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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Polarisationsvorrichtung,
insbesondere eine Vorrichtung, die es ermöglicht, dass zufällig polarisiertes
Licht von einer Lichtquelle in linear polarisiertes Licht umgesetzt
wird, und ein Projektionssystem der Röhre vom Flüssigkristalltyp, das eine derartige optische
Vorrichtung benutzt.
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Es
ist bekannt, dass Flüssigkristallsysteme wie
Projektoren mit einer Flüssigkristallwiedergabe als
eine optische Röhre
oder LCD-Systeme oder mit direkter Betrachtung einen niedrigen Wert
der optischen Übertragung
aufweisen. Diese Systeme müssen
durch linear polarisiertes Licht beleuchtet werden, was die Anwendung
eines Polarisators erfordert. Jedoch absorbiert ein Polarisator
mehr als 50 % des einfallenden Lichts. Zur Vermeidung dieses Nachteils
wurden verschiedene Typen von Polarisationskonvertern vorgeschlagen.
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Wie 1 zeigt, besteht eine optische
Polarisationsvorrichtung vom bekannten Typ aus einer Lichtquelle 1,
die zum Beispiel eine Wolframlampe, eine Halogenlampe, eine Xenonlampe
oder ähnliches
sein kann. Diese Lampe 1 ist teilweise von einem elliptischen
oder parabollförmigen
Reflektor 2 umgeben. Die Lampe sendet einen zufällig polarisierten
Lichtstrahl auf einen Polarisationstrenner 3 vom klassischen
Typ, der die Polarisationskomponente p des Lichtstrahls, in der
Figur mit p1 bezeichnet, und reflektiert die Polarisationskomponente
s des Lichtstrahls, bezeichnet mit s2. Diese Komponente s2 läuft durch
eine λ/2-Platte 5,
wo sie einer Drehung der Polarisationsebene um 90° unterliegt.
Man erhält somit
mit diesem System zwei mit p1 und p2 bezeichnete Polarisationskomponenten,
die die Flüssigkristallröhre 6 beleuchten.
Diese beiden parallelen Strahlen p1, p2 haben den Hauptnachteil,
dass sie unterschiedliche Intensitäten aufweisen, was eine ungleichmäßige Beleuchtung
der Flüssigkristallröhre ergibt.
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Eine
andere Lösung,
die zwei parallele Strahlen vermeidet, besteht darin, den Spiegel 4 und die λ/2-Platte 5' derart anzuordnen,
das die beiden Strahlen p1 und p2 einander in der Ebene der Flüssigkristallröhre 6' überlagern.
Diese Lösung
ist in 2 dargestellt,
in der gleiche; Teile wie diejenigen in 1 mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Die Bezugszeichen der Teile, deren Lage geändert worden ist, tragen ein
Apostroph. Die Strahlen p1 und p2 laufen in bekannter Weise in eine
Feldlinse 7, bevor sie die Röhre 6' erreichen, und sie werden danach
zu der Ebene der Pupille der Projektionslinse 8 übertragen.
Da jedoch die Strahlen p1 und p2 verschiedene Einfallwinkel auf
der Feldlinse aufweisen, werden sie nicht an demselben Punkt auf
der Ebene der Pupille fokussiert, sondern bei zwei Punkten p'1 und p'2, wie in 2 deutlich dargestellt ist.
Das bewirkt eine Anwendung der Projektionslinse mit einer beträchtlichen Öffnung.
Eine derartige Linse ist kostenintensiv.
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Um
die obigen Nachteile zu vermeiden, wird in der europäischen Patentanmeldung
Nr. 0 422 661 eine optische Polarisationsvorrichtung mit einem Polarisations-Strahltrenner vom
klassischen Typ vorgeschlagen, Reflexionsmittel zum Empfang der
durch den Polarisationsstrahltrenner reflektierten Komponente, deren
Polarisationsebene um 90° gedreht wird,
um eine reflektierte Komponente mit entgegengesetzter Polarität zu bilden,
und Mittel zur Rekombination der beiden durch Brechungselemente
gebildeten Komponenten. Jedoch hat dieses System Nachteile, insbesondere
bei der Winkeldispersion des Ausgangsstrahls und der Notwendigkeit
für ein
Projektionsobjektliv mit einer beträchtlichen Öffnung.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben genannten
Nachteile zu vermeiden, indem eine neue optische Polarisationsvorrichtung
vorgeschlagen wird, die eine gute Rekombination der Strahlen aufeinander
ermöglicht
und eine geringe Dispersion darstellt.
