二反射型偏振器190’、通過第三棱面150’離開第二 PBS 100’、通過第一棱面130進入第一 PBS 100、從第一反射型偏振器890反射、并且通過第二棱面140離開第一 PBS 100。ρ偏振的第三色光862隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光866、 從第一顏色選擇型二向色濾光器810反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為s偏振的第三色光867。s偏振的第三色光867通過第二棱面140進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器890、并且通過第四棱面160離開第一 PBS 100、并且隨著其穿過半波長延遲片870變為ρ偏振的第三色光868。S偏振的第三色光863從第二反射型偏振器190’反射、通過第二棱面140’離開第二 PBS 100’、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光864、從第二顏色選擇型二向色濾光器820反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為 P偏振的第三色光865。ρ偏振的第三色光865通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且以ρ偏振的第三色光865通過第四棱面160’離開第二 PBS 100，。在一個實施例中，第一光源840發射綠光，第二光源850發射藍光，并且第三色光 861為紅光。根據此實施例，第一顏色選擇型二向色濾光器810為反射紅和藍光且透射綠光的二向色濾光器；第二顏色選擇型二向色濾光器820為反射綠和紅光且透射藍光的二向色濾光器；第三顏色選擇型二向色濾光器830為反射藍和綠光且透射紅光的二向色濾光器。 根據此實施例，來自第二光源850的ρ偏振態的藍色光通過第二反射型偏振器190’透射兩次并且從第一反射型偏振器890反射一次；來自第二光源850的s偏振態的藍色光被第二反射型偏振器190’反射一次并且通過第一反射型偏振器890透射一次。反射優選地為來自藍層的前表面反射，其因反射型偏振器890、190’的取向而產生，如在別處所述。在一個實施例中，也可將第四色光注入到合色器800中，如圖8c所示。在此實施例中，可鄰近第一 PBS 100的第三棱面150設置任選光隧道430和第四光源880，其設置方式類似于如圖8a中所示的第一、第二和第三光源840、850、860以及任選光隧道430。在此實施例中，不需要額外的四分之一波長延遲片220和額外的顏色選擇型二向色濾光器，因為來自第一、第二、或第三光源840、850、860的任何光線均不穿過第三棱面150。在此實施例中，s偏振的第四色光穿過第一 PBS100的第四棱面160和第二 PBS 100’的第四棱面160’。 s偏振的第四色光可通過顏色選擇型層疊延遲濾光片旋轉成P偏振的第四色光，如在別處所述。來自第四色光源880的第四色光881穿過任選光隧道430、通過第三棱面150進入第一 PBS 100、并且與第一反射型偏振器890相交，在該處其分離成ρ偏振的第四色光883 和s偏振的第四色光882。ρ偏振的第四色光883從第一反射型偏振器890反射、通過第四棱面160離開第一 PBS 100、并且隨著其穿過半波長延遲片870變為s偏振的第四色光884。S偏振的第四色光882穿過第一反射型偏振器890、通過第一棱面130離開第一 PBS 100、從第二反射型偏振器190’反射、并且以s偏振的第四色光882通過第四棱面160’ 離開第二 PBS 100，。在一個方面，圖8b為光學元件的俯視示意圖，該光學元件被構造成包括第一 PBS 100和第二 PBS 100’的合色器801。合色器801可與在別處描述的多種光源一起使用。從第三光源860發射的各種偏振的光線的路徑示于圖8b中，以更清晰地示出合色器801的各個部件的功能。從第一和第二光源840、850發射的各種偏振的光線的路徑未示于圖8b中； 然而，這些光程易于根據針對第三光源860提供的描述以及針對圖6a-6c和7a_7d中的合色器實施例提供的描述進行確定。第一 PBS 100和第二 PBS 100’包括對準第一偏振態195、設置在第一和第二棱鏡 110,120以及110，、120，的對角面之間的第一和第二反射型偏振器190、190’，如在別處所述。