转换偏振光偏振方向的反射器和组件制造技术

一种提高偏振光转换效率的偏振光转换装置，由半正方基底棱锥形状的反射器为基本单元的组件构成。所述半正方基底棱锥反射器具有三个反射面，致使入射的偏振光经反射器内反射三次与入射面共面出射时，偏振方向与入射光相比旋转了一个角度，从而实现偏振方向的转换。本发明专利技术取代了传统的波片，在达到高偏振转换效率和高光能利用率的同时，具有高光通稳定性和耐高温性，对光源的波长变化、温度变化和偏振方向的校准误差均不灵敏。发明专利技术器件结构简单，制作工艺容易，成本低廉，组合灵活，可广泛应用于各种不同的偏振转换系统中，具有重要实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高偏振光转换效率的反射器和组件，其中使用一种独特设计的半正方基底棱锥形反射器及其组件所构成的多次反射器，以实现偏振转换系统所需要的偏振光偏振方向的转换。利用所述反射器或组件构成的偏振转换系统，将通常情况下偏振转换系统的无用偏振分量再次转换为有用偏振分量，通过偏振光回收和循环，提高偏振转换系统的转换效率。本专利技术属于光学技术及其应用领域。
技术介绍
偏振光源在LCD(液晶显示)和LCOS(硅基液晶)的投影系统中得到广泛应用。液晶投影系统偏振光源通常使用的方法是利用偏振分光棱镜(PBS)或反射型偏振分光镜板来获得具有垂直与水平两偏振方向的偏振光束，即，非偏振光的光源通过偏振分光棱镜分解为两个偏振光组成部分s-偏振光和与之正交的p-偏振光。其中，s-偏振分量沿反射方向传输，p-偏振分量沿透射方向传输。通过偏振分光棱镜的一个偏振光分量为有用偏振分量，将根据设计要求投射至相应的液晶芯片上，而另一个偏振光分量则射向另一不同的方向，如系统内没有偏振回收或偏振循环系统，这部分偏振光能量将无法加以利用，不得不损失掉。因此，在传统的反射式偏振转换系统中，由于s-p偏振光转换的过程产生高达50％以上的偏振分量的损失，光源中最多仅有一半的光能可以转化为有用的偏振分量，光偏振转换效率很低。一般的偏振分光棱镜仅仅能应用于入射光束的入射角接近45度，且入射光的数值孔径较小的场合。一种由美国专利(专利号6,208,463和专利号6,243,199)公开的线栅格式偏振分光棱镜可应用在光束垂直入射，且入射光的数值孔径较大的场合。近年来，有不少研究致力于探索增加光偏振转换效率的方法。其中，最通用的方法是在偏振转换系统中运用波片(waveplate)，以波片和偏振分光棱镜的组合，使得偏振转换的两个分量都得到利用。例如，通过半波片的引入，将p-光转换为s-光，或s-光转换为p-光。一般情况下，系统中需要再加反光镜或棱镜，使得分光后再次转换的偏振光分量与先前转换的偏振光分量同向，以便加以利用。这种应用可参见美国专利(专利号6,046,856和专利号5,884,991)。另一种常用的方法通常称为蝇眼，可参见美国专利(专利号6,337,759和专利号6,154,320)，其中使用了以阵列方式排列的多组PBS的棱镜，棱镜之间的表面镀膜为分光膜或反射膜。来自光源的光通过透镜阵光学组件导向棱镜阵列。当某一种偏振分量直接穿过棱镜阵列时，另一种偏振分量旁射至阵列中棱镜之间的镜面，后者将该偏振分量导向配置了波片条片的出射面。在出射面，波片条(Waveplate Strip)将偏振分量改变偏振方向使其与已通过棱镜阵列的偏振分量偏振方向相同。通过回收自波片条出射的偏振光，蝇眼系统达到了提高偏振转换效率的目的。阵列中透镜元素的宽度应为PBS棱镜元素宽度的两倍，以利用照明区域的全部能量。由此可见，目前几乎所有的偏振转换系统为达到增加转换效率的目的，必须在系统中应用半波片或者四分之一波片(phase retardation plate)。然而，波片在偏振转换器中的使用不可避免地带来了一些弊病。使用波片的缺点之一是，如果照明光束的波长偏离中心波长，波片将无法正常工作。另一个缺点是，波片对光入射角度的变化以及对偏振方向的校准误差相当灵敏。其他缺点还包括，聚合物波片对高温的耐受力和随温度变化的稳定性差等。尽管用晶体制造的波片耐高温和温度变化稳定性好，但成本又通常太高。因此，波片的上述缺点往往限制了它的实际应用，尤其在高光通量，宽频带，高工作温度下的应用。一些文献曾介绍了通过使用棱镜完成偏振的旋转和转换。例如，美国专利4,822,150发表了一种用棱镜组合实现偏振旋转的光学系统。美国专利4,252,410发表了一种方法，使用三个或者四个反射面改变偏振光偏振方向和光束传播的方向。美国专利5,751,482发表了使用直角棱镜系统实现消色差偏振旋转的方法。