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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter, insbesondere
für unpolarisierte Strahlenbündel, sowie
eine bilderzeugende Vorrichtung mit einem derartigen optischen Schalter.
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Optische
Schalter werden dazu verwendet, den Strahlengang in optischen Vorrichtungen,
beispielsweise in bilderzeugenden Vorrichtungen wie etwa Mikroskope
oder Projektoren, nach Bedarf freizugeben oder zu blockieren. Derartige
Schalter umfassen häufig
eine zwischen zwei Polarisatoren angeordnete Flüssigkristallzelle (LC-Zelle,
LC: Liquid Crystal), wobei die Polarisatoren ein durch sie hindurchtretendes
Strahlenbündel
jeweils linear polarisieren und als Polarisator und Analysator dienen.
Die verwendeten Flüssigkristallzellen
lassen sich durch Anlegen einer geeigneten Spannung von einem ungeschalteten
Zustand, in dem keine Drehung der Polarisationsrichtung eines durch
sie hindurchtretenden Strahlenbündels
erfolgt, in einen geschalteten Zustand, in dem eine Drehung der
Polarisationsrichtung um 90° erfolgt,
bringen. Je nach Typ der verwendeten Flüssigkristallzelle kann dabei
der geschaltete Zustand bei elektrisch spannungsloser Flüssigkristallzelle
oder bei Anliegen einer Spannung an der Flüssigkristallzelle vorliegen.
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Die
beschriebenen optischen Schalter arbeiten typischerweise nach dem
folgenden Prinzip: Das zu schaltende Strahlenbündel, also das zu sperrende oder
durchzulassende Strahlenbündel,
wird zunächst vom
ersten Polarisator linear polarisiert. Der polarisierte Strahl durchläuft dann
die Flüssig kristallzelle, in
welcher die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Strahlenbündels je
nach Schaltzustand der Flüssigkristalle
unverändert
bleibt oder um 90° gedreht
wird. Anschließend
durchläuft
das Strahlenbündel
einen weiteren Polarisator, der wie der erste Polarisator ausgebildet,
aber im Vergleich zu diesem um 90° gedreht
ist. Der zweite Polarisator dient als Analysator. Falls die Polarisationsrichtung
des Strahlenbündels
in der Flüssigkristallzelle
nicht gedreht wird, so kann das Strahlenbündel nicht durch den zweiten Analysator
hindurchtreten, der Strahlengang ist daher gesperrt. Wird andererseits
die Polarisationsrichtung des Strahlenbündels in der Flüssigkristallzelle um
90° gedreht,
so kann das Strahlenbündel
durch den Analysator hindurchtreten, der Strahlengang ist daher
freigegeben.
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Im
Falle von unpolarisierten Strahlenbündeln tritt bei den beschriebenen
optischen Schaltern im transparenten Zustand des Schalters ein Lichtverlust von
50% auf. Ursache hierfür
ist das lineare Polarisieren des Strahlenbündels am ersten Polarisator und
der damit einhergehende Verlust der Strahlung mit der anderen Polarisationsrichtung.
Für viele
Anwendungen ist ein Intensitätsverlust
von 50% jedoch nicht akzeptabel.
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Eine
weitere Möglichkeit
zum Schalten unpolarisierter Lichtbündel sind Schalter auf Polymer-LC-Basis.
Diese weisen zwar nicht den prinzipbedingten Lichtverlust von 50%
wie die oben beschriebenen Schalter auf, jedoch zeigen sie im den Strahlengang
blockierenden Zustand lediglich eine Zerstreuung des in seiner Intensität vollständig transmittierten
Strahlenbündels,
und somit keine völlige Blockierung
des Strahlengangs. Schalter nach diesem Prinzip geben den Strahlengang
im spannungslosen Zustand frei.
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Gegenüber dem
beschriebenen Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, einen verbesserten optischen Schalter, insbesondere
für unpolarisierte
Strahlenbündel,
zur Verfügung
zu stellen, mit dem sich insbesondere die genannten Nachteile vermeiden
lassen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bilderzeugende
optische Vorrichtung mit einem verbesserten optischen Schalter,
insbesondere für
unpolarisiertes Licht, zur Verfügung
zu stellen.
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Die
erste Aufgabe wird durch einen optischen Schalter nach Anspruch
1 und die zweite Aufgabe durch eine bilderzeugende optische Vorrichtung
nach Anspruch 17 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Ein
erfindungsgemäßer optischer
Schalter umfasst
- – einen Polarisationsstrahlteiler,
der ein Eingangsstrahlenbündel
derart in ein erstes Teilstrahlenbündel mit einem ersten Polarisationszustand
und ein zweites Teilstrahlenbündel
mit einem zweiten Polarisationszustand aufteilt, dass das erste
Teilstrahlenbündel
den Polarisationsstrahlteiler in einer ersten Teilstrahlrichtung
verlässt
und das zweite Teilstrahlenbündel
den Polarisationsstrahlteiler in einer zweiten Teilstrahlrichtung
verlässt,
- – eine
Umlenkoptik, die derart ausgestaltet und relativ zum Polarisationsstrahlteiler
angeordnet ist, dass sie ein den Polarisationsstrahlteiler in der ersten
Teilstrahlrichtung verlassendes Teilstrahlenbündel dem Polarisationsstrahlteiler
aus der zweiten Teilstrahlrichtung kommend wieder zuführt und
ein den Polarisationsstrahlteiler in der zweiten Teilstrahlrichtung
verlassendes Teilstrahlenbündel
dem Polarisationsstrahlteiler aus der ersten Teilstrahlrichtung
kommend wieder zuführt, und
- – eine
schaltbare Polarisationseinrichtung mit mindestens zwei Schaltzuständen, die
derart ausgestaltet ist, dass durch die Wahl des Schaltzustandes
auf die Polarisationszustände
der Teilstrahlenbündel
Einfluss zu nehmen ist. Der Polarisationsstrahlteiler ist im erfindungsgemäßen optischen
Schalter derart ausgestaltet und angeordnet, dass er die ihm zugeführten Teilstrahlenbündel wieder
zu einem Strahlenbündel
kombiniert und mit einer vom Schaltzustand der Polarisationseinrichtung
abhängenden
Intensität
an einen Ausgang leitet.
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Der
Aufbau des erfindungsgemäßen optischen
Schalters ermöglicht
es, unpolarisierte Strahlenbündel
ohne den prinzipiellen Lichtverlust von 50% zu schalten. Insbesondere
ermöglicht
es der erfindungsgemäße optische Schalter,
den Polarisationsstrahlteiler, die Umlenkoptik und die Polarisationseinrichtung
derart auszugestalten, d.h. derart aufeinander abzustimmen, dass
der Polarisationszustand des aus den Teilstrahlenbündeln kombinierten Strahlenbündels dem
Polarisationszustand des Eingangsstrahlenbündels entspricht.
