光選擇棱鏡,用該棱鏡的投影顯示儀及制造該棱鏡的方法

專利名稱：光選擇棱鏡,用該棱鏡的投影顯示儀及制造該棱鏡的方法
技術領域：
本發明涉及光選擇棱鏡，使用該棱鏡的投影顯示儀，以及制造光選擇棱鏡的方法。
交叉二向色性棱鏡經常在投影彩色影象的投影顯示儀中被用作光選擇棱鏡。交叉二向色性棱鏡具有兩種不同類型的二向色性膜，它們被安排成基本上按X形交叉。交叉二向色性棱鏡具有顏色組合器的功能，它將紅，綠及藍三種顏色光組分相互組合并沿給定的方向發射復合光束。


圖12展示出通用的投影顯示儀的基本部分。投影顯示儀包括三個液晶光閥42,44和46，交叉二向色性棱鏡48，以及投射透鏡50。紅反射膜48R和藍反射膜48B在交叉二向色性棱鏡48中基本上按X形被形成。交叉二向色性棱鏡48組合被三個液晶光閥42,44和46調制的紅、綠和藍三種顏色光組分并沿投射透鏡50的方向發射復合光束。投射透鏡50將復合光束聚焦在投影屏52上。
交叉二向色性棱鏡48通常靠將具有相同尺寸的四個柱狀棱鏡各自的側面相互粘合制成。紅反射膜48R事先在兩個柱狀棱鏡的預定的側面上被形成，以致當四個柱狀棱鏡被相互粘合時位于同一平面上。按類似的方式，藍反射膜48B事先在兩個柱狀棱鏡的預定的側面上被形成。
紅反射膜48R在透射其他顏色光組分的同時只反射紅色光組分。藍反射膜48B在透射其他顏色光組分的同時只反射藍色光組分。被稱為二向色性膜的多成層介質膜通常被用作具有這種性質的反射膜。這些反射膜使從液晶光閥42及46發射的光組分彎曲90度并從而使光組分一律指向投射透鏡50。因此最好在交叉二向色性棱鏡中基本上按X形被形成的反射膜分別安排在相同的平面上。
當四個相同尺寸的柱狀棱鏡被相互粘合去構成交叉二向色性棱鏡時，為了使紅反射膜48R及藍反射膜48B分別被安排在相同的平面上而使柱狀棱鏡高度精確地粘連是頗為困難的。精確度差導致紅反射膜48R和藍反射膜48B二者各自在二向色性棱鏡真正的中心處的交點附附近具有高度上的間隙和差別。紅反射膜48R和藍反射膜48B的反射性能及透射性能因而沿通過交點附近的光束的通道被改變。這引起交叉二向色性棱鏡48的性能降低。當這樣的二向色性棱鏡被應用到投影顯示儀時，交叉二向色性棱鏡中由于光的散射所造成的拖影在所投射影象的實際中心處被觀察到。另一個問題是在交叉二向色性棱鏡中心處被反射的某些顏色的光在顯示器的中心處形成雙重影象，并且各種顏色光組分因此生成不同尺寸的被顯示的顏色組分影象。
交叉二向色性棱鏡還被用來將光分割成多個光組分。交叉二向色性棱鏡的性能降低問題也會在這種情況中出現。除交叉二向色性棱鏡外，各種各樣的光選擇棱鏡可被用作光學元件，其中選擇透射或反射光組分的光選擇膜被基本上按X形構成。性能降低的問題通常在種種光選擇棱鏡中被發現。
本發明的目的從而是提供改進光選擇棱鏡性能的技術。
本發明至少上述的一部分及其他有關的目的通過具有基本上按X形交叉的兩種不同類型光選擇膜的光選擇棱鏡被實現。光選擇棱鏡包括在其相應的側面上被相互粘連的四個柱狀棱鏡；以及基本上按X形交叉沿四個柱狀棱鏡側面形成的兩個光選擇膜，其中兩個光選擇膜之一被連續地形成在兩個光選擇膜交點處無間隔。
由于兩個光選擇膜之一被連續地形成在兩個光選擇膜交點處無間隔，連續的光選擇膜的性能在基本上按X形被安排的兩個光選擇膜的交點附近被改善。這相應地保證了最后得到的光選擇棱鏡的性能的改善。
兩個光選擇膜之一可以被連續地形成在曲面上。
這種結構的光選擇棱鏡使得在曲面上形成的光選擇膜的反射光所生成的影象的尺寸可以調節。
本發明的光選擇膜可以按照下述方法之一制造。第一種方法通過在其相應的側面上粘連四個柱狀棱鏡制造光選擇棱鏡。第一種方法包括步驟(A)制備兩對棱鏡，通過ⅰ)備置兩組兩個柱狀棱鏡，每個棱鏡有兩個粘連側面，ⅱ)在每組的兩個柱狀棱鏡的四個連接側面之一上形成第一個光選擇膜，并且ⅲ)跨越第一個光選擇膜將每組的兩個柱狀棱鏡粘合在一起；(B)均勻地拋光兩對棱鏡的連接面，通過連接面兩對棱鏡將被相互粘連；(C)在兩對棱鏡中被選定一對的平坦的連接面上形成第二個光選擇膜，第二個光選擇膜連續跨越被選定的一對的兩個柱柱棱鏡的一個接合面；以及(D)將兩對棱鏡相互粘連以便得到棱鏡系統。
本發明的第一種方法使第二個光選擇膜跨越兩個柱狀棱鏡的連接面，在屬于從兩對棱鏡中選出的一對的平坦連接面上連續地形成。這種布局有效地改善了第二個光選擇膜的性能。
按照第一種方法的一個優選的應用，每組兩個柱狀棱鏡是一個較長的柱狀棱鏡和一個較短的柱狀棱鏡的組合，而且每組棱鏡是按這樣的方式制備的，以使與較短柱狀棱鏡接觸并被粘接的較長柱狀棱鏡的一個側面，在側面的縱向兩端具有露出的部分。在步驟(D)中，兩對棱鏡按這樣的方式相互粘連，以致每對棱鏡的露出部分與預定的共同基準面相接觸。
這種方法使分別在兩對棱鏡上形成的第一個光選擇膜能被按照預定的基準平面定位并從而出現在同一平面上。
第一種方法可能另外包括步驟從步驟(D)中獲得的棱鏡系統切下光選擇棱鏡。
