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Polarisator zur Erzeugung einheitlich polarisierten Lichts mit Hilfe
von Interferenzpolarisatoren und Phasenverzögerern Die Erfindung betrifft einen
Polarisator zur Erzeugung einheitlich polarisierten Lichts mit Hilfe von Interferenzpolarisatoren
und Phasenv erzögerern, vorzugsweise für Scheinwerfer oder Stereoprojektoren, bei
denen die von den ein- und austretenden Lichtstrahlen durchsetzten Begrenzungen
zwei zueinander parallele Ebenen bilden, die vorzugsweise senkrecht zu den ankommenden
Lichtstrahlen verlaufen und bei dem die Lichteintrittsfläche streifenförmig periodisch
unterbrochen ist. Mit solchen Interferenzpolarisatoren ist eine Umwandlung von polarisiertem
Licht in linear oder elliptisch polarisierte Strahlung einheitlicher Schwingungs-
und Fortpflanzungsrichtung möglich. Es sind bereits Interferenzpolarisatoren dieser
:Art bekanntgeworden, welche aus einem System von hoch- und niedrigbrechenden dünnen
Schichten bestehen, die mit einer geeigneten einbettenden lichtbrechenden :-fasse,
wie z. B. Glas, unter dem Einfallswinkel a=45° von Licht durchsetzt werden. Der
Einfallswinkel von 4.5° wurde bei diesen Polarisatoren deshalb gewählt, weil sich
dadurch technisch besonders günstige Anordnungen, bei denen das gesamte Polarisations-
und Umlenkungssystem in einen mit Planflächen senkrecht zu den ein- und austretenden
Lichtstrahlen abgeschlossenen zusammenhängenden Körper gebracht werden kann, leicht
herstellen lassen. Dagegen weisen sie den Nachteil auf, daß, da der Einfallswinkel
a der Beziehung unterliegt Sln" a = nh2 # n,2 I yt"2 # 92h2 ; nt2)
, 1I) wobei rtt, die Brechzahl der hochl)rechenden, ii, die Brechzahl der
tiefbrechenden Schichten des Polarisators
und ng die Brechzahl
der einbettenden Glaskörper bedeutet, wenn a = 45° gesetzt wird, die Brechzahl des
einbettenden Glases
sein muß, was bei der geringen Auswahl der Werte, die technisch für nh und nt zur
Verfügung stehen, zu Werten von ng > 1,65 führt. Diese Lösungen setzen somit die
Verwendung kostspieliger, schwerer Sondergläser voraus.
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Die Erfindung beseitigt nun diesen Nachteil dadurch, daß die Polarisationsschichten
derart angeordnet sind, daß das Licht auf sie unter einem Einfallswinkel größer
als 45° trifft, wodurch die Verwendung kostspieliger Gläser vermieden wird. Mit
solcher Anordnung können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auch die Vorteile
der bisher vorgeschlagenen Ausführungsform, die insbe-. sondere durch die Ausbildung
des gesamten polarisierenden Körpers als geschlossene Planplatte gegeben sind, auch
bei Vetrwendung von beliebigem Glas, gewöhnlichem Tafelglas oder durchsichtigem
Kunststoff erreicht werden. Während bei den bisher bekanntgewordenen Anordnungen
innerhalb jedes Lichteintrittsstreifens das Licht nur auf eine polarisierende Fläche
trifft, was durch die Wahl von a=45' bedingt war, wodurch ein möglichst geringer
Lichtverlust erzielt werden sollte, wird nach der Erfindung die Anordnung so gestaltet,
daß hinter jedem Lichteintrittsstreifen innerhalb des Polarisators mindestens zwei
Lichtteilungsehenen oder mindestens eine Lichtteilungsebene und die gedachte, innerhalb.
des Polarisationskörpers liegende Verlängerung einer dazu parallelen, zur Einspiegelung
der Strahlen in die ursprüngliche Richtung dienenden Spiegelungsebene liegen. Damit
darüber hinaus überhaupt keine Lichtverluste entstehen, gilt in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung für die Länge Z der Interferenzschichten, für die Breite b des einfallenden
Teillichtbündels und für den Einfallswinkel a die Beziehung l=k#b/cosa,
(2)
wobei k = i, 2, 3 ... zu setzen ist. Der Winkel a ist nach der
oben angegebenen Beziehung (i) mit den Brechzahlen der verwendeten Stoffe verknüpft.
