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Polarisator Die Erfindung bezieht sich auf einen Polarisator, insbesondere
für die Beleuchtung von Fahrzeugen, bestehend aus aufeinandergeschichteteten, mit
Interferenzoberflächenschichten versehenen, praktisch planparallelen Platten, die
unter einem von 45° abweichenden Winkel a gegen die Richtung des einfallenden Strahls
geneigt sind und an welchen eine Trennung des über einen Raster auffallenden Lichtes
in seine beiden verschieden polarisierten Anteile erfolgt. Es sind Polarisatoranordnungen
bekanntgeworden, bei denen beide Polarisationskomponenten des einfallenden Lichtes
ausgenutzt werden können. Zu diesem Zweck ist die Lichteintrittsfläche periodisch
in Lichteintrittsstreifen und Lichtabdeckstreifen, welche Raster bilden, unterbrochen.
Das über einen Lichteintrittsstreifen eintretende Licht trifft auf Begrenzungen
mit absorptionsfreien Interferenzschichten, die unter dem Brewsterschen Winkel gegen.
den Lichtstrahl geneigt sind. Das parallel polarisierte Licht durchsetzt infolgedessen
diese Schichten ungehindert, d. h. ungeschwächt und ohne Richtungsänderung. Das
senkrecht polarisierte Licht wird dagegen praktisch vollständig reflektiert und
tritt nach nochmaliger Reflexion an einer zur ersten parallelen Schicht in der Eintrittsrichtung
aus, jedoch gegenüber dem Eintrittsstrahl parallel verschoben um einen Betrag d,
der im folgenden als Versetzung bezeichnet sei.
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An Hand der schematischen Zeichnung werden die Zusammensetzung und
Wirkung der bekannten Polarisatoren sowie die Merkmale der Polarisatoren gemäß der
Erfindung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 und 2 bekannte Anordnungen, Fig.
3 und 4 Anordnungen gemäß der Erfindung, Fig. 5, 6 und 7 Ausführungsformen von Rastern,
wie sie für Polarisato_ ren gemäß der Erfindung Anwendung finden.
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Wenn diese Schichten unter einem Winkel von 45° gegen den Lichtstrahl
geneigt sind, dann wird der Aufbau eines solchen Polarisators, wie bekannt, recht
einfach. Ist nämlich a die Breite des Liehteintrittsstreifens, so muß die Dicke
des Polarisators ebenfalls a werden, und die Dicke b der Platten, die aufeinandergeschichtet
sind, ist durchweg
Die Versetzung d hat ebenfalls die Größe a.
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Diese einfache Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß ein Winkel von
45° für den Polarisator eine ganz bestimmte Brechung der verwendeten Glasplatten
erfordert, so daß teure und schwere Spezialglassorten notwendig werden. Aus diesem
Grunde ist bei bekannten Vorrichtungen eine Reihe von Lösungen angegeben, die auch
bei von 45° abweichenden Neigungswinkeln der Schichten wirksam sind und mit handelsüblichem
Tafelglas hergestellt werden können. Diese Lösungen waren dadurch gekennzeichnet,
daß der aus einem Lichteintrittsstreifeh stammende Lichtanteil beim Durchtritt mindestens
zwei verschiedene Lichtteilungsebenen durchsetzt. Diese bekannte Lösung wird durch
Fig.2 dargestellt.
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Diese Lösung war zwar optisch einwandfrei, hatte jedoch technisch
den Nachteil, daß die Dicke der einzelnen Glasplatten sehr kritisch war und daß
diese untereinander verschiedene Dicke besitzen mußten.
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Es mußte nämlich die Periode des Polarisators mit derjenigen des Systems
aus Lichteintritts- und Lichtabdeckungsstreifen, abgekürzt im folgenden als Raster
bezeichnet, genau übereinstimmen.
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Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß diese schwer zu erfüllenden
Bedingungen, die in der Literatur eingehend begründet sind, sich durch eine Abänderung
umgehen lassen, so daß man zu einer für die technische Verwertung äußerst vorteilhaften
Form gelangt. Diese Form gemäß der Erfindung soll im folgenden genauer beschrieben
werden.
