TWI480663B - 投影機 - Google Patents

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TWI480663B TW101123212A TW101123212A TWI480663B TW I480663 B TWI480663 B TW I480663B TW 101123212 A TW101123212 A TW 101123212A TW 101123212 A TW101123212 A TW 101123212A TW I480663 B TWI480663 B TW I480663B
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Yun Yi Lin
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Asia Optical Co Inc
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Description

投影機
本發明係有關於一種投影機，特別是有關於一種具有偏振光回收系統之投影機，以改善偏振光使用效率偏低的問題，使其偏振光利用效率提升。
有些投影機(例如LCOS投影機)的光機系統中包含液晶面板，因為液晶面板只能利用線性偏振光，所以此類型的投影機都必須將內部光源所產生的非偏振光先轉換成單一的線性偏振光，才能被液晶面板所利用。但是光由非偏振態轉變為線性偏振態時，約有一半的能量損失，只剩一半能量的光(線性偏振光)才能被液晶面板利用。為了使更多能量的光被轉變成可被液晶面板利用的單一線性偏振光，於是發展出偏振光轉換器，將原本無法利用的光也轉變成可利用的線性偏振光。
如第1圖所示，習知的偏振光轉換器10是由數條帶狀的偏振分光鏡102以及相位波長板(Retarder)103所組成。當一非偏振光U101 射向偏振光轉換器10時，其中50%的第一S偏振光S104 將被偏振分光鏡102反射，而另50%的第一P偏振光P105 將直接穿透偏振分光鏡102，被反射的第一S偏振光S104 再經過一次反射後通 過偏振光轉換器10，穿透的第一P偏振光P105 再通過相位波長板103，則大部份被轉變成第二S偏振光S106 以及少部份未轉變的第二P偏振光P107 。是以可知，偏振光轉換器10將原本無法利用的線性偏振光P105 也轉變成可利用的線性偏振光S106 ，此習知的偏振光轉換器10可有效提升光源的偏振光轉換效率，但是仍有少部份能量的線性偏振光P107 未能轉換成可利用的線性偏振光。
本發明為了解決上述問題而提供一種投影機，在不提高投影機光源輸出功率規格、數量以及光機容積情況下，仍可更進一步提升光源的偏振光轉換效率，進而達到提高投影機亮度及對比等系統性能。
本發明之投影機包括一收光系統、一偏振光轉換器、一反射式偏光片、一液晶面板以及一投影鏡頭。收光系統係用於產生一非偏振光，此非偏振光包括一第一S偏振光以及一第一P偏振光。偏振光轉換器係用於接收非偏振光，使第一S偏振光通過，而大部份第一P偏振光通過後則轉變成一第二S偏振光，少部份第一P偏振光則直接通過偏振光轉換器。反射式偏光片係用於讓第一S偏振光以及第二S偏振光通過，並將第一P 偏振光反射回到偏振光轉換器。液晶面板係用於將圖像信息加入第一S偏振光以及第二S偏振光，而得到一出射光。投影鏡頭係用於將出射光投射出去。
本發明之投影機可更包括一陣列透鏡，將收光系統產生之非偏振光先均勻分散，然後才由偏振光轉換器接收。
其中陣列透鏡包括3×5個(含)以上的球面或非球面的微小雙凸透鏡。
其中偏振光轉換器包括複數條帶狀的偏振分光鏡以及相位波長板，偏振分光鏡的厚度以及相位波長板之間距大致上均為微小雙凸透鏡長邊的一半。
其中偏振光轉換器係設置於陣列透鏡之焦距處。
本發明之投影機可更包括一偏振分光鏡，此偏振分光鏡與反射式偏光片大致上平行，將通過反射式偏光片之第一S偏振光以及第二S偏振光引導至液晶面板。
本發明之投影機可更包括一聚光透鏡，將經由偏振光轉換器產生之第一S偏振光以及第二S偏振光匯聚。
其中上述聚光透鏡與反射式偏光片大致上平行，且第一S偏振光以及第二S偏振光先經過反射式偏光片，然後再通過聚光透鏡。
其中上述反射式偏光片與偏振光轉換器大致上平 行。
本發明之投影機可更包括一反射鏡，用於改變經由偏振光轉換器產生之第一S偏振光以及第二S偏振光的行進方向，且第一S偏振光以及第二S偏振光先經過反射式偏光片，然後才到達反射鏡。
