CN201820036U - 一种宽角度偏振分光器及使用其的投影光学引擎 - Google Patents

Abstract

一种宽角度偏振分光器，其包括第一棱镜，第二棱镜及设置于第一棱镜、第二棱镜之间的偏振分光面。其中，第一棱镜包括第一表面、第二表面、第三表面。第二棱镜包括第一面、第二面、第三面。第一面平行于第一棱镜的第二表面。第二面平行于第一棱镜的第三表面。第三面平行于第一棱镜的第一表面。第一棱镜的第二表面与第三表面的相交内角或者第二棱镜的第一面与第三面的相交内角α满足以下条件：45°＜α＜90°。本实用新型的偏振分光器，通过偏振分光面与棱镜表面设计恰当的相交内角，从而采用成本低、折射率高、透光性好的基底材料，降低偏振分光器的成本，结构简单，易于生产。另外，还提供一种使用该宽角度偏振分光器的投影光学引擎。

Description

一种宽角度偏振分光器及使用其的投影光学引擎 

技术领域

本实用新型涉及光学元件和投影显示技术，尤其涉及一种宽角度偏振分光器及使用其的投影光学引擎。 

背景技术

偏振分光器是将入射光分离成具有互相垂直偏振面的透射光和反射光的光学元件，其可用于各种类型的光学系统，例如：应用在投影显示中。 

图8所示为现有的偏振分光器应用于投影光学系统的示意图。该偏振分光器80为棱镜式偏振分光器，由二个直角三角棱镜801、802胶合成立方体形状，在其中间接触面上，即偏振分光器80的对角面上镀偏振分光膜堆构成偏振分光面803，该偏振分光面803能反射S线偏振光而透过P线偏振光，与棱镜表面的夹角约为45°。当光源发射的主光线以45°入射角入射到偏振分光器80的偏振分光面803时，S线偏振光藉由偏振分光器10的偏振分光面803反射进入微显示面板81，由微显示面板81调制成含有图像信息的P线偏振光，透过偏振分光面803入射至投影镜头82，由投影镜头82将微显示面板81上的图像信息投影成像到屏幕上。然而，依照正弦定理，当起偏角为45°时，需要采用折射率较高的基底材料，而这种基底材料的透光率较差，且，价格高，从而导致偏振分光器的成本较高，不利于其的推广应用，局限了偏振分光器的发展。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低的宽角度偏振分光器。 

另外，还需提供一种结构简单、成本低的投影光学引擎。 

本实用新型的发明目的是通过以下技术方案来实现的： 

一种宽角度偏振分光器，其包括第一棱镜，第二棱镜以及设置于所述第一棱镜、第二棱镜之间的偏振分光面。其中，所述第一棱镜包括第一表面、第二表面、第三表面。第一表面用于垂直接收照明光。第二表面面向所述第 二棱镜，用于提供入射光束给所述偏振分光面。所述第二棱镜包括第一面、第二面、第三面。第一面平行于所述第一棱镜的第二表面。第二面平行于所述第一棱镜的第三表面，用于出射调制后的影像光。第三面平行于所述第一棱镜的第一表面。所述第一棱镜的第二表面与第三表面的相交内角或者所述第二棱镜的第一面与第三面的相交内角α满足以下条件：45°＜α＜90°。 

一种投影光学引擎，包括照明装置、上述所述的宽角度偏振分光器、微显示面板以及投影物镜。其中，照明装置用于产生照明光。微显示面板用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。投影物镜用于投射携有图像信息的另一偏振光。 

本实用新型的宽角度偏振分光器，通过偏振分光面与棱镜表面设计恰当的相交内角，从而采用成本低、折射率高、透光性好的基底材料，降低偏振分光器的成本，结构简单，易于生产。而使用这种宽角度偏振分光器的投影光学引擎，照明装置输出的光经宽角度偏振分光器后，提供给微显示面板，之后，微显示面板调制出图像光再次通过宽角度偏振分光器进入投影物镜，从投影物镜输出到外部屏幕，其光学系统设计过程仅涉及照明装置，一个宽角度偏振分光器、微显示面板以及投影物镜，不涉及其他光学器件，所使用的光学元件较少，结构简单、紧凑，尺寸较小，投影显示质量好，生产成本较低，满足市场微型化、轻量化的需求。 

