JP2005500582A - 所定の偏光状態の光の生成のための方法。 - Google Patents

Abstract

入口における偏光状態感知型のビームスプリッタに光が当てられ、該所定の偏光状態の光が第１の出口におけるビームスプリッタから放射され、該所定の状態から逸脱した偏光状態の光がこの状態について変更され、そして放射される、所定の偏光状態の光の生成のための方法。さらに、本発明は偏光子装置、照明装置、投影システムならびにそれらの使用に関する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、入口における偏光状態感知型のビームスプリッタに光が当てられ、該所定の偏光状態の光が第１の出口におけるビームスプリッタから放射され、該所定の状態から逸脱した偏光状態の光がこの状態について変更され、そして放射される、所定の偏光状態の光の生成のための方法に関する。さらに、本発明は偏光子装置、照明装置、投影システムならびにそれらの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６１３９１５７号明細書から、冒頭に記載された種類の方法ならびにこの方法に従って作動する照明システムが公知である。光トンネルならびにレンズ系の通過の後に、偏光されていない光が偏光状態感知型のビームスプリッタに供給される。供給された偏光されていない光のうち所定の偏光状態に偏光されている部分はビームスプリッタの第１の出口で放出されるのに対して、この偏光されていない光のうち所定の偏光状態から逸脱している部分はこの状態に関して変更されかつビームスプリッタの第２の出口で放出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この処理には次の欠点がある：最終的に所定の状態に偏光させた光がビームスプリッタの２つの別個のエリアないしは出口から出るために、次の照明光学機器は両方のエリアからの光の正確な一致のために設計されていなければならず、このことによってシステム全体が比較的フレキシブルではなくかつかさばることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の課題は、上記欠点を取り除く方法ならびにこの方法に従って作動する偏光子装置を提供することである。
【０００５】
これは、冒頭に記載の方法において、変更した偏光状態での光を偏光感知型のビームスプリッタの入口に改めて当てることによって解決される。
【０００６】
このことによって実際に全ての偏光されていない光が最終的に所望の偏光状態でビームスプリッタを出ることが達成される。これは、光が少なくとも近似的に所定の偏光状態を示しかつさらに同じく第１の出口でビームスプリッタを出るまでの間、光が第２の出口において放出されかつ回転されからである。
【０００７】
極めて有利な実現の可能性を開示する、例えば以下に示されるような、本発明による方法の有利な実施形態の場合には、光の偏光状態は反射によって、好ましくは多重反射によって、変更される。
【０００８】
特に好ましくは前述の反射による状態の変更に結びつきうる、他の有利な実施形態の場合において、光の偏光状態は、好ましくは、少なくとも１つのリターダー要素を用いた、前もって決定された遅延によって変更される。
【０００９】
米国特許第６１３９１５７号明細書から、ビームスプリッタに供給される光を先ず光源から反射鏡で、光トンネルの開口に焦点を合わせ、そして光の強度の分散を光トンネルのその周囲の内面における多重反射効果によって出口側で均一化することが公知である。従って、ビームスプリッタに供給される偏光されていない光のために多重反射を伴った区間を強度の均一化という理由から設けることもまた公知である。
【００１０】
本発明による方法の極めて有利な実施形態の場合には、光は偏光状態感知型のビームスプリッタに当てられる前に同じく、反射する周囲部を有する光トンネル−モジュールを通して導かれ、そして所定の偏光状態に対して垂直な状態の光は光源の反対の端から光トンネル−モジュール中に導かれ、そしてそこで反射される。したがって、偏光されていない光のうち所定の状態に偏光されなかった光の部分をその偏光状態に関して変更して、そして再びビームスプリッタの入口に供給するために、強度の均一化という理由から偏光されていない光のために備えられた光トンネル−モジュールが同時に使用される。このことによって本発明による装置の極めてコンパクトかつ簡単な実現が得られる。
【００１１】
好ましくは、モジュールにおける光が当てられる少なくとも１つのエリアに少なくとも１つの所定の、限定された偏光状態の変更を生じさせる要素、好ましくは少なくとも１つのリターダープレートが備えられる。
【００１２】