為使本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。
請參閱第2圖，第2圖用於說明本發明投影機將偏振光回收轉化再利用之主要元件及其操作原理。如圖所示，本發明投影機包括一陣列透鏡202、一偏振光轉換器203以及一反射式偏光片204。偏振光轉換器203包括一偏振分光鏡2031以及一相位波長板2032。當一非偏振光U201 經由陣列透鏡202聚焦然後通過偏振分光鏡2031時，會將50%的一第一S偏振光S2011 反射，另50%的一第一P偏振光P2012 直接穿透，被反射的第一S偏振光S2011 再經過一次反射後直接穿出偏振光轉換器203，而穿透的第一P偏振光P2012 通過相位波長板2032，則大部份被轉變成一第二S偏振光S2013 以及少部份未轉變的一第二P偏振光P2014 。第一S偏振光S2011 、第二S偏振光S2013 以及第二P偏振光P2014 繼續 射向反射式偏光片204，其中第一S偏振光S2011 以及第二S偏振光S2013 可以直接通過反射式偏光片204，第二P偏振光P2014 則將被反射式偏光片204反射回偏振光轉換器203，再一次轉化出S偏振光加以利用。詳言之，第二P偏振光P2014 經偏振光轉換器203作用後大部份轉變成一第三S偏振光S2015 以及少部份未轉變的一第三P偏振光P2016 ，第三S偏振光S2015 可直接通過反射式偏光片204而加以利用，第三P偏振光P2016 則將被反射式偏光片204反射回偏振光轉換器203再進一步轉化，如此反復循環不斷，即可將原本無法利用的偏振光P2014 、P2016 ...回收再轉變成可利用的偏振光，提升偏振光轉換效率。
在實際操作中，反射式偏光片204無法百分之百反射P偏振光P2014 、P2016 ...，一定會有少許損失。然為了避免說明以及標示過於複雜，在不致於引起誤解的前提下，此處將不特別強調反射前、後P偏振光的差異。所以在第2圖中，第二P偏振光P2014 在經過反射式偏光片204反射後，仍維持命名為第二P偏振光P2014 ，第三P偏振光P2016 在經過反射式偏光片204反射後，仍維持命名為第三P偏振光P2016 ，而底下命名原則亦採用相同的方式，並且省略說明其間的差異。同樣的，第一、二、三S偏振光S2011 、S2013 、S2015 ...亦無法百分 之百穿透反射式偏光片204，一定會有少許損失。然為了避免說明以及標示過於複雜，因此穿透前、後的第一、二、三S偏振光S2011 、S2013 、S2015 ...仍維持相同的命名。
現更進一步說明反射式偏光片的構造及原理：反射式偏光片的功能為只讓特定偏振方向的光穿透，並且反射另一特定偏振方向的光，其中穿透光與反射光的偏振方向互相垂直。目前反射式偏光片大概有兩種，第一種反射式偏光片簡稱為DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)。另一種為金屬線柵(Wire Grid)式反射式偏光片，底下分別介紹這二種反射式偏光片的構造及原理，然而可以了解到，本發明並不限於使用此二種反射式偏光片。
DBEF反射式偏光片是由兩種不同的雙折射聚合物(Birefringent Polymer)材料交互堆積而成，其堆積層數可達到400~800層。請參閱第3A圖所示之DBEF反射式偏光片之結構示意圖，製作時需先將雙折射聚合物A與雙折射聚合物B壓出成型，成型的同時Y軸方向需拉伸，X軸方向不需拉伸，再將雙折射聚合物A與雙折射聚合物B交互黏貼形成多層堆積結構。
第3B圖為雙折射聚合物A之折射率分佈圖。其X軸方向折射率為no A ，Y軸方向折射率為ne A ，且no A ≠ne A 。
第3C圖為雙折射聚合物B之折射率分佈圖。其X軸方向折射率為no B ，Y軸方向折射率為ne B ，且no A =no B 以及ne A >ne B 。
第3D圖為偏振方向為X方向之偏振光射向DBEF反射式偏光片之示意圖。因為折射率no B =no A ，所以入射光(偏振方向為X方向之偏振光)I將直接通過DBEF反射式偏光片。
第3E圖為偏振方向為Y方向之偏振光射向DBEF反射式偏光片之示意圖。其中折射率ne A >ne B ，此入射光(偏振方向為Y方向之偏振光)I將經過由高、低折射率物質反覆堆積形成的多層膜材料，因為層與層之間的折射率差異，光束通過每一層介面時將產生穿透與反射，當經過數百層介面後，幾乎沒有穿透光只有反射光，最後經由所有介面反射的光再互相干涉形成一束反射光(偏振方向為Y方向之偏振光)R，所以偏振方向為Y方向之偏振光將被DBEF反射式偏光片直接反射。
