CN1683992A - 利用偏振转换的照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提供均匀的、均质的偏振光的系统和方法。非偏振的光束由常规的光源提供。通过利用光管和适当的透镜化将所述非偏振的光转换成至少四个实像。所述实像中的每一个在第一图像平面都具有一个亮的区域和一个以上的暗的区域。来自每个实像中的亮的区域的光的一部分以依赖于偏振的方式被引导到每个实像中的一个或多个的暗的区域中，且改变后的图像成为由偏振光组成的单一图像。

Description

利用偏振转换的照明系统

交叉引用的相关申请

[01]本发明主张于2004年4月15日提交的、发明名称为“利用偏振恢复的照明系统”的美国临时专利申请No.60/562,370和于2004年5月10日提交的、发明名称为“利用偏振恢复的照明系统”的美国临时专利申请No.60/569,746的优先权，通过参考将这些专利申请合并到本发明中。

技术领域

[02]本发明涉及一种如在投影显示系统中所普遍使用的照明装置，特别地，本发明涉及一种提供增强的偏振输出的照明系统。

发明背景

[03]在投射显示系统中，照明系统的功能是向空间光调制器(SLM)提供均匀照明。投影显示装置中的照明系统一般由光源如弧光灯或发光二极管(LEDs)、向所述SLM提供均质光的某些类型的均质器和用于提供具有所希望的尺寸、形状和远心度的光束的中继镜组成。

[04]在一些投影显示系统中使用液晶空间光调制器，且最好是用偏振光来照明这样的调制器。在所述照明系统中可加上起偏光镜来对光进行过滤，以向所述SLM提供偏振光束，不过，这种方法有50％的光的伴生损耗，因为一种偏振状态被吸收或以其它方式耗掉。利用偏振恢复技术的照明系统寻求获取这种损失的光并将其转换成所希望的偏振状态以能够将其恢复并利用，因此提高所述系统的功效，进而提高投影的亮度。现有技术中实现这种偏振恢复和转换的方法包括透镜阵列和偏振转换阵列(PCA)的使用或偏振转换光管(PCLP)的使用。

[05]结合有透射液晶SLMs的投影显示装置一般采用透镜阵列和PCA；人们所熟知为硅基液晶(LCoS)的一些反射液晶SLMs也采用透镜阵列和PCA。附图1中所示的现有技术是美国专利No.6,139,157所公开的另一种液晶投影仪的实质性部分。在图1中，灯201a所发出的光由反射器203向图像显示元件207反射，并进入第一透镜阵列201b，所述透镜阵列201b包括多个透镜，这些透镜排列成光栅的形式。所述光聚集于第二透镜阵列202的透镜附近并穿过所述第二透镜阵列202的透镜，然后进入偏振转换元件204，所述第二透镜阵列202在结构上类似于所述第一透镜阵列201并包括一些透镜，这些透镜具有与所述第一透镜阵列201和所述第二透镜阵列202之间的间隔相同的焦距度，并由所述第一透镜阵列201的透镜排列成光栅的形式。

[06]已经进入偏振转换元件204的光束由偏振分离表面204a分成不同的偏振分量(S分量和P分量)，且由所述偏振分离表面204a所反射的S偏振光由反射镜204b反射并穿过半波长板205，因此就转换成与所述P偏振光相同的偏振状态，所述P偏振光穿过所述偏振分离表面204a。

[07]具有相同偏振方向的、已从所述偏振转换元件204出现的P偏振光束将在聚光透镜206的聚焦位置(要被照射的表面)附近所提供的图像显示元件207照明，并穿过所述聚光透镜206。所述图像显示元件207所显示的图像由投影透镜投射到预定的表面上。

[08]另一方面，图1中所示的液晶投影仪通过蝇眼型光学积分器形成多个二次光源图像，并将来自多个二次光源图像的光束在要被照射的表面上一个一个地叠加起来，以均匀地照明要被照射的表面207。

