提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，屬于光學(xué)快門【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有技術(shù)中向列型液晶光學(xué)快門打開透過率低的技術(shù)問題。本發(fā)明的方法是將入射光通過第一偏振分光立方棱鏡進(jìn)行正交偏振分解為偏振方向相互垂直的兩條支路，第一振動(dòng)支路經(jīng)第一向列型液晶光學(xué)快門實(shí)現(xiàn)打開、閉合控制，第二振動(dòng)支路經(jīng)第二向列型液晶光學(xué)快門實(shí)現(xiàn)打開、閉合控制；第一振動(dòng)支路出射光和第二振動(dòng)支路出射光再經(jīng)第二偏振分光立方棱鏡整合成快門出射光。該方法操作簡單、可靠實(shí)用，顯著提高了向列型液晶光學(xué)快門的打開透過率，透過率可以提高1倍以上，可滿足相機(jī)、投影儀、眼罩等光學(xué)儀器對(duì)高透過率、向列型液晶光學(xué)快門的需求。
【專利說明】提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，屬于光學(xué)快門【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]液晶光學(xué)快門是一種基于偏光器向列型液晶(LC)的光學(xué)快門，通過外用驅(qū)動(dòng)電壓控制LC相位，進(jìn)而控制透光率的光學(xué)快門。相比機(jī)械快門，向列型液晶光學(xué)快門完全無振動(dòng)、無活動(dòng)件，具有開閉速度快、對(duì)比度高、功耗低、小型化等優(yōu)點(diǎn)，在相機(jī)、投影儀、眼罩等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]向列型液晶光學(xué)快門由位于交叉線性偏振片之間的偏振調(diào)制器構(gòu)成，偏振調(diào)制器含一個(gè)或多個(gè)LC。應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電壓重調(diào)雙折射LC分子，改變光通過LC時(shí)的相位延遲，這使得透射光通過完整快門結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生變化。以圖1所示常閉型向列型液晶快門為例:(a)為常閉型向列型液晶光學(xué)快門的側(cè)視圖，(b)為常閉型向列型液晶光學(xué)快門內(nèi)透光軸方向，第一透光軸方向3為入射面I 一側(cè)的偏振片透光軸方向，第二透光軸方向4為出射面2 —側(cè)的偏振片透光軸方向，通過調(diào)節(jié)電壓幅度改變光通過LC時(shí)的相位延遲，進(jìn)而在完全打開和關(guān)閉狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)模擬灰度操作。
[0004]如圖2所不,一束自然光5正入射到現(xiàn)有向列型液晶光學(xué)快門6時(shí)，由于線偏振片的作用，出射光7的能量至少損失50% ;若再考慮偏振片、LC吸收的影響，現(xiàn)有技術(shù)條件下此類光學(xué)快門的打 開透過率一般不高于40%，在需要高對(duì)比度的場合，能量損失甚至高達(dá)70%。
[0005]能量收集能力是評(píng)價(jià)相機(jī)、投影儀、眼罩等光學(xué)儀器指標(biāo)的重要指標(biāo)，打開透過率較低的問題嚴(yán)重制約著向列型液晶光學(xué)快門應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中向列型液晶光學(xué)快門打開透過率低的技術(shù)問題，提供一種提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法。
[0007]本發(fā)明的提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一、將入射光經(jīng)第一偏振分光立方棱鏡偏振分解為偏振方向相互垂直的兩條支路，即第一振動(dòng)支路和第二振動(dòng)支路；
[0009]步驟二、第一振動(dòng)支路經(jīng)第一反射鏡反射，得到折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路，折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路入射至第一向列型液晶光學(xué)快門使折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路的偏振方向發(fā)生90°變化后，再經(jīng)第二反射鏡反射，得到折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光，所述折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光的偏振方向與第一振動(dòng)支路的偏振方向相垂直；
