CN115903357A - 一种变焦偏振转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变焦偏振转换系统，根据入射光孔径角和第一透镜组的焦距确定准直光束直径，根据出射光孔径角和准直光束直径获取可变焦透镜组中两子透镜组之间的距离。准直光束依次被偏振转换模块中若干个偏振分光斜面反射后，半波片将准直光束中第一或第二偏振光转化为第二或第一偏振光后出射至可变焦透镜组。可变焦透镜组透射出射光后，经光积分器匀光，在光积分器的出射端透射出满足出射光孔径角大小的第一或第二偏振光。优点是在不使用光阑、透镜列阵、偏振转换列阵的条件下实现了一种方式简单，装配灵活的偏振转换系统，能够根据所需的出射光孔径角对光路中光学元件调节，应用于不同孔径角要求的光路系统中。

Description

一种变焦偏振转换系统

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种变焦偏振转换系统。

背景技术

在投影系统中，为满足偏振光照明条件，通常在投影系统中采用偏振器件将光源系统发射的非偏振光转换为偏振光。

结构最简单的偏振器件是线偏振片。当一束自然光或者多偏振态的光经过线偏振片时，只能通过一个振动方向的光，而吸收其它振动方向的光，从而大大地降低了透过偏振片的光能，一般来说，透过率低于50％。

随着技术的发展，出现了其它形式的偏振转换器件。图1是一种典型的偏振转换阵列。图1包括若干用于遮挡部分入射光的光阑11，若干与光阑11配套的半波片12。光阑11和半波片12之间由多个上下端面平行的斜方棱镜胶合而成的偏振器件主体连接。在胶合的斜面上镀有偏振分光膜，使得入射到该镀膜面的S偏振态的光被反射，而P偏振态的光被透射。在斜方棱镜的下端面，对应于透射P偏振态光的区域放置半波片，使得P偏振态被转换成S偏振态，从而使得透过偏振转换阵列的光都是S偏振态。当一束自然光I₀垂直入射到该偏振转换阵列上时，其偏振转换的光路如图1所示。为了有效地输出S偏振态的光，入射到相邻斜方棱镜上的光束I₁和I₂必须被光阑11挡住。因此，当一束准直的入射光通过这样的偏振转换系统时，能量利用率仍然低于50％。

如图2所示，为了提高这种偏振转换器件的能量利用率，通常采用透镜阵列与之匹配使用。其中1a为透镜阵列，2a为图1所示的偏振转换阵列。透镜阵列将入射的准直光汇聚到偏振转换阵列的透光区域，然后经过镀有偏振分光膜的胶合面，S偏振态的光被2次反射后出射，而P偏振态的光被透射，继而被半波片转换成S偏振态的光后透射出来。

图3为图2中偏振转换器件相邻两个单元的光路示意图。由于透镜阵列的汇聚作用，入射到偏振转换器件上的光束具有孔径角μ。当制作斜方棱镜的玻璃折射率为n，中心光线I₀在斜面上的入射角为i₀时，则光线I₁在斜面上的入射角为：

光线I₂在斜面上的入射角为：

当u＝40°，n＝1.5168，i₀＝45°时，i₁＝58.03°，i₂＝31.97°，由于偏振镀膜具有角度特性，当入射角度偏离设计入射角度大约5度以上时，镀膜曲线将发生明显的位移，从而造成偏振分光膜的消光比迅速下降。一般当入射角度偏离25度时，偏振镀膜的消光比将出现指数级的变化，使得出射的偏振光不纯而降低了光能的利用率。

另外，为了避免产生杂光，还必须在透镜阵列前使用光阑片来挡住相邻小透镜的边界。光阑的引入进一步地降低了光能的利用率。如图4所示，其中1b为透镜阵列，2b为偏振转换器件，3b为透镜阵列的光阑片。

