TW586028B - Digital image projector with oriented fixed-polarization-axis polarizing beamsplitter - Google Patents

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五、發明説明（彳 ) 發明領域 本發明大體上與影像投射器有關，士甘Λ j克有關，尤其與反射型液晶偏 光調制器有關。 發明背景 數位影像投射n廣泛使用於投射數位信號編碼影像產生 之彩色影像於反射型顯示螢幕前端供會議室顯示等之用， 或投射於背投射顯示監視器或投射電視之半可穿透散佈螢 幕背側。 習知採用反射型液晶偏光調制器之數位影像投射器揭示 如Chiu等人之美國專利第5,777,789號。，789專利之投射器 具一金屬齒化物弧光燈，做為投射器之未偏光，，白，，光源。 來自弧光燈之光線通過照明光學器，其功用在於形成與投 射器中採用之液晶偏光調制器之偏光調制器面有關，在空 間中強度大致均勻、概略平行之可見白光照明光束。未偏 光之照明光束指向偏光分光器立方體，其係根據，789專利設 °十適用於一段可見光譜波長範圍及一段光束之角發散範 圍。偏光分光器立方體將為偏光之光束分割為兩光束大致 偏光之光線（習知、不完美），而兩光束之個別偏光大致正交 。在’789專利之數位影像投射器之偏光分光器立方體中以此 方式產生之兩光束之一係充做大致偏光源光束之用，並自 偏光分光器立方體指向彩色分離/合併棱鏡'總成。彩色分離/ 合併稜鏡總成係由具某些稜鏡方位雙色塗佈面的三具棱鏡 組成’俾將自大致偏光源光束之可見白光相繼分離為紅、 藍及綠光’並將各大致偏光之彩色成分光束指向一對應之 -5- 586028

反射型液晶偏光調制器-在，789專利中稱之為,，光閥，，。 *789專利之數位影像投射偏光調制器各具一與成分光束光 學徑垂直之反射偏光調制器面，其中成分光束光學徑之界 定與出自彩色分離/合併稜鏡總成之對應之大致偏光彩色成 分光束有關。概言之，反射型偏光調制器係用以調制對應 之彩色成分光束之偏光，其在空間上係依施於偏光調制器（ 將所期合成彩色影像之成分彩色影像編碼）之信號，透過偏 光調制器面，在像素接像素之基礎上，藉由選擇性轉動光 束之光偏光為之。尤其是，對為指定彩色照射之投射影像 之各像素而言，該彩色之大致偏光彩色成分光束之偏光為 反射型液晶偏光調制器中，與投射影像中像素位置相對應 之偏光調制器面處轉動。此類照明光像素稱之為，，明，，像素 。相對地，對非以指定彩色照射之投射影像之各像素而言 ’隨著光束之偏光而反射之該彩色之大致偏光彩色成分光 束’名義上不因反射型液晶偏光調制器（位於與投射影像中 像素位置對應之偏光調制器面上）而變。此類非照明像素稱 之為"暗，，像素。最高照明光像素強度對最低照明暗像素強 度比定義為對比度（contrast ratio)，其係數位影像投射器價 值之一顯著數值。一般而言，投射器之明暗對比度愈高， 投射器產生之影像愈易為觀察者辨析。 因而為·789專利之數位影像投射器之液曰曰曰偏光調制器在空 間中選擇性偏光調制之彩色成分光束，自偏光調制器之反 射偏光調制器面反射，大致沿對應之成分光束光學徑回經 彩色分離/合併稜鏡總成。三反射之彩色成分光束大致上均 -6 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐)

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586028 A7 _____ B7 五、發明説明（3 ) 回溯其原始路徑經過稜鏡總成，並與其它兩彩色成分光束 再合併形成一合成之空間選擇性偏光調制光束。此合成光 束自彩色分離/合併稜鏡總成顯現，並通入偏光分光器立方 體中。偏光分光器立方體將合成光束分成名義上偏光之調 制光像素成分束，其攜載由明像素組成之合成彩色影像； 以及名義上非偏光調制暗像素成分束，其攜載由暗像素組 成之彩色底片影像。由於暗像素成分束之偏光名義上不為 反射形液晶調制器改變，故理想上暗像素成分束至少回溯 一光學徑經投射器回向弧光燈光源。偏光調制明像素成分 束自偏光分光器指入’789專利之數位影像投射器之投射透鏡 ，其係用以投射所期之合成彩色影像於投射螢幕上。 由於先前典型使用於此投射器之習知MacNeille-型多層介 電膜偏光分光器一般對照射於偏光分光器之兩光射線之處 理因偏光性質而異（如兩射線入射方向相對於偏光分光器相 異），故伴隨以反射形偏光調制器為基之習知數位影像投射 器的困難度增加。照射於習知數位影像投射器之偏光分光 器之光束一般係由入射角相對於分光器在數度範圍内之光 射線所組成，因此，為使來自經濟許可之光源之適當亮度 投射影像具充分照明強度，習知數位影像投射器一般均採 用數值孔鏡為〇·1數量級或更高之照明光束。見於A. E.

Rosenbluth等人之’’IBM Journal of Research And Development，， ，第42冊35 9-3 86頁（1998年5月6日）。具〇·1數值孔徑之圓錐 形光束通過空氣展角約土6。。如以下併同圖1至3所述，照射 於習知MacNeille-型多層介電膜偏光分光器之光射線方向異 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 586028 A7

於與分光器及相關反射型偏光調制器有關界定之主轴方向 ’造成光線漏至投射影像之暗像素區。結果，在採用〇1等 數值孔徑光束之習知數位影像投射器中，照明光束瞳孔週 邊光射線方向之變化，一般導致整體明暗對比度相對於假 定之投射器之明暗對比度降低，其中假設之投射器可以某 種方式採用由平行射線組成之完美準直光束，其亦以與主 軸方向對應之最佳入射角照射偏光分光器。 現翻閱圖1，習知MacNeille-型多層介電膜偏光分光器2係 由第一分光器稜鏡4、第二分光器稜鏡6,及位於第一與第 二稜鏡4與6之斜邊面間之多層介電偏光膜8。第一與第二分 光器稜鏡4與6係由光學玻璃製成。建構多層介電偏光膜8之 介電材料層未示於圖1。建構多層介電偏光膜8之層之厚度 與折射率以及分光器稜鏡4與6之光學玻璃折射率經選擇使 得入射於多層膜8之未偏光之射線1〇以最佳偏光角度❸通入 多層材料中，並以所謂的，，照射於折射率相異層 間之接續介面。 經第一材料傳播之未偏光之光射線以Brewster角照射於與 折射率相異之第二材料之介面，自該介面部分反射並部分 折射入第二材料。反射射線基本上完全線性偏光，其電場 (’Έ-場”）定位垂直於由射線照射於介面之傳播方向界定之入 射面’並與介面垂直。折射之射線僅部分'偏光，其在入射 面之電場分量高於垂直於入射面之電場分量。對以Brewster 角反射之偏光之探討見於Eugene Hecht所著Optics乙書第 342 至 346 頁（Addison Wesley 1998 第三版）。 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇X297公釐） 586028 A7 B7

五、發明説明（5 ) 在習知MacNeille-型多層介電膜偏光分光器2中，多層介 電偏光膜中具多重介面，俾以Brewster角將通過接續介面之 光射線接續反射光之偏光成分。在多層膜中之層厚度經選 擇使得自各介面反射之偏光之光成分傾向建設性加成。一 般選擇足量層使得在實際狀況下，完全通過多層介電偏光 膜8之射線12有效隨著入射面中的電場完全線性偏光。反射 之射線14亦如上述，有效隨著垂直於入射面之電場完全線 十生偏光。以多層介電膜為基之習知MacNeille-型偏光分光器 構造述如MacNeille之美國專利第2,403,731號及Sannohe與 Miyatake之美國專利第5,453,859號。. 裝 訂

再翻閱圖1，傳播於第一分光器稜鏡4内之光射線傳播方 向照射於習知MacNeille-型多層介面膜偏光分光器2中之多 層介電偏光膜8上，使該射線最佳分離為線性偏光之反射射 線及線性偏光之折射射線，僅由傳播方向與分光器稜鏡4之 斜邊面處多層介面膜表面法線18間夾角決定之。最佳偏光 角Θ及法線18界定與多層膜8有關之最佳偏光角圓錐2〇。任 何入射於偏光分光器2之多層介面膜8、沿最佳偏光角圓錐 2〇之光射線均將適於膜之最佳偏光條件，並分離為反射及 折射成分射線’其分別和與特殊射線及法線丨8相關界定之 入射面垂直及平行線性偏光。一般均選擇習知MacNeiiie_型 多層介面膜偏光分光器2材料折射率使得条佳偏光角θ接近 45°。一種由習知MacNeiUe•型多層介面膜偏光分光器2偏光 之光射線之幾何態樣會引發逆偏光效應，並降低採用此分 光器之數位影像投射中明暗對比度，其討論如後。 -9 - 586028 A7 _______B7 Z、發明説明（6~~〇 一 ' —- 一般而言，通過光學裝置之光射線可為電磁平面波。電 磁平面波性質之一為電磁平面波之電場成分與射線傳播方 向垂直。在後述之圖i至圖6中，所示垂直於光射線傳播方 向投射之雙箭頭係表光之電場方向。自一光射線投射之八 雙箭頭玫瑰花形係指未偏光或僅部分偏光之光射線。自一 光射線投射之單一雙箭頭或一對正交之雙箭頭係指有效線 性偏光之光射線。 復參閱圖1，未偏光之主軸射線沿最佳偏光角圓錐2〇延 伸’並分離為主軸反射射線14及主軸折射射線12，其偏光 分別與以主軸射線10傳播方向及法線丨8相關界定之入射主 軸平面15垂直及平行。主軸射線10以與偏光分光器2之第一 棱鏡4之未偏光射線入口面22垂直方向進入棱鏡。主軸反射 射線14以與反射射線出口面24垂直方向離開偏光分光器。 所不代表未偏光之偏離主轴入射射線3〇進入偏光分光器2之 第一稜鏡4之未偏光射線入口面22。偏離主軸入射射線3〇於 入口 31點為稜鏡之光學玻璃折射。折射之未偏光偏離主軸 射線30沿最佳偏光角圓錐20傳播，繞相對於主轴射線丨〇之 圓錐處轉動。由於偏離主軸未偏光射線30亦構成與稜鏡斜 邊面處多層介電偏光膜8法線之最佳偏光角θ，故偏離主轴 未偏光射線3 0分離為線性偏光之偏離主軸反射射線3 2及線 性偏光之偏離主軸折射射線34。偏離主軸反射射線32及偏 離主軸入射射線3 0均傳播於入射偏斜定位平面3 3中，其係 由第一稜鏡4内未偏光偏離主軸入射射線30傳播方向及法線 18所界定。入射偏斜定位平面33相對於入射主軸平面15繞 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 586028 A7 _ _B7 五、發明説明（7 ) 法線18轉動。線性偏光之偏離主軸反射射線32之電場定位 垂直於入射偏斜定位平面33。線性偏光之偏離主軸折射射 線3 4之電場則位於入射偏斜定位平面3 3中。由於入射主軸 平面15及入射偏斜定位平面33彼此相對於法線is轉動，故 主軸反射光束14及偏離主軸反射光束32之電場方向彼此互 不平行。類似地，分別位於主軸及入射偏斜定位平面之主 軸折射光束12及偏離主軸折射光束34之電場彼此互不平行。 現翻閱圖2，闡釋採用反射型偏光調制器及習知 MacNeille-型多層介面膜偏光分光器之習知數位影像投射器 之投射影像中暗像處之光線洩漏源。反射型液晶偏光調制 器40係位於習知MacNeille-型多層介面膜偏光分光器2之反 射光束出口面24前方，而調制器40之偏光調制器面42延伸 平行於分光器2之反射光束出口面24。數位影像投射透鏡46 之投射透鏡輸入埠44位置面向第二分光器稜鏡6之投射影像 出口面（未圖示）。在圖2之圖式中，闡釋之偏光調制器4〇以 純反射模式操作，亦即以垂直入射方向照射於偏光調制器 40之偏光調制器面42之線性偏光射線為偏光調制器面反射 ’而射線之偏光狀態基本上不因反射而變。在反射型液晶 偏光調制器40之偏光調制器面42上的像素區反射之光線名 義上與在投射影像中對應於暗像素之偏光不變，並且理想 上此類反射光應不致通入數位影像投射器、之投射透鏡46之 投射透鏡輸入璋44中。 未偏光之光線之主軸入射射線1〇通入偏光分光器2之第一 稜鏡4之未偏光射線入口面22中。未偏光射線1〇之傳播方向 -11- i紙張尺度適财@ @轉準(CNS) A4_21GX 297公爱)— 獨028 A7 B7 五、發明説明（8 ) 對應於部分偏光分光器2及偏光調制器4〇之主光學軸，並界 疋圖2中之γ座標軸。如上述，垂直於光射線傳播方向之箭 頭係表光之電場偏光方向。在圖2_及後續探討之圖式中， 實心箭頭係指自偏光調制器40之偏光調制器面42反射前的 電場方向。在偏光調制器面42反射後，所示之箭頭具開端 ’俾區隔入射於偏光調制器4〇之偏光調制器面42之光線與 自偏光調制器面42反射之光線。主轴入射射線1〇以相對於 斜邊面之主軸法線19之最佳偏光角0入射於偏光分光器2之 第稜鏡4之斜邊面處之多層介電偏光膜8，其中入射點界 定Y與Z主軸之主軸交點位置21。結果，主軸入射射線1〇為 多層介電偏光膜8分成有效完成之線性偏光分光器反射之主 軸射線14，其沿z座標軸向反射偏光調制器4〇傳播。線性分 光器反射之主軸射線14之電場垂直於由主軸入射射線1〇及 主軸法線19界定之入射主平面45。入射主平面45與丫彳座標 平面相交。主軸入射射線10之折射分量（未圖示）自偏光分光 器2底部通於γ方向，並消失於數位影像投射器中。線性偏 光分光器反射之主軸射線14以與主軸交點43垂直入射方向 照射於偏光調制器40之偏光調制器面42並為之反射而射線 之偏光基本上不變。調制器反射之主轴射線14接著回溯入 射射線路徑至偏光分光器2。調制器反射之主軸射線14以與 未偏光之主.軸入射射線1〇相同入射角度入'射於多層介電偏 光膜8。尤其是調制器反射之主軸射線14相對於主軸法線… 多層介電偏光膜8之入射角度為最佳偏光角θ。由於調制器 反射之主軸射線14有效完成線性偏光，其電場垂直於由射 -12-

