DE935663C - Lichtquelle fuer polarisiertes Licht - Google Patents

Lichtquelle fuer polarisiertes Licht

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DE935663C
DE935663C DEJ559A DEJ0000559A DE935663C DE 935663 C DE935663 C DE 935663C DE J559 A DEJ559 A DE J559A DE J0000559 A DEJ0000559 A DE J0000559A DE 935663 C DE935663 C DE 935663C
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polarizing
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Walter Dr Habil Geffcken
Hubert Dr Schroeder
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Schott AG
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Jenaer Glaswerk Schott and Gen
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    • F21SNON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
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Description

  • Lichtquelle für polarisiertes Licht Bei einer Reihe technischer Anwendungen von polarisiertem Licht wirkt die Tatsache, daß mit den bisher üblichen Polarisatoren nur ein Bruchteil (theoretisch maximal 5o%) der ursprünglichen Lichtintensität zur Ausnutzung gelangen kann, äußerst hemmend. Will man z. B. einen Scheinwerfer mit linearpolarisiertem Licht, etwa für den blendungsfreien Fahrzeugverkehr, benutzen, so beträgt die ausgestrahlte Intensität bei Verwendung von Polarisationsfolien nur rund ein Drittel der ursprünglichen, so daß nach dem Durchgang durch die in Parallelstellung befindliche Analysatorbrille nur etwa 2o bis 25 % der polarisierten Strahlung das Auge erreichen; die übrige Energie wird in den Folien absorbiert und geht als Wärme: verloren.
  • Eine Möglichkeit, solche Verluste zu vermeiden., bestand zwar prinzipiell bereits bei dem alten Glasplattensatt, jedoch benötigte man dazu eine sehr große Zahl von Glasplatten, wodurch die reflektierte Komponente in die doppelte Anzahl Teilbündel von abnehmender Intensität aufgespalten wurde. Vorschläge, alle: diese Teilstrahlen auszunutzen und in ihrer Strahlen- und Schwingungsrichtung gleichzurichten, sind zwar gemacht worden, aber wegen der schlechten Wirksamkeit und Unhandlichkeit des Glasplattensatzes nie praktisch verwertet worden.
  • Es sind schon sogenannte Interferenzpolarisatoren vorgeschlagen worden, welche aus einer Mehrzahl zwischen prismatischen durchsichtigen Körpern eingebetteter, abwechselnd hoch- und tiefbrechender Schichten bestehen und praktisch das gesamte einfallende Licht in zwei verschiedenartig polarisierte und in verschiedener Richtung verlaufende Teilbündel umwandeln. Ein solcher Interferenzpolarisator stellt sozusagen einen Mikroglasplattensatz dar, der von den Schwächen des alten Glasplattensatzes frei ist und diesen in der. Leistungsfähigkeit weit übertrifft, Es wurde auch bereits der Vorschlag gemacht, die beiden Komponenten gleichzeitig nutzbar zu machen, wobei z. B. durch eine eingeschaltete doppelbrechende Platte eine Drehung der Schwingungsrichtung für die zweite (reflektierte) Komponente erzielbar ist, die durch einen zweiten Polarisator dann in die gleiche Fortpflanzungsrichtung umgelenkt wird, in der die erste Komponente den ersten Polarisator durchsetzt.
  • Die damit bereits gegebene Lösung der Aufgabe, eine Strahlung praktisch verlustfrei in: einer Richtung zu polarisieren, ist jedoch nur für Lichtbündel mäßigen Querschnitts verwendbar, da man sonst, wie man leicht einsieht, zu sehr großen und deshalb schweren und kostspieligen Prismenkörpern gelangt.
  • Die Erfindung befaßt sich mit technisch befrie digenden Abänderungen der früher beschriebenen einfachen Ausführungsform, insbesondere für großflächige Leuchten, z. B. Scheinwerfer. Diese Änderungen beruhen einerseits darauf, daß der frühere Interferenzpolarisator in ein System nebeneinandergereihter Teilpolarisatoren aufgespalten ist und anderseits . besonders zweckmäßige Arten der Strahlengangführung zur Ausnutzung beider Komponenten angegeben werden. Die letzteren sind von entscheidender Bedeutung für die jeweilige Anordnung des Polarisatorensystems.
