CN1820216A - 双棱镜中偏振循环的照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种照明装置，其包括发射非偏振光束(F1)的光源(S)，包括围在两个棱镜(1、2)的表面(10和20)之间的栅格偏振器(3)的偏振分束器。光束穿过一表面(12)进入第一棱镜并到达偏振分束器(3)，该偏振分束器将具有第一偏振方向的光透射至表面(22)，该表面将光反射向输出表面(21)。此外，分束器将具有第二偏振方向的光反射至表面(12)，该表面将光反射向输出表面(11)。本发明可应用于显示器和投影系统。

Description

双棱镜中偏振循环的照明装置
技术领域
本发明涉及用于照明物体的系统，特别是需要使用偏振光照明的系统。本发明特别适用于液晶投影和背投系统。
背景技术
能够对光进行调制以便显示图像的液晶单元(liquid crystal cell)需要用偏振光照明以进行工作。当使用非偏振光光源时，必须设置利用光的两个偏振的装置，以避免照明源发出的照明功率的50％被损失掉(其中，未考虑由于偏振器中的吸收造成的损失)。
美国专利5784181中描述的系统已为大家所知，其设置了两个直角三角形横截面的棱镜，在各自包括直角三角形的一个直角边的面之间夹着全息偏振分束器。棱镜的包括直角三角形的另一直角边的其它面位于同一平面中，并用作出射面。非偏振光光源发出的光束沿平行于棱镜横截面的方向照射在形成棱镜斜边的面上。光到达全息分束器，该分束器将具有第一偏振的光透射到包括将所述第一偏振转换成第二偏振的装置的棱镜的出射面，而将具有第二偏振的光反射至不包括偏振转换装置的另一棱镜的出射面。全息装置与允许在出射面下游具有相同偏振的光束的方向被改变的出射面相关联，使得光束平行，以便它们沿同一方向照射液晶单元。
但是，在这样的系统中，必须以大约45°的布鲁斯特入射角照明或“读取”全息装置。因此，难以在大约30°入射的情况下工作。因此，由于该系统使用全息装置，其存在需要低发散的照明光束的缺点。此外，该系统仅在有限的光谱带内有效。一般，每个全息装置只在一个主要的可见光光谱带(红、绿或蓝)内有效。
美国专利文献5716122描述了一种偏振循环系统，其也使用了用薄膜多层型的偏振分束器分开的两个棱镜(参见第4、5栏-第17栏第42-49行)；根据该文献，入射光束并不必须仅由平行光线构成，而是可以包括非平行分量(第19栏第15-17行)；但是该文献中所提到的在偏振分束器上的入射角在45°和38°之间的范围内，这说明当入射光束在其主方向的任何一侧具有显著大于或等于5°的较宽的发散时，存在不希望有的限制。
例如美国专利4575191、4161349和3987299的其它文献描述了被称为Koesters系统的系统，其也设置了直角三角形横截面的两个棱镜，在各自包括直角三角形的一个直角边的面之间夹着一分色器(color splitter)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种克服上述缺点的方案。
因此，本发明涉及一种照明装置，其包括发射非偏振光束的光源。一偏振分束器设置在第一和第二透明棱镜的第一面之间。所述棱镜中每一个都具有一第二出射面，两个出射面位于同一平面中。每个棱镜的所述第一面和第二面相垂直。光束穿过所述第一棱镜的一第三面透入该第一棱镜，并到达所述偏振分束器，该偏振分束器透射有着一第一偏振方向的光并反射有着一第二偏振方向的光。此外，所述偏振分束器包括一栅格偏振器(grid polarizer)，其位于所述第一和第二棱镜的第一面之间。另外，被所述偏振分束器透射的光被透射到所述第二棱镜的一第三面，该第三面将光反射向所述第二棱镜的所述第二出射面，而被所述偏振分束器反射的光被透射到所述第一棱镜的所述第三面，该第三面将光反射向所述第一棱镜的所述第二出射面。由于使用了栅格偏振器，在较宽范围的入射角上可以有效地分离偏振；这还使得第一棱镜的第三面能够用来自在光束平均方向的任一侧具有明显大于或等于5°的较宽发散的光源的光束照明；尽管如此，优选在光束平均方向的任一侧上，该发散保持小于或等于10°。
优选，该系统包括与所述棱镜的所述第二出射面之一相关联的一偏振旋转装置。从而该装置能够在两个出射面的下游获得相同的偏振方向。
优选，所述栅格偏振器形成在所述第一棱镜的第一面上或形成在所述第二棱镜的第一面上。
优选在位于一侧的所述栅格偏振器和其上形成该栅格偏振器的所述第一或第二棱镜的所述第一面与位于另一侧的相应地朝向该栅格偏振器的所述第二或第一棱镜(2或1)的另一第一面之间设置一空气间隙。
