合光器的制作方法

专利名称：合光器的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及合光器和分光器，以及使用所述合光器和分光器的方法。具体而 言，本发明涉及合光器和分光器，所述合光器和分光器利用偏振光束分光镜来分别合并和 分离不同波长谱的光。
背景技术：
用于将图像投射在屏幕上的投影系统可以使用诸如发光二极管(LED)的多种波 长谱光源，用不同波长谱来产生照明光。若干光学元件被设置在LED与图像显示装置之间， 以将来自LED的光合并并传输到图像显示装置。图像显示装置可以使用多种方法来将图像 施加到光上。例如，图像显示装置可以利用偏振，正如透射式或反射式液晶显示器(LCD) — 样。还有其他用于将图像投射在屏幕上的投影系统，可以使用被构造为从数字微镜阵 列成像反射的白光，例如德州仪器公司的数字光处理器(DLP )显示器。在DLP 显示器中， 数字微镜阵列内的各反射镜表示投射图像的各像素。当对应的反射镜偏斜时，显示器像素 被照亮，以便入射光被引进投射光程。布置在光程内的彩色转轮被定时到从数字微镜阵列 反射光，以便反射的白光被过滤以投射对应像素的颜色。数字微镜阵列随后转换到下一个 所需的像素颜色，并且该过程以很快的速度连续进行，使得整个投影显示看起来被连续地 照亮。数字微镜投影系统需要较少的像素化阵列组件，这样可以得到较小尺寸的投影仪。

发明内容
图像亮度是投影系统的重要参数。色光源的亮度以及将光线收集、合并、均质化及 递送到图像显示装置的效率都会影响亮度。随着现代投影仪系统尺寸的减小，需要保持足 够水平的输出亮度，而同时将光源产生的热量保持在可在小型投影仪系统中消散的较低水 平。需要一种光线合并系统，其以提高的效率将多种色光合并，以提供具有足够水平的亮度 而没有光源的过度能耗的光输出。一般而言，本发明涉及包括偏振光束分光镜的合光器，以及使用所述合光器的方 法。本发明还涉及包括偏振光束分光镜器的分光器，以及使用所述分光镜的方法。在一个方面，合光器包括偏振光束分光镜，该偏振光束分光镜包括两个具有四个 棱面和两个端面的棱镜，以及设置在两棱镜的对角面之间的反射式偏振器。可抛光棱面和 端面以便能在棱镜内产生全内反射。反射式偏振器可以是对准到第一偏振方向的笛卡尔 (Cartesian)反射式偏振器。反射式偏振器可以是聚合物多层光学膜。合光器包括面向四 个外棱面中的三个而设置的四分之一波长延迟器。四分之一波长延迟器可以对准到第一偏 振方向。反射器设置为面向四分之一波长延迟器中的每一个。在另一方面，用于合并具有不同波长谱的两种光的合光器包括两个反射器，所述 反射器是二向色滤光镜，其分别透射第一和第二波长的光并反射其他波长的光。合光器包 括为反射镜的第三反射器。在又一方面，用于合并具有不同波长谱的三种光的合光器包括三个反射器，所述反射器是二向色滤光镜，其分别透射第一、第二和第三波长的光并反射其 他波长的光。在一些实施例中，棱镜、反射式偏振器、四分之一波长延迟器、反射器和二向色 滤光镜中的至少一些用光学粘合剂粘结在一起。还在又一方面，合并两种或三种波长谱的光的方法包括提供具有偏振光束分光镜 的合光器，所述偏振光束分光镜包括第一、第二和第三二向色滤光镜，其面向四个棱面中的 三个分别透射具有第一、第二和第三波长谱的光并反射其他波长的光；将具有第一、第二和 第三波长谱的光引向二向色滤光镜；以及从第四棱面接收合并光。第一和第二光线可以是 非偏振的，并且合并光也可以是非偏振的。在另一方面，分离多色光的方法包括提供包括第一、第二和第三二向色滤光镜的 合光器，所述二向色滤光镜面向四个棱面中的三个透射具有第一、第二和第三波长谱的光； 将多色合并光引向第四棱面；并从第一、第二和第三二向色滤光镜接收具有第一、第二和第 三波长谱的光。多色光可以是非偏振的，并且接收光也可以是非偏振的。在一些实施例中， 第三二向色滤光镜被反射镜所取代，并且第一和第二波长谱光从其余的两个二向色滤光镜 接收。在一个方面，合光器包括两个偏振光束分光镜，该偏振光束分光镜各自包括具有 四个棱面和两个端面的两个棱镜，以及设置在两棱镜中的每一个的对角面之间的反射式偏 振器。设置两个偏振光束分光镜使得棱面中的两个彼此面对。可抛光棱面和端面以便能在 每个偏振光束分光镜内发生全内反射。反射式偏振器可以是对准到第一偏振方向的笛卡儿 反射式偏振器。反射式偏振器可以是聚合物多层光学膜。合光器包括设置在面向六个外棱 面中的五个的四分之一波长延迟器，四分之一波长延迟器对准到第一偏振方向。反射器设 置为面向四分之一波长延迟器中的每一个。还在又一方面，用于合并具有不同波长谱的两种光的合光器包括两个反射器，所 述反射器是二向色滤光镜，其分别透射第一和第二波长的光并反射其他波长的光；以及为 反射镜的第三、第四和第五反射器。在另一方面，用于合并具有不同波长谱的三种光的合光器包括三个反射器，所述 反射器是二向色滤光镜，其分别透射第一、第二和第三波长的光并反射其他波长的光；以及 为反射镜的第四和第五反射器。在又一方面，用于合并具有不同波长谱的四种光的合光器包括四个反射器，所述 反射器是二向色滤光镜，其分别透射第一、第二、第三和第四波长的光并反射其他波长的 光；以及为反射镜的第五反射器。还在又一方面，用于合并具有不同波长谱的五种光的合光器包括五个反射器，所 述反射器是二向色滤光镜，其分别透射第一、第二、第三、第四和第五波长的光并反射其他 波长的光。在一个方面，第六二向色滤光镜和附加的四分之一波长延迟器被设置在两个棱镜 之间以改善合光器的性能。在一些实施例中，棱镜、反射式偏振器、四分之一波长延迟器、反 射器和二向色滤光镜中的至少一些用光学粘合剂粘结在一起。在另一方面，合并二至五种波长谱的光的方法包括提供具有两个偏振光束分光镜 的合光器；所述合光器设置有第一至第五二向色滤光镜，其在六个外棱面的五个上分别透 射具有第一至第五波长谱的光并反射其他波长的光；将具有第一至第五波长谱的光引向二
8向色滤光镜；以及从第六外棱面接收合并光。第一至第五光可以是非偏振的，并且合并光也 可以是非偏振的。在又一方面，分离多色光的方法包括提供合光器的步骤，所述合光器包括第一至 第五二向色滤光镜，其在六个外棱面的五个上分别透射具有第一至第五波长谱的光并反射 其他波长的光；将多色光引向第六棱面；以及从第一至第五二向色滤光镜接收具有第一至 第五波长谱的光。多色光可以是非偏振的，并且接收光也可以是非偏振的。最多可用反射 镜替换三个二向色滤光镜，并且光可以从其余的两个二向色滤光镜接收。


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是偏振光束分光镜的透视图。图2是带有四分之一波长延迟器的偏振光束分光镜的透视图。图3A-图3D是合光器的俯视示意图。图4是示出偏振光束分光镜的俯视示意图。图5是分光器的俯视示意图。图6A-图6B是合光器的俯视示意图。图7A-图7B是合光器的俯视示意图。图8是分光器的俯视示意图。图9A-图9C是合光器的俯视示意图。附图不一定按比例绘制。用于附图中的相同的标记是指类似的组件。但是，应当 理解，用附图标记来指给定附图中的组件，并非旨在限制在另一个附图中标有相同标记的 组件。
具体实施例方式本文所述的合光器接收不同波长谱的光，并产生包括不同波长谱光的合并光输 出。在一些实施例中，合并光具有与所接收光中的每一个相同的集光率。合并光可以是具 有不止一种波长谱的光的多色结合光。在一个方面，不同波长谱的光中的每一个对应不同 的色光(如，红色、绿色和蓝色)，并且合并光输出是白光。为了本文说明之目的，“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。当两个或多个未偏振的色光被引向色合光器时，各个未偏振的色光由偏振光束分 光镜(PBS)中的反射式偏振器根据偏振而分离。当进入PBS时，光可以是平行的、会聚的或 发散的。在穿过PBS的表面或端面中的一个时，进入PBS的会聚或发散光可产生损失。为 了避免此类损失，可抛光PBS的所有外表面以便能够在PBS内产生全内反射(TIR)。全内反 射的产生提高了进入PBS的光的利用率，以便所有在角度范围内进入PBS的光基本上被重导向，来通过所需的表面而离开PBS。各进入合光器的色光的至少一个偏振分量穿过到偏振旋转反射器。偏振旋转反 射器将光的传播方向反向，并根据偏振旋转反射器中的分量及其取向来改变偏振分量的大 小。偏振旋转反射器包括反射器和延迟器。在一个实施例中，反射器可以是反射镜，其通过 反射来反射透射的光。在一个实施例中，反射器可以是二向色滤光镜，其透射一个波长谱的 光并反射其他波长的光。二向色滤光镜可通过反射光来反射其他波长的光。延迟器可以提 供任何所需的延迟，例如，八分之一波长延迟器、四分之一波长延迟器等。在本文所述的实 施例中，使用四分之一波长延迟器和相关的反射器会具有优势。随着其穿过以45°角对准 到光偏振轴的四分之一波长延迟器，线偏振光变为圆偏振光。随后从色合光器中的反射式 偏振器和四分之一波长延迟器/反射器的反射使得从合光器高效输出合并光。相反，随着 其穿过其他延迟器并取向，线偏振光部分变为在S-偏振和ρ-偏振(椭圆或线状)之间的 偏振态，并可造成合光器的低效率。根据一个方面，合光器包括两个串接设置的带有相关四分之一波长延迟器和反射 器的PBS，以产生合并光。来自多达五个不同光源的光可以被引向两个串接的PBS的六个外 棱面中的五个，并且合并光从第六外棱面接收。包括棱镜、反射式偏振器、四分之一波长延迟器、反射镜和二向色滤光镜的合光器 的组件可以通过适合的光学粘合剂而粘结在一起。用来将组件粘结在一起的光学粘合剂可 具有的折射率比用于合光器的棱镜的折射率更低。完全粘结在一起的合光器提供包括在组 装、处理和使用期间的对齐稳定性的优势。通过参照附图和下面的

