CN1636159A - 用于投影显示的偏振回收系统 - Google Patents

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Abstract

一种波导偏振回收系统，既偏振用于LCD成像器的输入光能，又转换未用光能的极性，以增强LCD成像器的照明。所述紧凑型偏振回收波导系统通常包括：(1)输入波导，其将未偏振的光能提供给系统；(2)输出波导，其接收来自系统的偏振后光能；(3)偏振光束分离器，其接收来自输入波导的光能，传输第一偏振类型的光能并反射第二偏振类型的光能；(4)波片，用于改进被传输光能或被反射光能的偏振。该偏振回收系统通常还包括一个或多个根据需要而设置的镜，以便将被传输光能或被反射光能引导到输出波导。输入波导和输出波导可以根据投影系统的需要而确定其形状。例如，可以根据需要使输入波导和输出波导中的一个或两个是锥形的，从而产生所希望的图象。在波导偏振回收系统中，输入波导和输出波导可以被构造的大致平行或大致垂直。在另一个实施例中，波导偏振回收系统还具有一个或多个由光学透明材料组成的位于光学元件之间的“间隙”，以促进全内反射的出现，从而降低系统的光能损耗。

Description

用于投影显示的偏振回收系统
发明领域
本发明涉及一种改进的系统和方法，其通过未用偏振光能的回收，从而大大增加偏振光投影系统的光输出量。
背景技术
液晶显示器(下文简称为“LCD”)是公知的用于控制偏振光能传输的设备。根据所提供的电流，LCD可以是透明的或不透明。由于该功能性，投影系统通常使用包括众多LCD的阵列以形成一象源。具体地说，投影系统向LCD阵列(也被称作成像器)输入高强度的偏振光能，该LCD阵列选择地将所输入的一些光能进行传输，以形成所希望图象的投影。由于单独一个LCD相对很小，可以将众多的LCD组合在一起形成阵列，从而形成一可以产生高分辨率图象的成像器。
如上所述，投影系统必须首先将输入到LCD的光进行偏振。然而来自诸如灯泡的光源的光能可以被p偏振(p-polarization)或s偏振。由于输入到LCD成像器的光必须沿一个方向(也就是p偏振或s偏振)，LCD投影仪通常仅仅使用一半来自光源的光能。然而希望在投影系统内增大光输出的亮度和强度。针对这个问题，已经研制出各种方法来捕获未用的偏振光能，以便对该捕获到的光能的偏振进行转换，然后将转换后的光能重新引导到LCD成像器。这些公知的偏振回收方法涉及产生扩展的光束，其中未用光部分(干扰极性)通过半波片被发送，从而改变偏振，然后与原始偏振光束重新组合。不幸的是，实施这些公知的方法要求复杂的、笨重的系统，该系统通常包括二维棱镜阵列和偏振光束分离器阵列。此外，公知的方法浪费了很多光能，因此，使产生高强度输出的投影仪的目标受到影响。所以一直以来需要一种结构简单、成本低廉并结构紧凑且具有高效率的偏振回收系统。
发明概述
针对这些要求，本发明使用一种波导系统在LCD投影系统内执行偏振回收功能。具体地说，本发明的波导偏振回收系统既使用于LCD成像器的输入光能偏振，又对未用的光能偏振进行转换，以加强LCD成像器的照明。结构紧凑的偏振回收波导系统通常包括下述被结合在单独一个单元内的光学元件：(1)输入波导，其将非偏振光能输入到系统内；(2)输出波导，其将偏振后光能从系统中去除；(3)偏振光束分离器，其接收来自输入波导的光能，传输第一偏振类型的光能并反射第二偏振类型的光能；(4)波片，其用于改进被传输光能或被反射光能的偏振。偏振回收系统通常也包括一个或多个根据需要而设置的镜，以便将传输和/或反射的光能引导到输出波导。输入波导和输出波导可以根据投影系统的需要而确定其形状。例如，可以根据需要使输入波导和输出波导中的一个或两者是锥形的，从而产生所希望的图象。
