專利名稱：傾斜的二向色合色器i的制作方法
傾斜的二向色合色器I相關專利申請本專利申請涉及以引用方式并入的下述美國專利申請:“Tilted Dichroic ColorCombiner II”(傾斜的二向色合色器II)(代理人案卷號66791US002)以及“TiltedDichroic Color Combiner III”(傾斜的二向色合色器 III)(代理人案卷號 66792US002)，這兩個專利申請于同一天提交。
背景技術：
用于將圖像投影到屏幕上的投影系統(tǒng)可以使用多色光源，例如，發(fā)光二極管(LED)，它們具有不同的顏色以生成照明光。LED與圖像顯單元之間設置若干光學元件，用于將來自LED的光組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賦予光。例如，如同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。用于將圖像投影到屏幕上的其他投影系統(tǒng)可以使用白光，白光經配置以從數(shù)字微反射鏡(DMM)陣列進行影像反射，例如，德州儀器(Texas Instruments)的數(shù)字光處理器(DLPli )顯示器中使用的陣列。在DLP 顯示器中，數(shù)字微反射鏡陣列內的各個反射鏡表示投影圖像的各個像素。當對應的反射鏡傾斜以使得入射光導入投影的光路時，顯示像素被照亮。安置在光路內部的旋轉色輪被定時，以對來自數(shù)字微反射鏡陣列的光進行反射，使得反射的白光得以過濾，從而投影對應于像素的顏色。然后，數(shù)字微反射鏡陣列切換到下一個所需的像素顏色，并且這個過程會繼續(xù)非常迅速地進行，從而使得整個投影的顯示內容看起來被持續(xù)照亮。數(shù)字微反射鏡投影系統(tǒng)需要的像素化陣列部件較少，這可形成尺寸較小的投影儀。圖像亮度是投影系統(tǒng)的重要參數(shù)。顏色光源的亮度以及收集光、組合光、勻化光并且將光遞送到圖像顯示單元的效率均會影響亮度。由于現(xiàn)代投影儀系統(tǒng)的尺寸減小，因此，在將顏色光源產生的熱保持在小型投影儀系統(tǒng)中可以消散的低水平的同時，需要保持足夠的輸出亮度水平。需要一種以更高的效率組合多種顏色光的光組合系統(tǒng)，以提供亮度水平足夠的光輸出，同時不會使光源的功耗過大。此類電子投影儀通常包括用于對光束進行光學勻化以提高投影于屏幕上的光的亮度和顏色均勻度的裝置。兩種常見的裝置為積分隧道和蠅眼陣列(FEA)勻化器。蠅眼勻化器可以非常緊湊，并且為此成為常用裝置。積分隧道在勻化方面的效率可能更高，但中空隧道需要的長度通常總體上為高度或寬度(取較大者)的5倍。實心隧道通常由于折射效應而比中空隧道長。微型投影儀和口袋式投影儀中可用于有效合色器、光學積分器和/或勻化器的空間有限。因此，來自這些投影儀(諸如合色器和偏振轉換器)中使用的光學裝置的有效且均勻的光輸出可能需要緊湊有效的光學設計。

發(fā)明內容
本發(fā)明整體涉及合色器，具體而言，涉及可用于口袋式投影儀等小型投影儀的合色器。所公開的合色器包括具有至少兩個反射器的傾斜二向色板，所述反射器配置有集光光學器件，以便組合至少兩種顏色的光。一方面，本發(fā)明提供一種合色器，所述合色器包括:第一集光光學器件，其具有第一光輸入表面和光軸；以及第一光源和第二光源，各光源偏離所述光軸，并且設置為將第一顏色光和第二顏色光注入到所述第一光輸入表面中。所述合色器還包括二向色板，所述二向色板設置成面向所述第一集光光學器件，與所述第一光輸入表面相對，所述二向色板包括能夠反射所述第一顏色光并且透射其他顏色光的第一二向色反射器，以及能夠反射所述第二顏色光的第二反射器。所述第一二向色反射器和所述第二反射器均傾斜，使得所述第一顏色光和所述第二顏色光均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開，成為合色光束。另一方面，本發(fā)明提供一種合色器，所述合色器包括:第一集光光學器件，其具有第一光輸入表面和光軸；以及第一光源和第二光源，各光源偏離所述光軸，并且設置為將第一顏色光和第二顏色光注入到所述第一光輸入表面中。所述合色器還包括二向色板，所述二向色板設置成面向所述第一集光光學器件，與所述第一光輸入表面相對，所述二向色板包括能夠反射所述第一顏色光并且透射其他顏色光的第一二向色反射器，以及能夠反射所述第二顏色光的第二反射器。所述第一二向色反射器和所述第二反射器均傾斜，使得所述第一顏色光和所述第二顏色光均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開，成為合色光束。所述合色器另外還包括光勻化隧道，所述光勻化隧道設置為將所述合色光束透射到第二集光光學器件，所述第二集光光學器件將所述合色光束擴展成為具有較小發(fā)散角的擴展式合色光束。又一方面，本發(fā)明提供一種合色器，所述合色器包括:第一透鏡，其具有第一凸形表面、與所述第一凸形表面相對的第一光輸入表面，以及光軸；以及在所述光軸上保持居中的第二透鏡，所述第二透鏡具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及與所述第二表面相對的第三凸形表面。所述合色器還包括:第一光源、第二光源以及第三光源，這些光源偏離所述光軸，并且設置為分別將第一顏色光、第二顏色光以及第三顏色光注入到所述第一光輸入表面中；以及設置成面向所述第三凸形表面的二向色板。