[0010]第二振動(dòng)支路入射至第二向列型液晶光學(xué)快門使第二振動(dòng)支路的偏振方向發(fā)生90°變化，得到第二振動(dòng)支路出射光；
[0011]步驟三、折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光和第二振動(dòng)支路出射光經(jīng)第二偏振分光立方棱鏡整合，得到快門出射光。
[0012]進(jìn)一步的,所述折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路的偏振方向與第一振動(dòng)支路的偏振方向相同。
[0013]進(jìn)一步的，所述第一向列型液晶光學(xué)快門入射面的第一偏振透光軸方向與折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路的偏振方向平行。
[0014]進(jìn)一步的，所述第二向列型液晶光學(xué)快門入射面的第一偏振透光軸方向與第二振動(dòng)支路的偏振方向平行。
[0015]進(jìn)一步的，所述第一反射鏡為平面反射鏡或內(nèi)反射直角棱鏡。
[0016]進(jìn)一步的，所述第二反射鏡為平面反射鏡或內(nèi)反射直角棱鏡。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0018]本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)條件下，使用偏振分光立方棱鏡、反射鏡、向列型液晶光學(xué)快門等常規(guī)器件，基于偏振光學(xué)的基本理論，通過合理的光路布局，在保留原有向列型液晶光學(xué)快門快速變換的同時(shí)，保證較高的透過率。操作簡單、可靠實(shí)用，顯著提高了向列型液晶光學(xué)快門的打開透過率，透過率提高I倍以上，對(duì)應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的信噪比將提高4倍以上，可滿足相機(jī)、投影儀、眼罩等光學(xué)儀器對(duì)高透過率、向列型液晶光學(xué)快門的需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1中，(a)為現(xiàn)有技術(shù)中向列型液晶光學(xué)快門的側(cè)視圖，(b)為現(xiàn)有技術(shù)中向列型液晶光學(xué)快門偏振片透光軸方向示意圖；
[0020]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中向列型液晶光學(xué)快門光路原理圖；
[0021]圖3為本發(fā)明的光路原理圖；
[0022]圖4為不同偏振態(tài)入射光在采用本發(fā)明的方法后的透過率；
[0023]1、入射面,2、出射面,3、第一偏振透光軸方向，4、第二偏振透光軸方向，5、自然光，
6、現(xiàn)有向列型液晶光學(xué)快門，7、出射光,8、第一振動(dòng)支路，9、第一反射鏡，1、折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路,11、第一向列型液晶光學(xué)快門，12、第一振動(dòng)支路出射光，13、第二反射鏡、14、折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光，15、入射光，16、第一偏振分光立方棱鏡，17、第二振動(dòng)支路,18、第二向列型液晶光學(xué)快門，19、第二振動(dòng)支路出射光，20、第二偏振分光立方棱鏡，21、快門出射光。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0025]如圖1-3所示，提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，包括以下步驟:
[0026]步驟一、入射光15經(jīng)第一偏振分光立方棱鏡16正交偏振分解為偏振方向相互垂直的兩條支路，即第一振動(dòng)支路8和第二振動(dòng)支路17，本實(shí)施方式中，第一振動(dòng)支路8為反射部分，第二振動(dòng)支路17為透射部分，第一振動(dòng)支路7的偏振方向?yàn)榇怪狈较颍诙駝?dòng)支路17的偏振方向?yàn)槠叫蟹较颍?br> [0027]其中，入射光15可以為自然光、部分偏振光或線偏振光；
[0028]步驟二、第一振動(dòng)支路8經(jīng)第一向列型液晶光學(xué)快門11實(shí)現(xiàn)打開、閉合控制，第二振動(dòng)支路17經(jīng)第二向列型液晶光學(xué)快門18實(shí)現(xiàn)打開、閉合控制，具體為:
