光学元件和合色器制造技术

本发明专利技术描述了光学元件、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。光学元件包括光循环堆叠、偏振分束器和选色型堆叠延迟偏振滤光器。偏振分束器包括被对准至第一偏振方向的第一反射型偏振器。每个光循环堆叠包括被对准至第一偏振方向的第二反射型偏振器和被对准成与第一偏振方向成４５度的延迟器。合色器包括连接到光学元件的部分反射性的光源。具有不同颜色的未偏振光可以穿过光循环堆叠进入合色器，并且所需偏振态的组合光可以射出合色器。具有不期望偏振态的光可以在合色器内循环成所需偏振态，使得光利用效率提高。图像投影仪包括连接到成像源和投影元件的合色器，使得组合光的第一部分被导向投影元件，并且组合光的第二部分循环返回到合色器内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学元件和合色器
技术介绍
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。
技术实现思路
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。图北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。具体实施例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。根据一个方面，光学元件包括具有输出表面、三个输入表面和第一反射型偏振器 的偏振光分束器(PBS)。在一个实施例中，第一反射型偏振器可以被对准至第一偏振方向。 设置第一反射型偏振器，使得输入到PBS的三色光中各光的光以大约45度角拦截第一反射 型偏振器。在一个实施例中，拦截角的范围从35度至55度；从40度至50度；从43度至 48度；或者从44. 5度至45. 5度。第一反射型偏振器可以是任何已知的反射型偏振器(例如，麦克尼尔 (MacNeille)偏振器)、线栅型偏振器或多层光学膜偏振器。根据一个实施例，多层光学膜 偏振器可以是优选的第一反射型偏振器。第一反射型偏振器可以设置在两个棱镜的对角面 之间，或者它可以是自立式膜，例如薄膜。在一些实施例中，当第一反射型偏振器设置在两 个棱镜之间时，改进了 PBS光利用效率。在该实施例中，穿过PBS传播的光中原本会在光程 中损失的部分光可以经历棱镜面的全内反射(TIR)并且再加入光程。至少出于这个原因， 下面的描述涉及其中第一反射型偏振器设置在两个棱镜的对角面之间的PBS。然而，应当理 解，当PBS用作薄膜时，它可以以相同的方式作用。在一个方面，PBS棱镜的所有外表面被 高度抛光，使得进入PBS的光经历TIR。以此方式，光被包含在PBS内并且光被部分均化同 时仍保持集光率。两个或更多个未偏振的色光可以被导向光学元件的输入表面，并且各光均根据设 置成邻近各输入表面的光循环薄膜堆叠进行的偏振被分光。偏振滤光器设置成邻近PBS的 输出表面，并且可以选择性地改变至少一个输入的色光在射出PBS时的偏振方向。在一个 实施例中，各光循环薄膜堆叠包括延迟器和第二反射型偏振器。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，存在的优点是，使用了四分之一波长延迟器和相关的第二反 射型偏振器。当穿过被对准成与光偏振轴成45°角的四分之一波长延迟器时，线偏振光变 为圆偏振光。随后合色器中的反射型偏振器和四分之一波长延迟器的反射使得从光组合 器高效输出组合光。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 P-偏振(椭圆或线状)之间的偏振态，并可造成光组合器的低效率。第二反射型偏振器可以是任何已知的反射型偏振器(例如，麦克尼尔偏振器)、线 栅型偏振器或多层光学膜偏振器。在一个实施例中，各第二反射型偏振器可以被对准至第 一偏振方向。根据下述的一个实施例，色光组合系统从不同颜色的未偏振光源接收未偏振 光，并且产生沿着一个所需方向偏振的组合输出光。在一个方面，多达三种所接收的色光均 根据第二反射型偏振器的偏振(例如S-偏振和P-偏振)被分光。每种颜色的S-偏振光 穿过第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学元件，包括：偏振分束器，所述偏振分束器包括：第一和第二棱镜；第一、第二、第三和第四棱镜面；第一反射型偏振器，所述第一反射型偏振器设置在所述第一棱镜与所述第二棱镜之间；偏振滤光器，所述偏振滤光器被设置成面向所述第一棱镜面，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；第二、第三和第四反射型偏振器，所述第二、第三和第四反射型偏振器被设置成分别面向所述第二、第三和第四棱镜面；第一、第二和第三延迟器，所述第一、第二和第三延迟器被设置成面向所述第二、第三和第四棱镜面中的每个，与所述反射型偏振器相对；和偏振旋转堆叠，所述偏振旋转堆叠设置在所述第三反射型偏振器与所述第三棱镜面之间，所述偏振旋转堆叠包括：第四和第五延迟器；选色型二向色滤光器，所述选色型二向色滤光器设置在所述第四延迟器与所述第五延迟器之间，透射第一波长谱的光并且阻挡其它波长的光。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：西蒙马格利尔，查尔斯L布鲁泽，安德鲁J乌德科克，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US