TWI225552B - Reflective polarization valve engine and a projection display using the same - Google Patents

Description

1225552 發明說明（1) 【發明所屬之技術領域 一本發明係關於一種具有反射式光閥之投影光機與投影 心員示為，特別是指一種採用線柵偏極板與遠心光學系統的 光源，以及光路安排上將經過反射式光閥調變後之光束直 接合光的投影裝置。 【先前技術】

才木用矽液晶（Liquid Crystal On Silicon， LCOS) 面板作為反射式光閥（Light valve)的LCOS投影機，與LCD

投影機的主要結構在導光及分光合光部分的設計大同、小 異· /、疋在LC0S投影機系統中，多加了偏極化分光稜鏡 (Prism PBS ’Polarization Beam Splitter) 〇PBS 稜鏡是 由兩個4 5度等腰直角稜鏡底邊黏合的而成的稜鏡，當非線 性偏極化光入射PBS時，PBS會反射入射光的3偏光（垂直入 射線平面），並且讓p偏光（平行入射線平面）通過。

一般而言，由光源所發出的光經由分色鏡片 (Dichr〇1C Mirror)後分成R、G、B三色光，此三色光分別 通過各自的PBS棱鏡後，會反射§偏光進入^⑽面板，當液 晶顯示為壳悲時’ S偏光將改變成p偏光，最後以雙色稜鏡 (Dlchr〇1C Pnsm)組合調變過的三道偏極化光束，投射至 螢幕處得到影像。 但是採用PBS稜鏡有其缺點。首先，由兩塊稜鏡膠合 而成的的PBS稜鏡並無法耐熱，由於熱膨脹效應對其效能 影響甚大，以致於容易造成雙折射（birefringence e f f e c t s )效應，降低影像的對比亮度。其次，p b g棱鏡有

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1225552 五、發明說明（2) -- 入射角的範圍限制’因此需要儘可能使用平行光源增加其 效率，但如此將使其光路較長，整體系統體積相對較大。 其次，既有的光路設計中，經過反射式光閥（如矽液晶面 板）调發後的光束’還要再經過pBS棱鏡做極化轉換才進 行合光’不僅使光路加長造成能量損失，p B s稜鏡的不穩 定特性也會使偏極化光束的純度降低，造成合成的影像表 現欠佳。 除了 PBS稜鏡之外，習用技術中可以見到特殊形狀的稜 鏡。但整體而論’其耐熱溫度均不高，且成本昂貴。 在某些4寸別的投影系統中，設計了一些特殊的光學元 件如 Color-Quad，Color — Corner 或 X-pl ate，這些特殊光 學兀件由於結構較為奇特、不易製造而缺乏泛用性，相對 而言難以量產而具有較高的成本。 【發明内容】

本發明所欲解決之技術問題，在於既有技術使用p B S 棱鏡、特殊形狀稜鏡、特殊光學元件，造成影像表現欠佳 與成本昂貴之缺點。

窶於以上習知技術的問題，本發明所提供的具反射式 光閥之投影光機，主要包含光源、分色鏡片、反射式極化 光閥、線柵偏極板、合光元件與投影單元，其中：光源是 用以提供經過初步偏極化之白光光束；分色鏡片 (Dichroic mirror)用以將此白光光束分離為不同顏色之 色光光束’反射式極化光閥（Reflective polarization v a 1 v e )是用以接收偏極化之色光光束，並可選擇性地反射 1225552 五、發明說明（3) 這些光束；線柵偏極板（Wire-grid polarizer)是設置於 分色鏡片與反射式極化光閥之間，容許前述色光光束穿透 而投射於反射式極化光閥，並分離色光光束所投射至反射 式極化光閥之入射光東與反射光束；合光元件（Col〇r — recombining uni t)，用以合成反射自反射式極化光閥與 線栅偏極板之所有色光光束；投影單元（Pr〇 jecting un i t)則是用以將色光光束投射成像。 本兔明達成之功效在於：A ·可提供較高的影像對比亮 度；B·因具有分色鏡片可將光路轉向，使整體光路較密 集、光路安排較具彈性、整體系統之體積較小；c.用作極 化轉換之線柵偏極板係以半導體製程製造，製造簡易且成 本車父低，D·無色彩漸層（Color gradient)之缺點，色彩一 致性（Color unif0rmity)較佳；E•光路之安排具有較佳的 影像表現。 【實施方式】 請參閱「第1圖」’係本發明較佳實施例所提供投影 2器之結構示意，其主要架構包含偏極化光源10、分 ^鏡义2〇、2卜反射式極化光閥30、31、⑽，線柵偏極板 4将〇、合光元件61與投影單元5G，以下分別詳述其組成、關 係’以及光路配置。 偏極化光源（Light source)l〇是用以妲糾〆、風、本μ 極化之白光光束（叫lnal beam)，屬供經㈣步偏 3:tricA)光學^統，由白光燈"、ί:透鏡12、鏡 片陣列（Lens Array) 13、14與偏極光轉換器（p/s 1225552