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Wenn
beispielsweise die Polarisationseinrichtung den Polarisationszustand
eines Teilstrahlenbündels
vom ersten Polarisationszustand in den zweiten Polarisationszustand ändern kann,
so kann der Schalter von einem vollständig durchlässigen Zustand in einen vollständig den
Strahlengang blockierenden Zustand und umgekehrt geschaltet werden. In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Schalters weist
die Polarisationseinrichtung daher mindestens einen Schaltzustand,
in dem sie den Polarisationszustand eines einfallenden Teilstrahlenbündels vom
ersten Polarisationszustand in den zweiten Polarisationszustand
und umgekehrt ändert,
und einen Schaltzustand, in dem sie den Polarisationszustand eines
einfallenden Teilstrahlenbündels
nicht ändert,
auf. Der erste und der zweite Polarisationszustand können dabei
bspw. linear polarisierte Zustände
sein, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen.
In diesem Fall kann als schaltbare Polarisationseinrichtung eine
Flüssigkristallzelle
Verwendung finden, welche den Polarisationszustand im geschalteten
Zustand um 90° dreht.
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Der
erfindungsgemäße optische
Schalter ermöglicht
es jedoch auch, Schalter herzustellen, die verschiedene Transmissionsgrade
zur Verfügung stellen.
Dazu weist die Polarisationseinrichtung mindestens einen weiteren
Schaltzustand auf, in welchem sie den Polarisationszustand eines
einfallenden Teilstrahlenbündels
so ändert,
dass er weder dem ersten Polarisationszustand noch dem zweiten Polarisationszustand
entspricht. Wenn beispielsweise der erste und der zweite Polarisationszustand
linear polarisierte Zustände
sind, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen,
so kann dieser dritte Schaltzustand beispielsweise eine Drehung
der Polarisationsrichtung um einen anderen Winkel als 90° verursachen.
Ein derart ausgebildeter optischer Schalter ermöglicht es, neben einem den Strahlengang
vollständig
blockierenden Schaltzustand (Intensität am Ausgang des opt. Schalter:
Null) und einem den Strahlengang vollständig freigebenden Schaltzustand
(Intensität
am Ausgang entspricht der Intensität am Eingang des opt. Schalters),
einen Schaltzustand zur Verfügung
zu stellen, in welchem der optische Schalter teildurchlässig ist.
Selbstverständlich
können
mehr als drei Schaltzustände
vorhanden sein, sodass verschiedene Grade der Teildurchlässigkeit
zu realisieren sind. Insbesondere kann in einer Weiterbildung dieser
Ausgestaltung die Polarisationseinrichtung derart zu schalten sein, dass
der Polarisationszustand eines einfallenden Teilstrahlenbündels in
Abhängigkeit
vom Schaltzustand in einen frei wählbaren anderen Polarisationszustand
umzuwandeln ist. Im Falle von linear polarisierten Zuständen könnte dies
etwa bedeuten, dass die Polarisationseinrichtung in der Lage ist,
die Polarisationsrichtung in Abhängigkeit
vom Schaltzustand um einen beliebigen Winkel zwischen 0° und 90° zu drehen.
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Die
schaltbare Polarisationseinrichtung kann im erfindungsgemäßen optischen
Schalter als selbständige
Einheit ausgebildet oder in die Umlenkoptik integriert sein.
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Wenn
die schaltbare Polarisationseinrichtung in die Umlenkoptik integriert
ist, kann sie als eines der lichtlenkenden Elemente der Umlenkoptik, bspw.
als schaltbarer Reflektor, der den Polarisationszustand eines reflektierten
Strahlenbündels
je nach Schaltzustand erhält
oder ändert,
realisiert sein. Dies kann soweit gehen, dass als Umlenkoptik lediglich
ein einziges optisches Element vorhanden ist, welches gleichzeitig
als Polarisationseinrichtung dient, so dass sich der erfindungsgemäße optische Schalter
mit sehr wenigen Einzelteilen realisieren lässt.
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Wenn
die schaltbare Polarisationseinrichtung nicht Teil der Umlenkoptik
ist, kann sie stattdessen auch als ein selbständiges Element im Strahlengang
des optischen Schalters, insbesondere im Strahlengang der Umlenkoptik,
ausgebildet sein und bspw. den Polarisationszustand eines durch
sie hindurchtretenden Strahlenbündels
je nach Schaltzustand erhalten oder ändern. Die Polarisationseinrichtung
ist dann vorzugsweise in einem Bereich des Strahlenganges des optischen
Schalters angeordnet, in dem die Strahlrichtung der Teilstrahlenbündel gegenläufig ist.
In einer Ausgestaltung kann die Umlenkoptik bspw. zwei lichtlenkende
Elemente umfassen, die insbesondere derart ausgebildet sein können, dass
sie den Polarisationszustand eines gelenkten Teilstrahlenbündels erhalten,
wobei die Polarisationseinrichtung zwischen den beiden lichtlenkenden Elementen
angeordnet ist.
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Schließlich ist
es auch möglich,
die Funktion der schaltbaren Polarisationseinrichtung aufzuteilen, so
dass die Änderung
des Polarisationszustandes erst durch ein Zusammenspiel der Umlenkoptik
mit einer selbständigen
Polarisationseinrichtung erreicht wird.
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Das
Wirkprinzip des erfindungsgemäßen optischen
Schalters lässt
sich ohne große
konstruktive Änderungen
auch umkehren. Der optische Schalter ist dann derart ausgebildet,
dass er den Strahlengang im ungeschalteten Zustand blockiert und
im geschalteten Zustand freigibt. Dazu wird in den Strahlengang
des erfindungsgemäßen optischen
Schalters zusätzlich
eine weitere Polarisationseinrichtung eingebracht, welche immer
den ersten Polarisationszustand in den zweiten Polarisationszustand
und den zweiten Polarisationszustand in den ersten Polarisationszustand ändert. Ein
derart ausgestalteter optischer Schalter ist im geschalteten Zustand
vollständig
transparent und im ungeschalteten Zustand vollständig undurchlässig. Die
zusätzliche
Polarisationseinrichtung kann dabei eine selbständige Einheit sein. Dieselbe
Wirkung kann aber auch erzielt werden, wenn die zusätzliche
Polarisationseinrichtung nicht als selbständige Einheit ausgebildet ist,
indem zumindest ein Teil der Umlenkoptik derart ausgestaltet wird,
dass sie den ersten Polarisationszustand in den zweiten Polarisationszustand
und den zweiten Polarisationszustand in den ersten Polarisationszustand ändert. Bspw.