，上述的实施例可以更容易地理解。图1是PBS的透视图。PBS 100包括设置在棱镜110和120的对角面之间的反射 式偏光镜190。棱镜100包括两个端面175、185，以及在其间具有90°角的第一和第二棱面 130、140。棱镜120包括两个端面170、180，以及在其间具有90°角的第三和第四棱面150、 160。第一棱面130与第三棱面150平行，并且第二棱面140与第四棱面160平行。用“第 一”、“第二”、“第三”和“第四”来标识图1所示的四个棱面用来使下面讨论中对PBS 100的 描述清晰。反射式偏振器190可以是笛卡尔反射式偏振器或非笛卡尔反射式偏振器。非笛 卡尔反射式偏振器，例如麦克尼尔(MacNeille)偏振器，可包括多层无机膜，例如由无机电 介质连续沉积而产生的那些。笛卡尔反射式偏振器具有偏振轴方向，并同时包括线栅偏振 器和聚合物多层光学膜，例如可以通过挤出并随后拉伸多层聚合物型层合物来制备聚合物 多层光学膜。在一个实施例中，反射式偏光镜190被对齐，以便一个偏振轴平行于第一偏振 方向195，并垂直于第二偏振方向196。在一个实施例中，第一偏振方向195可以是S-偏振 方向，并且第二偏振方向196可以是ρ-偏振方向。如图1所示，第一偏振方向195垂直于 端面170、175、180、185中的每一个。笛卡尔反射式偏振器膜提供偏振光束分光镜，该偏振光束分光镜具有穿过未完全 平行的、以及从中心光束轴发散的或偏斜的输入光线的能力。笛卡尔反射式偏振器膜可以 包括具有多层的电介质或聚合物材料的聚合物多层光学膜。电介质膜的使用可以具有低 光衰减和高透光效率的优势。多层光学膜可以包括聚合物多层光学膜，例如在美国专利 5，962，114 (Jonza等人)或美国专利6，721，096 (Bruzzone等人)中所述的那些。图2是如在一些实施例中使用的四分之一波长延迟器对准到PBS的透视图。四分之一波长延迟器可以用来改变入射光的偏振态。PBS延迟器系统200包括具有第一和第二 棱镜110和120的PBS 100。四分之一波长延迟器220面向第一和第二棱面130和140中 的每一个而设置。反射式偏振器190是对准到第一偏振反向195的笛卡尔反射式偏振器膜。 四分之一波长延迟器220包括与一偏振方向195成45°角对准的四分之一波长偏振方向 295。尽管图2示出了按顺时针方向与第一偏振方向195成45°角对准的偏振方向295，但 是偏振方向295可相反按逆时针方向与第一偏振方向195成45°角对准。在一些实施例 中，四分之一波长偏振方向295可以任何角度定向对准到第一偏振方向195，例如从逆时针 方向的90°到顺时针方向的90°。由于当线偏振光穿过这样对准到偏振方向的四分之一 波长延迟器时圆偏振光产生，所以将延迟器定向在所述的大约+/-45°会是有利的。在从镜 面反射时，四分之一波长延迟器的其他定向可以产生未完全转换为P-偏振光的S-偏振光， 以及未完全转换为S-偏振光的ρ-偏振光，从而造成在本说明书别处所述的合光器的效率 降低。图3A是合光器的俯视图。图3A中，合光器300包括设置在棱镜110和120的对 角面之间具有反射式偏振器190的PBS 100。棱镜110包括其间具有90°角的第一和第二 棱面130、140。棱镜120包括其间具有90°角的第三和第四棱面150、160。反射式偏振器 190可以是对准到第一偏振方向195(在图中，垂直于页面)的笛卡尔反射式偏振器。反射 式偏振器190可相反为非笛卡尔偏振器。合光器300包括面向第一、第二和第三棱面130、140、150而设置的四分之一波长 延迟器220。四分之一波长延迟器220与第一偏振方向195成45°角对准。光传输材料 340设置在各四分之一波长延迟器220和其相应的棱面之间。光传输材料340可以是任何 材料，其折射率低于棱镜110、120的折射率。在一个实施例中，光传输材料340是空气。在 另一个实施例中，光传输材料340是将四分之一波长延迟器220粘合到其相应的棱面的光 学粘合剂。合光器300包括面向所示的四分之一波长延迟器220而设置的第一、第二和第三 反射器310、320、330。如图3A所示，反射器310、320、330中的每一个可以与邻近的四分之 一波长延迟器220分离。另外，反射器310、320、330中的每一个可以与邻近的四分之一波 长延迟器220直接接触。或者，反射器310、320、330中的每一个可以用光学粘合剂粘附到 邻近的四分之一波长延迟器220。光学粘合剂可以是可固化粘合剂。光学粘合剂还可以是 压敏粘合剂。合光器300可以是双色合光器。在这个实施例中，反射器310、320、330中的两个 是第一和第二二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一和第二色光并反射其他色光。第三 反射器是反射镜。反射镜意指被选择来基本上反射所有色光的镜面反射器。第一和第二色 光在光谱范围内可以具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。在图3A所示的一个实施例中，合光器300是三色合光器。在这个实施例中，反射 器310、320、330是第一、第二和第三二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一、第二和第三 色光并反射其他色光。在一个方面，第一、第二和第三色光在光谱范围内具有最小的重叠， 然而如果需要，也可以有大量的重叠。使用这个实施例的合光器300的方法包括将具有第 一色的第一光350引向第一二向色滤光镜310 ；将具有第二色的第二光360引向第二二向 色滤光镜320 ；将具有第三色的第三光370引向第三二向色滤光镜330 ；并从PBS 100的第四面接收合并光380。第一、第二和第三光线350、360、370中每一个的光程将结合图3B-3D
来进一步描述。在一个实施例中，第一、第二和第三光350、360、370中的每一个可以是非偏振光， 并且合并光380是非偏振的。在另一个实施例中，第一、第二和第三光350、360、370中的每 一个可以是红色、绿色和蓝色非偏振光，并且合并光380可以是非偏振白光。第一、第二和 第三光350、360、370中的每一个可包括来自发光二极管(LED)光源的光。可以使用各种光 源，例如激光、激光二极管、有机LED(OLED)以及非固态光源，诸如带有适当的聚光镜或反 射器的超高压(UHP)灯、卤素灯或氙气灯。LED光源可以具有优于其他光源的优势，包括运 行经济性、长寿命、耐用性、有效光振荡和改善的光谱输出。现在来看图3B，描述了用于第一光350未偏振的实施例的穿过合光器300的第一 光350的光程。在这个实施例中，未偏振光通过第四棱面160离开PBS 100，所述未偏振光 包括具有第二偏振方向的光线351以及具有第一偏振方向的光线355。第一光350被引导通过第一二向色滤光镜310、四分之一波长延迟器220，并通过 第三棱面150进入PBS 100。第一光350拦截反射式偏振器190，并分离为具有第一偏振方 向的光线352和具有第二偏振方向的光线351。具有第二偏振方向的光线351从反射式偏 振器190反射，并通过第四棱面160离开PBS 100。具有第一偏振方向的光线352穿过反射式偏振器190，通过第一棱面130离开PBS 100，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光390。圆偏振光390从第三二 向色滤光镜反射，从而改变圆偏振的方向，并再次穿过四分之一波长延迟器220，从而作为 具有第二偏振方向的光线354通过第一棱面130进入PBS 100。光线354从反射式偏振器 190反射，通过第二棱面140离开PBS 100，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为 圆偏振光390。圆偏振光390从第二二向色滤光镜320反射，从而改变圆偏振的方向，并再 次穿过四分之一波长延迟器220，从而作为具有第一偏振方向的光线355通过第二棱面140 进入PBS 100。具有第一偏振方向的光线355穿过反射式偏振器190并通过第四棱面160 离开 PBS 100。现在来看图3C，描述了用于第二光360未偏振的实施例的穿过合光器300的第二 光360的光程。在这个实施例中，未偏振光通过第四棱面160离开PBS 100，所述未偏振光 包括具有第二偏振方向的光线365以及具有第一偏振方向的光线362。第二光360被引导通过第二二向色滤光镜320、四分之一波长延迟器220，并通过 第二棱面140进入PBS 100。第二光360拦截反射式偏振器190，并分离为具有第一偏振方 向的光线362和具有第二偏振方向的光线361。具有第一偏振方向的光线362穿过反射式 偏振器190，并通过第四棱面160离开PBS 100。