586028 A7 _____ B7 五、發明説明（9 ) 線14及多層介電偏光膜8之主軸法線19界定之入射平面，尤 其是入射主平面45(Y-Z平面），故調制器反射之射線14基本 上為偏光膜8全反射而沿未偏光之主軸入射射線1 〇路徑回溯 ’有效不抵達數位影像投射之投射透鏡46之輸入埠44。 現考量未偏光光線之代表性主平面偏角入射射線50，其 傳播於入射主平面45、Υ-Ζ座標平面，並入射於偏光分光器 2之多層介電偏光膜8於（Υ，Ζ)-方向偏移位置51 ,其自Υ與Ζ 主軸之主軸交點位置21偏移。主平面偏角入射射線50相對 於第一稜鏡4之斜邊面之（γ,Ζ)-方向偏移法線52之入射角接 近但小於最佳偏光角Θ。雖然美國專利第2,403，731與 5,453,859號揭示之習知MacNeille-型多層介面膜分光器可對 光射線提供顯著的偏光效應，使得入射角異於受限範圍内 之最佳角度，但此狀況係未偏光之光射線與此類習知 MacNeille-型多層介面膜分光器之多層介電偏光膜相交角度 異於最佳偏光角，而係不完全偏光之角度。故自多層介電 偏光膜8反射之光線之分光器反射之偏角射線54僅部分偏光 ’而電場之主要分量垂直於入射之γ-Ζ平面，少部分分量位 於Y-Z平面内。 如圖2可得見，主平面偏角入射射線5〇之特殊入射方向及 入射射線50照射於分光器2之第一稜鏡4之斜邊面之特殊 (Y，Z)-方向偏移位置5 1，造成照射於偏光謫制器面42主軸交 點43處之線性偏光分光器反射之偏角射線54。由於分光器 反射之偏角射線54係電磁平面波，故部分偏光射線54之電 %分夏方向垂直於射線傳播方向。由於偏光調制器4〇之偏 -13- 本紙張尺度適财S S家標準(CNS) Α4規格(21GX297公爱) 586028 Α7 Β7 五、發明説明Go ) 光調制器面42之法線為_Ζ方向，並且分光器反射之偏角射 線54係於Υ-Ζ平面傳播，故由分光器反射之偏角射線54及偏 光調制器面42之法線界定之入射平面55與γ-ζ平面（入射主 平面45)相交。方向垂直於γ-Ζ平面之部分偏光之分光器反 射之偏角射線54之電場分量，在射線為偏光調制器4〇之偏 光調制器面42反射時維持垂直於γ_ζ平面，並因而與自偏光 調制器面42反射之偏角射線56傳播方向垂直（因為調制器反 射之偏角射線56係於Υ-Ζ平面傳播）。部分偏光之分光器反 射之偏角射線54之電場分量指向γ-ζ平面内，並在射線為偏 光調制器面42反射時即傾斜，使得該分量方向垂直於調制 器反射之偏角射線56之傳播方向。 調制器反射之偏角射線56傳播回溯至偏光分光器2中，並 與多層介電偏光膜8相交於第一稜鏡4之斜邊面處，其相交 處之（-γ，-ζ)_方向偏移位置57與主軸交點位置21偏移，其方 向與（Υ，Ζ)-方向偏移位置51相反。調制器反射之偏角射線56 對偏光膜8之（-Υ，-Ζ) -方向偏移法線59之入射角大於對多層 膜8之最佳偏光角Θ。由於部份偏光之調制器反射之偏角射 線56包含在入射Υ-Ζ平面之電場分量，並且由於射線之入射 角以於對膜8之最佳偏光角Θ，故該射線僅部分於多層介電 偏光膜8反射出分光g§2之第一棱鏡4之入口面22。部分調制 器反射之偏角射線56經偏光分光器之偏光^8折射並自偏光 分光器2離開朝向投射器透鏡46之輸入埠44，建構暗像素漏 射線60。由於欲將為偏光調制器40於偏光調制器面42反射 ’未驅動而主動轉動射線偏光之所有光射線自數位影像之 •14- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

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586028 A7 ________B7 _ 五、發明説明（Ί1 ~~ ^ 投射透鏡46轉向’俾實現與投射影像中對應像素位置處之 暗像素’故不期待利用暗像素漏射線6〇降低投射器之明暗 對比度。 現翻閱圖3，闡釋採用反射型偏光調制器及習知 MacNeille-型多層介面膜偏光分光器之習知數位影像投射器 之投射影像中暗像處之另一光線洩漏源。偏光分光器2、偏 光調制器40及投射透鏡46配置如以上併同圖2所述。與分光 器2有關界定之γ及z座標軸標定出分光器2及調制器4〇之對 應主光學轴61及62。X座標軸延伸於分光器2之第一稜鏡4之 斜邊面之平面中。界定之主軸法線19垂直於第一稜鏡4之 斜邊表面投射於對應於丫及Z座標軸之主光學軸交點處2 i。 (-X，Y，Z)-象限偏移法線66自第一稜鏡4之斜邊面垂直投射於 (-Χ，Υ，Ζ)-象限偏移位置65，其自γ及ζ主軸61及62之主軸交 點處2 1以-X、+ γ、方向位移。 考量一代表性未偏光光線之在角度上、偏軸之入射射線 64 ’其經分光器2之第一稜鏡4之未偏光光線入口面22進入 偏光分光器2，並沿接近但異於γ主軸61方向傳播。在角 度上、偏軸之入射射線64以偏移之入射偏斜定位平面7〇 傳播’其自Υ及Ζ主軸61及62之主軸交點處21偏移，包含 (-Χ，Υ，Ζ)-象限偏移法線66。偏移之入射偏斜定位平面7〇相 對於定位平行於Υ-Ζ平面之偏移參考平面（未圖示）繞偏移法 線66轉動。在角度上、偏軸之入射射線以與多層介電偏光 膜8相交於第一稜鏡4之斜邊面於（_χ，γ，ζ)_象限偏移位置65 在角度上、偏軸之入射射線64入射角等於分光器2中多層 -15- 本紙張尺度適用中S S家標準(CNS) Α4規格(210X297公爱Ϊ 586028 12 五、發明説明（ 介電偏光膜8相對於（-Χ，γ，ζ)_象限偏移法線66之最佳偏光角 θ°因此’在角度上、偏軸之入射射線64分離為基本上完全 線性偏光分光器反射之偏軸射線68，以及在入射射線64傳 播方向中，經分光器2連續傳播之基本上完全線性偏光分光 器反射之偏軸射線（未圖示）。線性偏光分光器反射之射線68 之電場方向垂直於偏移之入射傾斜定位平面7〇。 如圖3可見，在角度上、偏軸之入射射線64之特殊入射方 向及入射射線64照射於分光器2之第一稜鏡4之斜邊面之特 殊（-Χ，+Υ，+Ζ)-象限偏移位置65，造成線性偏光分光器反射 之偏軸射線68之照射於反射型偏光調至器4〇之偏光調制器 面42 , Ζ主軸62與調制器面42之交點43處。Ζ主軸62與調制 器面42以垂直入射相交，因而可充做調制器面“之法線。 分光器反射之偏軸射線68以相對於法線（由ζ主軸62所界定） 之非零度角入射，因而自調制器面42為調制器反射之偏軸 射線154,其傳播於由分光器反射之偏軸射線68及2主軸Q 所界定之入射調制器反射平面73。由於相對於（_χ，γ，ζ)_象 限偏移位置65之主軸交點位置21(分光器反射之偏軸射線⑽ 自分光器2之多層膜8反射處）之偏移，故入射調制器反射平 面73—般既不平行於、亦不垂直於偏移之入射傾斜定位平 面70。因此，線性偏光分光器反射之偏軸射線68之電場（垂 直於偏移之人射傾斜定位平面7G)_般均具'在人射調制器反 射平面73之平面±的分量及垂直於入射調制器反射平面 的分量。一㈣制器面42反射，垂直於入射調制器反射平 面73之分光器反射之偏軸射線68之電場分量即維持垂直於 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) -16- 586028 A7 B7 五、發明説明（13 該平面。位於入射調制器反射平面73内之分光器反射之偏 軸射線68之電場分量在射線為調制器面42反射時即傾斜， 使得该電場分量方向垂直於調制器反射之偏轴射線7丨之傳 播方向。因此，一般而言，線性偏光調制器反射之偏軸射 線71之電場平行於線性偏光分光器反射之偏軸射線68之電 場。由於線性偏光射線為偏光分光器2反射或傳送之範圍一 般係視射線之電場定位及射線傳播方向而定，故因非垂直 入射而被調制器面42反射之線性偏光分光.器反射之偏軸射 線68之電場之定位變化，一般可為光線經分光器2傳輸至投 射衫像中之暗像素處，並因而導致明暗對比度降低之一因 素。 调制器反射之偏軸射線71進入偏光分光器2之第一稜鏡4 ,並與多層介電偏光膜8相交於第一稜鏡4之斜邊面於（χ,-γ,—ζ)— 象限位置75 ,其以（χ，-γ，-ζ)-象限方向自丫及2主軸61及62之 主軸交點位置21偏移。在未偏光之在角度上、偏軸射線Μ 接近主軸61時，（χ，-γ，_ζ)-象限方向一般至少近乎與（_χ，γ，ζ)一 象限方向相對。調制器反射之偏軸射線71對偏光膜8之 (X，Υ，-Ζ)-象限偏移法線72於（Χ，-Υ，-ζ)-象限位置75之入射 角大於對分光器2之多層介電偏光膜8之最佳偏光角㊀。偏移 之入射逆傾斜定位平面74係由調制器反射之偏軸射線71傳 播方向及（Χ，-Υ，-Ζ)-象限偏移法線72所界定。偏移之入射逆 傾斜定位平面74相對於偏移參考平面（未圖示，定向平行於 Υ-ζ平面並包含偏移法線72)繞（χ，_γ，-ζ)-象限偏移法線”轉 動，其轉動方式與偏移之入射傾斜定位平面7〇繞GX，Y，Z)_ -17 五 象限偏移法線66轉動方式相反。因此偏移之人射逆傾斜定 位平面74與偏移之入射傾斜定位平面70互不平行。部分因 偏移之入射逆傾斜定位平面74相對於偏移之入射傾斜定位 平面7〇之逆轉動，部分因偏光調制器40之偏光調制器面42 之反=造成線性偏光調制器反射之偏軸射線71電場定位相 對於分光器反射之偏軸射線68電場定位之改變，故調制器 反射之偏軸射線71電場一般並不垂直於入射逆傾斜定位平 面74。調制器反射之偏軸射線71電場一般反倒向量分解為 位於偏移之入射逆傾斜定位平面74之分量及垂直於入射平 面74之分量。部分因偏移之入射逆傾斜定位平面μ可包含 線性偏光調制器反射之偏軸射線71電場分量，部分因調制 器反射之偏軸射線71與（X，-Y，-Z)-象限偏移法線72間夾角不 等於對偏光分光器2之最佳偏光角θ，調制器反射之偏軸射 線71僅部分為多層介電偏光層8反射出偏光分光器2外。漏 射線76經多層介電偏光層8折射並離開偏光分光器2向數位 衫像投射器之投射透鏡46之輸入埠44傳播。漏射線76係用 以部分照明投射影像之暗像素區，因而用以降低非所期之 數位影像投射器之明暗對比度。 由於在習知數位影像投射器中建構未偏光照明光束之光 射線方向隨光束孔徑（瞳孔）而變，在此一投射器中之照明光 束位於習知MacNeiUe-型多層介電膜偏光分光器内（如以上 併同圖1至3所述），其包含偏角及偏軸入射射線（包含偏角且 偏軸之入射射線），以及沿分光器主軸方向傳播之入射射線 。由於此一分光器之偏光性質與入射射線方向之相關，以 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 586028 A7 B7 五、發明説明（15 ) ~ ----- 及此一分光器之射線辨別性質與入射射線偏光狀態及射線 入射方向之相關’習知數位影像投射器在降低汽漏至投射 影像中暗像素處之充分程度光線量上有其困難。 在採用反射型偏光調制器及習知L型多層介面膜 偏光分光器之先前技藝數位影像投射器中已嘗試降低照射 於投射影像中暗像素處之漏光射線強度。但如以下所述， 此類言試並未完全成功且招致其它缺失。 例如上述之美國專利第5,777,789號，其中揭示在專利之 數位影像投射器燈與偏光分光器立方體間置放一偏光膜， 並將偏光膜置於偏光分光器立方體與投射透鏡間，供偏光 控制及對比增強之用。但採用此類偏光膜會導致製造數位 影像投射器之額外花費，以及在數位影像投射操作中的照 明強度額外損失。料，此類偏光膜無法完全消弭自偏角 射線即在角度上、偏軸射線之洩漏，如先前併同圖2及3所 述。 歐洲發行之專利申請案第〇 389 24〇號中揭示一數位影像 投射系統，其中四分之一波長羯以一定定位置於偏光分光 器與投射器之各液晶偏光調制器間之光束徑中。圖3所示類 i之在角度上、偏軸光射線以與MacNeille -型分光器主轴方 向接近但未重合之方向上傳播，在為分光器反射而線性偏 光後’自偏光分光器傳播通過此一四分之'一波長箔至反射 型偏光調制器一次，第二次經過此一四分之一波長箔則係 自偏光調制器返回分光器時，其所具電場自垂直於由原始 未偏光射線及偏光分光器之斜邊面之法線所界定之入射平 -19·

