TWI236291B - Color projection system - Google Patents

Description

1236291 五、發明說明（1) 一、【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種彩色投影系統，尤有關一種使用雙 液晶光閥（liquid crystal light valve ;LCLV)之彩色投 影系統。 一、【先前技術】 習知之彩色投影系統原先設計為具有三個液晶光閥或 空間光調制器（spatial light modulators)，以分別對應 分光後之紅光（R)、綠光（G)及藍光（B)三原色。其後，為 達到降低成本同時簡化投影顯示器架構之目的，發展出藉 由二原色分時控制的方式而僅需單一液晶光閥或空間光調 制器之設計。然而，該設計雖能有效降低成本，但如此空 間光調制器需以至少1 80Hz的高速率依序切換三個色彩， 當顯示移動之物體時於其邊緣容易產生色彩分離的現象； 且因同一時間只能運用到1/3的光束（紅光、藍光或綠光） 而導致顯示亮度大幅減低。 因此’為能達到降低成本目的同時避免上述問題，發 展出具有兩個液晶光閥或空間光調制器之投影顯示器設 計。圖5顯示公告美國專利5 5 1 7 3 4 0號之一彩色投影裝置 1 00設計。如圖5所示，該設計包含一其上形成有分別為s 偏態及P偏態之紅光（R)、綠光（G)及藍光（B)濾光區之色輪 (color wheel) 102，當色輪102轉動時，依序通過相鄰濾 光區之不同偏態光可交替照明兩個配置於偏極分光稜鏡 (polarizing beam splitter cube) 108 側之反射式液晶

1236291 五、發明說明（2) 光閥104及106，經反射式液晶光閥104及106反射後再進入 投影鏡頭110。如此反射式液晶光閥104及106可以90Hz之 較低速率切換而獲得足夠的響應時間，減少單一空間光調 制器設計之無感時間（d e a d -1 i m e)效應影響。然而，該設 計仍只能運用到1/3的光束。 圖6顯示公告美國專利6545804號揭露之另一雙液晶光 閥彩色投影裝置120。如圖6所示，當入射光I進入偏極分 光稜鏡122時，光偏振選擇器124及126可僅改變紅光之偏 態，故紅光經偏極分光稜鏡1 2 2反射後進入液晶光閥1 2 8， 再經液晶光閥128反射後進入投影鏡頭134，而藍光及綠光 則可直接通過偏極分光稜鏡1 22。因此一設計於偏極分光 稜鏡122與液晶光閥130間設置有一顏色控制開關（col〇r switch)132，藉由顏色控制開關132的控制，可使藍光及 綠光輪流通過，通過顏色控制開關丨32之藍光或綠光再經 由偏極分光稜鏡1 2 2反射後進入投影鏡頭1 3 4。然而，此一 设计雖能提咼光線之利用效率，但因顏色控制開關1 3 2之 鍍膜易受溫度變化影響，故包含顏色控制開關丨3 2此一構 件之彩色投影裝置，其所能接受之輸入光通量會受到限 制0 三、【發明内容】 因此’本發明之目的在提供一種具有雙液晶光閥之彩 色投影糸統，其能避免前述習知設計之問題。 依本發明之設計，一種彩色投影系統包含一光源、一

1236291 ΐ、發明說明（3) ' · " ' 偏態轉換裝置、一色輪、一分色裝置及二液晶光閥。偏熊 轉換裝置偏極化來自光源之入射光束，且其上間隔形成^ 色濾光區及紫紅色濾光區之色輪交替濾除入射光束 及綠光。分色裝置包含雙色分光元件、第一光偏振選g器 及第二光偏振選擇器，其接收通過偏態轉換裝置及色輪^ 入射光束以使綠光及藍光交替進入第一液晶光閥且使紅光 進入第二液晶光閥。 藉由本發明之設計，可提高光線之利用效率且不再需 要=色控制開關此一構件，故能容忍較高的輸入光通量而 獲得進一步提高顯示亮度的效果，同時本發明採用色輪之 設計其效能不會受溫度變化影響。 明 再者，本發明設計使不論光束通過色輪上之黃色渡光 區或紫紅色濾光區，透過之光束均包含紅光分量，故可自 動補償較弱之紅光分量，而不需藉由減少綠光責任週期方 式來校正白平衡，而可獲得一較佳之視覺亮度。 四、【實施方式】 圖1為一示意圖，顯示依本發明一實施例之彩色投影 系統1 0。如圖1所示，該彩色投影系統丨0包含光源丨2、色 輪（color Wheel)14、偏態轉換裝置（p〇iarizati〇n conversion device)16、投射光件（illumination 〇ptics)18、分色裝置（color splitting device)20、第 一及第二液晶光閥（liquid crystal light valve ;LCLV) 22、24及投影鏡頭26。分色裝置20包含一雙色分光元件