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Die Verteilung der lichtteilenden Ebenen innerhalb des gesamten Polarisatars
kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden. Man wird in den meisten Fällen den
lichtteilenden oder spiegelnden Ebenen eine Periode zuordnen, die der Periode der
Lichteintrittsfläche, worunter ein freier Streifen und ein Sperrstreifen zu verstehen
ist, entspricht, wobei man im allgemeinen die Breite der freien Lichteintrittsstreifen
gleich der Breite der Sperrstreifen, d. h. der lichtundurchlässigen Streifen, nehmen
wird. Unter diesen Voraussetzungen ergeben sich für die Verteilung und Anordnung
der lichtteilenden Ebenen innerhalb einer Teilbündelperiode mehrere Lösungen, die
im folgenden an Hand der Figuren im einzelnen erläutert werden. Sämtliche Figuren
stellen jeweils einen Schnitt durch den Polarisator dar, der parallel zur Lichteintrittsrichtung
und senkrecht zu den polarisierenden Schichten verläuft; bei allen Beispielen ist
der Polarisator durch zwei Ebenen begrenzt, von denen jeweils die obere die Lichteinttrittsebene
und die untere die Lichtaustrittsebene bildet.
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Fig. i zeigt zunächst den grundsätzlichen Aufbau eines der Erfindung
entsprechenden PolarisatoTs. Die Lichteintrittsfläche ist, wie auch bei allen übrigen
Beispielen, periodisch unterteilt in freie Streifen i i und Sperrstreifen 12, beide
von gleicher Breite b. Innerhalb jeder damit gegebenen Periode besteht der Polarisator
aus Planplatten 13, 14 und 15, zwischen denen die lichtteilenden polarisierenden
Schichten 16, 17 und 18 mit optischem Kontakt eingeschlossen sind. Die Schichtensysteme
16, 17 und 18 können bei diesem ersten Beispiel als untereinander gleichartig angenommen
werden. Gegenüber den beiden Begrenzungsflächen des Polarisators liegen die Platten
13, 14 und 15 und damit auch die polarisierenden Schichten unter dem Winkel a, der,
wie bereits bemerkt, bei Verwendung von nicht hoch brechendem Glas größer als 45°
sein muß. Die durch die geneigte Lage der. Platten gegebene Länge der Lichtteilungsflächen,
die in der Zeichnung mit Z vermerkt ist, entspricht der oben angegebenen Beziehung
(2) zwischen b, a und L. Die auf der Lichtaustrittsfläche den Lichteintrittsstreifen
gegenüberliegenden Streifen tragen die zur Vereinheitlichung des Schwingungszustandes
dienenden doppelt brechenden Folienstreifen i9 (Gangunterschied 1./2 für linear
polarisiertes Licht), so daß das gesamte austretende Licht einheitliche Polarisation
aufweist. Zum Schutze der Folien i9 ist auf die Lichtaustrittsfläche eine Deckplatte
2o aufgekittet. Wie aus der Fig. i hervorgeht, treffen auf die durch die Breite
2U gegebene Periode der Lichteintrittsfläche drei lichtteilende Ebenen 16, 17 und
18; die gegenseitigen Abstände dieser Ebenen und damit die Dicken der einzelnen
Glasplatten sollen sich vorzugsweise verhalten wie
m bedeutet hierbei eine kleine positive ganze Zahl, die zweckmäßig nicht größer
gewählt wird als
Bei Einhaltung dieser Bedingungen hat man insbesondere für in = i außer der
verlustlosen Polarisation noch den Vorteil, daß man die Periode der Lichteintrittsstreifen
beliebig gegen diejenige der lichtteilenden Ebenen verschieben kann; die Begrenzungen
der ersteren können sogar windschief gegenüber letzteren verlaufen. Man hat dann
nur dafür zu sorgen, daß die zur Vereinheitlichung des Schwingungszustandes dienenden
doppelt brechenden Folienstreifen i9, in der Strahlenrichtung gesehen, überall durch
die gleichen Strahlen A, B
(Fig. i) begrenzt werden wie die Lichteintrittsstreifen.