這個步驟使許多光選擇棱鏡能從棱鏡系統獲得。當光選擇棱鏡從棱鏡系統切下時，光選擇棱鏡的高度能任意設置。這使光選擇棱鏡能具有所需的高度。
在第一種方法中，步驟(B)可能包括拋光至少一個連接面的步驟，在該連接面上第二個光選擇膜在步驟(C)中被形成到曲面上。
按這種方式制造的光選擇棱鏡使在曲面上形成的光選擇膜的反射光所生成的影象的尺寸能夠穩定。
在本發明的第一種方法中，最好是至少每對棱鏡的兩個柱狀棱鏡的連接側面被拋光。
這種布局使第一個光選擇膜能被形成在拋光的連接側面之一上。
在這種情況下，一種可能的布局另外包括步驟拋光在步驟(D)中獲得的棱鏡系統的一個外表面。
這使在每個制造步驟中可能出現在玻璃表面上的條痕及瑕疵有時能被除去。
另一種可能的布局進一步包括步驟從步驟(D)中獲得的棱鏡系統切下一個小棱鏡，并且拋光小棱鏡的一個外表面。
第二種方法通過在其相應的側布將四個柱狀棱鏡相互粘連制造光選擇棱鏡。第二種方法包括步驟(A)備置一塊頂端面和底端面被拋光的平板玻璃；(B)在平板玻璃的頂端面和底端面之一上形成第一個光選擇膜；(C)切割有第一個光選擇膜在其上形成的平板玻璃塊以獲得四個柱狀棱鏡，在那里兩個柱狀棱鏡具有在上面形成第一個光選擇膜的表面，而兩個柱狀棱鏡不具有在上面形成第一個光選擇膜的表面；(D)通過將具有第一個光選擇膜的兩個柱狀棱鏡的各自一個與其余兩個沒有第一個光選擇膜的柱狀棱鏡的各自一個跨越第一個光選擇膜粘連制備兩對棱鏡；(E)均勻拋光兩對棱鏡的連接面，跨越它們兩對棱鏡被相互粘連；(F)在兩對棱鏡中被選定一對的平坦的連接面上形成第二個光選擇膜，第二個光選擇膜連續地跨越被選定的一對的兩個柱狀棱鏡的連接面；以及(G)將兩對棱鏡相互粘連，以便獲得棱鏡系統。
與先前討論的第一種方法類似，本發明的第二種方法導致第二個光選擇膜跨越兩個棱鏡的連接面，在屬于從兩對棱鏡中選出一對的平坦連接面之一上連續地形成。這種布局有效地改善了第二個光選擇膜的性能。在第二種方法的步驟(A)直到步驟(C)中，四個柱狀棱鏡是通過將一塊平板玻璃分成四塊制備的。這使四個柱狀棱鏡能具有相同的折射率。相同的折射率有效地防止通過最后得到的光選擇棱鏡透射的光組分在光程上的差別所造成的被顯示影象尺寸的變化。
交叉二向色性棱鏡是按照本發明的光選擇棱鏡的一個實施方案，它可以應用于投影顯示儀。本發明因此針對投射并顯示影象的投影顯示儀。投影顯示儀包括發射照明光的照明系統；將照明光分成三種顏色光組分的顏色分離器；依次根據給定的影象信號分別調制三種顏色光組分的三個光調制器；將被三個光調制器調制的三種顏色光組分組合成復合光束的交叉二向色性棱鏡；以及投射由交叉二向色性棱鏡所組合的復合光束的投影光學系統。交叉二向色性棱鏡包含在其相應的側面上被相互粘連的四個柱狀棱鏡；以及沿四個柱狀棱鏡側面基本上按X形交叉形成的兩個二向色性膜，兩個二向色性膜中的一個被連續形成在兩個二向色性膜交點處無間隔。
這種投影顯示儀應用按照本發明的二向色性棱鏡生成復合光束。這種結構緩和了因二向色性棱鏡中光的散射而造成在被投射影象真正中心上觀察到拖影的問題。
圖1(A)和1(B)用圖解說明作為按照本發明的光選擇棱鏡第一種實施方案的交叉二向色性棱鏡260；圖2展示從棱鏡系統320切下交叉二向色性棱鏡260的過程；圖3(A)-3(C)展示制造一對棱鏡的過程；圖4是說明第一種裝配夾具500的透視圖；圖5(A)-5(C)是說明第一對棱鏡321的連接面321C的放大圖；圖6(A)-6(C)展示將按照圖3(A)至3(C)的方法制備的兩對棱鏡321和322相互粘合的過程；圖7是說明第二種裝配夾具520的透視圖；圖8是說明放置在第二種裝配夾具520上的兩對棱鏡321和322的放大圖；圖9(A)和9(B)用圖解說明作為按照本發明的光選擇棱鏡第二種實施方案的另一種交叉二向色性棱鏡260A。
圖10(A)-10(D)展示在交叉二向色性棱鏡的第二種制造方法中四個柱狀棱鏡的備置過程；圖11是示意說明用按照本發明實施方案的交叉二向色性棱鏡260的投影顯示儀基本部分的平面圖；圖12示意說明通用投影顯示儀的基本部分。
A．第一種光選擇棱鏡圖1(A)和1(B)用圖解說明作為按照本發明的光選擇棱鏡第一種實施方案的交叉二向色性棱鏡260。二向色性棱鏡260包含圖1(A)中所示的四個直角光學棱鏡(柱狀光學棱鏡)261,262,263和264。四個直角光學棱鏡261至264(下文稱為直角棱鏡或柱狀棱鏡)具有相同高度的直角等腰三角形棱鏡的形狀。交叉二向色性棱鏡260是通過用粘合劑267在直角側面(下文簡稱為“直角面”或“連接面”)上粘連直角棱鏡261至264而獲得的方形的棱鏡(或是長方體或是立方體)。
如圖1(B)所示，紅反射膜266R和藍反射膜266B基本上按X形被配置在四個直角棱鏡261至264的直角面所確定的連接面上。紅反射膜266R是連續形成在整個紅反射膜形成面上的二向色性膜或光選擇膜，該面由兩個直角棱鏡261和263之間的連接面以及兩個直角棱鏡262和264之間的連接面所確定。藍反射膜266B是分別形成在兩個直角棱鏡261和262之間的連接面上以及兩個直角棱鏡263和264之間的連接面上的二向色性膜。被形成在這兩個連接面上面的藍反射膜彼此被紅反射膜266R及粘合劑267隔開。
