TW589510B - Method to generate the light of a given polarization-state, polarisator-arrangement, lighting-arrangement and projector-system - Google Patents

Description

589510 五、 發明說明 ( 1) 本 發 明 涉 及 —^ 種 極 化 狀 態 已 設 定 之 光 之 產 生 方 法， 其 中 極 化 狀 態 感 測 式 分 光 器 施 加 在 光 之 輸 入 側 極 化狀 態 已 設 定 之 光 由 分 光 器 發 出 至 第 --- 輸 出 端 y 極 化狀 態不 同 於 已 設 定 之 狀 態 之 此 種 光 相 對 於 該 已 設 定 之 狀 態 而改 變 且 發 出 〇 本 發 明 另 涉及 一 種 極 化 器 配 置 ， 一 種 照 明配 置 一 種 投 影 系 統 及 其 應 用 〇 由 US- A- 6 139 1 57 中已知一 -種本文開頭所述形式之方 法 或 依 據 此 種 方 法 來 工 作 之 照 明 系 統 〇 在 經 由 一 種光 隧 道 及 —* 種 透 鏡 系 統 之 後 未 極 化 之 光 傳 送 至 一 種 極化狀 態 感 測 式 分 光 器 〇 已 傳 送 之 未 極 化 之 光 中 已 極 化 成一 種 已 設 定 之 極 化 狀 態 之 此 種 成 份 發 出 至 該 分 光 器 之 第一 輸 出 端 ， 未 極 化 之 光 之 該 成 份 ( 其 狀 態 不 同 於 已 設 定之 極 化狀 態 ) 相 對 於 該 已 設 定 之 狀 態 而 改 變 且 發 出 至 分光 器 之 第 二 輸 出 端 〇 上 述 形 式 具 有 以 下 之 缺 點 : 由 於 最 後 已 極 化 成 該 已 設 定 之 狀 態 之 光 發 送 至 分光 器 之 二 個 相 隔 開 之 區 域 ( 或 輸 出 丄山 贿 ) y 則 隨 後 之 照 明透 鏡 須 設 計 成 由 該 二 個 區 域 中 準 確 地 接 收 此 光 這 樣 會使 整 個 系 統 較 缺 乏 可 變 性 且 體 積 較 大 〇 本 發 明 之 巨 的 是 提 供 *~* 種 方 法 或 一 種 依 據 此 方 法而 工 作 之 極 化 器 配 置 其 可 消 除 上 述 之 缺 點 0 該 巨 的在 本 文 開 頭 所 述 方 法 中 以 下 述 方式 達 成 :極 化 感 測 式 分 光 器 之 輸 入 端 重 新 輸 入 該 極 化狀 態 已 改 變之 光 〇 - 3-

589510 五、發明說明（2) 因此，實際上整個未極化之光最後以所期望之極化狀 態由分光器中發出。這是因爲光須一段時間才在第二輸 出端發出且旋轉，直至其至少幾乎具有所設定之極化狀 態爲止且然後同樣在第一輸出端離開該分光器。 在本發明之較佳之實施形式中，如上所述，其揭示最 有利之實施可能性，此光之極化狀態藉由反射（較佳是 多重反射）而改變。 在另一較佳之實施形式中，特別是可與前述之反射-狀態改變相組合，該光之極化狀態藉由一預設之延遲（ 較佳是藉由至少一減速元件）來改變。 在US 6 139 157中已知使傳送至分光器之光首先由光 源利用反射器聚焦至光隧道之開口且在輸出側藉由其周 圍之內面上之光隧道之多重反射作用使光之強度均勻化 。因此，就傳送至分光器之未極化之光而言，已爲人所 知的是：由於強度需要均勻化而設置一種具有多重反射 之路徑。 在本發明之方法之最有利之實施形式中，在施加該極 化狀態感測式分光器之前該光同樣由光隧道元件所傳導 ，利用反射用之周邊，該光（其狀態垂直於給定之極化 狀態）由該與照明源相對立之末端傳送至光隧道元件且 在該處反射。因此，由於強度須均勻化，則同時須使用 該爲未極化之光所設置之光隧道元件，以便使未極化之 光之未極化成給定狀態之光成份之極化狀態可被改變且 又傳送至分光器之輸入端。因此使本發明之方法最簡潔

