TW200524425A

TW200524425A - Color projection system

Info

Publication number: TW200524425A
Application number: TW093101006A
Authority: TW
Inventors: Kun-Yueh Lin
Original assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-07-16
Also published as: US20050157274A1; TWI236291B

Description

200524425 五、發明說明（l) 一、【發明所屬之技術領域】本發明係關於一種彩色投影系統，尤有關一種使用雙液晶光閥（liquid crystal light valve ;LCLV)之彩色投影系統。二、【先前技術】

習知之彩色投影系統原先設計為具有三個液晶光閥或空間光調制器（spatial light modulators)，以分別對應分光後之紅光（R)、綠光（G)及藍光（B)三原色。其後，為達到降低成本同時簡化投影顯示器架構之目的，發展出藉由二原色分時控制的方式而僅需單一液晶光閥或空間光調制器之設計。然而，該設計雖能有效降低成本，但如此空間光調制器需以至少180HZ的高速率依序切換三個色彩，當顯示移動之物體時於其邊緣容易產生色彩分離的現象；且因同一時間只能運用到1/3的光束（紅光、藍光或綠光）而導致顯示亮度大幅減低。

因此，為能達到降低成本目的同時避免上述問題，發展出具有兩個液晶光閥或空間光調制器之投影顯示器設計。圖5顯示公告美國專利55丨7340號之一彩色投影裝置 10〇a設計。如圖5所示，該設計包含一其上形成有分別為s 偏zi及p偏態之紅光（r)、綠光（G)及藍光（B)濾光區之色輪 (color wheel) 102，當色輪1〇2轉動時，依序通過相鄰濾光區之不同偏態光可交替照明兩個配置於偏極分光稜鏡 (polarizing beam splitter cube) 1〇8 側之反射式液晶

第6頁 200524425 五、發明說明（2) 光閥104及106，經反射式液晶光閥104及106反射後再進入投影鏡頭110。如此反射式液晶光閥104及106可以90Hz之較低速率切換而獲得足夠的響應時間，減少單一空間光調制器設計之無感時間（dead-time)效應影響。然而，該設計仍只能運用到1 /3的光束。圖6顯示公告美國專利6545804號揭露之另一雙液晶光閥彩色投影裝置120。如圖6所示，當入射光I進入偏極分光稜鏡122時，光偏振選擇器124及126可僅改變紅光之偏態’故紅光經偏極分光稜鏡122反射後進入液晶光閥128，再經液晶光閥128反射後進入投影鏡頭134，而藍光及綠光則可直接通過偏極分光稜鏡122。因此一設計於偏極分光稜鏡122與液晶光閥130間設置有一顏色控制開關（c〇lor switch)132，藉由顏色控制開關132的控制，可使藍光及綠光輪流通過，通過顏色控制開關1 3 2之藍光或綠光再經由偏極分光棱鏡1 2 2反射後進入投影鏡頭1 3 4。然而，此一設計雖能提高光線之利用效率，但因顏色控制開關丨3 2之鑛膜易受溫度變化影響，故包含顏色控制開關丨3 2此一構件之彩色投影裝置，其所能接受之輸入光通量會受到限制。三、【發明内容】因此，本發明之目的在提供一種具有雙液晶光閥之彩色技影系統’其能避免前述習知設計之問題。依本發明之設計，一種彩色投影系統包含一光源、一

200524425 五、發明說明（3) ---- 偏態轉換裝置、一色輪、一分色裝置及二液晶光閥。偏態轉換裝置偏極化來自光源之入射光束，且其上間隔形成二色遽光區及紫紅色濾光區之色輪交替濾除入射光束之藍Z 及綠光。分色裝置包含雙色分光元件、第一光偏振選擇器及第二光偏振選擇器，其接收通過偏態轉換裝置及色輪之入射光束以使綠光及藍光交替進入第一液晶光閥且使Z光進入第二液晶光閥。藉由本發明之設計’可提高光線之利用效率且不再需要顏色控制開關此一構件’故能容忍較高的輸入光通量，獲付進一步提咼顯示壳度的效果，同時本發明採用色輪之設計其效能不會受溫度變化影響。再者’本發明設計使不論光束通過色輪上之黃色濾光區或紫紅色遽光區，透過之光束均包含紅光分量，故可自動補償較弱之紅光分量，而不需藉由減少綠光責任週期方式來校正白平衡，而可獲得一較佳之視覺亮度。四、【實施方式】圖1為一示意圖，顯示依本發明一實施例之彩色投影系統1 0。如圖1所示，該彩色投影系統1 〇包含光源1 2、色輪（color wheel)14、偏態轉換裝置（polarization conversion device)16、投射光件（illumination optics)18、分色裝置（color splitting device)20、第一及第二液晶光閥（liquid crystal light valve ;LCLV) 22、24及投影鏡頭26。分色裝置20包含一雙色分光元件