在本實施方案的交叉二向色性棱鏡260中，紅反射膜被連續地形成在基本上按X形交叉的兩個膜形成面之一的整個表面上。這種布局有效地防止紅反射膜266R甚至在交叉二向色性棱鏡260中心處性能，即反射和透射性能，的降低。兩個藍反射膜266B彼此被紅反射膜266R及粘合劑267隔開。藍色反射面的各個部分，即兩個藍反射膜266B被高度精確地定位在同一平面上。這種布局保證藍顏色反射面具有良好的反射性能和透射性能，盡管由于間隔造成一定的損害。這進一步改善了交叉二向色性棱鏡260的性能。藍反射膜266B被分成兩部分，由于藍光比紅光具有較低的光譜發光效率，即人眼對藍光的分辨率低于對紅光的。
四個柱狀棱鏡261,262,263和264可以具有基本上取直角的非等腰三角形棱鏡的形狀，代替精確的等腰三角形棱鏡的形狀。
B．第一種制造方法下面參照圖2至圖8描述圖1(A)和1(B)中所示的交叉二向色性棱鏡260的第一種制造方法。圖2展示從棱鏡系統320切下交叉二向色性棱鏡260的過程。制造交叉二向色性棱鏡260的方法首先是制備如圖2中所示的沿縱向延伸的棱鏡系統320，然后從棱鏡系統320切下所需長度的棱鏡。
棱鏡系統320通過將第一對棱鏡321與第二對棱鏡322粘接制造。第一對棱鏡321包含被彼此粘連的一個較長的直角棱鏡325(下文簡稱為“長直角棱鏡”)和一個較短的直角棱鏡326(下文簡稱為“短直角棱鏡”)。類似地，第二對棱鏡322包含一直長直角棱鏡327和一個短直角棱鏡328。短直角棱鏡326和328要求具有比長直角棱鏡325和327較短的長度。長直角棱鏡的長度可以彼此不相同，并且短直角棱鏡的長度也可以以彼此不相同。然而，相同長度的長直角棱鏡和相同長度的短直角棱鏡將直角棱鏡的種類縮到最小程度而簡化了制造。在本實施方案的各個附圖中，長直角棱鏡被表示成相同的尺寸，并且短直角棱鏡也被表示成相同的尺寸。
圖3(A)-3(C)展示制造第一對棱鏡321和第二對棱鏡322的過程。第一對棱鏡321按下述方式制作。該過程首先備置圖3(A)中所示的長直角棱鏡325及圖3(B)中所示的短直角棱鏡326。長直角棱鏡325和短直角棱鏡326各自具有被均勻拋光形成平坦光透射表面的三個側面。短直角棱鏡326具有形成藍反射膜266B(在圖3(B)中用斜折線表示)的直角面326a。藍反射膜266B是通過用真空淀積或濺射將多個無機薄膜一層形成在另一層上獲得的介質多層膜。該過程然后將長直角棱鏡325的直角面325a與短直角棱鏡326的直角面326a粘連以制作圖3(C)中所示的第一對棱鏡321。直角面是按這樣的方式彼此粘連的以使露出部分321d和321e被留在長直角棱鏡325的直角面325a的頂部和底部。圖4中所示的第一種裝配夾具500被用于粘連。第一種裝配夾具500具有底板502，它包含配置在其兩端的一對基準面部分502a和502b和形成在基準面部分502a和502b之間基本上成矩形的細槽部分502c。基準面部分502a和502b被運用去使被放置的上表面基本上位于同一平面上。細槽部分502c是接收涂在連接面上的粘合劑溢出的間隙部分。
兩個直角棱鏡325和326按下述方式被彼引粘連。該過程首先將粘合劑涂在兩個直角棱鏡325和326的至少一個連接面上并且將直角棱鏡325和326相互粘合。該過程將被彼此粘連的兩個棱鏡放置在底板502上，或更具體地講在圖4中所示的基準面部分502a和502b上。兩個棱鏡325和326被緊壓住基準面部分502a和502b。這使兩個棱鏡325和326能被平行于其縱軸安放。
在固定兩個直角棱鏡325和326的相對位置后，該過程等待一些時間以使涂在連接面上的粘合劑凝固。這就給出了第一對棱鏡321。
按照類似的過程，通過將直角棱鏡327與上面有藍反射膜266B形成的直角棱鏡328粘連就獲得第二對直角棱鏡322。
圖5(A)-5(C)是說明按上述方式制造的第一對棱鏡321的連接面321C的放大圖。連接面321C介于第一對棱鏡321的兩個直角面321a和321b之間。如圖3(C)所示，第一對棱鏡321跨越連接面321c與第二對棱鏡322粘連。
連接面321c包含兩個直角棱鏡325和326各自的直角面325b和326b并且被緊壓住第一個裝配夾具500的基準面部分502a和502b。如圖5(A)所示，在直角面326a上形成的藍反射膜266B可能具有繞過直角面326b正交角的延伸部分。直角面325b和直角面326b可能具有因將直角棱鏡325和326與第一個裝配夾具500壓緊的壓力之間差異而引起的在高度上的微小差別。這經常造成第一對直角棱鏡321的連接面321c的不平整。該過程從而拋光連接面321c以使它具有如圖5(B)所示的平坦表面。該過程然后如圖5(C)所示在平坦的連接面321c上形成紅反射膜266R。與藍反射膜相似，紅反射膜通過蒸汽淀積或濺射被制備。紅反射膜266R在平坦面上的形成使得紅反射膜266R構成一個連續的膜。這特別防止在兩個直角棱鏡325和326之間連接面附近處光的散射，并且從而使得在所顯示的影象上沒有因光的散射引起的拖影。當連接面321c是平坦的時，反射膜能以有高精確度在同一平面上被形成。甚至當光被反射90度時，在顯示器上左邊的影象和右邊的影象照樣具有同樣的尺寸。在本發明中的“平坦表面”表示沒有階躍的連續表面，而不意味著幾何學上的精確平面。