Für den Fall, daß die Sperrstreifen auf der Lichteintrittsfläche gerade mit der
entgegen der Strahlenrichtung erfolgten Projektion einer Lichtteilungsebene
sich
decken, können die polarisierenden Schichten dieser Ebene auch durch eine gewöhnliche
Spiegelschicht ersetzt werden. Zur Verdeutlichung des Strahlengangs sind in der
Zeichnung die senkrecht zur Zeichenebene polarisierten Strahlen durch Punkte und
die parallel zur Zeichenebene polarisierten Strahlen durch kleine waagerechte Striche
gekennzeichnet.
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Während nun bei dem Beispiel nach Fig. I die doppelt brechenden Folien
i9 streifenweise in Deckung mit den freien Streifen der Lichteintrittsfläche justiert
und durch eine Deckplatte 2o gesichert werden, können nach einer weiteren Ausgestaltung
des Erfindungsgedankens diese Folien auch längs einer Lichtteilungsebene angebracht
werden, was für die Herstellung des gesamten Polarisatorkörpers eine wesentliche
Vereinfachung bedeuten kann. Voraussetzung für eine solche Lösung ist, daß eine
Lichtteilungsebene in jeder Periode sich; entgegen der Lichtrichtung gesehen, möglichst
genau auf einen Lichteintrittsstreifen projiziert und die Abstände der Lichtteilungsebenen
innerhalb der Periode im Verhältnis von ganzen Zahlen zueinander stehen. Fig. 2
zeigt den Aufbau eines solchen Polarisators. Die Lichteintrittsfläche ist wieder
periodisch unterteilt in freie Streifen 21 und Sperrstreifen 22. Die den Polarisator
bildenden, unter dem Winkel a geneigten Glasplatten sind mit 23, 24 und 25 bezeichnet;
zwischen den Platten sind die polarisierenden Schichten 26, 27 und 28 eingebettet,
wobei auf den Schichten 28 zugleich die zur Vereinheitlichung des Schwingungszustandes
dienenden doppelt brechenden Folien 29 angebracht sind. Die Projektion der Folien
29 entgegen der Lichtrichtung auf die Lichteintrittsebene deckt sich mit den freien
Streifen 21. Die beiden Abschnitte, in die die polarisierenden Schichten 27 die
Eintrittsbreite 2i unterteilen, und damit auch die Dickenmaße der Platten 23 und
24. stehen zueinander in dem Verhältnis tg2 a -i- I : tg2 a - I .
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Die Forderung eines ganzzahligen Dickenverhältnisses der Platten bedeutet
also, daß der Winkel a der Bedingung genügen muß
wobei M = 2, 3, q. ... ist. Der Winkel a kann also hierbei die Werte annehmen
6o°, 5.4° 44', 52' i. usw. Für die praktische Ausführung wird man die Werte
von in so wählen, daß die sich damit ergebenden Werte von a in möglichst guter Übereinstimmung
mit der Forderung nach Gleichung (i) stehen. Es sei noch erwähnt, daß jeder Lichteintrittsstreifen
anstatt nur von der einen Lichtteilungsebene 27 auch von zwei oder mehreren Lichtteilungsebenen
geschnitten werden kann, solange die erzeugten kleineren Abschnitte in einem ganzzahligen
Teilungsverhältnis zum größten Abschnitt stehen.