在一個實施例中，第二 PBS100，的第二棱鏡120，和第一 PBS 100的第一棱鏡110可為一體光學部件(未示出)，例如具有由第二反射型偏振器190’、半波長延遲片870、第四棱面 160’和第二棱面140限定的四個側面的平行四邊形。第一、第二和第三波長選擇型濾光器810、820、830設置為分別面向第一 PBS 100 的第二棱面140、第二 PBS 100，的第二棱面140，和第二 PBS 100，的第一棱面130，。第一、 第二和第三波長選擇型濾光器810、820、830中的每一個可為顏色選擇型二向色濾光器，其被選擇用于分別透射第一、第二和第三波長譜的光，并反射其他波長譜的光。在一個方面， 第一和第二反射型偏振器190、190’可包括聚合物多層光學膜。在一個實施例中，第一反射型偏振器190包括設置為靠近第一顏色選擇型二向色濾光器810的藍層，并且第二反射型偏振器190’包括設置為靠近第二顏色選擇型二向色濾光器820和第三顏色選擇型二向色濾光器830的藍層，如在別處所述。延遲片220設置為面向第一、第二和第三顏色選擇型濾光器810、820、830中的每一個。延遲片220、顏色選擇型濾光器(810、820、830)以及第一和第二反射型偏振器190、 190，配合以通過第一 PBS 100的第四棱面160和第二 PBS 100，的第四棱面160，透射一種偏振態的光，并且再循環其他偏振態的光，如在別處所述。在下文所述的一個實施例中，合色器801中的各個延遲片220均為相對第一偏振態195成45°取向的四分之一波長延遲片。合色器801還包括設置在第一反射型偏振器190、190’之間、鄰近第一反射型偏振
24器190和第一棱鏡110的對角面的半波長延遲片870。半波長延遲片870與第一和第二偏振器190、190’配合以轉換從其穿過的光的偏振態，并且另外相對第一偏振態195成45°取向。在一個實施例(未示出)中，半波長延遲片改為設置在第一 PBS 100的第一棱面130 和第二 PBS 100，的第三棱面150，之間。來自光源840、850、860中的每一個的所得輸出光仍與參照示于圖8b和圖8d中的構型所述相同。根據另一方面，可為第一、第二和第三光源840、850、860中的每一個提供任選光隧道430或透鏡組件(未示出)，如在別處參照圖所述，其公開內容同樣適用于圖Sb。現在將參照圖8b來描述第三色光861的路徑，其中非偏振的第三色光861以ρ偏振的第三色光869離開第一 PBS 100的第四棱面160并且以ρ偏振的第三色光865離開第二 PBS 100，的第四棱面160，。來自第三光源860的非偏振的第三色光861穿過第三顏色選擇型二向色濾光器 830、四分之一波長延遲片220、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、與第二反射型偏振器190’相交、并且分離成ρ偏振的第三色光862和s偏振的第三色光863。ρ偏振的第三色光862穿過第二反射型偏振器190’、通過第三棱面150’離開第二 PBS 100’、通過第一棱面130進入第一 PBS 100、穿過半波長延遲片870變為s偏振的第三色光(未示出)、從第一反射型偏振器190反射、再次穿過半波長延遲片870變為ρ偏振的第三色光866、并且通過第二棱面140離開第一 PBS 100。ρ偏振的第三色光866隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光867、從第一顏色選擇型二向色濾光器810反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為s偏振的第三色光868。s偏振的第三色光868 通過第二棱面140進入第一 PBS 100、穿過半波長延遲片870變為ρ偏振的第三色光869、 穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第三色光869通過第四棱面160離開第一 PBS 100。S偏振的第三色光863從第二反射型偏振器190’反射、通過第二棱面140’離開第二 PBS 100’、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為圓偏振光864、從第二顏色選擇型二向色濾光器820反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為 P偏振的第三色光865。