具有第二偏振方向的光线361从反射式偏振器190反射，离开PBS100的第一棱面 130，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光390。圆偏振光390从第三二 向色滤光镜330反射，从而改变圆偏振的方向，并再次穿过四分之一波长延迟器220，从而 作为具有第一偏振方向的光线363通过第一棱面130进入PBS 100。光线363穿过反射式 偏振器190，通过第三棱面150离开PBS 100，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变 为圆偏振光390。圆偏振光390从第一二向色滤光镜310反射，从而改变圆偏振的方向，并 再次穿过四分之一波长延迟器220，从而作为具有第二偏振方向的光线365通过第三棱面150进入PBS 100。具有第二偏振态的光线365从反射式偏振器190反射，并通过第四棱面 160 离开 PBS 100。现在来看图3D，描述了用于第三光370未偏振的实施例的穿过合光器300的第三 光370的光程。在这个实施例中，未偏振光通过第四棱面160离开PBS 100，所述未偏振光 包括具有第二偏振方向的光线375以及具有第一偏振方向的光线373。第三光370被引导通过第三二向色滤光镜330、四分之一波长延迟器220，并通过 第一棱面130进入PBS 100。第三光370拦截反射式偏振器190，并分离为具有第一偏振方 向的光线372和具有第二偏振方向的光线371。具有第一偏振方向的光线372穿过反射式偏 振器190，离开第三棱面150，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光390。 圆偏振光390从第一二向色滤光镜310反射，从而改变圆偏振的方向，并再次穿过四分之一 波长延迟器220，从而作为具有第二偏振态的光线374通过第三棱面150进入PBS 100。具 有第二偏振方向的光线374从反射式偏振器190反射，并通过第四棱面160离开PBS 100。具有第二偏振方向的光线371从反射式偏振器190反射，通过第二棱面140离开 PBS 100，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光390。圆偏振光390从第 二二向色滤光镜320反射，从而改变圆偏振的方向，再次穿过四分之一波长延迟器220，并 作为具有第二偏振方向的光线373通过第二棱面140进入PBS 100。具有第一偏振方向的 光线373穿过反射式偏振器190，并通过第四棱面160离开PBS100。图4示出了抛光的PBS 400内的光线的光程。根据一个实施例，棱镜110和120的 第一、第二、第三和第四棱面130、140、150、160是与具有折射率“Ii1 ”的材料接触的抛光外表 面，所述折射率“η/’小于棱面110和120的折射率“η2”。根据另一个实施例，PBS 400的所 有外表面(包括端面，未示出)都是在PBS 400内提供斜光线的全内反射的抛光面。抛光 外表面与折射率为“η/’的材料接触，所述折射率“Ii1 ”小于棱面110和120的折射率“η2”。 全内反射提高了 PBS400中光的利用率，特别是当引进PBS的光未沿中心轴平行时，即当入 射光是会聚的或发散的。至少一些光被全内反射困陷在PBS 400中，直到其通过第三棱面 150而离开。在一些情况下，基本上所有光被全内反射困陷在PBS 400中，直到其通过第三 棱面150而离开。如图4所示，光线Ltl在角Q1的范围内进入第一棱面130。PBS 400内的光线L1 在角θ 2的范围内传播，以便在棱面140、160和端面(未示出)上满足斯涅尔定律。光线 “AB”、“AC”和“AD”表示许多通过PBS 400的光程中的三个，其在通过第三棱面150离开之 前以不同入射角与反射式偏振器190相交。光线“ΑΒ”和“AD”在离开之前也均分别在棱面 140和160进行全内反射。应当理解，角Q1* θ 2的范围可以是角锥，以便还可以在PBS 400的端面发生发射。在一个实施例中，反射式偏振器190选择为在宽泛的入射角的范围内 有效地分离不同偏振的光。聚合物多层光学膜特别适于在入射角的宽泛范围内分离光。可 以使用包括麦克尼尔(MacNeille)偏振器和线栅偏振器在内的其他反射式偏振器，但是其 在分离偏振光方面效率较低。麦克尼尔偏振器不能在高入射角处有效地透射光。由于两种 偏振态的显著反射发生在较大角处，所有利用麦克尼尔偏振器的偏振光的有效分离会被限 制为低于常角大约6或7度的入射角。利用线栅偏振器的偏振光的有效分离通常需要邻近 线一侧的空气间隙，并且当线栅偏振器沉浸在较高折射率介质中时效率下降。图5是根据本发明一个方面的分光器500的俯视示意图。分光器500使用与图3A-图3D所示的合光器相同的组件，但功能相反，即，合并光580被引向第四棱面160，并分 离为分别具有第一、第二和第三色的第一、第二和第三接收光550、560、570。在图5中，分光 器500包括设置在棱镜110、120的对角面之间具有反射式偏振器190的PBS100。棱镜110 包括其间具有90°角的第一和第二棱面130、140。棱镜120包括其间具有90°角的第三和 第四棱面150、160。反射式偏振器190可以是对准到第一偏振方向195(在图中，垂直于页 面)的笛卡尔反射式偏振器，或者是非笛卡尔反射式偏振器，但笛卡尔反射式偏振器是优 选的。分光器500还包括面向第一、第二和第三棱面130、140、150设置的四分之一波长 延迟器220。四分之一波长延迟器220与第一偏振方向195成45°角对准，如在别处所述。 光传输材料340设置在各四分之一波长延迟器220与其相应的棱面之间。光传输材料340 可以是折射率小于棱镜110、120折射率的任何材料。在一个方面中，光传输材料340可以 是空气。在另一方面，光传输材料340可以是光学粘合剂，其将四分之一波长延迟器220粘 合到其相应的棱面。分光器500包括面向所示四分之一波长延迟器220设置的第一、第二和第三反射 器310、320、330。在一个方面，反射器310、320、330可以与邻近的四分之一波长延迟器220 分离，如图3A所示。在一个方面，反射器310、320、330可以与邻近的四分之一波长延迟器 220直接接触。在一个方面，反射器310、320、330可以用光学粘合剂粘附到邻近的四分之一 波长延迟器220。在一个实施例中，分光器500是双色分光器。在这个实施例中，反射器310、320、 330中的两个是第一和第二二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一和第二色光并反射其 他色光。第三反射器是反射镜。反射镜意指被选择来基本上反射所有色光的镜面反射器。 在一个方面，第一和第二色光在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量
的重叠。在一个实施例中，分光器500是三色分光器。在这个实施例中，反射器310、320、 330是第一、第二和第三二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一、第二和第三色光并反射 其他色光。在一个方面，第一、第二和第三色光在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需 要，也可以有大量的重叠。这个实施例使用分光器500的方法包括将合并光580引向PBS 100的第四棱面160、从二向色滤光镜310接收具有第一色的第一光550、从第二二向色滤光 镜320接收具有第二色的第二光560、以及从第三二向色滤光镜330接收具有第三色的第三 光570的步骤。合并的第一、第二和第三接收光580、550、560、570中每一个的光程遵循图 3B-图3D中的描述，然而，所有光线的方向被反向。在一个实施例中，合并光580可以是非偏振光，并且第一、第二和第三光550、560、 570中的每一个均是非偏振光。在一个实施例中，合并光580可以是非偏振白光，并且第一、 第二和第三光550、560、570中的每一个是红色、绿色和蓝色非偏振光。根据一个方面，合并 光580包括来自发光二极管(LED)光源的光。可以使用各种光源，例如激光、激光二极管、 有机LED(OLED)以及非固态光源，诸如带有适当的聚光镜或反射器的超高压(UHP)灯、卤素 灯或氙气灯。LED光源可以具有优于其他光源的优势，包括运行经济性、长寿命、耐用性、有 效光振荡和改善的光谱输出。图6A是根据一个实施例的包括PBS 100和第二 PBS 100'的合光器600的俯视