[09]不过，图1中所示的液晶投影仪要求同样尺寸度的第一和第二透镜阵列来作为所述反射镜203上的一个开口，因此，整个装置的体积就会很大。

[10]到目前为止，人们已经提出了各种各样的液晶投影仪，以通过来自光源的光束照明液晶板，并放大和投射图像光，如将传输的光或来自所述液晶板的反射光通过投影透镜投射到屏幕或墙壁上。

[11]所述液晶板通常利用液晶的偏振特性。因此，一般在所述液晶板之前和之后提供偏振滤光片，如偏光镜和分析器。所述偏振滤光片的特点是以入射光的特定偏振方向传输穿过其本身的偏振光并拦截偏振方向与所述偏振滤光片正交的偏振光的。因此，来自在所述液晶投影仪中使用的光源的光至少有一半被所述偏光镜拦截，该偏光镜是一种偏振滤光片。因此，投射到所述屏幕或墙壁上的图像的亮度就一直不够。

[12]目前，在制造时，结合有LCos SLMs的投影系统在其照明系统中采用PCLP。PCLP最普通的形式包括光管形式的反射镜，所述反射镜在所述光管的输入端有两个PBS。来自所述光源的光入射在一个PBS上。所述PBS将所述光分成S和P偏振状态。P偏振光被传输且S偏振光被反射。然后，所述P偏振光入射在半波延迟器形式的旋转器上，所述旋转器的方向确定为所述发出的光的偏振轴旋转90°，以使它已被转换成S偏振光。由所述PBS分离的S偏振光然后入射在所述第二PBS上，在所述第二PBS，所述S偏振光被反射并再次引导到所述光管之中。因此S偏振光从两个PBS都射出并然后由所述光管均质化。所述PCLP往往是低成本系统而不是前述的透镜阵列PCA，但其对比度较低，从所述PCLP射出的对比度约为6∶1，而从所述透镜阵列PCA射出的对比度为20到30∶1；其功效也降低，与约80％的功效相比，其功效约为72％。

[13]通过参考合并在本发明中的现有技术美国专利No.6,139,157涉及一种照明装置，这种照明装置有几个与本发明一样的元件。光源、光管、透镜、反射偏振光束分光器、偏振转换元件和目标平面均在本发明中出现。不过，在美国专利No.6,139,157的图13而在本发明的图2中所示出的内容中并没有位于所述光管的输入端的阻隔或不透明区域。本申请人认为，在所述输入端不提供具有遮蔽区域的光管就不会产生均质偏振光束。通过在所述光管的输入端提供所述阻隔或遮蔽区域并确保在预定的位置出现偏振转换和分离，就会产生所希望的均质偏振光束，所述偏振转换和分离的出现依赖于所述遮蔽区域的结构。该专利中对图13的描述如下：

[14]“在图13中所示出的偏振转换元件使用一种透明板，在该透明板的表面提供偏振分离表面701作为将所述光径转向90°的反射装置，且在该透明板的背面提供反射镜702，由所述表面所反射的S偏振光的光径和由所述背面所反射的P偏振光的光径在平行方面相互偏离，在由所述表面所反射的S偏振光的光径(或由所述背面所反射的P偏振光的光径)上放置一个半波长板703，以将所述两种光的偏振方向均质化。”

[15]在现有技术的图13中，在所述平凸集成透镜5的平坦表面上也周期性地提供半波长板703，以将所述入射S偏振光的偏振方向转换成与所述P偏振光的方向相同。

[16]图13中所示出的结构是否像其设计的那样起作用并不是很清楚。因为对阻挡来自所述输入端的光的结构并没有讲述，所以入射在表面701上的一个线性偏振的所有光似乎被反射在5的整个接收表面上。而且从表面702所反射的所有光似乎被反射在5的相同区域上。因此，并不清楚该实施例怎样发挥作用来有选择地旋转一个线性偏振而不是另一个。

