TWI254158B - Polarization arrangement - Google Patents

Description

1254158 五、.發明說明CO 相關申請： 本發明依據200 1年5月18日美國第60/292 1 78號專利臨 時申請案主張優先權，該專利内容在此加入作為參考之 用。 發明領域： 本發明係關於投射光學裝置以使用於反射性液晶顯示 态、例如為LCoSs。更特別地，本發明係關於偏極組件之排 列，其設計與反射性液晶顯示器運作以及保持有效分離照 明光線以及反射光線。 先前技術說明： 反射性液晶顯示器（例如LCoS顯示器-在矽上之液晶顯 示器）依據下列方式與偏極光線運作：顯示器”關”圖素反射 光線而並不改變其偏極狀態以及”開”圖素旋轉照明光線之 偏極性90度。（可加以變化，”開”圖素能夠保留為圖素並不 被改變以及π關”圖素能夠旋轉偏極性，但是"關”等於並不 改變偏極性以及”開”等於偏極性改變，為最普遍之方式）。 一般已知的偏極組件之光學設計顯示於圖1中。參閱 Miyatake等人之美國第5327270號專利申請案，該專利名稱 為’’Polarizing Beam Splitter Apparatus and Light

Valve Image Pro ject ion System”，該申請案於1 994 年7 月 5曰獲准為專利，該專利之說明在此加入作為參考。 在圖1設計中，照明光線8通過初始偏極器9 ( S偏極）以 及由偏極光束分裂器3(PBS)之對角線反射。該光線照明 LCoS 1 1。由”關”圖素反射之光線具有偏極性與入射光線

1254158 五 '發明說明（2) 相同以及被PBS對角線反射回到照明系統。由π開”圖素反 射之光線具有偏極性垂直於進入光線之偏極性。該光線透 射通過PBS對角線以及進入系統之投射透鏡（參閱圖1中光 線1 7 )。人們了解在該設計中，照明光線8以及影像光線i 7 能夠加以對調，使照明光束通過PBS之對角線以及影像光束 由對角線反射。 PBS對角線具有多層結構，其設計來反射S偏極以及透射 P偏極。一般P偏極反射係數約為1 2%，其減小系統之對比。 在PBS 3前面之初始偏極器9吸收P偏極之光線以保持對比 為所需要之等級。 由照明器發出光線錐角通常F數值等於2· 8，其對偏斜 光線產生顯著的解偏極效應。該幾何效應說明於上述 Miyatake 專利中以及在PBS 3及反射液晶顯示器11 (例如LCOS)之間 需要四分之一波板5以保持高對比。 該偏極設計主要缺點在於高價格之PBS及需要使用四 分之一波板，其需要非常精確地角度對準以減小偏斜光線 之問題。同時，四分之一波板對溫度非常靈敏，其將在整個 影像器產生不均勻的對比。 發明大要： 為了解決先前技術之缺陷，本發明提供光學系統（偏極 排列）包含： (a )光線調變板； (b)投射透鏡以形成光線調變板之影像，該投射透鏡在影

第6頁 1254158 五、發明說明（3) 像器空間側具有焦距深度為D ;以及 (C)傾斜偏極分裂器位於光線調變板以及投射透鏡之間， 該偏極分裂器包含厚度為Τ之基f，使得在傾斜角度下由基 質產生之散光小於等於D。 除了先前所說明，在使用過程中光學系統亦包含昭明 系統，並使傾斜偏極分裂器位於照明系統與光線調變板之 間。 本發明其他特性及優點詳細地揭示於下列說明中，以 及部份為立即地為熟知此技術者了解或藉由實施所說明之 本發明而明瞭。 人們了解前面一般說明以及下列詳細說明只作為本發 明之範例，以及在於提供概要或架構以了解申請專利範圍 所界定出本發明之原理及特性。 附圖在此加入構成說明書一部份，其顯示本發明各項， 以及隨同說明書共同地說明本發明之原理。當然人們了解 附圖以及說明只是範例性以及並不作為限制本發明。 詳細說明： 本發明設計之示意圖顯示於圖2中。圖1偏極光束分裂 器以例如金屬線格子偏極器1 3所替代。參閱2 〇 〇 1年2月8曰 所公告之W0 0 1 /09677號專利，該專利名稱為"ifflage Projection System with a Polarizing Beam Splitter” 以及Perk ins等人2 000年9月19日獲准之美國第6122103號 專利，該專利名稱為"Broadband Wire Grid Polarizer for Visible Spectrum"，這些專利之說明在此加入作為參

