专利名称：偏振光源及其偏振转换方法、偏振转换装置及应用系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光源的光偏振转换方法及装置。所述光源主要用于投影显 示系统。
背景技术：
典型的投影显示系统包括光源系统，该光源系统包括若干单色光源，例 如但不限于红光源、绿光源和蓝光源，分别来产生红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)光束。现有光源系统为了降低成本及提高光源出射光的亮度，可以采用激发光源及带光 波长转换材料的光转换装置来产生各种单色光束。所述光波长转换材料包括荧光粉、染料 或纳米发光材料。所述光转换装置以色轮装置为例，通常用一色轮来分段承载一种或一种 以上的荧光粉，利用激发光源的出射光来照射旋转着的所述色轮，以分时获得与各分段的 荧光粉相对应颜色的受激发光。例如三色投影显示系统通常是基于蓝光LED来产生显示所 需的红、绿、蓝单色光。众知荧光粉受激发光时，发光方向具有各向同性，也就是受激发光各方向均勻出 射。因此一般光源，包括UHP灯泡、LED光源及上述现有技术的光源出射光均为非偏振光。而在液晶投影系统或LCoS (Liquid Crystal on Silicon)投影系统中，因显示芯 片液晶或LCoS芯片只能依赖预定方向的线偏振光来进行显示，使得一般光源的光输出能 量中仅50%左右能被利用。该类显示系统为了解决由此带来的光源效率低的问题，往往有 必要对一般光源的光输出进行非偏振光到偏振光的转换。现有偏振转换技术一般采用如图 1所示的工作方式其中，偏振分光片1的作用是将非偏振入射光41，也就是一般光源输出的光，分别 以透射和反射的方式来分成两束偏振光P光42和S光43。该两束光的偏振方向相互垂 直。再利用反射镜2来将S光43反射往二分之一波片3，通过该二分之一波片3把光的偏 振方向旋转90度来得到P光44。这样，一般光源输出的非偏振光通过转换后变成包括P光 42和P光44在内的偏振光。上述现有技术的不足之处在于光束的面积在偏振转换过程中将被扩大。虽 然一般光源通过所述偏振转换后，理论上可利用的偏振光能量提高了 2倍，但光学扩 展量(Etendue)随着光束面积的扩大也扩大了 2倍。因此对投影系统来说，光源亮度 (Brightness，单位角度单位面积内的光通量)并没有得到提高。实际上，考虑到偏振转换 中的光损耗，光源亮度反而被降低。由于UHP灯泡具有较低的光学扩展量，或许上述偏振转 换所造成的光学扩展量的2倍扩大和相应的亮度降低影响不明显；但对于具有较大光学扩 展量的LED光源来说，当投影系统越来越广泛地使用这种光源时，无疑将牺牲了投影亮度。发明内容本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一 种用于光源的光偏振转换方法及转换装置，直接将光源的高亮度出射光转换成偏振光，可 以用来提高投影应用系统的光源使用效率。为解决上述技术问题，本发明的基本构思为以带光波长转换材料的色轮为例的 现有光源光转换装置便于提高光源的功率和亮度，而现有技术中偏振分光片只能制作成按 照一维方向进行分光，若将该分光片直接放置在色轮上随色轮转动，因出射的线偏振光方 向也将随时间转动，将无法得到稳定的出射线偏振光；考虑对所述光转换装置进行结构改造，若在出射光方向上固定一个不随色轮转动的反射型偏振分光片，则被该偏振分光片反 射回来的光可以经过荧光粉的散射来消除偏振状态，从而再次经过偏振分光片时又有近 50%被转换成偏振光输出；这样，光源最终出射的大功率高亮度偏振态光能量将得以增强， 且出射光斑面积几乎不会增大。