200524425 五、發明說明（4) (dichroic element)、第一及第二偏光板 (polarizer) 202、2 0 3、第一及第二光偏振選擇器 (C〇l〇rSelect) 204、2 05、及第一及第二 1/4 波板 g〇6、 207。依本實施例，雙色分光元件係為一偏極分光稜鏡 (polarized beam splitter cube)2〇l，且各構件大致以偏極分光稜鏡2 0 1為中心呈十字排列，亦即由下而上的排列依序為第一液晶光閥22、第一1/4波板2〇6、偏極分光稜鏡201之一第一分光側、偏極分光稜鏡2〇1之一出光側、第一光偏振選擇器205、第二偏光板2〇3及投影鏡頭26 ;由左而右的排列依序為第一偏光板202、第一光偏振選擇器 204、偏極分光稜鏡201之一入光側、偏極分光稜鏡“I之一第二分光侧、第二1/4波板2 0 7及第二液晶光閥24。該液晶光閥例如可為一反射式矽基液晶（liquid crystal on silicon ;LC0S)面板。色輪14係藉由例如馬達28之驅動裝置而轉動，依本實施例之設計，色輪14上形成有間隔分布之黃色（yeU〇w)濾光區（Y)及紫紅色（magenta)濾光區，黃色濾光區（γ)係由可讓藍光反射而其餘光線穿透之遽光片所構成；紫紅色渡光區（Μ)係由可讓綠光反射而其餘光線穿透之渡光片所構成。黃色濾光區（Υ)及紫紅色（Μ)濾光區僅需於色輪14上交替出現即可，其分布方式並不限定，例如圖2所示之（a) 二對黃色濾光區（Y)及紫紅色（Μ)濾光區交替分佈於四個均等區域、（b)三對黃色濾光區（γ)及紫紅色（Μ)濾光區交替分布於六個均等區域、或（c)黃色渡光區（γ)、紫紅色（Μ)

IHI 第9頁 200524425 五、發明說明（5) 濾光區及增加亮度之白光穿透區（W)交替分布等方式均〇請參考圖1，偏態轉換裝置1 6用以偏極化光源丨2發出之光線，例如可將入射光束轉換為具3偏態之偏光後再進入分色裝置20。投射光件18用以於液晶光閥22及24上形成適當的投射區域，例如可由一透鏡組來構成。如下以圖3 A及圖3 B說明本發明彩色投影系統之分光原理。因色輪1 4上形成有間隔分布之黃色濾光區（γ)及紫紅色濾光區（M)，當色輪14轉動時，由光源12發出之光束可輪流通過黃色濾光區（γ )及紫紅色濾光區（M )，且經由偏態轉換裝置1 6偏極化並通過投射光件1 8後，進入分色裝置 20 〇圖3 A顯示光線通過黃色濾光區（γ )後之光路設計。如圖3A所示，當光線入射至黃色濾光區（γ)時，藍光會被反射而其餘色光即紅光及綠光可穿透，因此，於經過偏態轉換裝置1 6偏極化轉換為例如s偏態後，s偏態之紅光（RS)及綠光（GS)即進入分色裝置2〇中。接著，s偏態之紅光（rs) 及綠光（GS)首先遭遇第一偏光板2 〇2及光偏振選擇器204。於此實施例中，光偏振選擇器係採用Colorl ink公司製造之一紅/青綠光偏振選擇器（Red/Cyail co 1 orse 1 ect )，其能僅改變紅光之偏態，而將S偏態之黃光（RS + GS)轉換為p 偏態之紅光（RP)及S偏態之綠光（GS)的組合。因偏極分光稜鏡201其鍍膜設計為反射s偏態光並令p偏態光通過，故p 偏態紅光（RP)可直接通過偏極分光棱鏡2〇1並抵達液晶光