1236291 五、發明說明（4) (dichroic element)、第一及第二偏光板 (polarizer) 20 2、203、第一及第二光偏振選擇器 (colorselect)204、205、及第一及第二 1/4 波板 206、 2 0 7。依本實施例，雙色分光元件係為一偏極分光稜鏡 (polarized beam splitter cube)201，且各構件大致以 偏極分光稜鏡2 0 1為中心呈十字排列，亦即由下而上的排 列依序為第一液晶光閥22、第一1/4波板206、偏極分光稜 鏡2 01之一第一分光側、偏極分光稜鏡2 〇 1之一出光側、第 二光偏振選擇器205、第二偏光板203及投影鏡頭26 ;由左 而右的排列依序為第一偏光板202、第一光偏振選擇器 2 0 4、偏極分光稜鏡2 〇 1之一入光側、偏極分光稜鏡2 〇 1之 一第二分光側、第二1/4波板20 7及第二液晶光閥24。該液 晶光閥例如可為一反射式矽基液晶（liquid crystal on si 1 icon ; LC0S)面板。 色輪1 4係藉由例如馬達2 8之驅動裝置而轉動，依本實 施例之設計’色輪14上形成有間隔分布之黃色（ye 1 low)濾 光區（Y)及紫紅色（magenta)濾光區（M)，黃色濾光區係 由可讓藍光反射而其餘光線穿透之濾光片所構成；紫紅色 濾光區（Μ)係由可讓綠光反射而其餘光線穿透之濾光片所 構成。黃色濾光區（Υ)及紫紅色（Μ)濾光區僅需於色輪丨4上 交替出現即可，其分布方式並不限定，例如圖2所示之（a) 二對黃色濾光區（Y)及紫紅色（M)濾光區交替分佈於四個均 等區域、（b)三對黃色濾光區（γ)及紫紅色（M)濾光區交替 分布於六個均等區域、或黃色濾光區（γ)、紫紅色（M)

1236291 五、發明說明（5) 濾光區及增加亮度之白光穿透區（W)交替分布等方式均 〇 請參考圖1，偏態轉換裝置1 6用以偏極化光源1 2發出 之光線，例如可將入射光束轉換為具S偏態之偏光後再進 入分色裝置20。投射光件18用以於液晶光閥22及24上形成 適當的投射區域，例如可由一透鏡組來構成。 如下以圖3A及圖3B說明本發明彩色投影系統之分光原 理。因色輪1 4上形成有間隔分布之黃色濾光區（γ )及紫紅 色濾光區（M)，當色輪14轉動時，由光源12發出之光束可 輪流通過黃色濾光區（Y)及紫紅色濾光區“），且經由偏態 轉換裝置1 6偏極化並通過投射光件1 8後，進入分色裝置 20 ^ 圖3A顯示光線通過黃色濾光區（γ)後之光路設計。如 圖3A所示，當光線入射至黃色濾光區（γ)時，藍光會被反 射而其餘色光即紅光及綠光可穿透，因此，於經過偏態轉 換裝置16偏極化轉換為例如s偏態後，s偏態之紅光（RS)及 綠光（GS)即進入分色裝置20中。接著，s偏態之紅光（RS) 及綠光（GS)首先遭遇第一偏光板2〇2及光偏振選擇器204。 於此實施例中，光偏振選擇器係採用colorlink公司製造 之紅/青綠光偏振選擇器（Red/Cyan colorselect)，其 能僅改變紅光之偏態，而將S偏態之黃光（rS + gs)轉換為p 偏態之紅光（RP)及S偏態之綠光（GS)的組合。因偏極分光 稜鏡201其鍍膜設計為反射S偏態光並令p偏態光通過，故p 偏態紅光（RP)可直接通過偏極分光稜鏡2〇1並抵達液晶光

