专利名称：光选择棱镜,用该棱镜的投影显示仪及制造该棱镜的方法
技术领域：
本发明涉及光选择棱镜，使用该棱镜的投影显示仪，以及制造光选择棱镜的方法。
交叉二向色性棱镜经常在投影彩色影象的投影显示仪中被用作光选择棱镜。交叉二向色性棱镜具有两种不同类型的二向色性膜，它们被安排成基本上按X形交叉。交叉二向色性棱镜具有颜色组合器的功能，它将红，绿及蓝三种颜色光组分相互组合并沿给定的方向发射复合光束。
图12展示出通用的投影显示仪的基本部分。投影显示仪包括三个液晶光阀42,44和46，交叉二向色性棱镜48，以及投射透镜50。红反射膜48R和蓝反射膜48B在交叉二向色性棱镜48中基本上按X形被形成。交叉二向色性棱镜48组合被三个液晶光阀42,44和46调制的红、绿和蓝三种颜色光组分并沿投射透镜50的方向发射复合光束。投射透镜50将复合光束聚焦在投影屏52上。
交叉二向色性棱镜48通常靠将具有相同尺寸的四个柱状棱镜各自的侧面相互粘合制成。红反射膜48R事先在两个柱状棱镜的预定的侧面上被形成，以致当四个柱状棱镜被相互粘合时位于同一平面上。按类似的方式，蓝反射膜48B事先在两个柱状棱镜的预定的侧面上被形成。
红反射膜48R在透射其他颜色光组分的同时只反射红色光组分。蓝反射膜48B在透射其他颜色光组分的同时只反射蓝色光组分。被称为二向色性膜的多成层介质膜通常被用作具有这种性质的反射膜。这些反射膜使从液晶光阀42及46发射的光组分弯曲90度并从而使光组分一律指向投射透镜50。因此最好在交叉二向色性棱镜中基本上按X形被形成的反射膜分别安排在相同的平面上。
当四个相同尺寸的柱状棱镜被相互粘合去构成交叉二向色性棱镜时，为了使红反射膜48R及蓝反射膜48B分别被安排在相同的平面上而使柱状棱镜高度精确地粘连是颇为困难的。精确度差导致红反射膜48R和蓝反射膜48B二者各自在二向色性棱镜真正的中心处的交点附附近具有高度上的间隙和差别。红反射膜48R和蓝反射膜48B的反射性能及透射性能因而沿通过交点附近的光束的通道被改变。这引起交叉二向色性棱镜48的性能降低。当这样的二向色性棱镜被应用到投影显示仪时，交叉二向色性棱镜中由于光的散射所造成的拖影在所投射影象的实际中心处被观察到。另一个问题是在交叉二向色性棱镜中心处被反射的某些颜色的光在显示器的中心处形成双重影象，并且各种颜色光组分因此生成不同尺寸的被显示的颜色组分影象。
交叉二向色性棱镜还被用来将光分割成多个光组分。交叉二向色性棱镜的性能降低问题也会在这种情况中出现。除交叉二向色性棱镜外，各种各样的光选择棱镜可被用作光学元件，其中选择透射或反射光组分的光选择膜被基本上按X形构成。性能降低的问题通常在种种光选择棱镜中被发现。
本发明的目的从而是提供改进光选择棱镜性能的技术。
本发明至少上述的一部分及其他有关的目的通过具有基本上按X形交叉的两种不同类型光选择膜的光选择棱镜被实现。光选择棱镜包括在其相应的侧面上被相互粘连的四个柱状棱镜；以及基本上按X形交叉沿四个柱状棱镜侧面形成的两个光选择膜，其中两个光选择膜之一被连续地形成在两个光选择膜交点处无间隔。
由于两个光选择膜之一被连续地形成在两个光选择膜交点处无间隔，连续的光选择膜的性能在基本上按X形被安排的两个光选择膜的交点附近被改善。这相应地保证了最后得到的光选择棱镜的性能的改善。
两个光选择膜之一可以被连续地形成在曲面上。
这种结构的光选择棱镜使得在曲面上形成的光选择膜的反射光所生成的影象的尺寸可以调节。
本发明的光选择膜可以按照下述方法之一制造。第一种方法通过在其相应的侧面上粘连四个柱状棱镜制造光选择棱镜。第一种方法包括步骤(A)制备两对棱镜，通过ⅰ)备置两组两个柱状棱镜，每个棱镜有两个粘连侧面，ⅱ)在每组的两个柱状棱镜的四个连接侧面之一上形成第一个光选择膜，并且ⅲ)跨越第一个光选择膜将每组的两个柱状棱镜粘合在一起；(B)均匀地抛光两对棱镜的连接面，通过连接面两对棱镜将被相互粘连；(C)在两对棱镜中被选定一对的平坦的连接面上形成第二个光选择膜，第二个光选择膜连续跨越被选定的一对的两个柱柱棱镜的一个接合面；以及(D)将两对棱镜相互粘连以便得到棱镜系统。
本发明的第一种方法使第二个光选择膜跨越两个柱状棱镜的连接面，在属于从两对棱镜中选出的一对的平坦连接面上连续地形成。这种布局有效地改善了第二个光选择膜的性能。
按照第一种方法的一个优选的应用，每组两个柱状棱镜是一个较长的柱状棱镜和一个较短的柱状棱镜的组合，而且每组棱镜是按这样的方式制备的，以使与较短柱状棱镜接触并被粘接的较长柱状棱镜的一个侧面，在侧面的纵向两端具有露出的部分。在步骤(D)中，两对棱镜按这样的方式相互粘连，以致每对棱镜的露出部分与预定的共同基准面相接触。
这种方法使分别在两对棱镜上形成的第一个光选择膜能被按照预定的基准平面定位并从而出现在同一平面上。
第一种方法可能另外包括步骤从步骤(D)中获得的棱镜系统切下光选择棱镜。
这个步骤使许多光选择棱镜能从棱镜系统获得。当光选择棱镜从棱镜系统切下时，光选择棱镜的高度能任意设置。这使光选择棱镜能具有所需的高度。