所述二向色板包括:第一二向色反射器，其能夠反射所述第一顏色光并且透射所述第二顏色光和所述第三顏色光；第二二向色反射器，其能夠反射所述第二顏色光并且透射所述第三顏色光；以及第三反射器，其能夠反射所述第三顏色光。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傾斜，使得第一顏色光束、第二顏色光束以及第三顏色光束均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開，成為合色光束。又一方面，本發(fā)明提供一種合色器，所述合色器包括:第一透鏡，其具有第一凸形表面、與所述第一凸形表面相對的第一光輸入表面，以及光軸；以及在所述光軸上保持居中的第二透鏡，所述第二透鏡具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及與所述第二表面相對的第三凸形表面。所述合色器還包括:第一光源、第二光源以及第三光源，這些光源偏離所述光軸，并且設置為分別將第一顏色光、第二顏色光以及第三顏色光注入到所述第一光輸入表面中；以及設置成面向所述第三凸形表面的二向色板。所述二向色板包括:第一二向色反射器，其能夠反射所述第一顏色光并且透射所述第二顏色光和所述第三顏色光；第二二向色反射器，其能夠反射所述第二顏色光并且透射所述第三顏色光；以及第三反射器，其能夠反射所述第三顏色光。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傾斜，使得所述第一顏色光、所述第二顏色光以及所述第三顏色光均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開。所述合色器另外還包括集光光學器件，所述集光光學器件包括:第三透鏡，其具有第四凸形表面、與所述第四凸形表面相對的第二光輸入表面，以及光勻化隧道，所述光勻化隧道設置在所述光軸上并且能夠將離開所述第一光輸入表面的光透射到所述第二光輸入表面；以及在所述光軸上保持居中的第四透鏡，所述第四透鏡具有面向所述第四凸形表面的第五表面，以及與所述第五表面相對的第六凸形表面，其中進入所述第二光輸入表面的光離開所述第六凸形表面，成為具有較小發(fā)散角的擴展光束。又一方面，本發(fā)明提供一種圖像投影儀，所述圖像投影儀包括合色器，所述合色器包括:第一集光光學器件，其具有第一光輸入表面和光軸；以及第一光源和第二光源，各光源偏離所述光軸，并且設置為將第一顏色光和第二顏色光注入到所述第一光輸入表面中。所述合色器還包括二向色板，所述二向色板設置成面向所述第一集光光學器件，與所述第一光輸入表面相對，所述二向色板包括能夠反射所述第一顏色光并且透射其他顏色光的第一二向色反射器，以及能夠反射所述第二顏色光的第二反射器。所述第一二向色反射器和所述第二反射器均傾斜，使得第一顏色光束和第二顏色光束均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開，成為合色光束。所述合色器另外還包括光勻化隧道，所述光勻化隧道設置為將所述合色光束透射到第二集光光學器件，所述第二集光光學器件將所述合色光束擴展成為具有較小發(fā)散角的合色光束。所述圖像投影儀還包括:偏振轉換器，其設置為接受所述第一顏色光、所述第二顏色光以及所述第三顏色光，并且輸出偏振第一顏色光、偏振第二顏色光以及偏振第三顏色光；空間光調制器，其設置為將圖像賦予所述偏振第一顏色光、偏振第二顏色光以及偏振第三顏色光；以及投影光學器件。又一方面，本發(fā)明提供一種合色器，所述合色器包括:第一透鏡，其具有第一凸形表面、與所述第一凸形表面相對的第一光輸入表面，以及光軸；以及在所述光軸上保持居中的第二透鏡，所述第二透鏡具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及與所述第二表面相對的第三凸形表面。所述合色器還包括:第一光源、第二光源以及第三光源，這些光源偏離所述光軸，并且設置為分別將第一顏色光、第二顏色光以及第三顏色光注入到所述第一光輸入表面中；以及設置成面向所述第三凸形表面的二向色板。所述二向色板包括:第一二向色反射器，其能夠反射所述第一顏色光并且透射所述第二顏色光和所述第三顏色光；第二二向色反射器，其能夠反射所述第二顏色光并且透射所述第三顏色光；以及第三反射器，其能夠反射所述第三顏色光。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傾斜，使得第一顏色光束、第二顏色光束以及第三顏色光束均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開。所述合色器另外還包括集光光學器件，所述集光光學器件包括:第三透鏡，其具有第四凸形表面、與所述第四凸形表面相對的第二光輸入表面，以及光勻化隧道，所述光勻化隧道設置在所述光軸上并且能夠將離開所述第一光輸入表面的光透射到所述第二光輸入表面；以及在所述光軸上保持居中的第四透鏡，所述第四透鏡具有面向所述第四凸形表面的第五表面，以及與所述第五表面相對的第六凸形表面，其中進入所述第二光輸入表面的光離開所述第六凸形表面，成為具有較小發(fā)散角的擴展光束。所述圖像投影儀還包括:偏振轉換器，其設置為接受所述第一顏色光、所述第二顏色光以及所述第三顏色光，并且輸出偏振第一顏色光、偏振第二顏色光以及偏振第三顏色光；空間光調制器，其設置為將圖像賦予所述偏振第一顏色光、偏振第二顏色光以及偏振第三顏色光；以及投影光學器件。上述發(fā)明內容并非意圖描述本發(fā)明的每個所公開的實施例或每種實施方案。以下附圖和具體實施方式