Converter) 15所組成。白光燈11為一效率高之橢圓燈 (Elllpt1Cal Lamp)，其產生之白光光束係依序通過'"發散 透鏡1 2、鏡片陣列1 3、1 4，再經偏極光轉換器丨5進行s偏 極化（S-polarized)轉換，再透過一聚光透鏡μ、了〇、 分別將光線聚在該等光閥3 0、3 1、3 2，並形成s偏極化之 平行光束。反射鏡1 7、1 8、1 9則係用作光路方向變更。 分色鏡片（Dichroic mirr〇r)20、21是用以將白光光束分 離為紅、綠、藍三原色的色光光束（c〇l〇r beams)。 反射式極化光閥（Reflective p〇iarizati〇n vaWe) 30、31、32於本例中為矽液晶面板（Lc〇s panel)，亦可為 反射式液日日面板RLCD(reflective liquid crystal display)，用以接收偏極化之色光光束並予以選擇性地反 射。 線柵偏極板（Wire-grid p〇larizer)40、41、42 是一 種以半導體製程生產的極化轉換元件，例如M〇xtek公司提 供的ProF lux偏極板，其特點包括耐熱溫度高、不會產生 雙折射效應，而能提高系統的對比亮度，且因線柵偏極板 可容許較大的光入射角，故能使用橢圓燈這樣的收斂光 源’使得其光路較短、效率高，整體系統的體積也較小， 同時其製造簡易且成本較低。 線柵偏極板40、41、42係與光軸1〇 Q為45。角傾斜之架 構设置於分色鏡片2 0、2 1與反射式極化光閥3 〇、3 1、3 2之 間’更詳細的說’線柵偏極板4 〇設置於分色鏡片2 〇與反射 式極化光閥3 0之間’線柵偏極板4 1設置於分色鏡片2丨與反

第9頁 1225552 五、發明說明（5) 射式極化光閥3 1之間，線柵偏極板4 2則是設置於分色鏡片 21與反射式極化光閥3 2之間。 請參閱「第2圖」，線柵偏極板4 0、41、4 2之一面係 為線栅偏極面4 0 0、41 0、4 2 0，該等偏極面4 0 0、41 0、4 2 0 係面對該等反射式極化光閥30、31、32，線栅偏極板40、 41、42之另面402、412、422可容許前述的色光光束穿透 而投射於反射式極化光閥3 0、3 1、3 2，並分離這些色光光 束所投射至反射式極化光閥3 0、3 1、3 2之入射光束與反射 光束，換言之，線柵偏極板可反射P偏光、穿透S偏光，或 者穿透P偏光、反射S偏光。當反射式極化光閥的影像點 (pixel)於亮態（Light State)時，會令入射光束改變極性 為P偏極光束，而當反射式極化光閥的影像點（p i X e 1)於暗 態（D a r k S t a t e )時則令入射的光束極性不改變，而將S偏 極光束直接反射回線柵偏極板40、41、42，而S偏極光束 會穿透過該線栅偏極板4 0、41、4 2 ;對比的定義即面板上 的影像點受光照射之最大光強度與受光照射之最小光強度 之比值。 合光元件（Color-recombining uni t)61是最後用來合 成反射自反射式極化光閥3 0、3 1、3 2與線柵偏極板4 〇、 41、42的色光光束，該合光元件61可以為一合光稜鏡（χ C u b e) ’合光元件6 1與線拇偏極板4 〇、41、4 2之間並可置 有極化板62、63、60與半波長鏡片65、66。極化板62、 β 3、6 0貫務上可直接採用線柵偏極板，而半波長鏡片6 5、 6 6的配置則為合光時需轉向的色光光束作調變。

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投影單元（Projecting Unit)50係為一投影鏡頭，用 五、發明說明（6) 以將經過合光元件61的色光光束，藉由投影單元5〇投射於 一 ^:幕5 2上成像。依光線投影的方向與螢幕配置的位置， 可將投影光機分為前投式（Front Pro ject i〇n)與背投式 (Rear Projection)，前投式投影光機是投影光機與觀看 者在螢幕的同一邊，主機與螢幕是分離的，背投式投影光 .機是投影機與觀看者在螢幕不同邊，此即所謂的投影顯示 器。 ’、…、 (1)藍光光路

