CN1367396A - 光机系统的光路设计 - Google Patents

Abstract

一种光机系统的光路设计包括:一光源,一偏振转换器,一偏光分光镜,数个针对不同色光的二向色镜以及各色光的液晶面板。光源经由偏振转换器之后进入由偏光分光镜与二向色镜所组成的分光系统中,以将光源分成红、绿、蓝三原色,并在各色光路径上装置有数个针对不同色光的二向色镜或吸收式滤光镜以将杂光反射或吸收。各色光路径上更装置有对应的液晶面板,以将各色光依原光路径反射回偏光分光镜中合光,之后形成一出射光,再借由一投影物镜产生影像。

Description

光机系统的光路设计

本发明是有关于一种光路设计，且特别是有关于一种反射式液晶投影机的光路设计。

近年来的液晶显示元件已经渐渐的广泛应用于日常生活上，如液晶电视、手提电脑以及液晶投影机等。一般的液晶投影机投影系统中的光机系统可以分为离轴式(Offaxial)与轴上式(On line)的设计两种，所谓离轴式的设计系指其入射光源与出射光源不在同一水平面上，而轴上式的设计则指其入射光源与出射光源在同一水平面上。而目前液晶投影机的投影方式又可分为前投式与背投式两种，现今的液晶背投式投影机的设计多采用轴上式的设计。而在液晶投影机的领域内，投影品质与光机系统的重量、体积一直是被高度关注的话题。

首先请参照图1，其为传统的反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图。光机系统100中的光源102出射一白光，经过一滤光镜将光源102中的紫外光与红外光滤掉，再经过一偏振转换器(S-P Converter)后形成一S偏振的白光WS。白光WS经一反射面镜104反射至一二向色镜106(DichroicMirror，DM)，二向色镜106将白光WS分成一反射的蓝、绿混光(BS，GS)与一穿透的红光RS。其中，穿透红光RS借由一反射面镜108反射至一偏光分光镜110，再借由偏光分光镜110将S偏振的红光RS反射至红色液晶面板112上。而反射的蓝、绿混光(BS，GS)再经由一二向色镜114将蓝、绿混光(BS，GS)分成一反射的绿光GS和一穿透的蓝光BS。反射的绿光GS借由一偏光分光镜116将S偏振的绿光GS反射至绿色液晶面板118上，而穿透的蓝光BS借由一偏光分光镜120将S偏振的蓝光BS反射至蓝色液晶面板122上。最后再分别由红色液晶面板112、绿色液晶面板118、蓝色液晶面板122反射出P偏振的红光RP、绿光GP以及蓝光BP，经由一双向棱镜124(X-cube，Dichroic prism)合光后经由一投影物镜126(Projector Lens)投影至屏幕(未示出)上。

接着请参照图2，其为传统的另一种反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图。光机系统200中的光源202出射一白光，经一偏振转换器后形成一S偏振的白光WS。白光WS经过一光选择器(Color Selector)203之后会使白光WS中S偏振型态的绿光GS转换成P偏振型态的绿光GP，但不影响红光RS与蓝光BS的S偏振型态，使得穿过光选择器203之后的光由S偏振型态的红光RS、蓝光BS与P偏振型态的绿光GP所组成，白光WS进入一偏光分光镜204(Polarizing Beam Spliter，PBS)、一双向分光棱镜206以及一玻璃棱镜207(Glass Cube)以将红光R、绿光G、蓝光B分别投射至红色液晶面板208、绿色液晶面板210及蓝色液晶面板212上。最后再分别由红色液晶面板208、绿色液晶面板210、蓝色液晶面板212反射出红光R、绿光G以及蓝光B，依原先的光路径合光后经由一投影物镜投影至屏幕上。

然而，上述传统的反射式液晶投影机中的光路设计借由二向色镜(DM)和偏光分光镜(PBS)将光源分为红、绿、蓝三原色，各色光仍然含有其他色彩的杂光，这些杂光并不受控于液晶面板会导致各光路的热问题，促使液晶面板在暗态(Dark State)时出现较强的杂光影响对比，而在亮态(Bright State)时出现色度不纯，甚至因热问题影响光学元件的穿透率。

