CN1662840A - 偏振光照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种偏振光照明装置，特别地包括：一个光源(1)；一个从光源(1)接受光线(10)并在至少两个相对表面(35，36)上将其至少反射两次的Fresnel－Rhomb型光偏振装置(3)；一个反射偏光器(6)，其位置对着该Fresnel－Rhomb偏振装置的输出面(31)以接受该反射光，以便使线性偏振光在第一方向中通过并反射任何其它偏振的光；一个反射装置(44)，其位于所述偏振装置(3)与所述光源(1)之间，以使光线(10)通过而反射由反射偏光器(6)反射的光。本发明适用于液晶显示器，用于照亮液晶管。

Description

偏振光照明装置
技术领域
本发明涉及一种偏振光照明装置。例如，它可应用于要求作用偏振光的空间光调制器的照亮。
背景技术
实际上，一些装置是利用在单个方向中线性偏振的光工作的。例如，使用液晶调制器以使信息与/或图像显示的液晶显示器就是如此。
在这种系统中，可以采用多种解决方案。可以使用偏振光源(激光)，但它必须提供很好的偏振稳定性并提供足够的烛光。
也可以使用一种非偏振光，但在这种情形中，所述光的两种偏振必须被分离。在第一方向偏振的光可以被直接或几乎直接地使用。为了避免失去在垂直于第一方向的第二方向偏振的光所携带的能量，从而避免仅使用一半的光源功率，该光需进行处理以旋转其偏振90°，从而使其变得在第一方向中偏振。
为此，一种称为λ/4极板的装置被定位在要进行处理的光的通路上，其效果是将这种光的偏振旋转90°。在本领域内，已知这种λ/4极板可以采用聚合材料薄膜的形式，但这种薄膜存在受热变型的缺点，例如对于液晶显示器，需要相当大的能量，以观看屏幕。这种λ/4极板也可以采用石英极板。然而，这种装置存在消色的缺点，而对于彩色系统，这是一个严重的缺陷。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有温度稳定特性且不导致或实际上不导致彩色失真的照明装置。
因此，本发明涉及一种偏振光照明装置，它包括：
-一种发出第一光束的光源，
-一个Fresnel-Rhomb(菲涅耳斜方系)型光偏振装置，该装置经输入面接受由所述光偏振装置的至少两个相对表面反射的第一光束，并经过输出面提供至少第二光束；
-一个反射偏光器，其位置对着该Fresnel-Rhomb型光偏振装置的输出面以接受第二光束，以便使该线性偏振光在第一方向中通过而反射其它任何方式偏振的光；
-一个反射装置，其位于偏振装置的输入面与光源之间，以使所述第一光束穿过而反射被该反射偏光器反射的光。
根据本发明的一种示列性实施方式，该照明装置还包括：
-第一光导，它具有：一个设计接收所述第一光束的输入面；一个其光轴垂直于所述输入面、压在Fresnel-Rhomb偏振装置的输入面上的输出面；该第一光导的截面与输入面的表面尺寸近似相同，
-和一个第二光导，它具有：一个压在Fresnel-Rhomb偏振装置的输出面上的输入面；和一个向所述反射偏振器发射从所述光源接收的光的输出面；其中：所述第二光导的光轴垂直于Fresnel-Rhomb偏振装置的输出面；且该第二光导的截面与输入面的表面尺寸近似相同。
根据本发明的一种实施方式，所述光导其中之一或两个都用作光累积器。
所述Fresnel-Rhomb偏振装置的输出面可以被制造具有类似于要由所述光照装置照亮的表面的形状。由于Fresnel-Rhomb偏振装置具有矩形或正方形截面，所述光导优选具有矩形或正方型截面。
以下设置也可以分开或组合使用：
-所述反射偏光器的定位面对所述第二光导的输出面；
-所述反射偏光器的方向相对于所述光偏振装置的所述相对面成45。；
-所述反射装置定位于所述Fresnel-Rhomb偏振装置的输入面或所述第一光导的输入面上；
