DE19808099A1

DE19808099A1 - Dichroitisches Pentaprisma zum Trennen oder Vereinigen von Frequenzbändern elektromagnetischer Energie

Info

Publication number: DE19808099A1
Application number: DE19808099A
Authority: DE
Inventors: Margaret Newman; Robert Pursel
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1998-10-08
Also published as: US5828497A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Optik. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung optische Geräte, die zum Auftrennen weißen Lichtes in rotes, grünes und blaues Licht verwendet werden, sowie Geräte, die zum Vereinigen von rotem, grünem und blauem Licht zu weißem Licht eingesetzt werden.

Das Prinzip der Dreibereichs-Farbmessung wird bei der optischen Abbildung oder Anzeigesystemen zur Erzeugung des vollständigen Farbbereiches verwendet. Die meisten Anzeigesysteme verwenden das Dreibereichssystem von Rot/Grün/Blau, bei welchem jede Farbe aus der geeigneten Kombination von Rot, Grün und Blau erzeugt wird. Weißes Licht nimmt den Teil des elektromagnetischen Spektrums ein, der von annähernd 4,3 × 10¹⁴ Hz bis 7,5 × 10¹⁴ Hz reicht, und innerhalb dieses Spektrums liegt das blaue bzw. rote Licht am hoch- bzw. niederfrequenten Ende, wogegen das grüne Licht das zentrale Frequenzband des sichtbaren Spektrums bildet.

Spezifische Beispiele für Anzeigesysteme, bei welchen die Erfindung einsetzbar ist, sind Flüssigkristallanzeigen (LCDs) und reflektierende digitale Mikrospiegelgeräte (DMDs). Diese Systeme verwenden üblicherweise drei derartige Anzeigefelder, jeweils eines für jede der Farben Rot, Grün und Blau.

Eine andere Anwendung liegt auf dem Gebiet der projizierten Frontscheibenanzeigen, bei welchen Information auf die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, Flugzeugs oder Hubschraubers projiziert wird. Diese Anwendungen erfordern kompakte optische Bauteile zur Bereitstellung getrennter Strahlen aus rotem, grünem und blauem Licht, wobei als Lichtquelle entweder polarisiertes oder unpolarisiertes weißes Licht verwendet wird.

Bestimmte Anzeige- und Abbildungssysteme verwenden das Prinzip der Dünnfilminterferenz zur Auftrennung von Frequenzbändern weißen Lichtes zur Erzeugung von Rot, Grün und Blau. Genauer gesagt wird die Farbtrennung häufig unter Verwendung frequenzempfindlicher optischer Mehrschichtbeschichtungen aus dielektrischen Materialien auf Glassubstraten erzielt. Das Dreibereichsverfahren der Farbauftrennung weißen Lichtes in Rot, Grün und Blau wird erzielt, wenn diese Beschichtungen auf eine Anzahl farbselektiver, also dichroitischer, Spiegel aufgebracht werden. Die dichroitischen Spiegel werden dann in irgendeine Anzahl von Anordnungen angeordnet, um Kanäle für rotes, grünes und blaues Licht zu schaffen. Derartige Anordnungen sind jedoch voluminös und erfordern kostenaufwendige Halterungsaufbauten, um die Spiegel und Linsen in der gewünschten Form zu haltern. Darüber hinaus sind bei diesen Anordnungen Linsen mit großer rückwärtiger Brennweite erforderlich, wenn sie in Abbildungssystemen verwendet werden.

Um das Volumen zu verringern, und damit keine Linsen mit großer rückwärtiger Brennweite eingesetzt werden müssen, können die dichroitischen Beschichtungen innerhalb eines kubischen Glas-Strahlteilers mit einem Einfallswinkel von 45 Grad angebracht werden. Obwohl der kubische Strahlteiler kompakt ist, zeigen die in Glas mit einem Einfallswinkel von 45 Grad eingeklebten Beschichtungen bestimmte Einschränkungen ihrer Leistungen. Die Schwierigkeiten bezüglich der Leistung zeigen sich in einer Empfindlichkeit auf die Polarisation und den Einfallswinkel des ankommenden Strahls.

