CN100434972C - 分色棱镜组 - Google Patents

Abstract

一种分色棱镜组，包含有一偏振分光棱镜及多个棱镜区块。该偏振分光棱镜的一对角面具有一偏振分光膜，且对应特定色彩频带的第一及第二滤光镜分别形成于其相邻边界面上。一第一棱镜区块及一第二棱镜区块，分别贴覆于一第一及一第二滤光镜上以连接至偏振分光棱镜。该第二棱镜区块系为一底面形成有一第三滤光镜的直角棱镜，且一第三棱镜区块经由贴覆该第三滤光镜与该第二棱镜区块紧密结合。构成该第二棱镜区块的该直角棱镜其斜面与形成有该第三滤光镜的底面两者的夹角不大于30度。

Description

分色棱镜组

技术领域

本发明有关一种分色棱镜组，尤其有关一种应用于一彩色投影系统的分色棱镜组。

背景技术

请参照图1，图中显示美国专利第US 5,621,486号所揭示的光学系统中，用以将入射光分出红(R)、蓝(B)及绿(G)三原色的飞利浦棱镜组(Philips prismassembly)100。如图1所示，棱镜组100包含三个棱镜102、104、106，及镀有双色滤光作用的分色表面108、110。棱镜102与104彼此间隔一气隙(airgap)114，当入射光I进入棱镜组100后，分色表面110会滤出并反射红光I_R，而蓝光I_B及绿光I_G则可穿透分色表面110，之后，被反射的红光I_R再经由棱镜102的一内表面反射后进入液晶光阀(liquid crystal light valve；LCLV)112R。接着，已滤出红光I_R的入射光I通过气隙114后入射至分色表面108，分色表面108可滤出并反射蓝光I_B且让绿光I_G通过，因此绿光I_G直接穿透分色表面108后进入液晶光阀112G，蓝光I_B由分色表面108反射后，藉由气隙114与棱镜104的界面发生的全反射作用而可反射进入液晶光阀112B。

上述的设计虽能缩小棱镜组体积，且获得光束能以较小的入射角入射至分色表面的效果，然而，于该设计中蓝光I_B及绿光I_G于分光前需先斜向穿透气隙114，如此于不同角度上的光程会产生差异而降低成像精确度，另外，该设计更会导致投影透镜背焦(back focal length)过长的问题。

请参照图2，图中显示美国专利第US 5,153,752号所揭示的具有将入射光分出红、蓝及绿三原色的X棱镜组(cross dichroic prism)的彩色投影系统200。如图2所示，彩色投影系统200的入射光I的S态分量及P态分量分别由偏振分光棱镜(polarized beam splitter；PBS)202a及202b反射后进入X棱镜组204，X棱镜组204内具有交叉配置的双色滤光镜204a、204b、204c及204d，双色滤光镜204a及204d用以滤出并反射蓝光分量，而双色滤光镜204b及204c用以滤出并反射红光分量，使红光(RS)、绿光(GS)及蓝光(BS)被导向各自对应的液晶光阀208R、208G及208B，液晶光阀调制并反射各个色彩分量，使各个色彩分量再反向结合后进入投影透镜206中。

然而，彩色投影系统200虽能达到缩短背焦并避免上述棱镜组100的缺点的效果，但依该设计光束入射至分色表面时具有一极大的入射角(45度)。当入射至分色表面的入射角过大时，通过双色滤光镜的偏振光谱会漂移而影响分光后的色彩纯度，降低棱镜组的整体分光效能。另外，制造X棱镜组204时，交叉配置的双色滤光镜明显带来制造上的难度。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种分色棱镜组，其能同时提高分光后的色彩纯度、棱镜组的整体分光效能并且容易制造。。

依本发明设计，一种分色棱镜组包含一偏振分光棱镜及多个棱镜区块。该偏振分光棱镜的一对角面具有一偏振分光膜，且对应特定色彩频带的一第一及一第二双色滤光镜分别形成于其相邻边界面上。一第一棱镜区块及一第二棱镜区块，分别贴覆于该第一及第二双色滤光镜上以连接至该偏振分光棱镜。该第二棱镜区块是一底面形成有一第三双色滤光镜的直角棱镜，且一第三棱镜区块经由贴覆该第三双色滤光镜与该第二棱镜区块紧密结合。构成该第二棱镜区块的直角棱镜其斜面与形成有该第三双色滤光镜的底面两者的夹角不大于30度。