在波导偏振回收系统中，输入波导和输出波导可以被构造成彼此平行或彼此垂直。在输入波导和输出波导彼此平行的结构中，输出波导直接接收由光束分离器所传输的光能。采用这种方式，光能基本上沿相同的方向进入和离开偏振回收系统。或者输入波导和输出波导可以被构造成彼此垂直，从而光能离开偏振回收系统的方向与光能进入偏振回收系统的方向垂直。在输入波导和输出波导彼此垂直的结构中，一个镜用来接收偏振光束分离器所传输的光能，并重新引导该光能向输出波导转动90°。
本发明的波导偏振回收系统将上述光学元件组合成一个单独的结构紧凑的单元。在一个实施例内，波导偏振回收系统还具有一个或多个由光学透明材料组成的位于光学元件之间的“间隙”，以促进全内反射的出现，并降低系统的光能损耗。
附图简介
通过下文结合附图对本发明所进行的详细介绍，本发明的这些和其它优点将变得更加清楚，在这些附图中，相同的附图标记代表相同的元件。
图1～4和6～10是示意性视图，用于显示本发明波导偏振回收系统的不同的实施例；
图5是一个示意性视图，显示使用本发明一个实施例的偏振回收系统的结构紧凑的投影设备。
优选实施例介绍
如图1～4和6～10所示，符合本发明的结构紧凑的波导偏振回收系统10具有输入波导20、偏振光束分离器(“PBS”)30、波片40和输出波导50，根据具体构造，所述波片40可以是半波片或四分之一波片。根据需要，该波导偏振回收系统10通常还包括镜60，用于在输入波导20和输出波导50之间引导光束。以下讨论首先总结波导偏振回收系统10的几种可能的结构，然后再详细地介绍每个元件。
图1、3和6显示本发明波导偏振回收系统10的一种结构，在这种结构的波导偏振回收系统10中，输出光能基本上平行于输入光能。在这个实施例中，输入波导20使未偏振的输入光入射到PBS 30上。所述PBS 30传送P偏振后的光，从而输入光能的P偏振后部分沿着与初始输入光相同的方向连续地通过，而S偏振后光沿着与初始输入光垂直的方向反射。半波片40被设置的用于接收被反射的s偏振光并将其转换成p偏振光。然后镜60将来自半波片40的转换后的能量重新引导回初始输入方向。来自PBS 30的被传输光能和来自半波片40的被转换光能在输出波导50内被重新组合和混合。因此输出光能具有均匀的强度轮廓并被偏振。可以理解的是，通过使用仅仅传输S偏振的PBS 30，可以产生相反偏振的输出。
图2、4、7和8显示了具有不同结构的另一种波导偏振回收系统10，在这种波导偏振回收系统10中，输出光能垂直于原始输入光能。与图1所示实施例相同，输入波导20使未偏振的输入光入射到PBS 30上。此外，PBS 30执行相同的传输p偏振光的功能，从而输入光能的P偏振后部分沿着与初始输入相同的方向连续地通过，同时s偏振光沿着与初始输入方向垂直的方向被反射。然而在图2所示结构中，一个镜60重新引导被传输的输入光能的p偏振部分偏转90°趋向输出波导50。此外，从PBS 30被反射的s偏振光穿过四分之一波片40’传播，第二镜60然后使被反射的光能返回四分之一波片40’，第二次通过四分之一波片40’。沿输出波导50的方向进行所述第二次通过。由于反射后s偏振光两次通过四分之一波片40’，s偏振光移动半波，从而利用图中所示镜两次变成p偏振。再次在输出波导内，两个p偏振输出被混合，产生均匀强度的输出。图2所示示例仅要求两个光学部分：由输入波导20、PBS 30、四分之一波片40’和镜60组成第一部分；由输出波导50和第二镜60组成第二部分。因此该系统具有简单的设计以及相对低的成本。使输出光能垂直于初始输入光能设置也提供了使投影系统结构更紧凑的优点，将在下文对此进行详细地介绍。