第10頁 1236291 五、發明說明（6) 閥24 ’同時S偏態綠光（GS)由偏極分光稜鏡201反射至液 晶光閥2 2。當液晶光閥於開啟狀態（〇 n s t a t e)時，可調制 進入其中之光束並將其反射同時改變其偏態。因此，經液 晶光閥2 4反射並轉換為s偏態之紅光（R S )進入偏極分光稜 鏡201，再經偏極分光稜鏡201反射至光偏振選擇器2〇5使 紅光之偏態再次改變，最後P偏態紅光（RP)通過第二偏光 板2 03後進入投影鏡頭26。另一方面，S偏態綠光（GS)經 液晶光閥2 2調制並反射後轉換為P偏態綠光（(jp )，故可直 接穿透偏極分光稜鏡2 0 1接著通過光偏振選擇器2 〇 5，此時 通過光偏振選擇器2 0 5之綠光偏態不會改變，故p偏態之綠 光（GP)通過第二偏光板2〇3後進入投影鏡頭26。 圖3B顯示光線通過紫紅色濾光區後之光路設計。 如圖3B所示，當光線入射至紫紅色濾光區（M)時，綠光會 被反射而其餘色光即紅光及藍光可穿透，因此，於經過偏 怨轉換裝置1 6偏極化轉換為例如S偏態後，s偏態之紅光 (RS)及藍光（BS)即進入分色裝置20中。因s偏態之紅光 (RS)及藍光（GB)進入分色裝置2〇後之分光流程與圖3八相 同’僅需將綠光（G)以藍光（B )取代即可，故於此不予贅 述。 再者，本發明設計使光束進入分色裝置2 〇時先通過第 一偏光板202，且於分光後之光束離開分色裝置2〇進入投 景’鏡頭2 6前通過第二偏光板2 〇 3，係用以使該光束之偏態 更為純化。 又，如圖1所示，第一及第二1/4波板2〇6、207分別配

1236291 五、發明說明（7) 置於偏極分光稜鏡20 1與液晶光閥22、24間，可用以增加 投影後之畫面對比度。 藉由本發明之設計，可提高光線之利用效率且不再需 要顏色控制開關（color switch)此一構件，故能容忍較高 的輸入光通量，獲得進一步提高顯示亮度的效果，同時本 發明採用色輪之設計其效能不會受溫度變化影響。 再者，一般投影系統之光源常採用一超高壓水銀燈 (Ultra high pressure mercury lamp)，然而此類燈源發 出之光線中，紅光分量遠比藍、綠光分量為低。為解決紅 光輸出較低的問題，習知做法是於液晶光閥控制過程中， 增加紅光之責任週期（duty cycle)並減少綠光及藍光之責 任，期以獲得一校正之白平衡效果。然而，因視覺所感知 之凴度主要為綠光所貢獻，故此一做法會降 度。藉由本發明之設計，不論光束通過色輪上之 區（Υ)或紫紅色濾光區（Μ)，透過光束均包含紅光分量，故 該設計本身即可自動補償較弱之紅光分量，而不需藉由減 少，光責任週期方式來校正白平衡，而可獲得一較^之視 覺亮度。 圖4顯不本發明之另一實施例。本發明所採用之 振選擇器僅需達到改變紅光偏態的作用即可，其構成並不 限定。例如亦可讓光線依序通過一藍/黃光偏振選擇器， =Lue/Ye!l°w⑶1。—）及—綠/紫紅光偏振選擇 态 210(Green/Magenta c〇l〇rselect)，同樣能達到僅改變 紅光偏態的效果。再者，本發明所採用之雙色分光元件， 1236291 五、發明說明（8) 僅需能達成讓不同偏態之光束反射或穿透的效果即可，並 不限定為一偏極分光棱鏡2 0 1，舉例而言’亦可採用圖*所 示之一偏極分光板，例如Moxtek公司製造之網點偏極分光 器（wire-grid polarizer)208 ° 以上所述僅為舉例性，而非為限制 本發明之精神與範疇，而對其進行之等考。任何未脫離 應包含於後附之申請專利範圍中。 修改或變更’均

