CN104035259A

CN104035259A - 提高向列型液晶光学快门透过率的方法

Info

Publication number: CN104035259A
Application number: CN201410314099.2A
Authority: CN
Inventors: 张军强; 颜昌翔; 刘伟; 李文岩
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2014-09-10

Abstract

本发明公开了一种提高向列型液晶光学快门透过率的方法，属于光学快门技术领域。解决了现有技术中向列型液晶光学快门打开透过率低的技术问题。本发明的方法是将入射光通过第一偏振分光立方棱镜进行正交偏振分解为偏振方向相互垂直的两条支路，第一振动支路经第一向列型液晶光学快门实现打开、闭合控制，第二振动支路经第二向列型液晶光学快门实现打开、闭合控制；第一振动支路出射光和第二振动支路出射光再经第二偏振分光立方棱镜整合成快门出射光。该方法操作简单、可靠实用，显著提高了向列型液晶光学快门的打开透过率，透过率可以提高1倍以上，可满足相机、投影仪、眼罩等光学仪器对高透过率、向列型液晶光学快门的需求。

Description

提高向列型液晶光学快门透过率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高向列型液晶光学快门透过率的方法，属于光学快门技术领域。

背景技术

液晶光学快门是一种基于偏光器向列型液晶(LC)的光学快门，通过外用驱动电压控制LC相位，进而控制透光率的光学快门。相比机械快门，向列型液晶光学快门完全无振动、无活动件，具有开闭速度快、对比度高、功耗低、小型化等优点，在相机、投影仪、眼罩等领域具有广泛的应用前景。

向列型液晶光学快门由位于交叉线性偏振片之间的偏振调制器构成，偏振调制器含一个或多个LC。应用驱动电压重调双折射LC分子，改变光通过LC时的相位延迟，这使得透射光通过完整快门结构时发生变化。以图1所示常闭型向列型液晶快门为例：(a)为常闭型向列型液晶光学快门的侧视图，(b)为常闭型向列型液晶光学快门内透光轴方向，第一透光轴方向3为入射面1一侧的偏振片透光轴方向，第二透光轴方向4为出射面2一侧的偏振片透光轴方向，通过调节电压幅度改变光通过LC时的相位延迟，进而在完全打开和关闭状态之间实现模拟灰度操作。

如图2所示，一束自然光5正入射到现有向列型液晶光学快门6时，由于线偏振片的作用，出射光7的能量至少损失50％；若再考虑偏振片、LC吸收的影响，现有技术条件下此类光学快门的打开透过率一般不高于40％，在需要高对比度的场合，能量损失甚至高达70％。

能量收集能力是评价相机、投影仪、眼罩等光学仪器指标的重要指标，打开透过率较低的问题严重制约着向列型液晶光学快门应用。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中向列型液晶光学快门打开透过率低的技术问题，提供一种提高向列型液晶光学快门透过率的方法。

本发明的提高向列型液晶光学快门透过率的方法，包括以下步骤：

步骤一、将入射光经第一偏振分光立方棱镜偏振分解为偏振方向相互垂直的两条支路，即第一振动支路和第二振动支路；

步骤二、第一振动支路经第一反射镜反射，得到折转第一振动支路，折转第一振动支路入射至第一向列型液晶光学快门使折转第一振动支路的偏振方向发生90°变化后，再经第二反射镜反射，得到折转第一振动支路出射光，所述折转第一振动支路出射光的偏振方向与第一振动支路的偏振方向相垂直；

第二振动支路入射至第二向列型液晶光学快门使第二振动支路的偏振方向发生90°变化，得到第二振动支路出射光；

步骤三、折转第一振动支路出射光和第二振动支路出射光经第二偏振分光立方棱镜整合，得到快门出射光。

进一步的，所述折转第一振动支路的偏振方向与第一振动支路的偏振方向相同。

进一步的，所述第一向列型液晶光学快门入射面的第一偏振透光轴方向与折转第一振动支路的偏振方向平行。

进一步的，所述第二向列型液晶光学快门入射面的第一偏振透光轴方向与第二振动支路的偏振方向平行。

进一步的，所述第一反射镜为平面反射镜或内反射直角棱镜。

进一步的，所述第二反射镜为平面反射镜或内反射直角棱镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在现有技术条件下，使用偏振分光立方棱镜、反射镜、向列型液晶光学快门等常规器件，基于偏振光学的基本理论，通过合理的光路布局，在保留原有向列型液晶光学快门快速变换的同时，保证较高的透过率。操作简单、可靠实用，显著提高了向列型液晶光学快门的打开透过率，透过率提高1倍以上，对应光学系统的信噪比将提高4倍以上，可满足相机、投影仪、眼罩等光学仪器对高透过率、向列型液晶光学快门的需求。

