专利名称：转换偏振光偏振方向的反射器和组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提高偏振光转换效率的反射器和组件，其中使用一种独特设计的半正方基底棱锥形反射器及其组件所构成的多次反射器，以实现偏振转换系统所需要的偏振光偏振方向的转换。利用所述反射器或组件构成的偏振转换系统，将通常情况下偏振转换系统的无用偏振分量再次转换为有用偏振分量，通过偏振光回收和循环，提高偏振转换系统的转换效率。
本发明属于光学技术及其应用领域。
背景技术：
偏振光源在LCD(液晶显示)和LCOS(硅基液晶)的投影系统中得到广泛应用。液晶投影系统偏振光源通常使用的方法是利用偏振分光棱镜(PBS)或反射型偏振分光镜板来获得具有垂直与水平两偏振方向的偏振光束，即，非偏振光的光源通过偏振分光棱镜分解为两个偏振光组成部分s-偏振光和与之正交的p-偏振光。其中，s-偏振分量沿反射方向传输，p-偏振分量沿透射方向传输。通过偏振分光棱镜的一个偏振光分量为有用偏振分量，将根据设计要求投射至相应的液晶芯片上，而另一个偏振光分量则射向另一不同的方向，如系统内没有偏振回收或偏振循环系统，这部分偏振光能量将无法加以利用，不得不损失掉。因此，在传统的反射式偏振转换系统中，由于s-p偏振光转换的过程产生高达50％以上的偏振分量的损失，光源中最多仅有一半的光能可以转化为有用的偏振分量，光偏振转换效率很低。
一般的偏振分光棱镜仅仅能应用于入射光束的入射角接近45度，且入射光的数值孔径较小的场合。一种由美国专利(专利号6,208,463和专利号6,243,199)公开的线栅格式偏振分光棱镜可应用在光束垂直入射，且入射光的数值孔径较大的场合。
近年来，有不少研究致力于探索增加光偏振转换效率的方法。其中，最通用的方法是在偏振转换系统中运用波片(waveplate)，以波片和偏振分光棱镜的组合，使得偏振转换的两个分量都得到利用。例如，通过半波片的引入，将p-光转换为s-光，或s-光转换为p-光。一般情况下，系统中需要再加反光镜或棱镜，使得分光后再次转换的偏振光分量与先前转换的偏振光分量同向，以便加以利用。这种应用可参见美国专利(专利号6,046,856和专利号5,884,991)。
另一种常用的方法通常称为蝇眼，可参见美国专利(专利号6,337,759和专利号6,154,320)，其中使用了以阵列方式排列的多组PBS的棱镜，棱镜之间的表面镀膜为分光膜或反射膜。来自光源的光通过透镜阵光学组件导向棱镜阵列。当某一种偏振分量直接穿过棱镜阵列时，另一种偏振分量旁射至阵列中棱镜之间的镜面，后者将该偏振分量导向配置了波片条片的出射面。在出射面，波片条(Waveplate Strip)将偏振分量改变偏振方向使其与已通过棱镜阵列的偏振分量偏振方向相同。通过回收自波片条出射的偏振光，蝇眼系统达到了提高偏振转换效率的目的。阵列中透镜元素的宽度应为PBS棱镜元素宽度的两倍，以利用照明区域的全部能量。
由此可见，目前几乎所有的偏振转换系统为达到增加转换效率的目的，必须在系统中应用半波片或者四分之一波片(phase retardation plate)。然而，波片在偏振转换器中的使用不可避免地带来了一些弊病。使用波片的缺点之一是，如果照明光束的波长偏离中心波长，波片将无法正常工作。另一个缺点是，波片对光入射角度的变化以及对偏振方向的校准误差相当灵敏。其他缺点还包括，聚合物波片对高温的耐受力和随温度变化的稳定性差等。尽管用晶体制造的波片耐高温和温度变化稳定性好，但成本又通常太高。因此，波片的上述缺点往往限制了它的实际应用，尤其在高光通量，宽频带，高工作温度下的应用。