1236291 圖式簡單說明 五、【圖式之簡單說明】 系統圖1為一示意圖’顯示依本發明一實施例之彩色投影 圖2(a)、（b)、（c)為一示意圖，顯示本發明 不同濾光區之分布方式。 < &輪八 顯示光線通過黃色濾光 顯示光線通過紫紅色濾 圖3 A為依本發明之一實施例 區（Y)後之光路設計之示意圖。 圖3B為依本發明之一實施例 光區（M)後之光路設計之示意圖· 圖4為顯不本發明另一實施例之示意圖。 圖5為一示意圖，顯示公告美國專利55 1 734 〇號之一彩 色投影裝置設計。 圖6為一不意圖，顯示公告美國專利65458〇4號揭露之 另一雙液晶光閥彩色投影裝置。 元件符號說明： 10 彩 色 投 影 系 統 12 光 源 14 色 輪 16 偏 態 轉 換 裝 置 18 投 射 光 件 20 分 色 裝 置 22 第 液 晶 光 閥 24 第 二 液 晶 光 閥

第14頁 1236291 圖式簡單說明 26 投影鏡頭 2 8 馬達 100 彩色投影裝置 102 色輪 104、106 反射式液晶光閥 10 8 偏極分光棱鏡 110 投影鏡頭 120 彩色投影裝置 12 2 偏極分光棱鏡 124、126 光偏振選擇器 128 第一液晶光閥 130 第二液晶光閥 132 顏色控制開關 134 投影鏡頭 2 01 偏極分光棱鏡 202 第一偏光板 203 第二偏光板 204 第一光偏振選擇器 205 第二光偏振選擇器 206 第一 1/4波板 207 第二1/4波板 208 網點偏極分光器 209 藍/黃光偏振選擇器 210 綠/紫紅光偏振選擇器

Claims (1)

1236291 六、申請專利範圍 1. 一種彩色投影系統，包含： 一光源，產生包含一第一色光、一第二色光及一第三 色光之一光束； 一色輪（color wheel)，間隔形成至少一第一遽光區 及第二濾光區，且該第一濾光區與該第二濾光區交替置於 該光束之一行進光路以輪流濾除該光束之該第二色光與該 第三色光； 一偏態轉換裝置（polarization conversion d e v i c e )，偏極化該光束； 一分色裝置（color splitting device)，接收通過該 色輪及該偏態轉換裝置之該光束，該分色裝置包含： 一雙色分光元件（dichroic element)，具有一入光 側、一第一分光側、一第二分光側及一出光側，該光束經 由該入光側進入該雙色分光元件且分光後之各該色光經由 該出光側進入一投影鏡頭； 一第一光偏振選擇器（colorselect)，置於該雙 色分光元件之該入光側；及 一第二光偏振選擇器，置於該雙色分光元件之該 出光側；及 第 及第一液晶光閥（liquid crystal light valve)，分別置於該第一及該第二分光側； 其中该色輪濾除該第二色光時，該第三色光經由該雙 色分光兀件之該第一分光側進入該第一液晶光閥且該第一 色光經由邊第二分光側進入該第二液晶光閥；該色輪濾除

1236291 六、申請專利範圍 該第三色光時，該第二色光經由該雙色分光元件之該第一 分光側進入該第一液晶光閥且該第一色光經由該第二分光 側進入該第二液晶光閥。 2·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，更包含一 投射光件設置於該偏態轉換裝置與該分色裝置間。 3 ·如申請專利範圍第2項之彩色投影系統，其中該投 射光件係為一透鏡組。 4.如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該分 色裝置更包含一第一偏光板設置於該偏態轉換裝置與該第 一光偏振選擇器間，及一第二偏光板設置於該第二光偏振 選擇器與該投影鏡頭間。 5 ·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該分 色裝置更包含一第一 1/4波板設置於該雙色分光元件與該 第一液晶光閥間，及一第二1/4波板設置於該雙色分光元 件與該第二液晶光閥間。 6·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該雙 色分光元件係為一偏極分光棱鏡（p〇larizecj beam splitter cube) 〇 7·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該雙 色分光元件係為一網點偏極分光器（wire-grid polarizer) 〇 8·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該液 晶光閥係為一反射式矽基液晶面板。 9·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該光

