CN216868255U - 一种偏振补光灯 - Google Patents

Abstract

一种偏振补光灯，包括壳体、光源、偏振光栅、偏振转换器和复合整形透镜，光源发出的非偏振光射向偏振光栅，偏振光栅用于将非偏振光转换为两束旋向相反的偏振光，光束偏转角为θ，偏振转换器用于将两束旋向相反的偏振光转换成偏振状态一致的偏振光，复合整形透镜安装在偏振转换器后方，用于对从偏振转换器射出的光束收拢并匀化。

Description

一种偏振补光灯

技术领域

本实用新型涉及偏振光源技术领域，具体涉及一种偏振补光灯。

背景技术

光是一种波，而且是一种横波，其电矢量E 振动方向与光传播方向垂直。根据其电矢量E 的不同振动状态，可将其分为非偏振光和偏振光；其中自然光属于非偏振光，自然光的传播方向与任意方向光的振动矢量相垂直，振幅与传播方向以对称轴形式呈现，每一个方向振幅均相等。而偏振光是电矢量相对于传播方向以一固定方式振动的光。按电矢量末端在光的传播过程中形成的轨迹，偏振光又可分为线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。近年来人们对偏振光的研究和应用越来越关注，并陆续取得了一系列的成果，使偏振光在人们的生产生活与科学研究中发挥着越来越重要的作用，比如偏振光在日常生活中的具体应用包括立体电影拍摄、防止强光照射、液晶显示器、偏振光导航等，根据偏振光具有的特定生物刺激作用，在植物补光及医疗方面的应用也取得了一定的成果。

偏振光的生产有多种方法，比如可通过偏振片将自然光分解后形成偏振光，也可以利用晶体自身特性或双折射原理来获得偏振光；其中利用偏振片将自然光进行分解的方法，操作较为简单，应用的比较广泛，现有技术中的很多偏振光生产装置就是利用该种方法生产偏振光。但这类利用偏振片+波片的偏振光生产装置的光源利用率较低，自然光（即非偏振光）经过偏振片会损失一半以上的能量，且对于高能光源，吸收型偏振片容易过热烧毁。因此，本申请旨在提供一种能量损失率较低的偏振光生产装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种偏振补光装置，该装置的光源损失小，能效大大提高。

本实用新型的技术方案是：一种偏振补光灯，包括壳体、光源和偏振光栅，光源与偏振光栅安装在壳体内部，并使光源发出的非偏振光射向偏振光栅，偏振光栅用于将非偏振光转换分成两束旋向相反的偏振光，光束偏转角为θ，还包括偏振转换器，偏振转换器用于将两束旋向相反的偏振光转换成偏振状态一致的偏振光。

进一步的，光源包括LED适配器 、LED铝基板和LED发光芯片，其中LED适配器用于为LED发光芯片提供电源，其上设置有标准接口结构，该标准接口结构与通用的市电灯座相匹配。

进一步的，还包括TIR透镜，TIR透镜设置在偏振光栅与光源之间，用于对光源发出的光线进行角度压缩。角度压缩后的光线射入偏振光栅后可以获得更好的分光效果。

进一步的，TIR透镜的准直角度小于10度。

进一步的，偏振光栅满足光栅方程：

其中 θ为光束偏转角，λ为波长，P为光栅的周期（单位um）。

进一步的，还包括复合整形透镜，安装在偏振转换器后方，用于对从偏振转换器射出的光束收拢并匀化。由于经过偏振转换器后的两束光分开较大，可能会形成的照明面为两个有间隙的照明面组成，不利于照明。加装复合整形透镜进行处理后，可以形成一个相对均匀，无间隙的照明面，即复合整形透镜可将光线重新分配为一个类高斯的光源，而光源的偏振态已经经过了调整，将是偏振态一致的圆偏振、线偏振、矢量光束或者涡旋光束。

