ES2229081T3 - Metodo y aparato para la recuperacion de luz polarizada. - Google Patents
Metodo y aparato para la recuperacion de luz polarizada.Info
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Abstract
Dispositivo óptico de recuperación de la polarización para producir un haz de luz substancialmente polarizada a partir de un haz de luz no polarizada, comprendiendo una primera y una segunda polarizaciones, y comprendiendo el dispositivo: un circuito óptico que tiene una zona de entrada (4) para la recepción de los rayos de luz entrantes y una zona de salida (8) para permitir que los rayos salgan del circuito óptico, teniendo la zona de entrada (4) un lado interior con una abertura, unos medios de polarización reflectante (10) junto a la zona de salida (8) del circuito óptico, para dirigir los rayos de luz que tengan la primera polarización (18) a una primera trayectoria luminosa y para dirigir los rayos de luz que tengan la segunda polarización (20) a una segunda trayectoria luminosa del circuito óptico, un espejo (22) en el lado interior de la zona de entrada (4) del circuito óptico, con unos medios para reflejar aquellos rayos de luz que siguiendo la segunda trayectoria luminosa incidansobre el mismo, y unos medios de un retardador de un cuarto de onda (24) o de un múltiplo impar de cuartos de onda a través de los cuales pasa por lo menos una parte de la luz en el interior del circuito óptico que debe ser emitida por el circuito óptico, en el que la luz que sigue la primera y la segunda trayectoria luminosa pasa a través de la misma parte del circuito óptico.
Description
Método y aparato para la recuperación de luz
polarizada.
La presente invención se refiere al campo de las
fuentes de luz polarizada así como a los métodos para proporcionar
luz polarizada, más concretamente para la polarización de la luz,
por ejemplo para su utilización en dispositivos de válvulas de luz
tales como proyectores de LCD o LCOS.
Un dispositivo de cristal líquido (LCD) o un
dispositivo de cristal líquido sobre un semiconductor (LCOS), puede
ser utilizado en diversas aplicaciones tales como por ejemplo en
pantallas (es decir, en pantallas de ordenadores portátiles, en
relojes y en calculadoras) y en sistemas de proyección, para
proyectar información o imágenes sobre una pantalla situada a
distancia.
Un proyector de LCD o de LCOS se compone
básicamente de una lámpara para generar luz, de ópticas de
iluminación para capturar aquella luz y transferirla a un
dispositivo, o a una pluralidad de dispositivos LCD o LCOS que
comprenden válvulas de luz, y de una lente de proyección que forma
la imagen de los dispositivos LCD o LCOS sobre una pantalla. Una
propiedad básica de ambos dispositivos, tanto los de LCD como los
de LCOS, es que trabajan con luz polarizada, más concretamente con
luz polarizada linealmente. La luz polarizada se utiliza
conjuntamente con las propiedades de los elementos de cristal
líquido para transmitir/reflejar de forma selectiva o para absorber
la luz, para producir una disposición de píxels iluminados y
oscuros, creando así la imagen deseada. Como casi todas las
lámparas utilizadas en los proyectores que generan luz no
polarizada, que es la luz que tiene por lo menos dos direcciones de
polarización; esta luz debe ser polarizada en un sistema óptico
tanto antes de que alcance el(los) dispositi-
vo(s) LCD o LCOS como en el propio dispositivo. Esto puede ser llevado a cabo seleccionando únicamente aquella parte de la luz que tiene la dirección de polarización deseada, es decir utilizando un filtro de polarización, pero dicho método conduce a una pérdida de rendimiento lumínico del proyector.
vo(s) LCD o LCOS como en el propio dispositivo. Esto puede ser llevado a cabo seleccionando únicamente aquella parte de la luz que tiene la dirección de polarización deseada, es decir utilizando un filtro de polarización, pero dicho método conduce a una pérdida de rendimiento lumínico del proyector.
Para superar este problema, los proyectores
clásicos de LCD o de LCOS utilizan un sistema de recuperación de la
polarización que divide la luz no polarizada de la lámpara en dos
haces luminosos, cada uno de los cuales tiene una de las dos
direcciones de polarización independientes. Cada haz luminoso con
una dirección de polarización diferente, sigue una trayectoria
óptica distinta. Por ejemplo, los dos estados polarizados de forma
independiente, pueden tener dos direcciones de polarización
ortogonales, o como en otro ejemplo pueden tener una polarización
circular a izquierdas y una polarización circular a derechas. La
luz con una de las dos direcciones de polarización es convertida
entonces en luz en el otro estado de polarización, por medio de un
retardador o un posicionador rotativo de la polarización. A
continuación es proyectada a los dispositivos LCD o LCOS por medio
de otra trayectoria óptica. Este sistema evita desperdiciar la luz
que tiene la polarización no deseada y por consiguiente casi duplica
el rendimiento de las ópticas de iluminación.
Una forma de realización de la técnica anterior
de este sistema de recuperación de la polarización es un conducto
de luz combinado con un sistema de partición del haz luminoso (PBS)
intercalado en la trayectoria óptica, tal como se explica en el
documento US-5.884.991. La luz procedente de la
lámpara es enviada a la entrada del conducto de luz utilizando un
reflector y posiblemente también una o varias lentes condensadoras
adicionales. En el interior del conducto de luz, la luz es
reflejada un cierto número de veces en las superficies laterales, y
cuando alcanza el final del conducto de luz está homogeneizada.