一些文献曾介绍了通过使用棱镜完成偏振的旋转和转换。例如，美国专利4,822,150发表了一种用棱镜组合实现偏振旋转的光学系统。美国专利4,252,410发表了一种方法，使用三个或者四个反射面改变偏振光偏振方向和光束传播的方向。美国专利5,751,482发表了使用直角棱镜系统实现消色差偏振旋转的方法。但是上述发明所公开的系统，无一例外地由于其结构过分复杂而无法被应用在实际的偏振转换系统中。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种原理新颖的偏振光转换反射器和组件，将通常情况下偏振转换系统的无用偏振分量再次转换为有用偏振分量加以回收，提高偏振光转换系统的转换效率。
本发明的其次目的在于提供一种对光源的波长变化不敏感的偏振转换反射器和组件。
本发明的再次目的在于提供一种耐高温且对温度变化不敏感的偏振转换反射器和组件。
本发明的另一目的在于提供一种对偏振方向的校准误差不敏感的偏振转换反射器和组件。
本发明的另一目的在于所述发明的偏振转换反射器和组件不使用任何波片，以取代传统偏振转换器波片的工作。
本发明的另一目的在于为一般偏振光转换系统，尤其为投影和其他显示系统中使用的偏振光光源系统，提供系统的偏振光回收和偏振光循环功能，从而提高光能利用率。
为了实现上述目标，本发明公开了一种半正方基底棱锥形的反射器和用所述反射器构成的组件。本发明的反射器和组件在达到高偏振转换效率的同时，具有高光通稳定性，耐高温，对光源的波长变化不灵敏，对温度变化不灵敏，和对偏振方向的校准误差不灵敏等优点。此外，该反射器和组件结构简单，制作工艺容易，成本低廉，组合灵活，使本发明在不同的偏振转换系统中均有极大的实际应用价值。典型应用包括多种使用偏振光源的显示系统，如LCD液晶显示和LCOS硅基液晶显示投影系统等。
本发明的目的和优点可通过对下述的发明内容得到说明。
一种转换入射偏振光偏振方向的半正方基底棱锥形反射器，由四个符合如下关系的表面组成一偏振光的入射和出射表面(S1)为等腰直角三角形的透射面；一第一反射面(S2)，与上述的入射和出射面(S1)形成45度夹角，延伸后与所述入射和出射面和另外两个反射表面交接；一第二反射表面(S3)，垂直于入射和出射面(S1)，延伸后与入射和出射面和另外两个反射表面交接；
一第三反射表面(S4)，与入射和出射面(S1)形成45度夹角，延伸后与入射和出射面和另外两个反射表面交接；偏振光由所述透射面入射后，经所述半正方基底棱锥反射器内部的所述三个反射面反射，从所述透射面出射时，光的偏振方向与入射光束相比旋转一角度。
所述半正方基底棱锥形反射器可以是实心的、空心的或是开放的。
一种转换偏振光偏振方向的反射器组件，其特征在于其中包括了多个如上所述的半正方基底棱锥形反射器的组合，用以转换偏振光的偏振方向。
一种偏振光转换回收系统，其特征在于至少包括一个上述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，以及一个偏振分光立方棱镜和一个反射棱镜；所述偏振分光立方棱镜分离的无用偏振分量，入射到所述反射器组件内，经过所述反射器组件改变偏振方向，转换为有用偏振分量，再经过所述反射棱镜，与所述偏振分光立方棱镜分离的有用偏振分量同向传输。
一种偏振光转换回收系统，其特征在于至少包括一个上述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件和两个分光面相互垂直的条状偏振分光棱镜组件；由一个条状偏振分光棱镜分离的无用偏振分量，经过另一个条状偏振分光棱镜后进入所述条状反射器组件，经过该条状反射器组件转换成为有用偏振分量，再经过所述另一个条状偏振分光棱镜的透射后与所述一个条状偏振分光棱镜分离的有用偏振分量同向传输。
一种偏振光照明系统，其特征在于至少包括一个上述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，偏振分光镜，反射镜，光源，准直透镜，聚焦透镜和光棒积分器；来自光源的光经准直透镜入射到所述偏振分光镜，经偏振分光镜分光后产生的无用偏振分量入射到所述反射器组件内，由所述反射器组件转换的有用偏振分量通过光路传导至有用的传输方向。