进一步的，复合整形透镜的前表面为自由曲面，用于对入射光束进行收扰，后表面上刻有微透镜阵列，用于将光线打散匀化。

进一步的，偏振转换器与偏振光栅的距离记为d ,保证d大于偏振光栅分出的两束光正好完全分开时的距离，这样便于偏振转换器对两束光分别进行处理，保证转换的效果。

进一步的，偏振转换器有多种结构，包括圆偏振转换器、线偏振转换器、矢量偏振转换器和涡旋偏振转换器，以对应生成不同类型的偏振光。

进一步的，当用于输出圆偏振光时，偏振转换器为圆偏振转换器，其采用透明玻璃作为基底，且该玻璃基底分为上半部分和下半部分，上、下部分均设置有增透膜，分别为第一镀膜和第二镀膜，同时在上、下两部分之中有且仅有一个部分镀有半波膜层，半波膜层用于改变圆偏振光的旋转方向。具体的，当需要输出右旋圆偏振光时，偏振转换器上半部分镀有半波膜层和第一镀膜，下半部分仅镀有第二镀膜；输出左旋圆偏振光则反之。左旋圆偏振光通过半波膜后转换成右旋圆偏振光，与半波膜的快慢轴方向无关。这样，通过此偏振转换器后的光的偏振态转换成统一的左旋或者右旋偏振光。

当用于输出线偏振光时，偏振转换器为线偏振转换器，其由两个玻璃基底贴合而成，其中第一玻璃基底外表面上与圆偏振转换器相同，即设置有第一镀膜和第二镀膜，第一玻璃基底与第二玻离基底之间设置有第三镀膜，第三镀膜为1/4波膜加增透膜，同时第三镀膜和第一镀膜的快轴夹角为45°，在第二玻离基底的外表面设置有第四镀膜，第四镀膜4为增透膜；

当用于输出矢量偏振光时，偏振转换器为矢量偏振转换器，矢量偏振转换器的具体结构为：在线偏振转换器的结构上增加第三玻璃基底，使第二玻璃基底位于中央，第三玻璃基底上设置有涡旋波片，当涡旋波片0°快轴方向与线偏振方向平行时，射出径向偏振光；当涡旋波片0°快轴方向与线偏振方向垂直时，射出角向偏振光；

当用于输出涡旋偏振光时，偏振转换器为涡旋偏振转换器，涡旋偏振转换器为在圆偏振转换器的结构上改造而成，具体为增加第二玻璃基底，第一玻璃基底与第二玻璃基底之间设有第三镀膜，第二玻璃基底另一侧表面设有涡旋波片。且左旋圆偏振转换器经改造，出射光为右旋涡旋光束，出射偏振态变成右旋圆偏振。右旋圆偏振转换器结构经改造后，出射光为左旋涡旋光束，出射偏振态变成左旋圆偏振。涡旋光束的阶数与涡旋波片拓扑核数一致。

进一步的，偏振转换器可拆卸连接方式安装在偏振光栅和复合整形透镜之间，方便根据对实际偏振光类型的需求，安装相对应的偏振转换器，可拆卸安装方式包括螺栓连接、卡扣连接等方式。

进一步的，壳体的形状可以根据需要自由设计，例如壳体可以设计为圆锥台形的铝制灯泡外壳，使得补光灯与普通电灯的形状相同，从而符合人们的使用习惯。

本实用新型的工作原理：本实用新型中的光源发出非偏振光，经过TIR透镜收光、准直（准直角度小于10度）之后，射入偏振光栅，其出射光束将分为两束，分别对应光栅的±１级，且正一级衍射光为左旋圆偏振光，负一级衍射光为右旋圆偏振光。经过一段距离ｄ之后，两束光得以完全分开，此时光束上半部分为左旋圆偏振光，下半部分为右旋圆偏振光。在此加入一个偏振转换器，可将两束偏振光的偏振态转换成一致。根据偏振转换器组成的不同，可生成不同的偏振光源。

与现有技术相比本实用新型的有益效果：本实用新型中的偏振补光灯，产生的偏振光偏振度大于90%，最大能效接近80%。相较于传统用偏振片+波片产生偏振光的形式，能效大大提高；偏振转换器有多种结构，且采用可拆卸连接方式安装在壳体内，可以根据需要安装不同的偏振转换器以生产不同类型的偏振光。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的立体示意图；

图2是本实用新型实施例1 的剖面示意图；

图3是本实用新型实施例1略去壳体后的立体剖面示意图；

图4是本实用新型实施例1偏振光栅的工作原理示意图；

图5是本实用新型中圆偏振转换器的具体结构示意图；

图6是本实用新型中线偏振转换器的具体结构示意图；

图7是本实用新型中矢量偏振转换器的具体结构示意图；

图8是本实用新型中涡旋偏振转换器的具体结构示意图；

图中：1-标准E27灯泡螺纹， 2-LED适配器 ，3-LED铝基板 ，4-LED发光芯片， 5-TIR透镜 ，6-偏振光栅， 7-铝制灯泡外壳 ，8-偏振转换器 ，9-复合整形透镜，811-第一玻璃基底，812第二玻璃基底，813第三玻璃基底，821-第一镀膜，822-第二镀膜，823-第三镀膜，824-第一镀膜，825-第五镀膜，826-半波膜，827-涡旋波片。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本实用新型做进一步详细说明，实施例中未具体说明的方法或功能部件均为现有技术。

