DEP0037056DA - Vorrichtung zur Erzeugung polarisierten Lichtes mit vorbestimmtem Schwingungszustand - Google Patents

Description

Es ist seit langem bekannt, für die Zwecke der blendungsfreien Beleuchtung, insbesondere mittels Scheinwerfer, polarisiertes Licht zu verwenden und den im Bereiche der Blendwirkung des Scheinwerfers befindlichen Beobachter der Analysatorbrillen oder ähnlichen optischen Schutzvorrichtungen auszurüsten, welche das direkt von der Lichtquelle, z. B. einem Kraftfahrzeugscheinwerfer, kommende Licht so stark schwächen, dass keine Blendung der Augen eintritt, während das von den beleuchteten Obkjekten ausgehende Licht nicht oder nur unwesentlich geschwächt wird. Insbesondere hat man versucht, dieses System in der Fahrzeugbeleuchtung einzuführen, um bei sich begegneten Fahrzeugen die durch die Scheinwerfer bedingte Blendung zu beseitigen. Da es keine Lichtquellen gibt, welche direkt polarisiertes Licht erzeugen, ist man gezwungen, das von den Lichtquellen, in der Praxis meistens von Glühlampen, ausgestrahlte Licht durch sogenannte Polarisatoren zu filtern, was mit einem Lichtverlust 50% und mehr verbunden ist. Zu diesem schon an und für sich erheblichen Lichtverlust addieren sich noch verschiedene zusätzliche, in diesem Zusammenhang nicht näher zu erwähnende Verluste, so dass zur Erzielung einer ausreichenden Beleuchtung (z. B. der Fahrbahn eines Kraftwagens) mittels polarisiertem Licht die Leistung der Lichtquelle auf den doppelten bis dreifachen Wert der bisher üblichen erhöht werden muss. Eine solche Erhöhung der Lichtleistung lässt sich schon bei ortsfesten Lichtquellen nur durchführen, wenn man die Wirtschaftlichkeit vernachlässigt, wesentlich schwieriger ist es dagegen bei Kraftfahrzeugbeleuchtungen. Hierbei ist eine Erhöhung der Lampenleistung durch die maximale Leistung der Lichtmaschine begrenzt.

Eine Erhöhung der Lampenleistung auf das Doppelte oder Dreifache bedingt die Auswechselung der Lichtmaschine gegen solche, entsprechender Leistungsabgabe. Da die Lichtmaschine bei Kraftfahrzeugen einen integrierenden Bestandteil des Fahrzeugmotors bildet, lässt sich in der Praxis eine Auswechselung gegen größere Lichtmaschinen nur unter erheblichen technischen Schwierigkeiten und grossem Kostenaufwand führen. Dieser Umstand ist der hauptsächlichste Hinderungsgrund für die an sich wünschenswerte Einführung des polarisierten Lichtes in der Kraftfahrzeugbeleuchtung.

Die nachfolgend näher beschriebene Erfindung bezweckt die Beseitigung dieses grundsätzlichen Nachteiles aller bisher bekannten Verfahren durch die Kombination verschiedenartigster optischer Mittel und führt zu einer Scheinwerferkonstruktion, bei welcher das von der Lichtquelle ausgehende natürliche Licht praktisch ohne Verluste in polarisiertes Licht mit vorbestimmten Schwingungszustand und vorbestimmbarer Ausbreitungsrichtung umgewandelt wird.

Die dazu erforderliche erfindungsgemässe Kombination enthält nachfolgende Konstruktionselemente:

1. Eine Lichtquelle, z. B. eine Glühlampe mit möglichst punktförmigem Leuchtkörper,

2. einen Reflektor, z. B. einen Parabolspiegel, zur Erzeugung eines gerichteten Lichtbündels,

3. einen ls Vorpolarisator dienenden Reflexionspolarisator nach Brewster, welche den unter dem Polarisationswinkel hindurchfallenden Lichtstrahl in zwei gleich starke, senkrecht zueinander linearpolarisierte Lichterbündel zerlegt,

4. einen oder mehrere normale Reflektoren, z. B. einen Plansilberspiegel, zur Korrektur des Strahlenganges,

