專利名稱：高效單向偏振光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)換效率近乎為百分之百的由自然光轉(zhuǎn)為單一方向偏振光的裝置。特別涉及應(yīng)用液晶旋光盒的偏振光產(chǎn)生裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是信息科學(xué)的發(fā)展，人們急需找到一種輕便、省能、色彩豐富、反應(yīng)迅速的顯示器件。在這種社會(huì)需求背景下，液晶顯示器件應(yīng)運(yùn)而生。但到目前為止，大多液晶顯示器件需要應(yīng)用的光源為偏振光，當(dāng)液晶顯示器為平板型時(shí)(如手提電腦的液晶顯示屏)利用人造偏振膜片不失為一種較理想的得到偏振光的手段，但對(duì)光源的利用率卻下降為不到50％，至今還沒有取代它的辦法產(chǎn)生。但在某些空間允許的場(chǎng)合，如投影儀、背投式大屏幕液晶電視(40時(shí)以上)，在應(yīng)用液晶顯示器時(shí)所用的偏振光也是靠吸收式的人造偏振膜獲得，從而將光能利用率降到50％以下，這使得要求這些器件的燈泡亮度很高，因此燈泡的壽命變短，造價(jià)變高，不能普及到家庭。其原因就是因?yàn)檎也坏浇鉀Q由自然光高效轉(zhuǎn)為單方向偏振光的合適方法。國(guó)內(nèi)外概莫能外。但今天在本發(fā)明問(wèn)世后，情況將要改觀。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種可用于實(shí)際的，如計(jì)算機(jī)投影儀、背投式大屏幕液晶電視機(jī)等的廉價(jià)的、高效的由自然光向單方向偏振光轉(zhuǎn)換的偏振光源。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明包含一個(gè)平行光發(fā)生器；偏振分束器——它可由偏振分束棱鏡或玻璃片堆構(gòu)成；反射鏡或全反射棱鏡；液晶旋光盒——由二玻璃片夾持約10微米厚的TN液晶組成，在玻片向著液晶的一面涂有定向膜，定向膜經(jīng)摩擦處理，而定向膜的的摩擦方向互相垂直，在首先接觸入射光的玻片的定向膜的摩擦方向應(yīng)與入射光的電矢量振動(dòng)面一致，這與一般液晶數(shù)字顯示器并沒兩樣，只是玻片上少了透明導(dǎo)電層，因此這樣的液晶盒透過(guò)率要比液晶數(shù)字顯示器的透過(guò)率(僅為80％)高得多；及焦距為2∶1的柱面凸透鏡組組成。
當(dāng)一個(gè)近似的點(diǎn)光源，如燈絲很集中的碘鎢燈，或放電區(qū)很小的氣體放電燈，放在旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的焦點(diǎn)上，并在其向著光線出射的一面裝一個(gè)球心在燈絲上的小的凹球面反射鏡或焦點(diǎn)在燈絲的小凸透鏡，這樣就構(gòu)成一個(gè)很好的平行光發(fā)生器。當(dāng)平行光射到偏振分束器上時(shí)，將使光線分成透射的P光(光的電矢量平行于入射面)與反射的S光(光的電矢量垂直于入射面)。由反射鏡(或全反棱鏡)將S光轉(zhuǎn)向成平行并緊靠于P光，在S光轉(zhuǎn)向后的光路中放一個(gè)液晶旋光盒，當(dāng)S光經(jīng)過(guò)此液晶旋光盒后偏振面將轉(zhuǎn)過(guò)90°——即與P光一致了。但此時(shí)的光束寬度因經(jīng)分束及反射變得比入射光寬了一倍。因此在其后放一焦點(diǎn)重合的焦距比為2∶1的柱面凸透鏡組，它們成反向望遠(yuǎn)鏡式。經(jīng)此柱面透鏡組后光束寬度重新回到入射的平行光寬度，完成了由自然光向單方向偏振光高效轉(zhuǎn)換的過(guò)程。當(dāng)然如果某些應(yīng)用場(chǎng)合并不要求出射光的寬度一定要恢復(fù)如前，那后面的柱透鏡組就可以省略。
整個(gè)裝置廉價(jià)而簡(jiǎn)單，如果偏振分束器由n＝1.5的玻璃堆組成，則布儒斯特角為56.3°，當(dāng)玻片堆由10層0.2mm厚的玻片構(gòu)成，透射光的偏振度為94％，而反射光的偏振度為100％，組合后平均偏振度約為97％，在大多數(shù)場(chǎng)合是夠了。整個(gè)玻片堆厚僅約2mm。這在實(shí)際結(jié)構(gòu)中是完全允許的。如果在光束口徑較大的場(chǎng)合此厚度還可增加一些。如增加到3mm，即玻片堆由15層玻片組成，則平均偏振度將達(dá)到99％，就更理想了。必須說(shuō)明，這個(gè)計(jì)算是在理想平行光入射條件下做出的，實(shí)際上沒有理想點(diǎn)光源，因而沒有理想平行光，這樣最后出射光的偏振度會(huì)略有下降。同樣在理想平行光入射時(shí)，最后P光與S光之間會(huì)有一些平移，不會(huì)完全緊靠。但實(shí)際上因入射的不是理想平行光，因此這個(gè)間隔會(huì)完全消失。
此外目前的TN液晶的清亮點(diǎn)已做到80℃以上，即在80℃以下它能很好地保持液晶特性，因此不用擔(dān)心大功率光束對(duì)液晶盒的照射因發(fā)熱會(huì)造成損壞。