此外，传统的图1中的光路设计中，使用了三个偏光分光镜与一个双向棱镜(X-Cube)，总共使用了四个棱镜。而在图2中的光路设计中，共使用了一个偏光分光镜(PBS)、一个双向分光棱镜及一个玻璃棱镜(Glass Cube)，总共使用了三个棱镜。因此就整个光机系统而言，当使用到三至四个棱镜时不但重量会很重，且价格上也会较为昂贵。

因此，本发明的目的在提出一种光机系统的光路设计，利用二向色镜搭配偏光分光镜作为分光系统，以将光机系统中的杂光反射出光机系统之外，进而改善各光路的热问题。

本发明的另一目的在提出一种光机系统的光路设计，利用二向色镜搭配偏光分光镜作为分光系统，以降低光机系统的价格与重量。

为达本发明的上述目的，提出一种光机系统的光路设计为将一光源经过一偏振转换器使得光源成为S偏振型态，再经由一光选择器以将该光源中的绿光转换成P偏振型态(GP)，而红光、蓝光仍为S偏振型态(RS，BS)。接着绿光GP、红光RS及蓝光BS经由一偏光分光镜，以使该绿光GP穿透而红光RS、蓝光BS反射。反射的红光RS、蓝光BS再经过一二向色镜，以将红光RS、蓝光BS分开。接着于绿光GP、红光RS、蓝光BS的光路径上装置数个吸收式滤光镜或二向色镜，以将各色光的杂光吸收或反射出光机系统外。接着经由各色液晶面板反射回来的绿光GS、红光RP、蓝光BP经由偏光分光器合光并借由一光选择器将S偏振型态的绿光GS转换成P偏振型态的绿光GP，最后绿光GP、红光RP、蓝光BP再经由投影物镜产生影像。

为达本发明的上述目的，提出一种光机系统的光路设计，其为将一光源经过一偏振转换器使得光源成为S偏振型态，再经由一偏光分光镜，以将光源反射至一二向色镜上，此二向色镜可使绿光GS反射，红光RS、蓝光BS穿透。之后，反射的绿光GS经过一二向色镜以将杂光反射出系统外，而穿透的红光RS、蓝光BS再以一二向色镜将红光RS、蓝光BS分出。接着由各色液晶面板反射回来的绿光GP、红光RP、蓝光BP经由偏光分光器合光之后再借由投影物镜产生影像。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图的简单说明：

图1为传统的反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图；

图2为传统的另一种反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图；

图3为依照本发明第一实施例反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图；

图4为依照本发明第二实施例反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图；

图5为依照本发明第三实施例反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图；以及

图6为依照本发明第四实施例反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图。

标号的简单说明：

100、200、600：光机系统

102、202、602：光源

104、108：反射面镜

106、114：二向色镜

110、116、120、204、604：偏光分光镜

112、208、608：红色液晶面板

118、210、610：绿色液晶面板

122、212、612：蓝色液晶面板

124：双向棱镜

206、606：双向分光棱镜

207：玻璃棱镜

300、400、500：光机系统

302、402、502：光源

203、303、403、603、320、420：光选择器

304、404、504：偏光分光镜

306、308、312、316、406、408、412、416、506、508、512：二向色镜

309、313、316、509：杂光

310、410、510：绿色液晶面板

314、414、514：红色液晶面板

318、418、516：蓝色液晶面板

607：双向分光棱镜

请参照图3，其为依照本发明第一实施例的反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图。光机系统300中的光源302出射一白光，经过一滤光镜(未示出)以将光源302中的紫外光与红外光滤掉，再经过一偏振转换器(S-P Converter)后形成一S偏振的白光WS。白光WS经过一光选择器(ColorSelector)303之后会使白光WS中S偏振型态的绿光GS转换成P偏振型态的绿光GP，但不影响红光RS与蓝光BS的S偏振型态，使得穿过光选择器303之后的光由S偏振型态的红光RS、蓝光BS与P偏振型态的绿光GP所组成。