作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种偏振光源的偏振转换方法，包括 步骤设置偏振转换装置，使承载有一种或一种以上光波长转换材料的运动面处于运动 状态；引导来自发光源的光定向投射往该偏振转换装置，该光直接落在所述运动面上的 投射光斑小于所述运动面，使得所述运动面的不同局部周期性轮换进入该光的投射范围；引导来自所述光波长转换材料的受激发光为所述偏振光源的出射光；尤其是，还包括步骤在所述偏振光源的出射光方向，靠近所述运动面设置一静止 的偏振分光装置，使来自所述光波长转换材料的受激发光一部分透射穿过该偏振分光装置 来提供所述偏振光源的偏振出射光，一部分被反射回所述光波长转换材料。具体地说，上述方案中，所述偏振转换装置包括色轮、移动盘或转动滚筒；所述光 波长转换材料包括荧光粉、染料或纳米发光材料。该光波长转换材料以与胶剂混合的方式 胶贴在所述运动面上，该运动面使用透光材料；或该光波长转换材料被夹持固定在一透光 片与使用透光材料的所述运动面之间。可以在所述透光片或运动面上镀覆增透膜。所述偏 振分光装置包括反射型偏振分光片，该偏振分光片的面积小于所述运动面的面积且略大于 所述投射光斑的面积。所述偏振分光片与所述运动面之间的距离小于所述光斑的外接圆直 径的20%.上述方案中，还包括步骤在所述运动面背向所述偏振分光装置的另一侧设置滤 光片，来反射所述受激发光及使来自发光源的光透射穿过该滤光片。该滤光片与所述运动 面之间的距离小于来自所述投射光斑的外接圆直径的20%。作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种偏振转换装置，包括固定装置；以及 相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一 种以上光波长转换材料；尤其是，该偏振转换装置还包括被固定在所述固定装置上的偏振 分光装置，该偏振分光装置紧邻所述运动面。具体地说，上述方案中，所述偏振分光装置包括反射型偏振分光片，该偏振分光片 的面积为所述运动面面积的0.2% 20%。所述偏振转换装置还包括被固定在所述固定装 置上的滤光片，该滤光片紧邻所述运动面与所述偏振分光装置相背的一侧。所述偏振分光 装置或滤光片是通过夹持装置固定在所述固定装置上；与所述运动面之间的距离小于0. 6 毫米。在所述固定装置上的固定结构还包括微调结构，用来微调所述偏振分光装置或滤光 片到所述运动面的距离。作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种偏振光源，包括发光源，尤其是， 还包括上述各方案中的偏振转换装置；偏振分光装置在光源出射光一侧紧邻所述运动面。 所述发光源可以是LED。作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种带光源的投影系统，包括液晶或 LCoS,以及用来分时提供包括红光、绿光和蓝光在内的若干单色光束的光源；该光源采用上
5述各各偏振光源方案中的偏振光源。采用上述各技术方案，由于在运动面上使用光波长转换材料，可以便于解决光波 长转换材料的散热问题，延长了其使用寿命；所述发光源采用固态光源时，与UHP灯泡相 比，具有寿命高、便于控制且环保的优点；通过控制偏振分光片到运动面，例如色轮，的距离 来控制投射光斑尺寸，并通过该距离的缩小来尽量增强出射偏振光的亮度，大幅提高了投 影系统的光机效率，且具有成本低、便于实施的优点。
图1是现有偏振转换的工作原理示意图；图2是本发明以色轮为例的偏振转换装置结构之一示意图；图3是本发明以色轮为例的偏振转换装置结构之二示意图；图4是本发明色轮与偏振发光片之间距离对光斑大小影响示意图；图5是本发明以转动滚筒为例的偏振转换装置结构之三示意图；；图6示意了本发明偏振转换装置实施例之四中的移动盘；其中，各附图标记为1——偏振分光片，2——反射镜，3——二分之一波片， 41——非偏振入射光，42、44——偏振P光，43——偏振S光；10——色轮，101——偏振分光 片，102——滤光片，103——荧光粉/光波长转换材料，104——色轮基盘，105——透光片， 106——色轮转轴，107——色轮固定罩；108——调节钮。
