201229649 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 II」（代理人檔案編號第66791US002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) 〇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。該影像顯示單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螢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 表不所投影之影像之個別像素。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一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一所 需像素色彩，及以一快速的速率繼續該程序使得整個所投 影之顯示器展現為連續照明。該數位微鏡面投影系統需要 158862.doc 201229649 較少的像素化陣列組件，其可導致一較小尺寸之投影機。 影像亮度為-投影系統之-重要參數4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 元之效率皆影響亮度。隨著現代投影機系統之尺寸之減 小，需要維持輸出亮度之一足夠位準而同時將由該等色彩 光源產生之可在-小型投影機系統t消散之熱度保持在一 低位準。需要以增加的效率來結合多個色彩光之一光結合 系統以提供未被光源過分消耗能量之具有_足夠的亮度: 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 =影於—螢幕上的光之亮度及色彩均句性之-裝置。兩個 常見裝置為一整合管道及一繩眼陣列（fea)均質器。竭眼 =質器係極為小型化，且因此為—常見使用之裝置。整合 管道可在均質化時具有更高的效率，但—空心管道一般需 要通常為高度或寬度（無論哪一個更大）之5倍之—長度。由 於折射效應，貫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 用於此等投影機（諸如，色彩結合器及偏振轉換器）中的光 學褒置輸出之有效光及均句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
S 158862.doc 201229649 等所揭不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，其包含具有一第一光輸入表面及一光學軸之一第 一光收集光學器件，及一第一光源以及一第二光源，其等 各自該光學軸位移且經設置以將一第一色彩光及一第二色 杉光注入至該第一光輸入表面中。該色彩結合器進一步包 含面向與該第一光輸入表面相對之該第一光收集光學器件 而没置之一二色性板，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_二色性反射體，及可反射該 第一色衫光之一第二反射體。將該第一二色性反射體及該 第二反射體之各者予以傾斜以使得同時反射該第一色彩光 及該第二色彩光以沿著該光學軸穿過該第一光輸入表面出 射作為一結合色彩光束。 在另一態樣中，本發明提供一種色彩結合器，其包含具 有一第一光輸入表面及一光學轴之一第一光收集光學器 件，及一第一光源以及一第二光源，其各自該光學軸位移 且經設置以將一第一色彩光及一第二色彩光注入至該第一 光輸入表面中。該色彩結合器進一步包含面向與該第一光 輸入表面相對之該第一光收集光學器件而設置之一二色性 板’ S亥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一第 二反射體。將該第一二色性反射體及該第二反射體之各者 予以傾斜以使得同時反射該第一色彩光及該第二色彩光以 158862.doc -6 - 201229649 沿著該光學軸穿過該第一光輸入表面出射作為一結合色彩 光束。该色彩結合器又進一步包含經設置以將該結合色彩 光束透射至一第二光收集光學器件之一光均質化管道，該 第二光收集光學器件擴展該結合色彩光束以變成具有一小 發散角之一經擴展之結合色彩光束。 在又一態樣中，本發明提供一種色彩結合器，其包含具 有一第一凸面、與該第一凸面相對之一第一光輸入表面及 一光學軸之一第一透鏡；及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 S亥第二表面相對之一第三凸面。該色彩結合器進一步包含 一第一光源、一第二光源及一第三光源，其等自該光學軸 位移且經設置以分別將一第一色彩光、一第二色彩光及一 第二色彩光注入至該第一光輸入表面中；及面向該第三凸 面而設置之一二色性板，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色彩光之一第一二色性 反射體、可反射該第二色彩光且透射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一第三反射體。 將該第一二色性反射體、該第二二色性反射體及該第三反 射體之各者予以傾斜以使得各反射該第一色彩光束、該第 一色彩光束及該第三色彩光束以沿著該光學軸穿過該第一 光輸入表面出射作為一結合色彩光束。 在又一態樣中，本發明提供一種色彩結合器，其包含具 有一第一凸面、與該第一凸面相對之一第一光輸入表面及 一光學.軸之一第一透鏡；及居於該光學軸之中央之一第二 158862.doc 201229649 透鏡’該第二透鏡具有面向該第— 凸面之一第二表面及鱼 該第二表面相對之一第三凸面。該色彩結合器進—步包ς -第m二㈣及—第三光源，其等自該光學轴 位移且經設置以分別將一第—色彩光、—第二色彩光及一 第三色彩光注人至該第-光輪人表面中；及經設置面向該 第三凸面之一二色性板。該二色性板包含可反射該第一色 彩光且透射該第二色彩綠該第三色彩光之—第—二色性 反射體、可反射該第二色彩光且透射第三色彩光之—第二 ^色性反射體及可反射該第三色彩光之一第三反射體。