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Die Erfindung betrifft ein Polarisationselement
gemäß Patentanspruch
1, das beispielsweise in dem optischen System eines Flüssigkristallprojektors
dazu dient, Lichtstrahlen in übereinstimmenden Richtungen
zu polarisieren. Die Erfindung betrifft ferner eine Polarisationsanordnung
gemäß Anspruch
B.
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Bei einem bekannten Flüssigkristallprojektor fällt das
Licht auf ein Flüssigkristallfeld
(LCD), bevor es auf einen Schirm projiziert wird. Das Flüssigkristallfeld
hat eine matrixförmige
Anordnung von Pixeln, so daß ein
Objektbild durch den Polarisationszustand erzeugt werden kann, der
abhängig
von der an jedem Pixel anliegenden Spannung veränderlich ist.
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Das auf das Flüssigkristallfeld fallende Licht muß linear
polarisiert sein, also eine einheitliche Polarisationsrichtung haben.
Wenn eine Polarisationsplatte zum Erzeugen des linear polarisierten
Lichtes dient, wird die von der Lichtquelle ab gegebene Lichtmenge
um die Hälfte
reduziert, bevor sie den Schirm erreicht, denn die Polarisationsplatte
verursacht einen Lichtverlust. Dadurch wird der Schirm dunkel. Es wird
deshalb ein Polarisationselement benötigt, das keine oder nur wenig
Lichtverluste verursacht.
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Die Druckschrift
DE 91 16 743 U1 offenbart ein
Polarisationselement mit zwei reflektierenden Flächen und einer polarisierenden
Strahlteilerebene, bei der das einfallende Licht parallel zur einen
reflektierenden Fläche
eingestrahlt wird und unter einem Winkel von 45° auf die polarisierende Strahlteilerebene
auftrifft. Die Drehung der Schwingungsebene des einen linear polarisierten
Lichtanteils um 90° wird
bei diesem Polarisationselement durch eine Viertelwellenlängenplatte
erreicht, die an der einen reflektierenden Fläche angeordnet ist und zweimal
von dem entsprechenden Lichtanteil durchlaufen wird. Zum Stand der
Technik wird ferner noch auf die Druckschrift
US 5 295 018 verwiesen. In dieser
Druckschrift ist ein Polarisationselement offenbart, das ohne Viertelwellenlängenplatte
auskommt.
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Bei dem Polarisationselement nach
DE 91 16 743 U1 ist
die Halbwellenplatte kostspielig, und die Schärfe des zu projizierenden Bildes
wird reduziert. Allgemein ist eine Halbwellenplatte eine doppelt brechende
planparallele Platte, deren Dicke abhängig für eine Wellenlänge so eingestellt
ist, daß ein vorgegebener
Phasenunterschied zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahlanteil
auftritt. Wird beispielsweise Licht in einem großen Wellenlängenband, z.B. weißes Licht,
verwendet, so entspricht der Phasenunterschied nur für eine bestimmte
Wellenlänge
einer halben Wellenlänge,
so daß das
von dem Polarisationselement abzugebende Licht linear polarisiert
ist, der Phasenunterschied jedoch bei anderen Wellenlängen nicht
einer halben Wellenlänge entsprechen
kann, wodurch sich elliptisch polarisiertes Licht ergibt. Wenn das
auf das Flüssigkristallfeld fallende
Licht nicht linear pola risiertes Licht ist, wird der Auslöschkoeffizient
klein, und die Schärfe
des zu projizierenden Objektbildes wird reduziert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
Polarisationselement und eine Polarisationsanordnung anzugeben,
das bzw. die auf einfache Weise und unter Verzicht auf eine Halbwellenplatte
Lichtstrahlenbündel
identischer Polarisationsrichtung erzeugt.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Polarisationselement
bzw. eine Polarisationsanordnung gemäß Anspruch 1 bzw. 8. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der Erfindung ist ein Polarisationselement
vorgesehen, bei dem Licht auf eine polarisierende Strahlenteilerfläche fällt und
in eine durchtretende und eine reflektierte Komponente aufgeteilt wird.
Beide Lichtkomponenten werden jeweils an einer reflektierenden Fläche reflektiert.
