專利名稱：新型液晶投影電視光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于液晶投影電視技術(shù)領(lǐng)域，該裝置適用于照明光束的“自然光-偏振光”的轉(zhuǎn)換，以及兩輸出光束的空間合成。
在現(xiàn)有技術(shù)中，液晶投影電視均以金屬化鹵鎢燈作為光源，經(jīng)準(zhǔn)直處理后照明液晶顯示器件(LCD)。由于LCD要求入射的是線偏振光，特別是近年來(lái)常用的超扭曲型液晶顯示器(STN-TFT-LCD)，要用45°線偏振光入射。已有技術(shù)的公知方法，是在LCD前加偏振片。但偏振片對(duì)一個(gè)偏振分量是全部吸收，對(duì)另一個(gè)偏振分量是部分吸收，因此，造成約70％的光能損失。目前，已有將自然光轉(zhuǎn)換為線偏振光的設(shè)計(jì)。公知的設(shè)計(jì)方案如圖一所示，采用一個(gè)偏振分光棱鏡1，一個(gè)反射鏡2。準(zhǔn)直的自然光在偏振分光棱鏡1的分界面上產(chǎn)生分光，其中平行分量(p分量)透過棱鏡，垂直分量(s分量)在分界面上反射，再經(jīng)反射鏡2反射，兩個(gè)出射光分量通過半波片3及4變成45°方向偏振的光波5和光波6，照射到超扭曲型液晶顯示器7上。由于半波片的相位延遲，僅對(duì)于某一特定波長(zhǎng)才是準(zhǔn)確的(使光的偏振面旋轉(zhuǎn)給定的角度)，而白光的光譜很寬，偏離該特定波長(zhǎng)的光經(jīng)過半波片后成為橢圓偏振光，一部分光能量仍然會(huì)損失掉(通不過LCD)，因此光能利用率仍不夠高，此現(xiàn)象稱為色散效應(yīng)。
本實(shí)用新型的發(fā)明目的是克服現(xiàn)有偏振光轉(zhuǎn)換裝置中的光色散效應(yīng)，進(jìn)一步提高光能利用率，并同時(shí)改善照明光在LCD上分布的均勻性。特此專門設(shè)計(jì)了新型液晶投影電視光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置。
對(duì)該實(shí)用新型的技術(shù)方案結(jié)合附圖詳述如下本實(shí)用新型的光學(xué)系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，第一部分是自然光-偏振光轉(zhuǎn)換裝置(見圖2)，它包括一個(gè)偏振分光棱鏡8及一對(duì)反射鏡9、10。當(dāng)準(zhǔn)直的自然光沿偏振分光棱鏡8的光軸11(光軸11平行于光軸12，光軸12即為z軸)射入偏振分光棱鏡8后，其中的平行偏振分量(沿圖中x方向偏振)透射過棱鏡8，而垂直偏振分量(沿y方向偏振)從棱鏡8的分界面上反射出來(lái)。該分光棱鏡8的分光面上鍍以寬帶偏振分光膜，反射鏡9、10鍍以寬帶高反射率介質(zhì)膜。在8后面的反射鏡9、10均為寬波段、高反射率的反射鏡，在圖2中9和10可做成一體，構(gòu)成一個(gè)棱鏡，即圖5所示的棱鏡。此棱鏡是由平面ABCD，ABGE，ADE，CDEF，EFG，BCFG組成的六面體，其中平面ABCD與平面ABGE的夾角為45°，并與平面CDEF垂直。而平面BCFG與平面CDEF的夾角為45°，并同時(shí)與平面ABGE垂直。平面ABCD與平面BCFG垂直。平面ABEG相當(dāng)于反射鏡9，平面CDEF相當(dāng)于反射鏡10。它們的放置位置，是使兩次反射后的光束沿光軸13方向傳播，光軸13也平行于z軸，并且光束11和13是關(guān)于z軸對(duì)稱。而沿13方向的光束其偏振方向亦旋轉(zhuǎn)為x方向。我們將此自然光-偏振光轉(zhuǎn)換裝置圍繞z軸旋轉(zhuǎn)45°，這樣使11和13兩光束的光軸均位于xz平面內(nèi)，并且是關(guān)于y軸對(duì)稱分布(見圖3)，而且兩輸出光束11和13的偏振方向相同，均沿x、y軸的角平分線方向偏振，該偏振方向正好與LCD所要求的入射光偏振方向一致。
本裝置的第二部分是光束合成裝置(見圖4)。它由一對(duì)沿與光軸垂直方向分開的正透鏡14和15及一個(gè)負(fù)透鏡16構(gòu)成。負(fù)透鏡的焦距(絕對(duì)值)略小于正透鏡。兩只半透鏡沿徑向相互分開適當(dāng)?shù)木嚯x。雙分離的透鏡14、15與透鏡16組成放大率接近一倍的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，其中14、15為正透鏡，16既可以是正透鏡，亦可以是負(fù)透鏡。
由自然光-偏振光轉(zhuǎn)換裝置輸出的兩束光分別經(jīng)過上，下兩半部透鏡14和15后，再通過透鏡16照射到LCD上。改變14和15之間的間隔2δ，可以改變從透鏡16射出的兩束光的光軸夾角2θ，從而改變投射到LCD上兩束迭加光斑的光強(qiáng)分布?？稍诒徽丈涞囊壕э@示器7的表面上得到不同程度的光束重迭。兩個(gè)分離的透鏡14、15及透鏡16可用一對(duì)光楔取代，光楔的頂角由所需的光束夾角確定(如圖6所示)。
由于每束光的光強(qiáng)分布都是接近高斯型的分布，中心最強(qiáng)，距離中心越遠(yuǎn)光強(qiáng)越弱，單束光照到LCD上會(huì)形成不均勻光場(chǎng)。如果將兩束中心適當(dāng)分離的光束互相迭加，其照明均勻性將有顯著的改善，并最終可以得到一個(gè)最佳的光強(qiáng)分布。
圖4中的透鏡14、15、16亦可采用光楔對(duì)17和18的形式(見圖6)。兩個(gè)中心分離的光束分別通過兩個(gè)光楔，則兩出射光束在空間某確定的位置將相交成所需要的比較均勻的光強(qiáng)分布。其中，兩光束夾角2θ＝2*(n-1)*α；(n-光楔介質(zhì)折射率，α-光楔角)本實(shí)用新型可應(yīng)用于液晶投影電視系統(tǒng)及其他需要采用自然光-線偏振光轉(zhuǎn)換裝置以及兩束輸出光束的空間合成的系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果是(1)將一束自然光轉(zhuǎn)換為兩束45°線偏振光，兩束輸出光的偏振方向恰好與超扭曲型液晶顯示器(STN-TFT-LCD)所要求的偏振方向一致。因而，在使用本裝置的液晶投影電視系統(tǒng)中，可以去掉超扭曲型液晶顯示器入射面的偏振片，將光能利用率提高70％左右。