Esencialmente, la salida del conducto de luz es reflejada en los
dispositivos de LCD o de LCOS mediante un juego de lentes. El
conducto de luz se utiliza para hacer que la iluminación del, o de
los dispositivos LCD o LCOS sea más uniforme. Después del conducto
de luz, se dispone un PBS en la trayectoria óptica. Un PBS es un
elemento óptico diseñado para dividir la luz en dos direcciones
ortogonales polarizadas linealmente, las polarizaciones s y p. La
luz con una dirección de polarización es reflejada por el PBS,
mientras que la luz con la otra dirección de polarización es
transmitida. Según la forma de realización descrita en el documento
US-5.884.991, en una de las dos caras de salida del
PBS se dispone un retardador de media onda que convierte la luz con
una dirección lineal de polarización en luz de la otra dirección
lineal de polarización.
Según otra forma de realización de un sistema de
recuperación de polarización de la técnica anterior, como el
descrito en el documento WO 02/17000, el sistema de recuperación de
la polarización está incorporado en el interior de un conducto de
luz. El conducto de luz obtenido es muy complejo y tiene más de 6
superficies. Esto complica la fabricación del conducto de luz y su
alineación en el proyector y tiene un efecto negativo en las
propiedades de homogeneización del conducto de luz.
Además, es una desventaja de las dos soluciones
descritas de la técnica anterior, que el haz de luz polarizada
formado al final ocupa un área mayor que el área ocupada por el haz
luminoso original, lo cual significa que a cada una de las válvulas
luminosas del dispositivo LCD o LCOS iluminado por el conducto de
luz, le alcanza menos intensidad luminosa o que se precisan
componentes ópticos adicionales para enfocar el haz luminoso sobre
un área menor.
El documento US 6.064.523 describe un aparato
para la conversión de la polarización que utiliza una lámina
reflectora polarizante y una fuente luminosa que tiene un espejo
parabólico. -La fuente luminosa suministra luz polarizada
linealmente tanto en sentido vertical como en sentido horizontal a
una trayectoria luminosa. -En la trayectoria óptica están dispuestos
unos medios de polarización para reflejar la luz de una de las
polarizaciones lineales y transmitir la luz de la otra polarización
lineal. -Comprenden además, una placa de cuarto de onda para
adaptar la polarización de la luz reflejada.
El documento EP 0552725 describe un aparato de
iluminación por polarización que puede modular una dirección de
vibración y tiene un elevado rendimiento en la utilización de la
luz. -Unos medios para la partición de un haz de polarización
comprenden una lámina de partición del haz de polarización (PBS)
que divide el haz procedente de la primera fuente en dos componentes
de luz polarizada linealmente que tienen direcciones de
polarización distintas.
El documento US 5.833.360 describe una lámpara
sin electrodos de alta potencia, en la cual la energía luminosa es
redirigida hacia atrás en dirección a la lámpara con un reflector
que proporciona un incremento del rendimiento del sistema y en el
que la luz redirigida es la de la polarización inadecuada y/o de
las partes inadecuadas del espectro de color. La luz reflejada de la
polaridad innecesaria que es reflejada de nuevo hacia el bulbo por
el polarizador, es reflejada por el cuerpo parabólico de la fuente
luminosa.
Todos los documentos, US - 6.064.523, EP -
0552725 y US - 5.833.360, tienen la desventaja de que la fuente
luminosa o partes de la misma son utilizadas como partes del
dispositivo de recuperación de la polarización. -Esto ocasiona
dificultades cuando es necesario sustituir las fuentes luminosas y
limita la utilización del dispositivo de recuperación de la
polarización con otras fuentes luminosas.
Es un objetivo de la presente invención el hacer
un uso efectivo de la luz disponible en un sistema óptico, y
establecer un método, cuando se utiliza un polarizador de la luz en
el sistema óptico.
Es un objetivo adicional de la presente invención
el proporcionar un sistema óptico y un método que produce un haz
concentrado de luz polarizada que tiene un diámetro del haz que es
comparable con el de la luz entrante en el sistema.
El objetivo anterior se consigue por medio de un
dispositivo y un método según la presente invención.
La presente invención proporciona un dispositivo
óptico de recuperación de la polarización para producir un haz de
luz substancialmente polarizada a partir de un haz de luz sin
polarizar, que comprende una primera y una segunda polarizaciones,
comprendiendo el dispositivo:
un circuito óptico que tiene una zona de entrada
para recibir los rayos de luz entrantes, y una zona de salida para
permitir que los rayos de luz salgan del circuito óptico,
unos medios de un polarizador reflectante junto a
la zona de salida del circuito óptico, para dirigir los rayos de
luz que tienen la primera polarización a una primera trayectoria
luminosa y para dirigir los rayos de luz que tienen la segunda
polarización a una segunda trayectoria luminosa en el circuito
óptico,
un espejo en la zona de entrada del circuito
óptico con unos medios para reflejar los rayos luminosos
procedentes de la segunda trayectoria óptica que inciden sobre él,
y
unos medios retardadores de cuarto de onda o de
un múltiplo impar de cuartos de onda a través de los cuales pasa
por lo menos una parte de la luz del circuito óptico y que debe ser
emitida por el circuito óptico,
en los que la luz que sigue la primera y la
segunda trayectoria óptica pasa a través de la misma parte del
circuito óptico.
Según la presente invención, la primera y la
segunda trayectoria óptica pasan a través de la misma parte del
circuito óptico.
El circuito óptico puede ser un conducto de
luz.
Según una forma de realización de la presente
invención, están previstos medios retardadores tanto en la primera
como en la segunda trayectoria luminosa.
Según una forma de realización de la presente
invención, los medios retardadores pueden estar situados en la zona
de salida del circuito óptico. Según otra forma de realización, los
medios retardadores pueden estar situados en el lado de entrada del
circuito óptico.