面方向轉動為更接近垂直於由調制器反射之射線及對應之 去線所界定之入射平面。所得之調制器反射之射線傾向更 f乎為偏光分光器完全反射自投射透鏡之輸入埠離開分光 器。 雖然採用此類四分之一波長箔可提昇數位影像投射器之 ，曰對比度至一疋程度’此修改仍未臻完善。此外，採用 此類四分之一波長箔有許多實際缺失。首先，四分之一波 長箔建構須納於系統中之附加部件，並表示製造及零件成 本之增加。須將該箔固接於偏光調制器上、在分光器與反 射型偏光調制器間空氣空間中，或在反射型偏光調制器面 板上。因須精確定位該箔，故其固接不易。箔之任何耗時 均顯著降低對比。箔之切成薄片於支撐體會招致困難，諸 如落塵問題及薄片中其它瑕疵於暗場中顯現之亮點。如箔 經切成薄片於偏光分光器或偏光調制器面，則任何錯誤均 會導致製造良率下降或重製之額外成本。四分之一波長箔 係由具雙折射率（尋常及異常）之雙折射材料製成。要同時符 合兩折射率是不可能的，需要消弭Fresnel反射方可為之， 因此無法完全消除箔之Fresnel反射，並可能在未來非常高 對比系統中造成對對比之限制。最終，四分之一波長落須 可在整個所欲波長範圍間充做四分之一波長減速器而不易 實現般在箔中任何色散對尋常及異常、之箔折射率而々 類似，使得徑延緩不致隨波長而大幅變化。因此，對一段 波長之相延遲傾向隨波長而線性變化。結果於某些中央波 長下對比最佳，並於頻譜中兩側下降。 586028 A7

採用習知MacNeille-型偏光分光器（具位於兩稜鏡間之斜 邊面上之多層介電偏光膜）之數位影像投射器會引發額外問 題。即使少量光線為稜鏡或偏光膜所吸收，議會對分光器 之稜鏡之玻璃主體造成應力。如外力施於分光器，分光器 之稜鏡玻璃亦可能遭受應力。在稜鏡玻璃中的應力會在玻 璃中產生雙折射，其改變在玻璃中傳播之光線偏光狀態。 此類應力導致之偏光變化會造成在暗狀態下無法接受之光 洩漏。一種解決應力導致之雙折射問題之方法係在稜鏡中 採用應力光學係數較低之光學玻璃^但此類玻璃價格不低 。另一種可月b解決應力導致之雙折射問題之方法採用浸入 液體之偏光分光器。在一浸入液體之偏光分光器中，將一 多層介電偏光膜塗料施於接著浸入液體填充槽中之平板。 一般而言，僅在多層介電膜兩側均為高折射率介質所環繞 時，介電膜始可充做偏光分光器。以平板分光器為基之多 層介電膜不可能存在於空中。雖然浸於液體之偏光分光器 可由高折射率之液體介質製成，此類分光器在維持液體純 度及避免液體内之溫度梯度上有實行上的困能。 在已發行之國際PCT專利申請案wo 01/09677及申請案 WO 00/703 86中藉由以線柵偏光分光器取代多層介電膜偏光 分光器，可避免某些伴隨採用反射型偏光調制器及習知 MacNeille-型偏光分光器（採用多層介電偏'光膜）之習知數位 影像投射器產生的問題。，677發行之PCT申請案揭示採用線 柵偏光分光器之影像投射系統。本申請案之圖4闡釋採用之 線栅偏光分光器，其組態概略圖示如，677發行之pcT申請案

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586028 A7 _____ B7 五、發明説明（18~) ~~ --- 之圖1A及7。已繪製之圖4係為增進對線柵分光器與習知 MacNeille-型多層介電膜偏光分光器（釋如本申請案圖”功 能之比較。 現翻閱圖4，由複數個電導體1 〇2製成之線柵偏光分光器 1〇〇概略平行於可穿透柵支撐板104之栅支撐面112延伸且^ 此相間。建構線柵106之導體102之線性延伸方向界定心座 才示方向。大致平行之導體1 〇2集體界定線栅丨〇6。柵之線間 距一般低於投射器中採用之最短波長可見光之波長，約為 290奈米。線柵支撐板丨04可為可見光範圍之光線穿透。 如圖4所示，未偏光光線之主軸射線11〇沿所界定之γ座標 軸方向照射於線柵偏光分光器1〇〇之線栅1〇6。主軸射線11〇 相對於柵支撐面112法線114之入射角基本上為45。。線柵偏 光分光器100將入射之主軸射線11〇分離為沿Z座標軸方向之 分光器反射之主軸射線116，以及通過分光器ι00之栅支樓 板104及線拇1 〇6之分光器傳輸之主軸射線11 g(其沿γ轴離開 )。分光器反射之主軸射線116基本上隨著電場方向完全線 性偏光’其係平行於建構線棚· 1 〇6之線102方向之X-座標方 向。分光器反射之主轴射線116傳播至反射型液晶偏光調制 器40之偏光調制器面42，並以垂直入射方式與調制器面42 相交於主軸交點43。在圖4所示狀況下，偏光調制器面42被 分光器反射之主軸射線116反射於主轴交點43而不改變射線 之偏光狀態，使得調制器反射之主軸射線構成一暗像素射 線。 分光器反射之主軸射線116繼續回溯至線栅偏光分光器 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 586028

100，在该處其基本上以45。入射角照射於線栅1〇6。由於分 光器反射之主軸射線116隨平行於線栅1〇6之線1〇2之線性延 伸方向之電場線性偏光，分光器反射之主軸射線116為線栅 偏光分光器反射沿Y方向回溯，並自數位影像投射器之投射 透鏡46輸入埠44轉向離開。液晶偏光調制器4〇 一轉動調制 器反射之主軸射線之偏光，射線之轉動分量即已沿負Z座標 方向通過線柵偏光分光器，並進入投射透鏡46輸入埠44， 照明投射影像之明像素區。 未偏光光線之代表性主平面偏離軸入射射線12〇通過入射 主平面121(Y-Z平面）内，照射線栅偏光分光器1〇〇之線栅 106於（Υ，Ζ)-方向偏移位置123 ,其自γ與ζ主軸之主軸相交 位置111偏移。主平面偏離軸入射射線12〇相對於線柵1〇6之 (Υ，Ζ)-方向偏移法線122之入射角小於45。。主平面偏離軸入 射射線120為線柵偏光分光器1〇〇分離為分光器反射射線ι24 及通過線柵偏光分光器1〇〇並繼續沿偏離軸射線12〇傳播方 向之分光器傳輸射線（未圖示）。雖然偏離軸射線12〇之入射 角異於主軸射線110之入射角，分光器反射之偏離軸射線 124基本上隨電場（方向平行於建構偏光分光器ι〇〇之線柵 106之線性延伸線102方向）完全線性偏光，其係垂直於入射 Υ-Ζ平面121之X-座標方向。 分光器反射射線124持續於入射γ_ζ平面121内進行至反射 型偏光調制器40之偏光調制器面42。主平面偏離軸入射射 線120之入射角及（Υ，Ζ)-方向偏移位置123之偏移距離造成分 光器反射之偏離軸射線124照射偏光調制器面42於主軸焦點 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公复)

