TWI292058B - Optical cores and projection systems containing the optical core - Google Patents

Description

1292058 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 不資訊之系統 且更特 一般而言，本發明係針對用於顯 疋吕之’係針對反射性投影系統。 【先前技術】 光學成像系統通常包含一透射柯十 考丁 l'生或一反射性影像器 被稱作光閥或光閥陣列)，其將-影像強加於一光束上°。： 射性光閥通常是半透明的並允許光穿 逯 才义。另一方面，反射 性光閥僅反射輸入光束之已選出的部 1刀，以形成一影像。 反射性光㈣供重要的優點’因爲控制電路可置放於該反 射性表面之後，且當該等基板材料未被其不透明性所限制 時，更先進的積體電路技術變得可用 ^ — 卞」用猎由使用反射性液 晶微顯示器（microdisplay)作爲影像器，使得新的可能便宜且 緊密的液晶顯示器（LCD)投影儀組態成爲可能。 且 許多反射性LCD影像器旋轉入射光之偏振。換言之，偏 振光可由該影像器反射，而其偏振狀態大體上未自最暗狀 態改變，或獲得一偏振旋轉度以提供—所要的灰階。二的 疑轉會在該等系統中提供最亮狀態。因此，一偏振光束通 常被用作反射性LCD影像器的輸入光束。一所希望的緊密 配置包含一在一偏振分光器（p B s)與影像器之間的折疊光 路，其中照明光束與自影像器反射的投影影像共用在該p B § 與该影像1§之間的相同實際空間（physical space)。該PBS將入 射光自經偏振旋轉的影像光分離開來。單個影像器可用於 形成一單色影像或一彩色影像。多個影像器通常用於形成

O:\89\89652.DOC 1292058 -彩色影像中該照明光被分成具有不同色彩的多個光 束。將一影像個別地強加於每一光束上，接著將該等光束 再組合以形成一全色影像。 口人希望使用盡可能多的由光源所産生的光。詳言之， 考慮能減少非吾人所樂見的光反射之具成本效益且可製造 的組態係有益的。 【發明内容】 概括地說，本發明係關於用於投影系統之光學元件或光 蕊及包含該等光學元件或光蕊之投影系統。此外，本發明 係關於如何製造與使用該等光學元件或光蕊及該等投影系 統。 ' 一實施例爲一如下的光學元件，其包括：一色彩組合器； 一具有-稜鏡的偏振分光器；-安置^該偏振分光器之棱 鏡之一表面上的指數匹配層；以及一光學黏接層，其安置 於該指數匹配層與該色彩組合器之—表面之間，以將該 振分光器安裝至該色彩組合器上。該光學元件視需要可包 含兩個或三個（或三個以上）偏振分光器，藉由一光學黏接層 及一指數匹配層將每-偏振分光器個別地安裝至該棱鏡二 ^同表面上。此外’藉由使用在偏振旋轉元件與色彩組合 器之間的第二光學黏接層’可視情況將偏振旋轉元件(如半 波延遲板（half-wave retardation pkte))安裝於該等偏振分光器 中之一個或多個中的各偏振分光器與該色彩組合器之間。 通常，當色彩組合器具有折射指數屯且偏振分光器之稜鏡 具有折射指數免時，指數匹配層具有折射指數屯，其中如較

