TW546492B - Modified X-cube arrangement for improved contrast projection display - Google Patents

Description

546492 玖、發明說明： 發明領域 本發明係有關用於投影顯示的一光學系統，尤係有關一 種使用修改後X稜鏡配置之光學系統，此種光學系統大幅 降低了採用習用技術的X棱鏡配置時通常會產生的眩光及 重像。此外，本發明的修改後X棱鏡配置減少了多餘的反 射，因而提供了比習用技術X棱鏡的對比更佳之影像。最 好是將本發明用於三色高解析度之投影顯示器。 發明背景 使用空間光調變器（Spatial Light Modulator ;簡稱SLM) 的三色高解析度顯示器需要三個SLM以產生影像。每一 SLM操作紅（R)、綠（G)、及藍（B)等三種彩色中之一種彩色。 所得到的全彩影像是個別紅、綠、及藍影像在螢幕上的重 疊。液晶（Liquid Crystal ;簡稱LC)光閥是一種習知的SLM。 三色架構的一典型習用技術配置係示於圖1。更具體而 言，圖1示出一種習用技術配置（10)，該配置（10)使用三個 透射型光閥（或SLM)(12)、（14)、（16);而一種彩色配用一 光閥。工作原理係基於對每一像素的入射光之偏振旋轉。 當將一透射液晶光閥置於各偏光鏡之間時，在該光閥中形 成形成一影像。在一投影系統中，三個光閥中之每一光閥 各控制三種個別彩色成分中的一種彩色成分之影像形成。 完整的投影系統通常使用一白炙弧光燈源（1 8)，該白炙弧 光燈源（18)之前方設有二色滤色鏡（20 A)及（20B)，用以將入 射白光分成紅光（R)、綠光（G)、及藍光（B)的成分。每一色

O:\60\60621-920530 DOC 546492 彩成为被導向三個光閥中之一個光閥。一偏光鏡（2 2)係置 於每一光閥的輸入處，以便只選擇一種偏振狀態進入該光 閥。一第二偏光鏡（24)係置於三個光閥的每一光閥之後， 以便選擇形成影像的光。通常利用一 X棱鏡（26)來合成個別 紅、綠、及藍光閥所產生的影像，以便形成完整合成影像。 一投影透鏡（28)完成該系統，將該影像放大，並將該影像 投影在一螢幕。 在市場上可購得使用透射光閥的若干種投影系統。然 而’為了使光閥能夠具備高解析度顯示器所需的較多數目 之像素’液晶平板的尺寸將變大。生產極小的像素的透射 光閥是很難的，這是因為光閥作業時所需的電路將把通過 像素的光通路遮掩到無法容忍的程度。在高解析度的應用 中’出現了替代性的反射型光閥。在反射模式中，可將反 射鏡結構直接製作在電路之上。此種模式可以得到較小的 像素區’而不會因電路而擋住光通路，因而可以得到最大 的光通過量。 上述組態及採用反射型液晶光閥的其他投影顯示哭採用 了類似於圖2所示之一光學配置。利用若干二色鏡（圖2中並 未不出）’將來自一照明系統（圖2中亦未示出）之光線分成红 色（R)、綠色（G)、及監色（B)光束。每一彩色光束被導向鄰 近一反射光閥（Light Valve ;簡稱 LV)(48)、（5〇)、及（52)之 各別對應偏振光束为光器（Polarizing Beam Splitter ;簡稱 PBS)(42)、（44)、及（46)。如圖所示，PBS (42)及 lv(48) 對紅光有選擇性，PBS (44)及LV (50)對綠光有選擇性，而

