[发明专利]光学元件和合色器

说明书

背景技术

用于将图像投影到屏幕上的投影系统可使用多色光源，例如发光二极管(LED)，其具有不同颜色以生成照明光。在LED和图像显示单元之间设置若干光学元件，用于将来自LED的光组合并转移到图像显示单元。图像显示单元可以使用多种方法来将图像施加到光上。例如，正如透射型或反射型液晶显示器一样，图像显示单元可以利用偏振。

图像亮度是投影系统的重要参数。彩色光源的亮度和会聚、组合、均化光以及向图像显示单元传送光的效率均会影响亮度。由于现代投影仪系统的尺寸减小，因此在将彩色光源产生的热保持在低水平(可以在小型投影仪系统中扩散)的同时需要保持足够的输出亮度水平。需要光组合系统以更高的效率组合多个彩色光，从而得到具有足够亮度水平的输出光，而光源的功耗不大。还需要光组合系统引导不同波长谱的光，其引导方式使光组合器中对波长敏感的组件的劣化降低到最小程度。

发明内容

总体上，本说明书涉及光学元件、使用所述光学元件的合色器和使用所述合色器的图像投影仪。在一个方面，光学元件包括具有三个输入面和输出面的偏振分束器(PBS)。PBS包括第一反射型偏振器，并且第一反射型偏振器可以是自立式膜，比如薄膜。第一反射型偏振器可以替代地设置在两个直角棱镜之间，这两个棱镜具有抛光表面，以促进PBS内的全内反射(TIR)。包括延迟器和第二反射型偏振器的光循环结构被设置成面向三个输入面中的每个，并且偏振滤光器被设置成面向输出表面。第一反射型偏振器和第二反射型偏振器中的每个均可以是被对准至第一偏振方向的笛卡尔反射型偏振器，并且每个延迟器均可以被对准成与第一偏振方向成45度角。偏振滤光器能够改变至少一个选定波长谱的光的偏振方向，而不改变至少另一个选定波长谱的光的偏振方向。光学元件还包括偏振旋转堆叠，其设置在至少一个光循环结构与对应的输入表面之间，使得穿过偏振旋转堆叠输入到输入表面的光具有所需的偏振方向。

在一个方面，合色器包括光学元件以及第一、第二和(可选的)第三输入光源，这些光源被构造用于透过光循环结构向着PBS发射光，并且穿过输出表面透射组合颜色的光。输入光源可以是未偏振的颜色光源，并且组合颜色的光可以是沿着所需方向偏振的组合颜色的光。每个输入光源可以是部分反射性的，允许沿着不期望方向偏振的光进行循环。在一个方面，组合光的方法包括将第一、第二和(可选的)第三颜色的未偏振光导向合色器，以及从偏振滤光器接收组合的偏振光。在另一个方面，图像投影仪包括合色器和成像器，成像器被设置用于将组合颜色的输出光中的第一部分导向投影元件，并且将组合颜色的输出光中的第二部分返回到合色器，以进行循环。

附图说明

整个说明书中都参考了附图，其中类似的附图标记表示类似的元件，并且其中：

图1是偏振分束器的透视图。

图2是具有四分之一波长延迟器的偏振分束器的透视图。

图3a示出具有抛光面的偏振分束器的俯视示意图。

图3b是合色器和准直光导的俯视示意图。

图4是光组合器的俯视示意图。

图5是投影仪的示意图。

图6是光组合器的俯视示意图。

附图未必按比例绘制。在附图中使用的相同的标号表示相同的部件。然而，应当理解，在给定附图中使用标号指示部件并非意图限制另一个附图中用相同标号标记的部件。

具体实施方式

本文描述的光学元件可以被构造为合色器，该合色器接收不同波长谱的光并且产生包括不同波长谱的光的组合输出光。在一个方面，所接收的输入光未偏振，组合输出光沿着所需方向偏振。在一个实施例中，所接收的具有不期望偏振方向的光被循环并旋转至所需的偏振方向，从而提高了光利用效率。在一些实施例中，组合光具有与所接收光中的每一个相同的集光率。组合光可以是具有不止一种波长谱的光的多色组合光。组合光可以是每个所接收光的按时间排序的输出。在一个方面，不同波长谱的光中的每一个对应不同的彩色光(如，红光、绿光和蓝光)并且组合输出光是白光或者按时间排序的红光、绿光和蓝光。为了本文说明之目的，“彩色光”和“波长谱光”都旨在意指具有可与特定颜色(如果肉眼可见)相关的波长谱范围的光。更普通的术语“波长谱光”是指可见的和其他波长谱的光，其包括，例如，红外光。

同样为了本文说明之目的，术语“面向”是指设置一个元件使得元件表面的垂直线沿着同样垂直于其他元件的光程。一个面向另一个元件的元件可包括邻近彼此设置的元件。一个面向另一个元件的元件还包括元件，所述元件被光学分离以便垂直于一个元件的光线同样垂直于另一个元件。