O:\89\89652.DOC 1292058 範圍内。在 ’且n3可（在 佳在（ηι * n2)1/2(意即叫與叱之乘積的平方根）之土5% 某-員化f列中，n3在②i * n2y/2之土4%或士範圍内 某些例子中）等於(ηι*η2)1/2。 元件的投影系 其他實施例包括含有上文所描述之光學 統0 再-實施例爲一種製造一光學元件之方法。該方法包含 將一指數匹配層安置於—偏振分光器之稜鏡之—表面上^ 藉由一在指數匹配層與色彩組合器之—表面之間的光學黏 接層，將該偏振分光器安裝至該色彩組合器上。該方法可 視需要用來將兩個、三個或多個偏振分光器安裝於一色彩 組合器之不同表面上。視需要，#由使用一在偏振旋轉元 件/、色彩組合器之間的第二光學黏接層，可個別地將—（或 多個）偏振旋轉元件安裝於該等偏振分光器中之一個或多 個中的各偏振分光器與該色彩組合器之間。 【實施方式】 本舍明可適用於投影系統及用於此類系統之光學元件或 光蕊。本文所使用的術語"投影系統”意指包含諸多種類的 可産生供檢視者檢視的影像之光學系統，該等光學系統可 用在（例如）前及後投影系統、投影顯示器、頭戴式顯示器、 虛擬檢視器、擡頭式顯示器（heads-up display)、光學計算系 統、光學相關系統以及其他光學檢視及顯示系統中。 圖1中示意性地說明了多影像器投影系統1600之一實施 例。自一源1604發射光1602。該源1604可爲一弧光燈或白 熾燈，或産生適用於投影影像的光的任何其他合適的光

O:\89\89652.DOC 1292058 源。該源1604可被一反射器1606(如一橢圓形反射器（如圖所 示）、一抛物面反射器（parabolic reflector)或其類似物）環 繞’以增加被定向朝著投影引擎之光量。 光1602通常在被分成不同色帶之前接受處理。舉例而 言，可使光1602穿過一可選的預偏振器16〇8，使得僅將具 有吾人所要之偏振的光定向朝著投影引擎。該預偏振器視 而要呈一反射性偏振器之形態，使得反射光（在非吾人所樂 見之偏振狀悲中）被重定向至光源丨6〇4以用於再循環。亦可 使光1602均勻化，使其可均勻地照明投影引擎中之影像 器。使光1602均勻化之一個方法是讓光16〇2穿過一反射隧 道1610,但是應瞭解亦可採用其他使光均勻化的方法。 在所說明的實施例中，已均勻化的光1612穿過第一透鏡 16丨4,以縮小發散角。接著光1612入射至第一色彩分離器 1616上’其可爲(例如)一介電薄膜濾光器。該第一色彩分離 器1616將第__色帶中的光1618自剩餘光咖分離出來。 可讓在該第—色帶中之光1618穿過第二透鏡1622,且視 需要穿過第三透鏡1623，以控制人射於第-偏振分光器 (PBS)1624上的該第一色帶中之光1618的發散。光⑽自該 第-則624穿過至第—影像器⑽。該影像器反射在某一 偏振狀態中的影像光1628,其中該影像光透射穿過·· ^-色彩組合H ’例如，如圖丨中所說明的合城鏡色彩組 :二x-cube color 一一163〇。職可向已反射的影

