專利名稱：色彩分離棱鏡組及使用該棱鏡組的影像顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元，特別是一種分光棱鏡組。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種利用色彩分離棱鏡的影像顯示器。
色彩分離棱鏡(Color separation prisms)是被放置在1/4波板(quarterwave plate，QWP)及成像器之間。這使得在傾斜的分色鏡(dichroic)及內(nèi)部全反射表面上引起了不想要的相位改變。
系統(tǒng)的執(zhí)行效率，因?yàn)椴缓玫膶?duì)比被降級(jí)了。一個(gè)1/4波板放置在偏極分光鏡及反射影像器之間，可以導(dǎo)正復(fù)合的角度去極化。然而，此一程序需要去膠合1/4波板，而增加了程序上的復(fù)雜度及量產(chǎn)上的困難。
具有光學(xué)特性的薄膜能被鍍?cè)趦?nèi)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變所產(chǎn)生的效果。
然而，現(xiàn)今的色彩分離棱鏡組合，將在如下所述的正面臨到的困難是，棱鏡組合在提供作為三顏色路徑的色彩分離上變得相當(dāng)?shù)拇?，并且占?jù)了大的空間。
這個(gè)限制可籍檢視一授權(quán)給Bryars等人的第6,144,498號(hào)美國(guó)專利而得到理解，名稱是“色彩分離棱鏡表組合及其制造方法”。此專利公開了一個(gè)色彩分離元件是由三個(gè)棱鏡所組合而成，而其排列是提供給每個(gè)顏色以空氣厚度相當(dāng)(air equivalent thickness)的調(diào)整。
這空氣厚度相當(dāng)?shù)恼{(diào)整，提供了在三個(gè)棱鏡的中的任何一個(gè)棱鏡的偏移校正，以及提供一個(gè)正在這資訊顯示系統(tǒng)中，由于其他光學(xué)元件所產(chǎn)生色彩偏差的校正方法。
這被公開的色彩分離元件，籍由使用低容許誤差(tolerance)元件，及/或具有一般地高色彩偏差的塑膠光學(xué)元件，是用以增進(jìn)影像品質(zhì)及提供降低顯示系統(tǒng)成本的機(jī)會(huì)。
如Bryars等人所討論到的，分色濾光鏡(dichroic filter)及棱鏡的組合，作為分離顏色或組合主要顏色至成為最后的影像的方式，通常被使用在顏色成像及顯示系統(tǒng)。
一個(gè)達(dá)成此目的，而廣為人知是飛利浦棱鏡精簡(jiǎn)的光學(xué)元件，這飛利浦棱鏡組合是為一般人所知的，其各種不同的用途，可見如美國(guó)專利2,392,978、3,659,918、4,009,941、4,084,180及4,913,528所述，該等專利及Bryars等人的6,144,498專利所公開的部分，在此并入本專利的參考文件。
參閱

圖1，是傳統(tǒng)飛利浦組合棱鏡10的透視圖。此組合棱鏡10包括一個(gè)第一三角形棱鏡12及一個(gè)第二三角形棱鏡14及一個(gè)具有至少四邊的第三棱鏡16。這三角形棱鏡12及14是互相對(duì)應(yīng)地放置，并在其介面之間提供一個(gè)空氣間隙18。
這三角形棱鏡14及三角形棱鏡16是以光學(xué)的方式，在棱鏡介面20處黏緊。
如圖1所示，棱鏡12系架構(gòu)用以分離紅光(R)，棱鏡14是架構(gòu)用以分離藍(lán)光(B)，棱鏡16是架構(gòu)用以通過(guò)綠光(G)。這光線穿透過(guò)組合棱鏡10的路徑，如圖1所示。
一入射光線i通過(guò)三棱鏡12，該光線i的一部份(例如紅光)為內(nèi)部反射，并且在棱鏡12以r1出現(xiàn)。
這入射光的剩馀部分進(jìn)入棱鏡14，該光線的一部份(例如藍(lán)光)為內(nèi)部反射，并且在棱鏡14以r2出現(xiàn)。這入射光線的剩馀部分(例如綠光)，在棱鏡16以r3出現(xiàn)。
因此，色彩分離為紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)，在飛利浦棱鏡達(dá)成了。