Los medios retardadores pueden ser un retardador
de un cuarto de longitud de onda o un múltiplo impar de un
retardador de un cuarto de onda, o también un número de
retardadores que colaboren conjuntamente para formar un retardador
de un cuarto de onda o un múltiplo impar de un cuarto de onda. Por
ejemplo, los medios retardadores pueden estar formados por dos
retardadores de un octavo de longitud de onda.
Los medios retardadores pueden ser un retardador
de banda ancha.
Según una forma de realización de la presente
invención, los medios polarizadores reflectantes pueden ser un
divisor polarizante del haz. Según otra forma de realización de la
presente invención, los medios polarizadores reflectantes pueden
ser un polarizador de rejilla de alambre.
Un sistema de recuperación de la polarización
óptica según la presente invención puede comprender además unos
medios de despolarización para despolarizar la luz. Cuando los
rayos luminosos son emitidos desde una fuente luminosa que tiene
electrodos, los medios del despolarizador pueden comprender plasma
entre los electrodos de la fuente luminosa. Los medios de
despolarización pueden estar situados asimismo en cualquier otra
parte, como en la segunda trayectoria luminosa.
La presente invención proporciona también un
dispositivo de recuperación de la polarización óptica para producir
un haz de luz sustancialmente polarizada a partir de un haz de luz
no polarizada, comprendiendo una primera y una segunda
polarización, comprendiendo el dispositivo:
un circuito óptico que tiene una zona de entrada
para recibir los rayos de la luz entrante, y una zona de salida
para permitir que los rayos de luz salgan del circuito óptico, unos
medios reflectantes de polarización en la zona de salida del
circuito óptico para dirigir los rayos luminosos que tengan la
primera polarización siguiendo una primera trayectoria luminosa y
para dirigir al circuito óptico los rayos de luz que tengan la
segunda polarización, siguiendo los rayos de luz que tengan la
segunda polarización una segunda trayectoria luminosa en el
circuito óptico,
un espejo en la zona de entrada del circuito
óptico que tiene medios para reflejar los rayos de luz que siguen
la segunda trayectoria óptica y que incidan sobre el mismo, y
unos medios de despolarización para despolarizar
la luz, estando los medios de despolarización por lo menos en la
segunda trayectoria de la luz.
Los medios de despolarización pueden comprender
un material birrefringente en la sección transversal del conducto
de luz; más concretamente, en caso de que el circuito óptico sea un
conducto de luz, los medios de despolarización pueden comprender un
material birrefringente en cualquier superficie interna del
conducto de luz.
Cuando los rayos luminosos son emitidos desde una
fuente luminosa que tenga electrodos, los medios de despolarización
pueden comprender un plasma entre los electrodos de la fuente
luminosa.
El circuito óptico puede ser un conducto de luz.
Por ejemplo, el conducto de luz puede ser una estructura hueca con
sus superficies interiores provistas de espejos. Como variante, el
conducto de luz puede ser una varilla maciza en la cual las
reflexiones sobre las superficies laterales están basadas en la
reflexión interna de la luz con un elevado ángulo de incidencia, tal
como por ejemplo una varilla de cristal. El conducto de luz puede
tener una sección transversal constante o puede tener una conicidad
hacia la zona de salida.
Los medios reflectantes de polarización
comprenden un polarizador de un líquido colestérico.
La presente invención comprende además un método
para la recuperación de la luz polarizada, comprendiendo dicho
método los pasos de:
proporcionar un haz de rayos de luz no
polarizada, que comprende una primera y una segunda polarizaciones,
siguiendo el haz de los rayos de luz no polarizada una primera
trayectoria luminosa,
hacer incidir dicho haz de luz no polarizada
sobre unos medios reflectantes de polarización, de manera que
dirijan los rayos de luz que tengan la primera polarización a lo
largo de una primera trayectoria luminosa y que dirijan los rayos
de luz que tengan la segunda polarización a lo largo de una segunda
trayectoria luminosa,
reflejar los rayos de luz reflejada siguiendo la
segunda trayectoria luminosa,
cambiar la orientación de la polarización de los
rayos luminosos tanto en la primera como en la segunda trayectoria
luminosa.
La presente invención comprende además un
proyector LCD o un proyector LCOS que comprende cualquiera de los
anteriores dispositivos de recuperación de la polarización
óptica.
La presente invención simplifica la preparación
óptica de un proyector al aplicar la recuperación de la
polarización en el interior de un único conducto de luz, sin añadir
complejidad a la forma del mismo. El conducto de luz puede estar
fabricado con cuatro superficies laterales, una interconexión de
entrada y una de salida, como en los conductos de luz
convencionales. En la presente invención no se contempla ninguna
restricción en función del tipo de conducto de luz utilizado.
Es una ventaja del sistema de recuperación de la
polarización óptica y del método de la presente invención, que se
incrementa el rendimiento del proyector al utilizar un sistema de
recuperación de la polarización, conservando al mismo tiempo el
tamaño compacto del proyector y evitando asimismo el uso de sistemas
de recuperación de la polarización en el exterior del conducto de
luz.
Estas y otras características y ventajas de la
presente invención serán evidentes mediante la siguiente
descripción detallada que ilustra los principios de la invención a
modo de ejemplo. Esta descripción se da únicamente a título de
ejemplo, sin limitar el alcance de la invención. Las figuras de
referencia citadas a continuación se refieren a los dibujos
adjuntos.
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un
conducto de luz según una forma de realización de la presente
invención.
La Figura 2 es una sección vertical de un sistema
que comprende una lámpara con reflector y un conducto de luz para
la recuperación de la polarización según una forma de realización
de la presente invención.
La Figura 3 es una sección vertical de un
conducto de luz según una forma de realización de la presente
invención, en la cual está situado un retardador de cuarto de onda
de forma adecuada al lado de entrada del conducto de luz.
