DE69128979T2

DE69128979T2 - Vorrichtung zur Änderung der Polarisationsrichtung und Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht mit dieser Vorrichtung und Bildanzeigeeinheit mit dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE69128979T2
Application number: DE69128979T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kawasaki; Hideaki Mitsutake
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-17
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2011-05-18
Also published as: EP0457605A3; EP0457605B1; CA2042829C; EP0457605A2; JPH04230705A; DE69128979D1; US5387991A; CA2042829A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System zur Erzeugung von polarisiertem Licht und eine Bildanzeigeeinheit, welche ein solches optisches System benutzt.

Bemerkungen zum Stand der Technik

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines herkömmlichen Beispiels einer Projektions-Bildanzeigeeinheit.
Diese Projektions-Bildanzeigeeinheit weist eine Lichtquelle 1 auf, die aus einer Wolfram-Halogen-Lampe besteht, einen Reflexionsspiegel 2 zum Reflektieren eines Teiles des von der Lichtquelle 1 ausgesendeten Lichts, einen Wärmestrahlungsfilter 3 zum Absorbieren oder Reflektieren der Wärmestrahlung des Lichts, welche direkt oder über den Reflexionsspiegel 2 von der Lichtquelle 1 darauffällt, eine Kondensorlinse 4, um das Licht nach Entzug der Wärmestrahlen zu parallelem Licht umzuformen, eine polarisierende Platte zum Uniformen des parallelen Lichts in linear polarisiertes Licht, ein Flüssigkristall-Lichtventil 7 zum Modulieren des linear polarisierten Lichts entsprechend einem Bildsignal, eine polarisierende Platte 8 zum Durchlassen nur der in Richtung der Transmissionsachse für das modulierte linear polarisierte Licht liegenden Bestandteile und ein Projektionslinsensystem 10 zum vergrößerten Projizieren des durchgelassenen linear polarisierten Lichts auf einen nicht gezeigten Schirm.
Fig. 2 ist eine Prinzipdarstellung, welche ein anderes herkömmliches Beispiel einer Projektions-Bildanzeigeeinheit zeigt.
Diese Projektions-Bildanzeigeeinheit hat zwei polarisierende Strahlteiler 6, 9, welche vor bzw. nach dem Lichtventil angeordnet sind, anstatt der zwei polarisierenden Platten 5, 8 der Projektions-Bildanzeigeeinheit wie in Fig. 1 gezeigt. Die Projektions-Bildanzeigeeinheiten wie in Fig. 1 und 2 gezeigt haben den Nachteil, daß nur ein linear polarisierter Lichtanteil des von der Lichtquelle 1 ausgesandten und von der polarisierenden Platte 5 oder deni polarisierenden Strahlteiler 6 durchgelassenen Lichts zur Ausleuchtung des Flüssigkristall-Lichtventils genutzt wird, und ein senkrecht zu diesem linear polarisiertem Lichtanteil linear polarisierter Lichtanteil ist verloren, so daß die Nutzungseffizienz des Lichts auf weniger als 50 % reduziert ist.
Eine Projektions-Bildanzeigeeinheit, welche den obigen Nachteil verbessert, ist die in der offengelegten japanischen Anmeldung No. 61-90584 beschriebene, wie in Fig. 3 gezeigt. In dieser Projektions-Bildanzeigeeinheit tritt das aus der Kondensorlinse 4 austretende parallele Licht in einen polarisierenden Strahlteiler 11 ein, in welchem seine P-polarisierte Komponente Lp direkt durchgelassen wird durch eine Funktionsfläche 11a (eine auf der schrägen Fläche abgeschiedene Schicht, an der zwei rechtwinklige Prismen zusammengefügt sind) des polarisierenden Strahlteilers 11, während seine S-polarisierte Komponente Ls davon rechtwinklig reflektiert wird und in ein Totalreflexionsprisma 12 eintritt. Die S-polarisierte Lichtkomponente LS wird nochmals unter rechtem Winkel durch das Totalreflexionsprisma 12 reflektiert, um daraus in derselben Richtung auszutreten wie die P-polarisierte Lichtkomponente Lp, welche durch den polansierenden Strahlteiler 11 durchgelassen wird. Es wird festgestellt, daß die S-polarisierte Lichtkomponente Ls eine parallel zur Funktionsfläche 11 des Strahlteilers 11 polarisierte Lichtkomponente ist, und die P-polarisierte Lichtkomponente Lp ist die senkrecht zur S-polarisierten Lichtkomponente polarisierte.
Auf der Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 12 ist eine optische Halbwellen-Phasenplatte 12 angeordnet, in welcher die aus dem Totalreflexionsprisma 12 austretende S- polarisierte Lichtkomponente Ls ihre Polarisationsrichtung durch die optische Halbwellen-Phasenplatte um 90º dreht und in eine P-polarisierte Lichtkomponente Lp* umgewandelt wird. An der Lichtaustrittsseite des polarisierenden Strahlteilers 11 und der optischen Halbwellen-Phasenplatte 13 sind Keillinsen zur Änderung des Strahlenganges angeordnet, wobei der Strahlengang sowohl für die durch den polarisierenden Strahlteiler 11 durchgelassene P-polarisierte Lichtkomponente Lp als auch für die durch die optische Halbwellen-Phasenplatte 13 umgewandelte P-polarisierte Lichtkomponente Lp* abgelenkt und derart gestaltet wird, daß sie sich in einem Punkt P&sub0; auf der Eintrittsseite des Flüssigkristall-Lichtventils schneiden.
Dementsprechend hat diese Projektions-Bildanzeigeeinheit eine doppelt so große Nutzungseffizienz wie die in Fig. 1 und 2 gezeigten, weil das Flüssigkristall-Lichtventil 7 mit sowohl der S-polarisierten Lichtkomponente Ls als auch der P- polarisierten Lichtkomponente Lp beleuchtet wird, welche durch den polarisierenden Strahlteiler 11 separiert werden.
Sowohl bei der vorstehenden Projektions-Bildanzeigeeinheit als auch bei der in der offengelegten japanischen Anmeldung No. 61-90584 beschriebenen besteht das Problem, daß die Lichtquelle 1 gewöhnlich als eine Lampe ausgeführt wird, welche keine vollkommene punkt- oder linienförmige Lichtquelle ist, so daß das von der Kondensorlinse 4 ausgehende Licht nicht vollkommen parallel ist und die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die umgewandelte P-polarisierte Lichtkomponente Lp* nicht vollkommen parallel gestaltet werden.
Dieses Problem wird im weiteren mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben.
Das von der Lichtquelle 1, welche einen bestimmten Durchmesser Φ hat, ausgehende Licht wird durch die in einer Entfernung 1 davon angeordnete Kondensorlinse 4 gebündelt, aber der davon ausgehende Strahl erweist sich als nicht vollkommenes paralleles Licht, das unparalleles Licht über einen Winkelbereich 2w (w tan&supmin;¹(φ/2)/1) erzeugt. Ein Lichtstrahl α aus unparallelem Licht wird nicht von deni polarisierenden Strahlteiler 11 beeinflußt, aber durch den Übergang zwischen deni polarisierenden Strahlteiler 11 und deni Prisma 12 durch gelassen, um in die optische Halbwellen-Phasenplatte 13 einzutreten und daraus herauszukommen als Strahl, welcher sowohl die S-polarisierte Lichtkomponente als auch die P-polarisierte Lichtkomponente enthält. Ebenso wird ein Lichtstrahl β zur S-polarisierten Lichtkomponente Ls am polarisierenden Strahlteiler 11 gemacht, in welchen er nach Reflektieren vom Totalreflexionsprisma 12 durch die Grenzfläche zwischen dem polarisierenden Strahlteiler 11 und dem Prisma 12 geht und nochmals durch den polarisierenden Strahlteiler 11 reflektiert wird, um aus der optischen Halbwellen-Phasenplatte 13 als P-polarisierte Lichtkomponente Lp* an einer völlig anderen Position auszutreten wie durch den Lichtstrahl β1 angedeutet, oder um in einer Grenzfläche der optischen Halbwellen-Phasenplatte 13 absorbiert zu werden oder direkt durchgelassen zu werden und dabei verloren zu gehen wie durch den Lichtstrahl β2 in Fig. 4 angezeigt.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System bereitgestellt mit einem polarisierenden Strahlteiler, welcher ein erstes Prisma aufweist, welches eine erste schräge Fläche hat zum Aufnehmen eines einfallenden Strahls und zum Aufspalten des einfallenden Strahls in erste und zweite Lichtstrahlen mit im wesentlichen orthogonalen Polarisationsebenen, eine erste Austrittsfläche, von welcher der erste Strahl austritt, und eine zweite Austrittsfläche, von welcher der zweite Strahl austritt, und ein internes Reflexionsprisma mit einem zweiten Prisma, welches eine Eintrittsfläche gegenüber der zweiten Austrittsfläche des ersten Prismas hat, eine zweite schräge Fläche zum Reflektieren und Ablenken des zweiten Strahls von der Eintrittsfläche, um ihn auf einen optischen Weg nahezu parallel zum ersten Strahl zu richten, und eine dritte Austrittsfläche, von welcher der von der zweiten schrägen Fläche reflektierte zweite Strahl austritt, gekennzeichnet dadurch, daß eine transparente Schicht zwischen der zweiten Austrittsfläche und des ersten Prismas und Eintrittsfläche des zweiten Prismas angebracht ist, wobei die transparente Schicht so gewählt ist, daß sie einen kleineren Brechungsindex als der des ersten Prismas hat, um so unter kleinen Winkeln zur Oberflächensenkrechten einfallende Strahlen durchzulassen, aber unter großen Winkeln einfallende Strahlen zu reflektieren.
Entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System bereitgestellt mit einem polarisierenden Strahlteiler, welcher ein erstes Prisma aufweist mit einer ersten schrägen Fläche zum Aufnehmen eines einfallenden Strahls und Aufspalten des einfallenden Strahls in erste und zweite Lichtstrahlen mit im wesentlichen orthogenalen Polarisationsebenen, einer ersten Austrittsfläche, von welcher der erste Strahl austritt, und einer zweiten Austrittsfläche, von welcher der zweite Strahl austritt und einem internen Reflexionsprisma mit einem zweiten Prisma, welches eine Eintrittsfläche aufweist, die sich im wesentlichen in Kontakt mit der zweiten Austrittsfläche des ersten Prisnias befindet, und einer zweiten schrägen Fläche zum Reflektieren und ablenken des zweiten Strahls von der Eintrittsfläche, um ihn auf einen Strahlengang nahezu parallel zu dem des ersten Strahls zu richten, und einer dritten Austritts fläche, von welcher der von der zweiten schrägen Fläche reflektierte zweite Strahl austritt, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Prisma so gewählt ist, daß es einen kleineren Brechungsindex aufweist als der Brechungsindex des ersten Prismas, so daß unter kleinen Winkeln zur Oberflächensenk rechten einfallende Strahlen durchgelassen werden, aber unter großen Winkeln einfallende Strahlen reflektiert werden.
Das optische System kann eine Lichtquelle und Modulationsvorrichtung zur Modulation mindestens einer Polarisationsebene des ersten Strahls und des zweiten Strahls enthalten, um die Polarisationsebene des ersten und des zweiten Strahls nahezu zur Übereinstimmung zu bringen. Ein Bildanzeigesystem kann ein solches optisches System und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildes durch Modulation des ersten Strahls und des zweiten Strahls des optischen Systems enthalten.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben, aber in jedem Fall ist die in der vorhegenden Anmeldung dargestellte Form nur ein Beispiel entsprechend der vorliegenden Erfindung, wobei es möglich ist, verschiedene Formen aufzubauen, die auf deni Konzept der vorliegenden Erfindung basieren.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch ein herkömmliches Beispiel einer Projektions-Bildanzeigeeinheit.
Fig. 2 zeigt schematisch ein anderes herkömmliches Beispiel einer Projektions-Bildanzeigeeinheit.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Projektions-Bildanzeigeeinheit wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung No. 61-90584 beschrieben.
Fig. 4 ist eine Darstellung zum Erklären einiger Probleme der in Fig. 3 gezeigten Projektions-Bildanzeigeeinheit.
Fig. 5 zeigt schematisch ein erstes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist eine Darstellung zum Erklären des Strahlengangs in dem in Fig. 5 gezeigten Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht.
Fig. 7 zeigt schematisch ein zweites Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8A und 8B sind Darstellungen, welche wesentliche Teile eines Beispiels einer Projektions-Bildanzeigeeinheit zeigt, welche das in Fig. 5 gezeigte Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht aufweist, wobei Fig. 8A eine Seitenansicht und Fig. 8B eine Draufsicht ist.
Fig. 9 zeigt schematisch ein drittes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 ist eine Darstellung zur Erklärung des Strahlengangs im Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie es in Fig. 9 gezeigt ist.
Fig. 11 zeigt schematisch ein viertes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisierten Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 12 zeigt schematisch ein fünftes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisierten Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 13A und 13B sind Darstellungen, welche wesentliche Teile eines Beispiels einer Projektions-Bildanzeigeeinheit zeigen, welche das in Fig. 9 gezeigte Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht aufweist, wobei Fig. 13A eine Seitenansicht ist und Fig. 13B eine Draufsicht ist.
Fig. 14 zeigt schematisch ein sechstes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisierten Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 ist eine Darstellung zur Erklärung des Strahlengangs im Beleuchtungssystem mit polarisierten Licht wie es in Fig. 14 gezeigt ist.
