TWI223721B - Optical devices and polarising beam splitter - Google Patents

Description

1223721 (Ο 玖、發明說明 先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) (發明說明應敘明··發明所屬之技術領域、 技術領域 本發明係關於用以處理輕射的光學裝置，尤其（但非專 地）係關於彩色投影裝置，以及偏振分光器。 先前技術

衫色投影系統為先前技藝中眾所熟知者。諸如背投影電 視、背投影監視器以及前投影系統等的消費性產品，其中 所使用者為矽基液晶（liquid crystal 〇n silic〇n ; LC〇s)微型 顯示裝置。在數種現有光學架構中，皆係使用三組[(：〇3 板’分別處理紅 '綠及藍色光。在一小巧且具成本效益的 系統中，仍無法達到高對比的要求。 一種由以^以低公司所提出’稱為厂“&如以丁^的 現存架構係使用以正方形排列的四個偏振分光器方塊，搭 配選擇性偏振相位延遲板（諸如由同一家公司生產的「

Color SelectTM」板）以執行[COS投影系統中必要的色彩分 割與偏振的功能。該系統可表現高對比，但其偏振分光器 方塊相當昂貴’且需在每一 LCOS板之後裝設一歪斜角補償 相位延遲板，以達到高的對比。同時，因安裝或溫度引起 的應力使其偏振分光器方塊容易遭受張力致生雙折射 (strain birefringence)的影響，亦進一步使其對比與對比均 一性降低。在讓渡給Moxtek的美國專利案號US-A-611103 中，提出了一種用於可見光範圍的寬頻帶線柵偏振板。 Moxtek公司生產可作分光器使用的線栅偏振板。在2001 年SID01 Digest 中由 Arnold與 Gardner所發表的「An Improved 1223721

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Polarising Beam Splitter LCOS Projection Display Based on Wife-Gnd Polarisers (以線柵偏振板為基礎的改良式偏振 分光器石夕基液晶投影顯示器）」這份文件中，說明了在投影 透鏡式設計架構中線柵偏振板的使用。該文中建議使用一 線栅偏振板’並說明了此種系統中由一非平行光束中之偏 斜板所造成的像散問題。 本發明之一項目標為提供相關於此類習知裝置的.改良方 案。 發明内容 依據本發明的第一項觀點，其提供一種用於處理輻射之 光學裝置’該裝置包括一偏振分光器以及配置以分別處理 不同輕射組件之特性的複數個輻射處理部件，其中該偏振 分光器包括具有第一與第二側的一選擇性反射偏振板、配 置於該偏振板之一侧附近的一第一透明板以及配置於該偏 振板之另一側附近的一第二透明板，其中大體該分光器的 所有偏振作用皆係由該選擇性反射偏振板所提供。 本發明的此項觀點提供了一種配置，其中可利用一偏振 板（諸如一線栅偏振板）的功能，且該裝置中產生的光學路 從長度與散光（若存在）對橫越該分光器的每一不同光學路 控而言皆可為大體相等。其光學厚度輪廓（即依據二元件間 任何折射率差異所調整的斷面）最好大體相等。接著，即可 將各組件結合，或以類似之其他方法處理，使各組件實質 上不會運載不同的（可於後續證實極難修正的）系統錯誤。 另外’將透明元件配置於該選擇性反射偏振板的兩側， (3) 、、使各板實貝上平坦(最好具有相等的厚度），將可明顯降 低因機械及熱所引起之應力的應力致生雙折射作用。 依據本發明的-項進-步觀點，其提供-偏振分光器， 其包括具有實質上平坦的第一與第二側的一平坦的反射式 偏振板、配置於該偏振板之—側附近的透明板以及 配置於其$ #】的_第二透明板’其中該分光器實質上所 有的偏振作m由該平坦的反射式偏振板所產生、上述 第一及第二板最好皆具有實質上相等的厚度。 此項觀點提供了用於本發明之第一項觀點中的一分光器。 依據本發明的另一項觀點，其提供一種用於處理輻射之 光學裝置，該裝置包括一偏振分光器以及配置以分別處理 不同賴射組件之特性的複數個輻射處理部件，其中該偏振 分光裔包括具有第一與第二側的一線柵偏振板、配置於該 第一側附近並係實質上與該線栅偏振板的整個第一側接觸 的一第一透明元素，以及配置於另一側附近並係實質上與 該線栅偏振板的整個第二側接觸的一第二透明元素。 本發明的此項觀點提供了一種使用線柵偏振板作為偏振 分光器的裝置，其中即使在該二元件中一或二者以及該線 栅偏振板本身含有機械及熱所引起的應力時，亦可一致地 維持其線栅偏振板表面的平坦度。 由下列本發明之較佳具體實施例詳細說明並參考附圖 將可更加了解本發明各種觀點的特色及優點。 實施方式 附圖顯示根據本發明之一項具體實施例的彩色視訊投影