-当一条光束穿过Fresnel-Rhomb光偏振装置时，Fresnel-Rhomb光偏振装置的两个或多个相对面会导致所述光束在S和P偏振分量之间的总相移为90°；
-所述反射偏振器包括一个反射材料层，所述反射材料层包括一个允许所述第一光束穿过的非反射区域；
-所述光源包括由一个光源照射并将所述光线聚焦于所述Fresnel-Rhomb偏振装置中的一个反射器；
-所述第一光束的轴与所述第二光导的光轴一致；
-所述第一光束是未经校准的；
-所述第一光束是会聚的。
最后，本发明适用于一种其中显示装置的位置面对反射偏振器以便被由所述反射偏振器透射的光照射的显示系统。所述显示装置可以是一种液晶调制器。
附图说明
结合附图，通过对下述非限制性实例的描述，本发明的各种目的和特性将更加明显，附图包括：
图1为根据本发明的照明装置的一个典型实施例；
图2a和2b为一个Fresnel-Rhomb偏振装置；
图3为该装置的一个典型实施例的更详细的实例。
具体实施方式
参照图1，首先将描述根据本发明的照明装置的一个一般的示例性实施例。
该装置包括：
-一个发出非偏振光光束10的光源1，
-光积分/偏振装置(light integrating/polarizing device)3/4/5；
-一个将经适当定向以允许线性偏振光在偏振方向通过的反射偏光器6；
-一个定位于光源1和积分/偏振装置之间的反射装置44，该反射装置可使光束10穿过进入积分/偏振装置，而以下述方式反射来自反方向的光；
-一个希望由偏振光照亮的物体2。一方面，积分/偏振装置3/4/5的作用在于由非矩形光源得到均匀的统一的矩形光；另一方面，如将在下面进行描述的那样偏振所述光。该积分/偏振装置3/4/5在其中央部分主要包括本领域已知的一个Fresnel-Rhomb偏振装置3，这种装置的描述可在Eugene HECHT的OPTICS(光学)-第二版(1987)(Addison-WesleyPublishing Company，Inc.)-中找到。
这种装置具有对输入光束至少进行两次反射的至少两个面。例如，如图2a和2b所示，它可以设计成平行六面体，其侧面35和36为平面。装置3的输入面30与侧面成某一角度，以便经输入面30以某一近法线入射角(a near normal angle of incidence)进入光导的光束，经反射面35上的第一反射，然后在第一反射对面的侧面36上经第二反射，指向输出面31上。优选地，该输出面与输出光线的方向近似成直角，因此与输入面30平行。该装置相对于输入光束的入射方向的倾角的计算是根据装置5的材料的折射率计算得出的，以使在上述装置内进行两次反射而实现下述操作。
这种Fresnel-Rhomb装置的操作基于通过表面30进入的光的两次反射，其中：对于大致垂直于输入面30的平均光线(average ray)而言，P和S偏振之间的每次全反射的相移约为45°。因此，在进入装置3的通道上，P和S之间的总相移为90°。根据入射光束的偏振，其结果是装置3的作用如下：
-对于+45°的线性输入光的偏振(P和S的振幅相同而P和S之间的相移为0)，输出偏振将为右圆(right circular)；
-对于-45°的线性偏振(P和S的振幅相同而P和S之间的相移为180°)，输出偏振将为左圆(left circular)；
-对于右圆偏振(P和S的振幅相同而P和S之间的相移为90°)，输出偏振将为以-45°线性的；
-对于左圆偏振(P和S的振幅相同而P和S之间的相移为-90°)，输出偏振将为以45°线性的；
-对于水平线性偏振，最终的偏振将不发生变化；
-对于垂直线性偏振，最终的偏振将不发生变化；
-对于任何线性偏振(零相移)，输出偏振将为椭圆的而不是圆的。
因此，对于非偏振入射光束(灯1提供的光束)，第一次进入装置3的光经过表面31离开时主要为非偏振的。反射偏光器6经适当地导向以允许偏振光在偏振方向通过。例如，反射偏振器6的方向相对于装置3的反射面35，36优选地成45°。未透射的光被以45度沿某一方向返回线性偏振光的反射偏振器6反射。在这些情况中，反射偏振器必须被定向，以便反射光的偏振方向与表面36上的入射平均平面大约成45°角。
