DE10328698A1 - Anordnung zur Polarisation von Licht - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Polarisation von Licht, bevorzugt zur Anwendung im Beleuchtungszweig digitaler Projektoren aus LCD- oder LCoS-Basis, mit mindestens einer Beleuchtungsquelle und einem Polarisationskonverter, wobei zum Zwecke der Aufspaltung der in den Polarisationskonverter eindringenden unpolarisierten Lichtstrahlen (13) in einen ersten transmissiven Strahlengang (14) und in einen zweiten reflektiven Strahlengang (16) mit um 90 DEG zueinander gedrehter Polarisationsebene ein Polarisationsstrahlteiler (PBS) (1) integriert ist und optische Elemente (2, 3, 4, 5) zur Konvertierung mindestens eines der Strahlengänge zur gemeinsamen Lichtaustrittsrichtung in einer Polarisationsebene vorgesehen sind. DOLLAR A Durch die erfindungsgemäße Anordnung totalreflektierender Strahlumlenkelemente (2, 3, 4, 5) wird eine vom Einfallswinkel des Lichtes unabhängige geometrische Konvertierung hoher Effizienz realisiert.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Polarisation von Licht, bevorzugt zur Anwendung im Beleuchtungszweig digitaler Projektoren auf LCD- oder LCoS – Basis, mit mindestens einer Beleuchtungsquelle und einem Polarisationskonverter, wobei zum Zwecke der Aufspaltung der in den Polarisationskonverter eindringenden unpolarisierten Lichtstrahlen in einen ersten transmissiven Strahlengang und in einen zweiten reflektiven Strahlengang mit um 90 Grad zueinander gedrehter Polarisationsebene ein Polarisationsstrahlteiler (PBS) integriert ist und optische Elemente zur Konvertierung mindestens eines der Strahlengänge zur gemeinsamen Lichtaustrittsrichtung in einer Polarisationsebene vorgesehen sind.
• Insbesondere bei digitalen Projektionssystemen, die zur Modulation von Bildinformationen auf der Basis von LCD oder LCoS arbeiten, wird im Beleuchtungszweig linear polarisiertes Licht benötigt. Dieses wird bekannterweise durch einen Vorpolarisator oder ein Polarisationskonvertersystem bereitgestellt. Dabei wird die nicht benutzte Polarisationskomponente aus dem Beleuchtungsstrahlengang extrahiert. Nach der Konvertierung dieser Komponente gelangt sie erneut in den Beleuchtungsstrahlengang.
• Bekannte Polarisationskonverter verwenden entweder polarisationsselektive Gitter oder es werden Lichtmischstäbe mit polarisationsselektiven Ausgängen verwendet. Die Polarisationskonvertierung erfolgt dabei über λ/4 Reflektoren.
• Eine derartige Anordnung wurde beispielsweise von M.Duelli, T.Mc Gettigan (OCLI-A JDS Uniphase Corporation) und C. Pentico (Advanced Digital Optics) auf der Electronic Imaging 01/2002 in San Jose, California, USA vorgestellt. Dabei wird ein Vollintegrator (Lichtmischstab) verwendet, dessen Lichteintrittselement eine in Richtung des Innenraumes des Integrators aufweisende reflektierende Fläche aufweist. In der Austrittsebene befindet sich ein reflektiver Polarisator.
• Das über die Lichteintrittsöffnung in den Integrator einfallende Licht wird durch Totalreflexion im Integrator gemischt und gelangt auf den reflektierenden Polarisator. Während der transmissionspolarisierte Teil des Lichtes durch den Polarisator hindurch aus dem Integrator austritt, gelangt der nichttransmissionspolarisierte Lichtanteil zurück an die Innenfläche des Lichteintrittselementes, wird dort reflektiert und beim erneuten Durchgang durch den Integrator nochmals homogenisiert. Zur Drehung der Polarisationsrichtung der Lichtstrahlen werden zusätzlich λ/4-Platten im Integrator angeordnet. Wiederum gelangt der transmissionspolarisierte Anteil durch den Polarisator und wird dem bereits transmissionspolarisierten Licht beigefügt. Dieser Prozess erfolgt so lange, bis der gesamte Lichtanteil, abgesehen von den absorbierten Teilstrahlen sowie Reflexionsverlusten, in die gewünschte Richtung polarisiert wurde und aus dem Integrator austritt.
