CN102722034A - 偏振分光装置及相关光源 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种偏振分光装置及相关光源，该偏振分光装置包括色轮，该色轮包括第一区域，第一区域设置有功能材料；层叠固定在色轮出光侧的线栅偏振片，包括与色轮对应的圆形区域，该圆形区域包括与第一区域对应的第一偏振段，第一偏振段设置有第一金属线阵列，第一金属线阵列呈以该圆形的圆心为中心的放射状，或者呈该圆形的多个同心圆状；驱动装置，用于驱动色轮与线栅偏振片沿圆心转动。本发明实施例能够实现偏振分光装置在转动过程中出射偏振光。
Description
技术领域
本发明涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种偏振分光装置及相关光源。
背景技术
目前，固态光源由于其长寿命、环保等特点，已经在通用照明、特种照明和投影显示中得到了广泛的应用。其中，白光固态光源在照明领域更是有着巨大的发展潜力。
美国专利7547114提出一种光源结构，如图1所示，该光源结构包括激发光源100、聚焦透镜102以及转轮104。转轮104被分成多个分区，每个分区包含一种波长转换材料。激发光源100发出的激发光经聚焦透镜102聚焦在转轮104的波长转换材料上，该波长转换材料吸收该激发光并产生受激发光。转轮104绕其转轴A转动，随着转轮的转动，该光源结构产生一个由不同受激发光组成的多色光序列。
由于波长转换材料产生的受激发光为非偏振光，因此上述专利还提出另一种光源结构。如图2所示，矩形移动模板130替代了图1中的转轮104。矩形移动模板130线性振动，并沿其线性振动方向分为3个分区，每个分区分别包含波长转换材料110R、110G、110B。四分之一波片132层叠固定在波长转换材料110R、110G、110B上，反射偏光器128层叠固定在四分之一波片132上。反射偏光器128为各处偏振方向一致(即各处偏振方向平行)的线偏振片，随着移动模板130的线性振动，反射偏光器128出射一个由不同受激发光组成的多色偏振光序列，因此该光源结构可应用于需要出射偏振光的技术领域。但是，波长转换材料上固定反射偏光器以出射偏振光的技术无法应用于图1所示的光源结构中，原因如下：若将反射偏光器128层叠固定在转轮104上，该反射偏光器128将随着转轮104一起旋转，在旋转的过程中，光源出射光的偏振态会随着反射偏光器的转动而不断变化，亦即同一周期中不同时刻的出射光的偏振态都是不一样的，因此，从转轮104的一个运动周期来看，光源的出射光无偏振态，即反射偏光器失去了作用。
针对上述反射偏光器无法应用于图1所示的光源结构的技术问题，中国专利101923223A提出一种偏振光源，该偏振光源与图1所示光源的区别之处在于：该偏振光源还包括固定装置以及固定在固定装置上的反射偏光器，转轮相对于固定装置具有转动状态，反射偏光器靠近转轮上波长转换材料的出光侧。由于在转轮转动过程中反射偏光器始终保持静止，因此反射偏光器能够出射稳定的偏振光。
在对现有技术的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：上述偏振光源中，由于与反射偏光器靠近的转轮在转动过程中会有振动现象，因此转轮与反射偏光器之间不能靠得太近，否则偏光器会被转轮打到而损坏。但是转轮与反射偏光器之间又不能离得太远，否则转轮上波长转换材料出射的光落在反射偏光器的光斑会太大，从而导致偏振出射光的亮度过低。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种偏振分光装置及相关光源，该偏振分光装置在转动过程中能够出射偏振光。
