专利名称：偏光回收照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种偏光回收照明系统，应用于微型液晶显像面板的投影系统上，尤其涉及一种使用柱状光信道管的偏光回收照明系统。
背景技术：
目前液晶投影机中所使用的聚光系统或称为积分器(integrator)为将光源所发出的光变均匀并且将圆形分布转换为显示面板的长方形(4∶3或16∶9)的分布。图1A与图1B为两种常见的积分器。
其中光源10所发出的光经第一透镜阵列组20把所发出的光区分为数个区块(4∶3或16∶9的长方形分布)，并且将光源10成像在第二透镜阵列30上。第二透镜阵列30再把第一透镜阵列组20所处的位置全部叠加在显示面板上40。再看图1B，光源10发出的光经柱状玻璃25后会在其出射面形成一均匀的光，之后再经由聚光镜35使其重叠于显示面板40上。
大部分的液晶投影机(liquid crystal projector)均利用偏振光的特性来做光强度的调变，因此上述的方法用不到照明光源10一半的能量，也即，其只使用到光源10的某一方向的偏振光而另一方向的偏振光能量则被吸收掉，造成光源的能量损失相当大。因此，如何将另一半损失的能量再取回利用，便成为提升液晶投影机光亮度最有效的方法之一。
由于热力学第二定律的限制，若要将一束非偏振光转换成偏振光时，其会造成光线的发散角变大以及使光线的截面积变大。对光线的发散角变大而言，不利于液晶投影的光学系统，因为光学系统的对比度会随着入射于显示面板的角度变大而下降。对光线的截面积变大来说，虽然不适合于目前小的显示面板系统，但是在光源弧距越做越小的情形下，可以使照明光源的光束变小，故可以使用光束变大的方法来做偏振转换技术。
为了因应上述问题，本申请人曾提出一种“柱状积分器偏振转换装置”(中国台湾专利公告第400454号专利)，利用柱状玻璃的入射面位于椭圆反射镜的一焦点上，而在柱状玻璃的出射面形成的光经由聚光镜与偏光转换器使光成像在所需照明的液晶板上。然而，实际应用上因前案所宣告内容阵列会成像在第二片透镜上，这会使得阵列成像的入射角度过大且阵列成像大小无法与偏光转换器之间隔宽度匹配使得光转换效率不佳而无法达到前案所说明的偏光回收效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种偏光回收照明系统，能有效地利用光源所提供的光能量，增加照明效率，且利用更少的透镜，更为降低成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种偏光回收照明系统，用以照明一显示面板，包含有一光源，位于一椭圆反射镜的一焦点上；一柱状光信道管，具有一入射面与一出射面，该椭圆反射镜的另一焦点位于该入射面上，该入射面用以接收来自该光源的光线，并在该出射面出射一均匀分布的光以及在该入射面位置形成一虚光源阵列；一前置透镜，位于该柱状光信道管的出射面外侧，使该虚光源阵列成像形成一实像光源阵列；一偏光转换器，位于该前置透镜一侧，用以接收该实像光源阵列并将该实像光源阵列中的各光线转换成多个特定偏振光；及一后置透镜，位于该偏光转换器与该显示面板之间，用以将该特定偏振光重叠于该显示面板。
上述的偏光回收照明系统，其中，该偏光转换器还包括多个偏振分光器与多个1/2波板，所述偏振分光器倾斜一角度以平行方式排列而成，并且所述1/2波板以间隔一个的方式排列在其中两个所述偏振分光器之间。
上述的偏光回收照明系统，其中，该偏振分光器具有多层镀膜。
上述的偏光回收照明系统，其中，该角度为45°。
上述的偏光回收照明系统，其中，该光源为氙灯。
上述的偏光回收照明系统，其中，该光源为卤素灯。
上述的偏光回收照明系统，其中，该光源为高压汞灯。
上述的偏光回收照明系统，其中，该光源为金属卤化物灯。
上述的偏光回收照明系统，其中，该光源为发光二极管。
上述的偏光回收照明系统，其中，该前置透镜组包含一片以上的透镜，而该后置透镜组包含一片以上的透镜。
上述的偏光回收照明系统，其中，该前置透镜与该后置透镜皆为一非球透镜。
上述的偏光回收照明系统，其中，该前置透镜为一非球透镜，而该后置透镜包含两片球透镜。
上述的偏光回收照明系统，其中，该前置透镜包含两片球透镜，而该后置透镜为一非球透镜。
上述的偏光回收照明系统，其中，该前置透镜与该后置透镜皆包含两片球透镜。
上述的偏光回收照明系统，其中，该柱状光信道管的横截面为方形。
根据本发明所揭露的偏光回收照明系统，为包含有光源、柱状光信道管、前置透镜、后置透镜以及偏光转换器，光源位于椭圆反射镜的焦点上，另一焦点位于柱状光信道管的入射面上，而在柱状光信道管的出射面出射均匀分布的光，并在入射面位置形成虚光源阵列，并利用前置透镜，使虚光源阵列成像形成实像光源阵列于偏光转换器并将该实像光源阵列中的各光线转换成多个特定偏振光至后置透镜，而将特定偏振光重叠于显示面板。