附图说明

图1中，(a)为现有技术中向列型液晶光学快门的侧视图，(b)为现有技术中向列型液晶光学快门偏振片透光轴方向示意图；

图2为现有技术中向列型液晶光学快门光路原理图；

图3为本发明的光路原理图；

图4为不同偏振态入射光在采用本发明的方法后的透过率；

1、入射面，2、出射面，3、第一偏振透光轴方向，4、第二偏振透光轴方向，5、自然光，6、现有向列型液晶光学快门，7、出射光，8、第一振动支路，9、第一反射镜，10、折转第一振动支路，11、第一向列型液晶光学快门，12、第一振动支路出射光，13、第二反射镜、14、折转第一振动支路出射光，15、入射光，16、第一偏振分光立方棱镜，17、第二振动支路，18、第二向列型液晶光学快门，19、第二振动支路出射光，20、第二偏振分光立方棱镜，21、快门出射光。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1-3所示，提高向列型液晶光学快门透过率的方法，包括以下步骤：

步骤一、入射光15经第一偏振分光立方棱镜16正交偏振分解为偏振方向相互垂直的两条支路，即第一振动支路8和第二振动支路17，本实施方式中，第一振动支路8为反射部分，第二振动支路17为透射部分，第一振动支路7的偏振方向为垂直方向，第二振动支路17的偏振方向为平行方向；

其中，入射光15可以为自然光、部分偏振光或线偏振光；

步骤二、第一振动支路8经第一向列型液晶光学快门11实现打开、闭合控制，第二振动支路17经第二向列型液晶光学快门18实现打开、闭合控制，具体为：

第一振动支路8经第一反射镜9折转，得到折转第一振动支路10，折转第一振动支路10入射至第一向列型液晶光学快门11，第一向列型液晶光学快门11入射面1的第一偏振透光轴方向3与折转第一振动支路10的偏振方向平行，第一向列型液晶光学快门11处于打开状态时，折转第一振动支路10经过第一向列型液晶光学快门11后偏振方向发生90°变化，得到第一振动支路出射光12，即当折转第一振动支路10的偏振方向为垂直方向时，第一振动支路出射光12的偏振方向转为平行方向，第一振动支路出射光12经第二反射镜13折转，折转后，得到折转第一振动支路出射光14，然后折转第一振动支路出射光14入射至第二偏振分光立方棱镜20；

其中，折转第一振动支路10的偏振方向可以与第一振动支路8相同，也可以与第一振动支路8不同，折转第一振动支路出射光14的偏振方向可以与第一振动支路出射光12的偏振方向相同，也可以与第一振动支路出射光12的偏振方向不同，但需通过调节第一反射镜9和第二反射镜13，保证折转第一振动支路出射光14的偏振方向与第一振动支路8的偏振方向相垂直；

第二振动支路17入射至第二向列型液晶光学快门18，第二向列型液晶光学快门18入射面1的第一偏振透光轴方向3与第二振动支路17的偏振方向平行，第二向列型液晶光学快门18处于打开状态时，第二振动支路17经过第二向列型液晶光学快门18后偏振方向发生90°变化，得到第二振动支路出射光19，第二振动支路出射光19的偏振方向与第二振动支路17的偏振方向相垂直，即当第二振动支路17的偏振方向为平行方向时，第二振动支路出射光19的偏振方向转为垂直方向，然后第二振动支路出射光19入射至第二偏振分光立方棱镜20；

步骤三、折转第一振动支路出射光14和第二振动支路出射光19的偏振方向仍相互垂直，折转第一振动支路出射光14经第二偏振分光立方棱镜20反射，第二振动支路出射光19经第二偏振分光立方棱镜20透射，两者整合为快门出射光21。

本发明的工作原理是利用偏振分光立方棱镜对入射光进行正交偏振分解，针对不同偏振方向的入射光，使用独立的向列型液晶光学快门实现每束偏振光的打开、闭合控制，每个向列型液晶光学快门入射面线偏振片的透光轴方向与入射光的偏振方向平行，进而提高相对透过率；向列型液晶光学快门出射光再经过第二块偏振分光立方棱镜实现偏振整合。