本发明实施例提供一种偏振分光装置，包括：色轮，该色轮包括第一区域，第一区域设置有功能材料；层叠固定在色轮出光侧的线栅偏振片，包括与色轮对应的圆形区域，该圆形区域包括与第一区域对应的第一偏振段，第一偏振段设置有第一金属线阵列，第一金属线阵列呈以该圆形的圆心为中心的放射状，或者呈该圆形的多个同心圆状；驱动装置，用于驱动色轮与线栅偏振片沿圆心转动。
本发明实施例还提供一种偏振分光装置，包括：线栅偏振片，包括具有一圆形区域，该圆形区域包括设有第一金属线阵列的第一偏振段，第一金属线阵列呈以该圆形的圆心为中心的放射状，或者呈该圆形的多个同心圆状；驱动装置，用于驱动线栅偏振片沿圆心转动。
本发明实施例还提供一种光源，包括上述偏振分光装置。
与现有技术相比，本发明实施例包括如下有益效果：
本发明实施例中，偏振分光装置的线栅偏振片的第一金属线阵列呈以圆形的圆心为中心的放射状，或者呈该圆形的多个同心圆状，因而在驱动装置驱动该线栅偏振片沿该圆心转动时，线栅偏振片的每个位置转到光斑处时的偏振方向都大致等于该光斑处的周向或径向，因而偏振分光装置能够出射偏振方向大致等于该光斑处的周向或径向的偏振光。
附图说明
图1是现有专利7547114的光源结构的一个实施例的结构示意图；
图2是现有专利7547114的光源结构的另一实施例的侧视图；
图3是本发明实施例中偏振分光装置的一个实施例的侧视图；
图4是图3所示实施例中色轮的俯视图；
图5是图3所示实施例中线栅偏振片的俯视图；
图6是图5所示线栅偏振片的替换实施例的俯视图；
图7是图4所示色轮的替换实施例的俯视图；
图8是图4所示色轮的替换实施例的俯视图；
图9是本发明实施例中偏振分光装置的另一实施例的结构示意图；
图10是图9所示实施例中色轮的俯视图；
图11是图9所示实施例中线栅偏振片的俯视图；
图12a与图12b分别是本发明实施例中偏振分光装置的另一实施例的色轮及线栅偏振片的俯视图；
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。
实施例一
请参阅图3、图4及图5，图3是本发明实施例中偏振分光装置的一个实施例的侧视图，图4是图3所示实施例中色轮的俯视图，图5是图3所示实施例中线栅偏振片(wire grid polarizer)的俯视图。如图3所示，偏振分光装置300包括色轮310、线栅偏振片320以及驱动装置330。
如图4所示，色轮310呈圆心为O的圆形，色轮310包括第一区域311，第一区域311在本实施例中具体呈与该圆形同心的环状。容易理解的是，第一区域311在其它实施例中也可以呈其它任意形状。第一区域311设置有功能材料。功能材料可以为波长转换材料、散射材料、滤光片、透明片等。例如，第一区域可以设置有能将蓝光转换为红光的红光波长转换材料，或者是对光线进行散射的散射颗粒，或者是只透射红光的滤光片，或者是能够让光线透过的普通玻璃片。最常用的波长转换材料是荧光粉，例如钇铝石榴石(YAG)荧光粉，它可以吸收蓝光并受激发射黄色的受激光。波长转换材料还可能是量子点、荧光染料等具有波长转换能力的材料，并不限于荧光粉。本实施例中，第一区域311的功能材料具体为黄光荧光粉。
此外，本实施例中，色轮310具体为透射式色轮，即色轮310的出光方向与入光方向相同。优选地，色轮310的入光侧设有透射激发光反射黄光的滤光片，以提高色轮310的出光率。当然，色轮310也可以为反射式色轮，即色轮310的出光方向与入光方向相反。
线栅偏振片属于线偏振片的一种，它是通过在透明基板上设置由多条金属线组成的金属线阵列形成透明及反射的线栅，相邻金属线之间的间隔很小，为纳米级；入射至线栅偏振片的光中，只有垂直于金属线阵列走向的振动方向的光能量能够透过线栅偏振片，此为公知技术，此处不作赘述。
