DE10223885A1

DE10223885A1 - Anordnung zur Polarisation von Licht

Info

Publication number: DE10223885A1
Application number: DE2002123885
Authority: DE
Inventors: Eberhard Piehler
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Polarisation von Licht, bevorzugt zur Verwendung in Projektoren, umfassend mindestens eine Beleuchtungsquelle (1), einen zur Homogenisierung des von der und/oder den Beleuchtungsquellen (1) ausgehenden Strahlenbündels (8) dienenden Integrator (3) sowie polarisationsoptische Mittel (2), die zwischen der Beleuchtungsquelle (1) und dem Integrator (3) positioniert sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelangt das polarisierte Licht unter einen Winkel alpha in die Lichteintrittsebene (E) des Integrators (3). Infolge der Gestaltung des Integrators (3) hat die durch die Anordnung erzeugte Vergrößerung des Winkelbereiches des polarisierten Lichtes keinen Einfluß auf die Homogenität des polarisierten Lichtes, da beim Durchgang des polarisierten Lichtes durch den Integrator (3) der vergrößerte Winkelbereich durch Strahlreflexionen an den Seitenflächen (11, 12) in der Lichtaustrittsebene (A) wieder aufgehoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Polarisation von Licht, bevorzugt zur Verwendung in Projektoren, umfassend mindestens eine Beleuchtungsquelle, einem zur Homogenisierung des von der und/oder den Beleuchtungsquellen ausgehenden Lichtbündels dienenden Integrator sowie polarisationsoptische Mittel, die zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Integrator positioniert sind.

Bekannt sind Anordnungen zur Polarisation von Licht, die als sogenannte Polarisations-Recovery-Systeme bezeichnet werden. Sie befinden sich im Beleuchtungsstrahlengang unpolarisierter Lichtquellen und finden vorwiegend dort Anwendung, wo hohe Beleuchtungsstärken polarisierten Lichtes verlangt werden oder eine besonders effektive Ausnutzung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes für den gesamten Polarisationszustand erforderlich ist. So können beispielsweise Displays mit Flüssigkristallzellen, die als Lichtventil in Projektoren eingesetzt sind, nur mit linearpolarisiertem Licht betrieben werden. Dabei soll der polarisiert nutzbare Anteil einer Lampenlichtleistung möglichst weit über 50% der gesamten unpolarisierten Lichtleistung liegen.

Da sich unter Verwendung klassischer, absorbierender Polarisatoren, wie beispielsweise doppelbrechende Kristalle oder Polarisationsfolien, dies nicht realisieren lässt, werden im zunehmenden Maße Prismenanordnungen verwendet (DE-PS 43 07 178 C2), mit denen das unpolarisierte Licht in zwei senkrecht zueinander polarisierte Anteile zerlegt wird. Anschließend wird der nicht transmissivpolarisierte Lichtanteil mit Hilfe mindestens einer Phasenplatte in die erforderliche Richtung gedreht und den bereits in die gewünschte Richtung polarisierten Anteil beigefügt.

In Abhängigkeit von der Ausführungsform wird damit die Kondensorkonstante der Beleuchtung etwa verdoppelt.

Bekannte Polarisations-Recovery-Systeme werden häufig in Projektoren auf der Basis transmissiver LCD's eingesetzt. Sie besitzen überwiegend einen Wabenkondensoren ähnlichen Aufbau, wobei die zweite Wabenplatte nahe der ersten liegt und an Stelle von Elementlinsen ein Raster aus vielen Prismenanordnungen vorgesehen ist. Damit wird die Funktion des Polarisations-Recovery mit der Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Lichtes verbunden. Sie haben aber den Nachteil, dass ihr Aufbau sehr kompliziert und somit das gesamte System kostenintensiv ist.

Die Vergrößerung des Lichtstromes des polarisierten Lichtes erfolgt entweder durch Vergrößerung der Fläche des sekundären Lichtes oder durch Erweiterung des Winkelbereiches des Lichtstromes über entsprechende reflektive polarisationsoptische Mittel.

Beide Varianten bewirken eine Erhöhung des Etendues, was die Effektivität bei der Übertragung des Lichtstroms über den Imager (Fläche und Winkelbereich beschränkt) reduziert.

Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Polarisation von Licht unter Verwendung eines Integrators, bevorzugt für den Einsatz in Projektoren, dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Vergrößerung des Winkelspektrums über die Polarisationseinheit nicht zu einer geringeren Effektivität bei der Übertragung des homogenisierten Lichtstromes über den Imager zur Projektionswand führt.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Polarisation von Licht der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Zwecke eines schrägen Lichteintritts in den Integrator die optische Achse des primären Strahlenbündels der Beleuchtungsquelle zur Achse des Integrators um einen Winkel α geneigt ist, der Brennpunkt des primären Lichtkegels in der Lichteintrittsebene des Integrators liegt, im primären Strahlenbündel ein reflektiver Polarisator derart positioniert ist, dass der Brennpunkt der reflektierten Teilstrahlen außerhalb des primären Strahlenbündels liegt und außerhalb des primären Strahlenbündels im Strahlengang der reflektierten Teilstrahlen ein Element zur Drehung der Polarisation um 90 Grad, vorzugsweise eine λ/4 Platte sowie ein elliptischer Reflektor vorgesehen sind, die die vom Polarisator reflektierten Teilstrahlen in den Brennpunkt des primären Strahlenbündels lenken und der Integrator so konzipiert ist, dass die Erweiterung des Winkelbereiches in der Lichteintrittsebene des Integrators in der Lichtaustrittsebene teilweise kompensiert wird.

Das von der Beleuchtungsquelle emmitierte unpolarisierte Licht trifft auf den Polarisator. Eine Polarisationsrichtung tritt durch den Polarisator hindurch in die Lichteintrittsebene des Integrators, der sowohl als Hohl-, als auch als Vollintegrator ausgebildet sein kann. Der andere Teil der Lichtstrahlen (andere Polarisationsrichtung) wird zunächst am Polarisator reflektiert und gelangt nach dem Durchgang durch die λ/4 Platte und erneuter Reflexion am elliptischen Spiegel nochmals durch die λ/4 Platte auf den Polarisator zurück bzw. direkt in die Lichteintrittsebene des Integrators. Infolge des Durchganges dieser Teillichtstrahlen durch die λ/4 Platte wird die Polarisationsrichtung gedreht, so dass der zunächst am Polarisator reflektierte Anteil den Polarisator durchdringt, beziehungsweise an ihm vorbei geleitet wird und den Winkelbereich des bereits in die Lichteintrittsebene gelangten polarisierten Lichtes vergrößert, da beide Polarisationsrichtungen des von der Beleuchtungsquelle ausgehenden Lichtes unter dem Winkel α in den gemeinsamen Brennpunkt, der in der Lichteintrittsebene liegt, gelangen.

An Stelle der λ/4 Platte kann auch ein anderes Bauelement eingesetzt werden welches bei zweifachem Lichtdurchtritt die Polarisationsrichtung um 90 Grad dreht.

Die sich zunächst für das Ausleuchten einer Fläche ungünstig auswirkende Winkelerhöhung wird durch die spezielle Gestaltung des Integrators wieder kompensiert.

Vorteilhafterweise besitzt der Integrator eine viereckförmige Lichteintritts- und eine viereckförmige Lichtaustrittsfläche, wobei in axialer Richtung zwei gegenüberliegende Seitenflächen parallel zueinander liegen und die anderen beiden gegenüberliegenden Seitenflächen in Richtung der Lichtaustrittsebene zueinander um einen Winkel β geneigt sind, der durch das Verhältnis zwischen der Größe der Lichtaustritts- zur Lichteintrittsfläche des Integrators definiert wird.

Beim Durchgang des Lichtes durch den Integrator ändern sich infolge der Neigung der zwei sich gegenüberliegenden Seitenflächen bei jeder Reflexion an einer der Flächen die Strahlwinkel, das heisst der durch das Recovery-System erzeugte vergrößerte Winkelbereich in der Eintrittsebene ist in der Lichtaustrittsebene des Integrators wieder aufgehoben.

Der Integrator sollte zweckmäßigerweise so gestaltet werden, dass das Verhältnis der Lichtaustrittsfläche zur Lichteintrittsfläche (entspricht dem Kantenverhältnis von Austrittsseite zu Eintrittsseite) etwa dem Bildformat von beispielsweise 16 zu 9 entspricht.