Fig. 16 zeigt schematisch ein siebentes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 17 zeigt schematisch ein achtes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 18 zeigt schematisch ein neuntes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 19 zeigt schematisch ein zehntes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 20 zeigt schematisch ein elftes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Beispiele der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Abbildungen beschrieben.
Fig. 5 zeigt schematisch ein erstes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung, und Fig. 6 ist eine Darstellung zum Erklären des Strahlengangs in dem in Fig. 5 gezeigten Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht.
Das auf eine Polarisationsänderungsvorrichtung 200 fallende Licht wird von einer Lichtquelleneinheit 20 mit einer Lichtquelle 21 ausgesandt, welche aus einer Wolfram-Halogen-Lampe oder Metallhalidlampe, einem Reflexionsspiegel 22 zum Reflektieren eines Teils des von der Lichtquelle 21 ausgesandten Lichts, einem Wärmestrahlungsschutzfilter 23 zum Absorbieren oder Reflektieren der hierauf direkt oder über den Reflexionsspiegel 22 von der Lichtquelle 21 einfallenden Wärmestrahlung des Lichts sowie einer Kondensorlinse 24 zur Umformung des Lichts zu parallelem Licht nach Entfernung der Wärmestrahlung besteht.
Die Polarisationsänderungsvorrichtung 200 in diesem Beispiel weist einen polarisierenden Strahlteiler 31 auf 1 welcher eine funktionelle schräge Fläche 31a aufweist(einen auf die schräge Fläche abgeschiedenen Film, welche zwei zusammengefügte rechteckige Prismen gemeinsam haben), welchen die P- polarisierte Lichtkomponente Lp des parallelen Lichts durchläßt und die S-polarisierte Lichtkomponente Ls des parallelen Lichts unter rechtem Winkel reflektiert, ein Totalreflexionsprisma 32, welches parallel zur funktionellen Fläche 31a des polarisierenden Strahlteilers eine totalreflektierende schräge Fläche 32a aufweist, welche einen reflektierender Partner zum Reflektieren der reflektierten S-polarisierten Lichtkomponente LS im rechten Winkel darstellt, eine optische Halbwellen-Phasenplatte 33, auf welche die von der schrägen Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls im rechten Winkel einfällt, wobei die optische Halbwellen-Phasenplatte 33 zum Umwandeln der von der schrägen Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 reflektierten S-polarisierten Lichtkomponente Ls in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp* dient, welche hieraus austritt wie die konventionelle, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Jedoch ist in diesem Fall eine optische Mehrlagenschicht 36, welche eine Oberfläche aufweist, auf welche die von der funktionellen schrägen Fläche 31a des polarisierenden Strahlteilers 31 reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls unter rechtem Winkel einfällt, mit der Eigenschaft, das Licht mit kleinerem Einfallswinkel durchzulassen und Licht mit größerem Einfallswinkel zu reflektieren, und mindestens eine Schichtlage mit einem kleineren Brechungsindex als ein Glas, welches Bestandteil des polarisierenden Strahlteilers 31 ist, enthält, zwischen der funktionellen schrägen Fläche 31a des polarisierenden Strahlteilers 31 und der totalreflektierenden schrägen Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 angebracht, wobei diese Schicht eingeschlossen ist zwischen einer Austrittsfläche der S-po-larisierten Lichtkomponente Ls aus dem polarisierenden Strahlteiler 31 und einer Eintrittsfläche der S-polan-sierten Lichtkomponente Ls in das Prisma 32.
Dementsprechend unterscheidet sich das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht in diesem Beispiel von dem konventionellen wie in Fig. 3 gezeigten in den folgenden zwei Punkten.
(1) Die Keillinsen 14, 15 an der Austrittsseite des- polarisierenden Strahlteilers 11 wie in Fig. 3 gezeigt sind nicht notwendig.
(2) Um unparallel einfallendes Licht als gewöhnlichen Strahl auszusenden, ist hier die optische Mehrlagenschicht 36 angebracht, welche die Eigenschaft hat, das Licht mit kleinerem Einfallswinkel durchzulassen und das Licht mit größerem Einfallswinkel zwischen der funktionellen schrägen Fläche 31a des polarisierenden Strahlteilers 31 und der totalreflektierenden Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 zu reflektieren.
Ein Vorteil von (2) wie vorstehend beschrieben wird nun detailliert ausgeführt, indem der Strahlengang für verschiedene Lichtstrahlen, welche sich in der Vorrichtung 200 ausbreiten, mit Bezug auf Fig. 6 gezeigt wird.
(1) Strahlengang für das unter rechtem Winkel auf eine Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 fallende Licht (Lichtstrahl α&sub1;).
Innerhalb des von der Kondensorlinse 24 auf den polarisierenden Strahlteiler 31 fallenden Lichts enthält das durch den Lichtstrahl α1 bezeichnete Licht, welches im rechten Winkel auf die Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 fällt, die S-polarisierte Lichtkomponente Ls&sub1;, welche im rechten Winkel von der funktionellen schrägen Fläche 31a des polarisierenden Strahlteilers reflektiert wird, und die P-polarisierte Lichtkomponente Lp&sub1;, welche durch die funktionelle schräge Fläche 31a durchgelassen wird. Die reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls1 trifft durch eine Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 auf die optische Mehrlagenschicht 36, gelangt durch die optische Mehrlagenschicht 36 auf eine Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32, und erreicht, nachdem sie von der totalreflektierenden Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 reflektiert wurde, die optische Halbwellen-Phasenplatte 33 über eine Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32, um mittels der Platte 33 in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp&sub1;* umgewandelt und in eine vorbestimmte Richtung gesandt zu werden. Andererseits tritt die durch die funktionelle schräge Fläche 31 durchgelassene P-polarisierte Lichtkomponente Lp1 direkt von der anderen Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 aus.
(2) Strahlengang für das unter größerem Einfallswinkel auf die optische Mehrlagenschicht 36 fallende Licht (Lichtstrahl
Innerhalb des von der Kondensorlinse 24 auf den polarisierenden Strahlteiler 31 fallenden Lichts wird ein Lichtstrahl α&sub2;, welcher unter größerem Winkel direkt auf die optische Mehrlagenschicht 36 trifft, von der optischen Mehrlagen schicht 36 reflektiert, wobei seine S-polarisierte Lichtkomponente Ls&sub2; von der funktionellen schrägen Fläche 31a des polarisierenden Strahlteilers 31 reflektiert wird und seine P-polarisierte Lichtkomponente Lp2 durch die funktionelle schräge Fläche 31a tritt. Die reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente L52 gelangt durch eine Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 nochmals in die optische Mehrlagenschicht 36 und gelangt infolge des kleinen Einfallswinkels direkt durch die optische Mehrlagenschicht 36 zu einer Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32 und tritt, nachdem sie von der totalreflektierenden schrägen Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 reflektiert wurde, durch eine Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32 in die optische Haibwellen-Phasenplatte 33, um in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp&sub2;* mittels der Platte 33 umgewandelt zu werden und daraus ausgesandt zu werden. Andererseits tritt die durch die funktionelle schräge Fläche 31a tretende P-polarisierte Lichtkomponente Lp&sub2; von der anderen Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 aus.
(3) Strahlengang für das unter größerem Einfallswinkel auf eine Fläche gegenüber der optischen Mehrlagenschicht 36 des polarisierenden Strahlteilers 31 fallende Licht (Lichtstrahl α&sub3;)
Innerhalb des von der Kondensorlinse 24 auf den polarisierenden Strahlteiler 31 fallenden Lichts enthält ein Lichtstrahl α&sub3;, welcher unter größerem Einfallswinkel auf eine Fläche gegenüber der optischen Mehrlagenschicht 36 des polarisierenden Strahlteilers 31 trifft, seine S-polarisierte Lichtkomponente Ls&sub3;, welche von der funktionellen schrägen Fläche 31a des polarisierenden Strahlteilers 31 reflektiert wird, und seine P-polarisierte Lichtkomponente Lp&sub2;, welche durch die funktionelle schräge Fläche 31a tritt. Die reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente L53 tritt in die optische Mehrlagenschicht 36 unter kleinerem Einfallswinkel durch eine Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31, gelangt durch die optische Mehrlagenschicht 36 an eine Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32 und tritt, nachdem sie von der totalreflektierenden schrägen Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 reflektiert wurde, durch eine Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32 in die optische Halbwellen-Phasenplatte 33, um in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp3* mittels der Platte 33 umgewandelt und von dort ausgesandt zu werden. Andererseits tritt die durch die funktionelle schräge Fläche 31a gelangende P-polarisierte Lichtkomponente Lp&sub3; von der anderen Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 aus.
(4) Strahlengang für das schief auf eine Fläche gegenüber der optischen Mehrlagenschicht 36 des polarisierenden Strahlteilers 31 auf einen zentralen Teil einer Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 fallende Licht (Lichtstrahl α&sub4;).
Innerhalb des von der Kondensorlinse 24 auf den polarisierenden Strahlteiler 31 fallenden Lichts enthält ein Lichtstrahl α&sub4;, welcher schief auf eine Fläche gegenüber der optischen Mehrlagenschicht 36 des polarisierenden Strahlteilers 31 auf einen zentralen Teil einer Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 fällt, seine S-polarisierte Lichtkomponente Ls&sub4;, welche von der funktionellen schrägen Fläche 31a des polarisierenden Strahlteilers 31 reflektiert wird, und seine P-polarisierte Lichtkomponente Lp&sub4;, welche durch die funktionelle schräge Fläche 31a gelangt. Die reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls4 tritt in die optische Mehrlagenschicht 36 unter kleinerem Einfallswinkel durch eine Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31, gelangt durch die optische Mehrlagenschicht 36 zu einer Eintrittsfläche des Totaireflexionsprismas 32 und tritt, nachdem sie von der totalreflektierenden schrägen Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 reflektiert wurde, wieder in die optische Mehrlagenschicht 36, wird infolge des größeren Einfallswinkels von der optischen Mehrlagenschicht 36 reflektiert und tritt dann durch eine Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32 in die optische Halbwellen-Phasenplatte 33, um in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp&sub4;* umgewandelt und von dort ausgesandt zu werden. Andererseits tritt die durch die funktionelle schräge Fläche 31a gelangte P-polarisierte Lichtkomponente Lp4 direkt von der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 aus.
Auf diese Weise reflektiert die Vorrichtung nach diesem Beispiel die Lichtstrahlen α&sub1;-α&sub4; vollständig an der Grenzfläche zwischen deni polarisierenden Strahlteiler 31 und deni Totalreflexionsprisma 32, um somit einen Divergenzwinkel (ω)für den auf die Vorrichtung 200 fallenden divergenten Lichtstrom zu bestimmen. Die diese Grenzfläche bildende optische Mehrlagenschicht 36 hat mindestens eine Schichtlage mit geringem Brechungsindex (z.B. MgF&sub2;-Schicht), welche angeordnet ist entweder entsprechend der Anordnungsform A am nächsten zum polarisierenden Strahlteiler 31, Anordnungsform B zwischen Schichten mit hohem Brechungsindices eingeschlossen, oder Anordnungsform 0 am nächsten zum Totalreflexionsprisma 32.
In diesem Fall, den Brechungsindex dieser Schicht als n&sub0; angenommen, den des Mediums der näher als diese Schicht zum polarisierenden Strahlteiler 31 angeordneten Schicht mit höherem Brechungsindex als n&sub1;, und den Einfallswinkel des Lichtstrahls α&sub2; auf das Medium als θ (der Divergenzwinkel für das Licht Lp + Ls innerhalb des Mediums ω), können die obengenannten Aktionen und Effekte abgeleitet werden als der Gleichung
0 < n&sub0;/n&sub1; ≤ cos θ (= cos ω)
genügend.
Ebenso kann in den vorstehend genannten Formen B und C eine Form angegeben werden, in welcher der Brechungsindex einer Schicht (gewöhnlich einer Schichtlage) zwischen der Schicht mit geringem Brechungsindex und dem polarisierenden Strahlteiler nahezu übereinstimmend mit dem des polarisierenden Strahlteilers 31 gemacht wird.
In der Polarisationsumwandlungsvorrichtung kann innerhalb des auf den polarisierenden Strahlteiler 31 einfallenden Lichts, wie der in Fig. 6 gezeigte Lichtstrahl γ, das schräg mit stärker geneigten Strahlengang in die optische Halbwellen-Phasenplatte 33 eintretende Licht verlorengehen infolge von Transmission oder Absorption durch die optische Halbwel len-Phasenplatte 33, jedoch ist es möglich, den Lichtverlust durch Anordnen einer optischen Mehrlagenschicht an der Grenzfläche zwischen der optischen Halbwellen-Phasenplatte und dem Totalreflexionsprisma 32 zum Reflektieren des Lichts mit großem Einfallswinkel wie des Lichtstrahls γ und Durchlassen des gewöhnlichen Lichts mit geringem Einfallswinkel zu verhindern oder zu reduzieren.