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Bei den bisher beschriebenen Polarisatoren sind die lichtteilenden
Ebenen so angeordnet, daß die ohne Reflexion durchtretenden Lichtbündel wenigstens
teilweise zwei oder mehrere polarisierende Schichtensysteme durchsetzen. Will man
dies vermeiden, so hat man dafür zu sorgen, daß in jeder Periode der Lichteintrittsfläche
nur eine polarisierende Lichtteilungsebene zur Wirkung kommt. Eine solche Anordnung
ist durch Fig.3 veranschaulicht. Die Lichteintrittsfläche ist wiederum gleichmäßig
unterteilt in freie Streifen 31 und Sperrstreifen 32. Zu jeder Periode der Lichteintrittsfläche
gehören zwei Lichtteilungsebenen 33 und 3q., in denen die polarisierenden oder spiegelnden
Schichten 35 bzw. 36 angebracht sind. Die Schichten 36 können bei diesem Beispiel
auch durch eine einfache Spiegelschicht ersetzt werden. Beide Schichtensysteme 35
und 36 erstrecken sich jeweils nur auf den Anteil der Lichtteilungs- oder Spiegelungsebenen
33 bzw. 3.4, dessen Projektion entgegen der Lichtrichtung gerade mit dem Lichteintrittsstreifen
31 bzw. dem Sperrstreifen 32 zusammenfällt. Der Erfindungsgedanke bleibt trotzdem
eingehalten, weil die Verlängerung der Schichtebene 36 über den belegten Teil hinaus
(die Verlängerung ist in der Zeichnung mit 36d bezeichnet) gleichzeitig mit der
Schichtebene 35 von dem durch den Streifen 31 eintretenden.Teillichtbündel durchsetzt
wird. Auf der Lichtaustrittsseite bleibt in entsprechender Weise von der Schichtebene
35 der untere, mit 35a bezeichnete Teil frei von polarisierenden Schichten, läßt
also die an 36 reflektierten Strahlen unmittelbar austreten. Die Abstände der Schichten
35 und 36 und damit die Dicke der Plätten verhalten sich hierbei wie (tga.tg2a-I)
: (tga#tg2a=I). (6) Bezeichnet man die innerhalb der Platten liegende Länge der
Lichtteilungsebenen wieder mit L und den oberen bzw. den unteren von polarisierenden
oder spiegelnden Schichten jeweils frei bleibenden Teil dieser Länge mit a, so,
ist das Verhältnis a: l
Die zur Vereinheitlichung der Schwingungsrichtung dienenden doppelt brechenden Folien
(in Fig. mit 39 bezeichnet) können hier ebenso wie bei dem Beispiel nach Fig.2 auf
der Lichtaustrittsfläche entweder für die durchgehenden oder, wie in Fig. 3 dargestellt,
für die reflektierten Strahlen angebracht werden. Falls die Schicht 36 eine gewöhnliche
Spiegelfläche bildet, erfolgt die Einbettung der geeignet abgestimmten Folien 39
unmittelbar vor der Spiegelfläche 36.
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Zur praktischen Herstellung von Polarisatoren der bisher beschriebenen
Art verwendet man zweckmäßig Planplatten aus Spiegel- oder Maschinenglas, deren
Dicke unter Berücksichtigung der Schicht- und Kittdicken und der Periode der Lichteintrittsfläche
so, bemessen ist, daß die, gewünschten Maßverhältnisse entstehen. Die Einzelplatten
können nach Beschichtung mit den polarisierenden oder spiegelnden Schichten, die
nach bekannten Methoden erfolgen kann, miteinander verkittet und
dann
unter dem Winkel a zu den Lichtteilungs. ebenen in planparallele, Stücke der erforderlichen
Dicke zerschnitten und poliert werden. Um dabei ein Aufreißen der Kittfläche zwischen
den einzelnen Platten zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung eines nicht zu
spröden Kittes, z. B. polymerisierender plastischer Kitte. Statt die polarisierenden
Schichten unmittelbar auf die Glaskörper aufzubringen, kann man sie selbstverständlich
auch auf durchsichtige Folien z. B. aus Celluloseacetat, Polystyrol, Polyvinylalkohol
od. dgl. niederschlagen und diese dann zwischen die Glasplatten ein.kitten.
