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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine optische Polarisationsvorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung
zur Umsetzung eines zufallsmäßig polarisierten
Lichts von einer Lichtquelle in ein linear polarisiertes Licht.
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Die Anwendung eines linear polarisierten Lichts
ist insbesondere für
die Beleuchtung von Flüssigkristallröhren notwendig,
die in der Projektion oder in der Rückprojektion benutzt werden.
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Aus diesem Grunde bestehen auf dem
Markt zahlreiche Typen von optischen Polarisationsvorrichtungen
zur Gewinnung eines linear polarisierten Lichts. Derartige Vorrichtungen
sind z. B. beschrieben in der
EP 0 606 939 A , der
EP 0 573 905 A und der französischen
Patentanmeldung FR 2 735 875 A.
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So wird in der FR 2 735 875 A, angemeldet auf
den Namen von THOMSON Multimedia, eine optische Polarisationsvorrichtung
vorgeschlagen, die eine gute Wiederzusammenfügung oder Rekombination der
Strahlen aufeinander bewirkt und eine niedrige Dispersion aufweist.
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Diese optische Polarisationsvorrichtung,
die detaillierter anhand von 1 beschrieben
wird, enthält
eine Lampe 1, die eine Bogenlampe in Form einer Halogen-Metalldampflampe
mit einem Heizdraht oder ähnlichem
sein kann. Diese Lampe 1 liegt beim Brennpunkt eines Reflektors 2 mit
einer parabolischen oder elliptischen Form, der in bekannter Weise durch
einen Kondensor gebildet wird. Das von der Lampe 1 emittierte
Licht ist ein weißes
Licht mit einer zufallsabhängigen
Polarisation. Es wird durch den Reflektor 2 reflektiert
und auf eine Polarisationskonverter-Anordnung übertragen. Diese Anordnung
enthält
einen Polarisationstrenner 3, der in dieser Ausführungsform
aus einem Stapel von Glasschichten besteht und dadurch einen Luft/Glas-Stapel
bildet. Der Polarisationskonverter enthält außerdem einen Spiegel 4,
dessen Aufgabe es ist, die Komponenten s des Lichtstrahls zu dem
Polarisationstrenner 3 zu reflektieren. Dieser Spiegel 4 ist
mit einer λ/4-Platte 5 versehen,
die die Polarisationsebene des reflektierten Strahls um 90° dreht. Am
Ausgang von dem Polarisationstrenner 3 befinden sich Mittel 6 für eine Polarisations- Rekombination. In
der Ausführungsform von 1 sind die Mittel 6 zur
Rekombination der Polarisationskomponenten Mittel, die in Totalreflexion
arbeiten und aus einer transparenten Schicht bestehen, die aus einem
Material wie Methacrylat, Carbonat oder ähnlichen Materialien hergestellt
ist, wobei auch Glas angewendet werden kann. Diese Mittel enthalten
auf ihrer den von dem Polarisationsseparator 3 kommenden
Strahl empfangenden Fläche
einen Satz von Mikroprismen 6', die in einer parallelen Reihe
angeordnet sind. Die andere Fläche
besteht aus einer ebenen Fläche 6''.
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In der oben beschriebenen Vorrichtung
gelangt der von der Lampe 1 kommende Lichtstrahl zu dem
Polarisationstrenner 3. In bekannter Weise laufen die Polarisationskomponenten
p des Strahls direkt durch den Polarisationstrenner, sie kommen
auf den Flächen 6' der Rekombinationsmittel 6 an
und werden dann innerhalb der Mittel 6 übertragen, um so die Fläche 6'' senkrecht zu verlassen. Außerdem werden
die Polarisationskomponenten s des Lichtstrahls reflektiert und
zu dem Spiegel 4 gesendet, wo sie einer Totalreflexion
unterliegen und nochmals durch die λ/4-Platte 5 laufen,
so dass ihre Polarisationsebene um 90° gedreht wird. Die mit p' bezeichnete neue
Komponente wird dann auf den Polarisationstrenner 3 gerichtet.
Am Ausgang von dem Trenner 3 wird die Komponente p' auf die Rekombinationsmittel 6 gesendet,
der Strahl p' trifft
auf die geneigte äußere Oberfläche des
Mikroprismas bei einem Winkel auf, der nahezu senkrecht ist. Als
nächstes
wird er zu der Innenseite des Mikroprismas übertragen und trifft auf die
interne Fläche
der danebenliegenden Oberfläche
auf, auf der er reflektiert wird und so senkrecht zu der Fläche 6'' austritt.