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586028 A7 ___ B7 五、發明説明（2q ) 43。由於反射型偏光調制器4〇之偏光調制器面42之法線為 -Z方向’並且由於分光器反射之偏離軸射線ι24傳播於γ_ζ 平面中，故由分光器反射之偏離軸射線124及偏光調制器面 42之法線界定之入射平面55與γ-ζ平面（入射主平面45)重合 。方向垂直於Υ-Ζ平面，在X-座標方向上之線性偏光分光器 反射之偏離軸射線124電場被反射型偏光調制器4〇之偏光調 制器面42反射之射線維持垂直於γ-ζ平面，並因而垂直於自 偏光調制器面42反射之偏角射線126傳播方向，因為調制器 反射之偏離軸射線126亦傳播於丫-2平面。 调制器反射之偏離軸射線126照射於線栅偏光分光器1 〇〇 之線柵106之入射角大於45。。由於調制器反射之偏離軸射 線126隨電場（方向平行於建構偏光分光器1〇〇之線柵1〇6之 線性延伸線102方向）線性偏光，故該射線基本上為線栅1 〇6 全反射，並自進入數位影像投射器之投射透鏡46輸入埠44 轉向’與圖2所不照射於習知MacNeille-型偏光分光器2之多 層介電偏光膜8之對應調制器反射之偏角射線56成對比。 接著翻閱圖5，未偏光光線之偏離主軸射線15〇沿接近但 異於偏光分光器100之主軸61方向照射於線柵1〇6(固接於線 柵偏光分光器100之栅支樓板104之柵支樓面112上）並沿Y座 標軸至偏光調制器40。為比較之故，偏離軸入射射線15〇方 向與圖3所示於習知MacNeille-型偏光分光器2之第一稜鏡4 中傳播之在角度上、偏離軸入射射線64之入射方向相同。 偏離軸入射射線150傳播於偏移之入射傾斜定位平面7〇，其 自Y及Z主軸61及62之主轴相交位置21偏移而包含（_χ，γ，ζ)_ -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) 586028 A7 B7 21 五、發明説明（ 象限偏移法線6 6。偏移之入射傾斜定位平面7 0相對於定位 平行於Y-Z平面之偏移參考平面（未圖示）繞偏移法線％轉動 。偏離軸入射射線150與線栅偏光分光器1〇〇之柵支撐板ι〇4 之栅支撐面112上之線栅1〇6交於（-X，Y，Z)-象限偏移位置65 。偏離軸入射射線150對（-Χ，Υ，Ζ)-象限偏移法線66之入射角 基本上為45°。偏離軸入射射線150為線柵1〇6分離為基本上 完全線性偏光之分光器反射之偏離軸射線丨52 ;以及通過線 栅106與栅支撐板1〇4，並繼續以入射射線ι5〇傳播方向傳播 之基本上完全線性偏光之分光器傳輸之偏離軸射線（未圖示） 。分光器傳輸之偏離軸射線即分光器反射之偏離軸射線丨52 之個別電場方向述如後文。 將偏離軸入射射線150視為具任意係數之兩線性偏光參考 入射射線（具沿與偏離軸入射射線丨5〇同路徑傳播之正交電 %)之線性組合’有助於對未偏光偏離軸入射射線15〇上之 線栅106之偏光效應之瞭解。 兩線性偏光參考入射射線中的第一個定義為所具電場方 向係沿垂直於射線傳播方向之平面與γ_ζ平面（與線柵偏光 分光器100相關界定）間交線。故第一參考入射射線之電場 方向垂直於射線傳播方向（平面波所需）及座標軸（構成分 光裔100之線柵106之線102延伸方向）。結果當第一線性偏 光參考入射射線入射於偏光分光器1〇〇之線栅1〇6時，第一 參考入射射線之電場定位將使其僅有效”見到"可穿透板而 穿透分光器100，在板面與空氣間介面之反射可略之。第一 線丨生偏光參考入射射線之電場定位與為線栅偏光分光器1 〇〇 :297公釐）

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25- 586028 五、發明説明（22 自未偏光偏離軸入射射線15〇分離之線性偏光分光器傳輸之 偏離軸射線定位對應。 第二線性偏光參考入射射線之電場方向定義為延伸垂直 於入射射線傳播方向並垂直於與射線傳播方向垂直平面及 γ-ζ平面間父線。第二線性偏光參考人射射線之電場方向因 而垂直於第-線性偏光參考入射射線之電場。結果因第二 線性偏光參考入射射線之電場定位，使得當第二參考入射 射線入射於分光器1〇〇時，可有效"見到"在線柵ι〇6之鏡表 面而為鏡反射。此第二線性偏光參考入射射線之電場之有 效鏡反射之入射平面為偏移之入射傾斜定位平面7〇。反射 之第二參考射線之電場可為第二線性偏光參考入射射線之 電場之向量分解決定，成為垂直於偏移之入射傾斜定位平 面70之刀量及位於偏移之入射傾斜定位平面内之分量。 垂直於偏移之入射傾斜定位平面7〇之電場分量一為線栅偏 光分光器100之線柵106有效鏡反射，即維持定位於垂直入 射平面70方向。位於偏移之入射傾斜定位平面7〇之電場分 量反射後仍維持於入射平面70，但在反射後傾斜使定位垂 直於反射射線傳播方向。如此反射之第二線性偏光參考入 射射線之電場定位與為線柵偏光分光器1〇〇自未偏光偏離軸 入射射線150分離之線性偏光分光器傳輸之偏離軸射線152 定位對應。尤其是線性偏光分光器傳輸之偏離軸射線i 52之 電場一般均含垂直於偏移之入射傾斜定位平面7〇之分量及 位於偏移之入射傾斜定位平面70内之分量，和來自上述併 同圖3討論之習知MacNeille-型偏光分光器2之線性偏光分光 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂 586028 A7 B7 五、發明説明（23 ) 器反射射線68成對比。雖然來自圖5線柵偏光分光器1〇〇之 分光器反射之偏離軸射線152及來自圖3習知MacNeille-型偏 光分光器2之分光器反射射線68均為線性偏光，兩分光器反 射射線之電％ —般定位方向相同。 在圖3之在角度上、偏離軸入射射線64的狀況下，圖5未 偏光偏離軸入射射線150之特殊入射方向及入射射線15〇照 射於偏光分光器100之線柵106之特殊（-Χ，+γ，+ζ)-象限偏移 位置65造成照射於偏光調制器4〇之偏光調制器面42之2主轴 62與調制器面42之交點43。分光器反射之偏離軸射線152以 相對於Ζ主軸62界定之法線之非零度角入射，因而被調制器 面42反射為調制器反射之偏離軸射線154 ,其傳播於由入射 分光器反射器偏離軸射線152傳播方向及ζ主軸62界定之入 射調制器反射平面73。由於相對於（_χ，+γ，+Ζ)·象限偏移位 置65之主軸相交位置21(分光器反射之偏離軸射線152自分 光器100之線柵106反射處）之偏移，入射調制器反射平面73 一般既不平行亦不垂直於偏移之入射傾斜定位平面7〇。因 此一般期望線性偏光分光器反射之偏離軸射線丨52之電場（ 一般包含垂直於偏移之入射傾斜定位平面7〇之分量及在偏 移之入射傾斜定位平面7〇内之之分量）具在在入射調制器反 射平面73之平面中分量及垂直於入射調制器反射平面乃之 分量。垂直於偏移之入射傾斜定位平面7〇'之分光器反射之 偏離軸射線152之電場分量一被偏光調制器面42反射，即維 持垂直於調制器反射之偏離軸射線154傳播方向_位於偏移 之入射傾斜定位平面70内之分光器反射之偏離軸射線152之 -27· 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇χ297公釐)

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電％刀篁在射線為调制器面42反射時即傾斜，使得電場分 量方向垂直於調制器反射之偏離軸射線〗54方向。因此一般 而。不期待線性偏光之调制|§反射之偏離轴射線15 4之電 場平行於線性偏光之分光器反射之偏離軸射線152之電場。 由於線性偏光射線為線柵偏光分光器1〇〇反射或傳輸範圍一 般視射線之電場定位而定，故因調制器面43之非垂直入射 反射導致之線性偏光之分光器反射之偏離軸射線152之電場 定位改變，一般可為光線經分光器1〇〇之線柵1〇6傳輸至投 射影像中之暗像素處，並因而導致明暗對比度降低之一因 素。 調制器反射之偏離軸射線i 54傳播至線柵偏光分光器1〇〇 並與線柵106交於自Y及Z主軸61及62之主軸相交位置21向 (X，-Y，-Z)-方向偏移之（χ，·γ，·ζ)·象限位置75。調制II反射之 偏離軸射線154延伸處為偏光分光器100之線栅ι〇6反射，並 藉此自位於分光器1 〇〇相對側上之調制器反射之偏離轴射線 154入射方向處之數位影像投射器之投射透鏡46之輸入埠料 轉向，其與調制器反射之偏離軸射線154之電場方向相對於 建構分光器100之線栅106之線1〇2延伸方向有關，並且與偏 離軸射線154相對於線栅分光器1〇〇之入射角和方向無關， 如同在習知MacNeille-型偏光分光器之狀況下。調制器反射 之偏離軸射線154之電場一般可包含沿垂直於射線154傳播 方向之平面與γ-Z平面（與線柵偏光分光器1〇〇相關界定）間 父線之方1 ’造成例如在入射調制反射平面7 3中，於偏光 調制器40之偏光調制器面42之反射。此一線性偏光之調制 -28- 本紙張尺度通用中國國家標準(CNS) a4規格(21〇 x 297公釐) A7

586028 五、發明説明 器反射之偏離軸射線154電場分量將導致向數位影像投射器 之投射透鏡46之輸入埠44㈣，經偏光分光器⑽之線拇 106之漏射線156之傳輸。此一漏射線156傾向部分照明投射 影像之暗像素區，S而可降低非所期之數位影像投射器之 明暗對比度。但在實際狀況下，纟高性能線柵偏光分光器 的狀況下，來自照明光束瞳孔周圍，自調制器反射之偏離 轴射線之暗狀態洩漏較在習型偏光分光器之狀 況下造成之困擾明顯降低。 在先刚對數位景》像投射系統所揭示之線栅偏光器偏光之 分光器組態中具有一些缺點，對高解析度影像投射系統尤 甚。在偏光分光器之栅支撐面上之線柵偏光器應為光學平 坦，因為線栅偏光器須作用於影像方位光束，不使影像失 真。為維持線柵偏光器偏光之分光器之栅支標表面足夠平 坦’分光器之柵支樓板須厚些。但光學玻璃之厚板會遭受 應力雙折射問題，不論來自熱效應或外部施加應力皆然。 在前揭數位影像投射系統組態中，諸如圖4及5所示，投射 之光束方位影像已需通過線撕偏光偏光之分光器之柵支 撐板，並因而使此光束有因栅支撐板中應力雙折射導致影 像失真的危險。此外，當視需要傾斜線柵偏光器之厚柵支 撐板供偏光分光器使用時可能將散光引入（較少範圍慧形像 差）以斜角通過柵支撐板之光束中，增加影'像因光束通過前 揭數位影像投射系統組態中之傾斜栅支撐板而進一步失真 的危險。 發明概要 -29-