與第一對棱鏡321相同，第二對棱鏡322也具有被拋光的連接面322c。盡管紅反射膜266R在第一對棱鏡321的連接面321c上被形成，但并不要求在第二對棱鏡322的連接面322c上形成紅反射膜266R。紅反射膜266R也可以在第二對棱鏡322的連接面322c上形成，代替在第一對棱鏡321的連接面321c上形成。
由反射面反射的兩種顏色，紅色和藍色光之間的比較，顯示出紅光具有較高的光譜發光效率；即，紅光更能引起肉眼注意。因此要求紅反射膜形成在高度上基本上沒有差別的平坦表面。這個實施方案的制造方法使圖5(C)中所示的紅反射膜266R能被連續地形成在整個連接面321c上。這種方法從而給出極好的交叉二向色性棱鏡。光譜發光效率按綠，紅和藍的順序降低。當綠反射膜被用來代替紅反射膜或藍反射膜時，最好是按照圖5(A)-5(C)中所示的方法將綠反射膜形成在連接面321C上。
圖6(A)-6(C)展示將按照圖5(A)至5(C)的方法制備的兩對棱鏡321和322相互粘合的過程。圖6(A)中所示的第二對棱鏡322與圖6(B)中所示的第一對棱鏡321按這樣的方式粘連以使短棱鏡彼此連接并且長棱鏡也彼此連接。這就給出了圖6(C)中所示的棱鏡系統320。在圖7中所示的第二種裝配夾具520被用于連接。第二種裝配夾具520具有底板522，它包含框架狀的基準面部分522a及在基準面部分522a中央形成的長方形孔522c。基準面部分522a的上表面是以高精確度制作的。長方形孔522c的寬度W3被設置成略大于短直角棱鏡326在縱向的長度L1。長方形孔522c的深度H1被設置成略大于短直角棱鏡326和328直角面的寬度L3。底板522的寬度被設置成略大于長直角棱鏡325和327在縱向的長度L2。
下述方法被用于將兩對棱鏡321和322相互粘合。該過程首先將粘合劑涂在至少一個連接面上并且將兩對棱鏡321和322放置在第二種裝配夾具520上以使短直角棱鏡326和328被容納在圖7中所示的長方形孔522c中。長直角棱鏡325和327這時被緊壓住基準面部分522a的上表面。這固定了兩對棱鏡321和322的相對位置，以致在第一對棱鏡321內部形成的藍反射膜266B與在第二對棱鏡322內部形成的藍反射膜266B位于同一平面。
圖8是說明放置在第二種裝配卡具520上的兩對棱鏡321和322的放大圖。為了說明的簡化，圖8是通過基準面部分522a被看到的。只有如圖6中所示在那里沒有形成反射膜的暴露部分321d,321e,322d和322e，在兩個長直角棱鏡325和327的直角面325a和327a以外(即，與短直角棱鏡326和328粘合或粘連的表面)與基準面部分522a的上表面522a(U)相接觸。這些暴露部分321d,321e,322d和322e具有被拋光的面。將這些暴露部分321d,321e,322d和322e放置在底板522的基準面部分522a的上表面522a(U)上，因此保證在這些拋光面上高度平坦。這里“平坦度”意指表面的連續性程度(即，在高度上的平坦程度)。如圖6(A)和6(B)所示，藍反射膜266B在被拋光的連接面上形成，連接面與暴露部分321d和321e位于相同的面上，同時藍反射膜也在位于與暴露部分322d和322e相同面上的被拋光的連接面上形成。如圖7中所示，粘連兩對棱鏡321和322能使藍色反射面由具有高平坦度的兩個藍反射膜266B所組成。
在高度精確地固定兩對棱鏡321和322的相對位置后，該過程等待一些時間使涂在連接面上的粘合劑被凝固。這使得棱鏡系統320高度精確地被裝配起來，如圖6(C)所示。具有低粘度的紫外光凝固粘合劑可用于將四個直角棱鏡相互粘合。這種粘合劑有利于需要短的凝固時間并使在凝固期間放出的熱較少。
按上述方式制造的棱鏡系統320隨后被切成所需長度的棱鏡作為具有兩個切割表面的交叉二向色性棱鏡260，如圖2所示這兩切割面實際垂直于縱向軸并且基本上彼此平行。從比較長棱鏡系統320切下所需長度的棱鏡的方法便于比較小的交叉二向色性棱鏡的制造。通過上述方法制造的供投影顯示儀用的交叉二向色性棱鏡的應用能減小整個投影顯示儀的尺寸。棱鏡系統320本身可被用作交叉二向色性棱鏡。
在通過上述方法制造的交叉二向色性棱鏡260中，紅反射膜266R在兩對棱鏡的整個連接面上連續地形成。這種布局有效地改善紅反射膜266R的反射性能和透射性能，從而保證交叉二向色性棱鏡260性能的改善。雖然兩個藍反射膜266B通過紅反射膜266R彼此隔開，但兩個藍反射膜266B被高度精確地定位在同一平面上。這種布局保證藍色反射面具有良好的反射性能和透射性能，盡管由于因隔開引起一定的損失。這進一步改善了交叉二向色性棱鏡260的性能。