經由光源1 0提供的S偏極化之白光光束，首先藉由分 色鏡片20反射出藍光光束（藍光反射、餘光穿透），藍光 光束（仍為S偏極化）接下來會穿透線柵偏極板4 〇，投射 到反射式極化光閥3 0 ;反射式極化光閥3 〇在亮態會反射出 P偏極化的藍光光束，先經線栅偏極板4 〇反射，再經極化 板6 2、半波長鏡片6 5，俾該半波長鏡片6 5將P偏極化的藍 光光束轉為S偏極化之藍光光束，而以s偏極化型態進入合 光元件61合光。 〜 " (2 )綠光光路

篩除監光的光束經過分色鏡片2 1會再篩除掉紅光，綠 光光束將直接穿透分色鏡片2 1，旋即穿透線栅偏極板4 1 (此時綠光光束為S偏極化），之後投射到反射式極化光 閥3 1 ;反射式極化光閥3丨在亮態會反射出p偏極化的綠光 光束’先經線柵偏極板4 1反射，再經極化板β 3，將可能有 的S偏極化光轉為ρ偏極化光後，以ρ偏極化型態進入合光

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元件6 1合光。 (3 )紅光光路 篩除監光、綠光的光束會依序經過反射鏡18、聚光透 鏡（lenS)70、反射鏡19與聚光透鏡71，隨後穿透線柵偏極 板4 2 (此時紅光光束為s偏極化）、投射到反射式極化光 閥32 ;反射式極化光閥32在亮態將人射㈣偏極化光極性 轉換為p偏極化光的紅光光束，先經線柵偏極板42反射， 再經極化板60、半波長鏡片66，俾該半波長鏡片66將？偏 極化的紅光光束轉為S偏極化之紅光光束，而最後以s偏極 化型態進入合光元件6 1合光。 本實施例合光時之藍光及紅光光束為3偏極化、而綠 光光束為P偏極化，S偏極化光進行合光並不相同；本 例提供之影像雖然降低了對比效果，卻提供了更好的亮 度’其能量-波長曲線圖如第3圖所示。 本案揭露之技術可適用於任何形式之投影光機⑴邮 Projector)，包括前投式與背投式均可，並不限於

施例中之投影顯示器。 < K 綜合上述，本發明達成之功效在於： 一、使用的線柵偏極板（Wlre_grid p〇larizer)对埶 溫度南，且不會產生雙折射效應’並能提高系統比宾 度；尤其線柵偏極板可容許較大的光人射角，目而可以^ 用收斂光源系統（例如橢圓燈），故其光路較短、 :’整體系統的體積也較小；另外線柵偏 ； ‘製程製造，製造簡易且成本較低。 坂係以“體

Corned X無1使用特殊光學元件如C〇1〇r-Quad , C〇l〇r--5太P#ate/因此較容易生產而成本也較為低廉。 設計’故ΐ二:=:1(T(Tre:tric)光學系統之 ^C〇l〇r UniJ!^ 四、本案採用橢圓燈，其效率离 學元：：因此光，簡單而易；=…積小、無特殊先

面板ί調ίϊϋΊJ過反射式極化光閥（如矽液晶 因此，偏極化光束’就直接合光成像， 以限定本發明較佳之實施例而6，並非用 本發明之精神任何熟習此技藝者’在不脫離 於本發明之專利；=均等變化與修飾，皆應涵蓋

第13頁 1225552 圖式簡單說明 第1圖係本發明較佳實施例所提供投影顯示器之結構 示意圖； 第2圖係本發明應用之線柵偏極板之功能示意圖；及 第3圖係本發明之能量-波長曲線圖。 【圖式符號說明】 光源 光軸 白光燈 發散透鏡 鏡片陣列 偏極光轉換器 聚光透鏡 反射鏡 分色鏡片 反射式極化光閥 線柵偏極板 偏極面 另面 投影單元 螢幕 合光元件 極化板 半波長鏡片 聚光透鏡 10 100 11 12 13 >14 15 16 17 > 18 > 19 20、21 30 \ 3卜 32 40 〜41 、 42 400 、 410 、 420 402 、 412 ^ 422 50 52 61 60 > 62 > 63 65 > 66 70 、71

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Claims (1)