5. eine oder mehrere doppelbrechende, lichtdurchlässige Schichten, z. B. eine Glimmerplatte, welche im durchfallenden polarisierten Licht einen Gangunterschied (Lambda)/2 erzeugen,

6. einen oder zwei dichroitische Grossflächenpolarisatoren mit hohem Wirkungsgrad, unter solchen sollen im Sinne dieser Erfindung Polarisatoren verstanden werden, welche bei einer Durchlässigkeit von 80 % und mehr für polarisiertes Licht mit paralleler Schwingungsrichtung einen Polarisierungsgrad von 99,9 % und mehr aufweisen.

Die Wirkungsweise einer derartigen Kombination wird nachstehend an Hand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen dargestellt. Der Erfindungsgedanke ist jedoch in keiner Weise auf die Ausführungsbeispiele beschränkt und kann sinngemäss in verschiedenster Weise abgewandelt werden.

Es ist an sich bekannt, zur Erzeugung von polarisiertem Licht, insbesondere für die Zwecke der Fahrzeugbeleuchtung, Reflxionspolarisatoren, z. B. GLasplattensätze, zu verwenden. Es ist ferner bekannt, bei dieser Art von Polarisatoren sowohl den durchfallenden als auch den reflektierten Lichtstrahl für den Beleuchtungseffekt auszunutzen. Dieser bekannten Vorrichtung haftet jedoch der Nachteil an, dass der für Blenschutzzwecke erforderliche Polarisationsgrad von mindestens 99 % entweder nicht erreicht wird, oder nur unter Verwendung einer grossen Anzahl von Glasplatten- und ausserdem unter Benutzung von Reflexionswinkeln, die soweitgehend von 45° abweichen, dass der Bau von Kraftfahrzeugscheinwerfern aus mechanischen Gründen nicht durchführbar ist. Aus diesem Grund sind in der Praxis niemals Scheinwerfer auf der Basis von Reflexionspolarisatoren zur Anwendung gekommen. Vielmehr wurde dieser Polarisationstyp von den dichroitischen Polarisatoren nach "Land" und "Käsemann" vollständig verdrängt. In den dichroitischen Polarisatoren werden aber mindestens 50 % des durch sie hindurchtretenden natürlichen Lichtes absorbiert. Die erfindungsgemässe Vorrichtung führt dagegen zu einem System, welches die Vorteile des Reflexionspolarisators, nämlich die nahezu 100%ige Lichtausnutzung mit den Vorteilen der dichriotischen Polarisatoren, d. h. dem erzielbaren hohen Polarisationsgrad vereinigt zur Wirkung bringt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung wird in der beigefügten Zeichnung an Hand von einigen einfachen Ausführungsbeispielen dargestellt. In diesen Ausführungsbeispielen wird unter Schwingungsrichtung in jedem Falle die Richtung des elektrischen Vektors verstanden, da diese mit der optischen Achse der doppelbrechenden Platten wie auch der dichroitischen Polarisation zusammenfällt und infolgedessen eine grössere Anschaulichkeit bietet.

In Fig. 1 wird das von der Glühlampe 1 ausgehende Licht durch den Hohlspiegel 2 gesammelt und in Form eines parallelen Lichtbündels angeordneten, aus mehreren lichtdurchlässigen Schichten bestehenden, Reflexionspolarisator 3 geworfen.

Dieser Reflexionspolarisator ist so bemessen, dass er 50 % des auftreffenden Lichtes in der durch den Pfeil 4 gekennzeichneten Richtung passieren lässt und die anderen 50 % um 90° abgelenkt auf den Planspiegel 5 wirft, welcher diesen Lichtanteil in Richtung des Pfeiles 6 umlenkt. Beide Lichtbündel sind senkrecht zueinander polarisiert. Die Schwingungsrichtung des Bündels 4 wird durch das Ende des Pfeiles 8 bezeichnet und liegt senkrecht zur Zeichnungsebene. Für die Zwecke der blendungsfreien Beleuchtung ist diese Vorrichtung nicht ohne weiteres verwendbar, da die Analysatorbrille eines im Strahlengang befindlichen Beobachters entweder nur das Lichtbündel 4 oder das Lichtbündel 6 auslöschen kann.

