DE602005001720T2 - Beleuchtungssystem mit Anordnung zur Polarisationswandlung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung beansprucht Priorität von der vorläufigen Patentanmeldung der Vereinigten Staaten Nr. 60/562,370, eingereicht am 15. April 2004 mit dem Titel „Illumination System Utilizing Polarization Recovery", und der vorläufigen Patentanmeldung der Vereinigten Staaten Nr. 60/569,746, eingereicht am 10. Mai 2004, mit dem Titel „Illumination System Utilizing Polarization Recovery", welche hierin durch Referenz für alle Zwecke eingebunden sind.
  • Bereich der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, wie sie gewöhnlich in einem Projektionsanzeigesystem verwendet wird, und im besonderen ein Beleuchtungssystem, das eine verbesserte polarisierte Ausgabe bereitstellt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In Projektionsanzeigesystemen ist die Funktion des Beleuchtungssystems, eine einheitliche Beleuchtung eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) bereitzustellen. Typischerweise besteht das Beleuchtungssystem in einer Projektionsanzeige aus einer Lichtquelle, wie zum Beispiel einer Bogenlampe oder Leuchtdioden (LEDs), irgendeiner Art von Homogenisator, der homogenisiertes Licht an dem SLM bereitstellt, und einer Relaislinse, die einen Strahl bereitstellt, der eine erwünschte Größe, Form und Telezentrizität aufweist.
  • In einigen Projektionsanzeigesystemen werden Flüssigkristallräumliche-Lichtmodulatoren verwendet, und es ist wünschenswert, solche Modulatoren mit polarisiertem Licht zu beleuchten. Ein Polarisator kann zu dem Beleuchtungssystem hinzugefügt werden, um das Licht zu filtern, so dass ein polarisier ter Strahl dem SLM bereitgestellt wird, allerdings weist dieses Verfahren einen zugehörigen Verlust von 50% des Lichts auf, da ein Polarisationszustand absorbiert wird oder anderweitig verloren geht. Beleuchtungssysteme, die Polarisationsrückgewinnungstechniken verwenden, streben danach, dieses verlorene Licht zu nehmen und in den erwünschten Polarisationszustand zu wandeln, so dass es zurückgewonnen und verwendet werden kann, wobei somit die Effizienz des Systems und daher die Helligkeit der Projektion erhöht werden kann. Verfahren nach dem Stand der Technik zum Ausführen dieser Polarisationsrückgewinnung und Wandlung umfassen die Verwendung von Anordnungen kleiner Linsen und eine Polarisationswandlungsanordnung (PCA) oder die Verwendung eines polarisationswandelnden Lichtrohrs (PCLP).
  • Projektionsanzeigen, die durchlässige Flüssigkristall-SLMs einbeziehen, verwenden typischerweise eine Anordnung von kleinen Linsen und eine PCA; einige reflektive Flüssigkristall-SLMs, auch bekannt als Flüssigkristall auf Silizium (LCoS), verwenden auch eine Anordnung kleiner Linsen und eine PCA. Stand der Technik 1 der beiliegenden Zeichnungen ist eine schematische Ansicht der wesentlichen Bereiche eines anderen Flüssigkkristall-Projektors, der in dem US-Patent Nr. 6,139,157 offenbart ist. In 1 wird das von einer Lampe 201 ausgestrahlte Licht in Richtung eines Bildanzeigeelements 207 von einem Reflektor 203 reflektiert, und tritt in eine erste Linsenanordnung 201b ein, die eine Vielzahl von Linsen umfasst, die in der Form eines Gitters angeordnet sind. Das oben genannte Licht wird in der Nähe der Linsen einer zweiten Linsenanordnung 202 verdichtet, die in der Konstruktion ähnlich der ersten Linsenanordnung 201 ist, und Linsen umfasst, die dasselbe Maß an Brennweite aufweisen wie der Abstand zwischen der ersten Linsenanordnung 201 und der zweiten Linsen anordnung 202, und wird von den Linsen der ersten Linsenanordnung 201 in der Form eines Gitters angeordnet, und wird veranlasst, durch die Linsen der zweiten Linsenanordnung 202 transmittiert zu werden, wonach es in ein polarisationswandelndes Element 204 eintritt.
  • Der Lichtstrahl, welcher in das polarisationswandelnde Element 204 eingetreten ist, wird in verschiedene polarisierte Komponenten (S-Komponente und P-Komponente) von einer polarisationstrennenden Oberfläche 204a getrennt, und S-polarisiertes Licht, das von der polarisationstrennenden Oberfläche 204a reflektiert wurde, wird von einem reflektierenden Spiegel 204b reflektiert und wird von einer Halbewellenlängenplatte 205 transmittiert, wobei es in den gleichen Polarisationszustand wie das P-polarisierte Licht, das durch die polarisationstrennende Oberfläche 204a transmittiert wurde, gewandelt wird.