Weiterhin kann innerhalb des auf den polarisierenden Strahlteiler 31 fallenden Lichts, wie der in Fig. 6 gezeigte Lichtstrahl δ, das die totalreflektierende schräge Fläche 32a des Totalreflexionsprismas 32 unter einem kleineren Winkel als dem Totalreflexionswinkel treffende Licht eine Verlust an Lichtmenge der 8-polarisierten Lichtkomponente Ls erfahren, da ein Teil des Lichts durch die Fläche 32a durchgehen kann, jedoch ist es auch möglich, den Lichtverlust zu vermeiden durch Anbringen einer optischen Mehrlagen-Reflexionsschicht oder einer Metallschicht auf der totalreflektierenden Oberfläche 32a.
Wie vorstehend beschrieben, ist es mit diesem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht möglich, sowohl die P- polarisierte Lichtkomponente Lp als auch die S-polarisierte Lichtkomponente L5, welche durch den polarisierenden Strahlteiler 31 getrennt werden, zu nutzen, um das nicht gezeigte Lichtventil zu beleuchten, so daß die Beleuchtungseffizienz des Lichts verbessert werden kann. Ebenso ist es durch parallele- Beleuchtung des Lichtventils möglich, die Entfernung zwischen deni Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht und deni Lichtventil zu verkürzen, was mit der herkömmlichen Methode der Beleuchtung des Lichtventils mit synthetischem Licht, wie in Fig. 6 gezeigt ist, schwierig zu lösen war, und weiterhin die Projektions-Anzeigeeinheit, welche das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht aufweist, zu miniaturisieren.
In diesem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wurde die optische Halbwellen-Phasenplatte 33 auf der Seite der Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32 angeordnet, aber sie kann ebenfalls auf der Seite der anderen Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 31 angeordnet werden. In diesem Fall tritt von der Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 32 die S-polarisierte Lichtkomponente des auf die Vorrichtung 200 fallenden Lichts aus, und von der Austrittsfläche der optischen Halbwellen-Phasenplatte 33 tritt die S-polarisierte Lichtkomponente aus, zu welcher die P-polarisierte Lichtkomponente des auf die Vorrichtung 200 fallenden Lichts umgewandelt wurde.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile, welche eine zweites Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
Das auf eine Polarisationsänderungsvorrichtung 200 fallende Licht wird von einer Lichtquelleneinheit 20 ausgesendet, welche eine Lichtquelle 21 aufweist, die aus einer Wolfram- Halogen-Lampe oder Metallhalid-Lampe besteht, einen Reflexionsspiegel 22 zum Reflektieren eines Teils des von der Lichtquelle 21 ausgesandten Lichts, einen Wärmestrahlungsschutzfilter 23 zum Absorbieren oder Reflektieren der Wärmestrahlung, welche darauf direkt oder über den Reflexionsspiegel 22 von der Lichtquelle 21 fällt, und eine Kondensorlinse 24 zur Umwandlung des Lichts zu parallelem Licht nach Entfernung der Wärmestrahlung wie im ersten Beispiel.
Die Polarisationsänderungsvorrichtung 200 in diesem Beispiel weist einen polarisierenden Strahlteiler 51 auf, welcher eine funktionelle schräge Fläche 51a hat (eine auf der schrägen Fläche abgeschiedene Schicht, welche zwei zusammengefügte rechtwinklige Prismen gemeinsam haben), welche die Ppolarisierte Lichtkomponente Lp des parallelen Lichts aus dem einfallenden Licht durchläßt und die S-polarisierte Lichtkomponente Ls des parallelen Lichts im rechten Winkel reflektiert, ein Totalreflexionsprisma 52, welches eine totalreflektierende Fläche 52a parallel zur funktionellen Fläche 51a des polarisierenden Strahlteilers 51 aufweist, welche ein reflektierender Partner zum Reflektieren der durchgelassenen P-polarisierten Lichtkomponente Lp im rechten Winkel ist, und eine optische Halbwellen-Phasenplatte 53, in welche die von der funktionellen schrägen Fläche 51a des polarisierenden Strahlteilers 51 S-polarisierte Ls im rechten Winkel eintritt, wobei die optische Halbwellen-Phasenplatte 53 zur Umwandlung der von der funktionellen schrägen Fläche 51a des polarisierenden Strahlteilers 51 reflektierten Spolarisierten Lichtkomponente Ls zu der P-polarisierten Lichtkomponente Lp* dient, welche daraus austritt. Und diese Vorrichtung 200 weist eine optische Mehrlagenschicht 56 auf, welche eine Oberfläche hat, auf welche die durchgelassene P- polarisierte Lichtkomponente Lp im rechten Winkel auftrifft, mit der Eigenschaft, das Licht mit geringerem Einfallswinkel durchzulassen und das Licht mit größerem Einfallswinkel zu reflektieren, und welche wenigstens eine Schichtlage mit einem kleineren Brechungsindex als ein Glas, welches Bestandteil des polarisierenden Strahlteilers 51 ist, aufweist, wobei die Schicht 56 zwischen der funktionellen Fläche 51a des polarisierenden Strahlteilers 51 und der totalreflektierenden Fläche 52a des Totalreflexionsprismas 52, und besonders zwischen einer Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 51 und einer Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas 52 angeordnet ist.
Diese Vorrichtung 200 unterscheidet sich von der in Fig. 5 dadurch, daß die Richtungen des auf die Vorrichtung 200 einfallenden und austretenden Lichts derart orthogonal übertragen werden, um zu bewirken, daß die durch die funktionelle schräge Fläche 51a des polarisierenden Strahlteilers 51 durchgelassene P-polarisierte Lichtkomponente Lp durch eine Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 51 auf die optische Mehrlagenschicht 56 im rechten Winkel einfällt, dann eine Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas 52 trifft, im rechten Winkel an der totalreflektierenden schrägen Fläche 52a und von einer Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 52 austritt, dabei bewirkend, daß die von der funktionellen schrägen Fläche 51a des polarisierenden Strahlteilers 51 reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls durch die andere Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 51 auf die optische Halbwellen-Phasenplatte 53 trifft, um zur P-polarisierten Lichtkomponente Lp* umgewandelt und von der Platte 53 ausgesandt zu werden. Das bedeutet, daß die optische Achse der Lichtquelleneinheit 20 durch die Vorrichtung 200 verbogen wird.
Da das von der Kondensorlinse 24 durchgelassene Licht kein vollständig paralleles Licht ist, wird in diesem Beispiel, sogar wenn ein Teil der durch die funktionelle schräge Fläche 51a des polarisierenden Strahlteilers durchgelassenen und von der totalreflektierenden schrägen Fläche 52 reflektierten P-polarisierten Lichtkomponente Lp auf die optische Mehrlagenschicht 56 unter größerem Einfallswinkel trifft (entsprechend deni Lichtstrahl mit wie in Fig. 6 gezeigt), er an der optischen Mehrlagenschicht 56 reflektiert, um aus der Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 52 auszutreten, so daß dasselbe passiert wie bei deni in Fig. 5 gezeigten Beleuchtungssystem mit polarisierten Licht erhalten werden kann. Die Zusammensetzung dieser optischen Mehrlagenschicht 56 ist dieselbe wie der in Fig. 5 und 6 gezeigten optischen Mehrlagenschicht 36.
In dem Beleuchtungssystem mit polarisierten Licht in dem vorliegenden Beispiel ist die optische Haibwellen-Phasen- Platte 53 an der Seite der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 51 angeordnet, aber sie kann an der Seite der Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 52 angeordnet sein. In diesem Fall tritt von der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 51 die S-polarisierte Lichtkomponente des auf die Vorrichtung 200 fallenden Lichts aus, während von der Austrittsfläche der optischen Halbwellen-Phasenplatte 33 die aus der P-polarisierten Lichtkomponente des auf die Vorrichtung 200 fallenden Lichts S-polarisierte Lichtkomponente austritt.
Als nächstes wird ein Beispiel der Projektions-Bildanzeigeeinheit beschrieben, in welchem das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht mit anderen optischen Vorrichtungen kombiniert ist.
Fig. 8A und 8B sind Darstellungen, welche wesentliche Teile eines Beispiels einer Projektions-Bildanzeigeeinheit zeigt, welche das in Fig. 5 gezeigte Beleuchtungssystem mit polarisiertern Licht aufweist.
Diese Projektions-Bildanzeigeeinheit weist eine Lichtquelleneinheit 20 auf, welche aus einer Lichtquelle, einem Reflexionsspiegel, einem Wärniestrahlungsschutzfilter und einer Kondensorlinse besteht (siehe Fig. 1), eine Polarisationsänderungsvorrichtung 200, einen Spiegel 77 zum Reflektieren des von der Polarisationsänderungsvorrichtung ausgehenden Lichts vertikal nach unten wie in Fig. 8A gezeigt, einen polarisierenden Strahlteiler 78 zum Reflektieren der S-polarisierten Lichtkomponente des vom Spiegel 77 reflektierten Lichts zur Polarisationsänderungsvorrichtung 200, so daß es im rechten Winkel umgelenkt wird, und zum Durchlassen der P- polarisierten Lichtkomponente des Lichts, einem kreuzdichroitischen Prisma 112, welches mit einer Seite an eine Austrittsfläche der S-polarisierten Lichtkomponente aus deni polarisierenden Strahlteiler 78 angefügt ist und an dessen andere drei Seiten Flüssigkristall-Reflexions-Lichtventile 75R, 75G, 75B für Rot, Grün und Blau angefügt sind, sowie ein Projektions-Linsensystem 113, welches auf der anderen Seite des polarisierenden Strahlteilers 78 gegenüber dem kreuzdichroitischen Prisma 112 angeordnet ist.
Das von der Lichtquelleneinheit 20 ausgesandte parallele weiße Licht tritt in die Polarisationsänderungsvorrichtung 200, in welcher, wie in Fig. 5 gezeigt, die P-polarisierte Komponente des parallelen weißen Lichts und die durch die optische Halbwellen-Phasenplatte 33 unigewandelte P-polarisierte Lichtkomponente von der Polarisationsänderungsvorrichtung 200 auf den Spiegel 77 ausgestrahlt werden (wonach die P-polarisierte Lichtkomponente und die umgewandelte P- polarisierte Lichtkomponente allgemein als P-polarisiertes Licht bezeichnet werden). Das P-polarisierte Licht wird am Spiegel 77 reflektiert, um zum polarisierenden Strahlteiler 78 zu gelangen. Durch die funktionelle Fläche des polarisierenden Strahlteilers 78 wird die Polarisationsebene des P- polarisierten Lichts zur S-polarisierten Ebene, so daß das P-polarisierte Licht an der Funktionsfläche reflektiert wird und auf das kreuzdichroitische Prisma 112 gelangt. Das in das kreuzdichroitische Prisma 112 gelangende P-polarisierte Licht wird in Licht der jeweiligen Farbe rot, grün und blau aufgespalten, welche zu den Flüssigkristall-Reflexions- Lichtventilen 75R, 75G bzw. 75 B gelangen. Ein Flüssigkristall für die Verwendung in den Flüssigkristall-Reflexions- Lichtventilen 75R, 75G und 75B ist vom ECB-Typ (Electrically Controlled Birefringence elektrisch kontrollierte Doppelbrechung) oder 45ºTN-Typ, welche die Eigenschaft haben, die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts durch die an gelegte Spannung entsprechend einem Bildsignal zu drehen. Dementsprechend ist das auf jedes der Flüssigkristall-Reflexions-Lichtventile 75R, 75G und 75B fallende Licht P- polarisiertes Licht, aber das von jedem Lichtventil reflektierte Licht wird zu Licht, welches 5-polarisiertes Licht enthält entsprechend einem an jeden Bildpunkt des Bildsignals angelegten Signal. Jedes reflektierte Licht wird durch das kreuzdichroitische Prisma 112 aufgebaut und wird dann zum polarisierenden Strahlteiler 78 zurückgeschickt. In diesem Fall funktioniert der polarisierende Strahlteiler 78 als Analysator, so daß nur die durch den polarisierenden Strahlteiler 78 gelangte P-polarisierte Lichtkomponente des polarisierenden Lichts über ein Projektionslinsensystem 113 auf einen nicht gezeigten Bildschirm projiziert wird und ein farbiges Bild auf dem Bildschirm entsteht.
Wie vorstehend beschrieben gestattet es die Polarisationsänderungsvorrichtung 200 der Projektions-Bildanzeigeeinheit, das von der Lichtquelleneinheit 20 ausgesandte parallele weiße Licht nahezu ohne Verluste in linear polarisiertes Licht umzuwandeln, so daß der Effekt der Verbesserung der Nutzungseffizienz erreicht werden kann, und da der Lichtfluß jeder Farbe mit Hilfe des kreuzdichroitischen Prismas 112 separiert und aufgebaut wird, kann die Schnittweite des Projektionsimsensystenis 113 wesentlich reduziert werden im Vergleich mit herkömmlichen Projektions-Bildanzeigeeinheiten, so daß die Effekte der Ausweitung des Freiheitsgrades bei der Konstruktion des Projektionslinsensystems 113 und des kompakteren Aufbaus der Projektions-Bildanzeigeeinheit erreicht werden.
Während in diesem Beispiel das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht ein wie in Fig. 5 gezeigtes ist, ist es verständlich, daß das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in Fig. 7 gezeigt ähnlich verwendet werden kann. Mit einer Kombination aus dem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht, wie in Fig. 5 und 7 gezeigt, und den Keillinsen 14, 15, wie in Fig. 3 gezeigt, kann ebenfalls eine Projektions-Bildanzeigeeinheit unter Verwendung des Flüssigkristall-Transmissions-Lichtventils 7 wie in Fig. 3 gezeigt, gebildet werden. Außerdem kann in der Projektions-Bildanzeigeeinheit die Polarisationsänderungsvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung zwischen der Kondensorlinse 4 und der polarisierenden Platte 5 und zwischen der Kondensorlinse 4 und dem polarisierenden Strahlteiler 6 eingesetzt werden.