Fig. 2 zeigt die Scheinwerferanordnung nach Fig. 1 in der Vorderansicht, wie sie von einem evt. entgegenkommenden Fahrzeug aus gesehen wird. Die Pfeile 7 und 8 bezeichnen bei dieser Ansicht die Schwingungseinrichtungen der Lichtbündel. Die Kreise 4 und 6 stellen die Querschnitte der Lichtbündel 4 und 6 in Fig. 1 dar.

Fig 3 stellt die erfindungsgemässe Weiterentwicklung der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 dar. Sie unterscheidet sich von den vorhergehenden Anordnungen dadurch, dass in den Strahlengang des Lichtbündels 4 ein dichroitischer Polarisator mit günstigem Wirkungsgrad 9 gelegt wird, durch das durch den Reflexionspolarisator nur unvollkommen polarisierte Licht auf den für Blendschutzzwecke erforderlichen hohen Polarisationsgrad von mehr als 99 % zu bringen. In den Strahlengang des Bündels 6 ist zunächst eine sogenannte Kompensatorplatte 10, d. h. eine doppelbrechende Schicht mit einem Gangunterschied von (Lambda)/2 eingefügt, deren optische Achse zu der Schwingungsrichtung des vom Reflektor 5 kommenden Lichtes um 45° gedreht ist, wodurch die Schwingungsrichtung des Lichtbündels 6 um insgesamt 90° zur Schwingungsrichtung des einfallenden Lichtes gedreht wird. Da das vom Reflektor 5 kommende Lichtbündel an sich ebenfalls unvollkommen polarisiert ist, wird ausser der Kompensationsplatte 10 in den Strahlengang des Bün- dels 6 ein dichroitischer Polarisator 11 so eingeschaltet, dass seine Schwingungsrichtung parallel zur Schwingungsrichtung des durch die Kompensatorplatte 10 gedrehten Lichtbündels 6 orientiert ist. Diese Scheinwerferanordnung strahl r zwei gleichsinnige, linearpolarisierte Lichtbündel mit dem erforderlichen Polarisationsgrad ab.

Fig. 4 zeigt die Ansicht dieser Scheinwerferanordnung aus derselben Richtung wie Fig. 2. Die Pfeile 12 und 8 kennzeichnen die entgültige Polarisationsrichtung der beiden Lichtbündel 6 und 4. Die Schwingungsrichtungen stehen senkrecht zur Fahrbahn.

Fig. 5 zeigt die Achsenstellung der Kompensatorplatte 10 in Fig. 3. In dieser Zeichnung stellt der Kreis 6 den Querschnitt des vom Reflektor 5 kommenden Lichtbündels dar, dessen Schwingungsrichtung vor Passieren der Kompensationsplatte 10 dem Pfeil 7 entspricht. Die optische Achse der Kompensationsplatte 10 in Fig. 3 ist durch den Pfeil 13 dargestellt. Der Winkel a), den sie mit der Schwingungsrichtung des Lichtbündels (Pfeil 17) bildet, beträgt 45°. Die Schwingungsrichtung, welche das Lichtbündel nach Passieren der Kompensatorplatte 10 hat, ist durch den Pfeil 14 dargestellt. Sie ist gegenüber der Schwingungsrichtung 7 um 90° gedreht.

Die Scheinwerferanordnung nach Fig. 3 ist auf wenige Anwendungszwecke begrenzt. Für die Praxis der blendfreien Fahrzeugbeleuchtung soll die Schwingungsrichtung des von dem Scheinwerfer abgestrahlten Lichtes um 45° zur Fahrbahn resp. zur Senkrechten gedreht sein.