ρ偏振的第三色光865通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且以ρ偏振的第三色光865通過第四棱面160’離開第二 PBS 100，。在一個實施例中，第一光源840發射綠光，第二光源850發射藍光，并且第三色光 861為紅光。根據此實施例，第一顏色選擇型二向色濾光器810為反射紅和藍光且透射綠光的二向色濾光器；第二顏色選擇型二向色濾光器820為反射綠和紅光且透射藍光的二向色濾光器；第三顏色選擇型二向色濾光器830為反射藍和綠光且透射紅光的二向色濾光器。 根據此實施例，來自第二光源850的ρ偏振態的藍色光通過第二反射型偏振器190’透射兩次并且通過第一反射型偏振器190透射一次；來自第二光源850的s偏振態的藍色光被第二反射型偏振器190’反射一次并且被第一反射型偏振器190反射一次。單次反射優選地為來自藍層的前表面反射，其因反射型偏振器190、190’的取向而產生，如在別處所述。在一個實施例中，也可將第四色光注入到合色器801中，如圖8d所示。在此實施例中，可鄰近第一 PBS 100的第三棱面150設置任選光隧道430和第四光源890，其設置方式類似于如圖8b中所示的第一、第二和第三光源840、850、860以及任選光隧道430。在此實施例中，不需要額外的四分之一波長延遲片220和額外的顏色選擇型二向色濾光器，因為來自第一、第二、或第三光源840、850、860的任何光線均不穿過第三棱面150。在此實施例中，s偏振的第四色光穿過第一 PBS100的第四棱面160和第二 PBS 100’的第四棱面160’。 s偏振的第四色光可通過顏色選擇型層疊延遲濾光片旋轉成P偏振的第四色光，如在別處所述。來自第四色光源890的第四色光891穿過任選光隧道430、通過第三棱面150進入第一 PBS 100、并且與第一反射型偏振器190相交。s偏振的第四色光893從第一反射型偏振器190反射并且通過第四棱面160離開第一 PBS 100。ρ偏振的第四色光穿過第一反射型偏振器190并且隨著其穿過半波長延遲片870變為s偏振的第四色光892。s偏振的第四色光892通過第一棱面130離開第一 PBS 100、通過第三棱面150，進入第二 PBS 100，、 從第二反射型偏振器190’反射、并且以s偏振的第四色光892通過第四棱面160’離開第二 PBS 100，。在一個方面，圖9a_9c為光學元件的俯視示意圖，該光學元件被構造成包括第一 PBS 100和第二 PBS 100，的合色器900。合色器900可與在別處描述的多種光源一起使用。 從第一和第二光源940、950發射的各種偏振的光線的路徑示于圖9a-9b中，以更清晰地示出合色器900的各個部件的功能。任選第三光源960的路徑示于圖9c中。第一 PBS 100和第二 PBS 100’包括對準第一偏振態195、設置在第一和第二棱鏡110、120以及110’、120’ 的對角面之間的第一和第二反射型偏振器190、190’，如在別處所述。在一個實施例中，第二 PBS 100，的第一棱鏡110，和第一 PBS 100的第一棱鏡110可為一體光學部件(未示出)， 例如具有由第二反射型偏振器190’、第一反射型偏振器190以及第一棱面130’和第二棱面 140限定的三個側面的棱鏡。第一和第二波長選擇型濾光器910、920設置為分別面向第一 PBS100的第三棱面 150和第二 PBS 100，的第四棱面160，。第一和第二波長選擇型濾光器910、920中的每一個可為顏色選擇型二向色濾光器，其被選擇用于分別透射第一和第二波長譜的光，并反射其他波長譜的光。在一個方面，第一和第二反射型偏振器190、190’可包括聚合物多層光學膜。在一個實施例中，第一反射型偏振器190包括設置為靠近第一顏色選擇型二向色濾光器910的藍層，并且第二反射型偏振器190’包括設置為靠近第二顏色選擇型二向色濾光器 920的藍層，如在別處所述。延遲片220設置為面向第一和第二顏色選擇型二向色濾光器910、920中的每一個。延遲片220、顏色選擇型二向色濾光器(910、920)以及第一和第二反射型偏振器190、 190，配合以通過第一 PBS 100的第四棱面160和第二 PBS 100，的第三棱面150，透射一種偏振態的光，并且再循環其他偏振態的光，如在別處所述。在下文所述的一個實施例中，合色器900中的各個延遲片220均為相對第一偏振態195成45°取向的四分之一波長延遲片。根據另一方面，可為第一和第二光源940、950中的每一個提供任選光隧道430或透鏡組件(未示出)，如在別處參照圖4a_4b所述，其公開內容同樣適用于圖9a_9c。現在將參照圖9b來描述第一色光941的路徑，其中非偏振的第一色光941以s偏振的第一色光943離開第一 PBS 100的第四棱面160并且以s偏振的第一色光945離開第二 PBS 100，的第三棱面150，。