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本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公爱) 586028 A7 ____B7 五、發明説明（26 ) 本發明之一目的在提供一種可投射高品質彩色影像並顯 現優良之明暗對比度之影像投射器。 此目的可藉由依本發明申請專利範圍丨中具體描述之影像 投射器實現之。 本發明之數位影像投射器包含一照明光源燈，俾產生白 光谱照明光；及照明光束形成光學器，俾接收源燈產生之 照明光與自此光形成一白光明光束。 本發明之數位影像投射器亦包含彩色頻帶隔離光學器， 俾將輸入之白光譜照明光束分割為三空間隔離之彩色成分 照明次光束。 本發明之數位影像投射器更包含一反射型數位影像編碼 偏光調制器機構，其依所期彩色數位影像之對應彩色成分 景》像’在次光束反射時即空間調制入射之線性偏光彩色成 分照明次光束之偏光’形成反射之彩色成分影像編碼之偏 光次光束。 本發明之數位影像投射器另包含投射透鏡光學器，其投 射彩色影像方位光射線供觀看所期彩色影像之用。 最後，本發明之數位影像投射器包含一平板支撐之表面 固接固定偏光軸偏光分光器，俾以偏光狀態選擇性型態將 入射於分光器之照明光射線導入暗像素偏光狀態偏光射線 ’形成入射於反射型數位影像編碼偏光調制器機構之線性 偏光彩色成分照明次光束。此外，固定偏光軸偏光分光器 可用以分割入射於分光器之影像編碼之偏光光射線（來自反 射型數位影像編碼之偏光調制器機構，引自反射之彩色成 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 586028 A7 __· B7 五、發明説明（27 ) 分影像編碼之偏光次光束）為暗像素偏光狀態偏光之負影像 方位光射線及明像素偏光狀態偏光之彩色影像方位光射線 ’形成所期之彩色影像。偏光分光器包括一可穿透偏光器 支撑板及依固接於偏光器支撐板之大致光學平坦外面（界定 偏光器支撐面）上之固定偏光軸偏光器。固定偏光軸偏光器 在垂直於偏光器支撐面的尺寸薄。 與本發明之數位影像投射器之偏光分光器有關界定者係 照明光束接收軸、暗像素偏光狀態偏光光束軸，及明像素 偏光狀態偏光光束軸。在操作中，入射於分光器之照明光 射線傳播方向大致平行於照明光束接收軸，入射於分光器 之影像編碼之偏光光射線傳播方向大致平行於暗像素偏光 狀態偏光光束轴，以及為分光器自影像編碼之偏光光射線 分離之明像素偏光狀態偏光彩色影像方位光射線傳播方向 大致平行於明像素偏光狀態偏光光束軸。界定自偏光器支 樓板之偏光器支撐面向外凸出之偏光器支撐面法線方向垂 直於偏光器支標面。 本發明之數位影像投射器之固定偏光軸偏光分光器位於 暗像素偏光狀態偏光光束軸，並與之自固接於偏光器支撑 板之偏光器支撐面上之固定偏光軸偏光器延伸向外定位。 偏光光束軸角定義為暗像素偏光狀態偏光光束軸與偏光器 支撐面法線間夾角。偏光光束軸角基本上'大於零度，最佳 為45°。照明光束接收軸自與偏光器支撐面相對之偏光器支 樓板面有效以平行於暗像素偏光狀態偏光光束軸方向向外 延伸。明像素偏光狀態偏光光束軸自偏光器支撐板之偏光 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 586028 A7 __________ B7 五、發明説~) ~ ' 裔支撐面向外延伸於暗像素偏光狀態偏光光束軸與偏光器 支撐面法線界定之入射平面中，其相對於偏光器支撐面法 線之反射角等於偏光光束軸角。固定偏光軸偏光分光器之 定位可接收照明光射線，其向偏光分光器傳播而大致與照 明光束接收軸平行，並經可穿透偏光器支撐板至固接於偏 光益支撐板之偏光器支撐面上之固定偏光軸偏光器，引導 暗像素偏光狀態光射線自大致平行於暗像素偏光狀態偏光 光束軸之偏光器支撐面傳播向外，俾直接在固接於偏光器 支撐板上之偏光器支撐面（不經偏光器支撐板）接收向大致平 行於暗像素偏光狀態偏光光束軸之分光器傳播之影像編碼 之偏光光射線，將影像編碼之偏光光射線分隔為經可穿透 偏光器支撐板傳播，並自大致平行於照明光束接收軸之偏 光分光器遠離之暗像素偏光狀態偏光之負影像方位光射線 ，以及自大致平行於明像素偏光狀態偏光光束軸之偏光器 支撐面傳播遠離，不經偏光器支撐板，供投射透鏡光學器 投射用之明像素偏光狀態偏光彩色影像方位光射線。 在本發明之數位影像投射器之第一較佳具體實施例中， 數位影像投射器包含供產生白光譜照明光用之照明光源燈 ，以及照明光束形成光學器，其置放係為接收由源燈產生 之照明光，並適於自此光線形成一白光譜照明光束。 數位影像投射器之第一較佳具體實施例、更包含一彩色頻 帶隔離次光束位置掃射器總成，其具一白光譜照明光束輸 入光學埠及依彩色成分掃射位置隔離三元次光束輸出光學 蟑。彩色頻帶隔離次光束位置掃射器總成適於接受輸入之 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) 586028 A7 ____B7 五、發明説明（29 ) " " -- 白光譜照明光束至白光譜照明光束輸入埠中，並將輸入之 白光譜照明光束分隔成三空間隔離之彩色成分次光束。彩 色頻帶隔離次光束位置掃射器總成更適於重複掃射第一及 第二限制位置間各彩色成分次光束之位置，同時維持次光 束於未重疊關係，形成三空間隔離之彩色成分掃射位置次 光束，並自彩色成分掃射位置隔離之三元次光束輸出光學 埠投射三空間隔離之彩色成分掃射位置次光束。 數位影像投射器之第一較鎵具體實施例亦包含一反射型 二移動影像區數位影像編碼之偏光調制器，其包含一反射 型偏光調制像素區之本質平面陣列，其界定偏光調制器之 調制器面，及供接收影像編碼信號之影像編碼信號輸入 ，俾選擇性設定選擇性定址之像素區之偏光活動狀態。各 反射型偏光調制像素區均適於依像素區之偏光活動狀態選 擇性調制落於像素區之線性偏光之偏光。偏光調制器之調 制器面適於具有界定於其上操作三本質未重疊之彩色成分 掃射位置影像區，為相關彩色成分掃射位置次光束照明之 對應於彩色成分照明區之各影像區於操作中大致垂直入射 而投射於調制器面。在操作中之各彩色成分掃射位置影像 區經界定而重複跨調制器面掃射，其與依相關彩色成分掃 描位置次光束之掃描的其它兩彩色成分掃描位置影像區之 掃描同時。偏光調制器適於在影像編碼信'號埠接收三移動 影像區彩色成分影像編碼信號，並對三彩色成分掃描位置 影像區而言，當影像區橫掃於調制器面而偏光活動狀態（在 移動影像區間編碼所期全彩、全尺寸影像之對應彩色成分 -33 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱了 D^6〇28

==像區部分）時，選擇性設定與簾幕上之彩色成分掃描 上像區相關之反射型偏光調制像素區之偏光活動狀態 〜之線性偏光彩色成分掃描位置次光束投射於並橫掃 η周制器®，俾以大致垂直人射方式照明調制器面之彩色 成分掃描位置影像區，藉此於任何時刻將其以大致垂直入 射方式自移動影像區反射而偏光空間調制，俾於該時編碼 7期影像之對應彩色成分影像區部分，故而在掃描期重複 時段橫掃調制器面自調制器面反射而具偏光連續調制之彩 色成分掃描位置次光束，俾以掃描影像型態將所期全尺寸 影像之對應彩色成分編碼。 數位影像投射器之第一較佳具體實施例亦包含投射透鏡 光學器，俾接收三彩色成分掃描位置影像次光束於投射透 鏡輸入光學埠’並自投射透鏡輸出光學蟑投射該三彩色成 分掃描位置影像次像素，供觀看影像之用。 最終，本發明之數位影像投射器之第一較佳具體實施例 包含一平板支撐、表面固接固定偏光軸薄偏光器偏光分光 器。該偏光分光器包括一可穿透偏光器支撐板及一固接於 偏光器支撐板之大致光學平坦外面（界定偏光支撐面）上之固 定偏光軸偏光器。固定偏光軸偏光器在垂直於偏光器支撐 面之尺寸薄。偏光分光器以界定與該處有關之照明光束接 收軸、暗像素偏光狀態偏光光束軸及明像'素偏光狀態偏光 光束軸。所界定之偏光支撐面法線自偏光支撐板之偏光支 撐面以垂直於偏光器支撐面方向向外投射。暗像素偏光狀 態偏光光束軸自偏光支撐板之偏光支撐面向外延伸，具一 -34 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐)

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線 586028 A7 B7 五、發明説明（31 ) 偏光光束軸角定義為暗像素偏光狀態偏光光束軸與偏光器 支撐面法線間夾角。偏光光束軸角大致大於零度。照明光 束接收軸以有效平行於暗像素偏光狀態偏光光束軸方向自 偏光器支撐板相對於偏光器支撐面之面向外延伸。明像素 偏光狀態偏光光束轴自偏光器支撐板之偏光器支撐面向外 延伸’其與偏光器支撐面法線間夾角等於偏光光束轴角。 固定偏光軸偏光分光器適於接收三空間隔離之彩色成分掃 描位置次光束，其以大致平行於照明光東接收軸方向向偏 光分光器傳播，並經可穿透偏光器支撐板至偏光器支推面 ，藉由偏光器支撐面上之固定偏光軸偏光器自三空間隔離 之彩色成分掃描位置次光束分割為三線性偏光空間隔離之 彩色成分掃描位置暗像素偏光狀態次光束，其自偏光器支 推面以大致平行於暗像素偏光狀態偏光光束軸方向向外傳 播。固定偏光軸偏光分光器亦適於接收三空間隔離之彩色 成分掃描位置合成影像次光束，其以大致平行於暗像素偏 光狀態偏光光束軸方向直接向固接於偏光器支撐板之偏光 器支樓面上之固定偏光軸偏光器傳播，未經過偏光器支撐 板。各彩色成分掃描位置合成影像次光束均含暗像素偏光 狀態線性偏光（延伸彩色成分負影像）及明像素偏光狀態線性 偏光（延伸所期之彩色成分影像）。固定偏光軸偏光分光器並 適於分割各彩色成分掃描位置合成影像次'光束為彩色成分 掃描位置暗像素偏光狀態線性偏光光束（延伸彩色成分負影 像）’其經可穿透偏光器支撐板傳播並以大致平行於照明光 束接收軸方向遠離偏光分光器，以及彩色成分掃描位置明 -35- 本紙張尺度適财S目家標準(CNS) A4規格(⑽χ 297公爱) 586028

像素偏光狀態線性偏光光束（延伸所期之彩色影像），其以大 致平行於明像素偏綠態偏光光束軸方向自偏光器支撑面 向外傳播’未通過偏光器支撑板。偏光分光器之照明光束 接收抽有效與彩色頻帶隔離次光束位置掃描器總成之掃描 位置次光束中央轴對齊。偏光分光器之暗像素偏光狀態偏 光光束軸有效對齊於偏光調制器之調制器面法線，而偏光 分光器之明像素偏光狀態偏光光束軸則有效對齊於投射透 鏡光學器之投射透鏡輸入埠軸。 在本發明之數位影像投射器之第二較佳具體實施例中， 數位影像投射器包含供產生白光譜照明光用之照明光源燈 :以及光束形成光學裝置，其置放係為接收由源燈產生之 照明光’並適於自此類光線形成白光譜照明光束。 數位影像投射器之第二具體實施例亦包含一光束彩色分 割/合併稜鏡總成’其具一合成光束輸入/輸出光學埠及三主 彩色輸出/輸入光學埠。該光束彩色分割/合併棱鏡總成適於 接收白光譜輸入光束於合成光束輸入/輸出光學埠，分割白 光譜輸入光束為三成分主彩色輸出光束，並自對應之主彩 色輸出/輸入光學埠分別投射各成分主彩色輸出光束。光束 彩色分割/合併稜鏡總成亦適於分別接收三主彩色之輸入光 束於對應之三主彩色輸出/輸入光學部之一，合併三主彩色 輸入光束為一合成輸出光束，並自棱鏡總'成之合成光束輸 入/輸出光學埠投射合成輸出光束。 數位影像投射器之第二具體實施例亦包含三反射型數位 影像編碼偏光調制器。反射型偏光調至器之置放均面對光 -36- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

