CN1231771C - 色彩分离棱镜组及使用该棱镜组的影像显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一色彩分离棱镜组及使用该棱镜组的影像显示器。该棱镜组包含三个具有相同形状及尺寸的三角形棱镜，其中的任一棱镜包含有二个三角形表面作为与其它二棱镜相同三角形表面黏合的黏合面。棱镜的至少二个三角形表面镀有色彩分离薄膜，供反射穿过该棱镜之一第一颜色光及传输一第二颜色光。棱镜的二个三角形表面镀有全反射膜，供反射投射在该内部全反射表面上的光线。所述的内部全反射表面上进一步镀有相位偏移补偿物质。该色彩分离棱镜组可包含三个覆晶硅片调变装置供分别调变一被分离的颜色光束，并通过色彩分离棱镜组，投射在所述的覆晶硅片上。还可藉组合的色彩分离棱镜作为补偿供对比增进及实现为一反射式影像显示器。

Description

色彩分离棱镜组及使用该棱镜组的影像显示器

技术领域

本发明涉及光学系统结构单元，特别是一种分光棱镜组。本发明进一步涉及一种利用色彩分离棱镜的影像显示器。

背景技术

对于熟知于设计及组合反射式成像器型式的投影显示系统的技术人士而言，目前为止，在以偏极分光镜(PBS)设计及组合实现反射式影像显示器的系统时，在复合角度去极化(depolarization)方面，仍有技术上的困难存在。

色彩分离棱镜(Color separation prisms)是被放置在1/4波板(quarterwave plate，QWP)及成像器之间。这使得在倾斜的分色镜(dichroic)及内部全反射表面上引起了不想要的相位改变。

系统的执行效率，因为不好的对比被降级了。一个1/4波板放置在偏极分光镜及反射影像器之间，可以导正复合的角度去极化。然而，此一程序需要去胶合1/4波板，而增加了程序上的复杂度及量产上的困难。

具有光学特性的薄膜能被镀在内部全反射表面及分色反射表面，以控制相位差而消除不想要的相位改变所产生的效果。

然而，现今的色彩分离棱镜组合，将在如下所述的正面临到的困难是，棱镜组合在提供作为三颜色路径的色彩分离上变得相当的大，并且占据了大的空间。

这个限制可借检视一授权给Bryars等人的第6,144,498号美国专利而得到理解，名称是“色彩分离棱镜表组合及其制造方法”。此专利公开了一个色彩分离元件是由三个棱镜所组合而成，而其排列是提供给每个颜色以空气厚度相当(air equivalent thickness)的调整。

此空气厚度相当的调整，提供了在三个棱镜的中的任何一个棱镜的偏移校正，以及提供一个在通讯显示系统中，由于其他光学元件所产生色彩偏差的校正方法。

此被公开的色彩分离元件，借由使用低容许误差(tolerance)元件，及/或具有一般地高色彩偏差的塑胶光学元件，是用以增进影像品质及提供降低显示系统成本的机会。

如Bryars等人所讨论到的，分色滤光镜(dichroic filter)及棱镜的组合，作为分离颜色或组合主要颜色至成为最后的影像的方式，通常被使用在颜色成像及显示系统。

一个达成此目的，而广为人知是飞利浦棱镜精简的光学元件，此飞利浦棱镜组合是为一般人所知的，其各种不同的用途，可见如美国专利2,392,978、3,659,918、4,009,941、4,084,180及4,913,528所述，所述的专利及Bryars等人的6,144,498专利所公开的部分，在此并入本专利的参考文件。

参阅图1，是传统飞利浦组合棱镜10的透视图。此组合棱镜10包括一个第一三角形棱镜12及一个第二三角形棱镜14及一个具有至少四边的第三棱镜16。此三角形棱镜12及14是互相对应地放置，并在其介面之间提供一个空气间隙18。

此三角形棱镜14及三角形棱镜16是以光学的方式，在棱镜介面20处黏紧。

如图1所示，棱镜12系架构用以分离红光(R)，棱镜14是架构用以分离蓝光(B)，棱镜16是架构用以通过绿光(G)。此光线穿透过组合棱镜10的路径，如图1所示。

一入射光线i通过三棱镜12，该光线i的一部份(例如红光)为内部反射，并且在棱镜12以r1射出。

此入射光的剩余部分进入棱镜14，该光线的一部份(例如蓝光)为内部反射，并且在棱镜14以r2射出。此入射光线的剩余部分(例如绿光)，在棱镜16以r3射出。

因此，色彩分离为红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)，在飞利浦棱镜达成了。

为了要校正光学系统的颜色色差，美国专利6,144,498公开了如图2的色彩分离棱镜组合。图2是棱镜组合30的光线图，其中棱镜14与棱镜12及16的组合与指定位置相对应具有相对偏移值。