14图。PBS 100包括设置在棱镜110、120的对角面之间的反射式偏振器190。棱镜110包括 在其间具有90°角的第一和第二棱面130、140。棱镜120包括其间具有90°角的第三和第 四棱面150、160。第二PBS 100'包括设置在棱镜110' ,120'的对角面之间的反射式偏振 器190'。棱镜110'包括其间具有90°角的第五和第六棱面140' ,130'。棱镜120'包 括其间具有90°角的第七和第八棱面160' ,150'。反射式偏振器190、190'可以是对准 到第一偏振方向195(在图中，垂直于页面)的笛卡尔反射式偏振器。反射式偏振器190、 190'可以是非笛卡尔反射式偏振器，但笛卡尔反射式偏振器是优选的。第二 PBS 100'邻 近PBS100而设置，以便第四棱面160面向第五棱面140'。第四棱面160和第五棱面140' 可以被间隙分隔，或者利用光学粘合剂彼此粘附。如果使用，光学粘合剂应当满足在别处所 提供的折射率关系，以允许在棱面上发生全内反射。合光器600包括四分之一波长延迟器220，其面向第一、第二、第三、第六和第七棱 面130、140、150、130'、160'而设置。四分之一波长延迟器220与第一偏振方向195成 45°角对准，如在别处所述。光传输材料340设置在各四分之一波长延迟器220与其相应 的棱面之间。光传输材料340可以是折射率小于棱镜110、120、110' ,120'折射率的任何 材料。在一个方面，光传输材料340可以是空气。在另一方面，光传输材料340可以是光学 粘合剂，其将四分之一波长延迟器220粘合到其相应的棱面。合光器600包括面向所示四分之一波长延迟器220设置的第一、第二、第三、第四 和第五反射器610、620、630、640、660。在一个实施例中，反射器610、620、630、640、660可 以与邻近的四分之一波长延迟器220分离，如图6A所示。在另一个实施例中，反射器610、 620、630、640、660可以与邻近的四分之一波长延迟器220直接接触。在一个实施例中，反射 器610、620、630、640、650可以用光学粘合剂粘附到邻近的四分之一波长延迟器220。在一个实施例中，合光器600是双色合光器。在这个实施例中，反射器610、620、 630,640,660中的两个是第一和第二二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一和第二色光 并反射其他色光。其余的三个反射器是反射镜。在一个方面，第一和第二色光在光谱范围 内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。在一个实施例中，合光器600是三色合光器。在这个实施例中，反射器610、620、 630,640,660中的三个是第一、第二和第三二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一、第二 和第三色光并反射其他色光。其余的两个反射器是反射镜。在一个方面，第一、第二和第三 色光在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。在一个实施例中，合光器600是四色合光器。在这个实施例中，反射器610、620、 630、640、660中的四个是第一、第二、第三和第四二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一、 第二、第三和第四色光并反射其他色光。其余的反射器是反射镜。在一个方面，第一、第二、 第三和第四色光在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。在图6A所示的一个实施例中，合光器600是五色合光器。在这个实施例中，反射器 610、620、630、640、660是第一、第二、第三、第四和第五二向色滤光镜，其被选择来分别透射 第一、第二、第三、第四和第五色光并反射其他色光。在一个方面，第一、第二、第三、第四和 第五色光在光谱范围内具有最小的重叠；然而如果需要，也可以有大量的重叠。使用这个实 施例的合光器600的方法包括将具有第一色的第一光670引向第一二向色滤光镜610、将具 有第二色的第二光692弓丨向第二二向色滤光镜620、将具有第三色的第三光694弓丨向第三二向色滤光镜630、将具有第四色的第四光696引向第四二向色滤光镜640、将具有第五色的 第五光698引向第五二向色滤光镜660、以及从第二 PBS 100'的第七面接收合并光680的 步骤。第一光670的光程结合图6B来描述。为了简洁，第二、第三、第四和第五光692、694、 696,698的光程未被包括，但其可以通过遵照图6B中所描述的步骤来确定。在一个实施例中，第一、第二、第三、第四和第五光670、692、694、696、698中的每 一个可以是非偏振光，并且合并光680是非偏振的。在一个实施例中，第一、第二、第三、第 四和第五光670、692、694、696、698中的每一个可以是红色、绿色、蓝色、黄色和青色非偏振 光，并且合并光680是非偏振白光。根据一个方面，第一、第二、第三、第四和第五670、692、 694、696、698中的每一个包括来自发光二极管(LED)光源的光。可以使用各种光源，例如激 光、激光二极管、有机LED(OLED)以及非固态光源，诸如带有适当的聚光镜或反射器的超高 压(UHP)灯、商素灯或氙气灯。LED光源可以具有优于其他光源的优势，包括运行经济性、长 寿命、耐用性、有效光振荡和改善的光谱输出。现在来看图6B，描述了用于第一光670未偏振的实施例的穿过合光器600的第一 光670的光程。在这个实施例中，未偏振光通过第八棱面150'离开第二 PBS 100'，所述 未偏振光包括具有第二偏振方向的光线676以及具有第一偏振方向的光线678。第一光670被引导通过第一二向色滤光镜610、四分之一波长延迟器220，并通过 第三棱面150进入PBS 100。第一光670拦截反射式偏振器190，并分离为具有第一偏振方 向的光线672和具有第二偏振方向的光线671。具有第二偏振方向的光线671从反射式偏振器190反射，通过第四棱面160离开 PBS 100，并进入第二 PBS 100'的第五棱面140'。光线671作为具有第二偏振方向的光 线677从反射式偏振器190'反射，通过第六棱面130'离开PBS 100'，并随着其穿过四分 之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光690从第四二向色滤光镜640反射，从 而改变圆偏振的方向，穿过四分之一波长延迟器220，并作为具有第一偏振态的光线678通 过第六棱面130'进入第二 PBS 100'。具有第一偏振方向的光线678穿过反射式偏振器 190'，并通过第八棱面150'离开PBSlOO'。具有第一偏振方向的光线672通过第一棱面130离开PBS 100，并随着其穿过四分 之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光390从第三二向色滤光镜630反射， 从而改变圆偏振的方向，并穿过四分之一波长延迟器220，从而作为具有第二偏振态的光 线673通过第一棱面130进入PBS 100。光线673从反射式偏振器190反射，通过第二棱 面140离开PBS 100，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振 光690从第二二向色滤光镜620反射，从而改变圆偏振的方向，并穿过四分之一波长延迟器 220，从而作为具有第一偏振态的光线674通过第二棱面140进入PBS 100。具有第一偏振 方向的光线674穿过反射式偏振器190，通过第四棱面160离开PBS 100，并通过第五棱面 140'进入第二 PBS 100'。光线674穿过反射式偏振器190'，通过第七棱面160'离开第 二 PBS 100'，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光690 从第五二向色滤光镜660反射，从而改变圆偏振的方向，穿过四分之一波长延迟器220，从 而作为具有第二偏振态的光线675通过第七棱面160'进入第二 PBS 100'。光线675从 反射式偏振器190'反射，并作为具有第二偏振方向的光线676通过第八棱面150'离开第 二 PBSlOO'。
