CN101715562A - 偏振光源 - Google Patents

Abstract

公开了一种节能的偏振光源系统。在实际应用中，该系统由一个反射器和一个反射偏振器组成。在该反射器和反射偏振器之间放有一个透明光源和一个波延迟器。

Description

偏振光源

领域

本发明涉及到光学、材料及电子学领域，尤其是涉及到一种节能偏振光源。

背景

大多数光源发出的光都是随机偏振化的光。然而，在一些应用中需要线偏振光或圆偏振光。例如，很多光阀(如，液晶显示)和光学处理器需要线偏振光。

把随机偏振光转换成偏振光的先前技术系统依然存在。一些先前的技术系统在光源前面使用一个偏振器。未偏振的光穿过该偏振器后就产生了偏振光。由于偏振器允许一个偏振分量的传播，但同时它还会吸收其它偏振分量，所以，这些系统很不节能。在偏振器中大约损失了一半的光能。

其它先前的技术系统用偏振光束分光器来偏振光。偏振光束分光器允许所需要的偏振分量穿过，但是不需要的偏振分量被偏离开，在其它地方就有能量损失。因此，该类系统也很不节能。

一些先前的技术系统使用如下组件：镜子，片形光源，四分之一波长延迟片和反射偏光片。该反射偏振器是一个允许一个偏振分量穿过，而把其它偏振分量反射回去的装置。其它偏振分量被四分之一波长延迟器、光源和镜子循环使用。这些先前的技术系统不节能。每当光穿过时，非透明光源就引起了混乱的光偏振。因此，没有实现光的高效再循环。

摘要

公开了一种节能的偏振光源系统。在实际应用中，该系统由一个反射器和一个反射偏振器组成。在该反射器和反射偏振器之间放有一个透明光源和一个波延迟器。

用参考附图来描述上述特征及其它首选特征(包括元件的组合及实现的详细情况)，并且在权利要求书中指出了这些特征。不言而喻，此处所描述的具体方法和系统仅如图解所示，不受任何局限性。正如艺术领域的技术人员所理解的，在不超出本发明的范围的前提下，可将此处所描述的原理和特征应用于很多实例。

图纸的简要说明

本说明书中所包括的附图对目前的首选实例、上文中的一般性描述及下文中的详细描述进行了说明，以解释本发明的原理。

图1A为典型偏振光源的横截面的实例框图。

图1B为描述典型光线的偏振状态的典型偏振光源的横截面的实例框图。

图2A为典型的偏振光源装置的横截面的实例框图。

图2B为描述典型光线的偏振状态的典型偏振光源的横截面的实例框图。

图3A为典型偏振光源的横截面的实例框图。

图3B为描述典型光线的偏振状态的典型偏振光源的横截面的实例框图。

图4A为典型偏振光源的横截面的实例框图。

图4B为描述典型光线的偏振状态的典型偏振光源的横截面的实例框图。

图5A为典型透明光源的实例框图。

图5B为典型透明光源侧视图的实例框图。

图6为典型光源核心部分的典型元件的实例框图。

图7为具有不同扩散器分布密度的典型光源的实例图。

图8为有两个光源的典型光源的实例图。

图9为有一个反射式核心的典型光源的实例图。

详细描述

公开了一种节能的偏振光源系统。在实际应用中，该系统由一个反射器和一个反射偏振器组成。在该反射器和反射偏振器之间放有一个透明光源和一个波延迟器。

图1A为典型偏振光源系统199的横截面的实例框图。该装置包含一个可能为任意反光镜(包括金属面)的镜子101、分布布拉格反射器、混合反射器、全内反射器、全方位反射器或散射反射器。四分之一波长延迟器102放置在镜子101的前面。透明光源103放置在四分之一波长延迟器102的前面。反射圆偏振器104放置在透明光源103的前面。反射圆偏振器104将来自光源103的光分开，这样，一些带圆偏振的光穿过了此偏振器，而一些光被反射回去。偏振光源系统199是一种发圆偏振光的节能光源。

