专利名称：投影显示器的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种投影显示器，特别是涉及投影显示器中的一种具有反射式光阀的光学系统。
背景技术：
近年来，资讯视觉化的重要性已广受认同，因而投影显示器的需求也随之快速增加。高显示品质、低生产成本、及产品的轻巧性为本领域研发的主要目标。
由Chiu等人发明的美国专利第5,777,789号，揭露了一种光学系统，包括多个反射式光阀、一偏极分光器、多个彩色图像组合棱镜、一照明系统、及以一银幕。此现有技术光学系统的主要缺点在于由于其中传统偏极分光器的角度相依性(angular dependence)，即传统偏极分光器对于以不同角度入射于其上的光线，产生不同方向的偏极光，造成严重的对比度不均匀的问题，也造成对比度偏低的问题；该光学系统的背焦距相当长，导致其所能提供的投影图像亮度偏低或需较大投影透镜尺寸的问题；以及该光学系统涉及严重的双折射问题，因而严重影响其投影品质。
由Atsuchi发明的美国专利第5,826,959号，揭露一种投影显示装置，包括三片双色镜、三个偏极分光器、多个反射式光阀、一个交叉式双色棱镜器件、一照明系统、及以一银幕。此现有投影显示装置的主要缺点在于元件数目多，导致构造复杂、成本偏高、及尺寸偏大；该投影显示装置的背焦距相当长，导致其所能提供的投影图像亮度偏低或需较大投影透镜尺寸的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种投影显示器的光学系统，其棱镜总成中使用无角度相依性的偏极分光器，例如线栅式偏极分光器(wire grid polarizer)，而不使用有角度相依性的传统偏极分光器，因而能够避免或减缓前述对比度不均匀及对比度偏低的问题。
本发明的另一目的在于提供一种投影显示器的光学系统，其中背焦距相当短，因而能够避免或减缓前述投影图像亮度偏低或需较大投影镜头尺寸的问题。
本发明的又一目的在于提供一种投影显示器的光学系统，其特有几何构造，使其能够避免或减缓前述双折射(birefrngence)问题，因而能够增进投影品质。
本发明的再一目的在于提供一种投影显示器的光学系统，其构造简单，因而能够避免前述成本偏高及尺寸偏大的问题。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一照明模组件，接受来自于该光源的光线，并输出线性偏极化的白光；一选色组件，接受该线性偏极化的白光，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成，包括由第一棱镜与第二棱镜组成的第一对棱镜组及第三棱镜与第四棱镜组成的第二对棱镜组，该第一棱镜与该第二棱镜之间形成一第一双色镜，该第三棱镜与该第四棱镜之间形成一第二双色镜，这第一对棱镜组与该第二对棱镜组之间形成一偏极分光器，该第一双色镜与该第二双色镜都能够使第三色光穿透并使第一色光与第二色光反射，此棱镜总成接受来自于该选色组件的具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一投影镜头，以及第一至第三反射式光阀，可分别用以使来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，进而经由该棱镜总成射入该投影镜头。
本发明还提供一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一选色组件，接受来自该于光源的光线，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成，包括第一至第四柱状棱镜，其中第一柱状棱镜有一侧面上形成一层无角度相依性的偏极分光器，此偏极分光器邻近于第二柱状棱镜的一侧面，此棱镜总成接受来自于该选色组件的具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一投影镜头，以及第一至第三反射式光阀，可分别用以使来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，从而经由该棱镜总成射入该投影镜头。
本发明还提供一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一选色组件，接受来自于该光源的光线，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成，包括第一至第四柱状棱镜，其中第一柱状棱镜的二相邻的第一侧面与第二侧面间形成一平面锐角，该第二侧面上形成一偏极分光器，此棱镜总成接受来自于该选色组件的具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一投影镜头，以及第一至第三反射式光阀，可分别用以便来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，从而经由该棱镜总成射入该投影镜头，该第一反射式光阀邻近于该第一侧面。