• Derartige Anordnungen haben den Vorteil, dass die Kondensorkonstante nur im Verhältnis von Austritts- zu Eintrittsfläche des Integrators vergrößert wird. Mit Vergrößerung dieses Verhältnisses wird die Konversion verbessert. Gleichzeitig vergrößert sich aber auch das Etendue.
• Nachteilig hingegen ist, dass eine λ/4-Platte zur Drehung der Polarisationsrichtung im Inneren des Lichtmischstabes (Vollintegrator) anzuordnen ist, die mehrfach durchlaufen werden muß.
• Eine weitere bekannte Variante zur Polarisationskonvertierung besteht darin, einen Polarisationsstrahlteiler (PBS) mit einem Umlenkprisma oder einem Umlenkspiegel in Verbindung mit einer λ/2-Platte zu verwenden. Derartige Systeme können sowohl als Einzelkomponentenanordnungen oder als Komponentenarray eingesetzt werden.
• Dabei wird das von einer Beleuchtungsquelle kommende unpolarisierte Licht am PBS in seine zwei Komponenten aufgespalten, das heißt bezüglich der Haupteinfallsebene in die p-polarisierte und die s-polarisierte Komponente. Über die λ/2-Platte wird eine der Komponenten in ihrer Orientierung an die Richtung der anderen Komponente angepaßt. Die gleichpolarisierten Komponenten werden anschließend in einem optischen System weiterverarbeitet. Eine derartige Anordnung wird beispielsweise in WO 02/17000 A2 beschrieben.
• Durch die Polaufspaltung vergrößert sich das Etendue der Beleuchtung mindestens um den Faktor 2, das heißt die Leuchtfläche wird unter Beibehaltung der numerischen Apertur in etwa verdoppelt.
• Als nachteilig erweist sich die Verwendung von λ/2-Platten in breitbandigen Systemen über den gesamten Spektralbereich, da hier λ/2 nur für eine Wellenlänge exakt eingestellt werden kann und in den davon abweichenden Wellenlängenbereichen keine vollständige Konvertierung der Polarisation möglich ist. Verbesserungen könnten nur über den Einsatz breitbandiger λ/2-Platten realisiert werden. Dies trifft auch auf Anordnungen mit λ/4-Platten zu.
• Ein weiterer wesentlicher Nachteil der Verwendung von λ/2- oder λ/4-Platten besteht darin, dass die Qualität der Polarisationskonvertierung stark vom Einfallswinkel (Ellipsität des ausgehenden Strahls), vor allem bei einer großen numerischen Apertur der verwendeten Beleuchtung abhängt. Darüberhinaus sind die meist aus Polymeren bestehenen λ/2- beziehungsweise λ/4-Platten sehr empfindlich und weisen nur eine geringe Lebensdauer auf.
• Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nahezu unempfindliche Anordnung zur Polarisation von Licht zu entwickeln, mit der unabhängig vom Einfallswinkel der Beleuchtung eine exakte Polarisationskonvertierung mit verbesserter Effizienz über einen langen Zeitraum möglich ist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die optischen Elemente als Strahlumlenkelemente ausgebildet sind und totalreflektierende Funktionsflächen aufweisen, wobei in einem der Strahlengänge entlang der Strahlausbreitungsrichtung eine Funktionsfläche zum Zwecke der Anpassung der Polarisationsebene an die Polarisationsebene des anderen Strahlenganges vorgesehen ist.