如图3与图5所示，线栅偏振片320层叠固定在色轮310的出光侧。线栅偏振片320包括与色轮310对应的圆形区域，该圆形区域包括与第一区域311对应的第一偏振段321，即第一偏振段321呈与第一区域311相同的与上述圆形同心的环状。第一偏振段321设有第一金属线阵列3211。本实施例中，第一金属线阵列3211呈以上述圆形的圆心O为中心的放射状。
如图3所示，驱动装置330用于驱动色轮310与线栅偏振片320沿圆心O转动。驱动装置330可以与色轮310固定连接，也可以与线栅偏振片320固定连接。本实施例中，驱动装置具体为马达，该马达的转轴与色轮固定连接。
假设有一束蓝色激发光A从色轮310的左边入射色轮的第一区域311，由于色轮310在驱动装置330下转动，所以激发光A在第一区域311形成的光斑沿圆形路径作用于第一区域311。第一区域311的黄光荧光粉将蓝光转换为黄光，该黄光从色轮310的右边出射至线栅偏振片320的第一偏振段321。如图5所示，色轮310出射往线栅偏振片320的黄光落在第一金属线阵列3211的长方形光斑为S。由于第一金属线阵列3211呈以圆心O为中心的放射状，且相邻金属线之间的间隔很小，因此光斑S内的各金属线可以近似为平行线；又由于第一金属线阵列呈圆周对称的放射状，所以第一金属线阵列3211每时刻转至光斑S处的各金属线分布都相同，因此第一金属线阵列3211每时刻转至光斑S处的各金属线均只透射近似垂直于该平行线的偏振方向(以下简称第一偏振态)的黄色偏振光，从而使得线栅偏振片的第一偏振段321在转动过程中能够出射第一偏振态的偏振光P。
并且，第一金属线阵列3211每时刻转至光斑S处的各金属线均反射近似平行于上述平行线的偏振方向(以下简称第二偏振态)的黄色偏振光，因此，第一偏振段321在转动过程中均反射第二偏振态的黄光至色轮310。由于黄光荧光粉具有散射光的特性，第二偏振态的黄光的偏振态经黄光荧光粉散射而被消除，即第二偏振态的黄光被黄光荧光粉转换为非偏振态光，因此该非偏振态光被反射回线栅偏振片320时会有50％得以利用，即成为第一偏振态的黄光并出射，从而使得偏振分光装置300能够出射较多的偏振光。
现有技术中，偏振分光装置的各处偏振方向平行，因而在转动过程中出射光的偏振方向会不断改变，即同一周期中不同时刻的出射光的偏振态都是不一样的，因此转动中的偏振分光装置的出射光无偏振态，即偏振分光装置中的偏振片无法出射偏振光。本实施例中，偏振分光装置的线栅偏振片的第一金属线阵列呈以圆形的圆心为中心的放射状，因而在驱动装置驱动该线栅偏振片沿该圆心转动时，线栅偏振片的每个位置转到光斑处时的偏振方向都大致等于该光斑处的周向，因而偏振分光装置能够出射偏振方向大致等于该周向的偏振光。
实施例二
请参阅图6，图6是图5所示线栅偏振片的替换实施例的俯视图。如图6所示，本实施例与图5所示实施例的区别之处在于：线栅偏振片620的第一偏振段621的第一金属线阵列6211呈上述圆形的多个同心圆状。由于第一金属线阵列6211的相邻金属线之间的间隔很小，因此光斑S内的各金属线可以近似为平行线；又由于第一金属线阵列6211呈圆周对称的同心圆状，所以第一金属线阵列6211每时刻转至光斑S处的各金属线分布都相同，因此第一金属线阵列6211每时刻转至光斑S处的各金属线均只透射近似垂直于该平行线的偏振方向(第二偏振态)的黄色偏振光，从而使得线栅偏振片的第一偏振段621在转动过程中能够出射第二偏振态的偏振光。
实施例三