在第一种方法中，步骤(B)可能包括抛光至少一个连接面的步骤，在该连接面上第二个光选择膜在步骤(C)中被形成到曲面上。
按这种方式制造的光选择棱镜使在曲面上形成的光选择膜的反射光所生成的影象的尺寸能够稳定。
在本发明的第一种方法中，最好是至少每对棱镜的两个柱状棱镜的连接侧面被抛光。
这种布局使第一个光选择膜能被形成在抛光的连接侧面之一上。
在这种情况下，一种可能的布局另外包括步骤抛光在步骤(D)中获得的棱镜系统的一个外表面。
这使在每个制造步骤中可能出现在玻璃表面上的条痕及瑕疵有时能被除去。
另一种可能的布局进一步包括步骤从步骤(D)中获得的棱镜系统切下一个小棱镜，并且抛光小棱镜的一个外表面。
第二种方法通过在其相应的侧布将四个柱状棱镜相互粘连制造光选择棱镜。第二种方法包括步骤(A)备置一块顶端面和底端面被抛光的平板玻璃；(B)在平板玻璃的顶端面和底端面之一上形成第一个光选择膜；(C)切割有第一个光选择膜在其上形成的平板玻璃块以获得四个柱状棱镜，在那里两个柱状棱镜具有在上面形成第一个光选择膜的表面，而两个柱状棱镜不具有在上面形成第一个光选择膜的表面；(D)通过将具有第一个光选择膜的两个柱状棱镜的各自一个与其余两个没有第一个光选择膜的柱状棱镜的各自一个跨越第一个光选择膜粘连制备两对棱镜；(E)均匀抛光两对棱镜的连接面，跨越它们两对棱镜被相互粘连；(F)在两对棱镜中被选定一对的平坦的连接面上形成第二个光选择膜，第二个光选择膜连续地跨越被选定的一对的两个柱状棱镜的连接面；以及(G)将两对棱镜相互粘连，以便获得棱镜系统。
与先前讨论的第一种方法类似，本发明的第二种方法导致第二个光选择膜跨越两个棱镜的连接面，在属于从两对棱镜中选出一对的平坦连接面之一上连续地形成。这种布局有效地改善了第二个光选择膜的性能。在第二种方法的步骤(A)直到步骤(C)中，四个柱状棱镜是通过将一块平板玻璃分成四块制备的。这使四个柱状棱镜能具有相同的折射率。相同的折射率有效地防止通过最后得到的光选择棱镜透射的光组分在光程上的差别所造成的被显示影象尺寸的变化。
交叉二向色性棱镜是按照本发明的光选择棱镜的一个实施方案，它可以应用于投影显示仪。本发明因此针对投射并显示影象的投影显示仪。投影显示仪包括发射照明光的照明系统；将照明光分成三种颜色光组分的颜色分离器；依次根据给定的影象信号分别调制三种颜色光组分的三个光调制器；将被三个光调制器调制的三种颜色光组分组合成复合光束的交叉二向色性棱镜；以及投射由交叉二向色性棱镜所组合的复合光束的投影光学系统。交叉二向色性棱镜包含在其相应的侧面上被相互粘连的四个柱状棱镜；以及沿四个柱状棱镜侧面基本上按X形交叉形成的两个二向色性膜，两个二向色性膜中的一个被连续形成在两个二向色性膜交点处无间隔。
这种投影显示仪应用按照本发明的二向色性棱镜生成复合光束。这种结构缓和了因二向色性棱镜中光的散射而造成在被投射影象真正中心上观察到拖影的问题。
图1(A)和1(B)用图解说明作为按照本发明的光选择棱镜第一种实施方案的交叉二向色性棱镜260；图2展示从棱镜系统320切下交叉二向色性棱镜260的过程；图3(A)-3(C)展示制造一对棱镜的过程；图4是说明第一种装配夹具500的透视图；图5(A)-5(C)是说明第一对棱镜321的连接面321C的放大图；图6(A)-6(C)展示将按照图3(A)至3(C)的方法制备的两对棱镜321和322相互粘合的过程；图7是说明第二种装配夹具520的透视图；图8是说明放置在第二种装配夹具520上的两对棱镜321和322的放大图；图9(A)和9(B)用图解说明作为按照本发明的光选择棱镜第二种实施方案的另一种交叉二向色性棱镜260A。
图10(A)-10(D)展示在交叉二向色性棱镜的第二种制造方法中四个柱状棱镜的备置过程；图11是示意说明用按照本发明实施方案的交叉二向色性棱镜260的投影显示仪基本部分的平面图；图12示意说明通用投影显示仪的基本部分。
A．第一种光选择棱镜图1(A)和1(B)用图解说明作为按照本发明的光选择棱镜第一种实施方案的交叉二向色性棱镜260。二向色性棱镜260包含图1(A)中所示的四个直角光学棱镜(柱状光学棱镜)261,262,263和264。四个直角光学棱镜261至264(下文称为直角棱镜或柱状棱镜)具有相同高度的直角等腰三角形棱镜的形状。交叉二向色性棱镜260是通过用粘合剂267在直角侧面(下文简称为“直角面”或“连接面”)上粘连直角棱镜261至264而获得的方形的棱镜(或是长方体或是立方体)。
如图1(B)所示，红反射膜266R和蓝反射膜266B基本上按X形被配置在四个直角棱镜261至264的直角面所确定的连接面上。红反射膜266R是连续形成在整个红反射膜形成面上的二向色性膜或光选择膜，该面由两个直角棱镜261和263之间的连接面以及两个直角棱镜262和264之间的连接面所确定。蓝反射膜266B是分别形成在两个直角棱镜261和262之间的连接面上以及两个直角棱镜263和264之间的连接面上的二向色性膜。被形成在这两个连接面上面的蓝反射膜彼此被红反射膜266R及粘合剂267隔开。