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Die Dicke der Platten möge den Wert b besitzen. Der Raster bestehe
aus Lichteintritts- und -abdeckstreifen. Die Summe der Breite beider Streifen gibt
die Periode d des Rasters. (Die Periode ist hierbei in der Richtung zu messen, die
senkrecht zu den Kanten verläuft, in der die einzelnen Platten des Polarisators
aneinanderstoßen.) Das Verhältnis der Breite eines beliebigen Lichtabdeckstreifens
zu der Periode des Rasters besitze den konstanten Wert q, der als »Abdeckanteil«
des Rasters bezeichnet sein möge und der aus praktischen Gründen in der Nähe von
2 liegen wird, so daß also Lichtabdeck- und Lichteintrittsstreifen praktisch gleich
breit sein werden. Entsprechend diesen Definitionen ist also die Breite der einzelnen
Lichtabdeckstreifen durch den Wert d - q, die Breite der Lichteintrittsstreifen
durch d (1 - q) gegeben.
Die erfindungsgemäße Lösung verlangt nun
lediglich, daß die Versetzung A einen Wert besitzt, der zwischen dem Wert des Lichteintritts-
und des Lichtabdeckstreifens liegt, und daß die Dicke h des Polarisators mit der
Versetzung A durch die Beziehung
verknüpft ist, worin a die Neigung der Schichten gegen Durchtrittsrichtung des Lichtes
bedeutet.
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Fig. 3 gibt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit q =
0,5 = 1 - q, so daß also
Der Zusammenhang von A mit der Dicke b der Platten ergibt sich aus den beiden Gleichungen
also durch Division
Für a = 45° erhält man also den bereits erwähnten trivialen Fall
Durch Einsetzen von (4) erhält (1) die folgende Form:
die in manchen Fällen vorteilhafter ist, da sie nur meßbare Größen enthält.
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Da bei normalem Fensterglas mit Schichten aus TiOa und Si02 der Winkel
a etwa 36° beträgt, so gilt angenähert h = 2,24 b (5a) A = 1,62 b (1 a) Der
Beweis, daß eine Anordnung, die diesen Bedingungen genügt, auch einen geeigneten
Polarisator ergibt, läßt sich dadurch führen, daß man zeigt, daß das Bündel parallelen
Lichtes, das durch den Lichteintrittsstreifen eintritt, bei seinem Austritt eine
Verteilung zeigt, die unabhängig von der speziellen Stellung des Eintrittsstreifens
zu den Lichtteilungsebenen ist.
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In Fig. 4 sind F., F1 und F2 drei aufeinanderfolgende Lichtteilungsebenen.
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Der polarisierte Strahl, der am Punkt A, eintritt, trifft auf die
Ebene F1 bei P1, wird dort nach Po reflektiert und tritt bei B, aus. Die Versetzung
ist offenbar A. Läßt man den Strahl nach AZ hin wandern, z. B. auf Al, so wird er
stets erst an der Ebene F1 und dann an der Ebene F" reflektiert werden. Wie man
aus der Ähnlichkeit der Dreiecke leicht ableiten kann, bleibt hierbei die Versetzung
A unverändert und ist es auch wieder, wenn man bei A 2 ankommt und von dort aus
nach B2 gelangt. In dem Gebiet zwischen AZ und A4 wiederholt sich dieses Spiel völlig
analog zwischen den Lichtteilungsebenen F2 und F1 und geht jenseits (4) analog weiter.
Wichtig ist hierbei, daß kein. Strahl mehr als zweimal reflektiert werden kann,
wenn man die in (5) angegebene Abhängigkeit der Polarisatordicke von der Plattenstärke
berücksichtigt. Andernfalls treten Unregelmäßigkeiten auf. Das gezeigte System aus
gleich dicken Einz°1platten, bei denen h die angegebene Abhängigkeit von b besitzt,
hat als einziges (von ganzzahligen Vielfachen, von h abgesehen, die kaum
praktische Bedeutung haben) die Eigenschaft, für senkrecht polarisiertes Licht einem
beliebigen Punkt A auf der Eintrittsebene einen um einen konstanten Betrag A versetzten
Punkt B der Austrittsebene zuzuordnen. Das Bild eines beliebig geformten Rasters,
der auf die Eintrittsfläche gelegt wird, wird also um den Betrag A versetzt auf
der Austrittsfläche erscheinen.
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Nun ist es ja offenbar die gestellte Aufgabe des Polarisators, die
Bilder für den parallel und den senkrecht polarisierten Strahl so zu legen, daß
sie voneinander getrennt werden. Falls diese Bilder unmittelbar aneinanderstoßen
sollen, muß also die Versetzung A gleichzeitig der Breite d (1 - q) eines Lichteintrittsstreifens
und der Breite d - q eines Lichtabdeckstreifens entsprechen. Andernfalls
würden die Bilder am einen oder anderen Rand nicht dicht zusammenstoßen. Es muß
also
sein, d. h., es muß gelten Lichteintrittsstreifen = Lichtabdeckstreifen = A.