[17]本发明的一个目的在于提供一种均匀地照明空间光调制器的系统和方法，在这种系统和方法中结合有新颖而相对成本较低的偏振恢复方法。

[18]本发明的另一个目的在于提供一种简单的、低成本的系统，这种系统提供用于投影显示系统的完全均匀的偏振光。

发明概述

[19]根据本发明的一个方面，提供一种照明系统，所述照明系统包括：

a)具有输入端和输出端的光管，所述输入端从光源接收非偏振光，所述输出端输出反射光，所述输入端有一个遮蔽部分和一个非遮蔽部分，所述遮蔽部分阻止光进入所述光管，所述非遮蔽部分允许光进入所述光管，其中，所述光管用于反射光并产生多个虚像，每个虚像有一个暗的非照明区域和一个照明区域，所述暗的非照明区域与所述遮蔽区域对应，所述照明区域与所述非遮蔽区域对应并邻近于所述暗的非照明区域；

b)光学耦合到所述光管的输出端的透镜，所述透镜在一个图像平面或其附近提供多个实像，每个实像对应于所述虚像中的一个，以使每个实像有一个对应于所述遮蔽部分的暗的非照明区域和一个对应于所述非遮蔽部分的照明区域，其中，所述多个实像一起形成暗的区域和照明区域的阵列；和，

c)光学耦合以从所述暗的和亮的区域阵列接收光的偏振转换系统，所述偏振转换系统用于以依赖于偏振的方式用来自所述照明区域的一些光填充所述暗的区域，以使一些光在空间上从一个照明区域转换到一个暗的区域，所述偏振转换系统以这种方式将光转换，以将所有的穿过该系统的光均匀地偏振。