四分之一波长延迟器102是一种双折射装置，其在一个方向上的光偏振与其它方向上的光偏振之间的光程差等于光波长的四分之一。根据实际应用，四分之一波长延迟器102无需为理想的四分之一波长延迟器。在一种实际应用中，四分之一波长延迟器102有一个超过波长范围的四分之一波长的光程差(众所周知的宽带四分之一波长延迟器)。在其它实际应用中，对于不同的波长而言，作为波长一小部分的光程差是不同的。波长延迟器102没有与四分之一波长相等的光程差，但有与波长任一小部分(如，八分之一，四分之三等)相等的光程差。

图1B为描述典型光线的偏振状态的典型偏振光源199的横截面的实例框图。光可能是从透明光源103的两个面发出的。从透明光源103的正面发出的非偏振或部分偏振的光112入射到反射偏振器104上。特殊利手(如，逆时针或顺时针偏振)侧的光112的圆偏振光分量113来自于反射偏振器104。相对利手的光112的圆偏振光分量114被偏振器104反射回去。圆偏振光分量114穿过透明光源103。因为光源103为透明光源，所以，光114的偏振状态得以保留。而且，光114入射到四分之一波长延迟器102上。圆偏振光114穿过四分之一波长延迟器102，并被线偏振化。镜子101反射出线偏振光115。光115的镜面反射保留了其偏振状态。反射的线偏振光116穿过四分之一波长延迟器102，变成光114利手对面的圆偏振光。圆偏振光117穿过透明光源103，入射到反射偏振器104上。因为光源103为透明光源，所以，光117的偏振状态得以保留。光117在通过反射偏振器104来传播的利手侧被圆偏振化。光117穿过反射偏振器104。因此，从透明光源103正面提取的光112被圆偏振化并从反射偏振104发出。

从透明光源103背面发出的非偏振或部分偏振的光105穿过四分之一波长延迟器102，经过镜子101的反射，再次穿过四分之一波长延迟器102，穿过透明光源103后发出非偏振或部分偏振的光106。非偏振或部分偏振的光106以类似的方式入射到反射偏振器104上，到达从透明光源103正面发出的光112，经历与光112一样的类似转化，发出与光113相同的同一利手侧的圆偏振光107和圆偏振光111。因此，从透明光源103背面提取的光105被圆偏振化并从反射偏振器104发出。来自透明光源103的两个面的光来自于圆偏振状态下的光系统119。

如果波长延迟器102并非理想的四分之一波长延迟器，则反射偏振器104反射的部分光将不会被反射偏振器104初始偏振化。这样的话，没有被偏振化的部分将会再一次被反射回去，直到大部分光(如果不是全部光)被反射偏振器104偏振化为止。因此，光在经过多次反射后从光源199发出。

图2A为典型的偏振光源299的横截面的实例框图。光源系统299包含一个可能为任意反光镜(包括金属面)的镜子201、分布布拉格反射器、混合反射器、全内反射器、全方位反射器或散射反射器。透明光源202放置在镜子201的前面。四分之一波长延迟器203放置在透明光源202的前面。反射圆偏振器204放置在四分之一波长延迟器203的前面。反射圆偏振器204允许一个圆偏振穿过它，而把其它圆偏振反射回去。光源系统299是一种发出圆偏振光的节能光源。

在可选实例中会使用到一个以上的波长延迟器。该波长延迟器既放置在镜子201和透明光源202之间，也放置在透明光源202和反射偏振器204之间。

图2B为描述典型光线的偏振状态的典型偏振光源系统299的横截面的实例框图。光可能来自透明光源202的两个面。来自透明光源202正面的非偏振或部分偏振光213穿过四分之一波长延迟器203，形成非偏振或部分偏振光214。非偏振或部分偏振光214入射到反射偏振器204上。特殊利手侧的光214的圆偏振光分量215通过反射偏振器204来传播。反射偏振器204把与利手侧相对的光214的圆偏振光分量216反射回来。圆偏振光分量216穿过四分之一波长延迟器，变成线偏振光。线偏振光217穿过透明光源202，从镜子201反射出来。因为光源202为透明光源，所以，光217的偏振状态得以保留。光217的镜面反射保留了它的偏振。反射的线偏振光218穿过透明光源202。因为光源202是透明光源，所以，光218的偏振状态得以保留。而且，光218穿过四分之一波长延迟器202，在与光216相对的利手侧变成圆偏振光。圆偏振光219的利手为通过反射偏振器204来传播的方向。圆偏振光219穿过反射偏振器204。因此，从透明光源正面提取的光213被圆偏振化，并从反射偏振器204发出。