  • Für die Umlenkung des reflektierten Teilbündels in die primäre Strahlenrichtüng -wurden prinzipiell die folgenden Möglichkeiten gefunden. Erstens kann man das reflektierte Teilbündel, wie in den bisher bekannten Anordnungen, in die Richtung der ersten Komponente unter Verdopplung des gesamten Lichtbündelquerschnittes einspiegeln. Diese oft unerwünschte Vergrößerung des Lampenquerschnitts läßt sich erfindungsgemäß vermeiden, wenn man zweitens das polarisierte Teilbündel in den Lampenraum zurückspiegelt und damit die effektiv strahlendeLichtquellevergrößert. Die letztgenannte Methode ist grundsätzlich neu und daher auch in Verbindung mit einem Einzelpolarisator Gegenstand der Erfindung. Ihre- Wirkungsweise läßt sich folgendermaßen verstehen. Bekanntlich ist das Beleuchtungsfeld eines Scheinwerfers ein nach Maßgabe der Spiegelbrennweite vergrößertes Bild der Lichtquelle. In dem vorliegenden Fall besteht diese nicht nur aus der tatsächlichen Lichtquelle, sondern auch aus deren durch die Rückspiegelung in den Lampenraum erzeugtem Bild. Dabei kann man durch entsprechende optische Hilfsmittel die beiden Lichtquellenbilder im Beleuchtungsfeld entweder gleich oder verschieden groß machen. Zweckmäßig wird man die Lichtquelle so, justieren, daß ihr Bild unmittelbar an- sie anschließt, da es bei einem Scheinwerfer wünschenswert ist, die Helligkeit auf ein möglichst kleines Beleuchtungsfeld zu konzentrieren. In dem Sonderfall, wo das Bild der Lichtquelle mit dieser selbst zusammenfällt, ergibt sich bei gleicher Energiezufuhr eine erhöhte Temperatur des Strahlers.
  • Die Abb. i und 2 zeigen Lösungen für den eben beschriebenen Fall der Rückspiegelung der reflektierten Komponente, und zwar Abb. i für eine Anordnung mit Kondensorlinse 2, Abb. 2 für einen Scheinwerfer mit Parabolspiegel 3.
  • In beiden Fällen gelangt von der Lichtquelle i annähernd paralleles Licht auf den Interferenzpolarisator, der aus den beiden Prismen q. und q' besteht, zwischen denen die polarisierenden, abwechselnd hoch- und tiefbrechenden Schichten g so eingebettet sind, daß für den Einfallswinkel a der auf sie auftreffenden Strahlen die Beziehung gilt (nh= Brechzahl der hochbrechenden; nt= Brechzahl der tiefbrechenden Schichten des Polarisators, ng= Brechzahl der Glaskörper).
  • Die Hälfte des Lichts, nämlich die in der Zeichenebene schwingende Komponente durchsetzt den Polarisator geradlinig, die andere, senkrecht schwingende Komponente wird reflektiert und trifft den Spiegel 8, der die Strahlen auf annähernd demselben Wege in den Lampenraum zurückwirft, wo sie in Abb. i auf dem Reflektor 9 sich vereinigen, in Abb. 2 ein reelles Bild der Lichtquelle bei i' entwerfen. Die gestrichelten Linien. beziehen sich auf die von den genannten Bildern der Lichtquelle ausgehenden Strahlen, wobei die Divergenz zur Verdeutlichung stark übertrieben gezeichnet ist. Zwischen Polarisator und Lichtquelle befindet sich eine Phasenverzögerungsplatte io; welche von der reflektierten Komponente also jeweils zweimal durchsetzt wird, so daß deren Schwingungsebene nach dem zweiten Durchgang, wenn. es sich um eine geeignet orientierte A/4-Platte handelt, um 9o` gegenüber ihrer ursprünglichen Schwingungsebene ge- dreht ist.
  • Findet die Reflexion der reflektierten Komponente - wie z. B. bei Benutzung eines Parabolspiegels - unter größeren Einfallswinkeln und wiederholt statt, so kann es zweckmäßig sein, zur Behebung der dadurch zusätzlich bewirkten elliptischen Polarisation an Stelle der @/4-Phasenplatte eine Lamelle von anderer Phasendifferenz zu verwenden, welche am besten für das jeweilige System experimentell festgelegt wird.
  • Mit der geschilderten Anordnung erzielt man infolge der wiederholten Filterung der einen Komponente einen hohen Polarisationsgrad; sie bringt jedoch andererseits noch den Nachteil mit sich, daß die mehrfachen metallischen Reflexionen, sowie die durch sie bewirkten zusätzlichen Phasenverzögerungen, welche nicht über das ganze Gesichtsfeld unter Umständen völlig zu beseitigen sind, Verluste ergeben können.
  • Diese lassen sich beim Parabolspiegel wenigstens zum Teil dadurch beheben, daß man den Spiegel 8 als zylindrischen Hohlspiegel ausbildet (ii in Abb. 3), wodurch die reflektierte Strahlung auf einen gleichfalls zylindrischen Spiegel 12 geeigneter Brennweite mit vorgeschaltetem @/4-Plättchen 13 konzentriert wird, der sie wieder annähernd parallel und um gd°' in der Ebene gedreht auf den Polarisator wirft. Nach dem oben Gesagten wird dabei allerdings der Abbildungsmaßstab für das durch die zweite Komponente entworfene Lichtquellenbild verändert. Um hierbei einen Verlust infolge Abschattung der Lampe durch den Spiegel'i2 zu vermeiden, schaltet man zweckmäßig dazwischen einen kleinen. - bei Scheinwerferlampen meist schon von vornherein eingebauten - sphärischen Spiegel 14, der die Strahlung der Lampe in dem betreffenden Sektor zum Scheinwerferspiegel umlenkt.
