专利名称：反射式分光合光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反射式分光合光装置，特别是一种应用在全彩投影的反射式光学投影显示系统中的反射式分光合光装置。
背景技术：
光学投影显示系统在技术上的发展主要可分为两部份来看，一是在体积与重量部份朝向小型化及轻量化发展，另一部份则是发光效率的提升，包含亮度与分辨率得发展更视为大家着重的所在。
目前常见的反射式液晶投影显示系统虽然各具有不同的系统架构，但几乎所有的结构都采用了X型棱镜(X-prism)，且整个系统主要由一个X型凌镜及三组极化分色棱镜(PBS)组成一成像系统，其系利用分色镜分成红、蓝、绿(RGB)三原色光后分别射入三组不同的极化分色棱镜组(polarizingbeam splitter，PBS)，被棱镜胶合面分别反射穿透射入至R、G、B反射式液晶片；出射后的RBG三束光棱镜的胶合面穿过后，直达X型棱镜重新聚合在一起，经投影物镜放大至一屏幕上。RGB三个光束为共同的设计理念，所不同的处在于投光系统的变化，投光系统的不同则在于系统的光能使用效率的差异与所占体积的大小。
以使用X型棱镜的反射式液晶投影显示系统为例，其所需的背焦较长，而较长的背焦将导致体积较大，且制作上亦较困难，生产成本亦较高，与现今发展趋势背道而驰。因此，本发明系提出一种应用在光学投影显示系统中的反射式分光合光装置，以解决存在先前技术中的该等缺失。
发明内容
本发明的目的是提供一种反射式分光合光装置，利用特殊结构设计的棱镜组配合三片不同的光学阀，将红绿蓝三原色的偏振光束合而为一，使其具有最短的背焦，并可藉此达到最高使用效能(efficiency)。
本发明的另一目的是提供一种反射式分光合光装置，同时兼具有体积小、制作较为简单，并可降低成本等的优点，以有效简化习知制造上的困难度。
为达到上述的目的，本发明的反射式分光合光装置包括一棱镜组，其为一立方体结构，在此立方体上下二相对表面的对角线切面上设有一第一介电薄膜，且在立方体的左右侧表面的对角线切面上另设有一第二介电薄膜，该棱镜组系将分别藉由此二介电薄膜将由二入射面入射的三原色光分别反射及透射；并有三光学阀分别设置在此立方体结构彼此相邻的三表面上，使每二光学阀皆相邻，此些光学阀系用来调变经过棱镜组透射/反射的三原色光，将其转换成反相偏旋光性，使其再分别穿透该棱镜组而组合成一输出光束发射出去。
在上述的立方体结构中，其六个面皆被利用到。其中三个彼此相邻的表面上分别置有三光学阀，剩下的三个表面中，两个做为入射面，一个做为输出光束发射出去的出口，因此立方体结构的六个面皆被利用，使得分光合光装置体积极小，所需的光学零件很少，而大大简化反射式光学影像投影装置(projection device)或光学引擎(Optical Engine)的组合程序，降低组装的复杂度和困难度。
下面藉由具体实施例配合附图详加说明，可以从中更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
图1为本发明的立体结构示意图；图2为本发明的结构分解图；图3(a)及图3(b)为本发明使用的棱镜组的结构示意图；图4为本发明应用在光学投影显示系统中的实施例示意图；图5为本发明的三原色光行进光路的实施例示意图；图6为本发明的三原色光行进光路的另一实施例示意图。
附图标记说明10反射式分光合光装置；12棱镜组；14第一介电薄膜；16第二介电薄膜；18蓝色光学阀；20红色光学阀；22绿色光学阀；24入射光源；26分光镜；28反射镜；30反射镜。
具体实施例方式
本发明提出的反射式分光合光装置利用特殊结构设计的棱镜组配合三片不同的反射式液晶片，调变红绿蓝三原色并将其偏振光束合而为一，使其具有最短的背焦，并可藉此达到最高使用效能，且该反射式分光合光装置可广泛应用于光学影像投影装置，例如光学引擎、投影机、背投影电视、数字电影影像投射装置、数字影像仿真器等的影像投射装置等。
图1及图2分别为本发明的立体结构示意图及其结构分解图，如图所示，一反射式分光合光装置10由一棱镜组12及三个光学阀18、20、22所组成。此棱镜组12为一立方体结构，其材料可以为玻璃或是其它对三原色光透明的材料等，在立方体上下二相对表面的对角线切面上设有一第一介电薄膜14，且在此立方体的左右侧相对表面的对角线切面上则设有一第二介电薄膜(dielectric thin film)16，此二第一及第二介电薄膜14、16在棱镜组12立方体的对角线切面的位置可同时参阅图3(a)及图3(b)所示，藉由此二介电薄膜14、16由不同镀膜条件所构成，并可将棱镜组分割成四块棱镜，使其共形成六个外表面，且此四块棱镜所组合成的立方体结构的棱镜组的组合方式可为胶合方式，或是运用机械结构组合而成；另外，此四块棱镜所组合的接合面的缝隙小于15微米(m)左右。此棱镜组10可将分别由二入射面(即左侧表面及下表面)入射的二束三原色光分别予以反射及透射。
在同时参考图1及图2，另有三光学阀，蓝色光学阀18、红色光学阀20及绿色光学阀22，其分别设置在棱镜组12的立方体结构彼此相邻的三表面上，由图中的方向为上表面、左侧表面及前表面，使此三个光学阀18、20、22分别为两两相邻，蓝色光学阀18、红色光学阀20及绿色光学阀22用来调变经过棱镜组12透射/反射的该三原色光(BRG)，使其转换成反相偏旋光性，再分别穿透该棱镜组12而组合成一输出光束发射至一投影物镜(图中未示出)，以投射出该输出光束。
