CN1161086A - 偏振元件 - Google Patents

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Abstract

偏振元件(1)具有第一层(3)和第二层(5)。当非偏振光入射到元件(1)上时，非偏振光中至少一个偏振分量的方向将受到第一层(3)的影响。这些偏振分量具有不同的偏振方向。第二层影响入射到其上的偏振光方向。偏振旋转层(7)设置在第一层(3)和第二层(5)之间。通过这种元件(1)，非偏振光可实际上完全转化成具有偏振方向大体一致的偏振光。

Description

偏振元件
本发明涉及一种偏振元件，该元件具有影响入射到元件上的非偏振光束中至少一个偏振分量方向的第一层，其偏振分量具有不同的偏振方向。
本发明还涉及一种图象投影仪，在该投影仪中，按照本发明至少有一个围绕图象显示板的偏振器作为偏振元件的第一层或第二层，并且还涉及一种第一偏振器或图象显示板，和用偏振器与检偏器做为偏振元件的图象投影仪。
欲起偏非偏振光，可利用任何类型的起偏器。最为广泛了解的一种是吸收无用方向偏振光的吸收偏振器。此种偏振器的缺点是非偏振光大约50％的能量被损失。并且例如在图象投影仪中，当采用高能量辐射源时起偏器可能会被严重地加热，这会对制造起偏器的材料有害，并导致起偏器的损坏。为了尽可能地去除这种发热的有害影响，配置了一种昂贵的冷却系统，该系统又严重地影响了装置的紧凑性。
另一种类型的起偏器是一种例如在英国专利申请GB2166562中所描述的偏振元件。该申请中描述的偏振元件包括一含有液晶材料区域和透明各向同性材料在层平面所在方向上交替出现的区域的层，由此形成的结构可做为一个衍射光栅。液晶材料分子主轴的取向平行于衍射光栅的槽。通过在形成衍射光栅的衬底之间设置电极，液晶分子的取向以及由此入射到元件上的光束的衍射方向可发生改变。这种偏振器透过需要的方向上的光，而从光路上偏折无用方向的光。
这种偏振器损坏的可能性很小，因为无用方向上的光不再被偏振器吸收。但这种偏振器仍然存在一个缺陷，即入射到元件上的非偏振光其能量的一半都因无用方向的偏振光从原光束中折射而损失。当这种元件用于期望图象具有高亮度的装置中如图象做为偏振器时，仍希望使用高强度的光源。但是，这种光源要耗用较大的电流量并在装置中散发较多的热量，因此仍需要采取冷却措施。
本发明的一个目的是提供一种偏振元件，在该装置中非偏振光的大分量被转化成具有合适方向的偏振光，而由于发热使元件损坏的可能性很小，不需特别的冷却措施，此外，元件非常平展，使得采用该元件的装置采用非常紧凑的形式。
为此，本发明的偏振元件之特点在于元件还有一个影响入射到其上的至少一束偏振光方向的第二层，以及一个至少放置在偏振光路径中的偏振旋转层。
一非偏振光束被第一层分解为两束具有不同偏振方向的组份，并以不同的方向传播。光束组份的轴因而有轻微的分歧。
第二层又使这种分歧减小，从而使得最大量的光束落在设置在元件之后的光学组件的孔径内。
在偏振旋转层中，至少一束光组份的相位被延迟，使得相关分量的偏振方向转过一个给定的角度。如果非偏振光被第一层分解成两个互相垂直的偏振光束，并且如果这两束中的一束旋转90°，则透过偏振旋转层的光束分量实际上将有相同的偏振方向。
因为起偏元件的这三个组份只吸收不明显的光量，这实际上就是没有因发热而损坏元件的危险，并且非偏振光的大分量被转化成具有相同偏振方向的偏振光。因此，不需要用特别高强度的光源和采取特别的冷却措施。
本发明偏振元件的第一个实施例之特点在于，偏振旋转层设置在第一层和第二层之间。
第一层把非偏振光分解成两束沿不同方向传播的偏振光。这两个偏振分量照射到能确保离开此层的分量具有相同偏振方向的偏振旋转层上。随后光束被第二层会聚。
