200537233 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用作光偏振轉換(po 1 ar i zat i on convers ion)之光學 元件（optical device)，尤指一種應用於LCD/LCoS投影機領域的高效能偏 振轉換導光管（polarization conversion light pipe)元件。 【先前技術】 如該行業者所知，投影機乃是利用光學投影方式將影像投射至大尺寸螢 幕上的裝置，若依内部所使用的光閥（Lightvalve)的不同，可大致分為陰 極射線管（CRT)投影機、液晶（Liquid Crystal Display，以下簡稱為LCD) 投影機、數位光源處理(Digital Light Processing，DLP)投影機，以及液 晶矽晶（Liquid Crystal on Silicon，以下簡稱為LCoS)投影機四種主要類 型。其中，LCD投影機因運作時光線係穿透過LCD面板，所以屬於穿透式投 影機，而LCoS、DLP投影機則是靠光線反射的原理顯像，所以又概稱為反 射式投影機。 LCoS投影機的基本原理與LCD投影機相似，只是LCoS投影機是利用 LCoS面板來調變由光源發射出來欲投影至螢幕的光訊號。lc〇S面板是以 CMOS矽晶片為電路基板及反射層，然後再塗佈液晶層後，最後以玻璃平板 封裝。LCD投影機是利用光源穿過LCD作調變，屬於穿透式，而LCoS投影 機中是利用反射的架構，所以光源發射出來的光並不會穿透LCos面板，屬 於反射式。LCD投影機與LCoS投影機的相同點是皆需要線偏振（linear polarization)光源。 一般而言，LCD投影機與LCoS投影機的光源模組包括有燈泡、反射鏡 (Reflector)、透鏡陣列積分器（integrat〇r)以及極化光束分光 (Polarization Beam Splitter，PBS)陣列等組件。由於LCD面板無法自己 200537233 發光，所以需要光源照明，由燈泡發出的光經由反射鏡反射後，成為平行 光至光學系統，而透鏡陣列積分器則將平行光源分佈重新整理，使光源的 能量分佈均勻，而因為光源投射出的光會被LCD的偏光板吸收，因此PBS 陣列將P偏光轉換成S偏光，提昇光的使用效率。但是，習知PBS陣列光 轉換效率低，而且價格較為昂貴。 見圖一，習知另一種極化光源並且提昇光效率的作法是採用偏振轉換導 光管（Polarization Conversion Light Pipe)元件10，其包括由反射鏡片 12级成的中空型光通道14,以及設置於入口端16的反射鏡片18。反射鏡 片18上提供有一開口 20,讓由光源發射出來的光束22經由開口 20入射至 φ 光通道14内，然後穿過設置於接近入口端16的四分之一波板 (Quarter-Wavelength Plate，QWP)24。光通道 14 的出口端 26 垂直設置有 一反射式極化片28，其可讓垂直偏振光32穿透，而平行偏振光34反射回 光通道14。被反射式極化片28反射的平行偏振光34再由反射鏡片18反射 並通過四分之一波板24兩次，而轉換成為垂直偏振光36，如此，即可將原 本無法被利用到的平行偏振光34回收使用，因而增加垂直偏振光的總光通 量。 然而，前述習知之光極性轉換導光管10卻有缺點仍待克服與改善。首 先，將反射式極化片28以垂直方式固定接著於光通道14的出口端26會降鲁 低決定光發射訊號品質的消光比（extincti〇n rati〇)。這是由於反射式極 化片28與反射鏡片12之間的黏合接面干擾到極化光，而產生雜訊所致。 此外，由於反射式極化片28置於光通道14的出口端26，也就是在成 像面上，因此必須維持非常純淨的表面，少許的微粒灰_輕微刮痕就會 衫響到光投影系統的成像品質。而為了保持反射式極化# 28的表面潔 與完整，通常必須額外增加保護外罩，如此不僅增加成本，同時亦空 間。 工 11 200537233 【發明内容】 據此，本發明之主要目的在提供一種應用於影機領域的偏 振轉換導光管元件，以解決前述問題。 本^明t另一目的在提供一種應用於LCD/LCos投影機領域的光源模 組，可提供高純度之偏振極化光源，並提升光使用效率。 為達别述之目的，根據本發明之較佳實施例，本發明提供一種用於 LCDfLCoS扠衫機之偏振轉換導光管元件，包含有由四片側反射鏡組成之光 =道’其截面為矩形，且具有—光入口端以及—光出口端；—前反射鏡， 又於I亥，入口碥’且该别反射鏡具有一開口，容許由一光源匯聚之光線入 射至4光通道内，—延遲板(retardati〇n 小設於該光通道内；以及 傾斜a又置之偏振分光模組，具有一偏振光束分光平面，其以與該側反射 鏡成、’、勺45度夾角組態傾斜設於該延遲板以及該光出口端之間。