MD投影机中的光学元器件 (二)

摘要:在LCD或LCoS投影机中要用到偏振光分光器(PBS)与偏振光转换器(PCS),利用这种器件可以产生偏振光,提高光的利用率。根据物理光学原理,在不同介质界面处光线会发生反射和折射,从而得到振动方向相互垂直的S偏振光和P偏振光。在玻璃表面镀有多层不同介质的薄膜,可使光线在每层界面处均发生反射和折射,以得到消光比很高的偏振光,这种器件就是PBS。利用1/2波片改变偏振态的原理,可加工成PCS。

关键词:偏振光分光器;偏振光转换器;MD投影机

中图分类号:TN141.9 文献标识码:B

Optical Parts in the MD Projector(Ⅱ)

――PBS and PCS

HAN Jing-fu

(China Industrial Association ofElectronic Audio Visual Products,

Large Screen Projection Display Association Branch, Beijing 100026, China)

Abstract:Polarization Beam-Spliter (PBS) and Polarization Conversion System (PCS) are applied to the LCD or LCoS MD projectors, with which to produce polarization beam. According to the physical optics theory, the light will reflect and refract at the interface of the different medium. The reflect light and the refract light are both polarized light, the former called S-light, the latter called P-light. If we coat multiple different medium films on the glass surface, we can make PBS with very high extinction. PBS plus 1/2 wave plate can make PCS.

Keywords:polarization beam-spliter (PBS); polarization conversion system (PCS); MD projector

引 言

本文是“光学元器件”系列文章的第二篇,第一篇文章介绍了偏振片与波片的光学原理,本篇继续介绍偏振光的产生与应用。在LCD或LCoS投影机中用到的偏振光分光器与偏振光转换器均是关键光学器件,本文着重介绍该器件的工作原理及质量要求。

1 偏振光分光器

透射式LCD显示器件、反射式硅基LCoS显示器件都是在偏振光下工作的。白光光源是非偏振的自然光,不能直接照明这两种微显示器件,必须把自然光转变成偏振光。

获得偏振光的方法有很多,较好的方法是利用偏振光分光器,又称为PBS棱镜(polarization beam- spliter)。PBS棱镜是由两个直角棱镜胶合而成,成为一个立方体,并在胶合面处镀有偏振膜,它把自然光分解为P偏振光和S偏振光,如图1所示。

自然光射入PBS棱镜,遇到偏振膜后一部分反射,另一部分透射。根据物理光学原理,反射光和透射光均变为偏振光,反射光为S偏振光,透射光为P偏振光,且二者振动方向相互垂直,这就是偏振分光棱镜的工作原理。S偏光的反射率以RS表示,P偏光的透射率以TP表示,由于透射光中仍有一些S偏光,故其透射率为TS。透射光中的TP/TS称为消光比。偏振膜是多层膜,光线在每层界面处发生一次反射和透射,即进行一次偏振化,使P偏振光中的S偏振光成份逐渐减少,从而提高消光比。经过多层偏振膜偏振化以后,消光比可大于1,000U1。偏振光分光棱镜的技术要求如表1所示。

2 PBS的加工要求

PBS器件是精密的光学器件,加工生产有一定难度,特别是大批量生产,要有成熟的工艺和设备才能保证质量。各部位的质量要求有所不同,如图2所示。

原材料:过去多选用K9光学玻璃,其折射率nd为1.5163,由于折射率较低,现在改用高折射率光学玻璃,如ZF1,折射率nd为1.6457。

光学加工:表面1、2、3、4、5的面型误差 N=1,ΔN=0.3;角度误差 90°±30″,45°±1′;锥形差1′。

偏振膜:在5处胶合面镀有多层偏振膜, 波长400~680nm,对应于R、G、B三基色光路,其截止波段有所不同。在所要求的波段内,透过率要求大致为:P偏振光的平均透过率Tpave>97%,最低透过率Tpabs>95%;S偏振光的平均透过率Tsave

防反射膜:表面1、3、4镀防反射AR膜,R

胶合加工:胶合时应保证上下表面平齐,当两棱镜厚度不一致时,应保证上下表面平行。在45°角处,两棱镜不得错开成为尖角,且粘接要牢固。

3 PBS的应用

PBS可以应用在平行光路中,也可以应用在会聚光路中。在平行光路中,光线垂直射入PBS,平行光在入射面处,入射角为0°,在偏振膜处入射角为45°,这时偏振光质量较好,可达到P光透过率Tp>96% ,S光反射率Rs>99%,其特性曲线如图3中的实线所示;当PBS用于会聚光路中,每条光线在入射面处的入射角度是不同的,入射角越大,偏振化的质量越差,如会聚角为±5°时,其透过率和反射率曲线如图3中的点划线所示。从图3可以看出,在会聚光路中,S偏振光的质量要好于P偏振光,因P偏振光的质量波动较大。所以PBS应优先选用在平行光路中,或用于会聚角较小的会聚光路中,会聚角要小于±3°。

在LCoS光学引擎中,每一个显示芯片前面配置一个PBS棱镜。当S光射入PBS棱镜后,反射到LCoS芯片,透过液晶层到达底面后反射回来,再次透过液晶层并转变为P光,并可直接通过PBS棱镜,进入后续投影光学系统,使在投影屏幕上的图像呈现亮态;若S光透过液晶层没有转变为P光,则S光由PBS棱镜再次反射,由原路返回,不能进入后续投影光学系统,那么投影屏幕上的图像则呈现暗态。这是PBS棱镜的应用实例,如图4所示。

4 偏振光转换器

自然光经过PBS棱镜即得到S偏光和P偏光,但是光分两路,不好利用。如果将P光转换成S光,并由同一方向射出,则可大大提高光的利用率,又简化了后续光学系统,从而设计了一个新的器件,将多个PBS棱镜胶合在一起,并在P光路处加一个1/2波片,将P光转换成S光,这个器件称为偏振光转换器(polarization conversion system,PCS),其结构如图5所示。

在LCD、LCoS光学引擎中,均要应用PCS器件做成大面积的S偏光照明系统。此时若将PBS立方棱镜做成长条状,多个条状棱镜胶合在一起,胶合界面镀有偏振膜,则可透射P偏振光和反射S偏振光。在P偏振光出射面加一个1/2波长片,可将P偏振光转变成S偏振光,于是这样就将自然光全部转变成单一S偏振光,并在同一方向射出,形成大面积的偏振光光源。另外还要指出,在入射面要加放遮光板,以保护S偏光不受干扰。而PCS的转换效率也很高,效率η可达80~90%。

PCS的实样如图6所示。

作者简介:韩景福(1931-),男,汉族,毕业于北京工业学院光学仪器系,主要从事照相机镜头光学设计、照相机结构设计、光学加工及设备设计、3LCD投影光学引擎设计、制订照相机械标准、制订LCD、LCOS、DLP光引擎标准等,历任北京市照相机总厂总工程师,轻工业部全国照相机设计组组长,全国照相机械技术标准化委员会委员,全国缩微机械技术标准化委员会委员,中国视听学会常务理事,中国电子视像行业协会大屏幕投影显示设备专业委员会专家组及LCD、LCOS、DLP光机标准制订组组长,E-Mail :。