全内反射棱镜的制作方法
专利摘要:本发明涉及一种使用反射型元件制成的光学系统,本发明的全内反射棱镜由以下三个部分构成:按由光源形成的照明光的入射临界角进行透过或/及全反射的斜面部;出射已通过上述斜面部的第1照明光,照射到外部反射型面板上,同时把通过上述反射型面板调整反射光的方向或者光的强度进行反射的第2照明光入射到上述斜面部的第1面;把在上述斜面部进行全反射的第2照明光出射到成像系统的第2面。使用本发明全内反射棱镜的所有照明及成像系统有效率提高和价格低廉的效果。
专利说明:全内反射棱镜
技术领域
本发明涉及一种使用反射型元件制成的光学系统,特别涉及一种在同一空间内分离光的全内反射(TIR:Total-Internal-Reflection)棱镜。
背景技术
通常用于将光能(optical-energy)投影到银幕上的装置-空间光调制器(spatial-light-modulator)可应用于光通信、影像处理及信息显示装置等诸多领域。一般来说,这种装置按照将光能显示在银幕上的方法可分为:直视型影像显示装置(direct-view-image-displaydevice)和投射型影像显示装置(projection-type-image-displaydevice)。
例如,阴极射线管(CRT:Cathode-Ray-Tube)就是直视型影像显示装置,这种阴极射线管装置被称作布劳恩管,虽然画质好,但问题在于其重量和体积变大。
另外,例如液晶显示装置(Liquid-Crystal-Display:LCD)、可变形反射装置(DMD:Deformable-Mirror-Device)、AMA(ActuatedMirror-Array)就是投射型影像显示装置,这种投射型影像显示装置还可以按照它们的光学特性分为:可透射空间光调制器(transmissivespatial-light-modulators)和反射空间光调制器(Reflective-SpatialLight-Modulators)。
例如,LCD可分类为可透射空间光调制器,DMD及AMA可分类为反射空间光调制器。
另外,现有硅基液晶(LCOS)投影系统利用偏振分光器(polarizingbeam-splitter),过滤掉黑色状态的光。利用DMD制成的投影系统由于利用的是微反射镜,所以为取得对比效果,使用全内反射(TIR)。
使用上述全内反射的光学系统的现有技术来自美国专利第4,969,730号、美国专利第5,552,922号、美国专利第5,604,624号、美国专利第5,309,188号等许多专利申请。
美国专利第4,969,730号的构成是,用于透过/反射的介质具有互不相同的折射率。它作为最近谋求低价格的趋势,当使用同一材质时可减少费用支出。
但是,当在光径路上使用楔形棱镜时,会出现这样的问题:对称结构被破坏,光程差(Optical-Path-Difference)改变导致倾斜(tilt)及色差产生,轴向对称(rotational-symmetric)被破坏。
同时,美国专利第5,552,922号对美国专利第4,969,730号进行了改进,显示屏的共有平面(common-plane)和透镜的主平面(principal-plane)限于平行(parallel)的结构,近来的发展趋势是按照光学系统的配置也可成90度。
美国专利第5,604,624的结构特点是由相近两面形成的一对(pairs)由两个组成,它是上述美国专利第5,552,922号分立出来的专利申请。该专利使用的设备能使不用的光无法抵达透镜端,通过再追加一个一对棱镜,就可解决上述美国专利第4,969,730号存在的问题。但是,上述构成是目前设计里不使用的毫无必要的构成,这是因为目前设计的光学系统是按不使不用的光通过棱镜进入透镜来进行设计的。
美国专利第5,309,188号的结构由直角棱镜和楔形棱镜组成,直角棱镜的2面上分别设置有直角值和投射透镜,但具有如此构成的棱镜由于斜面成45度,所以用具有任意折射率的棱镜无法在同一空间内反射或透过光。
发明内容
本发明就是为解决上述问题,目的在于提供在同一空间内利用光学系统的全反射仅改变入射及出射的方向就可实现空间控制及低价格的全内反射棱镜。