他の有利な実施形態の場合にはビームスプリッタの入口に当てられる光は光源と反射鏡を使って得られ、かつ所定の偏光状態に対して垂直な状態の光の少なくとも一部は少なくとも同じく、反射鏡において反射され、そしてそこで反射される光は偏光状態感知型のビームスプリッタの入口に供給される。
【００１３】
上記装置は、上記の反射鏡で実際的に光トンネル−モジュールの開口に対する閉じられたエリアが得られ、その結果、いずれの場合にもビームスプリッタの第２の出口に由来しかつ光トンネルの開口を通して出てくる光の部分が失われるのではなく、反射鏡によって再び光トンネル−モジュールの中に反射されるという点で、前述の光トンネル−モジュールを備えることとの組み合わせに特に適当である。この場合において、好ましくは、反射鏡はウルブリヒト球に似せて形成されていてもよい。
【００１４】
上記装置の他の有利な実施形態の場合には反射鏡の表面においても所定の偏光状態の変化をもたらす要素が備えられる。
【００１５】
請求項９〜１６に記載された有利な実施形態とともに、本発明による偏光子装置が請求項８に記載されている。本発明による照明装置が請求項１７に、および本発明による投影システムが請求項１９に記載されている。本発明による装置ならびにまた本発明による方法は、プロジェクターないしは照明器具の分野での使用に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明を例として図を参照しながら詳説する。
【００１７】
図１に基づいて先ず本発明の基本的な原理を詳述することとする。これは、光学的な機能ブロック／信号フロー図に基づいている。例えば通常プロジェクター光源から出てくるような、偏光されていない光Ｌが、偏光状態感知型のビームスプリッタ要素１の光学的な入口Ｅ₁に供給される。この偏光方向感知型のビームスプリッタ１は、その光学的な出口Ａ₁において、偏光されていない光Ｌの部分Ｌ_Pを放出し、これは、例えばＰ偏光されている、所定の偏光状態を有する。Ａ₁で放出された光の偏光状態Ｐに関して垂直の偏光状態を有する、つまり下記の例でＳ偏光されている、偏光されていない光Ｌの部分Ｌ_Sは、偏光状態感知型のビームスプリッタ１から、その第２の光学的な出口Ａ₂において放出される。上記の光Ｌの１つの部分、つまり例えばＬ_P、は通常、偏光フィルター層システムを通して偏光状態感知型のビームスプリッタ１に伝送され、ここでは異なって、例えばこの場合にはＬ_S、反射する。
【００１８】
光学的な出口Ａ₁において所望の偏光状態での光Ｌ_Pが出ていく。偏光状態感知型のビームスプリッタ１の光学的な出口Ａ₂において出ていく光Ｌ_Sは、偏光状態回転−ないしは変更要素３においてその偏光状態が変更ないしは回転され、そして偏光状態感知型のビームスプリッタ１の光学的な入口Ｅ₁に再び供給される。このことによって最終的に所望の偏光状態、例えばＰ、をもって、ビームスプリッタ１に供給された最初は偏光されていない事実上全ての光ＬがＬ_Pとして出ていく。
【００１９】
図２で示したように、有利に偏光状態−回転要素３が、図１のとおりに光学的な出口Ａ₂において出ている光Ｌ_Sが多重反射されることによって、実現されることができる。反射によって通常は、光の偏光状態は達成されないままである。しかしながら、光Ｌ_Sの偏光状態がただわずかしか回転されない場合にも、またもや部分はＰ偏光され、そして出口Ａ₁において部分Ｌ_Pとして放出される。残りの部分は、その偏光状態が要求されるＰ偏光に一致するまで、装置３の全体にわたるできるだけ多くの経路を必要とする。
【００２０】
図２で示したように、偏光状態の回転は装置３において別々になっている偏光方向−回転要素、例えば特にいわゆる「リターダー」要素、を有利に付加的に備えることによって強化することができ、この要素によって図１の原理に続いて先ず光Ｌ_Sのλ／２の遅延、すなわち偏光方向の９０°の回転が導入される。
【００２１】
図２のブロック３で概略的に、一方では光Ｌ_Sのための多重反射装置６が示されており、他方では斜線を入れて、組み込れた付加的な別々になっている偏光方向−回転要素、例えばリターダープレート８が示されている。
【００２２】
冒頭で述べたとおり、多くの使用分野で、例えば特にプロジェクターにおいて、しばしば所望されることであるが、強度の分散が可能な限り均一である光線が用意されなければならない。このために、同じく冒頭で述べたように、光源の非常に小さいエリアから来る光が最初に光トンネルに供給され、それにおいてこの光源から来る光の多重反射によって出口側で、通常イメージング要素の形式に適合させた均一な強度の分散が準備される。
【００２３】
しかしながら、今度は、偏光状態感知型のビームスプリッタ１の入口側で入口の光Ｌを均一化という理由から多重に反射するモジュールが備えられている場合には、図３にまたもや概略的に示されているように、この備えられた多重反射モジュールは、好ましくは同時に偏光方向−回転モジュールとして、図１および図２の要素３と同様にして使用される。