实施例1

如图1-8所示，本实施例是一种偏振补光灯，包括壳体7和安装在壳体7内的光源、TIR透镜5、偏振光栅6和复合整形透镜9；光源包括LED适配器2 、LED铝基板3和LED发光芯片4，其中LED适配器2用于为LED发光芯片4提供电源，其包括标准接口结构，该标准接口结构为标准E27灯泡螺纹1，可与通用的市电灯座相匹配，光源发出的非偏振光射向偏振光栅6,偏振光栅6用于将非偏振光转换分成两束旋向相反的偏振光。 TIR透镜5设置在偏振光栅6与光源之间，可以对光源发出的光线进行角度压缩，TIR透镜5的准直角度小于10度。角度压缩后的光线射入偏振光栅6后能获得更好的分光效果，偏振转换器8用于将两束旋向相反的偏振光转换成偏振状态一致的偏振光。复合整形透镜9安装在偏振转换器8后方，用于对从偏振转换器8射出的光束收拢并匀化，复合整形透镜9的前表面为自由曲面，用于对入射光束进行收扰，后表面上刻有微透镜阵列，用于将光线打散匀化。

本实施例中，偏振转换器8与偏振光栅6的距离记为d ，保证d大于偏振光栅6分出的两束光正好完全分开时的距离，这样便于偏振转换器8对两束光分别进行处理，保证转换的效果，偏振光栅6分出的两束光正好完全分开时的距离是根据实际的光源和偏振光栅6的自有属性决定的，可以根据实验确定。

本实施例中偏振转换器8有四种类型，分别为圆偏振转换器、线偏振转换器、矢量偏振转换器和涡旋偏振转换器，分别对应生成不同类型的偏振光。

如图5所示，当用于输出圆偏振光时，偏振转换器8为圆偏振转换器，其采用透明玻璃作为基底，且该玻璃基底分为上半部分和下半部分，上、下部分均设置有增透膜，分别为第一镀膜821和第二镀膜822，同时在上、下两部分之中有且仅有一个部分镀有半波膜826，半波膜层用于改变圆偏振光的旋转方向。具体的，当需要输出右旋圆偏振光时，偏振转换器8上半部分依次设有第一镀膜821和半波膜826，下半部分仅镀有第二镀膜822；输出左旋圆偏振光则反之。左旋圆偏振光通过半波膜后转换成右旋圆偏振光，与半波膜的快慢轴方向无关。这样，通过此偏振转换器8后的光的偏振态转换成统一的左旋或者右旋偏振光。

如图6所示，当用于输出线偏振光时，偏振转换器8为线偏振转换器，其由两个玻璃基底贴合而成，其中第一玻璃基底811外表面上与圆偏振转换器相同，即设置有第一镀膜821和第二镀膜822，第一玻璃基底811与第二玻离基底之间设置有第三镀膜823，第三镀膜823为1/4波膜加增透膜，同时第三镀膜823和第一镀膜821的快轴夹角为45°，在第二玻离基底的外表面设置有第四镀膜824，第四镀膜8244为增透膜.

如图7所示，当用于输出矢量偏振光时，偏振转换器8为矢量偏振转换器，矢量偏振转换器的具体结构为：在线偏振转换器的结构上增加第三玻璃基底813，使第一玻璃基底812位于中央，第三玻璃基底813上依次设置有涡旋波片及第五镀膜825，当涡旋波片0°快轴方向与线偏振方向平行时，射出径向偏振光；当涡旋波片0°快轴方向与线偏振方向垂直时，射出角向偏振光；

如图8所示，当用于输出涡旋偏振光时，偏振转换器为涡旋偏振转换器，涡旋偏振转换器为在圆偏振转换器的结构上改造而成，具体为增加第一玻璃基底812，第一玻璃基底811与第一玻璃基底812之间设有第三镀膜823，第一玻璃基底812另一侧表面设有涡旋波片827。涡旋光束的阶数与涡旋波片827拓扑核数一致。

