MD投影机中的光学元器件 (一)

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摘要:LCD微显示投影机中的偏振片及波片是重要的光学元件,所以偏振片及波片的理论与应用对投影机光学引擎的设计人员、加工装配人员、维修人员都是十分重要的。文章介绍了偏振片和波片的光学原理、光学特性及应用。

关键词:偏振片;1/2波片;1/4波片;光绝缘器

中图分类号:TN141.9 文献标识码:B

Optical Parts in the md Projector(Ⅰ)

――Polarizer and Wave Plate

HAN Jing-fu

(China IndustrialAssociation ofElectronic Audio Visual Products,

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

Abstract:In the LCD MD projector the Polarizer and Wave Plate are very important optical components. So to the optical engine designer, to the assembly master, to the repairer who must well know its theories. This text introduce the optical theories and applications of the Polarizer and Wave Plate.

Keywords:polarizer; 1/2 wave plate (HWP); 1/4 wave plate (QWP); optical isolator

引 言

本文是“光学元器件”系列文章中的第一篇,介绍偏振片与波片。因LCD和LCoS微显示投影机是在偏振光下工作的,所以它的照明系统需要把自然光变换为偏振光。利用偏振片可以获得偏振光,而利用波片则可以改变偏振光的偏振态。偏振片与波片的基本原理对分析光学引擎整个光学系统是十分重要的,且对设计和改进光学系统更是不可缺少的。但我们常常没有把偏振片和波片看成光学元件,而是简单作为“外购”件处理,忽略了对它们的了解,这一点是不妥当的。本文重点介绍偏振片与波片的基本原理及应用,而不作物理光学的阐述。

1 偏振片

自然光是非偏振光,它包括各个方向振动的光线。自然光通过偏振片,可获得偏振光,这是获得偏振光最简便的方法之一。偏振片有一个透过轴和一个吸收轴,二者互相垂直。偏振片只允许振动方向与透过轴一致的光线通过,其它振动方向的光线被吸收,通过的光线称为线偏振光。

偏振片由二向色性材料制成,天然晶体中的电气石就具有强烈的二向色性。人造材料也可以制作偏振片,例如,利用聚乙烯醇加入碘和碘化钾作为二向色介质,延伸制成偏振片,现在常用的偏振片均是由这种二向色性聚乙烯醇薄膜制成的。

偏振片的透光轴应在偏振片的产品说明书上标出,以便与其它元件匹配使用。自然光经过偏振片变为偏振光的原理如图1所示。

偏振片成品并非是一层薄片,而是以偏振薄膜为基本材料,在其两侧加有保护膜及粘接剂,其结构如图2所示。

1.1 偏振片的光学特性

1.1.1 单片透过率

设y轴为偏振片的透过轴,x轴为吸收轴,单片偏振片在y轴、x轴方向透过率为Ty、Tx:

Ty=(Iy/Io)×100%

Tx=(Ix/Io)×100%

T=(Ty+Tx)/2

其中 Io为入射光强;

Iy为通过透过轴的光强;

Ix为通过吸收轴的光强;

T为总透过率。

偏振片的Ty 值越大越好,理想值为100%,即与透光轴平行的偏振光线可以全部通过,没有光损失;而Tx 值越小越好,理想值为零,即与吸收轴平行的偏振光线全部被吸收,没有光线通过;而总透过率T为两者和的二分之一,即理想值为50%,一般T值小于45%。请注意,这里要正确理解Ty 、Tx 的定义,以及T值不超过50%。

1.1.2 双片透过率

当两片光学性能相同的偏振片叠加在一起,其透过率为:

T0=(Ty2+Tx2)/2

T90=(Ty×Tx)

T0为两片偏振片透过轴互相平行时的透过率;

T90为两片偏振片透过轴互相垂直时的透过率;

Ty为100%;Tx为0%的两片偏振片叠加在一起;T0为50%;T90为0%。

1.1.3 偏振度

两个光轴的透过光之差与透过光之和之比,称为偏振度,以P表示:

通常以偏振度P来表示偏振片的偏振质量。

P =0,出射光仍是自然光,即偏振片变为透明片,失去偏振功能;

P =1,出射光为完全偏振光,偏振质量最高,是理想的偏振片;

1.1.4 消光比

两片偏振片叠加在一起,也可用消光比来表示偏振片组合后的质量。两片透过轴平行时的透光率T0与两片透过轴垂直时的透光率T90之比,称为消光比,以K来表示:

K=T0 /T90

K值越大越好,它随入射光的波长而变化,在LCD光学引擎中,要分别选用RGB主波长消光比最高的偏振片。

另外,偏振片不要长时间被紫外线照射,也不要在高温高湿环境下使用。温度不要超过70℃,温度在70℃情况下,相对湿度不要超过90%。

下面列举一种液晶显示器用的高透过率的偏振片,其性能参数列于表1中。

2 1/2波片

波片一般分为全波片、1/2波片、1/4波片、1/8波片、5/8波片等等。以通过光线的主波长来标志波片的规格,例如,主波长为400nm的1/2波片。这些不同的波片都能使入射的偏振光产生相位延迟,从而改变偏振态,所以波片又称为相位延迟器(Retarder)。

当一束线偏振光通过波片时,在波片中分解成振动互相垂直的寻常光o和非寻常光e,相应的折射率为no、ne,由于两种光的光速是不同的,因而会产生相位差,相位差的大小除与折射率差值有关外,还与波片厚度有关,其关系式为:

其中: δ为相位差;

λ为光线的主波长;

no为波片材料寻常光的折射率;

ne为波片材料非寻常光的折射率;

d为波片的厚度。

若产生的相位差δ为π的奇数倍,即:

δ=(2m+1)π, (m=0,1,2,3……) (2)

则此时的波片称为1/2波片。相位差为π的奇数倍时,其光程差即为半波长的奇数倍。

由(1)(2)式很容易导出1/2波片的厚度d,即:

由于o光和e光的光速在1/2波片中不同,因此称光速快的光矢量方向为快轴,与其垂直的光矢量方向为慢轴。在1/2波片的产品说明书中应标出快轴(或慢轴)方向,以便与其相匹配的其它光学元件正确配置与安装。

1/2波片多用于LCD、LCoS光学引擎中,用来改变偏振光振动方向。在线偏振光的光路中插入一个1/2波片,若原线偏振光的振动方向与1/2波片快轴(或慢轴)之间的夹角为θ,则经过1/2波片后,原线偏振光的振动方向旋转过2θ,如图3所示。