CN1658015A - 光学投影系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种光学投影系统与方法，可以接收一红光束，一绿光束，以及一蓝光束，该投影系统包括一合光棱镜，这些光束分别由该合光棱镜的三个面进入，而一合成光束由另一面出射。一投影透镜组接收该合成光束以进行投影。对于其中每一光束，还包括一反射式液晶面板与一线栅式偏光元件，其中该反射式液晶面板对应地平行于该合光棱镜的这些面。如此、这些光束进入该合光棱镜前，先由这些线栅式偏光元件反射到这些反射式液晶面板，而后这些反射式液晶面板分别以一偏光态，将这些光束反射，使穿透该线栅式偏光元件，而直接朝向该合光棱镜入射。

Description

光学投影系统与方法

技术领域

本发明是有关于一种光学投影系统，且特别是有关于可以用穿透方式进行合光的使用线栅式偏光元件。

背景技术

光学投影系统，在日常生活中已很普遍，例如将一微小的图像数据，投影到一大屏幕上，以供使用者观视。特别是，当其它科技显著发展后，例如液晶显示技术的发展，配合光学投影系统，可达到显示图像的效果。例如液晶投影电视就是一种现代科技产品。

对于光学投影系统，配合使用液晶显示元件，传统的系统设计如图1所示。图1的传统光学投影系统，是利用偏振分光镜(polarization beamsplitter，PBS)的特性设计。一光束100先进入一彩色分光镜150，将光束100分成例如一蓝光束104与一混光束102。此混光束102是由绿光与红光混合而成。蓝光束104以一路径行进，而混光束102以另一路径行进。于此先对蓝光束104的路径说明。蓝光束104接着由反射镜152与154的引导成为蓝光束106，朝向一偏振分光镜158b行进，经过一场镜156b(fieldlens)而入射。偏振分光镜158b将具有一偏振态的光分量反射到一硅液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)面板160b。硅液晶面板上有多个像素，一般是以一阵列方式构成。硅液晶面板的各别像素，可经控制将入射光的偏振态，配合偏振分光镜的作用而改变其偏振态并且反射之，以达到色彩灰度等级的亮暗与灰度等级的效果。

另外，对于混光束102则再经一彩色分光镜分成一红光束108与一绿光束110。当红光束108与绿光束110分离后，其光路径与蓝光束104相类似，由分别的偏振分光镜158r、158g与硅液晶面板160r、160g进行各原色的图像的形成。

而后，由硅液晶面板160r、160g、160b所反射回的三个光束，入射于合光棱镜(color-combination prism)162，将三个光束合成一光束，而由合光棱镜162的另一面出射到投影镜组164。其中，合光棱镜162一般可包括X型立方体棱镜(X-cube)。

对于图1的传统设计，主要是利用偏振分光镜的设计，其有诸多缺点。偏振分光镜的基本工作原理如图2所示。一非偏振的光入射于偏振分光镜的斜作用面166，其具有一偏振态的光会穿透，而另一偏振态的光会反射。然而，对于一实际的光束，其并非是一点光束，而是以一二维的面入射。图3A-3C表示传统的光束，入射于偏振分光镜的情形。参阅图3A，当入射光是以一二维的面入射时，在如图示的横剖面上，其作用如图2的机制一样。然而，在其它的横剖面(未示于图)，则无法完全分成二偏振态的光束。参阅图3B，对于一圆形的二维的反射面上，其横轴代表图2所示的横剖面，其有单一偏振态，如圆点所示。然而偏离横轴的面，则会同时掺杂另一偏振态，如双箭头符号所示。因此，当预期在全暗的图像，或是暗场效果，会有一些漏光。参阅图3C，例如在180的区域，会有漏光。一般在目前的要求，其亮暗的对比在1000∶1以上。这些漏光会影响显示品质。