本发明的第二目的在于提供即使不具备棱镜不同的介质,也能够不打破对称结构,且可解决倾斜和色差产生以及轴向对称被破坏的问题这一全内反射棱镜。
本发明的第三目的在于提供透镜和面板不平行且可提高光的反射及透过效率的全内反射棱镜。
本发明的第四目的在于提供即使光源发出的光入射到棱镜的45度斜面也能在同一空间内反射及透过光,以提高光的反射及透过效率的全内反射棱镜。
为实现上述目的本发明的全内反射棱镜包括以下三个部分:按由光源形成的照明光的入射临界角进行透过或/及全反射的斜面部;出射已通过上述斜面部的第1照明光,照射到外部反射型面板上,同时把通过上述反射型面板调整反射光的方向或者光的强度进行反射的第2照明光入射到上述斜面部的第1面;把在上述斜面部进行全反射的第2照明光出射到成像系统的第2面。
此时,上述斜面部最好是:第1及第2照明光的入射临界角小于41.25度透过,大于41.25则进行全反射。
而且上述全内反射棱镜的折射率最好是1.51至1.52之间的值。
另外,通过上述斜面部的第1照明光入射到反射型面板上的临界角最好为24度至26度。
为实现上述目的,本发明的全内反射棱镜的另一特点是由以下四个部分组成:接收由光源形成的照明光,调整光程差进行出射的第1棱镜;在从上述第1棱镜出射后,根据通过空气层的照明光的临界角进行透过或/及全反射的斜面部;出射已透过上述斜面部的第1照明光,照射到外部反射型面板上,同时把通过上述反射型面板调整反射光的方向或者光的强度进行反射的第2照明光入射到上述斜面部的第1面;把在上述斜面部进行全反射的第2照明光出射到成像系统的第2面,形成这个第2面的第2棱镜。
此时,上述第1棱镜及第2棱镜最好由折射率相同的材质构成。
而且,入射到上述第1棱镜的照明光或者经由与光轴的垂直角度成规定角度倾斜的照明系统或者光学系统透镜进行入射,或者入射到上述第1棱镜的照明光经由与光轴成规定距离上下移动的照明系统或者光学系统透镜进行入射。
本项发明的其它目的、特性及优点通过参照附图的实施例说明就可一目了然。
综上所述,使用本项发明全内反射棱镜的所有照明及成像系统有效率提高和价格低廉的效果。
第1,在同一空间内利用光学系统的全反射可改变入射及出射的方向,进而可使全内反射棱镜实现空间控制和低价格。
第2,使用由一个介质制成的棱镜,可使对称结构不被打破,且可解决倾斜及色差产生及轴向对称被打破的问题。
第3,即使透镜和面板不平行也能提高光的反射及透过效率。
第4,即使光源的光入射到棱镜的45度斜面,也能在同一空间内反射或者透过光,从而提高光的反射及透过效率。
第5,通过投射透镜显示在银幕上的影像不经由空气层,从而能够防止因空气层的公差而导致梯形失真(keystone)。
第6,通过调整照明系统或者照明系统的一部分透镜能够防止入射到反射型面板上的照明光产生变形,从而能够防止光效率低下的问题。
第7,适用于使用全内反射的所有照明及成像系统,能够起到效率提高及价格低廉的效果。
附图说明
图1是本发明反映全内反射棱镜原理的第1实施例。
图2是普通两物质的折射率及据此反射的光的临界角示意图。
图3是本发明反映全内反射棱镜原理的第2实施例。
图4是本发明反映全内反射棱镜原理的第3实施例。
图5a到图5c是照明光影像示意图。
图6a、6b是本发明从光源出射的照明系统及光学系统透镜的变化示意图。
*附图主要部分符号说明*10:全内反射棱镜的第1面-----20:全内反射棱镜的斜面部30:全内反射棱镜的第2面-----40:反射型面板50a、50b:入射的照明光------60a、60b:反射的照明光70:空气层------------------80:投射透镜90:直角棱镜----------------100:楔形棱镜110:照明系统或光学系统-----120:损失的照明光具体实施方式下面参照附图对本发明的全内反射棱镜的实施例进行说明。
图1是本发明反映全内反射棱镜原理的第1实施例。此时所使用的全内反射棱镜是直角棱镜。
如图1所示,由灯(未图示)等光源形成的照明光50a倾斜入射到全内反射棱镜的斜面部20进行折射,该折射的照明光再次出射到全内反射棱镜90的第1面10进行折射。然后,该出射的照明光50b将照射到反射型面板40上。
此时,上述反射型面板40将根据影像信号调整照射的反射光的方向或者光的强度进行反射。