通过本发明的系统使光学系统的光效率提高，并将另一半损失的偏振光的能量重新取回利用。本发明可以将光源的一束光束转化为两束可被显示面板所利用的偏振光，因此光束截面积变为原来的二倍，但强度只为原来的一半。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1A、图1B为现有的照明装置示意图；图2为本发明的结构示意图；图3为光源阵列实像被转换成特定的偏振光的示意图；图4为偏光转换器的原理示意图；以及图5A～图5C为本发明的实施例图。
具体实施例方式
请参照图2，偏光回收照明系统包含光源102、柱状光信道管110、前置透镜120、后置透镜140、偏光转换器134。其中光源102位于椭圆反射镜104的第一焦点F1上，通过椭圆面的几何特性可以将位于焦点F1上的光源所发出的光线经由椭圆反射镜104的镜面聚焦在第二焦点F2上。其中光源102可以是卤素灯与各式弧灯(arc lamp)，如高压汞灯、金属卤化物灯、氙(Xenon)灯、发光二极管(LED)等总流明(luminance)数足够高的光源。
柱状光信道管110两端分别为入射面112a与出射面112b，入射面112a位于椭圆反射镜104的第二焦点F2上，用以接收来自光源102的光线。在第一焦点F1上的光源102的光线经由椭圆反射镜104反射到第二焦点F2上，由入射面112a进入柱状光信道管110中。
光线在柱状光信道管110中会产生全反射，并在入射面112a处产生虚光源阵列114。因为所有进入柱状光信道管110的入射光线角度不同，在柱状光信道管110中会产生不同次数的全反射。如在柱状光信道管110内产生一次全反射的光线，再将反射后的光线逆推回去可以汇聚成一虚光源114a；同理，产生二次全反射会汇聚成另一虚光源，如此便在入射面112a产生一虚光源阵列114。每一虚光源114a皆以不同的角度照射于出射面112b上，再通过万花筒效应使出射面112b的光能量随位置均匀分布。
前置透镜120置于柱状光信道管110的出射面112b外，将虚光源阵列114的每一虚光源114a成像在偏光转换器134(PS-converter)上，产生一实像光源阵列138(参考图3)，此一位置形成的光点最小、发散角度也最小，是最适合做偏振转换的位置。
偏光转换器134用来将没有偏振的光线转换成能被显示面板150所用的偏振光，如P偏振光，如图3所示，虚光源阵列114的每一光源114a成像在偏光转换器134上，并产生一实像光源阵列138。实像光源阵列138的每一实像光源138a再经过偏光转换器134将光线分成P偏振光与S偏振光，并且再将S偏振光转换成P偏振光(假设显示面板仅接受P偏振光)，借此提高投影系统的光效率。
接着请参考图4所示，偏光转换器134为由多个偏振分光器134a与多个1/2波板134b所构成，各偏振分光器134a为以倾斜一角度，如45°，以平行方式排列而成，并且该1/2波长板134b以间隔一个的方式排列在其中两个偏振分光器134a之间。上述的偏振分光器134a为一多层镀膜，其可以让某一偏振光通过，如P偏振，而让另一偏振光反射，如S偏振。
当实像光源阵列138的实像光源138a入射至偏光转换器134后，到达偏振分光器134a上时，使入射光线中的P偏振光通过而使S偏振光反射。S偏振光被偏振分光器134a反射后，再经过一相邻的偏振分光器134a的反射，使其入射至一1/2波板134b，通过此1/2波板134b会将S偏振光转换为P偏振光。由此图可以看出，偏光回收照明系统134将其中一束光束，如138a，转化为两束偏振光，因此光束截面积变为原来的二倍，但强度只为原来的一半。
此时，从偏光转换器134射出的光线便完全是P偏振光，再经由后置透镜140聚光，使得转化为特定偏振光的实像光源138a能重叠于显示面板150上。
其中，前置透镜120用来控制虚光源阵列114成像在偏光转换器134上的f number(当f#＞5.5，可获得较好的偏振转换效率)，而后置透镜组140为控制整体照明系统至显像面板上的f number与均匀度(本发明中的f#为焦数，为有效焦距除以入射瞳孔直径的比值；照明系统f#越小表示显像面板上所接受的照射能量越大，同时入射角度也越大，但其整体对比可能因此而下降，而且后置透镜组可有效减少离轴与较大角度光线的像差而使其均匀度较佳)。其中前置透镜120与后置透镜140皆可为非球透镜(见图2)，结构则比较简单，但是成本较高，或者参见图5A、5B、5C所示，将其中一透镜设计为包含有两片球透镜，可以将前置透镜120设计为包含有两片球透镜，或是将后置透镜140设计为包含有两片球透镜。如需要更加节省成本，则可将前置透镜120与后置透镜140都设计为包含有两片球透镜。另一方面，也可以于前置透镜120与偏光转换器134之间再增加一阵列透镜，可略微提高效果，其余的透镜装置也是相同的原理，在此不再累述。