为了解决上述偏振分光镜的问题，则其介面166则必须采用具有低双折射特性的玻璃以保持有单纯偏振方向的特性。又为了解决漏光问题，需镀有一1/4波长的补偿膜层等等。

这些增加制造成本，也使系统不易维持。或甚至需要渐层镀膜的高难度工序。

传统上另外也提出利用线栅式偏光元件(wire grid polarizer，WGP)取代偏振分光镜(PBS)。图4表示利用线栅式偏光元件的光学投影系统。参阅图4，一光源300发出一白光，经由一彩色分光镜302，分解成一蓝光束304与一混光束306。先以混光束306的黄光束路径做说明，其经聚合透镜(condenser lens)308，而后经反射镜314的改变方向后，进入另一彩色分光镜316，被分离成红光束318与绿光束。以红光束318而言，其经过一线栅式偏光元件320，其中具有一偏振态的光分量会通过而到达一反射式液晶面板322。反射式液晶面板322以一偏振态，将光束反射到线栅式偏光元件320。此时，反射光具有一图像。线栅式偏光元件320于是将光束在反射到一合光棱镜(color-combination prism)162。对于此传统的设计，反射式液晶面板322相对于合光棱镜162的对应入射面而言，为垂直设置。光束是利用线栅式偏光元件320的反射而入射于合光棱镜162。至于其它的蓝光束(B)304与从混光束316分离出的绿光束(G)，也以相同的方式设计。对于蓝光束(B)304也包括使用聚合透镜310与传递镜312。

本发明人发现图4的传统设计，仍有一些问题，例如线栅式偏光元件的弯曲，造成例如色差(chromatic aberration)等的问题。针对所发现的问题，本发明提出另一设计，将于后述。

另外，对于其它的传统光学投影系统，也例如图9与图10所示。于图9中，其主要的传统设计是从光源的光束先经一聚合透镜804聚合才进入彩色分光镜806。而后续的光路径是采用液晶面板812的设计。对于此设计，因为聚合透镜804为单边远心(telecentricity)或是非远心的设计，其光线的锥角(cone angle)很大，其后面的彩色分光镜806需要渐层式镀膜的方式形成，以降低由于锥角所引起的色彩不均匀问题。而红光束802R与绿光束802G经彩色分光镜818再次分离后，绿光束802G还需要利用反射镜822反射。由于路径长度不一样，还需传递镜820、824做相差调整。对于图9的其它详细路径的说明，如图示应可被本技术领域的普通技术人员所了解，不再详述。

另外，图10是利用线栅式偏光元件916配合反射式液晶面板918设计而成。然其与图9有相同的问题，即是由光源900的光先经聚合透镜902后才到达彩色分光镜904。由于聚合透镜902是非远心的设计，其问题与图9的设计相同。彩色分光镜需要渐层镀膜。又由于其为非远心设计，各颜色光束的光程受到彩色分光镜的限制，不可任意调整，因此各颜色光束的光程不容易达到等光程的设计。

发明内容

本发明包括提出一种光学投影系统，是采用穿透线栅式偏光元件的设计，而直向进入合光棱镜，其中反射式液晶面板是平行面对入射的合光棱镜的对应面。

本发明包括也另外提出一种光学投影系统，利用双边远心的设计，而将第一片彩色分光镜置放于双边远心组之前，因此可以维持小锥角的设计，以避免彩色分光镜需要渐层镀膜的设计。另外，各光束的光程，可独立设计使达到等光程的效果。

依照本发明的特征，提出一种光学投影系统，该投影系统可以接收一红光束，一绿光束，以及一蓝光束。该投影系统包括：一合光棱镜，该合光棱镜允许这些光束分别由该合光棱镜的三个面进入，而一合成光束由另一面出射；一投影透镜组，该投影透镜组接收该合成光束以进行投影。又对于其中每一光束，还包括一反射式液晶面板，以及一线栅式偏光元件。其中这些反射式液晶面板对应面平行于该合光棱镜的这些面。在这些光束进入该合光棱镜前，先由这些线栅式偏光元件反射到这些反射式液晶面板，而后这些反射式液晶面板分别地以一偏振态将这些光束反射，使穿透该线栅式偏光元件，而直接朝向该合光棱镜入射。

本发明又提出一种光学投影方法，该投影方法通过接收一红光束，一绿光束，以及一蓝光束，而进行投影。该方法包括：提供一光源；又将该光源分光成红绿蓝的三原色光束；引导这些光束，使分别进入一线栅式偏光元件而反射到一反射式液晶面板。该反射式液晶面板有多个像素。控制这些反射式液晶面板的其中每一像素，使对应这些像素的一反射光束有一偏振态。使由该反射式液晶面板反射的这些光束，直接穿透该线栅式偏光元件，而结合成为一合成光束。

本发明又提出一种光学投影系统，该投影系统包括：一平行光源，该平行光源用于提供一平行光束；一第一彩色分光镜，该彩色分光镜将该平行光束分离成一第一原色光束与一混光束，该混光束混合有一第二原色光束与一第三原色光束；一第一双边远心组，该第一双边远心组设置于该第一原色光束的一第一光路径上，将该第一原色光束转变为一第一光束；一第二双边远心组，该第二双边远心组设置于该混光束的一第二光路径上；一第二彩色分光镜，该第二彩色分光镜设置于该混光束的该第二光路径上，将该混光束分离成一第二光束与一第三光束；一合光投影单元，该合光投影单元接受这些第一光束，该第二光束与该第三光束合成，以合光后投射。