但是上述专利技术所公开的系统，无一例外地由于其结构过分复杂而无法被应用在实际的偏振转换系统中。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种原理新颖的偏振光转换反射器和组件，将通常情况下偏振转换系统的无用偏振分量再次转换为有用偏振分量加以回收，提高偏振光转换系统的转换效率。本专利技术的其次目的在于提供一种对光源的波长变化不敏感的偏振转换反射器和组件。本专利技术的再次目的在于提供一种耐高温且对温度变化不敏感的偏振转换反射器和组件。本专利技术的另一目的在于提供一种对偏振方向的校准误差不敏感的偏振转换反射器和组件。本专利技术的另一目的在于所述专利技术的偏振转换反射器和组件不使用任何波片，以取代传统偏振转换器波片的工作。本专利技术的另一目的在于为一般偏振光转换系统，尤其为投影和其他显示系统中使用的偏振光光源系统，提供系统的偏振光回收和偏振光循环功能，从而提高光能利用率。为了实现上述目标，本专利技术公开了一种半正方基底棱锥形的反射器和用所述反射器构成的组件。本专利技术的反射器和组件在达到高偏振转换效率的同时，具有高光通稳定性，耐高温，对光源的波长变化不灵敏，对温度变化不灵敏，和对偏振方向的校准误差不灵敏等优点。此外，该反射器和组件结构简单，制作工艺容易，成本低廉，组合灵活，使本专利技术在不同的偏振转换系统中均有极大的实际应用价值。典型应用包括多种使用偏振光源的显示系统，如LCD液晶显示和LCOS硅基液晶显示投影系统等。本专利技术的目的和优点可通过对下述的
技术实现思路
得到说明。一种转换入射偏振光偏振方向的半正方基底棱锥形反射器，由四个符合如下关系的表面组成一偏振光的入射和出射表面(S1)为等腰直角三角形的透射面；一第一反射面(S2)，与上述的入射和出射面(S1)形成45度夹角，延伸后与所述入射和出射面和另外两个反射表面交接；一第二反射表面(S3)，垂直于入射和出射面(S1)，延伸后与入射和出射面和另外两个反射表面交接； 一第三反射表面(S4)，与入射和出射面(S1)形成45度夹角，延伸后与入射和出射面和另外两个反射表面交接；偏振光由所述透射面入射后，经所述半正方基底棱锥反射器内部的所述三个反射面反射，从所述透射面出射时，光的偏振方向与入射光束相比旋转一角度。所述半正方基底棱锥形反射器可以是实心的、空心的或是开放的。一种转换偏振光偏振方向的反射器组件，其特征在于其中包括了多个如上所述的半正方基底棱锥形反射器的组合，用以转换偏振光的偏振方向。一种偏振光转换回收系统，其特征在于至少包括一个上述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，以及一个偏振分光立方棱镜和一个反射棱镜；所述偏振分光立方棱镜分离的无用偏振分量，入射到所述反射器组件内，经过所述反射器组件改变偏振方向，转换为有用偏振分量，再经过所述反射棱镜，与所述偏振分光立方棱镜分离的有用偏振分量同向传输。一种偏振光转换回收系统，其特征在于至少包括一个上述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件和两个分光面相互垂直的条状偏振分光棱镜组件；由一个条状偏振分光棱镜分离的无用偏振分量，经过另一个条状偏振分光棱镜后进入所述条状反射器组件，经过该条状反射器组件转换成为有用偏振分量，再经过所述另一个条状偏振分光棱镜的透射后与所述一个条状偏振分光棱镜分离的有用偏振分量同向传输。一种偏振光照明系统，其特征在于至少包括一个上述的可以转换入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转换入射偏振光偏振方向的半正方基底棱锥形反射器，由四个符合如下关系的表面组成：一偏振光的入射和出射表面（Ｓ１）为等腰直角三角形的透射面；一第一反射面（Ｓ２），与上述的入射和出射面（Ｓ１）形成４５度夹角，延伸后与所述入射和出射面和另外两个反射表面交接；一第二反射表面（Ｓ３），垂直于入射和出射面（Ｓ１），延伸后与入射和出射面和另外两个反射表面交接；一第三反射表面（Ｓ４），与入射和出射面（Ｓ１）形成４５度夹角，延伸后与入射和出射面和另外两个反射表面交接；偏振光由所述透射面入射后，经所述半正方基底棱锥反射器内部的所述三个反射面反射，从所述透射面出射时，光的偏振方向与入射光束相比旋转一角度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李海章，郭步进，李小丹，
申请(专利权)人：美国微感技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]