具体实施方式
下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。如背景技术所述，现有光源一般是用偏振分光片和二分之一波片来完成光源出射 光的偏振转换。为此，本发明提出的偏振转换方法包括下列步骤设置偏振转换装置，使承载有一种或一种以上光波长转换材料的运动面处于运动 状态；所述光转换装置或包括如图2或图3所示的色轮，或如本发明实施例所提出的包括如 图5所示的转动滚筒或如图6所示的移动盘(运动方式或方向用图中箭号示意)；所述光 波长转换材料包括荧光粉、染料或纳米发光材料；引导来自发光源的光定向投射往该偏振转换装置，该光直接落在所述运动面上的 投射光斑小于所述运动面，使得所述运动面的不同局部周期性轮换进入该光的投射范围；引导来自所述光波长转换材料的受激发光为所述光源的出射光；其中，在所述光源的出射光方向，靠近所述运动面设置一静止的反射型偏振分光 装置，使来自所述光波长转换材料的受激发光一部分透射穿过该偏振分光装置来提供所述 光源的偏振出射光，一部分被反射回所述光波长转换材料。这样，反射回所述光波长转换材 料的光所具有的偏振态可以经过荧光粉的散射而被消除，该光再次经过偏振分光片时会有 50%得以利用，增强了出射的偏振态光能量。因为该偏振分光装置不必附随运动面进行运 动，使得令偏振分光装置的采光面积小于所述运动面的面积成为可能。从节省成本及简化 装置结构角度出发，所述偏振分光装置最好采用反射型偏振分光片，令该偏振分光片的面 积略大于所述投射光斑的面积为宜。下列各实施例中，无特别说明的话，所述偏振分光装置 均以所述偏振分光片为最佳实施例。图2以色轮为例以剖视示意图的形式示意了本发明偏振转换装置的结构。该偏振 转换装置包括固定装置107以及色轮10。所述色轮10包括相对于固定装置107具有运动状 态的运动面104，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料103。 所述固定装置107可以是色轮的固定罩或壳体，色轮转轴106通过轴套可转动地嵌在该固定装置107上。所述光波长转换材料103可以是以与胶剂混合的方式胶贴在构成所述运动 面104的透光基盘上。或者如虚线所示，该光波长转换材料103是被夹持固定在一透光片 105 (例如低成本的玻璃片)与所述透光基盘之间。为了增加光线的穿透力，还可以低成本 地在所述透光片105或运动面透光基盘104上的一侧或两侧镀覆增透膜(AR Coating)；因 其为现有成熟技术，不在此赘述或示意。该实施例中，所述偏振转换装置还包括被固定在所述固定装置107上的偏振分光 片101，该偏振分光片101紧邻所述运动面104，且面积小于所述运动面的面积。基于现有 技术中，来自发光源的投射光斑往往面积仅为所述运动面面积的0. 2% 20%，所述偏振 分光片的面积可以依此设定为所述运动面面积的0. 2% 20%。本发明方法如该实施例所示意，还可以包括在所述运动面104背向所述偏振分光 片101的另一侧设置一静止的滤光片102的步骤。该滤光片102用来反射所述受激发光及 使来自发光源的光透射穿过该滤光片。因此，该滤光片102也被固定在所述固定装置107 上，与所述运动面间的距离距离越小越好。为了尽量节省成本，该滤光片102的形状或面积 设定为与所述偏振分光片101的形状或面积大致相同。图2示意了所述偏振分光片101或滤光片102是通过夹持装置固定在所述固定装 置107上。所述夹持装置或夹持装置采用的夹持方式，或其等同替换手段因为现有技术，不 在此赘述。图3示意了本发明偏振转换装置结构以色轮为例的又一实施例。在本实施例中， 所述光波长转换材料103可以是被掺杂在使用透光材料的所述运动面104上。