专利名称：影像投影装置及其光学偏光模组的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种影像投影装置及其光学偏光模块，特别有关一种可使用收敛光源的光学偏光模块，以缩短影像投影装置的光收敛路径长度。
背景技术：
图1A为习知穿透式液晶投影机的结构示意图。传统的穿透式液晶投影机10主要是先利用部分反射镜14a，14b将入射白光分为红、绿、蓝(RGB)三原色光，再利用三片小尺寸的液晶显示面板16作为调变，分别调变红、绿、蓝三原色光束，最后将已调变过后的三原色光影像予以合并，再经由投影镜头17投射至屏幕上。
由于输入液晶显示面板16所使用的入射光源必须是具有相同偏振方面的三原色光，因此传统的液晶投影机10必须具有一光学偏光模组12，才能将平行光源11所发出的白光调变为具有相同偏振方向的偏振光。如图1A所示，传统的光学偏光模组12包括二透镜阵列121，122、棱柱偏极化分光片123(Prism Polarizing Beam Splitter，Prism PBS)以及贴覆于棱柱偏极化分光片123的半波长板124(Half-Wave Plate)；二透镜阵列121，122可使注入棱柱偏极化分光片123的平行白光均匀化，棱柱偏极化分光片123及半波长板124可调变入射白光的偏振方向，可提供液晶显示面板16具有单一极性的偏振光源。
图1B为习知棱柱偏极化分光片的作用示意图，如图1B所示，在平行的入射白光1中同时具有P极化光及S极化光，习知的棱柱偏极化分光片123同时可将白光中的S极化光2反射，并让白光中的P极化光3穿透；而穿透的P极化光3经过间隔设置的半波长板124后，会被调变为S极化光，因此，穿透过上述光学偏光模组12的光源，为一仅具有单一极性(S极化光)的偏振光源。
请再参考图1A，由于传统棱柱偏极化分光片123本身具有收敛角及入射角等限制，必须搭配平行光源11使用，因此当入射光经过棱柱偏极化分光片123后，需以一透镜组13或一单一凸透镜将光束收敛，再导入后段光学模组中。由于平行光源的光收敛路径较长，因此传统穿透式液晶投影机10的体积较大，而且在平行光转为收敛光的转换过程会损耗许多能量，使投影亮度下降。此外，当液晶显示面板10采用较小尺寸的液晶显示面板16以缩小整个后段光学模组时，反而需要更长的光收敛路径才能达到足够的收敛比例，并与小尺寸液晶显示面板16相互匹配。如图1C所示，为了缩小液晶投影机10’的体积，常见的作法是在光收敛路径上设置一呈45o的平面镜18，但额外的平面镜18又会再损耗能量，使光源亮度又再下降。
其次，传统穿透式液晶投影机10所使用的棱柱偏极化分光片123是由数片极化板(Polarization Conversion Plate)所胶合而成，材料成本高、不易制造，且其耐热温度较低(小于90℃)，因此，使用传统棱柱偏极化分光片123时需有适当的散热方式，此亦会大幅提高设计液晶投影机10的难度。
在美国6,234,634号及6,243,199号专利中，已揭露一种新的金属栅偏极化板20，该金属栅偏极化板20主要是在一透明基材21上以半导体制程制作复数个平行设置的导电栅极22，可将由同时入射光中的S偏极光反射，并让P偏极光穿透，而其相对于不同频率入射光的反射率及穿透率则与金属栅偏极化板20的金属栅厚度w3、金属栅宽度w1及栅极间距w2相关，其特性及构造在上述两篇专利中已有详细的说明，故在此不再赘述。
发明内容
本发明的目的就在于将利用习知的金属栅偏极化板，作为一光学偏极化分光片，改善习知光学偏光模组只适用于平行光源而不适用于收敛光源的缺点，以缩短液晶投影机的光收敛路，进而缩小液晶投影机的尺寸。
为达成上述目的，本发明提供一种光学偏光模组，包括一偏极化分光片及一平面镜。该偏极化分光片用于使白光中具有一第一偏振方向的光反射，形成一第一光束，并使白光中具有一第二偏振方向的光穿透；其中该第一偏振方向与该偏极化分光片垂直，是为S偏极光，该第二偏振方向与该偏极化分光片平行，是为P偏极光。平面镜迭设于偏极化分光片旁，并与偏极化分光片夹一即定锐角，用于使具有P偏极光经平面镜反射，再穿透偏极化分光片后，形成一第二光束。
在一较佳实施例中，该偏极化分光片为一金属栅偏极化板。