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在一个实施例中，图6A和图6B所示的合光器600的运行可以通过更改通过第四 和第五反射器640和660进入第二 PBS 100'的光线的光程来改善。第六二向色滤光镜和 附加的四分之一波长延迟器可以设置在PBS 100和第二 PBS 100'之间以更改光程。参照 图7A和图7B，在下面进一步描述该实施例。图7A是根据本发明的一个实施例的通过合光器700的第二光692的光程的俯视 示意图。合光器700包括图6A和图6B的合光器600，所述合光器600带有设置在第四棱面 160和第五棱面140'之间的附加第六二向色滤光镜770和附加四分之一波长延迟器220。 第六二向色滤光镜770面向第四棱面160而设置，并且附加的四分之一波长延迟器220面 向第五棱面140'而设置。光传输材料340分别设置在第六二向色滤光镜770、附加的四分 之一波长延迟器220、以及第四和第五棱面160、140'之间。第六二向色滤光镜770被选择 来反射第四和第五色光中的至少一种并透射其他色光。第二光692穿过第二二向色滤光镜620、四分之一波长延迟器220，通过第二棱面 140进入PBS 100，拦截反射式偏振器190，并分离为具有第一偏振方向的光线710和具有 第二偏振方向的光线730。光线710穿过反射式偏振器190，并通过第四棱面160离开PBS 100。光线730从反射式偏振器190反射，通过第一棱面130离开PBS100，并随着其穿过 四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光690从第三二向色滤光镜630反 射，从而改变圆偏振的方向，并穿过四分之一波长延迟器220，从而作为具有第一偏振态的 光线732通过第一棱面130进入PBS 100。光线732穿过反射式偏振器190，通过第三棱面 150离开PBS 100，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光 690从第一二向色滤光镜610反射，从而改变圆偏振的方向，穿过四分之一波长延迟器220， 从而作为具有第二偏振态的光线734通过第三棱面150进入PBS 100。光线734从反射式 偏振器190反射，并作为具有第二偏振方向的光线736通过第四棱面160离开PBS 100应当理解，第一和第三光670和694 (如图6A所示)具有通过图7A的PBS 100的 光程，该光程利用与描述第二光692相同的方法很容易跟踪，得到相同的结果，但为了简洁 起见在这里略去。第一和第三光线670和694也在第一和第二偏振两个方向通过第四棱面 160 离开 PBS 100。在通过第四棱面160离开PBS 100后，光线710和光线736都穿过第六二向色滤 光镜770，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光线712和738。圆偏振光 线712和738拦截反射式偏振器190'，并分离为具有第一偏振方向的光线716和740，和 具有第二偏振方向的光线714和742。光线716和740通过第七棱面160'离开第二 PBS 100'，并随着其穿过四分之一 波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光690从第五二向色滤光镜660反射，从而改 变圆偏振的方向，穿过四分之一波长延迟器220，并作为具有第二偏振态的光线722和748 通过第七棱面160'进入第二 PBS 100'。光线722和748从反射式偏振器190'反射，并 作为都具有第二偏振态的光线724和750通过第八棱面150'离开第二 PBS 100'。光线714和742从反射式偏振器190'反射，通过第六棱面130 ‘离开第二 PBS 100'，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光690从第 四二向色滤光镜640反射，从而改变圆偏振的方向，穿过四分之一波长延迟器220，并作为
17具有第一偏振态的光线718和744通过第六棱面130'进入第二 PBS 100'。光线718和 744反射穿过反射式偏振器190'，并作为都具有第一偏振态的光线720和746通过第八棱 面 150'离开第二 PBS 100'。图7B示出了通过图7A所示的合光器700的第五和第六光线696和698的光程。 第五和第六光线696和698进入第二 PBS 100'，并通过从第六二向色滤光镜770反射而 防止进入PBS 100。当光穿过反射式偏振器190和190'或从其反射时，损失少量的光。第 六二向色滤光镜770可以通过防止第五和第六光线696和698进入PBS 100而减少这些损 失，从而改善合光器700的运行。第四光696穿过第四二向色滤光镜640、四分之一波长延迟器220，通过第六棱面 130'进入第二 PBS 100'，拦截反射式偏振器190'，并分离为具有第一偏振方向的光线 752和具有第二偏振方向的光线754。具有第一偏振的光线752穿过反射式偏振器190'， 并通过第八棱面150'离开第二 PBS 100'。光线754从反射式偏振器190'反射，通过第五棱面140 ‘离开第二 PBS 100'， 并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光690从第六二向色 滤光镜770反射，从而改变圆偏振的方向，穿过四分之一波长延迟器220，并作为具有第一 偏振态的光线755通过第五棱面140'进入第二 PBS 100'。光线755穿过反射式偏振器 190'，通过第七棱面160'离开第二 PBS 100'，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而 变为圆偏振光690。圆偏振光690从第五二向色滤光镜660反射，从而改变圆偏振的方向， 穿过四分之一波长延迟器220，并作为具有第二偏振态的光线756通过第七棱面160 ‘进入 第二 PBS 100'。光线756从反射式偏振器190'反射，并作为具有第二偏振态的光线757 通过第八棱面150'离开第二 PBS 100'。第五光698穿过第五二向色滤光镜660、四分之一波长延迟器220，通过第七棱面 160'进入第二 PBS 100'，拦截反射式偏振器190'，并分离为具有第一偏振方向的光线 758和具有第二偏振方向的光线762。具有第二偏振方向的光线762从反射式偏振器190 ‘ 反射，并通过第八棱面150'离开第二 PBS 100'。光线758穿过反射式偏振器190'，通过第五棱面140'离开第二 PBS100'，并随 着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光690从第六二向色滤光 镜770反射，从而改变圆偏振的方向，穿过四分之一波长延迟器220，并作为具有第二偏振 态的光线759通过第五棱面140'进入第二 PBS 100'。光线759作为光线760从反射式 偏振器190'反射，通过第六棱面130'离开第二 PBS 100'，并随着其穿过四分之一波长 延迟器220而变为圆偏振光690。圆偏振光690从第四二向色滤光镜640反射，从而改变圆 偏振的方向，穿过四分之一波长延迟器220，并作为具有第一偏振态的光线761通过第六棱 面130'进入第二 PBS 100'。光线761穿过反射式偏振器190'，并作为具有第一偏振态 的光线761通过第八棱面150'离开第二 PBS 100'。图8是根据本发明一个方面的分光器800的俯视示意图。在一个实施例中，分光器 800可以使用与图6A和图6B所示的合光器600相同的组件。在一个实施例中，分光器800 可以使用与图7A和图7B所示的合光器600相同的组件。分光器800起到与合光器600相 反的作用，即多色合并光810被引向第八棱面150'，并分离为具有第一、第二、第三、第四 和第五色的第一、第二、第三、第四和第五接收光820、830、840、850、860。在图8中，分光器800包括参照图6A和图6B所述的合光器600的组件。在一个实施例中，分光器800是双色分光器。在这个实施例中，反射器610、620、 630,640,660中的两个是第一和第二二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一和第二色光 并反射其他色光。其余的三个反射器是反射镜。在一个方面，第一和第二色光在光谱范围 内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。在一个实施例中，分光器800是三色分光器。在这个实施例中，反射器610、620、 630,640,660中的三个是第一、第二和第三二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一、第二 和第三色光并反射其他色光。其余的两个反射器是反射镜。在一个方面，第一、第二和第三 色光在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。在一个实施例中，分光器800是四色分光器。在这个实施例中，反射器610、620、 630、640、660中的四个是第一、第二、第三和第四二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一、 第二、第三和第四色光并反射其他色光。其余的反射器是反射镜。在一个方面，第一、第二、 第三和第四色光可以在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。在一个实施例中，分光器800是五色分光器。在这个实施例中，反射器610、620、 630,640,660是第一、第二、第三、第四和第五二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一、第 二、第三、第四和第五色光并反射其他色光。在一个方面，第一、第二、第三和第四色光可以 在光谱范围内具有最小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。使用这个实施例的分 光器800的方法包括将合并光810引向第二 PBS 100'的第八棱面150'、从第一二向色滤 光镜610接收具有第一色的第一光860、从第二二向色滤光镜620接收具有第二色的第二光 850、从第三二向色滤光镜630接收具有第三色的第三光840、从第四二向色滤光镜640接收 具有第四色的第四光830，及从第五二向色滤光镜660接收具有第五色的第五光820的步 骤。