本發(fā)明涉及激光照明、顯示領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于激光照明、激光顯示及以相干光為光源的光學(xué)設(shè)備與儀器，具體為一種基于偏振分光鏡的分光裝置。

背景技術(shù)：

激光顯示技術(shù)以其色域?qū)拸V、亮度高、飽和度高以及可以更真實(shí)再現(xiàn)自然界多姿多彩的顏色世界等優(yōu)點(diǎn)日益受到人們的關(guān)注。

在激光顯示中常常需要把激光光束轉(zhuǎn)換成特定形狀且強(qiáng)度均勻的光束。常常需要用到復(fù)眼照明系統(tǒng)與X分光鏡，但X分光鏡交叉位置對(duì)應(yīng)的像面上會(huì)形成一條暗場(chǎng)區(qū)域。在CN 205353467 U專利中采用了分光的解決辦法，將原光路劃分為四條光路，合理的彌補(bǔ)了X分光鏡在投影系統(tǒng)中畫面屏幕中心出現(xiàn)暗條紋的缺陷，已經(jīng)獲得了良好的顯示效果。不過該專利只是簡(jiǎn)單把入射光分為若干個(gè)區(qū)域入射，每束光光學(xué)性質(zhì)可能不同，所以顯示效果可以進(jìn)一步提高。而本裝置將一束光通過簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)分成四束光，每束光光強(qiáng)，波長(zhǎng)，偏振等光學(xué)性質(zhì)完全一致，進(jìn)一步提高了勻場(chǎng)顯示效果。此外本裝置可以直接和光學(xué)衍射元件(DOE)聯(lián)用，可以輸出面積可調(diào)的矩形光斑，可以提高復(fù)眼透鏡覆蓋率，也進(jìn)一步提高了勻場(chǎng)效果，另外DOE代替了透鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)成本。

無論在激光顯示還是激光照明的應(yīng)用中，常常需要通過擴(kuò)大照明面積來獲得良好的照明和勻場(chǎng)效果，而傳統(tǒng)利用單束光進(jìn)行擴(kuò)束的方法，例如望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，隨著倍率的提高，尺寸會(huì)變得很大，不利于制作和使用，而且效果常常不夠理想。而本裝置通過簡(jiǎn)單的光學(xué)器件，合理的光路結(jié)構(gòu)，可以獲得很大的照明面積，且裝置各器件之間距離可調(diào)，方便與很多光學(xué)系統(tǒng)配合使用。

投影顯示系統(tǒng)，特別是液晶投影與LCOS投影顯示系統(tǒng)，都工作在偏振光模式，而傳統(tǒng)的照明光源均為非偏振光源，所以常常需要和偏振轉(zhuǎn)換器(PCS)聯(lián)用。本裝置直接實(shí)現(xiàn)了線偏振光輸出，不需要偏振轉(zhuǎn)換器(PCS)，能量利用率得到提高，同時(shí)也降低了光學(xué)系統(tǒng)的成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于偏振分光鏡的分光裝置，它以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了照明面積，獲得良好的勻場(chǎng)效果，而且獲得線偏振光輸出，可以在激光照明、激光顯示等領(lǐng)域獲得很多應(yīng)用。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于偏振分光鏡的分光裝置，包括分光組件，所述分光組件包括偏振分光鏡、二分之一波片、全反射鏡I、中性分束鏡I、全反射鏡II、中性分束鏡II和全反射鏡III；入射光進(jìn)入偏振分光鏡，被分成兩束光，反射光為S偏振光，透射光為P偏振光；S偏振光進(jìn)入到二分之一波片被轉(zhuǎn)換成P偏振光，再由全反射鏡I反射，進(jìn)入中性分束鏡I再被分成兩束光，其中反射光再經(jīng)過全反射鏡II反射，使方向調(diào)整到與透射光一致；P偏振光直接進(jìn)入中性分束鏡II被分成兩束光，其中反射光再經(jīng)過全反射鏡III反射，使方向調(diào)整到與透射光一致，最終獲得了偏振相同，光強(qiáng)相同，方向平行的四束線偏振激光輸出。

其中，二分之一波片與偏振分光鏡膠合在一起。

其中，建立直角坐標(biāo)系，全反射鏡I、全反射鏡II和全反射鏡III角度都可調(diào)，調(diào)整全反射鏡I位置至垂直于XOZ平面，與X軸、Z軸分別成45°夾角，調(diào)整全反射鏡II和全反射鏡III位置至垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角。

