专利名称：新型液晶投影电视光偏振态转换及光束合成装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于液晶投影电视技术领域，该装置适用于照明光束的“自然光-偏振光”的转换，以及两输出光束的空间合成。
在现有技术中，液晶投影电视均以金属化卤钨灯作为光源，经准直处理后照明液晶显示器件(LCD)。由于LCD要求入射的是线偏振光，特别是近年来常用的超扭曲型液晶显示器(STN-TFT-LCD)，要用45°线偏振光入射。已有技术的公知方法，是在LCD前加偏振片。但偏振片对一个偏振分量是全部吸收，对另一个偏振分量是部分吸收，因此，造成约70％的光能损失。目前，已有将自然光转换为线偏振光的设计。公知的设计方案如图一所示，采用一个偏振分光棱镜1，一个反射镜2。准直的自然光在偏振分光棱镜1的分界面上产生分光，其中平行分量(p分量)透过棱镜，垂直分量(s分量)在分界面上反射，再经反射镜2反射，两个出射光分量通过半波片3及4变成45°方向偏振的光波5和光波6，照射到超扭曲型液晶显示器7上。由于半波片的相位延迟，仅对于某一特定波长才是准确的(使光的偏振面旋转给定的角度)，而白光的光谱很宽，偏离该特定波长的光经过半波片后成为椭圆偏振光，一部分光能量仍然会损失掉(通不过LCD)，因此光能利用率仍不够高，此现象称为色散效应。
本实用新型的发明目的是克服现有偏振光转换装置中的光色散效应，进一步提高光能利用率，并同时改善照明光在LCD上分布的均匀性。特此专门设计了新型液晶投影电视光偏振态转换及光束合成装置。
对该实用新型的技术方案结合附图详述如下本实用新型的光学系统由两部分构成，第一部分是自然光-偏振光转换装置(见图2)，它包括一个偏振分光棱镜8及一对反射镜9、10。当准直的自然光沿偏振分光棱镜8的光轴11(光轴11平行于光轴12，光轴12即为z轴)射入偏振分光棱镜8后，其中的平行偏振分量(沿图中x方向偏振)透射过棱镜8，而垂直偏振分量(沿y方向偏振)从棱镜8的分界面上反射出来。该分光棱镜8的分光面上镀以宽带偏振分光膜，反射镜9、10镀以宽带高反射率介质膜。在8后面的反射镜9、10均为宽波段、高反射率的反射镜，在图2中9和10可做成一体，构成一个棱镜，即图5所示的棱镜。此棱镜是由平面ABCD，ABGE，ADE，CDEF，EFG，BCFG组成的六面体，其中平面ABCD与平面ABGE的夹角为45°，并与平面CDEF垂直。而平面BCFG与平面CDEF的夹角为45°，并同时与平面ABGE垂直。平面ABCD与平面BCFG垂直。平面ABEG相当于反射镜9，平面CDEF相当于反射镜10。它们的放置位置，是使两次反射后的光束沿光轴13方向传播，光轴13也平行于z轴，并且光束11和13是关于z轴对称。而沿13方向的光束其偏振方向亦旋转为x方向。我们将此自然光-偏振光转换装置围绕z轴旋转45°，这样使11和13两光束的光轴均位于xz平面内，并且是关于y轴对称分布(见图3)，而且两输出光束11和13的偏振方向相同，均沿x、y轴的角平分线方向偏振，该偏振方向正好与LCD所要求的入射光偏振方向一致。
本装置的第二部分是光束合成装置(见图4)。它由一对沿与光轴垂直方向分开的正透镜14和15及一个负透镜16构成。负透镜的焦距(绝对值)略小于正透镜。两只半透镜沿径向相互分开适当的距离。双分离的透镜14、15与透镜16组成放大率接近一倍的望远系统，其中14、15为正透镜，16既可以是正透镜，亦可以是负透镜。
由自然光-偏振光转换装置输出的两束光分别经过上，下两半部透镜14和15后，再通过透镜16照射到LCD上。改变14和15之间的间隔2δ，可以改变从透镜16射出的两束光的光轴夹角2θ，从而改变投射到LCD上两束迭加光斑的光强分布。可在被照射的液晶显示器7的表面上得到不同程度的光束重迭。两个分离的透镜14、15及透镜16可用一对光楔取代，光楔的顶角由所需的光束夹角确定(如图6所示)。
由于每束光的光强分布都是接近高斯型的分布，中心最强，距离中心越远光强越弱，单束光照到LCD上会形成不均匀光场。如果将两束中心适当分离的光束互相迭加，其照明均匀性将有显著的改善，并最终可以得到一个最佳的光强分布。