將 省第一 一色性反射體、該第二二色性反射體及該第三反射 體之各者予以傾斜以使得各反射該第一色彩光、該第二色 彩光及該第三色彩光以沿著該光學軸穿過該第一光輸入表 面出射。該色彩結合器又進一步包含一收集光學器件，該 收集光學器件包含一第三透鏡，其具有一第四凸面、與該 第四凸面相對之一第二光輸入表面及設置於該光學軸上且 可將自該第一光輸入表面出射之光透射至該第二光輸入表 面之一光均質化管道；及居於該光學軸之中央之一第四透 鏡’ 5亥第四透鏡具有面向該第四凸面之一第五表面，及與 該第五表面相對之一第六凸面，其中進入該第二光輸入表 面之光自該第六凸面出射作為具有一小發散角之一經擴展 之光束。 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一第一光輸入表面及一 光學轴之一第一光收集光學器件；及一第一光源以及一第 158862.doc 201229649 二光源’其等各自該光學轴位移且經設置以將一第一色彩 光及一第二色彩光注入至該第一光輸入表面中。該色彩結 合器進一步包含面向與該第一光輸入表面相對之該第一光 收集光學器件而設置之一二色性板，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一第二反射體。將該第一二 色性反射體及該第二反射體之各者予以傾斜以使得同時反 射該第一色彩光束及該第二色彩光束以沿著該光學軸穿過 該第一光輸入表面出射作為一結合色彩光束。該色彩結合 器又進一步包含經設置以將該結合色彩光束透射至一第二 光收集光學器件之一光均質化管道，該第二光收集光學器 件擴展該結合色彩光束以變成具有一小發散角之一結合色 彩光束。该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、一偏振第三 色彩光；一空間光調變器，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'該偏振第三色彩 光，及投影光學器件。 在又一態樣中，本發明提供一種色彩結合器，其包含具 有一第一凸面、與該第一凸面相對之一第一光輸入表面及 一光學軸之一第一透鏡；及居於該光學軸之中央之一第二 透鏡，δ玄苐—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。該色彩結合器進一步包含 一第一光源、一第二光源及一第三光源，其等自該光學軸
158862.doc Q 201229649 位移且經設置以分別將一第一色彩光、一第二色彩光及— 第三色彩光注入至該第一光輸入表面中；及面向該第三凸 面而設置之一二色性板。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色彩光之一第一二色性 反射體、可反射該第二色彩光且透射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一第三反射體。 將該第一二色性反射體、該第二二色性反射體及該第三反 射體之各者予以傾斜以使得各反射該第一色彩光束、該第 一色彩光束及該第三色彩光束以沿著該先學轴穿過該第— 光輸入表面出射。該色彩結合器又進一步包含一收集光學 器件，該收集光學器件包含一第三透鏡，&具有一第四凸 面、與該第四凸面相對之一第二光輸入表面及設置於該光 學軸上且可將自該第—光輸人表面出射之光透射至該第二 光輸入表面之-光均質化管道；及居於該光學軸之中央之 一第四透鏡，肖第四透鏡具有面向㈣四凸面之—第五表 面’及與該第五表面相對之一第六凸面，纟中進入該第二 光輸入表面之光自該第六凸面出射作為具有—小發散角之 一經擴展之光束。該影傻将旦彡拖 砂 _ 〜彳冢杈衫機進一步包含一偏振轉換 器’其經設置以接受令玄裳一 ^ ^ 一 丧又a弟色办光、該第二色彩光及該第 二色彩光且輸出一偏振第一色弟 ^巴衫先、—偏振第二色彩光、 一偏振第三色彩光；一介門忠 心尤，二間先調變器，其經設置以將一影 像施加至該偏振第—色彩光、 笛一 ώ°亥偏振第二色彩光、該偏振 笫一色形光，及投影光學器件。 上述概要不意欲描述本發 知a之各所揭示之實施例或每一 158862.doc 201229649 實施方案 例0 圖及下文詳細描述更特定地例示 繪示性實施 【實施方式】 其中相同參考數字表示相同 整個S兒明書參考隨附圖式 元件。 圖無需按比例繪示。用於哕聱 該相t的相同數字係指相同 且件。然而，應理解，指一仏 〜 才日，、，D疋圖中的一組件所使用之數 子不思欲限制以相同數字標記之另一圖中的組件。 本發明大體上係關於影像投影機，特定言之係關於具有 猎由使用—傾斜二色性反射體板結合光之-改良光之均勻 性的影像投影機。在—特定實施例t，該傾斜二色性反射 體板包含層壓在-起之複數個二色性濾光片/其中該等二 色性滤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-特定實施例中，描述包含至少兩個發光二極體 (LED)(各具有-不同色彩）之一色彩結合器。冑自該兩個 LED發射之光準直成實質上重疊之光束，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 亮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 158862.doc 201229649 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 二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 組主要光學器件而部分準直）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 光及藍光之二色性反射體板。接著，藉由該主要光學器件 將該所反射之光聚焦至形成該等紅色LED、綠色led及藍 色LED之一共同輸出之一孔隙。該共同輸出可耦合至準直 由該色彩結合器發射之光之另一組收集光學器件。由該共 同輸出發射之光亦可耦合至如別處所討論之一整合桿。該 出射孔隙可居於該收集光學器件之主軸（例如，該光學軸） 之中央，或可自該主軸偏移。