本发明还提供一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一选色组件，接受来自于该光源的光线，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成，包括第一至第四柱状棱镜，其中每一柱状棱镜具有三个或更多个侧面，该第一至第四柱状棱镜的所有侧面都分别平行于其柱状棱镜本体的延伸方向，该第一柱状棱镜的第一侧面与该第二柱状棱镜的第二侧面间形成一第一间隔区，该第二柱状棱镜的第一侧面与该第三柱状棱镜的第二侧面间形成一第二间隔区，该第三柱状棱镜的第一侧面与该第四柱状棱镜的第二侧面间形成一第三间隔区，该第四柱状棱镜的第一侧面与该第一柱状棱镜的第二侧面间形成一第四间隔区，该第一间隔区与该第三间隔区中各形成一双色镜，该第二间隔区与该第四间隔区中各形成一偏极分光器，此棱镜总成接受来自于该选色组件的具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一投影镜头，以及第一至第三反射式光阀，可分别用以使来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，从而经由该棱镜总成射入该投影镜头。
图1为本发明一较佳实施例的一种投影显示器的光学系统示意图；
图2为光学系统中的成像系统的剖面示意图。
具体实施例方式
请参阅图1与图2，本发明一较佳实施例的一种投影显示器的光学系统包括一照明系统1与一成像系统2。照明系统1包括一光源12，用以提供光线；以及一照明模组件14，接受来自于光源12的光线，并输出线性偏极化的白光10。
成像系统2包括一分色总成20与一投影镜头30。分色总成20包括一棱镜总成22、一选色组件24、及三个反射式光阀25R、25G、25B，反射式光阀25R、25G、25B可以分别反射红光、绿光、及蓝光，并使此各色光改变偏极性，即由P极性改变为S极性，或由S极性改变为P极性。在本案中，参阅图2，P极性的光线是指其电磁波的电场向量的方向平行于图2的纸面；S极性的光线是指其电磁波的电场向量的方向垂直于图2的纸面。
棱镜总成22包括例如由玻璃制成的四个柱状棱镜221、222、223及224，其中二棱镜221与223的尺寸与形状都相等，其剖面都为等腰三角形，且其底角皆为30°。棱镜222的剖面为一直角梯形，其底边的长度与该腰长相等，该直角梯形的直角边的长度为该等腰三角形底边长度的二分之一，该直角梯形的斜边的长度与该腰长相等。该直角梯形的底边与棱镜221的剖面等腰三角形的一腰之间形成一片双色镜27，该直角梯形的斜边与棱镜221的剖面等腰三角形的另一腰实质上定位于一直线上，即棱镜221的一侧面221a与棱镜222的一侧面222a在一共同平面中。
棱镜224为一等边三角形，其边长与该等腰三角形的腰长相等。该等边三角形的一边与棱镜223的剖面等腰三角形的一腰之间形成一片双色镜28，该等边三角形的另一边与棱镜223的剖面等腰三角形的另一腰实质上定位于一直线上，即棱镜223有一侧面223a与棱镜224有一侧面224a在一共同平面中。在此共同平面上，及在侧面223a与侧面224a上施加一层线栅式偏极分光器29。如图2中所示，线栅式偏极分光器29以极小的空气间隙220与棱镜221的侧面221a及棱镜222的侧面222a间隔开。
双色镜27与双色镜28都使入射的蓝光穿透，并使红光与绿光反射。线栅式偏极分光器29使入射的P极性光线穿透，并使S极性光线反射。
选色组件24、及三个反射式光阀25R、25G、25B在棱镜总成22的外围，如图2所示，定位于适当的位置。如本技术领域中具有一般技术水准的人士所了解的，自各反射式光阀25R、25G、25B反射的各相应色光，其经由棱镜总成22射至投影镜头30的各光路径，宜具有相同的光路径长度。线性偏极化的白光10射入选色组件24，经选色组件24筛选出具有S极性的红光Rs、具有P极性的绿光Gp、及具有S极性的蓝光Bs。此各经偏极化的三原色光线射至双色镜27上时，蓝光Bs穿透双色镜27，红光Rs与绿光Gp被双色镜27反射，蓝光Bs继而射至棱镜222的表面222a，通过空气间隙220射至无角度相依性的线栅式偏极分光器29，被其反射至反射式光阀25B，反射式光阀25B反射蓝光Bs，并可同时改变其极性，使其成为具有P极性的蓝光Bp，而穿透线栅式偏极分光器29与双色镜28，射入投影镜头30中。
前述被双色镜27反射的红光Rs，在棱镜221的外介面处全反射，然后在线栅式偏极分光器29的表面，反射至反射式光阀25R，反射式光阀25R反射红光Rs，并可同时改变其偏极性，使其成为具有P极性的红光Rp，红光Rp穿透线栅式偏极分光器29，在棱镜223的外介面处全反射，最后被双色镜28反射至投影镜头30中。
前述被双色镜27反射的绿光Gp，在棱镜221的外介面处全反射，然后穿透线栅式偏极分光器29，射至反射式光阀25G，反射式光阀25G反射绿光Gp，并可同时改变其偏极性，而成绿光Gs，绿光Gs被线栅式偏极分光器29反射，继而在棱镜223的外介面处全反射，最后被双色镜28反射至投影镜头30中。
由于线栅式偏极分光器29无角度相依性，故以各种不同角度入射至线栅式偏极分光器29上的所有S极性偏极光(垂直于图2的纸面)，经反射后，完全不改变其极性，即其电磁波的电场向量的方向仍完全垂直于图2的纸面；同样，穿透线栅式偏极分光器29的所有P极性偏极光(平行于图2的纸面)也完全不改变其极性，即其电磁波的电场向量的方向仍完全平行于图2的纸面，因而能够避免或减缓现有技术中对比度不均匀及对比度偏低的问题。