棱镜14内的箭头虚线，代表棱镜组合的光线路径，与名义上的设计无偏移。棱镜12中的虚线，代表指定的位置供棱镜12的较长边所形成与棱镜14相邻的刻面。在棱镜30的实线代表棱镜12及棱镜14组合成棱镜30的实际的路径为校正偏移位置所产生的实际路径。这些棱镜均为一维方向上的偏移，藉此相接的刻面的平行关系仍然被维持着，并且路径长度是相等的，使得(ABCD)新＝(ABA’B’C’D’)新。

借由改变棱镜16的共同刻面与接合面平行，该棱镜16被放置在距棱镜14同边一定距离。棱镜16的偏移总量可计算得(ABCD)新＝(ABA’B’A”B”)新。如上所述的这些棱镜，均具有大的体积。在如上述的飞利浦棱镜组合中在反射面使用了补偿薄片，并且第三棱镜是被切成2个，并且加入了1个倾斜面，用以适当控制因光学传输所引起的差异性相位偏移。此组合转换是用不同形状的棱镜组成，因此需要更多复杂的组合程序。而导致更高的生产成本、更低的产品产量及更不良的品质。

参阅图3及图4的其中之一均可选择，为另一个前案由Greeoberg及Brayars公开的色彩分离棱镜组合，包含三个完全不同形状的棱镜。第三个棱镜是被修正使得第三个棱镜是第二棱镜的镜像。一个内部全反射表面(TIR)供第三通道已作过介绍。此修正了的棱镜组合具有一个好处是，棱镜组合较上述飞利浦棱镜组合更加精简。然而，此修正的棱镜组合产生了另一个问题，是属于额外新增元件的引入偏移。

透过传输的不同相位偏移的特性为偏差校正，是不容易达成的，并且，因修正的棱镜组合，仍需要多于一种型式的棱镜，由于处理不同种类棱镜的程序仍未得到解决，这增加了制造成本。

因此，提供一个新的及进步的色彩分离棱镜组合以克服上述的困难及限制，是尤其需要的。一个被简化的，更精简且更经济的颜色分离棱镜组合，用以增进棱镜组合的现有技术的色彩分离效果的申请案是有其需要的。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一色彩分离棱镜组合，其尺寸及重量更加精简且更能方便地被制造及组合，因此现有技术所遭遇到的限制及困难能得以解决。

特别地，本发明的再一目的，是提供一个新的及进步的棱镜组合架构，具有三个三角形且在尺寸及形状上完全一样。此三个三角形棱镜更进一步被组合为一个组合棱镜，其具有内部接合面镀上分色滤光(dichrior filtering)薄膜供分离光线成彩色光束。

此以三个棱镜组合成相同的形状及尺寸的组合的棱镜以更加精简且能更加方便地制造且以更简化的方式及降低产品成本的方式组合。

本发明的另一目的，是提供新的且进步的色彩分离棱镜组合，在内部全反射表面镀上相位偏移补偿膜，镀在这些全反射表面中的两个全反射表面，用以降低需要相位偏移及补偿的工作及成本。

本发明的又一目的，是提供新的及进步的色彩分离棱镜组合，其具有三个相同形状尺寸的三角形棱镜，以组合成一个组合棱镜。此组合棱镜因此提供一个较佳的散热架构，藉由单一风扇散发储存在组合棱镜的热。

简言之，在一个较佳实施例中，本发明包括了色彩分离棱镜组合。此棱镜组合包括了三个具有相同大小及尺寸的三角形棱镜，三个三角形棱镜的任何一个棱镜具有两个三角形表面作为接合面，用以被黏到其他二个棱镜的两个相同的三角表面，三个三角形棱镜的各棱镜中，至少两个三角形表面是镀上色彩分离过滤膜，供反射一第一色彩光线及从传输至该表面的第二色彩光线，三个三角形棱镜的各棱镜中，二个三角形表面被镀上一个完全反射镀膜，以建构二个内部全反射表面，并供反射投射在该镀有反射镀膜表面的光线。

在任一个内部全反射表面上，进一步包含镀有一个相似偏移补偿镀膜在表面上。此色彩分离棱镜组合进一步包含三个覆晶硅片(liquid crystal onsilicon，LCOS)调变装置，供调变一分离的彩色光束，并且通过色彩分离棱镜组投射在覆晶硅片上，此三个三角形棱镜具有同样的外形及尺寸，且更进一步组成为一个组合棱镜。

