TW201229648A - Tilted dichroic color combiner II - Google Patents

Description

201229648 · 六、發明說明： 本申請案係關於下列美國專利申請案，其等以引用的方 式併入：同日申請之「Tilted Dichroic Color Combiner I」 (代理人檔案編號第66530US002號）及「Tilted Dichroic Color Combiner III」（代理人檔案編號第66792US002號）。 【先前技術】 用於將一影像投影於一螢幕上的投影系統可使用多個色 彩光源’諸如藉由不同色彩以產生照明光之發光二極體 (LED)。若干光學元件設置於該等LED與影像顯示單元之 間以結合來自該等LED之光且將其轉移至該影像顯示單 元。該影像顯示单元可使用各種方法以對光施加一影像。 例如，如同透射或反射液晶顯示器，該影像顯示單元可使 用偏振。 用於將一影像投影於一勞幕上的又一投影系統可使用經 組態以自一數位微鏡面（DMM)陣列（諸如，用於德州儀器 數位光處理器（DLP®)顯示器中的陣列）成影像反射之白 光。在該DLP®顯示器中，數位微鏡面陣列内的個別鏡面 表示所投影之影像之個別像^當傾斜該對應鏡面使得入 射光被引導至所投影之光學路徑中時，照明一顯示像素。 放置於該光學路徑内的-旋轉色輪係經定時以自該數位微 鏡面陣列反射光，使得過濾、該所反射之白光以投影對應於 該像素之色彩。接著，將該數位微鏡面陣列切換成下：所 需像素色彩H快速料㈣_料使得整個社 影之顯示器展現為連續照明。該數位微鏡面投影系统需: 158863.doc

S 201229648 較=的像素化陣列組件’其可導致_較小尺寸之投影機。 影像亮度為—投影系統之-重要參數。色彩光源之亮度 及收集光、結合光、使光均質化及將光傳遞至影像顯示單 兀之效率皆影響焭度。隨著現代投影機系統之尺寸之減 T ’需要維持輸出亮度之一足夠位準而同肖將由該等色彩 光源產生之可在一小型投影機系統中消散之熱度保持在一 低位準。需I以增加的效率來結合多^色彩光之一光結合 系統以提供未被光源過分消㈣量之具有一足夠的亮度位 準之一光輸出。 此等電子投影機通常包含用於光學均質化一光束以改良 投影於一螢幕上的&之亮度及色彩均勻性之一裝置。兩個 共同裝置為一整合管道及一蠅眼陣列(FEA)均質器。蠅眼 均質器極為小型化，且出於此原因為一共同使用之裝置。 ^口 f道可在均質化時具有更高的效率，但一空心管道一 般而要通常為高度或寬度（無論哪—個更大）之5倍之一長 度。由於折射效應，實心管道通常比空心管道更長。 攜帶式投影機及微型投影機具有用於有效的色彩結合 器、光整合器及/或均質器之有限的可用空間。結果，自 用於此專杈影機（諸如，色彩結合器及偏振轉換器）中的光 學裝置輸出之有效光及均勻光可能需要小型化及有效的光 學設計。 【發明内容】 本發明大體上係關於色彩結合器，且特定言之係關於用 於諸如微型投影機之小尺寸格式投影機之色彩結合器。該 158863.doc 201229648 等所揭示之色彩結合器包含一傾斜二色性板，該傾斜二色 性板具有以光收集光學器件而組態以結合至少兩個色彩之 光之至少兩個反射體。在一態樣中，本發明提供一種色彩 結合器，其包含具有一光輸入表面及一光學軸之一第一光 收集光學器件；一第一光源及一第二光源，其等經設置以 將第一色彩光及一第二色彩光注入至該光輸入表面中； 及一二色性板，其面向與該光輸入表面相對之該第—光收 求光學益件而設置且經設置相對於該光學軸成一傾斜角。 該第一光源及該第二光源之至少一者自該光學軸位移。該 一色性板包含：可反射該第一色彩光且透射其他色彩光之 一第一二色性反射體；及可反射該第二色彩光之一第二反 射體，其中各傾斜該第一二色性反射體及該第二反射體使 知在一輸出方向上同時反射該第一色彩光及該第二色彩 Λ第色却> 光及S玄第一色彩光形成一結合色彩光束。 在另一態樣中，本發明提供一種色彩結合器，其包含具 有第一凸面、與該第一凸面相對之一光輸入表面及一光 干軸之一第一透鏡。該色彩結合器進一步包含居於該光學 軸之中央之一第二透鏡，該第二透鏡具有面向該第一凸面 之一第二表面及與該第二表面相對之一第三凸面。該色彩 結合器又進一步包含一第一光源、一第二光源及一第三光 源，该第一光源、該第二光源及該第三光源之至少兩者自 該光學軸位移且經設置以將一第一色彩光、一第二色彩光 及一第二色彩光注入至該光輸入表面中；及一二色性板， 其面向5亥第三凸面而設置且相對於該光學軸成一傾斜角。 158863.doc 201229648 紅色性板包含可反射該第—色彩光且透射該第二色彩光 及該第三色彩光之一第—二色性反射體·可反射該第二色 彩光，該第三色彩光之一第二二色性反射體；及可反 射該第三色彩光之-第三反射體。各傾斜該第一二色性反 射體、該第二二色性反射體及該第三反射體使得在一輪出 方向上各反射該第一色彩光、該第二色彩光及該第三色彩 光’該第-色彩光'該第二色彩光及該第三色彩光形成一 結合色彩光束。 在又一態樣中，本發明提供一種包含一色彩結合器之影 像投影機。