更具體地舉例說明了示例性實施例。


整個說明書參考附圖，在附圖中，類似的附圖標號表示類似的元件，并且其中:圖1A示出了合色器的橫截面示意圖；圖1B示出了合色器的橫截面示意圖；圖1C示出了合色器的橫截面示意圖；圖2示出了合色器系統(tǒng)的橫截面示意圖；圖3示出了圖像投影儀的示意圖。附圖未必按比例繪制。附圖中所使用的類似標號是指類似部件。然而，應當理解，使用標號來指代給定附圖中的部件并非意圖限制另一附圖中使用相同標號標記的部件。
具體實施例方式本發(fā)明整體涉及圖像投影儀，具體而言，涉及通過使用傾斜的二向色反射板來組合光而改進光的均勻度的圖像投影儀。在一個具體實施例中，傾斜的二向色反射板包括層合在一起的多個二向色濾色片，其中每個二向色濾色片可以傾斜一定角度，以便與二向色反射板垂直。在一個具體實施例中，描述了一種合色器，所述合色器包括至少兩個發(fā)光二極管(LED)，各LED具有不同的顏色。從兩個LED發(fā)出的光經過準直而形成基本上重疊的光束，而且來自兩個LED的光進行組合并導向公共區(qū)域中，其中與兩個LED發(fā)出的光相比，組合光束的集光率(etendue)較低且亮度較高。LED可以用來對投影儀進行照明。由于LED在接近朗伯角分布的區(qū)域內發(fā)出光，因此，投影儀的亮度會受到光源和投影系統(tǒng)的集光率限制。一種用于降低LED光源的集光率的方法是使用二向色反射器來使LED的兩個或更多個顏色在空間重疊,從而使這些顏色看起來是從相同區(qū)域發(fā)出的。通常，合色器以約45度的角度使用二向色反射器。這樣會造成強烈的反射帶偏移，并且限制二向色反射器的可用光譜和角范圍。在一個具體實施例中，本發(fā)明描述一種制品，所述制品使用與入射光束幾乎成直角的二向色反射器來組合不同顏色的 LED。一方面，本發(fā)明提供一種有效組合不同顏色光源的輸出的簡明方法。這可尤其用于為集光率有限的緊湊型投影系統(tǒng)形成照明器。例如，紅光、綠光和藍光LED的線性陣列入射在傾斜的反射板組件上，其中每個LED的輸出通過一組主要的光學器件而部分準直，所述反射板組件含有以不同角度反射紅光、綠光和藍光的二向色反射板。隨后，所反射的光由主要的光學器件聚焦到一個孔隙，所述孔隙形成紅光、綠光和藍光LED的公共輸出端。所述公共輸出端可以連接到使合色器發(fā)出的光準直的另一組集光光學器件。公共輸出端發(fā)出的光也可以連接到積分桿，如其他地方所述。出口孔隙可以在集光光學器件的主軸(例如，光軸)上保持居中，或者可以偏離所述主軸。出口孔隙可以與LED成一直線，或鄰近LED，或者以上兩種情況的組合。如本領域的技術人員理解，3個LED的配置可以擴展至其他顏色，包括黃光和紅外光。光源可以包括組合了 LED的激光器，而且還可以基于所有的激光系統(tǒng)。LED可以包括至少在紅光、綠光和藍光的短波長范圍上發(fā)出原色的一套設備，以及至少在紅光、綠光和藍光的長波長范圍上發(fā)出原色的第二套設備。此外，孔隙是用于混合光的點，可以采用蠅眼陣列(FEA)，以便提供進一步的顏色整合。這可能包括透鏡的一維或二維陣列，其中至少一個維度具有2到約20個透鏡，如其他地方所述?；贚CoS的便攜式投影系統(tǒng)因可利用低成本和高分辨率的LCoS面板而變得普遍。LED照明式LCoS投影儀中的元件列表可以包括LED光源、任選的合色器、任選的預偏振系統(tǒng)、光中繼器件、PBS、LCoS面板以及投影透鏡單元。對于基于LCoS的投影系統(tǒng)，投影儀的效率和對比度與進入PBS的光的偏振程度直接相關。至少出于這一原因，常常需要利用反射/循環(huán)光學器件或偏振轉換光學兀件的預偏振系統(tǒng)。采用偏振分束器和半波延遲片的偏振轉換方案是將偏振光提供到PBS內的最有效方式之一。偏振轉換光的一個挑戰(zhàn)在于，它可能存在空間不均勻度，由此導致所顯示的圖像中出現(xiàn)偽影。因此，在使用偏振轉換器的系統(tǒng)中，可能需要勻化系統(tǒng)，如其他地方所述。在一個具體實施例中，用于圖像投影儀的照明器包括光源，在光源中，發(fā)出的非偏振光會導向偏振轉換器中。所述偏振轉換器將光分成兩個路徑，每個偏振態(tài)使用一個路徑。這兩個偏振態(tài)中每個偏振態(tài)的路徑長度近似相等，那么偏振光束可以穿過到達整體式FEA積分器。整體式FEA積分器可以使光束發(fā)散，隨后，光束經過導向以進行進一步處理，例如，使用空間光調制器來將圖像賦予光束，以及使用投影光學器件來將圖像顯示到屏幕上。在一些情況下，光學投影儀使用發(fā)光二極管(LED)或放電光源等非偏振光源、偏振選擇元件、第一偏振空間調制器，以及第二偏振選擇元件。由于第一偏振選擇元件會阻隔50%從非偏振光源發(fā)出的光，因此，偏振選擇型投影儀的效率通?？赡鼙确瞧裱b置低。一種提高偏振選擇型投影儀的效率的技術是在光源和第一偏振選擇元件之間添加偏振轉換器。一般來講，有兩種方式用來設計本領域中所用的偏振轉換器。第一種方式為使光源發(fā)出的光部分準直、使部分準直的光束穿過透鏡陣列，以及將偏振轉換器陣列定位在各個焦點處。