【００２４】
図３によれば、光Ｌ_eは多重反射モジュール３ａに、前述のとおり、例としてかつ好ましくは光トンネルの光学的な入口Ｅ_3aに入射しかつ多重反射の後に、強度が均質化されて偏光状態感知型のビームスプリッタ１の入口Ｅ₁に供給される。
【００２５】
今度は光学的な入口Ｅ₁とまったく同じ光学的な出口Ａ₂において、所望の偏光状態を示さない光Ｌ_Sは、多重反射要素３ａの出口Ａ_3aに導き戻され、この場合、多重反射の後に逆向きに反射され、そして光Ｌの部分として今度は偏光方向が回転されて再び偏光感知型のビームスプリッタ１に供給される。このようにして、すでに強度の均一化という理由から備えられた、まだ説明されるように、再び特定の、別々になっている例えばリターダープレートといった偏光方向−回転要素が備えられていてもよい多重反射モジュール３ａは、図１または図２のブロック３に基づいて説明したように、本発明によれば備えられるべき偏光状態回転装置を実現するためにも使用される。
【００２６】
図４には、図３に基づいて説明された有利な実施の原理の有利な実施形態が示されている。Ｌ_eは、例えば投影光源から、光トンネル３ａの入口Ｅ_3aにおける開口７を通って中に入り、そして、この光が光トンネルの光軸Ａに対してし近似的にも平行に走らない場合には、光トンネル３ａの高い反射性の周囲の内部壁９において１回あるいは数回反射する。
【００２７】
この入射した光ないしは例としてのその光路は、図４に斜線で書き込まれている。
【００２８】
好ましくは直接光トンネル３ａの出口Ａ_3aにおいて、偏光状態感知型のビームスプリッタ１ａが備えられており、この光学的な出口Ａ_1aにおいて所望の偏光状態および均一に分散した強度を有する光Ｌ_Pが出てくる。
【００２９】
図３についての説明に続いて、所望の偏光状態−この場合にはＰ−から逸脱して偏光された光Ｌ_Sが光トンネル３ａの中に、例としてかつ引き延ばされたラインで示された光路が図４に書き込まれているとおり、光トンネル３ａ中に引き戻され、そこではこの光は多重反射の後で最終的に、開口７を取り囲む反射性に形成された内側の光トンネル終端部１１において反射し、先ず多重反射によって、回転された偏光状態を伴って再び光トンネルの出口Ａ_3aにおいて偏光状態感知型のビームスプリッタ１ａに供給される。したがって上記の回転の後に再び所望の方向ないしは所望の状態に偏光された光は、光Ｌ_Pの部分としてビームスプリッタ１ａから出る。終端部１１の反射する内部の壁は、この場合にはビームスプリッタ１ａにおいての反射面ないしはその中間の位置Ｅ’（図５参照）対して平行に向けられている。
【００３０】
図４による実施の有利な実施形態の場合には、入口の開口７と光トンネル３ａの出口Ａ_3aないしは偏光状態感知型のビームスプリッタ１ａの入口との間に、１つもしくはそれ以上の光学要素が備えられており、これら光学要素によって偏光状態の別々になっている、所定の回転が生じる。図４に斜線で示されているように、このような偏光状態−回転要素、例えばかつ好ましくはλ／４−リターダープレート、は光トンネル３ａの断面において１３ａの場合に示されているように定められていてもよいし、および／または、光トンネル３ａの周囲壁部において１３ｂの場合に示されているように定められていてもよいし、および／または、光トンネル３ａの入口の開口７を定義する入口側の終端部１１において図４で１３ｃの場合に示されているように定められていてもよい。いずれにしても入口の開口７を囲んでいる終端部１１にこのような偏光状態−回転要素、特にλ／４−リターダープレートが−１３ｃの場合に記入されているように−備えられることは有利である。λ／４−リターダー区間の２回の通過に基づいて光Ｌ_Sはそれにおいて９０°の偏光状態の回転を受ける。
【００３１】
すでに図４で示したように、好ましくは−が寄港したことを証明する偏光状態感知型のビームスプリッタ１ａとして板状のものが使用される。この場合には現れる光の強度に応じて、プラスチックベースのこのような偏光ビームスプリッタを使用することができるか否か、あるいはガラス基板上のコレステリックフィルターで構成されているビームスプリッタを使用することができるか否か決定されなくてはならない。
【００３２】
しかし、図５でともに示されているように、３つの被覆されたガラスプリズムをベースに形成された偏光ビームスプリッタ１ｂを使用することもできる。
【００３３】
ビームスプリッタ１ｂに入射する光ＬとＬ_Sのできるだけ小さな平行ミスアライメントΔが所望される場合には、好ましくはまた図６に示されているように、今度は１ｃとして符号が付された偏光状態感知型のビームスプリッタは３プリズム構造Ｉ，ＩＩ．．．アレイとして実施される。上記ビームスプリッタの構造が精巧であればあるほど、前述の平行ミスアライメントΔが小さくなる。
【００３４】
