维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷第１期 液晶与显示 ＶｏＩ｜２２．Ｎｏ．１ ２００７年２月 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｙｓ Ｆｅｂ．，２００７ 文章编号：１００７—２７８０（２００７）０１—００５１—０４ 基于ＬＣｏＳ投影显示的一种新型偏光转换装置 安 凯 ，张 文 ，冯亚云 ，凌志华 （１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３，Ｅ－ｍａｉｌ：ａｎｃｈｏｒ１９８２＠１ ６３．ｃｏｍ） ２．中国科学院研究生院，北京１００３９） 摘 要：对液晶投影显示系统的偏振器件进行了研究，提出了一种新型偏光转换装置的设计 方法。整个装置由两组微透镜阵列、一块光学性能良好的方解石晶体和一些半波片组成。微 透镜阵列对入射光进行空间分割；方解石晶体进行起偏；半波片起相位延迟作用，从而实现从 非偏振光到线偏振光的转换。用晶体偏振光学理论对该系统进行了理论推导，并用Ｚｅｍａｘ 软件进行模拟。结果表明，系统的光利用率为８６．１ ，消光比优于１ｏ～。该系统结构简单， 性能稳定，但通光面积较小，适合与１．８ ｃｍ（０．７ ｉｎ）以下的硅基液晶面板配合使用。 关键词：硅基液晶投影显示；偏光转换系统；微透镜阵列；方解石 中图分类号：ＴＮ８７３；ＴＮ２１１．６ 文献标识码：Ａ １ 引 言 和Ｓ光的反射率受到入射角度和带宽的，虽 然在垂直入射时Ｐ光的透射率可以大于９５ ，但 近年来，ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）投影 当入射角增大时，透射率将明显下降。 显示技术发展极为迅速，大屏幕、高清晰度图像是 （２）有机膜偏振分光镜是美国３Ｍ公司利用 ＬＣＤ投影显示受到广泛重视的重要原因。它不 双折射聚合物材料挤压成型的数百层塑料薄膜制 仅具有高亮度、高分辨率、高信息容量等优点，而 作的ＰＢＳ。其基本原理是塑料薄膜所用聚合物材 且体积小、灵巧、方便、易携，是一种受欢迎的显示 料的折射率在某个方向匹配，而在另外方向不匹 设备，可广泛应用于多媒体教学、家庭影院、会议 配。在不匹配的方向，形成了高反射率的１／４膜 演示，甚至军事指挥系统中，因此，进一步开发和 堆，而在匹配的方向可以看成是各向同性、透明的 研究图像大屏幕投影显示技术是非常有意义的， 塑料板。这种有机膜ＰＢＳ的优点是线偏振性好， 并且有很强的实用价值。在液晶大屏幕投影显示 在宽波段、宽角度内有较好的性能。但这种有机 中，偏光转换系统ＰＣＳ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ 膜ＰＢＳ有两个缺点，一是散射较大，二是寿命 ｓｙｓｔｅｍ）是非常重要的部件之一，它的性能对投影 较短 。 系统的光利用率、对比度和图像色饱和度有很大 （３）基于受抑全反射和薄膜干涉效应的偏振 的影响Ｅ１．ｚ］。目前商业化的偏光转换器件有以下 分光镜是Ｌｉ Ｌｉ等人利用受抑全反射和薄膜中光 几种： 的干涉效应设计的新型ＰＢＳｌ＿５］。与传统的ＰＢＳ （１）ＭａｃＮｅｉｌｌｅ ＰＢＳ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ） 不同的是，它在入射角度大于全反射临界角的条 其工作原理是当光线以布儒斯特角入射时，器件 件下工作，Ｓ光透射而Ｐ光反射。这种ＰＢＳ的主 对振动方向垂直入射面的线偏振光（Ｓ光）有着较 要缺点是由于入射角较大而使反射光和透射光不 高的反射率，而对振动方向垂直Ｓ光的线偏振光 再满足０。或９０。特殊角度，因而给光路安排带来 （ｐ光）的反射率为零 ］。ＭａｃＮｅｉｌｌｅ ＰＢＳ的优点 困难。 是稳定性好，制造方便，镀膜所采用的材料和制造 利用晶体的双折射特性，我们同样可以得到 工艺已非常成熟。但它的不足之处是Ｐ光透射率 线偏振光。通常，当一束非偏振光通过一块晶体 收稿日期：２００６—０５—１８；修订日期：２００６—０７—０５ 基金项目：国家“９７３”资助项目（Ｎｏ．２００３ＣＢ３１４７０４） 维普资讯 http://www.cqvip.com 液 晶 与 显 示 第２２卷 （比如方解石晶体）时，它会分解成两束光，一束为 Ｏ光，另一束为ｅ光，并且两束都为１００ 线偏振 光。利用方解石制作起偏器已经有上百年的历 史，例如：Ｇｌａｎ—Ｔｈｏｍｐｓｏｎ棱镜、Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ棱镜、 Ｎｉｃｏｌ棱镜等，它们都有着比ＭａｃＮｅｉｌｌｅ棱镜大的 工作孔径角，但却没有成功地应用在液晶投影显 示上。其原因在于现在市场上的主流投影机用的 都是透射型液晶显示板，它利用有源矩阵驱动进 行像素电极寻址，比如ＴＦＴｓ（ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓ— ｔｏｒｓ）。