像先提供像散補償（astigmatism eQmpensatiQn)。％ Μ ⑽ W 含一個或多個補償元件（如延遲器元件），以提供額外的偏振

O:\89\89652.DOC 1292058 旋轉，且因此增加或最大化影像光中之對比度。 可讓剩餘光1620穿過第三透鏡1632。該剩餘光1620接著 入射至第二色彩分離器1634(例如一薄膜濾光器或其類似 物），以産生在第二色帶中的光束1636及在第三色帶中的光 束1638。該第二色帶中的光1636經由第二PBS 1642被定向至 第二影像器1640。第二PBS 1642可向第二色帶中之光提供像 散補償。第二影像器1640將第二色帶中的光1644定向至合 光稜鏡色彩組合器1630。 在第三色帶中的光1638經由第三PBS 1648被定向至第三 影像器1646。第三PBS 1648可向第三色帶中的光提供像散補 償。第三影像器1646將第三色帶中的光1650定向至合光稜 鏡色彩組合器1630。 在第一、第二及第三色帶中的影像光1628、1644及1650 在合光稜鏡色彩組合器1630中組合，且作爲一全色影像光 束被定向至投影光學器件1652。偏振旋轉光學器件1654(例 如半波延遲板或其類似物）可提供於PBS1624、1642及1648 與合光稜鏡色彩組合器1630之間，以控制在合光稜鏡色彩 組合器1630中進行組合的光之偏振。在所說明的實施例 中，偏振旋轉光學器件1654安置於合光稜鏡色彩組合器 1630與第一 PBS及第三PBS 1624及1648之間。 一合適的PBS之實例爲寬角度的笛卡兒（Cartesian)偏振分 光器（PBS)，如美國專利第6,486,997號中所論述。然而， 可使用結合了稜鏡之其他PBS。笛卡兒PBS爲其中分離光束 之偏振係參照該PBS薄膜之不變（通常爲直角）主軸之PBS。 O:\89\89652.DOC -10- 1292058 與此相反，藉由一非笛卡兒PBS，該等分離光束之偏振大體 上取決於光束在該PBS上之入射角。該PBS亦可倂入一諸如 斜板或高指數層的元件，以提供像散修正，如美國專利申 請案第09/878,559及1〇/159,694號中所描述。美國專利申請 案第〇9/878,559及1G/159,694號亦描述了各種可根據本發日; 進行修改的影像器系統組態，修改是爲了包含該（等）光學黏 接層與減匹配層，使得可將— PBS安裝至_合光稜鏡色彩 組合器，如下文所述。 一笛卡兒PBS之實例爲—多層反射性偏振分光器（MRpB) 薄膜，其由各向同性及雙折射材料之交替層形成。若將薄 膜平面看作x_y平面，且按z方向量測薄膜厚度，則蜥射指 數係電向量平行於2方向的光在雙折射材料中的折射指 數同樣X折射指數爲其電向量平行於X方向的光在雙折 射材料中的折射指數’而y折射指數爲其電向量平行於丫方 折射材料中的折射指數。該雙折射材料之X折射 =该各向同性材料之x折射指數大體上相同，而該雙折 若該等數與該各向同性材料之撕射指數不同。 見光二γγ、&正麵擇，則該薄膜反射按y方向偏振的可 見光亚使按χ方向偏振的光透射過。 ^ ^ ^ ^ ^ ~ E Z^b ^ ^ ^ 1 (MZIP) n 數h折又射^材枓之撕射指數與該雙折射材料之X折射指 數或y折射指數大辦 5,憶，⑴號中已了 。美國專利第㈣2,774及 薄膜（具有增加了 ^人4MZ㈣膜。—改良類型輯犯 了的哥巾）使用PET/COPET-PCTG作爲交替

O:\89\89652.DOC -11 - 1292058 層’此於美國專利申請案第〇9/878,575號中被描述。 如上文所示，一笛卡兒PBS之實施例爲一嵌入於稜鏡之間 的MRPB薄膜（如MZIP薄膜）。爲了減少或最小化由高強度光 束導致的熱感生應力所引起的雙折射，該等稜鏡較佳由具 有低應力光學係數的材料形成。用於此目的之最適合的材 料之一爲以下列名稱所銷售的玻璃·· SF57(德國美因兹

Schott Glass Technologies); PBH55(日本神奈川 Qhara 公 司）；或PBH56(Ohara公司）。該等玻璃具有大約185的折射 指數。 當使用此低指數玻璃時，MRPB薄膜之折射指數通常小於 周圍稜鏡之折射指數。舉例而言，一 MZIp薄膜之折射指數 大約爲1·56，且其厚度通常爲125微米左右。在裝配該pBS 時，藉由在薄膜之每一側上使用大約25微米厚的膠（其具有 大約爲1.56的匹配折射指數），可將該MRpB薄膜附著至稜 鏡面。已發現一類特別適用於MRPB薄膜的膠爲N〇rland公司 所製造的Norland 61。PBS薄膜與膠共同形成一折射指數大約 爲1.56且厚度爲225微米的斜板，處於與光傳播方向大約呈 45的角度。此扎數相對低的板在指數相對較高的棱鏡内將 像散引入至影像光。像散爲已由一影像器所反射之光的問 4。在（例如）美國專利申請案第〇9/878,559及1〇/159,694號 中描述了用於減少像散之構造，包括在MZIp薄膜與該等稜 鏡中的一個之間引入一具有高指數材料的斜板（如玻璃調 板）。 圖2中示意性地顯示了一光學元件或光蕊丨〇〇，以說明該