  • Die geschilderten Methoden der Nutzbarmachung der zweiten Komponente gewinnen nun erheblich an praktischer Bedeutung, wenn man, wie oben erwähnt, den Interferenzpolarisator erfindungsgemäß in ein System von nebeneinanderliegenden Einzelpolarisatoren aufspaltet. Eine Ausführungsform für ein solches System ist in Abb. 4. dargestellt. Es besteht aus einer Reihe von zweckmäßig gleich großen Einzelpolarisatoren 2o, welche jeweils an den von den polarisierenden Schichten 21 geschnittenen Kanten aneinandergereiht sind, so daß die Schichten zusammen eine glatte Fläche 22 bilden. Die Herstellung dieses Systems geschieht zweckmäßig so, daß man zwei auf einer Seite treppenförmig geschliffene oder gepreßte Glasplatten auf den glatten Flächen verkittet, nachdem man eine derselben (oder beide) mit den polarisierenden Schichten, belegt hat. Im allgemeinen wird man entweder durch die Form des Scheinwerferspiegels 3 oder mit Hilfe von Kondensorlinsen anstreben, daß paralleles Licht die Polarisatorplatten durchsetzt, so daß die Fläche 22 eine Ebene ist; jedoch kann man solche Polarisatoren auch für divergentes Licht ausbilden, indem man der Fläche 22 eine derartige Krümmung gibt, daß die auftreffenden Strahlen sie unter überall gleichen Winkeln a schneiden, für welche die eingangs erwähnte Beziehung (i) gilt.
  • Dabei wird man auch die Treppenflächen 23 und 23' so legen, daß die durchgehenden Strahlen ihnen parallel sind, sowie die Flächen 24 und 2q.' derart, daß sie jeweils auf den ankommenden bzw. austretenden Strahlen senkrecht stehen. Ferner soll zweckmäßig ein in einer Fläche 23 verlaufender Strahl auch in einer Fläche 23' liegen, damit das gesamte Gesichtsfeld nicht zu oft unterbrochen wird, unbedingt nötig ist jedoch diese Bedingung nicht.
  • Die Treppenpolarisatoren nach Abb. 4 können zur Ausnutzung der reflektierten Komponente mit sämtlichen vorher beschriebenen Arten der Umlenkung und Drehung dieser Komponente kombiniert werden. In Abb. 4 ist der Fall gezeichnet, bei dem die reflektierte polarisierte Komponente mittels des Spiegels 8 in den Lampenraum zurückgespiegelt und durch die Phasenplatte io gedreht wird. Bei gekrümmter Fläche 22 wird man auch den Spiegel 8 so krümmen, daß die auftreffenden Strahlen möglichst wieder in sich selbst zurückgespiegelt werden. Bildet man dagegen den Treppenpolarisator aus zwei symmetrisch zueinanderliegenden Teilen aus, deren Schichten sich in der Einfallsebene unter annähernd go" schneiden (Abb. 5), so hat man den Vorteil, daß der Spiegel 8 entfällt, da nun die Rückspiegelung an den Polarisatoren selbst erfolgt, außerdem ergibt sich eine beträchtliche Raumersparnis.
  • Das Prinzip der Treppenpolarisatoren läßt sich auch umkehren, indem man die polarisierenden Schichten, wie Abb. 6 zeigt, treppen- oder riffelförmig ausbildet, wobei die einzelnen Riffelflächen abwechselnd unter annähernd ± 45`° gegen die einfallende Strahlenrichtung geneigt sind. Es bilden also zwei benachbarte Riffelflächen zusammen einen Winkel von etwa 9o°, so daß ein auf eine Riffelfläche auffallender Strahl nach Reflexion an dieser und der benachbarten Fläche in seine Ausgangsrichtung zurückgeworfen wird. Zweckmäßig wird die riffelförmige Polarisatorschicht so hergestellt, daß man auf eine geeignet geformte durchsichtige Unterlage die Schichten aufbringt und die vorhandenen Furchen entweder mit einem durchsichtigen Stoff ausgießt oder mit einem zweiten, in geeigneter Form geschliffenen oder gepreßten Körper verkittet. Falls erwünscht, kann auch. dieser zweite Körper noch polarisierende Schichten tragen. Es empfiehlt sich dabei, das gesamte System so auszubilden, daß es äußerlich einer planparallelen Platte gleichkommt (Abb.6). Um das durch einen derartigen Polarisator im Lampenraum erzeugte Bild der Lichtquelle nicht mit dieser selbst zusammenfallen zu lassen, muß man die Strahlen ein wenig gegen die Normalfläche der Riffelflächen geneigt einfallen lassen.