Um die Polarisationsabhängigkeit zu verringern ist es wünschenswerte daß die dichroitischen Beschichtungen bei einem niedrigeren Einfallswinkel arbeiten, und normalerweise reichen weniger als 25 Grad aus. Dies kann unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Prismenanordnung erzielt werden, welche die dichroitischen Beschichtungen in einem Einfallswinkel von annähernd 13 Grad ausrichtet, und-den Effekt der inneren Totalreflexion dazu ausnutzt, weißes Licht in rotes, grünes und blaues Licht aufzuteilen. Die innere Totalreflexion erfordert einen Luftzwischenraum zwischen zweien der Prismen. Dieser Luftzwischenraum darf jedoch nicht größer als 0,010 mm sein, um Aberrationen in dem Bild zu minimieren. Das sich ergebende Mehrfachprisma ist schwierig herzustellen, da drei unterschiedliche Prismen erforderlich sind, und der Luftzwischenraum eine kompliziertere Konstruktion und einen komplizierteren Herstellungsvorgang als bei einer geklebten Grenzfläche erfordert. Da innere Totalreflexion erforderlich ist, kann nicht parallel zur Achse des Systems ankommendes Licht verlorengehen, was zu einer Vignettierung führt (Vignettierung ist eine ungewünschte Abschattung um die Ränder eines Bildes herum).

Daher ist auf diesem Gebiet ein kostengünstiges, kompaktes System erwünscht, welches sauber unpolarisiertes weißes Licht in rotes, grünes und blaues Licht aufteilen kann, mit minimaler Polarisation und ohne Vignettierung.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines derartigen Systems zum Trennen und Vereinigen von Frequenzbändern aus einem Strahl elektromagnetischer Energie. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das erfindungsgemäße System zur Verwendung mit einem Strahl aus weißem Licht ausgelegt, der ein erstes, zweites und drittes Frequenzband aufweist, und weist eine erste Oberfläche zum Durchlassen des ersten Frequenzbandes und zum Reflektieren des zweiten und dritten Frequenzbandes auf. Eine zweite Oberfläche reflektiert das zweite Frequenzband und läßt das dritte Frequenzband durch. Eine lichtdurchlässige Halterungsanordnung haltert die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche in einer vorbestimmten Orientierung, die für einen niedrigen Einfallswinkel elektromagnetischer Energie sorgt, die auf die erste Oberfläche einfällt, wobei die zweite Oberfläche sicherstellt, daß der dritte Pfad senkrecht zum ersten verläuft.

Bei einer bestimmten Ausführungsform beträgt der Einfallswinkel 22,5 Grad. Die vorbestimmte Orientierung ist so gewählt, daß die erste Oberfläche in einem Winkel zur zweiten Oberfläche steht, so daß sich für das erste, zweite bzw. dritte Frequenzband ein erster, zweiter bzw. dritter getrennter Pfad ergibt. Die erste Oberfläche liegt in einem Winkel von annähernd 45 Grad zur zweiten Oberfläche, um unerwünschte Polarisationseffekte zu minimieren.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist die Halterungsanordnung ein Glas-Pentaprisma auf. Bei der ersten Oberfläche ist eine dichroitische Beschichtung auf einer ersten Queroberfläche des Pentaprismas vorgesehen, und weist die zweite Oberfläche eine dichroitische Beschichtung auf der anderen Queroberfläche des Pentaprismas auf. Die Halterungsanordnung ist darüber hinaus mit einer ersten und zweiten Glasoberfläche versehen, die an der ersten bzw. zweiten Oberfläche angebracht ist. Das erste, zweite bzw. dritte Frequenzband entspricht rotem, grünem bzw. blauem Licht. Der Strahl elektromagnetischer Energie ist ein Strahl aus weißem Licht. Eine erste Oberfläche des Pentaprismas liegt senkrecht zum Strahl, um ungewünschte Strahlverzerrungen zu minimieren, wenn der Strahl in das Pentaprisma eintritt. Das erste, zweite und dritte Frequenzband geht durch Oberflächen des Mehrfachprismas hindurch, die senkrecht dazu angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung eines herkömmlichen dichroitischen Strahlteilers, der innen reflektierende Oberflächen verwendet; und

Fig. 2 eine Darstellung eines dichroitischen Strahlteilers, der ein Pentaprisma verwendet und gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

Zwar wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen für bestimmte Einsatzzwecke beschrieben, jedoch wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Fachleute auf diesem Gebiet werden in Kenntnis der erfindungsgemäßen Lehre zusätzliche Abänderungen, Einsätze und Ausführungsformen erkennen, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, sowie zusätzliche Gebiete, in welchen die vorliegende Erfindung genutzt werden kann.