合并的第一、第二、第三、第四和第五接收光860、850、840、830、820中的每一个的光程 遵循参照图6B所提供的描述，然而，所有光线的方向被反向。在一个实施例中，合并光810可以是非偏振光，并且第一、第二、第三、第四和第五 光860、850、840、830、820中的每一个是非偏振光。在一个实施例中，合并光810可以是非 偏振白光，并且第一、第二、第三、第四和第五光860、850、840、830、820中的每一个是红色、 绿色、蓝色、黄色和青色非偏振光。根据一个方面，合并光810包括来自发光二极管(LED) 光源的光。可以使用各种光源，例如激光、激光二极管、有机LED(OLED)以及非固态光源，诸 如带有适当的聚光镜或反射器的超高压(UHP)灯、卤素灯或氙气灯。LED光源可以具有优于 其他光源的优势，包括运行经济性、长寿命、耐用性、有效光振荡和改善的光谱输出。图9A-图9C是根据本发明的另一方面的合光器的俯视图。在图9A-图9C中，第 一至第三光线950、960、970的光程通过展开的合光器900进行描述。展开的合光器900可 以是参照图3A-图3D描述的合光器300的一个实施例。在这个实施例中，第一至第三光源 940、942、944设置在相同平面930上。在一个实施例中，平面930可以是三个光源共用的热 交换器。展开的合光器900包括分别面向PBS 100的第一棱面130和第三棱面150设置的 第三棱镜910和第四棱镜920，如在别处所述。第三棱镜910和第四棱镜920各自是“转向 棱镜”。从平面930上的第一和第三光源940、944发出的第一和第三光950、970被第三和 第四棱镜910、920转向以分别垂直于第一和第二棱面120、130的方向进入PBS 100。展开的合光器900包括面向第一、第二和第三棱面130、140、150设置的四分之一波长延迟器220。四分之一波长延迟器220与第一偏振方向195成45°角对准。光传输材 料340设置在各四分之一波长延迟器220与其相应的棱面之间。光传输材料340可以是折 射率小于棱镜110、120折射率的任何材料。在一个实施例中，光传输材料340是空气。在 另一个实施例中，光传输材料340是光学粘合剂，其将四分之一波长延迟器220粘合到其相 应的棱面。展开的合光器900包括第三和第四棱镜910、920。第三棱镜910包括第五和第六 棱面912、914及其间的对角棱面916。第五和第六棱面912、914是“转向棱面”。设置第五 棱面912来接收来自第三光源944的光，并将光引到第一棱面130。第四棱镜920包括第七 和第八棱面922、924及其间的对角棱面926。第七和第八棱面922、924也是“转向棱面”。 设置第七棱面922来接收来自第一光源940的光，并将光引到第三棱面150。第五、第六、第七和第八棱面912、914、922、924、及对角棱面916、926可为保留全 内反射而抛光，如在别处所述。第三和第四棱镜910、920的对角棱面916、926还可以包括 金属涂层；电介质涂层；有机或无机干涉叠堆；或其组合，以增强反射。展开的合光器900还包括第一、第二和第三反射器310、320、330，其设置来接收来 自第一、第二和第三光源940、942、944的光。在图9A-9C所示的一个实施例中，第一反射器 310和相关的延迟器220分别面向第七和第八棱面922、924而设置，并且还面向PBS 100的 第三棱面150。在一个实施例中，第三反射器330和相关的延迟器220分别面向第五和第六 棱面912、914而设置，并且还面向PBS 100的第一棱面130。在另一个实施例中(未示出)， 第一反射器310和相关的延迟器220以类似于设置第二反射器320和相关的延迟器220的 方式面向彼此(如邻近彼此)而设置。在这种情况下，第一反射器310和延迟器220可以 邻近棱面922，或邻近棱面150而设置。原则上，只要各自相对于光线光程的取向未改变，即 各自基本上垂直于光线的光程，展开的合光器900可以不管反射器和相关的延迟器之间的 间隔如何而运行。然而，根据从对角棱面926和916的反射的本质，可能有或多或少由从这 些面的反射引进的偏振混合。此偏振混合可造成光效的损失，并可以通过将反射器310和 330邻近棱面120和130设置而使其最小化。反射器310、320、330中的每一个可以与相关的四分之一波长延迟器220分离，如 图9A-9C所示。另外，反射器310、320、330中的每一个可以与邻近的四分之一波长延迟器 220直接接触。或者，反射器310、320、330中的每一个可以用光学粘合剂粘附到邻近的四 分之一波长延迟器220。光学粘合剂可以是可固化粘合剂。光学粘合剂还可以是压敏粘合 剂。展开的合光器900可以是双色合光器。在这个实施例中，反射器310、320、330中的 两个是第一和第二二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一和第二色光并反射其他色光。 第三反射器是反射镜。反射镜意指被选择来基本上反射所有色光的镜面反射器。第一和第 二色光在光谱范围内具有最小的重叠；然而如果需要，也可以有大量的重叠。在图9A-9C所示的一个实施例中，展开的合光器900是三色合光器。在这个实施 例中，反射器310、320、330是第一、第二和第三二向色滤光镜，其被选择来分别透射第一、 第二和第三色光并反射其他色光。在一个方面，第一、第二和第三色光在光谱范围内具有最 小的重叠，然而如果需要，也可以有大量的重叠。使用这个实施例的展开的合光器900的方 法包括将具有第一色的第一光线950引向第一二向色滤光镜310 ；将具有第二色的第二光线960引向第二二向色滤光镜320 ；将具有第三色的第三光线970引向第三二向色滤光镜 330 ；并从PBS 100的第四面160接收合并光。第一、第二和第三光线950、960、970中每一 个的光程参照图9A-图9C来进一步描述。在一个实施例中，第一、第二和第三光950、960、970中的每一个可以是非偏振光， 并且合并光非偏振的。在另一个实施例中，第一、第二和第三光950、960、970中的每一个可 以是红色、绿色和蓝色非偏振光，并且合并光可以是非偏振白光。第一、第二和第三光950、 960,970中的每一个可以包括如参照图3A-图3D在别处所述的光。在一个方面，展开的合光器900可包括设置在第一、第二和第三光源940、942、944 中的每一个与相应的第五、第二和第七棱面912、140、922之间的可选光隧道935。单个可选 光隧道935示出在图9A-图9C中，以表明相对于第三光源944的设置；但是，应当理解，可 选光隧道935可以邻近第一、第二和第三光源940、942、944与相应的棱面922、140、912的 任何组合而设置。对于部分使源自光源的光平行并降低光进入PBS 100的角度而言，光隧 道935可能是有用的。光隧道935是展开的合光器900的可选组件，并且还可是本文所述 的任何颜色合光器和分光器的可选组件。光隧道可以具有直或弯曲侧面，或者其可以被透 镜系统代替。根据每种应用的具体详情，可以优选不同的方法，并且本领域的技术人员将会 很容易为具体的应用选择最佳的方法。现在来看图9A，描述了用于第一光950未偏振的实施例的穿过展开的合光器900 的第一光950的光程。在这个实施例中，未偏振光通过第四棱面160离开PBS 100，所述未 偏振光包括具有第二偏振方向的光线951，和具有第一偏振方向的光线956。第一光950被引导通过第一二向色滤光镜310，通过第七棱面922进入第四棱镜 920，从对角棱面926反射，通过第八棱面924离开第四棱镜920，穿过四分之一波长延迟器 220，并通过第三棱面150进入PBS100。第一光950拦截反射式偏振器190，并分离为具有 第一偏振方向的光线952和具有第二偏振方向的光线951。具有第二偏振方向的光线951 从反射式偏振器190反射，并通过第四棱面160离开PBS 100。具有第一偏振方向的光线952穿过反射式偏振器190，通过第一棱面130离开PBS 100，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光953。圆偏振光953通过第六 棱面914进入第三棱镜910，从对角棱面916反射，从而改变圆偏振的方向，通过第五棱面 912离开第三棱镜910，并从第三二向色滤光镜330反射，从而再次改变圆偏振的方向并变 为圆偏振光954。圆偏振光954通过第五棱面912进入第三棱镜910，从对角棱面916反 射，从而改变圆偏振的方向，通过第六棱面914离开第三棱镜910，并随着其穿过四分之一 波长延迟器220而变为具有第二偏振态的光线955。具有第二偏振态的光线955通过第一 棱面130进入PBS 100，从反射式偏振器190反射，通过第二棱面140离开PBS 100，随着其 穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光390，从第二二向色滤光镜320反射，从而改 变圆偏振的方向，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为具有第一偏振方向的第一 光956。具有第一偏振方向的第一光956通过第二棱面140进入PBS 100，穿过反射式偏振 器190，并作为具有第一偏振方向的第一光956通过第四棱面160离开PBS 100。现在来看图9B，描述了用于第二光960未偏振的实施例的穿过展开的合光器900 的第二光960的光程。在这个实施例中，未偏振光通过第四棱面160离开PBS 100，所述未 偏振光包括具有第二偏振方向的光线968和具有第一偏振方向的光线961。