雖然上面制造方法使用四個直角棱鏡325,326,327和328，其中每一個都有三個被均勻拋光的側面，直角棱鏡并不限于這種結構。例如，構成一對的兩個直角棱鏡中與一個可以至少有一個被拋光的側面，它與其他直角棱鏡的一個被拋光的側面相接觸并粘合。在這種情況下，對應于連接321c和322c的未被拋光的側面，跨越它們兩對棱鏡321和322彼此粘連，按圖5(A)-5(C)所示的過程被拋光。對應于交叉二向色性棱鏡260外側面的其余未拋光的側面可在棱鏡系統320被制造之后或在交叉二向色性棱鏡260從棱鏡系統320切下之后被拋光。這種方法使在每個制造步驟中可能出現在玻璃表面上的條痕和瑕疵有時能被除去。
C．第二種光選擇棱鏡圖9(A)和9(B)用圖解說明作為按照本發明的光選擇棱鏡第二種實施方案的另一種交叉二向色性棱鏡。如圖9(A)中所示，交叉二向色性棱鏡260A包含四個柱狀光學棱鏡261A,262A,263A和264A(下文稱為柱狀棱鏡)。這四個柱狀棱鏡261A至264A是具有相同高度的似三角形棱鏡的形狀。交叉二向色性棱鏡260A是由柱狀棱鏡261A至264A通過用粘合劑267將構成每個角的各自兩個面相互粘合所獲得的似方形的棱鏡。
如圖9(B)中所示，紅反射膜266R和藍反射膜266B基本上按X形被安排在側面(下文稱為‘連接面’)，跨越連接面四個柱狀棱鏡261A至264A被相互粘連。紅反射膜266R是二向色性膜或光選擇膜，它在整個由兩個柱狀棱鏡261A和263A之間的連接面及兩個柱狀棱鏡262A和264A之間的連接面所確定的紅反射膜形成面上連續地形成。藍反射膜266B是二向色性膜分別在兩個柱狀棱鏡261A和262A之間的連接面上及兩個柱狀棱鏡263A和264A之間的連接面上形成。在這兩個連接面上形成的藍反射膜266B被紅反射膜266R及粘合劑267彼此隔開。
像在圖1中所示第一實施方案的交叉二向色性棱鏡260中一樣，在經二個實施方案的交叉二向色性棱鏡260A中，紅反射膜266R連續地形成在基本上按X形交叉的兩個膜形成面之一的整個面上。這種布局有效地阻止甚至在交叉二向色性棱鏡260A的中心處紅反射膜266R的性能，即反射和透射性能，的降低。以交叉二向色性棱鏡260A同樣的方式，在交叉二向色性棱鏡260A中兩部分藍反射膜266B被紅反射膜266R和粘合劑267彼此隔開。藍色反射面的各個部分，即兩個藍反射膜266B，被高度精確地定位在連續的相同的表面上(在圖9中相同的平面上)。這種布局保證藍色反射面具有良好的反射性能和透射性能，盡管由于隔開而造成一定的損失。因此像上面討論的交一向色性棱鏡260一樣，這能改善交叉二向色性棱鏡260A的性能。
在其上形成紅反射膜266R的膜形成面，如圖9(B)中所示具有彎曲的表面。彎曲的表面可以是球面，橢球面，或由一連串各具有不同方向的平面所組成的表面。在彎曲的膜形成面上紅反射膜266R的形成使來自紅反射膜266R的紅光反射方向能按照紅反射膜266R的位被調節。這種布局保證通過紅光顯示的影象在尺寸上的變化。當交叉二向色性棱鏡260A被用于投影顯示儀，這種裝置有效地防止在投影光學系統中由于發生色差產生的影象質量的降低。
交叉二向色性棱鏡260A可按照上面討論的第一種制造方法制造。在這種情況下，以前用圖5(B)的描述的均勻拋光連接面321c的步驟將連接面321拋光成彎曲的形狀。這種布局使膜形成面能構成曲面。
D．第二種制造方法圖10(A)-10(D)展示按交叉二向色性棱鏡的第二種制造方法備置四個柱狀棱鏡的過程。該過程首先備置一塊光學平板玻璃400，例如，如圖10(A)中所示的一塊無色透明的平板玻璃。這里所用的平板玻璃塊400有均勻的折射率。該過程接著均勻拋光平板玻璃400的頂端面402和底端面404，并且在頂端面402上形成藍反射膜266B，頂端面402在圖10(B)中作為畫陰線的部分被示出。該過程將平板玻璃400沿著如圖10(B)中所示的單點鏈線分割成四塊，因此如圖10(C)中所示備置了四個柱狀棱鏡425,426o,427和428o。在這種情況中，在這四個柱狀棱鏡中425和427柱狀棱鏡是直角棱鏡，棱鏡425和427相當于圖2中所示的長直角棱鏡325和327。該過程隨后沿著在圖10(C)中所示的單點鏈線將柱狀棱鏡426o和428o切割給出如圖10(D)所示的柱狀棱鏡426和428。在這種情況中柱狀棱鏡426和428是直角棱鏡，棱鏡426和428相當于圖2中所示的短直角棱鏡。柱狀棱鏡425和427的側面325a和327a構成平板玻璃400的拋光的底端面404，同時柱狀棱鏡426和428的側面326a和328a構成平板玻璃400的拋光的頂端面402。柱狀棱鏡425和426的側面325a和326a以及柱狀棱鏡427和428的側面327a和328a都分別被相互粘連形成兩對棱鏡。