Die nachstehende Schilderung des Betriebsablaufs bei einem herkömmlichen Strahlteiler für drei Farben unter Verwendung eines Phillips-Prismas soll das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern.

Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen dichroitischen Strahlteiler 20, der innen reflektierende Oberflächen verwendet. Ein Strahl aus weißem Licht 22 tritt in das Prisma 20 senkrecht zu einer ersten Oberfläche 24 ein. Der weiße Strahl 22 trifft auf eine erste, blau-reflektierende dichroitische Oberfläche 26 auf. Blaues Licht, welches aus dem weißen Strahl 22 abgeteilt wurde, bildet einen blauen Strahl 28. Der blaue Strahl 28 wird innen von der Oberfläche 24 reflektiert. Ist der blaue Strahl 28 divergent und/oder unpolarisiert, trifft er häufig auf die Oberfläche 24 mit einem größeren Einfallswinkel als dem kritischen Winkel auf, was zu einem Ausfall der internen Totalreflexion an der Oberfläche 24 führt. Dies führt zu einer Vignettierung und zu einem Strahlenergieverlust. Der blaue Strahl 28 verläßt das Prisma 20 senkrecht zu einer zweiten Oberfläche 30, um Strahlverzerrungen zu minimieren.

Grünes und rotes Licht aus dem weißen Strahl 22 gehen durch die Oberfläche 26 in einen Raum 24 durch und bilden einen grünen/roten Strahl 32. Der Raum 34 muß so kleine Abmessungen wie 0,010 mm aufweisen, um Aberrationseffekte auszuschalten. Der grüne/rote Strahl 32 tritt in die dritte Oberfläche 36 in einem Winkel von ungleich 90 Grad ein. Dies erhöht ungewünschte Polarisationseffekte bei dem grünen/roten Strahl 32.

Der grüne/rote Strahl 32 trifft auf eine rot-reflektierende dichroitische Oberfläche 38 auf. Rotes Licht von dem grünen/roten Strahl 32 bildet einen roten Strahl 40, der intern an der dritten Oberfläche 36 reflektiert wird. Ist der rote Strahl 40 divergent und/oder unpolarisiert, trifft er häufig auf die dritte Oberfläche 36 mit einem Einfallswinkel auf, der größer als der kritische Winkel ist, was zu einer verringerten internen Totalreflexion an der Oberfläche 36 führt. Dies wiederum führt zur Vignettierung, zu Strahlenergieverlusten, und zu verschiedenen anderen unerwünschten Effekten. Der rote Strahl 40 verläßt das Prisma 20 senkrecht zu einer vierten Oberfläche 42, um unerwünschte Verzerrungseffekte bei dem Strahl 40 zu minimieren. Grünes Licht geht durch die Oberfläche 38 durch und verläßt das Prisma 20 senkrecht zu einer fünften Oberfläche 44 als ein grüner Strahl 46.

Normalerweise ist das Prisma 20 wirksamer beim Aufteilen unpolarisierten weißen Lichtes in getrennte Frequenzbänder als ein herkömmliches kubisches Prisma. Dies liegt hauptsächlich daran, daß die Strahlen 22, 32 auf die Oberflächen 26, 38 in kleineren Einfallswinkeln einfallen, also näher an normalen Einfallswinkeln.

Fig. 2 zeigt schematisch einen dichroitischen Strahlteiler 50, der ein herkömmliches Pentaprisma verwendet und gemäß der erfindungsgemäßen Lehre aufgebaut ist. Der Strahlteiler 50 weist ein Pentaprisma 52 auf, einen ersten dreieckigen Glashalterungskörper 54 sowie einen zweiten rechteckigen Glashalterungsfestkörper 56. Der Strahlteiler 50, das Pentaprisma 52, und der erste und zweite Festkörper 54 bzw. 56 sind aus Glas mit optischer Güte oder einem anderen geeigneten Material aufgebaut. Der erste Festkörper 54 ist auf eine grün- und rot-reflektierende dichroitische Oberfläche 58 auf einer der Queroberflächen des Pentaprismas 52 aufgeklebt. Hierdurch wird eine Grenzfläche von Glas zur dichroitischen Beschichtung zum Glas erzeugt. Der zweite Festkörper 56 ist auf eine grün-reflektierende dichroitische Oberfläche 60 auf der anderen Queroberfläche des Pentaprismas 52 aufgeklebt. Hierdurch wird eine Grenzfläche von Glas zur dichroitischen Beschichtung zu Glas an der Oberfläche der grün-reflektierenden Oberfläche 60 hervorgerufen.