為了要校正光學(xué)系統(tǒng)的顏色色差，美國(guó)專利6,144,498公開了如圖2的色彩分離棱鏡組合。圖2是棱鏡組合30的光線圖，其中棱鏡14與棱鏡12及16的組合與指定位置相對(duì)應(yīng)具有相對(duì)偏移值。
棱鏡14內(nèi)的箭頭虛線，代表棱鏡組合的光線路徑，與名義上的設(shè)計(jì)無(wú)偏移。棱鏡12中的虛線，代表指定的位置供棱鏡12的較長(zhǎng)邊所形成與棱鏡14相鄰的刻面。在棱鏡30的實(shí)線代表棱鏡12及棱鏡14組合成棱鏡30的實(shí)際的路徑為校正偏移位置所產(chǎn)生的實(shí)際路徑。這些棱鏡均為一維方向上的偏移，藉此相接的刻面的平行關(guān)系仍然被維持著，并且路徑長(zhǎng)度是相等的，使得(ABCD)新＝(ABA’B’C’D’)新。
籍由改變棱鏡16的共同刻面與接合面平行，該棱鏡16被放置在距棱鏡14同邊一定距離。棱鏡16的偏移總量可計(jì)算得(ABCD)新＝(ABA’B’A”B”)新。如上所述的這些棱鏡，均具有大的體積。在如上述的飛利浦棱鏡組合中在反射面使用了補(bǔ)償薄片，并且第三棱鏡是被切成2個(gè)，并且加入了1個(gè)傾斜面，用以適當(dāng)控制因光學(xué)傳輸所引起的差異性相位偏移。這組合種換是用不同形狀的棱鏡組成，因此需要更多復(fù)雜的組合程序。而導(dǎo)致更高的生產(chǎn)成本、更低的產(chǎn)品產(chǎn)量及更不良的品質(zhì)。
參閱圖3及圖4的其中之一均可選擇，為另一個(gè)前案由Greeoberg及Brayars公開的色彩分離棱鏡組合，包含三個(gè)完全不同形狀的棱鏡。第三個(gè)棱鏡是被修正使得第三個(gè)棱鏡是第二棱鏡的鏡像。一個(gè)內(nèi)部全反射表面(TIR)供第三通道已作過(guò)介紹。這修正了的棱鏡組合具有一個(gè)好處是，棱鏡組合較上述飛利浦棱鏡組合更加精簡(jiǎn)。然而，這修正的棱鏡組合產(chǎn)生了另一個(gè)問(wèn)題，是屬于額外新增元件的引入偏移。
透過(guò)傳輸?shù)牟煌辔黄频奶匦詾槠钚Ｕ?，是不容易達(dá)成的，并且，因修正的棱鏡組合，仍需要多于一種型式的棱鏡，由于處理不同種類棱鏡的程序仍未得到解決，這增加了制造成本。
因此，提供一個(gè)新的及進(jìn)步的色彩分離棱鏡組合以克服上述的困難及限制，是尤其需要的。一個(gè)被簡(jiǎn)化的，更精簡(jiǎn)且更經(jīng)濟(jì)的顏色分離棱鏡組合，用以增進(jìn)棱鏡組合的現(xiàn)有技術(shù)的色彩分離效果的申請(qǐng)案是有其需要的。
特別地，本發(fā)明的再一目的，是提供一個(gè)新的及進(jìn)步的棱鏡組合架構(gòu)，具有三個(gè)三角形且在尺寸及形狀上完全一樣。這三個(gè)三角形棱鏡更進(jìn)一步被組合為一個(gè)組合棱鏡，其具有內(nèi)部接合面鍍上分色濾光(dichrior filtering)薄膜供分離光線成彩色光束。
這以三個(gè)棱鏡組合成相同的形狀及尺寸的組合的棱鏡以更加精簡(jiǎn)且能更加方便地制造且以更簡(jiǎn)化的方式及降低產(chǎn)品成本的方式組合。
本發(fā)明的另一目的，是提供新的且進(jìn)步的色彩分離棱鏡組合，在內(nèi)部全反射表面鍍上相位偏移補(bǔ)償膜，鍍?cè)谶@些全反射表面中的兩個(gè)全反射表面，用以降低需要相位偏移及補(bǔ)償?shù)墓ぷ骷俺杀尽?br> 本發(fā)明的又一目的，是提供新的及進(jìn)步的色彩分離棱鏡組合，其具有三個(gè)相同形狀尺寸的三角形棱鏡，以組合成一個(gè)組合棱鏡。這組合棱鏡因此提供一個(gè)較佳的散熱架構(gòu)，藉由單一風(fēng)扇散發(fā)儲(chǔ)存在組合棱鏡的熱。
簡(jiǎn)言之，在一個(gè)較佳實(shí)施例中，本發(fā)明包括了色彩分離棱鏡組合。這棱鏡組合包括了三個(gè)具有相同大小及尺寸的三角形棱鏡，三個(gè)三角形棱鏡的任何一個(gè)棱鏡具有兩個(gè)三角形表面作為接合面，用以被黏到其他二個(gè)棱鏡的兩個(gè)相同的三角表面。