在本实施方案的交叉二向色性棱镜260中，红反射膜被连续地形成在基本上按X形交叉的两个膜形成面之一的整个表面上。这种布局有效地防止红反射膜266R甚至在交叉二向色性棱镜260中心处性能，即反射和透射性能，的降低。两个蓝反射膜266B彼此被红反射膜266R及粘合剂267隔开。蓝色反射面的各个部分，即两个蓝反射膜266B被高度精确地定位在同一平面上。这种布局保证蓝颜色反射面具有良好的反射性能和透射性能，尽管由于间隔造成一定的损害。这进一步改善了交叉二向色性棱镜260的性能。蓝反射膜266B被分成两部分，由于蓝光比红光具有较低的光谱发光效率，即人眼对蓝光的分辨率低于对红光的。
四个柱状棱镜261,262,263和264可以具有基本上取直角的非等腰三角形棱镜的形状，代替精确的等腰三角形棱镜的形状。
B．第一种制造方法下面参照图2至图8描述图1(A)和1(B)中所示的交叉二向色性棱镜260的第一种制造方法。图2展示从棱镜系统320切下交叉二向色性棱镜260的过程。制造交叉二向色性棱镜260的方法首先是制备如图2中所示的沿纵向延伸的棱镜系统320，然后从棱镜系统320切下所需长度的棱镜。
棱镜系统320通过将第一对棱镜321与第二对棱镜322粘接制造。第一对棱镜321包含被彼此粘连的一个较长的直角棱镜325(下文简称为“长直角棱镜”)和一个较短的直角棱镜326(下文简称为“短直角棱镜”)。类似地，第二对棱镜322包含一直长直角棱镜327和一个短直角棱镜328。短直角棱镜326和328要求具有比长直角棱镜325和327较短的长度。长直角棱镜的长度可以彼此不相同，并且短直角棱镜的长度也可以以彼此不相同。然而，相同长度的长直角棱镜和相同长度的短直角棱镜将直角棱镜的种类缩到最小程度而简化了制造。在本实施方案的各个附图中，长直角棱镜被表示成相同的尺寸，并且短直角棱镜也被表示成相同的尺寸。
图3(A)-3(C)展示制造第一对棱镜321和第二对棱镜322的过程。第一对棱镜321按下述方式制作。该过程首先备置图3(A)中所示的长直角棱镜325及图3(B)中所示的短直角棱镜326。长直角棱镜325和短直角棱镜326各自具有被均匀抛光形成平坦光透射表面的三个侧面。短直角棱镜326具有形成蓝反射膜266B(在图3(B)中用斜折线表示)的直角面326a。蓝反射膜266B是通过用真空淀积或溅射将多个无机薄膜一层形成在另一层上获得的介质多层膜。该过程然后将长直角棱镜325的直角面325a与短直角棱镜326的直角面326a粘连以制作图3(C)中所示的第一对棱镜321。直角面是按这样的方式彼此粘连的以使露出部分321d和321e被留在长直角棱镜325的直角面325a的顶部和底部。图4中所示的第一种装配夹具500被用于粘连。第一种装配夹具500具有底板502，它包含配置在其两端的一对基准面部分502a和502b和形成在基准面部分502a和502b之间基本上成矩形的细槽部分502c。基准面部分502a和502b被运用去使被放置的上表面基本上位于同一平面上。细槽部分502c是接收涂在连接面上的粘合剂溢出的间隙部分。
两个直角棱镜325和326按下述方式被彼引粘连。该过程首先将粘合剂涂在两个直角棱镜325和326的至少一个连接面上并且将直角棱镜325和326相互粘合。该过程将被彼此粘连的两个棱镜放置在底板502上，或更具体地讲在图4中所示的基准面部分502a和502b上。两个棱镜325和326被紧压住基准面部分502a和502b。这使两个棱镜325和326能被平行于其纵轴安放。
在固定两个直角棱镜325和326的相对位置后，该过程等待一些时间以使涂在连接面上的粘合剂凝固。这就给出了第一对棱镜321。
按照类似的过程，通过将直角棱镜327与上面有蓝反射膜266B形成的直角棱镜328粘连就获得第二对直角棱镜322。
图5(A)-5(C)是说明按上述方式制造的第一对棱镜321的连接面321C的放大图。连接面321C介于第一对棱镜321的两个直角面321a和321b之间。如图3(C)所示，第一对棱镜321跨越连接面321c与第二对棱镜322粘连。
连接面321c包含两个直角棱镜325和326各自的直角面325b和326b并且被紧压住第一个装配夹具500的基准面部分502a和502b。如图5(A)所示，在直角面326a上形成的蓝反射膜266B可能具有绕过直角面326b正交角的延伸部分。直角面325b和直角面326b可能具有因将直角棱镜325和326与第一个装配夹具500压紧的压力之间差异而引起的在高度上的微小差别。这经常造成第一对直角棱镜321的连接面321c的不平整。该过程从而抛光连接面321c以使它具有如图5(B)所示的平坦表面。该过程然后如图5(C)所示在平坦的连接面321c上形成红反射膜266R。与蓝反射膜相似，红反射膜通过蒸汽淀积或溅射被制备。红反射膜266R在平坦面上的形成使得红反射膜266R构成一个连续的膜。这特别防止在两个直角棱镜325和326之间连接面附近处光的散射，并且从而使得在所显示的影象上没有因光的散射引起的拖影。当连接面321c是平坦的时，反射膜能以有高精确度在同一平面上被形成。甚至当光被反射90度时，在显示器上左边的影象和右边的影象照样具有同样的尺寸。在本发明中的“平坦表面”表示没有阶跃的连续表面，而不意味着几何学上的精确平面。