-4- 589510 五、 發明說明 ( 3) 且 可 簡 易 地 達 成 〇 較 佳 是 在 該 元 件 中 在 至 少 一 施 加 該 光 之 區 域 設 置 一 種 使 已 給 定 之 極 化狀 態 改 變 所 用 之 元 件 較 佳 是 設 有 至 少 一 減 速 板 〇 在 另 一 較 佳 之 實 施 形 式 中 > 施 加 至 分 光 器 輸 入 端 之 光 藉 由 光 源 及 反 射 器 而 產 生 且 此 光 之 至 少 —« 部 份 ( 其 狀 態 是 與 已 設 定 之 極 化狀 態 相 垂 直 ) 至 少亦 在 反 射 器 上 反 射 且 該 處 已 反 射 之 光 傳 送 至 極 化狀 態 感 測 式 分 光 器 之 輸 入 丄山 m 〇 最 後 所 述 之 方 式 特 別 適 合 與 上 述 之 光 隧 道 元 件相 組合 此 時 須 以 上 述 之 反射 器 來 對 該 光 隧 道 元 件 之 開 P 形 成 一 種 封 閉 之 空 間 使 每 種 情 況 下 該 光 之 各 成 份 ( 其 來 白 該 分 光 器 之 第 二 輸 出 端 且 經 由 該 光 隧 道 之 開 □ 而 發 出 ) 不 會 消 失 而 是 由 反 射 器 又 反射 至 光 隧 道 元 件 中 0 該 反 射 器 較 佳 是 類 似 於 Ulbric hti i c ； 球 體 之 形 式 而 形‘ 成 〇 在 最 後 所 述 之 另 一 較 佳 之 實 施 形 式 中 在 反 射 器 面 上 設 有 一 種 使 一 已 設 定 之 極 化狀 態 改 變 所 用 之 元 件 〇 本 發 明 之 極 化 器 配 置 描 述 在 串 請 專 利 範 圍 第 8 項 中 較 佳 之 實 施 形 式描 述 在 串 請 專 利 範 圍 第 9 至 16 Ij 讀中。 本 發 明 之 照 明 配 置 描 述 在 串 三主 5円 專 利 範 圍 第 1 7項中。 本 發 明 之 投 影 器 系 統 描 述在 串 ξ主 曰円 專 利 範 圍 第 1 9項中。 本 發 明 之 各 種 配 置 及 方 法 之 特 徵 可 用 在 投 影 器 中 或 照 明 設 備 中 〇 本 發 明 以 下 將 依 據 圖 式 來 說 5- 明 0 圖 式 簡 單 說 明

589510 五、 發明說明 ( 4) 第 1 圖 本 發 明 之極 化器配置操作時所依據之光學功能 方 塊 /信號流程圓 丨以及本發明之方法之原理。 第 2 圖 類 似 於 第1 圖，係極化旋轉-或-改變-元件之較 佳 形 式 〇 第 3 Γ^Τ 圖 類 似 於 第1 、2圖，本發明之方法或配置之較 佳 實 施 形 式 其 中相 同之模組用來使光強度之分佈均勻 化 以 及使本 發 明 所使 用之極化狀態旋轉或改變。 第 4 圖 係 第 3 圖所 示形式之較佳之實施形式。 第 5 圖 極 化 狀 態敏 感之分光器之較佳之第一實施形 式 〇 第 6 圖 極 化 狀 態敏 感之分光器之較佳之另一實施形 式 0 第 7 圖 在 另 —^ 較佳 之實施形式中使用本發明之方法或 極 化 器 配 置 時本 發明 之投影配置。 依 據 第 1 圖 ， 首先 說明本發明之基本原理。其是依據 光 學 之 功 能 方 Xtfcr 塊 /信號流程來說明。未極化之光L (其通 常 由 投 影 器 光 源 而來 )傳送至極化狀態感測式分光器元 件 1 之 光 學 輸 入 端E i。極化狀態感測式分光器元件1在 其 —^ 個 光 學 輸 出 端A i上發出未極化之光L之成份LP， 其 具 有 一 已 設 定 之極 化狀態（例如，P極化狀態）。未 極 化 之 光 L 之 成 分L s (其相對於Al上所發出之光之極 化狀 態 Ρ 而 言 具 有一 種垂直之極化狀態，因此是一種S 極 化狀 態 ) 由 極 化狀 態感測式分光器元件1發送至其第 — 光 學 輸 出 端 A 2 〇上 .述之光L之其中一個成份（例如， -6-