本发明又提出一种光学投影方法，该投影方法包括：提供一平行光；将该平行光分离成一第一光束与一混光束；引导该一光束进入一第一双边远心组。引导该一混光束进入一第二双边远心组。分离该混光束成为一第二光束与一第三光束；将该第一光束，该第二光束与一第三光束合光，以形成一合光束；而后将该合光束投影。

为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1是表示传统的光学投影系统的示意图。

图2是表示传统的偏振分光镜机制。

图3A-3C是表示传统的光学投影系统的漏光问题。

图4是表示传统的另一光学投影系统的示意图。

图5是表示传统的线栅式偏光元件的机制。

图6是表示本发明发现的传统的光学投影系统的问题示意图。

图7是表示依据本发明的一实施例，光学投影系统的示意图。

图8是表示依据本发明，于图6光学投影系统的改进机制。

图9-10是表示传统的另一些光学投影系统的示意图。

图11-12表示依据本发明的另一实施例的另一些光学投影系统的示意图。

附图标记说明：

100、300、800、900光源

150、302、316、602、806、818、904、1100彩色分光镜

152、154、314、612、613、808、908、912、1104反射镜

160式液晶面板

162、814合光棱镜

164、816投影透镜组

180漏光区域

308、310、312、804、902、910、1004、1008、1012、1016透镜

320、616、916线栅式偏光元件

614、914偏光片

812、1010液晶面板

具体实施方式

对于上述图4的传统设计，经本发明的分析发现，其也具有诸多问题。例如若是线栅式偏光元件320，因为热膨胀不均匀或是其它原因而造成弯曲，进而造成光束不平行反射，而造成严重的横向色差(lateral color ortransverse dichromatic aberration)。

对于线栅式偏光元件320，配合反射式液晶面板322与合光棱镜162的运作，传统的基本上操作机制如图5所示。通过线栅式偏光元件的光，具有一偏振态而到达反射式液晶面板322。反射式液晶面板322针对每一像素的需要，将偏振态转变成另一偏振态，而后又反射到线栅式偏光元件。接着由于线栅式偏光元件的特性，将入射的光反射到合光棱镜162。

此时，如果线栅式偏光元件320弯曲，则因此入射角会改变，而造成光线偏离预定的光路径。像素之间会互相干扰。就图像的要求，横向色差不应偏离超过一像素。而目前的像素尺寸为10×10微公厘平方。因此，光束偏离需小于10微公厘，然而其不易达到。

本发明因此提出图7的穿透式设计。于图7，光源300提供一光束，经彩色分光镜602分离成一原色光束604与一混光束606。原色光束604经反射镜612及613将其入射于一偏光片614。此偏光片614可依设计需求设置，以得到一偏振态，其可配合线栅式偏光元件616的特性使用。光束经偏光片614后入射于线栅式偏光元件616，其将具有一偏振态的光分量，反射到一反射式液晶面板618。利用反射式液晶面板618的特性，将偏振态再适当改变而后反射到线栅式偏光元件616，穿透线栅式偏光元件616，直接向前行进到合光棱镜612。本发明特别安排使反射式液晶面板618，平行于合光棱镜162的入射面。另外，混光束606再经一彩色分光镜分离成光束608、610。而后其路径与光束604的设计相同，不再描述。

对于图7的本发明的穿透式设计，反射式液晶面板618，面对合光棱镜162的入射面，以平行设置。其机制如图8所示。当从反射式液晶面板618反射的光，进入线栅式偏光元件616时，即使线栅式偏光元件616弯曲，其影响的仅是些微位移，通过线栅式偏光元件616的光，仍约保持平行而入射于合光棱镜162。因此，可以有效避免横向色差的现象。

本发明图7的设计，虽然也利用线栅式偏光元件与反射式液晶面板进行设计，然而根据本发明所发现的传统上设计的问题缺点，而提出以不同的路径安排，可有效避免因光偏离光路径，而造成横向色差的问题。

本发明又针对图9～10的传统设计问题，另外又提出利用双边远心的设计，并且使平行光源先经彩色分光镜。如此入射于彩色分光镜的锥角可保持小角度，使彩色分光镜易于制作，不必制作渐层镀膜。而利用双边远心的设计，使光路可独立设计，以达到等光程的效果。