装 訂

586028 A7 B7 五、發明説明（33 ) 束彩色分割/合併稜鏡組成之對應之三主色輸出/輸入光學部 之一。各反射型偏光調制器均適於反射及空間調制依所期 數位影像之對應主彩色成分自對應之主彩色輸出/輸入光學 埠投射之偏光成分主彩色輸出光束之偏光，形成指向對應 之主彩色輸出/輸入光學埠之反射影像編碼之偏光主彩色輸 入光束。 數位影像投射器之第二具體實施例另包含投射透鏡光學 器，俾接收影像光束於投射透鏡輸入光學埠，並自投射透 鏡輸出光學埠投射該影像光束，供觀看影像之用。 最終，本發明之數位影像投射器之第二較佳具體實施例 包含一平板支撐、表面固接固定偏光軸薄偏光器偏光分光 器。此偏光分光器包括一可穿透偏光器支撐板及一固接於 偏光器支撐板之大致光學平坦外面（界定偏光支撐面）上之固 定偏光軸偏光器。固定偏光軸偏光器在垂直於偏光器支樓 面之尺寸薄。與偏光分光器相關界定之三軸：照明光束接 收軸、暗像素偏光狀態偏光光束軸及明像素偏光狀態偏光 光束軸。所界定之偏光支撐面法線自偏光支撐板之偏光支 撐面以垂直於偏光器支撐面方向向外投射。暗像素偏光狀 怨偏光光束轴自偏光支樓板之偏光支撑面向外延伸，並造 成與偏光器支撐面法線間，大致大於零度之偏光光束軸角 。照明光束接收軸以有效平行於暗像素偏光狀態偏光光束 軸方向自偏光器支撐板相對於偏光器支撐面之面向外延伸 。明像素偏光狀態偏光光束軸自偏光器支撐面向外延伸， 其與偏光器支撐面法線間反射角等於偏光光束軸角。偏光 -37- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 586028 A7 B7 五、發明説明（34 ) 为光為適於接收大致沿照明光束接收軸朝向偏光分光器並 經可穿透偏光器支撐板至偏光器支撐面之照明光束，藉由 偏光裔支撑面上之固定偏光軸偏光器自照明光束分割為線 性偏光暗像素偏光狀態光束，其自偏光器支撐面大致沿暗 像素偏光狀態偏光光束軸方向向外傳播，俾接收包含暗像 素偏光狀態線性偏光（延伸彩色負影像）及明像素偏光狀態線 性偏光（延伸所期之彩色成分影像）之合成光束，其大致沿暗 像素偏光狀態偏光光束軸朝向分光器，直接照射於固接於 偏光器支稽板之偏光器支撐面上之固定偏光軸偏光器，未 經偏光器支撐板，俾將合成光束分割為暗像素偏光狀態線 性偏光光束（延伸彩色成分負影像），其經可穿透偏光器支撐 板傳播並大致沿照明光束接收軸方向遠離偏光分光器；以 及明像素偏光狀態線性偏光光束（延伸所期之彩色影像），其 沿明像素偏光狀態偏光光束軸方向自偏光器支撐面向外傳 播，未通過偏光器支撐板。偏光分光器之照明光束接收軸 有效與照明光束形成光學器之照明光束轴對齊。偏光分光 器之暗像素偏光狀態偏光光束軸有效對齊於光束彩色分到/ 合併棱鏡總成之合成光束輸入/輸出埠軸。偏光分光器之明 像素偏光狀態偏光光束軸則有效對齊於投射透鏡光學器之 投射透鏡輸入埠軸。 本發明之數位影像投射器之平板支撐、'表面固接固定偏 光軸薄偏光器偏光分光器具有之接收角，可供接收對應於 數值孔徑範圍自0·1至0.25或更大之照明光束較佳。對應之 本發明之數位景^像投射器之照明光束形成光學器具範圍 -38-

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自〇·1至0·25或更大之數位孔徑較佳。本發明之數位影像投 射器之照明光束形成光學器具至少〇·丨5之數位孔徑，且偏 光分光器具有之接收角，可供接收對應於數值孔徑至少為 〇· 1 5更佳。本發明之數位影像投射器之照明光束形成光學 器具至少0.2之數位孔徑，且偏光分光器具有之接收角，可 供接收對應於數值孔徑至少為0.2最佳。 偏光分光器之偏光器支撐板之偏光器支撐面之法線與本 發明之數位影像投射器中偏光分光器相關界定之暗像素偏 光狀態偏光光束軸間偏光光束軸角範圍自約2〇。至約7〇。較 佳。在數位影像投射器中之偏光光束軸角約為45。最佳。 本發明之數位影像投射器之固定偏光軸偏光分光器之偏 光器支樓板之偏光器支撐面在每英吋可見光之五波長範圍 内平坦較佳。偏光器支撐板之偏光器支撐面在每英忖可見 光之兩波長範圍内平坦最佳。 本發明之數位影像投射器之反射型數位影像編碼偏光調 制器包含反射型液晶顯示器（RLCD)較佳，其亦稱之為石夕顯 不上之液晶（LCoS) 〇 平板支撐、表面固接固定偏光軸薄偏光器偏光分光器係 一線栅偏光器偏光分光器較佳。線栅偏光器偏光分光器包 括一可穿透栅支撐板及一由固接於柵支撐板之外柵支撐面 上之複數個大致線性電氣導體製成之線柵偏光器。電氣導 體彼此大致平行延伸，並相互間隔，而相鄰電氣導體間間 隔小於投射器中採用之可見光之最短波長較佳，約為290奈 米。柵支撐板可為可見光範圍之光線穿透較佳。線柵之偏 -39- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

裝 訂

586028 A7 B7 五、發明説明（36 ) 光性質述如 Hecht 之 Optics 327 至 328 頁（Addison-Wesley， 1998 第三版）及 G.R.Bird 與 Μ· Parrish 之 Jr·，j· 〇pt Soc.Am.第 50卷第886-891頁（1960) ^ —般適於本發明之數位影像投射 器之某些較佳具體實施例之線栅偏光分光器市售於M〇xtek，

Inc. of 〇rem，Utah，品名為"ProFlux Polarizers，，。 入射於線栅偏光器偏光分光器之未偏光射線分為兩線性 偏光射線，其一自線栅表面反射，另一則通過線栅。傳輸 之線性偏光射線之電場垂直於建構柵之線方向。具平行於 建構柵之線之線性延伸方向之電場分量之入射光反射形成 線性偏光之反射射線<3偏光轴係由線拇之實際結構決定， 尤其是栅之線延伸方向。故例如當傳輸之偏光向量投射於 平面上時，不會如習知MacNeille-型多層介電膜分光器般， 繞光束之瞳孔轉動。 本發明之數位影像投射器之另一較佳平板支撐、表面固 接固疋偏光軸薄偏光器偏光分光器係一平板支樓、表面固 接父替雙折射/非雙折射膜偏光器偏光分光器。平板支撑、 表面固接交替雙折射/非雙折射膜偏光器偏光分光器包括一 可穿透膜支撐板及一固接於膜支撐板之外膜支撐面上之交 替雙折射/非雙折射膜偏光器。交替雙折射/非雙折射膜偏光 器包含疋位雙折射材料及非雙折射材料之交替層，其中非 雙折射材料之折射率大致等於定位雙折射材料之折射率之 一。由於材料之交替層之折射率與一方向相符並與正交方 向不符，故一偏光方向之光線可有效”見到，，均勻折射率， 並經多層膜傳輸，然而正交偏光之光線則見到交替、相異 -40-

586028 A7 B7 五、發明説明（37 ) 折射率之堆疊層而反射。此一交替雙折射/非雙折射膜偏光 器述於發行之國際PCT專利申請案第W0 〇〇/7〇386號。交替 雙折射/非雙折射膜之多層堆疊可配置於可穿透膜支撐板之 外膜支撐面上，其可定位為相對於入射光束軸為45。，俾形 成偏光分光器。偏光軸係為雙折射層之定位決定。故與線 柵偏光分光器類似，此一偏光分光器有助於避免習知 MacNeille-型多層介電膜偏光分光器之傾斜角問題。 在本發明中’利用固定偏光軸分光器（以繞射或雙折射結 構為基）可避免習知MacNeille-型多層介電膜偏光分光器中 的困難。具備此一偏光分光器，反射及傳輸偏光狀態即與 習知MacNeille-型偏光分光器中光線傳播方向無關。在實用 中，可大幅避免傾斜角逆偏光，並且無需以四分之一波長 箔改善對比。 在本發明之數位影像投射器中，偏光分光器之偏光器支 撐板面向投射之光學系統之照明源側，而偏光分光器之偏 光器支#面面向投射器之光學系統之反射型偏光調制器側 。故如圖6所示，線栅偏光分光器1 〇〇之定位使得來自投射 器之光學系統之照明源側之照明光束170入射於分光器1〇〇 之柵支撐板104之面172上，其與線栅106固接處之柵支撐板 104之柵支撐面112相對。當照明光束170—穿經偏光分光器 100之線柵106之可穿透柵支撐板104，反射'型偏光調制器4〇 即為自照明光束170引出之線性偏光光束174所照射。自偏 光調制器40之調至器面42反射之影像編碼之偏光光束176直 接入射於固接於偏光分光器100之柵支撐板104上之線柵1〇6 -41 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 586028 A7 _____B7 五、發明説明（38~) " 上，未通過柵支撐板1〇4。線柵1〇6將影像編碼之偏光光束 1 76分割為暗像素偏光狀態偏光負影像方位光束1 8〇，其傳 播經栅支撐板104並離開偏光分光器1〇〇 ;及明像素偏光狀 偏光彩色影像方位光射線178，其自線栅1 〇6傳播離開至 投射透鏡光學器（未圖示），未通過柵支撐板1〇4。位於偏光 分光器介面之線柵106為光學平坦較佳，因為線柵係在映像 徑中，並作用於影像編碼之光束。為維持線栅j 〇6足夠平坦 ’柵支撐板厚度需足夠。如上述，厚玻璃平板可能會招致 應力雙折射。但由於偏光分光器100之定位使得偏光分光器 100之柵支撐板104面向投射器之光學系統之照明源側，並 造成不可忽略之效率損失。當反射型偏光調制器4〇處於關 閉狀態時，並無玻璃擾亂自偏光分光器1〇〇之線柵1〇6通過 之線性偏光光束之偏光以及在自偏光調制器4〇反射後返回 至線栅106。 如上所指，線柵偏光器偏光分光器之相對厚傾斜之柵支 樓板會引入散光並導致較少範圍之慧形像差於以斜角通過 栅支撐板之光束。但對圖6分光器定位之此類畸變係在照明 徑中。由於在照明徑中並無影像資訊，故畸變之衝擊較低 。然而，在本發明之數位影像投射器中提供一些對慧形像 差之補償較佳。此類補償之提供可藉由插入一圓柱形透鏡 或其它慧形像差補償於投射器之照明徑中'為之。此類位於 明徑中之慧形像差補償以接近系統瞳孔或併入中.繼透鏡中 抑或接近系統瞳孔或位於瞳孔之中間影像處較佳。 圖式簡述 -42- 本紙張尺度it财S时料(CNS) A4規格(210X297公爱) ' 586028 A7 _ B7 五、發明説明（39~) 一 接下來即將參閱隨附圖式描述本發明之具體實施例： 圖1係採用多層介電偏光膜之習知MacNeille-型偏光分光 器圖式，用以闡釋為偏光器最佳化偏光之未偏光射線傳播 方向。 圖2及3係圖1偏光分光器之概略圖式，其位於反射型液晶 偏光調制器與習知數位影像投射器之投射透鏡之一輸入光 學埠間，用以闡釋在一暗像素處上非所期之光洩漏。在圖2 的情況下，此類光洩漏係因未偏光之光射線以異於最佳偏 光角之角度入射於偏光器之偏光表面所致。在圖3的情況下 ’在一暗像素處之非所期之光射線係因未偏光之光射線以 最佳偏光角，但沿相對於主軸（與偏光分光器及反射偏光調 制器之偏光調制器面相關界定）傾斜之方向入射於分光器之 偏光表面所致。 圖4及5係如先前技藝所揭位於並定位於反射型液晶偏光 調制器與數位影像投射器之投射透鏡之輸入光學埠間之線 柵偏光分光器’使得為透射透鏡投射之明像素偏光狀態調 制光束（延伸所期影像）以遠離法線入射之傾斜角通過偏光分 光器之可穿透柵支撐板。 圖6係位於本發明之較佳數位影像投射器之投射透鏡之輸 入光學埠與反射型液晶偏光調制器間之線栅偏光分光器之 概略圖式，其中為投射透鏡投射之明像素、偏光狀態調制光 束（延伸所期影像）自線栅偏光分光器之栅支撐面反射，且未 通過分光器之栅支撐板。 圖7係本發明之第一較佳數位影像投射器之概略光學圖。 -43· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公釐) 586028 A7 __B7 五、發明説明（40 ) 圖8及9係圖7之第一較佳數位影像投射器中使用之光學配 置之變化中採用之轉動稜鏡總成採邊及頂視概略圖式。 圖10係圖7之較佳數位影像投射器之反射型偏光調制器之 調制器面概略圖式，其為紅、綠及藍成分掃描位置次光束 所照射。 圖11係本發明之第二較佳數位影像投射器之概略光學圖。 較佳具體實施例之細部描述 現翻閱圖7，第一較佳數位影像投射器500包含一照明光 束源總成502 ’其包含一位於拋物型反射器506中之高強度 燈504。照明光束源總成5〇2產生投射器之未偏光、白光譜 光線之照明光束。為簡化之故，在圖7中，僅以各光束之中 央射線表示光束，諸如由照明光束源總成502產生之未偏光 照明光束之中央射線508。紫外光、紅外光及彩色補償濾波 器（未圖示）位於照明光束之路徑中，俾將紫外光及紅外光頻 率自光束中移除，並將所期之彩色光譜外型給予光束之頻 率光譜。 光守恆光束偏光器總成510位於較佳數位影像投射器5〇〇 中之未偏光照明光束508之路徑中。光束偏光器總成510類 型概略類似於Itoh及Hashizume於美國專利第5,986,809號中 所述光束偏光器，茲將其中所揭以引用的方式併入本文。 簡言之，光束偏光器總成510包含一第一透鏡陣列512，其 係由大致矩形之平凸透鏡構件之矩形陣列所組成。在操作 中，第一透鏡陣列512將照明光束508分割為聚焦次光束之 矩形陣列。光束偏光器5 10亦包含一偏光分光器/半波板總 -44- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) ' 586028