  • Die Ausnutzung der zweiten Komponente läßt sich bei derartigen Polarisatorensystemen noch nach einem weiteren erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren bewerkstelligen. Dieses beruht darauf, daß man den Eintritt der primären unpolarisierten Strahlung in das Polarisatorensystem auf voneinander getrennte streifenförmige Flächen beschränkt, wobei diese Flächen auch in ihren Projektionen auf eine Fläche senkrecht zur Richtung der ankommenden Strahlen durch Zwischenräume getrennt sind. Die Durchführung dieses Prinzips kann beim Treppenpolarisator z. B. so erfolgen, daß man der von den Strahlen zuerst getroffenen prismatischen Platte die in Abb, 7 gezeichnete Form gibt. Die den Lichteintritt sperrende Oberfläche 25 liegt parallel zu den Schichten 21 und ist nach außen und innen spiegelnd ausgebildet. Das durch die Fläche 24 eintretende Licht wird von den Schichten 21 teils durchgelassen, teils auf den Spiegel 25 geworfen, vor welchem vorteilhaft noch die drehende Phasenlamelle 3o eingelegt ist. Ihre Phasendifferenz ist so bemessen, daß sie zusammen mit der durch die Spiegelung bewirkten für die zweimalige Durchsetzung gerade 2./2 ausmacht. Die reflektierte und gedrehte Komponente kann dann die Schichten 21 durchsetzen und zusammen mit der durchgehenden Komponente bei 2q.' austreten. Das auf die Flächen 25 auffallende Licht kann entweder über einen parallel zu den Schichten 2i gestellten. Spiegel 26 auf die Fortsetzung desselben Treppenpolarisators oder auf ein ähnliches Polarisatorensystem fallen, oder man verwendet bereits an Stelle von 26 ein derartiges System.
  • Während die eben beschriebene Ausführungsform zwangläufig mit einer Querschnittverdopplung des Strahlenbündels verbunden ist, läßt sich eine solche bei einer weiteren erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung umgehen, welche ebenfalls auf dem Prinzip der beschränkten Eintrittsflächen beruht. Sie unterscheidet sich von. der vorhergehenden Ausführung des Treppenpolarisators dadurch, daß auf den Flächen 25, welche jetzt nur glasseitig verspiegelt zu sein. brauchen, Prismen aufgekittet sind, deren Kathetenflächen mit den Ebenen von 23 und 24 zusammenfallen. Die mit 24 zusammenfallenden Flächen sind verspiegelt, so daß das auf sie treffende Licht wieder in den Lampenraum zurückgelangt.
  • Selbstverständlich kann die Rückspiegelung in den Lampenraum auch durch eine in Streifen verspiegelte, senkrecht in den Strahlengang gestellte Glasplatte bewirkt werden.
  • Die Ablenkung der einfallenden Strahlen durch Spiegelung von den abzudeckenden Flächen, die unvermeidlich mit gewissen. Verlusten verbunden ist, läßt sich durch eine weitere, ebenfalls zur Erfindung gehörende Lösung des Problems völlig umgehen. Man schaltet zu diesem Zweck in den Strahlengang des parallelen Scheinwerferlichts ein teleskopisch-zylindrisches Abbildungssystem ein, welches eine periodische Einschnürung des Strahlenbündelquerschnitts auf die Eintrittsflächen der Polarisatorenelemente bewirkt. Dies läßt sich z. B. in der Weise realisieren, daß man (vgl. Abb. 8) ein System von aneinandergereihten positiven streifenförmigen Zylinderlinsen 3 i verwendet, derart, daß die Breite einer Zylinderlinse doppelt so, groß ist wie die Breite der Eintrittsflächen der Polarisatorenelenzente und daß die Mittelebene jedes Zylinderlinsenstreifens mit der Mittelebene einer Eintrittsfläche zusammenfällt. Im Abstand der halben Brennweite dieses Systems befindet sich ein weiteres negatives Linsensystem 32 von halber Brennweite; die dadurch wieder parallel gerichteten Strahlen treten anschließend in die Eintrittsflächen des Polarisatorensystems ein. Für die Öffnung des Linsenrasters empfiehlt sich etwa ein Verhältnis i : io. Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß man die gesamte Strahlung ohne Änderung des normalen Lichtbündelquerschnitts und nahezu verlustlos polarisieren kann..
  • Die beiden Zylinderlinsensysteme können auch zu einem einzigen Körper, etwa nach Art der Abb. 9; zusammengezogen werden, der dann besonders einfach durch Pressen von Glas oder Kunststoff herzustellen ist.
  • Die Treppenpolarisatoren besitzen zwar eine vorzügliche Wirksamkeit, haben aber den Nachteil, daß sie bei exakter Ausführung der Treppenflächen kostspielig sind, während eine weniger exakte Aus= führung. leicht zu Streuverlusten führt. Diese Nachteile fallen bei einer weiteren erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführungsform von Polarisatorensystemen fort, die zudem die Vorteile eines geringen Raumbedarfs, äußerlich glatter Flächen und einfacher Herstellung vereinigt.