根据本发明的系统的一个实施例，所述棱镜的与所述第一面相对的非直角大致等于60°，而与所述第二面相对的非直角大致等于30°，并且在所述光束(F1)透入所述第一棱镜时，其平均方向大致垂直于该棱镜的第三面。这样的几何构造保证穿过第一棱镜的第二出射面的光束的平均方向和穿过第二棱镜的第二出射面的光束的平均方向大致彼此平行，并且垂直于它们的第二面。因此，该构造设计成使得从出射面出来的光束的光轴是平行的。还应该注意到，通过该几何构造，在分束器的下游两个分离光束的光路大致相同，这是非常有利于将该装置应用于投影系统成像器的照明的情况。
优选，棱镜的材料的折射率小于或等于1.5，这使得即使对于较宽发散的光束也能在栅格偏振器上获得小于60°的入射角。
优选，该系统可以包括一光积分装置，该光积分装置具有光学耦合至所述棱镜的所述第二出射面并接收被所述棱镜的第三面反射的光束的一进入面，其将光束传送穿过一出射面，在整个所述出射面上，照明大致是均匀的。为此，优选使用一杆积分器(rod integrator)。
优选，光源发出的光束为非准直光束，使得光积分器装置接收到的光束的包络令所有光束透入积分装置。
附图说明
本发明的不同方面和特征将在以下说明和所附附图中更加清晰显见，所述附图中：
图1是根据本发明一实施例的照明系统的一般示例；
图2a和2b是根据本发明一实施例的照明系统的更为详细的示例；
图3是本发明在根据本发明的投影系统的应用的示例。
具体实施方式
以下将参照图1描述根据本发明的照明系统的一个示例。
该系统包括光源S，其向着两个棱镜1和2发出非偏振光束F1。这两个棱镜在光束F1的入射平面(incident plane)中具有直角三角形的横截面。棱镜直角的两个边10和20夹着偏振分束装置3。棱镜直角的其它的两个面11和21位于同一平面中。这些面11和21将用作棱镜的出射面(exit face)。
棱镜1的包括了棱镜1的横截面的斜边的面12将作为系统的进入面(entry face)。
光束F1在面12上的入射角使得它能够进入棱镜1。优选，光束F1大致垂直于面12。
根据本发明，偏振分束器是栅格偏振分束器；为了特别地允许对其进行冷却，这里在分束器和棱镜1之间提供了空气间隙4。对于入射光线的入射角适合的情况，沿一个方向偏振的光不会(或者几乎不会)受偏振分束器的影响，而沿垂直方向偏振的光会被该偏振分束器反射。
因此，光束F1到达偏振分束器3，该分束器将沿一个方向偏振的光向棱镜2的包括该棱镜的横截面斜边的面22透射，而向棱镜1的面12反射沿垂直于第一方向的方向偏振的光。具体而言，其透射偏振方向垂直于偏振栅格3的元件方向的光，而反射偏振方向平行于这些元件的光。
在美国专利文献6122103中可以找到关于栅格偏振分束器的描述。优选，偏振器的取向使得栅格元件垂直于图1的平面。这种情况下，偏振S会被反射。该反射会朝向面10发生，而在面10上接收到的光通常必须被透射向棱镜1的面12。这就是为什么在图1的示例性实施例中为了避免光或者一部分光在偏振器3和棱镜1的面10之间被反射，该面10优选具有一抗反射涂层的原因，
在图1的示例性实施例中，偏振分束器被应用于棱镜2的面20。但是，显然，如果将其应用于棱镜1的面10，则优选具有抗反射涂层的面为棱镜2的面20。
棱镜2的面22将透射的光向面21反射。该反射或者是通过全内反射，或者是通过在具有反射性涂层(例如金属的)的面22上的完全反射实现的。
面12通过全内反射将被偏振分束器反射的光反射向面11。
优选，棱镜的角度和光束F1在面12上的入射角被选择为使得两个出射光束FS1和FS2是平行的。
图2a示出图1所示系统的更为具体的示例性实施例。
为了光束FS1和FS2的方向平行，使棱镜1和2的面11和12以及面21和22形成60°角。此外，光束F1的方向优选大致垂直于进入面12的平面。因此，优选光束F1的方向相对于面10的平面形成30°的入射角(参见图2b)。
这样，如前所述，如果在偏振器和棱镜1的面10之间提供一空气间隙，并且如果棱镜是由例如折射率约为1.5的BK7之类的玻璃制成的，则光束F1的方向在偏振分束器3上的入射角约为48°。因此，这表明，如图2b所示，相对于面10形成30°入射角的光束F1的光线将在偏振分束器3的平面上形成大约48°的入射角。
使用栅格偏振分束器的优点在于它在较宽的入射角范围上具有非常高的分光效率，这使得其能够用在光束平均方向的任一侧明显表现出大于或等于5°的较大发散的非准直光束F1来照明。该分束器的最优效率在光束F1的光线的入射角处于0°到60°之间的范围内时获得。因此，对于48°的入射角，它是处于最优工作范围的。