  • P-polarisierte Lichstrahlen, die die gleichen Polarisationsrichtungen aufweisen, welche aus dem polarisationswandelnden Element 204 ausgetreten sind, beleuchten das Bildanzeigeelement 207, das nahe der Fokusposition (der zu bestrahlenden Oberfläche) einer Kondenserlinse 206 bereitgestellt wird, durch die Kondenserlinse 206. Ein von dem Bildanzeigeelement 207 angezeigtes Bild wird auf eine vorbestimmte Oberfläche von einer Projektionslinse projiziert.
  • Andererseits bildet der in 1 gezeigte Flüssigkristallprojektor eine Vielzahl von zweiten Lichtquellenbildern durch einen fliegenaugenartigen optischen Integrator, und überlagert die Lichtstrahlen von der Vielzahl von zweiten Lichtquellenbildern übereinander auf der zu bestrahlenden Oberflä che, um die zu bestrahlende Oberfläche 207 einheitlich zu beleuchten.
  • Der Flüssigkristallprojektor von 1 benötigt allerdings erste und zweite Linsenanordnungen mit demselben Maß von Größe wie eine Öffnung in dem reflektierenden Spiegel 203, und darum neigt die gesamte Vorrichtung dazu, voluminös zu sein.
  • Es wurden vordem verschiedene Flüssigkristallprojektoren vorgeschlagen, um ein Flüssigkristallelement durch einen Lichtstrahl von einer Lichtquelle zu beleuchten, und um abbildendes Licht wie beispielsweise von dem Flüssigkristallelement transmittiertes oder reflektiertes Licht auf eine Leinwand oder Wand durch eine Projektionslinse zu vergrößern und zu projizieren.
  • Gewöhnlich verwendet das Flüssigkristallelement die polarisierenden Eigenschaften von Flüssigkristallen. Darum werden gewöhnlich polarisierende Filter wie beispielsweise ein Polarisator und ein Analysator vor und nach dem Flüssigkristallelement bereitgestellt. Der polarisierende Filter hat die Eigenschaft, polarisiertes Licht, das in einer bestimmten Polarisationsrichtung von einfallendem Licht polarisiert ist, hindurch zu lassen, und polarisiertes Licht, dessen Polarisationsrichtung dazu orthogonal ist, aufzufangen. Darum wird von dem Licht von der Lichtquelle, die in dem Flüssigkristallprojektor verwendet wird, mindestens eine Hälfte von dem Polarisator, welcher ein polarisierender Filter ist, aufgefangen, und somit war die Helligkeit des Bildes, das auf die Leinwand oder die Wand projiziert wurde, nicht ausreichend.
  • Projektionssysteme, die unter Einbezug von LCos-SLMs hergestellt werden, verwenden derzeit PCLPs in ihrem Beleuchtungs system. Die gewöhnlichste Form von PCLP umfasst einen Reflektor in der Form eines Lichtrohrs, das zwei PBSs an dem Eingangsende des Lichtrohrs aufweist. Licht von der Lichtquelle fällt auf einen PBS ein. Der PBS spaltet das Licht in S- und P-Polarisationszustände auf. P-polarisiertes Licht wird transmittiert und S-polarisiertes Licht wird reflektiert. Das P-polarisierte Licht fällt dann auf einen Dreher in der Form eines Halbwellenlängenverzögerers, welcher derart orientiert ist, dass das austretende Licht eine um 90° gedrehte Polarisationsachse aufweist, so dass es zu S-polarisiertem Licht umgewandelt wurde. Das von dem PBS abgespaltete S-polarisierte Licht fällt dann auf den zweiten PBS ein, wo es reflektiert wird und in das Lichtrohr zurückgeleitet wird. S-polarisiertes Licht tritt somit von beiden PBS aus und wird dann von dem Lichtrohr homogenisiert. Das PCLP neigt dazu, ein kostengünstigeres System als die oben genannte Anordnung kleiner Linsen PCA zu sein, aber es leidet an einem geringeren Kontrast, näherungsweise 6:1, der aus dem PCLP austritt, im Vergleich mit dem 20 bis 30:1 von der Anordnung kleiner Linsen PCA, und einer geringeren Effizienz; ungefähr 72% verglichen mit näherungsweise 80%.