其中，上述的光学阀18、20、22可为反射式液晶面板，包括红色液晶面板、绿色液晶面板及蓝色液晶面板，抑或是穿透式液晶面板配合反射镜，此穿透式液晶面板亦包括红色液晶面板、绿色液晶面板及蓝色液晶面板；光学阀18、20、22亦可是数字光处理器(DLP)。此外，由入射光线分离出的三原色光系可分别为S偏振光或是P偏振光的其中之一。
当入射光束在进入本发明的反射式分光合光装置的前，需先经过分光镜与反射镜的处理。如图4所示，一入射光源24，其提供一入射光线；并有一分光镜26位于入射光线的光路上，此分光镜26将入射光线分成二束原色光分别予以反射及透射，反射的光束为P偏振的红色光(Rp)及S偏振的绿色光(Gs)，而另一透射的光束则为P偏振蓝色光；P偏振的红色光(Rp)与S偏振的绿色光(Gs)利用一反射镜28的反射而入射至分光合光装置10的一入射面，而P偏振蓝色光则透过反射镜30反射至此分光合光装置10的另一入射面。其中，在入射光源外还设有一极性转换装置或是一极性选择组件(图中未示)，使入射光线进入分光合光装置10(分光镜26)之前，先经过此极性转换装置或极性选择装置使三原色光转换成适当的偏振极性。此外，也可在前述的投影物镜前设置一极性选择组件，使输出光束在进入该投影物镜的前先经该极性选择组件选择适当的偏振极性。
当P偏振的红色光(Rp)与S偏振的绿色光(Gs)及P偏振蓝色光(Bp)的二束光分别由二入射面入射至本发明的反射式分光合光装置中的行进光路，请参阅图5。如图所示，入射的P偏振的红色光(Rp)与S偏振的绿色光(Gs)分别被第一介电薄膜14透射及反射，换言之，P偏振的红色光(Rp)穿透该第一介电薄膜14而经红色光学阀20转换极性而变成S偏振的红色光(Rs)，之后再被第一介电薄膜14反射出去；而S偏振的绿色光(Gs)则被第一介电薄膜14反射至绿色光学阀22转换极性而变成P偏振的绿色光(Gp)，之后再穿透第一介电薄膜14而发射出去。另一方面，由另一入射面入射的P偏振蓝色光(Bp)则被第二介电薄膜16先反射后，经蓝色光学阀18转换极性而变成S偏振蓝色光(Bs)，然后再穿过第二介电薄膜16发射出去；如此即可同时将S偏振的红色光(Rs)、P偏振的绿色光(Gp)及S偏振蓝色光(Bs)组合成一输出光束。第一介电薄膜14和第二介电薄膜16的光学特性相当于偏极化分光镜，可以将S偏振和P偏振的光分离或结合，因为只需针对绿色光、红色光、或蓝色光分别处理，比全光谱(包含绿色光、红色光、和蓝色光)的偏极化分光镜容易达成S偏振和P偏振分合的功能。
本发明所使用的三原色光(RGB)的极性可依不同的需求而分别选自S偏振光或是P偏振光，例如入射的RGB三色光可同时为P偏振光或S偏振光，则对应的该二介电薄膜的反射/透射的特性亦必须调整的。亦即当选定适当的偏振极性后，相对于第一介电薄膜与第二介电薄膜的特性则根据所选择的偏振光而有所不同，然其特性亦必须满足上述三原色光的行进光路与原理。另外，由二入射面入射的原色光束亦具有其它实施态样，只要使每一原色光的光路能够与相对的光学阀互相配合即可，所以其排列方式亦有多种选择；例如图6所示为RGB三色光的入射光皆为P偏振光(Rp、Gp、Bp)，经由适当光学特性的第一介电薄膜14和第二介电薄膜16，以处理偏极化分合光，可以将光学阀18、20、22反射后的光组合成一输出光束，送至一投影物镜。还有其它类型的RGB三色光的偏振组合，此些不同的组合或排列设计皆涵盖在本发明的权利要求定义的保护范围之内。
由于本发明使用棱镜组的立方体结构，在其六个外表面中的三个彼此相邻的表面上分别置有三光学阀，剩下的三个表面中，两个作为入射面，一个作为输出光束发射出去的出口，因此立方体结构的六个面皆被利用，使得分光合光装置体积极小，所需的光学零件很少，大大简化反射式光学影像投影装置或光学引擎的组合程序，进而降低组装的复杂度和困难度。因此，本发明利用一具有二介电薄膜特殊设计的棱镜组配合三片不同的光学阀，将红绿蓝三原色的偏振光束合而为一并透射出去的技术，不但可使本分光合光装置具有最短的背焦，并同时兼具有体积小、制作较为简单，并可降低成本等的优点，以有效简化习知制作上的困难度。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域熟练技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但不能以此限定本发明的范围，所以凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种反射式分光合光装置，包括一棱镜组，为一立方体结构，在该立方体上下二相对表面的对角线切面上设有一第一介电薄膜，且在该立方体的左右侧相对表面的对角线切面上设有一第二介电薄膜，该棱镜组分别把由二入射面入射的三原色光分别反射及透射；以及三光学阀，设置在该立方体彼此相邻的三表面上，使每二该光学阀皆相邻，用以调变经过该棱镜组透射/反射的该三原色光，以转换成反相偏旋光性，再分别经由该棱镜组透射/反射而组合成一输出光束。
