專利名稱：液晶顯示器的偏振轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及將非偏振光轉(zhuǎn)換成偏振光的方法，特別涉及偏振轉(zhuǎn)換方法，并特別用于對于液晶顯示器為投影器提供偏振輸入光束。
本發(fā)明還涉及用在投影顯示裝置中的偏振轉(zhuǎn)換器。
液晶(LC)光閥通過改變透過雙折射液晶介質(zhì)的光的偏振來調(diào)制光。目前，利用多種系統(tǒng)之一將非偏振光轉(zhuǎn)換成基于液晶的投影器所需要的偏振輸入光，接下來將討論幾個典型的實例。在LC系統(tǒng)中，通常希望將光閥的尺寸減到最小，從而使得投影器的成本和/或尺寸減到最小。然而，光閥尺寸的減小會導(dǎo)致伴隨而來的光輸出的減小。結(jié)果，利用現(xiàn)有的偏振轉(zhuǎn)換技術(shù)，為了有效的光收集，元件必須相對較大，同時價格昂貴。
本發(fā)明的一個目的是提供一種使用相對小的元件和相對高的光通過量，將非偏振光轉(zhuǎn)換成偏振光而用于為投影器提供偏振輸入光束的方法。
通過如權(quán)利要求1所述的根據(jù)本發(fā)明的將非偏振光轉(zhuǎn)換成偏振光的方法來實現(xiàn)此目的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用相對小的元件和相對高的通過量，將非偏振光轉(zhuǎn)化為偏振光的偏振轉(zhuǎn)換器。
通過如權(quán)利要求7所述的偏振轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)此目的。
一般情況下，希望提高偏振轉(zhuǎn)換效率，同時能夠使用相對小的光學(xué)元件。于是，開發(fā)出一種方法，其中通過偏振分束器將輸入光束分成P和S分量，其尺寸與輸入光束“腰部”的尺寸相匹配，也就是說，光束的最小橫截面大小。經(jīng)過光學(xué)裝置的光通過全內(nèi)部反射(TIR)來限制。P分量通過偏振分束器內(nèi)的TIR進行限制，而S分量被限制在旋轉(zhuǎn)棱鏡內(nèi)。結(jié)果是產(chǎn)生了偏振轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換使幾何范圍增加了不超過2倍，這是理論上的極限。TIR是通過在光學(xué)元件相對表面之間提供氣隙、或者通過將表面與低折射率的光學(xué)粘合劑連接來實現(xiàn)的。
此外，有利的實施例將在從屬權(quán)利要求中作詳細描述。接下來將借助對實施例的描述和解釋，使本發(fā)明的全部特征變得更加明顯。
附圖中

圖1a和1b是使用準直光的現(xiàn)有技術(shù)偏振轉(zhuǎn)換技術(shù)的概略圖；圖2a和2b是現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的限制的概略圖；圖3是本發(fā)明的基本原理的概略圖；圖4a、4b和4c分別是圖3所采用的光學(xué)元件的側(cè)面正視圖、頂部平面圖以及背面視圖；以及圖5是圖4a的元件的改進形式的側(cè)面視圖。
在圖1a所示的傳統(tǒng)偏振轉(zhuǎn)換技術(shù)中，非偏振光束10自左向右射入偏振光學(xué)裝置12。所述光束被45o偏振分束器14分為P和S分量。所述S分量光束19被反射鏡16反射，所述P分量光束通過1/2波延遲器18，以便使其與所述S分量同相，從而使得全部輸出光束為S偏振。使用在圖1b所示例子中第一和第二透鏡陣列可達到相同的效果。
圖2a和2b解釋了為何傳統(tǒng)的偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在試圖最小化光學(xué)元件尺寸時變得低效率，以及為何通過試圖提高效率使得輸出光束的幾何范圍(etendue)增加。參考2a，任意地選擇輸入光束腰部A-B以便與棱鏡22的輸入面20重合。P分量通過45o分束器24和1/2波延遲器26。S分量所示為被分束器24和反射鏡26反射，在A’-B’處產(chǎn)生所述腰部A-B的虛像。由于虛像與腰部不共面，因此所述光束的幾何范圍增加了超過兩倍。圖2b示出了腰部從A-B增大到C-D的效果。通過C-D的外部光線受到了額外的反射，從而分別導(dǎo)致了虛源像C’和D’。這樣，幾何范圍比圖2a所示的例子的幾何范圍進一步增加了。
如圖4a-4c所示，本發(fā)明的最佳實施方式是在光學(xué)裝置中利用的通過帶有全內(nèi)部反射(TIR)的非成像偏振轉(zhuǎn)換，圖5所示的改進形式將下面的描述中作介紹。
輸入光束孔徑是通過偏振分束器28的側(cè)面b的尺寸來限定的。如圖4c所示，側(cè)面b與通常是橢圓形的輸入光束的腰部41是共面的，矩形側(cè)面b的高度b1和寬度b2選擇為分別與橢圓的短軸和長軸相對應(yīng)。
P分量是通過在側(cè)面a和a’處偏振分束器中的TIR來限制的，而S分量則是通過在側(cè)面b和c’處的TIR以及通過棱鏡30的側(cè)面S1和S2(如圖4b所示)被限制在旋轉(zhuǎn)棱鏡30內(nèi)。結(jié)果是偏振轉(zhuǎn)換，其使幾何范圍增加了不超過到兩倍，這是理論極限。如圖4a所示，TIR可以通過在分束器和棱鏡30的相對表面之間的32、以及分束器和1/2波延遲器36之間的34提供氣隙來實現(xiàn)。
