TW517172B

TW517172B - Image projection system with a polarizing beam splitter

Info

Publication number: TW517172B
Application number: TW090101200A
Authority: TW
Inventors: Douglas P Hansen; Raymond T Perkins; Eric Gardner; Mark W Lund
Original assignee: Moxtek
Priority date: 1999-07-28
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2003-01-11
Also published as: WO2001009677A1; CN1371486A; CA2380435A1; HK1048366B; BR0012784A; NO20020398D0; KR20020021158A; EP1200874A4; NO328462B1; EP1200874A1; HK1048366A1; CN1201198C; KR100795253B1; AU767996C; EP1200874B1; JP4672942B2; AU6501300A; US6234634B1; NO20020398L; JP2003506746A

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A7 B7 _ 五、發明說明（1) 本發明背景 1 .本發明镅域本發明與一可於可見光譜內操作之投影系統有關，其包括一裂束器，其反射一線性極化光，而透射另一極化光〇更明確說，本發明與此一投影系統有關，其具有一緊密、量輕之裂束器，包含多個延長形、反射性元件，以與來源光束之電磁波交互作用，以一般性透射或通過一極化光，並反射另一極化光〇 2 .舊法說明極化光在某些應用爲必需，例如投影液晶顯示（LCD ) 〇此一顯示典型上包含一光源；光學元件，例如聚合及對焦光線之透鏡；極化器，透射一極化光至液晶陣列；液晶陣列，供以操控光之極化以將其上之影像資訊編碼；用以宣告陣列各像素或者改變或者保持該極化性之裝置；第二極化器（稱爲分析器），將不必要之光線從所選擇像素排除；及影像所聚焦之螢幕〇其可能使用單一極化用裂束器（PBS)作爲第一極化器與第二極化器（分析器）二者〇若該液晶陣列爲反射性，譬如一矽液晶（LCOS)光閥，其可藉由修改所選擇像素之極化性，於將影像編碼後，將來自極化器之光束反射回該極化器。此一系統由Takanashi所構想（美國專利第5,239, 322號）〇該構想經Fritz與Gold精心製作（美國專利第 5,513,023號）〇此等類似之處理方式於光學佈置與性能上提供顯著之優點〇然而，由於習用極化用裂束器之缺點本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公犛）万· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A7 B7__ 五、發明說明（2) ，二者於實際上皆未被實現〇於投影液晶顯示使用習用極化用裂束器之缺點包括影像不明亮，具有不佳之對比，並具有不均匀之色彩平衡或不均匀之强度（由於光錐上之不均匀性能）〇此外，許多習用極化用裂束器因過度加熱而壽命短暫，且爲極昂貴〇爲使此一投影系統成功地商業化，其傳送之影像須明顯優於習用陰極射線管（CRT)電視所提供影像，因此一系統可能會比習用CRT技術更昂貴。因此，該投影系統須提供（1)具有適當色彩或色彩平衡之明亮影像；（2)具有良好影像對比；及（3)儘可能便宜〇 —改良之極化用裂束器 (PBS)爲達成此一目標之重要部份，因該PBS爲決定顯示系統潛在性能之限制組件〇明顯影響顯示性能之PBS特性爲（1 )極化器可作用之孔徑角，或f値；（2)與使用PBS有關之吸收或能量損失；及 (3)PBS之耐久性〇於光學元件內，孔徑角或f値描述PBS可使用並保持所要性能位準之光錐角度〇較大之光錐或較小之f値爲所需求，因爲較大之光錐容許從光源較多之光線被聚合，其導致較大之能量效率與較緊密之系統〇與使用PBS有關之吸收與能量損失明顯影響系統亮度，因爲於光學元件上愈多之光線損失，可投影到觀察螢幕之光線留存愈少〇此外，極化器所吸收之光能總量將影響其耐久性，尤其於通過光學系統之光線非常强烈之此等投影系統，其大小達每平方公分數瓦特時〇如此强烈之光線會容易損害常用極化器，例如偏光片〇實際上，耐久性議本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

517172 A7 B7_ 五、發明說明（3) 題限制可使用於此等應用之極化器0 耐久性亦甚爲重要，其因爲能作成愈小且愈輕之投影系統，則產品愈便宜且愈令人滿意0然而，爲達成此一目標，光線强度須提升更高，進一步加壓力於PBS，並縮短其使用壽命0 一有問題之缺點爲習用PBS裝置之不良轉換效率，其爲顯示之主要重要性能因素〇轉換效率爲描述光源需要多少電功率轉換成由觀看者所觀察之螢幕或面板上之光强度功率之量測値〇其表示爲螢幕上之總光線功率除以光源所需之電功率之比値。習用單位爲每瓦特流明〇由於許多理由，高比値爲所需求〇譬如，低轉換效率將需有較光亮之光源，及其伴隨之較大電源、過剩之熱量、較大之外殼及箱架等〇此外，低轉換效率之所有此等結果增加投影系統之成本〇低轉換效率之基本原因爲不良之光學效率，其與光學系統之f値直接相關〇 —系統之f値爲其他相等系統f値之半時，於從光源聚合光線之效率具有四倍之潛能〇因此，有需求要提供一改良極化用裂束器（PBS)，容許更有效率之獲取光能量，其藉由提供一明顯較小之可能f値（較大之孔徑角），而因此增加轉換效率，後者爲以流明/瓦特量測〇習用極化用裂束器使用於投影系統之裂束器時，與轉換效率相關之不良性能有許多理由〇第一，現行裂束器若光線不於某一角度射入時作用不佳（或至少，在環繞此一本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公慧） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----