同样请参照图3，经过光选择器303之后的红光RS、蓝光BS与绿光GP，再经过一偏光分光镜304以使红光RS及蓝光BS反射，而使绿光GP穿透。其中，穿透后的绿光GP会经过一二向色镜308，以将绿光GP中的杂光309以射出光机系统300之外，而穿透二向色镜308之后的绿光GP会到达一绿色液晶面板310上。而由偏光分光镜304反射出的红光RS及蓝光BS会经过一二向色镜306，以使红光RS穿透、蓝光BS反射。穿透的红光RS会经过一二向色镜312，以将红光RS中的杂光313反射出光机系统300之外，而穿透二向色镜312之后的红光RS会到达一红色液晶面板314上。经由二向色镜306反射的蓝光BS会经过一二向色镜316，以将蓝光BS中的杂光317反射出光机系统300之外，而穿透二向色镜316之后的蓝光BS会到达一蓝色液晶面板318上。

最后，由红色液晶面板314、绿光液晶面板310及蓝色液晶面板318分别反射出偏振型态相反的红色RP、绿色GP及蓝色BP色光，并沿着原光路径回到偏光分光镜304中进行合光，之后再经过一光选择器320，形成皆为P偏振型态的红色RP、绿色GP及蓝色BP，并经由投影物镜(未示出)成像。

请参照图4，其为依照本发明第二实施例反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图。光机系统400中的光源402出射一白光，经过一滤光镜(未示出)以将光源402中的紫外光与红外光滤掉，再经过一偏振转换器后形成一S偏振的白光WS。白光WS经过一光选择器403之后会使白光WS中S偏振型态的绿光GS转换成P偏振型态的绿光GP，但不影响红光RS与蓝光BS的S偏振型态，使得穿过光选择器403之后的光由S偏振型态的红光RS、蓝光BS与P偏振型态的绿光GP所组成。

同样请参照图4，经过光选择器403之后的红光RS、蓝光BS与绿光GP，再经过一偏光分光镜404以使红光RS及蓝光BS反射，而使绿光GP穿透。其中，穿透后的绿光GP会经过一吸收式滤光镜408，以将绿光GP中的杂光吸收，而穿透吸收式滤光镜408之后的绿光GP会到达一绿色液晶面板410上。而由偏光分光镜404反射出的红光RS及蓝光BS会经过一二向色镜406，以使红光RS穿透、蓝光BS反射。穿透的红光RS会经过一吸收式滤光镜412，以将红光RS中的杂光吸收，而穿透吸收式滤光镜412之后的红光RS会到达一红色液晶面板414上。经由二向色镜406反射的蓝光BS会经过一吸收式滤光镜416，以将蓝光BS中的杂光吸收，而穿透吸收式滤光镜416之后的蓝光BS会到达一蓝色液晶面板418上。

最后，由红色液晶面板414、绿光液晶面板410及蓝色液晶面板418分别反射出偏振型态相反的红色RP、绿色GS及蓝色BP色光，并沿着原光路径回到偏光分光镜304中进行合光，之后再经过一光选择器420，形成皆为P偏振型态的红色RP、绿色GP及蓝色BP，并经由投影物镜(未示出)成像。

请参照图5，其为依照本发明第三实施例反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图。光机系统500中的光源502出射一白光，经过一滤光镜(未显示)以将光源502中的紫外光与红外光滤掉，再经过一偏振转换器后形成一S偏振的白光WS。白光WS经过一偏光分光镜504使白光WS中的红光RS、绿光GS及蓝光BS皆反射出偏光分光镜504，而反射出偏光分光镜504之后的红光RS、绿光GS及蓝光BS会经过一二向色镜506，以使红光RS与蓝光BS穿透，而绿光GS反射。

其中，反射的绿光GS会经过一二向色镜508，以将杂光509反射出光机系统500之外，最后到达一绿色液晶面板510上。而穿透的红光RS与蓝光BS会再经过一二向色镜512，以使红光RS穿透、蓝光BS反射。其中，穿透二向色镜512之后的红光RS会到达一红色液晶面板514上，而经由二向色镜512反射之后的蓝光BS会到达一蓝色液晶面板516上。