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Ist der Lichteintrittsstreifen schmaler als der Abdeckstreifen und
ist A gleich
d.h. gleich der halben Summe beider, so wird offenbar zwischen den Bildern des senkrecht
und des linear polarisierten Lichtes ein dunkler, auf beiden Seiten gleich breiter
Zwischenraum sein. Er wird auf der einen Seite verschwinden, wenn. die Versetzung
gerade der Breite des Lichteintrittsstreifens entspricht, und auf der anderen Seite,
wenn sie der Breite des Lichtabdeckstreifens entspricht. Da eine Überlagerung der
hellen Streifen der zu senkrecht und parallel polarisiertem Licht gehörenden Bilder
offenbar nicht zulässig ist, weil dort eine Störzone unpolarisierten Lichtes entstehen
würde, so muß offenbar A zwischen d (1 - q) und d - q liegen. Dies ist die
im vorangehenden erwähnte weitere erfindungsgemäße Bedingung. Weitere Bedingungen
brauchen nicht erfüllt zu sein. Zum Beispiel kann der Raster beliebige Formen besitzen,
wenn nur die Periodizitätsbedingung für d erfüllt ist. Es sind also auch schrägliegende
Streifen verwendbar (vgl. Fig. 5 und 6).
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Dies hat den großen praktischen Vorteil, daß ein gegebener Raster,
bei dem der Abstand der Streifen senkrecht zur Längsausdehnung der Streifen einen
bestimmten Wert hat, der offenbar dem minimal damit erreichbaren d-Wert d,"s" entspricht,
durch einfache Drehung einen größeren
erhält, wo y den Verdrehungswinkel bedeutet. Falls y = 0, liegen offenbar die Symmetrieebenen
von Raster und Polarisator parallel, bei y -4 0 bilden sie miteinander einen Winkel.
Da die Raster, welche im allgemeinen aus Zylinderlinsensystemen bestehen, wirtschaftlich
nur durch Massenfertigung herstellbar sind, also genau vorgegebene Maße besitzen
werden, so besteht dadurch die Möglichkeit, sich auf bestimmte Dicken der Glasplatten
des Polarisators durch einfache Drehung einzustellen. Es ist nämlich selbst bei
Verwendung besten Spiegelglases damit zu rechnen, daß gewisse Dickenschwankungen
vorkommen. Durch Sortieren nach Dicken ist es nun zwar leicht möglich, innerhalb
eines Polarisators einheitliche Dicke der Platten zu erreichen, doch werden die
Polarisatoren dann eben in gewisse, nach Dicke abgestufte Gruppen fallen, an die
eine Anpassung der Raster auf die geschilderte Weise bequem möglich ist. Nur durch
diesen Kunstgriff ist eine rationelle Großfertigung möglich. Die genaue Einstellung
des Winkels
ist bei der Kontrolle der Polarisatorwirkung der Anordnung
leicht möglich.
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Man kann den geschilderten Effekt auch noch zu einem anderen Zweck
benutzen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß, um bei einem Autoscheinwerfer eine günstige
Form des Lichtkegels zu erzielen, die Streifenrichtung des Rasters senkrecht zur
Erdoberfläche stehen muß. Da jedoch bei der Verwendung linear polarisierten Lichtes
für Autoscheinwerfer die Polarisationsrichtung unter 45° geneigt sein muß, so kann
man den Polarisator selbst unter 45° gegen den Raster verdrehen. Andernfalls müßte
man auf zirkular polarisiertes Licht zurückgreifen oder durch besondere doppelbrechende
Folien die Polarisationsebene drehen.
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Auch eine Zickzack- oder Wellenform des Rasters erscheint möglich
(vgl. Fig. 7), die vielleicht aus Stabilitätsgründen vorteilhaft sein könnte. Ausführungsbeispiel
eines Polarisators Es sei die Plattendicke b = 2,95 mm (einschließlich Kitt) = 36°.
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Damit wird die Polarisatordicke h = 6,6 mm. Die Versetzung ist 4,77
mm.
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Die Periode d sei = 2 d = 9,54 mm q sei gleich 0,55, 1 - q = 0,45.