La Figura 4 es una sección vertical de un
conducto de luz según una forma de realización de la presente
invención, en la que un retardador de cuarto de onda está situado
de forma adecuada en el lado de salida del conducto de luz.
La Figura 5 es una sección vertical de un
conducto de luz según una forma de realización de la presente
invención, en la que un retardador de cuarto de onda está situado
de forma adecuada en una parte central del conducto de luz.
La Figura 6 es una vista en perspectiva de un
conducto de luz de forma cónica según una forma de realización de
la presente invención.
La Figura 7 es una vista en perspectiva de un
conducto de luz macizo de cristal con un polarizador reflectante en
el lado de salida y un espejo con una abertura en el lado de
entrada.
La Figura 8 es una representación esquemática de
un conducto de luz con un PBS como medio polarizador reflectante,
según otra forma de realización de la presente invención.
La Figura 9 es una representación esquemática de
un conducto de luz con un polarizador colestérico según otra forma
de realización adicional de la presente invención.
La Figura 10 es un diagrama esquemático de un
proyector con un conducto de luz según cualquiera de las formas de
realización de la presente invención.
En las diferentes figuras, las mismas cifras de
referencia se refieren a los mismos o análogos elementos.
La presente invención será descrita con respecto
a formas de realización particulares y haciendo referencia a
ciertos dibujos, pero la invención no está limitada a los mismos,
sino únicamente por las reivindicaciones. Los dibujos descritos son
solamente esquemáticos y no son limitativos. En los dibujos y a
efectos ilustrativos, el tamaño de algunos de los elementos puede
estar exagerado y no está dibujado a escala.
Los moduladores espaciales de la luz son
conocidos de los expertos; ver "Fundamentos de la Fotónica"
por B.E.A. Saleh y M.C. Teich, en la serie Wiley de Óptica Pura y
Aplicada, 1991. Un modulador espacial de la luz es un dispositivo
que modula la intensidad de la luz en diferentes posiciones 0
mediante factores prescritos. Generalmente, es un dispositivo pasivo
y normalmente es un elemento óptico plano que puede trabajar en
reflexión o en transmisión. Tiene la función de controlar la
intensidad de la luz en la reflexión o en la transmisión según una
función de la posición, es decir F(x,y), siendo x, y las
coordenadas de un sistema cartesiano de coordenadas. La intensidad
de la luz a la salida del dispositivo está en función de la
intensidad de la luz de entrada I(x, y) y la función de
modulación F(x, y), es decir la intensidad de salida es
O(x, y) = I(x, y) \cdot F(x, y).
Generalmente, en los moduladores espaciales de luz la función de
modulación F(x, y) puede cambiar con el tiempo, es decir,
pueden ser controlables por ejemplo como una válvula luminosa.
Generalmente, a efectos de visualización, la luz de entrada es
sensiblemente constante a lo largo del tiempo y el modulador
espacial de la luz modula la luz para proyectar una imagen fija o
móvil, esto es O(x, y, t) = I (x,y) \cdot F(x, y,
t). Los moduladores espaciales de la luz pueden ser
electro-ópticos, pero la presente invención no está limitada a esto,
esto es a una señal eléctrica capaz de alterar la función
F(x, y, t) en el tiempo, o sea que la señal eléctrica crea o
induce un campo eléctrico o una corriente eléctrica que altera las
propiedades de un material o desplaza un espejo, por ejemplo.
Una forma de modulador espacial puede ser
realizada mediante cristales líquidos y generalmente D es conocida
como LCD (visualizador de cristal líquido) o LCOS. El cristal
líquido puede ser nemático, nemático torsionado, ferroeléctrico o
similar. Los elementos electro-ópticos del LCD contribuyen junto
con la luz polarizada para variar la intensidad de la luz en
transmisión o en reflexión de una forma más o menos completa,
estando limitados a una intensidad máxima determinada por las
propiedades de absorción de los filtros de polarización usados en
el LCD.
Los retardadores de onda, los posicionadores
rotativos de polarización, los filtros polarizantes y los
procedimientos para crear y manipular la luz polarizada son
conocidos a partir del libro anteriormente mencionado de B.E.A.
Saleh y M.C. Teich.
Según una primera forma de realización de un
dispositivo óptico de recuperación de la luz polarizada de la
presente invención, se dispone de un sistema óptico, un primer
ejemplo del cual es el conducto de luz 2 que aparece en la Figura 1.
El conducto de luz 2 puede comprender cuatro superficies laterales
fabricadas en un material reflectante, o están recubiertas de este
material reflectante por su parte interior. Pueden utilizarse otros
diseños de conductos de luz y no se contemplan limitaciones en esta
invención por el tipo de conducto de luz utilizado. El conducto de
luz 2 tiene también un lado de entrada 4 fabricado en un material
reflectante o está recubierto de este material por su parte
interior, con una abertura 6 en el mismo para recibir los rayos
luminosos entrantes, que normalmente no están polarizados. El
conducto de luz 2 tiene además una zona de salida 8 para permitir
que los rayos luminosos salgan del conducto de luz 2. Los rayos
luminosos siguen una primera trayectoria entre la abertura 6 y la
zona de salida 8. En la zona de salida 8, unos medios polarizadores
reflectantes tales como por ejemplo un polarizador de rejilla de
alambre 10 como el descrito en el documento WO 01/18570, está
dispuesto para transmitir los rayos luminosos que tengan una
primera dirección de polarización y para reflejar hacia atrás los
rayos luminosos que tengan la segunda dirección de polarización
hacia el conducto de luz 2. En la sección del conducto de luz, se
disponen unos medios retardadores.