589510 五、發明說明（5) LP )通常經由一種極化濾波器-層系統而傳送至極化狀態 感測式分光器元件1，另一成份（此處例如，Ls )則被 反射。 光LP以所期望之極化狀態由光學輸出端Ai發出。在 分光器1之輸出端A2上所發出之光Ls在極化狀態旋轉-或-改變-元件3上改變或旋轉其極化狀態且繼續傳送至 分光器1之光學輸入端E1。傳送至分光器之先前全部未 極化之光L最後以所期望之極化狀態（例如，P )發出 而成爲LP。 如第2圖所示，可製成一種極化狀態旋轉元件3，此 時第1圖中發送至光學輸出端A2之光LS須進行多重反 射。該光之極化狀態在反射之後通常會改變。若此光LS 之極化狀態只稍微旋轉，則其中一成份又被P極化而發 送至輸出端A i成爲成份LP。其餘之成份需多次地經由 配置3直至其極化方向對應於所需之P極化爲止。 如第2圖所示，極化狀態在配置3上之旋轉較佳是另 外藉由設置多個分散式極化方向-旋轉元件（例如，所謂 減速（retarder)元件）來加強，這例如可使該光Ls導入 一種λ /2之延遲（即，極化方向旋轉90° )來達成，如 先前第1圖之原理所示。 在第2圖之方塊3中顯示該光Ls用之多重反射配置6 ，另以虛線顯示一種分離式極化方向旋轉元件，例如， 減速板8。 如本文開頭所述，在許多應用（例如，投影器）中通 589510 五、 發明說明 ( 6) 常 希 望 製 備 —^ 種光束，其強度分佈須儘可能均勻。已爲 人所 知 者 是 • 由光源之小區域而來之光首先傳送至光隧 道 其 上 使 由 光源而來之光被多次反射而在輸出側形成 — 種 強 度 均 勻 之分佈，其通常是與圖像形成用之元件之 形 式 相 對 應 〇 但在分光 器 1之輸入側現在若由於均勻化之原因而設 有 一 種 多 次 反射用之元件，則（如第3圖所示）此種多 次 反 射 用 之 元 件較佳是同時用作極化方向旋轉元件，其 類 似 於 第 1 2圖之元件3。 第 3 圖 中 該 光Le入射至多次反射用之元件3a且較佳 是 入 射 至 光 隧 道之光學輸出端E3a，在多次反射之後， 強 度 均 勻 性 出現在分光器1之輸入端Ei。 在與光 學 輸 出端Ei相對應之光學輸出端A2上使未具 有 所 期 望 之 極 化狀態之光Ls傳送回至該多次反射用之元 件 3< a之輸出端A3a，在該處經多次反射之後該光Ls又 反 射 回 來 而 成 爲此光L之極化方向已旋轉之成份且又傳 送 至 極 化 感 測 式分光器1。以此種方式來使用該多次反 射 用 之 元 件 3ί i，其中又可設置一種特定之分離式極化方 向 旋 轉 元 件 ( 例如，減速板），以達成本發明之極化狀 態 旋 轉 功 能 如第1、2圖中之方塊3所示者。 第 4 圖 中 顯 示一種依據第3圖之較佳之實施原理所達 成 之 實 施 形 式 。例如，由投影光源而來之Le經由開口 7 而 入 射 至 光 隧 道3a之輸入端E3a，只要其未幾乎平行於 光 隧 道 之 光 軸 A而傳送，則會在光隧道3 a之高反射性 -8 -