[20]穿过所述偏振转换系统的光至少80％被均匀地偏振，优选为90％或更多。

[21]根据本发明，提供一种照明系统，所述照明系统包括：

a)光源；

b)具有末端的光管，将所述末端以预定的方式遮蔽，以产生具有暗的区域和非遮蔽照明区域的虚像，所述暗的区域对应于所述遮蔽区域，所述非遮蔽照明区域邻近于所述遮蔽区域；

c)耦合到所述光管的用于产生对应于所述虚像的实像的透镜，所述每个实像具有照明区域和非照明区域；

d)从所述透镜接收光并填充所述非照明区域的偏振转换系统，所述填充用来自邻近的照明区域的光以依赖于偏振的方式进行，以产生由所述实像所形成的大体上均匀的偏振光束。

[22]根据本发明的另一个方面，在一种投影显示系统中提供一种方法，所述方法提供均匀的、均质的偏振光源并包括以下步骤：

提供实质上非偏振的光束；

将所述非偏振光束转换成至少四个实像，每个实像在第一图像平面有一个亮的区域和一个以上的暗的区域；

将来自每个实像中亮的区域的光的一部分以依赖于偏振的方式导向每个实像中一个或更多的暗的区域；

将改变后的图像均质成由偏振光组成的单一图像。

附图简述

[23]本发明的示范性实施例将结合附图进行描述，在这些附图中：

[24]图1是现有技术中利用蝇眼阵列和PCA进行偏振转换的系统的侧视图。

[25]图2是美国专利6,139,157中所示出的偏振转换系统的侧视图。

[26]图3是根据本发明的照明系统的一个优选实施例的侧视图。

[27]图4a是示出图3中的光管的输入端面的示意图。

[28]图4b是所述光管输入端面的多个图像的示意图，所述多个图像会在所述偏振转换器平面看到。

[29]图5是示出在所述偏振转换器板并行结合在一起的S和P偏振光的示意图。

[30]图6是在图3中示出的照明系统的一个可供选择的实施例。

[31]图7是图6中的系统的偏振分离器和变换器的示意图。

发明详述

[32]参看图3，该图示出了根据本发明的一个优选实施例的照明系统。具有反射器32的光源30光学耦合到光管34上。所述光管除了一个方面之外就是普通的光管。这一个方面就是所述光管34在其输入端有一个遮蔽区域，该遮蔽区域在图3中看不到，但在图4a中可清楚地看到。所述光管34可以是具有输入端和输出端的光通道或其它光反射结构，所述输入端可以被遮蔽，而所述输出端用于输出光。放置偏振分离器和变换器36来通过透镜37a和37b从所述光管接收实质上准直的光，所述光以多个实像的形式出现。图2中详细示出了类似的元件74。每个实像是所述光管的输入端的折合图像。下面对此进行了详细的描述。放置所述偏振分离器和变换器36来分离所述S和P偏振光，然后在空间上以依赖于偏振的方式来转换所述光，以使所述S偏振光和P偏振光以预定的空间图像入射在所述偏振转换器(PC)板38上。所述偏振转换器38是具有条纹区域52的板，所述条纹区域52在交替区域有半波延迟材料。一个线性偏振的光射在所述条纹区域52上，而另一个线性偏振的光穿过玻璃区域而不受影响，如图5所示。中继元件39a和39b确保从所述PC38发射的光在所述SLM平面31上均匀地分布。

[33]在运行时，由所述光反射器32将来自所述光源30的光聚焦于所述光管或光通道34的输入端33a上。光穿过所述光管，从所述输入端面到所述输出面33b，经过所述光管的管壁的多次反射。所述光管管壁的全部内反射(TIR)避免了光从所述光管逃溢。在所述光管34中经过多次反射之后，所述光就变成了均质光，而且所述光管的输出面33b作为完全均匀的发射面。也可以使用一种由镜组成的空管道，这种空管道可以认为等同于所述光管。在所述输出端面33b的光图像然后由所述照明继电器37a、37b、39a和39b反映在所述SLM31上。在此实施例中，所述偏振分离变换器在前两个中继元件37a和37b之后放置。这个区域实质上是准直空间，离开所述中继元件37b的光在这个空间准直。所述偏振分离器和变换器36的功能是将正交线性偏振状态分离并且然后将一个向相对于另一个的侧面转移或转换。如图3所示，非偏振光入射在PBS36a上，如MoxtekProflux^TM线栅偏光镜，其S偏振被反射且P偏振被传输。所述P偏振光然后被反射而离开在所述变换器36的背面的镜36b并穿过所述PBS。所述镜36b与所述变换器36的PBS的分离使得所述P偏振光向相对于所述S偏振光的侧面转移。这种分离需要精确地控制，后面将对这一点进行描述。

[34]如图4a所示，所述光管的输入端面有两个掩蔽的不透明区域42a和42b，并且在这两个掩蔽的不透明区域42a和42b之间有一个透光窗口42c。优选所述窗口区域42c的宽度为d/2且所述每一个掩蔽区域的宽度为d/4。所述掩蔽区域的目的是在所述图像平面上产生照明的或亮的区域45a和没有照明的或暗的区域45b。所述光管接收如图4a所示的实像，且当光在所述光管内反射时，在所述光管的输入端附近的虚像平面有多个较小的虚像形成，虚像是图4a所示的实像的每个较小的翻版。这些虚像会作为实像在所述PC38的图像平面被俘获。由于照射在所述分离器和变换器36的光完全被准直，所以对应于所述虚像并与所述虚像共轭的相同实像会在所述分离器和变换器36上出现。因此，图4b中的图像会反映在所述元件36和38上。