一种偏振光的转换循环系统，其特征在于至少包括一个上述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，中心通孔作为光入射口，光棒积分器，和反射型偏振分光镜；通过所述中心通孔入射的光经过所述反射型偏振分光镜后，无用的偏振分量被反射回到所述光积分棒内，经过在所述光积分棒内的反射，所述无用偏振分量被入射到所述反射器组件内，经所述反射器组件转换为有用的偏振分量，经所述反射型偏振分光镜传导到有用的传输方向。
8.一种用于液晶平板显示器的偏振光照明系统，其特征在于至少包括一个阵列形的上述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，光源，反射器，楔形散光器和分光板；所述阵列形反射器组件将分光板分光后产生的无用偏振分量转换为有用偏振分量，再经过散光器及分光板与分光板已分离的有用偏振分量同向传输。
图1是半正方基底棱锥形反射器透视示意图及基本工作原理。
图2(A)-2(D)是图1所示的半正方基底棱锥形反射器一种具体实施—半正方基底棱锥形反射器的结构图，同时显示了垂直入射光在半正方基底棱锥形反射器内光路的示意图。
图3是倾斜入射光在图2所示半正方基底棱锥形反射器内光路的示意图。
图4是一种正方形入射面的转换入射偏振光偏振方向的组件，由两个图2所示的半正方基底棱锥形反射器组合而成。
图5(A)-5(C)是另一种正方形入射面的转换入射偏振光偏振方向的组件，由四个图2所示的半正方基底棱锥形反射器组合而成。
图6是图1所示的半正方基底棱锥形的反射器为空心的半正方基底棱锥形反射器的另一种具体实施例的结构图。
图7是一种正方形入射口的空心半正方基底棱锥形反射器组成的转换入射偏振光偏振方向的组件，由两个图6所示的空心半正方基底棱锥形反射器组合而成。
图8(A)-8(C)是另一种正方形入射口的空心的转换入射偏振光偏振方向的组件，由四个图6所示的空心半正方基底棱锥形反射器组合而成。
图9(A)-9(D)是一种条状的转换入射偏振光偏振方向的组件的结构图，由多个上述正方形入射面的转换入射偏振光偏振方向的组件组合而成。
图10(A)-10(C)是一种阵列状的转换入射偏振光偏振方向的组件的结构图，由多个上述正方形入射面的转换入射偏振光偏振方向的组件组合而成。
图11是本发明的一种偏振转换及偏振回收系统结构的工作原理示意图。
图12是本发明的另一种偏振转换及偏振回收系统结构的工作原理示意图。
图13是本发明的一种用于投影系统的偏振光源照明系统。
图14(A)-14(C)是本发明的一种用于投影系统的偏振转换、回收和循环系统。
图15是本发明的一种用于液晶平板显示器的偏振光照明系统。
具体实施例方式
本发明将通过附图的详细说明阐述几种具体的实施方案。但是，发明的应用并不局限于列举的实例。这些具体实施方案仅仅用以说明本发明应用在偏振转换及偏振回收系统的多种设计构形，显著的优点和实用价值。
图1是本发明的半正方基底棱锥形反射器透视结构及工作原理示意图。半正方基底棱锥形反射器以四个顶点A，C，B和D及四个表面S1，S2，S3，S4来表示。其中，等腰直角三角形形状的第一表面S1(BCD)为光束的入射及出射面(入射和出射共面)；第二表面S2(CDA)，第三表面S3(BAC)和第四表面S4(DBA)分别定义了相邻的三个反射面；其中，反射面S3垂直于入射/出射面S1，反射面S2和S4与面S1的夹角均为45度；S1，S2，S3，S4围成了一个如图1所示的半正方基底棱锥形状的反射器。