从图2a可以看出，线性偏振光束经第一反射(在表面36)将其偏振转换为椭圆偏振，然后经第二反射(在表面35)转换为圆偏振。然后，该光束被反射装置44以反向圆偏振朝向装置3内部反射。在装置3中，被装置44反射的光又被表面35在反方向以椭圆偏振反射，然后经表面36以线性偏振反射，现在线性偏振就垂直于以前由反射偏振器6反射的光的偏振。然后，该光穿过反射偏振器6。
图1显示了偏振装置3位于分别附于装置3的输入表面30与输出表面31上的两个光导4和5之间。根据图1中的示例性实施例，分别在要进行处理的光束的轴的输入与输出方向，光导4的输入面41和光导5的输出面52大致垂直。光导4和5具有以积分器(integrator)方式工作的特性，它们的形状优选平行立方体。如图1所示，其截面分别与装置3的输入和输出面30和31具有大致相同的尺寸。
如果不强制要求这一点，装置3的长度就需要进行计算，以便对于经表面30中央进入该装置的光束10的平均光线(average ray)，该平均光线的输出区域优选地大致位于输出面31的中部。
此外，在必须由正在被处理的光束照明的图1中的装置2为矩形空间光调制器的情况中，所述光导5的截面将被有利地以一个更大或更小的位似比例(homothetic ratio)制造成空间光调制器的形状。
此外，为了制造反射装置44，光导4的输入面41或装置3的输入面30可以被制造为反射由反射偏光器6返回的光。一个非反射区域43设置用作入射光束10的通路。在图1中的实例中，光导4的表面41被制造得可以反光。
图3表示根据本发明的照明装置的一个更详细的示例性实施例。该装置包括由光源11照射并被用于将光入射入光导4的一面镜子12。该镜子可以是抛物线形，而光源11位于该镜子的焦点处。表面41被处理得可以反射或设置一个表面44以反射由反射偏振器6反射的光，它包括一个未处理区域43以允许由光源11和镜子12提供的光束通过。
根据本发明的一个优选示例性实施例，被射入到光导4中的光束10是未经校准的或不平行，特别地，它能够被汇聚，从而它可以经未处理区域43被射入到装置3中。光束10的轴可以根据输入光导4的光轴进行定向，但这一点并不是强制要求的。
因此，根据本发明的照明装置被用于在单一方向提供线性偏振光，而无需担心在本说明书开始描述的加热和色度的问题。此外，使用光导4和5积分具有非校准或非平行入射光束10的光，可以提供一种均匀的输出光，并使入射光束的形状适合要被照射的表面。特别地，输出光导的截面可以具有一种适合于要被照射的表面的形状。
在上述描述中，并在附图中，均假设在装置3内部发生反射的表面35和36是平行的。然而，根据一个不同的实施例，它们可以被做得并不平行，但它们各自的方向必须是这样的：在两个表面35和36上的反射连续产生的相移总计为90°(当光通过时)。此外，在上述描述中，在通道上，经过装置3，光被反射了两次(在相对面35和36上)；但并不背离本发明的精神，也可以设置多次反射，目的是在通道上，对光的S和P偏振产生90°相移。在这些情况中，装置3也可以不是平行六面体：
-表面35和36可以是不平行的；
-装置3在装置中可包括反射光的更多数量的表面。
此外，反射偏振器6可以压在光导5的外表面52上，以形成一个更紧凑的装置。
根据一种不同的实施例，照亮的对象2也可以压在反射偏振器6上。在对象2是一种空间光调制器(例如由透射照亮的液晶显示屏)的单选通(single-valve)显示系统的情况中，光导5的输出面51的尺寸可以与被照射的液晶显示屏的部分的尺寸匹配以得到一种紧凑的系统。

Claims (17)