[35]不过，所述偏振分离器和变换器36以预定的方式改变所述多个实像，以将照明区域45a中的光的约一半通过空间转换的方式引导到非照明或暗的区域45b，以使S偏振光和P偏振光并行结合在一起。为了方便起见，在与由所述介入中继光学装置所形成的光管的输入面33b共轭的平面上的PC38有其本身的延迟条纹区域52，所述条纹区域52与所述S或P偏振光重合，但并不是与两种偏振光都重合。总而言之，在图4b中所示的实像由所述偏振分离器和变换器36改变，以将光以依赖于偏振的方式均匀地分布，以使在依赖于偏振的转换和变换发生之后将所述暗的区域用与所述照明区域成正交偏振状态的光照明。如果设计正确，所述S偏振光和P偏振光都会作为亮的和暗的区域的交替条纹而出现。所述P偏振光会向相对于所述S偏振光的侧面转移，以使所述亮的P区域射在所述S偏振的暗的区域，而仅有一点或极少的重叠，反之亦然。

[36]在此示范性实施例中，所述PC38设计用来将所述P偏振光转换成S偏振光。完成这种转换的一个方法是将半波延迟器材料的条带，如塑料延迟器膜、石英、云母或其它双折射材料，层压在透明基片上，如图形与所述P偏振光的亮的区域的图形匹配的玻璃。所述延迟器设计用来将所述偏振轴旋转或延迟90°。然后从所述PC38发出的光就会成为S偏振光。当然，如果需要，S偏振光也能够以类似的方式转换成P偏振光。

[37]虽然对上述示范性实施例在线性偏振光方面已做了描述，但也可以设想利用圆偏振光以使所有的输出光都被均匀而圆型偏振的实施例。所述元件36由一种板所替代，所述板会按照右旋和左旋圆偏振光进行区别和转换，而不是按照S或P偏振光。

[38]现在参看图6，该图示出了本发明的一个可供选择的实施例，在该实施例中，图3中的所述偏振分离器和变换器36以及偏振转换器38由可选镜62替代，所述镜62用于将入射在其上的光折叠并将所述光重新导向在图7中更详细地示出的偏振分离器、变换器和转换器64。具有S和P线性偏振分量的非偏振光入射在该图中所示出的元件阵列上。在表示S和P偏振光束的箭头之间没有光是由于所述光管32的输入端或被遮蔽的反射器的作用而产生的暗的区域的原因。通过举例的方式用三个箭头表示的光入射在偏振光束分裂器75a、75b和75c上。S偏振光被反射而P偏振光从那里穿过。从75a、75b和75c所反射的反射S偏振光的方向然后被确定为与所述P偏振光的方向相同，并且在穿过延迟器的时候变成P偏振光。延迟器77a、77b和77c提供所要求的延迟，以使所有的输出光都变成P偏振。本发明的这个实施例还利用所述多个实像，这些实像代表提供照明和非照明区域的所述遮蔽的输入端。在此实施例中，将单独的光束分开并一个挨着一个地结合以填充所述暗的区域；这同样也提供了旋转所述S偏振光的机会，而这种旋转并不会在填充所述暗的区域之后影响所述P偏振光。

[39]在图3和图7中所示出的实施例中，所述光管或反射器有一个防止光进入的阻隔。这在引入所述准直空间的多个实像中出现，因为图像有暗的和亮的区域。这些暗的区域随后可由在所述亮的区域中出现的光以依赖于偏振的方式填充，以使所剩余的光是一个线性偏振而所转换的光是正交偏振。可将所述两个线性偏振中的一个方便地延迟或旋转而与另一个相同，因此提供具有相同偏振状态的均匀的光束。

