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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanlage für polarisiertes Licht. Sie
kann beispielsweise bei der Beleuchtung von Raumlichtmodulatoren
eingesetzt werden, die polarisiertes Licht brauchen, um wirkungsvoll
arbeiten zu können.
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Bestimmte
Vorrichtungen arbeiten tatsächlich
mit in einer einzigen Richtung linear polarisiertem Licht. Dies
trifft beispielsweise für
Flüssigkristallbildschirme
zu, die flüssige
Kristallmodulatoren benutzen, um Informationen und/oder Bilder anzeigen
zu können.
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Bei
solchen Systemen sind mehrere Lösungen
möglich.
Es kann eine polarisierte Lichtquelle (Laser) benutzt werden, die
aber gute Polarisierungsstabilität
bieten und genügend
Lichtstärke
haben muss.
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Es
kann ebenfalls eine nicht polarisierte Lichtquelle benutzt werden,
es müssen
aber in diesem Fall die beiden Polarisationen des Lichts getrennt
werden. Das in eine erste Richtung polarisierte Licht wird direkt
oder fast direkt verwendet. Zur Vermeidung von Energieverlusten,
die durch das polarisierte Licht getragen wird in einer zweiten
Richtung senkrecht zur ersten Richtung und zur Vermeidung auf diese
Art nur die Hälfte
der Leistung der Lichtquelle zu benutzen, wird dieses Licht einer
Bearbeitung unterzogen, die es erlaubt dessen Polarisation um 90° zu drehen,
so dass sie nach der ersten Richtung polarisiert wird.
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Dazu
baut man in die Strecke des zu bearbeitenden Lichts eine Vorrichtung
ein, genannt Λ/4 – Plättchen,
deren Effekt es ist, die Polarisation des Lichts um 90° zu drehen.
Es ist Stand der Technik, dass die Λ/4 – Plättchen die Form eines Films
aus Polymermaterial haben können,
jedoch hat ein solcher Film den Nachteil, durch Hitze zerstört zu werden
und man beispielsweise bei der Flüssigkristallanzeige eine nicht
vernachlässigbare
Energie benötigt, um
ein Bild darzustellen. Das Λ/4 – Plättchen kann auch
die Form eines Quarzplättchens
haben. Eine solche Anordnung zeigt den Nachteil nicht achromatisch
zu sein und stellt für
Farbsysteme einen erheblichen Nachteil dar (siehe zum Beispiel die
in der Veröffentlichung
EP 0 431 894 1 beschriebene
Vorrichtung).
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Die
Erfindung hat also zum Ziel ein Beleuchtungssystem zu schaffen,
mit den Eigenschaften temperaturstabil zu sein und keine, bzw. fast
keine chromatischen Verzerrungen hervorzurufen.
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Die
Erfindung bezieht sich demnach auf eine optische Beleuchtungsvorrichtung
mit polarisiertem Licht und schliesst ein:
- – eine Lichtquelle,
die einen ersten Lichtstahl aussendet,
- – eine
optische Vorrichtung zur Polarisation vom Typ Fresnel-Rhombus, die
durch eine Eintrittsfläche
den ersten Lichtstrahl empfängt,
der mindestens zwei Mal durch zwei dieser optischen Polarisationsvorrichtung
gegenüberliegenden
Flächen zurück geworfen
wird und über
eine Austrittsfläche
mindestens einen zweiten Strahl erzeugt.
- – ein
reflektierender Polarisator, der gegenüber der Austrittsfläche der
Fresnel-Rhombus Polarisationsvorrichtung angeordnet ist, um den
zweiten Lichtstrahl so zu empfangen, dass das linear polarisierte
Licht nach einer ersten Richtung durchgelassen wird und das Licht
aller anderen Polarisationen zurück
geworfen wird.
- – eine
Reflexionsvorrichtung die zwischen der Eintrittsfläche der
Polarisationsvorrichtung und der Lichtquelle so angeordnet ist,
dass sie den ersten Lichtstrahl passieren lässt, aber das vom reflektierenden
Polarisator zurück
geworfene Licht widerspiegelt.