例如但不限 于将荧光粉掺杂到玻璃中，以一个具有相当强度的带荧光粉基盘来用作为所述运动面104。基于偏振分光片101的尺寸越小则光转换装置的成本越省，当使用本发明偏振转 换装置的光源具有很小所述投射光斑时，偏振分光片101或滤光片102到运动面104 (例如 色轮)的距离需要精确控制。如图4所示，以d来表示下方的光学元件与上方的色轮之间 的距离。若所述光学元件以滤光片102为例，则受激发光经过该滤光片102的反射后，原始 光斑尺寸将由A被扩大成B ；若所述光学元件为偏振分光片，该偏振分光片反射激发光及部 分偏振态受激发光，则A和B分别代表投射光斑的原始尺寸和扩大尺寸。显然，无论是对偏 振分光片101还是对滤光片102，与所述运动面104之间的距离d越大，B将被扩大得越大， 对光源的输出亮度影响也越大。因此所述距离应小于所述投射光斑的外接圆直径的20%， 越小越好。如图3所示，所述偏振分光片101在所述固定装置107上的固定结构还可以包括 微调结构108，用来微调所述距离。本实施例中虽未加以图示，也可以考虑添加使用滤光片 102及其微调结构。根据本发明试验结果，对于来自发光源的边长为4毫米的方形透射光 斑，所述偏振分光片或滤光片与所述运动面之间的距离以小于0. 6毫米为最佳。以(但不限于)上述图2或图3为例的本发明偏振转换装置使用在还包括有发光 源的偏振光源上，有助于将光源成本降低到基本与非偏振光源持平。其中，偏振分光片在光 源出射光一侧紧邻所述运动面。所述发光源可以采用固态光源，例如但不限于LED。经实验验证，使用带黄色荧光粉的色轮，发光源采用蓝光LED来产生白光输出时， 在不进行偏振转换时，任意一个方向上的偏振光输出通量仅为光源出射光总通量的52% ； 使用本发明偏振分光片后，该方向的偏振光输出通量增长了 20%。
承上所述，本发明偏振转换装置还可以用转动滚筒来代替色轮，如图5所示。假设 如箭头示意方向转动的中空透光滚筒运动面划分成包括a和b在内的至少两个区域，通过 承载不同的光波长转换材料或至少一个区域不承载光波长转换材料而具有不同光波长转 换特性；将发光源设置在该滚筒内部，则可以在滚筒外部贴近所述滚筒运动面的地方固定 设置一偏振分光片，该偏振分光片的面积可以大大小于所述滚筒运动面的面积或光波长转 换材料的承载面积。所述中空透光滚筒的运动面也可以不进行区域划分，承载一种光波长 转换材料或混合承载一种以上光波长转换材料。同样，当用图6沿直线运动的移动盘来代 替转动的色轮时，也可以根据本发明精神设计对应的光转换装置，与图2或图3相比，不过 改变一下活动轴的位置及活动方式，不在此另加图示。典型的液晶或LCoS投影系统包括用来分时提供包括红光、绿光和蓝光在内的若 干单色光束的光源。所述光源采用本发明光源，无疑既简化了光源设计，又提高了系统的光 机效率。
权利要求
一种偏振光源的偏振转换方法，包括步骤设置偏振转换装置，使承载有一种或一种以上光波长转换材料的运动面处于运动状态；引导来自发光源的光定向投射往该偏振转换装置，该光直接落在所述运动面上的投射光斑小于所述运动面，使得所述运动面的不同局部周期性轮换进入该光的投射范围；引导来自所述光波长转换材料的受激发光为所述光源的出射光；其特征在于，还包括步骤在所述光源的出射光方向，靠近所述运动面设置一静止的反射型偏振分光装置，使来自所述光波长转换材料的受激发光一部分透射穿过该偏振分光装置来提供所述光源的偏振出射光，一部分被反射回所述光波长转换材料。
2.根据权利要求1所述偏振光源的偏振转换方法，其特征在于所述反射型偏振分光装置包括反射型偏振分光片，该偏振分光片的面积小于所述运动 面的面积且略大于所述投射光斑的面积。
3.根据权利要求1所述偏振光源的偏振转换方法，其特征在于所述光波长转换材料以与胶剂混合的方式胶贴在所述运动面上，该运动面使用透光材 料；或所述光波长转换材料被夹持固定在一透光片与使用透光材料的所述运动面之间。
