CN201589896U - 能提高投影机亮度的偏振光重用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种偏振光重用装置，包括一个偏振光分离元件，所述偏振光分离元件包括一分光面，所述分光面能透射P偏振光，并能反射S偏振光；和两个可调制偏振光位相变换元件，分别位于所述偏振光分离元件的两个出光方向上，所述可调制偏振光位相变换元件能将从偏振光分离元件中出来的偏振光根据需要反射回偏振光分离元件的分光面，并且获得的反射偏振光的振动方向与入射偏振光的偏振方向垂直。本实用新型还提供了使用该偏振光重用装置的投影仪。该偏振光重用装置可以有效提高硅基液晶微投影机的投影亮度并具有如下的优点：(1)转换效率高；(2)结构简单；(3)制造工艺简单。

Description

能提高投影机亮度的偏振光重用装置

技术领域

本实用新型属于硅基液晶LCoS(liquid-crystal on silicon)微投影显示技术领域，特别是涉及一种提高硅基液晶投影机亮度的偏振光重用装置

背景技术

近年来，投影技术尤其是硅基液晶(LCoS)投影显示技术因其具有高分辨率、高清晰度、大屏幕、便携等优点而发展极其迅速，成为一种极受欢迎的投影显示方式。广泛应用于多媒体教学、家庭影院、会议演示，甚至在军事指挥中都有一定的应用。因为液晶投影必须在偏振光照射下才能实现正常的投影功能。要产生偏振光，常用的方法就是在显示器的光路中加入偏振片，使自然光中的某个振动方向的偏振光可以通过，另一个方向的偏振光则被偏振片吸收。这样，对于一个光源来说，只有一半的光能得到利用。为了提高光的利用率而提出了偏振光转换后重复使用的概念，所使用的光学部件称为偏振光转换***PCS(Polarization conversion system)。其工作原理是通过一些装置将不能应用的那部分偏振光的偏振方向转化为其垂直方向，则这一部分的光在投影显示中又可以得到应用，这无疑会大幅度的提高光机的效率，从而提高投影显示的亮度。在LCoS微投影显示***中，偏振光转换***(PCS)是非常重要的原件之一，它的性能对投影***的光能利用率，显示亮度有极大的影响。

现有的偏振光转换***，如图1所示，由一个准直***，一个偏振光分离***和一个波片组成。由于传统的偏振光分离***(PBS)在分离偏振光时，往往把偏振方向互相垂直的偏振光射向不同的方向，然后，在需要转换偏振方向的线偏振光光路上加上半波片，再利用反射镜把这部分转换了偏振方向的偏振光引导到与另外一部分线偏振光相同的传播方向，这样不可避免的使得经过偏振转化后光线的光斑面积增大一倍，从而使光束的光学扩展量增加一倍，由于在光学***中光能量的传输是由***中光学部件中具有最小光学扩展量的部件决定，大于部件光学扩展量的光束并不能被光学部件有效的传输，因此这样的***用在大的投影机时，由于整个光学***的光学扩展量值较大，***所允许的光斑面积大，可以得到较满意的结果。但当减小投影机的体积，使得其可以成为手持设备时，由于要使用尺寸较小的液晶微显示器和较小孔径的镜头，使得***的光学扩展量被小的显示器和光学部件所限制，当使用传统的偏振光转换***时，光束的有效利用面积降低，整个光学***的效率并不能有效提高，同时***的体积也相应变大。因此，要想提高在硅基液晶微投影机中的光效率，在光学***中加入的偏振光转换装置就要满足在偏振光的转换过程中保持光束的光学扩展量基本不变，***的体积尽量小。因此有必要实现一种新型的不提高光束的光学扩展量来提高微型液晶投影机的方法。

由于LED光源体积小、效率高、寿命长和发热相对于目前使用的超高压汞灯(UHP)低而被用于使用电池供电的便携式微型投影机。结合投影仪的设计指标和微型投影机的使用特点，在设计微型投影仪用LED照明***时要有如下的对投射到投影屏幕上的光通量要求，即在个人应用的投影仪中，投射到投影屏幕上的亮度要达到10流明以上。但由于LED光源是一种面发射的光源，其光学扩展量(Etendue)效率即每单位光学扩展量的流明值还不是很高，而且微型投影机对体积大小、功耗的多少有极其严格的要求，只有通过设计合理的照明和投影***结构，才能满足便携式微投影机光输出的流明亮度的要求。

现在的单颗面积为1x1毫米白色LED的一般效率可以达到每瓦几十到一百流明。当LED的功率为2瓦时只能提供不到200流明的亮度，由于LCoS显示器以偏振光为工作光线，加上投影光机***中光学部件的吸收和表面的反射等损失，一般的投影机的光学效率只有3-4％，这样就需要提高LED的工作功率，增加LED的数量或提高光机***的光效率。提高LED的工作功率将加大LED的工作电流，这会大大缩短LED的使用寿命。