这种液晶屏的像素电极宽度尺寸为５０ ｍ （Ｑ．Ｓｉ ＴＦ 为５０ ｍ，Ｐｏｌｙ－Ｓｉ ＴＦ 为３２ ｍ） ， 如果液晶屏的分辨率为１ ０２４×７６８，那么液晶板 的面积就为５１ ｍｍ×３９ ｍｍ，为了与液晶板的面 积匹配，就要有大颗粒的晶体，而要想得到如此尺 寸的优质晶体是非常困难的。但是，在ＬＣｏＳ （１ｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）显示技术及制作工艺有 了较大进展的今天，大大减小了的液晶屏面积则 有望使晶体应用在偏光转换系统中。ＬＣｏＳ液晶 面板的像素电极宽度仅为１０ ｂｔｍ＿７ ］，所以，同样为 １ ０２４×７６８的分辨率，其面板尺寸为１０．３ ｍｍ× ７．７ ｍｍ。可以利用人工生长法，较容易地生长出 直径在１５ ｍｍ的方解石晶体，其成本要相应地低 很多 Ｊ。 ２ 设计过程 我们用两组微透镜阵列、一块方解石晶体和 一些半波片制作的新型偏光转换装置结构如图 １，其中Ａ：第一组微透镜阵列，Ｂ：第二组微透镜 阵列，Ｃ：方解石晶体。 在这个结构中，第一微透镜阵列的每一个小 透镜都成一个光源的像，并将这个像成像在对应 的第二微透镜阵列的小透镜上；第二微透镜阵列 狭缝光栅 Ｉ０光 一 非 偏 振 光 二＝＝ｌ二 ＼＼＼＼ 巨 Ｉ～ 臣 、坐 Ａ Ｂ Ｃ光轴方向 图１ ＰＣＳ的结构俯视图 Ｆｉｇ．１ Ｐｌａｎｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ＰＣＳ’Ｓ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ 将第一微透镜阵列的像成像在其后的空间中，并 通过场镜将所有的像叠加在液晶板上，从而达到 匀光的目的。另外，第一个微透镜阵列的小透镜 边长是第二个阵列中小透镜边长２倍，二者相配 合，从而使平行入射的非偏振光分割成宽度相等、 问隔相等的平行光束入射到方解石晶体上。由于 方解石晶体的结构特性，其光轴与解理面成４５。２３ ， 当非偏振光垂直解理面入射时，将被分解成０光 和ｅ光。ｏ光的振动方向垂直光轴（也垂直入射 面），ｅ光的传播方向与光轴有一定的夹角，振动 方向与。光的振动方向垂直（如图２）。０光和ｅ 光在方解石晶体的出射面是分开的，两者没有重 合部分，我们只在ｅ光出射区域粘贴半波片，半波 片的主轴与ｅ光的振动方向成４５。，所以ｅ光通 过贴在晶体上的条状半波片后，其振动方向被旋 转９Ｏ。，就与。光的振动方向一致＿１。。，而。光出射 区域没有半波片，所以其偏振方向不变，于是得到 偏振方向一致的线偏振光。狭缝光栅的作用是阻 挡小透镜边缘的漏光，不让杂散光通过ｅ光出射 的区域，以提高输出光的消光比。 方解石晶体 ／ ／ ／ ０光 …一一一一 非偏振光 ’Ｊ Ｊ０ ’ ｅ光 图２方解石双折射示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ３ 计算分析与软件模拟 根据晶体光学的知识，当光线垂直晶体表面 入射时，０光与光轴的夹角ａ一４５。，可算出ｅ光与 光轴的夹角口及ｅ光与。光的夹角０。 ０一ａ—ｐ （１） ｔａｎ／？一 ｔａｎａ （２） ７２ ｔａｎ０一 （３） ７２ 十７２：ｔａｎ‘ ｓｉｎＡ一７２。ｓｉｎ（４５一ａ） （４） 方解石在可见光波段下的Ｏ光折射率（‰）和 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 安 凯，等：基于ＬＣｏＳ投影显示的一种新型偏光转换装置 ｅ光折射率（ ）值变化不大，由公式（１）（２）（３）可 表２不同入射角下的ｔａｎＯ值 以计算出在不同波长下的ｔａｎＯ值，如表１。然后 Ｔａｂｌｅ ２ ｔａｎＯ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ａｎｇｌｅ 根据公式（４）可以计算出在不同入射角下的ｔａｎＯ 值，如表２。 由此可见，在可见光波段，当光线在±１Ｏ。内 入射时，ｔａｎＯ值基本保持不变。为保证输出线偏 振光的消光比不至于劣化，使入射角在±７。内为 表１不同波长的折射率及ｔａｎＯ值 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ 宜。若方解石晶体厚度为１４ ｍｍ，则。光和ｅ光 的分离距离为１．５ ｍｍ，我们可以据此来确定微 透镜阵列中微透镜的尺寸和半波片的宽度、光轴 方向、粘贴位置。我们采用１．２７ ｃｍ（０．５ ｉｎ） （Ｏ．５ ｉｎ￣－．１ｌ ｍｍ×７．７ ｒａｍ）的ＬＣｏＳ液晶屏，表３ 列出了各个元件的尺寸参数。两个小透镜矩阵的 距离为１５ ｍｍ。 表３各个元件的参数 Ｔａｂｌｅ ３ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ 另外，由于使用的方解石晶体是解理成平行 影镜头，所以相位差对几何光学成像系统也几乎 平板的结构，所以光通过晶体后无侧移，像散差很 没有影响。 