其中，中性分束鏡I和中性分束鏡II透射和反射比為50/50。

其中，中性分束鏡I和中性分束鏡II角度也可調(diào)，調(diào)整中性分束鏡I和中性分束鏡II位置至垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角，與全反射鏡II和全反射鏡III平行。

其中，偏振分光鏡與全反射鏡I由機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，距離可調(diào)以滿足不同光學(xué)系統(tǒng)需要。

其中，全反射鏡I與中性分束鏡I由機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，距離可調(diào)以滿足不同光學(xué)系統(tǒng)需要。

其中，中性分束鏡I與全反射鏡II由機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，距離可調(diào)以滿足不同光學(xué)系統(tǒng)需要。

其中，偏振分光鏡與中性分束鏡II由機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，距離可調(diào)以滿足不同光學(xué)系統(tǒng)需要。

其中，中性分束鏡II與全反射鏡III由機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，距離可調(diào)以滿足不同光學(xué)系統(tǒng)需要。

其中，通過增加中性分束鏡III，全反射鏡IV，中性分束鏡IV和全反射鏡V，并將它們調(diào)整到合適的位置，可以獲得六束、八束甚至更多束光，進(jìn)一步擴(kuò)大了照明面積。

本發(fā)明可以通過改變二分之一波片與偏振分光鏡膠合位置得到不同偏振光輸出態(tài)。若二分之一波片膠合在偏振分光鏡出射S偏振光的面上，可以獲得P偏振光輸出；若二分之一波片膠合在偏振分光鏡出射P偏振光的面上，可以獲得S偏振光輸出。

二分之一波片在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，都可以實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°。全反射鏡和中性分束鏡都不會(huì)改變P偏振光和S偏振光的偏振態(tài)。中性分束鏡可以保證在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)光的透射反射比保持不變。

工作時(shí)，入射光垂直進(jìn)入偏振分光鏡，以夾角45°入射到偏振膜上，被分成兩束線偏振光，反射光為偏振方向垂直于入射面的線偏振光，簡(jiǎn)稱S偏振光，透射光為偏振方向平行于入射面的線偏振光，簡(jiǎn)稱P偏振光，如圖3所示。S偏振光向上直接進(jìn)入到二分之一波片被轉(zhuǎn)換成P偏振光，再向上以45°入射到全反射鏡I上，由其反射，使光線傳播方向變?yōu)樗椒较?，再?5°入射到中性分束鏡I，被分成兩束光，一束是反射光一束是透射光，其中反射光再由全反射鏡II反射，使方向調(diào)整到與透射光平行，這里在同一水平面上獲得了兩束光；

而直接由偏振分光鏡出射的P偏振光，直接進(jìn)入中性分束鏡II被分成兩束光，其中反射光，再由全反射鏡III反射，使方向調(diào)整到與透射光平行，這里的裝置結(jié)構(gòu)與上水平面的裝置結(jié)構(gòu)完全一致，這里也獲得了兩束光。

最終由一束非偏振光獲得了偏振相同，光強(qiáng)相同，方向平行的四束線偏振激光輸出，擴(kuò)大了照明面積。

而且整個(gè)裝置各器件之間距離可調(diào)，可以適應(yīng)不同光學(xué)系統(tǒng)的需要。

以上是以最終獲得四束P偏振光為例，其實(shí)只要把二分之一波片與偏振分光鏡膠合的位置變換到直接透射P偏振光的那一面，其他結(jié)構(gòu)不變。最終就能獲得四束S偏振光。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.照明面積大：與利用單束光直接進(jìn)行擴(kuò)束的方法相比獲得的照明面積要大的多，傳統(tǒng)的單束光擴(kuò)束裝置復(fù)雜，效果也不理想，擴(kuò)大照明面積有利于提高勻場(chǎng)效果。

2.激光利用效率高：直接將非偏振光裝換為偏振光將至少損失50％的能量，而本裝置通過對(duì)另一路偏振光簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換，使得能量利用率得到提高。

3.對(duì)光源偏振無要求：一束非偏振光，經(jīng)過該裝置可以轉(zhuǎn)換成P偏振光或者S偏振光。

4.結(jié)構(gòu)合理，器件簡(jiǎn)單，成本低廉，易于加工與安裝。

5.整個(gè)裝置具有可調(diào)結(jié)構(gòu)，滿足各種光學(xué)系統(tǒng)的需要。

6.裝置中各組成部分均可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間，連續(xù)穩(wěn)定工作，性能穩(wěn)定，安全可靠。