訂---------C 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 Α7 --- Β7 五、發明說明（4) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 主要入射角之狹窄角錐內）0主要射線與此一角度之偏差引起各種極化用裂束器衰減强度、極化純度、及/或色彩平衡〇此適用於從光源來之光束與從液晶陣列反射之光束 0 此一主要角度視PBS之設計與構造及此等不同裂束器所使用極化機構之物理性質而定〇現行可獲得之極化用裂束器於電磁頻譜之可見光部份於遠離其主要極化角之角度無法有效率地操作〇此一限制使其不可能施行某些可能之光學配置及有市場希望之顯示設計〇縱使主要射線以最佳角度射入極化器供以分離該二極化現象，其他射線無法發散遠離此一角度，或其等之視覺品質將會減弱〇此於顯示裝置爲一嚴重缺點，因射入極化器之光線須强烈收斂或發散，使有效率地使用典型光源所發出之光線〇此通常表示爲光學系統之〖値〇對單透鏡而言，f値爲孔徑對焦距之比値〇對一般之光學元件，f値定義爲 f F/# = 1/(2 n s i η θ ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製其中η爲光學元件所在空間之折射率之地方，而Θ爲半錐角〇F値愈小，透鏡所收集之輻射通量φ(：愈大，而裝置顯示明亮影像將愈有效率。輻射通量爲隨F/#之倒數平方而增加。於一光學串列，具有最大F/#値之光學元件將爲其光學效率之限制因素。對使用習用極化器之顯示，限制元件通常幾乎爲極化器，故而PBS限制轉換效率〇發展一種具有F /#値較現行可獲得者爲小之PBS將明顯有其益處。由於具有小F /#値之習用極化器還無法獲得，設計者本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公_ ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A7 一 B7 五、發明說明（5) 一般藉由指定一較小、較亮之光源來處理轉換效率議題。此等典型上爲弧光燈之光源爲可獲得，但其等需要昂貴之電源供應，其重量大，體積大，且操作時需要經常冷卻〇冷卻風扇引起不必要之噪音與震動〇此等特色將危害投影機與類似顯示之效用0再者，具有小F/#値之PBS將使其能夠從低功率、安靜之習用之光源有效率地聚合光線〇習用極化用裂束器之另一主要缺點爲低消光度，其造成影像之不良對比〇消光度爲透過極化器之所要極化光線對所排除不希望極化光線之比値〇於一有效率之顯示，於通過PBS之整個光錐上此一比値必須保持於最小値〇因此，所需求爲提供一具有高消光度比値之極化用裂束器，以形成高對比影像〇習用極化用裂束器之第三缺點爲於可見光譜之不均匀回應，或者不良之色彩眞實性〇該結果爲不良之色彩平衡，其導致投影顯示系統進一步之無效率，當部份明亮色彩之光線須被拋棄，以順應極化用裂束器之弱點〇因此，所需求爲提供一改良之極化用裂束器，其於可見光譜具有均匀回應，（或良好之色彩眞實性）提供具有良好色彩平衡與較佳效率之影像〇裂束器須爲無色差，而非扭曲所投影之色彩，且其不容許於各極化間之干擾，因其會衰減影像之銳利與對比〇此等特性須施用於極化器之所有部份，並施用於發生於極化器之所有光線入射角度〇晶石狀一詞經新創（R.C· Jones, Jour· Optical Soc. Amer· 39, 1058, 1949 )以描述一極化器，其保持剖面積、立體角、及波長本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公上 ---------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 517172 A7 ___ B7 五、發明說明（6) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於極化光束之相對强度分佈〇 —作用爲極化器與分析器二者之PBS於透射與反射二者須爲晶石狀，甚至於大孔徑角之光束〇習用極化用裂束器之第四缺點爲不良之耐久性〇許多習用極化用裂束器受到過熱與光化學反應引起之損壞〇因此，有需求於提供一改良之極化用裂束器，其可承受强度之光子通量達數千小時而不顯現損壞徵兆〇此外，有需求於提供一極化用裂束器，其適合經濟性地大規模製造〇經濟部智慧財產局員工消費合作社印製爲滿足此等與其他標準之需求，造成只有數種極化器實際使用於投影系統內〇業經許多努力將寬廣孔徑角與高眞實性極化二者納入相同之裂束裝置〇此等努力之相對成功說明如下。薄膜干涉濾波器爲最常引用於嘗試製作極化用裂束器之極化器類型，其亦用作爲分析器〇 Mac Neil le 爲首先描述此一極化器，其於寬頻譜範圍爲有效（美國專利第2, 403, 7 31號）〇其組成爲薄膜多層，設定爲對入射光成對角線，典型上爲於玻璃方塊內，使其相較於片型極化器爲體積龐大且重量大〇此外，其須對單一入射角作設計，通常爲45度，且若入射光角度與此相差甚至小至2度時，其性能不佳。其他人士業對該設計加以改良（譬如J . Mouchart、J· Begel 以及Ε· Duda， Applied Optics 28, 2847-2853， 1989;以及L· Li與J· A. Dobrowolski > Applied Optics 13，2221-2225, 1996) 〇其等皆發現若孔徑角要增加時，需嚴格減少波長範圍。此可完成於某些設計（美國專利第5,658,060與5,798,819號），於光學設本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公 517172 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7) 計將光線到達極化用裂束器之前區分適當之色彩頻帶〇以此方式，其可減少裂束器之頻譜頻帶寬之需求，並擴大其孔徑角，但額外之組成與複雜性對該系統增加顯著成本、體積、與重量。雖然如此，此等改良裂束器方塊正出現於市場上，且現行可從周知廠商例如Balzers與OCLI獲得〇其等典型上提供之F/#爲f/2.5至f/2.8,其在2年前之市場上有顯著之改良，但仍然距離F/1.2至F/2.0之範圍很遠，其確然爲光學投影系統其他主要組件之可及範圍。達到此等f値時具有能力改良系統效率高達倍數4〇其等亦將使投影顯示工程師得以作成往昔不可能之折衷設計，以達成其他目標，例如減少實際大小與重量，降低成本等〇於遠離可見光學之技術，即雷達，線柵業經成功地使用於極化長波長之雷達波。此等線栅極化器亦業經使用作爲反射器。其等亦周知爲紅外線（IR)之光學組件，其等於此主要爲使用作爲透射極化器組件〇雖然未經示範，某些人士業經確認線柵極化器可能使用於頻譜可見光部份之顯示應用。譬如Grinb erg (美國專利第4, 688, 897號）建議線柵極化器作爲液晶顯示之反射器與電極二者（但非同時作爲分析器）〇其他人士則提出線栅極化器可能使用於代替雙色性極化器，改良虛擬影像顯示之效率（參閱美國專利第5,383, 053號）。然而，格栅極化器在對比或消光度之需求明顯地被摒除，而格子基本上用作爲極化敏感性之束流控制裝本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公 II-----------I----til! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 517172 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（8) 置0於第5,383,053號專利並未支援分析器或者極化器之目的〇又從該原文很清楚一寬頻帶極化方塊裂束器將支援該目的，若其一爲可獲得者〇然而，此一技術被摒除，因其使接收角度在甚至成爲可操作上限制太多，以及抑制性地昂貴0 另一專利（美國專利第4, 679, 91 0號）描述使用一格柵極化器於影像系統，其設計以測試I R照相機與其他I R工具。於此一情況，該應用需要長波長紅外線裂束器，於該情況，格柵極化器爲唯一之實用解決方法〇該專利未建議可見光範圍之效用，或甚至提到對大孔徑角之需求〇其亦未提出對光線有效轉換成可見影像之需求，或者對寬頻帶性能之需求。其他專利亦存有對頻譜紅外線部份之線栅極化器（美國專利第 4,5 14,479、4,743,0 93、及 5, 1 77, 6 35 號）〇除前述例外，重點只在極化器於I R頻譜之透射性能〇此等參照示例線栅陣列可大致如極化器作用業已知多年。不論如何，其明顯尙未企圖及發展投影系統〇線柵極化器未應用於可見光譜之可能理由爲製造困難。美國專利第4 , 514 , 479號敎導於離子製造廠光阻與後續蝕刻之全像暴晒方法，以製造近紅外線區域之線栅極化器；於美國專利第5,1 2 2,9 07號，小、延長之金屬橢圓體埋於一透明矩陣內，其後續被伸展使某些程度對正金屬橢圓體長軸0雖然透射光束被極化，但該裝置之反射不佳0再者，橢圓體顆粒尙未做得夠小，以使用於電磁頻譜之可見光部份0因 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---- ^^ ·111111· 線# 本紙張尺度適用中國國家標準(⑽織格(2,297筇)_ 517172 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（9) 此，實際應用一般限制於較長波長之I κ頻譜0 另一舊法極化器達成更細之線，其藉由輕刷角蒸發沈積（美國專利第4, 4 56, 51 5號）〇不幸，具有此等小剖面之線與可見光之交互作用甚弱，而使用於產生影像之光學效率太差〇如同許多此等舊法之努力，此一裝置具有形狀與間隔主要屬隨機性之線路〇此等隨機性損壤性能，因爲近間隔元件之區域透射不好，而寬間隔元件之區域具有不良之反射率。若此等結果任一或二者發生，當配置本身具有部份隨機性時爲必然，所造成之極化程度（消光度）小於最大値〇對完全（與近乎完全）之規則性，對劃線所發展之敫學應用良好〇相反地，對於隨機網線（縱使其等皆具有相同之方向），散射之理論提供最好之說明〇從單一圓筒形網線之散射業經說明（H.c· Van de Hulst，Light Scattering by Small Particles, Dover, 1981) 〇現行隨機意線柵具有網線埋於整個底質o不只網線之位置有些隨意，而且直徑亦然〇很清楚散射射線之相位將爲隨機，使反射將非完全鏡面，且透射將不會保持於高空間性或影像眞實性〇光束之此等衰減將防止其使用於轉移良好解析、高資訊密度影像〇舊法未指示或建議網線之整齊陣列可或應該做到，以於整個可見光範圍上操作如同晶石狀PBS，至少於當其作爲極化器與分析器二者時所需之角度。實際上，製造此等操作所需之狹窄、高、均匀間隔網線之困難業經充分記載本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297兮 ----I------裝·---I--1 訂·！ I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 517172 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1D) (參閱 Zeitner 等，Applied Optics，38，11，第 2177-2 1 8 1 頁（1 9 9 9 年），及 S c h n a b e 1 等，0 p t i c a 1 E n g i n e e r i n g ，38，2，第220-226頁（1999年））〇因此，投影之舊法同樣未建議使用晶石狀PBS作爲顯示裝置之一部份並不令人驚訝〇