垂直入射的线性偏振光束11，通过表面S1照射至表面S2，又由反射表面S2被反射至表面S3。反射表面S3继续反射光束至表面S4。最终，光束由反射表面S4反射至表面S1出射。如图1所示，通过在半正方基底棱锥形反射器内部的三次反射，出射偏振光12在S1处反向出射时，偏振方向与入射偏振光11相比扭转了90度。这种现象，即，由半正方基底棱锥形反射器入射面(S1)的左侧(或右侧)垂直入射的偏振光，内反射三次后由反射器出射面(S1)的右侧(或左侧)出射时偏振方向被旋转90度的现象，说明了本发明的半正方基底棱锥形反射器可作为理想的偏振转换器件，对传统偏振系统中无用偏振光分量进行再次转换，以达到提高偏振光转换效率的目的。
图2(A)-2(D)是图1所示的半正方基底棱锥形反射器一种具体实施。图2(A)，图2(B)，图2(C)和图2(D)分别为所述半正方基底棱锥形反射器的正视图，侧视图，俯视图和透视图。通常，表面S2，S3和S4应该镀高反射率的膜层，表面S1应该镀增透膜。
为了更好地说明反射器工作原理，图2显示了垂直入射光在半正方基底棱锥形反射器内的光路示意图，以垂直入射的偏振光21为例，描绘了垂直入射偏振光经内反射三次直至出射面的光路。在图2(A)中，XY为笛卡尔参考座标系平面，Z轴垂直并指出纸面。在图2(B)中，YZ为笛卡尔参考座标系平面，X轴垂直并指向纸面。在图2(C)中，XZ为笛卡尔参考座标系平面，Y轴垂直并指出纸面。箭头的指向为光路的方向。
图3进一步显示了倾斜入射光在半正方基底棱锥形反射器内光路的示意图。图3(A)-3(D)与图2(A)-2(D)一一对应，图3(A)，图3(B)，图3(C)和图3(D)分别为所述所示反射器的正视图，侧视图，俯视图和透视图。图3(E)-3(F)为取自图3(A)的剖面图，剖面位置分别为图3(A)中的E-E和F-F。图3(A)-3(D)中的笛卡尔参考座标系平面定义与2(A)-2(D)相同。图3(B)中的YZ平面平行于入射光束31的入射面，即图3(A)和图3(E)中的E-E平面。图3(C)中的XZ平面平行于出射光束32的出射面，即图3(A)和图3(F)中的F-F平面。
如图3所示，在平行于YZ平面的E-E平面内，偏振光31以某一相对Y轴及Z轴倾斜的角度入射。偏振光31进入表面S1(BCD)折射至表面S2(CDA)，折射方向由空气和玻璃的折射率及入射角决定。光束又由反射表面S2被反射至表面S3。反射表面S3继续反射光束至表面S4。光束由反射表面S4反射至表面S1。最终，在和XZ平面平行的F-F平面，光束从表面S1折射，离开反射器，如图3所示。倾斜角度入射偏振光31通过在半正方基底棱锥形反射器内部的三次反射，出射偏振光32的偏振方向与入射偏振光31相比旋转了一个角度。任意倾斜角度入射情况下的偏振旋转一般不等于90度，或出现椭圆偏振。图示中箭头的指向为光路的方向。
图4是一种正方形入射面的转换入射偏振光偏振方向的组件，由两个图2所示的半正方基底棱锥形反射器组合而成。两个反射器的侧面(图2所示的S3)胶合连结在一起，入射面(图2所示的S1)共面相接，形成一正方形入射面的金字塔形的偏振光偏振方向的转换组件。所述转换入射偏振光偏振方向的组件，如同组成它的半正方基底棱锥形反射器一样，具有转换偏振光的偏振方向的功能。由于入射面为正方形，金字塔形偏振光偏振方向的转换组件将会具有更广泛的实际应用价值。
图5(A)-5(C)显示了另一种正方形入射面的转换入射偏振光偏振方向的组件的实施方案，由四个图2所示的半正方基底棱锥形反射器组合而成。图5(A)，图5(B)和图5(C)分别为所述组件的正视图，侧视图和透视图。四个反射器的等腰直角三角形形状的入射面(图2所示的S1)通过拼接共面，组合成一正方形入射面；四个反射器垂直于入射面/出射面的反射面(图2所示的S3)向外，形成该组件的外轮廓，如图5所示。所述转换入射偏振光偏振方向的组件，如同组成它的半正方基底棱锥形反射器一样，具有转换偏振光的偏振方向的功能。