藉由本发明具高分光比的偏振分光膜与非偏振双色滤光镜两者的组合设计，一方面入射光可以45度的大角度入射至偏振分光膜上，而可获得良好的S偏态与P偏态的分光效果；另一方面，构成第二棱镜区块的直角棱镜其斜面与形成有第三双色滤光镜的边界面的夹角为不大于30度，使本发明能将斜向入射至双色滤光镜的入射角限制在30度内，获得良好的色彩控制效果。再者，本发明提供一极简易的棱镜区块配置而可达成减少各个色彩分量光程以缩短背焦的目的，且不须如现有技术般须制造交叉配置的双色滤光镜，而可有效降低制造成本。另外，本实施例的简易棱镜区块组合方式，可有效提高光对准容许的制造公差，且因棱镜组内不具气隙而可避免光束斜向通过空气间隙的情形，如此皆可提高成像准确度而获得使影像更为鲜明的效果。

附图说明

图1为一示意图，显示一现有光学系统中，用以将入射光分出红、蓝及绿三原色的飞利浦棱镜组。

图2为一示意图，显示另一现有光学系统中，用以将入射光分出红、蓝及绿三原色的X棱镜组的彩色投影系统。

图3为依本发明的一实施例，显示一分色棱镜组的平面示意图。

图4为显示本发明采用的各种棱镜构件其立体型态的示意图。

图5依本发明的另一实施例，显示一分色棱镜组示意图。

图6为一示意图，显示分色棱镜组其棱镜区块配置的一变化例。

图7为一示意图，显示分色棱镜组其棱镜区块配置的另一变化例。

具体实施方式

请参照图3，图中显示本发明的分色棱镜组的第一较佳实施例。分色棱镜组10是将入射的白光(white light)W分离为红(R)、绿(G)、蓝(B)三种不同的色彩分量，以分别进入对应的光阀(light valve)，如例示对应的液晶光阀(liquid crystal light valve；LCLV)30、32及34。图3的实线显示入射光W经由分色棱镜组10分离为三种不同色彩分量，并分别进入对应的液晶光阀的光路；虚线则显示该不同色彩分量经由对应的液晶光阀反射后，再藉分色棱镜组10合光至一投影透镜36的光路。

如图3所示，分色棱镜组10是由一偏振分光棱镜(polarization beamsplitter；PBS)12、棱镜区块14、棱镜区块16及棱镜区块18所构成。依本实施例，偏振分光棱镜12是由一立方体(cube)所构成，棱镜区块14是呈四棱柱(quadrangular prism)外形，棱镜区块16是为一直角棱镜(rectangularprism)，且棱镜区块18是呈三棱柱(triangular prism)外形。

请参照图4，图4为显示上述立方体(a)、四棱柱(b)、直角棱镜(c)及三棱柱(d)的构件立体图，以清楚显示本发明的分色棱镜组10所采用的各种棱镜构件的立体形态。如图4所示，上述的三棱柱形成为由一对平行的水平面及与该水平面垂直的三个铅直侧面界定而成的立体形态，同理于本文中出现的四棱柱的形态亦同样为具有一对平行的水平面而仅铅直侧面的数目变化为四个，余此类推。再者，如图4所标示，依本发明第一实施例分色棱镜组10的设计，入射光W是由构成偏振分光棱镜的立方体(a)其铅直侧面进入分色棱镜组10中。另外，为配合图3的平面图起见，各个棱镜构件的铅直侧面一概以「边界面(bounding surface)」称之。

请再参考图3，构成偏振分光棱镜12的立方体的一对角面上镀有一层高分光比(separation ratio；T/R)的偏振分光膜(PBS coating)22。偏振分光膜22于对角面上形成的方式并不限定，例如可直接于该对角面设置一层干涉薄膜；或于立方体对角面位置处平行设置两道干涉膜层，中间并填充与棱镜折射率接近的介质以将两者胶黏，如此可更有效提高偏振分光膜22的分光比。