图4中的透镜14、15、16亦可采用光楔对17和18的形式(见图6)。两个中心分离的光束分别通过两个光楔，则两出射光束在空间某确定的位置将相交成所需要的比较均匀的光强分布。其中，两光束夹角2θ＝2*(n-1)*α；(n-光楔介质折射率，α-光楔角)本实用新型可应用于液晶投影电视系统及其他需要采用自然光-线偏振光转换装置以及两束输出光束的空间合成的系统。
本发明的优点和效果是(1)将一束自然光转换为两束45°线偏振光，两束输出光的偏振方向恰好与超扭曲型液晶显示器(STN-TFT-LCD)所要求的偏振方向一致。因而，在使用本装置的液晶投影电视系统中，可以去掉超扭曲型液晶显示器入射面的偏振片，将光能利用率提高70％左右。
(2)本装置的光束合成部分将两束同方向偏振的线偏振光按一定规律交叠于被照明面上，改善了被照明面的光强分布的均匀性。设中心光强为IC，边缘光强为IE，则比值η＝IC/IE称为光强比。已有技术的η＝4/1，而采用此装置后，可达η＝2/1。
图1波片式光偏振态转换装置1-偏振分光棱镜，2-反射镜，3、4-半波片， 5、6-光轴，7-液晶显示器(LCD)图2反射镜式宽带光偏振态转换装置8-偏振分光棱镜，9-反射镜I，10-反射镜II， 11、13-光轴，12-两光轴的中心对称轴图3新型光偏振态转换装置图4新型光偏振态转换及光束合成装置14、15、16-透镜图5新型光偏振态转换棱镜平面ABCD-入射面 平面ABGE-反射面I平面CDEF-反射面II平面BCFG-出射面图6新型光楔式光束合成装置17、18-光楔本实用新型的实施例按照前面所详述的技术方案，并结合附图1，2，3，4，5，6中所示的各光学器件的相互位置、角度、要求的装置设计可以实施该新型液晶投影电视光偏振态转换及合成装置。
权利要求1.一种新型液晶投影电视光偏振态转换及光束合成装置，它含有偏振光分光棱镜、反射镜、两组分离的半透镜、一组整透镜、液晶显示器件，其特征是在偏振分光棱镜(8)的侧面及侧上方放置两块宽带高反射率的平面反射镜(9)、(10)，构成光偏振态转换装置，由其输出的两束光分别通过其后放置的两组分离的半透镜(14)、(15)及其后的一个整透镜(16)构成光束合成装置。
2.按照权利要求1所述的光偏振态转换及光束合成装置，其特征是分光棱镜(8)的分光面上镀以宽带偏振分光膜，反射镜(9)、(10)镀以宽带高反射率介质膜。
3.按照权利要求1所述的光偏振态转换及光束合成装置，其特征是两组分离的半透镜(14)、(15)将两束分离的偏振态相同的偏振光重迭照射到液晶显示器(7)上，改变透镜(14)、(15)的中心间距2δ，可在被照射的液晶显示器(7)的表面上得到不同程度的光束重迭；两个分离的半透镜(14)、(15)及透镜(16)可用一对光楔取代，光楔的顶角由所需的光束夹角确定。
4.按照权利要求1所述的光偏振态转换及光束合成装置，其特征是双分离的半透镜(14)(15)与透镜(16)组成放大率接近一倍的望远系统，其中(14)、(15)为正透镜，(16)既可以是正透镜，亦可以是负透镜。
5.按照权利要求1、2、3、4所述的光偏振态转换及光束合成装置，其特征是光偏振态转换装置中的反射镜(9)、(10)可做成一体，成为棱镜，此棱镜是由平面ABCD，ABGE，ADE，CDEF，EFG，BCFG组成的六面体，其中平面ABCD与平面ABGE的夹角为45°并与平面CDEF垂直。而平面BCFG与平面CDEF的夹角为45°，并同时与平面ABGE垂直，平面ABCD与平面BCFG垂直，平面ABEG相当于反射镜(9)，平面CDEF相当于反射镜(10)。
专利摘要新型液晶投影电视光偏振态转换及光束合成装置，可以使入射的自然光分成两个正交的偏振态分量，利用两次反射及整体旋转，使两个输出光束同向45°偏振，且偏振方向与常用的超扭曲型液晶显示器(STN-TFT-LCD)要求的输入光偏振方向相同。光束合成装置使两束光在LCD上以一定的间距交迭合成，照明均匀。该装置的结构紧凑，光能利用率高，照明均匀，适用于液晶投影电视或自然光-偏振光转换系统及光束的空间合成。
文档编号H04N5/74GK2270330SQ96222869
公开日1997年12月10日 申请日期1996年9月3日 优先权日1996年9月3日
发明者俞蕾, 宋菲君, 杨颜峰, 王长生, 梁建铮, 陈光郎 申请人:中国大恒公司光电研究所, 台湾中华映管股份有限公司