增加LED个数可以增加投影的光通量，但同时也增加了光源的光学扩展量。在现在的投影***中，***的光学扩展量由***零部件中光学扩展量最小的决定，在微投影仪中这一部件一般为光调制器(LCoS微显示器)，如果光源的光学扩展量大于***部件的最小光学扩展量，这时增加的光通量将不能被***利用而损失，并不能有效的提高光输出。

为了在不提高LED工作功率的基础上提高投影光机的输出亮度，使用最多的方法是利用偏振光转换技术把***中浪费的一半偏振光加以部分利用，现有的偏振光转换技术(如图1)，由光源发出的自然光，经过准直***后变成近似平行的光照射在后面的偏光分束棱镜PBS(Polarization Beam Splitter)阵列上，被PBS分解为振动方向相互垂直的线偏振光s光和p光。其中的p光分量透过PBS膜，s光分量被PBS膜反射进入相邻区域射出棱镜；在其相应的透射区域贴有半波片，使S光偏振方向旋转90°，使其与P光的振动方向一致，从而得到P线偏光。这种转换装置在得到偏振方向一致的偏振光时，使得透过光的面积增加一倍。其结果，会使整个光学***的光学扩展量(Etendue)增加一倍，当使用小于光束面积的液晶显示器件作为投影的光调制器时，在器件有效区域外的光束不能够被利用，严重影响投影***的光学效率。并且，在相应S光的透射区域粘贴半波片，使得在出光光束位置要加入匀光部件，使得整个光束均匀，这无疑会对光线强度有部分的减弱。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种新型的偏振光重用装置，该装置具有工艺简单，偏振光转换率高，保持***光学扩展量不变等优点，能有效提高硅基液晶微投影仪的投影亮度。本实用新型的另一目的是提供一种新型的投影仪，其结构简单，投影亮度高，便于携带，配合合适信号源可以实现三维立体显示。

为了实现所述目的，本实用新型的偏振光重用装置包括：

一个偏振光分离元件，所述偏振光分离元件包括一分光面，所述分光面能透射P偏振光，并能反射S偏振光；和

两个可调制偏振光位相变换元件，分别位于所述偏振光分离元件的两个出光方向上，所述可调制偏振光位相变换元件能将从偏振光分离元件中出来的偏振光以与其出来的方向相反的方向反射回偏振光分离元件的分光面，并且获得的反射偏振光的振动方向与入射偏振光的偏振方向垂直。

当入射光射入偏振光分离元件中，其分光面对P偏振光的反射完全消失，不产生反射，从偏振光分离元件的一个出光方向透射射出，S偏振光由于分光面的反射作用由偏振光分离元件的另外一个出光方向反射射出，从而达到偏振光分离的目的。

所述偏振光分离元件包括一个进光方向，用于接收从外界输入到偏振光分离元件的光；其他三个方向为出光方向。

优选的，所述偏振光分离元件为传统的偏振光分束棱镜。更优选的，所述偏振光分束棱镜选自如下组：麦克纳尔(S.MacNeille)棱镜、线光栅棱镜、反射式偏振片。

优选的，所述可调制偏振光位相变换元件为LCoS面板。LCoS面板放在偏振光分离元件的两个出光方向上，一方面，对整个投影***起到微显示器的作用，另一方面，根据LCoS的工作原理，入射偏振光的偏振方向在经过LCoS面板反射后，会变为与原偏振方向垂直的偏振光。

优选的，所述可调制偏振光位相变换元件与所述分光面成45°设置。

根据本实用新型的另一方面，本申请还提供了一种投影仪，包括光源、如上所述的偏振光重用装置和投影镜头，其中光源发出的光经过偏振光重用装置分离转换调整后，在进入投影镜头前混合，以便用于成像。优选的，所述投影仪还包括准直***，以便所述光源的光经过准直***准直后再进入偏振光重用装置。更优选的，光以与分光面成45°的方向进入偏振光重用装置的偏振光分离元件。

优选的，所述光源为LED光源。更优选的，所述LED光源为白色光源或红、蓝、绿三基色LED光源。

优选的，所述LED光源为红、蓝、绿三基色LED光源，且所述投影机还包括和光***，位于偏振光分离元件入射面之前，用于把红、蓝、绿三色光组合成白色光。所述和光***例如为x棱镜。

本申请的投影机还可包括用于调整光束的形状和位置的其他光学部件和/或机械部件。这些用于调整光束的形状和位置的光学部件和/或机械部件，对于本领域技术人员而言是熟知的，本领域技术人员可以根据需要从现有技术中选用合适的部件以用于本申请的投影机中。所述用于调整光束的形状和位置的其他光学部件和/或机械部件例如为机械导轨、压电陶瓷等。