O:\89\89652.DOC -12- 1292058 合光稜鏡色彩組合器1630、PBS 1624、1642及1648以及偏振旋 轉光學器件1654之安裝。詳言之，藉由使用安置於PBS 1642 之一表面1664上的一指數匹配層1662及一具有光學黏劑之 層1660，可將PBS 1642安裝至合光稜鏡色彩組合器1630上。 使用安置於個別PBS之表面1674上的指數匹配層1672、第一 光學黏接層1670與第二光學黏接層1676，藉由將偏振旋轉 光學器件1654安置於該等第一與第二光學黏接層之間，可 將PBS 1624及1648安裝至合光稜鏡色彩組合器1630上。該等 光學黏接層1660、1670與1676可使用相同或不同的光學黏接 劑。是否將偏振旋轉光學器件安置於一特定PBS與色彩組合 器之間通常是由所要的光路及沿著該路徑之光的偏振來決 定。 提供此配置以減少在材料之間的障壁處的反射率。詳言 之，合光稜鏡色彩組合器1630之材料（例如，諸如BK7或B270 玻璃的玻璃）具有折射指數叫，且形成個別PBS 1624、1642或 1648之稜鏡1690、1692的材料（例如玻璃）具有折射指數n2。該 等兩個折射指數可大體上不同（例如，InrndXU)。通常，差 異越大，介面處位反射率（potential reflectivity)就越大。通 常，該等光學黏接層1660、1670與1676之指數被選擇爲與叫大 體上相同。一般而言，該等光學黏接層之折射指數與叫相差 不超過0.1，且通常不超過0.04。此外，偏振旋轉光學器件 1654(例如，半波板）通常被選擇具有與叫大體上相同的折射 指數（例如，該偏振旋轉光學器件之指數與η!相差不超過 0.1，且較佳不超過0.04)。 O:\89\89652.DOC -13· 1292058 該等指數匹配層1662、1672安置於個別pBS上，且被選擇具 有折射指數n3，其中 n3 二(叫 * n2)1/2。 理想地，n3等於該方程式右側的值。然而，允許自此理 想值的一些變化是可接受的，因爲裝置性質中之改變可爲 4等偏差所接受。變化的量可依應用而定，然而，一般屯 I與㈨〇目差士 5%，且通常屯在土 4%範圍内且經常在现 乾圍内。在-特定實例中，該合光稜鏡色彩組合器呈有⑸ 的折射指數，PBS之玻璃稜鏡具有⑴的折射指數，且指數 匹配層具有在1·6至1.76範圍内（較佳在162至174範圍内， 且更k在1.65至1.7範圍内）的折射指數。該實例中所使用的 光學黏接劑具有L56的指數，且該半波板具有大約16的指 數。 可藉由使用具有必需的折射指數、且爲吾人所關心的波 長範圍内（通常在可見光譜内或至少在光譜對準特定PBS之 部分内’例如光譜之紅、綠或藍部分)的光大體上可透射(至 / 5/。可透射且較佳至少98%可透射）之任何材料，來製造指 數匹配層。該指數匹配層通f形成於pBS之適當表面上。指 數匹配層的形成可藉由諸如蒸鍍、濺鍍、離子電鍍、離子 辅助蒸鍍及其類似的技術來執行。 >在一實施例中，簡1624、1642及祕之表面腿覆蓋有一 ^反射層k反射層中所使用的各種材料及將該抗反射層 安置；牙夂鏡表面上之方法已爲吾人所熟知且通常可被使 用。正被導引穿過投影系統用來顯示於一螢幕上的光通常