  • Das US-Patent 6,139,157 des Stands der Technik, hierin durch Referenz eingebunden, ist auf eine Beleuchtungsvorrichtung gerichtet, welche mehrere Elemente mit der vorliegenden Erfindung gemein zu haben scheint. Eine Lichtquelle, ein Lichtrohr, Linsen, ein reflektierender polarisierender Strahlteiler, ein Polarisationswandlungselement und eine Zielebene werden alle in diesem Patent gezeigt. Dennoch fehlt der Erfindung, die in 13 dieses Patents gezeigt wird und hierin als 2 gezeigt ist, ein Hindernis oder eine undurchsichtige Region an einem Eingangsende des Lichtrohrs. Die Anmelderin glaubt, dass durch Nichtversehen des Lichtrohrs mit einer abgedeckten Region an dem Eingangsende kein einheitlich polarisierter Strahl resultiert. Durch Bereitstellen des Hindernisses oder der abgedeckten Region an einem Eingangsende des Lichtrohrs und Sicherstellen, dass die Polarisationsverschiebung und Separation an vorbestimmten Orten in Abhängigkeit von der Konfiguration der abgedeckten Region stattfindet, wird ein gewünschter einheitlich polarisierter Strahl resultieren. Die Beschreibung von 13 ist wie folgt:
    „Das in 13 gezeigte Polarisationswandlungselement 74 verwendet eine transparente Platte, die mit einer polarisationstrennenden Oberfläche 701 an deren Oberfläche als Reflektionsmittel, um den optischen Pfad um 90° zu biegen, und mit einem reflektierenden Spiegel 702 an deren Rückseite versehen ist, und die optischen Pfade von S-polarisiertem Licht, das von der Oberfläche reflektiert wird, und P-polarisiertem Licht, das von der Rückseite reflektiert wird, werden parallel zueinander abgelenkt, und eine Halbewellenlängenplatte 703 ist auf dem optischen Pfad des von der Oberfläche reflektierten S-polarisierten Lichts angeordnet (oder dem optischen Pfad des von der Rückseite reflektierten P-polarisierten Lichts), um dadurch die Richtungen der Polarisation der beiden Lichter zu vereinheitlichen."
  • Auch werden in dem System von 13 des Stands der Technik Halbwellenlängenplatten 703 periodisch auf der flachen Oberfläche der plankonvexen integrierten Linse 5 bereitgestellt, um dadurch die Polarisationsrichtung von dem einfallenden S-polarisierten Licht in dieselbe Richtung wie das P-polarisierte Licht zu wandeln."
  • Es ist nicht klar, ob die in 13 gezeigte Struktur so funktioniert, wie sie soll. Da keine Struktur gelehrt wird, die Licht von dem Eingangsende blockiert, scheint es, als ob alles Licht einer linearen Polarisation, das auf die Oberfläche 701 einfällt, auf die gesamte empfangende Oberfläche von 5 reflektiert wird. Es scheint auch, als ob alles Licht, das von der Oberfläche 702 reflektiert wird, auf die gleiche Region von 5 reflektiert wird. Darum ist es nicht klar, wie diese Ausführungsform arbeitet, um eine lineare Polarisation und nicht die andere selektiv zu rotieren.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, um einen räumlichen Lichtmodulator einheitlich zu beleuchten, welches ein neues, relativ kostengünstiges Verfahren der Polarisationsrückgewinnung umfasst.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein einfaches, kostengünstiges System bereitzustellen, um im Wesentlichen einheitlich polarisiertes Licht für die Verwendung in einem Projektionsanzeigesystem bereitzustellen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird ein Beleuchtungssystem bereitgestellt, das aufweist:
    • a) ein Lichtrohr, das ein Eingangsende zum Aufnehmen von im Wesentlichem unpolarisiertem Licht von einer Lichtquelle und ein Ausgangsende zum Ausgeben von reflektiertem Licht aufweist, wobei das Eingangsende einen abgedeckten Bereich und einen nicht abgedeckten Bereich aufweist, wobei der abgedeckte Bereich Licht im Wesentlichen vom Eindringen in das Lichtrohr abhält, und der nicht abgedeckte Bereich Licht das Eindringen in das Lichtrohr ermöglicht, wobei das Lichtrohr zum Reflektieren von Licht und zum Herstellen einer Vielzahl von virtuellen Bildern vorgesehen ist, wobei jedes virtuelle Bild eine dunkle nicht beleuchtete Region aufweist, die der abgedeckten Region entspricht, und eine beleuchtete Region, die der nicht abgedeckten Region entspricht, und die an die dunkle Region angrenzt;
    • b) eine Linse, die optisch an das Ausgangsende des Lichtrohrs gekoppelt ist, um eine Vielzahl von reellen Bildern in oder in der Nähe einer Bildebene bereitzustellen, wobei jedes reelle Bild einem der virtuellen Bilder derart entspricht, dass jedes reelle Bild eine dunkle, nicht beleuchtete Region aufweist, die dem abgedeckten Bereich entspricht, und eine beleuchtete Region, die dem nicht abgedeckten Bereich entspricht, wobei die Vielzahl von reellen Bildern zusammen eine Anordnung von dunklen Regionen und beleuchteten Regionen ausbilden; und
    • c) ein Polarisationswandlungssystem, das optische gekoppelt ist, um Licht von der Anordnung von dunklen und hellen Regionen aufzunehmen, und um die dunklen Regionen mit etwas Licht von den beleuchteten Regionen in einer polarisationsabhängigen Weise derart zu füllen, dass etwas Licht von einer beleuchteten Region zu einer dunklen Region räumlich verschobeben wird, wobei das Polarisationswandlungssystem Licht so umwandelt, dass im Wesentlichen das gesamte Licht, das durch dieses hindurch läuft, einheitlich polarisiert wird.
