本发明涉及能将一束光分成两束正交的偏振子光束并将上述子光束重新组合用的光学系统，它包括能从上述光束中得到第一及第二束子光束的装置，其中每束子光束都是线性偏振光，两束子光束的偏振方向是彼此正交的;而且还包括一个能使上述子光束之一的偏振方向在90°角范围内旋转的装置。 本发明还涉及液晶显示器的投影显示系统用的照明系统，它包括光源、用来将上述光源发出的光会聚成光束用的装置以及上述光学系统。
在液晶显示器件投影显示装置用的照明系统中，线性偏振光是从非偏振光源得到的，而且一般是通过滤光来产生出线性偏振光束的，然后将此偏振光束射向光调制装置。由于这种滤光作用的结果，最好也只能使光源的光输出的一半得到利用。然而投影显示系统正在朝着具有愈来愈高的亮度的系统前进，以便能够在正常照亮的房间内使用。显然，使光源输出的一半不能利用地系统是低效率的。
其中只有两正交的光束之一得到利用的液晶器件显示系统的实例，在由Seiko Epson公司提出的设计中出现过，它在1986年5月12日出版的“Electronics”第47页描述过。该系统使用的是吸收偏振片，此偏振片能够吸收无用的偏振光束，而且在典型情况下也只能透过光源提供的40%的光。
利用光源提供的全部光的途径之一，在美国专利No.4，127，322中进行了描述，所描准的是液晶显示器件的投影的电视系统。该系统利用了六个电子束编址的液晶显示器件，其中的三个液晶显示器件是为从偏振分束器出来的每一束偏振光使用的。这种系统的用途则因此而受到其费用和复杂性的限制。
利用液晶显示器投影电视系统中照明系统的全部光的另一种途径，出现在日本专利申请No.61-122626中，其中所需偏振方向的光被传给受光调制的液晶显示器件。而另一偏振方向的光分量，由辅助反射镜向后反射回光源，并被光源的反光镜再次进行反射。返回来的光两次通过1/4波片，以使其偏振方向旋转90°并因而与主光束具有相同的偏振。旋转后的光束随后再被传给受光调制的液晶显示器件。然而这种办法要受到以下事实的损害，即光必需通过许多空气-玻璃界面和反光镜，其结果是使该系统成为低效率的。
本发明的目的在于液晶显示器件投影显示系统用的照明系统，其中非所需偏振态的光被转换成为所需偏振态的光，并且使用最低数目的空气-玻璃界面和反射表面的高效率方式与其进行组合。
本发明提供一种光学系统，与开始的一段相对应，其特征在于：
棱镜装置，所述的棱镜装置至少包括第一、第二和第三个表面;以及
用于将所述第一及第二个偏振子光束射向上述棱镜装置用的第一及第二个装置;所述第一个装置可将所述第一个子光束射向所述棱镜装置的所述第二个表面，这样，所述第一个子光束由所述第二个表面经受全反射而射向上述棱镜装置的所述第三个表面，而且经第三个表面射出上述棱镜装置;所述的第二个装置可将上述第二个子光束经过上述偏振旋转装置射向上述棱镜装置的第二个表面，以使上述第二个子光束被折射进入上述棱镜装置及射向所述第三个表面，而且经第三个表面射出上述棱镜装置。
本光学系统能将空气-玻璃界面的个数和反射表面的个数减至最小，从而提供一高效率的光学系统。
本发明的另一方面涉及的是一种新的改进了的照明系统，其特征在于如上文叙述的光学系统。
为了更好地理解本发明，现参照下列附图对本发明作详细描述，其中，
图1表示用来将第一光束与偏振方向被转换为第一光束方向的第二光束组合的棱镜的几何形状;
图2表示将棱镜与偏振分束器和反射镜结合在一起以构成液晶显示器投影电视系统用的照明系统;以及
图3表示此照明系统的第二个实施例，其中光的分束、反射和组合用的元件，被合并成了两个邻接在一起的棱镜，以使该系统的效率达到最大。
一个普通的棱镜，可以用来将来自同一光源或不同光源的两束光进行组合。图1表示的普通棱镜10，标有表面A、B、C和角度ωA、ωB、ωC。如果光（束1）以θA角入射表面A上，那么它将根据Snell折射定律以θ′A角折射进入棱镜，此光束将以θ′B角入射在表面B上，θ′B可由下式给出：θ′B＝ωC+θ′A（1）
假如角度θ′B大于或者等于棱镜的临界角，那么光束就会在B表面上经受全反射（TIR）。临界角被定义为：光束在其入射表面上发生全反射时，其相对于法线的最小入射角。如果光束经受全反射，那么它将以角度θ′C入射在表面C上，θ′C可由下式给出：
θ′C＝ωA-θ′B（2）
而且该光束将以角度θC折射出该棱镜，而θC可利用Snell折射定律计算出来。
如果第二个光束（光束2）以ΦB角入射在表面B上，那么它将以Φ′B角折射进入棱镜，角度ΦB可由Snell折射定律给出。此第二个光束将以下式给出的角度Φ′C入射在表面C上：
Φ′C＝ωA-Φ′B（3）
这束光将以ΦC角折射离开棱镜，ΦC值也可以利用Snell折射定律算出。
偏振光束按照惯例被称之为S-偏振光束和P-偏振光束，P-偏振光束被被定义为平行于入射平面的偏振光束;S-偏振光束则被定义为垂直于入射平面的偏振光束。在由棱镜出射之后两光束形成发散角δ，可由ΦC-θC给出。在大多数使用情况下，δ应减到最小，以使两光束接近于共线。为使δ最小，ΦB应当尽可能大，θ′B应等于棱镜的临界角，而且ωA应等于（θ′B+Φ′B）/2，使得θCΦC。假如棱镜的折射率为1.52，并且光束2是P-偏振的，那么在表面B上的反射损失，在入射角为73°以下时是较小的。如果ΦB＝73°，而且θ′B＝41°（对于n＝1.52时的临界角），那么δ＝3.0°。通过将光束1和2的中心在表面B上分开，就能使此两光束在表面C或者平行于表面C的任意平面上作到重合。