La Figura 2 es una vista en sección del conducto
de luz 2 con recuperación de la polarización. La luz procedente de
una fuente luminosa tal como una lámpara 12, posiblemente reflejada
por el reflector 14, penetra en el conducto de luz 2 por el lado de
entrada 4, más concretamente a través de la abertura 6. La luz
penetra en el conducto de luz 2 con diferentes ángulos de incidencia
y a través de la totalidad de la abertura de entrada 6. La luz se
propaga a lo largo del conducto de luz 2 y una gran cantidad de
rayos luminosos son reflejados una o más veces en los lados
reflectantes 16 del conducto de luz 2. De esta forma se homogeniza
la distribución espacial de la luz. Al final del conducto de luz 2,
la luz incide en el polarizador reflector 10. Este polarizador
reflector 10 puede ser por ejemplo un polarizador de rejilla de
alambre. El polarizador 10 transmite la luz 18 con una dirección
lineal de polarización correspondiente a la dirección prioritaria
de esta última y refleja la luz 20 con una dirección de
polarización lineal perpendicular a la misma. Una parte de la luz,
teóricamente muy poca, es absorbida por el polarizador. Dicha
absorción de la luz tan pequeña es el caso de los polarizadores del
tipo de rejilla de alambre y del tipo PBS, de manera que se produce
muy poco calentamiento, incluso con elevados niveles de
iluminación.
La luz 18 transmitida a través del polarizador
reflectante 10 con el estado de polarización correcto, de manera
que puede ser utilizada para los dispositivos LCD o LCOS del
proyector, sigue una primera trayectoria óptica desde la abertura 6
en el lado de entrada 4 hasta la zona de salida 8. La luz que es
reflejada por el polarizador 10 tiene otro estado de polarización
no utilizable y sigue una segunda trayectoria óptica que se
describe a continuación. Algunas veces, algo de la luz con la
polarización correcta es reflejada hacia atrás (hasta un máximo del
10%).
La luz reflejada 20 se propaga hacia atrás hasta
el lado de entrada 4 del conducto de luz 2, sufriendo otro número
de reflexiones que igualan todavía más su distribución espacial a
lo largo de la sección del conducto de luz 2. En el lado de entrada
4, la luz puede caer dentro de la abertura 6 o fuera de la abertura
6, sobre el espejo 22 formado por el 10 material reflectante de la
parte interior del lado de entrada 4. La luz que cae fuera de la
abertura 6 se refleja sobre las superficies reflectantes interiores
22 del lado de entrada 4, con lo cual cambia de nuevo la dirección
de propagación hacia el lado de salida del conducto de luz 2. Esta
luz tiene una segunda oportunidad para pasar a través del
polarizador reflectante 10. La luz que incide en la abertura 6 tiene
también grandes posibilidades de volver hacia atrás hacia la misma
pupila de entrada. La posición y el tamaño de la abertura de
entrada 6 se ajustan a la imagen de la zona de generación de la luz
entre los electrodos de la lámpara 12 realizada por el reflector 14
(posiblemente con la adición de un cierto número de lentes). La luz
de la abertura 6 es convertida de esta forma en una imagen por la
misma configuración óptica en la zona comprendida entre los
electrodos de la lámpara o cerca de dicha zona, y tiene de nuevo
una buena oportunidad para pasar de nuevo a través de esta zona.
Debido a que el sistema óptico ha sido diseñado para enviar la luz
que sale de la zona entre los electrodos hacia el conducto de luz
2, una gran parte de la luz que sale de la abertura 6 y es enviada
a la zona entre los electrodos es devuelta a la abertura 6 y penetra
de nuevo en el conducto de luz 2.
La luz reflejada por el espejo de la entrada 22,
fuera de la abertura 6 y la luz que vuelve de la zona entre los
electrodos de la lámpara 12, se propaga de nuevo hacia el lado de
salida 8 del conducto de luz 2, donde tiene una segunda oportunidad
de pasar a través del polarizador reflectante 10.
La luz que circula siguiendo esta segunda
trayectoria óptica fue reflejada por primera vez sobre el
polarizador reflectante, y si el estado de polarización no ha
cambiado, la misma luz será reflejada de nuevo a su llegada. Según
un aspecto de la presente invención, la luz que vuelve tiene la
polarización adecuada. Para hacer que la luz que viaja siguiendo la
segunda trayectoria óptica pase a través, pueden tomarse en cuenta
las dos soluciones siguientes.
Según una primera forma de realización, la
despolarización de la luz se produce tanto voluntariamente como de
forma no deseada. Las múltiples reflexiones sobre las diversas
superficies reflectantes, y el paso a través del plasma presente
entre los electrodos de la lámpara 12, producen un cierto efecto
sobre el estado de polarización y despolarizan la luz en algún
grado. La despolarización hace que de alguna forma esta luz tenga
un componente de polarización siguiendo el eje prioritario, y este
componente pasa a través del polarizador reflectante 10. Esto
significa que a una parte de la luz se le permite pasar una segunda
vez a través del conducto de luz 2 con el estado de polarización
correcto, tal como se desea para los dispositivos LCD o LCOS del
proyector, es decir, que parte de la luz ha sido recuperada. Con
los materiales utilizados o con los recubrimientos de elevado
rendimiento reflectante, estos efectos de la despolarización en el
interior del conducto de luz 2 son más bien escasos. La
despolarización puede incrementarse añadiendo medios de
despolarización en la segunda trayectoria, es decir, materiales
birrefringentes en la sección del conducto de luz o sobre cualquier
superficie interior del conducto de luz. Si el efecto total de
retraso del material birrefringente es elevado, es decir, mayor que
tres veces la longitud de onda de la luz, el estado de polarización
será casi aleatorio para cualquier longitud de onda debido a los
múltiples y diversos ángulos con los que la luz pasa a través de
estos retardadores y despolarizadores.