O:\89\89652.DOC -14- 1292058 並不被定向朝著或離開PBS 1624、1642及ι648之該等表面 1680。視情況，該等表面1680可無需進行精整（例如，使其 更清晰）或覆蓋上一抗反射塗層。舉例而言，該等表面168〇 可爲磨砂玻璃（ground glass)表面。以此方式可減少該pBs 之成本，而且有利於在光蕊100之裝配期間區別稜鏡i69〇與 稜鏡1692。因爲1690包括安置於稜鏡之表面上的指數匹配 層1 662或16?2，所以能夠區別該等兩個稜鏡、16犯係較 重要的。 不應認爲本發明受限於上文所描述的該等特定實施例， 而應瞭解其涵蓋了如隨附申請專利範圍中所清楚陳述之本 發明的所有態樣。在審閱本說明書時，本發明所針對的熟 習此項技術者將不難瞭解各種修改、均等程序以及本發明 了適用的諸夕結構。該等申請專利範圍欲涵蓋該等修改及 裝置。 【圖式簡單說明】 考慮到上文中本發明之各種實施例的詳細描述，結合該 等隨附圖式’可更完整地瞭解本發明，在該等圖式中： 圖1根據本發明之一實施例示意性地說明了一投影系 統；及 圖2根據本發明之一實施例示意性地說明了圖1中之投影 系統的光學元件。 I &本發明服從各種修改及替代形式，但是在該等圖式 中已藉由舉例方式展示了其具體實施例（specifics)，且已對 4等具體貝知例進行了詳細描述。然而，應瞭解，並不欲

O:\89\89652.DOC -15- 1292058 將本發明限制於所描述的該等特定實施例。相反，意欲涵 蓋在由隨附申請專利範圍所界定的本發明之精神與範圍内 之所有修改、均等物及替代物。 【圖式代表符號說明】 1600 多影像器投影系統 1602, 1612, 1618, 1628， 1636, 1644, 1650 光 1604 光源 1606 反射器 1608 預偏振器 1610 反射隧道 1614, 1622, 1623, 1632 透鏡 1616, 1634, 1642 色彩分離器 1620 剩餘光 1624, 1648 偏振分光 1626, 1640, 1646 影像器 1630 色彩組合器 1638 光束 1652 投影光學器件 1654 偏振旋轉光學器件 100 光蕊 1660, 1670, 1676 光學黏接層 1662, 1672 指數匹配層 1664, 1674, 1680, 1682 表面 1690, 1692 稜鏡 O:\89\89652.DOC • 16-

Claims (1)