In Fig. 6 wird dies bei der erfindungsgemässen Anordnung dadurch erreicht, dass sowohl in den verlauf des Lichtbündels 4 als auch des Lichtbündels 6 je eine Kompensatorplatte 15 und 16 eingeschaltet wird. Sie werden so eingestellt, dass sowohl die Schwingungsrichtung des Bündels 4 als auch die des Bündels 6 zueinander parallel und um 45° zur Ebene der Fahrbahn gedreht sind, wie in Fig. 7, durch die Pfeile 19 und 22 dargestellt ist. Die zur Verbesserung des Polarisationsgrades dichroitischen Polarisatoren 9 und 11 werden auch in diesem Falle verwendet. Ihre Schwingungsrichtungen sind parallel zur Schwingungsrichtung des Lichtbündels 4 und 6 orientiert.

Die Achsenrichtung der Kompensatorplatten im Bezug auf die Schwingungsrichtungen der von dem Reflexionspolarisator kommenden Lichtbündel sind in Fig. 8 dargestellt.

In dieser Figur 6 und 7 sind die Querschnitte der von dem Vorpolarisator kommenden Lichtbündel. In Bündel 6 kennzeichnet der Pfeil 17 die Schwingungsrichtung des vom Reflektor 5 kommenden Lichtbündels. Der Pfeil 18 kennzeichnet die optische Achse der Kompensatorplatte 15, die mit der Schwingungsrichtung 17 den Winkel a) bildet, welcher 22,5° beträgt. Die Schwingungsrichtung des Lichtbündel 6 nach Passieren der Kompensatorplatte 15 wird durch den Pfeil 19 dargestellt, welcher um 45° gegenüber dem Pfeil 17 gedreht ist, d. h. 45° zur Fahrbahn, wie in Fig. 7.

In Fig. 8 bezeichnet ferner 4 den Kreis des Lichtbündels 4 aus Fig. 6, dessen Schwingungsrichtung durch den Pfeil 20 dargestellt wird. Der Pfeil 21 bezeichnet die Richtung der optischen Achse der Kompensatorplatte 16 aus Fig. 6. Er bildet mit der Schwingungsrichtung 20 des Lichtbündels 4 den Winkel a), welcher ebenfalls 22,5° beträgt. Die Schwingungsrichtung des Lichtbündels 4 nach Passieren der Kompensatorplatte 16 ist durch den Pfeil 22 dargestellt. Sie steht ebenfalls 45° zur Ebene der Fahrbahn und parallel zur Schwingungsrichtung des Lichtbündels 6, wie auch aus Fig. 7 ersichtlich ist.

Sinngemäss können natürlich die Schwingungsrichtungen um 90° gegenüber der durch die Pfeile 19 und 22 in Fig. 7 dargestellten Richtungen verdreht werden und zwar durch entsprechende Verdrehungen der optischen Achsen der Kompensatorplatten 15 und 16.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung lässt sich auch dann verwenden, wenn an Stelle des linearpolarisierten Lichtes zirkularpolarisiertes Licht erwünscht ist. In diesem Falle werden als Kompensatorplatten an Stelle solcher mit einem Gangunterschied von (Lambda)/2, Kompensatorplatten mit einem Gangunterschied von (Lambda)/4 verwendet. Es wird dann die Anordnung getroffen, wie sie in Fig. 9 ersichtlich ist. Dabei wird wiederum von der Anordnung nach Fig. 1 ausgegangen. In den Strahlengang der Lichtbündel 6 und 4 werden zwei dichroitische Polarisatoren 23 und 24 eingesetzt, deren Schwingungsrichtungen zu denjenigen der vom Reflexionspolarisator 3 kommenden Lichtbündel parallel eingestellt werden. Zur Erzeugung des zirkularpolarisierten Lichtes schaltet man dann in den Strahlengang der Lichtbündel 4 und 6 je eine Kompensatorplatte 25 und 26 mit einem Gangunterschied von je (Lambda)/4 ein, wobei die optischen Achsen dieser Kompensatorplatten um 45° gegenüber der optischen Achse des Linearpolarisators gedreht wird.