Diese Flächen schließen einen
Winkel von 120° ein,
und die Strahlenteilerfläche
liegt in der winkelhalbierenden Ebene der beiden reflektierenden
Flächen.
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Mit einem solchen Polarisationselement
können
die Polarisationsrichtungen zweier Strahlenbündel, die von dem Polarisationselement
abgegeben werden, ohne Verwendung einer Halbwellenplatte gleich
gemacht werden, und gleichzeitig wird der räumliche Abstand zwischen den
beiden Strahlenbündeln
verringert.
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Wird das Polarisationselement in
dem optischen System eines Flüssigkristallprojektors
verwendet, so ist der Auslöschkoeffizient
höher als
bei einem optischen System mit Halbwellenplatte. Dadurch wird die
Schärfe
des zu projizierenden Bildes erhöht.
Durch das Fehlen eines optischen Systems zum Kombinieren der Lichtstrahlen
ergibt sich ein insgesamt einfacheres optisches System.
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Die Erfindung wird im folgenden an
Hand der Zeichnungen näher
erläutert.
Darin zeigen:
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1a und 1b perspektivische Darstellungen
des Grundprinzips eines Polarisationselements für unterschiedliche Blickrichtungen,
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2a, 2b und 2c Draufsichten des in 1a und 1b gezeigten
Polarisationselements,
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3a, 3b und 3c perspektivische Darstellungen eines
ersten Ausführungsbeispiels
für unterschiedliche
Blickrichtungen,
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4 die
Explosionsdarstellung eines Prismas mit einem Polarisationselement
gemäß 3,
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5 die
perspektivische Darstellung des in 3 gezeigten
Polarisationselements mit einem Lichtaustrittsbereich und einem
Lichteintrittsbereich,
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6 die
perspektivische Darstellung des in 3 gezeigten
Polarisationselements mit einem an die Lichtaustrittsfläche angekitteten
keilförmigen Prisma,
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7 die
perspektivische Darstellung einer Polarisationseinheit aus zwei
verkitteten Polarisationselementen gemäß 3,
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8a, 8b und 8c perspektivische Darstellungen eines
weiteren Ausführungsbeispiels
für verschiedene
Blickrichtungen,
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9 die
Draufsicht des Polarisationselements nach 8,
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10 die
perspektivische Darstellung des Polarisationselements nach 8 mit einem Lichtaustrittsbereich und
einem Lichteintrittsbereich, und
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11 die
perspektivische Darstellung eines reflektierenden Prismas.
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1a und 1b zeigen perspektivisch
ein Polarisationselement als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
in verschiedenen Blickrichtungen. 2a bis 2c sind Draufsichten des
Polarisationselements nach 1 in verschiedenen
Blickrichtungen.
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Das Polarisationselement besteht
aus einer ersten reflektierenden Fläche 1, einer zweiten
reflektierenden Fläche 2 und
einer polarisierenden Strahlenteilerfläche 3, die in einer
Teilungsebene der ersten und der zweiten reflektierenden Fläche 1 und 2 liegt.
Die beiden reflektierenden Flächen 1 und 2 schließen einen
Winkel von 120° ein.
Sie liegen mit der Strahlenteilerfläche 3 auf einer Linie
LO, die eine Kante des Polarisationselements bildet. Um linear polarisiertes
Licht mit identischem Polarisationszustand (Richtung) aus Licht
mit regellosem Polarisationszustand zu erzeugen, muß das Licht
in die Strahlenteilerfläche 3 von
der Seite der zweiten reflektierenden Fläche 2 aus unter einem
Winkel von 45° und parallel
zur zweiten reflektierenden Fläche 2 eintreten.
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Es sei bemerkt, daß unter
einem durch zwei Flächen
eingeschlossenen Winkel der Winkel in einer Ebene zu verstehen ist,
die auch die Normalen auf diese Flächen enthält. Der "Eintrittswinkel" des Lichts
auf eine Fläche
ist der Winkel zwischen dem eintretenden Licht und einer Normalen
zu der Fläche in
einer Eintrittsebene, die die Normale und das eintretende Licht
enthält.