最后，由红色液晶面板514、绿光液晶面板510及蓝色液晶面板516分别反射出偏振型态相反的红色RP、绿色GP及蓝色BP色光，并沿着原光路径回到偏光分光镜304中进行合光，形成皆为P偏振型态的红色RP、绿色GP及蓝色BP。最后再经由投影物镜成像。

请参照图6，其为依照本发明第四实施例反射式液晶投影机中光机系统的光路设计示意图。光机系统600中的光源602出射一白光，经一偏振转换器后形成一S偏振的白光WS。白光WS经过一光选择器(Color Selector)603之后会使白光WS中S偏振型态的绿光GS转换成P偏振型态的绿光GP，但不影响红光RS与蓝光BS的S偏振型态，使得穿过光选择器603之后的光由S偏振型态的红光RS、蓝光BS与P偏振型态的绿光GP所组成。

白光WS进入一偏光分光镜604以将白光WS中的红光R与蓝光B反射、绿光G穿透。一双向分光棱镜606位于反射红光R与蓝光B的光路径上，再将蓝光B反射、红光R穿透，而一双向分光棱镜607(Dichroic Cube)则位于穿透绿光G的光路径上，以将绿光G中的杂光过滤掉。经过偏光分光镜604、双向分光棱镜606与双向分光棱镜607所分出的红光R、绿光G与蓝光B分别投射至红色液晶面板208、绿色液晶面板610及蓝色液晶面板612上。最后再分别由红色液晶面板608、绿色液晶面板610、蓝色液晶面板612反射出红光R、绿光G以及蓝光B，依原先的光路径回到偏光分光镜604中合光后，经由一投影物镜投影至屏幕上。

本实施例中将传统的图2中的玻璃棱镜207置换成双向分光棱镜607，以进一步达到将杂光反射出光机系统之外的目的。

综上所述，本发明至少具有下列优点：

1.本发明利用二向色镜搭配偏光分光镜作为分光系统，以将光机系统中的杂光反射出光机系统之外，进而改善各光路的热问题。

2.本发明利用多个二向色镜搭配一个偏光分光镜作为分光系统，仅利用到一个棱镜，因此可以降低光机系统中的重量与价格。

虽然本发明已以一较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何业内人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (14)