来自透明光源202背面的非偏振或部分偏振光205受到镜子201的反射，穿过透明光源202，发出非偏振或部分偏振光207。非偏振或部分偏振光207以类似的方式入射到四分之一波长延迟器203，到达从透明光源202正面发出的光213，经历与光213一样的类似转化，发出与光215相同的同一利手侧的圆偏振光208和圆偏振光212。因此，从透明光源202背面提取的光205被圆偏振化并从反射偏振器204发出。从透明光源202的两个面提取的光来自于圆偏振状态下的光源系统299。

图3A为偏振光源系统399的横截面的实例框图。光源系统399包含一个可能为任意反光镜(包括金属面)的镜子301、分布布拉格反射器、混合反射器、全内反射器、全方位反射器或散射反射器。四分之一波长延迟器302放置在镜子301的前面。明光源303放置在四分之一波长延迟器302的前面。透反射线偏振器304放置在透明光源303的前面。反射线偏振器304允许光的一个线偏振分量穿过它，而把光的垂直线偏振分量反射回去。在实际应用中，四分之一波长延迟器板302的光轴与该线偏振反射回的光的偏振方向成45度角。光源系统399是一种发出线偏振光的节能光源。

图3B为描述典型光线的偏振状态的光源系统399的横截面的实例框图。光可能从透明光源303的两个面发出。来自透明光源303正面的非偏振或部分偏振光312入射到反射偏振器304上。具有特殊偏振方向的光312的线偏振光分量313来自于反射偏振器304。具有与光313的偏振方向垂直的偏振方向的光312的线偏振光分量314被偏振器304反射回去。线偏振分量314穿过透明光源303。因为光源303是透明光源，所以，光314的偏振方向得以保留。而且，线偏振光314穿过四分之一波长延迟器302并被圆偏振化。圆偏振光315是从镜子301反射出的。具有与光分量315利手相对的利手的反射圆偏振光316穿过四分之一波长延迟器302，变成与光314的方面垂直的方向上的线偏振光。线偏振光317穿过透明光源103，入射到反射偏振器304上。因为光源303是透明光源，所以，光317的偏振状态得以保留。光317在通过反射偏振器304传播的方向上被线偏振化。光317穿过反射偏振器304。因此，从透明光源303正面提取的光312被线偏振化并从反射偏振器304发出。

来自透明光源303背面的非偏振或部分偏振光305穿过四分之一波长延迟器302，经镜子301反射后，再次穿过四分之一波长延迟器302并穿过透明光源303，发出非偏振或部分偏振光306。非偏振或部分偏振光306以类似的方式入射到反射偏振器304上，到达从透明光源303正面发出的光312。线偏振光307和线偏振光311在与光313相同的方向上被偏振化。因此，从透明光源303背面提取的光305被线偏振化并从反射偏振器304发出。从透明光303的两个面提取的光来自于线偏振状态下的光源399。

图4A为典型偏振光源499的横截面的实例框图。该装置包含一个可能为任意反光镜(包括金属面)的镜子401、分布布拉格反射器、混合反射器、全内反射器、全方位反射器或散射反射器。透明光源402放置在镜子401的前面。四分之一波长延迟器403放置在透明光源402的前面。反射线偏振器404放置在四分之一波长延迟器403的前面。反射线偏振器404允许光的一个线偏振分量穿过它，而把光的垂直线偏振分量反射回去。光源系统499是一种发出线偏振光的节能光源。

