专利名称：硅上液晶投影系统的离轴光机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅上液晶(LCoS)投影系统的离轴(off-axis)光机，特别是涉及一种垂直向列型(vertically aligned nematic，VAN)LCoS投影系统的离轴光机。
背景技术：
LCoS(liquid crystal on silicon)投影系统的基本原理与LCD投影系统相似，不同之处在于LCD投影系统是利用光源穿过液晶作调变，属于穿透式，而LCoS投影系统则是反射式的架构，利用玻璃基板、液晶以及CMOS芯片的电路与反射层等元件组成的硅晶面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号。
LCoS投影系统的光机架构可以依照硅晶面板的数目大致分为三片式以及单片式两种设计。三片式光机先将光源发出的光线分为红色、蓝色及绿色等三色光，再将这三色光分别投射至三片对应的硅晶面板，反射的三色影像经过合色系统形成彩色影像后再投射至屏幕。单片式光机则利用一片硅晶面板结合人眼视觉暂留以及空间合成的特性，来将红色、蓝色及绿色等分色影像合成一彩色影像。整体来说，单片式光机占用空间小，仅需一片面板，分光、合光系统架构比较简单，因此在成本上具有竞争优势。在单片式光机的设计上，目前的主流仍沿现有的三片式光机的设计，利用偏振光束分光器(polarization beam splitter，PBS)来将入射硅晶面板的光线与反射的光线分开。
请参考图1，图1为现有一单片式同轴(on-axis)光机的架构示意图。如图1所示，同轴光机10包括一光源12，用来产生一入射光束b1，一导光管14，用来聚集入射光束b1并降低入射光束b1的方向性，一色轮16，用来将入射光束b1分成循序的红色、蓝色及绿色等单色光束，一起偏器(polarizer)18，用来使入射光束b1具有一特定的偏振方向，例如S偏振光，一偏振光束分光器20，用来使偏振化的入射光束b1入射至一硅晶面板22。当硅晶面板22内的液晶显示为亮态时，入射的S偏振光会被调变成P偏振光并反射出来。反射光束b2自硅晶面板22反射出来后，偏振光束分光器20会让具有P偏振态之光束通过并将光束投射至一检偏器24(analyzer)，检偏器24仅允许具有特定偏振方向的光线通过，例如P偏振光，然后光线再经过投影镜头被投射至屏幕。至于自硅晶面板22反射出来具有S偏振态的光束则被反射回光源12。
上述同轴光机为一时序色彩型式(sequential color type)光机，利用色轮16中红色、蓝色及绿色色环快速旋转以产生循序的红色、蓝色及绿色等单色光束，这三原色经过硅晶面板22后将分色画面资料以三倍(或更高)于画面切换率的高频率循序投射至屏幕上，基于人眼视觉暂留的特性，观察者便可以看见合成的彩色影像。
此外，现有技术另有利用空间合成彩色影像的技术，其将彩色画面上的每一画素细分为三个分别对应至三原色的子画素，以个别地控制这些子画素的画面，当这些子画素愈精细时，观察者便无法分辨这些子画素，因此此类光机又称为空间合成色彩型式(spatial color type)光机。请参考图2，图2为现有一空间合成色彩型式的同轴光机示意图。如图2所示，同轴光机30包括一光源32，用来产生一入射光束b1，一起偏器34，用来使入射光束b1具有一特定的偏振方向，例如S偏振光，一偏振光束分光器36，用来使偏振化的入射光束b1入射至一硅晶面板38。当硅晶面板38内的液晶显示为亮态时，入射的S偏振光会被调变成P偏振光并反射出来。反射光束b2自硅晶面板38反射出来后，偏振光束分光器36会让具有P偏振态的光束通过并将光束投射至一检偏器40，检偏器40仅允许具有特定偏振方向的光线通过，例如P偏振光，然后光线再经过投影镜头被投射至屏幕。至于自硅晶面板38反射出来具有S偏振态的光束则被反射回光源32。
与时序色彩型式同轴光机10不同的是，空间合成色彩型式同轴光机30必须利用一彩色滤光数组在空间上来控制显示于各个子画素的画面资料，至于时序色彩型式光机10则是利用色轮在时间上控制显示于各个画素的画面资料。尽管有所差异，上述同轴光机10、30均必须利用偏振光束分光器来控制入射硅晶面板的光轴方向以及反射的光轴方向。由于偏振光束分光器造价昂贵，而且光线穿过偏振光束分光器又会造成亮度上的损失，因此同轴光机在产品应用上也相对受到限制。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种LCoS投影系统的离轴光机，可以节省光机成本，更可以改善光机的光学表现。