有益效果本發(fā)明如用在計(jì)算機(jī)投影儀或背投式大屏幕液晶電視機(jī)中時(shí)，因光能利用率提高了一倍，因而燈泡的電流可以大大減小，從而延長(zhǎng)燈泡的壽命，而目前的計(jì)算機(jī)投影儀中燈泡的壽命僅約3000小時(shí)，而售價(jià)卻高達(dá)幾千元，另一個(gè)等效的說(shuō)法是在目前的光源條件下應(yīng)用本發(fā)明可使屏幕的亮度大大增加。也許本發(fā)明可能使投影儀走向家庭。這樣，目前的電視機(jī)市場(chǎng)將要改觀了。


圖1、圖3為高效單向偏振光源實(shí)例的主結(jié)構(gòu)圖。圖2為液晶旋光盒的解剖圖。
圖1是應(yīng)用玻片堆和反射鏡的實(shí)施例形式。其中圖1(1)為平行光發(fā)生器，它由近似點(diǎn)光源(1′)、旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡(1″)及焦點(diǎn)在點(diǎn)光源上的凸透鏡(1)構(gòu)成。圖1(2)為按布儒斯特入射角安放的玻片堆，圖1(3)為反射鏡，圖1(4)為液晶旋光盒，圖1(5)及(5′)為柱面凸透鏡組，其中(5)的焦距是(5′)的兩倍，且它們的焦點(diǎn)在A重合。
圖2(1)為玻璃基板，圖2(2)為定向膜，圖2(3)為TN液晶層(厚約10微米)，圖2(4)為墊框，防止液晶流出。
圖3為實(shí)施例2的主結(jié)構(gòu)圖，其中(1)為偏振分束兼反射棱鏡，(2)為液晶旋光盒，其余與圖2同。
實(shí)施例1下面結(jié)合圖例來(lái)描述實(shí)施例。見圖1本偏振光光源由平行光發(fā)生器(1)、玻片堆(2)、反射鏡(3)、液晶旋光盒(4)及柱透射鏡(5)、(5′)構(gòu)成。
平行光發(fā)生器由近似點(diǎn)光源、拋物形反射鏡及焦點(diǎn)在點(diǎn)光源上的小凸透鏡組成。偏振分束鏡由10～15層玻片組成，玻片厚度0.1～0.2mm，其法線與光軸成56.3°(布儒斯特角)放置，液晶旋光盒(4)的平面與S光前進(jìn)方向垂直。液晶旋光盒的結(jié)構(gòu)見圖2甲、乙(尺寸沒按比例)。(1)為玻璃基板，(2)為玻璃基板上涂的定向膠層，其上有摩擦痕，如圖2乙(2)擦痕方向上層為與紙面垂直，下層與紙面平行。2(4)為墊框，防止液晶流出。(3)為TN型液晶。
實(shí)施例2
其構(gòu)成與實(shí)施例1的區(qū)別在于用分束棱鏡(1)代替了實(shí)施例1中的玻片堆與反射鏡。(2)為液晶旋光盒。其余均與實(shí)施例1一致。它的優(yōu)點(diǎn)在于分束棱鏡包括了全反射棱鏡，且它與液晶盒、柱面凸透鏡用膠膠合在一起，從而減少了許多界面反射，使系統(tǒng)光透過(guò)率提高許多。但分束棱鏡必須設(shè)計(jì)成可見光寬帶的偏振分束，制作價(jià)格較貴一些。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)換效率近乎為100％的單向偏振光光源。由平行光發(fā)生器、偏振分束器、反射鏡、液晶旋光盒、柱面凸透鏡組所組成。其特征在于當(dāng)偏振分束器將投射其上的平行自然光分成P光與S光后，由反射鏡將S光前進(jìn)方向轉(zhuǎn)向與P光平行、緊靠。然后在S光的前進(jìn)光路中置一特制的液晶旋光盒，使S光的偏振方向轉(zhuǎn)向與P光一致。這樣一束加寬了一倍的偏振平行光射向焦距為2∶1的柱面凸透鏡組后使光束寬度恢復(fù)原來(lái)入射的平行光尺寸，但這時(shí)光束已變成完全偏振光而無(wú)大的能量損耗。
2.按照權(quán)利要求書1所述的的偏振光光源，其中的液晶旋光盒特征在于由兩片玻璃片夾持著液晶所組成，液晶的厚度約為10微米，玻片的內(nèi)側(cè)涂有定向膜，并在其上經(jīng)過(guò)摩擦處理，兩玻璃片上的定向膜的摩擦方向相互垂直，先與S光接觸的一面，摩擦方向與S光振動(dòng)面一致。
全文摘要
一種高效單向偏振光源，由平行光發(fā)生器、偏振分束鏡、反射鏡、液晶旋光盒及柱面凸透鏡組成。普通的近似點(diǎn)光源，如燈絲集中在2～3毫米內(nèi)的碘鎢燈，放在拋物面反射鏡的焦點(diǎn)上產(chǎn)生近似平行光。此平行光射向偏振分光鏡，產(chǎn)生透射的P光及反射的S光。S光經(jīng)反射鏡反射成與P光平行并緊靠在一起。但它們的偏振面仍相互垂直。然后在S光的前進(jìn)方向上放置一特制的液晶旋光盒，S光經(jīng)過(guò)此盒后偏振面轉(zhuǎn)過(guò)九十度，成為與P光相同的偏振光，且緊靠、平行。在其后放置一焦距比為2∶1的柱面凸透鏡組，使光束寬度壓縮一倍，恢復(fù)原狀。本發(fā)明使自然光全部得到利用，成為單方向的線偏振光，這在背投式液晶電視及計(jì)算機(jī)投影儀上會(huì)產(chǎn)生很大價(jià)值。
文檔編號(hào)G03B21/20GK1521544SQ0311534
公開日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2003年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月11日
發(fā)明者徐懷方 申請(qǐng)人:徐懷方