专利名称：液晶投影显示偏振光照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液晶投影显示偏振光照明系统。
背景技术：
液晶投影仪广泛的应用于军事指挥机关、企业、商业、科研和教育部门、娱乐场所。近年来，随着光源、复眼阵列、PBS和液晶板性能的提高，投影仪的输出光通量从几百流明增加到几千流明，使其具有更加广泛的应用前景和市场。其中，复眼阵列和PBS的设计对提高能量利用率有至关重要的影响。本专利提出了三种复眼阵列及PBS阵列的设计方案，都能大大提高系统光能利用率，并保证良好的图像均匀性。
投影照明系统主要由光源、复眼阵列、偏振转换系统及液晶器件组成。采用复眼柯拉照明可获得较高的光能利用率和均匀照明。复眼照明系统的作用有两点一是使到达液晶板上的光斑均匀，保证屏幕上有良好的图象均匀性；二是将光源发出的圆形光束转化成矩形。
发明内容
本发明的目的是提供一种液晶投影显示偏振光照明系统。
它依次具有光源E1、反光碗E2、复眼阵列IE3、复眼阵列IIE4、金属栅条E5、条状PBS阵列E6、λ/2波长板E7和液晶板E8。
本发明的优点是1)复眼阵列I、II中的子透镜均为矩形，加工简单；2)复眼阵列I和复眼阵列II中的子透镜采用偏心设计，从而提高了系统的能量利用率；3)PBS阵列的设计根据复眼阵列设计的不同而做了相应改进，展宽其有效通光口径；4)两种复眼设计均有较好的光分布均匀性。
图1是本发明结构示意图；图2是无偏心设计的复眼阵列I、II的平面结构图；图3是偏振转换系统的示意图；图4是无偏心设计的复眼阵列II上和经过PBS后的光斑分布示意图；
图5是子透镜偏心量示意图；图6是本发明方案一中复眼阵列□、□的平面结构图，图中(a)复眼阵列I(b)复眼阵列II；图7是本发明方案一中复眼阵列II上和经过PBS后的光斑分布示意图；图8是本发明方案二中复眼阵列□、□的平面结构图，图中(a)复眼阵列I(b)复眼阵列II；图9是本发明方案二中复眼阵列II上和经过PBS后的光斑分布示意图；图10是本实用新型方案三中复眼阵列□、□的平面结构中(a)复眼阵列I(b)复眼阵列II；图11是本发明方案三中偏振转换系统示意图；图12是本发明方案三中复眼阵列II上和经过PBS后的光斑分布示意图；图13是P变形的PBS阵列平面结构图。
具体实施例方式
根据复眼的工作原理，复眼阵列的设计必须满足以下条件1、复眼阵列I中每个子透镜的形状必须与液晶板相同，即长宽比为4∶3或16∶9。
2、复眼阵列II上的焦点光斑为灯丝的像，呈椭圆型，其大小与光源参数有关。液晶投影仪中常用的光源弧长为1mm～2mm，这决定了复眼阵列II上的光斑大于PBS通光口径，造成一定的光能损失。因此复眼设计要通过复眼阵列I偏心的方法以及复眼阵列II改变透镜形状的方法，使得光斑尽可能多地通过复眼阵列II以及PBS阵列。
因为复眼阵列II上的光斑是一定大小的椭圆形光斑，所以，如果复眼阵列中每个子透镜为矩形，将存在许多“死区”，光线无法通过PBS被整个系统利用。为了提高光能利用率，出现了各种形状的复眼设计，如多边形或圆形。有些复眼阵列通过上下两部分交错排布来消除“死区”。这些设计虽然在一定程度上提高了光能利用率，但使得复眼的加工制作非常复杂，不利于批量生产。
本发明介绍了三种新型的复眼阵列设计方案。
照明系统结构示意如图1所示，液晶投影照明系统主要由光源E1、E2，复眼阵列E3、E4，偏振转换系统E5、E6、E7和液晶器件E8组成，采用复眼照明可获得较高的光能利用率和均匀照明。其工作原理是复眼阵列IE3将从光源发出的光分成许多子光束分别聚焦于复眼阵列IIE4。复眼阵列IIE4把与之对应的复眼阵列I E3中的子透镜成像在液晶板上，不同子光束在液晶板E8上的相互重叠，从而提供均匀的照明。由于光源E1的宽光束被分为多个细光束照明，每个细光束的均匀性必然优于整个宽光束的均匀性，且每个细光束范围内的微小不均匀性又由于处于对称位置细光束的相互叠加而得到补偿，所以复眼照明系统可以向液晶板提供均匀照明。此外，通过复眼阵列II E4的成像，光源E1经反光碗E2的圆形光斑被转换为液晶板E8所需要的矩形光斑，从而减少能量损失。通过复眼阵列II E4的汇聚光束被PBS E6分为P-和S-两束线偏振光，其中P光经过λ/2波片E7转化成S光。光束经复眼阵列II E4后，再由金属栅条E5的通光区域L进入偏振转换系统。金属栅条E5遮挡了PBS阵列E6的非通光区域UL，其作用是消除杂散光。由于液晶板照明需要偏振光，通过偏振转换几乎能够完全利用光源的光能。