該色彩結合器包含具有—光輸人表面及一光學 軸之-第-光收集光學器件；一第一光源及一第二光源， 其等經設置以將-第—色彩光及—第二色彩纽入至該光 輸入表面中，及一二色性板，其面向與該光輸入表面相對 之孩第光收集光學器件而設置且經設置相對於該光學軸 成一傾斜角。該第一光源及該第二光源之至少一者自該光 學軸位移。該二色性板包含：可反射該第一色彩光且透射 其他色彩光之一第一二色性反射體；及可反射該第二色彩 光之第反射體，其中各傾斜該第一二色性反射體及該 第二反射體使得在一輸出方向上同時反射該第一色彩光及 該第二色彩光，該第一色彩光及該第二色彩光形成一結合 色彩光束。該影像投影機進一步包含一偏振轉換器，其經 設置以接受該第一色彩光、該第二色彩光及該第三色彩光 且輸出一偏振第一色彩光、一偏振第二色彩光及一偏振第 二色彩光，一空間光調變器，其經設置以將一影像施加至 158863.doc -6 - 201229648 該偏振第一色彩光、該偏振第二色彩光及該偏振第三色彩 光；及投影光學器件。 在又-態樣中，本發明提供-種包含—色彩結合器之影 像投影機。該色彩結合器包含具有一第一凸面、與該第一 凸面相對之-光輸人表面及-光學軸之—第—透鏡:該色 彩結合器進一步包含居於該光學軸之中央之一第二透鏡， 該第二透鏡具有面向該第一凸面之一第二表面及與該=二 表面相對之一第三凸面。該色彩結合器又進一步包^一第 -光源、-第二光源及一第三光源’該第_光源、該第二 光源及該第三光源之至少兩者自該光學軸位移且經設置以 將-第-色彩光、-第二色彩光及—第三色彩光注入至該 光輸入表面中；及-二色性板，丨面向該第三凸面而設置 且相對於該光學轴成-傾斜1該二色性板包含可反射該 第一色彩光且透射該第二色彩光及該第三 二色性反射體;可反射該第二色彩光且透=光 之一第一二色性反射體；及可反射該第三色彩光之一第三 反射體。各傾斜該第一二色性反射體、該第二二色性反射 體及该第三反射體使得在一輸出方向上各反射該第一色彩 光、該第二色彩光及該第三色彩光，該第—色彩光、該第 :色彩光及該第三色彩光形成一結合色彩光束。該影像投 二機進-步包含—偏振轉換器，其經設置以接受該第一色 :光、該第二色彩光及該第三色彩光且輪出—偏振第一色 衫光、-餘第二色彩光及—偏振第三色彩光；—空間光 調變器’其經設置以將-影像施加至該偏振第—色彩光、 I58863.doc 201229648 及投影光學器 該偏振第二色彩光及該偏振第三色彩光 件0 上述概要不意欲描述本發明之各所揭示之實施例或每— 實施方案。圖及下文詳細描述更特定地例示繪示性實施 例。 【實施方式】 整個說明書參考隨附圖式，其中相同參考數字表示 元件。 圖無需按比例繪示。用於該等圖中的相同數字係指相同 組件。然而，應理解，[給定圖中的—組件所使用之數 字不意欲限制以相同數字標記之另—圖中的組件。 本發明大體上係關於影像投影$，特定言t係關於具有 藉由使用一傾斜二色性反射體板結合光之一改良光之均勻 性的影像投影機。在一特定實施例中，該傾斜二色性反射 體板包含層壓在一起之複數個二色性濾光片，其十該等二 色性濾光片之各者可經傾斜相對於該二色性反射體板之一 法線成一角度。 在一特疋貫施例中，描述包含至少兩個發光二極體 (LED)(各具有一不同色彩）之一色彩結合器。將自該兩個 LED發射之光準直成大致上重疊之光束，且結合來自該兩 個LED之光且藉由具有比由該兩個LEd發射之光更小的一 光展量及更高亮度之結合光束將其引導至一共同區域。 該等LED可用於照明投影機。由於led以一接近朗伯 (Lambertian)角度分佈在一區域上發射光，故一投影機之 158863.doc 201229648 焭度受該光源及該投影系統之光展量之限制。用於減小該 LED光源之光展量之一方法係使用二色性反射體以使兩個 或兩個以上色彩之LED在空間上重疊，使得其等展現為自 相同區域發射。通常情況下，色彩結合器使用成約45度角 之二色性反射體。此引起一強勁的反射帶偏移，且限制該 一色性反射體之有用光譜及角度範圍。在一特定實施例， 本發明揭示一種使用相對於入射光束成接近法線角之二色 性反射體結合不同色彩led之物件。 在一態樣中，本發明提供一種有效率地結合來自不同色 彩光源之輸出之小型化方法。此可特定用於產生受光展量 限制之小型化投影系統之照明器。例如，一紅色LED、綠 色LED及藍色LED之線性陣列(其中各LED之輸出係藉由一 、且主要光干器件而部分準直）係入射於一傾斜反射體板總 成上’該傾斜反射體板總成含有在不同角度反射紅光、綠 光及k光之—色性反射體板。接著輸出該所反射之光作為 一經準直之結合色彩光束。 如熟習此項技術者所理解，該3個LED之組態可擴展至 其他色彩（包含黃光m線光）。料led可以各種圖案 (包3線性陣列及三角形陣列）配置。該等光源可包含與 LED結合之堂封 n 亦可基於一整個雷射系統。該等led 可由一組發射紅色、 、、录色及藍色之短波長範圍之至少三原 色及一第二組發射紅色、 Λ z L> 巴、.彔色及藍色之長波長範圍之三原 色，·且成。此外，混人 σ九之點之孔隙可併入一蠅眼陣列 (FEA)以提供進— 巴也正合。如別處所描述，此可由一 158863.doc 201229648 維或一維陣列透鏡（具有2至約2 0個透鏡之至少一維）組成。