现有的偏振转换器件，不管是使用单个偏振片还是偏振转换阵列，偏振转换效率和能量利用率都很低。如图4所示的偏振系统不仅加工、安装对准工艺复杂，而且还需要使用多个光阑片来提高偏振转换的效率，从而浪费了大量的光能。对于输出亮度要求高的投影设备尤其是3D投影设备，急需一种高效的偏振转换系统来达到高亮度的偏振输出。

所以如何能够提供一种能够提高入射光利用率的偏振系统成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种变焦偏振转换系统，用以解决现有技术中偏振转换器件结构复杂、偏振转换效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案提供了一种变焦偏振转换系统，其特征在于，它包括：第一透镜组、偏振转换模块、半波片、可变焦透镜组、光积分器；根据入射光孔径角和第一透镜组的焦距确定准直光束直径h。准直光束依次被偏振转换模块中若干个偏振分光斜面反射后，半波片将准直光束中第一偏振光转化为第二偏振光后出射至所述可变焦透镜组；或，在偏振转换模块将第一偏振光直接透射后，半波片将准直光束中第二偏振光转化为第一偏振光后出射至可变焦透镜组。根据出射光孔径角u′和准直光束直径h获取可变焦透镜组中两子透镜组之间的距离，距离与可变焦透镜组中的第一子透镜组的焦距f₁、第二子透镜组的焦距f₂满足函数关系：

其中，f为可变焦透镜组的焦距；d为两子透镜组之间的距离。

第一偏振光或第二偏振光从可变焦透镜组出射后经光积分器匀光后，在光积分器的出射端透射一出射光孔径角为u′的第一偏振光或所述第二偏振光。

作为上述技术方案的优选，较佳的，根据入射光孔径角和第一透镜组的焦距确定准直光束直径，包括：第一透镜组具有焦距f₃，当汇聚点在第一透镜组焦点上时，入射光孔径角为u的光束透过偏振转换模块时，产生的准直光束直径h为:

作为上述技术方案的优选，较佳的，准直光束依次被所述偏振转换模块中偏振分光斜面反射，包括：所述准直光束入射至第一偏振斜面，第一偏振光束依次被所述第一偏振斜面和所述第二偏振斜面反射后，被所述半波片透射，所述第一偏振光被转换为第二偏振光，从所述偏振转换模块透射。

作为上述技术方案的优选，较佳的，半波片将准直光束中第一偏振光转化为第二偏振光后出射至所述可变焦透镜组，包括：所述准直光束中的第二偏振光从所述第一偏振斜面透射出后偏振态保持不变。

作为上述技术方案的优选，较佳的，准直光束依次被所述偏振转换模块中偏振分光斜面反射，包括：准直光束入射至第一偏振斜面，所述准直光束中的第一偏振光被所述第一偏振斜面和所述第二偏振斜面依次反射后，透射出所述偏振转换模块，在此过程中所述第一偏振光的偏振态不变。

作为上述技术方案的优选，较佳的，准直光束中的第二偏振光从所述第一偏振斜面透射出后，射入所述半波片，其偏振态被转换为第一偏振光，准直透射出所述偏振转换模块。

作为上述技术方案的优选，较佳的，根据出射光孔径角u′和所述准直光束直径h获取所述可变焦透镜组中两子透镜组之间的距离，包括：

其中出射光孔径角u′随着所述距离d的减小而减小。

作为上述技术方案的优选，较佳的，光积分器为空心导光棒，其内表面镀有反射膜。

本发明技术方案提供了一种变焦偏振转换系统，根据入射光孔径角和第一透镜组的焦距确定准直光束直径，进一步根据出射光孔径角和准直光束直径获取可变焦透镜组中两子透镜组之间的距离。准直光束依次被偏振转换模块中若干个偏振分光斜面反射后，半波片将准直光束中第一或第二偏振光转化为第二或第一偏振光后出射至可变焦透镜组。可变焦透镜组透射出射光后，经光积分器匀光，在光积分器的出射端透射出满足出射光孔径角大小的第一或第二偏振光。