成514 ’其位於由第一透鏡陣列512產生之聚焦次光束之焦 平面中。偏光分光器/半波板總成5 14包含一第二透鏡陣列 516及複數對交替延伸之偏光分光器膜帶52〇及延伸之反射 型鏡帶522 °偏光分光器膜帶520及反射型鏡帶522均以垂直 於照明光束508之中央射線方向相互平行線性延伸，並相對 於光束508之中央射線以大致45。角傾斜。第二透鏡陣列516 包含一大致矩形透鏡構件（與光束偏光器總成51〇之第一透 鏡陣列512之透鏡構件一對一對應）之矩形陣列。第二透鏡 陣列514之各透鏡構件更自第一透鏡陣列512之一對應透鏡 構件聚焦一未偏光次光束於偏光分光器/半波板總成514之 部分偏光分光器膜帶520上。偏光分光器膜帶520將未偏光 次光束分割為兩線性偏光次光束，其一通過偏光分光器膜 帶520 ’其二自偏光分光器膜帶52〇反射於相鄰之反射型鏡 帶522上。第一及第二偏光次光束之偏光基本上互相正交。 反射型鏡帶522之定位可沿大致平行於照明光束5〇8之光束 軸方向將第二線性偏光光束反射出偏光分光器/半波板總成 514。與各偏光分光器膜帶52〇對齊者係延伸之半波板帶524 。通過偏光分光器膜帶520之第一線性偏光次光束異通過半 波板帶524。半波板帶524大致以90。轉動第一線性偏光次光 束之偏光，俾大致與自反射型鏡帶522反射之第二線性偏光 次光束之偏光狀態重合。藉此光束偏光器總成510可將未偏 光之照明光束508轉換為線性偏光次光束（大致具一偏光狀 態）之陣列組成之線性偏光之照明光束509，可有效無需摒 棄與未偏光照明光束508中之任何特殊偏光狀態對應之光線。 -45- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 586028 A7 _____B7 五、發明説明（42 ) 一般的平凸光束外型/慧形像差補償透鏡526係位於來自 光束偏光器總成510之線性偏光照明光束509之路徑中。光 束外型/慧形像差補償透鏡526與光束偏光器總成510之第一 及第二透鏡陣列512及5 16合作聚焦及聯合光束偏光器總成 5 10產生之線性偏光次光束陣列中之各次光束為基本上具矩 形剖面外型之聯合線性偏光光束。藉由如此聯合複數個光 束為聯合線性偏光照明光束，所得之照明光束傾向在整個 光束剖面區中具均勻強度。此外，光束外型/慧形像差補償 透鏡526經塑形而包含圓柱形放大率，俾補償由下述之線拇 偏光分光器570之柵支撐板572引入之慧形像差，其係以傾 斜定位置於自光束外型/慧形像差補償透鏡526投射而自線 性偏光照明光束509衍生之線性偏光彩色成分次光束542 R 、G、B路徑中。 轉動稜鏡掃描位置彩色頻帶隔離總成530位於來自光束偏 光器總成5 10之線性偏光照明光束509之路徑中。概言之， 轉動稜鏡掃描位置彩色頻帶隔離總成530利用雙色鏡將線性 偏光照明光束Rij離為平彳亍之紅、綠及藍彩色成分次光束， 三轉動正方形稜鏡在橫向位置範圍間以與次光束傳播方向 交又之橫向位置中重複且單向掃描各彩色成分次光束，同 時維持次光束之傳播方向平行於指定方向，並以光束對齊 與中繼光學器對齊彼此於橫向延伸平面申平行之三掃描位 置彩色成为-人光束’及給疋各次光束類頻帶剖面外型，其 頻帶橫向寬度窄到足以杜絕相鄰次光束間的橫向重疊。 轉動棱鏡掃描位置彩色頻帶隔離總成530大致類似於 -46-