  • Das Prinzip dieser Art von, Polarisatoren ist in A66. io dargestellt. Zwischen parallelepipedförmigen, Prismenkörpern 33 liegen. jeweils parallel und äquidistant zueinander die polarisierenden Schichten 36 und 36', und zwar sind die Abstände so gehalten, daß die Projektionen der Schichten auf eine zu den durchtretenden Strahlen senkrechte Ebene lückenlos aneinanderschließen. Sie können sich dabei auch gegenseitig überdecken (Abb.. i i), was den Vorteil bringen kann, daß der Polarisationsgrad noch beträchtlich erhöht wird. Das durch die Flächen 34 eintretende Licht (Abb. io) durchsetzt mit der einen Komponente die Schicht 36 und tritt bei 35 wieder aus, die andere, senkrecht dazu schwingende Komponente wird .durch 36 auf die benachbarte Schicht 36' reflektiert und von dieser wieder in die ursprüngliche Richtung umgelenkt. Hier wird sie noch durch ein 2/2-Phasenplättchen 38 um 9o° in der Schwingungsebene gedreht. Hinter der Schicht 36' ist die Fläche zweckmäßig geschwärzt, um etwaiges Störlicht abzufangen. Um die Lampenstrahlung voll auszunutzen, muß man also nur dafür sorgen, daß das auf die Flächen 39 fallende Licht ebenfalls ausgenutzt wird. Dies kann wieder nach den. bei den. Treppenpolarisatoren beschriebenen-Verfahren erreicht werden, indem man entweder die Flächen 39 verspiegelt oder eine schräg in den Strahlengang gestellte, streifenweise verspiegelte Platte vor das Polarisatorensystem einschaltet oder ein Zylinderlinsensystem .in der oben angegebenen Weise zur Einschnürung der Strahlenbündel auf die Durchschnittsflächen 34 verwendet.
  • Ist das zu polarisierende Strahlenbündel nicht parallel, so bekommt man mit dem beschriebenen äquidistanten Polarisatorensystem entweder zum Teil unpolarisiertes oder falsch polarisiertes Licht. Es ist in diesem Fall möglich, das verkittete Prismensystem - so auszubilden, daß in einem Schnitt, parallel zur Einfallsebene betrachtet (Abb. z2), die Begrenzungsflächen jedes Polarisatorenelements senkrecht zu den durchgehenden Strahlen stehen und die die polarisierenden Schichten enthaltenden Trennflächen jeweils in ihrer Mitte von den ankommenden Strahlen unter dem Winkel a getroffen werden, für den die Beziehung (i) gelten soll. Man kann aber auch, wenn man die Parallelität der Prismenflächen nicht aufgeben will, so verfahren, daß man die polarisierenden Schichten nicht mehr äquidistant, sondern in solchen Abständen anordnet, daß die durchgehenden Strahlenbündel jeweils gerade ein polarisierendes Schichtensystem voll ausleuchten (Abb. i3). Die Darstellung von Abb. 13 berücksichtigt dabei nicht die Brechung der Strahlen im Prismenkörper, welche bewirkt, daß auch bei stärkerer Divergenz bzw. Konvergenz die Abstandsverschiebungen der Schichtsysteme verhältnismäßig gering bleiben, so daß auch die Änderungen des Einfallwinkels a für die Schichten innerhalb der Gültigkeitsgrenzen von Gleichung (i) gehalten werden können.
  • Bei Verwendung von ungefiltertem Glühlicht und visueller Beobachtung wird man die Dicke der Phasenplättchen so bemessen, daß die gewünschte Phasenverzögerung für das Maximum der spektralen Augenempfindlichk eitskurve, also Ao = 555 m,u, eintritt. In den bisher beschriebenen Anordnungen, bei denen die Phasenplate nach dem Austritt aus dem polarisierenden System durchlaufen wird wie in Abb. io, ii und 12 und 13, wird man daher für die gedrehte Komponente in den von 10 weiter entfernten Spektralgebieten keine völlig lineare Polarisation erzielen können; mit einem gekreuzten Analysator beobachtet man somit in diesem Fall ein schwaches, violett- bis purpurngefärbtes Restlicht. Um bei besonders hohen Ansprüchen an die Reinheit der Polarisation auch dieses Restlicht auszuschalten, kann man die erfindungsgemäß vorgeschlagenen obigen Anordnungen noch dadurch verbessern, daß man ein weiteres polarisierendes System hinzuschaltet, wofür in Abb.14 ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Hierin bedeuten 36 und 36' die polarisierenden Schichten des ersten Polarisatorensystems, 38 die 71/2-Phasenplatten, 36a und 36ä die Schichten des zusätzlichen Polarisatorensystems. Die Flächen 41 und 42 sind zweckmäßig geschwärzt; 40 kann je nach dem Beleuchtungssystem verspiegelt oder geschwärzt sein. Die polarisierenden Schichten 36a sind an sich unnötig und können auch wegfallen.