第10頁 200524425 五、發明說明（6) 閥2 4 ’同8^ S偏怨綠光（g )由偏極分光棱鏡2 〇 1反射至液晶光閥2 2。當液晶光閥於開啟狀態（〇n s t a ΐ e )時，可調制進入其中之光束並將其反射同時改變其偏態。因此，經液晶光閥24反射並轉換為S偏態之紅光（RS)進入偏極分光稜鏡201 ’再經偏極分光稜鏡2〇1反射至光偏振選擇器2Q5使紅光之偏態再次改變，最後p偏態紅光（Rp)通過第二偏光板20 3後進入投影鏡頭26。另一方面，S偏態綠光（GS)經液晶光閥2 2調制並反射後轉換為p偏態綠光（g p )，故可直接穿透偏極分光稜鏡201接著通過光偏振選擇器205，此時通過光偏振選擇器2 0 5之綠光偏態不會改變，故p偏態之綠光（GP)通過第二偏光板2〇3後進入投影鏡頭26。圖3 B顯示光線通過紫紅色濾光區（M)後之光路設計。如圖3B所示，當光線入射至紫紅色濾光區（M)時，綠光會被反射而其餘色光即紅光及藍光可穿透，因此，於經過偏恶轉換裝置1 6偏極化轉換為例如s偏態後，s偏態之紅光 (RS)及藍光（BS)即進入分色裝置20中。因s偏態之紅光 (RS)及藍光（GB)進入分色裝置20後之分光流程與圖3A相同’僅需將綠光（G)以藍光（B)取代即可，故於此不予贅述。再者，本發明設計使光束進入分色裝置2〇時先通過第一偏光板202 ’且於分光後之光束離開分色裝置2〇進入投影鏡頭2 6前通過第二偏光板2 〇 3，係用以使該光束之偏態更為純化。又，如圖1所示，第一及第二1/4波板2〇6、207分別配

mm 200524425 五、發明說明（7) 置於偏極分光棱鏡201與液晶光閥22、24間，可用以增加投影後之晝面對比度。 - 藉由本發明之設計，可提高光線之利用效率且不再需要顏色控制開關（color swi tch)此一構件，故能容忍較高的輸入光通量，獲得進一步提高顯示亮度的效果，同時本發明採用色輪之設計其效能不會受溫度變化影響。再者，一般投影系統之光源常採用一超高壓水銀燈 (Ultra high pressure mercury lamp)，然而此類燈源發出之光線中，紅光分量遠比藍、綠光分量為低。為解決紅光輸出較低的問題，習知做法是於液晶光閥控制過程中，增加紅光之責任週期（duty cycle)並減少綠光及藍光之責任週期以獲得一校正之白平衡效果。然而，因視覺所感知之7C度主要為綠光所貢獻’故此一做法會降低整度。藉由本發明之設計，不論光束通過色輪上UK; 區（Y)或紫紅色濾光區（Μ)，透過光束均包含紅光分量，故該設計本身即可自動補償較弱之紅光分量，而不需藉由減少，光責任週期方式來校正白平衡，而可獲得一較^之視覺亮度。圖4顯示本發明之另一實施例。本發明所採用之振選擇斋僅需達到改變紅光偏態的作用即可，其構成並限定。例如亦可讓光線依序通過一藍/黃光偏振選擇号 2二9i=e/Ye;:〇W C〇1〇rSeleCt)及一綠/紫紅光偏振選擇益 210(^een/Magenta colorselect)，同樣能達到僅改紅光偏怨的效果。再者，本發明所採用之雙色分光元件，

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五、發明說明（8) 僅需能達成讓不同偏態之光束反射或穿透的效果即可，二不限定為一偏極分光稜鏡2 〇 1，舉例而言，亦可採用圖*亚示之一偏極分光板’例如Moxtek公司製造之ί：固赴你所口 · · ”4點褐極分也