In der Polarisationsänderungsvorrichtung 200 wie in Fig. 5 und 7 gezeigt kann eine einlagige transparente Schicht oder eine Luftschicht anstelle der optischen Mehrlagenschichten 26, 56 angeordnet werden. Der Brechungsindex einer Luftschicht ist 1, notwendigerweise kleiner als der des Prismas des polarisierenden Strahlteilers oder des Totalreflexionsprismas. Entsprechend können die selben Effekte wie diejenigen in den obigen Beispielen erwartet werden. Ebenso wird, wenn eine transparente einlagige Schicht verwendet wird, die Schicht aus einem Material gebildet, welches einen geringeren Brechungsindex aufweist als den des Prismas des polarisierenden Strahlteilers, wie es die Bedingungen von die Mehrlagenschichten 36, 56 vorschrieben.
Weiterhin werden in der Polarisationsänderungsvorrichtung 200, wie in Fig. 5 und 7 gezeigt die optischen Halbwellen- Phasenplatten 33, 53 verwendet, aber für die Platten 33, 53 können ein wohlbekannter doppelbrechender Kristall, ein doppelbrechendes Flüssigkristall-Element und ein 90ºTN-Flüssigkristall-Element verwendet werden. Wenn es für die Größe der Vorrichtung keine Begrenzung gibt, dann kann die Polarisationsebene des Lichts durch mehrmaliges Reflektieren des Lichts mit einer Spiegelanordnung anstelle der Platten 33, 53 um 900 gedreht werden.
Fig. 9 zeigt schematisch ein drittes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertern Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung, und Fig. 10 ist eine erklärende Darstellung des Strahlengangs im Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht, wie in Fig. 9 gezeigt.
Das auf die Polarisationsänderungsvorrichtung 200 treffende Licht wird von einer Lichtquelleneinheit 20 ausgesandt, welche eine Lichtquelle 21 aufweist, die aus einer Wolfram-Halogen-Lampe oder Metallhalidlampe besteht, einen Reflexionsspiegel 22 zum Reflektieren eines Teils des von der Lichtquelle 21 ausgesandten Lichts, einen Wärmestrahlungsschutzfilter 23 zum Absorbieren oder Reflektieren der direkt oder über den Reflexionsspiegel 22 von der Lichtquelle 21 darauf auftreffenden Wärmestrahlung, und eine Kondensorlinse 24 zum Umformen des Lichts nach Entfernen der Wärmestrahlung zu parallelem Licht Ls+Lp.
Diese Polarisationsänderungsvorrichtung 200 weist einen polarisierenden Strahlteiler 126 auf, eine Grenzschicht 131, ein Totalreflexionsprisnia 129, einen Extinktionsfilter 130, eine optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 und eine Reflexionsplatte 128.
Der polarisierende Strahlteiler 126 weist eine funktionelle schräge Fläche 126a auf, deren eines Ende in Kontakt mit einem Ende der Eintrittsfläche unter einem Winkel von 450 steht (eine auf der schrägen Fläche abgeschiedene Schicht, an der zwei rechtwinklige Prismen zusammengefügt sind) und eine Austrittsfläche, deren eines Ende unter einem Winkel von 900 in Kontakt mit dem anderen Ende der Eintrittsfläche steht. Hier läßt die funktionelle schräge Fläche 126a die P- polarisierte Lichtkomponente Lp des parallelen Lichts Lp+Ls durch, welches senkrecht zur Eintrittsfläche einfallendes Licht ist, und reflektiert die S-polarisierte Ls im rechten Winkel.
Der Brechungsindex n&sub0; der Grenzschicht 131 ist kleiner als der Brechungsindex n&sub1; des Materials für den polarisierenden Strahlteiler 126, in welchem, den Divergenzwinkel des parallelen Lichts Ls+Lp mit dem polarisierenden Strahlteiler 126 (ein Winkel bezüglich der optischen Achse) als 0) angenommen, 0 ≤ n&sub0;/n&sub1; = ω) genügt wird, mit der Eigenschaft, das Licht mit kleinerem Einfallswinkel durchzulassen und das Licht mit größerem Einfallswinkel zu reflektieren. Weiterhin hat die Grenzschicht 131 ihr eines Ende in Kontakt mit deni anderen Ende der funktionellen schrägen Fläche 126a des polarisierenden Strahlteilers 126 unter einem Winkel von 450, und ihr anderes Ende in Kontakt mit einer Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 im Winkel von 900.
Das Totalreflexionsprisma 129 weist eine totalreflektierende Fläche 129a auf, deren eines Ende in Kontakt mit deni anderen Ende der funktionellen schrägen Fläche 126a des polarisierenden Strahlteilers im Winkel von 90º steht, um die durch die funktionelle Fläche 126a durchgelassene P-polarisierte Lichtkomponente Lp zu reflektieren, damit sie von der Austrittsfläche austreten kann. Hier hat die Austrittsfläche ihre eine Seite in Kontakt mit deni anderen Ende der totalreflektierenden Fläche 129a im Winkel von 450 und ihr anderes Ende im Kontakt dem anderen Ende der Grenzschicht 131 in einem Winkel von 90º.
Der Extinktionsfilter 130 ist auf die Austrittsfläche des Totalreflexionsprisnias 129 angefügt und dient zum Verringern der aus der Austrittsfläche austretenden Lichtmenge der P- polarisierten Lichtkomponente Lp um einen vorbestimmten Betrag und zum Aussenden derselben hieraus.
Die optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 hat ihr eines Ende in Kontakt mit deni anderen Ende der funktionellen schrägen Fläche 126a des polarisierenden Strahlteilers 126 im Winkel von 45º und ihr anderes Ende in Kontakt mit einem Ende der Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 im Winkel von 90º, auf welche die von der funktionellen Fläche 126a reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls trifft.
Die reflektierende Platte 128 ist ein Reflexionspartner, welcher eine reflektierende Oberfläche aufweist, die aus einer abgeschiedenen Aluminiumschicht oder einer optischen Mehrlagenschicht besteht, und der auf die andere Seite der Viertelwellen-Phasenplatte 127 gegenüber deni polarisierenden Strahlteiler 126 angefügt ist und die S-polarisierte Lichtkomponente Ls reflektiert, welche durch die optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 durchgelassen wird.
In diesem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wird das von der Kondensorlinse 24 ausgehende parallele Licht in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die S-polarisierte Lichtkomponente Ls derart aufgespalten, daß die durch die funktionelle schrägen Fläche 126a des polarisierenden Strahlteilers 126 gelangte P-polarisierte Lichtkomponente Lp durchgelassen wird und die 5-polarisierte Lichtkomponente Ls an der funktionellen Fläche 126a im rechten Winkel reflektiert wird. Die reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls trifft im rechten Winkel auf die optische Viertelwellen- Phasenplatte 127, wird an der reflektierenden Fläche der reflektierenden Platte 128 reflektiert und wird wieder durch die optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 durchgelassen, wobei sie durch Drehung ihrer Polarisationsrichtung um 90º zur P-polarisierten Lichtkoniponente Lp* umgewandelt wird. Die umgewandelte P-polarisierte Lichtkomponente Lp* wird direkt durch die funktionelle schräge Fläche 126a durchgelassen und tritt von einer Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 aus.
Andererseits wird die unigewandelte P-polarisierte Lichtkomponente Lp durch die andere Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers durch die Grenzschicht 131 durchgelassen, gelangt dann zur Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas 129, wird an der totalreflektierenden schrägen Fläche 129a des Totalreflexionsprismas 129 im rechten Winkel reflektiert und tritt von der Austrittsfläche des Prismas 129 aus, an der sie um einen vorbestimmten Betrag mittels des Extinktionsfilters 130 gedämpft und parallel zu der umgewandelten P-polarisierten Lichtkomponente Lp* abgestrahlt wird.
Als nächstes werden die Wirkungen der Grenzschicht 131 und des Extinktionsfilters 130 mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben.
Wenn die Lichtquelle 21 wie in Fig. 9 gezeigt, eine vollkommenen Punktlichtquelle ist, dann fällt das von der Kondensorlinse 24 ausgehende parallele Licht Ls+Lp auf die Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 im rechten Winkel und wird dann in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die S-polarisierte Lichtkomponente Ls an der funktionellen schrägen Fläche 126a des polarisierenden Strahlteilers 126 wie vorstehend beschrieben aufgespalten, in welchen die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die aus der S-polarisierten Lichtkomponente Ls umgewandelte P-polarisierte Lichtkoniponente Lp* parallel eingestrahlt werden von der Seite des Totalreflexionsprisnias 129 bzw. von der Seite des polarisierenden Strahlteilers 126. Wenn die Lichtquelle 21 jedoch keine vollkommene Punktlichtquelle ist, dann wird das von der Kondensorlinse ausgehende Licht nicht zu vollständig paralleles Licht sein, sondern Licht welches einen Divergenzwinkel ω aufweist, wobei dies auch das Licht ist, welches schräg auf die Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 einfällt, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Das durch den Lichtstrahl α angedeutete Licht wird ähnlich aufgespalten in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die S-polarisierte Lichtkomponente Ls an der funktionellen schrägen Fläche 126a des polarisierenden Strahlteilers 126. Aber die P-polarisierte durch die funktionelle schräge Fläche 126a durchgelassene Lichtkomponente Lp gelangt über die andere Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 durch die Grenzschicht 131, erreicht dann die Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas 129 und wird an der totalreflektierenden schrägen Fläche 129a des Totalreflexionsprismas 129 reflektiert. Nun wird der Lichtstrahl α zur Grenzschicht 131 reflektiert. Im Ergebnis tritt er, wenn die Grenzschicht 131 fehlt, von einer Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 aus, wie in der Abbildung durch eine punktierte Linie angedeutet ist, während, wenn die Grenzschicht 131 vorhanden ist, die Grenzschicht 131 das Licht mit größerem Eintrittswinkel reflektiert, wobei die von der totalreflektierenden schrägen Fläche 129a reflektierte P-polarisierte Lichtkomponente Lp ebenfalls an der Grenzschicht 131 reflektiert wird, um zur Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 129 zu gelangen und durch den Extinktionsfilter 130 auszutreten. Andererseits wird die S- polarisierte Lichtkomponente Ls ebenfalls durch die optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 und die reflektierende Platte 128 in die P-polarisierte Lichtkoniponente Lp* umgewandelt, wird aber zu der Grenzschicht 131 reflektiert, wenn sie an der reflektierenden Platte 128 reflektiert wird. Im Ergebnis tritt sie, wenn die Grenzschicht 131 fehlt, von der Seite des Totalreflexionsprismas aus, wie in der Abbildung durch eine punktierte Linie angedeutet ist, aber wenn die Grenzschicht 131 vorhanden ist, wird die unigewandelte P-polarisierte Lichtkornponente Lp* auch an der Grenzschicht 131 reflektiert und tritt von einer Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 aus.
Folglich kann dieses Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht die durch die funktionelle schräge Fläche 126a des polarisierenden Strahlteilers 126 durchgelassene P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die an der funktionellen schrägen Fläche 126a reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls ausstrahlen, welche mit Hilfe der Grenzschicht 131 nahezu vollständig getrennt sind, selbst wenn eine unvollkommen punktförmige Lichtquelle benutzt wird, dabei wird das Übersprechen zwischen der aus der S-polarisierten Lichtkomponente Ls umgewandelten P-polarisierten Lichtkomponente Lp* und der P-polarisierten Lichtkoniponente Lp vermieden und verschwenderischer Verlust von daraus ausgestrahltem Licht reduziert.
Weiterhin wird die von der funktionellen schrägen Fläche 126a des polarisierenden Strahlteilers 126 reflektierte S- polarisierte Lichtkomponente Ls mittels der optischen Viertelwellen-Phasenplatte 127 und der reflektierenden Platte 128 gedämpft, aber die von der totalreflektierenden schrägen Fläche 129a des Totalreflexionsprisnias 129 reflektierte P- polarisierte Lichtkomponente Lp wird durch den Extinktionsfilter 130 um den gleichen Betrag gedämpft, um daraus ausgestrahlt zu werden, wobei Intensitätsunterschiede zwischen den Lichtkomponenten Lp und Lp* verhindert werden.
Wie vorstehend beschrieben kann dieses Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht sowohl die P-polarisierte Lichtkomponente Lp als auch die S-polarisierte Ls welche durch den polarisierenden Strahlteiler 126 getrennt worden sind, zur Beleuchtung des nicht gezeigten Lichtventils nutzen, so daß die Nutzungseffizienz des Lichts verbessert werden kann. Weiterhin ist es durch parallele Beleuchtung des Lichtventils mit den Lichtkornponenten Lp und Lp* möglich, den Abstand zwischen deni Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht und dem Lichtventil zu verkürzen, was mit einem Verfahren zur Beleuchtung des Lichtventils mit synthetischem Licht wie in Fig. 3 gezeigt schwierig zu lösen war, und weiterhin die Projektions-Bildanzeigeeinheit kleiner zu gestalten, welche das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Fig. 11 zeigt schematisch ein viertes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Dieses Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht ist das gleiche wie das in Fig. 10 gezeigte, insofern die Vorrichtung 200 einen polarisierenden Strahlteiler 136 aufweist, eine Grenzschicht 141, ein Totalreflexionsprisma 139, einen Extinktionsfilter 140, eine optische Viertelwellen-Phasenplatte 137 und eine Reflexionsplatte 138, unterscheidet sich aber von der Vorrichtung aus Abbildung 10 dadurch, daß die Vorrichtung 200 das austretende Licht in der gleichen Richtung abstrahlt wie das einen Divergenzwinkel ω aufweisende einfallende Licht.