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Diese
nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung erstellte Beleuchtungsvorrichtung beinhaltet ebenfalls:
- – eine
erste optische Führung,
die eine Eintrittsfläche
hat, um den ersten Lichtstrahl audzunehmen, eine Austrittsfläche, die
senkrecht zu ihrer optischen Achse der Eintrittsfläche gegen
die Eintrittsfläche
der Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung gedrückt ist, wobei der Querschnitt
der ersten Führung
ungefähr
die gleichen Abmessungen wie die Eintrittsfläche aufweist.
- – Sowie
eine zweite optische Führung,
die eine Eintrittsfläche
hat, die gegen die Austrittsfläche der
Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung gedrückt ist und eine Austrittsfläche, die
in die Richtung des reflektierenden Polarisators des von der Quelle
empfangenen Lichts strahlt, wobei die optische Achse der zweiten
optischen Führung senkrecht
zur Austrittsfläche
der Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung steht und der Querschnitt
der zweiten Führung
ungefähr
die gleichen Abmessungen wie die Eintrittsfläche aufweist.
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Nach
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung arbeitet die eine oder die andere oder beiden Führungen
als Lichtintegratoren.
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Man
kann die Austrittsfläche
der Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung in einer der durch die
Beleuchtungsvorrichtung zu beleuchtenden Oberfläche ähnlichen Form vorsehen. Die
Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung hat einen rechteckigen oder
quadratischen Querschnitt, die optischen Führungen haben vorzugsweise
rechteckige oder quadratische Querschnitte. Man kann folgende Anordnungen
auch unabhängig
voneinander oder in Kombination miteinander vorsehen:
- – der
reflektierende Polarisator wird gegenüber der Austrittsfläche der
zweiten Führung
angeordnet;
- – der
reflektierende Polarisator wird im Verhältnis zu den beiden sich gegenüber liegenden
Flächen der
optischen Polarisatorvorrichtung in einem Winkel von 45° angeordnet;
- – die
Reflexionsvorrichtung ist auf der Eintrittsfläche der Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung oder
der Eintrittsfläche
der ersten optischen Führung
angeordnet;
- – mindestens
die beiden sich einander gegenüber liegenden
Flächen
der optischen Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung üben beim
Passieren des Lichtstrahls durch die optische Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung
auf einen Lichtstrahl eine vollständige Phasenverschiebung um
90° zwischen
den Polarisatorkomponenten S und P aus;
- – die
Reflexionsvorrichtung enthält
eine Schicht aus reflektierendem Material und weist ein nicht reflektierendes
Gebiet auf, damit der der erste Lichtstrahl (10) durchtreten
kann;
- – die
Lichtquelle besitzt einen durch eine Lichtquelle beleuchteten Reflektor
und fokussiert das Licht in der Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung;
- – die
Achse des ersten Lichtstrahls deckt sich mit der Achse der ersten
optischen Führung;
- – der
erste Lichtstrahl ist nicht kollimiert;
- – der
erste Lichtstrahl ist konvergent;
Letztendlich ist die
Erfindung in einem Anzeigesystem einsetzbar, das eine Anzeigevorrichtung
hat, die gegenüber
dem reflektierenden Polarisator liegt, um so von dem durch den reflektierenden
Polarisator geschickte Licht beleuchtet zu werden.
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Die
verschiedenen Inhalte und Eigenschaften der Erfindung kommen in
der folgenden Beschreibung besser zur Geltung, die als nicht limitierendes Beispiel
und in den beiliegenden Abbildungen gemacht wurde, darin stellt
dar:
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die 1 ein
allgemeines Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanlage,
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die 2a und 2b eine
Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung,
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die 3 ein
detailliertes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 soll zuerst ein allgemeines
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschrieben werden.