第4圖為金屬線柵(Wire Grid)式反射式偏光片之結構示意圖，其構造為在透明材質的基板41上鍍上許多互相平行的細金屬線42，金屬線42位於圖中Y軸方向，當一束非偏振光(包含偏振方向為X方向之偏振光N與偏振方向為Y方向之偏振光M)射入金屬線柵式反射式偏光片4時，偏振方向為Y方向之偏振光M無法通過 金屬線柵式反射式偏光片4，將被金屬線柵式反射式偏光片4直接反射。偏振方向為X方向之偏振光N可直接穿透金屬線柵式反射式偏光片4。
金屬線柵式反射式偏光片4的工作原理如下：偏振方向為Y方向之偏振光M的電場方向與金屬線42互相平行，此電場E將驅動金屬線42內導電電子使導電電子在金屬線42內移動產生電流，在金屬線42內加速運動的導電電子將產生電磁輻射往+Z與-Z方向傳播，入射的偏振方向為Y方向之偏振光M將與-Z方向的電磁輻射互相抵消，使得偏振方向為Y方向之偏振光M無法穿透金屬線柵式反射式偏光片4，向+Z方向傳播的電磁輻射就變成反射光，也就是說偏振方向為Y方向之偏振光M將被金屬線柵式反射式偏光片4反射。偏振方向為X方向之偏振光N的電場方向與金屬線42互相垂直，此電場E’所驅動的電子將無法在與金屬線42互相垂直的方向進行遠距離的移動，使得偏振方向為X方向之偏振光N幾乎沒有改變就通過金屬線柵式反射式偏光片4，也就是說偏振方向為X方向之偏振光N可直接穿透金屬線柵式反射式偏光片4。
請再回到第2圖，除了利用反射式偏光片204來回收偏振光外，本發明可進一步配合下列條件來達到更佳效果：首先陣列透鏡202包括3×5個(含)以上球面或 非球面的微小雙凸透鏡，使非偏振光U201 均勻分散。此外，偏振光轉換器203應置於陣列透鏡202之焦距處。再者，若微小雙凸透鏡的長邊為a，則偏振分光鏡2031的厚度以及相位波長板2032之間距均應設定為a/2。
第5圖係依據本發明第一實施例之投影機之示意圖，如圖所示，其具有一收光系統30、一陣列透鏡31、一偏振光轉換器32、一反射鏡33、一聚光透鏡34、一反射式偏光片35、一偏振分光鏡36、一液晶面板37以及一投影鏡頭38。收光系統30係包括一第一光源301、二第二光源302、複數個準直透鏡303、304、305、306以及一光源合成器307。收光系統30用來產生一非偏振光U308 ，非偏振光U308 包括一第一S偏振光S3081 以及一第一P偏振光P3082 。非偏振光U308 經過陣列透鏡31聚焦通過偏振光轉換器32後，將產生第一S偏振光S3081 、一第二S偏振光S3083 以及一第二P偏振光P3084 。第一S偏振光S3081 、第二S偏振光S3083 以及第二P偏振光P3084 經反射鏡33後改變其行進方向而射向聚光透鏡34，再經由聚光透鏡34匯聚至反射式偏光片35，此時第一S偏振光S3081 以及第二S偏振光S3083 將直接通過反射式偏光片35，第二P偏振光P3084 將被反射及引導回到偏振光轉換器32，藉此可再從第二P偏振光P3084 中轉化出第三S偏振光(未圖示)加以利用，如此反復循 環不斷，將可轉化出第四S偏振光、第五S偏振光...，最終得到高純度的S偏振光。
反射式偏光片35放置於偏振分光鏡36前方，且大致上與偏振分光鏡36平行。通過反射式偏光片35的S偏振光(包括圖示的第一S偏振光S3081 、第二S偏振光S3083 以及未圖示的其他S偏振光)經偏振分光鏡36而引導至液晶面板37，並由液晶面板37加入圖像信息，而得到一出射光O3088 ，出射光O3088 再通過投影鏡頭38將出射光O3088 投射出去。
由以上敘述可知，本發明利用反射式偏光片35將原本無法供液晶面板37利用的P偏振光反射回偏振光轉換器32，經進一步轉化後，轉變成可利用的S偏振光，因此得以在不提高投影機光源輸出功率規格、數量以及光機容積情況下，仍可更進一步提升投影機亮度及對比等系統性能。
第6圖係依據本發明第二實施例之投影機之示意圖，其與第一實施例相比較，差異在於將反射式偏光片35置放在聚光透鏡34之前，且大致上平行於聚光透鏡34，用於提早將第二P偏振光P3084 以及之後所有產生的P偏振光反射回偏振光轉換器32，再一次轉化出S偏振光加以利用。
第7圖係依據本發明第三實施例之投影機之示意 圖，其與第一、二實施例相比較，差異在於將反射式偏光片35置放在反射鏡33之前，且大致上平行於偏振光轉換器32，用於提早將第二P偏振光P3084 以及之後所有產生的P偏振光反射回偏振光轉換器32，再一次轉化出S偏振光加以利用。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，仍可作些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧偏振光轉換器