三個(gè)三角形棱鏡的各棱鏡中，至少兩個(gè)三角形表面是鍍上色彩分離過(guò)濾膜，供反射一第一色彩光線及從傳輸至該表面的第二色彩光線。三個(gè)三角形棱鏡的各棱鏡中，至少二個(gè)三角形表面被鍍上一個(gè)完全反射鍍膜，以建構(gòu)至少二個(gè)內(nèi)部全反射表面，并供反射投射在該鍍有反射鍍膜表面的光線。
在任一個(gè)內(nèi)部全反射表面上，進(jìn)一步包含鍍有一個(gè)相似偏移補(bǔ)償鍍膜在表面上。這色彩分離棱鏡組合進(jìn)一步包含三個(gè)覆晶硅片(liquid crystal onsilicon，LCOS)調(diào)變裝置，供調(diào)變一分離的彩色光束，并且通過(guò)色彩分離棱鏡組投射在覆晶硅片上，這三個(gè)三角形棱鏡具有同樣的外形及尺寸，且更進(jìn)一步組成為一個(gè)組合棱鏡。
本發(fā)明這些及其他目的及權(quán)益，將毫無(wú)疑問(wèn)的在熟知此項(xiàng)技藝人士讀完以下的以不同的附圖舉例說(shuō)明的詳細(xì)敘述及最佳實(shí)施例后，將為顯而易見的。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種色彩分離棱鏡組，其特征在于，它包含有三個(gè)具有相同的形狀及尺寸的三角形棱鏡。以及該等三個(gè)三角形棱鏡中的任一棱鏡包含有至少二個(gè)三角形表面作為與其它二個(gè)棱鏡相同三角形表面黏合的黏合面。
該等三個(gè)三角形棱鏡的至少二個(gè)三角形表面鍍有色彩分離薄膜，供反射穿過(guò)該棱鏡的一第一顏色光及傳輸一第二顏色光。
該等三個(gè)三角形棱鏡的至少二個(gè)三角形表面是鍍有全反射膜，供建構(gòu)至少二個(gè)內(nèi)部全反射表面，供反射投射在該內(nèi)部全反射表面上的光線。
該等內(nèi)部全反射表面上進(jìn)一步包含有相位偏移補(bǔ)償物質(zhì)鍍?cè)谠摰缺砻嫔稀?br> 進(jìn)一步包含三個(gè)覆晶硅片調(diào)變裝置供分別調(diào)變一被分離的顏色光束，并透過(guò)色彩分離棱鏡組，投射在該等覆晶硅片上。
該等三個(gè)三角形棱鏡具有相同的形狀及尺寸并進(jìn)一步組合結(jié)合為一棱鏡。
一種使用權(quán)利要求6或7所述色彩分離棱鏡組的彩色影像顯示系統(tǒng)，其特征在于，它具有一光源組，該光源組包括有一光源及一光源散熱風(fēng)扇，以及兩陣列鏡片和一反射器，供投射光線穿透一鏡片至一偏極分光鏡及一棱鏡組至三個(gè)覆晶硅片調(diào)變裝置，該偏極分光鏡反射該入射光束的S極化光束至一投影機(jī)，該影像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括有一散熱該棱鏡組的風(fēng)扇。
采用上述方案，本發(fā)明的積極效果是本發(fā)明所提供的棱鏡組具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的飛利浦棱鏡及習(xí)知專利所公開的棱鏡相比較，該棱鏡組是更小巧的且質(zhì)量及重量減少了。因?yàn)槭怯赏耆粯拥娜抢忡R來(lái)組成棱鏡組，所以加工的費(fèi)用更低了。在設(shè)置多層薄膜供分色過(guò)濾及相似偏移補(bǔ)償?shù)某绦?，亦被?jiǎn)化且更能方便大量生產(chǎn)。這棱鏡組架構(gòu)進(jìn)一步促進(jìn)了散熱的程序，因?yàn)檫@棱鏡組能夠以單一風(fēng)扇取代如習(xí)知架構(gòu)中所需要的多個(gè)風(fēng)扇散熱。
作為一個(gè)單元的棱鏡組，在實(shí)現(xiàn)以一色彩影像顯示系統(tǒng)的色彩分離棱鏡組合是更加小巧且更加方便處理。
本發(fā)明藉組合的色彩分離棱鏡作為補(bǔ)償可供對(duì)比增進(jìn)及實(shí)現(xiàn)為一反射式影像顯示器。
偏極分光鏡110 第二顏色光束112光束108的剩馀部分114棱鏡組120棱鏡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 彩色影像顯示系統(tǒng)200光源205 光源風(fēng)扇210兩陣列鏡片215及220 反射器(鏡)225鏡片230 風(fēng)扇235投影機(jī)240