在上述结构中，波片40改变PBS 30所反射的光能，与上述结构相反，在另一种波导偏振回收系统10的结构中，设置波片以改变PBS 30所传输的光能。例如图9和图10显示了一种结构，其中设置半波片40以接收PBS 30所传输的光能。在图9所示结构中，半波片40被光学地设置在镜60和输出波导50之间。半波片40接收首先被镜60重新引导的传输光能。同样在图10所示结构中，将半波片40设置在PBS 30和镜60之间。采用这种方式，被PBS 30所传输的光能在被重新引导到输出波导50之前首先被重新偏振。图9和图10所示结构是先进的，这是由于输入光能仅仅通过PBS 30的偏振层一次，从而降低了系统10内的光能损耗。相反，图2、4、7和8所述结构要求输入光能的一部分通过PBS 30两次。
波导偏振回收系统的元件
不同结构的波导偏振回收系统10使用相同的元件，下文将详细地介绍这些元件。
输入波导20通常是一个积分仪(integrator)，它收集来自诸如弧光灯的光源的光，并将通过多次反射的光进行混合，从而在波导偏振回收系统10内产生一个更均匀的强度轮廓。同样，输出波导50也是一个积分仪，它收集来自波导偏振回收系统10的光并将经过多次反射的光进行混合，以产生一用于成像器照明的更均匀的强度轮廓。输入波导20和输出波导50例如可以是单芯光缆、光导纤维熔化束、光纤束、实心或中空的正方形或矩形光管或均化器(homogenizer)，均化器可以是锥形的或非锥形的。在光投影系统内，输入波导20和输出波导50的横截面通常是矩形的，以对应于成像器和最终被投影图象的形状。根据能量处理要求，输入波导20和输出波导50可以由玻璃、石英或塑料制成。
根据投影系统的需要，输入波导20和输出波导50中的一个或两者可以具有增加或减少的锥形。例如图3、4和6～10显示了不同的波导偏振回收系统10，其中输入波导20’是锥形杆，其输入横截面与光源的面积匹配，其输出横截面与LCD成像器的尺寸有关。输入波导20的最终尺寸可以根据需要变化，从而减少光学投影系统内漫射光的损失。同样图8显示了波导偏振回收系统10的一个实施例，其中输出波导50’也是锥形的。由于根据PBS 30、波片40的执行参数以及投影系统的输出要求，偏振回收可能不能总在作为输出孔径的相同数值的孔径内进行，所以确定输出波导50’的锥度是有益的。在更小数值的孔径中，PBS 30和波片40的性能更好，因此通过用小数值的孔径将输入光能变换到更大区域内，然后在输出波导50’的出口，将光能变换回更大数值的孔径，能够增加性能优势。可以选择输入波导20和输出波导50的锥度以与投影系统的性能要求相匹配，同样输入和输出波导可以在任何一个方向具有锥形。
波导偏振回收系统10还包括PBS 30。PBS 30是一种公知的光学元件，其传输一个偏振光能，同时反射不同偏振的光能。通常PBS30是一个由诸如塑料或玻璃等光透明材料制成的矩形棱镜，其具有被施加在对角线曲面上的偏振涂层。或者，PBS 30可以由能够根据光能的偏振有选择地传输光能的材料制成。然而应该理解的是，现存众多不同的PBS设计和类型，这些不同的PBS类型中任何一个都可以被应用在本发明的波导偏振回收系统10内。由于PBS 30是公知的能够在市场上购买到的元件，所以就不再进行详细的介绍了。
波导偏振回收系统10中另一种元件是波片40。波片40是一种光透明元件，其改变通过波片40的光能的偏振。波片40通常改变沿一个轴向的光的传播，从而改变偏振。根据波导偏振回收系统10的具体结构的需要，波片40可以是半波片或四分之一波片。总的来说，由于波片40是公知的能够在市场上购买到的元件，所以就不再进行详细的介绍了。