本发明这些及其他目的及权益，将毫无疑问的在熟知此项技艺人士读完以下的以不同的附图举例说明的详细叙述及最佳实施例后，将为显而易见的。

本发明的目的是这样实现的：

一种色彩分离棱镜组，包含有三个具有相同的形状及尺寸的三角形棱镜，其中所述的三个三角形棱镜中的任一棱镜包含有二个三角形表面作为与其它二个棱镜相同三角形表面黏合的黏合面，所述的三个三角形棱镜的至少二个三角形表面镀有色彩分离薄膜，供反射穿过该棱镜的一第一颜色光及传输一第二颜色光，所述的三个三角形棱镜的二个三角形表面是镀有全反射膜，供建构二个内部全反射表面，供反射投射在该内部全反射表面上的光线。

优选地，所述的内部全反射表面上进一步包含有相位偏移补偿物质镀在所述的表面上。

优选地，本发明进一步包含：三个覆晶硅片调变装置供分别调变一被分离的颜色光束，并透过色彩分离棱镜组，投射在所述的覆晶硅片上。

优选的，所述的三个具有相同的形状及尺寸的三角形棱镜结合为一体。

本发明还提供一种使用上述色彩分离棱镜组的彩色影像显示系统，其中，它具有一光源组，该光源组包括有一光源及一光源散热风扇，以及两阵列镜片和一反射器，供投射光线穿透一镜片至一偏极分光镜及一棱镜组至三个覆晶硅片调变装置，该偏极分光镜反射该入射光束的S极化光束至一投影机，该影像显示系统进一步包括有一散热该棱镜组的风扇。

采用上述方案，本发明的积极效果是：

本发明所提供的棱镜组具有多项优点。与传统的飞利浦棱镜及现有专利所公开的棱镜相比较，该棱镜组是更小巧的且质量及重量减少了。因为是由完全一样的三角棱镜来组成棱镜组，所以加工的费用更低了。在设置多层薄膜供分色过滤及相似偏移补偿的程序，亦被简化且更能方便大量生产。此棱镜组架构进一步促进了散热的程序，因为此棱镜组能够以单一风扇取代如现有架构中所需要的多个风扇散热。

作为一个单元的棱镜组，在实现以一色彩影像显示系统的色彩分离棱镜组合是更加小巧且更加方便处理。

本发明藉组合的色彩分离棱镜作为补偿可供对比增进及实现为一反射式影像显示器。

附图说明

图1一传统飞利浦棱镜组合概要图；

图2现有三个棱镜组合供显示光路的光线图；

图3由另一现有技术公开的色彩分离棱镜的概要图；

图4由又一现有技术公开的色彩分离棱镜的概要图；

图5供显示本发明的以三个均等棱镜架构的改进的棱镜组合；

图6一由具图5的色彩分离棱镜所组成的色彩影像投影系统。

附图标号说明：

棱镜组100                        非极化光101

颜色光束101’                    P极化光束102

S极化光束104                     白色光源105

第一颜色的光束106                光线的剩余部分108

偏极分光镜110                    第二颜色光束112

光束108的剩余部分114             棱镜组120

棱镜120-1，120-2，120-3          第一分色表面125

第一全反射表面130                第一覆晶硅片135

第二完全反射表面140              第二分色表面145

第三覆晶硅片150                  第二覆晶硅片155

彩色影像显示系统200              光源205

光源风扇210                      两阵列镜片215及220

反射器(镜)225                    镜片230

风扇235                          投影机240

具体实施方式

本实施例及参考附图系供举例说明如何使如下所述的本发明能够据以实施。

参考图5系以本发明新的棱镜组合所组成的反射式影像投影显示器的概略图。一白色光源105投射一非极化光101至一偏极分光镜(PBS)110供传输一P极化光束102至棱镜组120，同时，S极化光束104是被反射离棱镜组120。此棱镜组120包括三个同样的棱镜120-1，120-2及120-3。此三个棱镜120-1，120-2，120-3是藉由胶水以无缝的方式黏合在一起。三束有颜色的光束穿透此三个棱镜，并从此三个棱镜以相同的光路反射回去。

此已被极化的白光102是被投射至一第一棱镜120-1的一第一分色表面125，该表面125则反射一第1颜色的光束106，例如，红色光束，至一第一棱镜120-1的完全反射面130。