图6显示了图1半正方基底棱锥形反射器的另一种具体实施方案，一种由薄反射镜面胶接而成的空心半正方基底棱锥形反射器。图6(A)，图6(B)，图6(C)，图6(D)分别为所述空心半正方基底棱锥形反射器的正视图，侧视图，俯视图和透视图。空心半正方基底棱锥形反射器由三片反射镜面构成，等腰直角三角形状的S1(BCD)是开放的光束入口/出口面，表面S2(CDA)，S3(BAC)和S4(DBA)是反射镜面。其中反射面S3垂直于入口/出口S1，反射面S2和S4与S1的夹角均为45度；S2，S3，S4围成了一个半正方基底棱锥形状的反射器，与图2所示的半正方基底棱锥形反射器类似。与图1所示工作原理相同，垂直入射的偏振光进入空心半正方基底棱锥形反射器后，在反射器内部反射三次，离开反射器时光的偏振方向与入射光束相比旋转了90度。通常，镜面表面S2，S3和S4应该镀高反射率的膜层。
与半正方基底棱锥形反射器类似，空心半正方基底棱锥形反射器也可灵活地通过不同的组合方式构成各种偏振光偏振方向的转换组件应用到不同的偏振转换及偏振回收系统中去。图7是发明的一种正方形入口的空心金字塔形偏振光偏振方向的转换组件，由两个图6所示的空心半正方基底棱锥形反射器组合而成。两个空心反射器的侧面(图6所示的S3)胶合连结在一起(或用一片双面镀有高反射率的膜层的镜面代替)，入口(图6所示的S1)共面相接，形成一正方形入口的空心金字塔形偏振光偏振方向的转换组件。
图8(A)-8(C)是另一种正方形入口的空心转换入射偏振光偏振方向的组件，由四个图6所示的空心半正方基底棱锥形反射器组合而成。图8(A)，图8(B)和图8(C)分别为所述组件的正视图，侧视图和透视图。反射器的等腰直角三角形形状的入口面(图6所示的S1)拼接共面组合成一正方形入口；四个反射器垂直于入口/出口面的反射面(图6所示的S3)向外，形成该组件的外轮廓，如图8所示。所述空心的转换入射偏振光偏振方向的组件，如同组成它的空心半正方基底棱锥形反射器一样，具有转换偏振光的偏振方向的功能。
图9(A)-9(D)是本发明的一种条状转换入射偏振光偏振方向的组件的结构图，由多个前述转换入射偏振光偏振方向的组件组合而成，应用于偏振系统中偏振转换器件为条状结构的情况下。具体实例将在图12中给出。图9(A)，图9(B)，图9(C)和图9(D)分别为所述条状转换入射偏振光偏振方向的组件的正视图，侧视图，俯视图和透视图。组合条状转换入射偏振光偏振方向的组件的类型不限于图9所示条状转换入射偏振光偏振方向的组件，例如，可由下列任一种反射器组成图4或图5所示的转换入射偏振光偏振方向的组件，图7或图8所示的空心的转换入射偏振光偏振方向的组件等。条状转换入射偏振光偏振方向的组件中所述发射器的数目视具体应用而定。
图10(A)-10(D)是发明的一种阵列状的转换入射偏振光偏振方向的组件的结构图，由多个图4所示转换入射偏振光偏振方向的组件组合而成。图10(A)，图10(B)和图10(C)分别为所述阵列状的转换入射偏振光偏振方向的组件的正视图，侧视图和透视图。阵列中的反射器的类型不限于图10所示反射器，例如，可由下列任一种转换入射偏振光偏振方向的组件组成图4或图5所示的金字塔形转换入射偏振光偏振方向的组件，图7或图8所示的空心金字塔形转换入射偏振光偏振方向的组件等。阵列状的转换入射偏振光偏振方向的组件阵列中反射器的数目视具体应用而定。当偏振光转换组件的孔径足够大的情况下，与采用单一反射器相比，采用阵列状的转换入射偏振光偏振方向的组件的优点是尺寸减少，由此减轻器件的重量和降低成本，进而增加整个偏振转换系统设计的集成度和灵活性。