kann, wenn die Polarisationszustände
linear polarisiert Zustände
mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen sind und die Umlenkoptik
zwei Umlenkspiegel umfasst, jeder der beiden Umlenkspiegel derart
ausgestaltet sein, dass er die Polarisationsrichtung um 45° in dieselbe Richtung
dreht, so dass die Polarisationsrichtung in der Summe von der Umlenkoptik
um 90° gedreht
wird. In diesem Beispiel ist die schaltbare Polarisationseinrichtung
ggf. gegenüber
der Ausführung,
welche die Wirkung der zusätzlichen
Polarisationseinrichtung nicht aufweist, anzupassen, um am Polarisationsstrahlteiler
weiterhin Teilstrahlenbündel
mit dem ersten bzw. dem zweiten Polarisationszustand zur Verfügung zu
stellen zu können.
Außerdem
ist es möglich,
einen derartigen optischen Schalter mit umgekehrtem Wirkprinzip
auch mit weiteren Schaltzuständen
zu realisieren, in welchen er teildurchlässig ist.
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Polarisationseinrichtungen
zum Beeinflussen der Polarisation reflektierter oder hindurchtretender
Strahlenbündel
lassen sich bspw. in Form von schaltbaren Flüssigkristallelementen realisieren.
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Als
lichtlenkende Elemente kommen bspw. Spiegel, Prismen und optische
Fasern (einzeln oder gebündelt),
insbesondere auch die Polarisation eines Strahlenbündels erhaltende
Spiegel, Prismen und optische Fasern, in Betracht. Spiegel, Prismen
und Faserbündel
eignen sich dabei insbesondere für Schalter,
die in abbildenden optischen Geräten
zum Einsatz kommen sollen, opt. Einzelfasern dagegen bspw. zum Schalten
von Laserstrahlen. Selbstverständlich
kann in einem erfindungsgemäßen optischen
Schalter auch eine Kombination aus Spiegeln, Prismen und/oder optische
Fasern als lichtlenkende Elemente Verwendung finden.
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Wenn
der Polarisationsstrahlteiler, die lichtlenkenden Elemente und die
schaltbare Polarisationseinrichtung symmetrisch zueinander angeordnet sind,
sind die Laufwege zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und der
schaltbaren Polarisationseinrichtung gleich lang, sodass sich für beide
Teilstrahlengänge
die gleichen Strahlkonvergenzen, Fokussiereigenschaften, etc. ergeben.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen
Schalters ist die schaltbare Polarisationseinrichtung flächig ausgebildet
und weist eine Anzahl individuell schaltbarer Bereiche auf. Mit
einer derartigen Polarisationseinrichtung können die Abbildungseigenschaften
des optischen Schalters gezielt manipuliert werden, abhängig davon,
an welcher Stelle im Strahlengang des Gesamtsystems die Polarisationseinrichtung
angeordnet ist.
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Wenn
in einer flächig
ausgebildeten und mit individuell schaltbaren Bereichen versehenen
Polarisationseinrichtung die Abmessungen der individuell schaltbaren
Bereiche klein genug sind, insbesondere wenn sie in etwa in der
Größenordnung
der Wellenlänge
des Eingangsstrahlenbündels
liegen, kann der optische Schalter als schaltbarer diffraktiver
Lichtmodulator eingesetzt werden. Die Anordnung kann so bspw. als
adaptives optisches Element, etwa ein optisches Element mit Autofokusfunktion,
Verwendung finden. Die Strukturierung der individuell schaltbaren Bereiche
ist dabei vorzugsweise an die gewünschte Anwendung, also etwa
die Autofokusfunktion, angepasst.
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Eine
erfindungsgemäße bilderzeugende
optische Vorrichtung ist mit mindestens einem erfindungsgemäßen optischen
Schalter ausgestattet. Insbesondere kann die bilderzeugende optische
Vorrichtung mit einem optischen Schalter ausgestattet sein, dessen
Polarisationseinrichtung flächig
ausgebildet ist und eine Anzahl individuell schaltbarer Bereiche
aufweist. In einer derartigen Vorrichtung kann die Polarisationseinrichtung
als Display Verwendung finden. Insbesondere kann eine derartige
bilderzeugende optische Vorrichtung mit einer abbildenden optischen
Anordnung versehen sein, deren Bildebene mit der Ausdehnungsebene
der flächig
ausgebildeten schaltbaren Polarisationseinrichtung zusammenfällt, um
die Funktion als Display zu realisieren. Da die Polarisationseinrichtung
auf beide Teilstrahlenbündel
wirkt, lässt
sich somit beispielsweise ein Projektor auf Flüssigkristall-Display-Basis realisieren,
der einen gegenüber
einem Projektor auf Basis eines Flüssigkristall-Displays mit konventioneller Technik
um einen Faktor 2 erhöhten
Lichtfluss aufweist. Unter konventioneller Technik ist hierbei die eingangs
beschriebene Anordnung Polarisator – Flüssigkristallelement – Analysator
zu verstehen.
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Insbesondere
kann die bilderzeugende optische Vorrichtung zwei abbildende optische
Anordnungen umfassen, die innerhalb des Strahlengangs des optischen
Schalters symmetrisch um die schaltbare Polarisationseinrichtung
herum angeordnet sind. Befindet sich der optische Schalter im parallelen Strahlengang
des Gesamtsystems der bilderzeugenden optischen Vorrichtung, so
können
die abbildenden optischen Anordnungen derart angeordnet werden,
dass die flächig
ausgebildete Polarisationseinrichtung in der Brennebene beider Anordnungen
zu liegen kommt. Die flächig
ausgedehnte Polarisationseinrichtung dient dann als Display, welches
durch die Optiken in das Unendliche abgebildet wird. Alternativ
können
die abbildenden optischen Anordnungen auch derart um die Polarisationseinrichtung
herum angeordnet sein, dass sich die Ausdehnungsebene der flächig ausgebildeten
Polarisationseinrichtung in der Fourierebene der beiden optischen
Anordnungen befindet. In einer derartigen bilderzeugenden optischen
Vorrichtung kann der optische Schalter als räumlicher Frequenzfilter (Bildfilter)
eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße optische Schalter lässt dabei
eine Frequenzfilterung des Bildes zu, ohne dass ein prinzipbedingter
Lichtverlust erfolgt. Dies kann Anwendungen in allen Bereichen der
abbildenden Optik haben. Speziell zu erwähnen ist hierbei die Mikroskopie,
da sich mit dem räumlichen
Frequenzfilter eine gut zu manipulierende Kontrastgestaltung erzielen
lässt.