五、發明說明（7) 之週邊內壁9上反射一次或多次。 入射光或其光通道在第4圖中以虛線表示。較佳是直 接在光隧道3a之輸出端A3a上設有極化狀態感測式分光 器元件la，在其光學輸出端Ala上該光LP以所期望之 極化狀態及均勻之強度分佈而射出。 就像第3圖所示，極化成與所期望之極化狀態（此處 是P)不同之光Ls回送至光隧道3a中，這在第4圖中 以實線來表示。在多次反射之後，最後反射至圍繞該開 口 7之內部有反射性之光隧道終端1 1，先前由於多次反 射而旋轉之極化狀態又在光隧道之輸出端A3a上傳送至 極化狀態感測式分光器元件1 a。在此種旋轉之後以所期 望之方向或以所期望之狀態使極化之光由分光器1 a發 出而成爲光之成份LP。終端1 1之反射性內壁因此平行 於反射面或平行於其中央層E’（第5圖）而對準此分光 器la。 在第4圖之較佳之實施形式中，在光隧道3a之輸入 開口 7和輸出端A3a (或分光器la之輸入端）之間設有 一個或多個光學元件，其可使極化狀態各別地旋轉。如 第4圖之虛線所示，這些極化狀態旋轉用之元件（例如 ，λ/4減速板）顯示在光隧道3a之橫切面中，如13a 所示者，及/或顯示在光隧道3a之週邊壁中，如13b所 示者，及/或顯示在光隧道3a之界定該輸入開口 7所用 之輸入側之終端1 1上，如第4圖之1 3 c所示者。每種 情況中較佳是設有此種極化狀態旋轉元件，例如λ /4減 五、發明說明（8) 速板，其位於圍繞該輸入開口 7所用之終端1 1上，如 圖中之1 3 c所示。由於經過該A /4減速區段二次，則光 Ls可達成一種90°之極化狀態旋轉。 如第4圖所示，使用一種板形元件作爲分光器1 a。依 據所產生之光強度來決定：是否可使用此種以塑料爲主 之極化分光器或使用一種分光器，其利用膽固醇型濾波 器而形成在玻璃基板上。 但亦可使用一種以三層式玻璃稜鏡爲主而製成之極化 分光器lb，如第5圖所示。 若期望該入射至分光器lb上之光L有儘可能小之平 行偏移△，則較佳是如第6圖所示須形成以1 c表示之 極化狀態選擇式分光器，其是一種三稜鏡式結構I 、Π …之陣列。其結構越精細，則上述之平行偏移△越小。 請參閱第4圖，由此可知：在反射之後未入射至圍繞該 輸入開口 7用之終端1 1而是經由該輸入開口 7以離開 該光隧道之光LS會消失。第7圖中顯示上述問題之解法 ，其在本發明之投影器範圍中。須形成該聚焦用之反射 器15之輸入開口 7上之光源17之光，使由分光器la、 lb或lc而來之光不會由系統漏出而亦反射至光隧道3a 中之反射器15。反射器15對應於Ulbricht球體之形式 而形成。 本發明中特定之投影器中除了上述之元件之外又包含 一種彩色快門1 9及一種透鏡系統2 1 ;分光器23由於本 發明中已設置之極化狀態選擇式分光器1 a而不必一定 -10- 589510 五、發明說明（9) 用作極化狀態感測式分光器。最後，27是一種投影透 鏡。 如第7圖所示，在反射器15上亦可設有一種分離式 極化方向旋轉元件，第7圖中以13d表示。 利用第7圖中所示之彩色快門，其例如具有三個彩色 選擇用之傳輸區（未顯示）且例如可選擇式地傳送紅光 、綠光及藍光，則光LP可進行彩色調變。彩色快門1 9 較佳是以彩色輪來形成。設有一種在反射中操作之光閥 所形成之陣列以作爲成像用之元件25，其中依像素來進 行時間上之同步，各別之像素強度在已投射之圖像上受 到控制。 極化狀態感測式分光器使一種波長範圍△ Λ !之光以 第一極化狀態來傳送且反射成與第一極化狀態相垂直之 第二極化狀態，另一波長範圍△ λ 2之光以第二極化狀 態來傳送且反射成第一極化狀態。 極化狀態取決於波長之此種光由分光器發出。此種與 波長有關之極化分佈在投影器（特別是以反射式LCD’S 爲主之投影器）中通常是需要的。極化狀態感測式元件 可由減速-堆疊及一種連接於此堆疊之後之極化分光器所 構成，其一起用作波長感測之極化狀態感測式分光器。 符號說明 1、la、lb、lc"·分光器 3…方塊 3 a…多次反射用之元件

-11- 589510 五、發明說明（1〇) 6…多重反射配置 7…開口 8…減速板 9…週邊內壁 1 1…光隧道終端 13a、13b、13c、13d…極化狀態旋轉元件 1 5…反射器 17…光源 19…彩色快門 2 1…透鏡系統 23···分光器 25…成像用之元件 27…投影透鏡 L…光 Ls、LP···光之成份 P、S…極化狀態 E 1、E 3…輸入端 Ai、A2、A3···輸出端 -12-