  • Mindestens 80% des Lichts, das durch das Polarisationswandlungssystem hindurch läuft, ist einheitlich polarisiert, und vorzugsweise 90% oder mehr.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Beleuchtungssystem bereitgestellt, das aufweist:
    • a) ein Lichtquelle;
    • b) ein Lichtrohr, das ein auf eine vorbestimmte Weise abgedecktes Ende aufweist, um virtuelle Bilder herzustellen, die jeweils eine dunkle Region, die der abgedeckten Region entspricht, und eine nicht abgedeckte beleuchtete Region angrenzend an die abgedeckte Region aufweisen;
    • c) eine Linse, die an das Lichtrohr gekoppelt ist, um reelle Bilder herzustellen, die den virtuellen Bildern entsprechen, wobei jedes reelle Bild eine beleuchtete Region und eine unbeleuchtete Region aufweisen;
    • d) ein Polarisationswandlungssystem, das Licht von der Linse aufnimmt, und das die nicht beleuchteten Regionen mit Licht von angrenzenden beleuchteten Regionen auf eine polarisationsabhängige Weise füllt, um einen polarisierten Lichtstrahl herzustellen, der von den reellen Bildern gebildet wird.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird in einem Projektionsanzeigesystem ein Verfahren bereitgestellt, um eine im Wesentliche einheitliche, homogene, polarisierte Lichtquelle bereitzustellen, das die Schritte umfasst:
    Bereitstellen eines Strahls von im Wesentlichen unpolarisiertem Licht;
    Umwandeln des unpolarisierten Lichts in mindestens vier reelle Bilder, wobei jedes eine helle Region und eine oder mehrere dunkle Regionen in einer ersten Bildebene aufweist;
    Lenken eines Teils des Lichts von einer hellen Region in jedem reellen Bild zu einer oder mehreren dunklen Regionen in jedem der reellen Bilder in einer polarisationsabhängigen Weise; und
    Homogenisieren des veränderten Bilds in ein einzelnes Bild von im Wesentlichen polarisiertem Licht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun in Verbindung mit den Figuren beschrieben, in welchen:
  • 1 eine Seitenansicht eines Systems des Stands der Technik für Polarisationswandlung ist, das eine Fliegenaugenanordnung und eine PCA verwendet.
  • 2 eine Seitenansicht eines Polarisationswandlungssystems ist, wie in dem US-Patent 6,139,157 gezeigt.
  • 3 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist.
  • 4a eine Darstellung ist, die eine Eingangsendseite eines Lichtrohrs nach 3 veranschaulicht.
  • 4b eine Darstellung von mehreren Bildern der Eingangsfläche des Lichtrohrs ist, wie sie an der Polarisationswandlerebene gesehen werden würde.
  • 5 eine Darstellung ist, die das S- und P-polarisierte Licht zeigt, das auf der Polarisationswandlerebene Seite an Seite zusammengefügt ist.
  • 6 eine alternative Ausführungsform des in 3 gezeigten Beleuchtungssystems ist.