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Mit diesem System wird am Ausgang
eine gute Überlagerung
der Komponenten p und p' erreicht.
Jedoch ist die Größe dieser
optischen Polarisationsvorrichtung keineswegs vernachlässigbar. Außerdem sind
in der Ebene des Flüssigkristallschirms,
der die Strahlen p und p' aufnimmt,
die beiden polarisierten Strahlen nicht demselben optischen Weg
gefolgt. Das bewirkt eine Verteilung der Beleuchtung, die für die beiden
Strahlen unterschiedlich ist.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine neue optische Polarisationsvorrichtung vorzuschlagen,
die es ermöglicht,
die Größe des Systems
zu verrin gern und soweit wie möglich
die optischen Wege der beiden polarisierten Strahlen anzugleichen.
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Folglich ist Gegenstand der vorliegenden
Erfindung eine optische Polarisationsvorrichtung, wie sie im Anspruch
1 angegeben ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
besteht der Polarisationstrenner aus einem Stapel von wenigstens
zwei Glasschichten, die durch eine Luftschicht getrennt sind, und
die im Mittel zur Drehung der Polarisation bestehen aus einer λ/4-Platte.
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Mit der obigen Ausführungsform
besteht das regelmäßige Netz
von Prismen aus ersten und zweiten Schichten, von denen jede miteinander
verbundene komplementäre
prismatische Oberflächen
aufweist, wobei die prismatische Oberfläche der ersten Schicht mit
einer reflektierenden Oberfläche
bedeckt ist.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform
besteht der Polarisationstrenner aus einem holografischen Trenner,
der zwischen einem ersten regelmäßigen Netz
von die Reflexionsmittel bildenden Prismen und einem zweiten regelmäßigen Netz
von Prismen liegt, das symmetrisch ist zu dem Trenner, wobei der
Winkel bei dem Gipfelpunkt der beiden regelmäßigen Netze von Prismen identisch
und in Abhängigkeit
von dem Einfallwinkel auf den holografischen Trenner gewählt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
verschiedener Ausführungsformen
anhand der beigefügten
Zeichnung:
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Die bereits beschriebene 1 zeigt diagrammatisch eine
optische Polarisationsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
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2 zeigt
diagrammatisch eine erste Ausführungsform
einer optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3a und 3b sind zwei Ausführungsformen der
Reflexionsmittel, die in der optischen Vorrichtung von 2 benutzt werden, und
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4 ist
eine diagrammatische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer optischen
Polarisationsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Zur Vereinfachung der Beschreibung
sind in den Figuren gleiche Teile mit den denselben Bezugsziffern
versehen.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer optischen Polarisationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einer kleineren Größe. In dieser
optischen Polarisationsvorrichtung besteht der Polarisationstrenner 3 aus
einem Stapel von wenigstens zwei Glasschichten, die durch eine Luftschicht getrennt
sind, vom selben Typ, wie er in der Polarisationsvorrichtung in 1 benutzt wird. Ebenso werden
die von dem Trenner 3 kommenden Strahlen zu Rekombinationsmitteln 6 gesendet,
die identisch sind zu denen, die anhand der 1 beschrieben wurden. Um die Gesamtgröße der Vorrichtung
zu verringern, bestehen in dieser Ausführungsform die Reflexionsmittel
nicht mehr aus einem Spiegel und einer λ/4-Platte, wie in der Ausführungsform
von 1, sondern aus der
in 2 mit 7 bezeichneten
Vorrichtung. Die Ausführungsformen
der Reflexionsmittel 7 sind detaillierter in den 3a und 3b dargestellt.
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In 3a bestehen
die Mittel 7 aus einem regelmäßigen Netz von Prismen aus
zwei Schichten 7', 7''. Die Schicht 7' hat eine ebene
Eintrittsfläche,
die in der dargestellten Ausführungsform
mit einer nicht-reflektierenden Schicht 9 bedeckt ist.
Sie enthält
an ihrer Austrittsseite ein regelmäßiges Netz aus Mikroprismen.