附图说明

为了易于说明，本实用新型由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。 

图1a为本实用新型第一实施方式的宽角度偏振分光器的结构示意图。 

图1b为本实用新型宽角度偏振分光器的透过率和波长的关系的曲线图。 

图2为本实用新型第二实施方式的宽角度偏振分光器的结构示意图。 

图3为本实用新型第三实施方式的宽角度偏振分光器的结构示意图。 

图4为本实用新型第四实施方式的宽角度偏振分光器的结构示意图。 

图5为本实用新型第一实施方式的投影光学引擎的平面结构示意图。 

图6为本实用新型第二实施方式的投影光学引擎的平面结构示意图。 

图7为本实用新型第三实施方式的投影光学引擎的平面结构示意图。 

图8为现有的偏振分光器应用于投影光学系统的示意图。 

具体实施方式

图1a所示为本实用新型第一实施方式的宽角度偏振分光器10的结构示意图。宽角度偏振分光器10包括第一棱镜101，第二棱镜102以及设置于第一棱镜101、第二棱镜102之间的偏振分光面103。 

第一棱镜101包括第一表面1011、第二表面1012、第三表面1013。其中，第一表面1011用于垂直接收照明光。第二表面1012面向第二棱镜102，用于提供入射光束给偏振分光面103。第三表面1013与第一棱镜101的第一表面1011相交。当宽角度偏振分光器10接收S偏振光入射时，微显示面板20临近第一棱镜101的第三表面1013设置，此时，第三表面用于提供S偏振光给微显示面板20，并接收微显示面板20调制后的反射光(影像光)。如图1a所示，调制后的反射光是垂直于第一棱镜101的第三表面1013进入宽角度偏振分光器10。而第二表面1012还用于接收偏振分光面103所反射的偏振光。 

第二棱镜102包括第一面1021、第二面1022、第三面1023。其中，第一面1021平行于第一棱镜101的第二表面1012。第二面1022平行于第一棱镜101的第三表面1013，用于出射调制后的影像光。如图1a所示，调制后的影像光是垂直于第二棱镜102的第二面1022出射。第三面1023平行于第一棱镜101的第一表面1011。 

本实用新型中，第一棱镜101的第二表面1012与第三表面1013的相交内角或者第二棱镜102的第一面1021与第三面1023的相交内角α满足以下条件：45°＜α＜90°。其中，该相交内角优选57°、60.8°、53.7°。由于偏振分光器的起偏角度较大，根据正弦定理，偏振分光器所采用的基底材料的折射率较低，透光率较好，且，价格便宜。 

参阅图1a，第一棱镜101和第二棱镜102均为锐角三角形棱镜。又，本实用新型实施方式中，第一棱镜101与第二棱镜102为K9玻璃，透光率较好，且，价格便宜。由图可知，入射光垂直第一棱镜101的第一表面1011进入宽角度偏振分光器10，之后，经微显示面板20调制后的影像光同样是垂直第三表面1013进入到宽角度偏振分光器10后，最终垂直于第二棱镜102的第二面1022出射。 

偏振分光面103由偏振分光膜堆构成，将入射光分离成具有互相垂直偏 振面的透射光和反射光，或者是反射S偏振光，透射P偏振光。其中，该偏振分光膜堆由高折射率材料、中折射率材料以及低折射率材料构成。依照以下实现偏振条件的关系式： 

$n_G\mathrm{Sin}{\mathrm{\α}}_1=\frac{n_H{n}_L}{\sqrt{{n_H}^2+{n_L}^2}};$ $n_G\mathrm{Sin}{\mathrm{\α}}_2=\frac{n_L{n}_M}{\sqrt{{n_M}^2+{n_L}^2}};$ $n_G\mathrm{Sin}{\mathrm{\α}}_3=\frac{n_H{n}_M}{\sqrt{{n_H}^2+{n_M}^2}};$

其中，n_G为基底的折射率，n_H为高折射率材料的折射率，n_M为中折射率材料的折射率，n_L为低折射率材料的折射率，α₁、α₂及α₃为起偏角。 

本实用新型实施方式中，高折射率材料为二氧化钛；低折射率材料为石英。依照公式，该中折射率材料的折射率范围为1.65～1.85。依照该设计，可得到如图1b所示的曲线图。 

又，本实用新型中，偏振分光面103与棱镜之间设置有粘接胶层(图中未示出)，用于将镀有偏振分光膜堆的棱镜101或102与另一棱镜102或101整合为一体。另外，如果对宽角度偏振分光器10有更高的要求，还可以在临近粘接胶层的表面镀增透膜(图中未示出)，即在粘接胶层与棱镜、偏振分光膜堆之间分别设置增透膜，以提高效率。 