Tamada與Matsumoto (美國專利第5,748,368號）揭示一線柵極化器，其操作於紅外線與可見光譜之一部份二者 ;然而，其根據觀念爲大、寬間間隔網線將於可見光之意外短波長產生共振與極化。不幸地，此一裝置只對一窄頻帶之可見光波長作用良好，而非對整個可見光譜〇因此不適合使用於產生全彩之影像〇因此，因爲極化器對一投影系統須充分無色差，此一裝置於影像顯示並不實用〇線栅極化器被忽視之另一理由爲普遍且長期存在之信念，即當光束入射角度變大時，一般線栅極化器之性能變差（G.R. Bird與M· Parrish, Jr·， nThe Wire Grid as a Near-InfraredPolarizer"J. Opt. Soc, Am·， 50，第 886-891頁，（1960年）；the Handbook of Optics ， Michael Bass，第 II卷，第 3-34頁，McGraw-Hi 1 1 ( 1 99 5^ ))〇光譜可見光部份之入射角度超過3 5度時可操作良好之設計並無報告〇亦無任何人確認造成此一入射角度限制之重要設計因素〇當體會到一成功之裂束器將同時於透射與反射二者需有適當之性能，所注意之此一設計限制變得更重要〇此一重點應値得强調。現有於I R與可見光頻譜之線柵本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297仓 ---------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) " 訂----- 517172 A7 B7 五、發明說明（ii) 極化器之文獻與專利記載幾乎完全集中於其等之使用於透射極化器，而非於反射性質上〇線栅極化器業經數十年之努力與技術文獻上之報導，而自19 60年代以來逐漸變得普遍〇不論在此一領域已完成多少工作，若有亦甚少詳細說明線栅極化器作爲反射極化器之製造與使用，且於文獻中無有關其等同時作爲透射與反射極化器二者之使用，如於晶石狀極化用裂束器使用於影像裝置所需者〇由於文獻中缺乏說明，理性硏究者推論爲線柵極化器之任何可能使用作爲寬頻之可見光裂束器爲不明確，或者技術團體一般理解爲其等使用於此一應用上爲不切實際〇由於上述習用極化器爲僅可利用者，對於Tak anas hi (美國專利第5, 239, 322號）簡化其投影裝置以任何但最粗陋之結果施作爲不可能。提供T a k a n a s h i之發明所需性能之極化器爲無法獲得，即於光譜可見光部份無色差、寬廣之角接收度、於所要光線極化之透射與反射上爲低損失、及良好之消光度比〇於透射與反射性質需要特殊性能之影像顯示系統有許多重要特色。對於一投影機而言，若來源光線要有效率地放置於螢幕上，P極化透射率與s極化反射率之乘積（RsTp) 一定要大。另一方面，宴於螢幕上達成高資訊密度所需之解析度與對比，重要的是相反的RpTs乘積一定要很小（即 s極化之透射率與p極化之反射率之乘積一定要小）〇另一重要特色爲寬接收角〇若來源之光線聚集進而轉換效率予最大化，則接收角度必須大〇 —般希欲半角大於本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼裝經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A7 B7 五、發明說明（12) 2〇度之光錐（發散或者聚合）被接收〇接收較大光錐且於大角度作用良好之能力之重要結果爲該成像系統之光學設計不再受限制。則可使用習用光源，帶來其等低成本、冷卻操作、小尺寸、與低重量之優點〇寬範圍之角度使設計者得以放置其他光學元件於有利位置，以改良該顯示之尺寸與操作〇另一重要特色爲尺寸與重量。習用技術需要使用一玻璃方塊〇此一方塊對系統施加某些需求與不利後果〇所施加之需求包括需要處理此一大塊玻璃之熱負載與需要無應力雙折射之高品質材料等，其增加額外之成本〇此外，該方塊本身之額外重量與尺寸造成困難〇如此，所需要者爲該裂束器不佔據太多體積且不要太重〇另一重要特色爲堅固0現代光源當光線被開啓後立即於極化器產生非常高之熱梯度〇最佳情況下，此會誘發熱雙折射，引起極化間之千擾〇更甚者，長期間暴露於强光造成某些材料改變性質（典型爲因光氧化而變黃）〇如此，所需要者爲該裂束器經得起高溫以及長期間之光源强輻射。仍有另一重要特色爲裂束器於入射光錐上之均匀消光度（或對比）性能〇由於S極化光之反射率相對於P極化光之差異，Me Neille型薄膜堆叠極化器生產生極化光0由於 S與P極化之定義視光射線之入射平面而定，後者之光射線於入射到極化器之光錐內改變方位，一Me Neill e型極化器在整個光錐上並不同樣地作用良好。此一缺點於McNeille 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公g) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，裝--------訂----------線