图2是无偏心设计的复眼阵列I、II的平面结构图。复眼阵列I与复眼阵列II结构完全相同，图中的“+”表示子透镜的光学中心。由于复眼阵列的结构是轴对称的，所以图中只对复眼阵列右上角子透镜的光学中心进行编号。
图3是偏振转换系统的示意图。条状PBS E6的数目和复眼阵列II E4上光斑的列数相等。经过复眼阵列II E4的光束为一系列的会聚光束，该光束先通过用于消除杂散光的金属栅条E5，再经由PBS E6分为P-和S-两束线偏振光，其中P光经过λ/2波片E7转化成S光。PBS的使用大大提高了光能利用率。
图4所示为使用图2无偏心设计的复眼阵列，在复眼阵列II上和经过PBS后的光斑分布图。该图的右半部分为通过PBS阵列后的光斑分布，左半部分为复眼阵列II上的光斑分布。复眼阵列II上的椭圆形光斑是光源灯丝的像，它的大小和灯丝弧长有关，弧长越长，光斑越大。现有光源的弧长决定了复眼阵列II上的光斑大于PBS通光口径，因而造成一定的光能损失。
图5所示为子透镜偏心量示意图。Fx、Fy分别为子透镜的长和宽，“×”表示子透镜的光学中心，Dx、Dy分别表示左右和上下相对偏心量。
图6所示为方案一中复眼阵列□、II的平面结构图，图中的“+”表示子透镜的光学中心。通常，根据系统的F#和光源的大小可以初步确定复眼阵列的大小、排布，以及PBS的尺寸。方案一采取对复眼阵列□的每个子透镜的光学中心进行左右偏移，使光线经过复眼阵列□在复眼阵列II上的聚焦位置发生左右平移，最终实现光斑能量最集中的部分通过金属栅条和PBS阵列。由于复眼阵列II中灯丝的像大小不同，中间的光斑较大，四周的光斑较小，所以依据其光斑大小将复眼阵列II中的子透镜在上下方向上拉伸或缩短，可以更充分的利用光能。其中，复眼阵列I的子透镜左右相对偏心Dx范围为0～0.4Fx，复眼阵列II的子透镜左右相对偏心Dx范围为0～0.02Fx，上下相对偏心Dy范围为0～0.2Fy。
图7是第一个方案的复眼阵列II上和经过PBS后的光斑分布图。该图右半部分为通过PBS阵列后的光斑分布，左半部分为复眼阵列II上的光斑分布。可见，光能利用率较无偏心结构的复眼阵列有较大提高，更多能量由偏振转换系统进入到后续光路。
图8是方案二中复眼阵列□、II的平面结构图，图中“+”表示子透镜的光学中心。方案二在方案一的基础上做了改进，即复眼阵列□的每个子透镜的光学中心除进行左右偏移，还进行上下偏移，使复眼阵列II上的光斑发生上下左右平移，减小相邻光斑的重叠。复眼阵列II的设计原理和方案一相同，根据光斑大小确定相应子透镜的形状大小。其中，复眼阵列I的子透镜左右相对偏心Dx范围为0～0.4Fx，上下相对偏心Dy范围为0～0.6Fy；复眼阵列II的子透镜左右相对偏心范围Dx为0～0.02Fx，上下相对偏心Dy范围为0～0.7Fy。
图9是方案二的复眼阵列II上和经过PBS后的光斑分布图。该图右半部分为通过PBS阵列后的光斑分布，左半部分为复眼阵列II上的光斑分布。和图6相比，光斑在上下方向上又进行了重排。
图10是方案三中复眼阵列I、II的平面结构图，图中“+”表示子透镜的光学中心。方案一和二的设计没有改变无偏心设计中PBS的尺寸，仅将复眼阵列I的每个子透镜偏心，复眼阵列II的子透镜形状进行调整，光学中心进行微调。方案三则同时改变了PBS和复眼阵列的尺寸，更大限度的提高能量利用率。由图7、9可知，复眼阵列II上的光斑大于PBS的有效通光口径，为了使尽可能多的光线通过光学系统，可将PBS进行展宽。同时，为保证整个系统的宽度不变，将PBS阵列由8列减少为6列，则复眼阵列II上的光斑也必须由8列减少到6列。由图4可知，第1、2、7、8列的光斑小，中间四列的光斑大，所以可以将1、2列和7、8列交错合并成两列。和方案一、二的原理相同，通过对复眼阵列I中的子透镜进行偏心，实现复眼阵列II上光斑位置的偏移，将光斑由8列减少为6列，复眼阵列II中子透镜的几何形状也根据相应光斑的形状进行改变。其中，复眼阵列I的子透镜左右相对偏心Dx范围为0～0.8Fx，上下相对偏心Dy范围为0～0.6Fy；复眼阵列II的子透镜左右相对偏心范围Dx为0～1.0Fx，上下相对偏心Dy范围为0～2.2Fy。
