双凸透镜偏振转换器制造技术

描述了一种用于对非偏振光束起偏的透镜状偏振转换器。偏振转换器包括输入小透镜阵列、偏振堆叠和输出小透镜阵列，所有这些元件按次序排列并光学对准。输入小透镜阵列包括两个主表面，第一主表面具有一曲面阵列，用于聚焦光，第二主表面具有交替的透射和反射区。输入小透镜聚焦光束，使其通过透射区，射到偏振堆叠上。偏振堆叠透射第一偏振分量，并向反射区反射第二偏振分量。偏振堆叠使第二偏振分量变成圆偏振，并由反射面反射。圆偏振分量再次通过偏振堆叠，并变成线偏振，从而允许该分量通过偏振器。输出小透镜阵列使现在的偏振光束沿所需的传播方向对准。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及一种偏振转换器，它能有效地将基本上垂直入射的非偏振光转换成线偏振光。尤其，本专利技术涉及一种相对较薄的透镜状偏振转换器，并涉及包括此新型薄偏振转换器的液晶显示投影系统设计，例如全色LCD投影系统。诸如一些LCD器件等依赖偏振的空间光调制器需要偏振光。设计偏振转换器以便与LCD器件一起使用时存在两个挑战小型化和效率。能够有效地将非偏振光转换成偏振光的小型平面偏振器为设计小型、轻便的LCD器件提供了极大的帮助。非偏振光可以分解为s线偏振分量和正交的p偏振分量。为LCD投影板产生偏振光的方法包括使用偏振分束器(PBS)立方体或矩形棱镜。PBS立方体透射光的线偏振分量，并将该分量射到LCD板上，但沿垂直方法反射正交分量。其它器件使用非立方体的偏振分束器(非矩形棱镜)。立方体和非立方体器件的纵向尺寸(光的传播方向)与其横向尺寸相比都具有相当的尺寸。(一例器件的厚度大约是宽度的1/4)。另一种用于产生偏振光的普通方法包括在光源和LCD板之间使用基于吸收染料或碘的偏振膜。吸收膜透镜单个分量的线偏振光，并吸收正交分量。因此，用吸收偏振器可以获得的最大转换效率为50％或更少。吸收偏振膜通常与商用LCD板结合成一体。另一种方法是，将一分立的偏振片放在光源和LCD之间。普通的PBS立方体和吸收偏振器是低效的，因为最多只有一半光源的光被转换成偏振光，然后通过LCD板透射。已经尝试将重复利用来自PBS立方体的反射偏振分量。但是，实心玻璃PBS立方体是整块的，不能应用于空间光调制器的对角线超过大约50毫米的场合。一些现有的偏振转换器包括小透镜阵列，后跟一个偏振元件。小透镜阵列通常包括由“Galilean望远镜”组成的阵列，也就是说，阵列的第一表面具有凸状小透镜，用于聚焦光，第二表面具有凹状小透镜，用于对光再准直。第二表面上的小透镜小于第一表面上的小透镜，所以可以用中间空间将光从一种偏振状态转换成另一种偏振状态。转换偏振状态的元件总是位于光路中，紧跟在再准直小透镜后面。目前，已开发了反射偏振薄片。用反射偏振薄片代替吸收偏振片可以将光束中的s偏振分量沿光源的方向反射回来。已经描述了这样的方法，即将反射的偏振光返回到位于光源后面的反射器，并回到LCD板上。但是，这些方法要求光学元件极精确地对准，以便有效地重复利用光，并且这些方法不容易适用于小型应用。附图说明图1示出了美国专利5,566,367中描述的偏振转换器10。透镜状元件20将一束入射的非偏振准直光70压缩成准直的子光束72。透镜状元件包括入射面22和出射面30。入射面由会聚的小透镜24组成，而出射面具有发散的小透镜34。所产生的子光束72入射到棱镜式元件40上。线偏振光束74射出棱镜式元件40。棱镜式元件40包括入射方的棱镜42、一系列1/4波长延迟薄膜44，以及出射方的棱镜46。出射方棱镜46在其一个面上具有反射偏振分束涂层50，在另一个面上具有全反射镜52。如所述光路所遇到的，这种偏振转换器设计要求精确的厚度控制，以及元件之间精确定位。该偏振转换器还需要准直光。如棱镜和延迟薄膜的组件所面临的那样，在选择的棱镜表面上沉积所需涂层给制造提出了极大的挑战。其它系统尝试通过重复使用来自各类偏振产生薄膜的反射偏振光而不使光返回光源来提高效率。这些系统中有一些使用这样的偏振转换器，它们用全息光学元件分离偏振元件。所有这些系统都要占据相当大的空间，不适于小型应用，或者大的LCD板。
技术实现思路