來自第一光源940的非偏振的第一色光941穿過第一顏色選擇型二向色濾光器 910、四分之一波長延遲片220、通過第三棱面150進入第一 PBS 100、與第一反射型偏振器 190相交、并且分離成ρ偏振的第一色光942和s偏振的第一色光943。s偏振的第一色光 943從第一反射型偏振器190反射、并且以s偏振的第一色光943通過第四棱面160離開第
一PBS 100。P偏振的第一色光942穿過第一反射型偏振器190、通過第一棱面130離開第一 PBS 100、通過第二棱面140’進入第二 PBS 100’、穿過第二反射型偏振器190’、并且通過第四棱面160’離開第二 PBS 100’。ρ偏振的第一色光942隨著其穿過四分之一波長延遲片 220變為圓偏振光944、從第二顏色選擇型二向色濾光器920反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為s偏振的第一色光945。s偏振的第一色光945 通過第四棱面160’進入第二 PBS 100’、從第二反射型偏振器190’反射、并且以s偏振的第一色光945通過第三棱面150，離開第二 PBS 100，。現在將參照圖9a來描述第二色光951的路徑，其中非偏振的第二色光951以s偏振的第二色光955離開第一 PBS 100的第四棱面160并且以s偏振的第二色光953離開第
二PBS 100，的第三棱面150，。來自第二光源950的非偏振的第二色光951穿過第二顏色選擇型二向色濾光器 920、四分之一波長延遲片220、通過第四棱面160’進入第二 PBS 100’、與第二反射型偏振器190’相交、并且分離成ρ偏振的第二色光952和s偏振的第二色光953。s偏振的第二色光953從第二反射型偏振器190’反射、并且以s偏振的第二色光953通過第三棱面150’ 離開第二 PBS 100，。P偏振的第二色光952穿過第二反射型偏振器190’、通過第二棱面140’離開第二 PBS 100，、通過第一棱面130進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、并且通過第三棱面150離開第一 PBS 100。ρ偏振的第二色光952隨著其穿過四分之一波長延遲片220 變為圓偏振光954、從第一顏色選擇型二向色濾光器910反射以改變圓偏振狀態、并且隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為s偏振的第二色光955。s偏振的第二色光955通過第三棱面150進入第一 PBS 100、從第一反射型偏振器190反射、并且以s偏振的第二色光 955通過第四棱面160離開第一 PBS 100。在一個實施例中，第一色光941為綠光，并且第二色光951為洋紅光。根據此實施例，第一顏色選擇型二向色濾光器910為反射紅和藍(S卩，洋紅)光且透射綠光的二向色濾光器；第二顏色選擇型二向色濾光器920為反射綠光且透射洋紅光的二向色濾光器。根據此實施例，第一偏振態的第二色光951的藍色分量被反射型偏振器190、190’中的每一個透射一次；第二偏振態的第二色光951的藍色分量被反射型偏振器190、190’中的每一個反射一次。單次反射優選地為來自藍層的前表面反射，其因反射型偏振器190、190’的取向而產生，如在別處所述。在一個實施例中，也可將第三色光注入到合色器900中，如圖9c所示。在此實施例中，可鄰近第二 PBS 100’的第一棱面130’設置四分之一波長延遲片220、第三顏色選擇型二向色濾光器、任選光隧道以及第三光源，其設置方式類似于圖9a-9b中所示的第一和第二光源940、950、任選光隧道430、顏色選擇型二向色濾光器910、920以及四分之一波長延遲片220。諸如寬帶反射鏡970之類的偏振旋轉反射器以及四分之一波長延遲片220設