Der polarisierende Strahlteiler 136 weist eine funktionelle schräge Fläche 136a auf (eine auf die schräge Fläche abgeschiedenen Schicht, welche zwei zusammengefügte rechtwinklige Prismen gemeinsam haben), deren eines Ende in Kontakt mit einem Ende einer Eintrittsfläche in einem Winkel von 45º steht. Die funktionelle schräge Fläche 136a läßt die P-polarisierte Lichtkomponente Lp des parallelen Lichts Ls+Lp, welches ein senkrecht zur Eintrittsfläche einfallendes Licht ist, durch und reflektiert außerdem die S-polarisierte Lichtkomponente Ls im rechten Winkel. Weiterhin weist der polarisierende Strahlteiler 136 eine Austrittsfläche zum Abstrahlen der durch die funktionelle schräge Fläche 136a durchgelassenen P-polarisierten Lichtkomponente Lp auf.
Die optische Viertelwellen-Phasenplatte 137 hat ihr eines ende in Kontakt mit deni anderen Ende der Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 136 in einem Winkel von 90º und ihr anderes Ende im Winkel von 45ºim Kontakt mit dem anderen Ende der funktionellen schrägen Fläche 136a des polarisierenden Strahlteilers 136, auf welche die von der funktionellen schrägen Fläche 136a reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls im rechten Winkel trifft.
Die reflektierende Platte 138, welche ein Reflexionspartner ist, hat eine reflektierende Oberfläche, welche aus einer abgeschiedenen Aluminiumschicht oder einer optischen Mehrlagenschicht besteht, und ist auf die andere Seite der optischen Viertelwellen-Phasenplatte 137 gegenüber deni optischen Strahlteiler 136 angefügt, um die durch die optische Viertelwellen-Phasenplatte 137 durchgelassene S-polarisierte Lichtkomponente Ls zu reflektieren.
Der Extinktionsfilter 140 ist auf einer Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 136 angebracht, um die Lichtmenge der von der Austrittsfläche austretenden P-polarisierten Lichtkomponente Lp um einen vorbestimmten Betrag zu dämpfen und dieselbe hieraus auszusenden.
Die Grenzschicht 141 (Brechungsindex n&sub0;) ist aus einem Material hergestellt, welches einen geringeren Brechungsindex aufweist als ein Material des polarisierenden Strahlteilers 136 (Brechungsindex n&sub1;), so daß 0 < n0/n1 = ω, wie im vorigen Beispiel&sub1; und welches die Eigenschaft hat, das Licht mit geringerem Einfallswinkel durchzulassen und Licht mit größe rem Einfallswinkel zu reflektieren. Weiterhin hat die Grenzschicht 141 ihr eines Ende in Kontakt mit eineni Ende der funktionellen schrägen Fläche 136a des polarisierenden Strahlteilers 136 im Winkel von 45º und ihr anderes Ende in Kontakt mit einem Ende der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 126 im Winkel von 90º.
Das Totalreflexionsprisma 139 hat eine totalreflektierende schräge Fläche 139a und eine Austrittsfläche. Die totalreflektierende schräge Fläche 139a hat ihr eines Ende in Kontakt mit eineni Ende der funktionellen schrägen Fläche 136a des polarisierenden Strahlteilers 136 im Winkel von 90º und reflektiert die P-polarisierte Lichtkomponente Lp* (welche aus der von der funktionellen schrägen Fläche 136a reflektierten S-polarisierten Lichtkoniponente Ls umgewandelt worden ist durch Drehen ihrer Polarisationsebene um 900 mittels der optischen Viertelwellen-Phasenplatte 137 und der reflektierenden Platte 138) im rechten Winkel, uni sie von der Austrittsfläche abzustrahlen. Die Austrittsfläche hat ihr eines Ende in Kontakt mit deni anderen Ende der totalreflektierenden schrägen Fläche 139a im Winkel von 450 und ihr anderes Ende im Winkel von 90º in Kontakt mit deni anderen Ende der Grenzschicht 141, in welche die unigewandelte P-polari sierte Lichtkomponente Lp* von der Austrittsfläche parallel zur vom Extinktionsfilter 140 abgestrahlten P-polarisierten Lichtkomponente Lp eingestrahlt wird.
Ebenfalls wird in dem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht in diesem Beispiel, weil das einfallende Licht Ls+Lp kein vollkommen paralleles Licht ist, sondern Licht, welches einen Divergenzwinkel ω aufweist, die P-polarisierte Lichtkomponente Lp des parallelen Lichts Ls+Lp durch die funktionelle schräge Fläche 136a des polarisierenden Strahlteilers 136 durchgelassen, selbst unter eineni größeren Einfallswinkel bezüglich der Grenzschicht 141, wird dann an der Grenzschicht 141 reflektiert, wandert zur Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 136 und tritt durch den Extinktionsfilter 140 aus, so daß das gleiche auftritt, wie für das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in Fig. 9 erhalten werden kann.
Fig. 12 zeigt schematisch ein fünftes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht macht Gebrauch von einem rechtwinkligem Prisma 148 an Stelle der reflektierenden Platte des Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht wie in Fig. 9 gezeigt, um die von der funktionellen schrägen Fläche 146a des polarisierenden Strahlteilers 146 S-polarisierte Lichtkomponente Ls zu reflektieren, ohne unerwünschte polarisierte Lichtkomponenten zu erzeugen.
Dieses Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht ist auf die gleiche Weise wie die Vorrichtung aus Fig. 9 aufgebaut, indem eine Grenzschicht 151 an einer Grenzfläche zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und dem Totalreflexionsprisma 149 angeordnet ist, und indem ein Extinktionsfilter 150 auf einer Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 149 angebracht ist, so daß die gleichen Effekte wie in dem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in Fig. 9 gezeigt erreicht werden können.
Während in dem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht gemäß dem (dritten bis fünften) Beispiel wie beschrieben eine transparente Grenzschicht an der Grenzfläche zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und deni Totalreflexionsprisma angeordnet ist, kann das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht eines jeden Beispiels in der gleichen Weise wirksam sein durch Anordnen einer optischen Mehrlagenschicht, welche die Eigenschaft hat, das Licht mit geringerem Einfallswinkel durchzulassen und das Licht mit größerem Einfallswinkel zu reflektieren, und welche wenigstens eine Schichtlage mit einem kleineren Brechungsindex als deni eines Materials für die Prismen des polarisierenden Strahlteilers wie im ersten bzw. zweiten Beispiel gezeigt aufweist, so daß die gleichen Effekte erreicht werden können. Zum Beispiel kann ein Kleber, welcher einen geringeren Brechungsindex als ein Material des polarisierenden Strahlteilers aufweist, zum Verkitten des polarisierenden Strahlteilers oder eine Luftschicht ausreichend sein. Es ist zu bemerken, daß ein solcher Kleber mit geringem Brechungsindex ebenfalls in dem ersten und zweiten Beispiel verwendet werden können.
Als nächstes wird ein anderes Beispiel der Projektions- Bildanzeigeeinheit beschrieben, in welchem das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht gemäß der vorliegenden Erfindung mit anderen optischen Elementen kombiniert wird.
Fig. 13A und 13B sind Darstellungen, welche wesentliche Teile eines Beispiels einer Projektions-Bildanzeigeeinheit zeigen, welche das in Fig. 9 gezeigte Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht aufweist.
Diese Projektions-Bildanzeigeeinheit weist eine Lichtquelleneinheit 20 auf, welche aus einer Lichtquelle, einen Reflexionsspiegel, einem Wärmestrahlungsschutzfilter und einer Kondensorlinse besteht (siehe Fig. 1), eine Polarisationsänderungsvorrichtung 200, einen Spiegel 77 zum Reflektieren des von der Polarisationsänderungsvorrichtung ausgehenden Lichts vertikal abwärts wie in Fig. 13A, einen polarisierenden Strahlteiler 78 zum Reflektieren der S-polarisierten Lichtkomponente des vom Spiegel 77 zur Polarisationsänderungsvorrichtung 200 reflektierten Lichts im rechten Winkel und zum Durchlassen der P-polarisierten Lichtkomponente des Lichts, ein kreuzdichroitisches Prisma 112, dessen eine Seite an eine Austrittsfläche der 5-polarisierten Lichtkomponente des polarisierenden Strahlteilers 78 angefügt ist und dessen andere drei Seiten Flüssigkristall-Reflexions-Licht ventile 75R, 75G und 75B für Rot, Grün und Blau angefügt haben, und ein Projektionslinsensystem 113, welches auf der anderen Seite des polarisierenden Strahlteilers 78 gegenüber dem kreuzdichroitischen Prisma 112 angeordnet ist.
Das von der Lichtquelleneinheit 20 ausgesendete parallele weiße Licht gelangt in die Polarisationsänderungsvorrichtung 200, in welcher wie in Fig. 9 gezeigt die P-polarisierte Lichtkomponente Lp des parallelen weißen Lichts und die aus der S-polarisierten Lichtkomponente Ls mittels einer optischen Halbwellen-Phasenplatte 27 und einer reflektierenden Platte 28 umgewandelte P-polarisierte Lichtkoniponente Lp* von der Polarisationsänderungsvorrichtung 200 zum Spiegel 77 ausgesendet werden (wonach die P-polarisierte Lichtkomponente und die umgewandelte P-polarisierte Lichtkomponente allgemein als das P-polarisierte Licht bezeichnet werden). Das P-polarisierte Licht wird gegen den Spiegel 77 reflektiert, um in den polarisierenden Strahlteiler 78 einzutreten. Durch die funktionelle Fläche des polarisierenden Strahlteilers 78 wird die Polarisationsebene des P-polarisierten Lichts zur S-Polarisationsebene, so daß das P-polarisierte Licht an der funktionellen Fläche und auf das kreuzdichroitische Prisma 112 trifft. Das in das kreuzdichroitische Prisma 112 gelangte P-polarisierte Licht wird in die Lichtbestandteile für jede Farbe von Rot, Grün und Blau zerlegt, welche in die Flüssigkristall-Reflexions-Lichtventile 75R, 75G bzw. 75B gelangen. Ein Flüssigkristall zur Verwendung in den Flüssigkristall-Reflexions-Lichtventilen 75R, 75G und 75B ist vom ECB-Typ (Electrically Controlled Birefringence = Elektrisch kontrollierte Doppelbrechung) oder 45ºTN-Typ, welche die Eigenschaft haben, die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts durch die angelegte Spannung entsprechend einem Bildsignal zu drehen. Dementsprechend ist das auf jedes der Flüssigkristall-Reflexions-Lichtventile 75R, 75G und 75B fallende Licht P-polarisiertes Licht, aber das reflektierte Licht von jedem Lichtventil wird zu Licht, welches die S- polarisierte Lichtkomponente enthält entsprechend dem Signal, welches an jeden Pixel des Bildsignals angelegt wird. Jedes reflektierte Licht wird durch das kreuzdichroitische Prisma 112 gebildet und wird dann zum polarisierenden Strahlteiler 78 zurückgeworfen. In diesem Fall kann der polarisierende Strahlteiler 78 als Analysator wirken, nur die durch den polarisierenden Strahlteiler gelangende P-polarisierte Lichtkomponente des reflektierten Lichts wird durch das Projektionslinsensystem 113 auf einen nicht gezeigten Bildschirm projiziert und ein farbiges Bild wird auf dem Bildschirm gebildet.
Wie vorstehend beschrieben, gestattet in der Projektions- Bildanzeigeeinheit des vorliegenden Beispiels die Polarisationsänderungsvorrichtung 200, das von der Lichtquelleneinheit 20 ausgesendete parallele weiße Licht in linear polarisiertes Licht nahezu ohne Verlust umzuwandeln, so daß der Effekt der Verbesserung der Nutzungseffizienz des Lichts erreicht werden kann. Weiterhin, da der Lichtfluß jeder Farbe mittels des kreuzdichroitischen Prismas 112 aufgespalten und gebildet wird, kann die Schnittweite des Projektionslinsen systems 113 wesentlich verringert werden im Vergleich mit einer herkömmlichen Projektions-Bildanzeigeeinheit dieser Art, so daß der Effekt einer Ausweitung der Freiheitsgrade bei der Konstruktion des Projektionslinsensystems 113 und der kompakteren Gestaltung der Projektions-Bildanzeigeeinheit erreicht werden kann.
Während in diesem Fall das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht ein wie in Fig. 9 gezeigtes ist, ist zu bemerken, daß das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in Fig. 11 oder 12 gezeigt ähnlich verwendet werden kann.
Mit einer Kombination des Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht gemäß der vorliegenden Erfindung wie in den Fig. 9, 11 und 12 gezeigt mit den Keillinsen 14, 15 wie in Fig. 3 kann eine Projektions-Bildanzeigeeinheit aufgebaut werden, welche das Flüssigkristall-Transmissions-Lichtventil 7 wie in Fig. 3 gezeigt verwendet. Weiterhin kann in der Projektions-Bildanzeigeeinheit wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt die Polarisationsänderungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden zwischen der Kondensorlinse 4 und der polarisierenden Platte 5 und zwischen der Kondensorlinse 4 und deni polarisierenden Strahlteiler 6.
Eine Kombination aus der optischen Viertelwellen-Phasenplatte und deni in der Polarisationsänderungsvorrichtung 200 benutzten Spiegel wie in den Fig. 9, 11 und 12 gezeigt kann als eine Halbwellenplatte dienen. Entsprechend können für die optische Viertelwellen-Phasenplatte ein wohlbekannter doppelbrechender Kristall und ein Flüssigkristallelement vom doppelbrechenden Typ verwendet werden, wie in den vorigen Beispielen beschrieben.