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Demzufolge
betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Polarisationsvorrichtung
mit:
- – einer
Lichtquelle zur Emittierung eines Lichtstrahls,
- – einem
Polarisationstrenner zur Reflexion der Polarisationskomponente s
des Lichtstrahls und zur Übertragung
der Polarisationskomponente p,
- – Reflexionsrnitteln
zum Empfang der durch den Polarisationstrenner reflektierten Komponente:, Drehung
der Polarisationsebene um 90° und Rücksendung
der auf den Polarisationstrenner reflektierten Komponente und
- – Mitteln
zur Rekombination der beiden polarisierten Komponenten des Lichtstrahls
derart, dass ein parallel gerichteter Strahl entsteht, dadurch gekenn
zeichnet,
dass die Reflexionsmittel durch einen linearen Fresnelaufbau gebildet
sind, der mit einer Reflexionsoberfläche für eine λ/4-Platte bedeckt ist.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Polarisationstrenner
durch einen Stapel von wenigstens zwei Glasplatten gebildet, die
durch eine Luftschicht voneinander getrennt sind.
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Die
Anwendung eines Luft/Glas-Stapels für den Polarisationsstrahltrenner
ergibt einen Einfallwinkel auf die Mittel zur Rekombination entsprechend
dem Brewster-Winkel,
und man bemerkt, dass die Anordnung mit einem Luft/Glas-Stapel und
die Mittel zur Rekombination als eine Totalreflektions-Platte von
Mikroprismen eine Anamorphose von 16/9 entsprechend dem neuen 16/9-Format
der Fernsehempfänger
ergibt, während
ein klassischer Polarisationsstrahltrenner aufgrund eines Prismas eine
Anamorphose von 4/3 entsprechend dem klassischen Format von 4/3
ergibt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, ein Projektionssystem
vom Typ mit einer Flüssigkristallröhre und
eine optische Polarisationsvorrichtung zu bilden, die im Folgenden
anhand einer Feldlinse, einer Flüssigkristallröhre und
einer Projektionslinse beschrieben wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung, wobei diese Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnung erfolgt:
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– die bereits
beschriebene 1 zeigt
schematisch eine erste optische Polarisationsvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik,
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– die bereits
beschriebene 2 zeigt
schematisch eine andere optische Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
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– 3 ist eine schematische
Darstellung einer optischen Polarisationsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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– 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht der
Rekombinationsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung,
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– 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht von
Rekombinationsmitteln, die im Stand der Technik benutzt werden,
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– 6 und 7 sind Kurven und zeigen die Vorteile
durch die Rekombinationsmittel in 4, verglichen
mit den Rekombinationsmitteln in 5, und
insbesondere zeigt 6 die
Dispersion der beiden Mittel, wenn sie durch einen parallel gerichteten Strahl
mit einem Einfallwinkel entsprechend dem Brewster-Winkel von 7 belichtet werden, und 7 zeigt die Winkelübertragungsfunktion
der beiden Systeme für
einen p-Polarisationsstrahl,
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8 ist eine schematische
Ansicht einer kompakten optischen Polarisationsvorrichtung mit einer
linearen, reflektierenden Fresnelstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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9 ist eine vergrößerte Teilansicht
der Fresnelstruktur.
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3 zeigt ein vollständiges Beleuchtungssystem
eines LCD-Projektors. Dieses System zur Projektion über einen
Flüssigkristallschirm
enthält
in bekannter Weise eine Lampe 10, die eine Bogenlampe vom
metallischen Halogentyp oder Ähnliches
sein kann. Diese Lampe 10 liegt beim Brennpunkt des parabelförmigen oder
elliptischen Reflektors 11 und ist in bekannter Weise mit
einem Kondensor versehen. Das durch die Lampe emittierte Licht ist
ein weißes Licht
mit einer zufälligen
Polarisation. Es wird durch den Reflektor reflektiert und zu einem
Polarisationskonverter übertragen.
Diese Anordnung enthält
einen Polarisationstrenner 12, der in der dargestellten
Ausführungsform
vorzugsweise ein Stapel von Glasplatten ist, in einem Luft/Glas-Stapel. Jedoch kann
dieser Polarisationstrenner, wie später beschrieben wird, ein Trenner
vom klassischen Typ wie einem Prisma sein.