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Diese
Vorrichtung beinhaltet:
- – eine Lichtquelle (1),
die einen Lichtstrahl (10) mit nicht polarisiertem Licht
ausstrahlt;
- – eine
Lichtintegrator- und Polarisatorvorrichtung 3/4/5;
- – einen
reflektierenden Polarisator (6) entsprechend ausgerichtet,
um das linear polarisierte Licht in einer Polarisationsrichtung
durchzulassen;
- – eine
Reflexionsvorrichtung (44), die zwischen der Lichtquelle
(1) und der Integrator-/Polarisatorvorrichtung liegt, wobei
diese Reflexionsvorrichtung den Durchgang des Strahls (10)
in der Integrator-/Polarisatorvorrichtung erlaubt, aber das entgegenkommende
Licht reflektiert, wie anschliessend beschrieben werden wird;
- – ein
Gegenstand 2 der mit polarisiertem Licht beleuchtet werden
soll;
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Die
Integrator-/Polarisatorvorrichtung 3/4/5 hat
einerseits zur Aufgabe eine gleichmässige rechteckige Beleuchtung
aus einer nicht rechteckigen Quelle zu erzeugen, und andererseits
das Licht zu polarisieren, wie in der folgenden Beschreibung aufgezeigt
werden wird. Die Integrator-/Polarisatorvorrichtung 3/4/5 enthält in ihrem
Herzstück
hauptsächlich
eine Fresnel Rhombus Polarisatorvorrichtung (3), die dem
Stand der Technik entspricht. Man kann eine Beschreibung einer derartigen
Vorrichtung in der Ausgabe OPTICS, zweite Ausgabe – von Eugène HECHT – Addison-Wesley
Verlags – Gesellschaft Inc. – 1987 finden.
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Diese
Vorrichtung hat mindestens 2 Flächen, die
von einem eintretenden Strahl mindestens zwei Reflexionen erlauben.
Dies ist beispielsweise in den 2a und 2b dargestellt
und kann in der Form eines Parallelepipeds gestaltet werden, dessen beide
Seitenflächen
(35) und (36) eben sind. Die Eintrittsfläche (30)
der Vorrichtung (3) bildet so mit den Seitenflächen einen
Winkel, dass ein über
die Eintrittsfläche
(30) in die Führung
eintreffender Lichtstrahl unter quasi normalem Einfall auf einer
Seitenfläche 35 eine
erste Reflexion erfährt,
dann eine zweite Reflexion auf der der ersten Seitenfläche gegen über liegenden
Seitenfläche 36,
um dann auf die Austrittsfläche 31 geführt zu werden.
Vorzugsweise steht die Austrittsfläche annähernd im rechten Winkel zur
Ausgangsrichtung des Lichtstrahls und ist damit parallel zur Eintrittsfläche (30).
Die Neigung der Vorrichtung im Verhältnis zum Einfallswinkel des
Eintrittslichtstrahls wird als Funktion des Brechungsindexes des
Materials der Vorrichtung (5) berechnet, um die beiden
vorhergehenden Reflexionen innerhalb der Vorrichtung zu haben und
um die anschliessend beschriebene Funktionsweise zu erzielen.
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Die
Funktionsweise einer solchen Vorrichtung nach Fresnel Rhombus basiert
auf einer doppelten Reflexion des über die Fläche (30) eintretenden Lichts,
wobei die Phasenverschiebung jeder totalen Reflexion zwischen den
Polarisationen P und S für
einen zur Eintrittsfläche
(30) deutlich senkrechten mittleren Strahl in der Grössenordnung
von 45° liegt. Deshalb
wird beim Durchgang des Strahls durch die Vorrichtung (3)
die totale Phasenverschiebung zwischen P und S 90° betragen.
Es ergibt sich daraus, dass nach der Polarisation des einfallenden
Strahls die Wirkung der Vorrichtung (3) wie folgt sein
kann:
- – für eine Polarisation
des eintretenden linearen Lichts bei +45° (gleiche Amplitude von P und
S und Phasenverschiebung zwischen P und S gleich null), wird die
Polarisation am Austritt rechtsdrehend zirkular sein.