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Die
bilderzeugende optische Vorrichtung kann insbesondere als Projektionsvorrichtung
oder als optisches Beobachtungsgerät, beispielsweise als Operationsmikroskop,
ausgestaltet sein.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen,
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen optischen
Schalter bei ungeschalteter Polarisationseinrichtung.
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2 zeigt
das erste Ausführungsbeispiel bei
geschalteter Polarisationseinrichtung.
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3a u. 3b zeigen
die Strahlengänge von
Strahlenbündeln,
die mit unterschiedlichen Einfallswinkeln in den optischen Schalter
des ersten Ausführungsbeispiels
einfallen bei ungeschalteter Polarisationseinrichtung.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen optischen
Schalter bei ungeschalteter Polarisationseinrichtung.
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5 zeigt
das zweite Ausführungsbeispiel bei
geschalteter Polarisationseinrichtung.
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6 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel für den erfindungemäßen optischen
Schalter.
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7 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel für den erfindungemäßen optischen
Schalter.
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8 zeigt
schematisch eine beispielhafte Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Schalters
in einem Bildprojektor.
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Das
Prinzip des Schalters ist in 1 und 2 schematisch
dargestellt. 1 zeigt den optischen Schalter
im ungeschalteten und 2 im geschalteten Zustand der
schaltbaren Polarisationseinrichtung.
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Der
erfindungsgemäße optische
Schalter umfasst einen Polarisationsstrahlteiler 1, der
im Ausführungsbeispiel
linear polarisiere Teilstrahlenbündel erzeugt
und bspw. als doppelbrechendes Element ausgebildet sein kann, zwei
die Polarisation erhaltende Spiegel 3, 5 als eine
Umlenkoptik zum Umlenken der Teilstrahlenbündel und eine Flüssigkristallzelle 7 als
eine schaltbare, den Polarisationszustand in Abhängigkeit der angelegten Spannung
erhaltende oder ändernde
Polarisationseinrichtung. Die Flüssigkristallzelle 7 ist
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
derart ausgestaltet, dass sie bei Anliegen einer Spannung die Polarisationsrichtung
eines durch sie hindurchtretenden linear polarisierten Strahlenbündels um
90° dreht.
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Ein
vom Eingang E des optischen Schalters kommendes Eingangsstrahlenbündel b1
aus unpolarisiertem Licht wird vom Polarisationsstrahlteiler 1 in ein
erstes Teilstrahlenbündel
b2, dessen Licht linear polarisiert ist, und ein zweites Teilstrahlenbündel b3, dessen
Licht ebenfalls linear polarisiert ist und dessen Polarisationsrichtung
senkrecht auf der Polarisationsrichtung des Teilstrahlenbündels b2
steht, aufgespaltet.
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Das
erste Teilstrahlenbündel
b2 passiert dabei den Polarisationsstrahlteiler 1 ohne
aus seiner Richtung abgelenkt zu werden und wird dann vom zweiten
Spiegel 5 in Richtung auf den ersten Spiegel 3 reflektiert.
Zwischen dem zweiten Spiegel 5 und dem ersten Spiegel 3 ist
die Flüssigkristallzelle 7 angeordnet.
Ein vom zweiten Spiegel 5 in Richtung auf den ersten Spiegel 3 reflektiertes
Teilstrahlenbündel b2
muss daher auf seinem Weg zum ersten Spiegel 3 durch dies
Flüssigkristallzelle 7 hindurchtreten.
Das durch die Flüssigkristallzelle 7 hindurchgetretene erste
Teilstrahlenbündel
wird im Folgenden mit b4 bezeichnet. Vom ersten Spiegel 3 wird
das erste Teilstrahlenbündel
b4 schließlich
in Richtung auf den Polarisationsstrahlteiler 1 reflektiert.
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Das
zweite Teilstrahlenbündel
b3 wird vom Polarisationsstrahlteiler 1 in Richtung auf
den ersten polarisationserhaltenden Spiegel 3 abgelenkt,
von dem es wiederum in Richtung auf den zweiten polarisationserhaltenden
Spiegel 5 abgelenkt wird. Wie das erste Teilstrahlenbündel b2
muss auch das zweite Teilstrahlenbündel b3 auf seinem Weg vom
einen polarisationserhaltenden Spiegel 3 zum anderen polarisationserhaltenden
Spiegel 5 die Flüssigkristallzelle 7 durchqueren.
Das durch die Flüssigkristallzelle 7 hindurchgetretene
zweite Teilstrahlenbündel
wird im Folgenden mit b5 bezeichnet. Vom zweiten polarisationserhaltenden
Spiegel 5 wird das zweite Teilstrahlenbündel b5 schließlich in
Richtung auf den Polarisationsstrahlteiler 1 reflektiert.
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Die
Flüssigkristallzelle 7 ist
derart ausgestaltet, dass sie das Licht der Teilstrahlenbündels hindurchtreten
lässt,
ohne die Polarisationsrichtung zu ändern, wenn keine Spannung
an ihr anliegt. Liegt hingegen eine Spannung an der Flüssigkristallzelle 7 an,
so wird die Polarisationsrichtung des durch sie hindurchtretenden
Lichtes um 90° gedreht.
Mit anderen Worten, die Flüssigkristallzelle 7 stellt
dann, wenn an ihr eine geeignete Spannung anliegt, ein λ/2-Element,
dessen schnelle Achse einen Winkel von 45° mit den Polarisationsrichtungen
der Teilstrahlenbündel
einschließt,
dar. Je nachdem, ob eine Spannung an der Flüssigkristallzelle 7 anliegt
oder nicht, wird daher die Polarisationsrichtung des Lichtes der
durch sie hindurchtretenden Teilstrahlenbündel b2, b4 bzw. b3, b5 um
90° gedreht
oder nicht gedreht.
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Wenn
sich, wie in 1 dargestellt, die Flüssigkristallzelle 7 im
ungeschalteten Zustand befindet, d.h. wenn die Teilstrahlenbündel b2,
b4 bzw. b3, b5 ohne Änderung
der Polarisationsrichtung durch die Flüssigkristallzelle 7 hindurchtreten,
so tritt das vom ersten polarisationserhaltenden Spiegel 3 in
Richtung auf den Polarisationsstrahlteiler 1 abgelenkte Teilstrahlenbündel b4
ohne Richtungsablenkung durch den Polarisationsstrahlteiler 1 in
Richtung auf den Ausgang des optischen Schalters A hindurch, da das
erste Teilstrahlenbündel
b4 nach dem Durchtritt durch die Flüssigkristallzelle 7 dieselbe
Polarisationsrichtung aufweist wie das Teilstrahlenbündel b2 vor
dem Durchtritt durch die Flüssigkristallzelle 7 und diese
Polarisationsrichtung diejenige Polarisationsrichtung ist, die den
Polarisationsstrahlteiler 1 ohne Richtungsablenkung des
Strahls passiert.