偏振轉換器通常具有偏振分束器，偏振分束器具有偏振選擇型傾斜膜(例如，麥克尼爾偏振器、線柵偏振器或雙折射光學膜偏振器)，其中反射的偏振被傾斜反射器反射，使得反射光束平行于偏振選擇型傾斜膜所透射的光束傳播。使偏振光的一個或另一光束穿過半波延遲片，以使得這兩個光束具有相同的偏振態(tài)。另一種將非偏振光束轉換為具有單個偏振態(tài)的光束的技術是使整個光束穿過傾斜的偏振選擇器，而且分開的光束由反射器和半波延遲片進行調節(jié)，從而發(fā)出單個偏振態(tài)。用偏振轉換器直接對偏振選擇型空間光調制器進行照明會導致照明度和顏色不均勻。在一個具體實施例中，偏振轉換器可以采用蠅眼陣列(FEA)，以對投影系統(tǒng)中的光進行勻化。偏振轉換器的輸出側包括整體FEA，以對光進行勻化。整體FEA的輸入側和輸出偵抱括相同數(shù)量的透鏡，其中輸出側的各個透鏡大致在輸入側的配合透鏡的焦點處保持居中。透鏡可以為圓柱形的、雙凸的、球形的或非球形的；然而，在多種情況下可能優(yōu)選球形透鏡。蠅眼積分器和偏振轉換器可以顯著改善投影儀的照明度和顏色均勻度，如其他地方所述。
圖1A到圖1C示出了根據本發(fā)明的一方面的合色器100的橫截面示意圖。在圖1A到圖1C中，合色器100包括第一集光光學器件105，所述第一集光光學器件包括第一透鏡兀件110和第二透鏡兀件120。第一集光光學器件105包括光輸入表面114和垂直于光輸入表面114的光軸102。第一光源140、第二光源150以及任選的第三光源160各自設置在面向光輸入表面114的光注入表面104上。光輸出區(qū)域170位于光軸102上，并且設置在光注入表面104上。第一光源140、第二光源150以及任選的第三光源160中的每個光源偏離光軸102。第一光源140、第二光源150以及任選的第三光源160中的每個光源經過設置，以分別將第一顏色光141、第二顏色光151以及任選的第三顏色光161注入到光輸入表面114中，如其他地方所述。在一個具體實施例中，合色器100還包括二向色板130，所述二向色板沿著光軸102設置成面向第一集光光學器件105，使得第一透鏡元件110和第二透鏡元件120介于二向色板130與光輸入表面114之間。二向色板130可以設置成與光軸成傾角￠,而且包括能夠反射第一顏色光141并且透射所有其他顏色的光的第一二向色反射器132。二向色板130還包括能夠反射第二顏色光151并且透射所有其他顏色的光的第二二向色反射器134。二向色板130另外還包括能夠反射任選的第三顏色光161的任選第三二向色反射器136。在一些情況下，例如，在只包括第一光源140和第二光源150 (即，省去了任選的第三光源160)時，第二二向色反射器反而可以是通用反射器，例如，寬帶反射鏡，這是因為無需透射其他波長(即，顏色)的光。在一些情況下，例如，在包括任選的第三光源160時，任選的第三二向色反射器136也可以是寬帶反射鏡等反射器，這是因為所有其他 顏色的光在到達第三二向色反射器136之前已經被其他二向色反射器反射。二向色板130經過加工，使得第一二向色反射器132、第二二向色反射器134以及任選的第三二向色反射器136每一個分別以第一二向色傾角a 1、第二二向色傾角a 2以及第三二向色傾角a3向光軸102傾斜。在一些情況下，例如，如圖1A到圖1C所示，第一二向色傾角a I可以與二向色板傾角0相同，但也可以不同。第一二向色傾角a 1、第二二向色傾角a 2以及第三二向色傾角a 3每一個可以經過選擇，以引導來自第一光源140、第二光源150以及任選的第三光源160中每個光源的反射光束穿過光輸出區(qū)域170，如其他地方所述。在一個具體實施例中，第一集光光學器件105可以為光準直儀，用于使第一光源140、第二光源150以及任選的第三光源160發(fā)出的光準直。第一集光光學器件105可以包括單透鏡光準直儀(未示出)、雙透鏡光準直儀(示出)、衍射型光學元件(未示出)，或它們的組合。雙透鏡光準直儀具有第一透鏡兀件110，所述第一透鏡兀件包括設置成與光輸入表面114相對的第一凸形表面112。第二透鏡元件120包括面向第一凸形表面112的第二表面122，以及與第二表面122相對的第三凸形表面124。第二表面122可以選自凸形表面、平坦表面，以及凹形表面。轉到圖1A，所示來自第一光源140的第一顏色光141的路徑可以穿過合色器100。第一顏色光141包括沿第一光傳播方向行進的第一中心光線142，以及第一輸入光準直角e Ii內的光線錐，所述光線錐的邊界由第一邊界光線144、146表示。第一中心光線142沿總體上平行于光軸102的方向從第一光源140注入到光輸入表面114中，穿過第一透鏡元件110、第二透鏡元件120，并且從第一二向色反射器132反射，使得所反射的光束與光軸102一致，如圖所示。第一邊界光線144、146中的每個光線沿總體上與光軸102成第一輸入光準直角9 Ii的方向注入光輸入表面114中，穿過第一透鏡元件110、第二透鏡元件120，并且從第一二向色反射器132反射，使得所反射的光束總體上平行于光軸102，如圖所示。如可以從圖1A中看出，第一集光光學器件105用于使從第一光源140到達二向色板130的第一顏色光141準直。第一中心光線142和第一邊界光線144、146中的每個光線從第一二向色反射器132反射，并且穿過第一集光光學器件105往回行進，成為平行于光軸102并且在該光軸上保持居中的準直光線。在一個具體實施例中，如圖1A所示，準直光線會聚，以便通過光輸出區(qū)域170離開合色器100，成為具有第一輸出準直角0 2o的第一顏色光束148。