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Die bisher angegebenen Ausführungsformen von PolarisatoTen verlangen
einen gewissen Aufwand an mechanischer Bearbeitung, insbesondere beim Durchsägen
und Polieren der verkitteten Plattensätze. Nach einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung läßt sich dieser Aufwand vermeiden, wenn man die die polarisierenden und
die spiegelnden Schichten tragenden Glas- oder Kunststoffkörper durch Pressen oder
Gießen in Formen herstellt, so daß sie im allgemeinen keinerlei zusätzliche Bearbeitung
mehr benötigen. Ausführungsformen, bei denen der gesamte Polarisator aus nur zwei
geeignet geformten Preß- oder Gußteilen zusammengefügt ist, lassen sich je nach
der Anordnung der polarisierenden und spiegelnden Schichten sehr zahlreich angeben.
Die Fig. 4 und 5 geben hierfür zwei Beispiele in ähnlicher Darstellung, wie die
vorher genannten. Bei beiden Beispielen ist die Ausführung so gewählt, daß sich
im Querschnitt des Polarisators innerhalb jeder Periode der Lichteintrittsfläche
eine symmetrische Form des Polarisators ergibt, und zwar symmetrisch zu der Mittelsenkrechten
S-S des Lichteintrittsstreifens. Die gleichartigen Teile sind bei diesen beiden
Beispielen mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Beide Polaris&toren bestehen
aus je einer oberen Platte 4o mit der ebenen, periodisch in Lichteintrittsstreifen
48 und Sperrstreifen 49 unterteilten Lichteintrittsfläche und einer unteren Platte
41, die auf der unten befindlichen Lichtaustrittsseite die doppelt brechenden Folien
5o zur Vereinheitlichung der Schwingungsrichtung trägt. Die einander zugekehrten
Seiten der beiden Platten sind so profiliert, daß sie genau ineinanderpassen und
dabei auf den unter dem Winkel a zur Lichteintritts.richtung liegenden Flächen 42,
43, 44 und 45 die erforderlichen polarisierenden Schichten tragen. Die Schichten
der Flächen 42 und 45 können dabei auch durch Spiegelschichten ersetzt sein. Die
zwischen den beiden Platten 4o und 41 verbleibenden Hohlräume 46 und 47 können beispielsweise
durch Kittmassen oder Flüssigkeiten mit der gleichen Brechzahl wie diejenige der
Körper 4o und 41 ausgefüllt sein. Günstiger ist es zur Vermeidung von Spannungen
bei Temperaturwechsel, diese Räume durch prismatisch in der Form angepaßte Glasstreifen
auszufüllen, die ebenfalls als Preßstücke hergestellt sein können. Platten und Füllkörper
können dann zu einem zusammenhängenden stabilen Körper verkittet werden. Für die
gegenseitigen Abstände der Flächen 42, 43, 44 und 45 gelten wiederum die oben durch
die Beziehungen (3) und (4) festgelegten Bedingungen, die in der Zeichenebene sich
ergebenden Längen dieser Flächen sollen jeweils gerade so groß sein, daß die eine
Schwingungskomponente jedes ankommenden Strahles insgesamt eine geradzahlige Anzahl
von Reflexionen an diesen Flächen erfährt. Die doppelt brechenden Folien 5o sind
wiederum streifenförmig auf dij Lichtaustrittsfläche aufgekittet, und zwar bei Fig.
so, daß sich die Folien, entgegen der Lichtrichtung gesehen, mit den Lichtsperrstreifen
49 decken, wälirend sie bei Fig. 5 den Lichteintrittsstreifen 48 gegenüberliegen.
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Eine weitere Ausführungsform eines aus Preßkörpern gebildeten Polarisators,
die besondere Vorteile hinsichtlich der Fertigung aufweist, ist durch Fig. 6 dargestellt.
Sie besteht aus einer gepreßten Platte 5 z, deren Querschnitt von sägezahnartig
aneinandergereihten gleichschenkligen Dreiecken gebildet wird. Die Basis der gleichschenkligen
Dreiecke ist gleich der Periode der Lichteintrittsfläche; die mit 56 bezeichneten
Schenkel der Dreiecke sind unter dem Winkel a zur Lichteintrittsöffnung geneigt.