O:\60\6062l-920530 DOC 546492 PBS (46)及LV (52)對藍光有選擇性。每一偏振光束分光器 將一偏振光束指向其光閥，而處於黑暗狀態的該光閥通常 之作用係類似於一反射鏡。此外，每一偏振光束分光器包 含一個二色塗層，而該二色塗層對反射一特定彩色的光線 具有選擇性。在圖2中，PBS (42)包含一紅光專用的二色塗 層（R ) ’ PBS (44)包含一綠光專用的二色塗層（G，），而pBS (46)包含一藍光專用的二色塗層（B，）。 入射光在不會改變偏振的情形下被反射回到偏振光束分 光器，且因此又在該PB S上被反射回到光源。如果將一電 壓施加到液晶層，則產生一偏振旋轉，且反射光束透射過 該偏振光束分光器，而進入一 X棱鏡（54)。 X棱鏡（54)包含4個施加有二色塗層的直角棱鏡，且該等4 個直角稜鏡被黏合而形成一稜鏡。該棱鏡之特性如下：藉 由小心對準構成該棱鏡的四個直角稜鏡，而在該稜鏡内包 含兩個特足彩色之反射平面。通常一種塗層將只反射紅光 (R)，而另一塗層將只反射藍光（B)。在該例中，綠（G)光將 透射過該兩種塗層。在各圖式中，將對紅光具有選擇性的 二色塗層標示為（Rf)，而對藍光具有選擇性的二色塗層標示 為（B’）。然而，實際上，二色塗層可能不是完美的，亦即， 藍光（B)塗層實際上可能反射小量的紅（11)光，因而可能在 該棱鏡内產生未預期到的且多餘的额外光路徑。 進入該X棱鏡的紅（R)光被—紅光反射二色塗層（R，）反射 到一個圖中並未示出的投影透鏡。同樣地，進入該X棱鏡 的適當面之另一彩色光束（例如藍色光束）被反射到一個進

O:\60\60621-920530 DOC 546492 入該投影透鏡之共同光束。亦即，該X稜鏡係作為一彩色 合成元件’用以將紅光、綠光、及藍光自三個調變光閥重 新導向到一個進入該投影透鏡之共同光束，以便在一遠端 的勞幕上產生影像。 圖2所示這類習用X棱鏡的一主要問題在於：在該棱鏡的 各二色塗層之間發生的多餘之反射。該問題係示於圖 3(a)-(b)。更具體而言，來自一紅色單元的光束必須通過一 藍光反射塗層（B’），才能到達將該光束導向投影透鏡之紅光 反射塗層（R1)。虛線所示的小量紅光被圖示的藍光反射塗層 (Bf)反射到紅光反射塗層（R')，此時該紅光被重新導向光閥 (48)，並隨即產生一個可能到達投影透鏡的新的多餘之光 束（虚線）。 縱使以上述方式反射的小量光線也可能產生一未聚焦的 背景照明，此種未聚焦的背景照明在其他的黑暗區域中提 高了光度，因而明顯地降低了對比。類似的效應可能發生 在圖4中直通通道以外的其他通道。上述的效應可能相當程 度地降低了影像的對比，而將自光閥上的一明亮區域產生 的光線與自該光閥上的一黑暗區域產生的光線比較時，即 可度量出該影像對比的降低。以電子方式將光閥的某些區 域驅動到完全開啟並將該光閥的其他區域驅動到完全關 閉’即可產生這些明亮區域及黑暗區域。更具體而言，當 該光閥以用於影音系統對比量測的美國國家標準 (American National Standards)之棋盤格（checkerb〇ard)方式 開啟時，將可見到對比低許多，這是因為在此種情形下，