參考圖5系以本發(fā)明新的棱鏡組合所組成的反射式影像投影顯示器的概略圖。一白色光源105投射一非極化光101至一偏極分光鏡(PBS)110供傳輸一P極化光束102至棱鏡組120，同時(shí)，S極化光束104是被反射離棱鏡組120。這棱鏡組120包括三個(gè)同樣的棱鏡120-1，120-2及120-3。這三個(gè)棱鏡120-1，120-2，120-3是藉由膠水以無(wú)縫的方式黏合在一起。三束有顏色的光束穿透這三個(gè)棱鏡，并從這三個(gè)棱鏡以相同的光路反射回去。
這已被極化的白光102是被投射至一第一棱鏡120-1的一第一分色表面125，該表面125則反射一第1顏色的光束106，例如，紅色光束，至一第一棱鏡120-1的完全反射面130。
同時(shí)，光線的剩余部分108穿過(guò)第一分色表面125且投射至一第二棱鏡120-2的第二反射面140。
這第一全反射表面130反射紅光至一第一覆晶硅片135，這第一覆晶硅片135即調(diào)變這紅色光束并反射這被調(diào)變的光束回去，并與其他已調(diào)變的顏色光束結(jié)合，例如，這些被調(diào)變及被反射的彩色及藍(lán)色光束。以下將詳敘一個(gè)彩色影像的產(chǎn)生。
這光束108是從這第二完全反射表面140被投射至一第二分色表面145，該表面145上，一第一顏色光束112，例如，彩色(G)，是被反射至第二覆晶硅片155。這第二覆晶硅片155即調(diào)變并反射這綠色光束回去，以產(chǎn)生一個(gè)結(jié)合的調(diào)變彩色影像。光束108的剩馀部分114從這第二分色表面145，例如，藍(lán)光，穿射并投射至第三覆晶硅片150，這第三覆晶硅片150即調(diào)變并反射回藍(lán)光114，用以去與調(diào)變后且從第一及第二覆晶硅片135、155反射的的紅色及綠色光束，分別地對(duì)應(yīng)結(jié)合以產(chǎn)生一彩色影像。
為達(dá)成相位偏移補(bǔ)償?shù)哪康?，這第一完全反射表面130是被鍍上第一組多層薄膜，用以補(bǔ)償在第一色帶中由第一分色表面125的反射的第一分色反射光，所產(chǎn)生的相位偏移。
類似地，第二完全反射表面140是鍍上第二組多層薄膜，用以補(bǔ)償?shù)诙暗谌伾馐蟹稚瓷涔饧坝扇缟鲜龅膫鬏斨兴a(chǎn)生的相位偏移。
參考圖6，系一由如上述棱鏡組100所實(shí)現(xiàn)的彩色影像顯示系統(tǒng)。這彩色影像顯示系統(tǒng)200包括一個(gè)光源組105，該光源組105包括一光源205以一光源風(fēng)扇210散熱，這光源205投射一穿過(guò)兩陣列鏡片215及220至一反射器(鏡)225的光線，供投射光線101穿透一鏡片230至偏極分光鏡110及棱鏡組100。風(fēng)扇235用以散熱該棱鏡組100。如所示的偏極分光鏡110，反射該入射光束101的S極化光束至投影機(jī)240。
該偏極分光鏡110進(jìn)一步反射從棱鏡100來(lái)的該被調(diào)變的被反射的顏色光束101’，以P極化狀態(tài)，至投影機(jī)240以投射一彩色影像。
一色彩分離棱鏡因此已被披露在本發(fā)明中。這色彩分離棱鏡組包括三個(gè)具有同一形狀及尺寸的三角形棱鏡。任何一個(gè)三角形棱鏡包括二個(gè)三角形表面作為邊界以結(jié)合至兩個(gè)其它棱鏡的二個(gè)相同三角形表面。該三個(gè)三角形棱鏡的至少二個(gè)三角形表面被鍍有色彩過(guò)濾膜，供反射一第一色光及傳輸該三個(gè)三角形棱鏡的一第二色光，并供穿過(guò)該等光線。
至少二個(gè)三角形表面被鍍有全反射鍍膜，用以建構(gòu)成至少二個(gè)內(nèi)部全反射(TIR)表面反射投射至該表面的光線任何一個(gè)全反射(TIR)表面進(jìn)一步包括一鍍?cè)谠摫砻嫔系南嘁榔蒲a(bǔ)償鍍膜。色彩分離組進(jìn)一步包括三個(gè)覆晶硅片調(diào)變裝置，供調(diào)變被分離的色彩分離的顏色光束，并且投射在該色彩分離棱鏡組，及穿過(guò)彩色分離棱鏡組。三個(gè)三角形棱鏡具有相同形狀尺寸。并進(jìn)一步被組合為一結(jié)合的棱鏡。