Is C w i re-gr i d ρο 1 ar i zer ) 2 0 8。 ^ 以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改 Z未脫離應包含於後附之申請專利範圍中。 > s變更，均

第13頁 200524425 圖式簡單說明圖式之簡單說明圖1為一示意圖，顯示依本。月貝靶例之彩色投影五系統圖2(a) 、（b) 、（c)為一示音不同濾光區之分布方式。％、頦不本發明之色輪其顯示光線通過黃色遽光顯示光線通過紫紅色濾圖3A為依本發明之一實施例區（Y)後之光路設計之示意圖。圖3B為依本發明之—實施光區（M)後之光路設計之示意圖。圖4為顯示本發明另—實施例之示意圖。色投影裝置設計。圖6為一不意圖，顯示公告美國專利65458〇4號揭露之另一雙液晶光閥彩色投影裝置。圖5為一不意圖，顯示公告美國專利551734〇號之一彩士言+ 〇元件符號說明： 10 彩色投影系統 12 光源 14 色輪 16 偏態轉換裝置 18 投射光件 20 分色裴置 22 第一液晶光閥 24 第二液晶光閥

200524425 圖式簡單說明 26 28 投影鏡頭馬達 100 彩色投影裝置 102 色輪 104 、106 反射式液晶光閥 108 偏極分光棱鏡 110 投影鏡頭 120 彩色投影裝置 122 偏極分光棱鏡 124 >126 光偏振選擇器 128 第一液晶光閥 130 第二液晶光閥 132 顏色控制開關 134 投影鏡頭 201 偏極分光稜鏡 202 第一偏光板 203 第二偏光板 204 第一光偏振選擇器 205 第二光偏振選擇器 206 第一 1 / 4波板 207 第二1 / 4波板 208 網點偏極分光 209 藍/黃光偏振選擇器 210 綠/紫紅光偏振選擇器第15頁

Claims

200524425 六、申請專利範圍 1 · 一種彩色投影系統，包含： ——光源，產生包含一第一色光、一第二色光及一第三色光之一光束；一色輪（color wheel)，間隔形成至少一第一濾光區及弟二濾、光區’且該第一濾光區與該第二濾、光區交替置於該光束之一行進光路以輪流滤除該光束之該第二色光與該第三色光；一偏態轉換裝置（polarization conversion device)，偏極化該光束；一分色裝置（color splitting device)，接收通過該色輪及該偏態轉換裝置之該光束，該分色裝置包含：一雙色分光元件（dichroic element)，具有一入光側、一第一分光側、一第二分光側及一出光侧，該光束經由該入光側進入該雙色分光元件且分光後之各該色光經由該出光侧進入一投影鏡頭；一第一光偏振選擇器（colorselect)，置於該雙色分光元件之該入光側；及一第二光偏振選擇器，置於該雙色分光元件之該出光側；及一第一及第二液晶光閥（liquid crystal light valve)，分別置於該第一及該第二分光側；其中該色輪滤除該第二色光時，該第三色光經由遠雙色分光元件之該第一分光側進入該第一液晶光閥且該第一色光經由該第二分光側進入該第二液晶光閥；該色輪滤除

第16頁 200524425 該第二色光時’該第二色光經由該雙色分光元件之該第一分光側進入該第一液晶光閥且該第一色光經由該第二分光侧進入該第二液晶光閥。 2·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，更包含一投射光件設置於該偏態轉換裝置與該分色裝置間。 3·如申請專利範圍第2項之彩色投影系統，其中該投射光件係為一透鏡組。 4 ·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該分色裝置更包含一第一偏光板設置於該偏態轉換裝置與該第一光偏振選擇器間，及一第二偏光板設置於該第二光偏振選擇器與該投影鏡頭間。 5.如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該分色裝置更包含一第一 1/4波板設置於該雙色分光元件與該第一液晶光閥間，及一第二1 / 4波板設置於該雙色分光元件與該第二液晶光閥間。 6 ·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該雙色为光元件係為一偏極分光棱鏡（p〇larized beam splitter cube) ° 7 ·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該雙色分光元件係為一網點偏極分光器（wire — grid polarizer) ° 8 ·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該液晶光閥係為一反射式矽基液晶面板。 9 ·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該光