  • 7 eine Darstellung des Polarisationstrenners und -verschiebers des Systems von 6 ist.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Mit Bezug auf 3 wird ein Beleuchtungssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt. Eine Lichtquelle 30, die einen Reflektor 32 aufweist, ist optisch an ein Lichtrohr 34 gekoppelt. Das Lichtrohr ist in allen Gesichtspunkten herkömmlich außer einem. Das Lichtrohr 34 weist eine abgedeckte Region an seinem Eingangsende auf, die in 3 nicht gesehen werden kann, aber klar in 4a veranschaulicht wird. Das Lichtrohr 34 kann einen Lichttunnel oder eine andere Licht reflektierende Struktur sein, die ein Eingangsende aufweist, das abgedeckt werden kann, und ein Ausgangsende, um Licht auszugeben. Ein Polarisationstrenner und -verschieber 36 ist angeordnet, um im Wesentlichen kollimiertes Licht von dem Lichtrohr mittels der Linsen 37a und 37b in der Form von mehreren reellen Bildern aufzunehmen. Ein ähnliches Element 74 ist im Detail in 2 gezeigt. Jedes reelle Bild ist ein reduziertes Bild des Eingangsendes des Lichtrohrs. Eine genauere Beschreibung dessen folgt. Der Polarisationstrenner und -verschieber 36 ist angeordnet, um das S- und P-polarisierte Licht zu trennen und dann das Licht in einer polarisationsabhängigen Weise räumlich zu verschieben, so dass das S-polarisierte Licht und P-polarisierte Licht auf die Polarisationswandler-(PC)Platte 38 mit einem vorbestimmten räumlichen Muster einfällt. Der Polarisationswandler 38 ist eine Platte, die gestreifte Regionen 52 mit einem halbwelleverzögernden Material, das in sich abwechselnden Regionen vorhanden ist, aufweist. Licht einer linearen Polarisation fällt auf die gestreiften Regionen 52, während Licht der anderen linearen Polarisation durch die Glasregionen 50 unbeeinflusst hindurchläuft, wie in 5 gezeigt. Relaiselemente 39a und 39b stellen sicher, dass das Licht, das aus dem PC 38 austritt, einheitlich über die SLM-Ebene 31 verteilt wird.
  • Im Betrieb wird Licht von der Lichtquelle 30 von dem Reflektor 32 auf das Eingangsende 33a des Lichtrohrs oder Lichttunnels 34 fokussiert. Licht durchläuft das Lichtrohr von der Eingangsendseite zu der Ausgangsseite 33b, wobei es mehrfache Reflektionen von den Wänden des Lichtrohrs erfährt. Totalreflexion (TIR) von den Lichtrohrwänden verhindert, dass Licht aus dem Lichtrohr entweicht. Nach mehrfachen Reflexionen im Innern des Lichtrohrs 34 wird das Licht homogenisiert, wobei die Ausgangsfläche 33b des Lichtrohrs eine im Wesentlichen einheitlich emittierende Oberfläche darstellt. Ein hohler Tunnel, der aus Spiegeln besteht, kann auch verwendet werden, und wird als ein Äquivalent betrachtet. Das Lichtmuster an der Ausgangsendfläche 33b wird dann von den Beleuchtungsrelais 37a, 37b, 39a und 39b auf den SLM 31 abgebildet. In dieser Ausführungsform ist der Polarisationstrennerverschieber nach den ersten zwei Relaiselementen 37a und 37b angeordnet. Diese Region ist im Wesentlichen kollimierter Raum, in dem das Licht, das aus dem Relaiselement 37b austritt, kollimiert ist. Die Funktion des Polarisationstrennerverschiebers 36 ist es, die orthogonalen linearen Polarisationszustände zu trennen und dann einen lateral seitwärts mit Bezug auf den anderen zu verlagern oder zu verschieben. Wie in 3 gezeigt, fällt unpolarisiertes Licht auf einen PBS 36a ein, beispielsweise ein Moxtek ProfluxTM-Drahtgitterpolarisator, wobei S- Polarisation reflektiert wird und P-Polarisation hindurchgelassen wird. Das P-polarisierte Licht wird dann von einem Spiegel 36b an der Rückseite des Verschiebers 36 durch den PBS reflektiert. Die Trennung des Spiegels 36b von dem PBS des Verschiebers 36 bewirkt, dass das P-polarisierte Licht seitwärts relativ zu dem S-polarisierten Licht verlagert wird. Diese Trennung muss präzise kontrolliert werden, wie später gezeigt werden wird.