以上所述的，仅为用以方便说明本发明的较佳实施例，而非用以限制本发明的范围，凡根据本发明的内容所作的任何变更，而未违背本发明的精神者，都属本发明的范围。例如，以一传统偏极分光器取代线栅式偏极分光器29、在各反射式光阀25R、25G、25B及投影镜头30与棱镜总成22之间各加设一色彩过滤器(color filter)、相位延迟膜(retardation film)、或彩色偏光器(color polarizer)，均有助于将色彩或偏极光纯化、在各双色镜27与28的表面多施加一层相位延迟膜(retardation film)或彩色偏光器(color polarizer)，有助于将偏极光纯化、或以美商3M公司所生产的VikuitiTM双亮度加强膜(DBEF)取代线栅式偏极分光器29，都不脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一照明模组件，接受来自于该光源的光线，并输出线性偏极化的白光；一选色组件，接受该线性偏极化的白光，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成，包括由第一棱镜与第二棱镜组成的第一对棱镜组及第三棱镜与第四棱镜组成的第二对棱镜组，该第一棱镜与该第二棱镜之间形成一第一双色镜，该第三棱镜与该第四棱镜之间形成一第二双色镜，这第一对棱镜组与该第二对棱镜组之间形成一偏极分光器，该第一双色镜与该第二双色镜都能够使第三色光穿透并使第一色光与第二色光反射，此棱镜总成接受来自于该选色组件的具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一投影镜头，以及第一至第三反射式光阀，可分别用以使来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，进而经由该棱镜总成射入该投影镜头。
2.如权利要求1所述的一种投影显示器的光学系统，其中该偏极分光器为一种无角度相依性的偏极分光器。
3.如权利要求1所述的一种投影显示器的光学系统，其中该偏极分光器为一种无角度相依性的偏极分光器。
4.一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一选色组件，接受来自该于光源的光线，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成，包括第一至第四柱状棱镜，其中第一柱状棱镜有一侧面上形成一层无角度相依性的偏极分光器，此偏极分光器邻近于第二柱状棱镜的一侧面，此棱镜总成接受来自于该选色组件的具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一投影镜头，以及第一至第三反射式光阀，可分别用以使来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，从而经由该棱镜总成射入该投影镜头。
5.如权利要求4所述的一种投影显示器的光学系统，其中该层无角度相依性的偏极分光器为一种线栅式偏极分光器。
6.一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一选色组件，接受来自于该光源的光线，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成，包括第一至第四柱状棱镜，其中第一柱状棱镜的二相邻的第一侧面与第二侧面间形成一平面锐角，该第二侧面上形成一偏极分光器，此棱镜总成接受来自于该选色组件的具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一投影镜头，以及第一至第三反射式光阀，可分别用以使来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，从而经由该棱镜总成射入该投影镜头，该第一反射式光阀邻近于该第一侧面。
7.如权利要求6所述的一种投影显示器的光学系统，其中该平面锐角大于或等于20度，且小于或等于35度。
8.一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一选色组件，接受来自于该光源的光线，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成，包括第一至第四柱状棱镜，其中每一柱状棱镜具有三个或更多个侧面，该第一至第四柱状棱镜的所有侧面都分别平行于其柱状棱镜本体的延伸方向，该第一柱状棱镜的第一侧面与该第二柱状棱镜的第二侧面间形成一第一间隔区，该第二柱状棱镜的第一侧面与该第三柱状棱镜的第二侧面间形成一第二间隔区，该第三柱状棱镜的第一侧面与该第四柱状棱镜的第二侧面间形成一第三间隔区，该第四柱状棱镜的第一侧面与该第一柱状棱镜的第二侧面间形成一第四间隔区，该第一间隔区与该第三间隔区中各形成一双色镜，该第二间隔区与该第四间隔区中各形成一偏极分光器，此棱镜总成接受来自于该选色组件的具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一投影镜头，以及第一至第三反射式光阀，可分别用以使来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，从而经由该棱镜总成射入该投影镜头。
9.如权利要求8所述的一种投影显示器的光学系统，其中该偏极分光器为一层无角度相依性的偏极分光器。
10.如权利要求9所述的一种投影显示器的光学系统，其中该层无角度相依性的偏极分光器为一种线栅式偏极分光器。
全文摘要
一种投影显示器的光学系统，包括一光源，用以提供光线；一照明模组件，接受来自于该光源的光线，并输出线性偏极化的白光；一选色组件，接受该线性偏极化的白光，并输出具有第二偏极性的第一色光、第一偏极性的第二色光、及第二偏极性的第三色光；一棱镜总成；一投影镜头；以及第一至第三反射光式光阀，可分别用以使来自于该棱镜总成的第一至第三色光改变极性并反射至该棱镜总成，从而经由该棱镜总成射入该投影镜头。
文档编号G02B27/28GK1442721SQ0210666
公开日2003年9月17日 申请日期2002年3月5日 优先权日2002年3月5日
发明者吕和 申请人:吕和, 中强光电股份有限公司