此外，偏振分光棱镜12其与棱镜区块14及棱镜区块16邻接的边界面上，分别设有可滤出特定色彩频带的干涉薄膜以分别形成双色滤光镜(dichroicfilter)24及双色滤光镜26。于本实施例中，双色滤光镜24是用来滤出并反射绿光及蓝光色彩分量并令红光色彩分量通过，而双色滤光镜26是用来滤出并反射红光色彩分量并令绿光及蓝光色彩分量通过。棱镜区块14及棱镜区块16的一边界面分别贴覆该双色滤光镜24及双色滤光镜26，且棱镜区块14及16例如可采用胶合(cementation)方式固定于偏振分光棱镜12上。

棱镜区块16的一边界面上形成有双色滤光镜28，且双色滤光镜28与双色滤光镜24是于同一平面位置形成，以滤出并反射蓝光色彩分量并令绿光色彩分量通过。棱镜区块18的边界面分别贴覆该双色滤光镜28及棱镜区块14的一边界面，且棱镜区块18可采用胶合方式固定于棱镜区块14与棱镜区块16间，其表面分别贴覆棱镜区块14与棱镜区块16的一表面，且其与棱镜区块14的邻接面与偏振分光棱镜12形成有偏振分光膜22的对角面位于同一平面位置。棱镜区块14、16及18面向液晶光阀30、32及34的边界面，皆与液晶光阀30、32及34的平面保持平行。

如下将参照图3，详述入射光W经由分色棱镜组10分离为三种不同色彩分量，并分别投射至对应的液晶光阀的过程。

如图中的实线所示，入射光W首先由偏振分光棱镜12未形成双色滤光镜的一边界面进入本发明的分色棱镜组10，并以45度角入射至偏振分光膜22。之后，S偏光WS会由偏振分光膜22反射并沿垂直方向入射至双色滤光镜24，而P偏光WP则穿透偏振分光膜22并沿垂直方向入射至双色滤光镜26。接着，双色滤光镜24可将S偏光中的绿光及蓝光色彩分量GS、BS滤出并将其反射回原光源处，红光色彩分量RS则可穿透双色滤光镜24并进入棱镜区块14中。因棱镜区块14的一边界面14a其角度设计使相对该S偏光的红光色彩分量RS成为一全反射面，故红光色彩分量RS可经由棱镜区块14的边界面14a全反射后，由棱镜区块14的另一边界面14b垂直出射并进入液晶光阀30。

另一方面，入射至双色滤光镜26的P偏光WP，其红光色彩分量RP被双色滤光镜26滤出并将其反射回原光源处，绿光及蓝光色彩分量GP、BP则穿透双色滤光镜26并进入棱镜区块16。

依本实施例，棱镜区块16是由一直角棱镜构成，且该直角棱镜的斜面16a与形成有双色滤光镜28的边界面的夹角β设计为30度。因此，当绿光GP及蓝光BP色彩分量进入棱镜区块16后，会先于直角棱镜的斜面16a产生全反射，再以入射角α＝30度的小角度入射至双色滤光镜28上。双色滤光镜28滤出并反射蓝光色彩分量BP并令绿光色彩分量GP通过，因此P偏光的绿光色彩分量GP可穿透双色滤光镜28，并由棱镜区块18的一边界面18a垂直出射并进入液晶光阀32，而P偏光的蓝光色彩分量BP可由直角棱镜斜面16a垂直出射并进入液晶光阀34。

液晶光阀的原理是利用液晶于基板间形成光阀，借助电路开关推动液晶分子旋转产生寻址像素单元(addressed pixel sites)，以决定画面像素的明暗，而光线于已寻址的像素单元其上反射后其偏态会改变。