参阅图1b，为本发实用新型宽角度偏振分光器的透过率和波长的关系的曲线图。其中，P1代表光束以57°入射角入射到偏振分光面103的曲线图；P2代表光束以60.8°入射角入射到偏振分光面103的曲线图；P3代表光束以53.7°入射角入射到偏振分光面103的曲线图。由图可知，对于P偏振光450nm～630nm之间的透射率平均为90％以上，而S偏振光450nm～630nm之间的透射率平均为0.5％以下，接近0％的理想值。 

因此，本实用新型的宽角度的偏振分光器，通过偏振分光面与棱镜表面设计恰当的相交内角，从而采用成本低、折射率高、透光性好的基底材料，降低偏振分光器的成本，结构简单，易于生产。另外，由于偏振分光面设置在两个棱镜之间，处于封闭状态，避免偏振分光面受到外界环境的影响，相对于传统的平板型的偏振分光器可靠性高。 

图2所示为本实用新型第二实施方式的宽角度偏振分光器10’的结构示 意图。该宽角度偏振分光器10’的结构与第一实施方式的结构基本相同，区别在于图2所示的第一棱镜101’为梯形棱镜，第二棱镜102为锐角三角形棱镜。参阅图2，当宽角度偏振分光器10’接收P偏振光入射时，微显示面板20临近第二棱镜102的第三面1023设置，此时，第三面1023用于提供P偏振光给微显示面板20，并接收微显示面板20调制后的反射光(影像光)。而第二棱镜102的第一面1021用于接收偏振分光面103所透射的P偏振光。同样，第一棱镜101’的第二表面1012’与第三表面1013’的相交内角或者第二棱镜102的第一面1021与第三面1023的相交内角α满足以下条件：45°＜α＜90°。 

图3所示为本实用新型第三实施方式的宽角度偏振分光器10”的结构示意图。该宽角度偏振分光器10”的结构与第一实施方式的结构基本相同，区别在于图3所示的第一棱镜101’、第二棱镜102’均为梯形棱镜。 

图4所示为本实用新型第四实施方式的宽角度偏振分光器的结构示意图。该宽角度偏振分光器结构与第一实施方式的结构基本相同，区别在于图4所示的第一棱镜101”、第二棱镜102”均为不规则的多边形棱镜。采用多边形棱镜，有利于缩小宽角度偏振分光器的体积。因此，本实用新型的第一棱镜为锐角三角形棱镜、梯形棱镜或者不规则的多边形棱镜，而第二棱镜为锐角三角形棱镜、梯形棱镜或者不规则的多边形棱镜。 

图5所示为本实用新型第一实施方式的投影光学引擎的平面结构示意图。投影光学引擎包括照明装置30，宽角度偏振分光器10，微显示面板20以及投影物镜40。其中，照明装置30用于产生照明光，照射微显示面板20。宽角度偏振分光器10为上述任一实施方式的宽角度偏振分光器10，设置于照明装置30的出射光路上。 

微显示面板20的数量为一个，设置于宽角度偏振分光器10与照明装置的非相邻的一侧，用于对所接收到的偏振光(图5为S偏振光，图6为P偏振光)进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光(图5为P偏振光，图6为S偏振光)，并使该另一偏振光携有图像信息。本实用新型实施方式中，微显示面板20为硅基液晶面板(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)，接收到的是S偏振光，经过微显示面板10的调制后，将转换为携有图像信息的P偏振光，且将其反射回宽角度偏振分光器10上，由宽角度偏振分光器10将该P偏振光透射至投影物镜40上。换句话说，投影物镜40与微显示面板20相对平行设置，用于投射携有图像信息的另一偏振光，即P偏振光。投影物镜40与微显示面板20位于同一个光轴o1上，且与照明装置30的光轴o2成夹角β，其中，夹角β＝2α。

图6所示为本实用新型第二实施方式的投影光学引擎的平面结构示意图。该投影光学引擎与第一实施方式的投影光学引擎的结构基本相同，区别在于图6所示的投影光学引擎的微显示面板20所接收到的偏振光为P偏振光，经过微显示面板20的调制后，转换为携有图像信息的S偏振光，且将其反射回宽角度偏振分光器10上，由宽角度偏振分光器10将该S偏振光反射至投影物镜40上。换句话说，投影物镜与微显示面板20相邻设置。此时，投影物镜40是用于投射携有图像信息的S偏振光。本实用新型实施方式中，照明装置30与微显示面板20’位于同一个光轴o3上，且与投影物镜40的光轴o4成夹角β’，同样，夹角β’＝2α。 