經濟部智慧財產局員工消費合阼达中沒 517172 A7 B7____ 五、發明說明（l3) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 型極化器爲衆所周知0其於投影系統設計須加以處理，其藉由限制光錐之角度大小，並藉由經由於光學系統別處使用額外之光學組件作補償〇 Me Neil le棱鏡之此一基本缺點增加現行投影系統之成本與複雜性，並經由限制裂束器之 f値或光學效率而限制系統之性能0 其他重要特色包括容易對正0製造成本與維護二者皆受組裝基準所直接影響0此等成本於組件不需低容許量之對準時可被顯著減少。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製因此，發展一種可提供明亮影像與良好影像對比且便宜之投影系統將有其效益0又發展一種具有可利用發散光線（或具有較小之F/#)、可有效率地使用光能量或具有高轉換效率之極化用裂束器，且具耐久性之投影系統亦將有其效益〇又發展一種具有高消光度比、於可見光譜上均匀回應、良好色彩眞實性之極化用裂束器，其爲晶石狀、堅固並可抵抗熱梯度之投影系統亦將有其效益。又發展一種具有可放置於大致任何入射角之極化用裂束器之投影系統，使重要之設計限制木會施加於該投影系統，但容許實際之設計彈性，亦將有其效益〇又發展一種具有通過整個入射光錐之所有角度有效率地透射P極化光並反射s極化光之極化用裂束器之投影系統亦將有其效益〇又發展一種具有極化用裂束器而重量輕且緊密之投影系統亦將有其效益〇又發展一種具有極化用裂束器而容易對正之投影系統亦將有其效益。結合所有此等特色於單一投影裝置內將於業界現況提供一重要之進展。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -16- 517172 經濟部智慧讨轰势員v4肖費A乍土卩这 A7 __B7___五、發明說明（14) 本發明目的與綜沭因此本發明之一目的爲提供一投影系統，其提供具有良好影像對比之明亮影像且便宜0 本發明另一目的爲提供一投影系統，其具有利用發散光線（或具有較小之F/#)之極化用裂束器，有效率地使用光能量，具有良好之轉換效率，且具耐久性。本發明另一目的爲提供一投影系統，其具有高消光度比、於可見光譜上均匀回應、良好色彩眞實性之極化用裂束器，其爲晶石狀、堅固並可抵抗熱梯度〇本發明另一目的爲提供一投影系統，其具有可將透射與反射極化光束任一或二者選擇性朝向大致任何角度之極化用裂束器〇本發明還另一目的爲提供一投影系統，其具有相對於來源光束放置爲大致任何入射角度可充分作用之極化用裂束器0 本發明還另一目的爲提供一投影系統，其具有不但於光錐內所有角度上有效率地透射P極化光並反射s極化光，而且亦可同樣地作用以透射s極化光並反射p極化光之極化用裂束器〇本發明還另一目的爲提供一投影系統，其具有一重量輕、緊密、堅固、且易於對正之極化用裂束器。本發明進一步目的爲提供一投影系統使用之極化用裂束器〇本發明此等及其他目的與優點爲實現於一投影系統，本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f7)_ " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝訂---------

517172 A7 B7___ 五、發明說明（l5) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 其具有一有利地爲線栅極化器之極化用裂束器〇該線栅極化用裂束器具有大致平行之薄、延長形元件配置0該配置之構造與元件之尺寸爲與來源光束之電磁波交互作用，以大致經元件透射一極化光，而從元件反射另一極化0具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束之平面之光線被透射，而定義一透射光束。相對之極化，或具有極化平行於包括至少一元件與入射光束之平面之光線被反射，而定義一反射光束0 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製系統包括一光源，用以產生一大部份非極化、可見光束〇極化用裂束器位於光束內靠近光源處〇系統亦包括一反射液晶陣列〇該陣列可位於反射或透射光束內，靠近極化用裂束器處〇該陣列調變光束之極化，而產生一調變光束〇該陣列方位爲將調變光束向後朝向裂束器〇裂束器之元件配置與調變光束之電磁波交互作用，再次大致透射一極化且反射另一極化〇如此，調變光束被反射部份定義一第二反射光束，而被透射部份定義一第二透射光束〇該陣列改變光束之極化，以於調變光束上編碼影像資訊〇該裂束器分離調變極化與未調變光束，如此於螢幕上作出可見影像〇一螢幕配置於該第二反射或第二透射光束內〇若陣列配置於反射光束，則螢幕配置於第二透射光束0若陣列配置於透射光束，則螢幕配置於第二反射光束。不像舊法龐大、重量重之裂束器，本發明之裂束器爲一大體平面之板片0該裂束器亦具有效率，如此提供系統本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） -18- 517172 A7 _____B7____ 五、發明說明（16) 之發光功效〇依據本發明之一方面，該裂束器之方位可相對於該光束與調變光束於約〇到80度間之入射角度。依據本發明另一方面，該光束具有一有效之發散光錐，其半角介於約12與2 5度之間〇該裂束器使用於小f値，最好介於約1 . 2與2 . 5之間〇依據本發明另一方面，該裂束器具有轉換效率至少爲 50%，其定義爲s極化反射光與p極化透射光之乘積（RsTp) 〇此外，s極化透射光與p極化反射光二者皆小於5 % 〇再者，調變光束之反射光百分比與透射光百分比爲大於約67 % 〇依據本發明另一方面，系統可包括一前極化器，配置於光源與裂束器之間，及/或一後極化器，配置於裂束器與螢幕之間。本發明之此等與其他目的、特色、優點與選擇方面對業界技術熟練人員而言於考慮以下詳述連同附圖將會變成很顯然〇簡要圖說圖la爲本發明之投影系統一較佳具體形式一般操作之示意圖，其使用本發明之線栅極化裂束器〇圖lb與lc爲本發明之投影系統於不同構造之示意圖。圖2a爲顯示本發明線柵極化裂束器之較佳具體形式對 S與P極化二者之波長與透射率間之關係圖示。圖2b爲顯示本發明線栅極化裂束器之較佳具體形式對本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公麵 " (請先閲讀背面之涑意事頊再填寫本真) 裝經濟部智慧財產局員工消費合作社印製經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A7 B7__ 五、發明說明（17) s與P極化二者之波長與反射率間之關係圖示〇圖2 C爲顯示本發明線栅極化裂束器之較佳具體形式之波長、效率與透射消光度間之關係圖示0 圖3爲顯示本發明線栅極化裂束器之較佳具體形式之性能爲入射角度之函數之圖示〇圖4 a爲顯示本發明線柵極化裂束器之替代具體形式之理論通過性能之圖示〇圖4b爲顯示本發明線柵極化裂束器之替代具體形式之理論消光性能之圖示〇圖4c爲顯示本發明線栅極化裂束器之替代具體形式之理論消光性能之圖示〇圖5 a爲本發明之投影系統一替代具體形式之一般操作示意圖0 圖5b與5c爲本發明之投影系統不同構形之示意圖〇圖6爲本發明之投影系統一替代具體形式之一般操作示意圖〇圖7爲本發明線栅極化裂束器之透視圖〇圖8爲本發明線栅極化裂束器之剖面側視圖〇本發明詳述現將參考附圖，其中本發明各不同元件將給予號碼指示，而本發明將就其討論，使業界技術熟練人員得以製造與使用本發明〇如圖1 a所例示，所顯示爲本發明之投影系統之顯示光學串列，以10整體指示。投影系統10有利地具有一線栅極

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公务:L (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一 · n n ί ί I n 一：口t · H ϋ n ϋ l I .