在一较佳实施例中，光学偏光模组更包括一第一透镜阵列，设置于偏极化分光片旁，用于耦接第一光束及第二光束；一具有复数个微透镜的第二透镜阵列，第二透镜阵列与第一透镜阵列相距一第一既定距离而平行设置；复数片半波长板相对于各微透镜设置于第二透镜阵列上，其中穿过第一透镜阵列的该第二光束，借由该等半波长板使其极性由第二偏振方向转为第一偏振方向。
又，第二透镜阵列以其微透镜的背侧面对第一透镜阵列而平行设置，且偏极化分光片与平面镜所在的平面延伸交于一既定轴线，第一透镜阵列与该第二透镜阵列平行于该既定轴线。此外，第一透镜阵列及第二透镜阵列使用于F数值介于f/1.5至f/3的光学系统，其阵列配置相同，均具有MxN个微透镜，其中M，N各由系统的均匀度要求所决定。
在一较佳实施例中，该既定角度θ与该第一既定距离t的关系为θ=d22t,]]>其中d2为该等第二微透镜的长边。
又，而半波长板的宽与第二微透镜长边的一半相等，且半波长板的间距亦与微透镜的长边一半相等。
又，各半波长板呈平行且等间隔设置的长条形，且上述半波长板的长轴是平行于该既定轴线。该等微透镜的长边由其中心线区分为一上半部及一下半部，而该等半波长板是贴覆于该第一平面的该等上半部上。
本发明提供一种影像投影装置，其包括光源、光学偏光模组、影像显示模组及输出光学透镜组。光源可提供一入射光束。光学偏光模组具有一偏极化分光片，用于使入射光束中具有一第一偏振方向的光反射，形成一第一光束，并使入射光束中具有一第二偏振方向的光穿透，其中该第一偏振方向与该偏极化分光片垂直，是为S偏极光，该第二偏振方向与该偏极化分光片平行，是为P偏极光。平面镜迭设于偏极化分光片旁，并与偏极化分光片夹一即定锐角，用于使具有P偏极光经平面镜反射，再穿透偏极化分光片后，形成一第二光束。光学偏光模组更包括一第一透镜阵列，设置于偏极化分光片旁，用于耦接第一光束及第二光束；一具有复数个微透镜的第二透镜阵列，第二透镜阵列与第一透镜阵列相距一第一既定距离而平行设置；复数片半波长板相对于各微透镜设置于第二透镜阵列上，其中穿过第一透镜阵列的该第二光束，借由该等半波长板使其极性由第二偏振方向转为第一偏振方向。影像显示模组可依据输入的影像讯号，调变该光学偏光模组所提供的第一光束及第二光束，以显示影像。输出光学透镜组，用于使光由影像显示模组投射出去。
在一较佳实施例中，光源可为一平行光源或是一收敛光源，且偏极化分光片与入射光源的角度介于35度至55度之间。在一较佳实施例中，该偏极化分光片为一金属栅偏极化板。
又，第二透镜阵列以其微透镜的背侧面对第一透镜阵列而平行设置，且偏极化分光片与平面镜所在的平面延伸交于一既定轴线，第一透镜阵列与该第二透镜阵列平行于该既定轴线。此外，第一透镜阵列及第二透镜阵列使用于F数值介于f/1.5至f/3的光学系统，其阵列配置相同，均具有M×N个微透镜，其中M，N各由系统的均匀度要求所决定。
在一较佳实施例中，该既定角度θ与该第一既定距离t的关系为θ=d22t,]]>其中d2为该等第二微透镜的长边。
又，而半波长板的宽与第二微透镜长边的一半相等，且半波长板的间距亦与微透镜的长边一半相等。
又，各半波长板呈平行且等间隔设置的长条形，且上述半波长板的长轴是平行于该既定轴线。该等微透镜由其中心线区分为一上半部及一下半部，而该等半波长板是贴覆于该第一平面的该等上半部上。
在一较佳实施例中，第一微透镜长边d1与第二微透镜长边d2的关系为d2d1=ll+t,]]>其中影像显示模组具有一液晶显示面板，而l为该液晶显示面板与第二透镜阵列的距离。
图1A为习知穿透式液晶投影机的结构示意图；图1B为习知穿透式液晶投影机所使用的偏极化分光片示意图；图1C为另一习知穿透式液晶投影机的结构示意图；图2为习知金属栅偏极化板的示意图；图3为本发明影像投影装置的示意图；图4A为本发明光学偏光模组的放大示意图；
图4B为S极化光通过本发明的光学偏光模组的示意图；图4C为P极化光通过本发明的光学偏光模组的示意图。
图号说明1白光2S极化光3P极化光5光源10 液晶投影机11 平行光源12 光学偏光模组121 第一透镜阵列122 第二透镜阵列123 棱柱偏极化分光片124 半波长板13 透镜组310 中心线14a，14b部分反射镜15a，15b，15c，18 平面镜16 液晶显示面板17 投影镜头20 金属栅偏极化板21 基板22 金属栅30 影像投影装置31 收敛光源32 金属栅偏极化板