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Die
Polarisationsrichtung des vom zweiten polarisationserhaltenden Spiegel 5 in
Richtung auf den Polarisationsstrahlteiler 1 reflektierten
zweiten Teilstrahlenbündels
b5 wird von der Flüssigkristallzelle 7 im
ungeschalteten Zustand ebenfalls nicht verändert, so dass seine Polarisationsrichtung
weiterhin derjenigen Polarisationsrichtung entspricht, die vom Polarisations strahlteiler 1 reflektiert
wird. Der Polarisationsstrahlteiler 1 ist dabei derart
angeordnet, dass die Reflexion des zweiten Teilstrahlenbündels b5
in Richtung auf den Ausgang A erfolgt. Das zweite Teilstrahlenbündel b5
wird dabei dem ersten Teilstrahlenbündel b4 überlagert, so dass ein Ausgangsstrahlenbündel b6
entsteht, dessen Licht unpolarisiert ist.
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Aufgrund
der Tatsache, dass das Licht des Eingangsstrahlenbündels b1
zuerst in zwei Teilstrahlenbündel
b2, b3 mit zueinander senkrecht polarisiertem Licht aufgespaltet
wird und anschließend
die beiden Teilstrahlenbündel
b4, b5 als Ausgangsstrahlenbündel
b6 wieder vereinigt werden, tritt kein prinzipbedingter Intensitätsverlust
im erfindungsgemäßen optischen
Schalter auf.
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2 zeigt
den Strahlengang und die Polarisationsrichtung der Strahlenbündel im
erfindungsgemäßen optischen
Schalter bei geschalteter Flüssigkristallzelle 7.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet
sich die Flüssigkristallzelle 7 im
geschalteten Zustand, wenn eine geeignete Spannung anliegt. In diesem
Fall wird die Polarisationsrichtung der durch die Flüssigkristallzelle 7 hindurchtretenden Teilstrahlenbündel b2,
b4 bzw. b3, b5 um 90° gedreht.
Für das
Licht des ersten Teilstrahlenbündels b2,
b4 bedeutet dies, dass seine Polarisationsrichtung nach dem Durchtritt
durch die Flüssigkristallzelle 7 derjenigen
Polarisationsrichtung entspricht, die vom Polarisationsstrahlteiler 1 reflektiert
wird. Entsprechend wird das erste Teilstrahlenbündel b4 vom Polarisationsstrahlteiler 1 nun
in Richtung auf den Eingang E reflektiert. Auch die Polarisationsrichtung des
zweiten Teilstrahlenbündels
b3, b5 ist nach dem Durchtritt durch die Flüssigkristallzelle 7 gegenüber der
Polarisationsrichtung vor dem Durchtritt um 90° gedreht, so dass sie nun derjenigen
Polarisationsrichtung entspricht, die den Polarisationsstrahlteiler 1 ohne
Richtungsablenkung passiert. Entsprechend wird das zweite Teilstrahlenbündel b5
vom Polarisationsstrahlteiler 1 nun in Richtung auf den
Eingang E durchgelassen. Das zweite Teilstrahlenbündel b5 wird
dabei dem ersten Teilstrahlenbündel
b4 überlagert,
so dass ein Ausgangsstrahlenbündel
b6' entsteht, dessen
Licht unpolarisiert ist. In Richtung auf den Ausgang A des optischen
Schalters wird im geschalteten Zustand kein Licht mehr durchgelassen bzw.
reflektiert.
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Im
ungeschalteten Zustand der Flüssigkristallzelle 7 verlassen
die beiden Teilstrahlenbündel
b2, b4 und b3, b5 den optischen Schalter als Ausgangsstrahlenbündel b6
durch den Ausgangskanal A. Im geschalteten Zustand der Flüssigkristallzelle 7 laufen sie
dagegen wieder in den Eingangskanal E zurück. In jedem Fall sind die
beiden Teilstrahlenbündel
b2, b4 und b3, b5 senkrecht zueinander polarisiert, haben, sofern
der optische Schalter symmetrisch aufgebaut ist, die gleichen optischen
Elemente und Lichtwege durchlaufen und werden wieder zu einem unpolarisierten
Ausgangsstrahlenbündel
b6 (bei ungeschalteter Flüssigkristallzelle)
bzw. b6' (bei geschalteter
Flüssigkristallzelle)
kombiniert. Das Ausgangsstrahlenbündel b6 bzw. b6' besitzt im Falle
idealer, verlustfreier optischer Elemente daher die volle Intensität des Eingangsstrahlenbündels b1.
Eine prinzipielle Abschwächung
des nutzbaren Strahlenbündels
auf 50% tritt nicht auf, da die in den beiden Zweigen des optischen
Schalters vorhandenen Hälften
der Intensität
des Eingangsstrahlenbündels
b1 im Ausgangskanal A oder im Eingangskanal E wieder kombiniert
werden. Der optische Schalter wirkt somit als ein optisches Element,
dass das unpolarisierte Eingangsstrahlenbündel b1 wahlweise vollständig zum
Ausgang A hin transmittiert oder zum Eingang E hin reflektiert.
Der Schalter zeigt die gleiche spektrale Charakteristik, die auch
ein Schalter nach konventionellem Schema mit Polarisator-Flüssigkristallzelle-Analysator-Anordnung
zeigen würde.
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Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der Polarisationsstrahlteiler 1 derart ausgestaltet, dass
die Teilstrahlenbündel
b2, b3 nach dem ersten Durchtritt durch den Polarisationsstrahlteiler 1 bzw. der
ersten Reflexion am Polarisationsstrahlteiler 1 senkrecht
zueinander verlaufen, und dass das Eingangsstrahlenbündel b1
und das Ausgangsstrahlenbündel
b6 ebenfalls senkrecht zueinander verlaufen. Der Polarisationsstrahlteiler 1 kann
in alternativen Ausgestaltungen jedoch auch derart ausgebildet sein,
dass die Teilstrahlenbündel
b2, b3 nach dem ersten Durchtritt durch den Polarisationsstrahlteiler 1 bzw.
der ersten Reflexion am Polarisationsstrahl teiler 1 in
einem anderen Winkel als 90° zueinander
verlaufen und/oder das Eingangsstrahlenbündel b1 und das Ausgangsstrahlenbündel b6
in einem anderen Winkel als 90° zueinander
verlaufen. Schließlich
sei auch darauf hingewiesen, dass mehr als zwei polarisationserhaltende
Spiegel vorhanden sein können. Durch
das Verwenden mindestens eines weiteren polarisationserhaltenden
Spiegels kann der Winkel zwischen dem Eingangsstrahlenbündel b1
und dem Ausgangsstrahlenbündel
b6 beliebig eingestellt werden. Insbesondere lässt sich so erreichen, dass
das Eingangsstrahlenbündel
b1 und das Ausgangsstrahlenbündel
b6 parallel zueinander verlaufen.