在本发明的较佳实施例中，该离轴光机包括一硅晶面板，硅晶面板内包括一液晶层，且液晶层内的液晶长轴方向平行于一第一光束入射硅晶面板的方向。其中液晶层内的液晶分子为垂直配向，且液晶分子包括一介于0-20度的液晶预倾角。
由于本发明调整硅晶面板的入射光轴角度，使其约略平行于液晶分子的长轴方向，而且由于离轴光机入射硅晶面板的光路与反射光路不同，反射光束不需要偏振光束分光器即可以直接传递至投影镜头，因此本发明不需要偏振光束分光器，自然可以节省光机成本以及偏振光束分光器造成的对比度限制，同时可以获得近似同轴光机的高对比度光学表现。
图1为现有一同轴光机的架构示意图；图2为现有另一同轴光机的架构示意图；图3为本发明一离轴光机的架构示意图；图4为本发明一入射硅晶面板的光轴方向与硅晶面板内的液晶长轴方向间的示意图；图5为本发明另一离轴光机的架构示意图。
具体实施例方式
请参考图3，图3为本发明一离轴光机的架构示意图。如图3所示，离轴光机50为一时序色彩型式光机，其包括一光源52，用来产生一入射光束b1，一导光管54，用来聚集入射光束b1并降低入射光束b1的方向性，一色轮56，用来将入射光束b1分成循序的红色、蓝色及绿色等单色光束，一聚光系统58，用来使分色后的入射光束b1经过一起偏器60并投射至一反射式硅晶面板62。随后硅晶面板62的反射光束b2经过一检偏器64以及一投影镜头66再被投射至屏幕。
在本实施例中，入射光束b1会先经过色轮56中红色、蓝色及绿色色环快速旋转以产生循序的红色、蓝色及绿色等单色光束，随后这些分色光束经过单一或多个透镜组成的聚光系统58，以调整入射光束b1进入硅晶面板62的光轴角度。起偏器60具有一特定的偏振方向，可以使入射光束b1产生偏振化，检偏器64也具有一特定的偏振方向，仅允许具有特定偏振方向的反射光束b2通过。根据硅晶面板62对于入射光束b1与反射光束b2的偏振态的调变方式设计(是否改变反射光束b2的偏振方向)，检偏器64的偏振方向可以平行于起偏器60的偏振方向，或者检偏器64的偏振方向也可以垂直于起偏器60的偏振方向。
请参考图4，图4为本发明一入射硅晶面板的光轴方向与硅晶面板内的液晶长轴方向间的示意图。如图4所示，硅晶面板62包括二平行基板622与626，一配向膜624设于面向基板626的基板622表面上，一配向膜628设于面向基板622的基板626表面上，以及一液晶层630填充于基板622与基板626间的空隙中。其中基板622为一允许光线穿透的透明基板，例如玻璃基板，至于基板626则为设有CMOS驱动电路以及反射层等元件的半导体基板。在本发明的较佳实施例中，液晶层630的液晶分子为垂直配向，即液晶分子的长轴方向632垂直于配向膜624、628。为了使液晶分子分配更均匀，液晶分子与配向膜624、628间可形成某一角度的预倾，例如液晶分子的长轴方向632与配向膜628表面的法线方向间可形成一液晶预倾角θ，介于0-20度，较佳为3度。入射光束依照一入射方向634进入硅晶面板62，并依照一反射方向636离开硅晶面板62。为了提高反射光束的亮度，入射光束的入射方向634必须根据LCoS投影系统的光学特性，例如基板622、626的间隙(cell gap)、液晶预倾角θ以及配向膜624、628表面的配向方向等参数进行最佳化。在较佳实施例中，入射光束的入射方向634必须约略平行于液晶方子的长轴方向632，亦即入射光束的入射方向634与配向膜628表面的法线方向间形成的入射角α应该约略等于液晶预倾角θ，或者控制入射角α与液晶预倾角θ间的夹角小于1度。
上述控制光线入射角与液晶预倾角约略相等的概念可以进一步应用在其它离轴光机设计。请参考图5，图5为本发明另一离轴光机的架构示意图。如图5所示，离轴光机70为一空间合成色彩型式光机，其包括一光源72，用来产生一入射光束b1，一聚光系统74，用来使光束b1经过一起偏器76并投射至一硅晶面板78。随后硅晶面板78的反射光束b2经过一检偏器80以及一投影镜头82再被投射至屏幕。起偏器76具有一特定的偏振方向，可以使入射光束b1产生偏振化，检偏器80也具有一特定的偏振方向，仅允许具有特定偏振方向的反射光束b2通过。根据硅晶面板78对于入射光束b1与反射光束b2的偏振态的调变方式设计(是否改变反射光束b2的偏振方向)，检偏器80的偏振方向可以平行于起偏器76的偏振方向，或者检偏器80的偏振方向也可以垂直于起偏器76的偏振方向。在本实施例中，入射光束b1进入硅晶面板78的入射方向必须约略平行于液晶分子的长轴方向，详如图4所示，在此不再赘述。