33 平面镜34 第一透镜阵列341 第一微透镜342 第一透镜阵列的第一平面35 第二透镜阵列351 第二微透镜352 第一平面36 半波长板37 影像显示模组371 液晶显示面板372a，372b部分反射镜373a，373b平面镜38 输出光学透镜组50 光学偏光模组θ 既定角度 入射角a既定轴线b半波长板的长轴1第二既定距离0微透镜的中心点联机t第一既定距离d1 第一微透镜的长边d2 第二微透镜的长边w1 金属栅宽度w2 栅极间距w3 金属栅厚度
具体实施例方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下图3为本发明影像投影装置的示意图，如图3所示，本发明的影像投影装置30包括一收敛光源31、光学偏光模组50、影像显示模组37及输出光学透镜组38。收敛光源31为一具有椭圆面镜(Elliptic Reflector)的光源，可提供一收敛入射光束，光学偏光模组50耦接该收敛入射光束，并将该收敛的入射光束调变为具有单一偏振方向的入射光，而影像显示模组37先以部分反射镜372a，372b将入射白光分为红、绿、蓝(RGB)三原色光，再利用三片小尺寸的液晶显示面板371作为调变，根据外部的输入影像讯号分别调变红、绿、蓝三原色光束，最后将已调变过后的三原色光影像予以合并，再经由输出光学透镜组38投射至屏幕上。
图4A为本发明光学偏光模组的放大示意图，如图3及图4A所示，本发明的光学偏光模组50具有一偏极化分光片32(如金属栅偏极化板，Wire Grid Polarization Beam Splitter，WG-PBS)，中心线310与收敛光源的夹角介于35度至55度之间，一平面镜33迭设于金属栅偏极化板32旁，并与金属栅偏极化板32夹一即定锐角θ，而金属栅偏极化板32与平面镜33所在的平面延伸交于一既定轴线a。
本发明的光学偏光模组50另包括一第一透镜阵列34、一第二透镜阵列35及复数片半波长板36，第一透镜阵列34及第二透镜阵列35平行于既定轴线a而设置，第一透镜阵列34设置于金属栅偏极化板32旁，与金属栅偏极化板32约呈45o，用于耦接由金属栅偏极化板32及平面镜33反射的光束，其一侧具有复数个第一微透镜，该第一透镜阵列34设置于该偏极化分光片32旁，该等第一微透镜是面对该偏极化分光片32及该平面镜33，用于耦接该第一光束及该第二光束。
第二透镜阵列35一侧具有复数个第二微透镜及另侧352是为一第一平面，与第一透镜阵列34的第一平面342相向而平行设置，其该第一平面352上等间距设有复数片半波长板36，且该第一平面是对应该第一透镜阵列34的另侧，其中穿过该第一透镜阵列34的该第二光束，借由该等半波长板36使其极性由该第二偏振方向转为该第一偏振方向并与第一透镜阵列34相距一第一既定距离t，而既定角度θ与第一既定距离t的关系为θ≈tanθ=d22t---(a)]]>其中d2为第二透镜阵列上各微透镜的长边。
在本发明的较佳实施例中，第一透镜阵列34及第二透镜阵列35为具有相同的阵列配置，亦即第一透镜阵列34及第二透镜阵列35均具有MxN个微透镜，其中M，N各由系统的均匀度要求所决定，一般而言微透镜的长边与短边比是4∶3或16∶9。
如图4A所示，复数片半波长板36是相对于各第二微透镜351设置于第二透镜阵列35的第一平面352上，可改变入射光的偏振方向。根据液晶投影机30的设计，第一透镜阵列34及第二透镜阵列35使用于F数值介于f/1.5至f/3的光学系统，且半波长板36的宽及其设置间距均与第二微透镜351的长边的一半相等。半波长板36为平行且等间隔设置的长条形板状光学透镜，且上述半波长板36的长轴b(垂直于纸面)是平行于该既定轴线a。再者，若以同一列微透镜的圆心联机0将同一列微透镜区分为一上半部353及一下半部354，则上述半波长板36是贴覆于第二透镜阵列35的第一平面352的各上半部353。
为了使收敛光源31的的光线准确聚焦在影像显示模组的液晶显示面板371上，第一微透镜长边d1与第二微透镜长边d2的关系应满足
d2d1=ll+t---(b)]]>其中1代表液晶显示面板与第二透镜阵列的第二既定距离，t代表第一透镜阵列34及第二透镜阵列35的第一既定距离。