小，减小了投影光学系统设计的难度。虽然使用 将此偏光转换系统在ｚｅｍａｘ软件中建模，通 半波片会使得到的一部分线偏振光有相位延迟， 过偏振分析，在对各个光学元件表面镀抗反射膜 但液晶面板对入射光的相位没有要求，只是对入 后，得到系统的偏光转换效率为８６．１ ，如图３ 射光的偏振状态进行调制，且使入射、出射光束有 所示。其输出线偏振光中ｅ光含量低于０．０３ ， 固定的相位差，即可实现光阀作用 。并且投影 如图４所示。由此可见，最后得到的线偏振光的 光学系统都是设计成焦阑系统，光束平行进入投 消光比优于ｌＯ～。 Ｆｉｅｌｄ Ｐｏｓ：０．００００。 Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ １：０．５５０／ｚｍ Ｓｕｒｆ ＴＯｔ．Ｔｒａｎ １ ０．９８７ ４７５ ２ ０．９７４ ９５１ ３ ０．９６２ ７４０ ４ ０．９２１ ７８４ ５ ０．９１７ ６１１ ６ ０．８６０ ９２２ ７ ０．８６０ ９２２ 图３偏光转换系统的转换效率 图４ ｅ光输出量 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＰＣＳ Ｆｉｇ．４ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ｏｆ ｅ ｌｉｇｈｔ 维普资讯 http://www.cqvip.com ５４ 液 晶 与 显 示 第２２卷 ４ 结 论 率高达８６．１ ，输出光的消光比优于１０＿。，对比 度高和无色散等优良特性。该偏光转换装置制作 简单，性能稳定，抗光损伤阈值高，非常适合与 １．７８ ｃｍ（０．７ ｉｎ）以下的ＬＣｏＳ液晶屏配合用于投 影显示系统及头盔显示系统中。通过更深入的研 究可以进一步优化结构，提高性能，有望使这种偏 提出了一种制作偏光转换装置的新方法，由 于所使用的方解石晶体起偏工作孔径角范围为 ±７。，大于ＭａｃＮｅｉｌｌｅ棱镜的±３。，并且其输出光 的偏振度也比ＭａｃＮｅｉｌｌｅ棱镜的高。所以，利用 方解石晶体的双折射特性，可以得到光的利用效 光转换装置商品化。 参 考 文 献： ［１］Ｃｈｅｎ Ｗ Ｂ，Ｇｕ Ｐ Ｆ，Ｚｈｅｎｇ Ｚ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ ＩＩ，Ｐｒ０ｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ，２００５，５６３８：３７８—３８６． ［２］张继艳，刘伟奇，柳华，等．高性能投影系统光引擎［Ｊ］．液晶与显示，２００５，２０（６）：５３９—５４３． ［３］ＭａｃＮｅｉｌｌｅ Ｓ Ｍ．Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ，２，４０３，７３ｌ［Ｐ］．１９４６—０７—０９． ［４］Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｅｃｋｈａｒｄｔ，Ｃｈａｒｌｅｓ Ｂｒｕｚｚｏｎｅ，Ｄａｖｉｄ Ａｓｓｔｕｅｎ，ｅｔａ１．３Ｍ ＰＢＳ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＬＣｏＳ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］． ＳＰＪＥ，２００３，５００２：１０６—１ １０． ［５］Ｌｉ Ｌｉ，Ｄｏｂｒｏｗｏｌｓｋｉ Ｊ Ａ，Ｓｕｌｌｉｖａｎ Ｂ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｎｏｖｅｌ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ ａｎｄ Ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，１９９９，３６３４：５２—６２． ［６］Ｓｔｕｐｐ Ｅｄｗａｒｄ Ｈ，Ｂｒｅｎｎｅｓｈｏｌｔｚ Ｍａｔｔｈｅｗ Ｓ．Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙｓｌ，Ｍ］．ＮＹ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ￣Ｓｏｎｓ，１９９９：１１４一ｌ１９． ［７］Ａｌｔ Ｐ Ｍ．Ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ［Ｃ］．Ｉｎｔ１．Ｄｉｓｐｌａｙ Ｒｅｓ．Ｃｏｎｆ．，Ｂｅｌｉｎ：ＶＤＥ Ｖｅｒｌａｙ ＧＭ— ＢＨ，１９９７：１９－２２． ［８］宋玉龙，刘绍锦，崔宏青，等．一种新型硅基液晶微显示器件像素电路的研究［Ｊ］．液晶与显示，２００５，２０（４）： ３２８—３３２． ［９］张克从，张乐惠．