分色棱镜组 【技术领域】
本发明涉及一种分色棱镜组，该分色棱镜组应用于例如电视摄影机(TVcamera)或彩色投影显示器(color projection display)中的一彩色投影系统。
背景技术
图7为一示意图，显示一现有光学系统中，用以将入射光分出红(R)、蓝(B)及绿(G)三原色的飞利浦棱镜组(Philips prism assembly)100。如图7所示，棱镜组100包括三个棱镜102、104及106，及镀有双色滤光层的分色表面108及110，棱镜102与104彼此间隔一气隙(air gap)114。当入射光I进入棱镜组100后，分色表面110滤出并反射红光IR，而蓝光IB及绿光IG则可穿透表面110，被反射的红光IR再经由棱镜102的一内表面反射后进入液晶光阀(liquid crystal light valve；LCLV)112R。接着，已滤出红光IR的入射光I通过气隙114后入射至分色表面108，分色表面108可滤出并反射蓝光IB且让绿光IG通过，因此绿光IG直接穿透分色表面110后进入液晶光阀112G，蓝光IB由分色表面108反射后，通过气隙114与棱镜界面发生的全反射而可反射进入液晶光阀112B。
上述的设计虽能缩小棱镜组体积，且获得光束能以较小的入射角入射至分色表面的效果，然而，在该设计中红光IR及蓝光IB色彩分量需分别经两次反射才能抵达液晶光阀112R及112B，且蓝光IB及绿光IG在分光前需先斜向穿透气隙114，如此在不同维度上的光程会产生差异而降低成像精确度。再者，该设计会导致背焦(back focal length)过长的问题。
图8为一示意图，其显示一包括用以将入射光分出红、蓝及绿三原色的X棱镜组(cross dichroic prism)的彩色投影系统200。在该系统中，入射光I的S态分量及P态分量分别由偏极分光镜(polarized beam splitter；PBS)202a及202b反射后进入X棱镜组204，X棱镜组204内具有交叉配置的双色分光镜204a、204b、204c及204d，双色分光镜204a及204d用以滤出并反射蓝光分量，而双色分光镜204b及204c用以滤出并反射红光分量，使红光(RS)、绿光(GS)及蓝光(BS)被导向各自对应的液晶光阀208R、208G及208B，液晶光阀调制并反射各个色彩分量，使各个色彩分量再反向结合后进入投影透镜206中。
然而，该系统虽能达到缩短背焦并避免上述棱镜组100的缺点的效果，但依该设计光束入射至分色表面时会具有一极大的入射角(＝45deg)。当入射至分色表面的入射角过大时，通过双色分光镜的偏振光谱会漂移而影响分光后的色彩纯度，降低棱镜组的整体分光效能。
【发明内容】
因此，本发明的目的在提供一种分色棱镜组，其能同时避免上述现有棱镜组设计所导致地问题。
依本发明设计，一种分色棱镜组包括一第一棱镜区块及一第二棱镜区块。第一棱镜区块相邻的两边界面分别形成有对应特定色彩频带的双色滤光镜，且第二棱镜区块经由贴覆双色滤光镜与第一棱镜区块紧密结合。第二棱镜区块配置使入射至双色滤光镜的光束其入射角都被限制为不大于30度，且配置使经双色滤光镜分光后的各个色彩分量在分色棱镜组中的光程彼此相等且以垂直方向行经各个穿透面。
通过本发明的设计，不仅可达成减少各个色彩分量光程以缩短背焦的效果，同时可确保入射至双色滤光镜的入射角限制在30度内而提高分光后的色彩纯度。再者，依本发明的设计，棱镜组内因不具气隙而可有效减少光束斜向通过空气间隙的次数，且该设计同时可减少光束在分色棱镜组中被棱镜面反射的次数，如此可获得提高成像准确度的效果。
【附图说明】
图1A为一示意图，其显示依本发明的一实施例的分色棱镜组；
图1B显示本发明棱镜组件的立体图，以清楚显示本发明采用的各种棱柱其立体型态；
图2为一示意图，其显示依图1的棱镜组架构下一较佳的棱镜角度配置例；
图3为一示意图，其显示依本发明另一实施例的分色棱镜组。
图4为一示意图，其显示依图3的棱镜组架构下一较佳确棱镜角度配置例；
图5及图6为基于图3的棱镜组架构的一变化例，以提供将入射角减少至小于30度的棱镜组设计；
图7为一示意图，其显示一现有光学系统中，用以将入射光分出红、蓝及绿三原色的飞利浦棱镜组；