本发明偏振元件另一个实施例的特点在于，第一层和第二层按照第一和第二区域的依次在上述层所在的平面方向上交替地设置，并且其中一个区域中包括折射率为no和ne的双折射材料，另一个区域包括折射率为np的各向同性材料，其中no＝np或ne＝np。
共同构成入射到第一层的第一和第二区域界面上光的光分量，其偏振方向可通过选择用于第一或第二区域的材料而加以影响，折射率no或ne中的一个等于邻近区域中各向同性材料的折射率np。例如，如果no＝np，则正常光在第一和第二区域之间界面处的折射率将不会有任何不同并且继续无折射地通过，而具有垂直于透过光束的偏振方向的光即非常光将受到折射。发生折射的角度由第一和第二区域折射率的差别决定。如果ne＝np，非常光将无折射地穿过相关的层，而正常光将被折射。
入射光传播的初始方向与折射方向的夹角由下式给出：
  γ＝acos(αne/(npcosα))+α-90°
在此，α是第一层的法线方向和该层中第一第二区域之间界面所成的角。
第二层的第一第二区域界面处以类似的方式发生折射。第一第二区域的选择使得在偏振方向被偏振旋转层旋转的光束分量被第二层折向未折射光束。
在这种情况中偏振旋转层仅对其中一个偏振光束作用。其它的光束无折射地通过。
本发明偏振元件另一个实施例的特点在于，no，1＝np，1适用于第一层，并且第一层分子的主轴位于第一层的平面内，并平行于第一和第二区域的垂直方向。
本发明偏振元件另一个实施例的特点在于，no，2＝np，2适用于第二层，并且第二层分子的主轴垂直于第二层的平面。
如果np＝no与上述的第一第二层中分子的取向等条件结合，可实现正常光通过而非常光被折射。
如果np＝ne并且第一层和第二层中分子的主轴垂直于前述的取向，非常光将通过而正常光将被第一和第二层折射。
本发明偏振元件另一个实施例的特点在于，偏振旋转层包括单轴取向的分子，沿分子在旋转层上取向的轴在第一层上的投影实际上平行于第一层的分子主轴。
偏振旋转层此种方式的设置，使得垂直入射的偏振光保持其偏振方向，并且以非垂直角度入射的偏振光的偏振方向发生旋转。
这一点通过把单轴取向分子的轴定位在与该层的正方向成θ角的平面上来实现。沿偏振旋转层分子的轴的投影与第一层中分子的主轴方向一致。非垂直入射的光线以相对于方向为γ角的方向折射。θ角度值、厚度d和偏振旋转层材料的折射率之差值等由γ决定。这三个参数确定了相关的偏振分量偏振方向所转过的角度。通过最优化地选取这三个参数可获得90度的旋转。
本发明偏振元件另一个实施例的特点在于，旋转偏振层包括单轴取向的分子，这些分子的取向轴在该层平面上，而该层相对于第一层倾斜一个角度，故该层上单轴分子的轴以该角度在第一层上的投影实际上平行于第一层分子的主轴。
单轴分子的轴的取向不与层的正方向夹θ角，则分子可位于层平面上，而该层本身倾斜一θ角。
本发明偏振元件另一个特别实施例的特点在于，旋转偏振层是一个液晶层，它按矩阵的形式被分成能够独立驱动并因而构成显示板的单元。
非常光和正常光的方向被第一层彼此分开。通过向液晶矩阵的象素施加一电场，可确保每个象素的两个偏振方向各自保持自己的偏振方向。接下来，为了会聚光束分量的轴，每个偏振分量入射到一个在入射方向上无限制让两分量之一通过而限制另一个的第二层上。结果是一个象素束包含两个实际上互相平行的分离的偏振分量。
如果不向液晶矩阵的象素施加电场，被第一层分解的非偏振光的两个偏振分量在象素位置其偏振方向旋转90°，并再构成两个互相垂直的偏振分量，甚至被第二层进一步折射。至此，产生两个方向夹角大于0°的偏振分量。
本发明偏振元件另一实施例的特点在于，第二层是一个对偏振不敏感的折射层。
非偏振光被第一层分解为两相互垂直偏振的光束分量。一离开第一层，这两分量即构成一角度。两光束中其中一束的光路位于第二平面，与入射到平面上的偏振分量的偏振方向无关，第二平面将此光束分量折射到平行于无限制通过第一层的光束分量。其后，在折射光束的光路上或未折射光束的光路上设置偏振旋转元件，以使得两光束的偏振方向彼此相同。以这种方式可获得偏振方向大致相同的平行光束。
