液晶显示器的偏振转换方法

专利名称：液晶显示器的偏振转换方法
技术领域：
本发明一般涉及将非偏振光转换成偏振光的方法，特别涉及偏振转换方法，并特别用于对于液晶显示器为投影器提供偏振输入光束。
本发明还涉及用在投影显示装置中的偏振转换器。
液晶(LC)光阀通过改变透过双折射液晶介质的光的偏振来调制光。目前，利用多种系统之一将非偏振光转换成基于液晶的投影器所需要的偏振输入光，接下来将讨论几个典型的实例。在LC系统中，通常希望将光阀的尺寸减到最小，从而使得投影器的成本和/或尺寸减到最小。然而，光阀尺寸的减小会导致伴随而来的光输出的减小。结果，利用现有的偏振转换技术，为了有效的光收集，元件必须相对较大，同时价格昂贵。
本发明的一个目的是提供一种使用相对小的元件和相对高的光通过量，将非偏振光转换成偏振光而用于为投影器提供偏振输入光束的方法。
通过如权利要求1所述的根据本发明的将非偏振光转换成偏振光的方法来实现此目的。
本发明的另一个目的是提供一种使用相对小的元件和相对高的通过量，将非偏振光转化为偏振光的偏振转换器。
通过如权利要求7所述的偏振转换器来实现此目的。
一般情况下，希望提高偏振转换效率，同时能够使用相对小的光学元件。于是，开发出一种方法，其中通过偏振分束器将输入光束分成P和S分量，其尺寸与输入光束“腰部”的尺寸相匹配，也就是说，光束的最小横截面大小。经过光学装置的光通过全内部反射(TIR)来限制。P分量通过偏振分束器内的TIR进行限制，而S分量被限制在旋转棱镜内。结果是产生了偏振转换，该转换使几何范围增加了不超过2倍，这是理论上的极限。TIR是通过在光学元件相对表面之间提供气隙、或者通过将表面与低折射率的光学粘合剂连接来实现的。
此外，有利的实施例将在从属权利要求中作详细描述。接下来将借助对实施例的描述和解释，使本发明的全部特征变得更加明显。
附图中

图1a和1b是使用准直光的现有技术偏振转换技术的概略图；图2a和2b是现有技术系统的限制的概略图；图3是本发明的基本原理的概略图；图4a、4b和4c分别是图3所采用的光学元件的侧面正视图、顶部平面图以及背面视图；以及图5是图4a的元件的改进形式的侧面视图。
在图1a所示的传统偏振转换技术中，非偏振光束10自左向右射入偏振光学装置12。所述光束被45o偏振分束器14分为P和S分量。所述S分量光束19被反射镜16反射，所述P分量光束通过1/2波延迟器18，以便使其与所述S分量同相，从而使得全部输出光束为S偏振。使用在图1b所示例子中第一和第二透镜阵列可达到相同的效果。
图2a和2b解释了为何传统的偏振转换系统在试图最小化光学元件尺寸时变得低效率，以及为何通过试图提高效率使得输出光束的几何范围(etendue)增加。参考2a，任意地选择输入光束腰部A-B以便与棱镜22的输入面20重合。P分量通过45o分束器24和1/2波延迟器26。S分量所示为被分束器24和反射镜26反射，在A’-B’处产生所述腰部A-B的虚像。由于虚像与腰部不共面，因此所述光束的几何范围增加了超过两倍。图2b示出了腰部从A-B增大到C-D的效果。通过C-D的外部光线受到了额外的反射，从而分别导致了虚源像C’和D’。这样，几何范围比图2a所示的例子的几何范围进一步增加了。
如图4a-4c所示，本发明的最佳实施方式是在光学装置中利用的通过带有全内部反射(TIR)的非成像偏振转换，图5所示的改进形式将下面的描述中作介绍。
输入光束孔径是通过偏振分束器28的侧面b的尺寸来限定的。如图4c所示，侧面b与通常是椭圆形的输入光束的腰部41是共面的，矩形侧面b的高度b1和宽度b2选择为分别与椭圆的短轴和长轴相对应。
P分量是通过在侧面a和a’处偏振分束器中的TIR来限制的，而S分量则是通过在侧面b和c’处的TIR以及通过棱镜30的侧面S1和S2(如图4b所示)被限制在旋转棱镜30内。结果是偏振转换，其使几何范围增加了不超过到两倍，这是理论极限。如图4a所示，TIR可以通过在分束器和棱镜30的相对表面之间的32、以及分束器和1/2波延迟器36之间的34提供气隙来实现。