请参阅图7，图7是图4所示色轮的替换实施例的俯视图。如图7所示，本实施例与图4所示实施例的区别之处在于：色轮710的第一区域711包括第一色段7111，设有第一波长转换材料；第二色段7112，设有第二波长转换材料；第三色段7113，设有第三波长转换材料。具体地，第一、第二、第三色段分别设有能将激发光波长转换为红光、绿光及蓝光的波长转换材料。并且，第一区域711的各色段均呈扇环形，并沿色轮所呈圆形的周向分布。
在本实施例中，激发光可以为紫外光或近紫外光。假设激发光入射色轮的第一区域711，则色轮在驱动装置的驱动下转动，并依序出射红光、蓝光及绿光至线栅偏振片，线栅偏振片依序出射红色、绿色及蓝色的偏振光。值得说明的是，第一色段7111也可以改设散射材料，此时激发光可以为蓝色激光二极管LD(Laser Diode)或蓝色发光二极管(LED，Light Emitting Diode)，以使得线栅偏振片依序出射红色、绿色及蓝色的偏振光。
容易理解的是，第一区域711也可以包括其它数量的色段，例如两段、四段或五段，并且，各色段也可以设置其它功能材料，例如散射材料、滤光片或透明片等。
实施例四
请参阅图8，图8是图4所示色轮的替换实施例的俯视图。如图8所示，本实施例与图7所示实施例的区别之处在于：色轮810的第一区域的第一色段(红色色段)8111、第二色段(绿色色段)8112及第三色段(蓝色色段)8113均呈与色轮所呈圆形同心的环形，并沿该圆形的径向分布。
实施例五
请参阅图9-11，图9是本发明实施例中偏振分光装置的另一实施例的结构示意图，图10是图9所示实施例中色轮的俯视图，图11是图9所示实施例中线栅偏振片的俯视图。如图9所示，偏振分光装置900包括色轮910、线栅偏振片920及驱动装置930。
本实施例与图4所示实施例的区别之处包括：
(1)色轮910为反射式色轮，即色轮的入光方向与出光反向相反，入光侧与出光侧相同。由于线栅偏振片需设置于色轮的出光侧(入光侧)，因此激发光A要通过线栅偏振片920入射色轮910，因此本实施例优选适用于激发光为符合线栅偏振片920的偏振方向的偏振光的应用场景，例如符合线栅偏振片920偏振方向的紫外激光。
(2)如图10所示，色轮910除了包括第一区域911之外，还包括设置有功能材料的第二区域912。具体地，第一区域911与第二区域912呈相邻的与色轮所呈圆形同心的两个环状，分别为两个相邻的内环与外环。第一区域911包括红色色段9111、绿色色段9112及蓝色色段9113，第二区域912包括红色色段9121、绿色色段9122及蓝色色段9123，第一区域与第二区域的各色段均呈扇环形，且第一区域911与第二区域912的相同颜色的色段相对圆心呈0度设置。
(3)如图11所示，与色轮910对应，线栅偏振片920除了包括第一偏振段921之外，还包括与色轮910的第二区域912对应的第二偏振段922，并且，第一偏振段921与第二偏振段922分别呈与第一区域911与第二区域912相同的环状。第二偏振段922设置有第二金属线阵列9221。并且，第一偏振段921的第一金属线阵列9211呈以圆心O为中心的放射状，第二偏振段922的第二金属线阵列9221呈色轮所呈圆形的多个同心圆状。
假设有一束紫外激光A入射至色轮910，该激光落在色轮的光斑S同时覆盖第一区域911与第二区域912，那么，依照图5与6所示实施例的描述，本实施例中，线栅偏振片920的第一偏振段921将依序出射第一偏振态的红光、绿光及蓝光；第二偏振段922将依序出射第二偏振态的红光、绿光及蓝光，因此偏振分光装置900将逆着激光入射方向依序出射第一(第二)偏振态的红光、第一(第二)偏振态的绿光及第一(第二)偏振态的蓝光，图中用P标示偏振分光装置900出射的偏振光。