該出射孔隙可與該等LED對 齊成一直線' 或鄰近於該等LED或其之一組合。 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（包含黃光及紅外線光p該等光源可包含與LED 結合之雷射，且亦可基於一整個雷射系統。該等LED可由 一組發射紅色、綠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、綠色及藍色之長波長範圍之三原色組 158862.doc -12· 201229649 成。此外，混合光之點之孔隙可併入一蠅眼陣列（FEA)以 k供進一步色彩整合。如別處所描述，此可由一維或二維 陣列透鏡（具有2至約20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lc〇S 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[us之投影系統，該 投影機之效率及差異直接與進入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.其可旎遭文空間不均勻性，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。 在特疋實施例巾’用於一影像投影機之一照明器包含 -光源，纟中將由該錢發射之非偏振光引導至—偏振轉 換益中。該偏振轉換器將該光分成兩條路徑（一個用於各 偏振狀態）。該兩個偏振狀態之各者之路徑長度約相等， 及接著偏振光束可通過至—單塊FEA整合器。該單塊FEA 整合器可引起該等光束分散，且接著（例如）藉由使用一空 門光# ^以將-影像施加至該等光束及使用投影光學器 件以將該影像顯示於1幕上料料光束W於進一步
S 158862.doc -13- 201229649 處理。 在一些情況中，光學投影機使用一非偏振光源（諸如， 一發光二極體（LED)或一放電燈）、一偏振選擇元件、一第 一偏振空間調變器及一第二偏振選擇元件。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 一偏振選擇元件之間添加一偏振轉換器。一般，有兩種設 計用於技術中的一偏振轉換器之方式。第一種為：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、一線柵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-特定實施例中，-偏振轉換器可併入一繩眼陣列 (FEA)以使-投影系統中的光均質化。該偏振轉換器之輪 158862.doc _14· 201229649 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 似居於輸入側上的一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；然而，在許 夕6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顯改良投影機之亮度及色彩不均勻 性。 圖1A至圖1C展示根據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1(：中，該色彩結合器 100包含一第一光收集光學器件105，該第一光收集光學器 件包含一第一透鏡元件110及一第二透鏡元件12〇。該第一 光收集光學器件105包含一光輸入表面u 4及垂直於該光輸 入表面114之一光學軸102。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上且设置於該光注入表面1 〇4上。該第一光源14〇、 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14〇、該第二光源 150及該可選用之第三光源160之各者係經設置以分別將一 第一色彩光141 ' 一第二色彩光151及一可選用之第三色彩 光161注入至該光輸入表面114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ι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11〇及該第 158862.doc -15· 201229649 一透鏡元件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13〇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141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130進一步包含 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134。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—可選用之第三二色性反射 體136。在-些情況中，例如，當僅包含一第一光源及 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：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 I ’例如，當包含可選用之第三光源⑽時，在到達該第 二一色性反射體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。 製作該二色性板no使得該第一二色性反射體132、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軸1〇2分別成一第—二色性 傾斜角《1、-第二二色性傾斜角心及一第三二色性傾斜角 α3。在一些情況中’例如，如圖1Α至圖⑴中所示，該第 -二色性傾斜角α1可與二色性板傾斜角φ相同，然1亦:可 為不同。