作为选择，如图5所示，TIR可以通过在光学元件之间的层38和40中使用具有低折射率的光学粘结剂来提供。在不增加光学元件的大小的情况下就可提高偏振转换效率。
本发明的其它方面和特征可以通过对上述附图、上述公开的内容以及附加的权利要求的研究来获得。
权利要求
1.一种将具有在预定平面内的预定高度和宽度的腰部的非偏振光的输入光束转换成为具有几何范围从所述输入光束的几何范围增加不超过两倍的偏振光的输出光束的方法，所述方法包括a)将其输入表面具有的高度和宽度等于预定平面内的预定高度和宽度的偏振分束器进行定位，由此将所述输入光束分为垂直的P和S偏振分量；b)将所述P分量光束通过1/2波延迟器，由此脱离所述1/2波延迟器的光束具有与所述S分量光束相同的偏振；c)将旋转棱镜定位在所述S分量光束的路径中，以便引导通过其的所述S分量光束平行于并横向地邻近于脱离所述1/2波延迟器的所述P分量光束，脱离所述1/2波延迟器以及所述棱镜的所述P和S分量光束共同形成具有几何范围超出所述输入光束的几何范围基本上2倍的输出光束；和d)分别通过所述偏振分束器和所述棱镜中的全内部反射来限制所述P和S分量。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述全内部反射是通过在所述偏振分束器和所述棱镜的平行且相对的表面之间设置第一气隙、以及在所述偏振分束器和所述1/2波延迟器的平行且相对的表面之间设置第二气隙来实现的。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述全内部反射是通过在所述偏振分束器和所述棱镜的相对表面之间设置第一层低折射率光学粘合剂、以及在所述偏振分束器和所述1/2波延迟器相对表面之间设置第二层低折射率光学粘合剂层来实现的。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述输出光束作为偏振输入光被引导至基于液晶的投影器。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述的光束腰部是椭圆形的，所述输入表面是矩形的。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述旋转棱镜包括平行的侧表面，通过所述侧表面的全内部反射将所述S分量光束限制在所述旋转棱镜中。
7.一种将非偏振输入光束转换为偏振输出光束的偏振转换器，包括偏振分束器，用于通过作为P分量光的输入光束的第一部分，以及用于反射作为S分量光束的光束的第二部分；旋转棱镜，用于在平行于P分量光束的路径中重新引导S分量光束；以及限制装置，用于通过全内部反射来限制S分量和P分量光束。
8.如权利要求7所述的偏振转换器，其中它包括用于通过S分量光束的半波延迟器，从而使得所述光束与P分量光束同相。
9.如权利要求8所述的偏振转换器，其中限制装置具有在偏振分束器和旋转棱镜的平行且相对的表面之间设置的第一气隙、以及在偏振分束器和所述半波延迟器的平行且相对的表面之间设置的第二气隙。
10.如权利要求8所述的偏振转换器，其中所述限制装置具有在偏振分束器和旋转棱镜的平行且相对的表面之间设置的第一层低折射率光学粘合剂、以及在偏振分束器和所述半波延迟器的平行且相对的表面之间设置的第二层低折射率光学粘合剂。
全文摘要
非偏振输入光束(10)具有与偏振分束器(14)的光入射表面相匹配的腰部，其中将光束分成P和S分量。P分量通过1/2波延迟器(36)射出，S分量(19)指向旋转棱镜(30)，它与P分量从其中一前一后射出以形成具有几何范围基本上是输入光束的几何范围的两倍的输出光束。所述P和S分量通过全内部反射，分别被分束器(14)和棱镜(30)的侧面所限制，从而不增加光学元件的尺寸就可以实现高效率，避免了现有技术的偏振转换器的较低效率。
文档编号G02B5/30GK1605039SQ02825274
公开日2005年4月6日 申请日期2002年12月17日 优先权日2001年12月19日
发明者P·J·M·詹斯森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司