根据引导光能通过波导偏振回收系统10的需要，波导偏振回收系统10还包括一个或多个镜60。虽然所述镜是公知的通过在玻璃表面上涂附一层金属或对金属进行抛光而获得的镜，但是在本发明中，镜60并不局限于这种通用类型的镜。相反，可以认为镜60是任何一种能够反射或重新引导光能的光学元件。例如镜60可以是一种利用入射角捕获和重新引导光能的棱镜。例如图9和图10显示了一种波导偏振回收系统10，该系统具有将PBS 30所传输的光能重新引导到输出波导50的棱镜。对于具有小数值孔径的系统，可以使用棱镜的全内反射，从而无需涂层。
在本发明另一个最佳实施例中，如图6～10所示，波导偏振回收系统10还包括其它光学元件之间的一个或多个光透明区域或“间隙”70。间隙70可以是光学元件之间的气穴(pockets of air)。间隙70内还可以填充低指标的环氧树脂或其它透明材料，因此仍然存在全内反射，但是元件的组装将被简化。例如图6所示结构具有在输入波导20和PBS 30之间的间隙70。由于PBS 30和间隙70之间界面的全内反射代替输入波导20阻止光能返回和作为损失而离开，该间隙70确保被对角PBS 30所反射的光能转动90°趋向波片40’。图6所示波导偏振回收系统10也具有其它间隙70，以促进不同光学元件之间的全内反射。同样图7显示了一种波导偏振回收系统10，其中，将间隙70添加到具有锥形输入波导20和图4所示大致垂直结构的输出波导50的偏振回收系统中。通过促进光学元件之间的全内反射，这些间隙70再次增加了效率。如图6和图7所示，间隙70虽然增加了系统的效率，但是随着分立部件数量的增加，导致波导偏振回收系统10变得更加复杂。
在图9和图10所示示例中，间隙70还用于改善被用作将光能引导到输出波导50的镜的棱镜60’的性能。具体地说，PBS 30和棱镜60’之间需要间隙70，从而棱镜60’斜边的反射光返回PBS 30，撞击间隙70的界面，并被内部反射到输出波导50。采用这种方式，用最小的损耗改善了系统的效率。
通过在两个表面上使用抗反射涂层，间隙70的性能优点可以被进一步地增加，从而被传输的光的损耗最小。
图5显示了使用波导偏振回收系统10的投影仪100。投影仪100包括光收集系统110，在所示示例中，所述光收集系统110具有两个抛物面反射器和一回射器，通过将来自光源120的光反射回自身，所述回射器增加了输出。光源120的弧被设置在第一抛物面反射器的焦点上，输入波导20的近端被设置在第二抛物面反射器的焦点上。应该理解的是，该光收集系统110主要用于说明，许多其它的光收集系统是公知的，也可以被使用。同样光源120可以是诸如氙、金属卤化物灯、HID或水银灯等的弧光灯或诸如卤素灯的白炽灯，只要系统被改进的能够适应非透明的白炽灯就行。
在所示投影仪100中，输入波导20是锥形光管，其被设计得使从光收集系统110所收集的光与LCD成像器150的光学需求匹配。如图4所述，输入波导20的输出光被PBS 30偏振，其它的偏振被四分之一波片40’回收。输出波导50然后将偏振后的光能引导到LCD成像器150。在这种情况下，输出波导50的光输出然后入射到第二PBS130，第二PBS 130的朝向与入射光的偏振匹配，从而降低损耗。利用投影棱镜160并采用传统方式，彩色转盘140或其它类型的颜色选择系统以及反射性LCD成像器150产生投影图象。如图5所示，光学元件数量被减少，因此投影仪的成本相对低。
应该理解的是，波导偏振回收系统10可以被用于其它类型的投影系统。例如投影仪也可以使用两个或三个成像器150以确定投影图象。成像器150可以是使用依靠硅技术的液晶(“LCOS”)反射显示器或其它任何类型要求偏振光的系统。同样，可以用没有运动元件的可电子变换彩色系统或其它公知的彩色投影系统替代彩色转盘140。
以上已对本发明作了十分详细的描述，所以阅读和理解了本说明书后，对本领域技术人员来说，本发明的各种改变和修改将变得明显。所以一切如此改动和修正也包括在此发明中，因此它们在权利要求书的保护范围内。