Die Form der Mikroprismen im Querschnitt entspricht einem rechtwinkligen
Dreieck a, b, c, wobei der Winkel beim Gipfelpunkt c gleich 90° ist und
die anderen beiden Winkel entsprechend dem sogenannten Brewsterwinkel
gewählt
sind, nämlich 57° und 33° in der vorliegenden
Ausführungsform. Die
längste
Seite cb des Rechtecks ist mit einer reflektierenden Oberfläche 8 versehen,
die entweder aus einem kalten Spiegel oder einer metallischen Beschichtung
bestehen kann, wie Aluminium oder dergleichen. Die kleine Seite
ac ist nicht beschichtet, so dass an dieser Oberfläche ankommende
Lichtstrahlen weiterlaufen können,
wie später
beschrieben wird. Der ersten Schicht 7' ist eine komplementäre Schicht 7'' zugeordnet, die auf ihrer Eintrittsoberfläche eine
Mikroprismen-Struktur aufweist, die komplementär ist zu der mikroprismatischen
Struktur der Schicht 7'.
Die beiden Schichten 7' und 7'' sind durch einen optischen Kleber
von bekanntem Typ miteinander verbunden. Außerdem liegt, wie 3a zeigt, eine λ/4-Platte 10 auf
der Austrittsoberfläche
der Schicht 7''. In der Ausführungsform
in 3b ist die λ/4-Platte
in kleine λ/4-Platten 11 aufgetrennt,
die auf der reflektierenden Oberfläche 8 befestigt sind.
Die anderen Teile der Reflexionsmittel 7 sind wie in 3a hergestellt.
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Die Reflexionsmittel 7,
die durch ein regelmäßiges Netz
von Mikroprismen gebildet sind, wie in den 3a und 3b dargestellt,
werden mit einer nicht dargestellten Lichtquelle aus einer Lampe 1 und
einem Reflektor 2 benutzt, von denen beide derart positioniert
sind, dass die Eintrittslichtstrahlen an der Eintrittsfläche der
Mittel 7 bei einem Winkel θβ ankommen, der den genannten
Brewsterwinkel darstellt. Tatsächlich
ist den Reflexionsmitteln 7 ein Polarisationstrenner zugeordnet,
der aus Schichten aus einem Luft/Glas-Stapel besteht. In diesem
Fall ist der Winkel θβ an dem Ausgang
von dem Trenner gleich dem Brewsterwinkel, nämlich ein Winkel von 56,6° für das Glas.
Aus diesem Grund müssen
die die Mittel 7 verlassenden Strahlen an dem Trenner ankommen,
um an dem Ausgang von dem Trenner 3 den gewünschten
Winkel θβ anzunehmen.
Es ist für
den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, dass die obigen Werte
innerhalb von +10° gültig und
von den benutzten Materialien abhängig sind.
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Es erfolgt nunmehr eine detailliertere
Erklärung
der Funktion der Vorrichtung von 2.
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In diesem Fall wird der Lichtstrahl
von der Lampe 1 auf die Eintrittsfläche der Reflexionsmittel 7 gesendet,
so dass die Strahlen p1, p'1
im Wesentlichen bei dem Winkel θβ relativ
zu einer Senkrechten zu der Eintrittsfläche der Mittel 7 ankommen.
Diese Mittel 7 bestehen aus einem transparenten Material wie
Methacrylat oder Glas. Die Strahlen p1, p'1 breiten sich innerhalb der Struktur 7 aus.
Z. B. läuft
der Strahl p1 durch die Oberfläche
a, während
der reflektierte Strahl p'1
auf die Fläche
b eines Mikroprismas des Netzes von Mikroprismen auftrifft, die
mit einem reflektierenden Material bedeckt ist. Dieser Strahl wird
auf die Oberfläche
b' des angrenzenden
Mikroprismas reflektiert, wobei diese Oberfläche b' ebenfalls mit einem reflektierenden
Material bedeckt ist, so dass der Strahl p'1 ankommt und durch die λ/4-Platte 10 auf
den Polarisationstrenner 3 gelangt. Mit diesem Aufbau kommen
die beiden Strahlen p1 und p'1
parallel auf dem Polarisationstrenner 3 an, wie 2 zeigt.
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Die Wirkungsweise des Polarisationstrenners
wird nunmehr für
den Strahl p1 erläutert.