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Die P-polarisierte Komponente des
Lichts L, die an einem Punkt P1 (2)
der Strahlenteilerfläche 3 mit
einem Eintrittswinkel von 45° eintritt, schwingt
parallel zur Eintrittsebene für
das Licht L, die dieses Licht und die Linie normal zur Strahlenteilerfläche 3 enthält, und
tritt durch diese Fläche
hindurch. Die in einer Richtung lotrecht zu der Eintrittsebene schwingende
S-polarisierte Lichtkomponente wird an der Strahlenteilerfläche 3 rechtwinklig
reflektiert.
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Der von der ersten reflektierenden
Fläche 1 und
der Strahlenteilerfläche 3 eingeschlossene
Winkel beträgt
60°. Das
eintretende Licht trifft auf die Strahlenteilerfläche 3 unter
einem Eintrittswinkel von 45° und
parallel zur zweiten reflektierenden Fläche 2, die mit der
ersten reflektierenden Fläche 1 einen
Winkel von 120° einschließt. Daher
ist der Eintrittswinkel der P-polarisierten Lichtkomponente LP 45° an der ersten
reflektierenden Fläche 1.
Die P-polarisierte Lichtkomponente LP wird also an der ersten reflektierenden
Fläche 1 rechtwinklig
reflektiert (an dem Punkt P2) und von ihr rechtwinklig zu dem auf
die Strahlenteilerfläche 3 eintretenden
Licht abgegeben.
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Die S-polarisierte Lichtkomponente
LS breitet sich zur zweiten reflektierenden Fläche 2 in einer Eintrittsebene
aus, die das an der Strahlenteilerfläche 3 eintretende
Licht enthält.
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Da der Eintrittswinkel der S-polarisierten Lichtkomponente
LS 45° an
der zweiten reflektierenden Fläche 2 beträgt, wird
die S-polarisierte Lichtkomponente LS rechtwinklig an der zweiten
reflektierenden Fläche 2 reflektiert
(am Punkt P3) und von ihr lotrecht zur Eintrittsebene der Strahlenteilerfläche 3 abgegeben.
Somit wird die S-polarisierte Lichtkomponente LS in derselben Richtung
wie die P-polarisierte Lichtkomponente LP abgegeben.
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Es ist hier angenommen, daß die Richtung des
eintretenden Lichts L die einer Achse x ist, zu der Achsen y und
z orthogonal liegen. Eine mit den Achsen x und z definierte Ebene
liegt parallel zur Eintrittsebene des Lichts an der Strahlenteilerfläche 3. Die
Achse y liegt parallel zum abgegebenen Licht.
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Bezüglich der Koordinaten der Achsen
x, y, z sind die P- und die S-polarisierte Lichtkomponente als Schwingungskomponenten
in z-Richtung und in y-Richtung definiert. Die P-polarisierte Lichtkomponente,
die in z-Richtung schwingt, erfährt
keine Änderung
der Schwingungsrichtung, wenn das Licht an der ersten reflektierenden
Fläche 1 reflektiert
wird. Das abgegebene Licht schwingt deshalb in z-Richtung. Wird
andererseits die S-polarisierte Lichtkomponente LS, die in y-Richtung
schwingt, an der zweiten reflektierenden Fläche 2 reflektiert,
so ändert
sich ihre Schwingungsrichtung zur z-Richtung, und das abgegebene
Licht schwingt in z-Richtung.
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Die Schwingrichtungen der von der
ersten und der zweiten reflektierenden Fläche 1 und 2 abgegebenen
Lichtstrahlen entsprechen also der z-Richtung ohne Verwendung einer
Halbwellenplatte, die bei den vorbekannten Anordnungen erforderlich
ist. Da die beiden Strahlenbündel
parallel abgegeben werden, ist der räumliche Abstand zwischen ihnen verringert,
verglichen mit der vorbekannten Anordnung, bei der ein optisches
System zur Kombination der beiden weit auseinanderliegenden Strahlenbündel nötig ist.
Ein solches Kombinationssystem ist durch die Erfindung überflüssig.
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Zwei Ausführungsbeispiele eines an einem Prisma
vorgesehenen Polarisationselements werden im folgenden erläutert.
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3a bis 3c zeigen perspektivische
Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Prismas, an dem ein Polarisationselement nach der Erfindung
vorgesehen ist.