Die gesamten Schrägflächen 56 der im Querschnitt dreieckigen Prismen von 5 z sind
mit polarisierenden Schichten bedeckt. Auf die Platte 5 1 ist eine zweite
gepreßte Platte 52 ebenfalls mit sägezahnartigem Querschnitt aufgekittet, die genau
in die prismatischen Zähne von 5 z eingreift und für jede Periode der Lichteintrittsfläche
eine V-förmige Vertiefung 53 aufweist. Die Schrägflächen der V-förmigen Vertiefungen
sind parallel zu den Flächen 56 und tragen die zur Drehung der Schwingungsrichtung
dienenden doppelt brechenden Folien 59 sowie eine Spiegelschicht 59a. Die obere
Begrenzung der Platte 52 bildet die Lichteintrittsfläche, die wiederum unterteilt
ist in Sperrstreifen 57 und Lichteintrittsstreifen 58. Der Abstand der Spiegelflächen
59a von den zugehörigen Polarisationsschichten 56 beträgt
worin b die Breite der Lichteintrittsstreifen 58 bezeichnet, die gleich der halben
Basis der Dreiecke von 51 ist. Dar obere Teil der V-förmigen Vertiefungen der Platte
52, der die Breite der Lichteintrittsstreifen begrenzt, verläuft parallel zur Lichteintrittsrichtung.
Die auf diese Weise gebildeten Hohlräume 53 können bei diesem Beispiel entweder
frei bleiben oder auch etwa zum Schutze der Schichten 59 und 59a mit einer beliebigen
Masse ausgefüllt sein. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht unter
anderem darin, daß eine durch Unvollkommenheit der Folien etwa verursachte Depolarisation
des Lichtes beim nochmaligen Durchgang durch dieSchichten56beseitigtwird. Läßt man
bei dieser Ausführungsform die Hohlräume 53 frei, so können die Spiegelschichten
59a auch wegfallen, da dann an der Außenseite der Folien 59 Totalreflexion eintritt.
Die Dicke der Folien muß in diesem Falle natürlich entsprechend der zusätzlich durch
die Totalreflexion bewirkten
Phasendifferenz so abgestimmt werden,
daß insgesamt bei der Reflexion eine Verzögerung von ;./2 zustande kommt.
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Für die Herstellung solcher Polarisatoren ist ei; erwünscht, daß an
die Flächenqualität der oberen Platte 52 nicht zu hohe Ansprüche gestellt werden.
Dieses ist dann der Fall, wenn die Hohlräume 53 mit eingekitteten Prismenstreifen
ausgefüllt werden, deren Schrägflächen genau gearbeitet und verspiegelt sind. Die
Prismen 53 sichern dann den richtigen Abstand zwischen den polarisierenden Schichten
56 und den spiegelnden Schichten 59a. Ferner ist es bei dieser Ausführungsform besonders
vorteilhaft, wenn man die polarisierenden Schichten 56 nicht auf die gepreßten Platten
selbst, sondern auf einen zusammenhängenden Film aufbringt, der dann zwischen die
beiden Preßplatten 51 und 5 2 eingedrückt wird. Falls die Kanten der Preßkörper
etwas abgerundet sind, empfiehlt es sich, dem Polarisationsfilm nach dem Aufbringen
der Schichten in einer scharfkantigen Lehre die genaue Form zu erteilen. Auf diese
Weise werden Polarisationsverluste an den Umbiegestellen weitgehend vermieden.
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Die beschriebenen Polarisatoren lassen sich mit besonderem Vorteil
für Scheinwerfer, z. B. zum Zweck des blendungsfreien Fahrzeugverkehrs, verwenden.
Ebenso können sie aber auch beispielsweise bei Stereoprojektionsgeräten benutzt
«-erden, die auf der Verwendung von polarisiertem Licht beruhen.