图11～12表示本发明的光学投影系统。参阅图11，平行光的白光进入彩色分光镜1000，而被分离为一原色光束与一混光束，例如红光束1002R与一蓝绿混光束包含蓝光束1002B与绿光束1002G。就红光束1002R在双边远心设计中先说明，其经过例如由聚合透镜1004与场镜1008所构成的双边远心组。其中又也可包括一反射镜1006于适当的位置将红光束1002R偏折到所要的方向。另外，蓝绿混光束例如与红光束1002R类似，经过另一双边远心组的设计，而后再由另一彩色分光镜1018分离。最后三个光束，分别由合光棱镜814的三个面入射而合光。合光后的合光束，从合光棱镜814的另一面出射到一投影透镜组806。

于此实施例中，如何将通过双边远心组的光束引导与合成可以有不同的设计。图12为另一设计变化。光源900提供一平行白光而入射于彩射分光镜1100，其分离成一原色光束与一混光束，例如红光束1102R与一蓝绿混光束包含蓝光束1102B与绿光束1102G。就红光束1102R先说明，其经过例如由透镜组1106所构成的双边远心组。其中又也可包括一反射镜1104于适当的位置将光束偏折到所要的方向。另外，蓝绿混光束与红光束1002R类似，经过另一双边远心组的设计1118，而后再由另一彩色分光镜1120分离。最后，三个光束分别由合光棱镜814的三个面入射而合光。合光后的合光束，从合光棱镜814的另一面出射到一投影透镜组816。

在图12的设计，于双边远心设计后的路径的部分，又可称为合光投影单元。虽然，就此实施例的设计特征上，不限制合光投影单元的特殊设计。然而，较佳的设计，仍以图7的设计原则为较佳。于图12中，例如红光束经反射镜1108偏折而进入一偏光片1110，其可使具有一偏振态的光入射于线栅式偏光元件1112，而反射到反射式液晶面板1114。反射式液晶面板1114将光束反射后，穿透过线栅式偏光元件1112，然后直接射向合光棱镜814的一对应面。

本发明就整体而言，对于图7的设计，至少有价钱便宜，暗场均匀度佳，不需要1/4波片(quarter wave plate)，对比佳等优点。

本发明就双边远心的设计而言，又至少有几个优点例如，制造成本低，这是因为彩色分光镜不需要渐层镀膜。图像微小的离焦，不会影响成像的品质。光阀元件的对准较容易。分开的光路可分别依光路需求而设计。没有渐层镀膜的彩色分光镜不会造成色彩不均的现象。

虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当然可作些更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以申请专利的权利要求书范围所界定的为准。

Claims (29)

1.一种光学投影系统，该光学投影系统可以接收一第一光束，一第二光束，以及一第三光束，该光学投影系统包括：

一合光棱镜，该合光棱镜允许这些光束分别由该合光棱镜的三个面入射，而一合成光束由另一面出射；

一投影透镜组，该投影透镜组接收该合成光束以进行投影；以及

对于其中每一光束，还包括：

一反射式液晶面板；以及

一线栅式偏光元件，

其中这些反射式液晶面板平行于该合光棱镜的对应入射的这些三面，其中于这些光束进入该合光棱镜前，先由这些线栅式偏光元件反射到这些反射式液晶面板，而后这些反射式液晶面板，分别以一偏振态将这些光束反射，使它们穿透该线栅式偏光元件，而直接朝向该合光棱镜入射。

2.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：其中每一线栅式偏光元件使具有一第一偏振态的一光分量通过，而使具有一第二偏振态的一光分量反射。

3.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：其中每一反射式液晶面板包括多个像素，可分别改变成一入射偏振态，使其成为所要的该偏振态，以穿透过这些线栅式偏光元件。

4.如权利要求3所述的光学投影系统，其特征在于：这些反射式液晶面板借助该偏振态提供一图像灰度等级值。

5.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：该合光棱镜包括一X型立方体棱镜。

6.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：还包括一第一彩色分光镜，该第一彩色分光镜将一光源分成一第一原色光束以及一混色光束。

7.如权利要求6所述的光学投影系统，其特征在于：还包括一第二彩色分光镜，该第二彩色分光镜将该混色光束分成一第二原色光束以及一第三原色光束。

8.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：其中每一光束的一光路径上还包括一偏光片，以使这些光束先被反射于这些线栅式偏光元件上。