[0029]第一振動(dòng)支路8經(jīng)第一反射鏡9折轉(zhuǎn)，得到折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路10，折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路10入射至第一向列型液晶光學(xué)快門11，第一向列型液晶光學(xué)快門11入射面I的第一偏振透光軸方向3與折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路10的偏振方向平行,第一向列型液晶光學(xué)快門11處于打開狀態(tài)時(shí)，折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路10經(jīng)過第一向列型液晶光學(xué)快門11后偏振方向發(fā)生90°變化，得到第一振動(dòng)支路出射光12，即當(dāng)折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路10的偏振方向?yàn)榇怪狈较驎r(shí)，第一振動(dòng)支路出射光12的偏振方向轉(zhuǎn)為平行方向,第一振動(dòng)支路出射光12經(jīng)第二反射鏡13折轉(zhuǎn)，折轉(zhuǎn)后，得到折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光14，然后折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光14入射至第二偏振分光立方棱鏡20 ；
[0030]其中，折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路10的偏振方向可以與第一振動(dòng)支路8相同，也可以與第一振動(dòng)支路8不同,折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光14的偏振方向可以與第一振動(dòng)支路出射光12的偏振方向相同，也可以與第一振動(dòng)支路出射光12的偏振方向不同，但需通過調(diào)節(jié)第一反射鏡9和第二反射鏡13,保證折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光14的偏振方向與第一振動(dòng)支路8的偏振方向相垂直；
[0031]第二振動(dòng)支路17入射至第二向列型液晶光學(xué)快門18，第二向列型液晶光學(xué)快門18入射面I的第一偏振透光軸方向3與第二振動(dòng)支路17的偏振方向平行，第二向列型液晶光學(xué)快門18處于打開狀態(tài)時(shí)，第二振動(dòng)支路17經(jīng)過第二向列型液晶光學(xué)快門18后偏振方向發(fā)生90°變化，得到第二振動(dòng)支路出射光19，第二振動(dòng)支路出射光19的偏振方向與第二振動(dòng)支路17的偏振方向相垂直，即當(dāng)?shù)诙駝?dòng)支路17的偏振方向?yàn)槠叫蟹较驎r(shí)，第二振動(dòng)支路出射光19的偏振方向轉(zhuǎn)為垂直方向，然后第二振動(dòng)支路出射光19入射至第二偏振分光立方棱鏡20 ；
[0032]步驟三、折轉(zhuǎn)第 一振動(dòng)支路出射光14和第二振動(dòng)支路出射光19的偏振方向仍相互垂直，折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光14經(jīng)第二偏振分光立方棱鏡20反射,第二振動(dòng)支路出射光19經(jīng)第二偏振分光立方棱鏡20透射，兩者整合為快門出射光21。
[0033]本發(fā)明的工作原理是利用偏振分光立方棱鏡對(duì)入射光進(jìn)行正交偏振分解，針對(duì)不同偏振方向的入射光，使用獨(dú)立的向列型液晶光學(xué)快門實(shí)現(xiàn)每束偏振光的打開、閉合控制，每個(gè)向列型液晶光學(xué)快門入射面線偏振片的透光軸方向與入射光的偏振方向平行，進(jìn)而提高相對(duì)透過率；向列型液晶光學(xué)快門出射光再經(jīng)過第二塊偏振分光立方棱鏡實(shí)現(xiàn)偏振整
入
口 ο
[0034]本實(shí)施方式中，第一偏振分光立方棱鏡16和第二偏振分光立方棱鏡20均為寬帶偏振分光立方棱鏡，可以選用PBS型的偏振分光棱鏡,第一反射鏡9、第二反射鏡13均可以使用平面反射鏡或者內(nèi)反射直角棱鏡，第一向列型液晶光學(xué)快門11和第二向列型液晶光學(xué)快門18為現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，可通過商購獲得，既可以為常閉型向列型液晶光學(xué)快門，也可以是常開型向列型液晶光學(xué)快門，本實(shí)施方式選用瑞典LC-Tec公司FOS系列的向列型液晶光學(xué)快門。
[0035]以下通過公式計(jì)算采用本發(fā)明方法的快門透過率。
[0036]一般偏振分光立方棱鏡的透過率Tp ≥ 95%、反射率Rs≥ 99%，反射鏡的反射率R ≥ 99%，向列型液晶光學(xué)快門的透過率T≥90%。則入射光15的垂直分量和平行分量的透過率分別為:
[0037]一、入射光15的垂直分量的透過率
[0038]入射光15的垂直分量經(jīng)過的光學(xué)器件依次為第一偏振分光立方棱鏡16 (Rs≥99% )、第一反射鏡9(R≥99% )、第一向列型液晶光學(xué)快門11(T≥90% )、第二反射鏡13 (R≥99% )、第二偏振分光立方棱鏡20 (Rs ≥ 99% )，等效透過率t±≥86.5% ；
[0039]二、入射光15的平行分量的透過率