• In Analogie zu den Lösungen des Standes der Technik erfolgt zunächst die Aufspaltung des von der Beleuchtungsquelle ausgehenden unpolarisierten Lichtes am PBS in eine transmissive und eine reflektierende Komponente (Strahlengang). Erfindungsgemäß erfolgt die anschließende Konvertierung einer der beiden Komponenten in Verbindung mit der nachfolgenden Zusammenführung der Komponenten und weiteren Verarbeitung nicht durch eine oder mehrere λ/4-Platten, sondern auf geometrischem Wege über die speziell ausgebildeten Funktionsflächen der Strahlumlenkelemente. Die Anordnung und Ausbildung der Strahlumlenkelemente führt dazu, dass eine Komponente der vom PBS ausgehenden Lichtstrahlung bezüglich der Haupteinfallsebene des PBS durch Totalreflektion zur Polarisationsrichtung der anderen Komponente gedreht wird. Über die totalreflektierende Funktionsfläche eines zweiten Strahlumlenkelementes, welches sowohl im Strahlengang der ersten Komponente, als auch im Strahlengang der zweiten Komponente angeordnet sein kann, erfolgt anschließend die Anpassung der polarisierten Lichtstrahlung zur gemeinsamen Lichtaustrittsrichtung aus dem Polarisationskonverter. Die Totalreflektion erfolgt dabei achromatisch. Bedingt durch die geometrische Drehung der Polarisationsebene sowie die Ablenkung der Komponenten durch Totalreflektion wird eine Polarisationskonvertierung auch für große numerischen Aperturen bei hoher Effizienz ohne Einfallswinkelabhängigkeit möglich. Diese ist jedoch durch die Bedingung der Totalreflexion begrenzt.
• Zweckmäßigerweise ist das Strahlumlenkelement zur Anpassung der Polarisationsebene des ersten Srahlenganges an die Polarisationsebene des zweiten Strahlenganges und das Strahlumlenkelement zur Ablenkung des Strahlenganges in die Lichtaustrittsrichtung im gleichen Strahlengang angeordnet, wobei wie bereits beschrieben, die Anordnung des Strahlumlenkelementes in Abhängigkeit von der erforderlichen Lichtaustrittsöffnung auch im anderen Strahlengang denkbar ist.
• Als vorteilhaft hat sich gezeigt, die Strahlumlenkelemente als Prismenanordnungen (TIR-Lichtleiter) auszubilden, die aus gleichschenkligen Prismen (45 Grad-Prismen) bestehen, wobei die totalreflektierenden Funktionsflächen die über den Hypotenusen gebildeten Flächenanteile sind.
• Ferner ist es von Vorteil, in jedem Strahlengang mindestens ein Strahlumlenkelement zur Auslenkung der Lichtanteile in die gemeinsame Lichtaustrittsöffnung vorzusehen, wobei die Anzahl der Stahlumlenkelemente von der Größe und dem Ort der Lichtaustrittsfläche abhängig ist.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht ferner darin, die zur Strahlumlenkung vorgesehenen Prismen über ihre Kathetenflächen derart miteinander zu verbinden, dass die Funktionsflächen benachbarter Prismen parallel zueinander liegen und in einem Strahlengang zum Zwecke der Drehung der Polarisationsebene die Funktionsflächen zweier benachbarter Prismen um 90 Grad versetzt zueinander angeordnet sind.
• Obwohl sich die Verwendung von Prismen zur Drehung der Polarisationsrichtung sowie zur Ablenkung der polarisierten Lichtstrahlen in die Lichtaustrittsrichtung beziehungsweise in die Lichtaustrittsöffnung als besonders günstig erweisen, da die Verbindung der einzelnen Elemente unproblematisch ist, sind auch andere Strahlumlenkelemente, die verspiegelte Flächen aufweisen, denkbar.
• Insbesondere in digitalen Projektionssystemen mit LCD Modulatoren besteht eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Anordnung darin, den Polarisationskonverter mit seiner Lichtaustrittsfläche unmittelbar an einen Lichtintegrator zu koppeln.
• Das unpolarisierte, nicht homogene Licht, wird dabei am Eingangssport des PBS gesammelt. Nach der Aufspaltung des Lichtes in die p-polarisierte und s-polarisierte Komponente und der anschließenden Konvertierung in der bereits beschriebnen Art gelangt das Licht in die Lichteintrittsfläche des Lichtintegrators. Dieser leitet polerhaltend das Licht zu seiner Lichtaustrittsfläche und homogenisiert dabei die Lichtverteilung.
• Zweckmäßigerweise ist dabei der Lichtintegrator ein Vollglasintegrator, wobei auch eine Anordnung des Polarisationskonverters an einen Hohlintegrator möglich ist.