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Die
Wirkungsweise des optischen Schalters als Transmitter oder Spiegel
lässt sich
umkehren, wenn zusätzlich
zu der Flüssigkristallzelle 7 ein U2-Elelement
für die
entsprechende Wellenlänge bzw.
den entsprechenden Wellenlängenbereich
des Eingangsstrahlenbündels
b1 im Strahlengang des optischen Schalters vorhanden ist. Die Orientierung des
U2-Elelemnts ist dabei derart, dass die Polarisationsrichtungen
der Teilstrahlenbündel
jeweils einen Winkel von 45° mit
der schnellen Achse des λ/2-Elelemnts
aufweisen, so dass das λ/2-Elelement
die Polarisationsrichtung der Teilstrahlenbündel um 90° dreht. Da das U2-Element eine
zusätzliche,
vom Schaltzustand der Flüssigkristallzelle 7 unabhängige Drehung
der Polarisationsrichtung der beiden Teilstrahlenbündel b2,
b3 bzw. b4, b5 bewirkt, wird das Verhalten der beiden Teilstrahlenbündel b4,
b5 beim zweiten Zusammentreffen mit dem Polarisationsstrahlteiler 1 im
Vergleich zur Ausführung
ohne zusätzliches
U2-Element umgekehrt, sodass ein Eingangsstrahlenbündel b1
bei ungeschalteter Flüssigkristallzelle 7 in
Richtung auf den Eingang reflektiert wird, wohingegen es bei geschalteter
Flüssigkristallzelle 7 in
Richtung auf den Ausgang A abgelenkt wird. Der optische Schalter
transmittiert daher jetzt bei geschalteter Flüssigkristallzelle und reflektiert
bei ungeschalteter Flüssigkristallzelle.
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Durch
Verwendung einer Flüssigkristallzelle, die
in der Lage ist, die Polarisation um einen beliebigen Winkel zwischen
0° und 90° zu drehen,
erlaubt der erfindungsgemäße Schalter
einen kontinuierlichen Übergang zwischen
dem transmittierenden und dem reflektierenden Zustand. Eine derartige
Flüssigkristallzelle
kann bspw. um die optische Achse des Strahlengangs rotierbar angeordnet
sein. Im geschalteten Zustand stellt die Flüssigkristallzelle dann ein
U2-Element dar, bei dem der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung
der Teilstrahlenbündel
und der schnellen Achse des U2-Elementes durch Drehen der Flüssigkristallzelle
eingestellt werden kann, so dass sich der Drehwinkel, um den die
Polarisationsrichtung gedreht wird, einstellen lässt.
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Der
erfindungsgemäße optische
Schalter ist nicht darauf beschränkt,
dass ein Eingangsstrahlenbündel
in linear polarisierte Teilstrahlenbündel aufgespaltet wird. Vielmehr
ist es auch möglich,
ein unpolarisiertes Eingangsstrahlenbündel in zwei zirkular oder
elliptisch polarisierte Teilstrahlenbündel aufzuspalten, bspw. in
ein Teilstrahlenbündel
mit linkszirkular polarisiertem Licht und ein Teilstrahlenbündel mit
rechtszirkular polarisiertem Licht.
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Anwendungen
für den
erfindungsgemäßen optischen
Schalter lassen sich in vielen abbildenden Systemen finden, in denen
die Möglichkeit
des Ein- und Ausschaltens des abbildenden Strahlengangs oder auch
der Beleuchtung gegeben sein soll. Insbesondere bei Operationsmikroskopen
sind häufig schnell
arbeitende Verschlüsse,
sog. Shutterelemente, zum Schließen und Freigeben eines Strahlenganges
gewünscht.
Daneben sollen die Shutterelemente eine möglichst hohe Transmission aufweisen,
weswegen die eingangs beschriebenen konventionellen Shutterelemente
zumeist nicht in Frage kommen. Der erfindungsgemäße optische Schalter ermöglicht dagegen
ein schnelles Schalten bei sehr hoher Transmission im den Strahlengang
freigebenden Zustand. Aber auch die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen optischen
Schalter als schaltbaren Spiegel einzusetzen, bietet in vielen Bereichen
optisch abbildender Systeme interessante Anwendungsmöglichkeiten,
insbesondere im Bereich der optischen Beobachtungsgeräte, wie
etwa im medizinischen Bereich bei Operationsmikroskopen, Endoskopen
etc., in denen zwischen verschiedenen Strahlengängen hin und her geschaltet
werden soll.
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Außer im Bereich
der abbildenden optischen Systeme kann der optische Schalter auch
zum Schalten von Laserstrahlen mit beliebiger Polarisation Verwendung
finden, vorausgesetzt die Lichtintensität des Laserstrahl übersteigt
nicht eine Schwelle, die zu Beschädigungen der Polarisationseinrichtung
führt. Insbesondere
wenn der optische Schalter symmetrisch aufgebaut ist, durchlaufen
die beiden Teillaserstrahlen optisch die gleichen Wege. Die linear
polarisierten Teilstrahlen des Lasers werden daher mit der richtigen
Phase wieder zusammengeführt,
sodass die ursprüngliche
Polarisation wieder hergestellt wird. Dabei ist sicherzustellen,
dass sich die durch die Reflektion im Polarisationsstrahlteiler
auftretenden Phasensprünge
zu einem Vielfachen von 2π aufaddieren.
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Des
Weiteren ist es auch möglich,
als Polarisationseinrichtung eine segmentierte bzw. pixelierte Flüssigkristallzelle
zu verwenden. Die segmentierte bzw. pixelierte Flüssigkristallzelle
stellt dabei eine Polarisationseinrichtung mit Bereichen (Segmente bzw.