  • Die für die Fertigung erschwerende Prismenfläche 42 läßt sich umgehen, wenn man die durchgehende Komponente dreht und die Korrektur der Polarisation durch ein Polarisatorensystem vornimmt, dessen Elemente doppelt so große Abstände voneinander haben können wie die des ersten Systems. Abb.15 zeigt ein Beispiel für diese Lösung. Die durch die Eintrittsfläche 34 ankommende Strahlung wird durch die Schicht 36 in die Parallel- und Senkrechtkomponente zerlegt, wovon die erstere durch das 2/2-Phasenplättchen 38 gedreht auf den Polarisator 46 fällt, dessen Rückseite 47 geschwärzt ist; von hier verläßt sie nach Reflexion am gegenüberliegenden Polarisator 46' die Anordnung. Die andere (senkrechte) Komponente wird lediglich an den Polarisatoren 36 und 36' reflektiert und verläuft dann parallel und gleichgerichtet mit der ersten Komponente. Eine der Flächen 46 und 46' kann hier natürlich auch durch eine gewöhnliche metallische Spiegelschicht 46" (Abb. 16) ersetzt werden. Wenn man dagegen den Polarisator 46 durch eine solche Spiegelschicht ersetzt, so kann man die Phasenplatte 38 auch parallel vor dieser liegend anordnen (Abb. 16), muß dann aber die Phasenverzögerung so wählen, daß sie zusammen mit der durch den Spiegel bewirkten beim Hin- und Hergang gerade @/2 ausmacht. Im letzteren Fall kann man auch die beiden Polarisatorensysteme zu einem gemeinsamen System verschmelzen, indem man nach Abb. 17 Polarisatorenelemente verwendet, deren polarisierende Schichten 36 und 36' kontinuierlich durchlaufen und sich in ihrer Projektion senkrecht auf die Strahlenrichtung jeweils zur Hälfte gegenseitig überdecken, während die (ebenfalls kontinuierlich durchlaufenden) Spiegelschichten, Schwärzungsschichten und Phasenplättchen in derselben Projektion genau aneinander schließen. Die hinter der Lichteintrittsfläche 34 liegenden Schichten 36 sind also einerseits benachbart den Schichten 36' mit der Schwärzungsschicht 47, anderseits den Phasenlamellen 38, welche rückwärts an die Spiegelschicht 46" grenzen. An der Rückseite der Spiegelschicht 46" liegt unmittelbar die Schwärzungsschicht 47 des nächsten Elements.
  • Die beiden letzten Lösungen, namentlich die in Abb. 17 dargestellte, sind von besonderem Vorteil für die Fertigung; es empfiehlt sich nämlich, die Polarisatorensysteme von Abb. io bis 17 in der Weise herzustellen, daß man so viele Planplatten, wie das fertige System Einzelelemente enthalten soll, nach Belegung mit den polarisierenden Schichten hart verkittet und dann in der verlangten schrägen Richtung in Platten der gewünschten Dicke durchschneidet und an den Schnittflächen poliert (Abb. 18). Zuletzt unterzieht man den ganzen Körper zur Behebung von Spannungen noch einer Wärmebehandlung mit langsamer Abkühlung nach bekannten Regeln. Legt man nun bei der Ausführung von Abb. 16 oder 17 die Phasenplatte 38 parallel vor die ersatzweise aufgebrachte Spiegelschicht 46a, so kann man bei der Fertigung die ganzen Platten mit der Phasenfolie überziehen, verspiegeln, schwärzen und dann verkitten. Damit fällt die schwierige Justierarbeit fort, die für die Anordnung der Phasenplatten in der Ebene 44-45 nötig ist.
  • Zum Aufbau der polarisierenden Interferenzschichten eignen sich, wie bekannt, z. B. Kieselsäure, Erdalkalifluoride oder Kryolith als tiefbrechende Sulfide des Zinks oder Kadmiums, Schwermetallchloride, wie Bleichlorid oder Thälliumchlorid, sowie Metalloxyde, wie die des Titans, Antimons oder Zinns, als hochbrechendes Schichtenmaterial, wobei das Aufbringen in bekannter Weise entweder im Vakuum durch Verdampfen bzw. Zerstäuben oder durch Niederschlagen aus kolloidalflüssiger oder gasförmiger Phase erfolgen kann. Die linear polarisierten Teilbündel, die man bei Verwendung ausschließlich isotroper Schichtsubstanzen erhält, können durch Hinzuschaltung geeignet orientierter .1/4-Plättchen natürlich auch in zirkular oder elliptisch polarisierte Strahlung umgewandelt werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für Nebelscheinwerfer, bei denen bekanntlich durch Verwendung von zirkularpolarisiertem Licht die Rückstreuung stark reduziert werden kann.