本发明的优点是在不使用光阑、透镜列阵、偏振转换列阵的条件下提供了一种实现方式简单，装配灵活的偏振转换系统：入射光束以准直的方式直接通过偏振分光膜或半波片实现对偏振态的维持或改变，输出与后续光学系统偏振态匹配的出射光束。本发明能够根据所需的出射光孔径角大小对光路中光学元件进行调节，能方便地应用于不同孔径角要求的光路系统中。本方案避免了大光束孔径角造成偏振消光比的降低，提高了偏振转换效率和光能利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明背景技术中提供的第一种偏振转换器件的结构示意图。

图2为本发明背景技术中提供的第二种偏振转换器件的结构示意图。

图3为图2所示的偏振转换器件相邻两个单元的光路示意图。

图4为本发明背景技术中提供的第三种偏振转换器件的结构示意图。

图5为本发明技术方案第一实施例的结构示意图。

图6为本发明技术方案第二实施例的结构示意图。

图7为本发明技术方案中变焦透镜组的结构示意图。

图8为图7所示的变焦透镜组在变焦过程中的结构示意图一。

图8a为图7所示的变焦透镜组在变焦过程中的结构示意图二。

图9为本发明技术方案第一应用场景的结构示意图。

图10为本发明技术方案第二应用场景的结构示意图。

图11为本发明技术方案第三应用场景的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先对本发明技术方案如何放置偏振转换光学器件的方法进行说明：

步骤101、获取准直光束直径h。

具体的，当孔径角为u的入射光的汇聚点位于第一透镜组焦点上时，其产生的准直光束直径h：

其中，f₃为第一透镜组的焦距，u为入射光孔径角。

设置与准直光束直径h匹配的偏振转换模块2，以实现偏振转换模块2对入射光的偏振态进行改变。

步骤102、根据出射光孔径角u′获取可变焦透镜组内两个子透镜组之间的距离d。

参考图7、图8和图8a，第一子透镜组L1的物方焦点为F1，像方焦点为F′1，焦距为f₁；第二子透镜组L2，其物方焦点为F2，像方焦点为F′2，焦距为f₂。F′1与F2的距离为d。

其中，f₁为第一子透镜组L1的焦距、f₂为第二子透镜组的焦距。第一子透镜组L1和第二子透镜组L2均可由1个到多个单透镜或胶合透镜组成。

具体的，调节第一子透镜组L1和第二子透镜组L2之间的间隔d能够调节该可变焦透镜组的组合焦距f，从而改变出射光的孔径角，反之，也能够根据出射光的孔径角改变间隔d。变焦透镜组的组合焦距与两个子透镜组的间隔d的关系为：

出射光的孔径角u′随着间隔d的减小而减小，出射光束的孔径角u′和入射光束的孔径角u的关系为：

根据上述计算结果将第一透镜组1、偏振转换模块2、半波片3、可变焦透镜组4和光积分器5依次排列以实现后述的各实施例。

在按照步骤101、102提供的方法放置各光学元件后，结合具体实施例对本发明技术方案进一步说明：

在本发明后续实施例中，第一偏振光为：S偏振态的光，后续简称S偏振光；第二偏振光为：P偏振态的光，后续简称为P偏振光。

如图5所示，

一束孔径角为u的光，其汇聚点位于第一透镜组1的焦点上，经过第一透镜组1后，被准直后出射为直径为h/2的准直光束，进入偏振转换模块2。

偏振转换模块2由多个三棱体状的偏振转换组件组成，其斜面上镀有偏振分光膜。

在第一实施例中，准直光束首先入射至第一斜面S1上，准直光束中S偏振态的光依次被第一斜面S1和第二斜面S2反射后，射入半波片3，其偏振态被半波片3由S偏振态被转换成P偏振态。呈P偏振态的光准直地透射出偏振转换模块2至可变焦透镜组。