容易理解的是，只要第一金属线阵列9211与第二金属线阵列9221的分布不同，则可以使得线栅偏振片能够出射两种偏振光。因此在其它实施例中，线栅偏振片920也可以改为第一偏振段921的第一金属线阵列9211呈色轮所呈圆形的多个同心圆状，而第二偏振段922的第二金属线阵列9221呈以圆心O为中心的放射状。
实施例六
请参阅图12a与图12b，图12a与图12b分别是本发明实施例中偏振分光装置的另一实施例的色轮及线栅偏振片的俯视图。本实施例与图9所示实施例的区别之处在于：
(1)如图12a所示，色轮1210的第一区域1211与第二区域1212均呈扇环形，并组成与色轮所呈圆形同心的环状。第一区域1211包括红色色段1213、绿色色段1214及蓝色色段1215，第二区域1212包括红色色段1216、绿色色段1217及蓝色色段1218，两个区域的每个色段均呈扇环形，且第一区域1211与第二区域1212的相同颜色的色段相对圆心呈180度设置。
(2)如图12b所示，与色轮1210对应，线栅偏振片1220的第一偏振段1221与第二偏振段1222分别呈与第一区域1211、第二区域1212相同的扇环形。第一偏振段1221的第一金属线阵列1223呈以圆心O为中心的放射状，第二偏振段1222的第二金属线阵列1224呈色轮所呈圆形的多个同心圆状。
假设有一束紫外激光A入射至色轮1210，随着色轮的转动，该激光落在色轮的第一区域1211与第二区域1212的光斑沿圆形路径作用于色轮，那么，依照图5与6所示实施例的描述，本实施例中，线栅偏振片1220的第一偏振段1221将依序出射第一偏振态的红光、绿光及蓝光；第二偏振段922将依序出射第二偏振态的红光、绿光及蓝光，偏振分光装置将逆着激光入射方向依序出射第一偏振态的红光、第一偏振态的绿光、第一偏振态的蓝光、第二偏振态的红光、第二偏振态的绿光及第二偏振态的蓝光，图中用P标示偏振分光装置1200出射的偏振光。
此处需要说明的是，在图9与图12所示实施例中，色轮的第一区域与第二区域也可以包括不同数量的色段，各色段的功能材料也可以不同。例如，第一区域包括红光、绿光及蓝光波长转换材料，第二区域包括蓝光散射材料和黄光波长转换材料。此外，色轮的第一区域与第二区域均可以只有一个色段，例如第一区域与第二区域分别只有一个红色色段与绿色色段。在第一区域与第二区域均只有一个色段时，第一区域与第二区域的色段优选设置相同的功能材料，例如均设置黄光荧光粉，以便线栅偏振片能够同时或依序出射两种偏振态的黄光。
实施例七
上述偏振分光装置均包括色轮，事实上，色轮只是可转动的线栅偏振光所应用的一种场景。只要转动的线栅偏振片具有上述圆周对称分布的金属线阵列，则线栅偏振片能够在转动时出射偏振光。因此，本发明实施例还提供偏振分光装置的另一实施例，该偏振分光装置包括：
线栅偏振片，包括一圆形区域，该圆形区域包括设有第一金属线阵列的第一偏振段，第一金属线阵列呈以该圆形的圆心为中心的放射状，或者呈该圆形的多个同心圆状；驱动装置，用于驱动线栅偏振片沿该圆心转动。
第一偏振段可以呈任意形状。优选地，第一偏振段呈与上述圆形同心的环状。上述圆形区域还可以包括设有第二金属线阵列的第二偏振段，第二金属线阵列呈以上述圆形的圆心为中心的放射状或者呈该圆形的多个同心圆状，且与第一金属线阵列不同，以便线栅偏振片能够出射两种偏振光。并且，第一偏振段与第二偏振段可以呈相邻的与上述圆形同心的两个环状，以便线栅偏振片在转动时能够同时出射两种偏振光；或者，第一偏振段与第二偏振段也可以均呈扇环形，并组成与上述圆形同心的环状，以便线栅偏振片在转动时能够依序出射两种偏振光。
本发明实施例还提供一种光源，该光源包括偏振分光装置，该偏振分光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。