第7頁 1254158 五、發明說明（4) W ·#金^屬^線格子偏極器之偏極特性類似於PBS對角線之特 馮·:、、透射P偏極及反射s偏極。由照明系統7發出之光線經 =取初偏極器9(s偏極器）以及由金屬線格子偏極器13反射 傾斜45度如圖2所示。 該傾斜偏極器提供由反射性液晶顯示器丨丨例如LC〇s所 反射光線之分離：由，，開，，圖素反射之光線具有9〇度偏極旋 轉以及經由金屬線格子偏極器進入投射透鏡丨5 ;由”關”圖 素所反射之光線具有與進入光線相同的偏極性以及位於照 明系統7之方向。 金屬線格子結構之基質14為平面平行板。在投射透鏡 後側工作空間中之傾斜板產生散光，其將減小銀幕上之影 像品質。 本發明為了減小該負面效應，所製造基質（平面性平行 板）之厚度為非常小（例如約為〇. 15mm)。在該厚度下實際 上可忽略散光。

表1顯示出由玻璃所構成傾斜（45度）平面平行板之各 種厚度所導致之散光值。參閱Warren J. Smith之Modern Optical Engineering： The Design of Optical Systems ，2nd edition， in the Optical and Electro-Optical Engineering Series; Robert E. Fischer and Warren J· Smith， series editors， McGraw-Hill， New York， 1 99 0，page 96- 99,特別是第99頁，這些文獻内容在此加入 作為參考之用。 一般設計使用於LCoS之投射透鏡f值為2· 8。在影像器

第8頁 1254158 五、發明說明（5) 處可接受之模糊度（並不顯著）通常約為一個圖素以及LC〇s 代表〖生圖素大小為9微米。因而，f值為2 · 8相當於影像空間 中土 〇· 〇2 5mm之焦距深度，其中影像器空間為LC〇s與投射透 鏡間之空間，即LCoS所在之空間。參閱先前所提及w.

Smith文獻第1 45-1 48頁。由於在LCoS與投射透鏡之間並不 存在光學焦度，該焦距深度值適用於整個影像器空間。表1 中數據顯示由厚度為〇·15ιηηι之傾斜平面平行板產生之散光 在該焦距深度内，其係指該散光可加以忽略。

人們了解依據圖素大小之土 〇· 〇2 5mm焦距深度以及投 射透鏡f數值功能上與考慮肉眼解析度（1·5弧分）產生之焦 距冰度相同，其作為界定出可接受之模糊度。特別地，對於 位於距離銀幕大約2米之肉眼，影像空間中所需要焦距深度 約為土 0.03 5mm，光線調變板之70倍投射至該銀幕上，因而 厚度為小於或等於例如〇· 15毫米之基質散光再次地在焦距 深度内以及能夠加以忽略。 一般本發明使用傾斜偏極分裂器（例如金屬線格子偏 極器）位於照明系統及圖素板之間，其包含基質厚度將使在 傾斜角（例如為45度）下由基質產生之散光小於或等於投射 透鏡影像器空間中焦距之深度，該投射透鏡使用來將圖素 板形成影像於銀幕上。 ’ 能夠使用作為本發明金屬線格子偏極器基質之平面平 行板的範例為特製覆蓋玻璃（Fisher Scientific，型號# 12548C)。 人們了解除了解決散光問題，該排列亦對下列情況並

第9頁 1254158 五、發明說明（6厂 ^ ----------- 面平行板並不平坦，以及⑺板受熱變形。對 ,e H J 不A敏為特別的重要，因為板通常在室溫下按裝 二=二作溫度為50-60度，其將使板產生熱變形。由於板非 :t该板並不會將通過其中之光線的波前產生顯著的變 而技射透鏡能夠”看透”板，甚至於板產生變形時。 德粗ϋ金屬線格子偏極器替代PBS亦係指並不需要補償 二光線去偏極性補償之四分之一波板。因而，此將由組 \:理過程去除該組件非常精確的對準。其亦解決了四分 之一波板特性隨著溫度變化相關之對比不均勻的問題。 雖然本發明特定實施例已加以說明以及列舉，人們由 本發明作出各種變化而並不會脫離本發明之精神及範圍。 例如，並不使用金屬線格子偏極器，偏極雙折射性薄膜能夠 使用於超薄基質上，例如3M製造之CARTESIAN polarizer( 參閱2001 年7 月20 日之Private Line Report on