图11所示为方案三中偏振转换系统示意图。和图3相比，PBS的有效通光口径变宽，条状PBS的个数也由8列减小到了6列。
图12所示为方案二的复眼阵列II和经过PBS后的光斑分布图。该图右半部分为通过PBS阵列后的光斑分布，左半部分为复眼阵列II上的光斑分布。由图可见，复眼阵列II和经过PBS后的光斑分布已基本相同，说明经过偏振转换系统后的能量损失已经大大减少了。
图13所示为变形的PBS阵列平面结构图。光源的配光曲线、辉度分布以及反光碗的后开口决定了光源发出的光具有空间不均匀性。PBS的结构可以根据复眼设计的需要而改变。通常复眼阵列II上的光斑分布为中间几列大，旁边几列小。在设计时可以让复眼阵列II中间几列的子透镜大，而旁边几列子透镜小，这样PBS也必须相应改变，中间的条状PBS宽，两边的PBS窄。此时PBS阵列可以如图10所示排列。这样可以更进一步提高能量利用率。
权利要求
1.一种液晶投影显示偏振光照明系统，其特征在于它依次具有光源E1、反光碗E2、复眼阵列I E3、复眼阵列II E4、金属栅条E5、条状PBS阵列E6、λ/2波长板E7和液晶板E8。
2.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示偏振光照明系统，其特征在于所说的复眼阵列I和复眼阵列为II均为偏心结构，复眼阵列I的子透镜左右相对偏心Dx范围为0～0.4Fx；复眼阵列II的子透镜左右相对偏心范围Dx为0～0.02Fx，上下相对偏心Dy范围为0～0.2Fy，其中Fx为小复眼的宽度，Fy为小复眼的高度。
3.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示偏振光照明系统，其特征在于所说的复眼阵列I和复眼阵列为II均为偏心结构，复眼阵列I的子透镜左右相对偏心Dx范围为0～0.4Fx，上下相对偏心Dy范围为0～0.6Fy；复眼阵列II的子透镜左右相对偏心范围Dx为0～0.02Fx，上下相对偏心Dy范围为0～0.7Fy。
4.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示偏振光照明系统，其特征在于所说的一复眼阵列I和复眼阵列为II均为偏心结构，复眼阵列I的子透镜左右相对偏心Dx范围为0～0.8Fx，上下相对偏心Dy范围为0～0.6Fy；复眼阵列II的子透镜左右相对偏心范围Dx为0～1.0Fx，上下相对偏心Dy范围为0～2.2Fy。
5.根据权利要求1所述的一种液晶投影显示偏振光照明系统，其特征在于所说的条状PBS的宽度范围为复眼宽度的0.6～0.7倍。
全文摘要
本发明公开了一种液晶投影显示偏振光照明系统。它依次具有光源E1、反光碗E2、复眼阵列I E3、复眼阵列II E4、金属栅条E5、条状PBS阵列E6、λ/2波长板E7和液晶板E8。本发明的优点是1)复眼阵列I、II中的子透镜均为矩形，加工简单；2)复眼阵列I和复眼阵列II中的子透镜采用偏心设计，从而提高了系统的能量利用率；3)PBS阵列的设计根据复眼阵列设计的不同而做了相应改进，展宽其有效通光口径；4)两种复眼设计均有较好的光分布均匀性。
文档编号G02F1/1335GK1529195SQ200310108029
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月15日 优先权日2003年10月15日
发明者周平, 郑臻荣, 坂本翰雄, 浦野邦彦, 周 平, 彦, 雄 申请人:杭州华光光电有限公司, 日本电气视像技术株式会社