專利名稱：偏振轉換裝置與偏振光源及相關投影系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光源的光偏振轉換方法及裝置。所述光源主要用于投影顯示系統(tǒng)。
背景技術：
典型的投影顯示系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)，該光源系統(tǒng)包括若干單色光源，例如但不限于紅光源、綠光源和藍光源，分別來產(chǎn)生紅光(R)、綠光(G)和藍光(B)光束?，F(xiàn)有光源系統(tǒng)為了降低成本及提高光源出射光的亮度，可以采用激發(fā)光源及帶光波長轉換材料的光轉換裝置來產(chǎn)生各種單色光束。所述光波長轉換材料包括熒光粉、染料或納米發(fā)光材料。所述光轉換裝置以色輪裝置為例，通常用一色輪來分段承載一種或一種 以上的熒光粉，利用激發(fā)光源的出射光來照射旋轉著的所述色輪，以分時獲得與各分段的熒光粉相對應顏色的受激發(fā)光。例如三色投影顯示系統(tǒng)通常是基于藍光LED來產(chǎn)生顯示所需的紅、綠、藍單色光。眾知突光粉受激發(fā)光時，發(fā)光方向具有各向同性，也就是受激發(fā)光各方向均勻出射。因此一般光源，包括UHP燈泡、LED光源及上述現(xiàn)有技術的光源出射光均為非偏振光。而在液晶投影系統(tǒng)或LCoS (Liquid Crystal on Silicon)投影系統(tǒng)中，因顯示芯片液晶或LCoS芯片只能依賴預定方向的線偏振光來進行顯示，使得一般光源的光輸出能量中僅50%左右能被利用。該類顯示系統(tǒng)為了解決由此帶來的光源效率低的問題，往往有必要對一般光源的光輸出進行非偏振光到偏振光的轉換?，F(xiàn)有偏振轉換技術一般米用如圖I所示的工作方式其中，偏振分光片I的作用是將非偏振入射光41,也就是一般光源輸出的光,分別以透射和反射的方式來分成兩束偏振光P光42和S光43。該兩束光的偏振方向相互垂直。再利用反射鏡2來將S光43反射往二分之一波片3,通該二分之一波片3把光的偏振方向旋轉90度來得到P光44。這樣，一般光源輸出的非偏振光通過轉換后變成包括P光42和P光44在內(nèi)的偏振光。上述現(xiàn)有技術的不足之處在于光束的面積在偏振轉換過程中將被擴大。雖然一般光源通過所述偏振轉換后，理論上可利用的偏振光能量提高了 2倍，但光學擴展量(Etendue)隨著光束面積的擴大也擴大了 2倍。因此對投影系統(tǒng)來說，光源亮度(Brightness，單位角度單位面積內(nèi)的光通量)并沒有得到提高。實際上，考慮到偏振轉換中的光損耗，光源亮度反而被降低。由于UHP燈泡具有較低的光學擴展量，或許上述偏振轉換所造成的光學擴展量的2倍擴大和相應的亮度降低影響不明顯；但對于具有較大光學擴展量的LED光源來說，當投影系統(tǒng)越來越廣泛地使用這種光源時，無疑將犧牲了投影亮度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足之處，而提出一種偏振轉換裝置與偏振光源及相關投影系統(tǒng)，直接將光源的高亮度出射光轉換成偏振光，可以用來提高投影應用系統(tǒng)的光源使用效率。
為解決上述技術問題，本發(fā)明的基本構思為以帶光波長轉換材料的色輪為例的現(xiàn)有光源光轉換裝置便于提高光源的功率和亮度，而現(xiàn)有技術中偏振分光片只能制作成按照一維方向進行分光，若將該分光片直接放置在色輪上隨色輪轉動，因出射的線偏振光方向也將隨時間轉動，將無法得到穩(wěn)定的出射線偏振光；考慮對所述光轉換裝置進行結構改造，若在出射光方向上固定一個不隨色輪轉動的反射型偏振分光片，則被該偏振分光片反射回來的光可以經(jīng)過熒光粉的散射來消除偏振狀態(tài)，從而再次經(jīng)過偏振分光片時又有近50%被轉換成偏振光輸出；這樣，光源最終出射的大功率高亮度偏振態(tài)光能量將得以增強，且出射光斑面積幾乎不會增大。