Von Vortel ist es, wenn der verwendete Polarisator als Drahtgitterpolarisator ausgebildet ist, da derartige Polarisatoren über große Winkelbereiche und große Wellenlängenbereiche sehr gleichmäßig arbeiten.

Zweckmäßigerweise beträgt der Winkel α zwischen der optischen Achse des primären Lichtkegels und der Achse des Integrators 15 bis 25 Grad.

Der Ellipsoid (Reflektor) für die reflektierten Teilstrahlen sollte ferner vorteilhafterweise so gewählt werden, dass seine Exzentrizität e <= 0,4 ist.

In einem nachstehenden Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Anordnung näher erläutert werden.
Die dazugehörende Figur zeigt eine mit einem elliptischen Reflektor versehene Beleuchungsquelle 1, einen Polarisator 2, einem zum Zwecke der Homogenisierung des polarisierten Lichtes dienenden Integrator 3, eine λ/4 Platte 4 zur Drehung der Polarisationsrichtung sowie einem zusätzlich im Strahlengang angeordneten elliptischen Reflektor 5.
Die Beleuchtungsquelle 1 ist dabei so angeordnet, dass ihre optische. Achse 6 zur Achse 7 des Integrators 3 einen Winkel α von 20 bis 25 Grad einschließt. Als Polarisator 2 wird vorliegend ein Drahtgitterpolarisator verwendet. Seine Position zwischen der Beleuchtungsquelle 1 und dem Integrator 3 ist dabei so gewählt, dass das an seiner Grenzschicht reflektierte Licht in einen Raum, der außerhalb des primären Strahlenbündels 8 liegt, gelangt, das heisst, der Brennpunkt F_R der reflektierten Teilstrahlen 10 unmittelbar neben dem primären Strahlenbündel 8 liegt, wobei seine Lage im vorliegenden Beispiel durch den Abstand a zum Brennpunkt F_T des primären, beziehungsweise sekundären, Strahlenbündels 8, 9 definiert ist.
Das von der Beleuchtungsquelle 1 emmitierte unpolarisierte Licht, welches durch das Strahlenbündel 8 charakterisiert ist, trifft auf die Grenzfläche des Polarisators 2. An der Grenzfläche wird das Strahlenbündel 8 in die die Grenzfläche passierenden, linearpolarisierten Teilstrahlen 9 und die ebenfalls linearpolarisierten reflektierten Teilstrahlen 10 aufgespalten. Die Polarisationsrichtungen der Teilstrahlen 9 und 10 sind dabei senkrecht zueinander ausgerichtet. Die den Polarisator 2 durchdringenden Teilstrahlen 9 treffen infolge der Anordnung der Beleuchtungsquelle 1 schräg auf den Integrator 3, wobei der Brennpunkt F_T in der Eintrittsebene E des Integrators 3 liegt. Die Teilstrahlen 10 gelangen auf den elliptischen Reflektor 5 und werden von diesem in den gemeinsamen Brennpunkt F_T reflektiert. Infolgedessen, dass im Strahlengang der reflektierten Teilstrahlen 10 eine λ/4 Platte 4 positioniert ist, die die Teilstrahlen 10 zweimal durchlaufen, werden die reflektierten Teilstrahlen 10 in die Richtung der Teilstrahlen 9 linearpolarisiert und passieren nun ebenfalls die Grenzschicht des Polarisators 2 in den gemeinsamen Brennpunkt F_T.
Es ist auch möglich, den Polarisator in seiner Ausdehnung so zu gestalten, dass die reflektierten Teilstrahlen 10 ihn ebenfalls passieren.
Der Integrator 3 ist als Hohlintegrator ausgebildet und besitzt, aus der Figur aus Gründen der vereinfachten Darstellung nicht ersichtlich, sowohl eine rechteckförmige Lichteintritts- als auch eine rechteckförmige Lichtaustrittsfläche, wobei die zwei nicht dargestellten Seitenflächen parallel zueinander verlaufen und die beiden anderen, sichtbaren Seitenflächen 11 und 12 zwischen der Lichteintrittsebene E und der Lichtaustrittsebene A einen Winkel β einschließen, der durch ein Kantenverhältnis (Kante Austrittsfläche zu Kante Eintrittsfläche) von 16 zu 9 definiert ist.
Durch die Gestaltung des Integrators 3 in Verbindung mit der Anordnung der Beleuchtungsquelle 1 ändern sich beim Durchgang des polarisierten Lichtes durch den Integrator 3 die Reflexionen der Strahlwinkel an den "schrägen" Seitenflächen 11 und 12, so dass die in der Lichteintrittsebene E vorhandene Winkelerhöhung wieder aufgehoben wird. Bezugszeichenliste 1 Beleuchtungsquellle
2 Polarisator
3 Integrator
4 λ/4 Platte
5 Reflektor
6 optische Achse
7 Achse Integrator
8 Strahlenbündel
9, 10 Teilstrahlen
11, 12 Seitenflächen
a Abstand
E Lichteintrittsebene
A Lichtaustrittsebene
F_T Brennpunkt transmissiv
F_R Brennpunkt reflektiv
α, β Winkel