作為選擇，如圖5所示，TIR可以通過在光學(xué)元件之間的層38和40中使用具有低折射率的光學(xué)粘結(jié)劑來提供。在不增加光學(xué)元件的大小的情況下就可提高偏振轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的其它方面和特征可以通過對上述附圖、上述公開的內(nèi)容以及附加的權(quán)利要求的研究來獲得。
權(quán)利要求
1.一種將具有在預(yù)定平面內(nèi)的預(yù)定高度和寬度的腰部的非偏振光的輸入光束轉(zhuǎn)換成為具有幾何范圍從所述輸入光束的幾何范圍增加不超過兩倍的偏振光的輸出光束的方法，所述方法包括a)將其輸入表面具有的高度和寬度等于預(yù)定平面內(nèi)的預(yù)定高度和寬度的偏振分束器進行定位，由此將所述輸入光束分為垂直的P和S偏振分量；b)將所述P分量光束通過1/2波延遲器，由此脫離所述1/2波延遲器的光束具有與所述S分量光束相同的偏振；c)將旋轉(zhuǎn)棱鏡定位在所述S分量光束的路徑中，以便引導(dǎo)通過其的所述S分量光束平行于并橫向地鄰近于脫離所述1/2波延遲器的所述P分量光束，脫離所述1/2波延遲器以及所述棱鏡的所述P和S分量光束共同形成具有幾何范圍超出所述輸入光束的幾何范圍基本上2倍的輸出光束；和d)分別通過所述偏振分束器和所述棱鏡中的全內(nèi)部反射來限制所述P和S分量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述全內(nèi)部反射是通過在所述偏振分束器和所述棱鏡的平行且相對的表面之間設(shè)置第一氣隙、以及在所述偏振分束器和所述1/2波延遲器的平行且相對的表面之間設(shè)置第二氣隙來實現(xiàn)的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述全內(nèi)部反射是通過在所述偏振分束器和所述棱鏡的相對表面之間設(shè)置第一層低折射率光學(xué)粘合劑、以及在所述偏振分束器和所述1/2波延遲器相對表面之間設(shè)置第二層低折射率光學(xué)粘合劑層來實現(xiàn)的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輸出光束作為偏振輸入光被引導(dǎo)至基于液晶的投影器。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的光束腰部是橢圓形的，所述輸入表面是矩形的。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)棱鏡包括平行的側(cè)表面，通過所述側(cè)表面的全內(nèi)部反射將所述S分量光束限制在所述旋轉(zhuǎn)棱鏡中。
7.一種將非偏振輸入光束轉(zhuǎn)換為偏振輸出光束的偏振轉(zhuǎn)換器，包括偏振分束器，用于通過作為P分量光的輸入光束的第一部分，以及用于反射作為S分量光束的光束的第二部分；旋轉(zhuǎn)棱鏡，用于在平行于P分量光束的路徑中重新引導(dǎo)S分量光束；以及限制裝置，用于通過全內(nèi)部反射來限制S分量和P分量光束。
8.如權(quán)利要求7所述的偏振轉(zhuǎn)換器，其中它包括用于通過S分量光束的半波延遲器，從而使得所述光束與P分量光束同相。
9.如權(quán)利要求8所述的偏振轉(zhuǎn)換器，其中限制裝置具有在偏振分束器和旋轉(zhuǎn)棱鏡的平行且相對的表面之間設(shè)置的第一氣隙、以及在偏振分束器和所述半波延遲器的平行且相對的表面之間設(shè)置的第二氣隙。
10.如權(quán)利要求8所述的偏振轉(zhuǎn)換器，其中所述限制裝置具有在偏振分束器和旋轉(zhuǎn)棱鏡的平行且相對的表面之間設(shè)置的第一層低折射率光學(xué)粘合劑、以及在偏振分束器和所述半波延遲器的平行且相對的表面之間設(shè)置的第二層低折射率光學(xué)粘合劑。
全文摘要
非偏振輸入光束(10)具有與偏振分束器(14)的光入射表面相匹配的腰部，其中將光束分成P和S分量。P分量通過1/2波延遲器(36)射出，S分量(19)指向旋轉(zhuǎn)棱鏡(30)，它與P分量從其中一前一后射出以形成具有幾何范圍基本上是輸入光束的幾何范圍的兩倍的輸出光束。所述P和S分量通過全內(nèi)部反射，分別被分束器(14)和棱鏡(30)的側(cè)面所限制，從而不增加光學(xué)元件的尺寸就可以實現(xiàn)高效率，避免了現(xiàn)有技術(shù)的偏振轉(zhuǎn)換器的較低效率。
文檔編號G02B5/30GK1605039SQ02825274
公開日2005年4月6日 申請日期2002年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月19日
發(fā)明者P·J·M·詹斯森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司