本發(fā)明提供一種偏振轉換裝置，其中，該偏振轉換裝置包括固定裝置(107);以及相對于所述固定裝置具有旋轉運動狀態(tài)的運動面(104)，該運動面(104)承載有一種或一 種以上光波長轉換材料(103)，該光波長轉換材料(103)用于吸收激發(fā)光以產(chǎn)生受激發(fā)光；該偏振轉換裝置還包括固定在所述固定裝置(107)上的反射型偏振分光裝置(101)，該偏振分光裝置(101)與所述光波長轉換材料(103)之間無偏振轉換元件，該反射型偏振分光裝置(101)用于透射來自所述光波長轉換材料的受激發(fā)光的部分光，并將來自所述光波長轉換材料的受激發(fā)光的其余光反射回所述光波長轉換材料。本發(fā)明還提供一種偏振光源，其中，該偏振光源包括發(fā)光源和上述的偏振轉換裝置，該發(fā)光源用于提供所述激發(fā)光。本發(fā)明還提供一種帶光源的投影系統(tǒng)，其中，該投影系統(tǒng)包括液晶或LCoS以及上述的偏振光源。采用上述各技術方案，由于在運動面上使用光波長轉換材料，可以便于解決光波長轉換材料的散熱問題，延長了其使用壽命；所述發(fā)光源采用固態(tài)光源時，與UHP燈泡相t匕，具有壽命高、便于控制且環(huán)保的優(yōu)點；通過控制偏振分光片到運動面，例如色輪，的距離來控制投射光斑尺寸，并通過該距離的縮小來盡量增強出射偏振光的亮度，大幅提高了投影系統(tǒng)的光機效率，且具有成本低、便于實施的優(yōu)點。


圖I是現(xiàn)有偏振轉換的工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明以色輪為例的偏振轉換裝置結構之一示意圖；圖3是本發(fā)明以色輪為例的偏振轉換裝置結構之二示意圖；圖4是本發(fā)明色輪與偏振發(fā)光片之間距離對光斑大小影響示意圖；圖5是本發(fā)明以轉動滾筒為例的偏振轉換裝置結構之三示意圖；；圖6示意了本發(fā)明偏振轉換裝置實施例之四中的移動盤；其中，各附圖標記為1--偏振分光片，2--反射鏡，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--色輪，101--偏振分光
片，102 濾光片，103 突光粉/光波長轉換材料，104 色輪基盤，105 透光片，106一一色輪轉軸，107 — 一色輪固定罩；108 — 一調(diào)節(jié)鈕。
具體實施例方式下面，結合附圖所示之最佳實施例進一步闡述本發(fā)明。
如背景技術所述，現(xiàn)有光源一般是用偏振分光片和二分之一波片來完成光源出射光的偏振轉換。為此，本發(fā)明提出的偏振轉換方法包括下列步驟設置偏振轉換裝置，使承載有一種或一種以上光波長轉換材料的運動面處于運動狀態(tài)；所述光轉換裝置或包括如圖2或圖3所示的色輪，或如本發(fā)明實施例所提出的包括如圖5所示的轉動滾筒或如圖6所示的移動盤(運動方式或方向用圖中箭號示意)；所述光波長轉換材料包括熒光粉、染料或納米發(fā)光材料；引導來自發(fā)光源的光定向投射往該偏振轉換裝置，該光直接落在所述運動面上的投射光斑小于所述運動面，使得所述運動面的不同局部周期性輪換進入該光的投射范圍；
引導來自所述光波長轉換材料的受激發(fā)光為所述光源的出射光；其中，在所述光源的出射光方向，靠近所述運動面設置一靜止的反射型偏振分光裝置，使來自所述光波長轉換材料的受激發(fā)光一部分透射穿過該偏振分光裝置來提供所述光源的偏振出射光，一部分被反射回所述光波長轉換材料。這樣，反射回所述光波長轉換材料的光所具有的偏振態(tài)可以經(jīng)過熒光粉的散射而被消除，該光再次經(jīng)過偏振分光片時會有50%得以利用，增強了出射的偏振態(tài)光能量。因為該偏振分光裝置不必附隨運動面進行運動，使得令偏振分光裝置的采光面積小于所述運動面的面積成為可能。從節(jié)省成本及簡化裝置結構角度出發(fā)，所述偏振分光裝置最好采用反射型偏振分光片，令該偏振分光片的面積略大于所述投射光斑的面積為宜。下列各實施例中，無特別說明的話，所述偏振分光裝置均以所述偏振分光片為最佳實施例。圖2以色輪為例以剖視示意圖的形式示意了本發(fā)明偏振轉換裝置的結構。該偏振轉換裝置包括固定裝置107以及色輪10。所述色輪10包括相對于固定裝置107具有運動狀態(tài)的運動面104，該運動面使用透光材料，并承載有一種或一種以上光波長轉換材料103。所述固定裝置107可以是色輪的固定罩或殼體，色輪轉軸106通過軸套可轉動地嵌在該固定裝置107上。所述光波長轉換材料103可以是以與膠劑混合的方式膠貼在構成所述運動面104的透光基盤上?