晶体生长科学与技术（上册）［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９７：２８６—２９９． ［１０］廖延彪．偏振光学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３：２ｌ２—２ｌ３． ［１１］崛浩雄，铃木幸治．彩色液晶显示［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３：４２—５１． Ｎｅｗ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＬＣｏＳ Ｐｒｏｊｅｃｔｉ．ｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ＡＮ Ｋａｉ ．．，ＺＨＡＮＧ Ｗａｎ ．－，ＦＥＮＧ Ｙａ－ｙｕｎ ．．，ＬＩＮＧ Ｚｈｉ—ｈｕａ （１ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ，Ｅ－ｍａｉｌ：ａｎｃｈｏｒ１９８２＠１６３．ｃｏｍ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ（ＰＣＳ）ｏｆ ＬＣＤ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ａ ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ＰＣＳ ｉｓ ｒｅｐｏｒｔｅｄ．Ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ＰＣＳ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｗｏ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ，ａ ｃａｌｃｉｔｅ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｈａｌｆ－ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙｓ ａｖｅｒａｇｅ ｔｈｅ ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ ｌｉｇｈｔ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｉｔｅ ｗｏｒｋｓ ａｓ ａ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ．Ｔｈｅ ｈａｌｆ—ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ ｗｏｒｋｓ ａｓ ｒｅｔａｒｄｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｃｒｙｓ— ｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｄｕｃｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉＳ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉＳ ８６．１ ，ｔｈｅ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｅｘｃｅｌｓ １０一．Ｔｈｅ ＰＣＳ ｈａｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｓｔｅａｄｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｂｕｔ ａ ｓｍａｌｌ ｗｏｒｋ ａｒｅａ．Ｓｏ，ｉｔ ａｄａｐｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ＬＣｏＳ ｐａｎｅｌ ｗｈｉｃｈ ｄｉａｇｏｎａｌ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １．７８￣ｃｍ（０．７ ｉｎ）． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＣｏＳ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙ；ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ；ｃａｌｃｉｔｅ 作者简介：安凯（１９８２一），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事反射式大屏幕投影显示的照明光学系统研究。