第17頁 1236291 六、申請專利範圍 偏振選擇器係為一紅/青綠光偏振選擇器（Red/Cyan co 1 orse1ect ) 〇 1 0 ·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該 光偏振選擇器係為一藍/黃光偏振選擇器（Blue/Yell〇w colorselect)及一綠/紫紅光偏振選擇器（Green/Magenta colorselect)之組合 〇 11·如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該 色輪上更形成有一白光穿透區。 、* 12.如申請專利範圍第1項之彩色投影系統，其中該 光源係為一超高壓水銀燈（ultra high pressure mercury lamp) 〇 13· 一種彩色投影系統，包含： 一光源’產生一包含紅光、綠光及藍光分量之光束； 一色輪’間隔形成至少一黃色濾光區及一紫紅色濾光 區’且該黃色濾光區及該紫紅色濾光區交替置於該光束之 一行進光路以輪流濾除該光束之該藍光與該綠光分量； 一偏態轉換裝置，置於該光束之該行進光路以將其轉 換為具一第一偏態之光束； 一分色裝置，接收通過該色輪及該偏態轉換裝置之該 光束，該分色裝置包含： 一雙色分光元件，具有一入光側、一第一分光 側、一第二分光侧及一出光側，該光束經由該入光側進入 該雙色分光元件且分光後之該紅光、綠光及藍光分量經由 該出光側進入一投影鏡頭；

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六、申請專利範圍 一第一光偏振選擇器，設置於該雙色八一 該偏態轉換裝置間，以將該光束之該紅光分：：件與 態轉換為一第二偏態；及 里由叇弟—偏 元件與 偏態轉 ^ 一第二光偏振選擇器，設置於該雙色分光 忒投影鏡頭間，以將該光束之該紅光分量由該 — 換為一第二偏態；及 μ — 光側 一第一及第一液晶光閥，分別置於該第一及兮一 ； μ弟二分 一 其中當該光束通過該黃色濾光區時，經由該 =件之該第一分光側進入該第一液晶光閥係為I誃^光 恕之該綠光分量，且經由該第二分光側進入令第:、一偏 閥係為具該紅光分量光 色濾、光區時’經由該雙色分光元件之該第—分則、=、紅 第一液晶光閥係為具該第一偏態之該藍光分量，，=入該 第二分光側進入該第二液晶光閥係為具該第二二，忒 光分量。 一偈I、之戎紅 14·如申請專利範圍第1 3項之彩色投影系統，更勹人 一投射光件设置於該偏態轉換裝置與該分色裝置間。 15. 如申請專利範圍第14項之彩色投影系< 統I其中該 投射光件係為一透鏡組。 Λ 16. 如申請專利範圍第13項之彩色投影系統，其中該 分色裝置更包含一第一偏光板設置於該偏態轉換裝置與該 第一光偏振選擇器間，及一第二偏光板設置於該第二光偏 振選擇器與該投影鏡頭間。

1236291 六、申請專利範圍 17·如申請專利範圍第丨3項之彩色投影系統，其中該 分，裝置更包含一第一 1/4波板設置於該雙色分光元件與 該第一液晶光閥間，及—第二2 /4波板設置於該雙色分光 元件與5亥第一液晶光閥間。 18.如申請專利範圍第丨3項之彩色投影系統，其中該 雙色分光元件係為一偏極分光棱鏡。 19·如申凊專利範圍第1 3項之彩色投影系統，1中 雙色分光元件係為一網點偏極分光器。 液晶光閥係為一反射式i i液i ί 其中該 其中該 光偏=.、里2請專利範圍第13項之彩色投影系統 &擇器係為一紅/青綠光偏振選擇器。 光偏振選利範圍第13項之彩色投影系統，其h 振，為-藍/黃光偏振選擇器及-綠/紫紅:；； 色輪二更形成有一白光穿透區。 予、、先，其中驾 光源2:為範圍第13項之彩色投影系統，其中 〇 超鬲壓水銀燈。 "Τ #

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