与第一对棱镜321相同，第二对棱镜322也具有被抛光的连接面322c。尽管红反射膜266R在第一对棱镜321的连接面321c上被形成，但并不要求在第二对棱镜322的连接面322c上形成红反射膜266R。红反射膜266R也可以在第二对棱镜322的连接面322c上形成，代替在第一对棱镜321的连接面321c上形成。
由反射面反射的两种颜色，红色和蓝色光之间的比较，显示出红光具有较高的光谱发光效率；即，红光更能引起肉眼注意。因此要求红反射膜形成在高度上基本上没有差别的平坦表面。这个实施方案的制造方法使图5(C)中所示的红反射膜266R能被连续地形成在整个连接面321c上。这种方法从而给出极好的交叉二向色性棱镜。光谱发光效率按绿，红和蓝的顺序降低。当绿反射膜被用来代替红反射膜或蓝反射膜时，最好是按照图5(A)-5(C)中所示的方法将绿反射膜形成在连接面321C上。
图6(A)-6(C)展示将按照图5(A)至5(C)的方法制备的两对棱镜321和322相互粘合的过程。图6(A)中所示的第二对棱镜322与图6(B)中所示的第一对棱镜321按这样的方式粘连以使短棱镜彼此连接并且长棱镜也彼此连接。这就给出了图6(C)中所示的棱镜系统320。在图7中所示的第二种装配夹具520被用于连接。第二种装配夹具520具有底板522，它包含框架状的基准面部分522a及在基准面部分522a中央形成的长方形孔522c。基准面部分522a的上表面是以高精确度制作的。长方形孔522c的宽度W3被设置成略大于短直角棱镜326在纵向的长度L1。长方形孔522c的深度H1被设置成略大于短直角棱镜326和328直角面的宽度L3。底板522的宽度被设置成略大于长直角棱镜325和327在纵向的长度L2。
下述方法被用于将两对棱镜321和322相互粘合。该过程首先将粘合剂涂在至少一个连接面上并且将两对棱镜321和322放置在第二种装配夹具520上以使短直角棱镜326和328被容纳在图7中所示的长方形孔522c中。长直角棱镜325和327这时被紧压住基准面部分522a的上表面。这固定了两对棱镜321和322的相对位置，以致在第一对棱镜321内部形成的蓝反射膜266B与在第二对棱镜322内部形成的蓝反射膜266B位于同一平面。
图8是说明放置在第二种装配卡具520上的两对棱镜321和322的放大图。为了说明的简化，图8是通过基准面部分522a被看到的。只有如图6中所示在那里没有形成反射膜的暴露部分321d,321e,322d和322e，在两个长直角棱镜325和327的直角面325a和327a以外(即，与短直角棱镜326和328粘合或粘连的表面)与基准面部分522a的上表面522a(U)相接触。这些暴露部分321d,321e,322d和322e具有被抛光的面。将这些暴露部分321d,321e,322d和322e放置在底板522的基准面部分522a的上表面522a(U)上，因此保证在这些抛光面上高度平坦。这里“平坦度”意指表面的连续性程度(即，在高度上的平坦程度)。如图6(A)和6(B)所示，蓝反射膜266B在被抛光的连接面上形成，连接面与暴露部分321d和321e位于相同的面上，同时蓝反射膜也在位于与暴露部分322d和322e相同面上的被抛光的连接面上形成。如图7中所示，粘连两对棱镜321和322能使蓝色反射面由具有高平坦度的两个蓝反射膜266B所组成。
在高度精确地固定两对棱镜321和322的相对位置后，该过程等待一些时间使涂在连接面上的粘合剂被凝固。这使得棱镜系统320高度精确地被装配起来，如图6(C)所示。具有低粘度的紫外光凝固粘合剂可用于将四个直角棱镜相互粘合。这种粘合剂有利于需要短的凝固时间并使在凝固期间放出的热较少。
按上述方式制造的棱镜系统320随后被切成所需长度的棱镜作为具有两个切割表面的交叉二向色性棱镜260，如图2所示这两切割面实际垂直于纵向轴并且基本上彼此平行。从比较长棱镜系统320切下所需长度的棱镜的方法便于比较小的交叉二向色性棱镜的制造。通过上述方法制造的供投影显示仪用的交叉二向色性棱镜的应用能减小整个投影显示仪的尺寸。棱镜系统320本身可被用作交叉二向色性棱镜。
在通过上述方法制造的交叉二向色性棱镜260中，红反射膜266R在两对棱镜的整个连接面上连续地形成。这种布局有效地改善红反射膜266R的反射性能和透射性能，从而保证交叉二向色性棱镜260性能的改善。虽然两个蓝反射膜266B通过红反射膜266R彼此隔开，但两个蓝反射膜266B被高度精确地定位在同一平面上。这种布局保证蓝色反射面具有良好的反射性能和透射性能，尽管由于因隔开引起一定的损失。这进一步改善了交叉二向色性棱镜260的性能。