本發(fā)明利用偏振分光鏡的偏振分光特性，利用二分之一波片，全反射鏡，中性分束鏡等簡(jiǎn)單器件，由單束非偏振光獲得了偏振相同，光強(qiáng)一致，方向平行的四束線偏振光，擴(kuò)大了照明面積，容易獲得優(yōu)質(zhì)的勻場(chǎng)效果。而且各器件之間距離可調(diào)，可以滿足了不同光學(xué)系統(tǒng)的需要，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，成本低廉，在顯示和照明技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明P偏振分光裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明S偏振分光裝置示意圖。

圖3為偏振分光鏡分光示意圖。

圖4為光學(xué)衍射元件(DOE)與準(zhǔn)直透鏡聯(lián)用的示意圖。

圖5為本發(fā)明分光裝置與光學(xué)衍射元件(DOE)聯(lián)用的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明獲得六束P偏振光裝置示意圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：101為偏振分光鏡，102為二分之一波片，103為全反射鏡I，104為中性分束鏡I，105為全反射鏡II，106為中性分束鏡II，107為全反射鏡III，401為光學(xué)衍射元件(DOE)，402為準(zhǔn)直透鏡，608為中性分束鏡III，609為全反射鏡IV，610為中性分束鏡IV，611為全反射鏡V。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明共提供3個(gè)實(shí)施例。其中實(shí)施例1所述的分光裝置最終獲得了P偏振光，實(shí)施例2所述的分光裝置最終獲得了S偏振光，這兩種方案屬于一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，因?yàn)橹恍枰淖兤穹止忡R上二分之一波片的位置，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。而實(shí)施例3是該分光裝置和光學(xué)衍射元件(DOE)聯(lián)用的情況，可將圓形輸出光斑轉(zhuǎn)換成矩形輸出光斑，因?yàn)楹芏嗤队跋到y(tǒng)需要用到復(fù)眼透鏡等矩形器件，而可調(diào)的矩形光斑可以在不損失光能的情況下進(jìn)一步提高光照明面積，提供更良好的勻場(chǎng)效果。

實(shí)施例1：P偏振光的分光裝置：

請(qǐng)參照?qǐng)D1，一種基于偏振分光鏡的分光裝置，包括分光組件，所述分光組件包括偏振分光鏡101、二分之一波片102、全反射鏡I 103、中性分束鏡I 104、全反射鏡II 105、中性分束鏡II 106和全反射鏡III 107；二分之一波片102膠合在偏振分光鏡101出射S偏振光的面上，裝置各器件之間都通過機(jī)械件固定連接，且裝置各器件之間距離可調(diào)。

工作時(shí)，如圖1，入射光垂直進(jìn)入偏振分光鏡101，以夾角45°入射到偏振膜上，被分成兩束線偏振光，反射光為S偏振光，透射光為P偏振光。S偏振光向上直接進(jìn)入到二分之一波片102被轉(zhuǎn)換成P偏振光，再向上以45°角入射到全反射鏡I 103上，該全反射鏡I 103垂直于XOZ平面，與X軸、Z軸分別成45°夾角，由其反射，使光線傳播方向變成水平方向，再以45°角入射到中性分束鏡I 104，該中性分束鏡I 104垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角，其透射反射比為50/50，被分成兩束光，一束是反射光一束是透射光，其中反射光再由全反射鏡II 105反射，該全反射鏡II 105垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角，與中性分束鏡I 104平行放置，使反射光方向調(diào)整到與透射光平行，這里在同一水平面上獲得了兩束光；直接由偏振分光鏡101出射的P偏振光，直接進(jìn)入中性分束鏡II 106，該中性分束鏡II 106垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角(相當(dāng)于由中性分束鏡I 104向下平移得到)，其透射反射比也為50/50，被分成兩束光，其中反射光再由全反射鏡III 107反射，該全反射鏡III 107垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角(相當(dāng)于由全反射鏡II 105向下平移得到)，使反射光方向調(diào)整到與透射光平行，這里的裝置結(jié)構(gòu)與上水平面的裝置結(jié)構(gòu)完全一致，這里也獲得了兩束光且其光學(xué)性質(zhì)與前兩束光相同。

二分之一波片102在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，都可以實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°。全反射鏡和中性分束鏡都不會(huì)改變P偏振光和S偏振光的偏振態(tài)。中性分束鏡I 104和中性分束鏡II 106可以保證在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)光的透射反射比保持不變。