- – bei
einer rechtsdrehenden zirkularen Polarisation (Amplitude von P und
S sind gleich und Phasenverschiebung zwischen P und S von 90°), wird die
Polarisation am Austritt linear bei –45° liegen.
- – bei
einer linksdrehenden zirkularen Polarisation (Amplitude von P und
S sind gleich, Phasenverschiebung zwischen P und S von –90°), wird die Polarisation
am Austritt linear bei 45° liegen;
- – bei
einer linearen waagerechten Polarisation wird die Endpolarisation
unverändert
sein;
- – bei
einer linearen senkrechten Polarisation wird die Endpolarisation
unverändert
sein;
- – bei
irgendeiner linearen Polarisation (Phasenverschiebung Null) wird
die Polarisation am Austritt elliptisch aber nicht zirkular sein.
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Deshalb
verlässt
im Fall eines ankommenden nicht polarisierten Strahlenbündels (Strahlenbündel von
der Lampe 1 geliefert), das Licht, das zum ersten Mal die
Vorrichtung (3) durchläuft,
die Fläche (31)
hauptsächlich
als nicht polarisiertes Licht. Der reflektierende Polarisator (6)
ist entsprechend angeordnet, um das polarisierte Licht in einer
Polarisationsrichtung durchzulassen. So beträgt zum Beispiel die Ausrichtung
des reflektierenden Polarisators (6) vorzugsweise 45° im Verhältnis zu
den Reflexionsflächen
(35, 36) der Vorrichtung 3. Das nicht
durchlaufende Licht wird vom reflektierenden Polarisator (6) zurück geworfen,
der linear polarisiertes Licht in eine Richtung unter 45° zurückwirft.
Unter diesen Bedingungen muss der reflektierende Polarisator so
angeordnet werden, dass die Polarisierungsrichtung des reflektierten
Lichts einen Winkel von 45° mit
der mittleren Lichteinfallebene der Fläche (36) bildet.
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Wie
man auf der 2a sehen kann, wird ein linear
polarisierter Strahl bei seiner ersten Reflexion in eine elliptische
Polarisation verwandelt (auf der Fläche 36), dann in eine
zirkulare Polarisation bei der zweiten Reflexion (auf der Fläche 35).
Dieser Strahl wird dann ins Innere der Vorrichtung (3)
durch die Reflexionsvorrichtung (44) mit einer invers zirkularen
Polarisation reflektiert. In der Vorrichtung (3) wird das
durch die Vorrichtung (44) reflektierte Licht erneut reflektiert
in umgekehrter Richtung durch die Fläche (35) mit einer
elliptischen Polarisation, dann durch die Fläche (36) mit einer
linearen Polarisation die nun senkrecht zur Polarisation des Lichts
steht, das zuvor durch den reflektierenden Polarisator (6) zurück geworfen
wurde. Dieses Licht durchläuft
dann den Polarisator (6).
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In
der 1 sieht man, dass die Polarisationsvorrichtung
(3) die jeweils zwischen zwei Führungen (4) und (5)
liegt, an die Eintrittsfläche
(30) und die Austrittsfläche (31) der Vorrichtung
(3) angefügt
ist. Nach dem Ausführungsbeispiel
in der 1 sind die Eintrittsfläche (41) der Führung (4)
und die Austrittsfläche
(52) der Führung
(5) ungefähr
senkrecht jeweils in Eintritts- und Austrittsrichtung in der zu
verarbeitenden Achse des zu behandelten Lichtstrahls. Die optischen
Führungen
(4) und (5) besitzen die Eigenschaft als Integrator
zu funktionieren und haben vorzugsweise eine parallelepipedale Form.
Wie in der 1 dargestellt ist können ihre
Querschnitte ungefähr
jeweils die gleichen Abmessungen wie die Eintritts – und Austrittsflächen (30)
und (31) der Vorrichtung (3) aufweisen.