図４を見ると、さらに、反射の後に入口の開口７を取り巻いている終端部１１に当たるのではなく、入口の開口７を通って光トンネルを出る光Ｌ_Sが失われていることがわかる。図７には、本発明によるプロジェクターの例の範囲内でのこの問題の解決が示されている。光源１７の光を入口の開口７に焦点を合わせている反射鏡１５は、偏光状態感知型のビームスプリッタ１ａないしは１ｂまたは１ｃからのこの光が該システムから漏れることができないように、かつまた反射鏡１５において光トンネル３ａ中に反射されるように形成されている。この場合には反射鏡１５は本質的にウルブリヒト球の形に相応して設計することができる。
【００３５】
特に本発明によるプロジェクターは既述の要素とともに、色シャッター１９ならびにレンズ系２１を、すでに本発明によれば備えられた偏光状態感知型のビームスプリッタ１ａがあるという理由から必ずしも偏光状態感知型のビームスプリッタとして設計されている必要はないもう１つのビームスプリッタ２３とともに含む。最後に符号２７が投影レンズに付されている。
【００３６】
さらに、例えば図７に基づいて示されかつ記述されたような反射鏡１５に、別々になっている偏光方向−回転要素が備えられていてもよく、図７では１３ｄの符号が付されている。
【００３７】
図７で好ましくは備えられた、例えば色に対して選択的な３つの透過領域（図示されていない）を有する、例えば赤、緑、そして青を選択的に透過させる、色シャッターを用いて光Ｌ_Pの色変調が行われる。好ましくは色シャッター１９はカラーホイールとして形成されている。イメージング要素２５として好ましくは反射で作動する光弁のアレイが備えらる、この場合にはピクセルごとに、かつ色シャッター１９が備えられている場合にはこれとタイムシンクロして投影画像におけるそれぞれのピクセル輝度が制御される。
【００３８】
この偏光状態感知型のビームスプリッタは、波長帯域Δλ₁の光を第１の偏光状態では透過させ、そしてこれに対して垂直な、第２の偏光状態の場合に反射し、その一方でもう１つの波長帯域Δλ₂の光を第２の偏光状態では透過させ、そして第１の偏光状態の場合に反射する要素であることができる。
【００３９】
上記スプリッタからはこの場合には波長依存の偏光状態を有する光が出ていく。このような波長に依存する偏光分布は、しばしばプロジェクター、特に、反射型ＬＣＤをベースとするプロジェクターにおいて必要とされる。この場合には偏光状態感知型の要素は、リターダーのスタックと下流に接続された偏光ビームスプリッタとで構成されていてもよく、これらは共同して波長選択的な偏光状態感知型のビームスプリッタとして機能する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】光学的な機能ブロック／信号フロー図に基づいて、本発明による偏光子装置が作動する基準ともなる、本発明による方法の原理を示す。
【図２】図１の機能ブロック／信号フロー図と同様の表示で、偏光回転−ないしは変更モジュールの有利な実施形態をしめす。
【図３】図１および図２と同様の表示で、同じアセンブリが光強度の分散の均一化ならびに本発明によれば使用される偏光回転−ないしは変更に使用される、本発明による方法ないしは本発明による装置の有利な実施形態を示す。
【図４】図３に基づいて示された装置の有利な実施形態を示す。
【図５】備えられた偏光状態感知型のビームスプリッタの第１の有利な実施形態を示す。
【図６】本発明によれば使用される偏光状態感知型のビームスプリッタの他の有利な実施形態を示す。
【図７】概略的に、他の有利な実施形態での本発明による方法ないしは本発明による偏光子装置が使用された本発明による投影装置を示す。

Claims (20)

1. 偏光状態感知型のビームスプリッタ（１）に入口（Ｅ₁）にて光（Ｌ）が当てられ、該所定の偏光状態（Ｐ）の光（Ｌ_P）が該ビームスプリッタ（１）から第１の出口（Ａ₁）にて放射され、該所定の状態（Ｐ）に対して垂直の偏光状態（Ｓ）の光（Ｌ_S）がこの状態について変更され、そして放射される、所定の偏光状態の光の生成のための方法において、変更した偏光状態での光を偏光感知型のビームスプリッタの前記入口（Ｅ₁）に改めて当てることを特徴とする、所定の偏光状態の光の生成のための方法。