  • Wie in 4a gezeigt, weist die Eingangsendfläche des Lichtrohrs zwei abgedeckte undurchsichtige Regionen 42a und 42b und ein lichtdurchlässiges Fenster 42c zwischen diesen auf. Vorzugsweise ist die Breite der Fensterregion 42c d/2 und die Breite der abgedeckten Regionen jeweils d/4. Der Zweck der abgedeckten Regionen ist es, eine Anordnung von beleuchteten oder hellen Regionen 45a und nicht beleuchteten oder dunklen Regionen 45b auf der Bildebene zu ergeben. Das Lichtrohr nimmt das in 4a gezeigte reelle Bild auf, und indem Licht im Inneren des Lichtrohrs abprallt wird eine Vielzahl von kleineren virtuellen Bildern, wobei jedes eine kleinere Version des in 4a gezeigten reellen Bilds ist, an einer virtuellen Bildebene etwa an dem Eingangsende des Lichtrohrs erstellt. Diese virtuellen Bilder würden als reelle Bilder in der Bildebene des PC 38 erfasst werden. Da das Licht, das auf den Trenner und Verschieber 36 auftritt, im Wesentlichen kollimiert ist, würden dieselben reellen Bilder, die den virtuellen Bildern entsprechen und konjugierte dieser sind, auf dem Trenner und Verschieber 36 vorhanden sein. Daher würde das Muster in 4b auf die Elemente 36 und 38 abgebildet werden.
  • Allerdings ändert der Polarisationstrenner und -verschieber 36 die mehrfachen reellen Bilder auf eine vorbestimmte Weise, so dass ungefähr die Hälfte des Lichts innerhalb der beleuchteten Bereiche 45a zu nicht beleuchteten oder dunklen Regionen 45b mittels räumlicher Verschiebung geleitet wird, um Seite an Seite S-polarisiertes Licht und P-polarisiertes Licht zusammenzufügen. Zweckmäßig fallen die verzögernden gestreiften Regionen 52 des PC 38, das sich in einer Ebene befindet, welche konjugiert ist zu der Eingangsseite 33b des Lichtrohrs und durch die eingreifende Relaisoptik gebildet wird, nur mit dem S- oder P-polarisiertem Licht zusammen, aber nicht mit beiden. Zusammenfassend wird das in 4b gezeigte reelle Bild durch den Polarisationstrenner und -verschieber 36 geändert, so dass Licht gleichmäßig in einer polarisationsabhängigen Weise derart verteilt wird, dass die dunklen Regionen mit Licht eines orthogonalen Polarisationszustands der beleuchteten Regionen beleuchtet werden, nachdem polarisationsabhängige Verschiebung und Konvertierung stattfindet. Wenn sachgemäß ausgestaltet werden sowohl das S-polarisierte Licht als auch das P-polarisierte Licht als sich abwechselnde Balken von hellen und dunklen Regionen erscheinen. Das P-polarisierte Licht wird seitwärts relativ zu den S-polarisierten Streifen verlagert, so dass die hellen P-Regionen auf die S-polarisierten dunklen Regionen mit wenig oder minimaler Überlappung fallen, und umgekehrt.
  • In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der PC 38 ausgestaltet, um das P-polarisierte Licht in S-polarisiertes Licht zu transformieren. Eine Weise dieses auszuführen ist, ein transparentes Substrat wie beispielsweise Glas mit Streifen von halbewelleverzögerndem Material, wie beispielsweise Kunststoffverzögerungsfilm, Quarz, Mika oder anderen doppelbrechenden Materialien, zu beschichten, in einem Muster, welches dem Muster der hellen Regionen des P-polarisierten Lichts entspricht. Der Verzögerer ist ausgebildet, um die Po larisationsachse um 90° zu rotieren oder zu verzögern. Licht, das aus dem PC 38 austritt, wird dann S-polarisiertes Licht sein. Natürlich kann S-polarisiertes Licht in P-polarisiertes Licht auf eine ähnliche Weise transformiert werden, wenn erwünscht.
  • Obwohl die vordem beschriebenen Ausführungsformen mit Bezug auf linear polarisiertes Licht beschrieben wurden, kann man sich Ausführungsformen vorstellen, in denen zirkular polarisiertes Licht verwendet wird, so dass das gesamte ausgegebene Licht einheitlich zirkular polarisiert ist. Das Element 36 würde mit einer Platte ersetzt werden müssen, die im Hinblick auf rechts- und linkshändig zirkularpolarisiertes Licht unterscheidet und verschiebt statt auf S- oder P-polarisiertes Licht.