同时，光线的剩余部分108穿过第一分色表面125且投射至一第二棱镜120-2的第二反射面140。

此第一全反射表面130反射红光至一第一覆晶硅片135，此第一覆晶硅片135即调变此红色光束并反射此被调变的光束回去，并与其他已调变的颜色光束结合，例如，这些被调变及被反射的彩色及蓝色光束。以下将详叙一个彩色影像的产生。

此光束108是从此第二完全反射表面140被投射至一第二分色表面145，该表面145上，一第一颜色光束112，例如，彩色(G)，是被反射至第二覆晶硅片155。此第二覆晶硅片155即调变并反射此绿色光束回去，以产生一个结合的调变彩色影像。光束108的剩余部分114从此第二分色表面145，例如，蓝光，穿射并投射至第三覆晶硅片150，此第三覆晶硅片150即调变并反射回蓝光114，用以去与调变后且从第一及第二覆晶硅片135、155反射的的红色及绿色光束，分别地对应结合以产生一彩色影像。

为达成相位偏移补偿的目的，此第一完全反射表面130是被镀上第一组多层薄膜，用以补偿在第一色带中由第一分色表面125的反射的第一分色反射光，所产生的相位偏移。

类似地，第二完全反射表面140是镀上第二组多层薄膜，用以补偿第二及第三颜色光束中分色反射光及由如上述的传输中所产生的相位偏移。

参考图6，系一由如上述棱镜组100所实现的彩色影像显示系统。此彩色影像显示系统200包括一个光源组105，该光源组105包括一光源205以一光源风扇210散热，此光源205投射一穿过两阵列镜片215及220至一反射器(镜)225的光线，供投射光线101穿透一镜片230至偏极分光镜110及棱镜组100。风扇235用以散热该棱镜组100。如所示的偏极分光镜110，反射该入射光束101的S极化光束至投影机240。

该偏极分光镜110进一步反射从棱镜100来的该被调变的被反射的颜色光束101’，以P极化状态，至投影机240以投射一彩色影像。

一色彩分离棱镜因此已被披露在本发明中。此色彩分离棱镜组包括三个具有同一形状及尺寸的三角形棱镜。任何一个三角形棱镜包括二个三角形表面作为边界以结合至两个其它棱镜的二个相同三角形表面。该三个三角形棱镜的至少二个三角形表面被镀有色彩过滤膜，供反射一第一色光及传输该三个三角形棱镜的一第二色光，并供穿过所述的光线。

至少二个三角形表面被镀有全反射镀膜，用以建构成至少二个内部全反射(TIR)表面反射投射至该表面的光线任何一个全反射(TIR)表面进一步包括一镀在该表面上的相依偏移补偿镀膜。色彩分离组进一步包括三个覆晶硅片调变装置，供调变被分离的色彩分离的颜色光束，并且投射在该色彩分离棱镜组，及穿过彩色分离棱镜组。三个三角形棱镜具有相同形状尺寸。并进一步被组合为一结合的棱镜。

虽然本发明以上述的最佳实施例描述，但是上述的公开并非作为本发明的限制，不同种类的转换及修正，毫无疑问的为本领域的技术人员在阅读后，即为显而易知的，因此，在本发明的精神及专利范围下将可涵盖各种不同的转变及修正。

Claims (4)

1、一种色彩分离棱镜组，其特征在于，它包含有三个具有相同的形状及尺寸的三角形棱镜，

所述的三个三角形棱镜中的任一棱镜包含有二个三角形表面作为与其它二个棱镜相同三角形表面黏合的黏合面，

所述的三个三角形棱镜的至少二个三角形表面镀有色彩分离薄膜，供反射穿过该棱镜的一第一颜色光及传输一第二颜色光，以及

所述的三个三角形棱镜的二个三角形表面镀有全反射膜，供建构至少二个内部全反射表面，以供反射投射在该内部全反射表面上的光线。

2、如权利要求1所述的色彩分离棱镜组，其特征在于，所述的内部全反射表面上进一步包含有相位偏移补偿物质镀在所述的表面上。

3、如权利要求1所述的色彩分离棱镜组，其特征在于，进一步包含：

三个覆晶硅片调变装置，供分别调变一被分离的颜色光束，并透过色彩分离棱镜组，投射在所述的覆晶硅片上。

4、一种使用权利要求1-3的任一项所述色彩分离棱镜组的彩色影像显示系统，其特征在于，它具有一光源组，该光源组包括有一光源及一光源散热风扇，以及两阵列镜片和一反射器，供投射光线穿透一镜片至一偏极分光镜及一棱镜组至三个覆晶硅片调变装置，该偏极分光镜反射该入射光束的S极化光束至一投影机，该影像显示系统进一步包括有一散热该棱镜组的风扇。