Projection Display, Volume 7， No· 11， pages 6-8)。 同樣地，能夠使用上述所說明超薄基質於偏極塗膜以 替代金屬線格子偏極器。該構造具有相同的優點（即對不 平坦以及變形並不靈敏以及不會散光），但是仍然需要四分 之一波板以補償偏斜效應。對於本發明該實施例，偏極塗 膜表面之角度能夠對著光軸改變45度以達成有效的入射角 度使光線投射於塗膜上。亦能夠利用其他偏極分離機制而 使用異於4 5度之傾斜角度，例如先前所說明之金屬線格子 偏極器以及偏極雙折射性薄膜。

作為另外一種變化，實施本發明能夠使用不含光柵LCD

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1254158—__ £·、發明說明（7) 板，其直接地使用C R T發出光線。本發明並不香 又限於目前已 知的光線調變板（閥），其包含未來可能發展出所有板。 熟知此技術者能夠由本發明所揭示作出各種變化及改 變，但是並不會脫離本發明之精神及範圍。下列申請專利 範圍在於含盍所揭示之特定實施例及該變化，改變及對等 物。 表1 厚度（mm) 1·0 Ο 7 5 q 5 0.25 0.15 散光（mm) —0· 269 u〇2 -(K 135 -0. 067 -0· 04

第11頁 1254158 ’—^~^^一一 — 圖式簡單說明 、 第 圖（圖1)為先前技術使用偏極光束分裂器以及四 刀之一波板之偏極排列的示意圖。 立第二圖（圖2)為本發明使用傾斜偏極之偏極排列的示 恩圖，该分裂器具有並不會產生無法接受散光之基質。 附圖數字符號說明： 偏極光束分裂器（PBS) 3 ;四分之一波板5 ;照明系統 7 ;照明系統發出光線8 ;偏極器9 ;光線調變板π ;偏極分 裂器（例如為金屬線格子偏極器）13;偏極分裂器基質14; 投射透鏡1 5 ;到達投射透鏡之光線1 7。

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Claims (1)

1254158 申請專利範圍 10· —種光學系統，該光學系統包含： (a )照明系統； (b)光線調變板，其包含一組多個圖素，該圖素之圖素尺 寸在板上界定出可接受之模糊度； ,(c)投透鏡以形成光線調變板之影像，該投射透鏡以及 忒可接文杈糊度在影像器空間側界定出焦距深度為β ;及 (^)傾斜偏極分裂器位於光線調變板與投射透鏡之間以 及光線調變板與投射透鏡之間， ^ :，偏極分裂器包含厚度為了之基質，使 \ Λ由於或等於D時基質將產生之散光。 :.:。據申請專利範圍第10項之光學系統，其中D為U 1 2 ·依據申請專利筋圖筮 公楚。 乾圍第10項之光學系統，其中T為0.15 13.依據申請專利範圍第1〇 傾斜角度為45度。 負之先子糸統，其中偏極分裂器 14·依據申請專利範圍 為金屬線袼子偏極器。員之先子糸統，其中偏極分裂器 15·依據申請專利範 由偏極塗膜所構成。 、之、，予系統，其中偏極分裂器 I6·依據申請專利範圍第10 由偏極雙折射性薄膜所、。之先予糸統，其中偏極分裂器 I7·依據申請專利範圍 為反射性液晶顯示板。J、之光學系統，#中光線調變板

1254158 六、申請專利範圍 1 8.依據申請專利範圍第1 0項之光學系統，其中光線調變板 為在石夕板上液晶。 1 9.依據申請專利範圍第1 0項之光學系統，其中更進一步包 含偏極器位於照明系統與偏極分裂器之間。 2 0.依據申請專利範圍第10項之光學系統，其中偏極分裂器 基質厚度小於或等於0. 15公釐，其中 a) 分裂器為金屬線格子偏極器，以及 b) 當傾斜4 5度時，分裂器產生小於0 . 0 5 mm之散光。

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