• Denkbar ist ferner eine Anordnung, bei der als Beleuchtungsquelle das von einem Lichtintegrator homogenisierte Licht vorgesehen ist, wobei der Lichtintegrator mit seiner Lichtaustrittsfläche vor dem Polarisationskonverter angeordnet oder direkt an den Polarisationskonverter angekoppelt sein kann.
• Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft naher erläutert werden. Es zeigen:
• 1: eine schematische Ansicht des Polarisationskoverters und
• 2: eine schematische Darstellung der Anordnung mit einem Lichtintegrator.
• 1 zeigt den Aufbau des Polarisationskonverters mit einem Polarisationsstrahlteiler (PBS) 1 und einer daran angekoppelten Prismenanordnung zur Stahlumlenkung, bestehend aus einem Prisma 2, einen Prisma 3, einem Prisma 4 und einem zur Drehung der Polarisationsebene dienenden Prisma 5. Die Prismen 2, 3, 4 und 5 sind gleichschenklige Prismen (halbe Würfel), deren totalreflektierend ausgebildete Funktionsflächen 6, 7, 8 und 9, die über den jeweiligen Hypotenusen gebildeten Flächenanteile sind. Die Prismen 2 und 3 sind dabei derart über ihre Kathetenflächen miteinander verbunden, dass an ihren Funktionsflächen 6 und 7 jeweils eine Strahlablenkung um 90 Grad möglich ist, ohne das dabei eine Polarisationsrichtungsänderung erfolgt. Die Verbindung der Prismen 4 und 5 über ihre Kathetenflächen hingegen zeigt, wie nachfolgend beschrieben, dass an der Funktionsfläche 9 des Prismas 5 sowohl eine Strahlablenkung um 90 Grad als auch eine Drehung der Polarisationsebene um 90 Grad realisiert wird.
• Der PBS 1 befindet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der Hypothenusenfläche eines Prismas 10. Das Prisma 11 bildet mit dem Prisma 10 einen Teilerwürfel, während das Prisma 12 den Glasweg des Strahlenganges 16 bis zur Lichtaustrittsfläche 15 verlängert.
• Das von einer nicht näher dargestellten Beleuchtungsquelle ausgehende, unpolarisierte Licht 13 gelangt auf den PBS 1. Der p-polarisierte Strahlengang 14 durchdringt den PBS 1, wird von der Funktionsfläche 6 des Prismas 2 auf die zu dieser Funktionsfläche parallel liegende Funktionsfläche 7 des Prismas 3 totalreflektiert und gelangt wiederum durch Totalreflektion an der Funktionsfläche 7 zur Lichtaustrittsfläche 15.
• Der am PBS 1 s-polarisierte Strahlengang 16 trifft auf die Funktionsfläche 8 des Prismas 4 und wird zur Funktionsfläche 9 des Prismas 5 totalreflektierend abgelenkt. Aufgrund der Anordnung des Prismas 5 auf dem Prisma 4 (Funktionsflächen 8 und 9 der Prismen 4 und 5 liegen nicht parallel zueinander) erfolgt an der Funktionsfläche 9 sowohl eine Ablenkung des bis dahin s-polarisierten Strahlenganges 16 um 90 Grad zur Lichtaustrittsfläche 15 als auch eine Drehung der Polarisationsebene (Konvertierung von s- polarisiert zu p-polarisiert) und gelangt ebenfalls als p-polarisierter Strahlengang 14a zur Lichtaustrittsfläche 15.
• 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in Verbindung mit einem an der Lichtaustrittsfläche 15 angekoppelten Vollglasintegratorstab 17. Das dargestellte System könnte beispielsweise im Beleuchtungszweig eines digitalen Projektors zum Einsatz kommen.
• Das über die Prismenanordnung nach 1 konvertierte Licht gelangt in die Lichteintrittsfläche 18 des Vollintegratorstabes 17. Dieser leitet polerhaltend das Licht zu seiner Lichtaustrittsfläche 19 und homogenisiert dabei die Lichtverteilung. Die Querschnitte von Eingangsport des PBS 1 und Ausgangsport des Vollintegratorstabes 17 sind dabei derart aneinander angepaßt, dass der nahezu quadratische Eingangsport das von der Beleuchtungsquelle in eine runde Fläche abgegebene Licht exakt einsammeln kann und der Ausgangsport gut zu den in Projektionssystemen verwendeten 16:9 Aspektratio geformten Bildgebern paßt.