图11显示了一种应用本发明的转换入射偏振光偏振方向的反射器或反射器组件构成的偏振转换及偏振回收系统的原理简图。非偏振光束100经由偏振分光棱镜101分解为两个偏振光组成部分p-偏振光111和与之正交的s-偏振光112。当p-偏振光111透射过分光棱镜101时，s-偏振光112被反射至下方，垂直入射到半正方基底棱锥形偏振光偏振方向的转换反射器或反射器组件103的入口。正如前面图1和图2所述，对于垂直入射的s偏振光，转换入射偏振光偏振方向的反射器或反射器组件103将改变其偏振方向使得由转换入射偏振光偏振方向的反射器或反射器组件103出射的偏振光成为p方向偏振的光。因此，如图所示，由转换入射偏振光偏振方向的组件103重新转换的p-偏振光透射过分光棱镜101，进而由直角棱镜102反射到系统所需要的，与分光棱镜101转换的p-偏振光111平行的113方向。这样，通过本发明的转换入射偏振光偏振方向的组件与偏振转换系统，通常情况下偏振转换系统内产生的无用偏振分量可转换为有用偏振分量，通过回收及循环加以利用后将大大提高偏振转换系统的转换效率。转换入射偏振光偏振方向的组件103器件的类型并不限于图11所示组件，例如，可由下列任一种组件组成图4或图5所示的转换入射偏振光偏振方向的组件，图7或图8所示的空心转换入射偏振光偏振方向的组件，图10所示的阵列状转换入射偏振光偏振方向的组件等。
图12是另一种偏振转换及偏振回收系统结构的工作原理示意图，系统包括了多个图9所示的条状转换入射偏振光偏振方向的组件和用在蝇眼透镜结构中的多个条状偏振分光棱镜组件。图12(A)和图12(B)是所述偏振转换系统的正视图和透视图。来自蝇眼透镜结构(图中未示)的非偏振光束120垂直入射到第一组条状偏振分光棱镜组121，后者将其分解为两个偏振光组成部分p-偏振光和s-偏振光。p-偏振光124透射过偏振分光棱镜组121，而s-偏振光被反射至下方，随后进一步由第二组偏振分光棱镜组122反射到条状转换入射偏振光偏振方向的组件123的入口。如前所述，条状转换入射偏振光偏振方向的组件123出射的偏振光将成为p方向偏振的光，透射过偏振分光棱镜组122，后者将条状转换入射偏振光偏振方向的组件重新转换的这部分p-偏振光(偏振光125)传输至与条状偏振分光棱镜组121转换的p-偏振光124平行的方向，如图12(A)所示。同样的偏振转换及偏振回收过程出现在其它行的条状转换入射偏振光偏振方向的组件和条状偏振分光棱镜组合中，以此方法将通常情况下偏振转换系统内产生的无用偏振分量转换为有用偏振分量，加以回收利用。
图13显示了一种利用发明的转换入射偏振光偏振方向的组件而设计的用于投影系统的偏振光照明系统。来自光源131的光经椭圆反射器132反射至准直透镜133。从准直透镜133的右侧出射的准直平行光为非偏振光，投射到偏振分光镜134后，p-偏振分量130透射过偏振分光镜134，而s-偏振光被反射至下方，垂直入射到转换入射偏振光偏振方向的组件135的入口。如前所述，对于垂直入射的s偏振分量，入射偏振光偏振方向的转换组件135将改变其偏振方向，使得由转换入射偏振光偏振方向的组件135出射的偏振光成为p偏振分量。由入射偏振光偏振方向的转换组件135转换的p偏振分量139透射过偏振分光镜134，再由反射镜136反射到与偏振分光镜134转换的p偏振分量130平行的方向。聚焦透镜137将来自反射镜136的p偏振分量139和来自偏振分光镜134的p偏振分量130会聚到光棒积分器138的入口处。
对于基于LCD或LCOS液晶光阀的投影系统用的偏振光照明系统，图13中的光棒积分器138通常具有正方或长方截面的形状以与液晶光阀板匹配。转换入射偏振光偏振方向的组件135的类型并不限于图13所示组件，例如，可由下列任一种组件组成图4或图5所示的转换入射偏振光偏振方向的组件，图7或图8所示的空心的转换入射偏振光偏振方向的组件，图10所示的阵列状转换入射偏振光偏振方向的组件等。此外，偏振分光镜134，反射镜136，光棒积分器138也可对应地由偏振分光棱镜立方体，直角棱镜，和空心光棒积分管取代。