Die Polarisationsänderungsvorrichtung 200 wie in den Fig. 9, 12 und 13 gezeigt macht Gebrauch von den Extinktionsfiltern 130, 150, um das Ungleichgewicht der Lichtmenge zwischen den polarisierten Lichtbestandteilen Lp und Lp* zu korrigieren. Diese Ausführungsform ist eine, in welcher anstatt der Verwendung der Extinktionsfilter in jedem Beispiel wie in den Fig. 9, 12 und 13 gezeigt ein lichtabsqrbierendes Material in die Totalreflexionsprismen 129 und 149 gemischt ist. Bei geeigneter Bestimmung der Art und der Menge des lichtabsorbierenden Materials kann die Menge des polarisierten Lichts Lp innerhalb der Vorrichtung 200 um einen vorbestimmten Betrag gedämpft werden, so daß die menge des aus der Vorrichtung 200 austretenden polarisierten Lichts Lp der des ebenfalls hieraus austretenden polarisierten Lichts Lp* nahezu gleich ist. Als lichtabsorbierendes Material kann ein Übergangselement wie Cr oder Mn verwendet werden.
Weiterhin ist in den vorstehenden Beispielen wie in den Fig. 5-13 gezeigt, der Brechungsindex einer dünnen transparenten Schicht (optische Einlagenschicht, optische Mehrlagenschicht oder Luftschicht), welche an der Grenze zwischen einer Aus trittsfläche des polarisierenden Strahlteilers und einer Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas angeordnet ist, vorzugsweise kleiner als der eines Materials des Totalreflexionsprismas, aber kann mit deni Brechungsindex des Materials vom Gesamt-Brechungsindex nahezu übereinstimmend sein.
Als Material für die optische Einlagen- oder Mehrlagenschicht dieser transparenten Schicht kann MgF2 (Magnesiumfluorid) verwendet werden, welches einen vergleichsweise kleinen Brechungsindex aufweist.
Fig. 14 zeigt schematisch ein sechstes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung, und Fig. 15 ist eine erklärende Darstellung des Strahlengangs im Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie es in Fig. 14 gezeigt ist.
Das auf die Polarisationsänderungsvorrichtung 200 fallende Licht wird von einer Lichtquelleneinheit 20 ausgestrahlt, welche eine Lichtquelle 21 aufweist, die aus einer Wolfram- Halogen-Lampe oder einer Metallhalidlampe besteht, einen Reflexionsspiegel 22 zum Reflektieren eines Teils des von der Lichtquelle 21 ausgestrahlten Lichts, einen Wärmestrahlungs schutzfilter 23 zum Absorbieren oder Reflektieren der Wärmestrahlung des Lichts, welches von der Lichtquelle 21 hierauf direkt oder über den Reflexionsspiegel 22 fällt, und eine Kondensorlinse 24 zur Umformung des Lichts zu parallelem Licht Ls+Lp nach Beseitigung der Wärmestrahlung.
Diese Polarisationsänderungsvorrichtung 200 weist einen polarisierenden Strahlteiler 226 auf, ein aus eineni Material mit einem geringeren Brechungsindex als deni des polarisierenden Strahlteilers gefertigtes Totalreflexionsprisma 229, eine optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 und eine Reflexionsplatte 128.
Der polarisierende Strahlteiler 226 weist eine funktionelle schräge Fläche 226a auf, deren eines Ende in Kontakt mit einer Eintrittsfläche im Winkel von 450 steht (eine auf der schrägen Fläche abgeschiedene Schicht, an der zwei rechtwinklige Prismen zusammengefügt sind) und eine Aüstrittsfläche, deren eines Ende in Kontakt mit eineni Ende der Eintrittsfläche im Winkel von 900 steht. Hier läßt die funktionelle Fläche 226a wie vorstehend beschrieben die P-polarisierte Lichtkomponente des parallelen Lichts LS+Lp durch, welches ein senkrecht auf die Eintrittsfläche einfallendes Licht ist, und reflektiert außerdem die S-polarisierte Lichtkomponente Ls im rechten Winkel.
Das Totalreflexionsprisma 229 ist aus einem Material hergestellt, welches einen geringeren Brechungsindex aufweist als den eines Materials für den polarisierenden Strahlteiler 226, und hat die Eigenschaft, das Licht mit geringerem Einfallswinkel durchzulassen und das Licht mit größerem Einfallswinkel an der in Kontakt mit deni polarisierenden Strahlteiler 226 stehenden Eintrittsfläche zu reflektieren.
Weiterhin weist das Totalreflexionsprisma 229 eine totalreflektierende schräge Fläche 229a auf, deren eines Ende in Kontakt mit dem anderen Ende der funktionellen schrägen Fläche 226a des polarisierenden Strahlteilers 226 im Winkel von 90º steht und welche die durch die funktionelle schräge Fläche 226a durchgelassene P-polarisierte Lichtkornponente Lp im rechten Winkel reflektiert, um sie durch von der Austrittsfläche austreten zu lassen. Hier hat die Austrittsfläche ihr eines Ende in Kontakt mit der deni anderen Ende der totalreflektierenden Fläche 129a im Winkel von 450 und ihr anderes Ende steht in Kontakt mit deni anderen Ende der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 226 im Winkel von 0º.
Die optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 hat ihr eines Ende in Kontakt mit dem anderen Ende der funktionellen schrägen Fläche 226a des polarisierenden Strahlteilers 226 im Winkel von 450 und ihr anderes Ende steht im Winkel von 900 in Kontakt mit dem anderen Ende der Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 226, auf welche die von der funktionelle schrägen Fläche 226a reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls im rechten Winkel trifft.
Die reflektierende Platte 128, welche in Reflexionspartner ist, weist eine reflektierende Oberfläche auf, welche aus einer abgeschiedenen Aluminiumschicht oder optischen Mehrlagenschicht besteht und auf der anderen Seite der optischen Viertelwellen-Phasenplatte 127 gegenüber deni polarisierenden Strahlteiler 226 angebracht ist, und reflektiert die durch sie optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 durchgelassenen S-polarisierte Lichtkomponente Ls.
In diesem Beleuchtungssysteni mit polarisiertem Licht wird das von der Kondensorlinse 24 ausgehende parallele Licht Ls+Lp in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die S- polarisierte Lichtkomponente Ls derart aufgespalten, daß die P-polarisierte Lichtkomponente Lp durch die funktionelle schräge Fläche 226a des polarisierenden Strahlteilers 226 durchgelassen wird und die S-polarisierte Lichtkomponente Ls an der funktionellen schrägen Fläche 226a im rechten Winkel reflektiert wird. Die reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls trifft im rechten Winkel auf die optische Viertelwellen-Phasenplatte und wird von einer reflektierenden Fläche der reflektierenden Platte 128 reflektiert, uni nochmals durch die optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 zu gelangen, und wird dabei durch Drehung ihrer Polarisationsrichtung um 90º in die P-polarisierte Lichtkornponente Lp* umgewandelt. Die unigewandelte P-polarisierte Lichtkomponente Lp* wird direkt durch die funktionelle schräge Fläche 226a durchgelassen und tritt von der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 226 aus. Andererseits wird die P- polarisierte Lichtkomponente Lp durch die Eintrittsfläche 231 des Totaireflexionsprismas 229 durchgelassen, an der totalreflektierenden Fläche 229a des Totaireflexionsprismas 229 im rechten Winkel reflektiert und tritt von der Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas parallel zu der umgewandelten P-polarisierten Lichtkomponente Lp* aus.
Als nächstes wird die Wirkung des Totaireflexionsprismas 229, welches einen geringeren Brechungsindex hat als den des Prismas des polarisierenden Strahlteilers 226, mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben.
Wenn die Lichtquelle 21 wie in Fig. 14 gezeigt eine vollkommene Punktlichtquelle ist, dann fällt das von der Kondensorlinse 24 ausgehende parallele Licht Ls+Lp im rechten Winkel auf die Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 226, wird in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die S-polarisierte Lichtkomponente LS wie vorstehend beschrieben an der funktionellen schrägen Fläche 226a des polarisieren den Strahlteilers 226 aufgespalten, in welchem die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die aus der S-polarisierten Lichtkomponente Ls umgewandelte P-polarisierte Lichtkomponente Lp* parallel von der Seite des Totaireflexionsprismas 229 bzw. der Seite des polarisierenden Strahlteilers 228 ausgestrahlt werden. Wenn jedoch die Lichtquelle 21 keine vollkommenen Punktlichtquelle ist, dann ist das von der Kondensorlinse 24 ausgehende Licht nicht zu vollständig parallelem Licht gemacht worden, sondern zu einem Licht, welches einen Divergenzwinkel ω aufweist, so daß das Licht auch schräg auf die Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 226 unter einem Winkel θ (θ ≤ ω) einfällt, wie durch den Lichtstrahl α in Fig. 15 angedeutet. Das durch den Lichtstrahl α angedeutete Licht wird ähnlich in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp und die S-polarisierte Lichtkomponente Ls an der funktionellen schrägen Fläche 226a des polarisierenden Strahlteilers 226 aufgespalten.
Jedoch wird die von der funktionellen schrägen Fläche 226a reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls des Lichtstrahls α durch die optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 durchgelassen, an der reflektierenden Platte 128 reflektiert, wieder durch die optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 durchgelassen, in die P-polarisierte Lichtkomponente Lp* umgewandelt und gelangt zur Eintrittsfläche 231 des Totalreflexionsprismas 229. Hier ist der Einfallswinkel der P-polarisierten Lichtkomponente Lp* des Lichtstrahls α auf die Eintrittsfläche 231 π/2-ω). Den Brechungsindex des polarisierenden Strahlteilers 226 als n&sub1; angenommen, den des Totalreflexionsprismas als n&sub2; und denn Austrittswinkel der P-polarisierten Lichtkomponente Lp* von der Eintrittsfläche 231 als ω', gilt die deni Snell'schem Gesetz
n&sub1; sin(π/2-ω) = n&sub2; sin ω'.
Das bedeutet n&sub1;/n&sub2; cosω) = sin ω'.
Weil die Bedingung dafür, daß die P-polarisierte Lichtkomponente Lp* des Lichtstrahls α an der Eintrittsfläche 231 totalreflektiert wird, sin ω' ≥ 1 lautet, wird der obige Ausdruck wie folgt geschrieben
n&sub1;/n&sub2; cos ω ≥ 1.
Das heißt 0 ≤ n&sub2;/n&sub1; ≤ cos ω (n&sub1;, n&sub2; > 0).
In diesem Beispiel gilt, wenn der Brechungsindex n&sub1; des Substratglases für den polarisierenden Strahlteiler 226 gleich 1,68 ist (SF8), der Brechungsindex n&sub2; des Totalreflexionsprismas 229 gleich 1,52 (BK7) und der Divergenzwinkel ω des einfallenden Lichtstronis Ls+Lp mit deni polarisierenden Strahlteiler 226 etwa 70 beträgt,
n&sub1;/n&sub2; cos ω = 1,097 > 1,
so daß die P-polarisierte Lichtkoniponente Lp* des Lichtstahls α an der Eintrittsfläche 231 des Totaireflexionsprisnias totalreflektiert und von der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 226 ausgestrahlt wird, wie durch die durchgezogene Linie angedeutet wird.
Die durch die funktionelle Fläche 226a durchgelassene P-polarisierte Lichtkomponente Lp des Lichtstrahls £1 gelangt durch die Eintrittsfläche 231 des Totalreflexionsprismas 229 und wird zur Eintrittsfläche 231 des Totalreflexionsprismas 229 reflektiert, wenn sie an der totalreflektierenden Fläche 229a reflektiert wird. Im Ergebnis wird sie, wenn der Brechungsindex n&sub2; des Totalreflexionsprismas 229 gleich dem Brechungsindex n&sub1; eines Materials des polarisierenden Strahlteilers 226 ist, direkt von der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 226 ausgestrahlt, aber in diesem Beispiel weist durch Wahl des Brechungsindex n&sub2; des Totalreflexionsprismas 229 kleiner als der Brechungsindex n&sub1; des polarisierenden Strahlteilers 226 das Licht, welches einen großen Einfallswinkel auf die Eintrittsfläche 231 des Totalreflexionsprismas 229 hat, einen Anteil der P-polarisierten Lichtkomponente Lp auf, welcher an der Eintrittsfläche 231 Fresnel-reflektiert und von der Austrittsfläche des Totaireflexionsprismas 229 abgestrahlt wird, wie durch die Strich-Punkt-Linie angedeutet wird, und den Rest, welcher durchgelassen und von der Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 226 abgestrahlt wird. Entsprechend kann das austretende Licht β&sub1; wie in Fig. 4 abgezogen werden.
Dementsprechend gestattet dieses Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht die durch die funktionelle schräge Fläche 226a des polarisierenden Strahlteilers 226 durchgelassene P- polarisierte Lichtkomponente Lp und die von der funktionel len schrägen Fläche 226a reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls nahezu vollständig zu trennen und von scheinbar unterschiedlichen Austrittsflächen abgestrahlt zu werden, selbst wenn die Lichtquelle 21 im allgemeinen keine vollkommene Punktlichtquelle ist, dank dem Totalreflexions prisma, welches einen Brechungsindex n&sub2; aufweist, welcher der vorigen Bedingung 0 < n&sub1;/n&sub2; ≤ cos ω genügt.
Ebenso ist es mit diesem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht möglich, sowohl die P-polarisierte Lichtkomponente Lp als auch die S-polarisierte Lichtkomponente Ls, welche durch den polarisierenden Strahlteiler 226 getrennt werden, zur Beleuchtung des nicht gezeigten Lichtventils zu nutzen, so daß die Nutzungseffizienz des Lichts verbessert werden kann. Weiterhin ist es durch parallele Beleuchtung des Lichtventils mit den Lichtbestandteilen Lp, Lp* möglich, den Abstand zwischen deni Beleuchtungssystem mit parallelem Licht und dem Lichtventil zu verkürzen, was schwierig mit einem Vertahren zur Beleuchtung des Lichtventils mit synthetischem Licht wie in Fig. 3 gezeigt zu lösen war, und es ist weiterhin möglich, die Projektions-Bildanzeigeeinheit zu miniaturisieren, welche das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht aufweist.