图3的虚线显示不同色彩分量经由对应的液晶光阀反射，于其上经由寻址的像素单元改变色彩分量的偏态，再通过分色棱镜组10合光至一投影透镜36产生影像的过程。

如图3的虚线所示，S偏光的红光色彩分量RS经由液晶光阀30上寻址像素单元反射后转换为P偏态，P偏光的红光色彩分量RP依序经由全反射面14a反射、穿透双色滤光镜24、穿透偏振分光膜22后进入投影透镜36。P偏光的绿光及蓝光色彩分量GP、BP，分别经由液晶光阀32、34上寻址像素单元反射后转换为S偏态，S偏态的绿光色彩分量GS依序穿透双色滤光镜28、经由全反射面16a反射、穿透双色滤光镜26、经由偏振分光膜22反射后进入投影透镜36，而S偏态的蓝光色彩分量BS依序经由双色滤光镜28反射、全反射面16a反射、穿透双色滤光镜26、经由偏振分光膜22反射后进入投影透镜36。如此即完成本发明分色棱镜组10将各个寻址像素单元反射的光线，合光至投影透镜36产生全彩影像的过程。附带一提，入射至各个液晶光阀上非寻址像素单元(non-addressed pixel sites)的光线，因其反射后偏态并未改变，故可沿原路径返回光源处。

一般而言，干涉薄膜的分光效果容易受入射于其上的光线入射角影响，当入射角过大时，通过双色滤光镜的偏振光谱会漂移而影响分光后的色彩纯度，故入射至双色滤光镜所在平面的入射角需等于或小于30度较佳。因此，借助本发明具高分光比的偏振分光膜与非偏振双色滤光镜两者的组合设计，一方面入射光可以45度的大角度入射至偏振分光膜上，而可获得良好的S偏态与P偏态的分光效果；另一方面，构成棱镜区块16的直角棱镜设计为斜面16a与形成有双色滤光镜28的边界面的夹角β＝30度，使本发明易于将斜向入射至双色滤光镜的入射角α限制在30度内，获得良好的色彩控制效果。

再者，于满足分光后的各个色彩分量的光程维持一致，且光束可以垂直方向行经棱镜组的各个穿透面的光学设计前提下，本发明提供一极简易的棱镜区块配置而可达成减少各个色彩分量光程以缩短背焦的目的，且不须如现有技术般须制造交叉配置的双色滤光镜，而可有效降低制造成本。另外，本实施例的简易棱镜区块组合方式，可有效提高光对准(optical alignment)容许的制造公差，且因棱镜组内不具气隙而可避免光束斜向通过空气间隙的情形，如此皆可提高成像准确度而获得使影像更为鲜明的效果。

请参照图5，图中显示本发明分色棱镜组的第二实施例。如图5所示，若将入射至分色棱镜组40的入射光W先经由一前置偏极处理装置(pre-stagepolarization device)38处理，使进入分色棱镜组40的光线为例如S偏光的红光色彩分量RS、P偏光的绿光色彩分量GP、P偏光的蓝光色彩分量BP的组合，则偏振分光棱镜42上邻接棱镜区块44及棱镜区块46的两边界面即不需设置双色滤光镜，仍可达到本发明的分光及合光效果。如图3所示，S偏光的红光色彩分量RS会于偏极分光膜上反射，P偏光的绿光色彩分量GP、蓝光色彩分量BP会穿透偏极分光膜，其后的行进光路与第一实施例相同。

于此须注意前述各个实施例所提及关于不同色彩分量的分离顺序、或关于该色彩分量的偏态决定，仅为例示之用，各该色彩分量的分光并无次序性且其偏态亦可互换，完全可视实际需求加以变化。

再者，本实施例的棱镜区块46亦是由一直角棱镜构成，且该直角棱镜设计例示为与形成有双色滤光镜28的边界面的夹角β＝30度。然而，依本发明β角仅需设计为不大于30度而可做小幅变化，只要达到确保入射角α不大于30度的效果即可。然而，熟悉本技术的人士亦可将上述的β角设计为略大于30度(例如：31度)，此设计需借助增加双色滤光镜28的镜面的镀膜层来达成，角度越大于30度则所需镀膜层越多，故此设计徒增制作工艺困难度与成本费用，在此特予说明。