第二光960被引导通过第二二向色滤光镜320、四分之一波长延迟器220，并通过 第二棱面140进入PBS 100。第二光960拦截反射式偏振器190，并分离为具有第一偏振方 向的光线961和具有第二偏振方向的光线962。具有第一偏振方向的光线961穿过反射式 偏振器190，并通过第四棱面160离开PBS 100。具有第二偏振方向的光线962从反射式偏振器190反射，离开PBS100的第一棱面 130，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光963。圆偏振光963通过第六 棱面914进入第三棱镜910，从对角棱面916反射，从而改变圆偏振的方向，通过第五棱面 912离开第三棱镜910，从第三二向色滤光镜330反射，从而再次改变圆偏振的方向，并作为 圆偏振光964通过第五棱面912进入第三棱镜910。圆偏振光964从对角棱面916反射，从 而改变圆偏振的方向，通过第六棱面914离开第三棱镜910，并随着其穿过延迟器220而变 为具有第一偏振方向的第二光965。具有第一偏振方向的第二光965通过第一棱面130进 入PBS 100，未改变地穿过反射式偏振器190，通过第三棱面150离开PBS 100，随着其穿过 四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光966，并通过第八棱面924进入第四棱镜920。圆 偏振光966从对角棱面992反射，改变圆偏振的方向，通过第七棱面922离开第四棱镜920， 从第一二向色滤光镜310反射，从而改变圆偏振的方向，并作为圆偏振光967通过第七棱面 922进入第四棱镜920。圆偏振光967从对角棱面926反射，改变圆偏振的方向，通过第八棱 面924离开第四棱镜920，随着其穿过延迟器220而变为具有第二偏振方向的第二光968， 通过第三棱面150进入PBS 100，从反射式偏振器190反射，并作为具有第二偏振方向的第 二光968通过第四棱面160离开PBS 100。现在来看图9C，描述了用于第三光970未偏振的实施例的穿过展开的合光器900 的第三光970的光程。在这个实施例中，未偏振光通过第四棱面160离开PBS 100，所述未 偏振光包括具有第二偏振方向的光线976，和具有第一偏振方向的光线972。第三光970被引导通过第三二向色滤光镜330，通过第五棱面912进入第三棱镜 910，从对角棱面916反射，通过第六棱面914离开第三棱镜910，穿过四分之一波长延迟器 220，并通过第一棱面130进入PBS100。第三光970拦截反射式偏振器190，并分离为具有 第一偏振方向的光线973和具有第二偏振方向的光线971。具有第一偏振方向的光线973 穿过反射式偏振器190，离开第三棱面150，随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆 偏振光974，并通过第八棱面924进入第四棱镜920。圆偏振光974从对角棱面926反射， 从而改变圆偏振的方向，通过第七棱面922离开第四棱镜920，从第一二向色滤光镜310反 射，从而改变圆偏振的方向，通过第七棱面922进入第四棱镜920，并随着其从对角棱面926 反射而变为圆偏振光975，从而再次改变圆偏振的方向。圆偏振光975通过第八棱面923离 开第四棱镜920，随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为具有第二偏振方向的第三光 线976，通过第三棱面150进入PBS 100，从反射式偏振器190反射，并作为具有第二偏振方 向的第三光976通过第四棱面160离开PBS 100。具有第二偏振方向的光线971从反射式偏振器190反射，通过第二棱面140离开 PBS 100，并随着其穿过四分之一波长延迟器220而变为圆偏振光390。圆偏振光390从第 二二向色滤光镜320反射，从而改变圆偏振的方向，再次穿过四分之一波长延迟器220，并 作为具有第一偏振方向的光线972通过第二棱面140进入PBS 100。具有第一偏振方向的 光线972穿过反射式偏振器190，并通过第四棱面160离开PBS100。
22
在一个方面，本文所述的2、3、4和5色光合光器和分光器中的任何一种可以是以 类似于参照图3A-图3D以及图9A-图9C所述的方式而展开的。可以添加棱镜以将光从共 用平面引到PBS(合光器)的输入面中的一个，或从PBS引到共用平面(分光器)。例如，展 开的合光器可以得益于沿共用平面设置输入光源，以便共用热交换器可以用来去除由光源 产生的热量。展开的分光器可同样得益于具有从相同平面发射的光的分离色。除非另外指明，在说明书和权利要求中使用的表示部件的尺寸、数量和物理特性 的所有数字应当被理解为由词语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，在上述说明书和 所附权利要求中所提出的数值参数为近似值，可根据本领域内的技术人员利用本文所公开 的教导内容寻求获得的所需特性而变化。尽管本文已经图示和描述了具体的实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在 不脱离本公开的范围的情况下，各种替代和/或等效实施可以代替示出并描述的具体实施 例。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施例的所有改型或变化因此，本公开旨在仅由权 利要求书和其等同内容所限制。
2权利要求
一种合光器，包括第一偏振光束分光镜，包括第一和第二棱镜；第一、第二、第三和第四棱面；反射式偏振器，所述反射式偏振器设置在第一和第二棱镜之间；第一二向色滤光镜，所述第一二向色滤光镜透射第一波长谱的光并反射其他波长的光，并面向第一棱面而设置；第二二向色滤光镜，所述第二二向色滤光镜透射第二波长谱的光并反射其他波长的光，并面向第二棱面而设置；反射器，所述反射器反射至少第一和第二波长谱的光，并面向第三棱面而设置；以及延迟器，所述延迟器设置在所述反射器、第一二向色滤光镜和第二二向色滤光镜中的每一个与其相应的棱面之间。
2.根据权利要求1所述的合光器，其中所述延迟器是与第一偏振方向成45度角对准的 四分之一波长延迟器。
3.根据权利要求2所述的合光器，其中所述反射式偏振器对准到所述第一偏振方向。
4.根据权利要求3所述的合光器，其中所述反射式偏振器是笛卡尔反射式偏振器。
5.根据权利要求4所述的合光器，其中所述笛卡尔反射式偏振器是聚合物多层光学膜。
6.根据权利要求1所述的合光器，其中所述反射器是反射镜。
7.根据权利要求1所述的合光器，其中所述反射器是透射第三波长谱的光并反射其他 波长的光的第三二向色滤光镜。
8.根据权利要求1所述的合光器，其中所述偏振光束分光镜还包括端面，并且其中所 述棱面和端面被抛光。
9.根据权利要求8所述的合光器，还包括与抛光面中的每一个接触的光传输材料，所 述第一和第二棱镜中的每一个的折射率大于所述光传输材料的折射率，以便能够在所述第 一和第二棱镜内发生全内反射。
10.根据权利要求9所述的合光器，其中与所述抛光面中的至少一个接触的光传输材 料是空气。
11.根据权利要求9所述的合光器，其中与所述抛光面中的至少一个接触的光传输材 料是光学粘合剂。
12.—种合并光线的方法，包括 提供根据权利要求1所述的合光器；将所述第一和第二波长谱的光分别引向所述第一和第二二向色滤光镜；以及 从所述第四棱面接收合并光。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述反射器是透射第三波长谱的光并反射其他 波长的光的第三二向色滤光镜，还包括将所述第三波长谱的光引向所述第三二向色滤光镜。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述反射器是反射镜。
15.一种分离光线的方法，包括提供分光器，其包括 第一偏振光束分光镜，包括第一和第二棱镜； 第一、第二、第三和第四棱面；反射式偏振器，所述反射式偏振器设置在所述第一和第二棱镜之间； 第一二向色滤光镜，所述第一二向色滤光镜透射第一波长谱的光并反射其他波长的 光，并面向所述第一棱面而设置；第二二向色滤光镜，所述第二二向色滤光镜透射第二波长谱的光并反射其他波长的 光，并面向所述第二棱面而设置；反射器，所述反射器反射至少所述第一和第二波长谱的光，并面向所述第三棱面而设 置；和延迟器，所述延迟器设置在所述反射器、第一二向色滤光镜和第二二向色滤光镜中的 每一个与其相应的棱面之间；将合并的多色光引向所述第四棱面；以及通过所述第一和第二二向色滤光镜分别接收所述第一和第二波长谱的光。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述延迟器是与第一偏振方向成45度角对准的 四分之一波长延迟器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述反射式偏振器对准到所述第一偏振方向。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述反射器是透射第三波长谱的光并反射其他 波长的光的第三二向色滤光镜，还包括通过所述第三二向色滤光镜接收所述第三波长谱的光。