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Der
Polarisationstrenner enthält
außerdem einen
Spiegel 13, dessen Aufgabe es ist, die Polarisationskomponente
s des Lichtstrahls zu dem Polarisationsstrahltrenner zu reflektieren.
Zu diesem Spiegel 13 gehört eine Viertelwellen-Platte 14 zur
Drehung der Polarisationsebene des reflektierten Strahls um 90°. Am Ausgang
des Polarisationstrenner liegen Mittel 15 zur Rekombination
der Polarisationen, die später
im Detail beschrieben werden. Der Strahl von den Mitteln wird in
bekannter Weise zu einer Feldlinse 16 gesendet, dann zu
einem Flüssigkristallschirm 17 oder
einem elektrooptischen Modulator, der als ein optisches Ventil arbeitet.
Das Bild von dem Flüssigkristallschirm
wird zu einer Projektionslinse 18 übertragen.
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In
dieser Vorrichtung wird der Lichtstrahl von der Lampe 10 zu
dem Polarisationstrenner 12 übertragen. In bekannter Weise
laufen die Polarisationskomponenten p des Lichtstrahls direkt über den
Polarisationstrenner, während
die s-Polarisationskomponenten
reflektiert und zu dem Spiegel 13 übertragen werden, wo sie einer
Totalreflexion unterliegen und erneut derart zu der Viertelwellen-Platte übertragen werden,
dass die Polarisationsebene um 90° gedreht wird.
Die neue, mit p' bezeichnete
Komponente wird zu dem Polarisationstrenner 12 zurückgeschickt.
Die derart übertragenen
Komponenten p und p' erreichen die
Mittel 15 zur Rekombination des Strahls, der gemäß der vorliegenden
Erfindung Mittel zur Totalreflektion für die Rekombination enthalten.
Die am Ausgang gebildeten Komponenten sind daher parallele Polarisationskomponenten,
die, wie im folgenden beschrieben, einander überlagert werden.
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4 zeigt die Mittel
15 zur
Rekombination der Polarisationskomponenten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Diese Mittel arbeiten mit einer Totalreflexion und bestehen aus
einer transparenten Platte aus einem Material wie Methacrylat, zum
Beispiel dem unter dem Warenzeichen "Plexiglas" Material, oder einem Polycarbonat oder
anderen ähnlichen Materialien.
Glas kann ebenfalls benutzt werden. Wie deutlich in
4 gezeigt ist, enthalten diese Mittel auf
ihrer den Strahl von dem Polarisationsstrahltrennerempfangenden
Oberfläche
einen Satz von in parallelen Reihen angeordneten Mikroprismen
15". Daher beträgt, wie
4 zeigt, der Einfallwinkel
des Strahls auf der geneigten Außenfläche des Mikroprismas etwa 90°. Der Strahl
tritt in das Mikroprisma ein und trifft auf die Innenfläche der
angrenzenden Oberfläche
auf, von der er reflektiert wird und aus der Fläche
15" senkrecht austritt. Das ist in
4 durch die Wege entsprechend
den Strahlen p10 und p'10
dargestellt. Um diese Bedingungen zu erfüllen, müssen der Einfallwinkel θ
β und
der Winkel α,
den eine Seite eines Mikroprismas gegenüber einer Normalen zu der Fläche
15" bildet, folgende
Gleichungen erfüllen:
in denen θ
β den
Einfallwinkel des Lichtstrahls von dem Polarisationstrenner gegenüber einer
Senkrechten auf der ebenen Oberfläche und n den Brechungsindex
der Platte von Mikroprismen darstellt.
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Wenn
der Polarisationstrenner, wie oben erwähnt, aus einem Luft/Glas-Stapel
besteht, ist der Winkel θβ gleich
dem Brewster-Winkel, der 56,6° für Glas beträgt. Jedoch
wird bemerkt, dass das Maß der Polarisationstrennung
hoch bleibt und für
Abweichungen von θβ in
der Größenordnung
von ± 10° sich wenig ändert. Tatsächlich ist
der Einfallwinkel, wenn ein Polarisationstrenner aus einem Luft/Glas-Stapel benutzt
wird, gleich dem Brewster-Winkel oder minus einige Grad (nämlich zwei
oder drei Grad.) In diesem Fall ist der Winkel α, wie 4 zeigt, gleich 29°, wenn die Platte der Mikroprismen
aus "Plexiglas" besteht, das einen
Index n = 1,49 für
Lichtwellenlängen von
587 nm aufweist. Wenn die Platte aus Polycarbonat mit n = 1,58 und
die Platte aus Glas mit n = 1,5168 besteht, was demzufolge den Wert
von α ändert, wenn
der Winkel θβ gleich
dem Brewster-Winkel ist.