轉到圖1B，所示來自第二光源150的第二顏色光151的路徑可以穿過合色器100。第二顏色光151包括沿第二光傳播方向行進的第二中心光線152,以及第二輸入光準直角e2i內的光線錐，所述光線錐的邊界由第二邊界光線154、156表示。第二中心光線152沿總體上平行于光軸102的方向從第二光源150注入到光輸入表面114中，穿過第一透鏡元件110、第二透鏡元件120，并且從第二二向色反射器134反射，使得所反射的光束與光軸102一致，如圖所不。第二邊界光線154、156中的每個光線沿總體上與光軸102成第二輸入光準直角9 2i的方向注入到光輸入表面114中，穿過第一透鏡元件110、第二透鏡元件120，并且從第二二向色反射器134反射，使得所反射的光束總體上平行于光軸102，如圖所示。如可以從圖1B中看出，第一集光光學器件105用于使從第二光源150到達二向色板130的第二顏色光151準直。第二中心光線152和第二邊界光線154、156中的每個光線從第二二向色反射器134反射，并且穿過第一集光光學器件105往回行進，成為平行于光軸102并且在該光軸上保持居中的準直光線。在一個具體實施例中，如圖1B所示，準直光線會聚，以便通過光輸出區(qū)域170離開合色器100，成為具有第二輸出準直角0 2o的第二顏色光束158。轉到圖1C，所示來自任選的第三光源160的任選第三顏色光161的路徑穿過合色器100。任選的第三顏色光161包括沿第三光傳播方向行進的第三中心光線162,以及第三輸入光準直角e 3i內的光線錐，所述光線錐的邊界由第三邊界光線164、166表示。第三中心光線162沿總體上平行于光軸102的方向從任選的第三光源160注入到光輸入表面114中，穿過第一透鏡元件110、第二透鏡元件120，并且從第三二向色反射器136反射，使得所反射的光束與光軸102—致，如圖所示。第三邊界光線164、166中的每個光線沿總體上與光軸102成第三輸入光準直角0 3i的方向注入到光輸入表面114中，穿過第一透鏡元件110、第二透鏡元件120，并且從第三二向色反射器136反射，使得所反射的光束總體上平行于光軸102，如圖所示。如可以從圖1C中看出，第一集光光學器件105用于使從任選的第三光源160到達二向色板130的任選第三顏色光161準直。第三中心光線162和第三邊界光線164、166中的每個光線從第三二向色反射器136反射，并且穿過第一集光光學器件105往回行進，成為平行于光軸102并且在該光軸上保持居中的準直光線。在一個具體實施例中，如圖1C所示，準直光線會聚，以便通過光輸出區(qū)域170離開合色器100，成為具有第三輸出準直角0 3o的任選第三顏色光束168。在一個具體實施例中，第一輸入準直角Q l1、第二輸入準直角Q 2i以及第三輸入準直角9 3i中的每個輸入準直角可以相同，而且與第一光源140、第二光源150以及任選的第三光源160中的每個光源相關的注入光學器件(未示出)可以將這些輸入準直角限于以下角度:介于約10度與約80度之間，或介于約10度到約70度，或介于約10度到約60度，或介于約10度到約50度，或介于約10度到約40度，或者介于約10度到約30度或更小。在一些情況下，第一集光光學器件105和二向色板130可以經過加工，使得第一輸出準直角9 lo、第二輸出準直角0 2o以及第三輸出準直角0 3o中的每個輸出準直角可以相同，而且還基本上等于相應的輸入準直角。在一個具體實施例中，每個輸入準直角在約60度到約70度的范圍內，且每個輸出準直角也在約60度到約70度的范圍內。圖2示出了根據本發(fā)明的一方面的合色器系統(tǒng)200的橫截面示意圖。在圖2中，參考圖1A到圖1C所述的合色器100與第二集光光學器件220成對，使得合色器100的輸出進入積分桿210 (或光勻化隧道210)，在所述光勻化隧道中顏色進一步混合，而且所述輸出會輸入到第二集光光學器件220中。第二集光光學器件220可以類似于先前所述的第一集光光學器件105，而且可以用作擴展合色光輸出的光準直儀。在一些實施例中，合色光輸出具有如先前所述的第一輸出準直角9 10、第二輸出準直角0 20以及第三輸出準直角0 30，可以擴展成已經從任選的寬帶反射鏡230反射的合色準直光280。合色準直光280包括具有較小發(fā)散角的光，所述較小發(fā)散角可以小于約20度，或小于約15度，或者甚至小于約12度。圖3示出了根據本發(fā)明的一方面的圖像投影儀I的示意圖。圖像投影儀I包括合色器模塊10，所述合色器模塊10能夠將部分準直的合色光輸出24注入到勻化偏振轉換器模塊30中，在所述勻化偏振轉換器模塊30中，部分準直的合色光輸出24被轉換成勻化偏振光45，所述勻化偏振光45離開勻化偏振轉換器模塊30并且進入圖像生成器模塊50。圖像生成器模塊50輸出成像光65，該成像光進入投影模塊70，在所述投影模塊70中，成像光65變?yōu)橥队俺上窆?0。一方面，合色器模塊10包括不同的波長譜輸入光源，這些光源是通過合色器100中的第一集光光學器件105輸入的，如其他地方所述。合色器100產生組合光輸出，所述組合光輸出包括穿過光勻化隧道210的不同波長譜光。隨后，穿過光勻化隧道210的組合光輸出穿過第二集光光學器件220,并且離開合色器模塊10,成為部分準直的合色光輸出24,如其他地方所述。一方面，輸入光源并不偏振，而且部分準直的合色光輸出24也不偏振。部分準直的合色光輸出24可以是包括不止一個波長譜的光的多色組合光。