虽然上面制造方法使用四个直角棱镜325,326,327和328，其中每一个都有三个被均匀抛光的侧面，直角棱镜并不限于这种结构。例如，构成一对的两个直角棱镜中与一个可以至少有一个被抛光的侧面，它与其他直角棱镜的一个被抛光的侧面相接触并粘合。在这种情况下，对应于连接321c和322c的未被抛光的侧面，跨越它们两对棱镜321和322彼此粘连，按图5(A)-5(C)所示的过程被抛光。对应于交叉二向色性棱镜260外侧面的其余未抛光的侧面可在棱镜系统320被制造之后或在交叉二向色性棱镜260从棱镜系统320切下之后被抛光。这种方法使在每个制造步骤中可能出现在玻璃表面上的条痕和瑕疵有时能被除去。
C．第二种光选择棱镜图9(A)和9(B)用图解说明作为按照本发明的光选择棱镜第二种实施方案的另一种交叉二向色性棱镜。如图9(A)中所示，交叉二向色性棱镜260A包含四个柱状光学棱镜261A,262A,263A和264A(下文称为柱状棱镜)。这四个柱状棱镜261A至264A是具有相同高度的似三角形棱镜的形状。交叉二向色性棱镜260A是由柱状棱镜261A至264A通过用粘合剂267将构成每个角的各自两个面相互粘合所获得的似方形的棱镜。
如图9(B)中所示，红反射膜266R和蓝反射膜266B基本上按X形被安排在侧面(下文称为‘连接面’)，跨越连接面四个柱状棱镜261A至264A被相互粘连。红反射膜266R是二向色性膜或光选择膜，它在整个由两个柱状棱镜261A和263A之间的连接面及两个柱状棱镜262A和264A之间的连接面所确定的红反射膜形成面上连续地形成。蓝反射膜266B是二向色性膜分别在两个柱状棱镜261A和262A之间的连接面上及两个柱状棱镜263A和264A之间的连接面上形成。在这两个连接面上形成的蓝反射膜266B被红反射膜266R及粘合剂267彼此隔开。
像在图1中所示第一实施方案的交叉二向色性棱镜260中一样，在经二个实施方案的交叉二向色性棱镜260A中，红反射膜266R连续地形成在基本上按X形交叉的两个膜形成面之一的整个面上。这种布局有效地阻止甚至在交叉二向色性棱镜260A的中心处红反射膜266R的性能，即反射和透射性能，的降低。以交叉二向色性棱镜260A同样的方式，在交叉二向色性棱镜260A中两部分蓝反射膜266B被红反射膜266R和粘合剂267彼此隔开。蓝色反射面的各个部分，即两个蓝反射膜266B，被高度精确地定位在连续的相同的表面上(在图9中相同的平面上)。这种布局保证蓝色反射面具有良好的反射性能和透射性能，尽管由于隔开而造成一定的损失。因此像上面讨论的交一向色性棱镜260一样，这能改善交叉二向色性棱镜260A的性能。
在其上形成红反射膜266R的膜形成面，如图9(B)中所示具有弯曲的表面。弯曲的表面可以是球面，椭球面，或由一连串各具有不同方向的平面所组成的表面。在弯曲的膜形成面上红反射膜266R的形成使来自红反射膜266R的红光反射方向能按照红反射膜266R的位被调节。这种布局保证通过红光显示的影象在尺寸上的变化。当交叉二向色性棱镜260A被用于投影显示仪，这种装置有效地防止在投影光学系统中由于发生色差产生的影象质量的降低。
交叉二向色性棱镜260A可按照上面讨论的第一种制造方法制造。在这种情况下，以前用图5(B)的描述的均匀抛光连接面321c的步骤将连接面321抛光成弯曲的形状。这种布局使膜形成面能构成曲面。
D．第二种制造方法图10(A)-10(D)展示按交叉二向色性棱镜的第二种制造方法备置四个柱状棱镜的过程。该过程首先备置一块光学平板玻璃400，例如，如图10(A)中所示的一块无色透明的平板玻璃。这里所用的平板玻璃块400有均匀的折射率。该过程接着均匀抛光平板玻璃400的顶端面402和底端面404，并且在顶端面402上形成蓝反射膜266B，顶端面402在图10(B)中作为画阴线的部分被示出。该过程将平板玻璃400沿着如图10(B)中所示的单点链线分割成四块，因此如图10(C)中所示备置了四个柱状棱镜425,426o,427和428o。在这种情况中，在这四个柱状棱镜中425和427柱状棱镜是直角棱镜，棱镜425和427相当于图2中所示的长直角棱镜325和327。该过程随后沿着在图10(C)中所示的单点链线将柱状棱镜426o和428o切割给出如图10(D)所示的柱状棱镜426和428。在这种情况中柱状棱镜426和428是直角棱镜，棱镜426和428相当于图2中所示的短直角棱镜。柱状棱镜425和427的侧面325a和327a构成平板玻璃400的抛光的底端面404，同时柱状棱镜426和428的侧面326a和328a构成平板玻璃400的抛光的顶端面402。柱状棱镜425和426的侧面325a和326a以及柱状棱镜427和428的侧面327a和328a都分别被相互粘连形成两对棱镜。