Pixel), die individuell zwischen verschiednenen Schaltzuständen, bspw.
zwischen einem den Polarisationszustand erhaltenden und den Polarisationszustand ändernden
Zustand, hin und her zu schalten sind, dar. Die Abbildungseigenschaften
des optischen Systems, in welchem sich der erfindungsgemäße optische
Schalter befindet, können
mit Hilfe der segmentierten bzw. pixelierten Flüssigkristallzelle gezielt manipuliert
werden. Die Manipulationsmöglichkeiten
sind dabei abhängig
davon, an welcher Stelle im Strahlengang des Gesamtsystems die segmentierte
bzw. pixelierte Flüssigkristallzelle
eingesetzt wird. Eine symmetrische Anordnung, sowie sie in den 1 und 2 gezeigt
ist, erlaubt eine ähnliche
Flexibilität,
wie man sie bei Verwendung einer konventionellen segmentierten oder
pixelierten Flüssigkristallzelle
hat, da die Lichtlaufwege zwischen Strahlteiler und Flüssigkristallzelle
für beide Lichtwege
gleich lang sind und sich damit die gleichen Strahlkonvergenzen,
Fokussiereigenschaften, etc. für
die beiden Wege ergeben.
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In
den 3a und 3b sind
diejenigen Teilstrahlenbündel
b4 (3a) und b5 (3b) dargestellt,
die gemeinsam das Ausgangsstrahlenbündel b6 bilden und die sich
für verschiedene
Einfallswinkel des Eingangsstrahlen bündels b1 in den optischen Schalter
ergeben. Die Teilstrahlenbündel
b4 und b5 der unterscheiden sich im Ausgangszweig des optischen
Schalters außer
in ihrer Polarisationsrichtung nicht, sodass die Abbildungseigenschaften eines
abbildenden optischen Systems durch den erfindungsgemäßen Schalter
nicht beeinträchtigt
werden. Die pixelierte Flüssigkristallzelle
kann insbesondere als Display in einer optischen Abbildungsvorrichtung
Verwendung finden. Dies eröffnet
umfangreiche Möglichkeiten
in der Bildprojektionstechnik.
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Die 4 und 5 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel
für den
erfindungsgemäßen optischen
Schalter in einer schematischen Darstellung. Das zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass
als Polarisationseinrichtung eine Flüssigkristallzelle 71 dient,
die einen Bestandteil der Umlenkeinrichtung bildet. Die Flüssigkristallzelle 71 ist
als schaltbarer Reflektor mit einem ungeschalteten Zustand, in dem die
Polarisationsrichtung eines reflektierten Strahlenbündels unverändert bleibt,
und einem geschalteten Zustand, in dem die Polarisationsrichtung
eines reflektierten Strahlenbündels
um 90° gedreht
ist, ausgebildet. Elemente, die sich nicht von den Elementen des
ersten Ausführungsbeispiels
unterscheiden, sind mit denselben Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet. Die Funktionsweise des optischen Schalters entspricht
der des ersten Ausführungsbeispiels.
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Im
ungeschalteten Zustand der Flüssigkristallzelle 71 (4)
weisen die Teilstrahlenbündel
b2, b4 bzw. b3, b5 vor und nach der Reflektion an der Flüssigkristallzelle 71 dieselbe
Polarisationsrichtung auf, so dass das Teilstrahlenbündel b4
den Polarisationsstrahlteiler 1 ohne Richtungsablenkung
in Richtung auf den Ausgang A passiert und das Teilstrahlenbündel b5
vom Polarisationsstrahlteiler 1 in Richtung auf den Ausgang
A abgelenkt wird.
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Im
geschalteten Zustand der Flüssigkristallzelle 71 (5)
ist die Polarisationsrichtung der Teilstrahlenbündel b4, b5 nach der Reflektion
gegenüber der
Polarisationsrichtung der Teilstrahlenbündel b2 bzw. b3 vor der Reflektion
um 90° gedreht,
so dass nun das Teilstrahlenbündel
b5 den Polarisationsstrahlteiler 1 in Richtung auf den
Eingang E passiert und das Teilstrahlenbündel b4 vom Polarisationsstrahlteiler 1 in
Richtung auf den Eingang E abgelenkt wird.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
für den
erfindungsgemäßen optischen
Schalter ist in 6 dargestellt. Im Unterschied
zu zweiten Ausführungsbeispiel
dient die reflektierende Flüssigkristallzelle 75 gleichzeitig
zum Ablenken des Teilstrahlenbündels b2
in Richtung auf den Spiegel 3 und des Teilstrahlenbündels b5
in Richtung auf den Polarisationsstrahlteiler 1. Mit dieser
Ausgestaltung des erfindungemäßen optischen
Schalters lässt
sich die Anzahl der Bauelemente gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel
reduzieren.
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Statt
Reflektoren bzw. Spiegel können
im erfindungsgemäßen optischen
Schalter auch optische Fasern als lichtlenkende Elemente Verwendung
finden. Falls der Schalter in keinem abbildenden optischen Gerät eingesetzt
werden soll, genügt
grundsätzlich
eine einzige optische Faser pro lichtlenkendes Element. Ein derartiger
optischer Schalter mit lediglich einer einzigen optischen Faser
pro lichtlenkendes Element kann bspw. zum Schalten von Laserstrahlen
eingesetzt werden. Soll der optische Schalter mit optischen Fasern
als lichtlenkenden Elementen dagegen in einem abbildenden optischen Gerät zur Anwendung
kommen, so kann als ein lichtlenkendes Element ein Faserbündel mit
einer Vielzahl von Fasern Verwendung finden, wobei die einzelnen
Fasern jeweils ein Pixel eines pixelierten Bildes lenken können.
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7 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen optischen
Schalter. Der Schalter umfasst einen Polarisationsstrahlteiler 1, welcher
ein von Eingang E her einfallendes Eingangsstrahlenbündel b1
in ein erstes Teilstrahlenbündel
und ein zweites Teilstrahlebündel
b3 aufteilt und die beiden Teilstrahlenbündel jeweils verschiedenen
Enden 101, 103 einer optischen Faser 100 zuführt, welche
u.a. als Umlenkoptik dient. Als optische Faser 101 findet
eine optische Faser Verwendung, die nur linear polarisierte Strahlung überträgt. Derartige
Fasern übertragen
linear polarisierte Strahlung nur bei vorliegen einer Polarisationsrichtung,
die einer von zwei zueinander sowie zur Ausdehnungsrichtung der
Faser senkrecht stehenden Richtungen entspricht. Beim Durchgang
durch die Faser bleibt die Polarisationsrichtung der Strahlung relativ
zum Koordinatensystem der Faser erhalten.
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Der
optische Schalter weist außerdem
eine Einrichtung auf, mit der sich die beiden Faserenden 101, 103 gegeneinander
verdrehen lassen. Diese Einrichtung ist in 7 durch
die Pfeile an den Faserenden 101, 103 angedeutet.