19.根据权利要求13或18所述的方法，其中所引导的光和所接收的光是非偏振的。
20.根据权利要求13或18所述的方法，其中所引导的光和所接收的光包括从发散到会 聚范围的光线。
21.根据权利要求13或18所述的方法，其中所述第一、第二、第三波长谱是红色、蓝色 和绿色，并且所述合并光是白光。
22.一种合光器，包括 第一偏振光束分光镜，包括第一和第二棱镜； 第一、第二、第三和第四棱面；第一反射式偏振器，所述第一反射式偏振器设置在所述第一和第二棱镜之间； 第二偏振光束分光镜，所述第二偏振光束分光镜邻近所述第四棱面而设置，并包括 第三和第四棱镜； 邻近所述第四棱面的第五棱面； 第六、第七和第八棱面；第二反射式偏振器，所述第二反射式偏振器设置在所述第三和第四棱镜之间； 第一至第五反射器，所述第一至第五反射器面向所述第一、第二、第三、第六和第七棱 面而设置，其中所述第一反射器是透射第一波长谱的光并反射其他波长的光的第一二向色滤光镜；所述第二反射器是透射第二波长谱的光并反射其他波长的光的第二二向色滤光镜；所述第三、第四和第五反射器各自反射至少所述第一和第二波长谱的光；以及延迟器，所述延迟器设置在所述反射器中的每一个与其相应的棱面之间。
23.根据权利要求22所述的合光器，其中所述延迟器是与第一偏振方向成45度角对准 的四分之一波长延迟器。
24.根据权利要求23所述的合光器，其中所述第一和第二反射式偏振器中的至少一个 对准到所述第一偏振方向。
25.根据权利要求24所述的合光器，其中所述第一和第二反射式偏振器中的至少一个 是笛卡尔反射式偏振器。
26.根据权利要求25所述的合光器，其中所述笛卡尔反射式偏振器是聚合物多层光学膜。
27.根据权利要求22所述的合光器，其中所述第三、第四或第五反射器中的至少一个 是反射镜。
28.根据权利要求22所述的合光器，其中所述第三、第四或第五反射器中的至少一个 是第三二向色滤光镜，所述第三二向色滤光镜透射第三波长谱的光并反射其他波长的光。
29.根据权利要求28所述的合光器，其中所述第三、第四或第五反射器中的至少一个 是第四二向色滤光镜，所述第四二向色滤光镜透射第四波长谱的光并反射其他波长的光。
30.根据权利要求29所述的合光器，其中所述第三、第四或第五反射器中的至少一个 是第五二向色滤光镜，所述第五二向色滤光镜透射第五波长谱的光并反射其他波长的光。
31.根据权利要求22所述的合光器，其中每个偏振光束分光镜还包括端面，并且其中 所述棱面和端面全部被抛光。
32.根据权利要求31所述的合光器，还包括与抛光面中的每一个接触的光传输材料， 所述第一、第二、第三和第四棱镜中的每一个的折射率大于所述光传输材料的折射率，以便 能够在所述第一、第二、第三和第四棱镜内发生全内反射。
33.根据权利要求32所述的合光器，其中与所述棱面和端面中的至少一个接触的光传 输材料是空气。
34.根据权利要求32所述的合光器，其中与所述棱面和端面中的至少一个接触的光传 输材料是光学粘合剂。
35.根据权利要求23所述的合光器，还包括反射从所述第六和第七棱面进入的光的第六二向色滤光镜，所述第六二向色滤光镜设 置在所述第一和第二偏振光束分光镜之间；和与所述第一偏振方向成45°角对准的附加四分之一波长延迟器，所述附加四分之一波 长延迟器设置在所述第四棱面和所述第六二向色滤光镜之间。
36.根据权利要求35所述的合光器，其中所述第六二向色滤光镜透射从所述第一、第 二和第三棱面进入的光。
37.一种合并光线的方法，包括提供根据权利要求22所述的合光器；将所述第一和第二波长谱的光通过所述第一和第二二向色滤光镜分别引向所述合光 器；和从所述第八棱面接收合并光。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述反射器中的至少一个是第三二向色滤光 镜，所述第三二向色滤光镜透射第三波长谱的光并反射其他波长的光，还包括将所述第三波长谱的光通过所述第三二向色滤光镜引向所述合光器。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述反射器中的至少一个是第四二向色滤光 镜，所述第四二向色滤光镜透射第四波长谱的光并反射其他波长的光，还包括将所述第四波长谱的光通过所述第四二向色滤光镜引向所述合光器。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述反射器中的至少一个是第五二向色滤光 镜，所述第五二向色滤光镜透射第五波长谱的光并反射其他波长的光，还包括将所述第五波长谱的光通过所述第四二向色滤光镜引向所述合光器。
41.一种分离光线的方法，包括 提供分光器，其包括第一偏振光束分光镜，包括 第一和第二棱镜； 第一、第二、第三和第四棱面；第一反射式偏振器，所述第一反射式偏振器设置在所述第一和第二棱镜之间； 第二偏振光束分光镜，所述第二偏振光束分光镜面向所述第四棱面而设置，并包括 第三和第四棱镜； 邻近所述第四棱面的第五棱面 第六、第七和第八棱面；第二反射式偏振器，所述第二反射式偏振器设置在所述第三和第四棱镜之间； 第一至第五反射器，所述第一至第五反射器分别面向所述第一、第二、第三、第六和第 七棱面而设置，其中所述第一反射器是透射第一波长谱的光并反射其他波长的光的第一二向色滤光镜； 所述第二反射器是透射第二波长谱的光并反射其他波长的光的第二二向色滤光镜； 延迟器，所述延迟器设置在所述第一、第二和第三反射器、所述第一和第二二向色滤光 镜中的每一个及其相应的棱面之间；将合并的多色光引向所述第八棱面；和分别从所述第一和第二二向色滤光镜接收所述第一和第二波长谱的光。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述延迟器是与第一偏振方向成45度角对准的 四分之一波长延迟器。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述第一和第二反射式偏振器中的至少一个对 准到所述第一偏振方向。
44.根据权利要求41所述的方法，其中所述反射器中的至少一个是第三二向色滤光 镜，所述第三二向色滤光镜透射第三波长谱的光并反射其他波长的光，还包括从所述第三二向色滤光镜接收所述第三波长谱的光。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述反射器中的至少一个是第四二向色滤光 镜，所述第四二向色滤光镜透射第四波长谱的光并反射其他波长的光，还包括从所述第四二向色滤光镜接收所述第四波长谱的光。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述反射器中的至少一个是第五二向色滤光 镜，所述第五二向色滤光镜透射第五波长谱的光并反射其他波长的光，还包括从所述第五二向色滤光镜接收所述第五波长谱的光。
47.根据权利要求41或46所述的方法，其中所引导的光和所接收的光全部是非偏振的。
48.根据权利要求41或46所述的方法，其中所引导的光和所接收的光包括从发散到会 聚范围的光线。
49.根据权利要求41或46所述的方法，其中所述第一、第二、第三、第四和第五波长谱 分别是黄色、红色、蓝色、绿色和青色，并且所述合并光是白光。
50.根据权利要求1所述的合光器，还包括至少一个具有对角面和转向棱面的转向棱 镜，其中所述转向棱面面向至少一个延迟器而设置。
全文摘要
本发明描述了合光器和分光器，以及使用所述合光器和分光器的方法。具体而言，本发明涉及合光器和分光器，所述合光器和分光器利用偏振光束分光镜来分别合并和分离不同波长谱的光。偏振光束分光镜包括反射式偏振器，来有效地将入射光分离为具有不同偏振方向的透射光束和反射光束。反射器和四分之一波长延迟器面向所述偏振光束分光镜的选择棱面而设置，来影响穿过所述棱面的光的偏振态。反射器可以是二向色滤光镜，以适于反射在选择波长范围外的光，以便不同波长谱的光可以在不同的棱面受影响。各偏振光束分光镜的表面可以被抛光，以便光利用效率因所述偏振光束分光镜内的全内反射而提高。合光器可合并多达五种非偏振的不同色光，以产生非偏振的多色光输出，其可以是用于投影显示的白光。分光镜可以分离非偏振的多色光，以产生多达五种非偏振的不同色光输出。
文档编号G02B27/28GK101952765SQ200880127035
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月17日 优先权日2007年12月28日
发明者R·爱德华·小英格利希, 大卫·M·斯尼韦利, 安德鲁·J·乌德科克, 查尔斯·L·布鲁泽, 西蒙·马格利尔 申请人:3M创新有限公司