此外，如果光源发出的光束是非准直的，则使用栅格偏振分束器也可以将在相对于栅格偏振分束器平面具有48°入射角的平均方向的任一侧分布有角发散的光束的光，而同时表现出高分光效率。实践中，可接受的光束发散在光束的平均方向的任一侧最高可达9或10°。因此，该构造中，栅格分束器工作于例如48°+10°和48°-10°之间的入射光入射角。因此，该构造使得偏振分束器能够以最优效率工作。
为了获得传送仅在一个方向偏振的照明光束的照明系统，设置一偏振旋转器6，该偏振旋转器仅与棱镜出射面中的一个，例如面11相关联。因此，该偏振旋转器使得被棱镜1的面12反射的光束的偏振方向旋转90°。
图3示出其中设置了光积分器装置7的系统。该装置耦接到棱镜1和2的出射面11和21，以便耦合被面12和22所反射的所有光。
优选，如图3所示，光源3发出的光束被聚焦靠近积分器装置7的进入面70。积分器装置将相对均匀的光束传送经过其出射面71，使得物体8能够以均匀的方式被照明。在投影装置的情况下，该物体是一空间光调制器，其调制接收到的光，并允许显示在该空间光调制器上的图像被投影到屏幕上。
栅格偏振分束器以对光源S发出的光呈反射性的材料的带的阵列形式形成在棱镜2的面20上。该材料可以是诸如铝之类的金属。带的间距例如为几十纳米的量级，每个带的宽度为几个纳米。
这样的照明系统具有可以工作于光源发出非准直光束的条件下的优点，以及可以在积分器装置的出射处传送均匀照明的优点。此外，这样的系统工作于较宽的波长范围上，尤其是可见光范围。

Claims (9)

1.一种照明装置，其包括发射非偏振光束(F1)的光源(S)，设置在第一和第二透明棱镜(1、2)的第一面(10和20)之间的一偏振分束器(3)，所述棱镜中每一个都具有一第二出射面(11、21)，这两个出射面位于同一平面中，每个棱镜的所述第一面和第二面相垂直；光束穿过所述第一棱镜的一第三面(12)透入该第一棱镜，并到达所述偏振分束器(3)，该偏振分束器透射具有一第一偏振方向的光并反射具有一第二偏振方向的光；被所述偏振分束器(3)透射的光被透射到所述第二棱镜的一第三面(22)，该第三面(22)将光反射向所述第二棱镜的所述第二出射面(21)，而被所述偏振分束器反射的光被透射到所述第一棱镜的所述第三面(12)，该第三面(12)将光反射向所述第一棱镜的所述第二出射面(11)，所述照明装置的特征在于：所述偏振分束器(3)包括一栅格偏振器(3)，该栅格偏振器位于所述第一和第二棱镜(1、2)的第一面(10、20)之间。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束(F1)的发散在所述光束的平均方向的任一侧上大于或等于5°。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光束(F1)的发散在所述光束的平均方向的任一侧上小于或等于10°。
4.如前述任一权利要求所述的照明装置，其特征在于，它包括仅与所述棱镜的所述第二出射面中的一个(21或11)相关联的一偏振旋转装置。
5.如前述任一权利要求所述的照明装置，其特征在于，所述栅格偏振器形成在所述第一棱镜(1)的第一面(10)上，或形成在所述第二棱镜(2)的第一面(20)上。
6.如权利要求5所述的照明装置，其特征在于，在位于一侧的所述栅格偏振器(3)和其上形成该栅格偏振器的所述第一或第二棱镜(1或2)的所述第一面与位于另一侧的相应地朝向该栅格偏振器的所述第二或第一棱镜(2或1)的另一第一面(10)之间设置一空气间隙(4)。
7.如前述任一权利要求所述的照明装置，其特征在于，所述棱镜的与所述第一面相对的非直角大致等于60°，而与所述第二面相对的非直角大致等于30°，并且在所述光束(F1)透入所述第一棱镜时，其平均方向大致垂直于该棱镜的第三面。
8.如权利要求7所述的照明装置，其特征在于，所述棱镜的材料的折射率小于或等于1.5。
9.如权利要求7或8所述的照明装置，其特征在于，该照明装置包括一光积分装置(7)，该光积分装置具有光学耦合至所述棱镜的所述第二出射面(11、21)并接收被所述棱镜的第三面反射的光束的一进入面(70)，其将光束传送穿过一出射面(71)，在整个所述出射面上，照明大致是均匀的。
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