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Das Polarisationselement hat grundsätzlich die
Form einer Pyramide mit quadratischem Boden. Der Scheitel der Pyramide
liegt auf einer Linie normal zur Bodenfläche an einem der vier Eckpunkte (3a). Die Höhe der Pyramide
stimmt mit der Länge
einer Seite der quadratischen Bodenfläche überein. In 3a bis 3c sind
die Koordinaten der Scheitelpunkte 01, 02, 03 und 04 (vier Eckpunkte
des Quadrats) 0, k, 0; 0, k, k; k, k, k und k, k, 0. Darin ist k
eine Konstante, 0 der Ursprung am Scheitel der Pyramide und die
Lichteintrittsrichtung die. x-Richtung.
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Eine der Seitenflächen der Pyramide (die ein rechtwinklig
gleichschenkliges Dreieck bildet) ist eine Eintrittsfläche 14,
und die rechtwinklig zu der Eintrittsfläche 14 liegende quadratische
Bodenfläche
ist eine Austrittsfläche 15.
Eine Strahlenteilerfläche 13,
die in 3a bis 3c schraffiert dargestellt
ist, definiert Winkel von 45° gegenüber der
Eintrittsfläche 14 und
von 90° gegenüber der
Austrittsfläche 15.
Die Strahlenteilerfläche 13 hat
nämlich
die Ecken 0, 01 und 03.
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Eine erste reflektierende Fläche 11 schließt mit der
Strahlenteilerfläche 13 einen
Winkel von 60° und
mit der Eintrittsfläche 14 sowie
der Austrittsfläche 15 einen
Winkel von 45° ein.
Eine zweite reflektierende Fläche 12 schließt mit der
ersten reflektierenden Fläche 11 einen
Winkel von 120° und
mit der Austrittsfläche 15 einen
Winkel von 45° ein.
Die zweite reflektierende Fläche 12 liegt
rechtwinklig zur Ein trittsfläche 14 (3c). Die erste und die zweite
reflektierende Fläche 11 und 12 sowie
die Strahlenteilerfläche 13 schneiden
einander auf einer Linie, die eine der Kanten des Polarisationselements
ist. Jede Fläche
kann folgendermaßen
ausgedrückt
werden:
- Erste reflektierende Fläche x =
y
- Zweite reflektierende Fläche
y = z
- Strahlenteilerfläche
x = z
- Eintrittsfläche
x = 0
- Austrittsfläche
x = k (k = konstant)
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Die Eintrittsfläche ist eine existierende erste Fläche des
Prismas und kann von der imaginären Eintrittsebene
der obigen Beschreibung der Polarisationsrichtung unterschieden
werden.
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Das Polarisationselement in Form
eines vorstehend beschriebenen Prismas kann durch Verkitten zweier
symmetrischer Prismenelemente 50 und 60 mit jeweils
vier Flächen
hergestellt werden, wie in 4 gezeigt.
Das erste Prismenelement 50 hat eine Eintrittsfläche 14,
eine Strahlenteilerfläche 13,
eine zweite reflektierende Fläche 12 und
eine Austrittsfläche 15,
die einen Teil der Austrittsfläche
des Polarisationselements bildet. Das zweite Prismenelement 60 hat
eine Strahlenteilerfläche 13,
eine erste reflektierende Fläche
11 und eine Austrittsfläche 15,
die einen Teil der Austrittsfläche
des Polarisationselements bildet. Beide Prismenelemente 50 und 60 haften
an ihren Strahlenteilerfiächen 13 zusammen
und bilden ein Polarisationselement.
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Bei der Anwendung des Polarisationselements
wird Licht rechtwinklig auf die Eintrittsfläche 14 gerichtet,
wie in 3a bis 3c gezeigt ist. Das Licht fällt dann
unter einem Eintrittswinkel von 45° auf die Strahlenteilerfläche 13 parallel
zur zweiten reflektierenden Fläche 12.