O:\60\60621-920530 DOC 546492 來自棋盤格明亮部分的光線將可經由混雜反射而到達黑暗 區域。 圖3 (a)-(b)及4示出：沿著垂直於光閥的方向之光線將產 生混雜反射。在一實際的光學投影系統中，圓錐形的光線 係入射在光閥上。此種情形也導致相同的混雜反射。因為 X棱鏡的内角為90度，所以主要入射光線以大約45度角（例 如45 ± 10度）入射到一 X棱鏡内表面之任何光線都將沿著其 原始方向而被反射回到光閥（4 5度的基準方位）。這是兩個 内部界面造成的90度角落棱鏡效應之結果。如此項技術領 域所習知的，兩個呈90度對準的反射表面會一直將光線沿 著其原始方向送回。因此，在一特定圓錐形角度内的所有 光線亦將在同一圓錐形角度内沿著原始方向反射回來。因 而將在整個光線圓錐形角度内造成圖3(a)-(b)及4所示之相 同混雜反射。 有鑑於前文中參照習用技術投影顯示器所述之各項缺 點，將持續需要開發一種新型的改良式光學投影系統，用 以提供較隹的解析度及對比更鮮明的影像。 發明概沭 本發明之一目的在於提供一種可解決前文所述與習用技 術投影系統亦關的問題之投影顯示光學系統。 本發明之另一目的在於提供一種可顯著地消除眩光、重 像及多餘光線反射並產生一可易於投影在一投影螢幕的一 共同光源之光學配置。 本發明之又一目的在於提供一種高效率且低成本的高解

O:\60\60621-920530 DOC 546492 析度光學顯示器。 本發明之又一目的在於提供一種經修改之X棱鏡配置，用 以避免重像，提高一棋盤格影像之對比，並儘量使多餘的 -混雜光線不會進入投影透鏡。 - 本發明由於採用了一種包含四個棱鏡之經修改後之X棱 鏡’而可芫成上述這些及其他的目的與優點。每一棱鏡具 有兩個與其基邵相鄰的表面，而每一表面覆蓋有一不同的 - 二色塗層。該等表面面對其基部形成一個非90度的角度。 該等棱鏡係以下列之方式配置：具有相同二色塗層的各表 _ 面在該X棱鏡内形成兩個交叉特定彩色平面。與習用技術 的X棱鏡不同，本發明的X棱鏡之各反射平面是傾斜的，因 而在最理想的情形下，入射到一 X棱鏡内表面的主要入射 光線與該表面之間形成一個非4 5度的角度。該等反射平面 是傾斜的’因而主要入射光線與第一平面形成一個4 5度土 3 度的角度。該傾斜足以使多餘的混雜光線自共同光束移 除。此外，混雜光線相當程度地偏離了共同光束，且明顯 籲 在投影透鏡對該混雜光線投影所需的區域之外。 - 此種X棱鏡由於將雜散紅光、藍光、及綠光反射而偏離透 · 射到投影透鏡進而到投影螢幕的光的路徑，而消除通常存 - 在於習用X棱鏡的眩光及重像。也避免了習用X棱鏡中之角 - 落棱鏡反射效應。換言之，利用本發明的X棱鏡，即可在.· 每一次反射中成功地使圖3(a)_(b)及4所示的這類多餘之多 . 道反射光線偏移個幾度。 雖然該偏移角度不大，但已足以確保混雜光束明顯地自 O:\60\60621-920530 DOC -10 - 546492 正¥所而光束偏移，且投影透鏡也不會收集到該混雜光 束因為孩照明實際上提供了入射到每一光閥之圓錐形光 、’泉所以重要的是混雜光線的淨偏移應超過光線圓錐形角 度的兩倍。 附圖簡诚 圖1是一典型習用光學投影系統之示意圖。 圖2示出一習用技術的光學配置，該光學配置包含··三個 光閥、二個偏振光束分光器、以及一個具有45度角二色界 面之X棱鏡（内角為90度）。 圖3(a)-(b)示出自一習用技術χ棱鏡的45度角二色界面因 側通運紅光的邵分反射而產生之雜散光線（如虛線所示）。 圖4示出自一習用技術χ稜鏡的45度角二色界面因直通道 綠光的邵分反射而產生之雜散光線（如虛線所示）。 圖5是根據本發明的一光學投影系統之示意圖。 圖6示出可用於圖5所示光學投影系統的本發明的χ稜鏡 之一可能方位。 