  • Wendet man sich nun 6 zu, ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei der Polarisationstrenner und -verschieber 36 und der Polarisationswandler 38 von 3 mit einem optionalen Spiegel 62 ersetzt sind, um auf diesen einfallendes Licht zu falten, und um das Licht zu einem Polarisationstrenner, -verschieber und -wandler 64, der genauer in 7 gezeigt wird, umzulenken. Unpolarisiertes Licht, das S- und P-linear polarisierte Komponenten aufweist, fällt wie gezeigt auf eine Anordnung von Elementen. Das Fehlen von Licht zwischen den Pfeilen, die Strahlen von S- und P-polarisiertem Licht aufzeigen, beruht auf den dunklen Regionen als eine Funktion des Eingangs des Lichtrohrs 32 oder auf einem abgedeckten Reflektor. Das Licht, das als Beispiel als drei Pfeile gezeigt wird, die drei Strahlen repräsentieren, fällt auf polarisierende Strahlteiler 57a, 57b und 57c. S-polarisiertes Licht wird reflektiert, während P-polarisiertes Licht durch diese hindurchtritt. Das reflek tierte S-polarisierte Licht, das von 57a, 57b und 57c reflektiert wird, wird dann in dieselbe Richtung geleitet wie das P-polarisierte Licht und wird P-polarisiertes Licht, indem es durch einen Verzögerer hindurchtritt. Verzögerer 77a, 77b und 77c stellen die benötigte Verzögerung bereit, so dass das gesamte ausgegebene Licht P-polarisiert wird. Diese Ausführungsform der Erfindung nutzt auch die mehreren reellen Bilder aus, welche den abgedeckten Eingang repräsentieren, um beleuchtete und nicht beleuchtete Regionen bereitzustellen. In dieser Ausführungsform werden individuelle Strahlen gespalten und zusammengefügt, einen neben den anderen, um die dunklen Regionen zu füllen; dies stellt auch eine Gelegenheit bereit, um das S-polarisierte Licht zu rotieren, während das P-polarisierte Licht nicht betroffen ist, nachdem die dunklen Regionen gefüllt wurden.
  • In den in 3 und 7 gezeigten Ausführungsformen weist das Lichtrohr oder der Reflektor ein Hindernis auf, das Licht am Eintreten hindert. Dies erscheint in der Vielzahl reeller Bilder, die in den kollimierten Raum geleitet werden, als Bilder, die dunkle und helle Regionen aufweisen. Diese dunklen Regionen können anschließend mit ungefähr 50% des Lichts, das in den hellen Regionen vorhanden ist, gefüllt werden, auf eine polarisationsabhängige Weise, so dass das verbleibende Licht eine lineare Polarisation aufweist, und das verschobene verlagerte Licht eine orthogonale Polarisation aufweist. Eine der zwei linearen Polarisationen kann zweckmäßig verzögert oder rotiert werden, um dieselbe zu werden wie die andere, wodurch ein im Wesentlichen einheitlicher Strahl bereitgestellt wird, der einen gleichen Polarisationszustand aufweist.
  • Natürlich kann man sich zahlreiche andere Ausführungsformen vorstellen, wie in den Ansprüchen offenbart.

Claims (12)

  1. Beleuchtungssystem für ein Projektionsanzeigesystem, das aufweist: a) ein Lichtrohr (34), das ein Eingangsende (33a) zum Aufnehmen von im Wesentlichen unpolarisiertem Licht von einer Lichtquelle (30) und ein Ausgangsende (33b) zum Ausgeben von reflektiertem Licht aufweist, wobei das Eingangsende (33a) einen abgedeckten Bereich (42a, 42b) und einen nicht abgedeckten Bereich (42c) aufweist, wobei der abgedeckte Bereich (42a, 42b) Licht im Wesentlichen vom Eindringen in das Lichtrohr (34) abhält, und der nicht abgedeckte Bereich (42c) Licht das Eindringen in das Lichtrohr (34) ermöglicht, wobei das Lichtrohr (34) zum Reflektieren von Licht und zum Herstellen einer Vielzahl von virtuellen Bildern vorgesehen ist, wobei jedes virtuelle Bild eine dunkle nicht beleuchtete Region (45b) aufweist, die dem abgedeckten Bereich (42a, 42b) entspricht, und eine beleuchtete Region (45a), die dem nicht abgedeckten Bereich (42c) entspricht, und die an die dunkle nicht beleuchtete Region (45b) angrenzt; b) eine Linse, die optisch an das Ausgangsende (33b) des Lichtrohrs (34) gekoppelt ist, um eine Vielzahl von reellen Bildern in oder in der Nähe einer Bildebene bereitzustellen, wobei jedes reelle Bild einem der virtuellen Bilder derart entspricht, dass jedes reelle Bild eine dunkle nicht beleuchtete Region (45b) aufweist, die dem abgedeckten Bereich (42a, 42b) entspricht, und eine beleuchtete Region (45a), die dem nicht abgedeckten Bereich (42c) entspricht, wobei die Vielzahl von reellen Bildern zusammen eine Anordnung von dunklen Regionen (45b) und beleuchteten Regionen (45a) ausbilden; und, c) ein Polarisationswandlungssystem (38), das optisch gekoppelt ist, um Licht von der Anordnung von dunklen und hellen Regionen (45b, 45a) aufzunehmen, und um die dunklen Regionen (45b) mit etwas Licht von den beleuchteten Regionen (45a) in einer polarisationsabhängigen Weise derart zu füllen, dass etwas Licht von einer beleuchteten Region (45a) zu einer dunklen Region (45b) räumlich verschoben wird, wobei das Polarisationswandlungssystem (38) Licht so umwandelt, dass im Wesentlichen das gesamte Licht, das durch dieses hindurchläuft, einheitlich polarisiert wird.