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 第9 1 1 1 3 9 1 1號「極化狀態已設定之光之產生方法，極化 器配置，照明配置及投影器系統」專利案 (9 1年1 0月修正） 六、申請專利範圍： 1. 一種極化狀態（P)已設定之光之產生方法，該極化狀 態感測式分光器（1 )施加在光（L)之輸入端端（E1 )，極 化狀態已設定之光（LP)由分光器（1)發送至分光器第 一輸出端（A1)，具有極化狀態（S)(其垂直於狀態（P) )之光（Ls)相對於該狀態（P)而改變且發出，其特徵 爲：利用極化狀態已改變之光使極化狀態感測式分光 器重新施加在上述之輸入端（E1)。 2. 如申請專利範圍第1項之產生方法，其中藉由反射， 較佳是多次反射，來改變極化狀態。 3. 如申請專利範圍第1項之產生方法，其中藉由一預設 之延遲，較佳是藉由至少一減速元件，來改變該極化 狀態。 4. 如申請專利範圍第1項之產生方法，其中光在施加至 極化狀態感測式分光器之輸入端之前由光隧道元件利 用反射用之週邊來傳送且狀態垂直於該已設定之極化 狀態之此種光傳送至該光隧道元件中且在其中反射之 後傳送至輸入端。 5. 如申請專利範圍第4項之產生方法，其中在該元件中 在至少一由光所射入之區域上設有一使極化狀態改變 六、申請專利範圍 所用之元件，較佳是設有至少一減速板。 6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之產生方法，其 中藉由光源及反射器來產生此光且此光（其狀態垂直 於該已設定之極化狀態）之至少一部份至少在該反射 器上反射且該處已反射之光傳送至極化狀態感測式分 光器之輸入端。 7. 如申請專利範圍第6項之產生方法，其中在反射器面 上設有一種極化狀態改變用之元件，較佳是一種減速 板結構。 8. —種極化器配置，其極化狀態感測式分光器（1 )使光 (L)施加在光學輸入端（EJ上，發出極化狀態（LP)已 設定之光至第一光學輸出端（Ai )且使極化狀態（Ls)( 其垂直於LP)之光傳送至第二光學輸出端（A2)，其特 徵爲：極化狀態改變用之元件（3)之光學輸出端（E3) 在作用上是與第二光學輸出端（A2)相連，元件（3)之 光學輸出端（A3)在作用上是與分光器（1)之光學輸出 端（EJ相連。 9. 如申請專利範圍第8項之極化器配置，其中在元件（3 ) 之輸入端（E3)及輸出端（A3)之間發生光之反射，較佳 是多次反射。 10·如申請專利範圍第8或9項之極化器配置，其中元件 (1 3 )包含至少一使極化狀態改變一給定之角度所用之 元件，較佳是包含至少一減速板。 六、申請專利範圍 11. 如申請專利範圍第8項之極化器配置，其中分光器（1 ) 之輸入端（EJ及第二輸出端（A2)由分光器（1)之相同 區域所形成。 12. 如申請專利範圍第8或1 1項之極化器配置，其中分 光器（1)之輸入端（Ed在作用上是與光_道元件（3a) 之輸出端（A3a)相連，該輸出端（A3a)在作用上是與分 光器之第二輸出端（A2)相連。 13·如申請專利範圍第1 2項之極化器配置，其中在光隧 道元件（3a)之輸入端上設有一種具有開口（7)之內反 射用之終端（1 1 )。 14. 如申請專利範圍第1 2項之極化器配置，其中在光隧 道元件（3 a )中設有至少一使極化狀態改變用之元件 (13a、13b、13c” 15. 如申請專利範圍第1 2項之極化器配置，其中分光器 包含一稜鏡配置，一反射用之極化范或一膽固醇型極 化器。 16·如申請專利範圍第8或1 1項之極化器配置，其中由 分光器發送至第一輸出端之光依據其波長以所設定之 極化狀態而發出。 # 17· —種照明配置，其具有申請專利範圍第1 2至1 6項中 任一項之極化器配置，該照明配置之特徵爲：一種具 有反射器（15)之光源（17)在輸入側連接於該光隧道元 件之前且該反射器（17)對該光隧道元件界定一種至少 589510 六、申請專利範圍 幾乎是封閉之空間。 18.如申請專利範圍第1 7項之照明配置，其中反射器設 有一種使已給定之極化方向作旋轉所用之結構（1 3d) 〇 Η —種投影器系統，其具有：申請專利範圍第1 2至1 6 項中任一項之配置或第1 7或1 8項之照明配置以及一 種連接於分光器之輸入端（Ed之前之彩色快門（19)。 20. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，其用 於投影器配置中。 21. 如申請專利範圍第8或9項之極化器配置，其用於 投影器配置中。 22. 如申請專利範圍第1 7或1 8項之照明配置，其用於 投影器配置中。 -4-