Das an dem Eintrittspunkt P0 der Eintrittsfläche 14 eintretende
Licht tritt in die Strahlenteilerfläche 13 an einem Punkt
P1 ein. Das von der Strahlenteilerfläche 13 durchgelassene
Licht wird an der ersten reflektierenden Fläche 11 an dem Punkt P2
reflektiert, und das an der Strahlenteilerfläche 13 reflektierte
Licht wird an der zweiten reflektierenden Fläche 12 an dem Punkt
P3 reflektiert. Die an der ersten und der zweiten reflektierenden
Fläche 11 und 12 reflektierten
Lichtstrahlen werden in der Austrittsfläche 15 an den Punkten
P4 und P5 abgegeben. Da diese reflektierten Lichtstrahlen rechtwinklig
zu den in die Strahlenteilerfläche 13 eintretenden
Lichtstrahlen liegen und die Austrittsfläche 15 parallel zu
diesen Strahlen liegt, haben die beiden Strahlenbündel des
an der Austrittsfläche 15 abgegebenen
Lichts eine Richtung lotrecht zu dieser.
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Die durch die Strahlenteilerfläche 13 hindurchtretende
P-polarisierte Lichtkomponente schwingt in z-Richtung und ändert ihre
Polarisationsrichtung nicht, wenn sie an der ersten reflektierenden Fläche reflektiert
wird. Daher schwingt das von der Austrittsfläche 15 abgegebene
Licht in z-Richtung. Andererseits wird die Schwingungsrichtung der
S-polarisierten Lichtkomponente von der y-Richtung zur z-Richtung
geändert,
wenn sie an der zweiten reflektierenden Fläche 12 reflektiert
wird. Somit schwingt das von der Austrittsfläche 15 abgegebene
Licht in z-Richtung. Die beiden Strahlenbündel, deren Polarisationsrichtung
die z-Richtung ist, werden also von der Austrittsfläche 15 in
y-Richtung lotrecht zur Richtung des eintretenden Lichts abgegeben.
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5 zeigt
einen Lichteintrittsbereich und einen Lichtaustrittsbereich bei
einem Polarisationselement nach der Erfindung. Das in den schraffierten (weitgehend)
quadratischen Bereich der Eintrittsfläche 14 eintretende
Licht wird an den schraffierten rechteckförmigen Bereich der Austrittsfläche 15 abgegeben.
Der schraffierte rechteckige Bereich hat die doppelte Größe des schraffierten
quadratischen Bereichs.
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Wird das Polarisationselement in
dem optischen System eines Flüssigkristallprojektors
verwendet, so kann der Nutzungsgrad erhöht werden, indem das Licht
an dem weitgehend quadratischen Eintrittsbereich (5) eintritt, da der Schirm (Bildprojektionsfläche) des
Projektors im allgemeinen rechteckig ist. Besonders wenn ein Bild
auf eine Fläche
zu projizieren ist, deren Seitenverhältnis etwa 1:2 beträgt, wie
es bei einem hochauflösenden
Fernsehgerät
der Fall ist, kann die vorstehend beschriebene Anordnung vorteilhaft
eingesetzt werden.
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Wenn das Seitenverhältnis der
Bildfläche
(zu projizierendes Bild) etwa 1:1 ist, so kann das Licht auch auf
einen rechtekkigen Eintrittsbereich der Eintrittsfläche fallen,
damit es von einem quadratischen Austrittsbereich der Austrittsfläche abgegeben
wird. In jedem Fall kann das Seitenverhältnis des zu projizierenden
Bildes durch Wählen
des Verhältnisses der
langen zur kurzen Seite des Eintrittsbereichs eingestellt. werden.
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Es ist auch möglich, Ablenkprismen 21 und 22 an
der Austrittsfläche 15 des
Polarisationselements vorzusehen, um die Strahlenbündel des
abgegebenen Lichts zu schneiden, wie es in 6 gezeigt ist. Bei dieser Anordnung kann
die Variation der Lichtintensität
am Grenzbereich zwischen den an der ersten und der zweiten reflektierenden
Fläche
reflektierten Strahlenbündeln
begrenzt werden.
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Es ist möglich, zwei Polarisationselemente
A und B zu einem Verbundprisma (Polarisationseinheit oder -anordnung)
zu kombinieren, wie es 7 zeigt. Die
Polarisationselemente sind an ihren zweiten reflektierenden Flächen 12a und 12b verbunden.