[0040]入射光15的平行分量經(jīng)過的光學(xué)器件依次為第一偏振分光立方棱鏡
16(Tp > 95 % )、第二向列型液晶光學(xué)快門18 (T > 90 % )、第二偏振分光立方棱鏡
20(Tp ≥ 95% )，等效透過率 t" ^ 81.2% ；
[0041]所以，假設(shè)入射光15的垂直分量的能量百分比為X，則平行方向的能量百分比為
1-χ，則合成透過率為:
[0042]t = 0.865x+0.812 (1-χ)
[0043]= 0.053χ+0.812
[0044]任意偏振態(tài)入射光15的合成透過率如圖4所示。對(duì)于自然光，X = 0.5，t ≥0.8385 ;對(duì)于部分偏振光，X = O~l，t≥0.812~0.865 ;對(duì)于垂直線偏振光，x = 1，t ≥ 0.865 ;對(duì)于平行線偏振光，X = O, t ≥ 0.812。
[0045]根據(jù)以上分析、計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于任意入射光，本發(fā)明提供的方法能將現(xiàn)有技術(shù)中向列型液晶光學(xué)快門透過率提高一倍，由現(xiàn)有的40%左右提高至80%以上，對(duì)應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的信噪比將提高4倍以上，具有較好的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益。
[0046]顯然，以上實(shí)施方式的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于所述【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、將入射光(15)經(jīng)第一偏振分光立方棱鏡(16)分解為偏振方向相互垂直的兩條支路，即第一振動(dòng)支路(8)和第二振動(dòng)支路(17)； 步驟二、第一振動(dòng)支路(8)經(jīng)第一反射鏡(9)反射，得到折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路(10)，折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路(10)入射至第一向列型液晶光學(xué)快門(11)使折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路(10)的偏振方向發(fā)生90°變化后，再經(jīng)第二反射鏡(13)反射，得到折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光(14)，所述折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光(14)的偏振方向與第一振動(dòng)支路(8)的偏振方向相垂直； 第二振動(dòng)支路(17)入射至第二向列型液晶光學(xué)快門(18)使第二振動(dòng)支路(17)的偏振方向發(fā)生90°變化，得到第二振動(dòng)支路出射光(19)； 步驟三、第二偏振分光立方棱鏡(20)將折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路出射光(14)和第二振動(dòng)支路出射光(19)整合，得到快門出射光(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，其特征在于，所述折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路(10)的偏振方向與第一振動(dòng)支路(8)的偏振方向相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，其特征在于，所述第一向列型液晶光學(xué)快門(11)入射面(I)的第一偏振透光軸方向(3)與折轉(zhuǎn)第一振動(dòng)支路(10)的偏振方向平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，其特征在于，所述第二向列型液晶光學(xué)快門(18)入射面(I)的第一偏振透光軸方向(3)與第二振動(dòng)支路(17)的偏振方向平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，其特征在于，所述第一反射鏡(9)為平面反射鏡或內(nèi)反射直角棱鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高向列型液晶光學(xué)快門透過率的方法，其特征在于，所述第二反射鏡(13)為平面反射鏡或內(nèi)反射直角棱鏡。
【文檔編號(hào)】G02F1/1335GK104035259SQ201410314099
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】張軍強(qiáng), 顏昌翔, 劉偉, 李文巖 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所