本专利技术涉及一种有效的用于对非偏振光起偏的透镜状偏振转换器。该偏振转换器包括输入小透镜阵列、输出小透镜阵列和偏振堆叠。其中偏振堆叠包括一偏振膜，位于两个小透镜阵列之间。输入小透镜阵列的第一面具有多个聚焦小透镜。每个小透镜都有一个入射光会聚到达的焦点。输出小透镜阵列包括多个准直小透镜。偏振堆叠包括反射偏振器和1/4波长延迟器，或者另一种能够反射圆偏振光并透射线偏振光的结构。聚焦小透镜阵列、偏振堆叠和准直小透镜阵列堆叠在一起，并彼此光学对准。当来自每个小透镜的光射到反射偏振器上时，偏振器沿反射路径反射一个偏振分量。输入小透镜阵列的第二面包括交叉的反射面和透射面。每个透射面都与一小透镜的焦点光学对准。反射面一般与反射偏振分量的反射路径对准。在另一实施例中，延迟器不必是1/4波长延迟器，延迟器和反射面联合起来将反射偏振器反射得到的光旋转90°。在一较佳实施例中，聚焦小透镜和准直小透镜是正透镜。输入小透镜阵列的反射面包括曲面凹入反射镜面。交替的透射面一般是平坦的透射孔径区，其中每个孔径区都与一个聚焦小透镜的焦点对准。在其它实施例中，偏振转换器还包括光学间隔元件，它位于聚焦小透镜阵列和偏振堆叠之间。在另一些实施例中，间隔元件与小透镜阵列和偏振堆叠的相对表面的形状匹配；以便限定和消除任何空隙。也就是说，对间隔元件中与反射面相对的表面整形，以对应于聚焦小透镜阵列第二表面的布局。聚焦和准直小透镜阵列可以是柱面对称的或旋转对称的；柱面小透镜呈现线聚焦，而球面小透镜呈现点聚焦。准直小透镜可以包括凸透镜，或者交替的凸透镜和凹透镜。本专利技术新颖光学设计的一个重要方面是，将偏振元件放在聚焦小透镜和再准直小透镜之间。此布置允许消除除了在其上产生主要Fresnel表面反射的两个表面外的所有表面。Fresnel反射的减少提高了器件的通光量，并减少或消除了减反射涂层的成本。还有一些设计也可以将空隙留在组件内，如果该结构有利于特殊的应用。附图概述图1是一截面正视图，示出了现有技术的偏振转换器。图2是一截面正视图，示出了依照本专利技术的第一平面偏振转换器。图3是一截面正视图，详细示出了图2所示的平面偏振转换器。图4是一截面正视图，示出了依照本专利技术的LCD投影机组件。图5是一截面正视图，示出了依照本专利技术的第二平面偏振转换器。图6是一截面正视图，示出了依照本专利技术的第三平面偏振转换器。图7是一截面正视图，详细示出了图6所示的平面偏振转换器。图8是一放大的截面正视图，详细示出了依照本专利技术的第四偏振转换器。图9是一透视图，示出了图8所示的平面偏振转换器的柱面对称小透镜。图10是一放大的截面正视图，详细示出了依照本专利技术的第五偏振转换器。图11是一放大的截面正视图，详细示出了依照本专利技术的第六偏振转换器。图12是一放大的透视图，示出了图11所示平面偏振转换器的一个实施例，它包括旋转对称小透镜。本专利技术的详细描述图2和图3示出了依照本专利技术的第一偏振转换器110。偏振转换器110一般是平面的、薄的、多层结构。偏振转换器110包括输入小透镜阵列元件120、偏振堆叠140和142，以及输出小透镜阵列元件160。偏振堆叠140包括1/4波长延迟膜142和反射偏振膜150。各元件依次堆叠、光学对准和安排。输入小阵列元件120一般是平面的，具有第一主表面和第二主表面。第一主表面是聚焦面122，它包括多个聚焦小透镜124。如图3所示，每个小透镜124都具有一个光焦点126。图2和图3示出，输入小透镜阵列元件130的第二主表面与1/4波长延迟膜142相邻。第二主表面130包括多个反射区，诸如曲面凹入反射镜面132，它用来反射和再聚焦由反射偏振器150反射的光。曲面凹入反射镜面132可以是球形、椭圆形，或者其它能够使透光量最大而像差最小的优选形状。反射面1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对非偏振光束起偏的偏振转换器（１１０），其特征在于，偏振转换器包括：输入小透镜阵列元件（１２０），它包括：聚焦面（１２２），它具有多个聚焦小透镜（１２４），每个聚焦小透镜都具有一焦点（１２６），和反射／透镜面（１３０），它具有至少一个反射区（１３２）和至少一个透射区（１３４），至少一个聚焦小透镜的焦点与至少一个透射区光学对准；输出小透镜阵列（１６０），它包括多个准直小透镜；偏振堆叠（１４０），它位于输入和输出小透镜阵列之间，用于透射非偏振光束的第一分量，反射非偏振光束的第二分量；其中，输入小透镜阵列、输出小透镜阵列和偏振堆叠彼此光学对准。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：SK埃克哈特，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]