而且,在上述反射型面板40上进行反射的照明光60b再次入射到全内反射棱镜的第1面10进行折射,该折射的照明光60b在全内反射棱镜的斜面部20上进行全反射,这个已进行全反射的投射光线60a通过全内反射棱镜的第2面30出射到投射透镜80上。
此时,上述全内反射棱镜的斜面部20同时进行透过及反射,它按入射光及出射光的入射角控制透过及全反射。
即,全内反射棱镜的透过及反射的原理如数学式1。
sinα0=n2n1]]>此时,α0如图2所示根据两物质的折射率而定,这两物质的折射率n1,n2具备n1>n2的条件。
例如,n1是指空气,当n2的材质是BK7时,n1=1.51680,n2=1.0,临界角α0=41.25°。而且以小于该临界角的角度入射的光透过,而以大于该临射角的角度入射的光则进行全反射。
利用它可实现这样的控制:从光源出射的照明光50a通过全内反射棱镜的斜面部20入射到反射型面板40上,在上述反射型面板40上反射的反射光线60b在全内反射棱镜的斜面部20进行全反射。
因此,透过时,通过调整使与直角棱镜形成的入射临界角α0小于41.25度。全反射时,通过调整使与直角棱镜形成的入射临界角α0大于41.25度。
此时,比如本发明的实施例,它所使用的全内反射棱镜是用TI公司的DMD材质制成的直角棱镜,在这种情况下,棱镜斜面的斜度为45度,必须通过调整使从光源入射的照明光50a以与斜面部±12度的角度入射。
因此,为了使入射的照明光50a在斜面部20透过,对入射光线50a,必须通过调整使斜面部20与照明光50a的临界角最高为24度至26度;对在反射型面板40反射的反射光线60b,为了在斜面部20上进行全反射,必须通过调整使反射的照明光60b和斜面部20的临界角最小为41.25度以上。
另外,在这样调整临界角的同时,上述所使用的全内反射棱镜90的材质必须由具有折射率为1.51至1.52以内值的物质制成。
图3是本发明反映全内反射棱镜原理的第2实施例,这时所使用的全内反射棱镜是楔形棱镜100。
如图3所示,上述全内反射棱镜是由2个棱镜100a、100b构成的结构,是为了使照射到反射型面板40上的照明光保持对称,即为调整好光程差使用楔形棱镜。
此时,虽然为调整好光程差可以用折射率不同的材质(直角棱镜和楔形棱镜)构成上述全内反射棱镜,但本发明基于制作及价格方面的考虑而是使用同一材质,另外这两个棱镜100a、100b追加一定间隔的空气层必不可少。
但是,如上所述,当使用楔形棱镜100时,为调整好光程差会因设置在上述两个棱镜100a、100b之间的空气层70而产生梯形失真(keystone)。
从现有专利看,其结构可使从光源入射到反射型面板的照明光不通过空气层而是在第1棱镜的斜面部实现全反射。而且,在上述反射型面板上反射的照明光将通过第1棱镜、空气层、第2棱镜出射到成像系统端。因此,通过投射透镜显示在银幕上的影像因空气层的公差而产生梯形失真。
即,图5a是最初入射端影像示意图。当照明光入射时,其影像是正四角形而非梯形,如果该影像通过空气层的话,那么会因空气层的公差而产生梯形失真,从而使如图5b那样的梯形影像显示在银幕上。
本发明为解决上述问题,通过设置使入射到反射型面板40的照明光依次通过第1棱镜100b、空气层70、第2棱镜100a,使在上述反射型面板40上反射形成的照明光不通过该空气层而在第2棱镜100a的斜面部完成全反射,然后出射到成像系统。
由于通过上述投射透镜80显示在银幕(未图示)上的影像未通过空气层70,所以能够防止因该空气层的公差造成梯形失真,因此无需设置用于补正它的额外装置,这样可生产出低价格的全内反射棱镜。
但是,虽然在这种情况下能够遏制通过上述投射透镜80显示在银幕上的影像产生梯形失真,但依次通过第1棱镜100b、空气层70、第2棱镜100a,入射到上述反射型面板40的照明光50由于通过该空气层70,所以在该反射型面板40上形成的影像将产生梯形失真。
此时,在上述反射型面板40上形成的影像因产生如图5b那样的梯形失真而形成梯形影像进行照射,该梯形影像的一部分120将会照射反射型面板以外的区域120。
而且,仅照射到上述反射形面板40上的照明光进行反射,仅对正四角形形态的反射光线60通过第2棱镜100a进行全反射,然后显示在银幕上,因此显示在银幕上的影像将能完全消除变形。