部分準直的合色光輸出24可以是所接收的光中每一者按時間排序的輸出。一方面，不同波長譜的光中的每一者對應于不同顏色光(例如，紅光、綠光和藍光)，并且組合光輸出為白光或按時間排序的紅光、綠光和藍光。為了在本文進行說明，“顏色光”和“波長譜光”均是指具有與人眼可見的特定顏色相關的波長譜范圍的光。更普遍的術語“波長譜光”是指可見光和包括例如紅外光等的其他波長譜光。根據一方面，各個輸入光源均包括一個或多個發(fā)光二極管(LED)。激光器、激光二極管、有機LED(OLED)等各種光源以及超高壓(UHP)鹵素燈或氙燈之類的非固態(tài)光源可以結合合適的集光器或反射器來使用。例如，可用于本發(fā)明中的光源、光準直儀、透鏡、和光積分器在已公布的美國專利申請N0.US2008/0285129中進一步描述，該專利申請的公開內容全文并入到本文中。
—方面,勻化偏振轉換器模塊30包括能夠將非偏振部分準直的合色光輸出24轉換成勻化偏振光45的偏振轉換器40。勻化偏振轉換器模塊30還可以包括整體透鏡陣列42，例如，其他地方所述的任選整體透鏡FEA，它對離開勻化偏振轉換器模塊30成為勻化偏振光45的部分準直的合色光輸出24進行勻化，并提高其均勻度。例如，與勻化偏振轉換器模塊30相關的任選FEA的代表性布置在以下共同未決的美國專利中有所描述:名稱為“FLY EYE INTEGRATOR POLARIZATION CONVERTER”(蠅眼積分器偏振轉換器)的第 61/346183號美國專利(代理人案卷號66247US002，于2010年5月19日提交)；名稱為“POLARIZEDPROJECTION ILLUMINATOR”(偏振投影照明器)的第61/346190號美國專利(代理人案卷號66249US002，于2010年5月19日提交);以及名稱為“COMPACT ILLUMINATOR”(緊湊型照明器)的第61/346193號美國專利(代理人案卷號66360US002，于2010年5月19日提交)?！矫?，圖像生成器模塊50包括偏振分束器(PBS) 56、代表性成像光學器件52、54以及空間光調制器58,它們相互配合以將勻化偏振光45轉換為成像光65。例如,合適的空間光調制器(即，圖像生成器)先前已在第7，362，507號美國專利(Duncan等人)，第7，529，029號美國專利(Duncan等人)；第2008-0285129-A1號美國專利公開(Magarill等人)；以及第W02007/016015號PCT專利公開(Duncan等人)中有所描述。在一個具體實施例中，勻化偏振光45是源自任選FEA的每個透鏡的發(fā)散光。穿過成像光學器件52、54以及PBS56之后，勻化偏振光45變?yōu)閷臻g光調制器進行均勻照明的成像光60。在一個具體實施例中，來自任選FEA中每個透鏡的每一發(fā)散光線束對空間光調制器58的絕大部分進行照明，以使得各個發(fā)散光線束彼此重疊。一方面，投影模塊70包括可用于將成像光65投影為投影光80的代表性投影光學器件72、74、76。合適的投影光學器件72、74、76先前已有所描述，并且為本領域的技術人員熟知。以下為本發(fā)明各個實施例的列表。項I為一種合色器，所述合色器具有:第一集光光學器件，其具有第一光輸入表面和光軸；第一光源和第二光源，各光源偏離所述光軸，并且設置為將第一顏色光和第二顏色光注入到所述第一光輸入表面中；以及二向色板，其設置成面向所述第一集光光學器件，與所述第一光輸入表面相對，所述二向色板包括:能夠反射所述第一顏色光并且透射其他顏色光的第一二向色反射器；以及能夠反射所述第二顏色光的第二反射器，其中所述第一二向色反射器和所述第二反射器均傾斜，使得所述第一顏色光和所述第二顏色光均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開，成為合色光束。項2為項I所述的合色器，其中第一集光光學器件包括光準直光學器件。項3為項2所述的合色器，其中所述光準直光學器件包括單透鏡設計、雙透鏡設計、衍射型光學元件，或者它們的組合。項4為項I到項3所述的合色器，其中所述第一集光光學器件包括:第一透鏡，其具有與所述第一光輸入表面相對的第一凸形表面；以及第二透鏡，其具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及與所述第二表面相對的第三凸形表面。項5為項I到項4所述的合色器，其中所述第一顏色光和第二顏色光每一個均包括第一發(fā)散角，而且組合光束包括第二發(fā)散角，所述第二發(fā)散角與所述第一發(fā)散角相差不超過10%。
項6為項I到項5所述的合色器，其中所述第二反射器包括寬帶反射鏡。項7為項I到項6所述的合色器，其中所述第二反射器包括能夠反射所述第二顏色光并且透射其他顏色光的第二二向色反射器。項8為項I到項7所述的合色器，其還包括第三光源，所述第三光源偏離所述光軸，并且設置為將第三顏色光注入到所述第一光輸入表面中，其中所述二向色板還包括能夠反射所述第三顏色光以使之沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開的第三反射器。項9為項8所述的合色器，其中所述第三反射器包括寬帶反射鏡。項10為項8所述的合色器，其中所述第三反射器包括能夠反射所述第三顏色光并且透射其他顏色光的第三二向色反射器。項11為項I到項10所述的合色器，其還包括光勻化隧道，所述光勻化隧道設置為將合色光束透射到第二集光光學器件，所述第二集光光學器件將所述合色光束擴展成為具有較小發(fā)散角的合色光束。