2.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其特征在于该立方体结构的棱镜组由四块棱镜所组合而成，共形成六个外表面，并在该立方体上下二相对表面具有该对角线切面以及在该立方体的左右侧相对表面亦有另一该对角线切面。
3.如权利要求2所述的反射式分光合光装置，其中该四块棱镜所组合而成的立方体结构的棱镜组，其组合方式可选自胶合及运用机械结构组合而成。
4.如权利要求3所述的反射式分光合光装置，其中该四块棱镜所组合的接合面的缝隙小于15微米(m)。
5.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中该棱镜组的材料选自玻璃及其它对三原色光透明的材料。
6.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，还包括一投影物镜，投射该输出光束。
7.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中该光学阀为反射式液晶面板，包括红色液晶面板、绿色液晶面板及蓝色液晶面板。
8.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中该等光学阀为穿透式液晶面板配合反射镜，液晶面板包括红色液晶面板、绿色液晶面板及蓝色液晶面板。
9.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中该等光学阀为数字光处理器(DLP)。
10.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其特征在于，在三原色光射入该入射面之前，还包括一入射光源，提供一入射光线；一分光镜，位于该入射光线的光路上，该分光镜将该入射光线分成二束原色光，一束反射，而另一束原色光则穿透该分光镜；以及二反射镜，分别将该二束原色光反射至该棱镜组的二入射面。
11.如权利要求10所述的反射式分光合光装置，其中在该入射光源外还设有一极性转换装置，使该入射光线进入该分光镜前先经过该极性转换装置，进而使该入射光进入该分光镜前具强度较高的单一偏振。
12.如权利要求10所述的反射式分光合光装置，其中在该入射光源外还设有一极性转换装置，使该入射光线进入该分光合光装置前先经过该极性转换装置，让该第一介电薄膜和该第二介电薄膜可以将S偏振光和P偏振光分开或结合。
13.如权利要求10所述的反射式分光合光装置，其特征在于，该入射光源外还设有一极性选择组件，使该入射光线进入该分光合光装置前先经过该极性选择组件，让该第一介电薄膜和该第二介电薄膜可以将S偏振光和P偏振光分开或结合。
14.如权利要求6所述的反射式分光合光装置，其中在该投影物镜前还设有一极性选择组件，使该光线进入该投影物镜前先经该极性选择组件。
15.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中该第一介电薄膜与该第二介电薄膜由不同镀膜条件所构成。
16.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中该第一介电薄膜与该第二介电薄膜可将同一光路的S偏振光和P偏振光分开或将不同光路的S偏振光和P偏振光结合。
17.如权利要求2所述的反射式分光合光装置，其特征在于该立方体上下二相对表面所具有该对角线切面的镀膜和左右侧相对表面有另一该对角线切面的镀膜可将同一光路的S偏振光和P偏振光分开者或将不同光路的S偏振光和P偏振光结合。
18.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中由二入射面入射的该三原色光分别选自S偏振光及P偏振光的其中之一。
19.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中该二入射面入射的该三原色光同时为S偏振光或同时为P偏振光。
20.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，其中由该二入射面入射的该三原色光是二原色光为S偏振光及另一为P偏振光，或二原色光为P偏振光及另一为S偏振光。
21.如权利要求1所述的反射式分光合光装置，用于光学影像投影装置，包括光学引擎、投影机、背投影电视、数字电影影像投射装置、数字影像仿真器的影像投射装置等。
全文摘要
本发明公开了一种反射式分光合光装置，是在一立方体的棱镜组二组相对表面的对角线切面上各设有一第一介电薄膜及一第二介电薄膜，使棱镜组可将分别由二入射面入射的二束三原色光分别进行反射或透射；以及三光学阀分别设置在棱镜组彼此相邻的三表面上，使其二二相邻，用来调变经过棱镜组透射或反射的三原色光，最后再藉由此棱镜组组合成一输出光束发射出去。本发明藉由上述的光学结构系可有效缩短背焦，并因此而缩小体积及降低制作的困难度。
文档编号G02B5/00GK1560664SQ20041000657
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月10日 优先权日2004年3月10日
发明者林清富, 林书仪 申请人:容大科技有限公司