图2表示将棱镜10结合在本发明所述液晶显示器件的电视投影系统的照明系统中使用的情形。来自光源20的非偏振光，被任何适用的装置如聚光镜22准直，该非偏振光束24射向偏振光束分束器26。偏振光束分束器26的作用，是将光束24分成P-偏振方向的第一光束28和S-偏振方向的第二光束30，前者将穿过分束器26，而后者则为分束器26反射。第一束光28是在P方向上偏振的，也就是被液晶显示器件光调制系统所利用的方向，并靠反射镜32射向棱镜10。光束28进入棱镜10，穿过表面A，而且由于它是以大于棱镜10的临界角射在表面B上的，所以它将经受全反射，穿过表面C反射到棱镜10之外。
第二束光30是在S方向上偏振的，并且被反射离开偏振分束器26朝向反射镜34。光束30是在S方向上偏振的，它与光调制液晶显示器件所要求的方向成正交。因此，为了将S偏振光束30转换成所需要的偏振方向（P方向），所以在反射镜34和棱镜10之间设置偏振旋转器36，将光束30的偏振方向旋转90°，使其成为P-偏振光束。然后，光束30射向棱镜10上的表面B的底面，并且被折射进入棱镜10而射向表面C。因此，可以看到，光束28和30将从棱镜10的表面C射出，并且具有相同的偏振方向。此光束进一步还可以通过光学元件38进入受光调制的液晶显示器件40，40对光进行调制形成所需要的图像。也可以将受光调制的液晶显示器件配备在光束28和30的交会处。
偏振分束器26可以是任何已知的偏振分束装置，例如它可以是由介电薄膜构成的配置在适合基片上的叠层组件。这种叠层组件可由高折射率及低折射率的薄膜交替层组成，其中每层都具有1/4波长的光学厚度。在每一个薄膜-薄膜界面上，光以布儒斯特角入射，使P-偏振光透过，S-偏振光反射。同样，反射镜32、34也可以是任何适合的反射装置。然而反射装置的效率越高，譬如可以靠使用镀了金属前表面的反射镜，则整个照明系统的效率也越高。偏振旋转装置36可以是一些已知的使偏振光旋转90°的装置。这样的装置例如可以是1/2波长的消色差波片、两块1/4波片、或者一块能使所通过光的偏振面旋转的扭型向列液晶元件。偏振旋转装置36可以配置在棱镜之前沿光束的光路上任一点，即在反射镜34之前或之后。此外，棱镜10也可以不用玻璃而用光学质量的塑料来制造，或者采用充液棱镜。最后，假如输出所需要的是S-偏振光，则将偏振旋转装置36置于光束28中，而不是在光束30中。
图3表示投影液晶显示器电视的照明系统的另一个实施例，它以棱镜的表面来替代反射镜32和34，利用全反射将光束28和30射出去，而且它还利用棱镜之一使这些光束重新组合在一起。图3所示的实施例，包括具有表面D、E、F、G的棱镜50以射出P-偏振光束，以及具有表面H、I、J、K的棱镜52以射出S-偏振光束。配置在棱镜50的表面F和棱镜52的表面H之间的是偏振分束器56，它可以由如上所述的一系列薄膜膜形式的1/4波长层构成。如从图3中看到的那样，棱镜50既替了反射镜32，又替代了使光束重新组合的棱镜10。棱镜52既替代了反射镜34，又提供了表面（K）以安装偏振旋转器36。
在图3中，相同的参考数码表示如图2中表示的相同元件。非偏振光的入射光束24是射在棱镜52的表面I上的，并且被分束器56分束为两个正交配置的偏振光束28和30。在P方向上偏振的光束28，在棱镜50的表面D上产生全反射并被反射到表面F上，再经一次全反射而由棱镜50的表面G射出。S-偏振光束30被反射离开偏振分束器56而射向棱镜52的表面J，在表面J上经全反射并被射向棱镜52的表面K，而在表面K上安装有偏振旋转器36。光束30的偏振方向，靠偏振旋转器36由S-偏振旋转为P-偏振，并被射向棱镜50的表面F。光束30射在棱镜50的表面F上并折射进入棱镜50，然后射向表面G，它在G表面上如图3所示以与光束28形成发散角δ射出。随后，重新组合的光束被射向光学元件38和液晶显示器件40。
图3所示的实施例相对图2所示的实施例有很多优点。首先，由于反射镜32和34已被能使光束32和28发生全反射的棱镜表面所取代，因而使该光束射出的效率是100%。而与此相比，典型反射镜的反射率只有94%。因此整个照明系统的效率有了提高。其次，由于消除了两束光中的每一束中的一个空气-玻璃界面，效率得到了进一步提高。最后，因为各表面为棱镜50、52的固定几何形状所限定，所以偏振分束器26、反射镜32、34和合束棱镜10之间的任何安装误差的可能性都消除了。因此图3所示的结构，能为液晶显示器的照明系统提供最大的亮度。
尽管本发明是结合最佳实施例进行描述的，然而可以理解，当那些技术熟练的人迅速地理解之后，不离开本发明的精神和范围就能拆诸改进和变化。这样一些改进和变化，也被认为是在本发明及所附加的权利要求的权限和范围之内。