图4B为描述典型光线的偏振状态的典型装置499的横截面的实例框图。光可能从透明光源402的两个面发出。来自透明光源402正面的非偏振或部分偏振光413穿过四分之一波长延迟器403，形成非偏振或部分偏振光414。非偏振或部分偏振光414入射到反射偏振器404上。具有特殊偏振方向的光414的线偏振光分量415是通过反射偏振器404来传播的。具有与光分量415的偏振方向垂直的偏振方向的光414的线偏振光分量146被反射偏振器404反射回去。线偏振光分量146穿过四分之一波长延迟器403，变成圆偏振光。圆偏振光417穿过透明光源402并从镜子401反射出来。因为光源402是透明光源，所以，光417的偏振状态得以保留。光417的镜面反射保留了它的偏振状态。反射的圆偏振光418穿过透明光源402。因为光源402是透明的，光418的偏振状态得以保留。而且，反射的圆偏振光418穿过四分之一波长延迟器402，变成与光分量416的偏振方向垂直的偏振方向上的线偏振光。线偏振光419的偏振方向为通过反射偏振器404来传播的方向。线偏振光419穿过反射偏振器404。因此，从透明光源正面提取的光413被线偏振化并从反射偏振器404发出。

来自透明光源402背面的非偏振或部分偏振光405经镜子401反射，穿过透明光源402，产生非偏振或部分偏振光407。非偏振或部分偏振光407入射到四分之一波长延迟器403上，在与光415相同的方向上产生线偏振光408和线偏振光412。因此，从透明光源402背面提取的光405被线偏振化并从反射偏振器404发出。因此，从透明光源402的两个面提取的光来自于线偏振状态下的光源系统499。透明光源

图5A为典型透明光源599的实例框图。光源599主要是透明的，它包含个带核心504的光导506，核心504被低指数覆层503和505包裹。在实际应用中，覆层为空气或真空。核心504包含扩散器，该扩散器的光分散粒子分布稀疏。该扩散器由金属、有机、其它粉末或颜料组成，或者由透明粒子或气泡组成，它们通过反射、折射或散射来偏转光。线光源502阐释了来自507一端的光导。选择性反射器501把来自线光源502的光集中到光导506上。来自初始光源502的光穿过光导506，被分散到整个光导506上并从光导506射出。当从外面观察时，光导506主要是透明的。

图5B为典型透明光源599侧视图的实例框图。光源599主要是透明的，它由一个带核心504的光导506组成，核心504被低指数覆层503和505包裹。核心504包含扩散器，该扩散器的光分散粒子分布稀疏。线光源502阐释了来自507一端的光导。光穿过光导506，被分散到整个光导506上。选择性反射器501把来自线光源502的光集中到光导506上。

图6为透明光源的典型元件699的实例框图。核心元件699的厚度和宽度为核心的厚度和宽度，它的高度非常小。光600进入元件699。600的部分光被分散开来，作为照明光602离开光导，剩余的光604穿过后到达下一个核心元件。分散光602和继续进入下一个核心光件604的光的功率之和与所进入的光600的功率相匹配。光600进入元件699时的部分分散光602与元件699的高度之间的比率为元件699的体积消光系数。随着元件699高度的降低，体积消光系数趋于一个常数。在元件699中，元件699的体积消光系数包含了一种与扩散器分布密度的关系。该关系可以通过核心元件的扩散器分布密度来评价核心元件699的体积消光系数，反过来也是这样。

随着元件699高度的降低，分散光602的功率也会相应地减小。分散光602的功率与元件699的高度之间的比率为元件699处的分散光的线性辐射，随着元件高度的降低，该比率趋于一个常数。元件699处的分散光的线性辐射为体积消光系数与入射光(如，穿过元件的光的功率)功率的乘积。穿过元件699的光的功率梯度为分散光的线性辐射的负值。这两种关系给出了一个微分方程“dP/dh＝-qP＝-K”，其中，h为从放置初始光源附近的核心的一端到核心元件之间的距离；P为从元件导过的光的功率；q为元件的体积消光系数；K为元件处的分散光的线性辐射。

在给出体积消光系数的前提下，用该方程来计算各个元件处的分散光的线性辐射。在给出分散光的线性辐射的前提下，用该方程来计算各个元件的体积消光系数。要设计具有特殊分散光的线性辐射的特殊光源，就要通过求解上述微分方程来确定该光源各个元件处的体积消光系数。这样，就确定了该核心各个核心元件处的扩散器分布密度。在光导中使用该核心来提供对分散光的线性辐射有具体要求的光源。