凋制裝置。依據本發明之此項具體實施例的一彩色視訊投 〜器，包含其調制裝置以及以一輸入光束⑴之型式發射實 質上白色光之一輪射發射器（未顯示），以及其他光學組件 (未顯示），典型地包含用以將輸出光束朝一投影螢幕投影 的一輸出透鏡。 4调制裝置包含一綠色/洋紅色相位延遲板2 ,其包含雙 折射層，用以選擇性地使典型地經過徹底偏振的輸入光束 偏振，以產生實質上完全由光譜之綠色部份波長組成且具 有一第一偏振的一第一組件，以及實質上完全由光譜之洋 紅色部份輻射組成且具有一第二偏振的一第二組件。一第 一偏振分光器4分割不同的組件，將綠色組件朝一第二偏振 分光器6反射，並透射該第二組件。該第二偏振分光器6實 質上將所有入射輻射反射往一第一LCOS光調制板8，該輻 射。周制板依據作用於該液晶矩陣的一綠色視訊信號調制該 入射輻射光束。同時，該光束的偏振亦隨著調制而旋轉了 9〇°，所反射的光束透過該偏振分光器6傳送至第三偏振分 光器10處’該偏振分光器再將該綠色組件送往類似於綠色/ 洋紅色相位延遲板2的一綠色/洋紅色相位延遲板12處，以 產生部份之輸出光束（〇)。由該第一分光器4傳送的洋紅色 組件係朝一紅色/藍色相位延遲板14處傳送，該相位延遲板 選擇性地將入射光的紅色與藍色部份偏振，使紅色與藍色 組件產生互相正交的偏振。接著，第四偏振分光器16再選 擇性地反射不同的組件，將紅色組件朝第二LCOS光調制板 1 8反射，該調制板依據作用於該液晶矩陣的一紅色視訊信 1223721

(5) 號調制該入射光束，將該入射光束反射並旋轉其偏振。接 著，所反射的光束透過該第四分光器丨6傳往類似於該紅色/ 藍色相位延遲板14的第二紅色/藍色相位延遲板22 ,至第三 偏振分光器10處’該光束的紅色組件在此反射往相位延遲 板12，以形成部份之輸出光束（〇)。 光束中的藍色組件透過偏振分光器16傳送往第三矽基液 晶（LC0S)光調制板20處，該調制板依據作用於該液·晶矩陣 的一藍色視訊信號調制該光束，並將該光束以9〇。旋轉偏振 反射往第四偏振分光器16，該偏振分光器將該藍色組件反 射往紅色/藍色相位延遲板22，該相位延遲板將該藍色組件 傳送往該第三偏振分光器1〇，該偏振分光器將該藍色組件 反射往该綠色/洋紅色相位延遲板丨2處，以形成該輸出光束 (〇)的剩餘部份。 個別偏振分光器4、10、16皆係依據本發明之一項具體實 施例所建構。在此項具體實施例中，一偏振分光器係由一 線柵偏振板形式的偏振板，夾在互相平行地安裝的兩片實 質上完全相同之透明板間所形成。個別透明板可由諸如玻 璃之類的物質構成。該線栅偏振板可在（例如）其中一片玻 璃板上形成，使該玻璃板構成其基板，而接著則可將另一 片玻璃板以其整個表面或以其週邊黏接於載有該線柵偏振 板的第一片玻璃板上。當二板間的整個表面皆使用黏著劑 時，二板之間不包含任何空氣介面。否則，若係將二板表 面週邊黏合，則其包含該線柵偏振板的中央區域可能包含 一空氣介面。無論如何，每片板皆係實質上與該線栅偏振 1223721

⑹ 板的兩側分別接觸。此二片板最好在其一主要表面或兩側 主要表面上採用抗反射塗料，以使其傳送光線進入、離開 與在該偏振分光器當中時的傳送損失降至最低。

所選擇的透明板需相對較薄，最好小於5亳米。這些板子 的厚度最好介於0.5與2·5亳米之間，一般Μ亳米或2亳米。 使用依據本發明的偏振分光器，選擇如此薄的板可使該偏 振分光器之透明材料内部的光學路徑長度明顯縮減.，故散 光與應力致生雙折射作用變小，造成系統效能的改善，特 別能產生較高的對比，尤其在高亮度系統中為然。 同時，該調制裝置最好亦能包含一光學元件組態（未顯示） ，以補償輸出光束（〇)中由透明板產生的像散。該組態可包 含在該輸出透鏡中的一軸向偏移球面透鏡元件，及/或光學 厚度等於透明板中結合的光學路徑長度的一板，以一傾斜 角度配置於光學路徑中，以提供相反於透明板所造成的像 散量。 應注思，使用線棚偏振板有一項好處，即任何碎基液曰 (LCOS)板皆不需斜角補償相位延遲板。 雖然在圖中所示的具體實施例中，所有四個偏振分光器 皆係依據本發明之一項具體實施例所配置，但在_替代性 配置中，該調制裝置亦可包含一或多個他種習知類型的偏 振分光器。例如：可將該第一偏振分光器4及/或該第三偏 振分光器1〇替換成習知的方塊型偏振分光器。該第二偏振 分光器及該第四偏振分光器亦可分別由一習知的方塊型偏 振分光器所取代。然而，若欲使用此種分光器，則可能必 -11 - 1223721