[40]当然，也可以设想多种其它的实施例，而并不背离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种照明系统，包括：

a)具有输入端和输出端的光管，所述输入端从光源接收非偏振光，所述输出端输出反射光，所述输入端有一个遮蔽部分和一个非遮蔽部分，所述遮蔽部分阻止光进入所述光管，所述非遮蔽部分允许光进入所述光管，其中，所述光管用于反射光并产生多个虚像，每个虚像有一个暗的非照明区域和一个照明区域，所述暗的非照明区域与所述遮蔽区域对应，所述照明区域与所述非遮蔽区域对应并邻近于所述暗的非照明区域；

b)光学耦合到所述光管的输出端的透镜，所述透镜在一个图像平面或其附近提供多个实像，每个实像对应于所述虚像中的一个，以使每个实像有一个对应于所述遮蔽部分的暗的非照明区域和一个对应于所述非遮蔽部分的照明区域，其中，所述多个实像一起形成暗的区域和照明区域的阵列；和，

c)光学耦合以从所述暗的和亮的区域阵列接收光的偏振转换系统，所述偏振转换系统用于以依赖于偏振的方式用来自所述照明区域的一些光填充所述暗的区域，以使一些光在空间上从一个照明区域转换到一个暗的区域，所述偏振转换系统以这种方式将光转换，以将所有的穿过该系统的光均匀地偏振。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述每个实像与所述虚象中的一个共轭，且所述照明系统还包括第二透镜，所述第二透镜被耦合以从所述偏振转换系统接收偏振光并将所述光均匀分布在目标区域上。

3.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于，所述偏振转换系统包括反射板，所述反射板用于在空间上将入射在其上的非偏振光分成两个线性正交偏振状态，并用于将所述光反射到光学元件以将一个线性偏振光转换成正交偏振光。

4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光管的输入端在其相对侧有两个遮蔽区域，以在这两个遮蔽区域之间形成透光窗口。

5.如权利要求4所述的照明系统，其特征在于，所述遮蔽区域是不透明的且具有一个合并的区域，所述合并的区域实质上等同于它们之间的透光窗口的区域。

6.如权利要求4所述的照明系统，其特征在于，所述偏振转换系统适于以依赖于偏振的方式用邻近于实像中暗的区域的照明区域中出现的光的约一半来填充所述实像中暗的区域，以将所述暗的区域照明。

7.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，入射在所述偏振转换系统上的光实质上被准直。

8.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述偏振转换系统包括反射器，所述反射器用于将光反射在一个元件上，所述元件用于将入射在所述元件上的光以依赖于偏振的方式分离，且用于将一个线性偏振光延迟，以产生偏振输出光束。

9.一种照明系统，包括：

a)光源；

b)具有末端的光管，将所述末端以预定的方式遮蔽，以产生具有暗的区域和非遮蔽照明区域的虚像，所述暗的区域对应于所述遮蔽区域，所述非遮蔽照明区域邻近于所述遮蔽区域；

c)耦合到所述光管的用于产生对应于所述虚像的实像的透镜，所述每个实像具有照明区域和非照明区域；

d)从所述透镜接收光并填充所述非照明区域的偏振转换系统，所述填充用来自邻近的照明区域的光以依赖于偏振的方式进行，以产生由所述实像所形成的大体上均匀的偏振光束。

10.如权利要求9所述的照明系统，其特征在于，所述偏振转换系统包括将光分离的板和在其远侧的板，所述将光分离的板以依赖于偏振的方式将光分离以将所希望的偏振光在空间上转换，在其远侧的板用于将转换到预定区域的光的偏振进行转换。

11.如权利要求9所述的照明系统，其特征在于，所述偏振转换系统包括将光分离的板和在其远侧的板，所述将光分离的板以依赖于偏振的方式将光分离，以将所希望的偏振的光在空间上转换且将不同偏振的光反射而并不在空间上转换，在其远侧的板用于将反射的且没在空间上转换的光的偏振进行转换。

12.在一种投影显示系统中，一种提供均匀的、均质的偏振光的方法，所述方法包括以下步骤：

提供实质上非偏振的光束；

将所述非偏振光束转换成至少四个实像，每个实像在第一图像平面有一个亮的区域和一个以上的暗的区域；

将来自每个实像中亮的区域的光的一部分以依赖于偏振的方式导向每个实像中一个或更多的暗的区域；

将改变后的图像均质成由偏振光组成的单一图像。

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