在原准直光束中呈P偏振态的光透过斜面后，其偏振态保持P偏振态，直接准直地透射出偏振转换模块2至可变焦透镜组4。这两束P偏振态的光透过偏振转换模块2被可变焦透镜组4透射后，汇聚于可变焦透镜组4的焦点上，形成具有孔径角u′的光束，射入空心的光积分器5中。为了较佳地保持光束偏振态，该光积分器5的内表面镀有反射膜，反射膜优选为高保偏反射膜。经过光积分器5的匀光作用，在其出射端透射出一束有孔径角为u′、一定光斑尺寸的P偏振光。

如图6所示的第二实施例中，入射光的孔径角为u，其汇聚点位于第一透镜组1的焦点上，经过第一透镜组1后，被准直后出射为直径为h/2的准直光束，进入偏振转换模块2。准直光束首先入射至第一斜面S1上，准直光束中S偏振态的光依次被第一斜面S1和第二斜面S2反射后，从偏振转换模块2上透射，偏振态保持不变。准直光束中P偏振态的光透射出第一斜面S1后射入半波片3，其偏振态由P偏振态被半波片3转换成S偏振态，转换后的S偏振态的光透射出偏振转换模块2。这两束S偏振态的光均准直地透射出偏振转换模块2，入射进可变焦透镜组4。

这两束S偏振态的光汇聚于可变焦透镜组4的焦点上，形成具有孔径角u′的光束，射入空心的光积分器5中。与第一实施例相同，为了较佳地保持光束偏振态，该光积分器5的内表面同样镀有高保偏反射膜。经过光积分器5的匀光作用，在其出射端透射出一束有孔径角为u′、一定光斑尺寸的S偏振光。本发明中提及的高保偏反射膜指的是：针对从变焦透镜组出射光束的偏振方向而设计的高反膜。

为了进一步说明本发明的技术方案，现结合具体实施场景进行说明：

第一应用场景，如图9所示：

第一光源模块LS1和第二光源模块LS2各发出波长不同的两束非偏振光。这两束非偏振光均准直入射到镀有波长选通薄膜的元件SP上，使得第一光源模块发出的光被反射，第二光源模块发出的光被透射。然后经透镜组L1聚焦后形成一个孔径角u的入射光束射入本发明提出的可变焦偏振转换系统，具体的：

当需要从变焦偏振转换系统出射P偏振光时，根据上述实施例一提供的实施方式，根据光积分器5需要的出射孔径角u′，调节可变焦透镜组4中第一子透镜组L1的像方焦点F′1与第二子透镜组L2的物方焦点F2之间的距离d，使得从第二子透镜组L2出射孔径角为u′的、呈P偏振态的出射光束。

当需要从变焦偏振转换系统出射S偏振光时，根据上述实施例二提供的实施方式，根据光积分器5需要的出射孔径角u′，调节可变焦透镜组4中第一子透镜组L1的像方焦点F′1与第二子透镜组L2的物方焦点F2之间的距离d，使得从第二子透镜组L2出射孔径角为u′、呈S偏振态的出射光束。

此出射光束再经过后续系统的汇聚透镜组，将出射光束投射到成像器件M上，为其提供一个偏振的照明。这里的成像器件M可以是透射式液晶板。成像器件M上产生的图像可以直接通过镜头LN投影到屏幕上，也可以经过偏振片P1，使得出射的偏振光偏振度更高，然后再经过镜头投影出去。

第二应用场景，如图10所示：

呈S偏振态或P偏振态的出射光束的产生过程与第一应用场景的描述相同，在此不再复述。此出射光束再经过后续系统的汇聚透镜组，将出射光束投射到成像器件M上，为其提供一个偏振的照明。这里的成像器件M是反射式成像器件，例如：反射式液晶板(LCOS)、数字微镜器件(DMD)。成像器件M上产生的图像可以直接通过镜头LN投影到屏幕上，也可以经过偏振片P1，使得出射的偏振光偏振度更高，然后再经过镜头投影出去。