102‧‧‧偏振分光鏡
103‧‧‧相位波長板
202‧‧‧陣列透鏡
203‧‧‧偏振光轉換器
2031‧‧‧偏振分光鏡
2032‧‧‧相位波長板
204‧‧‧反射式偏光片
30‧‧‧收光系統
31‧‧‧陣列透鏡
32‧‧‧偏振光轉換器
33‧‧‧反射鏡
34‧‧‧聚光透鏡
35‧‧‧反射式偏光片
36‧‧‧偏振分光鏡
37‧‧‧液晶面板
38‧‧‧投影鏡頭
301‧‧‧第一光源
302‧‧‧第二光源
303‧‧‧準直透鏡
304‧‧‧準直透鏡
305‧‧‧準直透鏡
306‧‧‧準直透鏡
307‧‧‧光源合成器
4‧‧‧金屬線柵式反射式偏光片
41‧‧‧基板
42‧‧‧金屬線
A‧‧‧雙折射聚合物
B‧‧‧雙折射聚合物
第1圖係習知的偏振光轉換器示意圖。
第2圖用於說明本發明投影機將偏振光回收轉化再利用之主要元件及其操作原理。
第3A圖所示之DBEF反射式偏光片之結構示意圖。
第3B圖為雙折射聚合物A之折射率分佈圖。
第3C圖為雙折射聚合物B之折射率分佈圖。
第3D圖為偏振方向為X方向之偏振光射向DBEF反射式偏光片之示意圖。
第3E圖為偏振方向為Y方向之偏振光射向DBEF反射式偏光片之示意圖。
第4圖為金屬線柵(Wire Grid)式反射式偏光片之結構示意圖。
第5圖係依據本發明第一實施例之投影機之示意圖。
第6圖係依據本發明第二實施例之投影機之示意圖。
第7圖係依據本發明第三實施例之投影機之示意圖。
202‧‧‧陣列透鏡
203‧‧‧偏振光轉換器
2031‧‧‧偏振分光鏡
2032‧‧‧相位波長板
204‧‧‧反射式偏光片

Claims (10)

  1. 一種投影機，包括：一收光系統，產生一非偏振光，該非偏振光包括一第一S偏振光以及一第一P偏振光；一偏振光轉換器，接收該非偏振光，使該第一S偏振光通過，而大部份該第一P偏振光通過後則轉變成一第二S偏振光，少部份該第一P偏振光則直接通過該偏振光轉換器；一反射式偏光片，讓該第一S偏振光以及該第二S偏振光通過，並將該第一P偏振光反射回到該偏振光轉換器；一液晶面板，將圖像信息加入該第一S偏振光以及該第二S偏振光，而得到一出射光；一投影鏡頭，將該出射光投射出去。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之投影機，其更包括一陣列透鏡，將該收光系統產生之該非偏振光先均勻分散，然後才由該偏振光轉換器接收。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之投影機，其中該陣列透鏡包括3×5個球面或非球面的微小雙凸透鏡。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之投影機，其中該偏振光轉換器包括複數條帶狀的偏振分光鏡以及相位波長板，該偏振分光鏡的厚度以及該等相位波長板之間距大 致上均為該微小雙凸透鏡長邊的一半。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之投影機，其中該偏振光轉換器係設置於該陣列透鏡之焦距處。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之投影機，其更包括一偏振分光鏡，與該反射式偏光片大致上平行，將通過該反射式偏光片之該第一S偏振光以及該第二S偏振光引導至該液晶面板。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之投影機，其更包括一聚光透鏡，將經由該偏振光轉換器產生之該第一S偏振光以及該第二S偏振光匯聚。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之投影機，其中該聚光透鏡與該反射式偏光片大致上平行，且該第一S偏振光以及該第二S偏振光先經過該反射式偏光片，然後再通過該聚光透鏡。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之投影機，其中該反射式偏光片與該偏振光轉換器大致上平行。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之投影機，其更包括一反射鏡，用於改變經由該偏振光轉換器產生之該第一S偏振光以及該第二S偏振光的行進方向，且該第一S偏振光以及該第二S偏振光先經過該反射式偏光片，然後才到達該反射鏡。
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