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Um
die Vorteile der Lösung
gemäß der vorliegenden
Erfindung gegenüber
einer Lösung
des Standes der Technik, beschrieben in der Patentschrift
EP 0 422 661 , zu zeigen,
sind in
5 Mittel zur
Rekombination aus einem brechenden Element vorgesehen. Diese Mittel
150 bestehen
aus einer transparenten Platte, deren Einfallfläche
150', die die Strahlen von dem Trenner
in einer ebenen Fläche empfängt, während die
die beiden parallelen Strahlen emittierende Fläche eine Fläche
150'aus Mikroprismen gebildet ist.
In diesem Fall, wenn der Einfallwinkel θ
β gleich
dem Brewster-Winkel gewählt
ist, ist der Winkel α der
Mikroprismen gleich 17°.
Die Differenzen der Ergebnisse zwischen der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung
und der Lösung
nach dem Stand der Technik, in der ein Luft/Glas-Stapel als Polarisationsstrahltrenner
gewählt
ist, sind durch die Kurven in den
6 und
7 dargestellt. Die Kurve in
6 zeigt die Dispersion aufgrund
der Rekombinationsmittel, wenn diese durch einen parallel gerichteten
Strahl bei dem Brewster-Winkel beleuchtet wird. In diesem Fall ist
ersichtlich, dass die Abweichung der Strahlen am Ausgang von der
Normalen in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
wesentlich wichtiger ist bei dem System gemäß dem Stand der Technik als
bei dem System gemäß der vorliegenden
Erfindung. Auf ähnliche
Weise wie in
7, die
die Winkelübertragungsfunktion
für einen
polarisierten Strahl p der beiden Rekombinationsmittel zeigt, beachtet
man eine Erweiterung des Strahls gegenüber der Normalen in Abhängigkeit
von dem Ablenkwinkel des Strahls gegenüber einem Brewster-Winkel, der bei
dem System nach dem Stand der Technik wesentlich größer als
bei dem System der vorliegenden Erfindung ist, das ein im Wesentlichen
lineares Ergebnis liefert.
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Im
Folgenden werden anhand der 8 und 9 andere Verbesserungen beschrieben,
die bei der optischen Polarisationsvorrichtung vorgenommen werden
können.
Um, wie in 8 dargestellt,
ein noch kompakteres System zu bilden, kann man den ebenen Spiegel 13 der 3 durch eine Fresnelstruktur 13' vom Reflexionstyp
ersetzen. In diesem Fall und wie in der 9 dargestellt ist, ist der Winkel β, den die
Fresnelstruktur gegenüber
seiner Basisstruktur bildet, gleich 2 θβ – 90°. Diese lineare Fresnelstruktur
ist in bekannter Weise durch eine reflektierende Schicht 13" bedeckt, um
den Strahl zu der Viertelwellen-Platte zurückzuschicken.
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Die
anderen Bauteile in 8 sind
identisch zu denen, die anhand der 4 beschrieben
wurden und dieseleben Bezugsziffern tragen.
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Zusätzlich kann
man im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Feldlinse eine Linse
anwenden, die in der französischen
Patentanmeldung Nr. 95 04477, angemeldet durch den vorliegenden
Anmelder, verwenden, nämlich
eine Linse, die aus einem Satz von Oberflächenelementen gebildet ist, von
denen jedes eine Funktion hat, entsprechend einem Punkt, der auf
der Achse beleuchtet werden soll, bei einem Winkel, der durch die
mittlere Ebene gebildet ist, die durch den zu beleuchtenden Punkt
mit der Horizontalebene verläuft,
wobei die Neigung jedes Satzes der elementaren Oberflächen durch
eine Interpolation dieser Funktionen mit einer spezifischen Polynomfunktion
gebildet ist. Eine derartige Linse ist als Linse mit freier Oberfläche oder
als sogenannte "Free
form" bekannt.
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Das
gesamte oben beschriebene System stellt zahlreiche Vorteile dar.
Insbesondere kann die Öffnung
des Projektionsobjektiv relativ zu Systemen gemäß dem Stand der Technik begrenzt
sein, was das System weniger kostenaufwendig macht und dabei eine
effiziente Rekombination der beiden polarisierten Strahlen bildet
und dadurch die Verluste an Lichtintensität begrenzt.