本实用新型的偏振光重用装置既完成了偏振光的重用，又保持了投影***光扩展通量的不变，大大提高了投影机的投影亮度。因而本实用新型所提供的投影机的亮度提高。

当使用两个LCoS面板作为可调制偏振光位相变换元件时，该LCoS面板还能用作微显示器的作用，即投影的图像在面板上得到显示。

与现有技术相比较，本实用新型省略了波片准确对位粘贴的过程，大大降低了工艺难度和制造成本。

本实用新型的投影仪与现有技术中的投影仪相比，结构简单，制造成本低，***体积可以做得更小，更便于携带。

附图说明

图1为现有技术偏振光转换技术示意图；

图2为根据本发明的一个实施方式的投影机原理示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所示，偏振光分离元件2中有一分光面6，可调制偏振光位相变换元件3和4互相垂直，且与分光面成45°设置。由光源1发出的光(P+S)，进入偏振光分离元件2后，在偏振光分离元件2的分光面6上分成偏振方向垂直的两束偏振光(P偏振光和S偏振光)，其中：

(1)P偏振光从分光面6透射，直接进入可调制偏振光位相变换元件4，可调制偏振光位相变换元件4对入射P偏振光进行调制反射，使得从可调制偏振光位相变换元件4中反射出的偏振光偏振方向旋转90°，变为S偏振光，再次进入偏振光分离元件2，在偏振光分离元件2的分光面6上发生反射，向投影机镜头5方向传播；

(2)S偏振光在偏振光分离元件2的分光面6上发生反射，进入可调制偏振光位相变换元件3，同样，可调制偏振光位相变换元件3对入射S光进行调制反射，使得从可调制偏振光位相变换元件3反射出的偏振光偏振方向旋转90°，变成P偏振光，并再次进入偏振光分离元件2，通过偏振光分离元件2的分光面6，向投影机镜头5方向传播。

从偏振光分离元件中传出的S偏振光和P偏振光在进入投影镜头前混合，通过机械对位或图像处理等调整手段在投影屏幕上投影出高亮度，高清晰的图像。

实施例1

本实施例中采用了如图2所示的方案，其中：

光源1为LED光源，其工作功率为1W，面积1平方毫米；

偏振光分离元件2为偏振分束棱镜，其长度和宽度分别为10mm、8mm；

可调制偏振光位相变换元件3和4均为硅基液晶(LCoS)，其长度和宽度为9mm，8mm；

投影镜头5为f2.4

当只有一个可调制偏振光位相变换元件，即只有一个硅基液晶(LCoS)显示器时，投影镜头的输出亮度为3.8流明，当使用两个可调制偏振光位相变换元件时，投影镜头的输出为6.2流明。

实施例2

本实施例中采用了如图2所示的方案，其中：

光源1为LED光源，其工作功率为1W，面积1平方毫米；

偏振光分离元件2为偏振分束棱镜，其长度和宽度分别为8mm、6mm；

可调制偏振光位相变换元件3和4均为硅基液晶(LCoS)，其长度和宽度为7mm、5.5mm；

投影镜头5为f2.4

当只有一个可调制偏振光位相变换元件，即只有一个硅基液晶(LCoS)显示器时，投影镜头的输出亮度为3.3流明，当使用两个可调制偏振光位相变换元件时，投影镜头的输出为5.3流明。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种偏振光重用装置，包括：

一个偏振光分离元件，所述偏振光分离元件包括一分光面，所述分光面能透射P偏振光，并能反射S偏振光；和

两个可调制偏振光位相变换元件，分别位于所述偏振光分离元件的两个出光方向上，所述可调制偏振光位相变换元件能对从偏振光分离元件中出来的偏振光进行调制并以与其出来的方向相反的方向反射回偏振光分离元件的分光面，并且获得的反射偏振光的振动方向与入射偏振光的偏振方向垂直。

2.根据权利要求1所述的偏振光重用装置，其中所述偏振光分离元件为偏振光分束棱镜。

3.根据权利要求2所述的偏振光重用装置，所述偏振光分束棱镜选自下组：麦克纳尔棱镜、线光栅棱镜、反射式偏振片。

4.根据权利要求1或2所述的偏振光重用装置，所述可调制偏振光位相变换元件为硅基液晶面板。

5.根据权利要求1或2所述的偏振光重用装置，其中所述可调制偏振光位相变换元件与所述分光面成45°设置。

6.一种投影仪，包括光源、如权利要求1-5中任一所述的偏振光重用装置和投影镜头，其中光源发出的光经过偏振光重用装置分离转换调整后，在进入投影镜头前混合，以便用于成像。

7.根据权利要求6所述的投影仪，其特征在于：所述投影仪还包括准直***，以便所述光源的光经过准直***准直后再进入偏振光重用装置。

8.根据权利要求7所述的投影仪，其特征在于：所述光源的光经过准直***准直后以与分光面成45°的方向进入所述偏振光重用装置的偏振光分离元件。

9.根据权利要求6-8中任一所述的投影仪，其中所述光源为红、蓝、绿三基色LED光源，且所述投影机还包括和光***，所述和光***设置于偏振光分离元件入射面之前，用于把红、蓝、绿三色光组合成白色光。

10.根据权利要求9所述的投影仪，其中所述和光***为x棱镜。

Images