由於低成本及高解析度的LCoS板之實用性，基於LCoS 之可攜式投影系統變得越來越普通。一用LED照明之LCoS 投影機之一元件清單可包含（若干）LED光源、可選用之色 彩結合器、可選用之預偏振系統、中繼光學器件、PB s、 LCoS板及投影透鏡單元。對於基於lc〇S之投影系統，該 投影機之效率及對比度直接與進入pBS之光之偏振程度相 關。出於至少此原因，經常需要利用一反射/循環光學器 件或一偏振轉換光學元件之一預偏振系統。 利用偏光分光器及半波長延遲器之偏振轉換方案為將偏 振光提供至PBS中的最有效方式之一。偏振轉換光之一挑 戰在於：其可能遭受空間不均勻性，導致在所顯示之影像 中造成假影。因此，如別處所描述，在具有偏振轉換器之 系統中，一均質化系統為可取的。 在-特定實施例中’用於一影像投影機之一照明器包令 -光源，其巾Μ該_發射之非偏振光引導至—偏㈣ 換器中：該偏振轉換器將該光分成兩條路徑(一個用於名 偏振狀癌）。該兩個偏据壯能+々& u 1兩撖狀態之各者之路徑長度約相等， 及接著偏振光束可通過至—罝抬p 皁塊FEA整合器。該單塊FE, 整合器可引起該等光束分散’ 狀儿接者（例如）錯由使用一 3 間光調變器以將一影像施加至*亥蓉

主忒寺先束及使用投影光學I 件以將該影像顯示於—螢幕上引 赏举上弓丨導该等光束以用於進一歩 處理。 在一些情況中 光學投影機使用一非偏振光源（諸如 158863.doc -10· 201229648 一發光二極體（LED)或一放電燈）、一偏振選擇元件、—第 一偏振空間調變器及—第二偏振選擇元件。由於該第—偏 振選擇元件排斥自該非偏振光源發射之50%之光，故偏振 選擇投影機可通常具有比非偏振裝置更低之一效率。 增加偏振選擇投影機之效率之一方法係在該光源與該第 -偏振選擇元件之間添加一偏振轉換器。一般，有兩種設 計用於技術中的-偏振轉換器之方式。第―種為：部分地 準直自該光源發射之光，使該經部分準直之光束通過一透 鏡陣列，及在各焦點處定位一偏振轉換器陣列。該偏振轉 換器通常具有擁有偏振選擇傾斜膜之一偏光分光器（例 如，MacNeille偏振器、一線栅偏振器或雙折射光學膜偏 振器），其中該所反射之偏振係藉由一傾斜反射體反射使 得該所反射之光束平行於藉由該傾斜偏振選擇膜透射之光 束而傳播。透過半波長延遲器通過任一偏振光束或其他偏 振光束’使得兩個光束具有相同偏振狀態。 另一種將非偏振光束轉換成具有一單一偏振狀態之一光 束之技術為：使整個光束通過一傾斜偏振選擇器，且藉由 反射體及半波長延遲器調節分離光束使得發射一單一偏振 狀態。以一偏振轉換器直接照明一偏振選擇空間光調變器 可導致亮度及色彩不均勻性。 在一特定貫施例中，一偏振轉換器可併入一繩眼陣列 (FEA)以使一投影系統中的光均質化。該偏振轉換器之輸 出側包含一單塊FEA以使光均質化。該單塊FEA之輸入側 及輸出側包含相同數量之透鏡，其中輸出側上的各透鏡近

158863.doc -11 - S 201229648 似居於輸入側上的—匹配透鏡之焦點之中央。該等透鏡可 為圓柱透鏡、雙凸透鏡、球面或非球面透鏡；_而，在許 多情況中，球面透鏡可為較佳。如別處所描述，該蠅眼整 合器及偏振轉換器可明暴員改良投影機之亮度及色彩不均句 性。 圖1A至圖1C展不根據存在於同日申請之同在申請中的 美國專利申請案標題為「TILTED DICHR0Ic COLOR COMBINER I」（代理人檔案編號6653〇us〇〇2)中的本發明 之一態樣之一色彩結合器100之一橫截面示意圖。在圖1A 至圖1C中，S亥色彩結合器工〇〇包含含有一第一透鏡元件11〇 及一第二透鏡兀件120之一第一光收集光學器件1〇5。該第 一光收集光學器件105包含一光輸入表面114及垂直於該光 輸入表面114之一光學軸1〇2。一第一光源14〇、一第二光 源150及一可選用之第三光源16〇各設置於面向該光輸入表 面114之一光注入表面1〇4上。一光輸出區域17〇位於該光 學軸102上且設置於該光注入表面1〇4上。該第一光源 140、該第二光源150及該可選用之第三光源16〇之各者自 該光學軸102位移。如別處所描述，該第一光源丨4〇、該第 一光源15 0及s亥可選用之第三光源16 〇之各者係經設置以分 別將一第一色彩光141、一第二色彩光丨51及一可選用之第 三色彩光161注入至該光輸入表面U4中。 在一特定實施例中，色彩結合器1 〇〇進一步包含一二色 性板130，該二色性板130沿著該光學軸1〇2面向該第一光 收集光學器件105而設置，使得該第一透鏡元件u〇及該第 158863.doc •12- 201229648 二透鏡元件120係在該二色性板13〇與該光輸入表面114之 間。該二色性板130可經設置相對於該光學軸成一傾斜角 Φ，且包含可反射該第一色彩光丨41且透射所有其他色彩之 光之一第一二色性反射體132。該二色性板13〇進—步包含 可反射該第二色彩光151且透射所有其他色彩之光之一第 二二色性反射體1 34。該二色性板13〇又進一步包含可反射 該可選用之第三色彩光161之一可選用之第三二色性反射 體136。在一些情況中，例如，當僅包含一第一光源14〇及 一第二光源150(即，省略可選用之第三光源16〇)時，由於 無需透射其他波長（即，色彩）之光，故第二二色性反射體 可替代一般反射體，諸如，一寬頻帶鏡面。