1.一种光路设计，适于应用在反射式液晶投影机的光机系统中，以将光源分成一第一原色光、一第二原色光及一第三原色光，该光路设计至少包括：

一第一光选择器，装置于该光源的光路径上，以将该光源中的该第一原色光的偏振型态转换；

一偏光分光镜，装置于该光选择器之后该光源的光路径上，以使该第一原色光穿透、该第二原色光与该第三原色光反射；

一第一二向色镜，装置于该偏光分光镜之后反射的该第二原色光与该第三原色光的光路径上，以使该第二原色光穿透，而反射该第三原色光；

一第二二向色镜，装置于该偏光分光镜之后该第一原色光的光路径上，以滤去杂光；

一第三二向色镜，装置于该第一二向色镜之后该第二原色光的光路径上，以滤去杂光；

一第四二向色镜，装置于该第一二向色镜之后该第三原色光的光路径上，以滤去杂光；

一第一原色光液晶面板，装置于该第二二向色镜之后该第一原色光的光路径上，以反射该第一原色光；

一第二原色光液晶面板，装置于该第三二向色镜之后该第二原色光的光路径上，以反射该第二原色光；

一第三原色光液晶面板，装置于该第四二向色镜之后该第三原色光的光路径上，以反射该第三原色光；以及

一第二光选择器，装置于该偏光分光镜之后该出射光的光路径上。

2.如权利要求1所述的光路设计，其中反射的该第一原色光、第二原色光及第三原色光借由该偏光分光镜进行合光，以形成一出射光。

3.如权利要求2所述的光路设计，更包括一投影物镜，装置于该第二光选择器之后该出射光的光路径上。

4.如权利要求3所述的光路设计，其中该第二光选择器系将该第一原色光的偏振型态转换。

5.一种光路设计，适于应用在反射式液晶投影机的光机系统中，以将光源分成一第一原色光、一第二原色光及一第三原色光，该光路设计至少包括：

一第一光选择器，装置于该光源的光路径上，以将该光源中的该第一原色光的偏振型态转换；

一偏光分光镜，装置于该光选择器之后该光源的光路径上，以使该第一原色光穿透、该第二原色光与该第三原色光反射；

一第一二向色镜，装置于该偏光分光镜之后反射的该第二原色光与该第三原色光的光路径上，以使该第二原色光穿透，而反射该第三原色光；

一第一吸收式滤光镜，装置于该偏光分光镜之后该第一原色光的光路径上，以吸收杂光；

一第二吸收式滤光镜，装置于该第一二向色镜之后该第二原色光的光路径上，以吸收杂光；

一第三吸收式滤光镜，装置于该第一二向色镜之后该第三原色光的光路径上，以吸收杂光；

一第一原色光液晶面板，装置于该第一吸收式滤光镜之后该第一原色光的光路径上，以反射该第一原色光；

一第二原色光液晶面板，装置于该第二吸收式滤光镜之后该第二原色光的光路径上，以反射该第二原色光；

一第三原色光液晶面板，装置于该第三吸收式滤光镜之后该第三原色光的光路径上，以反射该第三原色光；以及

一第二光选择器，装置于该偏光分光镜之后该出射光的光路径上。

6.如权利要求5所述的光路设计，其中反射的该第一原色光、第二原色光及第三原色光借由该偏光分光镜进行合光，以形成一出射光。

7.如权利要求6所述的光路设计，更包括一投影物镜，装置于该第二光选择器之后该出射光的光路径上。

8.如权利要求5所述的光路设计，其中该第二光选择器系将该第一原色光偏振型态转换。

9.一种光路设计，适于应用在反射式液晶投影机的光机系统中，以将光源分成一第一原色光、一第二原色光及一第三原色光，该光路设计至少包括：

一偏光分光镜，装置于该光源的光路径上，以使该光源反射；

一第一二向色镜，装置于该偏光分光镜之后该光源的光路径上，以使该第一原色光反射、该第二原色光与第三原色光穿透；

一第二双向分光镜面，装置于该第一二向色镜之后该穿透的第二原色光及第三原色光的光路径上，以使该第二原色光穿透、该第三原色光反射；

一第三二向色镜，装置于该第一二向色镜之后该反射的第一原色光的光路径上，以滤去杂光；

一第一原色光液晶面板，装置于该第二二向色镜之后该第一原色光的光路径上，以反射该第一原色光；

一第二原色光液晶面板，装置于该第三二向色镜之后该第二原色光的光路径上，以反射该第二原色光；以及

一第三原色光液晶面板，装置于该第三二向色镜之后该第三原色光的光路径上，以反射该第三原色光。

10.如权利要求9所述的光路设计，其中该第一原色光、第二原色光及第三原色光借由该偏光分光镜进行合光，以形成一出射光。

11.如权利要求10所述的光路设计，更包括一投影物镜，装置于该偏光分光镜之后该出射光的光路径上。

12.一种光路设计，适于应用在反射式液晶投影机的光机系统中，以将光源分成一第一原色光、一第二原色光及一第三原色光，该光路设计至少包括：

偏光分光镜，装置于该光选择器之后该光源的光路径上，以使该第一原色光穿透、该第二原色光与该第三原色光反射；

一第一双向分光棱镜，装置于该偏光分光镜之后该穿透的第一原色光的光路径上，以滤去杂光；

一第二双向分光棱镜，装置于该偏光分光镜之后该光源的光路径上，以使该第二原色光与第三原色光穿透；

一第一原色光液晶面板，装置于该第一双向分光棱镜之后该第一原色光的光路径上，以反射该第一原色光；

一第二原色光液晶面板，装置于该第二双向分光棱镜之后该第二原色光的光路径上，以反射该第二原色光；以及

一第三原色光液晶面板，装置于该第二双向分光棱镜之后该第三原色光的光路径上，以反射该第三原色光。

13.如权利要求12所述的光路设计，其中该第一原色光、第二原色光及第三原色光借由该偏光分光镜进行合光，以形成一出射光。

14.如权利要求13所述的光路设计，更包括一投影物镜，装置于该偏光分光镜之后该出射光的光路径上。

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