按上述方式制备的四个柱状棱镜425,426,427和428按照图3(A)至图7所示的制造方法被装配。这给出棱镜系统420，它相当于在图2中所示的棱镜系统320。像这样获得的棱镜系统420在纵向，即高度的方向，按所需的长度被切成小棱镜。该过程随后均匀抛光小棱镜的外表面以备置在图1(A)和1(B)中所示的交叉二向色性棱镜260或在图9(A)和图9(B)中所示的交叉二向色性棱镜260A。交叉二向色性棱镜260A的外表面可被抛光成平面或曲面。
第二种制造方法由平板玻璃块制备交叉二向色性棱镜从而使最后得到的交叉二向色性棱镜具有均匀的折射率。均匀的折射率有效地防止由于在交叉二向色性棱镜中光的折射造成在光组分的光程之间的差别。这种方法在每个制造步骤中形成所需的表面。这减少在制造过程中可能发生在玻璃表面上的条痕和瑕疵，从而加强反射面的平坦程度。
上面讨论的第二种制造方法从棱镜系统420切下小棱镜，随后将小棱镜的外表面抛光。然而该方法并不局限于这种布局。棱镜系统420的外表面可以在小棱镜从棱镜系统420切下以前被抛光。
上面讨论的第二种制造方法在平板玻璃400上形成蓝反射膜266B，随后将平板玻璃400分割成四块。一种改进的布局是在柱状棱镜426和428侧面上形成蓝反射膜266B之前将平板玻璃400分割成四块。
虽然柱状棱镜425和426的组合以及柱状棱镜427和428的组合分别构成两对棱镜，但另外的组合也可能被用于第二种制造方法中。例如柱状棱镜425可与柱状棱镜428组合，而柱状棱镜426可与柱状棱镜427组合。在另一实例中，柱状棱镜425和427构成一对棱镜，而柱状棱镜426和428构成另一对棱镜。被选择的较好的组合使连接的柱状棱镜能够具有相同的折射率。这种布局有效地防止由于在棱镜中光的折射造成图象质量的下降。
以前讨论的第一种制造方法可使用从一块平板玻璃所获得的四个柱状棱镜。像第二种制造方法一样，这种布局有效地阻止由于光在棱镜中的折射造成图像质量的下降。
在第一种制造方法中，棱镜系统320的外表面或从棱镜系统切下的小棱镜的外表面可被抛光为曲面，而不是平面。在这种情况下，最后得到的交叉二向色性棱镜由四个柱状的非直角的棱镜组成。
E．投影显示仪的结构图11示意说明具有按图本发明实施方案的交叉二向色性棱镜260的投影显示仪的主要部分的平面图。投影显示仪包括照明系统100，二向色性镜210和212，反射镜220,222和224，入射透镜230，中继透镜232，三个物镜240,242和244，三个液晶光阀或液晶板250，252和254，交叉二向色性棱镜260，以及投射透镜系统270。
照明系统100含有发射基本上平行光通量的光源110，第一透镜阵列120，第二透镜阵列130，偏振元件140，反射镜150，以及叠加透镜160。照明系统100是综合光学系统，它基本上均匀地照明三个液晶光阀250,252和254中的每一个，它们是照明的目标区域。
光源110含有光源灯112，它是发射光辐射线的辐射光源，以及凹面镜114，它将从光源灯112发射的光辐射线转变为基本上平行的光通量。金属卤化物灯，高压汞灯，或其他高压放电灯可被用作光源灯112。最好用抛物面反射镜作凹面镜114。另外椭球面反射镜或球面反射镜也可被使用，以代替抛物面反射镜。
第一透镜阵列120包含多个基本的小透镜122。第二秀阵列130包含多个辅助的小透镜132，它们分别对应于多个基本的小透镜122。第一透镜阵列120和第二透镜阵列130将光源110发射的基本上平行的光通量分成多个局部的光通量，它们接着进入偏振元件140。偏振元件140具有将非偏振光转为为预定的线性偏振光的功能，例如，S-偏振光或P-偏振光，并发射线偏振光。进入偏振元件140的多个局部光通量都分别被转变成预定的线偏振光束。从偏振元件140发射的局部光通量被反射镜150反射并进入叠加透镜160。叠加透镜160使得多个进入叠加透镜160的局部光通量被叠加在照明目标区域的液晶光阀250,252和254上。这能使各个液晶光阀250,252和254以基本相同的方式被照明。
两个三向色性镜210和212具有颜色分离器的功能，它将从照明系统100发射的光通量分成三种颜色的光组分，红(R)，绿(G)，和蓝(B)。第一个二向色性镜210透射包含在从照明系统100发射的光通量中的红光组分，而反射蓝光组分和绿光组分。
通过第一个二向色性镜210透射的红光组分反射镜220反射并通过物镜240到达供红光用的液晶光阀250。物镜240具有将通过它的局部光通量会聚成平行于主光束或光通量中心轴的光通量的功能。配置在其他液晶光阀252和254之前的其他物镜242和244具有同样的功能。
蓝光组分和绿光组分都被第一个二向色性镜210反射。然后绿光组分被第二个二向色性镜212反射并通过物镜242到达供绿光用的液晶光阀252。另一方面，蓝光组分通过第二个二向色性镜212透射并通过包含入射透镜230，中继透镜232，和反射镜222和224的中继透镜系统。通过中继透镜系统的蓝光组分随后通过物镜244到达供蓝光用的液晶光阀254。