在一些情況 中’例如’當包含可選用之第三光源16〇時，在到達該第 二二色性反射體136之前，由於所有其他色彩之光已藉由 其他二色性反射體反射，故可選用之第三二色性反射體 136亦可為一反射體，諸如，一寬頻帶鏡面。 4作a亥一色性板13 0使得該第一二色性反射體13 2、該第 二二色性反射體134及該可選用之第三二色性反射體136之 各者係經傾斜而相對於該光學轴1〇2分別成一第一二色性 傾斜角α1、一第二二色性傾斜角“及一第三二色性傾斜角 α3。在一些情況中’例如，如圖1Α至圖1C中所示，該第 一二色性傾斜角αΐ可與二色性板傾斜角φ相同，然其亦可 為不同。如別處所描述，該第一二色性傾斜角αΐ、該第二 一色性傾斜角α2及該第三二色性傾斜角α3之各者可經選擇 以引導來自該第一光源14〇、該第二光源ISO及該可選用之 158863.doc -13- 201229648 第三光源160之所反射之光束穿過該光輸出區域17〇。 在一特定實施例中，第一光收集光學器件1〇5可為適於 準直自該第一光源M0、該第二光源15〇及該可選用之第三 光源160發射之光之一光準直器。第一光收集光學器件ι〇5 可包含一個透鏡光準直器（未展示）、一兩個透鏡光準直器 (已展示）、一繞射光學元件（未展示）或其之一組合。該兩 個透鏡光準直器具有包含經設置與該光輸入表面114相對 之第凸面丨12之第一透鏡元件110。第二透鏡元件120 包含面向該第一凸面112之一第二表面122，及與該第二表 面122相對之一第三凸面124。第二表面122可自一凸面、 一平面及一凹面選擇。 轉向圖1A，来自第一光源14〇之第一色彩光141之路徑可 透過色彩結合器100追縱。第一色彩光丨41包含在第一光傳 播方向上行進之一第一中央光射線142’及在第一輸入光 準直角θ 11内的一錐形射線’該錐形射線之邊界係藉由第 一邊界光射線144、146表示。該第一中央光射線142係在 一般平行於該光學軸102之一方向上自第一光源14〇注入至 光輸入表面114中’通過第一透鏡元件11〇、第二透鏡元件 120，且自第一二色性反射體132反射使得該所反射之光束 與如展示之該光學軸102重合。該等第一邊界光射線144、 146之各者係在相對於該光學軸1〇2—般成該第一輸入光準 直角Θ1Ϊ之一方向上注入至該光輸入表面114中，通過第一 透鏡元件110、第一透鏡元件120，且自第一二色性反射體 132反射使得該等所反射之光束—般平行於如展示之該光 158863.doc •14- 201229648 學軸102。如自圖ία可見，該光收集光學器件1〇5適於準直 自該第一光源140通過至該二色性板丨3〇之第一色彩光 14卜 該第一中央光射線142及該等第一邊界光射線144、146 之各者自該第一二色性反射體132反射且返回經過該光收 集光學器件105作為平行於該光學軸1〇2且居於該光學轴 102之中央之經準直之光射線。在如圖ία中所展示之一特 定實施例中，會聚該等經準直之光射線以透過該光輸出區 域170自該色彩結合器1〇0出射作為具有一第一輸出準直角 θΐο之一第一色彩光束148。 轉向圖1Β，來自第二光源150之第二色彩光151之路徑可 透過色彩結合器100追蹤。第二色彩光丨51包含在第二光傳 播方向上行進之一第二中央光射線丨52，及在第二輸入光 準直角Θ2ί内的一錐形射線，該錐形射線之邊界係藉由第 二邊界光射線154、156表示。該第二中央光射線152係在 一般平行於該光學軸102之一方向上自第二光源15〇注入至 光輸入表面114中，通過第一透鏡元件110、第二透鏡元件 120’且自第一一色性反射體134反射使得該所反射之光束 與如展示之該光學軸102重合。該等第二邊界光射線154、 156之各者係在相對於該光學軸ι〇2一般成該第二輸入光準 直角Θ2ί之一方向上注入至該光輸入表面114中，通過第一 透鏡元件110、第二透鏡元件120，且自第二二色性反射體 134反射使得該等所反射之光束一般平行於如展示之該光 學轴102。如自圖1Β可見’該光收集光學器件1〇5適於準直 158863.doc -15- 201229648 自該第二光源150通過至該二色性板13〇之第二色彩光 151 〇 / °亥第一中央光射線152及該等第二邊界光射線154、156 之各者自該第二二色性反射體134反射且返回經過該光收 集光學器件105作為平行於該光學軸1〇2且居於該光學軸 102之中央之經準直之光射線。在如圖⑺中所展示之一特 定實施例中，會聚該等經準直之光射線以透過該光輸出區 域Π0自該色彩結合si 00出射作為具有一第二輸出準直角 θ2ο之一第二色彩光束158。 轉向圖1C’來自可選用之第三光源160之可選用之第三 色彩光161之路徑可透過色彩結合器1〇〇追蹤。可選用之第 二色彩光161包含在第三光傳播方向上行進之一第三中央 光射線162，及在第三輸入光準直角Mi内的一錐形射線， 該錐形射線之邊界係藉由第三邊界光射線丨64、166表示。 該第三中央光射線162係在一般平行於該光學軸ι〇2之一方 向上自可選用之第三光源160注入至光輸入表面114中，通 過第一透鏡元件110、第二透鏡元件12〇，且自第三二色性 反射體13 6反射使得該所反射之光束與如展示之該光學軸 102重合。