图7所示为本实用新型第三实施方式的投影光学引擎的平面结构示意图。该投影光学引擎与第一实施方式的投影光学引擎的结构基本相同，区别在于图7所示的投影光学引擎还包括偏振转换器50，设置于照明装置30的出射光路上，用于把所接收到的光转换为单一偏振状态的偏振光。该偏振转换器50包括顺序排列、结合成一体的多个棱镜501，设置于棱镜501间结合面的偏振分光面502，设置于部分棱镜出光面上的二分之一波片503，以及设置于棱镜的外侧面上的全反光面504。其中，棱镜的出光面与偏振分光面502的相交锐角α’满足以下条件：45°＜α’＜90°。相交锐角α’优选为57°。 

本实用新型其它实施方式中，该偏振转换器50的结构可以为偏振片，或者是传统的偏振转换器(偏振分光面与棱镜的出光面成45°夹角)，只要能把所接收到的光转换为单一偏振状态的偏振光即可。 

因此，本实用新型的投影光学引擎，采用宽角度偏振分光器，具有结构简单、成本低、易于生产的优点。照明装置输出的光经宽角度偏振分光器后，提供给微显示面板，之后，微显示面板调制出图像光再次通过宽角度偏振分光器进入投影物镜，从投影物镜输出到外部屏幕，其光学系统设计过程仅涉及照明装置，一个宽角度偏振分光器、微显示面板以及投影物镜，不涉及其他光学器件，所使用的光学元件较少，结构简单、紧凑，尺寸较小，投影显示质量好，生产成本较低，满足市场微型化、轻量化的需求。 

以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均包含本实用新型的保护范围内。 

Claims (13)

1.一种宽角度偏振分光器，其包括第一棱镜，第二棱镜以及设置于所述第一棱镜、第二棱镜之间的偏振分光面；

其中，所述第一棱镜包括：

第一表面，用于垂直接收照明光；

第二表面，面向所述第二棱镜，用于提供入射光束给所述偏振分光面；及

第三表面；

所述第二棱镜包括：

第一面，平行于所述第一棱镜的第二表面；

第二面，平行于所述第一棱镜的第三表面，用于出射调制后的影像光；以及

第三面，平行于所述第一棱镜的第一表面；

其特征在于，所述第一棱镜的第二表面与第三表面的相交内角或者所述第二棱镜的第一面与第三面的相交内角α满足以下条件：45°＜α＜90°。

2.根据权利要求1所述的宽角度偏振分光器，其特征在于，所述相交内角α为57°。

3.根据权利要求1所述的宽角度偏振分光器，其特征在于，所述调制后的影像光垂直于所述第二棱镜的第二面出射。

4.根据权利要求1所述的宽角度偏振分光器，其特征在于，所述第一棱镜为锐角三角形棱镜、梯形棱镜或者不规则的多边形棱镜；所述第二棱镜为锐角三角形棱镜、梯形棱镜或者不规则的多边形棱镜。

5.根据权利要求1所述的宽角度偏振分光器，其特征在于，所述第一棱镜与第二棱镜为K9玻璃。

6.根据权利要求1所述的宽角度偏振分光器，其特征在于，所述偏振分光面由偏振分光膜堆构成。

7.根据权利要求1所述的宽角度偏振分光器，其特征在于，所述偏振分光面与棱镜之间设置有粘接胶层。

8.根据权利要求1所述的宽角度偏振分光器，其特征在于，临近所述粘接胶层的表面还镀有增透膜。 

9.一种投影光学引擎，其包括：

照明装置，用于产生照明光；

其特征在于，所述投影光学引擎还包括权利要求1至8中任意一项所述的宽角度偏振分光器，设置于所述照明装置的出射光路上；

微显示面板，用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息；以及

投影物镜，用于投射携有图像信息的另一偏振光。

10.根据权利要求9所述的投影光学引擎，其特征在于，还包括偏振转换器，设置于照明装置的出射光路上，用于把所接收到的光转换为单一偏振状态的偏振光。

11.根据权利要求10所述的投影光学引擎，其特征在于，所述偏振转换器包括顺序排列、结合成一体的多个棱镜，设置于棱镜间结合面的偏振分光面，设置于部分棱镜出光面上的二分之一波片，以及设置于棱镜的外侧面上的全反光面；其中，棱镜的出光面与偏振分光面的相交锐角α’满足以下条件：45°＜α’＜90°。

12.根据权利要求11所述的投影光学引擎，其特征在于，所述相交锐角α’为57°。

13.根据权利要求9所述的投影光学引擎，其特征在于，照明装置的主光轴与投影物镜的主光轴的夹角为所述宽角度偏振分光器第一棱镜的第二表面与第三表面的相交内角或者所述第二棱镜的第一面与第三面的相交内角α的两倍。 

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