如別處所描述，該第一二色性傾斜角Μ、該第二 二色性傾斜角α2及該第三二色性傾斜角以各者可 以引導來自該第-光源140、該第二光源15〇及該可選用之 I58862.doc •16- 201229649 第三光源160之所反射之光束穿過該光輸出區域170。 在一特定實施例中’第一光收集光學器件105可為適於 準直自該第一光源140、該第二光源iso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U4相對 之一第一凸面112之第一透鏡元件110。第二透鏡元件ι2〇 包含面向該第一凸面II2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ι22可自一凸面、 一平面及一凹面選擇。 轉向圖1A，来自第一光源丨4〇之第一色彩光141之路徑可 穿過色彩結合器100追蹤。第一色彩光141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ΘΗ内的一錐形射線，該錐形射線之邊界係藉由第 一邊界光射線丨44、146表示。該第一中央光射線142係在 一般平行於該光學轴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1〇2一般成該第一輸入光準 直角ΘΠ之方向上注入至該光輸入表面I〗*中，通過第一 透鏡元件110、第二透鏡元件12〇，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 I58862.doc -17- 201229649 子軸102如自圖1A可見，該第一光收集光學器件1〇5適於 準直自该第一光源140通過至該二色性板13〇之第一色彩光 141 ° 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反射且返回經過該第一 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。在如圖丨八中所展示之一 特定實施例中，會聚該等經準直之光射線以穿過該光輸出 區域170自該色彩結合器1〇〇出射作為具有一第一輸出準直 角θ1〇之一第一色彩光束148。· 轉向圖1Β，來自第二光源15〇之第二色彩光151之路徑可 透過色彩結合器100追蹤。第二色彩光151包含在第二光傳 播方向上行進之一第二中央光射線152，及在第二輸入光 準直角Θ2ι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♦，通過第一透鏡元件11〇、第二透鏡元件 120且自第 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丨“、 156之各者係在相對於該光學軸1〇2一般成該第二輸入光準 直角02i之方向上注入至该光輸入表面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 學軸102。如自圖1B可見，該第一光收集光學器件1〇5適於 158862.doc -18- 201229649 準直自該第二光源15G通過至該二色性板13G之第二色彩光 151° 該第二中央光射線152及該等第二邊界光射線154、be 之各者自該第二二色性反射體134反射且返回經過該第一 光收集光學器件1 〇 5作為平行於該光學軸丨〇 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I 特定實施例中，會聚該等經準直之光射線以穿過該光輸出 區域170自該色彩結合器100出射作為具有一第二輪出準直 角θ2ο之一第二色彩光束158。 轉向圖ic，來自可選用之第三光源16〇之可選用之第二 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 三色彩光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03i内的一錐形射線， 5亥錐形射線之邊界係藉由第三邊界光射線丨64、i 66表示。 忒第二中央光射線162係在一般平行於該光學軸1〇2之一方 向上自可選用之第三光源16〇注入至光輸入表面114中，通 過第一透鏡元件110、第二透鏡元件120，且自第三二色性 反射體136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1〇2—般成該第三輸入光準直角e3i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 ’且自第三二色性反射體136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1〇2。如自圖1C 可見’該第一光收集光學器件1〇5適於準直自該可選用之
S 158862.doc β ι〇 201229649 第三光源160通過至該二色性板13〇之可選用之第三色彩光 16卜 該第一中央光射線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丨36反射且返回經過該第一 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穿過該光輸出 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θ1ί、該第二輸 入準直角Θ2ι及該第三輸入準直角03丨之各者可為相同，及 與§亥第一光源14 0、該第二光源15 〇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10至約70度之間、或約1〇度至約6〇 度之間、或約1 〇度至約5 〇度之間、或約1 〇度至約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，可製作該第一光收集光學器件105及該二色 性板130使得該第一輸出準直角01〇、該第二輸出準直角 θ2ο及該第三輸出準直角θ3ο之各者可為相同，且亦實質上 等於該等各自輸入準直角。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度至约70度之範圍。 