Claims (20)

1、一种偏振回收系统，包括以下光学元件：
发出第一和第二偏振类型光能的输入波导；
偏振光束分离器[“PBS”]，用于接收来自输入波导的光能的基本部分，所述PBS传输第一偏振类型的光能并反射第二偏振类型的光能；
波片，用于接收和改进被传输光能或被反射光能的基本部分的偏振；
输出波导，用于接收被传输光能和被反射光能的基本部分。
2、根据权利要求1所述的偏振回收系统，其特征在于还包括一个或多个镜，用于将被反射光能或被传输光能引导到所述输出波导。
3、根据权利要求1所述的偏振回收系统，其特征在于：所述镜包括棱镜。
4、根据权利要求1所述的偏振回收系统，其特征在于：所述输入波导和输出波导被构造的大致彼此平行。
5、根据权利要求4所述的偏振回收系统，其特征在于：
所述波片包括半波片；
设置所述波片用于接收来自所述PBS的被反射光能，并将所述被反射光能转从第二偏振类型转换成第一偏振类型；
镜重新引导被反射光能向输出波导转动90°。
6、根据权利要求1所述的偏振回收系统，其特征在于：所述输入波导和所述输出波导被构造的大致彼此垂直。
7、根据权利要求6所述的偏振回收系统，其特征在于：
第一镜重新引导被传输光能向所述输出波导转动90°；
所述波片包括四分之一波片；
设置所述波片用于接收来自所述PBS的被反射光能；
一第二镜重新引导被反射光能向输出波导转动180°，并使被反射光能返回所述波片。
8、根据权利要求6所述的偏振回收系统，其特征在于：所述波片包括被设置的用于接收来自PBS的被传输光能的半波片；
镜重新引导被传输光能向所述输出波导转动90°。
9、根据权利要求8所述偏振回收系统，其特征在于：所述镜包括棱镜。
10、根据权利要求9所述偏振回收系统，其特征在于还包括位于所述棱镜和所述PBS之间的光学间隙。
11、根据权利要求6所述偏振回收系统，其特征在于：
镜重新引导被传输光能向输出波导转动90°；
所述波片包括被设置的用于接收来自镜的被传输光能的半波片。
12、根据权利要求8所述偏振回收系统，其特征在于：所述镜包括一棱镜。
13、根据权利要求9所述偏振回收系统，其特征在于：还包括位于所述棱镜和所述PBS之间的光学间隙。
14、根据权利要求1所述偏振回收系统，其特征在于：还包括一个或多个位于两个光学元件表面之间的光学间隙。
15、根据权利要求14所述偏振回收系统，其特征在于：所述间隙由透明环氧树脂组成。
16、根据权利要求14所述偏振回收系统，其特征在于：还包括在被光学间隙分开的光学元件表面上的反射涂层。
17、根据权利要求1所述偏振回收系统，其特征在于：所述输入波导是锥形的。
18、根据权利要求1所述偏振回收系统，其特征在于：所述输出波导是锥形的。
19、一种投影系统，包括：
产生光能的光源；
光收集系统，用于接收和收集来自光源的光能；
偏振回收系统，用于接收来自所述光收集系统的光能，所述偏振回收系统包括：(1)发出第一和第二偏振类型光能的输入波导；(2)偏振光束分离器[“PBS”]，用于接收来自输入波导的光能的基本部分，所述PBS传输第一偏振类型的光能并反射第二偏振类型的光能；(3)波片，用于接收和改进被传输光能或被反射光能的基本部分的偏振；(4)输出波导，用于接收被传输光能和被反射光能的基本部分；
成像器和彩色选择系统，用于接收来自偏振回收系统的光能；
一个或多个投影棱镜，用于接收来自成像器和彩色选择系统的光能。
20、根据权利要求19所述投影系统，其特征在于：所述成像器是液晶显示器[“LCDs”]的阵列。
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