Ein Strahl aus weißem Licht 62 tritt in das Pentaprisma 52 senkrecht zu einer ersten Oberfläche 65 ein. Der weiße Strahl 62 trifft auf die rot- und grün-reflektierende Oberfläche 58 mit einem ersten Einfallswinkel 66 von 22,5 Grad auf. Blaues Licht wird durch die Oberfläche 58 hindurchgelassen und tritt in den ersten Festkörper 54 als blauer Strahl 64 ein. Der blaue Strahl 64 verläßt den Strahlteiler 50 senkrecht zu einer ersten Oberfläche 68 auf dem ersten Festkörper 54.

Grünes und rotes Licht aus dem weißen Strahl 62 werden von der Oberfläche 58 als ein grüner/roter Strahl 70 reflektiert. Der grüne/rote Strahl 70 trifft auf die grün-reflektierende Oberfläche 60 in einem zweiten Einfallswinkel 72 von 22,5 Grad auf. Rotes Licht aus dem grünen/roten Strahl 72 geht durch die zweite Oberfläche 60 hindurch und als ein roter Strahl 64 in den zweiten dreieckigen Festkörper 56 hinein. Der rote Strahl 74 verläßt den Strahlteiler 50 senkrecht zu einer dritten Oberfläche 76 auf dem zweiten dreieckigen Festkörper 56. Grünes Licht aus dem grünen/roten Strahl 72 wird von der zweiten Oberfläche 60 und in das Pentaprisma 52 hinein als grüner Strahl 78 reflektiert. Der grüne Strahl 78 verläßt den Strahlteiler 50 senkrecht zu einer vierten Oberfläche 80 auf dem Pentaprisma 52.

Die dreieckigen Festkörper 54, 56 gestatten es, daß die Strahlen 64, 74 den Strahlteiler 50 senkrecht zu Oberflächen des Strahlteilers verlassen, um unerwünschte Polarisationseffekte bei den Strahlen 62, 64, 70, 74 und 78 zu minimieren.

Fachleuten auf diesem Gebiet wird deutlich werden, daß Strahlen aus blauem, grünem und rotem Licht zu weißem Licht dadurch vereinigt werden können, daß die unterschiedlichen Strahlen auf die zweite, dritte bzw. vierte Oberfläche des Strahlteilers 50 gerichtet werden. Weiterhin können die dichroitischen Oberflächen 58, 60 vertauscht werden. Darüber hinaus kann die rot/grün-reflektierende Oberfläche 58 andere Farbkombinationen reflektieren oder durchlassen, und kann die rot-reflektierende Oberfläche 60 eine andere Farbe reflektieren, ohne vom Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Die vorliegende Erfindung wurde daher unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform für einen bestimmten Anwendungszweck beschrieben. Fachleuten auf diesem Gebiet werden in Kenntnis der vorliegenden Erfindung zusätzliche Abänderungen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Wesens und Umfangs der vorliegenden Erfindung erkennen.

Die beigefügten Patentansprüche sollen daher sämtliche derartige Anwendungen, Abänderungen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung umfassen, der sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergibt.

Claims

1. Dichroitischer Strahlteiler, welcher aufweist:
eine erste Eingangsöffnung annähernd senkrecht zu einem einfallenden Lichtstrahl;
eine erste dichroitische Oberfläche, die in einem ersten Winkel in Bezug auf die Eingangsöffnung angeordnet ist, um Licht einer ersten Farbe entlang einem ersten Pfad parallel zum Einfallsstrahl durchzulassen, und Licht einer zweiten Farbe und Licht einer dritten Farbe zu reflektieren;
eine erste dichroitische Oberfläche, die in einem zweiten Winkel in Bezug auf die Eingangsöffnung angeordnet ist, um das Licht einer zweiten Farbe entlang einem zweiten Pfad annähernd senkrecht zum Einfallsstrahl zu reflektieren, und das Licht mit der dritten Farbe entlang einem dritten Pfad zu reflektieren, der in einem Winkel von annähernd 45 Grad zum Einfallsstrahl liegt; und
eine erste Ausgangsöffnung, die annähernd senkrecht zum zweiten Pfad verläuft, zum Ausgeben des Lichts mit der zweiten Farbe.

2. Strahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel annähernd 22,5 Grad beträgt.

3. Strahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel annähernd 77,5 Grad beträgt.

4. Strahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Ausgangsöffnung senkrecht zum ersten Pfad vorgesehen ist, um das Licht mit der ersten Farbe senkrecht zur ersten Ausgangsöffnung aus zugeben.

5. Strahlteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Ausgangsöffnung vorgesehen ist, senkrecht zum dritten Pfad, zur Ausgabe des Lichts mit der dritten Farbe senkrecht zur dritten Ausgangsöffnung.

6. System zur Auftrennung von Frequenzbändern aus einem Strahl elektromagnetischer Energie, der ein erstes, zweites und drittes Frequenzband aufweist, mit:
einer ersten Oberfläche zum Durchlassen des ersten Frequenzbandes und zum Reflektieren des zweiten und dritten Frequenzbandes;
einer zweiten Oberfläche zum Reflektieren des zweiten Frequenzbandes und zum Durchlassen des dritten Frequenzbandes; und
einer Vorrichtung zum Haltern der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche in einer vorbestimmten Orientierung zur Bereitstellung eines niedrigen Einfallswinkels elektromagnetischer Energie, die auf die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche einfällt, um ungewünschte Polarisationseffekte zu minimieren.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der niedrige Winkel annähernd 22,5 Grad beträgt.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der vorbestimmten Orientierung die erste Oberfläche in einem Winkel zur zweiten Oberfläche angeordnet ist, so daß das erste, zweite bzw. dritte Frequenzband einen ersten, zweiten bzw. dritten getrennten Pfad aufweist.

9. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der vorbestimmten Orientierung die erste Oberfläche in einem Winkel von annähernd 45 Grad zur zweiten Oberfläche angeordnet ist, um ungewünschte Polarisationseffekte zu minimieren.

10. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Halterung ein Pentaprisma aufweist.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche eine dichroitische Beschichtung auf einer ersten Queroberfläche des Pentaprismas aufweist.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberfläche eine dichroitische Beschichtung auf einer Queroberfläche gegenüberliegend der ersten Queroberfläche aufweist.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Halterung weiterhin eine erste und zweite Oberflächenbefestigungsvorrichtung aufweist, die an der ersten bzw. zweiten Oberfläche angebracht ist.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Oberflächenbefestigungsvorrichtung und das Pentaprisma aus optisch entsprechenden Materialien bestehen.

15. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, zweite bzw. dritte Frequenzband blauem, grünem bzw. rotem Licht entspricht.

16. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Pentaprisma aus Glas besteht.

17. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Oberfläche auf der Vorrichtung zur Halterung angeordnet sind.

18. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Halterung eine erste Oberfläche senkrecht zum Strahl zum Empfang des Strahls aufweist.

19. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Halterung lichtdurchlässig ist.

20. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Halterung Oberflächen aufweist, und das erste, zweite bzw. dritte Frequenzband senkrecht durch die Oberflächen hindurchgeht.

21. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl elektromagnetischer Energie weißes Licht ist.

22. System zur Auftrennung von Frequenzbändern aus einem Strahl elektromagnetischer Energie mit einem ersten, zweiten und dritten Frequenzband, mit:
einer ersten Oberfläche zum Durchlassen des ersten Frequenzbandes in einer ersten Richtung, und zum Reflektieren des zweiten und dritten Frequenzbandes in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist;
einer zweiten Oberfläche zum Reflektieren des zweiten Frequenzbandes in eine dritte Richtung, die sich von der ersten und zweiten Richtung unterscheidet, und zum Durchlassen des dritten Frequenzbandes in der zweiten Richtung; und
einer lichtdurchlässigen Vorrichtung zum Haltern der ersten Oberfläche in einem Winkel zur zweiten Oberfläche zur Bereitstellung eines Einfallswinkels von annähernd 22,5 Grad für elektromagnetische Energie, die auf die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche einfällt, um ungewünschte Polarisationseffekte zu minimieren.