27置為面向第一 PBS 100的第二棱面140。在此實施例中，來自第一或第二光源940、950的任何光線均未穿過第二 PBS100，的第一棱面130’、或穿過第一 PBS 100的第二棱面140。在此實施例中，ρ偏振的第三色光穿過第一 PBS 100的第四棱面160和第二 PBS 100’的第四棱面160’。P偏振的第三色光可通過顏色選擇型層疊延遲濾光片旋轉成S偏振的第三色光，如在別處所述。來自第三色光源960的非偏振的第三色光961穿過任選光隧道430、第三顏色選擇型二向色濾光器930、四分之一波長延遲片220、通過第一棱面130’進入第二 PBS 100’、并且與第二反射型偏振器190’相交，在該處其分離成ρ偏振的第三色光962和s偏振的第三色光963。ρ偏振的第三色光962離開第二 PBS 100，的第三棱面150，。S偏振的第三色光963從第二反射型偏振器190’反射、通過第二棱面140’離開第二 PBS 100，、通過第一棱面130進入第一 PBS 100、從第一反射型偏振器190反射并且通過第二棱面140離開第一 PBS100。s偏振的第三色光963隨著其穿過四分之一波長延遲片 220變為圓偏振光964、從寬帶反射鏡970反射以改變圓偏振狀態、隨著其穿過四分之一波長延遲片220變為ρ偏振的第三色光965、通過第二棱面140進入第一 PBS 100、穿過第一反射型偏振器190、并且以ρ偏振的第三色光965通過第四棱面160離開第一 PBS 100。在另一個實施例中，也可將第四色光(未示出)注入到合色器900中。在此實施例中，寬帶反射鏡970被取代為第四顏色選擇型二向色濾光器970、任選光隧道430和第四光源(未示出)，其設置方式類似于圖9a-9c中所示的光源940、950、960、任選光隧道430、 四分之一波長延遲片220以及顏色選擇型二向色濾光器910、920、930。第三顏色選擇型二向色濾光器930反射第四色光(未示出)并且透射第三色光961 ；第四顏色選擇型二向色濾光器970反射第三色光961并且透射第四色光(未示出)。在此實施例中，第四色光也以 P偏振態穿過第二 PBS 100，的第三棱面150，和第一 PBS 100的第四棱面160。色光組合系統中的光源可按順序通電，如在共同未決的美國專利申請序列號 60/638834中所述。根據一個方面，時序與接收來自色光組合系統的組合輸出光的投影系統中的透射型或反射型成像裝置同步。根據一個方面，以足夠快的速率來重復該時序，使得避免了投影圖像出現閃爍，并且避免了投影視頻圖像中出現諸如色斷的運動偽影。圖10示出包括三色光組合系統1002的投影儀1000。三色光組合系統1002在輸出區域1004提供組合輸出光。在一個實施例中，輸出區域1004的組合輸出光被偏振。輸出區域1004的組合輸出光穿過光引擎光學件1006到達投影光學件1008。光引擎光學件1006包括透鏡1022、IOM和反射器1(^6。投影光學件1008包括透鏡1028、PBS 1030和投影透鏡1032。投影透鏡1032中的一個或多個可相對PBS 1030 移動，以實現對投影圖像1012的對焦調節。反射型成像裝置1010調節投影光學件中的光的偏振態，使得穿過PBS 1030并進入投影透鏡的光的強度將被調節以產生投影圖像1012。 控制電路1014連接到反射型成像裝置1010以及光源1016、1018和1020，以將反射型成像裝置1010的操作與光源1016、1018和1020的時序同步。在一個方面，輸出區域1004處組合光的第一部分被引導穿過投影光學件1008，且組合輸出光的第二部分可通過輸出區域 1004循環返回到合色器1002內。組合光的第二部分可通過(例如)反射鏡、反射型偏振器、反射型LCD等的反射而循環返回到合色器內。圖10中所示的布置是示例性的，并且所公開的光組合系統也可與其它投影系統一起使用。根據一個可供選擇的方面，可以使用透射型成像裝置。根據一個方面，如上文所述的色光組合系統生成三色(白色)輸出。該系統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質(對s偏振光的反射和對 P偏振光的透射)對于大范圍的光源入射角的敏感性低。另外的準直組件可以用于提高合色器內光源的光的準直。在沒有一定程度的準直的情況下，將存在如下方面導致的大量光損失取決于入射角(AOI)的二向色性反射的變化、IlR的損失或增加的阻止TIR的短暫連接和/或PBS內的劣化的偏振鑒別度和功能。在本公開中，偏振分束器用作光管，用于使光由于全內反射而被包含并且只通過所需表面射出。盡管已經結合優選的實施例描述了本發明，但是本領域中的熟練工人將認識到， 在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，可以進行形式和細節的修改。除非另外指明，否則在說明書和權利要求中使用的表示部件的尺寸、數量和物理特性的所有數字應當被理解為由術語“約”來修飾。因此，除非有相反的指示，否則在上述說明書和所附權利要求中所提出的數值參數為近似值，可根據本領域內的技術人員利用本文所公開的教導內容尋求獲得的所需特性而變化。除了與本公開可能直接抵觸的程度，本文引用的所有參考文獻及出版物都明確地以引用方式全文并入本文中。雖然本文已經示出和描述了一些具體實施例，但本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發明范圍的情況下，可以用多種替代和/或等同實現方式來代替所示出和描述的具體實施例。本專利申請旨在涵蓋本文所討論的具體實施例的任何修改或變型。因此，本發明僅受權利要求書及其等同內容的限制。
