高能量利用率液晶显示装置线偏振光源设计

针对液晶投影显示系统能量利用率较低的问题,利用TracePro仿真软件对系统进行模拟和整体性能评价,深入分析了整个系统(包括照明系统,偏光分束棱镜,位相延迟系统)中影响能量利用率的因素。通过对线偏振光源的照明系统的基础设计,包括LED光源的选择,CPC集光器的优化设计,双排复眼透镜将光束转换为长宽比为4：3的矩形光束以及光束的均匀化处理,其出射光束的能量利用率达到了90%以上且均匀性较高；对应用于投影系统中的偏振分束棱镜进行了分析,利用ZnS和MgF2两种材料设计了在较宽波段和较大入射角范围的偏振分束膜,并着重研究了膜层层数、入射角度和入射光波长对偏振分束膜消光比的影响,得出了在420-680nm波长范围内,当光束入射角在±2.5°,膜层层数为21层时,具有理想分光效果的膜系；分析了传统应用于投影系统的位相延迟波片色散难以完全避免的缺点,并在此基础上设计了利用角锥棱镜完成S光到P光的位相延迟的装置,重点研究了光束在入射至角锥棱镜时需要考虑的最佳入射角(-15°～+15°)和偏振方位角(-63°～-52°)以达到偏振转换的目的,其P光到S光的转换效率为75.33%并将剩余24.67%的光线反射至CPC集光器中进行全反射重新利用被利用,其二次效率达到93.03%,并利用斯托克斯参量法分析解算了实验数据,实验验证了角锥棱镜作为位相延迟装置的可行性。最后,对文中所设计的投影显示系统进行了结构的优化,并对其能量利用率进行计算,对可能造成的误差进行了分析,结果表明此系统的光学效率和均匀性都有了提高。