但是,在这种情况下,因照明光在上述反射型面板上有所损失,所以显示在银幕上的影像的光效率极其低下。
图4就是解决这一问题的实施例。
图4是本发明反映全内反射棱镜的第3实施例。
下面参照图4进行说明。如图3所示,楔形棱镜结构进一步显示了照明系统及光学系统透镜110,在这种情况下,因通常在光轴上照明系统或者光学系统透镜与全内反射棱镜设置一致,所以在这里不再进行详细说明。
通过调整上述设置在全内反射棱镜上端光轴上的上述照明系统或者光学系统透镜,能够解决图3所示的因光程差造成梯形失真,使入射到反射型面板40的照明光变形,从而导致光效率低下的问题。
即,通过调整使照明系统或者光学系统透镜110中至少一个以上(本发明指照明系统或者光学系统)倾斜或者偏轴,从而能够防止入射到反射型面板40上的照明光因梯形失真导致变形。
下面参照附图进行详细说明。通过调整使位于从光源出射的光的轴上的照明系统及光学系统透镜110如图6a所示不垂直于光轴,而成规定角度θ,以改变入射到上述第1棱镜的照明光,来补偿照射到反射型面板40上的变形影像。
而且,如图6b所示,通过调整使位于从光源出射的光的轴上的照明系统及光学系统透镜轴心具有规定距离r,以改变入射到上述第1棱镜的照明光,来补偿照射到反射型面板40上的歪影像。
此时,与上述照明系统及光学系统透镜110光轴形成的规定角度θ和规定距离r,随着光学系统透镜100和反射型面板40的种类不同而有很大的变化,因此难以限定该数值,但能够利用简单的数学式而轻而易举地计算出数值来进行相应调整。
如上所述,通过调整照明系统或者光学系统透镜110可防止照明光在反射型面板40上造成损失,进而可防止显示在银幕上的影像的光效率低下。
通过以上说明的内容,相关工作人员完全可以在不脱离本项发明的技术思想范围内,进行各种变更及修改。
因此,本项发明的技术范围不局限于实施例上所记载的内容,而必须根据专利申请范围而定。
权利要求:
1.一种全内反射棱镜,其特征在于,包括以下三个部分:按由光源形成的照明光的入射临界角进行透过或/及全反射的斜面部;出射已通过所述斜面部的第1照明光,照射到外部反射型面板上,同时把通过反射型面板调整反射光的方向或者光的强度进行反射的第2照明光入射到所述斜面部的第1面;把在所述斜面部进行全反射的第2照明光出射到成像系统的第2面。
2.如权利要求1所述的全内反射棱镜,其特征在于,所述斜面部是:第1及第2照明光的入射临界角小于41.25度透过,大于41.25则进行全反射。
3.如权利要求1所述的全内反射棱镜,其特征在于,所述全内反射棱镜的折射率是1.51至1.52之间的值。
4.如权利要求1所述的全内反射棱镜,其特征在于,通过所述斜面部的第1照明光入射到反射型面板上的临界角为24度至26度。
5.如权利要求1所述全内反射棱镜,其特征在于,所述全内反射棱镜是直角棱镜。
6.一种全内反射棱镜,其特征在于,由以下四个部分组成:接收由光源形成的照明光,调整光程差进行出射的第1棱镜;在从所述第1棱镜出射后,根据通过空气层的照明光的临界角进行透过或/及全反射的斜面部;出射已透过所述斜面部的第1照明光,照射到外部反射型面板上,同时把通过所述反射型面板调整反射光的方向或者光的强度进行反射的第2照明光入射到所述斜面部的第1面;把在所述斜面部进行全反射的第2照明光出射到成像系统的第2面,形成这个第2面的第2棱镜。
7.如权利要求6所述的全内反射棱镜,其特征在于,所述第1棱镜及第2棱镜由折射率相同的材质构成。
8.如权利要求6所述的全内反射棱镜,其特征在于,入射到所述第1棱镜的照明光经由与光轴的垂直角度成规定角度倾斜的照明系统或者光学系统透镜进行入射。
9.如权利要求6所述的全内反射棱镜,其特征在于,入射到所述第1棱镜的照明光经由与光轴成一定距离上下移动的照明系统或者光学系统透镜进行入射。
10.如权利要求6所述的全内反射棱镜,其特征在于,所述全内反射棱镜是楔形棱镜。
公开号:CN101000408
申请号:CN200610037697
发明人:文熙钟
拥有者:乐金电子(南京)等离子有限公司
申请日:2006-01-10
公开日:2007-07-18
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