該等第三邊界光射線164、166之各者係在相對 於該光學軸102—般成該第三輸入光準直角Θ3ί之一方向上 注入至該光輸入表面114中，通過第一透鏡元件11〇、第二 透鏡元件120 ’且自第三二色性反射體丨36反射使得該等所 反射之光束一般平行於如展示之該光學軸102。如自圖1C 可見，該光收集光學器件105適於準直自該可選用之第三 158863.doc -16- 201229648 光源160通過至該二色性板13〇之可選用之第三色彩光 16卜 該第三中央光射線162及該等第三邊界光射線164 ' 166 之各者自該第三二色性反射體136反射且返回經過該光收 集光學器件105作為平行於該光學軸ι〇2且居於該光學軸 102之中央之經準直之光射線。在如圖1(：中所展示之一特 定實施例中，會聚該等經準直之光射線以透過該光輸出區 域170自該色彩結合器100出射作為具有一第三輸出準直角 θ3ο之一可選用之第三色彩光束168。 在一特定實施例中’該第一輸入準直角Θ1 i、該第二輸 入準直角Θ2Ϊ及該第三輸入準直角03i之各者可為相同，及 與該第一光源140、該第二光源150及該可選用之第三光源 160之各者相關聯之注入光學器件（未展示）可約束介於約1〇 度至約80度之間、或約1〇度至約70度之間、或約1〇度至約 60度之間、或約10度至約50度之間、或約10度至約4〇度之 間、或約10度至約30度之間或更小的此等輸入準直角。在 一些情況中，可製作該光收集光學器件1〇5及該二色性板 130使得該第一輸出準直角θΐο、該第二輸出準直角θ2〇及 該第三輸出準直角θ3ο之各者可為相同，且亦大致上等於 s亥專各自輸入準直角。在一特定實施例中，該等輸入準直 角之各者在約60度至約70度之範圍，及該等輸出準直角之 各者亦在約60度至約70度之範圍。 圖1Α至圖1C中的揭示内容描述色彩結合器100，其中輸 出第一色彩光束148、輸出第二色彩光束ιπ及輸出第三色 158863.doc -17- 201229648 彩光束168(即，結合輸出光）自該二色性板13〇反射，接著 返回通過光輸入表面1丨4之光輸出區域17〇β在圖1A至圖 1C中，s亥色彩結合器100進一步包含指定於第二透鏡元件 120上的一截面A_A，，其將參考圖2在下文予以描述。本發 明提供保留離開該第二透鏡元件12〇之光之準直本性之一 輸出光路徑，及該結合輸出光不通過該光輸出區域17〇, 而疋朝向第一收集光學器件1〇5之外部之其他光學組件引 導。在此特定實施例中’該第一光源14〇、該第二光源15〇 及該可選用之第二光源160之各者可設置於光注入表面104 上的任何地方，且特定言之，由於該結合輸出光不再通過 該光輸入表面114，故該等光源之至少一者可設置於該光 學軸102上。 圖2展示附加至根據本發明之一態樣之色彩結合器元件 2〇〇之圖1A至圖1C之截面Α_Α·之一橫截面示意圖。圖2中 所展示之元件102-136之各者對應於先前予以描述之圖1A 至圖1C中所展示之相同編號之元件102-136。圖1A至圖1C 之第二透鏡元件120之第三凸透鏡表面124之一部分被展 不，及該二色性板13〇被展示為經傾斜相對於該光學軸 成一傾斜角φ。如圖2中可見，該傾斜角φ已增大使得自該 二色性板130反射之光不透過該第一收集光學器件1〇5返 回。在一些情況中，該傾斜角φ可為約45度，且經定位使 传戎第一色彩光141、該第二色彩光151及該可選用之第三 色衫光161之各者在保留輸出色彩結合光束28〇之準直之一 輸出方向281上自該各自第一二色性反射體132、第二二 158863.doc 201229648 性反射體134或第三二色性反射體136反射。該色彩結合器 200之光瞳128被展示為位於該第三凸透鏡表面124與該第 一二色性板132之間。 圖3展示根據本發明之一態樣之一影像投影機1之一示竟 圖。影像投影機1包含可將一經部分準直之結合色彩光輸 出24注入至一均質化偏振轉換器模組3〇中的一色彩結合器 模組10 ’其中將該經部分準直之結合色彩光輸出24轉換成 自該均質化偏振轉換器模組30出射且進入一影像產生器模 組50之一經均質化之偏振光45。該影像產生器模組5〇輸出 進入一投影模組70之一成像光65，其中該成像光65變成一 經投影之成像光80。 如別處所討論，在一態樣中，色彩結合器模組1〇包含透 過色彩結合器200輸入之不同波長光譜之輸入光源。如別 處所討論，該色彩結合器200產生包含該等不同波長光譜 之光之一經部分準直之結合色彩光輸出24。 在一態樣中，該等輸入光源為非偏振，及該經部分準直 之結合色彩光輸出2 4亦為非偏振。該經部分準直之結合色 彩光輸出24可為包括多於一個波長光譜之光之一多色結合 光β亥經°卩分準直之結合色彩光輸出24可為所接收之光之 各者之-時序輸出。在_態樣中，不同波長光譜之光之各 者對應於-不同色彩光（例如，紅色、綠色及藍色），且該 結合光輸出為自光或—時序紅光、—時序綠光及—時序藍 光。出於本文所提供之描述之目的，「色彩光」及「波長 光譜光」兩者皆意謂具有一波長光譜範圍之光，若該光為 158863.doc 201229648 人眼可見’則其可與—特定色彩相關。