图14(A)-14(C)显示了本发明的空心的转换入射偏振光偏振方向的组件在投影系统偏振转换，回收和循环的一种应用。系统可用于为LCD或LCOS液晶光阀提供线性偏振光源。图14(A)，图14(B)和图14(C)分别为所述系统的正视图，侧视图和透视图。如图14(A)-14(C)所示，一个如图8所示的空心半正方基底棱锥形反射器组件141，中心有一小孔144作为光入射口，安装在空心光棒积分管143的左端。空心光棒积分管143由四片薄镜板组成，以形成管内壁高反射率的反射面。一个反射型偏振分光镜142(金属线栅格式的PBS或是其他反射式PBS)，安装在空心光棒积分管143的另一端。
入射光穿过小孔144，被空心光棒积分管143内壁多次反射后，到达端口的反射型偏振分光镜142。p光透过偏振分光镜142，s光被反射回光棒积分管143，到达空心镜半正方基底棱锥形反射器组件141。如前所述，对于垂直入射到半正方基底棱锥形反射器组件141的s光，由半正方基底棱锥形反射器组件141再返回的光变为p光，对于倾斜入射的s光，部分返回的光变为p光。由半正方基底棱锥形反射器组件141反射回的光经过空心光棒积分管143内壁多次反射匀光后再次到达端口。在端口的偏振分光镜142处，p光透过，剩余的s光分量返回，再次进入前述转换过程。通过反复循环和回收被空心镜反射器组件141转换的有用偏振p分量，系统达到了提高偏振转换效率和光能利用率的目的。
和先前列举的其他实例和实施方案的类似，图14中的反射器组件141是提高偏振转换系统的转换效率的关键部件。转换入射偏振光偏振方向的组件141的类型并不限于图14所示器件，可由任一种正方形入口或三角形入口的半正方基底棱锥形的反射器或转换入射偏振光偏振方向的组件组成，例如，图2所示的半正方基底棱锥形反射器，图6所示的半正方基底棱锥形空心反射器，图4或图5所示的转换入射偏振光偏振方向的组件，图7或图8所示的空心的入射偏振光偏振方向的转换组件，图10所示的阵列状转换入射偏振光偏振方向的组件等，配以中心细通孔作为光的入射口后，都可根据系统实际需要被选用。实心光棒积分器，端口镀为反射式PBS，可取代空心光棒积分管143和偏振分光镜142。
图15显示了本发明的半正方基底棱锥型反射器在液晶平板显示器中的一种应用。来自光源151的光经过反射器152反射，进入楔形散光器153。散光器可由一种透明材料的颗粒混入另一种透明材料基板做成。例如美国专利5,982,540发表的一种散光器，由直径2微米折射率为1.4345的硅树脂颗粒以重量比0.07％的比例混入折射率为1.492的PMMA塑料基板制成。来自光源151的光经过散光器153上下表面反射以及内部散射后射向分光板154。透过分光板154的p光为有用偏振分量。由分光板154反射的s光分量透过散光器153入射至半正方基底棱锥型反射器阵列155，经反射器阵列155反射后转变为p偏振分量，再透过散光器153及分光板154出射，与分光板154已分离的有用偏振分量同向传输。
通过本发明在液晶投影系统和液晶平板显示系统的几个典型应用实施方案，说明在应用了本发明反射器或反射器组件的系统中，偏振器件产生的无用偏振分量被反射器或反射器组件再次转换为有用偏振分量，该分量通过回收或循环的方法被系统充分利用，从而帮助系统实现了偏振光的旋转，转换，回收及循环功能，大大提高了偏振光转换效率和光能利用率。本发明的特征是由于所述发明器件取代了传统的波片，本发明器件的应用系统无需使用波片，使得系统在达到高偏振转换效率的同时，具有高光通稳定性和耐高温性，对光源的波长变化不灵敏，对温度变化不灵敏，对偏振方向的校准误差不灵敏等优点。本发明系统结构简单，制作工艺容易，成本低廉，组合灵活，因此本发明系统可广泛使用于各种不同结构和用途的偏振转换系统中，具有极大的实际应用价值。
权利要求
1.一种转换入射偏振光偏振方向的半正方基底棱锥形反射器，由四个符合如下关系的表面组成一偏振光的入射和出射表面(S1)为等腰直角三角形的透射面；一第一反射面(S2)，与上述的入射和出射面(S1)形成45度夹角，延伸后与所述入射和出射面和另外两个反射表面交接；一第二反射表面(S3)，垂直于入射和出射面(S1)，延伸后与入射和出射面和另外两个反射表面交接；一第三反射表面(S4)，与入射和出射面(S1)形成45度夹角，延伸后与入射和出射面和另外两个反射表面交接；偏振光由所述透射面入射后，经所述半正方基底棱锥反射器内部的所述三个反射面反射，从所述透射面出射时，光的偏振方向与入射光束相比旋转一角度。