Weiterhin ist in deni herkömmlichen Beispiel wie in Fig. 3 gezeigt die Beziehung zwischen deni Brechungsindex n1 eines Materials des polarisierenden Strahlteilers und deni Brechungsindexn2 eines Materials des Totalreflexionsprismas, welche in Kontakt miteinander stehen, ebenfalls anwendbar. Das heißt, der Lichtstrahl α in Fig. 4 wird an der Grenzfläche 14 zwischen dem Totalreflexionsprisma 12 und deni polarisierenden Strahlteiler 11 totalreflektiert, gelangt zwangsläufig zur funktionellen schrägen Fläche ha, so daß der Durchgang von Licht wie gezeigt nicht stattfindet. Ebenfalls wird, wenn der Lichtstrahl β von dem Totalreflexionsprisma 12 zum polarisierenden Strahlteiler gelangt&sub1; ein Teil des Lichts an der Grenzfläche 14 Fresnel-reflektiert, und der andere Teil wird durchgelassen, so daß die Menge an ausgestrahltem Licht β&sub1; reduziert werden kann.
Fig. 16 zeigt schematisch wesentliche Teile eines siebenten Beispiels eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dieses Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht weist wie das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in Fig. 14 gezeigt einen polarisierenden Strahlteiler 236 auf, welcher aus einem Prisma besteht, welches einen Brechungsindex von 1,68 aufweist, ein Totalreflexionsprisma 239, welches einen Brechungsindex von 1,52 aufweist, und eine optische Viertelwellen-Phasenplatte 138, unterscheidet sich aber von der Vorrichtung aus Fig. 14 darin, daß es das austretende Licht von der Vorrichtung 200 in die gleiche Richtung ausstrahlt wie die des einfallenden Lichts.
Das heißt, der polarisierende Strahlteiler 236 weist eine funktionelle schräge Fläche 236a auf (eine auf der schrägen Fläche abgeschiedene Schicht, an der zwei rechtwinklige Prismen zusammengefügt sind), deren eines Ende in Kontakt mit einem Ende einer Eintrittsfläche im Winkel von 45º steht. Die funktionelle schräge Fläche 236a läßt die P-polarisierte Lichtkomponente des parallelen Lichts Ls+Lp, welches ein senkrecht zur Eintrittsfläche einfallendes Licht ist, durch und reflektiert die S-polarisierte Lichtkomponente Ls im rechten Winkel. Weiterhin weist der polarisierende Strahlteiler 236 eine Austrittsfläche auf, von welcher die durch die funktionelle schräge Fläche 236a durchgelassene P- polarisierte Lichtkomponente austritt.
Die optische Viertelwellen-Phasenplatte 137 hat ihr eines Ende in Kontakt mit deni anderen Ende der Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 236 in einem Winkel von 90º und ihr anderes Ende steht im Winkel von 45º in Kontakt mit deni anderen Ende der funktionellen schrägen Fläche 236a des polarisierenden Strahlteilers 236, auf welche die von der funktionellen schrägen Fläche 236 reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente Ls im rechten Winkel trifft.
Die reflektierende Platte 138, welche ein Reflexionspartner ist, hat eine reflektierende Oberfläche, welche aus einer abgeschiedenen Aluminiumschicht oder optischen Mehrlagenschicht besteht, welche auf der anderen Seite der optischen Viertelwellen-Phasenplatte 137 gegenüber deni polarisierenden Strahlteiler 236 angebracht ist, und reflektiert die durch die optische Viertelwellen-Phasenplatte 137 durchgelassene S-polarisierte Lichtkomponente Ls.
Das Totalreflexionsprisma 239 ist aus einem Material hergestellt, welches einen geringeren Brechungsindex als den eines Materials des polarisierenden Strahlteilers 236 aufweist, und hat die Eigenschaft, Licht mit kleinerem Einfallswinkel durchzulassen und Licht mit größerem Einfallswinkel auf eine Eintrittsfläche 241 des Totalreflexionsprismas 239 zu reflektieren. Das bedeutet, der Brechungsindex n&sub1; des polarisierenden Strahlteilers, der Brechungsindex n&sub2; des Totalreflexionsprismas 239 und der Divergenzwinkel ω des Lichts LS+Lp in einem Medium des polarisierenden Strahlteilers 236 genügen der Beziehung 0 < n&sub2;/n&sub1; ≤ cos ω.
Das Totalreflexionsprisma 239 hat eine totalreflektierende schräge Fläche 239a und eine Austrittsfläche. Die totalreflektierende schräge Fläche 239a hat ihr eines Ende in Kontakt mit der funktionellen schrägen Fläche 236a des polarisierenden Strahlteilers 236 im Winkel von 90º und reflektiert die durch die funktionelle schräge Fläche 236a durchgelassene P-polarisierte Lichtkomponente Lp* (welche aus der von der funktionellen schrägen Fläche 236a reflektierten S- polarisierten Lichtkomponente Ls durch Drehen ihrer Polarisationsrichtung um 90º mittels der optischen Viertelwellen- Phasenplatte 137 und der reflektierenden Platte 138 umgewandelt ist) im rechten Winkel, um sie von der Austrittsfläche abzustrahlen. Die Austrittsfläche hat ihr eines Ende in Kontakt mit deni anderen Ende der totalreflektierenden schrägen Fläche 239a im Winkel von 45º und ihr anderes Ende im Kontakt dem anderen Ende der Eintrittsfläche 241 im Winkel von 90º, um die umgewandelte P-polarisierte Lichtkomponente Lp* und die P-polarisierte Lichtkomponente Lp parallel auszusenden.
Weiterhin wird, da das auf die Vorrichtung 200 treffende parallele Licht Ls+Lp kein vollkommen paralleles Licht ist, wenn ein bestimmter Lichtstrahl, besonders unter einem größeren Einfallswinkel, auf eine Eintrittsfläche 241 des Totalreflexionsprismas 239 fällt, in dem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht dieses Beispiels die P-polarisierte Lichtkomponente Lp des parallelen Lichts Ls+Lp durch die funktionelle schräge Fläche 236a des polarisierenden Strahlteilers 236 durchgelassen, dann an der Grenzschicht 241 des Totalreflexionsprismas 239 reflektiert und tritt hieraus aus, so daß die gleichen Effekte wie bei deni Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in Fig. 14 gezeigt erreicht werden können.
Fig. 17 zeigt schematisch ein achtes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Dieses Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht macht Gebrauch von einem rechtwinkligem Prisma 148 an Stelle der reflektierenden Plattel3s des Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht wie in Fig. 14 gezeigt, um die von der funktionellen schrägen Fläche 246a des polarisierenden Strahlteilers 246 5-polarisierte Lichtkomponente Ls zu reflektieren, ohne unerwünschte polarisierte Lichtkomponenten zu erzeugen.
Mit diesem Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht können die gleichen Effekte wie diejenigen in deni Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in Fig. 14 gezeigt erreicht werden, indem das Totalreflexionsprisma 249 aus einem Material gefertigt wird, welches einen geringeren Brechungsindex aufweist als das des polarisierenden Strahlteilers.
Das bedeutet, daß in dieser Vorrichtung der Brechungsindex n&sub1; des polarisierenden Strahlteilers 246, der Brechungsindex n&sub2; des Totalreflexionsprismas 249 und der Divergenzwinkel ω des Lichts LS+Lp in einem Medium des polarisierenden Strahlteilers 246 der Beziehung 0 < n&sub2;/n&sub1; ≤ cos ω genügen.
Fig. 18 zeigt schematisch ein neuntes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Diese Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht weist wie das Beleuchtungssysteni mit polarisiertem Licht wie in Fig. 14 gezeigt einen polarisierenden Strahlteiler 226 aus einem Material auf, welches einen Brechungsindex von n&sub1; = 1,68 aufweist, ein Totalreflexionsprisma 229, welches einen Brechungsindex von n&sub2; = 1,52 aufweist, eine optische Viertelwellen-Phasenplatte 127 und eine reflektierende Platte 128, wodurch es Licht mit einem Divergenzwinkel von etwa 70 im polarisierenden Strahlteiler 226 empfängt, unterscheidet sich aber von der Vorrichtung von Fig. 14 darin, daß ein Extinktionsfilter 220 auf einer Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 229 angeordnet ist.
Dies bedeutet, da die von der funktionellen schrägen Fläche 226a des polarisierenden Strahlteilers 226 reflektierte S- polarisierte Lichtkomponente Ls mittels der optischen Viertelwellen-Phasenplatte 127 und der Reflexionsplatte 128 gedämpft wird, daß die von der totalreflektierenden schrägen Fläche 229a des Totalreflexionsprismas reflektierte P-polarisierte Lichtkomponente Lp durch den Extinktionsfilter 220 um den gleichen Betrag gedämpft und daraus abgestrahlt wird, so daß die Ungleichheit der Intensitäten zwischen den Lichtbestandteilen Lp und Lp* auf einer Qberfläche des nicht gezeigten Lichtventils vermieden werden kann.
Anstelle des Extinktionsfilters 220 kann das Prisma 220 selbst die Wirkung eines Extinktionsfilters aufweisen, wenn ein lichtabsorbierendes Material, z.B. ein Übergangselement wie Cr oder Mn, in das Material gemischt wird, aus welchem das Totalreflexionsprisma 229 besteht.
Fig. 19 und 20 zeigen schematisch ein zehntes bzw. elftes Beispiel eines Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 19 zeigt ein Beispiel, in welchem ein Extinktionsfilter 240 auf eine Austrittsfläche des polarisierenden Strahlteilers 236 angeordnet, welcher im Aufbau dem siebenten Beispiel wie in Fig. 16 gezeigt entspricht, in welchem die Funktion eines Filters 240 die gleiche ist wie vorstehend beschrieben.
Fig. 20 zeigt ein Beispiel, in welchem ein Extinktionsfilter 250 auf einer Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas 249 angeordnet ist, welches im Aufbau deni achten Beispiel wie in Fig. 17 gezeigt entspricht, und als Variation des Beispiels wie in Fig. 20 gezeigt, wenn ein lichtabsorbierendes Material in das Totalreflexionsprisma 249 gemischt wird anstatt eines Extinktionsfilters 250, dann kann das Prisma selbst die Wirkung eines Extinktionsfilters haben.
In jedem Beispiel des Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht wie in den Fig. 19 und 20 gezeigt können die gleichen Effekte wie die für das Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in den Fig. 16 und 17 erreicht werden, und die Ungleichheit der Beleuchtung des nicht gezeigten Lichtventils kann vermieden werden.
In dem herkömmlichen Beleuchtungssystem mit polarisiertem Licht wie in Fig. 3 gezeigt können die gleichen Effekte wie die in diesem Beispiel erreicht werden, mit der Beziehung (n&sub2; < n&sub1;) zwischen dem Brechungsindex n&sub1; für ein Material des polarisierenden Strahlteilers und deni Brechungsindex n&sub2; des Totalreflexionsprismas, der Beziehung 0 < n&sub2;/n&sub1; ≤ cos ω für einen Divergenzwinkel ω des einfallenden Bündels, und wenn ein Extinktionsfilter auf einer Austrittsfläche des Totalreflexionsprismas angeordnet ist oder ein lichtabsorbierendes Material in das Totalreflexionsprisma gemischt wird.
Wie vorstehend beschrieben kann die Vorrichtung des sechsten bis elften Beispiels wie in den Fig. 14 bis 20 gezeigt auf das optische System der Beleuchtung für die Projektions- Bildanzeigeeinheit und verschiedene Vorrichtungen anwendbar sein wie vorher beschrieben. Entsprechend ist für die Polarisationsänderungsvorrichtung 200 der Projektions-Bildanzeigeeinheit zur Anzeige von farbigen Bildern wie in den Fig. 13A und 13B jedes des sechsten bis elften Beispiels anwendbar.
Diese Polarisationsänderungsvorrichtung kann das von der Lichtquelle 20 ausgesendete parallele weiße Licht in linear polarisiertes Licht ohne Verlust umwandeln, so daß der Effekt der Verbesserung der Nutzungseffizienz des Lichts erreicht werden kann. Ebenso kann die Schnittweite des Projektionslinsensystems 113 bedeutend reduziert werden in Vergleich mit der herkömmlichen Projektions-Bildanzeigeeinheit dieser Art, weil der Lichtfluß für jede Farbe durch das kreuzdichroitische Prisma 112 separiert und aufgebaut werden kann, so daß die Effekte der Ausweitung der Freiheitsgrade bei der Konstruktion des Projektionslinsensystems 113 und des kompakteren Gestaltens der gesamten Projektions-Bildanzeigeeinheit gegeben sein können.
In dem sechsten bis elften Beispiel der vorliegenden Erfindung wie in den Fig. 14 bis 20 gezeigt kann ein doppelbrechender Kristall oder ein doppelbrechendes Flüssigkristallelement als optische Viertelwellen-Phasenplatte verwendet werden.
Ebenso wird in deni sechsten bis elften Beispiel, wenn ein Kleber zum Verbinden einer Austrittsfläche eines Prismas des polarisierenden Strahlteilers und einer Eintrittsfläche des Totalreflexionsprismas verwendet wird, der Brechungsindex des Klebers so gewählt, daß er nahezu gleich deni Brechungsindex eines Prismas des polarisierenden Strahlteilers oder des Totalreflexionsprismas ist.
Durch Kombination des Beleuchtungssystems mit polarisiertem Licht wie im sechsten bis elften Beispiel gezeigt mit den Keillinsen 14 und 15 wie in Fig. 3 gezeigt kann die Projektions-Bildanzeigeeinheit, welche ein Flüssigkristall-Transmissions-Lichtventil 7 wie in Fig. 3 gezeigt nutzt, aufgebaut werden. Ferner kann in der Projektions-Bildanzeigeeinheit wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt die Polarisationsänderungsvorrichtung 200 der Beispiele zwischen der Kondensorlinse 4 und der polarisierenden Platte 5 oder zwischen der Kondensorlinse 4 und deni polarisierenden Strahlteiler 6 eingesetzt werden.