按上述方式制備的四個柱狀棱鏡425,426,427和428按照圖3(A)至圖7所示的制造方法被裝配。這給出棱鏡系統420，它相當于在圖2中所示的棱鏡系統320。像這樣獲得的棱鏡系統420在縱向，即高度的方向，按所需的長度被切成小棱鏡。該過程隨后均勻拋光小棱鏡的外表面以備置在圖1(A)和1(B)中所示的交叉二向色性棱鏡260或在圖9(A)和圖9(B)中所示的交叉二向色性棱鏡260A。交叉二向色性棱鏡260A的外表面可被拋光成平面或曲面。
第二種制造方法由平板玻璃塊制備交叉二向色性棱鏡從而使最后得到的交叉二向色性棱鏡具有均勻的折射率。均勻的折射率有效地防止由于在交叉二向色性棱鏡中光的折射造成在光組分的光程之間的差別。這種方法在每個制造步驟中形成所需的表面。這減少在制造過程中可能發生在玻璃表面上的條痕和瑕疵，從而加強反射面的平坦程度。
上面討論的第二種制造方法從棱鏡系統420切下小棱鏡，隨后將小棱鏡的外表面拋光。然而該方法并不局限于這種布局。棱鏡系統420的外表面可以在小棱鏡從棱鏡系統420切下以前被拋光。
上面討論的第二種制造方法在平板玻璃400上形成藍反射膜266B，隨后將平板玻璃400分割成四塊。一種改進的布局是在柱狀棱鏡426和428側面上形成藍反射膜266B之前將平板玻璃400分割成四塊。
雖然柱狀棱鏡425和426的組合以及柱狀棱鏡427和428的組合分別構成兩對棱鏡，但另外的組合也可能被用于第二種制造方法中。例如柱狀棱鏡425可與柱狀棱鏡428組合，而柱狀棱鏡426可與柱狀棱鏡427組合。在另一實例中，柱狀棱鏡425和427構成一對棱鏡，而柱狀棱鏡426和428構成另一對棱鏡。被選擇的較好的組合使連接的柱狀棱鏡能夠具有相同的折射率。這種布局有效地防止由于在棱鏡中光的折射造成圖象質量的下降。
以前討論的第一種制造方法可使用從一塊平板玻璃所獲得的四個柱狀棱鏡。像第二種制造方法一樣，這種布局有效地阻止由于光在棱鏡中的折射造成圖像質量的下降。
在第一種制造方法中，棱鏡系統320的外表面或從棱鏡系統切下的小棱鏡的外表面可被拋光為曲面，而不是平面。在這種情況下，最后得到的交叉二向色性棱鏡由四個柱狀的非直角的棱鏡組成。
E．投影顯示儀的結構圖11示意說明具有按圖本發明實施方案的交叉二向色性棱鏡260的投影顯示儀的主要部分的平面圖。投影顯示儀包括照明系統100，二向色性鏡210和212，反射鏡220,222和224，入射透鏡230，中繼透鏡232，三個物鏡240,242和244，三個液晶光閥或液晶板250，252和254，交叉二向色性棱鏡260，以及投射透鏡系統270。
照明系統100含有發射基本上平行光通量的光源110，第一透鏡陣列120，第二透鏡陣列130，偏振元件140，反射鏡150，以及疊加透鏡160。照明系統100是綜合光學系統，它基本上均勻地照明三個液晶光閥250,252和254中的每一個，它們是照明的目標區域。
光源110含有光源燈112，它是發射光輻射線的輻射光源，以及凹面鏡114，它將從光源燈112發射的光輻射線轉變為基本上平行的光通量。金屬鹵化物燈，高壓汞燈，或其他高壓放電燈可被用作光源燈112。最好用拋物面反射鏡作凹面鏡114。另外橢球面反射鏡或球面反射鏡也可被使用，以代替拋物面反射鏡。
第一透鏡陣列120包含多個基本的小透鏡122。第二秀陣列130包含多個輔助的小透鏡132，它們分別對應于多個基本的小透鏡122。第一透鏡陣列120和第二透鏡陣列130將光源110發射的基本上平行的光通量分成多個局部的光通量，它們接著進入偏振元件140。偏振元件140具有將非偏振光轉為為預定的線性偏振光的功能，例如，S-偏振光或P-偏振光，并發射線偏振光。進入偏振元件140的多個局部光通量都分別被轉變成預定的線偏振光束。從偏振元件140發射的局部光通量被反射鏡150反射并進入疊加透鏡160。疊加透鏡160使得多個進入疊加透鏡160的局部光通量被疊加在照明目標區域的液晶光閥250,252和254上。這能使各個液晶光閥250,252和254以基本相同的方式被照明。
兩個三向色性鏡210和212具有顏色分離器的功能，它將從照明系統100發射的光通量分成三種顏色的光組分，紅(R)，綠(G)，和藍(B)。第一個二向色性鏡210透射包含在從照明系統100發射的光通量中的紅光組分，而反射藍光組分和綠光組分。
通過第一個二向色性鏡210透射的紅光組分反射鏡220反射并通過物鏡240到達供紅光用的液晶光閥250。物鏡240具有將通過它的局部光通量會聚成平行于主光束或光通量中心軸的光通量的功能。配置在其他液晶光閥252和254之前的其他物鏡242和244具有同樣的功能。
藍光組分和綠光組分都被第一個二向色性鏡210反射。然后綠光組分被第二個二向色性鏡212反射并通過物鏡242到達供綠光用的液晶光閥252。另一方面，藍光組分通過第二個二向色性鏡212透射并通過包含入射透鏡230，中繼透鏡232，和反射鏡222和224的中繼透鏡系統。通過中繼透鏡系統的藍光組分隨后通過物鏡244到達供藍光用的液晶光閥254。