1.一种包括发射第一光束(10)的光源(1)的偏振光光学照明装置，其特征在于包括：Fresnel-Rhomb型光偏振装置(3)，该光偏振装置经输入面(30)接收由所述光偏振装置的至少两个相对面(35，36)反射至少两次的第一光束(10)，并经输出面(31)提供至少第二光束；反射偏光器(6)，其定位为朝向所述Fresnel-Rhomb偏振装置的所述输出面(31)以接收所述第二光束，以便允许所述线性偏振的光沿第一方向通过并反射任何其它偏振的光；反射装置(44)，其位于所述偏振装置(3)的所述输入面(30)与所述光源(1)之间，以便允许所述第一光束(10)经过而反射被所述反射偏光器(6)返回的光。
2.根据权利要求1或2所述的光学照明装置，其特征在于其包括：
-第一光导(4)，它具有：设计接收所述第一光束(10)的输入面(41)；其光轴(40)垂直于所述输入面(30)、压在所述Fresnel-Rhomb偏振装置(3)的输入面(30)上的输出面(42)；所述第一光导的横截面与所述Fresnel-Rhomb偏振装置(3)的所述输入面(30)的表面尺寸大致相同，
-和第二光导(5)，它具有：压在所述Fresnel-Rhomb偏振装置(3)的输出面(31)上的输入面(51)；和向所述反射偏振器(6)发出从所述光源(1)接收的光的输出面；所述第二光导的光轴(50)垂直于所述Fresnel-Rhomb偏振装置(3)的所述输出面(31)；而所述第二光导的横截面与所述Fresnel-Rhomb偏振装置的所述输出面(31)的表面尺寸大致相同。
3.根据权利要求2所述的光学照明装置，其特征在于所述光导其中任一个或两个都作为光积分器操作。
4.根据权利要求1所述的光学照明装置，其特征在于：所述Fresnel-Rhomb偏振装置(3)的所述输出面(31)具有类似于要被所述照明装置照亮的表面的形状的形状。
5.根据权利要求2、3或4所述的光学照明装置，其特征在于：由于所述Fresnel-Rhomb偏振装置具有矩形或正方型横截面，因此所述光导具有矩形或正方型横截面。
6.根据权利要求2所述的光学照明装置，其特征在于：所述反射偏光器(6)定位为朝向所述第二光导(5)的所述输出面(52)。
7.根据权利要求1或2所述的光学照明装置，其特征在于：所述反射偏光器(6)的方位为相对于所述光偏振装置(3)的所述相对面(35，36)约成45°。
8.根据权利要求1或2所述的光学照明装置，其特征在于：所述反射装置(44)位于所述Fresnel-Rhomb偏振装置(3)的输入面(30)上或所述第一光导(4)的所述输入面(41)上。
9.根据权利要求8所述的光学照明装置，其特征在于：所述反射装置(44)包括反射材料层，所述反射材料层包括允许所述第一光束(10)通过的非反射区域(43)。
10.根据权利要求1或2所述的光学照明装置，其特征在于：所述光偏振装置(3)的两个或多个相对面(35、36)在光束上在所述光束的S和P偏振分量之间引起90°的总相移。
11.根据权利要求10所述的光学照明装置，其特征在于：所述光偏振装置(3)的两个所述相对面(35，36)是平行的。
12.根据上述任一项权利要求所述的光学照明装置，其特征在于光源(1)包括由光源(11)照射并将所述光聚焦于所述Fresnel-Rhomb偏振装置(3)中的反射器(12)。
13.根据权利要求2所述的光学照明装置，其特征在于：所述第一光束(10)的轴与所述第一光导(4)的光轴一致或重合。
14.根据权利要求1、2或11所述的光学照明装置，其特征在于：所述第一光束不是校准的或不是平行的。
15.根据权利要求12所述的光学照明装置，其特征在于：所述第一光束(10)是会聚的。
16.根据上述任一项权利要求所述的光学照明装置，其特征在于其包括显示装置(2)，所述显示装置(2)朝向所述反射偏光器(6)定位，以便被所述反射偏光器透射的光照亮。
17.根据权利要求13所述的光学照明装置，其特征在于：所述显示装置是液晶调制器。
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