圖7示出利用圖5所示光學系統中的圖6所示χ稜鏡，一 學配置。 '—光 圖8示出利用本發明的χ棱鏡配置而入射在紅二〜 —巴達層 上的紅光之雜散光路徑。 圖9示出利用本發明的X棱鏡配置而入射在藍光二 ^ ^已塗層 上的紅光之雜散光路徑。 圖10示出利用本發明的X棱鏡配置的綠光之雜散光路％ 本發明之詳細說明 〇-\60\60621-920530 DOC -11 - 546492 現在將參照本申請案之各附圖，而詳細說明提供—種用 於投影顯示器的光學配置之本發明。 請參閱圖5，該圖是一光學投影系統（100)之示意圖，光學 投影系統（100)包含本發明之X棱鏡。請注意，亦可將圖1所 示之光學投影系統用於本發明。圖5所示之光學投影系統包 含一個可發出各種波長的光線之燈光源（1〇2)，例如—旅光 燈。首先利用一濾光鏡（104)將該燈之輸出濾光，該攄光鏡 (1 0 4)可去除紫外線無射及（或）紅外線轉射。該光學投影系 統亦包含照明光學系統（106)，用以自該燈光源接收光線， 並產生一均勻的光強度分佈。 如圖所示，該照明光學系統包含一複眼目鏡陣列，用以 產生均勻的光強度。該照明光學系統亦可包含將大部分的 非偏振光轉換成一偏振光之光學組件。 分色光學組件（108)自照明光學系統（106)接收光。分色光 學組件包含若干分光鏡，用以反射一種彩色的光，並同時 透射其他的彩色，而分離三種彩色的光（紅光、綠光、及藍 光）到光閥光學配置（110)。光閥光學配置（110)包含：三個 偏振光束分光裔、及三個光閥。為了簡化圖示，圖5中並未 示出這些元件。各偏振光束分光器將偏振照明光反射到三 個光閥的每一光閥。每一該等三個偏振光束分光器都包含 一種最佳化而在一特定色彩（例如紅色、綠色、或藍色）不 工作的光學塗層。 具有旋轉偏振的光閥將形成影像的光反射。形成影像的 光接著透射過偏振光束分光器，且自光閥光學配置出現紅 O:\60\60621-920530 DOC -12 - 546492 色、綠色、及藍色這三種彩色。然後將這三種色彩導向至 經修改後之X棱鏡（11 5)’而X棱鏡（1 1 5)係用來將個別的彩 色重新合成一共同光束。下文中將詳述本發明之X棱鏡。 本發明之光學系統進一步包含一投影透鏡（120)，用以自 本發明之X棱鏡（115)接收共同光束，並在一投影螢幕（125) 上形成該共同光束之影像。 請注意，雖然各圖示出一特定的光學投影系統，但本發 明並不限於該光學投影系統。本發明（亦即修改後之X棱鏡） 反而可用於可產生紅光、綠光、及藍光的其他類型之光學 投影系統。 有關本發明的修改後之X棱鏡，請參閱圖7，該圖示出一 光學配置，該光學配置在鄰近一特定光閥光學配置處包含 本發明的修改後之X棱鏡，而該特定光閥光學配置包含三 個光閥及三個偏振光束分光器。更具體而言，圖7所示之光 學配置包含三個偏振光束分光器棱鏡（13 5〇、（13 5b)、及 (13 5 g)，而母一偏振光束分光器棱鏡都係針對在一特定彩 色的光（紅光、綠光、或藍光）下工作而最佳化。每一光束 分光器包含一特定二色塗層R’、B，、及G，，用以反射一種 偏振光’並透射其他的偏振光。光閥（140r)、（140b)、及（140g) 係相互鄰近。每一光閥最好是反射液晶（LC)空間光調變器 (SLM)。此外，光閥可以是一透射Slm或諸如數位反射鏡裝 置（Digital Mirr〇r Device ;簡稱DMD)等的其他類型之反射 SLM。 