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A7 B7___ 五、發明說明（18) 化器作爲裂束器，以14整體指示〇該線栅極化裂束器 14(WGP-PBS)有效率地反射從光源20之一極化光線到反射性液晶陣列2 6，然後有效率地透射相反極化之反射光線至顯示螢幕25 〇爲適當光學效率，WGP-PBS 14必須對來自光源20之所要極化具有高反射率Us)，且其必須對來自液晶陣列26之相對極化具有高透射率（Tp ) 〇轉換效率爲與此二者之乘積，RsTp，成比例，如此於一因素不足可藉由另一因素之改良而補償至一程度。本發明之線柵極化裂束器14之範例有利地顯示以下特色，其示範於顯示裝置使用本發明之WGP-PBS 14作爲頻譜可見光部份之極化器與分析器二者之優點〇進一步改良之理論計算顯示會有更好的極化用裂束器。參考圖2a與2b ; 所示分別爲WGP-PBS對S與P極化所量測之透射率與反射率。於圖2c，所示WGP-PBS之效率爲透射率與反射率之乘積〇此外，圖2c亦示有消光度〇於圖 2卜2(：，〜0?488之方位爲對入射角度30度、4 5度與6 0度反射s極化而透射p極化〇對一投影系統例如投影機，若來源光線要有效率地放到螢幕上時，反射s極化與透射p極化之乘積（RsTp)—定要大〇換句話說，要於螢幕上達成高資訊密度所需之解析度時，重要的是其相反之乘積（RsTp)要很小，即s極化光之透射乘以p極化光之反射一定要小〇從圖中很清楚得知本發明之_栅極化裂束器於整個頻譜上滿足此等標準，而無Rayleigh共振或其他現象之衰減。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）一21- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線〕 517172 A7 --- B7 五、發明說明（I9) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 另一重要特色爲寬接收角。若來源之光線聚集進而轉換效率予最大化，則此角度必須大〇參考圖3，所示爲本發明之線栅極化裂束器對對中環繞傾向45度光軸之光錐各不同部份之性能〇於圖3，第一參考角度爲於入射平面之角度，而第二參考角度爲於垂直入射平面之平面上之角度 0 很清楚得知本發明之WGP-PBS能接收半角介於約12至25 度間之光錐（發散或者聚合）〇參考圖4a“c，一線柵極化用裂束器之替代具體形式之理論計算顯示明顯更大之光錐及/或其他增强作用將爲可能。圖4a與4b分別顯示一周期p減至130奈米之線栅極化裂束器之理論通過量與消光度。此外，格栅高度或厚度爲 130奈米；線間隔率爲0.48 ;底質凹槽深度爲5 ϋηηι ;而底質爲ΒΚ7玻璃。於圖4a要注意該通過量之類組較圖2c所示之通過量更爲接近〇因此，可藉由減少周期P改良性能〇於圖4b要注意消光度較圖2c明顯增加。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製圖4c顯示周期p進一步減少之線栅極化裂束器另一替代具體形式之理論消光度〇波長爲420奈米，而入射角度爲3 0度〇要注意當周期p減少時，消光度顯著增加。如上所示，以在大角度作用良好WGP-PBS接收較大光錐之能力之重要結果爲該PBS不再限制影像系統之光學設計〇如此，則可使用習用光源，優點爲其等之低成本、較冷之操作、小尺寸、與低重量〇 WGP-PBS作用良好之寬角度範圍使設計者可放置其他光學元件於有利位置，以改良該顯示之尺寸與操作0參考圖lb與lc，示範本發明PBS之張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297)_ 517172 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 _ 五、發明說明（20) 寬角度範圍所提供之設計彈性。如圖lb所示，光源20與陣列26可放置靠近在一起，二者相對於PBS 14皆有一相當小之入射角度。此一構造對系統1 〇之緊密組件設計有利。或者，如圖lc所示，光源20與陣列26可放置分離更遠，二者皆具有一相當大之入射角度〇要注意於任一情形，入射角度變化與習用裂束器典型所需之45度角離很遠。線栅之其他特色爲顯示單元提供各項優點〇習用技術需要使用一玻璃方塊〇此一方塊對系統施加某些需求與不利後果〇所施加之需求包括需要處理此一大件玻璃之熱負載，需要無應力雙折射之高品質材料等，其增加額外之成本，及方塊本身之額外重量與尺寸。本發明之WGP-PBS有利爲一分離或圖案化之薄膜，其不佔據許多體積且不會太重〇其甚至可與其他光學元件例如濾色鏡成一體或納於其內，以進一步減少投影系統之零件計數、重量、與體積〇本發明之WGP-PBS亦非常堅固。現代光源當光線被開啓後立即於極化器產生非常高之熱梯度〇最好情況下，此會引發熱與應力雙折射，引起極化間之串擾〇最差時，其能剝離多層極化器或引起方塊裂束器之接合界面分離〇更甚者，長期間暴露於强光造成某些材料改變性質（典型爲因光氧化而變黃）〇然而，線栅極化裂束器爲由化學惰性金屬作成，其良好地附著於玻璃或其他底質材料〇其等業經顯示爲經得起高溫以及長期間之光源强輻射〇本發明之WGP-PBS亦爲容易對正〇其爲需要調變之單一零件，使來源光束朝向液晶陣列上。此爲與平鏡所使用本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公g) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _裝 ϋ n —i ft— 9 ϋ n n n ϋ n n 517172 A7 ________ B7 五、發明說明（21) 相同之簡單程序。其有另一調變參數，即環繞WGP表面之法線之角度旋轉〇此決定光束內極化之方位0此一調整爲不重要，因爲WGP作用爲其本身之分析器，而就此一意義而言不能不對正。若於光學串列有其他極化用元件，WGp-PBS方位須相對於其等之極化，但稍微欠對正則非重要，因爲：依據Mains定理，若其等之極化軸近乎平行（或垂直），角度變化對極化器所透射强度產生之差異極小0

I 爲與習用極化器競爭，RsTp乘積須大於約5 0% 〇此表示一較低估計値，其只於WGP-PBS可較習用之極化用裂束器從光源聚集明顯更多光線時有其實用性〇 50 %之估計値源自一假設，其爲最佳習用裂束器之現代MacNeille方塊裂束器於最佳情況下最多可傳送之F /#約爲f / 2 J 〇則二倍快速或可聚集多達二倍光線之光學系統將具有F /#爲此値之l/v/2,或約f/1.8,其於光學投影系統當然爲一合理之 F /#〇 —種快二倍故而可從光源聚集二倍光線之系統將約2 倍於習用方塊裂束器對RsTp乘積減小進行補償〇形成等値之投影系統性能。實際上，由於WGP-PBS潛在可被使用於低至f /1 ·· 2 (四倍增加），此一表面上之低限仍可產生非常明亮影像。當然，超越此一最小値之KsTp乘積將提供更佳之性能。另一重要性能因素爲影像之對比，定義爲光强度對黑暗像素之比率〇 WGP-PBS與舊法方塊裂束器例如MeNei 1 le 稜鏡比較之一明顯優點爲於綜合入射角度上之改良對比ο McNei 1 U稜鏡之物理性質利用某些角度上s對Ρ極化之反射本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