第三应用场景，如图11所示：

呈S偏振态或P偏振态的出射光束的产生过程与第一应用场景的描述相同，在此不再复述。此出射光束再经过后续系统的汇聚透镜组，将出射光束投射到成像器件M上，为其提供一个偏振的照明。这里的成像器件M是反射式成像器件，例如：反射式液晶板(LCOS)、数字微镜器件(DMD)。成像器件M上产生的3D图像可以经过偏振片P1，使得出射的偏振光偏振度更高，然后经过一个时序变化的动态偏振器件P2，再经过镜头LN投影出去。使得从镜头透射的光的偏振态交替为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。观众佩戴3D偏振眼镜就可以观看立体影像。

本发明提供的技术方案实现了：在不使用光阑、透镜列阵、偏振转换列阵的条件下：入射光束以准直的方式直接通过偏振分光膜或半波片实现对偏振态的维持或改变，输出与后续光学系统偏振态匹配的出射光束。而且本发明技术方案能够根据所需的出射光孔径角大小对光路中光学元件进行调节，能方便地应用于不同孔径角要求的光路系统中。不仅避免了复杂的加工、安装对准工艺，而且避免了大光束孔径角造成偏振消光比的降低，提高了偏振转换效率和光能利用率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种变焦偏振转换系统，其特征在于，它包括：第一透镜组、偏振转换模块、半波片、可变焦透镜组、光积分器，

根据入射光孔径角和第一透镜组的焦距确定准直光束直径h；

准直光束依次被所述偏振转换模块中若干个偏振分光斜面反射后，所述半波片将准直光束中第一偏振光转化为第二偏振光后出射至所述可变焦透镜组；或，在所述偏振转换模块将所述第一偏振光直接透射后，所述半波片将所述准直光束中第二偏振光转化为第一偏振光后出射至所述可变焦透镜组；

根据出射光孔径角u′和所述准直光束直径h获取所述可变焦透镜组中两子透镜组之间的距离，所述距离与可变焦透镜组中的第一子透镜组的焦距f₁、第二子透镜组的焦距f₂满足函数关系：

其中，f为所述可变焦透镜组的焦距；d为两子透镜组之间的距离。

所述第一偏振光或所述第二偏振光从可变焦透镜组出射后经所述光积分器匀光后，在所述光积分器的出射端透射一出射光孔径角为u′的所述第一偏振光或所述第二偏振光。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据入射光孔径角和第一透镜组的焦距确定准直光束直径，包括：

所述第一透镜组具有焦距f₃，当汇聚点在第一透镜组焦点上时，入射光孔径角为u的光束透过所述偏振转换模块时，产生的准直光束直径h为:

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直光束依次被所述偏振转换模块中偏振分光斜面反射，包括：

所述准直光束入射至第一偏振斜面，第一偏振光依次被所述第一偏振斜面和所述第二偏振斜面反射后，被所述半波片透射，所述第一偏振光被转换为第二偏振光，从所述偏振转换模块透射。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述半波片将准直光束中第一偏振光转化为第二偏振光后出射至所述可变焦透镜组，包括：所述准直光束中的第二偏振光从所述第一偏振斜面透射出后偏振态保持不变。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直光束依次被所述偏振转换模块中偏振分光斜面反射，包括：

所述准直光束入射至第一偏振斜面，所述准直光束中的第一偏振光被所述第一偏振斜面和所述第二偏振斜面依次反射后，透射出所述偏振转换模块，在此过程中所述第一偏振光的偏振态不变。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述准直光束中的第二偏振光从所述第一偏振斜面透射出后，射入所述半波片，其偏振态被转换为第一偏振光，准直透射出所述偏振转换模块。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据出射光孔径角u′和所述准直光束直径h获取所述可变焦透镜组中两子透镜组之间的距离，包括：

其中出射光孔径角u′随着所述距离d的减小而减小。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光积分器为空心导光棒，其内表面镀有反射膜。

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