雖然本發(fā)明以上述的最佳實(shí)施例描述，但是上述的公開并非作為本發(fā)明的限制，不同種類的轉(zhuǎn)換及修正，毫無(wú)疑問(wèn)的為習(xí)知該技藝人士在閱讀后，即為顯而易知的，因此，在本發(fā)明的精神及專利范圍下將可涵蓋各種不同的轉(zhuǎn)變及修正。
權(quán)利要求
1.一種色彩分離棱鏡組，其特征在于，它包含有三個(gè)具有相同的形狀及尺寸的三角形棱鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的色彩分離棱鏡組，其特征在于，該等三個(gè)三角形棱鏡中的任一棱鏡包含有至少二個(gè)三角形表面作為與其它二個(gè)棱鏡相同三角形表面黏合的黏合面。
3.如權(quán)利要求1所述的色彩分離棱鏡組，其特征在于，該等三個(gè)三角形棱鏡的至少二個(gè)三角形表面鍍有色彩分離薄膜，供反射穿過(guò)該棱鏡的一第一顏色光及傳輸一第二顏色光。
4.如權(quán)利要求1所述的色彩分離棱鏡組，其特征在于，該等三個(gè)三角形棱鏡的至少二個(gè)三角形表面鍍有全反射膜，供建構(gòu)至少二個(gè)內(nèi)部全反射表面，以供反射投射在該內(nèi)部全反射表面上的光線。
5.如權(quán)利要求4所述的色彩分離棱鏡組，其特征在于，該等內(nèi)部全反射表面上進(jìn)一步包含有相位偏移補(bǔ)償物質(zhì)鍍?cè)谠摰缺砻嫔稀?br> 6.如權(quán)利要求1所述的色彩分離棱鏡組，其特征在于，進(jìn)一步包含三個(gè)覆晶硅片調(diào)變裝置供分別調(diào)變一被分離的顏色光束，并透過(guò)色彩分離棱鏡組，投射在該等覆晶硅片上。
7.如權(quán)利要求6所述的色彩分離棱鏡組，其特征在于，該等三個(gè)三角形棱鏡具有相同的形狀及尺寸并進(jìn)一步組合結(jié)合為一棱鏡。
8.一種使用權(quán)利要求6或7所述色彩分離棱鏡組的彩色影像顯示系統(tǒng)，其特征在于，它具有一光源組，該光源組包括有一光源及一光源散熱風(fēng)扇，以及兩陣列鏡片和一反射器，供投射光線穿透一鏡片至一偏極分光鏡及一棱鏡組至三個(gè)覆晶硅片調(diào)變裝置，該偏極分光鏡反射該入射光束的S極化光束至一投影機(jī)，該影像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括有一散熱該棱鏡組的風(fēng)扇。
全文摘要
本發(fā)明提供一色彩分離棱鏡組及使用該棱鏡組的影像顯示器。該棱鏡組包含三個(gè)具有相同形狀及尺寸的三角形棱鏡,其中的任一棱鏡包含有至少二個(gè)三角形表面作為與其它二棱鏡相同三角形表面黏合的黏合面。該等棱鏡的至少二個(gè)三角形表面鍍有色彩分離薄膜,供反射穿過(guò)該棱鏡之一第一顏色光及傳輸一第二顏色光。該等棱鏡的至少二個(gè)三角形表面鍍有全反射膜,供反射投射在該內(nèi)部全反射表面上的光線。該等內(nèi)部全反射表面上進(jìn)一步鍍有相位偏移補(bǔ)償物質(zhì)。該色彩分離棱鏡組進(jìn)一步包含三個(gè)覆晶硅片調(diào)變裝置供分別調(diào)變一被分離的顏色光束,并通過(guò)色彩分離棱鏡組,投射在該等覆晶硅片上。還可藉組合的色彩分離棱鏡作為補(bǔ)償供對(duì)比增進(jìn)及實(shí)現(xiàn)為一反射式影像顯示器。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1388386SQ0212175
公開日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2002年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月30日
發(fā)明者黃俊杰 申請(qǐng)人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司