1225552 六、申請專利範圍 1 · 一種具反射式光閥之投影光機，包含： 一光源，提供經過初步偏極化之一白光光束； 至少一分色鏡片’將該白光光束分離為不同顏色之 色光光束； ^ 至少一反射式極化光閥’接收偏極化之該等色光光 束並可選擇性地反射該等光束； 至少一線柵偏極板，設置於該分色鏡片與該反射式 極化光閥之間，容許前述特定偏極化色光光束穿透，並 反射另一特定偏極化色光光束，俾反射式極化光閥亮態 反射之偏極化色光可經該線柵偏極板反射至一合光元 件；及 一合光元件，用以合成自該線栅偏極板反射之該等 色光光束。 2 ·如申請專利範圍第1項所述具反射式光閥之投影光機， 其中该反射式極化光閥係為％液晶面板。 3 ·如申請專利範圍第1項所述具反射式光閥之投影光機， 其中該白光光束為S偏光。 4 ·如申請專利範圍第1項所述具反射式光閥之投影光機，

其中各該色光光束係分別穿透一極化板後，再進入該合 光元件，俾藉由該極化板可令進入該合光單元之極化光 為党恶之光束，以確保顏色之南對比。 5 ·如申請專利範圍第4項所述具反射式光閥之投影光機， 其中該極化板亦為一線柵偏極板。 6.如申請專利範圍第1項所述具反射式光閥之投影光機，

第15頁 1225552 六、申請專利範圍 其中5亥反射式極化光閥前更包含 來光透鏡，俾藉由該 聚光透鏡可將光束聚焦在該反射式極化光閥上。 7 ·如申請專利範圍第1項所述具反射式光閥之投影光機， 其中該光源係屬於遠心光學系統。 8 ·如申請專利範圍第1項所述具反射式光閥之投影光機， 其中該光源係由一白光燈、一發散透鏡、至少一鏡片陣 列與一偏極光轉換器所組成。 9 ·如申請專利範圍第1項所述具反射式光閥之投影光機， 其中該白光燈產生之白光光束係依序通過該發散透鏡、 該鏡片陣列與該偏極光轉換器形成S偏極化之平行光 束。 I 0 ·如申請專利範圍第1項所述具反射式光閥之投影光機， 其中該合光單元前在藍光及紅光光路前設有一半波長 鏡片’俾監光及紅光係以s偏極化光進入該合光單元， 而綠光係以p偏極化光進入該合光單元。 II ·如申請專利範圍第8項所述具反射式光閥之投影光機， 其中該白光燈係為一橢圓燈。 1 2, —種具反射式光閥之投影顯示器，包含： 一光源，提供經過初步偏極化之一白光光束； 至少一分色鏡片，將該白光光束分離為不同顏色 之色光光束； v 至 > 一反射式極化光閥，接收偏極化之該等色光 光束並可選擇性地反射該等光束； 至少一線柵偏極板，設置於該分色鏡片與該反射

第16頁 1225552 六、申請專利範圍 式極化光閥之間，容許前述特定偏極化色光光束穿 透，並反射另一特定偏極化色光光束，俾反射式極化 光閥亮態反射之偏極化色光可經該線柵偏極板反射至 一合光元件； 一合光元件’用以合成自該線拇偏極板反射之該 .寻色光光束；及 一投影單元，將該等色光光束投射成像。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項所述具反射式光閥之投影顯示 器，其中該反射式極化光閥係為矽液晶面板。 1 4 ·如申請專利範圍第丨2項所述具反射式光閥之投影顯示 器，其中該白光光束為S偏光。 1 5 ·如申請專利範圍第1 2項所述具反射式光閥之投影顯示 器，其中，其中各該色光光束係分別穿透一極化板 後，再進入該合光元件，俾藉由該極化板可令進入該 合光早元之極化光為亮態之光束’以確保顏色之局對 比。 1 6 ·如申請專利範圍第丨5項所述具反射式光閥之投影顯示 器，其中該極化板亦為一線栅偏極板。 1 7 ·如申請專利範圍第1 2項所述具反射式光閥之投影顯示 器，其中該反射式極化光闕前更包含一聚光透鏡，俾 藉由該聚光透鏡可將光束聚焦在該反射式極化光閥 上。 1 8 ·如申請專利範圍第1 2項所述具反射式光閥之投影顯示 器’其中該光源係屬於遠心光學系統。

1225552 六、申請專利範圍 1 9 ·如申請專利範圍第1 2項所述具反射式光閥之投影顯示 器，其中該光源係由一白光燈、一發散透鏡、至少一 鏡片陣列與一偏極光轉换器所組成。 2 〇 ·如申請專利範圍第1 2項所述具反射式光閥之投影顯示 器’其中該合光單元前在藍光及紅光光路前設有一半 波長鏡片，俾藍光及紅光係以S偏極化光進入該合光單 元’而綠光係以P偏極化光進入該合光單元。 2 1 · ^申請專利範圍第1 9項所述具反射式光閥之投影顯示 為’其中該白光燈係為一橢圓燈。

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