I n .^1 I n n ϋ^dJ· n n ·1 —i ϋ ϋ n I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A7 B7_ 五、發明說明（22) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 率差將光線極化〇由於S與P極化定義爲相對於入射平面，當考慮光錐內各種射線時，對光錐內一特別射線之有效S 與p極化爲沿光軸相對於該射線旋轉。此一行爲之結果爲衆所週知之綜合角度問題，其中極化器之消光度於通過極化用裂束器之光錐之某一範圍角度內被顯著減少，明顯減少該光錐上之平均對比〇另一方面，WGP-PBS使用不同之物理機構完成光線之極化，其充分避免此一閛題。此一行爲之差異爲該極化爲由裂束器之線栅所造成，其不論入射平面如何，對光錐內任何特別射線皆具有相同之空間方位〇因此，即使當入射於Me Neill e稜鏡或WGP之入射平面對任何特別射線爲相同時，於Me Neill e稜鏡之情況，極化結果只視入射平面而定，意謂WGP之綜合角度性能較方塊裂束器所提供者更爲改良〇經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 WGP-PBS之功能與入射平面無關之事實意指WGP-PBS可實際用於定向於任何方向之線或元件。本發明較佳具體形式具有元件方位平行極化器環繞傾斜之軸，使光線以一角度射入WGP-PBSo 此一特別方位爲較佳，因其使底質表面反射之極化效果加成到格柵之極化效果。然而，可能生產一種WGP-PBS ，其功能於某一範圍之入射角度反射p極化並透射s極化（其與本文大致說明者正好相反），其藉由旋轉格栅元件，使其等垂直WGP-PBS之傾斜軸。同樣，格栅元件可放置於對傾斜軸成任意角度，以獲得一 WGP-PBS ，其功能爲將極化與此一任意角度投影對正之光線透射與本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公g) 517172 A7 B7___ 五、發明說明（23) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 反射到該光束之波前上〇因此很清楚該反射P極化與透射 s極化之WGP-PBS，或反射與透射極化方位朝向任意角度之光線者皆包括於本發明內〇 WGP-PBS之綜合角度性能優點對整個光錐提供本質上更均匀之對比，且爲該WGP適合非常小f値之一個理由。但當然此非影響影像對比之唯一因素〇影像對比大幅度受轄於不合宜極化之低洩漏，但在此種情況下，TsRp乘積非爲重要參數，因爲位於依序與裂束器第一次相遇之後但於第二次相遇之前之影像產生陣列亦參予影像對比之生成〇因此，最後之系統對比將視光閥性能以及極化器消光度而定〇然而，所需裂束器性能之下限可假設光閥性能爲充分足夠來加以決定，其可認爲具有一本質上無窮大之對比〇於此一情形，系統對比將完全依裂束器性能而定〇經濟部智慧財產局員工消費合作社印製參考圖la，其由裂束器14完成二個不同之功能。第一爲於極化光線撞擊液晶陣列26或其他適當影像產生裝置之前製備該極化光線〇此處之需求爲該光線被充分良好地極化，任何由光閥所產生光束極化之變化可被適當偵測或分析，使最後影像將滿足所要之性能位準。同樣地，裂束器 14必須具有足夠之性能，以分析被光閥向後導向裂束器之光線，使達成所要之系統對比性能。

此等下限可相當容易確定。由於效用與影像品質之理由，可懷疑具有對比小於10 : 1 (亮像素對相鄰之暗像素 )之影像會具有更大之效用。譬如，此一顯示對高密度文稿將無實際用途。若假定最小顯示系統對比爲1 ϋ : 1 ,貝IJ ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公g ) 517172 A7 B7 五、發明說明（24) 需要之入射光束爲具有於所要極化狀態之光線爲所不要極化狀態者之至少1 〇倍。以極化器性能而言，此將描述爲具有10 : 1只稱爲10之消光度。將要分析影像之與裂束器14第二次相遇須能夠通過正確之極化狀態光線，同時消除大部份所不要狀態之光線〇再次，從以上假定一光束具有以極化狀態編瑪之影像，而此一光束具有假定爲10 : 1之比，則需要有一裂束器，其保持此一 10 : 1之比，以滿足系統對比爲10 : 1之目標。換句話說，需要將所不要極化之光線相對於正確極化者以一因數1 〇加以減少。此再次將裂束器之分析功能導至10 : 1 之最小消光性能0 顯然，若裂束器之極化器與分析器功能之任一者或二者具有較高之消光性能，則將出現較高之系統對比0又很明顯，其不需該裂束器之分析器功能與極化器功能二者之性能相符以適當執行一投影系統，裂束器之極化器與分析器性能之上限較難確定，但很明顯超過約20, 00 ϋ之消光度於此一應用爲不需要0如高品質戲院所見之良好品質電影投影系統典型上不具有影像對比大於約1 00 0，且可懷疑人類眼睛能可靠地分辨對比範圍爲數千之影像與對比爲超過 10, 00 0者。假設有一需求爲產生具有對比對數千之影像，並假設此技術之光閥存在，裂束器之消光度上限於10,000 至20,000之範圍將足夠0 以上描述之線柵裂束器最小與最大界限爲啓發性者，但如以上所示從線栅裂束器之示範與理論性能爲很明顯，本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公g) 丨！费 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

517172 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（25) 可達成較此更佳者〇依據此一資訊，較佳具體形式具有 RsTp^ 65 %，而ϋρ或Ts或二者皆^ 67 %，如圖2a-2c所示〇該較佳具體形式亦將使用線柵極化裂束器，其模式爲反射光束被導至影像產生陣列，而該陣列將該光線向後導至裂束器，使其通過或透射過該裂束器。此一較佳具體形式爲圖1 a所示〇另法，如圖5a之影像顯示系統60所示，線栅極化裂束器14可有效率地透射從來源20之一極化光線至反射性液晶陣列26，然後有效率地反射相反極化之反射光線至顯螢幕 25 〇投影系統60之第二具體形式爲類似圖la所示之較佳具體形式，除該裂束器14之使用方式以外，其將爲來源光束被透射或經過裂束器14並導至影像產生陣列26，然後向後反射至該裂束器14,於此被裂束器14反射並於在螢幕25上顯示前被分析〇再一次，參考圖5b與5c，其示範本發明之PBS之寬範圍角度所提供之設計彈性。如圖5b所示，陣列2(5與螢幕25 可放置較靠近在一起，而二者相對於PiiS 14皆具有一相當小之入射角度。或者，如圖5c所示，陣列26與螢幕25可放置較爲分開，而二者皆具有相當大之入射角度〇如圖6所示，投影系統80之第三具體形式提供一替代性系統設計，其可協助達成所要之系統性能位準〇此一第三具體形式將包括一或多個額外之透射或反射性極化器，其與線栅極化裂束器串聯作業，以增加極化與分析功能任一者或二者之消光度，以達成所需之系統對比性能。額外 C請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