中继透镜系统供蓝光组分使用，是为了阻止光的使用效率的降低，这是由于蓝光组分比其他颜色光组分具有较长光程的事实所引起的。中继透镜系统能使蓝光组分进入入射透镜230以透射到出射透镜或物镜244。
三个液晶光阀250,252和254具有光调制器的功能，它们按照给定的影象信息或影象信号调制各个颜色光组分，并发射代表影象的被调制的光组分。通常偏振板配置在液晶光阀250,252和254的光入射表面上。从照明系统100发射的线偏振光的偏振方向因而被设置在基本上平行于各偏振板的透射轴。这种布局保证了从照明系统100发射的照明光的有效使用。二向色性棱镜260具有光组合器或光选择棱镜的功能，它将从三个液晶光阀250,252和254发射的三种颜色的光组分组合起来。在交叉二向色性棱镜260中，反射红光的多成层介质膜和反射蓝光的多成层介质膜都在四个柱状棱镜的界面上基本上按X形被形成。这些多成层介质膜的功能是将三种颜色的光组分组合起来并生成复合光束以投影彩色影象。由二向色性棱镜260生成的复全光束向投射透镜系统270的方向发射。投射透镜系统270具有投影光学系统的功能，它将复合光投射在投影屏300上并从而显示彩色影象。
这种投影显示仪使用上面所讨论实施方案的交叉二向色性棱镜260。这摆脱了在投射影明的实际中心看到的拖影的问题以及在显示器上左边影象和右边影象有不同大小的问题。交叉二向色性棱镜260是从棱镜系统320或棱镜系统420切下的小棱镜，以使整个投影显示仪的尺寸能减小。
在图9中所示第二个实施方案的交叉二向色性棱镜260A可用来代替交叉二向色性棱镜260。这种布局进一步阻止由于投射透镜系统270中发生的色差所造成的图象质量的下降。
在交叉二向色性棱镜中的二向色性膜可能有不同于上述实施方案中讨论的各种各样的布局和结构。例如，红反射膜和蓝反射膜的位置可以互换。在另一实例中，绿色反射膜可被形成以代替蓝反射膜。被二向色性膜反射的颜色光组分不限于红、绿和蓝的组合。反射不同颜色光组分的任何想要的膜的组合可考虑膜的性质而确定。
在上面讨论的第一种个实施方案中，第一个二向色性膜(在实施方案中的蓝反射膜)被形成在短直角棱镜的直角面上，该面与长直角棱镜的直角面粘连形成棱镜对。然而，第一个二向色性膜可在长直角棱镜的直角面上形成。实施方案的制造方法可用于柱状、非直角棱镜。在这种情况下，四个柱状、非直角棱镜镜相互粘合形成光选择棱镜，为了使柱状棱镜通过侧面紧密地粘连被相互结合，最好是各个柱状棱镜具有三角形状。
在上面讨论的第一种实施方案中，构成棱镜系统的四个直角棱镜包含两个在纵向有相同长度的长直角棱镜和两个在纵向有相同长度的短直角棱镜。然而，相同长度并不是主要的。这里所需要的只是短直角棱镜的长度比长直角棱镜的长度小。更具体地说，当两个短直角棱镜被相互粘连并容纳在第二种装配夹具520的长方形孔522c(见图7)中时，两个短直角棱镜在纵向的长度都小于第二种装配夹具520的长方形孔522c的宽度W3。理想的是长直角棱镜具有能使它紧贴住基准面部分522a的上表面的长度。这种布局能使第一个二向色性膜(在实施方案中的蓝反射膜)分别在高度角地位于同一平面的两对棱镜上形成。
上述实施方案涉及本发明被应用于透射型投影显示仪的情况。然而，本发明的原理也也可应用于反射型投影显示仪。在这里‘透射型’意指光调制器，如液晶光阀，透射光，而‘反射型’意指光调制器反射光。在反射型投影显示仪器，二向色性棱镜不仅用作颜色分离器把入射光分成三种颜色的光组分，红，绿和蓝，而且作为将被调制的三种颜色的光组分相互组合以沿特定的方向发射复合光束的光组合器。本发明对反射型投影显示仪的应用可产生对透射型投影显示仪同样的效果。
在上述实施方案中，交叉二向色性棱镜被用作光选择棱镜。然而，本发明的原理可应用在不同于交叉二向色性棱镜的各种各样的光选择棱镜。作为实例，本发明可应用于包含具有偏振选择性的偏振分离膜作为两个光选择膜的光选择棱镜。本发明也可应用于光选择膜，它包含对于颜色光组分和偏振两者有不同光学选择性的两种不同类型的光选择膜。
在上述实施方案中，液晶光阀(液晶片)在投影显示仪中被用作光调制器。然而，其他元件也可用作光调制器。例如，数字微镜设备(TI公司商标)可用作光调制器。按照影象信号将入射光调制成代表影象光束的种种元件都能被用作光调制器。
应清楚地理解上述实施方案仅仅是说明性的而不在任何意义上是限制性的。本发明的范围和精神只受附加的权利要求的条款所限制。
权利要求
1．具有两种不同类型光选择膜基本上按X形交叉的光选择棱镜，该光选择棱镜包括四个柱状棱镜，在其相应的侧面上被相互粘连；以及沿着四个柱状棱镜的侧面形成的两个光选择膜，基本上按X形交叉，其中两个光选择膜之一是连续形成的，在两个光选择膜的交点处无间隔。
2．按照权利要求1的光选择棱镜，其中两个光选择膜之一是在曲面上连续形成的。