此外，第一透镜阵列的第一微透镜焦距f1及第二透镜阵列的第二微透镜焦距f2满足下列关系式1f1=1t-1l+t---(c)]]>1f2=1t+1l---(d)]]>如图4A所示，收敛光源31所发出的光线由椭圆面镜反射而成一收敛的入射光束，在入射光束中同时具有P极化光及S极化光。当入射光束通过金属栅偏极化板32时，偏振方向与金属栅偏极化板32垂直的S极化光会被反射，形成一收敛的第一光束(S极化光束)；而偏振方向与金属栅偏极化板32平行的P极化光会穿透金属栅偏极化板32，接着，P极化光经平面镜33反射后，再穿透金属栅偏极化板32，形成一收敛的第二光束(P极化光束)。
图4B为S极化光通过本发明的光学偏光模组的示意图，图4C为P极化光通过本发明的光学偏光模组的示意图。由于本发明的光学偏光模组以一金属栅偏极化板32及一平面镜3 3将收敛光源31中的S极化光及P极化光分为两道具有不同入射角度的光束，因此当第一光束(S极化光)与第二光束(P极化光)穿过第一透镜阵列34时，会产生不同的折射角度，而达成所需的偏极化转换。如图4A及图4B所示，当收敛的S极化光束通过第一透镜阵列34时，S极化光会聚焦至第二透镜阵列35的下半部354，而直接穿过第二透镜阵列35，进入后段光学模组(未显示)，再聚焦至液晶显示面板371上。另外，如图4A及图4C所示，当收敛的P极化光束通过第一透镜阵列34时，P极化光会被聚焦至第二透镜阵列35的上半部353，亦即，P偏极光会被导向贴覆在第二透镜阵列35上的半波长板36，使P偏极光转变成S偏极光，因此，收敛光源31所发出的白光在经过本发明的光学偏光模组后即调变为一具有单一偏振方向(S极化光)的偏振光源。
如上所述，本发明光学偏光模组所使用的金属栅偏极化板并没有传统棱柱偏极化分光片有收敛角及入射角的限制，因此光学表现较佳；其次，为金属栅偏极化板半导体制程所制造，材料成本低，容易制造，且其耐热温度约为摄氏200度，较传统棱柱偏极化分光片能承受更高的温度，可增加液晶投影机的设计弹性。
本发明的光学偏光模组适用于收敛光源，因此使用本发明光学偏光模组的液晶投影机不需设置额外的透镜组使光束放敛，光收敛路径可大幅缩短，光能消耗亦降低，不但液晶投影机的亮度会提高，更有助于达成液晶投影机短小化的目标。
权利要求
1.一种光学偏光模组，包括一偏极化分光片，用于使光源中具有一第一偏振方向的光反射，形成一第一光束，并使光源中具有一第二偏振方向的光穿透，其中该第一偏振方向垂直该偏极化分光片，该第二偏振方向平行该偏极化分光片；以及一平面镜，迭设于该偏极化分光片旁，并与该偏极化分光片夹一即定锐角，用于使具有该第二偏振方向的光经该平面镜反射，再穿透该偏极化分光片后，形成一第二光束；一第一透镜阵列，其一侧具有复数个第一微透镜，该第一透镜阵列设置于该偏极化分光片旁，该第一微透镜是面对该偏极化分光片及该平面镜，用于耦接该第一光束及该第二光束；一第二透镜阵列，其一侧具有复数个第二微透镜及另侧是为一第一平面，该第一平面上等间距设有复数片半波长板，且该第一平面是对应该第一透镜阵列的另侧，其中穿过该第一透镜阵列的该第二光束，借由该半波长板使其极性由该第二偏振方向转为该第一偏振方向；该第二透镜阵列与该第一透镜阵列相距一第一既定距离而平行设置。
2.根据权利要求1所述的光学偏光模组，其中该偏极化分光片为一金属栅偏极化板。
3.根据权利要求1所述的光学偏光模组，其中该第一透镜阵列及该第二透镜阵列的F数值介于f/1.5至f/3之间。
4.根据权利要求1所述的光学偏光模组，其中该第二透镜阵列与该第二透镜阵列的微透镜阵列配置相同。
5.根据权利要求1所述的光学偏光模组，其中该偏极化分光片与该平面镜所在的平面延伸交于一既定轴线，该第一透镜阵列与该第二透镜阵列平行于该既定轴线。
6.根据权利要求1所述的光学偏光模组，其中该半波长板具有一长轴，且该长轴是平行于该既定轴线。
7.根据权利要求1所述的光学偏光模组，该既定角度θ与该第一既定距离t的关系为θ=d22t,]]>其中d2为该第二微透镜的长边。
8.根据权利要求1所述的光学偏光模组，其中该半波长板呈平行且等间隔设置的长条形。
9.根据权利要求8所述的光学偏光模组，其中该半波长板的宽与该第二微透镜的长边的一半相等。
10.根据权利要求9所述的光学偏光模组，其中该半波长板的间距与该第二微透镜的长边一半相等。
11.根据权利要求10所述的光学偏光模组，其中该第一微透镜的长边由其中心线区分为一上半部及一下半部，该半波长板是贴覆于该第一平面的该上半部上。