；蛘呷缣摼€所示，該光波長轉換材料103是被夾持固定在一透光片105 (例如低成本的玻璃片)與所述透光基盤之間。為了增加光線的穿透力，還可以低成本地在所述透光片105或運動面透光基盤104上的一側或兩側鍍覆增透膜(AR Coating);因其為現(xiàn)有成熟技術，不在此贅述或示意。該實施例中，所述偏振轉換裝置還包括被固定在所述固定裝置107上的偏振分光片101，該偏振分光片101緊鄰所述運動面104，且面積小于所述運動面的面積?；诂F(xiàn)有技術中，來自發(fā)光源的投射光斑往往面積僅為所述運動面面積的0. 2% 20%，所述偏振分光片的面積可以依此設定為所述運動面面積的0. 2% 20%。本發(fā)明方法如該實施例所示意，還可以包括在所述運動面104背向所述偏振分光片101的另一側設置一靜止的濾光片102的步驟。該濾光片102用來反射所述受激發(fā)光及使來自發(fā)光源的光透射穿過該濾光片。因此，該濾光片102也被固定在所述固定裝置107上，與所述運動面間的距離距離越小越好。為了盡量節(jié)省成本，該濾光片102的形狀或面積設定為與所述偏振分光片101的形狀或面積大致相同。圖2示意了所述偏振分光片101或濾光片102是通過夾持裝置固定在所述固定裝置107上。所述夾持裝置或夾持裝置采用的夾持方式，或其等同替換手段因為現(xiàn)有技術，不在此贅述。
圖3示意了本發(fā)明偏振轉換裝置結構以色輪為例的又一實施例。在本實施例中，所述光波長轉換材料103可以是被摻雜在使用透光材料的所述運動面104上。例如但不限于將熒光粉摻雜到玻璃中，以一個具有相當強度的帶熒光粉基盤來用作為所述運動面104?；谄穹止馄?01的尺寸越小則光轉換裝置的成本越省，當使用本發(fā)明偏振轉換裝置的光源具有很小所述投 射光斑時，偏振分光片101或濾光片102到運動面104(例如色輪)的距離需要精確控制。如圖4所示，以d來表示下方的光學元件與上方的色輪之間的距離。若所述光學元件以濾光片102為例，則受激發(fā)光經(jīng)過該濾光片102的反射后，原始光斑尺寸將由A被擴大成B ;若所述光學兀件為偏振分光片,該偏振分光片反射激發(fā)光及部分偏振態(tài)受激發(fā)光，則A和B分別代表投射光斑的原始尺寸和擴大尺寸。顯然，無論是對偏振分光片101還是對濾光片102，與所述運動面104之間的距離d越大，B將被擴大得越大，對光源的輸出亮度影響也越大。因此所述距離應小于所述投射光斑的外接圓直徑的20%，越小越好。如圖3所示，所述偏振分光片101在所述固定裝置107上的固定結構還可以包括微調(diào)結構108，用來微調(diào)所述距離。本實施例中雖未加以圖示，也可以考慮添加使用濾光片102及其微調(diào)結構。根據(jù)本發(fā)明試驗結果，對于來自發(fā)光源的邊長為4毫米的方形透射光斑，所述偏振分光片或濾光片與所述運動面之間的距離以小于0. 6毫米為最佳。以(但不限于)上述圖2或圖3為例的本發(fā)明偏振轉換裝置使用在還包括有發(fā)光源的偏振光源上，有助于將光源成本降低到基本與非偏振光源持平。其中，偏振分光片在光源出射光一側緊鄰所述運動面。所述發(fā)光源可以采用固態(tài)光源，例如但不限于LED。經(jīng)實驗驗證，使用帶黃色熒光粉的色輪，發(fā)光源采用藍光LED來產(chǎn)生白光輸出時，在不進行偏振轉換時，任意一個方向上的偏振光輸出通量僅為光源出射光總通量的52% ；使用本發(fā)明偏振分光片后，該方向的偏振光輸出通量增長了 20%。承上所述，本發(fā)明偏振轉換裝置還可以用轉動滾筒來代替色輪，如圖5所示。假設如箭頭示意方向轉動的中空透光滾筒運動面劃分成包括a和b在內(nèi)的至少兩個區(qū)域，通過承載不同的光波長轉換材料或至少一個區(qū)域不承載光波長轉換材料而具有不同光波長轉換特性；將發(fā)光源設置在該滾筒內(nèi)部，則可以在滾筒外部貼近所述滾筒運動面的地方固定設置一偏振分光片，該偏振分光片的面積可以大大小于所述滾筒運動面的面積或光波長轉換材料的承載面積。所述中空透光滾筒的運動面也可以不進行區(qū)域劃分，承載一種光波長轉換材料或混合承載一種以上光波長轉換材料。同樣，當用圖6沿直線運動的移動盤來代替轉動的色輪時，也可以根據(jù)本發(fā)明精神設計對應的光轉換裝置，與圖2或圖3相比，不過改變一下活動軸的位置及活動方式，不在此另加圖示。典型的液晶或LCoS投影系統(tǒng)包括用來分時提供包括紅光、綠光和藍光在內(nèi)的若干單色光束的光源。所述光源采用本發(fā)明光源，無疑既簡化了光源設計，又提高了系統(tǒng)的光機效率。