MW « — — — — — — I — Λ-· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297兮g) 517172 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（26) 極化器之另一理由將爲施行極化復元設計，以增加系統效率。一前極化器82配置於光源20與WGP-PBS 14間之來源光束內。一後極化器或清除極化器84配置於陣列26與螢幕25 間，或WGP-PBS 14與螢幕25間之調變光朿內，或從陣列26 之反射光束內〇第三具體形式仍將實現線栅裂束器之較大光錐、耐久性之優點，及上述其他優點0 如各圖所示，影像顯示系統亦可使用聚光光學設施9〇與投影光學設施92〇參考圖7與8，本發明之線栅極化裂束器I4爲以更細部顯示。極化裂束器於共同申請中之美國申請案09/390,833 號有更進一步之討論，其於1 999年9月7日提出，標題爲 ’'Polarizing Beam Splitter’1，係以指述方式納入本文。如該共同待決之申幽案所述，極化裂束器I4具有一格栅30，或一陣列之平行、導電元件配置於一底質4〇上〇光源20產生之來源光束130入射於極化裂束器14上，而光學軸對法線之角度爲Θ，入射平面最好正交於導電元件〇 — 替代具體形式將使入射平面置於對導電元件平面成一角度 Θ，而Θ約爲45度〇還另一替代具體形式將使入射平面置於平行導電元件。極化裂束器I4將此一光束130分成一鏡反射成分14ϋ與一透射成分150 〇使用S與P極化之標準定義，S極化之光線具有極化向量正交於入射平面，及而平行於導電元件〇相反地，Ρ極化之光線具有極化向量平行於入射平面，及而正交於導電元件0 理想上，極化裂束器1 4對S極化光線將作用爲一標準 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ϋ I n n · ϋ I n n I «I ϋ 参· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公 517172 A7 B7___ 五、發明說明（2 ?) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 鏡，而對P極化光線將爲完全透明〇然而實用上，縱使使用最反射性之金屬作爲鏡子亦會吸收部份入射光線，故而該WGP將只反射90 %到95 %，而平面玻璃由於反射表面之故，亦不透射1 〇〇 %之入射光線。線柵裂束器14必須以群組最佳化以達成所需性能之主要物理參數包括：線栅30之周期p、格栅元件30之高度或厚度t、格栅元件30之寬度w、及格栅元件側邊之斜度。檢視圖8將注意到格柵元件之一般剖面30本質上爲梯形或矩形。此——般形狀亦爲較佳具體形式之極化裂束器14之必要特色，但由於製造程序而於格栅元件基底30有自然的小變化，例如轉角50與內緣59之圓化〇經濟部智慧財產局員工消費合作社印製又應注意線栅30之周期p須爲規則性，以達成滿足裂束器I4之影像傳眞需求所要之鏡面反射性能〇雖然具有完全規則與均匀之格柵3 0明顯較佳，某些應用會具有較鬆之需求，而此則非絕對必需。然而，相信於整個影像有意義尺寸上（例如於文字顯示內單一字母之大小，或於影像內之數個像素）之周期P變化小於1 〇 %爲達成所需性能所必要者〇同樣，所述其他參數例如格栅元件寬度w、格柵元件高度t、側邊斜度、甚或圓角50與內緣54於整個裂束器 1 4上之合理變化亦爲可能，而不實際影響顯示性能，尤其當於通常情形該裂束器14不在光學系統內之影像平面時〇此等變化於完成之裂束器14甚至爲可見到者，如邊紋、透射效率變化、反射效率、彩色均匀性等，並仍提供投影系本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公%) 一 '^ 517172 A7 B7 五、發明說明（28) 統特定應用於之有用部份〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此等參數最佳化須滿足之設計目標爲產生可能之最佳效率或通過量，同時滿足該應用之對比需求。無上所述，極化裂束器14所需之最小實用消光度大小爲10 0業經發現裂束器14要具有有價値乘積之最小需求通過量（KsTp)約爲 50%，其表示Rp與Ts任一者或二者皆須大於約67% 〇當然，裂束器之通過量與消光度二者之較高性能有其價値，而提供一較佳之乘積。爲了解此等參數如何影響線栅裂束器之性能，須檢視各參數對入射角度45度與可能之其他注意角度所產生於性能之變化〇線栅裂束器14之性能爲周期P之函數。線栅元件3 0之周期P須落於約〇·21/χ m以下，以產生於整個可見頻譜具有合理性能之裂束器1 4，雖然對業界技術熟練人員將很明顯該較大周期之裂束器於預計顯示少於可見光全頻譜系統例如只有紅色、紅色與綠色等有其效用。線栅裂束器1 4之性能爲元件高度或厚度t之函數〇線栅高度t須介於約0·〇4與0.5之間，以提供所需性能。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製線栅裂束器14之性能爲元件30之寬度周期比（w / ρ )之函數。格栅元件30相對於周期p之寬度w須落於約〇 . 3到 0 . 76之範圍，以提供所需性能〇線栅裂束器I4之性能爲元件30側邊斜度之函數。格栅元件30側邊之斜度離水平最好大於68度，以提供所需性能〇要了解本發明所述具體形式只爲例示性，而對業界技本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公華^ 517172 A7 B7 五、發明說明（29) 術熟練人員會出現許多修改〇譬如，於底質上之線栅極化裂束器含有光學倍率，使線栅裂束器組合或整合於其他元件，以減少光學設施之數目、系統重量、系統體積、或達成其他所要屬性〇對業界技術熟練人員確實將會出現其他變化，使本發明所達成之設計彈性較舊法明顯增加〇因此，本發明不應視爲受所揭示具體形式之限制，而只受限於本文所附申請專利範圍之定義〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公K) 2 _