12.一种影像投影装置，包括一光源，提供一入射光束；一光学偏光模组，耦接该入射光束，该光学偏振装置包括一偏极化分光片，用于使该入射光束中具有一第一偏振方向的光反射，形成一第一光束，并使该入射光束中具有一第二偏振方向的光穿透，其中该第一偏振方向垂直该偏极化分光片，该第二偏振方向平行该偏极化分光片；一平面镜，迭设于该偏极化分光片旁，并与该偏极化分光片夹一即定锐角，用于使具有该第二偏振方向的光经该平面镜反射，再穿透该偏极化分光片后，形成一第二光束；一第一透镜阵列，具有复数个第一微透镜，设置于该偏极化分光片旁，用于耦接该第一光束及该第二光束；一第二透镜阵列，具有复数个第二微透镜及对侧的一第一平面，该第二透镜阵列与该第一透镜阵列相距一第一既定距离而平行设置；以及复数片半波长板，相对于该微透镜设置于该第一平面上，其中穿过该第一透镜阵列的该第二光束，借由该半波长板使其极性由该第二偏振方向转为该第一偏振方向；一影像显示模组，依据输入的影像讯号，调变该光学偏光模组所提供的该第一光束及该第二光束，以显示影像；以及一输出光学透镜组，用于使光由该影像显示模组投射出去。
13.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该光源为一收敛光源。
14.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该偏极化分光片为一金属栅偏极化板。
15.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该偏极化分光片与该入射光源的角度介于35度至55度之间。
16.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该第一透镜阵列及该第二透镜阵列的F数值介于f/1.5至f/3之间。
17.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该第二透镜阵列与该第二透镜阵列的阵列配置相同。
18.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该第一透镜阵列的该第一平面面对该第二透镜阵列。
19.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该偏极化分光片与该平面镜所在的平面延伸交于一既定轴线，该第一透镜阵列与该第二透镜阵列平行于该既定轴线。
20.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该半波长板具有一长轴，且该长轴是平行于该既定轴线。
21.根据权利要求12所述的影像投影装置，该既定角度θ与该第一既定距离t的关系为θ=d22t,]]>其中d2为该第二微透镜长边的长度。
22.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该半波长板呈平行且等间隔设置的长条形。
23.根据权利要求22所述的影像投影装置，其中该半波长板的宽与该第二微透镜的长边的一半相等。
24.根据权利要求23所述的影像投影装置，其中该半波长板的间距与该第二微透镜的长边一半相等。
25.根据权利要求24所述的影像投影装置，其中该第一微透镜由其中心线区分为一上半部及一下半部，该半波长板是贴覆于该第一平面的该上半部上。
26.根据权利要求12所述的影像投影装置，其中该影像显示模组具有一液晶显示面板，该液晶显示面板与该第二透镜阵列的距离为一第二既定距离l。
27.根据权利要求26所述的影像投影装置，该第一微透镜长边d1与第二微透镜长边d2的关系为d2d1=ll+t.]]>
全文摘要
一种采用收敛光源的影像投影装置，其透过一金属栅偏极化板使入射光束中的S极化光反射，形成第一光束，并让入射光束中P极化光穿透。一平面镜迭设于金属栅偏极化板旁，其与偏极化分光片夹一即定锐角，用于使P极化光反射，再穿透金属栅偏极化板，形成一第二光束。一第一透镜阵列耦接第一光束及第二光束，并使第二光束中的P极化光折射并通过设置于一第二透镜阵列上的半波长板，而调变为S极光，使通过第二透镜阵列的收敛光束均为S极化光，再借由影像显示模组依据输入的影像讯号，调变偏极化后的光束，以显示影像。
文档编号G02B3/08GK1553232SQ0314294
公开日2004年12月8日 申请日期2003年6月5日 优先权日2003年6月5日
发明者连詹田, 黄俊杰 申请人:台达电子工业股份有限公司