586028 A7 B7 五、發明説明（43

Janssen於美國專利第5,41〇,37〇號中所揭轉動稜鏡總成，茲 將其規範以引用的方式並入本文。圖8及9所示之替換轉動 稜鏡掃描位置彩色頻帶隔離總成530,基本功能等效於圖7所 示轉動稜鏡掃描位置彩色頻帶隔離總成530。即將詳述替換 之彩色頻帶隔離總成530’如次。接著即將敘明圖8及9之替換 轉動稜鏡掃描位置彩色頻帶隔離總成530,與圖7之轉動稜鏡 掃描位置彩色頻帶隔離總成530間差異。 現翻閱圖8及9，轉動稜鏡掃描位置彩色頻帶隔離總成53〇, 包含一轉動稜鏡總成550，其包含一紅成分正方形稜鏡 552’R、一綠成分正方形稜鏡552,〇及一藍成分正方形稜鏡 552Έ。紅、綠及藍成分正方形稜鏡均係具正方形剖面之矩 形實體。三正方形稜鏡552 R、G、B均堆疊於其它稜鏡上， 而二稜鏡之中央軸對齊。相鄰稜鏡彼此繞中央軸角度偏移 約30° °稜鏡總成之三正方形稜鏡552, r、〇、B為驅動馬達 (未圖示）繞中央軸轉動。 如圖9之最佳顯示，數位影像投射器500之轉動稜鏡掃描 位置彩色頻帶隔離總成530包含一紅反射/藍-綠穿透雙色鏡 532、一綠反射型/藍穿透型雙色鏡538，及光束改向鏡554, ’其沿線性偏光照明光束509傳播方向相間，並且基本上相 對於照明光束509傳播方向定位45。。紅反射型/藍-綠穿透型 雙色鏡532基本上以垂直於照明光束509傳播方向反射入射 照明光束509之紅色成分次光束540R，並於入射照明光束 5〇9傳播方向傳輸藍_綠成分次光束540GB。 接續於紅反射/藍-綠穿透雙色鏡532，在紅色成分次光束 -47- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 586028 A7 B7 五、發明説明（44 ) 540R路徑中之紅成分平凸透鏡528R ;以及接續於紅反射型/ 藍-綠穿透型雙色鏡532，在藍綠成分次光束540GB路徑中， 基本上全同之藍綠成分平凸透鏡528GB係用以聚焦最終掃 描位置線性偏光彩色成分次光束於反射型偏光調制器上之 中繼光學器。 綠反射/藍穿透雙色鏡538以沿垂直於入射藍綠成分次光 束540GB方向反射藍綠成分次光束540GB之綠成分次光束 540G，並沿平行藍綠成分次光束540GB方向傳輸藍成分次 光束540B。 如圖9之最佳顯示，來自紅反射/藍-綠穿透雙色鏡532之紅 成分次光束540R經透鏡528R以與所示轉動稜鏡總成550之特 殊代表性轉動角聚焦於紅成分正方形稜鏡552’R之第一平坦 面。一般而言，在空氣中以非零度入射角入射於可穿透材 料（折射率大於空氣之折射率並具平行平坦前與後面）前面之 光束一進入前面及折射，其通過該材料之折射角較入射角 接近前面之法線。光束一離開材料區塊之後面即折射，使 得離開角等於原始入射角。最終結果為離開光束以平行於 入射光束方向傳播但位置偏移，造成為折射角決定之方向 上，旅經材料之厚度。故如圖8可得見，所示為轉動稜鏡總 成550之代表性轉動角，入射之紅成分次光束540R與紅成分 正方形稜鏡552’R之第一面相交，以與稜鏡之第一面之折射 角通入並經過稜鏡，自稜鏡對面顯現為位置自入射之紅成 分次光束540R偏移之紅成分掃描位置次光束542R。綠成分 次光束540G自綠反射/藍穿透雙色鏡538反射於綠成分正方 -48- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 586028 A7 B7 五、發明説明（45 ) 形稜鏡552Ό面上。由於入射之綠成分次光束540G以圖8所 示特殊轉動角垂直入射於綠成分正方形稜鏡552’G與之相交 ，綠成分次光束540G通過稜鏡並顯現為綠成分掃描位置次 光束542G，其中央射線與入射之綠成分次光束540G之中央 射線重合。藍成分次光束53 8經綠反射/藍穿透鏡53 8傳輸， 並為光束改向鏡554改向與藍成分正方形稜鏡552’B相交。 以圖8及9所示轉動稜鏡總成550之特殊轉動角，入射之藍成 分次光束540B於藍成分稜鏡面折射並離開為位置自入射之 藍成分次光束540B橫向偏移之藍成分掃描位置次光束542B。 復翻閱圖9，紅成分掃描位置次光束542R通過紅成分平凸 中繼透鏡544R並為光束改向鏡556f反射向綠反射/紅穿透雙 色鏡558。紅成分掃描位置次光束542R通過綠反射/紅穿透 雙色鏡558，為紅綠成分雙凸中繼透鏡560RG聚焦，並指向 紅綠反射/藍穿透雙色鏡562。紅成分掃描位置次光束542R 為紅綠反射/藍穿透雙色鏡562反射，並指經三掃描次光束 平凸中繼透鏡566。綠成分掃描位置次光束542G通過綠成分 平凸中繼透鏡544G，並照射於綠反射/紅穿透雙色鏡558上 ，在該處其反射經紅綠成分雙凸中繼透鏡560RG至紅綠反 射/藍穿透雙色鏡562上。綠成分掃描位置次光束542G為紅 綠反射/藍穿透雙色鏡562反射，並指經三掃描次光束平凸 中繼透鏡566。如圖9可得見，藍成分掃描'位置次光束542B 通過藍成分平凸中繼透鏡544B及藍成分雙凸中繼透鏡560B ，接著依序通過紅綠反射/藍穿透雙色鏡562及三掃描次光 束平凸中繼透鏡566。 -49- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 586028 A7 B7 五、發明説明（46 ) 考量圖7與圖8及9之轉動稜鏡掃描位置頻帶隔離總成53〇 與53CT間差異，所示紅、綠及藍成分正方形稜鏡552R、 552G、552B於圖7之頻帶隔離總成53〇中橫向相間，而非如 圖8及9之頻帶隔離總成530,中之垂直堆疊。在圖7中重置光 束改向鏡554,及556,，異於圖9中光束改向鏡554，及556，之位 在圖7之轉動稜鏡掃描位置彩色頻帶隔離總成53〇中，紅 、綠及藍成分掃描位置次光束542 r、G、b離開紅綠反射/ 藍穿透雙色鏡562彼此以橫向方向相對位移。三正方形稜鏡 552 R、G、B同步繞稜鏡之個別中央軸轉動，使得紅、綠及 藍成分掃描位置次光束之橫向位置自第一橫向限制位置橫 向偏移至第二橫向限制位置，接著再出現於第一橫向限制 位置而重複橫向偏移。由於稜鏡總成55〇之紅、綠及藍成分 正方形稜鏡552 R、G、B約30。之相對角偏移，故當紅、綠 及藍成分掃描位置次光束542 R、G、B施行為稜鏡總成之轉 動產生之重複性橫向轉移時，其總是彼此相對橫向位移。 如上述，光束偏光總成510之第一與第二透鏡陣列512與516 及平凸光束外型/慧形像差補償透鏡526導致紅成分掃描位 置次光束542R之自紅成分正方形稜鏡552R顯現，具一般矩 形類頻帶剖面外型，其於垂直於次光束掃描方向之方向上 延伸。類似地，綠成分掃描位置次光束542G及藍成分掃描 位置次光束542B基本上具全同之一般矩形類頻帶剖面外型 。在掃描方向中之三成分次光束之剖面寬度均使得在各對 相鄰彩色合成次光束間所具之非照明橫向間隙夠窄，因而 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇Χ297公釐） 50- 586028 A7 _____ B7 五、發明説明（47~~) " ^ 在二-人光束於轉移期間掃描時，次光束均不致於空間中重 疊。 復翻閱圖7，二橫向偏移之紅、綠及藍成分掃描位置次光 束542 R、G、B通過三掃描次光束平凸中繼透鏡566及一調 整薄片偏光裔568 ,其定位以通過定位平行於由光束偏光器 總成5 10產生之光束之偏光之名義上的方向之線性偏光。 線柵偏光分光器570位於紅、綠及藍成分掃描位置次光束 542 R、G、B之路徑中。線栅偏光分光器57〇包含一栅支撐 板5 72及一固接於支樓板572之柵支撐面576上之線栅574。 支撐板572之栅支樓面576基本上為光學平坦。線栅偏光分 光器570相對於彩色成分掃描位置次光束542 r、〇、b傳播 方向之定向基本上為45。角，並且相對於彩色成分掃描位置 次光束542 R、G、B掃描方向基本上為45。角。線栅574之線 垂直於圖7頁面延伸。在支撐板572之栅支撐面576上之線栅 574面向遠離照明彩色成分掃描位置次光束542 11、（}、]3(來 自三掃描次光束平凸透鏡566及調整薄片偏光器568)傳播方 向。入射於偏光分光器570之線性偏光之彩色成分掃描位置 次光束542 R、G、B之電場方向定位大致垂直於線柵574之 平行線之線性延伸方向，俾使次光束可通過線栅。 置放之反射型偏光調制器580具有面向偏光分光器570之 偏光調制器面582。反射型偏光調制器590適於依施於偏光 調制器580之影像編碼信號反射及空間調制落於偏光調制器 面582之線性偏光之偏光。如圖1〇所示，具彩色成分掃描位 置次光束542 R、G、B之偏光調制器面582之照明，因次光 •51 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 586028 A7 _____B7 -------- - __ 五、發明説明（48 ) 束之剖面外型而在偏光調制器面582上產生彩色543 R、G、 B之對應頻帶。如Janssen於美國專利第5,41〇,37〇號所釋， 將所期彩色影像之“號編碼之紅、綠及藍成分頻帶部與正 方形稜鏡552 R、G、B之轉動同步施於偏光調器58〇 ,並由 彩色成分掃描位置次光束542 R、G、B產生跨越偏光調制器 面582之紅、綠及藍色頻帶543 R、G、B之掃描，使得在每 瞬間各彩色成分次光束均於該瞬間隨所期影像之對應 頻帶邛之對應彩色成分寬間偏光調制。在任何給定瞬間， 偏光調制器580之偏光調制器面582均為線性偏光彩色成分 掃描位置次光束542 R、G、B產生之三平行之紅、綠及藍色 頻帶543 R G、b照射，然而如圖1 〇可得見，任一頻帶均可 隨著對應彩色成分次光束之自第二橫向限制位置546回到第 秘向限制位置548而分割為兩部分。部分偏光調制器面 582為三頻帶中之特定一頻帶照明，其係由施於偏光調制器 580之影像編碼信號所驅動，俾空間調制線性偏光之彩色成 分掃描位置次光束，依所期最終影像之對應彩色成分影像 f生此類頻帶。各對相鄰彩色成分頻帶間之非照明間隙549 提供一設定時間，俾致使偏光調制器上之像素區得以自對 應於遠離頻帶之彩色成分影像之偏光活動狀態切換至對應 於抵達頻帶之彩色成分影像之偏光活動狀態。當任何給定 =色頻帶掃經偏光調制器面582時，偏光調制器58〇依頻帶 …' 月之邛为對應彩色成分影像驅動而啟動在頻帶區中之像 素。區。因此，偏光調制器58〇須以約三倍於偏光調制器（用 於單一彩色成分）之速，率為影像編碼信號驅動。 本纸張尺度^ 586028 A7 _；_ B7 五、發明説明（49 ) 對應於投射影像（維持未為一特殊彩色照明）中之一像素位 置之偏光調制器5 82上之任何像素區經設定為偏光活動狀態 ，其未主動改變落於該區之線性偏光光束之偏光。對應於 投射影像（以一特殊彩色照明）中之一像素位置之偏光調制器 582上之一像素區經驅動於偏光活動狀態，俾主動轉動落於 像素區上之線性偏光光束之偏光至對應於所期照明程度之 範圍。對照明偏光調制器580之部分偏光調制器面582之各 入射之形色成为知描位置次光束542 R、G'B而言，空間選 擇性偏光調制之彩色成分掃描位置次光束為偏光調制器面 582反射回向偏光調制器570。此類調制器反射之掃描位置 次光束成分（偏光分向未受反射型偏光調制器580改變）均隨 垂直於線柵偏光分光器570之線方向延伸之電場線性偏光， 並因而通過偏光分光器回傳向照明光束源總成5〇2。此類調 制器反射之掃描位置次光束成分（偏光為反射型偏光調制器 5 80轉動至一定程度）具有之電場分量延伸平行於柵之線方 向並至此一粒度，其為線橋偏光分光器5 7 〇反射形成對應之 分光器反射之彩色成分掃描位置次光束594 R、G、B。 投射透鏡總成590具一投射透鏡輸入埠592，其置放係為 戴取與接收偏光分光器570反射光。調整分析器薄片偏光器 593位於投射透鏡輸入埠592與線柵偏光分光器570間。三分 光器反射之彩色成分掃描位置次光束594 R、G、B均可有效 建構明像素偏光狀態、線性偏光彩色成分次光束（延伸所期 影像之彩色成分）。投射透鏡總成590投射三明像素偏光狀 態彩色成分次光束於顯示幕（未圖示）上供觀看之用。三攻朵 -53- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公爱) 586028 A7 ______B7 五、發明説明（50^^ ~ 束之重複掃描率對人類觀賞者夠高，投射之影像顯現為完 整之全彩影像。偏光分光器570之柵支撐板572之柵支撐面 5 76之光學平坦及柵支樓面5 76之定位使得明像素偏光狀態 彩色成分次光束594 R、G、B可自偏光調制器582直接反射 於投射透鏡590之光學輸入埠592，無須通過可穿透光束支 撐板572，有助於確保投射影像之高空間解析度。 現翻閱圖11，第二較佳數位影像投射器400包含一照明光 束源總成402 ’其包含一高強度燈404 ;及一拋物型反射器 406，其形成投射器之未偏光白光譜光線之照明光束之。紫 外光、紅外光及光譜刻痕濾波器總成407位於照明光束4〇8 之路徑中，俾將紫外光及紅外光頻率自光束中移除，並將 所期之彩色光譜外型給予光束之頻率光譜。 光守恆光束偏光器總成410位於概略類似於it〇h及 Hashizume於美國專利第5,986,8〇9號中所述類型之光束偏光 器之未偏光照明光束408之路徑中。光束偏光器總成410包 含一第一透鏡陣列412，其係由大致矩形之平凸透鏡構件之 矩形陣列即未於由第一透鏡陣列412產生之聚焦次光束之焦 平面中之偏光分光器/半波板總成414所組成。偏光分光器/ 半波板總成414包含一第二透鏡陣列416 ;複數對交替延伸 之偏光分光器膜帶420 ;及延伸之反射型鏡帶422，其以垂 直於照明光束408之中央射線方向相互平行線性延伸，並相 對於光束408之中央射線以大致45。角傾斜，以及與對應之 偏光分光器膜帶420對齊之複數個延伸之半波板帶424。基 本功能之操作類似於以上併同圖7所述之光束偏光器總成 -54- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 586028 A7 __ B7 五、發明説明（51 ) 5 10。為簡明之故，在此茲不贅述。光束偏光器總成4丨〇將 未偏光之照明光束408轉換為線性偏光照明光束4〇9 ,其係 由基本上具一偏光狀態之線性偏光次光束所組成，可有效 無須摒棄未偏光照明光束408中對應於任何特殊偏光狀態之 光線。 一般的平凸光束外型/慧形像差補償透鏡426係位於照明 光束409之路徑中’並用以聚焦及聯合光束偏光器總成4i 〇 產生之線性偏光次光束陣列中之各次光束為聯合線性偏光 光束。藉由如此聯合複數個光束為聯合線性偏光照明光束 ，所得之照明光束傾向在整個光束剖面區中具均句強度。 此外，光束外型/慧形像差補償透鏡426經塑形而包含圓柱 形放大率，俾補償由下述之柵支撐板472(位於照明光束4〇9 路徑中）引入之慧形像差。 照明光束改向鏡42 1反射線性偏光照明光束409，提供投 射器400之光學佈局之實體緊密。平凸中繼透基466及調整 薄片偏光器468位於線性偏光照明光束409路徑中，接續於 照明光束改向鏡421。調整薄片偏光器468經定位可通過定 為平行於光束偏光器總成410產生之光束之偏光之名義上的 方向平行之線性偏光。 可見光譜線柵偏光分光器470基本上以45。角相對於投射 器之主軸433置於聚焦照明光束路徑中。'線柵偏光分光器 470包含一柵支撐板462及一固接於支撐板472之栅支撐面 476上之線柵474。支撐板472之柵支撐面476基本上為光學 平坦。在支撐板472之面476上之線栅474面向遠離來自調整 -55- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 586028 A7 B7 五、發明説明（52 ) 偏光器468之入射線性偏光照明光束409之傳播方向。偏光 分光器總成410、調整偏光器468及線栅偏光分光器470之線 之線性延伸方向彼此相關定位，使得入射於線栅偏光分光 器470之之線性偏光照明光束409隨著電場（延伸於垂直偏光 分光器470之線栅474之線之線延伸方向）線性偏光，使得照 明光束409通過偏光分光器470成為分光器傳輸之線性偏光 照明光束434。 分光器傳輸之線性偏光照明光束434落於主彩色分割/合 併稜鏡總成436上。主彩色分割/合併稜鏡總成436包含三稜 鏡，在稜鏡面上具雙色塗佈，並適於將進入稜鏡總成436之 白光譜光束分割為個別紅、綠及藍光之成分光束。由於此 類主彩色分割/合併稜鏡總成係屬習知，故將不詳述此稜鏡 總成。主彩色分割/合併稜鏡總成具一白光輸入/輸出面437 、一紅成分光束輸出/輸入面438R、一綠成分光束輸出/輸入 面438G及一藍成分光束輸出/輸入面438B。與紅成分光束輸 出/輸入面438R相鄰者係一紅影像成分反射型液晶偏光調制 器440R。綠影像成分反射型液晶偏光調制器440G及藍影像 成分反射型液晶偏光調制器440B分別與綠成.分光束輸出/輸 入面438G及藍成分光束輸出/輸入面438B相鄰。紅、綠及藍 影像成分反射型液晶偏光調制器440 R、G、B均適於以像素 接像素為基，依施於調制器（將所期彩色影像之彩色影像成 分編碼）之數位信號，空間選擇性調制落於偏光調制器之偏 光調制器面上之線性偏光光束之偏光。此類反射型液晶偏 光調制器係屬習知。 -56- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 586028 A7

586028 A7 B7 五、發明説明（54 ) 平坦及柵支撐面476之定位使得明像素偏光狀態彩色成分次 光束直接自稜鏡總成之白光輸入/輸出面437反射於投射透 鏡490之光學輸入埠492，無須通過可穿透光束支撐板472， 有助於確保投射影像之高空間解析度。 非欲以上述之特定具體實施例限制本發明。應可瞭解在 不悖離本發明之範疇及教導下，可對此處特定描述之本發 明做改變，並欲包含與本發明相容之所有其它具體實施例 、替代及修改。 -58- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. kg 586028 第〇91111697號專利申請案 ^ 中文申請專利範圍替換本(92年10月）2 IJo 六、申請專利範圍 1. 一種影像投射器，包括一照明光源；形成偏光照明次光 束之照明光束形成光學器；一影像編碼偏光調制器，其 調制偏光照明次光束以形成一影像編碼之偏光次光束； 以及自影像編碼偏光次光束投射一影像之投射透鏡光學 器，該影像投射器更包括一平板支撐、表面固接、固定 偏光軸薄偏光器偏光分光器，俾自照明光束分割影像編 碼偏光次光束，其中該固定偏光軸薄偏光器置於一透明 支撐平板之一支撐面，相對於該支撐面，面向該偏光分 光器之一照明光源側。 本紙張尺度適用中國國家揉準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)