因此，本发明的特征是在系统的光源成像光点最小处以及发散角最小处的位置配置一偏光回收照明系统，以得到最佳的偏振转换效果同时能有效地利用光源所提供的光能量，更能增加照明效率。同时，相较于前案，控制虚像阵列成像在PS Converter上的f number(当f#＞5.5可获得较好的偏振转换效率，实际可达85％以上)；且为远心的设计，让偏振转换器摆置时有较佳的容忍度。而后置透镜组可用以控制照明系统的f#与面板上光源的均匀度，而能解决其光转换效率不佳的问题。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种偏光回收照明系统，用以照明一显示面板，其特征在于，包含有一光源，位于一椭圆反射镜的一焦点上；一柱状光信道管，具有一入射面与一出射面，该椭圆反射镜的另一焦点位于该入射面上，该入射面用以接收来自该光源的光线，并在该出射面出射一均匀分布的光以及在该入射面位置形成一虚光源阵列；一前置透镜，位于该柱状光信道管的出射面外侧，使该虚光源阵列成像形成一实像光源阵列；一偏光转换器，位于该前置透镜一侧，用以接收该实像光源阵列并将该实像光源阵列中的各光线转换成多个特定偏振光；及一后置透镜，位于该偏光转换器与该显示面板之间，用以将该特定偏振光重叠于该显示面板。
2.根据权利要求1所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该偏光转换器还包括多个偏振分光器与多个1/2波板，所述偏振分光器倾斜一角度以平行方式排列而成，并且所述1/2波板以间隔一个的方式排列在其中两个所述偏振分光器之间。
3.根据权利要求2所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该偏振分光器具有多层镀膜。
4.根据权利要求2所述的偏光回收照明系统，其特征在于该角度为45°。
5.根据权利要求1所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该光源为氙灯。
6.根据权利要求1所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该光源为卤素灯。
7.根据权利要求1所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该光源为高压汞灯。
8.根据权利要求1所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该光源为金属卤化物灯。
9.根据权利要求1所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该光源为发光二极管。
10.根据权利要求1所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该前置透镜组包含一片以上的透镜，而该后置透镜组包含一片以上的透镜。
11.根据权利要求10所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该前置透镜与该后置透镜皆为一非球透镜。
12.根据权利要求10所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该前置透镜为一非球透镜，而该后置透镜包含两片球透镜。
13.根据权利要求10所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该前置透镜包含两片球透镜，而该后置透镜为一非球透镜。
14.根据权利要求10所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该前置透镜与该后置透镜皆包含两片球透镜。
15.根据权利要求1所述的偏光回收照明系统，其特征在于，该柱状光信道管的横截面为方形。
全文摘要
本发明涉及一种偏光回收照明系统，其主要利用椭圆反射镜、柱状光信道管、偏光转换器以及至少两片透镜，且将柱状光信道管的入射面设在椭圆反射镜的一焦点上，而其出射面形成的光经由偏光转换器使光成像在所需照明的显示面板上，可同时达到光均匀以及偏光转换的效果。
文档编号G02B27/28GK1664694SQ20041000643
公开日2005年9月7日 申请日期2004年3月4日 优先权日2004年3月4日
发明者曾志翔, 林俊全, 罗欣祥 申请人:财团法人工业技术研究院