圖7所示之光學配置進一步包含修改後之X棱鏡（115)，該 O:\60\60621-920530 DOC -13 - 546492 修改後之X棱鏡（11 5)可將透射經過各偏振光束分光器的三 種色彩重新合成一共同光束，然後將該共同光束重新導向 投影透鏡。根據本發明’该X棱鏡包含四個稜鏡，其中每 一棱鏡設有面對其基邵的兩個表面，這些表面覆蓋有不同 的分色二色材料。圖示透射過X棱鏡的表面（面）是直的，因 而為了實際的用途而切掉了左及右棱鏡的角落。此外，亦 可如圖6 -1 0的虛線所示保留各角落，使所有四個棱鏡皆為 二角形。這四個棱鏡被配置成一個所需的組態，使類似的 塗層在該X棱鏡内形成一連纟買線，然後將這些塗層黏合在 一起。因而在X棱鏡本身内形成兩個反射平面。本發明的X 棱鏡與習用技術的X棱鏡不同之處在於：各二色表面間之 内角（亦即面對每一稜鏡基部的角）為非90度的角度。可根 據相關的光線’而改變該X棱鏡的内角之特定選擇。形成 該X棱鏡的四個棱鏡的内角之較佳角度是84度或96度。 可用於本發明的一典型X棱鏡配置之一實例係示於圖6。 更具體而言，如該圖所示，每一個二色表面自原始的45度 方位傾斜了 3度，而棱鏡的各侧面則傾斜了 6度，因而來自 各光閥的主要入射光線係與圖7所示之各表面垂直。更具體 而言，圖6所示X棱鏡包含：内角〇： 1約為84度之棱鏡、 内月a 2l約為96度之棱鏡（2)、内角α 1約為84度之棱鏡（3)、 及内角α生约為96度之棱鏡（4)。圖6包含正常的45度基準線 作為基準。 由於使用了本發明之X棱鏡配置，所以避免了前文所述習 用技術的X棱鏡中之角落棱鏡效應。亦即，可在每一次反 〇：\60\60621-920530 DOC -14 - 546492 射中成功地使圖3(a)-(b)及4所示的這類多餘之多道反射光 、、泉偏私幾度月，而足以確保混雜光束明顯地自共同光束偏 移。因而使多餘光束係在共同光束的路徑之外，且因而使 多餘光束不會投影在投影螢幕。 因為該照明提供了 一種入射到每一光閥之一圓錐形光 、、泉，所以重要的是多餘光線的淨偏移須超過該光線的圓錐 形用度之兩倍。 圖8及9 tf出在需要的光線（實線）與利用本發明的χ棱鏡 配置（例如圖6所示用於紅光（侧）通道的這類χ棱鏡配置）所 獲致的多餘反射光（虛線）間之所產生偏移。另一側通道（藍 光）將表現出相同的角偏移。 同樣地，圖10示出在需要之光線（實線）與利用針對直通 (綠光）通道的本發明之χ棱鏡配置所獲致的多餘反射光（虛 線）間之所產生偏移。請注意，在圖8-10中，為了簡化圖示 而並未tit出各PBS元件，這是因為這些PBS元件對這些圖示 所示之角偏移並無幫助。 與圖3(aHb)所示之沿著與主要（或共同）光束相同方向的 混雜反射比較，圖8-10所示之混雜反射偏離該主要光束有 12度。請注意，並不需要與一9〇度的稜鏡有太大的不同， 即可獲致所需的特性。如前文所述，只要在形成χ棱鏡的 棱鏡的各別兩個二色表面有小到三度的傾斜，即可在混雜 反射中產生12度的偏移。此種偏移足以自共同光束去除多 餘的反射光。 如如文所述’本發明的X稜鏡配置可大幅降低眩光與重