Según una segunda forma de realización, se
utilizan unos medios consistentes en un retardador de cuarto de
onda o un posicionador rotativo, o bien múltiplos impares de un
retardador de un cuarto de onda. Los medios retardadores de cuarto
de onda pueden ser un retardador de cuarto de onda 24 y es
preferible que sean sustancialmente paralelos a la dirección
general de propagación de la luz desde el lado de entrada 4 hacia
la zona de salida 8. El eje rápido o el eje lento del retardador de
cuarto de onda 24 está en este plano perpendicular a la dirección
de propagación y tiene una posición girada de 45° con respecto al
eje de prioridad del polarizador reflectante 10. El objetivo del
retardador de cuarto de onda 24 es producir la rotación del estado
de polarización de la luz que circula siguiendo la segunda
trayectoria óptica. Esto sucede en dos pasadas, una pasada cuando
la luz se está propagando desde el lado de salida 8, retrocediendo
hacia el lado de entrada 4 del conducto de luz 2, y otra pasada
cuando la luz se está propagando de nuevo desde el lado de entrada
4 al lado de salida 8. El resultado es un retraso de media onda.
Esta técnica es muy efectiva para producir una rotación de 90° del
estado de polarización de casi toda la luz que circula siguiendo la
segunda trayectoria óptica, y de esta manera se permite que pase a
través del polarizador reflectante por segunda vez, recuperándose
completamente por tanto esta luz, que de otra forma se perdería. En
la disposición descrita, dentro de lo posible deberían evitarse los
efectos de la contribución de la despolarización porque solamente
disminuyen el rendimiento de la rotación del retardador de cuarto
de onda 24. Es también aconsejable escoger un retardador de cuarto
de onda 24 de banda ancha para optimizar la recuperación de la
polarización en todas las longitudes de onda del espectro
visual.
La Figura 2 presenta una forma de realización en
la que un retardador de cuarto de onda 24 está fijado en la zona de
entrada 4 del conducto de luz 2 y tiene un orificio en el mismo. La
Figura 3 ilustra otra forma de realización en la cual un retardador
de cuarto de onda 24 está fijado en la zona de entrada 4 del
conducto de luz 2 pero no tiene ningún orificio. La Figura 4 ilustra
todavía otra forma de realización en la que el retardador de cuarto
de onda 24 está fijado en el lado de salida 8 del conducto de luz 2,
justo enfrente del polarizador reflectante 10. La Figura 5 presenta
el retardador de cuarto de onda 24 en la zona central del conducto
de luz 2. Y así, todavía en otra forma de realización (no
representada en los dibujos) en vez de un retardador de cuarto de
onda se utiliza un retardador distribuido consistente en una
pluralidad de retardadores, por ejemplo dos retardadores separados
de un octavo de onda, que contribuyen a formar unos medios de un
retardador de un cuarto de onda.
La presencia del retardador 24 de cuarto de onda
en la sección del conducto de luz 2 no tiene ningún efecto
sustancial en el estado de polarización de la luz que ha penetrado
en el conducto de luz 2 por primera vez (y por tanto que ha seguido
la primera trayectoria) y no ha alcanzado todavía el polarizador
reflectante 10. Esta luz prácticamente todavía no está polarizada y
por consiguiente la contribución de la luz con un estado de
polarización a lo largo de un eje y perpendicular al mismo del
polarizador reflectante es sustancialmente la misma antes que
después del retardador de cuarto de onda 24.
También es posible una combinación de las dos
técnicas anteriormente mencionadas (dos veces un retardador de un
cuarto de onda + despolarización de la luz). Por ejemplo, la Figura
2 muestra una forma de realización en la que el retardador de
cuarto de onda 24 está fijado al espejo 22 por el lado de entrada 4
del conducto de luz 2, pero únicamente sobre la superficie
reflectante, fuera de la abertura 6. Esta forma de realización
incluye el retardador de cuarto de onda 24 para la luz reflejada
por el espejo 22 e incluye el efecto de despolarización para la luz
que retrocede a través de la abertura 6 y penetra de nuevo en el
conducto de luz 2 después de haber pasado a través de la zona
comprendida entre los electrodos de la lámpara 12.
La luz que todavía tiene el estado de
polarización incorrecto a pesar de las técnicas utilizadas tal como
anteriormente se ha explicado, es reflejada una vez más por el
polarizador reflectante 10 y se le permite circular siguiendo una
tercera trayectoria óptica, de nuevo con unas considerables
probabilidades de ser recapturada, de manera que parte de la misma
será presentada de nuevo al lado de salida 8 del conducto de luz 2,
y así sucesivamente.
El conducto de luz 2 puede tener una sección
constante como aparece en la Figura 1, o puede tener forma cónica
como aparece en la Figura 6, con tal de que la conicidad permita
que la luz con diferentes ángulos de incidencia se propague desde
el lado de entrada hasta el lado de salida y viceversa.
El conducto de luz 2 puede tener los lados
interiores provistos de espejos, como se ha descrito anteriormente,
o puede ser una varilla sólida de cristal 26, como aparece en la
Figura 7, en la que las reflexiones sobre las superficies laterales
están basadas en la reflexión interna de la luz con un elevado
ángulo de incidencia. El polarizante reflectante 10 del extremo
puede estar colocado adherido a la varilla de cristal 26 o situado
muy próximo a la misma. El espejo 22 con la abertura 6 puede estar
adherido al lado de entrada 4 del conducto de luz 2 o situado muy
cerca del mismo. El retardador de cuarto de onda 24, o cualquier
otro retardador, pueden estar emparedados entre la varilla de
cristal 26 y el espejo 22 en el lado de entrada 4, o entre la
varilla de cristal 26 y el polarizador reflectante 10 en el lado de
salida 8.