In Fig. 10 ist eine Vorrichtung dargestellt zur Erzeugung mehr oder minder elliptisch polarisierten Lichtes. In dieser Figur sind 15 und 16 (Lambda)/2-Platten, die zur Korrektur der Schwingungsrichtung des vom Reflexionspolarisator 3 kommen den Lichtes dienen, 11 und 9 die zur Erhöhung des Polarisationsgrades erforderlichen dichroitischen Polarisatoren, 27 und 28, die zur Erzeugung des elliptisch polarisierten Lichtes dienenden zusätzlichen Kompensatorplatten, deren Gangunterschied in beiden Fällen der gleiche sein muss, im übrigen aber frei gewählt werden kann, sofern die in Verbindung mit dem Scheinwerfer benutzten Analysatoren mit Kompensatorplatten gleichen Gangunterschiedes ausgerüstet worden sind.

Um bei der Verwendung von mehreren hintereinander angeordneten Polarisatoren und Kompensatorplatten die auftretenden Reflexionsverluste für das durchfallende Licht auf ein Minimum zu beschränken, werden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung Kompensatorplatten oder Linearpolarisator sowie evt. noch vorhandene Schutzgläser mittels optischer Kitte von passendem Brechungsindex miteinander starr verbunden, so dass die Zahl der optischen Grenzflächen gegen Luft auf ein Minimum beschränkt wird. Die verbleibenden optischen Grenzflächen können ausserdem noch in an sich bekannter Weise mit reflexmindernden Oberflächen versehen werden. Soweit es die Konstruktionsmöglichkeiten zulassen, können die Kompensatorplatten wie auch die dichroitischen Polarisatoren mit dem Reflexpolarisator oder mit dem Reflektor für die Strahlumlenkung optisch verkittet werden. Um eine günstige Abstrahlung des Scheinwerfersystems zu erreichen, wird erfindungsgemäss weiterhin vorgeschlagen, den zur Anwendung kommenden Reflexionspolarisator nicht aus Glas, sondern aus absorptionsarmen, dielektrischen Schichten mit niedrigerem Brechungsindex getrennt sind und dabei die Dicke, sowie die Anzahl der Schichten so zu bemessen, dass bei einem Reflexionswinkel von 45° die reflektierte Komponente mindestens 45°, höchstens aber 50 % des einfallenden Lichtes beträgt. Die zur Verwendung kommenden Kompensatorplatten sind so bemessen, dass der geforderte Gangunterschied von (Lambda)/4 resp. (Lambda)/2 auf den physiologisch wirksamsten Teil des sichtbaren Spektrums bezogen wird.

Die beschriebene Scheinwerferanordnung kann so ausgeführt sein, dass sie eine bauliche Einheit bildet. In diesem Fall würden bei jedem Kraftwagen zwei derartige Einheiten an Stelle der jetzigen normalen Scheinwerfer treten. Eine andere Anordnung ist die, dass an die Stelle eines normalen Autoscheinwerfers eine Einheit, bestehend aus Lichtquelle, Hohlspiegel und Reflexionspolarisator und den damit verbundenen Kompensatorplatten und dichroitischen Polarisatoren tritt, während der bisher beim Kraftwagen verwendete zweite Scheinwerfer lediglich durch den Umlenkspiegel und die damit verbundenen Kompensatorplatten und dichroitischen Polarisatoren ersetzt wird. Dies bedeutet lediglich eine Verlängerung des Lichtweges zwischen dem Reflexionspolarisator und dem Umlenkspiegel, wobei der Lichtweg durch die freie Luft führt. Die letztgenannte Anordnung hat den Vorzug, dass an Stelle zweier kleiner Glühlampen eine einzige der doppelten Lichtleistung tritt. Diese Anordnung ist deshalb besonders zweckmässig, da im allgemeinen die Lampen mit höheren Wattzahlen eine günstigere Lichtausbeute besitzen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die geringe Wärmebelastung der dichroitischen Polarisatoren, da durch den Vorpolarisator den dichroitischen Polarisatoren nur gleichsinnig polarisiertes Licht zugeführt wird, für das der dichroitische Polarisator keine Absorption besitzt. Infolgedessen findet im dichroitischenPolarisator keine Umwandlung von Licht in Wärme statt.