2.如权利要求1所述的转换偏振光偏振方向的半正方基底棱锥反射器，其特征在于所述反射器可以是实心的、空心的或是开放的。
3.一种转换偏振光偏振方向的反射器组件，其特征在于其中包括了多个如权利要求1至2所述的半正方基底棱锥形反射器的组合，用以转换偏振光的偏振方向。
4.一种偏振光转换回收系统，其特征在于至少包括一个权利要求3所述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，以及一个偏振分光立方棱镜和一个反射棱镜；所述偏振分光立方棱镜分离的无用偏振分量，入射到所述反射器组件内，经过所述反射器组件改变其偏振方向，转换为有用偏振分量，再经过所述反射棱镜，与所述偏振分光立方棱镜分离的有用偏振分量同向传输。
5.一种偏振光转换回收系统，其特征在于至少包括一个条状的权利要求3所述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件和两个分光面相互垂直的条状偏振分光棱镜组件；由一个条状偏振分光棱镜分离的无用偏振分量，经过另一个条状偏振分光棱镜后进入所述条状反射器组件，经过该条状反射器组件转换成为有用偏振分量，再经过所述另一个条状偏振分光棱镜的透射后与所述一个条状偏振分光棱镜分离的有用偏振分量同向传输。
6.一种偏振光照明系统，其特征在于至少包括一个权利要求3所述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，偏振分光镜，反射镜，光源，准直透镜，聚焦透镜和光棒积分器；来自光源的光经准直透镜入射到所述偏振分光镜，经偏振分光镜分光后产生的无用偏振分量入射到所述反射器组件内，由所述反射器组件转换的有用偏振分量再通过光路传导至有用的传输方向。
7.一种偏振光的转换循环系统，其特征在于至少包括一个权利要求3所述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，中心通孔作为光入射口，光棒积分器，和反射型偏振分光镜；通过所述中心通孔入射的光经过所述反射型偏振分光镜后，无用的偏振分量被反射回到所述光积分棒内，经过在所述光积分棒内的反射，所述无用偏振分量被入射到所述反射器组件内，经所述反射器组件转换为有用的偏振分量，经所述反射型偏振分光镜传导到有用的传输方向。
8.一种用于液晶平板显示器的偏振光照明系统，其特征在于至少包括一个阵列形权利要求3所述的可以转换入射偏振光偏振方向的反射器组件，光源，反射器，楔形散光器和分光板；所述阵列形反射器组件将分光板分光后产生的无用偏振分量转换为有用偏振分量，再经过散光器及分光板与分光板已分离的有用偏振分量同向传输。
全文摘要
一种提高偏振光转换效率的偏振光转换装置，由半正方基底棱锥形状的反射器为基本单元的组件构成。所述半正方基底棱锥反射器具有三个反射面，致使入射的偏振光经反射器内反射三次与入射面共面出射时，偏振方向与入射光相比旋转了一个角度，从而实现偏振方向的转换。本发明取代了传统的波片，在达到高偏振转换效率和高光能利用率的同时，具有高光通稳定性和耐高温性，对光源的波长变化、温度变化和偏振方向的校准误差均不灵敏。发明器件结构简单，制作工艺容易，成本低廉，组合灵活，可广泛应用于各种不同的偏振转换系统中，具有重要实用价值。
文档编号G02B5/122GK1534313SQ200410005858
公开日2004年10月6日 申请日期2004年2月20日 优先权日2003年4月2日
发明者李海章, 郭步进, 李小丹 申请人:美国微感技术公司