图8为一示意图，其显示一包括用以将入射光分出红、蓝及绿三原色的X棱镜组的彩色投影系统。
【具体实施方式】
图1A为一平面示意图，其显示依本发明一实施例的分色棱镜组10。分色棱镜组10用以将入射的白光(white light)分离为三种不同的色彩分量，例如图上显示依序分离的红光IR及蓝光IB、绿光IG三原色(primary color)。
依本实施例，分色棱镜组10由两棱镜区块12及14所构成。棱镜区块12呈一四棱柱(quadrangular prism)外型，其可利用一个三棱柱(triangularprism)16与直角棱镜(rectangular prism)18组合而成。图1B为显示上述三棱柱(a)、直角棱镜(b)、四棱柱(c)组件的立体图，以清楚显示本发明采用的各种棱柱其立体型态。如图1B所示，本发明的“三棱柱”定义为具有一对平行的水平面及与该水平面垂直的三个铅直侧面界定而成的立体型态，同理在本文中出现的“四棱柱”或“五棱柱”等等的型态也同样为具有一对平行的水平面而仅铅直侧面的数目变化为四个或五个，于此类推。再者，如图1B所标示，依本发明的设计入射光I由棱柱的铅直侧面进入分色棱镜组中。
如图1A的平面示意图所示，三棱柱16其夹一θ角的二相邻表面，分别镀有可滤出特定色彩频带的干涉薄膜，以分别形成双色滤光镜24及双色滤光镜26，且直角棱镜18以其斜面贴覆三棱柱16未形成有双色滤光镜的底面。
本发明一开始将双色滤光镜24及26形成于三棱柱16的二相邻表面的设计，可以缩短红光IR、蓝光IB及绿光IG各个色彩分量在分色棱镜组内的光程，同时便于调整光束入射至双色滤光镜所在平面的入射角度。
棱镜区块14可由一直角棱镜20及一五棱柱(pentagonal prism)22组合而成。直角棱镜20与五棱柱22分别以其一表面贴覆形成有双色滤光镜24及双色滤光镜26的三棱柱16两相邻表面，使棱镜区块14与棱镜区块12能完全紧密贴合，且棱镜区块14可采胶合(cementation)方式固定于棱镜区块12上，使整体构成一类似切割后的钻石(cut-diamond)的六棱柱(hexahedronprism)。
如图1所示，当入射光I首先以δ1入射角进入双色滤光镜24的P点时，双色滤光镜24可滤出并反射红光分量IR，同时让其余色彩分量通过。通过棱镜区块14的配置，直角棱镜20的斜面28可提供作为相对红光分量IR的一反射面，使在P点反射的红光分量IR可于斜面28的P′点再次反射后，垂直穿透直角棱镜20的另一表面30射出。接着，滤出红光分量IR的入射光I继续前进并以δ2入射角进入双色滤光镜26，此时双色滤光镜26可滤出并反射蓝光分量IB并让绿光分量IG通过。通过棱镜区块14的配置，五棱柱22设置有一棱镜面32作为绿光分量IG垂直出射的光穿透面，而蓝光分量IB被双色滤光镜26反射后穿越棱镜区块12，通过直角棱镜18的配置，蓝光分量IB会以垂直直角棱镜18的一表面34的方式射出。通过上述各个棱镜区块的配置，可使分光后的各个色彩分量的光程维持一致，且光束可以垂直方向行经棱镜组10的各个穿透面。
一般而言，干涉薄膜的分光效果容易受入射于其上的光线入射角影响，当入射角过大时，通过双色分光镜的偏振光谱会漂移而影响分光后的色彩纯度，故入射至双色分光镜所在平面的入射角需等于或小于30度较佳。因此，三棱柱16的θ角取为60度较佳，使本发明的棱镜区块设计易于将入射至双色分光镜的入射角限制至30度内。
图2为一示意图，其显示依本实施例的棱镜组架构下一较佳的棱镜角度配置例。本实施例可设计为棱镜组10的棱镜区块都由一相同的子棱镜组合而成，而该子棱镜取为一斜面与两邻面的夹角分别为30度及60度的直角棱镜。如图2所示，棱镜区块14的直角棱镜20可由三个相同的子棱镜20a、20b及20c组合而成，而五棱柱22可由四个相同的子棱镜22a、22b、22c及22d组合而成。三棱柱16可由相同的子棱镜16a、16b组合而成并构成一θ角为60度的正三棱柱，且其中子棱镜16a、16b的斜面上分别形成有双色滤光镜。直角棱镜18同样采一斜面与两邻面的夹角分别为30度及60度的相同棱镜，其斜面贴合子棱镜16a、16b的底面。通过此一子棱镜组合的角度设计架构，本实施例的棱镜组不仅可达成减少各个色彩分量光程以缩短背焦的效果，同时可确保入射至双色滤光镜的入射角δ1、δ2限制在30度内而提高分离后的色彩纯度。再者，本实施例的棱镜组内因不具有气隙而可避免光束斜向通过空气间隙，且该设计同时可减少光束在分色棱镜组中被棱镜面反射的次数，如此都可获得提高成像准确度的效果。