Sinngemäss können Vorrichtungen nach der vorstehenden Erfindung nicht nur für die Zwecke der Fahrzeugbeleuchtung oder allgemeine Beleuchtungszwecke Anwendung finden, sondern auch als Beleuchtungseinrichtungen für Stereoprojektion oder für andere optische Instrumente, bei denen polarisiertes Licht erforderlich ist und Lichtverluste aus wirtschaftlichen Gründen dabei auf ein Minimum beschränkt werden müssen.

Claims (10)

1.) Vorrichtung zur Erzeugung von polarisiertem Licht mit vorbestimmten Schwingungszustand,dadurch gekennzeichnet, dass das von einer Lichtquelle kommende Licht durch optische Hilfsmittel, wie Reflektoren, Kondensorlinsen, ect., gerichtet über einen oder mehrere Reflexionspolarisatoren mit Strahlenteilerwirkung geleitet wird, wobei in die entstehenden Teilbündel Umlenkspiegel, optisch einachsige Kompensatorplatten, sowie hinter diesem angeordnete dichroitische Linearpolarisatoren gelegt werden.

2.) Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensatorplatten für den physiologisch wirksamsten Teil des sichtbaren Spektrums einen Gangunterschied von (Lambda)/2 haben und ihre optischen Achsen so zur Schwingungsrichtung des durch sie hindurchtretenden Lichtes und zur Schwingungsrichtung der hinter ihnen angeordneten Linearpolarisatoren orientiert sind, dass die abgestrahlten linearpolarisierten Lichtbündel die identische Schwingungsrichtung aufweisen.

3.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsrichtung der abgestrahlten Lichtbündel mit der Horizontalen einen Winkel von 45° bildet.

4.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang der vom Reflexionspolarisator kommenden Lichtbündel dichroitische Linearpolarisatoren eingeschaltet werden, deren Schwingungsrichtung parallel zur Schwingungsrichtung des durchfallenden Teilbündels orientiert sind und dass das von den dichroitischen Polarisatoren durchgelassene Licht (Lambda)/4-Platten solcher Orientierung passiert, dass das abgestrahlte Licht gleichsinnig zirkularpolarsiert ist.

5.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang der vom Reflexionspolarisator ausgehenden Lichtbündel (Lambda)/2-Platten und dichroitische Polarisatoren in solcher relativer Achsenrichtung zueinander und zur Schwingungsrichtung des durchfallenden Lichtes angeordnet sind, dass das von den dichroitischen Polarisatoren durchgelassene Licht gleichsinnig polarisiert ist und je eine weitere Kompensatorplatte mit gegebenen Gangunterschied passiert, so dass gleichsinnig elliptisch polarisiertes Licht abgestrahlt wird.

6.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Strahlengang befindlichen Kompensatorplatten und dichroitischen Polarisatoren untereinander und evt. auch mit anderen optischen Konstruktionselementen so mittels optischer Kittungsmittel verbunden sind, dass die Zahl der optischen Grenzflächen gegen Luft auf ein Minimum reduziert wird.

7.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verbleibenden optischen Grenzflächen gegen Luft mit reflexmindernden Schichten überzogen werden.

8.) Vorrichtungen nach Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Reflexionspolarisatoren eine Vielzahl absorptionsarmer, dielektrischer Schichten Verwendung finden, mit einem Brechungsindex grösser als 1,5, welche durch absorptionsfreie,e Schichten mit niedrigeren Brechungsindices getrennt sind und wobei durch passende Bemessung von Schichtdicke, Brechungsindices und Schichtwahl ein Reflexionswinkel von 45° erreicht wird.

8.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Bauelementen Glühlampe, Reflektor, Reflexionspolarisator, Kompensatorplatten und dichroitischen Polarisatoren bestehende Beleuchtungseinrichtung eine bauliche Einheit bildet.

10.) Vorrichtungen nach Ansprüchen 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung aus zwei getrennten Einheiten besteht, von denen die eine Lichtquelle, Reflektor, Reflexionspolarisator, Kompensatorplatten und dichroitische Polarisatoren enthält, während die zweite Schicht aus Umlenkspiegel, Kompensatorplatten und dichroitischen Polarisator besteht.