最終由一束非偏振光獲得了偏振相同，光強(qiáng)相同，方向平行的四束P偏振光輸出，擴(kuò)大了照明面積。而且由于整個(gè)裝置中器件的距離都可調(diào)，輸出光斑的大小，距離都可調(diào)，可以滿足不同光學(xué)系統(tǒng)的需要。

實(shí)施例2：S偏振光的分光裝置：

請(qǐng)參照?qǐng)D2，一種基于偏振分光鏡的分光裝置，包括分光組件，所述分光組件包括偏振分光鏡101、二分之一波片102、全反射鏡I 103、中性分束鏡I 104、全反射鏡II 105、中性分束鏡II 106和全反射鏡III 107；二分之一波片102膠合在偏振分光鏡101出射P偏振光的面上，裝置各器件之間都通過機(jī)械件固定連接，并可以改變裝置各器件之間的距離。

工作時(shí)，如圖1，入射光垂直進(jìn)入偏振分光鏡101，以夾角45°入射到偏振膜上，被分成兩束線偏振光，反射光S偏振光，透射光為P偏振光。S偏振光直接向上以45°角入射到全反射鏡I 103上，該全反射鏡I 103垂直于XOZ平面，與X軸、Z軸分別成45°夾角，由其反射，使光線傳播方向變成水平方向，再以45°角入射到中性分束鏡I 104，該中性分束鏡I 104垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角，其透射反射比為50/50，被分成兩束光，一束是反射光一束是透射光，其中反射光再由全反射鏡II 105反射，該全反射鏡II 105垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角，與中性分束鏡I 104平行放置，使反射光方向調(diào)整到與透射光平行，這里在同一水平面上獲得了兩束光；直接由偏振分光鏡101出射的P偏振光，入射到二分之一波片102被轉(zhuǎn)換成S偏振光，再進(jìn)入中性分束鏡II 106，該中性分束鏡II 106垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角(相當(dāng)于由中性分束鏡I 104向下平移得到)，其透射反射比也為50/50，被分成兩束光，其中反射光再由全反射鏡III 107反射，該全反射鏡III 107垂直于XOY平面，與X軸、Y軸負(fù)向分別成45°夾角(相當(dāng)于由全反射鏡II 105向下平移得到)，使反射光方向調(diào)整到與透射光平行，這里的裝置結(jié)構(gòu)與上水平面的裝置結(jié)構(gòu)完全一致，這里也獲得了兩束光且其光學(xué)性質(zhì)與前兩束光相同。

最終由一束非偏振光獲得了偏振相同，光強(qiáng)相同，方向平行的四束S偏振光輸出，且由于裝置器件之間距離可調(diào)，出射光斑大小、位置都可調(diào)，滿足了不同光學(xué)系統(tǒng)的需求。

實(shí)施例2與實(shí)施例1唯一的區(qū)別就是更改了二分之一波片102與偏振分光鏡101膠合位置。

實(shí)施例3：獲得矩形光斑的分光裝置：

實(shí)施例3是建立在實(shí)施例1和2的基礎(chǔ)上，在實(shí)施例1和2后面添加一個(gè)光學(xué)衍射元件(DOE)401和準(zhǔn)直透鏡402，它們通過機(jī)械件固定連接，距離可調(diào)。請(qǐng)參照?qǐng)D4，工作時(shí)，由實(shí)施例1或?qū)嵤?的圓形光斑出射光進(jìn)入光學(xué)衍射元件(DOE)，轉(zhuǎn)換成矩形光斑，再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，變成平行光出射。衍射光學(xué)元件(DOE)不會(huì)影響激光的偏振態(tài)(除了亞波長(zhǎng))。所以不會(huì)改變?cè)摲止庋b置的線偏振輸出特性。其整個(gè)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。衍射光學(xué)元件(DOE)有兩個(gè)作用：一、使圓形光斑變成面積可調(diào)的矩形光斑，與復(fù)眼透鏡等矩形光學(xué)器件聯(lián)用時(shí)，可以進(jìn)一步提高覆蓋率，獲得更好的勻場(chǎng)顯示效果；二、DOE也具有擴(kuò)束作用，替代了透鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。

以上所述的三種實(shí)施例，可以根據(jù)不同光學(xué)系統(tǒng)的需要自由組合。

更優(yōu)地，根據(jù)需要可對(duì)整個(gè)分光裝置進(jìn)行升級(jí)，只要增加中性分束鏡和全反射鏡，并將它們調(diào)整到合適的位置，可以獲得六束、八束甚至更多束光，進(jìn)一步擴(kuò)大照明面積。圖6就是獲得六束P偏振光的簡(jiǎn)要裝置圖。

最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍中。