⑺ 須在接受通過該方塊型分光器的輻射之每一石夕基液晶 (lcos)板之前，使用一或多個斜角補償相位延遲板。另外 了讓該第二偏振分光器1 〇由能傳送綠色光組件並反射藍 色與紅色光組件的一二色性分光器取代。

在以上每一項替代性具體實施例中應明瞭，使用依據本 發明之此項具體貫施例的偏振分光器，即可確保由不同組 件產生的光學路徑長度與像散，在經過每一偏振分·光器處

理之後皆會相等。然而，並非全部四個分光器皆須在其偏 振板兩側包含平面對稱式透明板。例如··若第一偏振分光 器4的後側板係非平面配置，如此前後板間的不對稱配置可 由該第二偏振分光器6之後側板中導入一類似之非平面性 加以補償，在此狀況中，個別光束之相關部件中的所有光 學組件皆穿過相同的光學路徑長度，並歷經相同程度的散 光以結合形成輸出光束。此係因為所有組件皆僅穿過所討 論的板子一次，具體而言，即其次數相同。在第四分光器 的狀況中，此種不對稱狀況卻無法以類似方式補償，因儘 管紅色光束僅穿過該後側板一次，但藍色光束卻穿過它兩 次，然後這些光束會在該分光器中結合。然而，視乎所要 求的影像品質，仍可接受些微程度的不對稱。甚至，小量 的不對稱還略有好處。在-項替代性具體實施例中，兩側 板可以-非平行配置安裝，以作為該線柵偏振板之基板 的一塊板係以相對於光學軸45。方向配置，而另一塊分離板 子的配置則係使其外部表面與之保持_小角度，諸如小於 或小於5。尤佳。如此配置，即可藉折射該第一表面反 -12- 1223721 ⑻ mmm： 射使之偏離主要光學光束路徑，而提升輸出光束的對比， 奴達到類似的作用，亦可至少在其中一塊板子的斷面中導 入一小量斜度，使其外部表面以一相同小角度偏離與光學 軸的45夾角，同時該線栅偏振板則保持其4尸方向的配 置。 在上述配置中，有一第一板配置於該線栅偏振板附近並 與之實質上整個一侧接觸，而另一透明板則亦係配·置於該 線栅偏振板附近並與之實質上整個另一侧接觸。其作用係 提供該偏振板均-且持久的平坦表面。此種作用尤其在關 於第三偏振分光器1〇與第四偏振分光器16時特別有用，此 一者皆係於輻射成像於一矽基液晶（LC〇s)板之後將其反 射者，故此二反射表面的平坦度尤其重要。 雖然該二透明板最好為平坦者，但其中之一板或各塊板 亦可包含某種程度的非平面性。具體而言，這（些）塊板子 的外部表面亦可並非完全平行於該板的中央平面。其非平 面性可以如上述的一斜角方式表現及/或以其表面的透鏡 形狀表現。這些板子最好能維持大體的平坦性，其整塊板 子的厚度變異僅限於該板寬度的十分之一以下，以達成提 昇輸出光束之對比的作用。 雖然最好能使兩塊透明板的厚度（或在非平面狀況中則 為平均厚度）大體相等，但若在該輻射光束的個別組件部份 中配置了（例如）不同的其他補償性光學元件，亦可採用實 質上不同的厚度，諸如1〇0%的差異值。然而，當輻射光束 之每-光學路徑中含有類似光學組件時，則最好使每一塊 -13- 1223721

板子的厚度實質上相等，亦即各板間的厚度差異小於10〇/o ，以小於5%尤佳。 在上述各項具體實施例中，該偏振分光器的偏振作用完 全疋由該線柵偏振板本身所提供者。換言之，該偏振板兩 側的板子本身並無偏振作用。然而，若需要時，這些板子 亦可具有某些偏振作用。然而，該分光器實質上所有的偏

振作用（亦即至少90〇/〇的偏振作用）最好皆係由該偏.振板所 提供，以形成一有效的平面，使該分光器的大部份反射由 此平面中產生，從而使該系統獲得較佳的對比。 應明瞭，上述具體實施例為本發明之說明性範例。本發 月之其他具體實施例亦經考慮。例如：亦可將類似上述之 配置運用於彩色攝影機的轄射處理裝置中，並將其轄射調 :裔以諸如電荷耦合裝置(CCD)之類的輻射偵測器取代。 :月瞭有關項具體實施例所描述的任何特點，亦皆可 ^其餘具體實施射。另外，亦可制未於上文中說 明的等效物件與修改事頊 °