最通稱術語「波長 光譜光」係指同為可見及包含(例如)紅外線光之其他波長 光譜光。 根據一態樣’各輸入光源包括一或多個發光二極體 (LED)。可使用各種光源，諸如，雷射，雷射二極體、有 機LED(OLED)，及非固態光源（諸如，具㈣當收集器或 反射體之超高廢（UHP)燈、自素燈或氙燈）。用於本發明之 光源、光準直器、逯鏡及錢合器係進-步描述於（例如） 所公開之美國專利申請案第us 2〇〇8/〇285129號中，此 處，本發明包含於其全文中。 在一態樣中，均質化偏振轉換器模組30包含可將非偏振 之經部分準直之結纟色彩光輸出24轉換成經均冑化之偏振 光45之一偏振轉換器4〇。均質化偏振轉換器模組川進一步 可包含-單塊透鏡陣列42，諸如可均質化且改良經部分準 直之結合色彩光輸出24之均勻性之別處所描述之一可選用 之單塊透鏡FEA ’該經部分準直之結合色彩光輸出24自該 均質化偏振轉換器模組3〇出射作為經均質化之偏振光45。 與該均質化偏振轉換器模組3 〇相關聯之可選用 之FEA之代 表性配置係描述於（例如）同在申請中的美國專利第 61/346183 號，標題為「FLY EYE INTEGRATOR POLARIZATION CONVERTER」（申請於 2010年 5月 19 曰， 代理人檔案編號第66247US002號）中；第61/346190號，標 題為「POLARIZED PROJECTION ILLUMINATOR」（申請 於2010年5月19日，代理人檔案編號第66249US002號）中； 158863.doc -20· 201229648 及第 61/346193號，標題為「COMPACT ILLUMINATOR」 (申請於2010年5月19日，代理人檔案編號第66360US002 號）中》 在一態樣中，影像產生器模組50包含協作以將該經均質 化之偏振光45轉換成一成像光65之一偏光分光器 (PBS)56、代表性成像光學器件52、54 —空間光調變器 58。合適的空間光調變器（即，影像產生器）先前已描述於 (例如）美國專利第7,362,507號（Duncan等人）中；描述於美 國專利第7,529,029號（Duncan等人）中；描述於美國公開案 第2008-0285129-A1號（Magarill等人）中；及亦描述於PCT 公開案第W02007/016015號（Duncan等人）中。在一特定實 施例中，源於該可選用之FEA之各透鏡之經均質化之偏振 光45為一發散光。在通過成像光學器件52、54及PBS 56之 後’經均質化之偏振光45變成均勻地照明該空間光調變器 之成像光60。在一特定實施例中，來自該可選用之FEA中 的透鏡之各者之分散光射線束之各者照明該空間光調變器 5 8之一主要部分使得該等個別分散射線束互相重疊。 在一態樣中，投影模組70包含可用於投影成像光65作為 經投影之光80之代表性投影光學器件72、74、76。合適的 投影光學器件72、74、74先前已予以描述，且為熟習此項 技術者所熟知。 下文為本發明之一實施例清單。 項目1為一色彩結合器，其包括：一第一光收集光學器 件’其具有一光輸入表面及一光學轴；—第一光源及一第

S 158863.doc -21 - 201229648 二光源’其等μ置以將—第—色彩光及—第二色彩光注 入至該光輸入表面中’該第一光源及該第二光源之至少一 者自4光予軸㈣’及—二色性板’其面向與該光輸入表 面相對之該第-光收集光學器件而設置且經設置相對於該 光學軸成-傾斜角’該二色性板包含：可反射該第一色彩 $且透射其他色彩光之一第一二色性反射體；及可反射該 第二色彩光之一第二反射體，其中各傾斜該第一二色性反 射體及該第：反射II使得在_輸出方向上同時反射該第一 色釤光及該第二色彩光，該第一色彩光及該第二色彩光形 成一結合色彩光束。 項目2為項目1之色彩結合器，其中該第一收集光學器件 包括光準直光學器件。 項目3為項目2之色彩結合器，其中該光準直光學器件包 括一個透鏡設計、一兩個透鏡設計、一繞射光學元件或其 之一組合。 項目4為項目1至項目3之色彩結合器，其中該第一光收 集光學器件包括：一第一透鏡，其具有與該光輸入表面相 對之一第一凸面；及一第二透鏡，其具有面向該第一凸面 之一苐一表面及與該第二表面相對之一第三凸面。 項目5為項目1至項目4之色彩結合器，其中該第一色彩 光及S亥弟二色彩光之各者包含一第一發散角，該結合光束 包含一第二發散角，其中該第二發散角包括小於約20度之 一角度。 項目6為項目1至項目5之色彩結合器，其中該第二反射 158863.doc -22- 201229648 體包括一寬頻帶鏡面。 項目7為項目1至項目6之色彩結合器，其中該第二反射 體包括可反射該第二色彩光且透射其他色彩光之一第-一 1· I · 色性反射體。 項目8為項目1至項目7之色彩結合器，其進一步包括經 設置以將一第三色彩光注入至該光輸入表面中的一第三光 源及其中該二色性板進一步包括可反射該第三色彩光以在 輸出方向上出射作為該結合色彩光束之一第三反射體。 項目9為項目8之色彩結合器’其中該第三反射體包括— 寬頻帶鏡面。 項目10為項目8之色彩結合器，其中該第三反射體包括 可反射該第三色彩光且透射其他色彩光之一第三二色性反 射體。 項目11為項目5至項目10之色彩結合器，其中該第二發 散角包括小於約1 5度之一角度。 項目12為項目5至項目Π之色彩結合器，其中該第二發 散角包括小於約12度之一角度。 項目13為一色彩結合器’其包括：一第—透鏡，其具有 一第一凸面、與該第一凸面相對之一光輸入表面及一光學 軸；-第二透鏡，其居於該光學軸之中央，該第二透鏡星 ^面向該第-凸面之-第二表面，及與該第二表面相對之 -第三凸面；—第—光源、一第二光源及—第三光源，該 第—光源、該第二光源及該第三光源之至少兩者自該光學 轴位移且經設置以將—第一色彩光、一第二色彩光及一第 158863.doc