Die Polarisationskomponente p des Strahls p1 läuft in bekannter Weise direkt über den
Polarisationstrenner 3, während die Komponente s des
Polarisationsstrahls p1 reflektiert und über die λ/4-Platte zu einer Oberfläche b zurückgesendet
wird, die mit einem reflektierenden Material mit einer Fresnelstruktur 8 beschichtet
ist. Die Komponente unterliegt dann einer Totalreflexion, wie es
durch den Doppelpfeil angedeutet ist, und läuft noch einmal durch die λ/4-Platte 10,
so dass ihre Polarisationsebene um 90° gedreht wird. Die neue Komponente
wird dann auf den Polarisationstrenner gesendet, den sie durchläuft, unter
Bildung eines Austrittswinkels etwa gleich dem Brewsterwinkel bezüglich einer
Senkrechten zu der Ebene des Trenners. Die von dem Trenner 3 kommenden
Strahlen werden dann in bekannter Weise zu Mitteln zur Rekombination
der Polarisationskomponenten gesendet, die zu der anhand von 1 beschriebenen Weise identisch
ist.
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Anhand der 4 erfolgt nunmehr eine Beschreibung einer
anderen Ausführungsform
einer optischen Polarisationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In diesem Fall besteht der Polarisationstrenner aus einem holografischen
Trenner 20. Dieser holografische Trenner kann aus einem
einzigen Hologramm oder aus mehreren Hologrammen entsprechend den üblichen,
darin enthaltenen Farben R, G, B bestehen. Bei einem holografischen Trenner
wird die Funktion der Polarisationstrennung durch Aufzeichnung der
Interferenzmuster auf zwei kohärenten
ebenen Wellen in einem fotosensitiven Dünnfilmmaterial erreicht. Die Änderung
des in dieses Material eingeführten
Index ist hoch. Die Änderungen
in dem Aufzeichnungsindex ermöglichen, eine
Spiegelfunktion für
eine Polarisationskomponente (Brewsterbedingungen bei 45°) zu erzeugen, wobei
die zweite Polarisationskomponente in ihrer Gesamtheit übertragen
wird.
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In dem Fall von 4 ist der holografische Trenner zwischen
einer die Reflexionsmittel erzeugenden ersten Struktur und einer
symmetrischen zweiten Struktur eingefasst. Die erste Struktur ist
ein lineares Netz 21 aus Mikroprismen, die einen Querschnitt
in der Form von rechtwinkligen, gleichschenkligen Dreiecken haben,
von denen eine ihrer Flächen 22 mit
einem reflektierenden Material bedeckt ist, zur Reflexion der Komponente
der Polarisation s, während
die andere Fläche
mit einer nicht-reflektierenden
Schicht 23 bedeckt ist. Wie 4 zeigt,
ist eine λ/4-Platte 24 paral lel
zu dem holografischen Trenner 20 vorgesehen. Zusätzlich wird
ein zweites lineares Netz von Mikroprismen 25 symmetrisch
mit dem Netz 21 bezüglich
des holografischen Trenners erzeugt, so dass die Komponenten der
Lichtstrahlen den Trenner 20 direkt verlassen. Rekombinationsmittel 6, die
identisch sind zu den anhand der 1 und 2 beschriebenen Mitteln,
sind dieser Vorrichtung zugeordnet. Es ist für den Fachmann auf diesem Gebiet klar,
dass die Lage der λ/4-Platten
so wie mit der Ausführungsform
in den 2 und 3 erreicht werden kann, nämlich entweder
eine einzige λ/4-Platte
parallel zu dem Trenner oder Elemente von auf den reflektierenden
Oberflächen 22 befestigten λ/4-Platten.
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Ebenso wird der Winkel bei dem Gipfelpunkt der
prismatischen Strukturen in Abhängigkeit
von dem Einfallwinkel auf den holografischen Trenner gewählt. Der
Winkel an dem Gipfelpunkt ist ein Winkel von 90°, wenn der Einfallwinkel des
Hologramms 45° beträgt.
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Es können andere Modifikationen
für die
vorliegende Anmeldung durchgeführt
werden, insbesondere für
die prismatischen Strukturen, die benutzen Materialien und andere
Dingen, ohne von dem Schutzumfang der folgenden Ansprüche abzuweichen.