該延遲板係 為可旋轉入射光電場偏振方向之光學元件。 >為讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實 靶方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與 圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。 【實施方式】 機/1發日1 之偏振轉換導光管元件特別適用於LCD投影機系統或lc〇s投影 統。凊參閱圖二，圖二顯示本發明第一較佳實施例偏振轉換導光管元 反、01之立體透視圖。如圖二所示，偏振轉換導光管元件100係置於橢圓 光源180之前。橢圓反射燈罩光源（lamp)180,如弧光燈(arc lamP) 1 = 1水燈，具有一橢圓長軸（elliPtic major axis)182，且橢圓反射燈 光源180係對準橢圓長轴182與其成一直線配置在投影系統的光徑上。 12 200537233 橢圓反射燈罩光源180的光束由一其橢圓的第一焦點發出，經由其橢圓 反射燈罩（elliptic plane mirror)反射後，再以入射角α匯聚在橢圓之第 二焦點上。偏振轉換導光管元件1〇〇包括由側反射鏡片112組成的中空長 型的光通道114，以及設置於入口端（entrance face)H6的反射鏡片丨18。 反射鏡片118上提供有一開口 120，其恰位於在前述之橢圓的第二焦點上， 讓由橢圓反射燈罩光源180發出之大部分的光束經由開口 12〇入射至光通 道114内。 偏振轉換導光管元件100之截面為四方形，其形狀相似於投影螢幕之形痛 狀。偏振轉換導光管元件1〇〇接近橢圓反射燈罩光源18〇之一端為入口端 · 116，而另一端為出口端（exit face)126，本發明之特徵之一在於出口端126 的成像面（image surface)上130並無設置任何實體光學物件，因此可以達 到最佳的成像品質，而不用擔心灰塵或者到痕的問題。 偏振轉換導光管元件100另包含有可旋轉入射光之電場偏振方向之延 遲板（retardation plate)124以及相對於長軸182成夾角0傾斜設置之偏 振刀光模組128。偏振分光模組128係設置在延遲板124與出口端126之間， 且與側反射鏡片112之夾角0為45度。又，偏振分光模組eg的配置較靠 近延遲板124可獲得較佳的成像品質。而且，由於偏振分光模組ι28係設肇 置於偏振轉換導光管元件1〇〇内，因此不需要在出口端額外增加保護外罩。 根據本發明之第一較佳實施例，偏振分光模組128為一反射式極化片 (reflective polarizer)，或者單一格線方向佈設有細密銀或鋁線(wire grid)之光柵元件（polarization splitter module)，例如 Moxtek 公司所 提供之偏振分光器，或者是偏振光束分光器（polarizati〇n beam splitter)。偏振分光模組128需具有高消光比以及低反射耗損（reflecti〇n losses) 〇 13 200537233 以單一格線方向佈設有細密銀線之光柵元件為例，電場方向垂直於該單 一格線方向之垂直偏振光可穿透該光柵元件，到達出口端12β，而電場方白 平行於該單一格線方向之平行偏振光則被反射回去。延遲板124具有改二 被偏振分光模組128反射之平行偏振光相位之特性。根據本發明^第一車^ 仏貝施例，延遲板124可以為四分之一波板或經特別設計具有改變光的特 定角度相位之光學元件。 * 請參閱圖三，圖三顯示圖二偏振轉換導光管元件1〇〇之側視圖。舉例來 說，由光源來的未偏極化光束222經由開口 120入射至光通道114内，首 先牙透過延遲板124，經由側反射鏡片112 —次反射至偏振分光模組丨汉。 如前所述，光束222的垂直偏振光322穿透過偏振分光模組128，而平行偏鲁 振光324則被反射至側反射鏡片112,再被側反射鏡片112反射至偏振分光 模組128，隨後再經由偏振分光模組128以及側反射鏡片112、118反射至 延遲板124。垂直偏振光322在兩次穿過延遲板124後成為相位與平行偏振 光324相同之偏振光326，然後順利穿透過偏振分光模組丨別。 、由此例可知，平行偏振光324總共被偏振分光模組128反射兩次，然後 才被反射至延遲板124改變其相位成為垂直偏振態。