此外，本发明的分色棱镜组可借助其棱镜区块的构造设计或结合一散热构件而形成不同的变化例。请参照图6，显示本发明的分色棱镜组的第三较佳实施例。如图6所示，于分色棱镜组50的偏振分光棱镜52的两边界面可分别连接两相同的直角棱镜54a及54b，两直角棱镜54a及54b的一底面再分别连接两个相同的三棱镜56a及56b，且三棱柱56a及56b的两边界面等长。也就是说，第一实施例的棱镜区块14可由相同于构成棱镜区块16的直角棱镜及构成棱镜区块18的三棱柱两者组合而成，如此可使制造分色棱镜组过程更为容易且节省材料成本。

请参照图7，图中显示本发明的分色棱镜组的第四较佳实施例。如图7所示，本实施例的分色棱镜组60的偏振分光棱镜62的两边界面可分别连接两相同的直角棱镜64a及64b，两直角棱镜64a及64b的一底面再分别连接两个相同的直角棱镜66a及66b。也就是说，第一实施例的棱镜区块14可由相同于构成棱镜区块16的直角棱镜及构成棱镜区块18的直角棱镜两者组合而成，如此同样可使制造分色棱镜组过程更为容易且节省材料成本。另外，于本实施例中可将一具高热传导系数的散热构件68(例如铜块等金属导体)设置于各棱镜区块围绕出的空间并邻接于周遭的棱镜边界面，用以吸收分色棱镜组60所承受的热能以延长各镀膜层的使用寿命。

以上所述仅为例示性，而非为限制性的实施例。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效的修改或变更，均应包含于后附的权利要求范围中。

Claims (16)

1.一种分色棱镜组，用于一彩色投影系统中，该分色棱镜组包含：

一偏振分光棱镜，其一对角面形成有一反射第一偏振光并允许一第二偏振光通过的偏振分光膜；

一第一棱镜区块，邻接该偏振分光棱镜的一第一边界面，且该第一棱镜区块与该第一边界面间介设有一允许第一偏振光的第一色域的光通过的第一滤光镜；

一第二棱镜区块，邻接该偏振分光棱镜其与该第一边界面相邻的一第二边界面，且该第二棱镜区块与该第二边界面间介设有一允许第二偏振光的第二和第三色域的光通过的第二滤光镜；及

一第三棱镜区块，邻接于该第一与第二棱镜区块间，且该第三棱镜区块与该第二棱镜区块间介设有一反射第二偏振光的第三色域的光并允许第二偏振光的第二色域的光通过的第三滤光镜。

2.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于该第一棱镜区块及该第二棱镜区块是分别以贴覆该第一滤光镜及该第二滤光镜的方式邻接该偏振分光棱镜。

3.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于该第一及第三滤光镜是于同一平面位置形成，且该第一及第三棱镜区块的邻接面是与形成该偏振分光膜的该对角面位于同一平面位置。

4.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于该第一、第二及第三滤光镜分别为一双色滤光镜。

5.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于该偏振分光棱镜是呈立方体型，且该偏振分光膜是以于该立方体对角面位置处平行设置两道干涉膜层方式形成。

6.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于该第一棱镜区块是一四棱柱。

7.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于该第一棱镜区块是一直角棱镜与一三棱柱的组合，且该三棱柱的两边界面等长。

8.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于还包含有一第一液晶光阀平行配置并面向该第一棱镜区块、一第二液晶光阀平行配置并面向该第二棱镜区块以及一第三液晶光阀平行配置并面向该第三棱镜区块。

9.如权利要求8所述的分色棱镜组，其特征在于该第二棱镜区块面向该第二液晶光阀的边界面与邻接该第三棱镜区块的边界面两者的夹角是不大于30度。

10.如权利要求8所述的分色棱镜组，其特征在于该第二棱镜区块是一直角棱镜，且该第二棱镜区块面向该第二液晶光阀的边界面为该直角棱镜的斜面。

11.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于该第三棱镜区块是一三棱柱，且该三棱柱的两边界面等长。

12.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于还包含一散热构件介设于该分色棱镜组内并邻接棱镜边界面。