項12為項11所述的合色器，其中所述第二集光光學器件包括:在所述光軸上保持居中的第三透鏡，其具有第四凸形表面以及與所述第四凸形表面相對的第二光輸入表面，能夠將離開所述第一光輸入表面的光透射到所述第二光輸入表面；以及在所述光軸上保持居中的第四透鏡，所述第四透鏡具有面向所述第四凸形表面的第五表面，以及與所述第五表面相對的第六凸形表面，其中進入所述第二光輸入表面的光離開所述第六凸形表面，成為部分準直的合色光束。項13為項11到項12所述的合色器，其中所述較小發(fā)散角包括小于約15度的角。項14為項11到項13所述的合色器，其中所述較小發(fā)散角包括小于約12度的角。項15為一種合色器，其包括:第一透鏡，其具有第一凸形表面、與所述第一凸形表面相對的光輸入表面，以及光軸；在所述光軸上保持居中的第二透鏡，所述第二透鏡具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及與所述第二表面相對的第三凸形表面；第一光源、第二光源以及第三光源，這些光源偏離所述光軸，并且設置為分別將第一顏色光、第二顏色光以及第三顏色光注入到所述光輸入表面中；以及設置成面向所述第三凸形表面的二向色板，所述二向色板包括:能夠反射所述第一顏色光并且透射所述第二顏色光和所述第三顏色光的第一二向色反射器；能夠反射所述第二顏色光并且透射所述第三顏色光的第二二向色反射器；以及能夠反射所述第三顏色光的第三反射器，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傾斜，使得所述第一顏色光、所述第二顏色光以及所述第三顏色光均被反射，以便沿著所述光軸通過輸入平面離開，成為合色光束。項16為項15所述的合色器，其中所述第一顏色光和第二顏色光每一個均包括第一發(fā)散角，而且組合光束包括第二發(fā)散角，所述第二發(fā)散角與所述第一發(fā)散角相差不超過10%。項17為項15或項16所述的合色器，其中所述第三反射器為寬帶反射鏡。項18為項15到項17所述的合色器，其中所述第三反射器為能夠反射所述第三顏色光并且透射其他顏色光的第三二向色反射器。項19為項15到項18所述的合色器，其還包括集光光學器件，所述集光光學器件包括:第三透鏡，其具有第四凸形表面、與所述第四凸形表面相對的第二光輸入表面，以及光勻化隧道，所述光勻化隧道設置在所述光軸上并且能夠將離開輸入表面的光透射到所述第二光輸入表面；以及在所述光軸上保持居中的第四透鏡，所述第四透鏡具有面向所述第四凸形表面的第五表面，以及與所述第五表面相對的第六凸形表面，其中進入所述第二光輸入表面的光離開所述第六凸形表面,成為具有較小發(fā)散角的擴展光束。項20為項19所述的合色器，其中所述較小發(fā)散角包括小于約15度的角。項21為項19或項20所述的合色器，其中所述較小發(fā)散角包括小于約12度的角。項22為一種圖像投影儀，其包括:項11或項19所述的合色器；偏振轉換器，其設置為接受所述第一顏色光、所述第二顏色光以及所述第三顏色光，并且輸出偏振第一顏色光、偏振第二顏色光以及偏振第三顏色光；空間光調制器，其設置為將圖像賦予所述偏振第一顏色光、偏振第二顏色光以及偏振第三顏色光；以及投影光學器件。項23為項22所述的圖像投影儀，其中所述空間光調制器包括硅基液晶(LCoS)成像器或透射型液晶顯示器(IXD)。除非另外指明，否則在說明書和權利要求中使用的表示特征的尺寸、數(shù)量和物理特性的所有數(shù)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提出的數(shù)值參數(shù)為近似值，這些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。本文中所引用的所有參考文獻和出版物以引用方式明確地全文并入本文中，但與本發(fā)明直接沖突的部分除外。盡管本文示出和描述了特定實施例，但是本領域的普通技術人員應該明白，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，大量的替代形式和/或等效實施方案可替換所示和所述的特定實施例。本專利申請旨在覆蓋本文討論的特定實施例的任何改動或變型。因此，本發(fā)明應該僅僅由權利要求及其等同物進行限定。
權利要求
1.一種合色器，其包括: 第一集光光學器件，其具有第一光輸入表面和光軸； 第一光源和第二光源，各光源偏離所述光軸并且設置為將第一顏色光和第二顏色光注入到所述第一光輸入表面中；以及二向色板，其設置成面向所述第一集光光學器件，與所述第一光輸入表面相對，所述二向色板包括: 能夠反射所述第一顏色光并且透射其他顏色光的第一二向色反射器；以及 能夠反射所述第二顏色光的第二反射器， 其中所述第一二向色反射器和所述第二反射器均傾斜，使得所述第一顏色光和所述第二顏色光均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開，成為合色光束。
2.根據權利要求1所述的合色器，其中所述第一集光光學器件包括光準直光學器件。
3.根據權利要求2所述的合色器，其中所述光準直光學器件包括單透鏡設計、雙透鏡設計、衍射型光學元件，或者它們的組合。