此外，本发明并不限定仅能应用在单片式离轴光机设计，在其它实施例中，上述控制光线入射角与液晶预倾角约略相等的概念可以进一步应用在三片式离轴光机设计。举例来说，三片式离轴光机可以利用X棱镜或其它分光系统将偏振化的入射光束分为红色、蓝色及绿色等三色单色光束，再分别将这三色光投射至三片对应的硅晶面板。红色、蓝色或绿色等单色光束进入对应硅晶面板的入射方向必须约略平行于液晶分子的长轴方向，详如图4所示，在此不再赘述。反射的三色影像随后经过X棱镜或其它合光系统合光并经由投影镜头投射至屏幕。
相比较于现有的同轴光机设计，本发明离轴光机控制光线入射硅晶面板的光轴方向，使其约略平行于液晶分子的预倾方向，同时省略偏振光束分光器的设置，以达到节省光机成本、避免偏振光束分光器造成的对比度限制，以及获得近似同轴光机的高对比度光学表现等优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种硅上液晶(LCoS)投影装置的离轴光机，其包括至少一硅晶面板，该硅晶面板内包括一液晶层；一光源，用来产生一第一光束；以及一聚光系统，用来聚集该第一光束并使该第一光束射向该硅晶面板，该第一光束于该硅晶面板表面形成一入射角，且该入射角与该液晶层的液晶预倾角间形成一小于1度的夹角。
2.如权利要求1所述的离轴光机，其中该硅晶面板为一反射式面板，且该第一光束会于该硅晶面板表面反射，形成一第二光束。
3.如权利要求1所述的离轴光机，其另包括一起偏器，设于该聚光系统与该硅晶面板之间，且该起偏器提供一第一偏振方向。
4.如权利要求3所述的离轴光机，其另包括一检偏器，设于该硅晶面板与一投影镜头之间，且该检偏器提供一第二偏振方向。
5.如权利要求4所述的离轴光机，其中该第一偏振方向平行于该第二偏振方向。
6.如权利要求4所述的离轴光机，其中该第一偏振方向垂直于该第二偏振方向。
7.如权利要求1所述的离轴光机，其另包括一导光管以及一色轮设于该光源与该聚光系统之间，该第一光束通过该导光管以及该色轮后会形成循序的红色光束、蓝色光束以及绿色光束。
8.如权利要求1所述的离轴光机，其中该液晶层内的液晶分子为垂直配向。
9.如权利要求1所述的离轴光机，其中该液晶预倾角介于0-20度。
10.一种硅上液晶((LCoS)投影装置的离轴光机，其包括一硅晶面板，该硅晶面板内包括一液晶层，该液晶层包括一液晶长轴方向，且该液晶长轴方向平行于一第一光束入射该硅晶面板的方向。
11.如权利要求10所述的离轴光机，其中该硅晶面板为一反射式面板，且该第一光束会于该硅晶面板表面反射，形成一第二光束。
12.如权利要求10所述的离轴光机，其另包括一光源，用来产生该第一光束；一聚光系统，用来调整该第一光束入射该硅晶面板的方向；一起偏器，设于该聚光系统与该硅晶面板之间，且该起偏器提供一第一偏振方向；以及一检偏器，设于该硅晶面板与一投影镜头之间，且该检偏器提供一第二偏振方向。
13.如权利要求12所述的离轴光机，其中该第一偏振方向平行于该第二偏振方向。
14.如权利要求12所述的离轴光机，其中该第一偏振方向垂直于该第二偏振方向。
15.如权利要求10所述的离轴光机，其中该第一光束包括循序的红色光束、蓝色光束以及绿色光束。
16.如权利要求10所述的离轴光机，其中该第一光束包括红色光束、蓝色光束或绿色光束。
17.如权利要求10所述的离轴光机，其中该液晶层内的液晶分子为垂直配向。
18.如权利要求10所述的离轴光机，其中该液晶层内的液晶分子包括一液晶预倾角，且该液晶预倾角介于0-20度。
全文摘要
本发明提供一种LCoS投影系统的离轴光机，其包括一硅晶面板，硅晶面板内包括一液晶层，且液晶层内的液晶长轴方向平行于一第一光束入射硅晶面板的方向。其中液晶层内的液晶分子为垂直配向，且液晶分子包括一介于0－20度的液晶预倾角。
文档编号G02F1/13GK1847973SQ20051006521
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月14日 优先权日2005年4月14日
发明者白东尼, 官大双, 詹佳璁, 张逸明 申请人:联诚光电股份有限公司