  • Die obenerwähnte Abhängigkeit der Phasenverzögerung von der Wellenlänge, welche an den Enden des Spektrums zu einer Abweichung von der Linearität der Polarisation führen kann, läßt sich umgekehrt aber auch unter Umständen durch die damit verbundenen Farbwirkungen ausnutzen. Wählt man für linearpolarisiertes Licht z. B. Phasenverzögerer höherer Ordnung (also 3 2/2, 5 - #/2 usw.), so wird der Spektralbereich hinreichender Linearität immer enger, dafür tauchen im Sichtbaren nun unter Umständen mehrere Linearitätsstellen auf, zwischen denen Bereiche elliptischer bzw. zirkularer Polarisation liegen. Nimmt man beispielsweise einen Phasenverzögerer von 7 2,/2 für i. = 550 mau, so hat man eine Phasenverzögerung von 5 @/2 bei 770 m,u und von 9 A/2 bei 430 m,u. An diesen drei Stellen würde also das Licht durch einen gekreuzten Analysator völlig gelöscht, bei' 2. = 64o bzw. 480 m,u (Phasenverzögerung = 3 bzw. 4 A) würde dagegen nur eine Aüslöschüng der einen Komponente stattfinden, da die andere nicht gedreht würde; an allen anderen Stellen des Spektrums hätte man dagegen elliptisch bzw. zirkular polarisiertes Licht.
  • Die dadurch bewirkten Farbeffekte können etwa für Signalzwecke Verwendung finden.
  • Als Phäsenverzögerer nimmt man am bequemsten glasklare organische Stoffe, die während der Verfestigung bei der Herstellung einer gerichteten Spannung ausgesetzt sind, z.B. Folien aus Zelluloseester oder Polyvinylalkohol.
  • Als Material für die Einbettprismen der Polarisatorenschichten eignet sich spannungsfreies Glas beliebiger Art, auch organisches Glas, wobei stets die Beziehung (i) zu berücksichtigen ist; vorteilhaft ist jedoch, wenn außerdem noch für die Abbesche Zahl des Prismenmaterials die Beziehung erfüllt ist, wo ,uh die Abbesche Zahl des hochbrechenden Schichtenmaterials bedeutet.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Lichtquelle für polarisiertes Licht, wie Scheinwerfer, unter Verwendung von Interferenzpolarisatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Pölarisator in mehrere nebeneinanderliegende Teilpolarisatoren aufgespalten ist, derart, daß bei jedem Teilpolarisator die reflektierte und die durchgehende Komponente zur Ausnutzung gelangen.
  2. 2. Lichtquelle mit mindestens einem Interferenzpolarisator, dadurch gekennzeichnet, daß das eine polarisierte Teilbündel eines jeden Polarisätors in den Lampenraum zurückgespiegelt ist, von wo es nach Durchgang durch einen Phasenverzögerer mit verändertem Polarisationszustand von neuem in den Polarisator gelangt.
  3. 3. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Rückspiegelung des Teilbündels entstehende Bild der Lichtquelle unmittelbar neben dieser selbst liegt.
  4. 4. Lichtquelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Teilbündel durch einen Hohlspiegel reflektiert ist, derart, daß ein Bild der Lichtquelle im Lampenraum auf einem weiteren (Hohl-) Spiegel erzeugt wird, der das Bündel wieder angenähert in der primären Richtung nach Drehung der Schwingungsrichtung, vorzugsweise durch ein 1/4-Plättchen, auf den Polarisator zurückwirft.
  5. 5. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilpolarisatoren an den von den polarisierenden Schichten geschnittenen Kanten so aneinandergereiht sind, daß die Schichten zusammen eine glatte Fläche bilden. ' 6. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende Schichtensystem zwischen zwei durchsichtigen Platten eingebettet ist, die an den Außenseiten senkrecht zur Einfallsebene stufenartig geschliffen oder gepreßt sind, wobei die Krümmung der die Schichten tragenden Fläche so bemessen ist, daß der Einfallswinkel für die auf das Schichtensystem fallende Strahlung überall der Beziehung gehorcht: (nh=Brechzahl des hochbrechenden, nt=Brechzahl des tiefbrechenden Schichtenmaterials, ng=Brechzahl der Glaskörper). 7. Lichtquelle mit Treppenpolarisator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Treppenpolarisator aus zwei symmetrisch zueinander liegenden Teilen besteht, deren Schichten sich in der Einfallsebene unter annähernd 9ö° schneiden. B. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die polarisierenden Schichten riffelförmig getreppt sind, wobei die einzelnen Riffelflächen abwechselnd unter annähernd ±45° gegen die einfallende Strahlenrichtung geneigt sind. 9. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die polarisierenden Schichten auf riffelförmig gepreßte oder geschliffene Flächen aufgebracht sind. io. Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt der unpolarisierten Strahlung in das Polarisatorensystem auf voneinander getrennte streifenförmige Flächen beschränkt ist. z i. Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5, 6, 7 und ro, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Lichteintrittsflächen liegenden lichtquellenseitigen Flächen des Polarisatorensystems verspiegelt sind. 12. Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5, 6, 7 und io, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen, welche auf die zwischen den Eintrittsflächen der einzelnen Polarisatorenelemente liegende Fläche treffen würden, durch in den Strahlengang gestellte streifenweise verspiegelte Platten in den Lampenraum zurückgeworfen bzw. umgelenkt und getrennt polarisiert sind. 13- Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5, 6, 7 und io, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Polarisatoren ein teleskopisch-zylindrisches Abbildungssystem eingeschaltet ist, welches eine periodische Einschnürung des Strahlenbündelquerschnitts auf die Eintrittsflächen der Polarisatorenelemente bewirkt. i4. Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5, 6, 7, io und 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die periodische Einschnürung des Strahlenbündelquerschnitts ein positives Zylinderlinsensystem vorgesehen ist, dessen Periode mit der des Polarisatorensystems übereinstimmt, und daß im Abstand der halben Brennweite ein weiteres, negatives Linsensystem halber Brennweite vorgesehen ist, das den Strahlen wieder die ursprüngliche Richtung erteilt. 15. Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5, 6, 7, 1o, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zylinderlinsensysteme in einen einzigen, vorzugsweise gepreßten Glaskörper bzw. Kunststoffkörper zusammengezogen sind. 16. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Strahlenrichtung ein fortlaufendes System von Polarisatoren, deren Glaskörper Parallelepipede sind, vorgesehen ist. 17. Lichtquelle nach den Ansprüchen i und io bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die polarisierenden Schichten in ihrer Richtung verlängert sind, so daß sich ihre Projektionen auf eine Ebene senkrecht zur Richtung der ankommenden Strahlen überdecken. 18. Lichtquelle nach den Ansprüchen i und io bis 17 für nicht parallele Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen jedes Polarisatorenelements senkrecht zu den durchgehenden Strahlen stehen und die polarisierenden Schichten jedes Elements überall unter einen Winkel a getroffen werden, für den ist. i9. Lichtquelle nach den Ansprüchen i und io bis 17 für nicht parallele Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die polarisierenden Schichten in solchen Abständen angeordnet sind, daß die durchgehenden Strahlenbündel jeweils gerade ein Schichtensystem voll ausleuchten. 2o. Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5 bis 7 und io bis i9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Strahlen nach ihrem Durchgang durch die drehende Phasenplatte zur Korrektur der Polarisation nochmals polarisierende Schichten eines weiteren Polarisatorensystems vorgesehen sind, die sie durchsetzen bzw. von denen sie reflektiert werden. 2i. Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5 bis 7 und io bis 2o, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierende Polarisatorensystem aus zwischen durchsichtigen Massen eingebetteten polarisierenden Schichtensystemen besteht, deren Abstand doppelt so groß ist wie jener der Schichten des ersten Systems und die jeweils in ihrer Mitte eine strahlenundurchlässige Schicht einschließen. 22. Lichtquelle nach den Ansprüchen i, 5 bis 7 und io bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem korrigierenden Polarisatorensystem eines der an der undurchlässigen Schicht anliegenden polarisierenden Schichtensysteme durch eine metallische Spiegelschicht ersetzt ist. 23. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß parallel vor der metallischen Spiegelschicht auch die drehende Phasenplatte angebracht ist, wobei deren Phasenverzögerung den optischen Eigenschaften des Spiegels so angepaßt ist, daß die durch Phasenplatte und Spiegel zusammen bewirkte Phasenverzögerung gerade .1/2 beträgt. 24. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierende Polarisatorensystem mit dem ursprünglichen zu einem einzigen System mit kontinuierlich durchlaufenden Glaskörpern und Schichten für Polarisation, Phasenverzögerung, Spiegelung und Strahlenabsorption zusammengezogen ist. 25. Lichtquelle nach den Ansprüchen i und io bis 24, deren jedes Polarisatorensystem aus einer Anzahl verkitteter, schräg zur Kittebene geschnittener und polierter Platten besteht, wobei zwischen je zwei Platten parallel zur Kittebene die polarisierenden bzw. spiegelnden bzw. phasenverzögernden bzw. lichtabsorbierenden Schichten eingebettet sind. 26. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatorensysteme nach ihrer Herstellung zur Beseitigung von Spannungen einer Wärmebehandlung unterzogen sind. 27. Verwendung einer Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 26 als Nebelscheinwerfer. 28. Lichtquelle nach den Ansprüchen i bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß man Phasenverzögerer von der Ordnung k #/2 verwendet, w o k = 3, 5, 7 . . ., um eine stärkere spektrale Abhängigkeit des Polarisationszustandes, z. B. für Signalzwecke, zu erreichen. Angezogene Druckschriften: Hubert Schröder und Rudolf Schläfer, »Verlustfreie optische Interferenz-Polarisatoren« in »Zeitschrift für Naturforschung«, Jg. 1949, Heft 8, S. 576 und 577.
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