9.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：这些反射式液晶面板包括硅液晶面板。

10.一种光学投影方法，该投影方法可以接收一第一光束，一第二光束，以及一第三光束，而进行投影，该光学投影方法包括：

提供一光源；

将该光源分光成这些光束；

引导其中每一光束，分别进入一线栅式偏光元件，而反射到一反射式液晶面板，其中每一反射式液晶面板有多个像素；

控制这些反射式液晶面板的其中每一像素，使对应这些像素的一反射光束有一偏振态；以及

引导由该反射式液晶面板反射的这些光束，直接穿透该线栅式偏光元件，而结合成为一合成光束。

11.如权利要求10所述的光学投影方法，其特征在于：该线栅式偏光元件可使具有一第一偏振态的一光分量通过，而使具有一第二偏振态的一光分量反射。

12.如权利要求10所述的光学投影方法，其特征在于：该反射式液晶面板包括一硅液晶面板。

13.如权利要求10所述的光学投影方法，其特征在于：在引导由该反射式液晶面板反射的这些光束的该步骤中，包括使用一合光棱镜以得到该合成光束。

14.如权利要求13所述的光学投影方法，其特征在于：该合光棱镜包括一X型立方体棱镜。

15.一种光学投影系统，包括：

一提供一平行光束的光源；

一第一彩色分光镜，该第一彩色分光镜将该平行光束分离成一第一原色光束与一混光束，该混光束混合有一第二原色光束与一第三原色光束；

一第一双边远心组，该第一双边远心组设置于该第一彩色分光镜之后，且于该第一原色光束的一第一光路径上，将该第一原色光束成转变为一第一光束；

一第二双边远心组，该第二双边远心组设置于该第一彩色分光镜之后，且在该混光束的一第二光路径上；

一第二彩色分光镜，该第二彩色分光镜设置于以使该混光束分离成一第二光束与一第三光束的位置上；以及

一合光投影单元，该合光投影单元接受该第一光束、该第二光束与该第三光束以合成而后投射。

16.如权利要求15所述的光学投影系统，其特征在于：该第一与该第二双边远心组，分别包括至少一反射镜，以调整这些光路径的行进方向。

17.如权利要求15所述的光学投影系统，其特征在于：这些光束具有相等长的光路径。

18.如权利要求15所述的光学投影系统，其特征在于：该合光投影单元包括：

三个分别对应这些光束而设置的液晶面板组；

一投影透镜组；

一合光棱镜，该合光棱镜将这些光束合光成为一合光束，而后引导该合光束到该投影透镜组；以及

至少一反射镜，该反射镜将分离的该第二光束与该第三光束的至少其一引导入射于该合光棱镜。

19.如权利要求15所述的光学投影系统，其特征在于：该合光投影单元包括：

一含有四个面的合光棱镜；

一投影透镜组，该投影透镜组设置对应于该合光棱镜的这些四个面的其一；

三个反射式液晶面板，所述三个反射式液晶面板设置对应于该合光棱镜的其它这些三个面；以及

三个线栅式偏光元件，所述三个线栅式偏光元件与该三个反射式液晶面板组合，使这些光束入射于该合光棱镜。

20.如权利要求19所述的光学投影系统，其特征在于：该三个反射式液晶面板分别平行于该合光棱镜的其它该三个面。

21.如权利要求19所述的光学投影系统，其特征在于：该合光投影单元还包括三个设置于该三个线栅式偏光元件之前的偏光片。

22.如权利要求15所述的光学投影系统，其特征在于：该第一彩色分光镜与该第二彩色分光镜是使用不含有渐层镀膜的彩色分光镜。

23.一种光学投影方法，包括：

提供一平行光；

将该平行光分离成一第一光束与一混光束；

引导该一第一光束进入一第一双边远心组；

引导该一混光束进入一第二双边远心组；

分离该混光束成为一第二光束与一第三光束；

将该第一光束，该第二光束与一第三光束合光，以形成一合光束；以及

投影该合光束。

24.如权利要求23所述的光学投影方法，其特征在于：在将该第一光束，该第二光束与该第三光束合光的该步骤中，包括使用多个液晶面板，以提供一图像图形。

25.如权利要求23所述的光学投影方法，其特征在于：在将该第一光束，该第二光束与该第三光束合光的该步骤中，包括使用多个硅液晶面板，以提供一图像图形。

26.如权利要求25所述的光学投影方法，其特征在于：还包括使用多个线栅式偏光元件与这些硅液晶面板一起产生该图像图形。

27.如权利要求23所述的光学投影方法，其特征在于：在将该第一光束，该第二光束与该第三光束合光的该步骤中，包括使用一合光棱镜。

28.如权利要求23所述的光学投影方法，其特征在于：在将该平行光分离成该第一光束与该混光束的该步骤中，包括使用不含有渐层镀膜的彩色分光镜。

29.如权利要求23所述的光学投影方法，其特征在于：在分离该混光束成为该第二光束与该第三光束的该步骤中，包括使用不含有渐层镀膜的彩色分光镜。

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