如果核心内扩散器的分布密度均匀，则分散光的线性辐射会随着高度的降低呈指数下降。均匀的分散光的线性辐射可以通过选择扩散器的分布密度来进行估算，把功率从光源附近的边到其对边的下降幅度降到最小。要降低功率损耗，提高分散光功率的均匀度，就要通过对边把光反射到核心上。在可选实例中，另外一个光源把光投射到对边上。

要实现均匀照明，体积消光系数和扩散器的分布密度就必须在核心长度上有所变化。这可以通过上述方法来实现。所需的体积消光系数为q＝K/(A-hK)，其中，A为进入线光源604的光的功率，K为各个元件处的分散光的线性辐射，对于均匀照明而言，该辐射为一个常数。如果线光源的总高度为H，则H与K的乘积应小于A，即，分散光的总功率应小于进入光导的光的总功率。如果进入光导的光的全部功率都被用于照明，则H与K的乘积等于A。在典型光源中，H与K的乘积略小于A，只会浪费少量功率，体积消光系数也趋于最大。

图7为具有不同扩散器分布密度的典型光源799的实例图。从线光源柱704的光源端到其对端，扩散器702的分布密度由稀变稠。

图8为有两个光源的典型光源899的实例图。当使用光源808和809时，核心中的扩散器802的分布密度不需要发生巨大的变化。应利用上文列出的微分方程来分别计算光源808或809的分散光的线性辐射。这两个分散光的线性辐射之和就是特殊核心元件处的总分散光的线性辐射。

可以通过体积消光系数q＝1/sqrt((h-H/2^2+C/K^2))来实现光源899的均匀照明，其中，sqrt为平方根函数，^代表取幂，K为每个光源的平均分散光线性辐射(等于各元件处的总分散光线性辐射的一半)，h为核心元件的高度，H为光源的高度，C＝A(A-HK)。

图9为有一个反射式核心的典型光源999的实例图。当使用反射式核心904时，核心904中扩散器902的分布密度702就不需要发生巨大的变化。核心910顶端就成了镜子，把光反射到核心904上。在光源999中，实现均匀照明的体积消光系数为：q＝1/sqrt((h-H)^2+D/K^2)，其中，D＝4A(A-HK)。

对于上述任何系统(如，光源799，899和999)而言，即使光源的功率发生变化，光的发射形式均相同。例如，如果光源799的初始光源提供一半额定功率，则该核心的各元件就会发出一半的额定功率。在改变其光源的功率时，专门设计的用作均匀光源的光导核心在所有额定功率时都起均匀光源的作用。如果有两个光源，则它们的功率会相继发生变化，以达到其效果。

本发明公开了一种偏振光源。不言而喻，在此处描述实例的目的是进行解释说明，不应视为对本发明所涵盖内容的限制。对艺术领域的技术人员来说，与本发明的范围或精神相符的各种修改、使用、替换、重新组合、改进和生产方法都是显而易见的。

Claims (10)

1.装置的组成为：反射器，反射偏振器，反射器与反射偏振器之间的透明光源，反射器与反射偏振器之间的波长延迟器；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于反射偏振器为反射圆偏振器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于反射偏振器为反射线偏振器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于波长延迟器为四分之一波长延迟器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于波长延迟器放置在透明光源和反射器之间。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于波长延迟器放置在透明光源和反射偏振器之间。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于透明光源包含可变分布密度的扩散器。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于透明光源包含履层材料的一个或多个横截面。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于光源根据方程dP/dh＝-qP＝-K来提供分散光的线性辐射，其中，h为核心元件与初始光源之间的距离P为从核心元件导过的光的功率；q为核心元件的体积消光系数；K为分散光的线性辐射。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于光源提供了具有体积消光系数q＝1/sqrt((h-H/2)Λ2+C/KΛ2)的均匀照明，其中，sqrt为平方根函数，^代表取幂，H为光源的高度，h为核心元件的高度，C＝A(A-HK)。

Images