第17頁 200524425 六、申請專利範圍偏振選擇器係為一紅/青綠光偏振選擇器（Red/Cyan colorse1ect ) ° 一 10 ·如^請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該光偏振選擇器係為一藍/黃光偏振選擇器（Blue/Yen〇w colorselect)及一綠/紫紅光偏振選擇器（Green/Magenta colorselect)之組合〇 11.如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該色輪上更形成有一白光穿透區。 12·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該光源係為超局壓水銀燈（Ultra high pressure mercury lamp) ° 13· —種彩色投影系統，包含·· 一光源，產生一包含紅光、綠光及藍光分量之光束；一色輪’間隔形成至少一黃色濾光區及一紫紅色濾光區’且該黃色濾光區及該紫紅色濾光區交替置於該光束之一行進光路以輪流濾除該光束之該藍光與該綠光分量；一偏態轉換裝置，置於該光束之該行進光路以將其轉換為具一第一偏態之光束；一分色裝置，接收通過該色輪及該偏態轉換裝置之該光束，該分色裝置包含：一雙色分光元件，具有一入光側、一第一分光側、一第二分光側及一出光側，該光束經由該入光側進入該雙色分光元件且分光後之該紅光、綠光及藍光分量經由該出光侧進入一投影鏡頭；

第18頁 200524425 六、申請專利範圍 ----— 一第一光偏振選擇器，設置於該雙色分光元該偏態轉換裝置間，以將該光束之該紅光分量由該—與態轉換為一第二偏態；及 μ —偏一第二光偏振選擇器，設置於該雙色分光元該投影鏡頭間，以將該光束之該紅光分量由該第一 2〜與換為一第二偏態；及偏怒轉一第一及第二液晶光閥，分別置於該第一及誃光侧； ^乐一分其中當該光束通過該黃色濾光區時，經由該雙色分〃元件之該第一分光側進入該第一液晶光閥係為具該第:光態之該綠光分量，且經由該第二分光側進入該第二液晶= 閥係為具該第二偏態之該紅光分量；當該光束通過該^紅色濾光區時，經由該雙色分光元件之該第一分光側進又$ 第一液晶光閥係為具該第一偏態之該藍光分量，且經由^ 第二分光側進入該第二液晶光閥係為具該第二偏態之該= 光分量。 ^ 14·如申請專利範圍第1 3項之彩色投影系統，更包含一投射光件設置於該偏態轉換裝置與該分色裝置間。 3 15·如申請專利範圍第1 4項之彩色投影系統，其中該投射光件係為一透鏡組。 Χ 16·如申請專利範圍第1 3項之彩色投影系統，其中該分色裝置更包含一第一偏光板設置於該偏態轉換裝置與該第一光偏振選擇器間，及一第二偏光板設置於該第二光偏振選擇器與該投影鏡頭間。

200524425 六、申請專利範圍 17· 如申分色裝置更包該苐一液晶光元件與該第二 18·如申雙色分光元件 19· 如申雙色分光元件 20· 如申液晶光闕係為 21· 如申光偏振選擇器 22. 如申光偏振選擇器振選擇器之組 23. 如申色輪上更形成 24. 如申光源係為一超其中該其中該其中該其中該其中該 I紅光偏請專利範圍第1 3項之彩色投影系統，其中該含一第一1/4波板設置於該雙色分光元件與閥間，及一第二1/4波板設置於該雙色分光液晶光閥間。請專利範圍第丨3項之彩色投影系統係為一偏極分光稜鏡。請專利範圍第丨3項之彩色投影系統係為一網點偏極分光器。 f專利範園第1 3項之彩色投影系統一反射式矽基液晶面板。請專利範園第13項之彩色投影系統 f為一紅/青綠光偏振選擇器。 f f利範圍第1 3項之彩色投影系統糸；、、、一藍/黃光偏振選擇器及一綠合。、請專利範圍第13項之彩色投有一白光穿透區。糸、，先，其中該 :專利範園第13項之彩色投影系統南壓水銀燈。 '、、，、中該