(2)本裝置的光束合成部分將兩束同方向偏振的線偏振光按一定規(guī)律交疊于被照明面上，改善了被照明面的光強(qiáng)分布的均勻性。設(shè)中心光強(qiáng)為IC，邊緣光強(qiáng)為IE，則比值η＝IC/IE稱為光強(qiáng)比。已有技術(shù)的η＝4/1，而采用此裝置后，可達(dá)η＝2/1。


圖1波片式光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換裝置1-偏振分光棱鏡，2-反射鏡，3、4-半波片， 5、6-光軸，7-液晶顯示器(LCD)圖2反射鏡式寬帶光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換裝置8-偏振分光棱鏡，9-反射鏡I，10-反射鏡II， 11、13-光軸，12-兩光軸的中心對(duì)稱軸圖3新型光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換裝置圖4新型光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置14、15、16-透鏡圖5新型光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換棱鏡平面ABCD-入射面 平面ABGE-反射面I平面CDEF-反射面II平面BCFG-出射面圖6新型光楔式光束合成裝置17、18-光楔本實(shí)用新型的實(shí)施例按照前面所詳述的技術(shù)方案，并結(jié)合附圖1，2，3，4，5，6中所示的各光學(xué)器件的相互位置、角度、要求的裝置設(shè)計(jì)可以實(shí)施該新型液晶投影電視光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及合成裝置。
權(quán)利要求1.一種新型液晶投影電視光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置，它含有偏振光分光棱鏡、反射鏡、兩組分離的半透鏡、一組整透鏡、液晶顯示器件，其特征是在偏振分光棱鏡(8)的側(cè)面及側(cè)上方放置兩塊寬帶高反射率的平面反射鏡(9)、(10)，構(gòu)成光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，由其輸出的兩束光分別通過其后放置的兩組分離的半透鏡(14)、(15)及其后的一個(gè)整透鏡(16)構(gòu)成光束合成裝置。
2.按照權(quán)利要求1所述的光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置，其特征是分光棱鏡(8)的分光面上鍍以寬帶偏振分光膜，反射鏡(9)、(10)鍍以寬帶高反射率介質(zhì)膜。
3.按照權(quán)利要求1所述的光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置，其特征是兩組分離的半透鏡(14)、(15)將兩束分離的偏振態(tài)相同的偏振光重迭照射到液晶顯示器(7)上，改變透鏡(14)、(15)的中心間距2δ，可在被照射的液晶顯示器(7)的表面上得到不同程度的光束重迭；兩個(gè)分離的半透鏡(14)、(15)及透鏡(16)可用一對(duì)光楔取代，光楔的頂角由所需的光束夾角確定。
4.按照權(quán)利要求1所述的光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置，其特征是雙分離的半透鏡(14)(15)與透鏡(16)組成放大率接近一倍的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，其中(14)、(15)為正透鏡，(16)既可以是正透鏡，亦可以是負(fù)透鏡。
5.按照權(quán)利要求1、2、3、4所述的光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置，其特征是光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換裝置中的反射鏡(9)、(10)可做成一體，成為棱鏡，此棱鏡是由平面ABCD，ABGE，ADE，CDEF，EFG，BCFG組成的六面體，其中平面ABCD與平面ABGE的夾角為45°并與平面CDEF垂直。而平面BCFG與平面CDEF的夾角為45°，并同時(shí)與平面ABGE垂直，平面ABCD與平面BCFG垂直，平面ABEG相當(dāng)于反射鏡(9)，平面CDEF相當(dāng)于反射鏡(10)。
專利摘要新型液晶投影電視光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換及光束合成裝置，可以使入射的自然光分成兩個(gè)正交的偏振態(tài)分量，利用兩次反射及整體旋轉(zhuǎn)，使兩個(gè)輸出光束同向45°偏振，且偏振方向與常用的超扭曲型液晶顯示器(STN-TFT-LCD)要求的輸入光偏振方向相同。光束合成裝置使兩束光在LCD上以一定的間距交迭合成，照明均勻。該裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，光能利用率高，照明均勻，適用于液晶投影電視或自然光-偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及光束的空間合成。
文檔編號(hào)H04N5/74GK2270330SQ96222869
公開日1997年12月10日 申請(qǐng)日期1996年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月3日
發(fā)明者俞蕾, 宋菲君, 楊顏峰, 王長(zhǎng)生, 梁建錚, 陳光郎 申請(qǐng)人:中國(guó)大恒公司光電研究所, 臺(tái)灣中華映管股份有限公司