Claims

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 · 一種提供明亮與清楚影像之投影系統，該系統包含一光源，產生一可見光光束；一極化裂束器，位於該光束內靠近光源，且方位爲相對於該光束成一角度，該裂束器包含：一透明底質，具有第一表面位於該光束内，而該光束以一角度撞擊該第一表面，及由底質所支承大致平行配置之薄、長形元件，該配置之構造與各元件之尺寸爲使與來源光束之電磁波交互作用，以大致用以（i )經過各元件將具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，其界定一透射光束，及（i i )從各元件將具有極化方位平行於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線反射，界定一反射光束；一反射陣列，位於反射或者透射光束內靠近極化裂束器，該陣列藉由選擇性改變光束之極化以調變該光束之極化，以編碼其上之影像資訊，並產生一調變光束，該陣列之方位爲將調變光束向後導至極化裂束器；該裂束器進一步位於調變光束內，且方位爲相對於調變光束成一角度，而該裂束器各元件之配置與調變光束之電磁波交互作用，以大致用以（i )經過各元件將具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，其界定一第二透射光束，及（ii)從各元件將具有極化方位平行於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 -------------· I------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 517172 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍線反射，界定一第二反射光束，以從調變光束分離出未改變極化者；以及一螢幕，位於第二反射光束或者第二透射光束內，用以顯示該編碼影像資訊〇 2 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該裂束器爲一大體平面之板片◦ 3 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該裂束器方位相對於光束或調變光束成一入射角度介於約〇到8 ϋ度之間〇 4 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該裂朿器方位相對於光束或調變光束成一入射角度大於47度或少於43度〇 5 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該光束具有一有效之發散光錐，其半角介約12與2 5度之間〇 6 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該裂束器使用於F値小於約f / 2 . 5 〇 7 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該裂束器具有一通過量爲至少50 %，其定義爲P極化透射光線分量與s 極化反射光線分量之乘積；且其中s極化透射光線與p極化反射光線二者皆小於5 % 〇 8 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該裂束器具有一通過量爲至少50 %，其定義爲s極化透射光線分量與p 極化反射光線分量之乘積；且其中P極化透射光線與s極化反射光線二者皆小於5 % 〇本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297j ---------------------^---------. (睛先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍〇 . 7微米之間；一極化裂束器，位於該光束內靠近光源，且方位爲相對於該光束成一角度，該裂束器包含：一透明底質，具有第一表面位於該光束内，而該光束以一角度撞擊該第一表面，及由底質所支承大致平行配置之薄、長形元件，該配置之構造與各元件之尺寸爲使與來源光束之電磁波交互作用，以大致用以（i )經過各元件將具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，其界定一透射光束，及（i i )從各元件將具有極化方位平行於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線反射，界定一反射光束；一反射陣列，位於反射光束內靠近極化裂束器，該陣列藉由選擇性改變反射光束之極化以調變該反射光束之極化，以編碼其上之影像資訊，並產生一調變光束，該陣列之方位爲將調變光束向後導至極化裂束器；該裂束器進一步位於調變光束內，且方位爲相對於調變光束成一角度，而該裂束器各元件之配置與調變光束之電磁波交互作用，以大,致用以（i )經過各元件將具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，其界定一透射光束，及（i i )從各元件將具有極化方位平行於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線反射，以從調變光束分離出未改變極化者；以及一螢幕，位於透射光束內，用以顯示該編碼影像資訊本紙張尺度i用f國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297麥屢上 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^ «1ΙΙΙΙΙ1 — 517172 哩齊讨菱5隆11肖費> 乍土，f沒 A8 B8 C8 _ _ D8 六、申請專利範圍〇 17 ·如申請專利範圍第16項之系統，其中該裂束器方位相對於光束或調變光束成一入射角度介於約0到81)度之間〇 1 8 ·如申請專利範圍第1 6項之系統，其中該光束具有一發散光錐，其有效半角介約ί2與2 5度之問〇 1 9 ·如申請專利範圍第1 6項之系統，其中該裂朿器使用於F値小於約f / 2 . 5 〇 20·如申請專利範圍第16項之系統，其中該裂束器具有對光束之通過量爲至少65 %，其定義爲反射光線分量與透射光線分量之乘積；且其中反射光線分it或透射光線分量爲大於約0 . 67 0 21 ·如申請專利範圍第16項之系統，其中各元件之配置具有一周期小於約〇·21微米，其中各元件具有一厚度介於約〇· 〇 4到0 · 5微米之間，及其中各元件具有一寬度介於該周期之約3 0到7 (5 %之間〇 22·—種投影系統，包含：一光源，產生一可見光光束，具有波長介於約〇 · 4與〇 . 7微米之間；一極化裂束器，位於該光束內靠近光源，且方位爲相對於該光束成一角度，該裂束器包含：一透明底質，具有一表面位於該光束內，而該光本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 " · (請先閱讀背面之注意事項再填窵本頁) $ 裝訂·-

517172 A8 B8 C8 一 D8 六、申請專利範圍束以一角度撞擊該表面，及由底質所支承大致平行配置之薄、長形元件，該配置之構造與各元件之尺寸爲使與來源光束之電磁波交互作用，以大致用以（i )經過各元件將具有極化方位垂直於包栝至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，其界定一透射光束，及（i i )從各元件將具有極化方位平行於包 ί舌至少一元件與入射光束方向之平面之光線反射；一反射陣列，位於透射光束內靠近極化裂束器，該陣列藉由選擇性改變透射光束之極化以調變該透射光束之極化，以編碼其上之影像資訊，並產生一調變光束，且其方位爲將調變光束向後導至極化裂束器；該裂束器進一步位於調變光束內，且方位爲相對於調變光束成一角度，而該裂束器各元件之配置與調變光束之電磁波交互作用，以大致用以（i )經過各元件將具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，及（i i )從各元件將具有極化方位平行於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線反射，其界定一反射光束，以從調變光束分離出未改變極化者，藉此擷取調變光束內之影像資訊；以及一螢幕，位於反射光束內，用以顯示於調變光束所擷取之影像資訊〇 2 3.如申請專利範圍第22項之系統，其中該裂束器方位相對於光束或調變光束成一入射角度介於約0到80度之間〇本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 517172 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 24 ·如申請專利範圍第22項之系統，其中該光束具有一發散光錐，其有效半角介約12與25度之間。 25 ·如申請專利範圍第22項之系統，其中該裂朿器使用於F値小於約f / 2 . 5 〇 26·如申請專利範圍第22項之系統，其中該裂束器具有對光束之通過量爲至少65%，其定義爲反射光線分量與透射光線分量之乘積；且其中反射光線分量或透射光線分量爲大於約0 . 67 〇 27 ·如申請專利範圍第22項之系統，其中各元件之配置具有一周期小於約〇 · 2 1微米，其中各元件具有一厚度介於約〇·〇4到〇·5微米之間，及其中各元件具有一寬度介於該周期之約30到76 %之間〇 28·—種投影方法，該方法包含：使用一光源產生一來源光束，具有波長介於約0.4與〇 . 7微米之間；使用一極化裂束器，充分分離來源光束之各極化，其配置於該來源光束內，該裂束器包含：大致平行配置之薄、長形元件，其構造與尺寸爲使與來源光束之電磁波交互作用，以大致用以（i )經過各元件將具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，其界定一透射光束，及（U)從各元件將具有極化方位位於包括至少一元件與入射光朿方向之本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) «I n ·1 n n n n 一 t n n *-1 ϋ ·1 I I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製經濟部智慧財羞局員工消費合作社印负 517172 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍平面之光線反射，其界定一反射光束；調變該透射或者該反射光束並產生一調變光朿，其藉由使用一配置於該透射或者反射光束內之陣列以選擇性改變該光束之極化；使用配置於調變光束之極化裂束器充分分離該調變光束之各極化；各元件與調變光束之電磁波交互作用，以大致用以（i )經過各元件將具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，界定一笕二透射光束，及（i i )從各元件將具有極化方位位於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線反射，其界定一第二反射光束；以及於一螢幕上顯示第二透射光束或者第二反射光束〇 29.4以產生可見影像之影像顯示系統，該系統包含擎參一光源，供以發射具有波長範圍介於約0.4到ϋ. 7微米間之來源光束；一液晶陣列，其配置與方位爲承接並調變至少該來源光束之一部份，並產生一調變光束，該調變光束含有影像資訊；一螢幕，其配置與方位爲承接並顯示至少一部份之調變光束；及一極化裂束器，配置於來源光束與調變光束二者之內，該裂束器使用於一 F値小於約f/2.5 ，該極化裂束器包含·· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

517172 Α8 Β8 C8 D8 、申請專利範圍大致平行配置之薄、長形元件，其構造與尺寸爲使與來源光束之電磁波交互作用，以大致用以（i)經過各元件將具有極化方位垂直於包括至少一元件與入射光束方向之平面之光線透射，其界定一透射光朿，及（ii)從各元件將具有極化方位位於包括至少一元件與入射光朿方向之平面之光線反射，而界定一反射光束；且其中該裂束器之方位相對於來源光朿成一入射角度介於約10到8ϋ度之間〇 3 0.如申請專利範圍第29項之系統，其中各元件之配置具有一周期小於約0.21微米，其中各元件具有一厚度介於約到〇·5微米之間，及其中各元件具有一寬度介於該周期之約30到7 6 %之間〇 31 .如申請專利範圍第29項之系統，其中該陣列爲配置於反射光束內，且其中該螢幕爲配置於第二透射光束內0 32 .如申請專利範圍第29項之系統，其中該陣列於配置於透射光束內，且其中該螢幕配置於第二反射光束內0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · I I I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297