S -23- 201229648 二色彩光注人至該光輸人表面中；及—二色性板，其面向 該第三凸面而設置且相對於該光學轴成一傾斜角’該二色 性板包含：一第一二色性反射體，其可反射該第一色彩光 且透射該第二㈣光及該第三色料，Ί二色性反射 體，其可反射該第二色彩光且透射該第三色彩光；及一第 三反射體’其可反射該第三色彩光，纟中各傾斜該第一二 色性反射體、該第二二色性反射體及該第三反射體使得在 -輸出方向上各反射該第一色彩光、該第二色彩光及該第 三色彩光，該第一色彩光'該第二色彩光及該第三色彩光 形成一結合色彩光束。 項目14為項目13之色彩結合器，其中該第一色彩光、該 第二色彩光及該第三色彩光之各者包含一第一發散角，及 該結合色彩光束包含一第二發散角，纟中該第二發散角包 括小於約20度之一角度。 項目15為項目13或項目14之色彩結合器其中該第三反 射體為一寬頻帶鏡面。 項目16為項目13至項目15之色彩結合器，其中該第三反 射體為可反射該第三色彩光且透射其他色彩光之一第三二 色性反射體。 項目17為項目14至項目16之色彩結合器，其中該第二發 散角包括小於約15度之一角度。 項目18為項目14至項目17之色彩結合器，其中該第二發 散角包括小於約12度之一角度。 項目19為一影像投影機，其包括：項目1至項目丨8之色 158863.doc -24- 201229648 /、、、σ s咨；一偏振轉換器，其經設置以接受該第一色彩 光、該第二色彩光及該第三色彩光且輸出一偏振第一色彩 光、一偏振第二色彩光及一偏振第三色彩光；及一空間光 調變态，其經設置以將一影像施加至該偏振第一色彩光、 該偏振第二色彩光及該偏振第三色彩光；及投影光學器 件。 項目20為項目19之影像投影機，其中該空間光調變器包 括矽上液晶（LCoS)成像器或一透射液晶顯示器（LCD)。 除非另外指示，用於說明書及申請專利範圍中的表示特 徵尺寸、數量及物理特性之所有數字皆被理解為藉由術語 、·’勺」修改。因此，除非相反指示，闡釋於前述說明書及 隨附申請專利範圍中的數字參數為近似相同，其可取決於 藉由熟習此項技術者利用本文所揭示之教示而尋找獲得之 所需性質而改變。 除了本文所引用之所有參考及公開案之範圍可能直接與 本發明矛盾之外’其之全部内容以引用的方式明確地併入 本文中。儘管特定實施例已在本文中予以繪示及描述，然 热習此項技術者應瞭解，在不脫離本發明之範疇之情況 下，各種替代及/或等效實施方案可代替所展示及描述之 特定實施例。本申請案意欲涵蓋本文所討論之特定實施例 之任意改變及變更。因&，本發明意欲僅受申請專利範圍 及其之等效物之限制。 【圖式簡單說明】 圖1A展示一色彩結合器之_橫截面示意圖，· 158863.doc -25- 201229648 圖1B展示一色彩結合器之一橫截面示意圖； 圖1C展示一色彩結合器之一橫截面示意圖； 圖2展示附加至圖1A至圖1C之截面A-A'之一橫截面示意 圖；及 圖3展示一影像投影機之一示意圖。 【主要元件符號說明】 1 影像投影機 10 色彩結合器模組 24 經部分準直之結合色彩光輸出 30 均質化偏振轉換器模組 40 偏振轉換器 42 單塊透鏡陣列 45 經均質化之偏振光 50 影像產生器模組 52 成像光學器件 54 成像光學器件 56 偏光分光器 58 空間光調變器 60 成像光 65 成像光 70 投影模組 72 投影光學器件 74 投影光學器件 76 投影光學器件 158863.doc -26- 201229648 80 100 102 104 105 110 112 114 120 122 124 128 130 132 134 136 140 141 142 144 146 148 150 158863.doc 經投影之成像光/經投影之光 色彩結合器 光學轴 光注入表面 第一光收集光學器件/光收集光學器件/第一 收集光學器件 第一透鏡元件 第一凸面 光輸入表面 第二透鏡元件 第二表面 第三凸面/第三凸透鏡表面 光瞳 二色性板 第一二色性反射體 第二二色性反射體 第三二色性反射體 第一光源 第一色彩光 第一中央光射線 第一邊界光射線 第一邊界光射線 第一色彩光束/輸出第一色彩光束 第二光源 -27-