1. 修JE Π92會5&i36567號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(95年11 拾、申請專利範圍： 1 _ 一種光學元件，包括： 一色彩組合器； 一偏振分光器，其包括一稜鏡； 續 委 員 明 j 本 f £ 後 晏 I 變 避 t r 内 參 一指數匹配層，其安置於該偏振分光器之該稜鏡之一 表面上；及 一光學黏接層，其安置於該指數匹配層與該色彩組合 器之一表面之間，以將該偏振分光器安裝至該色彩組合 器上；以及 其中該色彩組合器具有一折射指數（折射率）叫；該偏振 分光器之該稜鏡具有一折射指數化；且該指數匹配層具有 一折射指數Π3，其中Π3在（m * Π2)1/2之土4%範圍内。 2·如申請專利範圍第1項之光學元件，進一步包括： -偏振旋轉元件’其安置於該光學黏接層與該色彩組 合裔之間；及 一第二光學黏接層，其安置於該偏振旋轉元件與該色 彩組合器之間。 3·如申睛專利範圍第2項之光學元件，其中該偏振旋轉元件 包括一半波延遲板。 4.如申請專利範圍第i項之光學元件，其中該光學元件包括 至少兩個偏振分光ϋ，料偏振分光器具有與該等偏振 分光器之每一個相關的個別指數匹配層及光學黏接層， 以將每一偏振分光器安裝至該色彩組合器之一不同表 面0 89652-951102.doc 12 娜 8) 「— _______— _一 *?， 年月R修(更)正本j 5.如申請專利範圍第i項之光學元件，進步包括J 一第二偏振分光器，其包括—稜鏡，· H數匹配層’其安置於該第二偏振分光器之該 稜鏡之一表面上； -第二光學黏接層，其安置於該第4數匹配層與該 色彩組合ϋ之-第二表面之間’以將該第二偏振分光器 安裝至該色彩組合器上；及 一第三偏振分光器，其包括—稜鏡； -第三指數匹配層，其安置於該第三偏振分光器之該鲁 棱鏡之一表面上；及 一第三光學黏接層，其安置於該第三指數匹配層與該 色彩組合器之-第三表面之間，以將該第三偏振分光器 安裝至該色彩組合器上。 6·如申請專利範圍第5項之光學元件，進一步包括： 一第一偏振旋轉元件，其安置於該第二光學黏接層與 該色彩組合器之間； -第四光學黏接層’其安置於該第一偏振旋轉元件與 · 該色彩組合器之間； ' 一第二偏振旋轉元件，其安置於該第三光學黎接層與 該色彩組合器之間；及 ^ 一第五光學黏接層，其安置於該第二偏振旋轉元件與 該色彩組合器之間。 ^ 7·如申請專利範圍第丨項之光學元件，其中屯在（ηι* η2)1/2之拉％ 範圍内。 ° 89652-951102.doc -2 - 1292058 厂 7^·——f I年月曰修(更)正木I 8.如申請專利範圍第丨項之光學元件，其中n3等於(n"n2)1/2。 /9. 一種包含如申請專利範圍第丨項之該光學元件的投影系 統。 χ/10· —種製造一光學元件之方法，該方法包括·· 將一指數匹配層安置於一偏振分光器之一稜鏡之一表 面上； 藉由一在該指數匹配層與該色彩組合器之一表面之間 的光學黏接層，將該偏振分光器安裝至一色彩組合器 上；以及 其中該色彩組合器具有一折射指數（折射率）nl;該偏振 分光器之該稜鏡具有一折射指數叱；且該指數匹配層具有 一折射指數ns，其中Π3在（ni * n2y/2之土4%範圍内。 11·如申請專利範圍第10項之方法，進一步包括： 使用一在該偏振旋轉元件與該色彩組合器之間的第二 光學黏接層，將一偏振旋轉元件安裝於該黏接層與該色 彩組合器之間。 12·如申請專利範圍第丨丨項之方法，其中該偏振旋轉元件包 括一半波延遲板。 13·如申請專利範圍第10項之方法，進一步包含重複該等安 置及安裝步驟，以將至少一個額外偏振分光器安裝至該 色彩組合器上。 14.如申晴專利範圍第1〇項之方法，進一步包括·· 將一弟一指數匹配層安置於一第二偏振分光器之一稜 鏡之一表面上； 89652-951102.doc 1292058 咚 it! _ 年月日修(更)正本 藉由在該第二指數匹配層與該色彩組合器之二 表面之間的第二光學黏接層，將該第二偏振分光器安裝 至該色彩組合器上； 將第二指數匹配層安置於一第三偏振分光器之一棱 鏡之一表面上·，及 藉由一纟該第三指數匹配層與該色彩組合器之一第三 表面之間的第二光學黏接層，將該第三偏振分光器安裝 至該色彩組合器上。 匕如申請專利範圍第14項之方法，進—步包括： *使用在δ亥第一偏振旋轉元件與該色彩組合器之間的 第四光學黏接層’將—第-偏振旋轉元件安裝於該第二 黏接層與該色彩組合器之間；及 使用一在该第二偏振旋轉元件與該色彩組合器之間的 第五光學黏接層’將_第二偏振旋轉元件安裝於該第三 黏接層與該色彩組合器之間。 16.如申請專利範圍第10項之方法，其中屯在（ηι * η#之±2%範 圍内。 17·如申請專利範圍第10項之方法，其中屯等於扣*η2)1/2。 89652-951102.doc -4-