權利要求
1.一種光學元件，包括第一顏色選擇型二向色濾光器，具有第一輸入表面且設置為透射垂直于所述第一輸入表面的第一光束；第二顏色選擇型二向色濾光器，具有第二輸入表面且設置為透射垂直于所述第二輸入表面的第二光束；反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第一光束和所述第二光束相交；第一延遲片，設置為面向所述第一顏色選擇型二向色濾光器；和第二延遲片，設置為面向所述第二顏色選擇型二向色濾光器，其中所述反射型偏振器和所述延遲片設置用于將所述第一和第二光束的第二偏振態分別轉換成所述第一和第二光束的第一偏振態。
2.根據權利要求1所述的光學元件，其中所述反射型偏振器與所述第一偏振態對準， 并且各個延遲片包括與所述第一偏振態成大約45度角對準的四分之一波長延遲片。
3.根據權利要求1所述的光學元件，其中所述第一偏振態的第一光束和第二光束中的至少一者從反射鏡反射。
4.根據權利要求1所述的光學元件，其中所述第一光束和所述第二光束各自包括會聚光線或發散光線。
5.根據權利要求1所述的光學元件，其中所述第一光束包括第一顏色非偏振光，并且所述第二光束包括不同于所述第一顏色非偏振光的第二顏色非偏振光。
6.根據權利要求1所述的光學元件，還包括第一和第二棱鏡，所述第一和第二棱鏡形成偏振分束器(PBQ，并且其中所述反射型偏振器設置在所述PBS的第一對角面上。
7.根據權利要求3所述的光學元件，其中所述反射鏡設置在第三棱鏡的第二對角面上。
8.根據權利要求1所述的光學元件，其中所述反射型偏振器包括聚合物多層光學膜。
9.根據權利要求8所述的光學元件，其中所述聚合物多層光學膜包括設置為靠近所述第一和第二顏色選擇型二向色濾光器的藍層。
10.一種合色器，包括根據權利要求1所述的光學元件。
11.一種顯示系統，包括成像面板和根據權利要求10所述的合色器。
12.一種光學元件，包括第一顏色選擇型二向色濾光器，具有第一輸入表面且設置為透射垂直于所述第一輸入表面的第一光束；第二顏色選擇型二向色濾光器，具有第二輸入表面且設置為透射垂直于所述第二輸入表面的第二光束；第一反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第一光束相交；第二反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第二光束相交；第一延遲片，設置為面向所述第一顏色選擇型二向色濾光器；和第二延遲片，設置為面向所述第二顏色選擇型二向色濾光器，其中所述第一和第二反射型偏振器以及所述第一和第二延遲片設置用于將所述第一和第二光束的第二偏振態分別轉換成所述第一和第二光束的第一偏振態。
13.根據權利要求12所述的光學元件，其中各個反射型偏振器與所述第一偏振態對準，并且各個延遲片包括與所述第一偏振態成大約45度角對準的四分之一波長延遲片。
14.根據權利要求12所述的光學元件，其中所述第一光束和所述第二光束各自包括會聚光線或發散光線。
15.根據權利要求12所述的光學元件，其中所述第一光束包括第一顏色非偏振光，并且所述第二光束包括不同于所述第一顏色非偏振光的第二顏色非偏振光。
16.根據權利要求12所述的光學元件，還包括形成第一偏振分束器(PBS)的第一和第二棱鏡，其中所述第一反射型偏振器設置在所述第一 PBS的第一對角面上；和形成第二 PBS的第三和第四棱鏡，其中所述第二反射型偏振器設置在所述第二 PBS的第二對角面上。
17.根據權利要求12所述的光學元件，其中所述第一反射型偏振器和所述第二反射型偏振器各自包括聚合物多層光學膜。
18.根據權利要求17所述的光學元件，其中各個聚合物多層光學膜包括藍層，所述藍層設置為靠近所述第一和第二顏色選擇型二向色濾光器中的至少一者。
19.一種合色器，包括根據權利要求12所述的光學元件。
20.一種顯示系統，包括成像面板和根據權利要求19所述的合色器。