图3为显示本发明另一实施例的示意图。如图3所示，分色棱镜组40由棱镜区块42及棱镜区块44所构成，且棱镜区块44可采胶合方式固定在棱镜区块42上。棱镜区块42为一两相邻表面分别形成有双色滤光镜50及双色滤光镜52的等腰三棱柱，而棱镜区块44由两直角棱镜46及48所构成。在此实施例中，棱镜区块42其形成有双色滤光镜的两相邻表面夹角β设计为分色棱镜组40的顶角α的两倍，例如当顶角α采用较佳的60度时，β角设计为120度。
依本实施例的设计，当入射光I首先入射至双色滤光镜50的Q点时，双色滤光镜50可滤出并反射红光分量IR，同时让其余色彩分量通过。通过棱镜区块44的配置，直角棱镜46的斜面54可提供作为相对红光分量IR的一反射面，使在Q点经反射的红光分量IR，可再在斜面54的Q′点反射后，垂直穿透直角棱镜46的另一表面射出。接着，本实施例设计使棱镜区块42的底面58形成为相对滤出红光分量IR后的入射光I的一反射面，故已滤出红光分量IR的入射光I在底面58的R点被反射后，入射至双色滤光镜52。此时双色滤光镜52可滤出并反射蓝光分量IB并让绿光分量IG通过。通过棱镜区块44的配置，直角棱镜48提供一表面56作为绿光分量IG垂直出射的光穿透面，而蓝光分量IB被双色滤光镜26反射后会穿越棱镜区块42且以垂直棱镜区块42的底面58的方式射出。通过上述棱镜区块的配置，同样可使分光后的各个色彩分量的光程维持一致，且光束可以垂直方向行经各个棱镜组的穿透面。
图4为一示意图，其显示依本实施例的棱镜组架构下一较佳的棱镜角度配置例。本实施例同样可设计为棱镜组40的棱镜区块皆由一相同的子棱镜组合而成，而该子棱镜同样取为一斜面与两邻面的夹角分别为30度及60度的直角棱镜。如图4所示，直角棱镜46可由子棱镜46a、46b及46c组合而成一斜面与两邻面的夹角分别为30度及60度的直角棱镜，棱镜区块42可由子棱镜42a、42b短边接合构成β角为120度的一等腰棱镜，且其中子棱镜42a及42b的斜面上分别形成有双色滤光镜，而直角棱镜48同样采用一斜面与两邻面的夹角分别为30度及60度的相同棱镜，各个子棱镜的组合可将棱镜区块42及44组合为一正三棱柱外形的棱镜组40。
相比较现有技术，本实施例的设计虽会增加一次反射数目(已滤出红光分量IR的入射光I于棱镜区块42底面58的反射)，但可获得进一步缩小分色棱镜组体积的效果。
当考虑干涉薄膜对入射角的敏感度后，为使分光后的色度尽量纯净而不致驳杂，即有尽量缩小入射至双色分光镜的入射角的需求。图5及图6为基于图3的棱镜组架构的一变化例，用以提供将入射角减少至小于30度的设计。
如图5所示，由图上的几何关系可看出，当其上形成有双色滤光镜52的棱镜区块42表面与其底面的夹角γ越增大时，可使光束入射至双色滤光镜52的入射角δ3越减少。因此，举例而言，在α角设计为60度情况下，当γ角增大为超过30度时，即可将入射至双色分光镜的入射角δ3减少至30度以下。因此，仅需改变棱镜区块42的外形将其γ角增大即可达到将入射角δ3减少至30度以下的效果。
然而，因此时棱镜区块42的外形改变，故需另设置一棱镜区块62以补足蓝光分量IB的光程，使其仍与其它色彩分量的光程保持相等。在此棱镜区块采一直角棱镜较佳，以利于提供蓝光分量IB一垂直穿透面。棱镜区块62仅需与棱镜区块42间隔一气隙64配置，其设置方法并不限定。例如可如图5所示将一直角棱镜以其斜面胶合固定于一透明基板66，再将该透明基板66与该棱镜区块42的底面间隔一气隙64配置，或如图6所示以一黏着物68直接将直角棱镜斜面的一端部胶合于棱镜区块44的部分表面，并使其斜面除该胶合的部分外仍与棱镜区块42间隔一气隙64。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于所附的权利要求中。