S 201229648 151 152 154 156 158 160 161 162 164 166 168 170 200 280 281 Φ αΐ α2 α3 θΐί θΐο Θ2ΐ θ2ο 03i θ3ο 158863.doc 第二色彩光 第二中央光射線 第二邊界光射線 第二邊界光射線 第二色彩光束/輸出第二色彩光束 可選用之第三光源 第三色彩光 第三中央光射線 第三邊界光射線 第三邊界光射線 第三色彩光束/輸出第三色彩光束 光輸出區域 色彩結合器元件/色彩結合器 輸出色彩結合光束 輸出方向 傾斜角/二色性板傾斜角 第一二色性傾斜角 第二二色性傾斜角 第三二色性傾斜角 第一輸入光準直角/第一輸入準直角 第一輸出準直角 第二輸入光準直角/第二輸入準直角 第二輸出準直角 第三輸入光準直角/第三輸入準直角 第三輸出準直角 -28-

Claims (1)

1. 201229648 七、申請專利範圍： 1. 一種色彩結合器，其包括： 一第一光收集光學器件，其具有一光輸入表面及一光 學軸； 一第一光源及一第二光源，其等經設置以將一第一色 彩光及一第二色彩光注入至該光輸入表面中，該第一光 源及該第二光源之至少一者自該光學軸位移；及 一二色性板，其面向與該光輸入表面相對之該第一光 收集光學器件而設置且經設置相對於該光學軸成一傾斜 角，該二色性板包含： 一第一二色性反射體，其可反射該第一色彩光且透 射其他色彩光；及 一第二反射體’其可反射該第二色彩光， 其中各傾斜該第一二色性反射體及該第二反射體使 得在一輸出方向上同時反射該第一色彩光及該第二色 彩光’該第一色彩光及該第二色彩光形成一結合色彩 光束。 2 _如明求項1之色彩結合器，其中該第一光收集光學器件 . 包括光準直光學器件。 • 3.如明求項2之色彩結合器，其中該光準直光學器件包括 一個透鏡設計、一兩個透鏡設計、一繞射光學元件或其 之一組合。 如5求項1之色彩結合器，其中該第一光收集光學器件 包括： 158863.doc 201229648 一第一透鏡，其具有與該光輸入表面相對之一第一凸 面；及 一第二透鏡，其具有面向該第一凸面之一第二表面及 與該第二表面相對之一第三凸面。 5·如請求項1之色彩結合器，其中該第一色彩光及該第二 色彩光之各者包含一第一發散角，且該結合色彩光束包 含一第二發散角，其中該第二發散角包括小於約20度之 一角度。 6·如請求項1之色彩結合器’其中該第二反射體包括一寬 頻帶鏡面。 7·如請求項1之色彩結合器，其中該第二反射體包括可反 射该第二色彩光且透射其他色彩光之一第二二色性反射 體。 8'如請求項1之色彩結合器，其進一步包括經設置以將一 第二色彩光注入至該光輸入表面中的一第三光源及其中 5 衾一色性板進一步包括可反射該第三色彩光以在輸出方 向上出射作為該結合色彩光束之一第三反射體。 9.如清求項8之色彩結合器，其中該第三反射體包括一寬 頻帶鏡面。 1〇_如請求項8之色彩結合器，其中該第三反射體包括可反 射°亥第二色彩光且透射其他色彩光之一第三二色性反射 體。 如明求項5之色彩結合器，其中該第二發散角包括小於 約15度之一角度。 158863.doc 201229648 12. 13. 如請求項5之色彩結合器，其中該第二發散角包括小於 約12度之—角度。 一種色彩結合器，其包括： 一第一透鏡，其具有一第一凸面、與該第一凸面相對 之一光輸入表面及一光學軸； 一第二透鏡，其居於該光學軸之中央，該第二透鏡具 有面向該第一凸面之一第二表面，及與該第二表面相對 之一第三凸面； 一第一光源、一第二光源及一第三光源，該第一光 源、S亥第二光源及該第三光源之至少兩者自該光學軸位 移且經設置以將一第一色彩光、一第二色彩光及一第三 色衫光注入至該光輸入表面中；及 一二色性板，其面向該第三凸面而設置且相對於該光 學轴成一傾斜角，該二色性板包含： 一第一二色性反射體，其可反射該第一色彩光且透 射該第二色彩光及該第三色彩光； 一第二二色性反射體，其可反射該第二色彩光且透 射該第三色彩光；及 一第三反射體，其可反射該第三色彩光， 其中各傾斜該第一二色性反射體、該第二二色性反 射體及該第三反射體使得在一輸出方向上各反射該第 一色衫光、該第二色彩光及該第三色彩光，該第—色 彩光、㈣三色彩光及該第三色彩光形成—結合色彩 光束。 158863.doc s 201229648 14. 如請求項13之色彩結合器，其中該第一色彩光、該第二 色彩光及該第三色彩光之各者包含一第一發散角，及該 結合色彩光束包含-第二發散角，其中該第二發散角包 括小於約20度之一角度。 15. 如請求項13之色彩結合器，纟中該第三反射體為一寬頻 帶鏡面。 A如請求们3之色彩結合器，其中該第三反射體為可反射 該第三色彩光且透射其他色彩光之一第三二色性反射 體。 17.如請求項14之色彩結合器，#中該第二發散角包括小於 約15度之一角度。 18_如請求項14之色彩結合器’其中該第二發散角包括小於 約12度之一角度D 19. 一種影像投影機，其包括： 請求項1或請求項13之色彩結合器； 一偏振轉換器，其經設置以接受該第一色彩光、該第 一色衫光及該第三色彩光且輸出一偏振第一色彩光、一 偏振第二色彩光及—偏振第三色彩光；及 外一空間光調變器，其經設置以將一影像施加至該偏振 第色彩光、3亥偏振第二色彩光及該偏振第三色彩光；及 投影光學器件。 士 °月求項19之影像投影機，其中該空間光調變器包括-液日日（LC〇S)成像器或一透射液晶顯示器（LCD)。 I58863.doc