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Wenn
die Enden 101, 103 der optischen Faser 100 nicht
gegeneinander verdreht sind, so bleibt die Polarisationsrichtung
der Teilstrahlenbündel
b2, b3 beim Durchgang durch die Faser 100 relativ zu einem
ortsfesten Koordinatensystem unverändert. Als Konsequenz fügt der Polarisationsstrahlteiler 1 die Teilstrahlenbündel b4,
b5 zu einem Ausgangsstrahlenbündel
b6 zusammen, welches er in Richtung auf den Ausgang A lenkt. Somit
transmittiert der Schalter das Eingangsstrahlenbündel b1 vollständig vom
Eingang E zum Ausgang A.
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Wenn
die Enden 101, 103 der optischen Faser 100 dagegen
um 90° gegeneinander
verdreht sind, so werden die Polarisationsrichtung der Teilstrahlenbündel b2,
b3 beim Durchgang durch die Faser 100 relativ zu einem
ortsfesten Koordinatensystem ebenfalls um 90° gedreht. Der Polarisationsstrahlteiler 1 fügt als Konsequenz
die Teilstrahlenbündel
b4, b5 zu einem Strahlenbündel
zusammen, welches er in Richtung auf den Eingang E lenkt. Somit
blockiert der Schalter den Strahlengang vom Eingang E zum Ausgang
A vollständig.
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Wenn
die Enden 101, 103 der optischen Faser weniger
als 90° gegeneinander
verdreht werden, so lässt
sich eine Abschwächung
der Intensität
des Ausgangsstrahlenbündels
b6 relativ zur Intensität des
Eingangsstrahlenbündels
b1 erzielen. Da das Verdrehen stufenlos möglich ist, lässt sich
so ein optischer Schalter realisieren, dessen Transmission stufenlos
zwischen vollständiger
Transmission des Eingangsstrahlenbündels und vollständiger Blockade des
Eingangsstrahlenbündels
einzustellen ist.
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In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
für den
erfindungsgemäßen optischen
Schalter waren zwei bzw. drei lichtlenkende Elemente (Spiegel, Reflektoren,
opt. Fasern) im Bereich des Strahlengangs der Teilstrahlenbündel b2,
b3, b4, b5 vorhanden. Es können
jedoch bei Bedarf auch weitere lichtlenkende Elemente im Strahlengang
der Teilstrahlenbündel
b2, b3, b4, b5 vorhanden sein.
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In 8 ist
beispielhaft ein erfindungsgemäßer optischer
Schalter als Teil einer Bildprojektionsvorrichtung dargestellt.
Als Polarisationseinrichtung findet eine pixelierte Flüssigkristallzelle 70 Verwendung,
welche symmetrisch zwischen den polarisationserhaltenden Spiegeln 3, 5 des
optischen Schalters angeordnet ist. Innerhalb des Strahlengangs
des optischen Schalters sind zudem zwei abbildende optische Anordnungen 72, 74 symmetrisch
zur pixelierten Flüssigkristallzelle 70 angeordnet,
die in 8 vereinfacht als Linsen dargestellt sind. Wenn
sich ein derart ausgestalteter optischer Schalter innerhalb des
parallelen Strahlenganges der Bildprojektionsvorrichtung befindet,
so sind die beiden abbildenden optischen Anordnungen 72, 74 im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
derart ausgestaltet und im Strahlengang des optischen Schalters
platziert, dass sich die pixelierte Flüssigkristallzelle 70 in
der Brennebene der optischen Anordnungen 72, 74 erstreckt.
Die Flüssigkristallzelle 70 dient
dann als Display, welches mittels der beiden abbildenden optischen
Anordnungen 72, 74 ins Unendliche abgebildet wird.
Alternativ kann auch eine außerhalb
des Strahlengangs des optischen Schalters angeordnete abbildende
Anordnung vorhanden sein, mit der ein Bild auf einen ebenfalls außerhalb
des Strahlengangs des optischen Schalters liegenden Schirm projiziert
wird. Die Bildebene der abbildenden optischen Anordnung liegt in diesem
Fall innerhalb des optischen Schalters und fällt mit der Ebene der pixelierten
Flüssigkristallzelle zusammen.
Da die Flüssigkristallzelle
auf beide Teilstrahlenbündel
im optischen Schalter wirkt, lässt
sich somit ein Projektor mit einem Display auf der Basis einer Flüssigkristallzelle
realisieren, der im Vergleich mit einem Projektor, welcher ein konventionelles Flüssigkristalldisplay,
d.h. eine Polarisator-Display-Analysator-Anordnung,
besitzt, einen um einen Faktor 2 erhöhten Lichtfluss aufweist.
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Die
beschriebenen Projektionsvorrichtungen können in vielen Bereichen zur
Anwendung kommen. Denkbar sind etwa Großprojektionssysteme, die sehr hohe
Lichtflüsse
erfordern, oder Kleinprojektionssysteme, wie etwa Head Mounted Displays
(HMD), Head-Up-Displays (HUD), Videookulare (Boomsysteme), etc.
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Wenn
als Polarisationseinrichtung eine pixelierte Flüssigkristallzelle zur Anwendung
kommt, bei der die Ausdehnung der Pixel etwa im Bereich der Wellenlänge des
zu schaltenden Strahlenbündels liegt,
kann die Flüssigkristallzelle
zur Beugung des durch sie hindurchtretenden Strahlenbündels benutzt und
daher als schaltbarer diffraktiver Lichtmodulator eingesetzt werden.
So lassen sich beispielsweise adaptive optische Elemente, z.B. Autofokus-Elemente, realisieren.
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Wenn
die optisch abbildenden Anordnungen und die pixelierte Flüssigkristallzelle
nicht so angeordnet werden, dass sich die Flüssigkristallzelle in der Brennebene
der abbildenden optischen Systeme sondern in deren Fourierebene
befindet, so lässt
sich eine Frequenzfilterung eines Bildes durchführen, ohne dass dabei ein Lichtverlust
aufgrund einer Polarisator-Analysator-Anordnung
erfolgen würde.
Ein derartiger Frequenzfilter kann Anwendungen in allen Bereichen
der abbildenden Optik haben. Insbesondere kann ein derartiger Frequenzfilter
in der Mikroskopie dazu verwendet werden, den Bildkontrast mittels
einer geeigneten Steuerung für
das pixelierte Flüssigkristallelement
gezielt zu manipulieren, bspw. um ihn an bestimmte Erfordernisse
anzupassen oder ihn zu optimieren.