中定美“双 偏離隨附申請專利範圍 T疋義的本發明之範疇。 圖式簡單說明 項具體實施例的彩色視訊投影 附圖顯示根據本發明之 裝置之規劃原理圖。 圖式代表符號說明 綠色/洋紅色相位延遲板 偏振分光器 偏振分光器 輻射處理部件 -14- 1223721 (ίο) 10 偏振分光器 12 綠色/洋紅色相位延遲板 14 紅色/藍色相位延遲板 16 偏振分光器 18 輻射處理部件 20 輻射處理部件 22 紅色/藍色相位延遲板 I 輸入光束 〇 輸出光束 誦咖

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Claims (1)

1. 拾、申請專利範圍 1· 一種用於處理輻射之光學裝置，該裝置包括一偏振分光 态以及配置成用以分別處理不同輻射組件之特性的複 數個輻，射處理部件，其中該偏振分光器包括具有第一與 第二側的一選擇性反射偏振板、配置於該偏振板之一側 附近的一第一透明板以及配置於該偏振板之另一側附 近的一第二透明板，其中大體該分光器的所有偏振作用 皆係由該選擇性反射偏振板所提供。 2·如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該第一與第二 板皆為實質上平坦者。 3·如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該第一與第 二板之光學厚度輪廓係大體相等。 4.如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該每一板皆 係由大體相同的材料所製造。 5·如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該選擇性反 射偏振板包括一線柵偏振板^ 6·如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該分光器係 配置成用以一大體等於45。之入射角接收一入射光。 7.如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該偏振分光 器係配置成用以接收一第一組件光束、至少將該第一組 件光束之部份朝一第一處理部件反射，以及讓反射自該 第一處理部件的反射光束之大部份透射。 8·如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該偏振 分光器係配置成用以接收一輸入光束，並將該輸入分光

   成不同的組件光束。 9·如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該偏振分光 器係配置成用以接收不同組件光束，並結合各組件光束 以形成一輸出光束。 10·如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該第一與第 二元件在其外部表面配置上有一角度差異。 U·如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該裝置包括 一第二偏振分光器（其包括具有第一與第二側的一第二 選擇性反射偏振板）、配置於該第二偏振板之一側附近的 第一透明板以及配置於另一側附近的一第四透明板 ’其中實質上該第二分光器的所有偏振作用皆係由該第 二選擇性反射偏振板所提供。 12·如申請專利範圍第丨丨項之光學裝置，其中該第一、第二 、第三與第四板之光學厚度輪廓係實質上相等。 13·如申請專利範圍第7項之光學裝置，其中該第二偏振分 光器係配置成用以接收一第二組件光束、至少將該第二 組件光束之部份朝一第二處理部件反射，以及讓接收自 该第二處理部件的反射光束之大部份透射。 14·如:請專利範圍第8項之光學裝置，其中該第二偏振分 光器係配置成用以接收不同組件光束，並結合各組件光 束以形成一輸出光束。 15·如中請專利範圍第U項之光學裝置，進_步包括第三與 :四分光器，該第一、第二、第三與第四分光器係以實 貝上。玄裝置所處理光束之光學路徑成45。的角度配置 1223721

   16. 17. 18. 19. 20. 21. ’並係實質上與相鄰分光器成90。的間隔配置。 如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，其中該輻射處理 部件包括矽基液晶（LCOS)輻射調制板。 · 如申請專利範圍第1或2項之光學裝置，進一步包括一光 · 學組件’其組態係用以補償該透明板所引起的像差。 一種偏振分光器，其包括具有實質上平坦的第一與第二 側的一平坦的反射式偏振板、配置於該偏振板之一側附 近的一第一透明板以及配置於其另一側的一第二透明 · 板，其中該分光器實質上所有的偏振作用皆係由該平坦 的反射式偏振板所產生。 如申請專利範圍第18項之偏振分光器，其中該第一與第 二板皆係實質上平坦，並具有實質上相等之厚度。 如申請專利範圍第18或19項之偏振分光器，其中該偏振 板為一線柵偏振板。 一種用於處理輻射之光學裝置，該裝置包括一偏振分光 器以及配置成用以分別處理不同輻射組件之特性的複 數個輻射處理部件，其中該偏振分光器包括具有第一與 · 第二側的一線栅偏振板、配置於該第一側附近並係實質 上與該線栅偏振板的整個第一側接觸的一第一透明元 件，以及配置於該第二側附近並係實質上與該線栅偏振 板的整個該第二側接觸的一第二透明元件。