本实施例中，偏振转换器8可通过卡扣结构可拆卸安装在偏振光栅6和复合整形透镜9之间，方便根据对实际偏振光类型的需求，安装相对应的偏振转换器8，可拆卸安装方式包括螺栓连接、卡扣连接等方式。

本实施例中，壳体7设计为圆锥台形的铝制灯泡外壳，使得补光灯与普通电灯的形状相同，更符合人们的使用习惯。

本实施例中，第一镀膜821、第二镀膜822、第四镀膜824、第五镀膜825均为增透膜，第三镀膜823为1/4波膜。

以上仅为本实用新型的部分实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有前述各种技术特征的组合和变型，本领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下，对本实用新型的改进、变型、等同替换，或者将本实用新型的结构或方法用于其它领域以取得同样的效果，都属于本实用新型包括的保护范围。

Claims (10)

1.一种偏振补光灯，包括壳体、光源和偏振光栅，光源与偏振光栅安装在壳体内部，并使光源发出的非偏振光射向偏振光栅，偏振光栅用于将非偏振光转换分成两束旋向相反的偏振光，其特征在于：还包括偏振转换器，偏振转换器用于将两束旋向相反的偏振光转换成偏振状态一致的偏振光。

2. 根据权利要求1所述的一种偏振补光灯，其特征在于：所述光源包括LED适配器 、LED铝基板和LED发光芯片，其中LED适配器用于为LED发光芯片提供电源，其上设置有标准接口结构，该标准接口结构与通用的市电灯座相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种偏振补光灯，其特征在于：还包括TIR透镜，TIR透镜设置在偏振光栅与光源之间，用于对光源发出的光线进行角度压缩。

4.根据权利要求3所述的一种偏振补光灯，其特征在于：所述TIR透镜的准直角度小于10度。

5.根据权利要求1所述的一种偏振补光灯，其特征在于：还包括复合整形透镜，安装在偏振转换器后方，用于对从偏振转换器射出的光束收拢并匀化。

6.根据权利要求5所述的一种偏振补光灯，其特征在于：所述复合整形透镜的前表面为自由曲面用于对入射光束进行收扰，后表面为平面，且该表面上刻有微透镜阵列，用于将光线打散匀化。

7.根据权利要求5所述的一种偏振补光灯，其特征在于：所述偏振转换器与偏振光栅的距离记为d ,保证d大于偏振光栅分出的两束光正好完全分开时的距离。

8.根据权利要求4所述的一种偏振补光灯，其特征在于：所述偏振转换器有多种结构，包括圆偏振转换器、线偏振转换器、矢量偏振转换器和涡旋偏振转换器，以对应生成不同类型的偏振光。

9.根据权利要求8所述的一种偏振补光灯，其特征在于：当用于输出圆偏振光时，偏振转换器为圆偏振转换器，其采用透明玻璃作为基底，且该玻璃基底分为上半部分和下半部分，上、下部分均设置有增透膜，分别为第一镀膜和第二镀膜，同时在上、下两部分之中有且仅有一个部分镀有半波膜层，半波膜层用于改变圆偏振光的旋转方向；

当用于输出线偏振光时，偏振转换器为线偏振转换器，其由两个玻璃基底贴合而成，其中第一玻璃基底外表面上与圆偏振转换器相同，即设置有第一镀膜和第二镀膜，第一玻璃基底与第二玻离基底之间设置有第三镀膜，第三镀膜为1/4波膜加增透膜，同时第三镀膜和第一镀膜的快轴夹角为45°，在第二玻离基底的外表面设置有第四镀膜，第四镀膜4为增透膜；

当用于输出矢量偏振光时，偏振转换器为矢量偏振转换器，矢量偏振转换器的具体结构为：在线偏振转换器的结构上增加第三玻璃基底，使第二玻璃基底位于中央，第三玻璃基底上设置有涡旋波片，当涡旋波片0°快轴方向与线偏振方向平行时，射出径向偏振光；当涡旋波片0°快轴方向与线偏振方向垂直时，射出角向偏振光；

当用于输出涡旋偏振光时，偏振转换器为涡旋偏振转换器，涡旋偏振转换器为在圆偏振转换器的结构上，增加第二玻璃基底，第一玻璃基底与第二玻璃基底之间设有第三镀膜，第二玻璃基底另一侧表面设有涡旋波片。

10.根据权利要求4所述的一种偏振补光灯，其特征在于：所述偏振转换器可拆卸安装在偏振光栅和复合整形透镜之间，方便根据对实际偏振光类型的需求，安装相对应的偏振转换器。

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