Claims

1. Optisches System mit einem Polarisationsstrahlteiler (31), der ein erstes Prisma aufweist mit einer ersten schrägen Fläche (31a) zum Empfangen des auftreffenden Strahls und zum Aufspalten des Strahls in erste und zweite Lichtstrahlen mit im wesentlichen orthogonalen Polarisationsebenen, einer ersten Austrittsfläche, von welcher der erste Strahl austritt, und einer zweiten Austrittsfläche, von welcher der zweite Strahl austritt, und ein internes Reflektionsprisma (32) mit einem zweiten Prisma, das eine Eintrittsfläche gegenüber der zweiten Austrittsfläche des ersten Prismas aufweist, einer zweiten schrägen Fläche (32a) zum Reflektieren und Ablenken des zweiten Strahls von der Eintrittsfläche um ihn auf einen Strahlengang nahezu parallel zu deni des ersten Strahls zu richten, und einer dritten Austrittsfläche, von welcher der von der zweiten schrägen Fläche reflektierte Strahl austritt, dadurch gekennzeichnet, daß eine transparente Schicht (36) zwischen der zweiten Austrittsfläche des ersten Prismas und der Eintrittsfläche des zweiten Prismas (32) angeordnet ist, wobei die transparente Schicht so gewählt ist, daß ihr Brechungsindex kleiner als der des ersten Prismas ist, um unter kleinem Einfallswinkeln zur Oberflächensenkrechten einfallende Strahlen durchzulassen, aber unter großen Winkeln einfallende Strahlen zu reflektieren.

2. System gemäß Anspruch 1, wobei die transparente Schicht (36) eine dünne Luftschicht aufweist.

3. System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die transparente Schicht (36) eine optische Dünnschicht aufweist.

4. System gemäß Anspruch 3, wobei die optische Dünnschicht eine Mehrlagen-Schichtstruktur aufweist.

5. Optisches System mit einem polarisierenden Strahlteiler (200), welcher ein erstes Prisma (226) aufweist, welches eine erste schräge Fläche (226a) hat zum Eintritt eines einfallenden Strahls und zum Aufteilen des einfallenden Strahls in erste und zweite Lichtstrahlen mit im wesentlichen zueinander senkrechten Polarisationsebenen, eine erste Austrittsfläche von welcher der erste Strahl austritt, und eine zweite Austrittsfläche, von welcher der zweite Strahl austritt und ein internes Reflektionsprisma (229), das ein zweites Prisma aufweist mit einer Eintrittsfläche (231), welche im wesentlichen im Kontakt mit der zweiten Austrittsfläche des ersten Prismas (226) steht, und eine zweite schräge Fläche (229a) zum Reflektieren und Ablenken des zweiten Strahls von der Eintrittsfläche, uni ihn auf einen Strahlengang zu richten, der im wesentlichen parallel zu dem des ersten Strahls verläuft, und eine dritte Austrittsfläche, von welcher der von der zweiten schrägen Fläche (229a) reflektierte zweite Strahl austritt, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Prisma so gewählt ist, daß es einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des ersten Prismas, so daß unter einem kleinen Einfallswinkel zur Oberflächensenkrechten der Eintrittsfläche (231) des zweiten Prismas auf treffende Strahlen durchgelassen werden, aber Strahlen unter großen Einfallswinkeln reflektiert werden.

6. System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welches weiterhin eine Lichtquelle (20) und Modulationsvorrichtungen (33;53;127,128;137,138; oder 147,148) zur Modulation wenigstens einer Polarisationsebene des ersten Strahls und des zweiten Strahls aufweist, um die Polarisationsebene des ersten Strahls und des zweiten Strahls nahezu zur Übereinstimmung zu bringen.

7. Bildanzeigeeinheit, welche ein optisches System gemäß Anspruch 5 und Vorrichtungen (75R,75G,75B) zur Erzeugung eines Bildes durch Modulation des ersten und des zweiten Strahls des optischen Systems aufweist.

8. System gemäß Anspruch 51 welches weiterhin ein optisches Projektionssystem (113) zur Projektion des Bildes auf einen Bildschirm aufweist.

9. System gemäß eineni der Ansprüche 1 bis 5, welches weiterhin eine Vorrichtung zur Modulation der Polarisationsebene (33;53;127,128;137,138; oder 147,148) in wenigstens einem der Strahlengänge des ersten und zweiten Strahls aufweist, uni die Polarisationsebene des ersten Strahls und des zweiten Strahls nahezu zur Übereinstimmung zu bringen.

10. System gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Modulationsvorrichtung eine Halbwellenplatte aufweist, diese Halbwellenplatte in einen der Strahlengänge des ersten und zweiten Strahls eingesetzt wird und die Drehung der Polarisationsrichtung eines der ersten und zweiten Strahlen um näherungsweise 90º ermöglicht.

11. System gemäß Anspruch 10, wobei die Halbwellenplatte eine Viertelwellenplatte und einen Spiegel aufweist, um die Polarisationsrichtung bei Reflektion des Lichts zu drehen.

12. System gemäß Anspruch 10, wobei die Halbwellenplatte ein doppelbrechendes Kristallelenient aufweist.

13. System gemäß Anspruch 10, wobei die Halbwellenplatte ein Flüssigkristallelement aufweist.

14. System gemäß eineni der vorhergehenden Ansprüche, welches weiterhin einen Extinktions- oder Lichtdämpfungsfilter (130, 150, 220, 240 oder 250) aufweist, der in den Strahlengang eines der ersten und zweiten Strahlen eingesetzt wird, um die Intensität des ersten und des zweiten Strahls weitgehend anzugleichen.

15. System gemäß eineni der vorhergehenden Ansprüche, welches weiterhin ein lichtabsorbierendes Material aufweist, welches in einem der ersten oder zweiten Prismen enthalten ist, um die Intensität des ersten und des zweiten Strahls weitgehend anzugleichen.