Die an der Eintrittsfläche 14a und 14b.
eintretenden Lichtstrahlen werden von der jeweiligen Strahlenteilerfläche 13a,
13b geteilt und dann an der ersten und der zweiten reflektierenden
Fläche 11a,
11b und 12a, 12b reflektiert und von den Austrittsflächen 15a und 15b abgegeben.
Die abgegebenen Lichtstrahlen haben übereinstimmende Polarisationsrichtung. Wenn
eines der von den Austrittsflächen
abgegebenen Strahlenbündel
an einem Spiegel reflektiert wird, um es in derselben Richtung wie
das andere Strahlenbündel
abzulenken, ergibt sich eine identische Polarisationsrichtung für alle Strahlenbündel.
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Wenn bei der in 7 gezeigten Anordnung das Licht in den
quadratischen Eintrittsbereich eintritt, der durch die Eintrittsflächen 14a und 14b definiert
ist, können
die Lichtstrahlen identischer Polarisationsrichtung aus dem quadratischen
Austrittsbereich der Austrittsflächen 15a und 15b abgegeben werden.
Ist das in 11 gezeigte
reflektierende Prisma RP an einer der Austrittsflächen des
Verbundprismas befestigt, und fällt
das Licht auf den Eintrittsbereich der Größe 1 x 1, so werden Lichtstrahlen identischer
Polarisationsrichtung von dem Austrittsbereich 2 x 1 x 1 abgegeben.
Die Größe des Verbundprismas
im Eintrittsbereich ist kleiner als die Gesamtgröße der separaten Prismen A
und B.
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8a bis 8c zeigen perspektivische
Darstellungen eines Polarisationselements gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung für
unterschiedliche Blickrichtungen. 9 zeigt
eine Seitenansicht des in 8 gezeigten
Polarisationselements. Dieses besteht aus einem Prisma mit einem neunseitigen
Festkörper,
der durch Schneiden und Entfernen des überflüssigen Teils des Polarisationselements
des ersten Ausführungsbeispiels
entsteht, durch den kein an der Eintrittsfläche (5) eintretendes Licht durchgelassen wird.
Die Positionsbeziehung der ersten und der zweiten reflektierenden
Fläche 31 und 32, der
Strahlenteilerfläche 33,
der Eintrittsfläthe 34 und
der Austrittsfläche 35 ist
dieselbe wie bei dem Polarisationselement der ersten Ausführungsform.
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Das an der pentagonalen Eintrittsfläche 34 an
dem Punkt PO eintretende Licht fällt
an dem Punkt P1 auf die Strahlenteilerfläche 33. Die von dieser
Fläche
durchgelassene P-polarisierte Lichtkomponente wird an dem Punkt
P2 der quadratischen ersten reflektierenden Fläche 31 reflektiert.
Die an der Strahlenteilerfläche 33 reflektierte
S-polarisierte Lichtkomponente wird an dem Punkt P3 der pentagonalen zweiten
reflektierenden Fläche 32 reflektiert.
Die S- und die P-polarisierte Lichtkomponente werden von der pentagonalen
Austrittsfläche 35 rechtwinklig
abgegeben. Die Polarisationsrichtungen der S-polarisierten Komponente
und der P-polarisierten Komponente sind identisch. Es ist also keine
Halbwellenplatte erforderlich, um identische Polarisationsrichtungen des
mit dem Polarisationselement abgegebenen Lichts zu erreichen. Ferner
liegen die Strahlenbündel des
abgegebenen Lichts nahe beieinander.
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10 zeigt
perspektivisch einen Lichteintrittsbereich und einen Lichtaustrittsbereich
eines Polarisationselements des zweiten Ausführungsbeispiels. Ähnlich wie
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
wird das in den schraffierten (weitgehend) quadratischen Bereich
der Eintrittsfläche 34 eintretende Licht
in dem schraffierten rechteckigen Austrittsbereich der Austrittsfläche 35 abgegeben.
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Da der überflüssige Teil des Prismas, durch den
kein Licht durchgelassen wird, entfernt ist, kann die Gesamtgröße des Prismas
reduziert werden.
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Wenn der Eintrittsbereich 1 x 1 ist,
so ist die Größe des Prismas
2 x 2 x 22, also größer als
die Größe 2 x 1
x 1 des Verbundprismas nach 7 mit dem
daran befestigten reflektierenden Prisma RP.