本发明实施例中的偏振分光装置可以应用于投影系统，例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)或数码光路处理器(DLP，Digital LightProcessor)投影机；也可以应用于照明系统，例如汽车照明灯；也可以应用于3D显示技术领域中。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (16)
1.一种偏振分光装置，其特征在于，包括：
色轮，该色轮包括第一区域，第一区域设置有功能材料；
层叠固定在所述色轮出光侧的线栅偏振片，包括与所述色轮对应的圆形区域，该圆形区域包括与第一区域对应的第一偏振段，第一偏振段设置有第一金属线阵列，第一金属线阵列呈以该圆形的圆心为中心的放射状，或者呈该圆形的多个同心圆状；
驱动装置，用于驱动所述色轮与线栅偏振片沿所述圆心转动。
2.根据权利要求1所述的偏振分光装置，其特征在于，所述功能材料包括波长转换材料或散射材料。
3.根据权利要求1所述的偏振分光装置，其特征在于，第一区域与第一偏振段均呈与所述圆形同心的环状。
4.根据权利要求3所述的偏振分光装置，其特征在于，第一区域至少包括：
第一色段，设有第一波长转换材料和/或散射材料；
第二色段，设有第二波长转换材料。
5.根据权利要求4所述的偏振分光装置，其特征在于，第一区域的各色段均呈扇环形，并沿所述圆形的周向分布；或者，第一区域的各色段均呈环形，并沿所述圆形的径向分布。
6.根据权利要求1所述的偏振分光装置，其特征在于，色轮还包括第二区域，第二区域设置有功能材料；
所述圆形区域还包括与第二区域对应的第二偏振段，第二偏振段设置有第二金属线阵列，第二金属线阵列呈以该圆形的圆心为中心的放射状或者呈该圆形的多个同心圆状，且与第一金属线阵列不同。
7.根据权利要求6所述的偏振分光装置，其特征在于，第一区域与第二区域呈相邻的与所述圆形同心的两个环状。
8.根据权利要求7所述的偏振分光装置，其特征在于，第一区域与第二区域均包括红色色段、绿色色段及蓝色色段，且第一区域与第二区域的相同颜色的色段相对所述圆心呈0度设置。
9.根据权利要求6所述的偏振分光装置，其特征在于，第一区域与第二区域均呈扇环形，并组成与所述圆形同心的环状。
10.根据权利要求9所述的偏振分光装置，其特征在于，第一区域与第二区域均包括红色色段、绿色色段及蓝色色段，且第一区域与第二区域的相同颜色的色段相对所述圆心呈180度设置。
11.根据权利要求6所述的偏振分光装置，其特征在于，第一区域与第二区域均只有一个色段，且第一区域与第二区域的色段设置相同的功能材料。
12.一种偏振分光装置，其特征在于，包括：
线栅偏振片，包括具有一圆形区域，该圆形区域包括设有第一金属线阵列的第一偏振段，第一金属线阵列呈以该圆形的圆心为中心的放射状，或者呈该圆形的多个同心圆状；
驱动装置，用于驱动所述线栅偏振片沿所述圆心转动。
13.根据权利要求12所述的偏振分光装置，其特征在于，第一偏振段呈与所述圆形同心的环状。
14.根据权利要求12所述的偏振分光装置，其特征在于，所述圆形区域还包括设有第二金属线阵列的第二偏振段，第二金属线阵列呈以该圆形的圆心为中心的放射状或者呈该圆形的多个同心圆状，且与第一金属线阵列不同。
15.根据权利要求14所述的偏振分光装置，其特征在于，第一偏振段与第二偏振段呈相邻的与所述圆形同心的两个环状；或者，
第一偏振段与第二偏振段均呈扇环形，并组成与所述圆形同心的环状。
16.一种光源，其特征在于，包括如权利要求1至15中任一项所述的偏振分光装置。
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