4.根据权利要求1所述偏振光源的偏振转换方法，其特征在于，还包括步骤在所述运动面背向所述偏振分光装置的另一侧设置滤光片，来反射所述受激发光及使 来自发光源的光透射穿过该滤光片。
5.一种偏振转换装置，包括固定装置(107)；以及相对于所述固定装置具有运动状 态的运动面(104)，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料 (103)；其特征在于该偏振转换装置还包括被固定在所述固定装置(107)上的反射型偏振分光装置 (101)，该偏振分光装置紧邻所述运动面。
6.根据权利要求5所述的偏振转换装置，其特征在于所述偏振分光装置包括反射型偏振分光片，该偏振分光片的面积为所述运动面面积的 0. 2% 20%。
7.根据权利要求5所述的偏振转换装置，其特征在于还包括被固定在所述固定装置上的滤光片(102)，该滤光片紧邻所述运动面与所述偏 振分光装置相背的一侧。
8.根据权利要求5或7所述的偏振转换装置，其特征在于所述偏振分光装置(101)或滤光片(102)与所述运动面之间的距离小于0.6毫米。
9.一种偏振光源，包括发光源和偏振转换装置；所述偏振转换装置包括固定装置 (107)，以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面(104)，该运动面使用透光材料，并 承载有一种或一种以上光波长转换材料(103)；其特征在于该偏振转换装置还包括被固定在所述固定装置(107)上的反射型偏振分光装置 (101)，该偏振分光装置在光源出射光一侧紧邻所述运动面。
10.根据权利要求9所述的偏振光源，其特征在于所述偏振分光装置包括反射型偏振分光片，该偏振分光片的面积为所述运动面面积的·0. 2% 20%。
11.根据权利要求9所述的偏振光源，其特征在于还包括被固定在所述固定装置上的滤光片(102)，该滤光片紧邻所述运动面与所述偏 振分光装置相背的一侧。
12.—种带光源的投影系统，包括液晶或LCoS，以及用来分时提供包括红光、绿光和蓝 光在内的若干单色光束的光源；所述光源包括发光源和偏振转换装置，所述偏振转换装置 包括固定装置，以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料， 并承载有一种或一种以上光波长转换材料；其特征在于该偏振转换装置还包括被固定在所述固定装置上的反射型偏振分光装置，该偏振分光 装置在光源出射光一侧紧邻所述运动面。
13.根据权利要求12所述带光源的投影系统，其特征在于所述偏振转换装置还包括被固定在所述固定装置上的滤光片，该滤光片紧邻所述运动 面与所述偏振分光装置相背的一侧。
14.根据权利要求12所述带光源的投影系统，其特征在于所述偏振分光装置包括反射型偏振分光片，该偏振分光片或滤光片的面积为所述运动 面面积的0. 2% 20%。
全文摘要
一种偏振光源及其偏振转换方法、光转换装置，所述偏振光源还包括发光源；所述偏振转换装置包括固定装置(107)以及相对于该固定装置(107)具有运动状态并承载有光波长转换材料(103)的透光运动面(104)；该偏振转换装置尤其还包括紧邻所述运动面的静止偏振分光装置(101)，使来自光波长转换材料的受激发光一部分透射成为偏振出射光，另一部分被反射回所述光波长转换材料。在该运动面背向所述偏振分光片的另一侧设置滤光片，可反射所述受激发光及透射来自发光源的光。采用本发明，将大功率、高亮度偏振光源的成本降低到基本与非偏振光源持平，进而提高液晶投影系统使用光源的光机效率。
文档编号G02B7/00GK101923223SQ200910107970
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者李屹 申请人:绎立锐光科技开发(深圳)有限公司