3．通过将四个柱状棱镜在其各自的侧面上相互粘连制造光选择棱镜的方法，该方法包括步骤(A)制备两对棱镜，通过(ⅰ)备置两组两个柱状棱镜，每个棱镜具有两个连接侧面，(ⅱ)在每组两个柱状棱镜的四个连接侧面之一上形成第一个光选择膜，以及(ⅲ)跨越第一个光选择膜将每组的两个柱状棱镜相互粘合；(B)均匀抛光两对棱镜的连接面，跨越连接面两对棱镜被相互粘连；(C)两对棱镜中被选定之一的平坦的连接面上形成第二个光选择膜，第二个光选择膜连续跨越在所选定的一对中两个柱状棱镜的连接面；以及(D)将两对棱镜相互粘连，以便获得棱镜系统。
4．按照权利要求3的方法，其中每组两个柱状棱镜是一个较长的柱状棱镜和一个较短的柱状棱镜的组合，而且每对棱镜按这样的方式制备以使较长的柱状棱镜的一个侧面与较短的柱状棱镜接触并粘合，而且在长棱镜的侧面的两个纵向端处有露出的部分，以及其中，在步骤(D)中，两对棱镜都按这种方式被相互粘连，以使每对棱镜的露出部分都与预定的共同基准面接触。
5．照权利要求3的任何一个的方法，该方法进一步包括步骤从步骤(D)中获得的棱镜系统切下光选择棱镜。
6．按照权利要求3的方法，其中步骤(B)包括至少将在步骤(C)中在其上形成第二种光选择膜的连接面之一抛光为曲面的步骤。
7．按照权利要求3的方法，其中每对棱镜的两个柱状棱镜的连接侧面至少被抛光。
8．照权利要求7的方法，该方法进一步包括步骤抛光在步骤(D)中所获得棱镜系统的外表面。
9．按照权利要求7的方法，该方法进一步包括步骤从步骤(D)中所获得棱镜系统切下小棱镜。
10．按照权利要求9的方法，该方法进一步包括步骤抛光小棱镜的外表面。
11．按照权利要求7的方法，其中每组两个柱状棱镜是一个较长的柱状一个较短的柱状棱镜的组合，而且每对棱镜都按这种方式制备，以使与较短的柱状棱镜接触并粘合的较长的柱状棱镜的一个侧面具有在两个纵向端露出的部分，以及其中，在步骤(D)中，两对棱镜镜都按这样的方式被相互粘连，以使每对棱镜的露出部分都与预定的共同基准面接触。
12．按照权利要求7的方法，其中步骤(B)包含至少将步骤(C)中在其上形成第二个光选择膜的连接面之一抛光为曲面的步骤。
13．通过将四个柱状棱镜在其各自侧面上将它们相互粘连的光选择棱镜的制造方法，该方法包括步骤(A)备置具有顶端面和底端面被抛光的平板玻璃块；(B)在平板玻璃的顶端面和底端面之一形成第一个光选择膜；(C)切割在其上形成第一个光选择膜的平板玻璃板以获得四个柱状棱镜，其中两个柱状棱镜具有在上形成第一个光选择膜的面，而两个柱状棱镜没有在上形成第一个光选择膜的面；(D)将具有第一个光选择膜的两个柱状棱镜中的各自一个与没有第一个光选择膜的剩余的两个柱状棱镜中的各自一个跨越第一个光选择膜粘连来制备两对棱镜；(E)均匀抛光两对棱镜的连接面，跨越连接面的两对棱镜都被相互粘连；(F)在两对棱镜中选定之一的平坦的连接面上形成第二个光选择膜，第二个光选择膜连续跨越所选定一对中两个柱状棱镜的连接面；以及(G)将两对棱镜相互粘连，以便获得棱镜系统。
14．按照权利要求13的方法，该方法进一步包括步骤将步骤(G)中所得棱镜系统的外表面抛光。
15．按照权利要求13的方法，该方法进一步包括步骤从步骤(G)中获得的棱镜系统切下小棱镜。
16．按照权利要求15的方法，该方法进一步包括步骤抛光小棱镜的外表面。
17．按照权利要求13的方法，其中每组两个柱状棱镜是一个较长的柱状棱镜和一个较短的柱状棱镜的组合，而每对棱镜按这样的方式被制备，以使与较短的柱状棱镜接触并粘合的较长的柱状棱镜的一个侧面具有在两个纵向端露出的部分，以及其中，在步骤(G)中两对棱镜都按这样的方式被相互粘连，以使每对棱镜的露出部分都与预定的共同基准面接触。
18．按照权利要求13的方法，其中步骤(E)包含至少将步骤(F)中在其上形成第二个光选择膜的连接面之一抛光为曲面的步骤。
19．投射和显示影象的投影显示仪，该投影显示仪包括发射照明光的照明系统；将照明光分为三色光组分的颜色分离器；根据依次给定的影象信号，分别调制三色光组分的三色光调制器；将三色光调制器调制的三色光组分组合成复合光束的交叉二向色性棱镜；以及投射被交叉二向色性棱镜所组合复合光束的投射光学系统；交叉二向色性棱镜包括在其各自侧面上被相互粘连的四个柱状棱镜；以及沿着四个柱状棱镜镜的侧面形成的，基本上按X形交叉的两个二向色性膜；其中两个二向色性膜之一是连续形成的，在两种二向色性膜的交点处无间隔。
20．按照权利要求19的投影显示仪，其中二向色性膜被连续地形成在曲面上。
全文摘要
红反射膜和蓝反射膜基本上按X形在四个柱状棱镜或直角棱镜的各自侧面所确定的连接面上被形成。红反射膜是在连续形成的,不在两种反射膜的交点处被隔开。另一方面,蓝反射膜被红反射膜和粘合剂分成两部分。最好四个柱状棱镜从一块平板玻璃获得。这种布局保证最后得到的光选择棱镜在性能上的改善。
文档编号G02B27/14GK1236113SQ9910485
公开日1999年11月24日 申请日期1999年4月8日 优先权日1998年4月8日
发明者桥爪俊明, 村田雅巳 申请人:精工爱普生株式会社