圖2展示根據本發明之一態樣之一色彩結合器系統2〇〇之 一橫截面示意圖。在圖2中，如參考圖1Α至圖1C所描述之 158862.doc -20· 201229649 一色彩結合器100係與一第二光收集光學器件22〇成對使得 该色衫結合器100之輸出進入進一步混合色彩且將其輸入 至5亥第二光收集光學器件220中的一整合桿210(或一光均 貝化官道210)。該第二光收集光學器件22〇可類似於先前 所描述之該第一光收集光學器件1〇5，及可適於為擴展該 結合色彩光輸出之一光準直器。在一些實施例中，具有如 先4所描述之該第一輸出準直角θΐο、該第二輸出準直角 θ2ο及該第三輸出準直角θ3〇之該結合色彩光輸出可擴展成 已自—可選用之寬頻帶鏡面230反射之一色彩結合準直光 280。該色彩結合準直光28〇包含具有可小於約2〇度、或小 於約15度或甚至小於約12度之一小發散角之光。 圖3展示根據本發明之一態樣之一影像投影機1之一示意 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2 4 /主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 自該均夤化偏振轉換器模組3 0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。 如別處所描述’在一態樣中’色彩結合器模組丨〇包含透 過色彩結合器100中的一第一光收集光學器件1〇5輸入之不 同波長光譜的輸入光源。該色彩結合器1〇〇產生包含通過 一光均質化管道210之不同波長光譜之光之一結合光輸 出。如別處所描述，通過光均質化管道21 〇之該結合光輸 158862.doc -21- 201229649 出接著通過—第二光收集光學器件220且自色彩結合器模 組1〇出射作為經部分準直之結合色彩光輸出24。 在心樣中該等輸入光源為非偏振，及該經部分準直 之，，、。口色形光輸出24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―多色結合 光。該經部分準直之結合色彩光輸出24可為所接收之光之 各者之0^序輸出。在一態樣中，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 光谱光」兩者皆意謂具有一波長光譜範園之光，若該光為 亡眼可見，則其可與一特定色彩相關。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，具有適當收集器或 反射體之超高壓（UHP)燈、鹵素燈或氙燈）。用於本發明之 光源、光準直器、透鏡及光整合器係進—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。 在心心中’均質化偏振轉換器模組3 0包含可將非偏择 之經部分準直之結合色彩光輸出2 4轉換成經均質化之偏振 光45之一偏振轉換器40。均質化偏振轉換器模組30進一步 158862.doc -22- 201229649 可包含一單塊透鏡陣列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30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 日， 代理人檔案編號第66247USO〇2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； 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5 0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及一空間光調變器 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 158862.doc •23· 201229649 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 58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、76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，其具有含有一第一光輸入表面 及一光學轴之第一光收集光學器件；一第一光源及—第二 光源’其等各自該光學軸位移且經設置以將一第一色彩光 及一第二色彩光注入至該第一光輸入表面中；及一二色性 板，其面向與該第一光輸入表面相對之該第一光收集光學 器件而設置，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，其中將該第一二色性反射體 及該第二反射體之各者予以傾斜以使得同時反射該第一色 彩光及該第二色彩光以沿著該光學軸穿過該第一光輸入表 面出射作為一結合色彩光束。 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 158862.doc -24- 201229649 之一組合。 項目4為項目1至項目3之色彩結合器，其中該第一收集 光干器件匕括·具有與該第-光輸入表面相對之-第一凸 面之一第一透鏡；及具有面向該第-凸面之-第二表面及 與該第二表面相對之-第三凸面之-第二透鏡。 項為頁目1至項目4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，及該結合光 束包含自該第一發散角改變不大於1〇%之一第二發散角。 項目6為項目1至項目5之色彩結合器，其中該第二反射 體包括一寬頻帶鏡面。 項目7為項目i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：色彩光且透射其他色彩光之—第二二 色性反射體。 項目8為項目丨至項目7之色彩結合器，其進一步包括自 該光學軸位移且經設置以將一第三色彩光注入至該第一光 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沿著該光學轴穿過該第一光輸入表 面出射之一第三反射體。 