4.根據權利要求1所述的合色器，其中所述第一集光光學器件包括: 第一透鏡，其具有與所述第一光輸入表面相對的第一凸形表面；以及 第二透鏡，其具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及與所述第二表面相對的第三凸形表面。
5.根據權利要求1所述的合色器，其中所述第一顏色光和第二顏色光每一個均包括第一發(fā)散角，而且所述合色光束包括第二發(fā)散角，所述第二發(fā)散角與所述第一發(fā)散角相差不超過10%。
6.根據權利要求1所述的合色器，其中所述第二反射器包括寬帶反射鏡。
7.根據權利要求1所述的合色器，其中所述第二反射器包括能夠反射所述第二顏色光并且透射其他顏色光的第二二向色反射器。
8.根據權利要求1所述的合色器，其還包括第三光源，所述第三光源偏離所述光軸，并且設置為將第三顏色光注入到所述第一光輸入表面中，其中所述二向色板還包括能夠反射所述第三顏色光以使之沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開的第三反射器。
9.根據權利要求8所述的合色器，其中所述第三反射器包括寬帶反射鏡。
10.根據權利要求8所述的合色器，其中所述第三反射器包括能夠反射所述第三顏色光并且透射其他顏色光的第三二向色反射器。
11.根據權利要求1所述的合色器，其還包括光勻化隧道，所述光勻化隧道設置為將所述合色光束透射到第二集光光學器件，所述第二集光光學器件將所述合色光束擴展成為具有較小發(fā)散角的擴展式合色光束。
12.根據權利要求11所述的合色器，其中所述第二集光光學器件包括: 在所述光軸上保持居中的第三透鏡，其具有第四凸形表面以及與所述第四凸形表面相對的第二光輸入表面，能夠將離開所述第一光輸入表面的光透射到所述第二光輸入表面；以及 在所述光軸上保持居中的第四透鏡，所述第四透鏡具有面向所述第四凸形表面的第五表面，以及與所述第五表面相對的第六凸形表面， 其中進入所述第二光輸入表面的光離開所述第六凸形表面，成為所述擴展式合色光束。
13.根據權利要求11所述的合色器，其中所述較小發(fā)散角包括小于約15度的角。
14.根據權利要求11所述的合色器，其中所述較小發(fā)散角包括小于約12度的角。
15.—種合色器,其包括: 第一透鏡，其具有第一凸形表面、與所述第一凸形表面相對的第一光輸入表面，以及光軸； 在所述光軸上保持居中的第二透鏡，所述第二透鏡具有面向所述第一凸形表面的第二表面，以及與所述第二表面相對的第三凸形表面； 第一光源、第二光源以及第三光源，這些光源偏離所述光軸，并且設置為分別將第一顏色光、第二顏色光以及第三顏色光注入到所述第一光輸入表面中；以及設置成面向所述第三凸形表面的二向色板，所述二向色板包括: 能夠反射所述第一顏色光并且透射所述第二顏色光和所述第三顏色光的第一二向色反射器； 能夠反射所述第二顏色光并且透射所述第三顏色光的第二二向色反射器；以及 能夠反射所述第三顏色光的第三反射器， 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傾斜，使得所述第一顏色光、所述第二顏色光以及所述第三顏色光均被反射，以便沿著所述光軸通過所述第一光輸入表面離開，成為合色光束。
16.根據權利要求15所述的合色器，其中所述第一顏色光和第二顏色光每一個均包括第一發(fā)散角，而且所述合色光束包括第二發(fā)散角，所述第二發(fā)散角與所述第一發(fā)散角相差不超過10%。
17.根據權利要求15所述的合色器，其中所述第三反射器是寬帶反射鏡。
18.根據權利要求15所述的合色器，其中所述第三反射器是能夠反射所述第三顏色光并且透射其他顏色光的第三二向色反射器。
19.根據權利要求15所述的合色器，其還包括集光光學器件，所述集光光學器件包括: 第三透鏡，其具有第四凸形表面、與所述第四凸形表面相對的第二光輸入表面，以及光勻化隧道，所述光勻化隧道設置在所述光軸上并且能夠將離開所述第一光輸入表面的光透射到所述第二光輸入表面；以及 在所述光軸上保持居中的第四透鏡，所述第四透鏡具有面向所述第四凸形表面的第五表面，以及與所述第五表面相對的第六凸形表面， 其中進入所述第二光輸入表面的光離開所述第六凸形表面，成為具有較小發(fā)散角的擴展式合色光束。
20.根據權利要求19所述的合色器，其中所述較小發(fā)散角包括小于約15度的角。
21.根據權利要求19所述的合色器，其中所述較小發(fā)散角包括小于約12度的角。
22.—種圖像投影儀，其包括: 根據權利要求11或權利要求19所述的合色器； 偏振轉換器，其設置為接受所述第一顏色光、所述第二顏色光以及所述第三顏色光，并且輸出偏振第一顏色光、偏振第二顏色光以及偏振第三顏色光； 空間光調制器，其設置為將圖像賦予所述偏振第一顏色光、偏振第二顏色光以及偏振第三顏色光；以及投影光學器件。
23.根據權利要求22所述的圖像投影儀，其中所述空間光調制器包括硅基液晶(LCoS)成像器或透射型液晶顯示器(IXD)。
全文摘要
本發(fā)明整體涉及合色器，具體而言，涉及可用于口袋式投影儀等小型投影儀的合色器。所公開的合色器包括具有至少兩個反射器的傾斜二向色板，所述反射器配置有集光光學器件，以便組合至少兩種顏色的光。
文檔編號G02B27/18GK103119514SQ201180045889
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權日2010年9月22日
發(fā)明者安德魯·J·歐德科克, 貟智省, 程曉輝 申請人:3M創(chuàng)新有限公司