13.如权利要求1所述的分色棱镜组，其特征在于该第一、第二棱镜区块是以胶合方式与该偏振分光棱镜结合，且该第三棱镜区块是以胶合方式与该第一、第二棱镜区块结合。

14.一种分色棱镜组，用于一彩色投影系统中，该分色棱镜组包含：

一偏振分光棱镜，其一对角面形成有一偏振分光膜以将包含第一、第二及第三色彩分量的光束，分成分别由该偏振分光棱镜相邻的第一及第二边界面出射的一第一偏光及一第二偏光，或将分别由该第一及第二边界面入射的一第一偏光及一第二偏光组合为包含第一、第二及第三色彩分量的光束；

一第一棱镜区块，邻接该偏振分光棱镜的该第一边界面，且该第一棱镜区块与该第一边界面间介设一第一滤光镜以使该第一偏光的第一色彩分量通过；

一第二棱镜区块，邻接该偏振分光棱镜的该第二边界面，且该第二棱镜区块与该第二边界面间介设一第二滤光镜以使该第二偏光的第二及第三色彩分量通过；及

一第三棱镜区块，邻接于该第一及第二棱镜区块间，且该第三棱镜区块与该第二棱镜区块间介设一第三滤光镜以滤出并反射该第二偏光的第三色彩分量且令该第二偏光的第二色彩分量通过；

其中该第一、第二、及第三棱镜区块分别具有相对该第一偏光的第一色彩分量、该第二偏光的第三色彩分量及该第二偏光的第二色彩分量的一垂直光穿透面。

15.一种分色棱镜组，用于一彩色投影系统中，该分色棱镜组包含：

一前置偏极处理装置，用以将入射光的一第一色彩分量偏极化为第一偏光且将其第二及第三色彩分量偏极化为第二偏光；

一偏振分光棱镜，其一对角面具有一偏振分光膜，使该第一偏光及该第二偏光分别由该偏振分光棱镜相邻的第一及第二边界面出射；

一第一棱镜区块，邻接该偏振分光棱镜的该第一边界面；

一第二棱镜区块，邻接该偏振分光棱镜的该第二边界面；及

一第三棱镜区块，邻接于该第一及第二棱镜区块间，且该第三棱镜区块与该第二棱镜区块间介设一滤光镜以滤出并反射该第二偏光的第三色彩分量且令该第二偏光的第二色彩分量通过；

其中该第一、第二、及第三棱镜区块分别具有相对该第一色彩分量、第三色彩分量及该第二色彩分量的一垂直光穿透面。

16.一种分色棱镜组，用于一彩色投影系统中，该分色棱镜组包含：

一偏振分光棱镜，其一对角面形成有一偏振分光膜以将包含第一、第二及第三色彩分量的光束，分成分别由该偏振分光棱镜相邻的第一及第二边界面出射的一第一偏光及一第二偏光，或将分别由该第一及第二边界面入射的一第一偏光及一第二偏光组合为包含第一、第二及第三色彩分量的光束；

一第一棱镜区块，包含：

一第一边界面，邻接该偏振分光棱镜的该第一边界面；

一第二边界面，相对该第一偏光的第一色彩分量形成为一全反射面；及

一第三边界面，相对该第一偏光的第一色彩分量形成为一光线垂直出射并进入一第一液晶光阀的穿透面；

一第二棱镜区块，包含：

一第一边界面，邻接该偏振分光棱镜的该第二边界面；及

一第二边界面，相对该第二偏光的第二及第三色彩分量形成为一全反射面，同时相对该第二偏光的第三色彩分量形成为一光线垂直出射并进入一第三液晶光阀的穿透面；及

一第三棱镜区块，邻接于该第一及第二棱镜区块间，且其一边界面相对该第二偏光的第二色彩分量形成为一光线垂直出射并进入一第二液晶光阀的穿透面；

其中该第一棱镜区块与该偏振分光棱镜间介设有一第一滤光镜以令该第一偏光的第一色彩分量通过；该第二棱镜区块与该偏振分光棱镜间介设有一第二滤光镜以令该第二偏光的第二及第三色彩分量通过，且该第三棱镜区块与该第二棱镜区块间介设一第三滤光镜以滤出并反射该第二偏光的第三色彩分量且令该第二偏光的第二色彩分量通过。

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