權利要求
1.一種偏振轉換裝置，其特征在于 該偏振轉換裝置包括固定裝置(107);以及相對于所述固定裝置具有旋轉運動狀態(tài)的運動面(104)，該運動面(104)承載有一種或一種以上光波長轉換材料(103)，該光波長轉換材料(103)用于吸收激發(fā)光以產(chǎn)生受激發(fā)光； 該偏振轉換裝置還包括固定在所述固定裝置(107)上的反射型偏振分光裝置(101)，該偏振分光裝置(101)與所述光波長轉換材料(103)之間無偏振轉換元件，該反射型偏振分光裝置(101)用于透射來自所述光波長轉換材料的受激發(fā)光的部分光，并將來自所述光波長轉換材料的受激發(fā)光的其余光反射回所述光波長轉換材料。
2.根據(jù)權利要求I所述的偏振轉換裝置，其特征在于 所述反射型偏振分光裝置(101)包括反射型偏振分光片，該偏振分光片的面積為所述運動面(104)面積的0. 2% 20%。
3.根據(jù)權利要求I所述的偏振轉換裝置，其特征在于 該偏振轉換裝置還包括位于所述運動面背向所述偏振分光裝置的一側的濾光片(102)，該濾光片用于反射所述受激發(fā)光及透射所述激發(fā)光。
4.根據(jù)權利要求3所述的偏振轉換裝置，其特征在于 所述濾光片(102)固定在所述固定裝置(107)上。
5.根據(jù)權利要求4所述的偏振轉換裝置，其特征在于所述濾光片(102)的形狀或面積與所述反射型偏振分光裝置(101)的形狀或面積大致相同。
6.根據(jù)權利要求3所述的偏振轉換裝置，其特征在于 所述反射型偏振分光裝置(101)與運動面(104)之間的距離、以及所述濾光片(102)與運動面(104)之間的距離均小于所述激發(fā)光在光波長轉換材料(103)上的投射光斑的外接圓直徑的20%。
7.根據(jù)權利要求6所述的偏振轉換裝置，其特征在于所述投射光斑為邊長為4毫米的方形光斑，所述反射型偏振分光裝置(101)與運動面(104)之間的距離、以及所述濾光片(102)與運動面(104)之間的距離均小于0. 6毫米。
8.根據(jù)權利要求I所述的偏振轉換裝置，其特征在于所述反射型偏振分光裝置(101)在所述固定裝置(107)上的固定結構還包括微調(diào)結構(108)，用于微調(diào)所述反射型偏振分光裝置(101)與所述運動面之間的距離。
9.根據(jù)權利要求I所述的偏振轉換裝置，其特征在于 該偏振轉換裝置包括具有所述運動面(104)的色輪，該色輪通過軸套可轉動地嵌在所述固定裝置(107)上。
10.根據(jù)權利要求9所述的偏振轉換裝置，其特征在于 所述固定裝置(107)為所述色輪的固定罩或殼體。
11.一種偏振光源,其特征在于 該偏振光源包括發(fā)光源和如權利要求I至10中任一項所述的偏振轉換裝置，該發(fā)光源用于提供所述激發(fā)光。
12.—種帶光源的投影系統(tǒng)，其特征在于 該投影系統(tǒng)包括液晶或LCoS以及如權利要求11所述的偏振光源。
全文摘要
本發(fā)明提供一種偏振轉換裝置與偏振光源及相關投影系統(tǒng)，能夠直接將光源的高亮度出射光轉換成偏振光。偏振轉換裝置包括固定裝置(107)；以及相對于所述固定裝置具有旋轉運動狀態(tài)的運動面(104)，該運動面(104)承載有一種或一種以上光波長轉換材料(103)，該光波長轉換材料(103)用于吸收激發(fā)光以產(chǎn)生受激發(fā)光；該偏振轉換裝置還包括固定在所述固定裝置(107)上的反射型偏振分光裝置(101)，該偏振分光裝置(101)與所述光波長轉換材料(103)之間無偏振轉換元件，該反射型偏振分光裝置(101)用于透射來自所述光波長轉換材料的受激發(fā)光的部分光，并將來自所述光波長轉換材料的受激發(fā)光的其余光反射回所述光波長轉換材料。
文檔編號G02B27/28GK102749672SQ20121025967
公開日2012年10月24日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權日2009年6月12日
發(fā)明者李屹 申請人:深圳市繹立銳光科技開發(fā)有限公司