這與習知垂直擺設於 出口端的導光管技藝有很大的不同，因為平行偏振光324被偏振分光模组 128反射兩次可以使得偏振光326純度提高，而提升投影系統的消絲 · (extinction ratio)。 根據本發明之精神，在不同實施例中，偏振分光模組I28還可以利用不 同組態之PBS分光模組代替。以下即列舉數個較可行之實施例，然而習知 滅藝者應理解這些實補僅作參考與朗，本發明實際範•應 利範圍為準。 >圖四為依據本發明第二較佳實施例偏振轉換導光管元件200之剖面示 思圖偏振轉換導光管元件2〇〇同樣包括由側反射鏡片H2、组成的光通道 14 200537233 114，以及設置於入口端116的反射鏡片118。反射鏡片U8上提供有一開 口 120 ’讓由光源180發出之大部分的光束經由開口 12〇入射至光通道ι14 内。偏振轉換導光管元件200另包含有一延遲板124以及一傾斜設置之偏 振分光模組428。依據本發明第二較佳實施例，偏振分光模組428為由兩直 角菱鏡(90-45-45度角的三角型對稱菱鏡)組合而成的pBS光束分光器，其 中間鍵有分光锻膜(beam splitting coating)430 ,可使垂直偏振光可穿 透，到達出口端12β，而平行偏振光則被反射回去。 立圖五為依據本發明第三較佳實施例偏振轉換導光管元件3〇〇之剖面示 意圖。偏振轉換導光管元件3〇〇同樣包括由側反射鏡片112組成的光通道 114，以及設置於入口端116的反射鏡片118。反射鏡片118上提供有一開 口 120 ’讓由光源180發出之大部分的光束經由開口 12〇人射至光通道114 内。偏振轉換導光官元件3〇〇 $包含有一延遲板124卩及一傾斜設置之偏 振^光模組528。依據本發明第三較佳實施例，偏振分光模組528為鏡有兩 正父为光鑛膜530與532之PBS模組，其中分光麵530與532皆可使垂 直偏振光可穿透’到達出口端126，而平行偏振細被反射回去。 圖六為依據本發明第四較佳實施例偏振轉換導光管元件棚之剖面示 意圖。偏振轉換導光管树_同樣包括由側反射鏡片112組成的光通道 m，以及設置於入口端m的反射鏡片m。反射鏡片m上提供有一開φ 120讓由光源、180發出之大部分的光束經由開口⑽入射至光通道出 内。偏振轉換導光管元件侧另包含有-延遲板124以及-傾斜設置之偏 振刀光模、、且628依據本發明第四較佳實施例，偏振分光模組⑽為模 組’可使垂直偏振光可穿透，崎出口端126，而平行偏振光麻反射回去。 圖七為依據本發·五較佳實關偏振轉換導光管元件_之剖面示 意圖。偏振轉換導光管元件咖同樣包括由側反射鏡片112組成的光通道 m，以及紅於人口端116的反射鏡片118。反射鏡片ιΐ8上提供有一開 口 120，讓由光源180發出之大部分的光束經由開口 120入射至光通道114 15 200537233 娜職¥光官元件侧另包含有一延遲板i24以及一 振分光模組628。依據本發日月筮my, /έ( ± 、" η置之偏 ⑽麻佳貫補，偏振分光模组卿為呈90 度凹折的反射式S光片，可使垂直偏 偏振光則被反射回去。 找J運細而126 ’而平行 等發明申請專利範圍所做之均 【圖式簡單說明】 圖式之簡單說明 圖圖圖圖 意意Jec.思意示示“ 面面面面 *口 剖剖剖 之t t t 件件件件 元元元元 管管管管 & 1光光光光 β.®導導導導 。導g換換換換 ;BI陳肩轉轉轉轉 -t,#k振振振振 示#件偏偏偏偏 km-7t例例例.例 .#伤管施施施施 元施光實實實^· 管實導佳佳佳佳 光佳換較較較較 導較轉二三四五 換一振第第第第 轉第偏明明明明 振明中發發發發 偏發二扣和扣扣 知本圖據據據據 習示示依依依依 為顯顯為為為為 一二三四五六七 圖圖圖圖圖圖圖 圖 視 透 體 立 之 件 元 管_ 明 說 號 符 式 圖 10 偏振轉換導光管元件 12 反射鏡片 14 光通道 16 入口端 18 反射鏡片 20 開口 22 光束 24 四分之一波板 26 出口端 28 反射式極化片 32 垂直偏振光 34 平行偏振光 36 垂直偏振光 100 偏振轉換導光管元件 112 側反射鏡片 114 光通道 116 入口端 118 反射鏡片 120 開口 124 延遲板 126 出口端 128 偏振分光模組 130 成像面 223 光束 322 垂直偏振光 324 平行偏振光 326 垂直偏振光 200 偏振轉換導光管元件 428 偏振分光模組 16 200537233 300偏振轉換導光管元件 400偏振轉換導光管元件 500偏振轉換導光管元件 528 偏振分光模組 628偏振分光模組 728偏振分光模組
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