偏振旋转元件和第二层的顺序可以互换，因为第二层的折射与偏振无关。
本发明如上所述可实现偏振分量分解的偏振元件另一个实施例特点在于，第一层和第二层作为第一和第二区域的连续在上述层所在的平面方向上交替地设置，并且其中一个区域中包括折射率为no和ne的双折射材料，另一个区域包括折射率为np的各向同性材料，其中no＝np或ne＝np，其特点还在于第二层包括一种各向同性材料。
本发明的各个方面从以下对实施例的描述得以阐明。
在附图中：
图1a和1b是本发明偏振元件实施例的透视图；
图2a和2b是非偏振光入射到包含液晶材料的偏振旋转层元件的透过本发明的偏振元件的光路示意图。
图3是本发明偏振元件的示意图，其中第二层与偏振无关；
图4是图象投影仪的示意图，图中图象显示板的偏振器或图象显示板本身作为本发明的偏振元件；
图1a中所示的偏振元件1有一个第一层3和一个第二层5。第一层3影响共同构成入射到元件1上非偏振光b的分量之一的方向，第二层5依据光的偏振方向影响入射到该层上的偏振分量的方向。此外，偏振旋转层7设置在第一层3和第二层5之间。
第一层3包括第一区域9和第二区域11。这两个区域中有一个区域例如第一区域9包括一种具有正常折射率no，1和非常折射率ne，1的双折射材料。然后，第二区域就包括一种折射率为np，1的各向同性的材料。当一非偏振光b入射到第一层3上时，如果no，1＝np，1，正常光在第一和第二区域的界面4处将不会发生折射率的变化，并因而无折射地通过。这些光线共同构成第一光束分量b1。但非常光将因为ne，1≠np，1而经受折射率的不同，并因此相对于正常光而发生折射。这些光线共同构成光束分量b2。图中只画出了主光线。第一层上的入射光方向和折射方向所夹的角度由下式给出：
γ＝acos(ne，1/(np，1cosα))+α-90°
其中α是第一层和该层第一和第二区域的界面4正方向的夹角。
被分解成偏振方向互相垂直的两分量b1，b2的光束b，入射到偏振旋转层7上，该光束由主光线上的双箭头表示。偏振旋转层7包括单轴分子。所给光束分量的偏振方向转过的角度，由沿层7中分子轴向相对于该层正方向的夹角(θ)、层7的厚度和在该层内的折射率Δn决定。如果两光束b1，b2互相垂直偏振，并且偏振旋转层导致非垂直入射其上的光线旋转90°，侧穿过偏振旋转层后光束分量具有大致相同的偏振方向。但是，光束的轴将仍然发散。通过使这些光束分量相继地入射到与第一层3类型基本相同的第二层5上，可减轻发散，使得光束的整个孔径减小。为此目的，第二层5也由第一区域10和第二区域12构成。例如第一区域10包括折射率为no，2和ne，2的双折射材料，第二区域包括一种折射率为np，2的各向同性材料。第一和第二层的双折射材料可以相同但也可不同。对于no,2＝np，2正常光在界面6处的折射率无任何不同并因而无折射地通过，而此时非常光被折射。通过使该层中分子的主轴取向垂直于层平面，非常光将折射到正常光方向，换言之，光束各分量将会聚。
如果在第一层3中np＝no，第一层3中双折射材料的分子主轴位于第一层3的平面上平行于区域9、11的纵向，并且如果在第二层5中np＝no，第二层5中双折射材料的分子主轴垂直于此第二层的平面，则层3、和层5将透过正常光、折射非常光。该实施例示于图1a。
如果np＝ne，第一层3中双折射材料的分子主轴位于第一层3的平面上但垂直于槽的纵向，并且如果在第二层5中np＝ne，第二层5中双折射材料的分子主轴垂直于此第二层的平面，则非常光将透过这两层而正常光将被折射。该实施例示于图1b。
第一第二层结合的可能性不受上述实施例的局限。但所述的实施例相对较易制作。对于第一层3可保持np＝no，反之，对于第二层5可保持np＝ne。
为了让偏振旋转层7把入射到其上的光的偏振方向转动一角度，沿偏振旋转层7取向的单轴分子的轴，其投影应与第一层3中双折射材料的分子主轴一致。