Claims

1. Anordnung zur Polarisation von Licht, bevorzugt zur Verwendung in Projektoren, umfassend mindestens eine Beleuchtungsquelle (1), einem zur Homogenisierung des von der und/oder den Beleuchtungsquellen (1) ausgehenden Strahlenbündels (8) dienenden Integrator (3) sowie polarisationsoptische Mittel (2), die zwischen der Beleuchtungsquelle (1) und dem Integrator (3) positioniert sind, dadurch gekennzeichnet,
dass zum Zwecke eines schrägen Lichteintritts in den Integrator (3) die optische Achse (6) des primären Stahlenbündels (8) der Beleuchtungsquelle (1) zur Achse (7) des Integrators (3) um einen Winkel α geneigt ist,
der Brennpunkt (F_T) des primären Strahlenbündels (8) in der Lichteintrittsebene (E) des Integrators (3) liegt,
im primären Strahlenbündel (8) ein reflektiver Polarisator (2), derart positioniert ist, dass der Brennpunkt (F_R) der reflektierten Teilstrahlen (10) außerhalb des primären Strahlenbündels (8) liegt,
außerhalb des primären Strahlenbündels (8) im Strahlengang der reflektierten Teilstrahlen (10) ein Element (4) zur Drehung der Polarisation um 90 Grad bei zweifachem Lichtdurchtritt sowie ein elliptischer Reflektor (5) vorgesehen sind, die die vom Polarisator (2) reflektierten Teilstrahlen (10) in den Brennpunkt (F_T) des primären Strahlenbündels (8) lenken und
der Integrator (3) so konzipiert ist, dass die Erweiterung des Winkelbereiches in der Lichteintrittsebene (E) des Integrators (3) in der Lichtaustrittsebene (A) teilweise kompensiert wird.

2. Anordnung zur Polarisation von Licht, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (3) eine viereckförmige Lichteintritts- und eine viereckförmige Lichtaustrittsfläche aufweist, wobei in axialer Richtung zwei gegenüberliegende Seitenflächen parallel zueinander liegen und die anderen beiden gegenüberliegenden Seitenflächen (11, 12) in Richtung der Lichtaustrittsebene (A) zueinander um einen Winkel β geneigt sind.

3. Anordnung zur Polarisation von Licht, nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β zwischen den beiden gegenüberliegenden, zueinander geneigten Seitenflächen (11, 12) des Integrators (3) durch das Verhältnis zwischen der Größe der Lichtaustrittsfläche zur Größe der Lichteintrittsfläche bei einem Kantenverhältnis gegenüberliegender Kanten der Lichtaustrittsfläche zur Lichteintrittsfläche vom 16 zu 9 definiert ist.

4. Anordnung zur Polarisation von Licht, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator (2) als Drahtgitterpolarisator ausgebildet ist.

5. Anordnung zur Polarisation von Licht, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α zwischen der optischen Achse (6) des primären Strahlenbündels (8) und der Achse (7) des Integrators (3) 15 bis 25 Grad beträgt.

6. Anordnung zur Polarisation von Licht, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität des elliptischen Reflektors (5) für die reflektierten Teilstrahlen (10) kleiner gleich 0,4 ist.

7. Anordnung zur Polarisation von Licht, nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Element (4) zur Drehung der Polarisation der reflektierten Teilstrahlen (10) um 90 Grad eine λ/4 Platte vorgesehen ist.