Q:\60\60621-920530 DOC -15 - 546492 像、以及多餘的反射光，並同時可提供高解析度的影像。 雖然已參照一些較佳實施例而詳細示出並說明了本發 明，但是熟悉本門技術者當可了解，在不脫離本發明的精 神及範圍下，仍可對本發明的形式及細節做出上述及其他 的改變。 主要元件符號說明 1 棱鏡 2 棱鏡 3 棱鏡 4 棱鏡 100 光學投影系統 102 燈光源 104 滤光鏡 106 照明光學系統 108 分色光學組件 110 光閥光學配置 115 X棱鏡 120 投影透鏡 125 投影螢幕 135r 偏振光束分光器棱鏡 135b 偏振光束分光器棱鏡 135g 偏振光束分光器棱鏡 140r 光閥 140b 光閥 140g 光閥 O:\60\60621-920530 DOC -16 -

Claims (1)

1. 拾、申請專利範園： 1. 一種用於光學顯示之X棱鏡，該X棱鏡可將紅光、綠光、 及藍光重新合成一共同光束以供投影，該X棱鏡包含四個 棱鏡，每一棱鏡具有：一基部、一個面對該基部且自90 度偏移之内角、以及鄰近該基部的兩個表面，該等表面 塗覆有不同的二色材料，其中該四個棱鏡之配置使具有 相同二色塗層的各表面形成兩個交叉之特定色彩反射平 面0 2. 如申請專利範圍第1項之X棱鏡，其中該等反射平面之排 列使得主要光線係以一個非45度的角度入射。 3. 如申請專利範圍第2項之X棱鏡，其中該等反射平面係自 一 45度的基準方位傾斜±3度。 4. 如申請專利範圍第1項之X稜鏡，其中該等反射平面係特 定用於反射紅光、綠光、及藍光中之一種彩色光。 5. 如申請專利範圍第1項之X稜鏡，其中該該内角為84度或 96度。 6. 如申請專利範圍第1項之X棱鏡，其中該等棱鏡之形狀為 三角形。 7. —種用於光學顯示之投影系統，包含： 一個可沿著一預定路徑而發光之燈光源； 一個用於去除紫外線輻射及（或）紅外線輻射之濾光 鏡，該濾光鏡係配置在沿著該光路徑之該燈光源鄰近處； 配置在該濾光鏡鄰近處的照明光學組件； 配置在該照明光學組件鄰近處的分色光學組件，其中來 O:\60\60621-920530DOC 546492 自該照明光學組件的該光線被分離成紅色、綠色、及藍 色光； 配置在該分色光學組件的一光閥光學配置； 一個可將該等紅色、綠色、及藍色光重新合成一共同光 束之X棱鏡，該X棱鏡係配置在該光閥光學配置的鄰近 處，其中該X棱鏡包含四個棱鏡，每一棱鏡具有：一基部、 一個面對該基部且自90度偏移之内角、以及鄰近該基部 的兩個表面，該等表面覆蓋有不同的二色材料，其中該 等四個棱鏡之配置使具有相同二色塗層的各表面形成兩 個交叉特定彩色反射平面； 一個可接收共同光源並投影該共同光源之投影透鏡；以 及 一個用來接收該投影的共同光源之投影螢幕。 8.如申請專利範圍第7項之投影系統，其中該光閥光學配置 包含三個偏振光束分光器及三個光閥。 9·如申請專利範圍第8項之投影系統，其中該等光閥是反射 液晶光閥。 10·如申請專利範圍第7項之投影系統，其中該等該等反射平 面之排列使得主要光線係以一個非4 5度的角度入射。 11 ·如申請專利範圍第1〇項之投影系統，其中該等反射平面 係自一45度的基準方位傾斜±3度。 12.如申請專利範圍第7項之投影系統，其中該等反射平面係 特定用於反射紅光、綠光、及藍光中之一種彩色光。 1 3 .如申請專利範圍第7項之投影系統，其中該該内角為84度 O:\60\60621-920530 DOC 546492 或96度。 14.如申請專利範圍第7項之投影系統，其中該X棱鏡將大量 不需要的彩色光偏離該共同來源光束。 1 5 .如申請專利範圍第7項之投影系統，其中該等棱鏡之形 狀為三角形。 O:\60\60621-920530 DOC