折射率no和ne以及第一层3的角度α确定了γ这一由折射后的偏振分量b2和正在行进的偏振分量b1围成的角度。根据γ值，角度θ和厚度d以及所需的偏振旋转层7的折射率之差Δn可以确定。通过这些参数的最优化选取，可实现让一个偏振分量偏振方向不受影响地通过，而另一偏振分量的偏振方向将旋转90°。
不用单轴分子的取向轴与垂直于偏振旋转层7的平面夹θ角，分子轴可交替地位于层7平面上，该层可倾斜一θ角度。
位于第一和第二区域3，5、10，12之间的界面4，6结合构成一平面，平面形状例如可以是正弦波形，锯齿波形，Z字结构或方块形等。Z字结构在行进的光束两侧产生未被折射的分量和折射的分量。但锯齿结构是非对称的，并产生一个行进的光束及一个折射的光束。
第一层3例如可通过蚀刻单晶硅片或在一衬底上机械刻槽从而在硅片或衬底上提供一个光栅形状来制作。接着此衬底可在一种双折射材料中复制。特别适合通过这种技术制作上述偏振元件的双折射材料公知的是一种例如公开在欧洲专利申请EP0213680(PHN11.472)中的各向同性网格以及公开在欧洲专利申请EP0451905(PHN13.299)中的各向同性胶体。当使用同样适合的LC聚合物或olygomers、定向的聚合物和轻质玻璃形状的液晶材料时，可直接将所需的结构压入材料中(模压的聚合物)。当使用各向同性的晶体时，机械设置该结构。
图2a和2b是偏振元件的一个实施例。其中，偏振旋转层7包括一种液晶材料，图中还示出了正常光和非常光对受激励的单元(a)和未受激励单元(b)的照射。例如，单元包括其间设置有LC材料的两个玻璃板。透明电极如ITO设置在LC侧边的每个玻璃衬底上。
基于TN(扭曲向列相)效应，STN(超扭曲向列相)效应或铁电效应的材料可用于该单元。这些材料的每一种都能够导致90°的旋转。第一层3和第二层5可按以下使用。
当非偏振光b入射到第一层3上时，将被分解成互相垂直偏振的两分量b1和b2，其传播方向构成角。图2对在非激励状态下引起偏振旋转的单元进行解释。
当电场施加到液晶上时，可保证每个偏振分量在其通过液晶层7时偏振的方向维持不变。两个不同的偏振分量b1和b2相继以不同的角度入射到第二层5上，在那里其中一束偏振光如b2被折射到平行于在那里的另一个偏振光。平行光b’由彼此分离的偏振光束构成。
如果没有电场施加到液晶材料上，被第一层3分解的两偏振分量b1和b2将分别旋转90°。结果是两分量仍然互相垂直。但是b1的偏振方向是b2的原始偏振方向，反之亦然。结果是平常光b1和非常光b2彼此折射分开。
用液晶材料作为偏振旋转层的偏振元件可用作一个图象显示板。液晶矩阵中的每个象素最好对应于由第一和第二层中的区域9，11；10，12形成的结构的半周期。通过向象素提供图象信息，偏振光束的偏振方向被偏振旋转层在此象素位置转过的角度可以确定。在偏振元件第二层的折射将随这个角度有所不同，并且无用的光线以所述的方式从光路中被反射掉，如美国专利US-A4,613,207。以这种方式，不需要的光线将不会到达投影透镜，并得到灰度阶。
图3是本发明偏振元件的另一实施例。第一层3与上述的第一层作用类似。第二层5为各向同性。这一层的折射与偏振无关，以致层5可设置在偏振旋转层7的前和后。非偏振光b入射到第一层3上被分解成两互相垂直偏振的分量b1和b2。第二层5再使受折射的光b2重新平行于另一分量b1。确保b2偏振方向转变成b1偏振方向的偏振旋转层7设置在b2的光路中。在激励或非激励状态，偏振旋转层例如可以是λ/2波片或可使偏振方向旋转90°的液晶单元。从而形成一个基本上具有相同偏振方向的平行光束。