Las formas de realización según la presente
invención anteriormente presentadas proporcionan una solución
integrada de la recuperación de la polarización como parte de un
circuito óptico, es decir utilizando un conducto de luz. Este
novedoso componente óptico mejora el rendimiento, disminuye el coste
y reduce el tamaño de los sistemas ópticos que utilizan fuentes de
luz polarizada, es decir los sistemas ópticos que utilizan
proyectores de LCD o LCOS y que precisan utilizar luz polarizada
como luz incidente en los dispositivos LCD o LCOS.
Según otra forma de realización de la presente
invención, tal como aparece en la Figura 8, un sistema óptico tal
como un conducto de luz 2 puede estar provisto por ejemplo de un
retardador de cuarto de onda 24, por ejemplo en el lado de entrada
4 del conducto de luz 2. En el lado de salida 8, está dispuesto un
PBS 42, que permite que la luz con una determinada dirección de
polarización, por ejemplo p, pueda salir, y refleja la luz que
tenga otra dirección de polarización, por ejemplo s. En el lado del
elemento PBS 42, por donde podría salir la luz que tiene la
dirección de polarización s, se dispone un espejo suplementario 44.
La luz con la polarización en la dirección s es reflejada hacia
atrás hasta el elemento PBS 42, y vuelve de nuevo hacia el lado de
entrada del conducto de luz 2. Antes de alcanzar el lado de entrada
4 del conducto de luz 2, la luz pasa a través del retardador de
cuarto de onda 24, y cuando es reflejada por los espejos 22 o
cuando vuelve a penetrar en el conducto de luz 2 a través de la
abertura 6, la luz pasa una vez más a través del retardador 24 de
cuarto de onda. La luz que tenía previamente una dirección de
polarización s, tiene ahora sustancialmente la dirección de
polarización p y sale por el elemento PBS 42. De esta forma, la
parte de luz que tenía la polarización s es recuperada y
transformada en luz que tiene la polarización p.
Según una forma de realización de la presente
invención, el polarizador reflectante 10 puede ser también un
polarizador colestérico de cristal líquido, es decir, como el que
se da a conocer en el documento US 5.325.218. El polarizador
transmite un tipo de luz polarizada circularmente (a izquierdas o a
derechas) dependiendo del sentido de rotación del cristal líquido
colestérico utilizado. El polarizador refleja la luz polarizada
circularmente del otro tipo (respectivamente a derechas o a
izquierdas). En esta forma de realización, el retardador de cuarto
de onda no está necesariamente en la segunda trayectoria luminosa,
ya que la luz que es reflejada en un espejo y que está retrocediendo
hacia el polarizador colestérico ha sufrido ya un cambio del estado
de polarización, de estar polarizada circularmente a izquierdas a
estar polarizada circularmente a derechas o viceversa, debido a la
reflexión por el espejo. Si la luz reflejada por el espejo no ha
sido despolarizada, o solamente lo ha sido en parte, es transmitida
por segunda vez por el polarizador colestérico. No obstante, en
esta forma de realización todavía se precisan unos medios de un
retardador de cuarto de onda. Se sitúan en el lado de salida del
polarizador colestérico para convertir la luz polarizada
circularmente en luz polarizada linealmente.
Según esta forma de realización de la presente
invención, tal como aparece en la Figura 9, en el lado de salida de
un conducto de luz 2 se dispone un polarizador colestérico 46. La
luz que penetra en el conducto de luz 2 a través de la abertura 6
es preferentemente luz despolarizada, que comprende componentes
polarizados circularmente tanto a izquierdas como a derechas. Se
permite que tanto la luz con polarización circular a izquierdas
como la luz con polarización circular a derechas pase a través de
un polarizador colestérico 46. La luz que pasa a través del
polarizador colestérico 46 pasa a través de unos medios
retardadores de un cuarto de onda 24 con el fin de convertir la luz
polarizada circularmente en luz polarizada linealmente. La luz que
no pasa a través del polarizador colestérico 46 es reflejada de
nuevo hacia el lado de entrada 4 del conducto de luz 2, donde es
reflejada por el espejo 22. Simplemente, reflejando la luz
polarizada circularmente se cambia el sentido de la polarización
circular, de manera que la luz con esta dirección transformada de
polarización será permitida a pasar por el polarizador colestérico
46 y por los medios retardadores 24.
Por ejemplo, puede utilizarse un conducto de luz
2 según la presente invención en un dispositivo de proyección 30
como el representado esquemáticamente en la Figura 10. La luz es
generada por medio de una lámpara 12 y es enviada a un conducto de
luz 2 de acuerdo con la presente invención, mediante la utilización
de un reflector 14 y posiblemente de un juego de una o más lentes
adicionales (no representadas). La luz de la lámpara 12 es
homogeneizada en el interior del conducto de luz 2 y según la
presente invención queda también polarizada. La salida del conducto
de luz 2, o un plano próximo a la salida del conducto de luz 2, es
convertido en una imagen por medio de un juego de lentes 31 y de
espejos 34 en uno o más dispositivos LCD o LCOS 36. En el caso de un
único dispositivo 36 LCD o LCOS (no representado en los dibujos),
se utiliza un sistema secuencial de colores para iluminar la
totalidad o una parte del dispositivo, con luz alternativamente
roja, verde y azul. En caso de un proyector de tres LCD o LCOS,
como el de la Figura 10, la trayectoria óptica del proyector incluye
una partición del color y un sistema de recombinación 34, 38 que
divide la luz en los tres diferentes colores primarios, siguiendo
cada uno de ellos una trayectoria óptica distinta. Cada canal de
color incluye un dispositivo 36 LCD o LCOS. Después de la
recombinación de la información del color, en un prisma de
recombinación 38, la luz pasa a través de una lente de proyección
40 que genera una imagen de la información del único o de los tres
dispositivos LCD o LCOS 36 sobre una pantalla.