21.一種光學元件，包括第一顏色選擇型二向色濾光器，具有第一輸入表面且設置為透射垂直于所述第一輸入表面的第一光束；第二顏色選擇型二向色濾光器，具有第二輸入表面且設置為透射垂直于所述第二輸入表面的第二光束；第三顏色選擇型二向色濾光器，具有第三輸入表面且設置為透射垂直于所述第三輸入表面的第三光束；第一反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第一光束和所述第二光束相交；第二反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第三光束相交；反射器，設置為使得垂直于所述反射器的線以成大約45度角與所述第二反射型偏振器相交；以及第一、第二、第三和第四延遲片，設置為分別面向所述第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器以及所述反射器中的每一個，其中所述第一和第二反射型偏振器以及所述延遲片設置用于將所述第一、第二和第三光束的第二偏振態分別轉換成所述第一、第二和第三光束的第一偏振態。
22.根據權利要求21所述的光學元件，其中所述反射器包括寬帶反射鏡。
23.根據權利要求21所述的光學元件，其中各個反射型偏振器與所述第一偏振態對準，并且各個延遲片包括與所述第一偏振態成大約45度角對準的四分之一波長延遲片。
24.根據權利要求21所述的光學元件，其中所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束各自包括會聚光線或發散光線。
25.根據權利要求21所述的光學元件，其中所述第一光束包括第一顏色非偏振光，所述第二光束包括第二顏色非偏振光，并且所述第三光束包括第三顏色非偏振光。
26.根據權利要求21所述的光學元件，還包括形成第一偏振分束器(PBQ的第一和第二棱鏡，其中所述第一反射型偏振器設置在所述第一 PBS的第一對角面上；和形成第二 PBS的第三和第四棱鏡，其中所述第二反射型偏振器設置在所述第二 PBS的第二對角面上。
27.根據權利要求21所述的光學元件，其中各個反射型偏振器包括聚合物多層光學膜。
28.根據權利要求27所述的光學元件，其中各個聚合物多層光學膜包括藍層，所述藍層設置為靠近所述第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器中的至少一者。
29.根據權利要求21所述的光學元件，其中所述反射器包括第四顏色選擇型二向色濾光器，具有第四輸入表面且設置為透射垂直于所述第四輸入表面的第四光束，其中所述第一和第二反射型偏振器以及所述延遲片設置用于將所述第一、第二、第三和第四光束的第二偏振態分別轉換成所述第一、第二、第三和第四光束的第一偏振態。
30.一種合色器，包括根據權利要求21所述的光學元件。
31.一種顯示系統，包括成像面板和根據權利要求30所述的合色器。
32.一種光學元件，包括第一顏色選擇型二向色濾光器，具有第一輸入表面且設置為透射垂直于所述第一輸入表面的第一光束；第二顏色選擇型二向色濾光器，具有第二輸入表面且設置為透射垂直于所述第二輸入表面的第二光束；第三顏色選擇型二向色濾光器，具有第三輸入表面且設置為透射垂直于所述第三輸入表面的第三光束；第一反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第一光束和所述第二光束相交；第二反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第三光束相交；半波長延遲片，設置在所述第一反射型偏振器和所述第二反射型偏振器之間；以及第一、第二和第三四分之一波長延遲片，設置為分別面向所述第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器中的每一個，其中所述第一和第二反射型偏振器以及所述延遲片設置用于將所述第一、第二和第三光束的第二偏振態分別轉換成所述第一、第二和第三光束的第一偏振態。
33.根據權利要求32所述的光學元件，其中所述半波長延遲片設置為以大致垂直的方向與所述第一光束相交。
34.根據權利要求32所述的光學元件，其中所述半波長延遲片設置為以成大約45度角與所述第一光束相交。
35.根據權利要求32所述的光學元件，其中各個反射型偏振器與所述第一偏振態對準，并且各個四分之一波長延遲片與所述第一偏振態成大約45度角對準。
36.根據權利要求32所述的光學元件，其中所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束各自包括會聚光線或發散光線。