  2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei jedes reelle Bild zu einem der virtuellen Bilder konjugiert ist, und wobei das beleuchtende System weiterhin eine zweite Linse aufweist, die gekoppelt ist, um polarisiertes Licht von dem Polarisationswandlungssystem (38) aufzunehmen, und um das Licht in einem Zielgebiet zu homogenisieren.
  3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, wobei das Polarisationswandlungssystem (38) eine reflektierende Platte aufweist, die auf diese einfallendes unpolarisiertes Licht räumlich in zwei lineare senkrechte Polarisationszustände trennt, und die das Licht zu einem optischen Element reflektiert, das Licht einer linearen Polarisation in Licht einer senkrechten Polarisation umwandelt.
  4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Eingangsende (33a) des Lichtrohrs (34) zwei abgedeckte Regionen (42a, 42b) an gegenüberliegenden Seiten des Endes (33a) so aufweist, dass ein lichtdurchlässiges Fenster (42c) zwischen diesen ausgebildet wird.
  5. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, wobei die abgedeckten Regionen (42a, 42b) undurchsichtig sind, und eine gemeinsame Fläche aufweisen, die im Wesentlichen äquivalent zu der Fläche des lichtdurchlässigen Fensters (42c) zwischen diesen ist.
  6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, wobei das Polarisationswandlungssystem (38) angepasst ist, um die dunklen Regionen (45b) in den reellen Bildern mit ungefähr der Hälfte des Lichts, das in angrenzenden beleuchteten Regionen (45a) vorhanden ist, in einer polarisationsabhängigen Weise zu füllen, um die dunklen Regionen (45b) zu beleuchten.
  7. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei das auf das Polarisationswandlungssystem (38) einfallende Licht im Wesentlichen kollimiert ist.
  8. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Polarisationswandlungssystem (38) einen Reflektor aufweist, der Licht auf ein Element reflektiert, um auf dieses einfallendes Licht auf eine polarisationsabhängige Weise zu trennen, und um das Licht einer linearen Polarisation so zu verzögern, dass ein polarisierter Ausgangsstrahl erzeugt wird.
  9. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Lichtquelle (30) aufweist.
  10. Beleuchtungssystem nach Anspruch 9, wobei das Polarisationswandlungssystem (38) eine Platte, die Licht in einer polarisationsabhängige Weise derart trennt, dass Licht einer bevorzugten Polarisation räumlich verschoben wird, und eine davon entfernte Platte aufweist, die die Polarisation von in vorbestimmte Regionen verschobenem Licht umwandelt.
  11. Beleuchtungssystem nach Anspruch 9, wobei das Polarisationswandlungssystem (38) eine Platte aufweist, die Licht in einer polarisationsabhängigen Weise derart trennt, dass Licht einer bevorzugten Polarisation räumlich verschoben wird, und Licht einer anderen Polarisation ohne räumlich verschoben zu werden reflektiert wird, und eine davon entfernte Platte, die die Polarisation von Licht, das reflektiert wurde ohne räumlich verschoben zu werden, umwandelt.
  12. Ein Verfahren zum Bereitstellen von im Wesentlichen einheitlichem, homogenem, polarisiertem Licht in einem Projektionsanzeigesystem, das die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Strahls von im Wesentlichen unpolarisiertem Licht an der Eingangsendseite eines Lichtrohrs, die abgedeckte und nicht abgedeckte Bereiche aufweist, Umwandeln des unpolarisierten Lichts in mindestens vier reelle Bilder, wobei jedes eine helle Region (45a) und eine oder mehrere dunkle Regionen (45b) in einer ersten Bildebene aufweist, die den abgedeckten bzw. nicht abgedeckten Bereichen der Lichtrohreingangsendseite entsprechen,; Lenken eines Teils des Lichts von einer hellen Region in jedem reellen Bild zu einer oder mehreren dunklen Regionen (45b) in jedem der reellen Bilder in einer polarisationsabhängigen Weise; und Homogenisierung des veränderten Bildes in ein einzelnes Bild von im Wesentlichen polarisiertem Licht.
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