中繼透鏡系統供藍光組分使用，是為了阻止光的使用效率的降低，這是由于藍光組分比其他顏色光組分具有較長光程的事實所引起的。中繼透鏡系統能使藍光組分進入入射透鏡230以透射到出射透鏡或物鏡244。
三個液晶光閥250,252和254具有光調制器的功能，它們按照給定的影象信息或影象信號調制各個顏色光組分，并發射代表影象的被調制的光組分。通常偏振板配置在液晶光閥250,252和254的光入射表面上。從照明系統100發射的線偏振光的偏振方向因而被設置在基本上平行于各偏振板的透射軸。這種布局保證了從照明系統100發射的照明光的有效使用。二向色性棱鏡260具有光組合器或光選擇棱鏡的功能，它將從三個液晶光閥250,252和254發射的三種顏色的光組分組合起來。在交叉二向色性棱鏡260中，反射紅光的多成層介質膜和反射藍光的多成層介質膜都在四個柱狀棱鏡的界面上基本上按X形被形成。這些多成層介質膜的功能是將三種顏色的光組分組合起來并生成復合光束以投影彩色影象。由二向色性棱鏡260生成的復全光束向投射透鏡系統270的方向發射。投射透鏡系統270具有投影光學系統的功能，它將復合光投射在投影屏300上并從而顯示彩色影象。
這種投影顯示儀使用上面所討論實施方案的交叉二向色性棱鏡260。這擺脫了在投射影明的實際中心看到的拖影的問題以及在顯示器上左邊影象和右邊影象有不同大小的問題。交叉二向色性棱鏡260是從棱鏡系統320或棱鏡系統420切下的小棱鏡，以使整個投影顯示儀的尺寸能減小。
在圖9中所示第二個實施方案的交叉二向色性棱鏡260A可用來代替交叉二向色性棱鏡260。這種布局進一步阻止由于投射透鏡系統270中發生的色差所造成的圖象質量的下降。
在交叉二向色性棱鏡中的二向色性膜可能有不同于上述實施方案中討論的各種各樣的布局和結構。例如，紅反射膜和藍反射膜的位置可以互換。在另一實例中，綠色反射膜可被形成以代替藍反射膜。被二向色性膜反射的顏色光組分不限于紅、綠和藍的組合。反射不同顏色光組分的任何想要的膜的組合可考慮膜的性質而確定。
在上面討論的第一種個實施方案中，第一個二向色性膜(在實施方案中的藍反射膜)被形成在短直角棱鏡的直角面上，該面與長直角棱鏡的直角面粘連形成棱鏡對。然而，第一個二向色性膜可在長直角棱鏡的直角面上形成。實施方案的制造方法可用于柱狀、非直角棱鏡。在這種情況下，四個柱狀、非直角棱鏡鏡相互粘合形成光選擇棱鏡，為了使柱狀棱鏡通過側面緊密地粘連被相互結合，最好是各個柱狀棱鏡具有三角形狀。
在上面討論的第一種實施方案中，構成棱鏡系統的四個直角棱鏡包含兩個在縱向有相同長度的長直角棱鏡和兩個在縱向有相同長度的短直角棱鏡。然而，相同長度并不是主要的。這里所需要的只是短直角棱鏡的長度比長直角棱鏡的長度小。更具體地說，當兩個短直角棱鏡被相互粘連并容納在第二種裝配夾具520的長方形孔522c(見圖7)中時，兩個短直角棱鏡在縱向的長度都小于第二種裝配夾具520的長方形孔522c的寬度W3。理想的是長直角棱鏡具有能使它緊貼住基準面部分522a的上表面的長度。這種布局能使第一個二向色性膜(在實施方案中的藍反射膜)分別在高度角地位于同一平面的兩對棱鏡上形成。
上述實施方案涉及本發明被應用于透射型投影顯示儀的情況。然而，本發明的原理也也可應用于反射型投影顯示儀。在這里‘透射型’意指光調制器，如液晶光閥，透射光，而‘反射型’意指光調制器反射光。在反射型投影顯示儀器，二向色性棱鏡不僅用作顏色分離器把入射光分成三種顏色的光組分，紅，綠和藍，而且作為將被調制的三種顏色的光組分相互組合以沿特定的方向發射復合光束的光組合器。本發明對反射型投影顯示儀的應用可產生對透射型投影顯示儀同樣的效果。
在上述實施方案中，交叉二向色性棱鏡被用作光選擇棱鏡。然而，本發明的原理可應用在不同于交叉二向色性棱鏡的各種各樣的光選擇棱鏡。作為實例，本發明可應用于包含具有偏振選擇性的偏振分離膜作為兩個光選擇膜的光選擇棱鏡。本發明也可應用于光選擇膜，它包含對于顏色光組分和偏振兩者有不同光學選擇性的兩種不同類型的光選擇膜。
在上述實施方案中，液晶光閥(液晶片)在投影顯示儀中被用作光調制器。然而，其他元件也可用作光調制器。例如，數字微鏡設備(TI公司商標)可用作光調制器。按照影象信號將入射光調制成代表影象光束的種種元件都能被用作光調制器。
應清楚地理解上述實施方案僅僅是說明性的而不在任何意義上是限制性的。本發明的范圍和精神只受附加的權利要求的條款所限制。
權利要求
1．具有兩種不同類型光選擇膜基本上按X形交叉的光選擇棱鏡，該光選擇棱鏡包括四個柱狀棱鏡，在其相應的側面上被相互粘連；以及沿著四個柱狀棱鏡的側面形成的兩個光選擇膜，基本上按X形交叉，其中兩個光選擇膜之一是連續形成的，在兩個光選擇膜的交點處無間隔。
2．按照權利要求1的光選擇棱鏡，其中兩個光選擇膜之一是在曲面上連續形成的。