图4是一个图象投影仪15，其中图象显示板21的起偏器17作为本发明的偏振元件。检偏器19可类似地用作图1a和1b中偏振元件的第一和第二层。从光源23发出的光通过会聚透镜入射到图象显示板21之前的偏振器17上。如果采用传统的偏振器，大约有50％的光被吸收并仅有所需方向偏振的光透向图象显示板21。如果起偏器17用作本发明的偏振元件，则无用方向的偏振光不再被吸收，但首先被从所需的偏振方向中折射分离，接着其偏振方向旋转并再相对于入射方向折射，以致于光源出射的最大光量在适当的偏振方向入射到图象显示板上。在这种情况中偏振元件实际上用做预起偏器。光束的偏振方向根据被显示的图象由图象显示板21调制。然后调制光束入射到检偏器19上。如果检偏器类似地用作图1a或1b中偏振元件的第一和第二层，则不用于形成图象的光将不被吸收但将从光路中被折射掉。为简单起见，来自检偏器19的光通向由单透镜27代表的投影透镜系统，被转换到图象中。以这种方式用同样的光源可获得更高的图象亮度，因为光源发出的更多的光用于形成图象。
图象投影仪的另一个实施例是带有偏振器的图象显示板和检偏器以类似于权利要求7中所述的偏振元件的方式相接合的仪器，在该仪器中偏振旋转层7由液晶构成，液晶层则以矩阵的形式分划为可被独立驱动的单元并作为象素。偏振元件在此同时作为偏振器和调制器使用。

Claims (13)

1.一个具有影响入射到元件上的包含不同偏振分量的非偏振光中至少一个偏振分量方向的第一层的偏振元件，其特征在于元件还包括影响入射到其上的至少一个偏振束的第二层，和一个至少设置在偏振光束之一条光路上的偏振旋转层。
2.根据权利要求1所述的偏振元件，其特征在于偏振旋转层设置在第一和第二层之间。
3.根据权利要求1或2所述的偏振元件，其特征在于第一和第二层作为在层所在方向上交替设置的第一和第二区域的联结，其中一个区域包括折射率为no和ne的双折射材料，另一个区域包括折射率为np的各向同性材料，其中no＝np或ne＝np。
4.根据权利要求3所述的偏振元件，其特征在于对于第一层no，1＝np，1，还在于第一层分子的主轴位于第一层的平面上并平行于第一和第二区域的纵向。
5.根据权利要求3或4所述的偏振元件，其特征在于对于第二层no，2＝np，2，还在于第二层分子的主轴垂直于第二层的平面。
6.根据权利要求1至5所述的偏振元件，其特征在于偏振旋转层包括单轴取向分子，其中偏振旋转层上的分子取向轴在第一层上的投影，大致平行于第一层分子的主轴。
7.根据权利要求1至5所述的偏振元件，其特征在于偏振旋转层包括单轴取向分子，并且这些分子的取向轴位于偏振旋转层平面上，该平面相对于第一层倾斜一角度，其上单轴分子的轴在第一层上的投影大致平行于第一层的分子主轴。
8.根据权利要求1至5所述的偏振元件，其特征在于偏振旋转层是一个以矩阵的形式分割成可被独立驱动的单元并因而构成图象显示的液晶层。
9.根据权利要求1所述的偏振元件，其特征在于第二层是一个对偏振不敏感的折射层。
10.根据权利要求9所述的偏振元件，其特征在于第一层作为在层所在方向上交替设置的第一和第二区域的联结，其中的一个区域包括折射率为no和ne的双折射材料，另一个区域包括折射率为np的各向同性材料，其中no＝np或ne＝np，并且第二层包括一种各向同性材料。
11.一种图象投影装置，包括一个提供光束的连续照明系统，一个包含位于第一偏振器之后和第二偏振器之前的光激活材料的图象显示板，和一个投影透镜系统，其特征在于第一偏振器的使用同于权利要求1至7，9或10中任何一个中所述的偏振元件。
12.一种图象投影装置，包括一个提供光束的连续照明系统，一个包含位于第一偏振器之后和第二偏振器之前的光激活材料的图象显示板，和一个投影透镜系统，其特征在于两偏振器中的至少一个其使用同于权利要求1至10中任何一个中所述的偏振元件的第一或第二层。
13.一种图象投影装置，包括一个提供光束的连续照明系统，一个包含位于第一偏振器之后和第二偏振器之前的光激活材料的图象显示板，和一个投影透镜系统，其特征在于图象显示板和第一第二偏振器一起用做权利要求8中所述的偏振元件。
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