Aunque la invención ha sido presentada y descrita
haciendo referencia a las formas de realización preferidas, los
expertos en la materia comprenderán que pueden realizarse diversos
cambios y modificaciones en forma y detalle sin apartarse del
alcance y del espíritu de esta invención.
Claims (17)
1. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización para producir un haz de luz substancialmente
polarizada a partir de un haz de luz no polarizada, comprendiendo
una primera y una segunda polarizaciones, y comprendiendo el
dispositivo:
un circuito óptico que tiene una zona de entrada
(4) para la recepción de los rayos de luz entrantes y una zona de
salida (8) para permitir que los rayos salgan del circuito óptico,
teniendo la zona de entrada (4) un lado interior con una
abertura,
unos medios de polarización reflectante (10)
junto a la zona de salida (8) del circuito óptico, para dirigir los
rayos de luz que tengan la primera polarización (18) a una primera
trayectoria luminosa y para dirigir los rayos de luz que tengan la
segunda polarización (20) a una segunda trayectoria luminosa del
circuito óptico,
un espejo (22) en el lado interior de la zona de
entrada (4) del circuito óptico, con unos medios para reflejar
aquellos rayos de luz que siguiendo la segunda trayectoria luminosa
incidan sobre el mismo, y
unos medios de un retardador de un cuarto de onda
(24) o de un múltiplo impar de cuartos de onda a través de los
cuales pasa por lo menos una parte de la luz en el interior del
circuito óptico que debe ser emitida por el circuito óptico,
en el que la luz que sigue la primera y la
segunda trayectoria luminosa pasa a través de la misma parte del
circuito óptico.
2. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según la reivindicación 1, en el que el circuito
óptico es un conducto de luz (2).
3. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según la reivindicación 1 ó 2, en el que están
dispuestos medios de retardador (24) en ambas primera y segunda
trayectorias luminosas.
4. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en el que los medios retardadores (24) están situados en la zona de
salida (8) del circuito óptico.
5. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el
que los medios retardadores (24) están situados en la zona de
entrada (4) del circuito óptico.
6. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en el que los medios retardadores (24) son un retardador de un
cuarto de longitud de onda o un múltiplo impar de un cuarto de onda,
o un número de retardadores que colaboran conjuntamente para formar
un retardador de un cuarto de onda o un múltiplo impar de un cuarto
de onda; por ejemplo, los medios retardadores (24) están formados
por dos retardadores de un octavo de longitud de onda.
7. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en el que los medios retardadores (24) son un retardador de banda
ancha.
8. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en el que los medios polarizadores reflectantes (10) son un divisor
polarizante del haz (42).
9. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el
que los medios polarizadores reflectantes (10) son un polarizador
de rejilla de alambre.
10. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
que comprende además unos medios de despolarización para
despolarizar la luz.
11. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según la reivindicación 10, siendo emitidos los rayos
luminosos desde una fuente luminosa que tiene electrodos, en el que
los medios de despolarización comprenden plasma entre los
electrodos de la fuente luminosa, o medios de despolarización en
cualquier otra parte de la segunda trayectoria luminosa.
12. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización para producir un haz de luz sustancialmente
polarizada, desde un haz de luz no polarizada que comprende una
primera y una segunda polarizaciones, comprendiendo el
dispositivo:
un circuito óptico que tiene una zona de entrada
(4) para recibir los rayos de luz entrantes, y una zona de salida
(8) para permitir que los rayos de luz salgan del circuito óptico,
teniendo la zona de entrada (4) un lado interior con una abertura,
unos medios de un polarizador reflectante (10) en la zona de salida
(8) del circuito óptico para dirigir los rayos de luz que tengan la
primera polarización (18) a lo largo de una primera trayectoria
luminosa y para dirigir en el interior del circuito óptico los rayos
de luz que tengan la segunda polarización (20), siguiendo los rayos
de luz que tengan la segunda polarización (20) una segunda
trayectoria luminosa en el interior del circuito óptico,
un espejo (22) en el lado interno de la zona de
entrada (4) del circuito óptico que tiene medios para reflejar los
rayos de luz que sigan la segunda trayectoria luminosa y que
incidan sobre el mismo, y
unos medios de despolarización para despolarizar
la luz, estando los medios de despolarización por lo menos en la
segunda trayectoria luminosa.
13. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según la reivindicación 12, en el que el circuito
óptico es un conducto de luz (2).
14. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según la reivindicación 13, en el que los medios de
despolarización comprenden un material birrefringente en la sección
del conducto de luz (2) o un material birrefringente en cualquier
superficie 30 interna del conducto de luz.
15. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14,
siendo emitidos los rayos luminosos desde una fuente luminosa que
tiene electrodos, en el que los medios de despolarización
comprenden plasma entre los electrodos de la fuente luminosa.
16. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11, o 13
a 15, en el que el conducto de luz (2) es una estructura hueca con
superficies internas recubiertas de espejos, o el conducto de luz
(2) es una varilla sólida en la cual las reflexiones en las
superficies laterales están basadas en la reflexión interna de la
luz con un elevado ángulo de incidencia, o el conducto de luz (2)
es una varilla de cristal (26), teniendo el conducto de luz (2) una
sección constante, o teniendo el conducto de luz (2) una conicidad
hacia la zona de salida (8).
17. Dispositivo óptico de recuperación de la
polarización según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
en el que los medios de polarizador reflectante (10) comprenden un
polarizador de líquido colestérico (46).
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