本实施方式中，第一偏振分光立方棱镜16和第二偏振分光立方棱镜20均为宽带偏振分光立方棱镜，可以选用PBS型的偏振分光棱镜，第一反射镜9、第二反射镜13均可以使用平面反射镜或者内反射直角棱镜，第一向列型液晶光学快门11和第二向列型液晶光学快门18为现有技术，结构如图1所示，可通过商购获得，既可以为常闭型向列型液晶光学快门，也可以是常开型向列型液晶光学快门，本实施方式选用瑞典LC-Tec公司FOS系列的向列型液晶光学快门。

以下通过公式计算采用本发明方法的快门透过率。

一般偏振分光立方棱镜的透过率T_p≥95％、反射率Rs≥99％，反射镜的反射率R≥99％，向列型液晶光学快门的透过率T≥90％。则入射光15的垂直分量和平行分量的透过率分别为：

一、入射光15的垂直分量的透过率

入射光15的垂直分量经过的光学器件依次为第一偏振分光立方棱镜16(R_s≥99％)、第一反射镜9(R≥99％)、第一向列型液晶光学快门11(T≥90％)、第二反射镜13(R≥99％)、第二偏振分光立方棱镜20(R_s≥99％)，等效透过率t_⊥≥86.5％；

二、入射光15的平行分量的透过率

入射光15的平行分量经过的光学器件依次为第一偏振分光立方棱镜16(T_p≥95％)、第二向列型液晶光学快门18(T≥90％)、第二偏振分光立方棱镜20(T_p≥95％)，等效透过率t_//≥81.2％；

所以，假设入射光15的垂直分量的能量百分比为x，则平行方向的能量百分比为1-x，则合成透过率为：

t＝0.865x+0.812(1-x)

＝0.053x+0.812

任意偏振态入射光15的合成透过率如图4所示。对于自然光，x＝0.5，t≥0.8385；对于部分偏振光，x＝0～1，t≥0.812～0.865；对于垂直线偏振光，x＝1，t≥0.865；对于平行线偏振光，x＝0，t≥0.812。

根据以上分析、计算结果可知，对于任意入射光，本发明提供的方法能将现有技术中向列型液晶光学快门透过率提高一倍，由现有的40％左右提高至80％以上，对应光学系统的信噪比将提高4倍以上，具有较好的经济和技术效益。

显然，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.提高向列型液晶光学快门透过率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将入射光(15)经第一偏振分光立方棱镜(16)分解为偏振方向相互垂直的两条支路，即第一振动支路(8)和第二振动支路(17)；

步骤二、第一振动支路(8)经第一反射镜(9)反射，得到折转第一振动支路(10)，折转第一振动支路(10)入射至第一向列型液晶光学快门(11)使折转第一振动支路(10)的偏振方向发生90°变化后，再经第二反射镜(13)反射，得到折转第一振动支路出射光(14)，所述折转第一振动支路出射光(14)的偏振方向与第一振动支路(8)的偏振方向相垂直；

第二振动支路(17)入射至第二向列型液晶光学快门(18)使第二振动支路(17)的偏振方向发生90°变化，得到第二振动支路出射光(19)；

步骤三、第二偏振分光立方棱镜(20)将折转第一振动支路出射光(14)和第二振动支路出射光(19)整合，得到快门出射光(21)。

2.根据权利要求1所述的提高向列型液晶光学快门透过率的方法，其特征在于，所述折转第一振动支路(10)的偏振方向与第一振动支路(8)的偏振方向相同。

3.根据权利要求1所述的提高向列型液晶光学快门透过率的方法，其特征在于，所述第一向列型液晶光学快门(11)入射面(1)的第一偏振透光轴方向(3)与折转第一振动支路(10)的偏振方向平行。

4.根据权利要求1所述的提高向列型液晶光学快门透过率的方法，其特征在于，所述第二向列型液晶光学快门(18)入射面(1)的第一偏振透光轴方向(3)与第二振动支路(17)的偏振方向平行。

5.根据权利要求1所述的提高向列型液晶光学快门透过率的方法，其特征在于，所述第一反射镜(9)为平面反射镜或内反射直角棱镜。

6.根据权利要求1所述的提高向列型液晶光学快门透过率的方法，其特征在于，所述第二反射镜(13)为平面反射镜或内反射直角棱镜。