項目9為項目8之色彩結合器，其中該第三反射體包括一 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1至項目10之色彩結合器，其進一步包括 S. 158862.doc 201229649 經6又置以將該結合色彩光束透射至一第二光收集光學器件 之一光均質化管道，該第二光收集光學器件擴展該結合色 彩光束以變成具有一小發散角之一經擴展之結合色彩光 束。 項目12為項目11之色彩結合器，其中該第二光收集光學 器件包括：一第三透鏡，其居於該光學軸之中央，具有一 第四凸面及與該第四凸面相對之一第二光輸入表面，可將 自該第一光輸入表面出射之光透射至該第二光輸入表面； 及一第四透鏡，其居於該光學軸之中央，該第四透鏡具有 面向該第四凸面之一第五表面及與該第五表面相對之一第 六凸面，其中進入該第二光輸入表面之光自該第六凸面出 射作為該經部分準直之結合色彩光束。 項目13為項目11至項目12之色彩結合器，其中該小發散 角包括小於約15度之一角度。 項目14為項目11至項目13之色彩結合器，其中該小發散 角包括小於約12度之一角度。 項目15為一色彩結合器，其包括：_第—透鏡，其具有 —第一凸面'與該第一凸面相對之一光輸入表面及一光學 轴’一第二透鏡，其居於該光學軸之申央，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 —第三凸面；一第一光源、一第二光源及一第三光源，其 等自該光學軸位移且經設置以分別將一第_色彩光、—第 二色彩光及一第三色彩光注入至該光輸入表面中；及—一 色性板’其面向5亥第三凸面而設置，該二色性板包含一 158862.doc • 26- 201229649 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，其中將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之各者予以傾斜以使得各 反射該第一色彩光、該第二色彩光及該第三色彩光以沿著 該光學軸穿過該輸入平面出射作為一結合色彩光束。 項目16為項目15之色彩結合器，其中該第一色彩光及該 第一色彩光之各者包含一第一發散角，及該結合光束包含 自6亥第一發散角改變不大於10%之一第二發散角。 項目17為項目15或項目16之色彩結合器，其中該第三反 射體包括一寬頻帶鏡面。 項目18為項目15至項目17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19為項目15至項目18之色彩結合器，其進一步包括 -收集光學器j牛，該收集光學器件包含：一第三透鏡，其 八有第四凸面、與s亥第四凸面相對之一第二光輸入表 面’及設置於該光學軸上且可將自該輸人表面出射之光透 射至該第二光輸入表面之一光均質化管道；及一第四透 鏡其居於4光學轴之中央，該第四透鏡具有面向該第四 凸面之帛五表面，及與該第五表面相對之一第六凸面， 其中進入該第二光輸入表面之光自該第六凸面出射作為具 有一小發散角之一經擴展之光束。
S 158862.doc •27. 201229649 項目20為項目19之色彩結合器，其中該小發散角包括小 於約15度之一角度。 項目21為項目19或項目20之色彩結合器，其中該小發散 角包括小於約12度之一角度。 項目22為一影像投影機，其包括：項目丨丨或項目19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 调變器，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23為項目22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輯示及描述，然 熟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 158862.doc -28- 201229649 特定實施例。本申請案意欲涵蓋本文所討論之特定貫施例 之任意改變及變更。因此，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一橫截面示意圖； 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展示一色彩結合器系統之一橫截面示意圖； 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 I58862.doc -29-
S 投影模組 投影光學器件 投影光學器件 投影光學器件 經投影之成像光 色彩結合器 光學軸 光注入表面 第一光收集光學器件 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 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 -30- 201229649 148 第一色彩光束/輸出第 一色彩光束 150 第二光源 151 第二色彩光 152 第二中央光射線 154 第二邊界光射線 156 第二邊界光射線 158 第二色彩光束/輸出第二色彩光束 160 可選用之第三光源 161 第三色彩光 162 第三中央光射線 164 第三邊界光射線 166 第三邊界光射線 168 第三色彩光束/輸出第 三色彩光束 170 光輸出區域 200 色彩結合器系統 210 整合桿/光均質化管道 220 第二光收集光學器件 230 寬頻帶鏡面 280 色彩結合準直光 αΐ 第一二色性傾斜角 α2 第二二色性傾斜角 α3 第三二色性傾斜角 θΐί 第一輸入光準直角/第 一輸入準直 θΐο 第一輸出準直角 158862.doc -31 - 201229649 Θ2ί 第 二 入 光準直角/第 二 輸入 準 直 角 θ2ο 第 二 fm 出 準直角 Θ3ΐ 第 三 料j 入 光準直角/第 三 輸入 準 直 角 θ3ο 第 三 ¥m 出 準直角 φ 傾斜 角 / 二 -色性板傾斜 角 158862.doc -32-