3．通過將四個柱狀棱鏡在其各自的側面上相互粘連制造光選擇棱鏡的方法，該方法包括步驟(A)制備兩對棱鏡，通過(ⅰ)備置兩組兩個柱狀棱鏡，每個棱鏡具有兩個連接側面，(ⅱ)在每組兩個柱狀棱鏡的四個連接側面之一上形成第一個光選擇膜，以及(ⅲ)跨越第一個光選擇膜將每組的兩個柱狀棱鏡相互粘合；(B)均勻拋光兩對棱鏡的連接面，跨越連接面兩對棱鏡被相互粘連；(C)兩對棱鏡中被選定之一的平坦的連接面上形成第二個光選擇膜，第二個光選擇膜連續跨越在所選定的一對中兩個柱狀棱鏡的連接面；以及(D)將兩對棱鏡相互粘連，以便獲得棱鏡系統。
4．按照權利要求3的方法，其中每組兩個柱狀棱鏡是一個較長的柱狀棱鏡和一個較短的柱狀棱鏡的組合，而且每對棱鏡按這樣的方式制備以使較長的柱狀棱鏡的一個側面與較短的柱狀棱鏡接觸并粘合，而且在長棱鏡的側面的兩個縱向端處有露出的部分，以及其中，在步驟(D)中，兩對棱鏡都按這種方式被相互粘連，以使每對棱鏡的露出部分都與預定的共同基準面接觸。
5．照權利要求3的任何一個的方法，該方法進一步包括步驟從步驟(D)中獲得的棱鏡系統切下光選擇棱鏡。
6．按照權利要求3的方法，其中步驟(B)包括至少將在步驟(C)中在其上形成第二種光選擇膜的連接面之一拋光為曲面的步驟。
7．按照權利要求3的方法，其中每對棱鏡的兩個柱狀棱鏡的連接側面至少被拋光。
8．照權利要求7的方法，該方法進一步包括步驟拋光在步驟(D)中所獲得棱鏡系統的外表面。
9．按照權利要求7的方法，該方法進一步包括步驟從步驟(D)中所獲得棱鏡系統切下小棱鏡。
10．按照權利要求9的方法，該方法進一步包括步驟拋光小棱鏡的外表面。
11．按照權利要求7的方法，其中每組兩個柱狀棱鏡是一個較長的柱狀一個較短的柱狀棱鏡的組合，而且每對棱鏡都按這種方式制備，以使與較短的柱狀棱鏡接觸并粘合的較長的柱狀棱鏡的一個側面具有在兩個縱向端露出的部分，以及其中，在步驟(D)中，兩對棱鏡鏡都按這樣的方式被相互粘連，以使每對棱鏡的露出部分都與預定的共同基準面接觸。
12．按照權利要求7的方法，其中步驟(B)包含至少將步驟(C)中在其上形成第二個光選擇膜的連接面之一拋光為曲面的步驟。
13．通過將四個柱狀棱鏡在其各自側面上將它們相互粘連的光選擇棱鏡的制造方法，該方法包括步驟(A)備置具有頂端面和底端面被拋光的平板玻璃塊；(B)在平板玻璃的頂端面和底端面之一形成第一個光選擇膜；(C)切割在其上形成第一個光選擇膜的平板玻璃板以獲得四個柱狀棱鏡，其中兩個柱狀棱鏡具有在上形成第一個光選擇膜的面，而兩個柱狀棱鏡沒有在上形成第一個光選擇膜的面；(D)將具有第一個光選擇膜的兩個柱狀棱鏡中的各自一個與沒有第一個光選擇膜的剩余的兩個柱狀棱鏡中的各自一個跨越第一個光選擇膜粘連來制備兩對棱鏡；(E)均勻拋光兩對棱鏡的連接面，跨越連接面的兩對棱鏡都被相互粘連；(F)在兩對棱鏡中選定之一的平坦的連接面上形成第二個光選擇膜，第二個光選擇膜連續跨越所選定一對中兩個柱狀棱鏡的連接面；以及(G)將兩對棱鏡相互粘連，以便獲得棱鏡系統。
14．按照權利要求13的方法，該方法進一步包括步驟將步驟(G)中所得棱鏡系統的外表面拋光。
15．按照權利要求13的方法，該方法進一步包括步驟從步驟(G)中獲得的棱鏡系統切下小棱鏡。
16．按照權利要求15的方法，該方法進一步包括步驟拋光小棱鏡的外表面。
17．按照權利要求13的方法，其中每組兩個柱狀棱鏡是一個較長的柱狀棱鏡和一個較短的柱狀棱鏡的組合，而每對棱鏡按這樣的方式被制備，以使與較短的柱狀棱鏡接觸并粘合的較長的柱狀棱鏡的一個側面具有在兩個縱向端露出的部分，以及其中，在步驟(G)中兩對棱鏡都按這樣的方式被相互粘連，以使每對棱鏡的露出部分都與預定的共同基準面接觸。
18．按照權利要求13的方法，其中步驟(E)包含至少將步驟(F)中在其上形成第二個光選擇膜的連接面之一拋光為曲面的步驟。
19．投射和顯示影象的投影顯示儀，該投影顯示儀包括發射照明光的照明系統；將照明光分為三色光組分的顏色分離器；根據依次給定的影象信號，分別調制三色光組分的三色光調制器；將三色光調制器調制的三色光組分組合成復合光束的交叉二向色性棱鏡；以及投射被交叉二向色性棱鏡所組合復合光束的投射光學系統；交叉二向色性棱鏡包括在其各自側面上被相互粘連的四個柱狀棱鏡；以及沿著四個柱狀棱鏡鏡的側面形成的，基本上按X形交叉的兩個二向色性膜；其中兩個二向色性膜之一是連續形成的，在兩種二向色性膜的交點處無間隔。
20．按照權利要求19的投影顯示儀，其中二向色性膜被連續地形成在曲面上。
全文摘要
紅反射膜和藍反射膜基本上按X形在四個柱狀棱鏡或直角棱鏡的各自側面所確定的連接面上被形成。紅反射膜是在連續形成的,不在兩種反射膜的交點處被隔開。另一方面,藍反射膜被紅反射膜和粘合劑分成兩部分。最好四個柱狀棱鏡從一塊平板玻璃獲得。這種布局保證最后得到的光選擇棱鏡在性能上的改善。
文檔編號G02B27/14GK1236113SQ9910485
公開日1999年11月24日 申請日期1999年4月8日 優先權日1998年4月8日
發明者橋爪俊明, 村田雅巳 申請人:精工愛普生株式會社