37.根據權利要求32所述的光學元件，其中所述第一光束包括第一顏色非偏振光，所述第二光束包括第二顏色非偏振光，并且所述第三光束包括第三顏色非偏振光。
38.根據權利要求32所述的光學元件，還包括形成第一偏振分束器(PBQ的第一和第二棱鏡，其中所述第一反射型偏振器設置在所述第一 PBS的第一對角面上；和形成第二 PBS的第三和第四棱鏡，其中所述第二反射型偏振器設置在所述第二 PBS的第二對角面上。
39.根據權利要求32所述的光學元件，其中各個反射型偏振器包括聚合物多層光學膜。
40.根據權利要求39所述的光學元件，其中所述聚合物多層光學膜包括藍層，所述藍層設置為靠近所述第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器中的至少一者。
41.一種合色器，包括根據權利要求32所述的光學元件。
42.一種顯示系統，包括成像面板和根據權利要求41所述的合色器。
43.一種光學元件，包括第一顏色選擇型二向色濾光器，具有第一輸入表面且設置為透射垂直于所述第一輸入表面的第一光束；第二顏色選擇型二向色濾光器，具有第二輸入表面且設置為透射垂直于所述第二輸入表面的第二光束；第三顏色選擇型二向色濾光器，具有第三輸入表面且設置為透射垂直于所述第三輸入表面的第三光束；第一反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第一光束和所述第二光束相交；第二反射型偏振器，設置為以成大約45度角與所述第三光束相交；半波長延遲片，設置為面向所述第三顏色選擇型二向色濾光器且位于所述第二反射型偏振器的相反側；以及第一、第二和第三四分之一波長延遲片，設置為分別面向所述第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器中的每一個，其中所述第一反射型偏振器以及所述第一和第二延遲片設置用于將所述第一和第二光束的第二偏振態分別轉換成所述第一和第二光束的第一偏振態，并且其中所述第二反射型偏振器和所述第三延遲片設置用于將所述第一、第二和第三光束的第一偏振態分別轉換成所述第一、第二和第三光束的第二偏振態。
44.根據權利要求43所述的光學元件，其中所述半波長延遲片鄰近所述第二反射型偏振器，并且位于與所述第三顏色選擇型二向色濾光器相反的一側。
45.根據權利要求43所述的光學元件，其中所述第一反射型偏振器與所述第一偏振態對準，所述第二反射型偏振器與所述第二偏振態對準，并且各個四分之一波長延遲片與所述第一偏振態成大約45度角對準。
46.根據權利要求43所述的光學元件，其中所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束各自包括會聚光線或發散光線。
47.根據權利要求43所述的光學元件，其中所述第一光束包括第一顏色非偏振光，所述第二光束包括第二顏色非偏振光，并且所述第三光束包括第三顏色非偏振光。
48.根據權利要求43所述的光學元件，還包括形成第一偏振分束器(PBQ的第一和第二棱鏡，其中所述第一反射型偏振器設置在所述第一 PBS的第一對角面上；和形成第二 PBS的第三和第四棱鏡，其中所述第二反射型偏振器設置在所述第二 PBS的第二對角面上。
49.根據權利要求43所述的光學元件，其中各個反射型偏振器包括聚合物多層光學膜。
50.根據權利要求49所述的光學元件，其中所述聚合物多層光學膜包括藍層，所述藍層設置為靠近所述第一、第二和第三顏色選擇型二向色濾光器中的至少一者。
51.一種合色器，包括根據權利要求43所述的光學元件。
52.一種顯示系統，包括成像面板和根據權利要求51所述的合色器。
全文摘要
本發明描述了光學元件、使用所述光學元件的合色器以及使用所述合色器的圖像投影儀。所述光學元件可構造成下述合色器，所述合色器接收不同波長譜的光并且產生包括不同波長譜的光的組合輸出光。在一個方面，所接收的輸入光為非偏振的，并且組合輸出光是在所需狀態偏振的。所述光學元件被構造用于使可對該合光器中的波長敏感型部件造成損害的光的通過降至最低。使用該合色器的圖像投影儀可包括通過反射或透射偏振光工作的成像模塊。
文檔編號G02B27/28GK102282502SQ200980154945
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月2日 優先權日2008年11月19日
發明者安德魯·J·烏德科克, 戴爾·R·盧茨, 斯蒂芬·J·威利特, 查爾斯·L·布魯澤, 菲利普·E·沃森 申請人:3M創新有限公司