2. 偏光状態を反射、好ましくは多重反射によって変更することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 偏光状態を前もって決定された遅延によって、好ましくは少なくともリターダー要素を用いて変更することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 光を偏光状態感知型のビームスプリッタの入口に当てられる前に、反射する周囲部を有する光トンネル−モジュールを通して導き、そして所定の偏光状態に対して垂直な状態の光を該モジュール中に導き、そしてそこでの反射の後に該入口に供給することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. モジュールにおける光が当てられる少なくとも１つのエリアに所定の偏光状態の変更を生じさせる要素、好ましくは少なくとも１つのリターダープレートを備えることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 光を光源と反射鏡を使って生じさせ、かつ所定の偏光状態に対して垂直な状態の光の少なくとも一部を少なくとも同じく反射鏡で反射させ、かつそこで反射した光を偏光状態感知型のビームスプリッタの入口に供給することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 反射鏡の表面に所定の偏光状態の変化をもたらす要素、好ましくはリターダープレート構造を備えることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. その光学的な入口（Ｅ₁）に光（Ｌ）が当たり、所定の偏光状態（Ｌ_P）の光が第１の光学的な出口（Ａ₁）にて出て、そして該偏光状態に対して垂直の偏光状態（Ｌ_S）の光が第２の光学的な出口（Ａ₂）にて出る偏光状態感知型のビームスプリッタ（１）を備えた偏光子装置であって、該第２の光学的な出口（Ａ₂）と偏光状態変更モジュール（３）の光学的な入口（Ｅ₃）とが連携しており、該偏光状態変更モジュール（３）の光学的な出口（Ａ₃）が前記偏光状態感知型のビームスプリッタ（１）の光学的な入口（Ｅ₁）と連携していることを特徴とする、偏光子装置。
9. モジュール（３）の入口（Ｅ₃）と出口（Ａ₃）の間で光が、好ましくは複数回反射されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. モジュール（１３）が、偏光状態を所定の角度で変更する少なくとも１つモジュール、好ましくは少なくとも１つのリターダープレートを含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の装置。
11. 前記ビームスプリッタ（１）の入口（Ｅ₁）と第２の出口（Ａ₂）が該ビームスプリッタ（１）の同じエリア形成されていることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記ビームスプリッタ（１）の入口（Ｅ₁）と光トンネルモジュール（３ａ）の出口（Ａ_3a）が連携しており、その際、該出口（Ａ_3a）が入口として該ビームスプリッタの第２の出口（Ａ₂）と連携していることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれかに記載の装置。
13. 光トンネルモジュール（３ａ）の入口に、開口（７）を有する内反射性の終端部（１１）が備えられていることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 光トンネルモジュール（３ａ）内に、前もって決定された偏光状態変化をもたらす少なくとも１つのモジュール（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）が備えられていることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の装置。
15. 前記ビームスプリッタがプリズム装置、反射偏光フィルムまたはコレステリック偏光子を含むことを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれかに記載の装置。
16. ビームスプリッタから第１の出口にて放出される光が所定の偏光状態でその波長に依存して放出されることを特徴とする、請求項８〜１４のいずれかに記載の装置。
17. 光トンネルモジュールに入口側で、反射鏡（１５）を有する光源（１７）が上流接続されており、その際、該反射鏡（１７）が光トンネルモジュールに対して少なくともほとんど閉じた空間を定義することを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれかに記載のビームスプリッタ装置を備えた照明装置。
18. 前記反射鏡に所定の偏光方向変化をもたらす構造（１３ｄ）が備えられていることを特徴とする、請求項１７に記載の照明装置。
19. 請求項１２〜１６のいずれかに記載の装置あるいは請求項１７または１８に記載の照明装置ならびに、前記ビームスプリッタの入口（Ｅ₁）に上流接続された色シャッター（１９）を備えた投影システム。
20. 投影装置のための、請求項１〜７のいずれかに記載の方法、および／または請求項８〜１６のいずれかに記載のビームスプリッタ装置、および／または請求項１７または１８に記載の照明装置の使用。