1

Polarisationsstrahlteiler (PBS)

2,3,4,5,10,11,12

Prisma

6,7,8,9

Funktionsfläche

13

Licht unpolarisiert

14, 14a

p-polarisierter Strahlengang

15

Lichtaustrittsfläche

16

s-polarisierter Strahlengang

17

Vollglaslichtintegrator

18

Lichteintrittsfläche

19

Lichtaustrittsfläche

Claims (7)

1. Anordnung zur Polarisation von Licht, bevorzugt zur Anwendung im Beleuchtungszweig digitaler Projektoren auf LCD- oder LCoS-Basis, mit mindestens einer Beleuchtungsquelle und einem Polarisationskonverter, wobei zum Zwecke der Aufspaltung der in den Polarisationskonverter eindringenden unpolarisierten Lichtstrahlen (13) in einen ersten transmissiven Strahlengang (14) und in einen zweiten reflektiven Strahlengang (16) mit um 90 Grad zueinander gedrehter Polarisationsebene ein Polarisationsstrahlteiler (PBS) (1) integriert ist und optische Elemente (2, 3, 4, 5) zur Konvertierung mindestens eines der Strahlengänge zur gemeinsamen Lichtaustrittsrichtung in einer Polarisationsebene vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (2, 3, 4, 5) als Strahlumlenkelemente ausgebildet sind und totalreflektierende Funktionsflächen (6, 7, 8, 9) aufweisen, wobei in einem der Strahlengänge (14, 16) entlang der Strahlausbreitungsrichtung eine Funktionsfläche (9) zum Zwecke der Anpassung der Polarisationsebene an die Polarisationsebene des anderen Strahlenganges (16) vorgesehen ist.
2. Anordnung zur Polarisation von Licht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkelemente Prismenanordnungen sind, die aus gleichschenkligen Prismen (2, 3, 4, 5) bestehen, wobei die totalreflektierenden Funktionsflächen (6, 7, 8, 9) die über den Hypotenusen gebildeten Flächenanteile sind.
3. Anordnung zur Polarisation von Licht nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Strahlumlenkung vorgesehenen Prismen (2, 3) über ihre Kathetenflächen derart miteinander verbunden sind, dass die Funktionsflächen (6, 7) benachbarter Prismen (2, 3) in einem Strahlengang (14) parallel zueinander liegen und im anderen Strahlengang (16) zum Zwecke der Drehung der Polarisationsebene die Funktionsflächen (8, 9) zweier benachbarter Prismen (4, 5) um 90 Grad versetzt zueinander angeordnet sind.
4. Anordnung zur Polarisation von Licht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsflächen (6, 7, 8, 9) der Strahlumlenkelemente (2, 3, 4, 5) Spiegel sind.
5. Anordnung zur Polarisation von Licht nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationskonverter mit seiner Lichtaustrittsfläche (15) unmittelbar an einen Lichtintegrator (17) gekoppelt ist.
6. Anordnung zur Polarisation von Licht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtintegrator (17) ein Vollglasintegratorstab ist.
7. Anordnung zur Polarisation von Licht nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beleuchtungsquelle das von einem Lichtintegrator homogenisierte Licht vorgesehen ist, wobei der Lichtintegrator mit seiner Lichtaustrittsfläche vor dem Polarisationskonverter angeordnet oder direkt an den Polarisationskonverter angekoppelt ist.