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Die
Länge der
Vorrichtung (3) wird, ohne dass dies verbindlich wäre, so berechnet,
dass für
einen mittleren Strahl des Bündels
(10), der in die Vorrichtung durch die Mitte der Fläche (30)
eintritt, die Austrittszone dieses mittleren Strahls vorzugsweise ungefähr im Zentrum
der Austrittsfläche
(31) liegt.
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Ausserdem
sieht man vorteilhafterweise für den
Fall, wo die Vorrichtung (2) der 1, die durch den
behandelten Lichtstrahl beleuchtet werden muss, ein Raumlichtmodulator
ist, vor, dass der Querschnitt der Führung 5 ungefähr die Form
des Raumlichtmodulators, mit einen mehr oder weniger homothetischen
Bezug, hat.
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Außerdem kann
man beider Umsetzung der Reflexionsvorrichtung (44) vorsehen,
dass die Eintrittsfläche
(43) der Führung
(4) oder die Eintrittsfläche (30) der Vorrichtung
(3) für
vom reflektierenden Polarisator zurückgeworfenes Licht reflektierend
ist. Zum Durchlass des einfallenden Strahls (10) ist eine nicht
reflektierende Zone (43) vorgesehen. Im Beispiel der 1 ist
dafür die
Fläche
(41) der Führung (4),
die reflektierend ist, vorgesehen.
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Die 3 stellt
ein detailliertes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
Diese Vorrichtung beinhaltet einen durch eine Lichtquelle (11)
beleuchteten Spiegel (12) und erlaubt Licht in die Führung (4)
einzuspeisen. Dieser Spiegel kann parabolisch sein und die Lichtquelle sitzt
im Brennpunkt des Spiegels. Die Fläche (41) ist so behandelt,
dass sie reflektiert, oder ist für
das vom reflektierenden Polarisator (6) reflektierte Licht
mit einer reflektierenden Oberfläche
(44) beschichtet und besitzt eine nicht behandelte Zone
(43), um den von der Quelle 11 und dem Spiegel 12 gelieferten
Lichtstrahl durchzulassen.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist der in die Führung
(4) eingespeiste Strahl (10) nicht kollimiert,
insbesondere kann er konvergent sein um in die Vorrichtung (3) über die
nicht behandelte Zone (43) eingespeist zu werden. Die Strahlachse
(10) kann an der optischen Achse der Eintrittsführung (4)
ausgerichtet sein, wobei dies nicht bindend ist.
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Die
Beleuchtungsvorrichtung der Erfindung erlaubt demnach linear polarisiertes
Licht in einer einzigen Richtung zu liefern, ohne dabei Erhitzungsprobleme,
oder Farbwertprobleme, die am Anfang der Beschreibung hervorgehoben
wurden, befürchten
zu müssen.
Ausserdem erlaubt die Benutzung der Lichtintergatorführungen
(4) und (5) mit einem einfallenden nicht kollimierten
Strahl (10) eine gleichmässige Austrittsbeleuchtung
zu erhalten und die Form des einfallenden Strahls an die zu beleuchtende Oberfläche anzupassen.
Insbesondere kann der Querschnitt der Austrittsführung eine an die zu beleuchtende
Oberfläche
angepasste Form aufweisen.
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In
der vorhergegangenen Beschreibung und den beiliegenden Abbildungen
wurde berücksichtigt, dass
die Flächen
(35) und (36), auf denen im Inneren der Vorrichtung
(3) die Reflexionen stattfinden, parallel sind. Indessen
kann man diese nach einer Abart der Erfindung als nicht parallel
vorsehen, jedoch müssen
ihre jeweiligen Ausrichtungen so sein, dass ihre nacheinander erfolgende
Phasenverschiebung durch die Reflexionen auf den beiden Flächen (35) und
(36) insgesamt 90° betragen
(während
eines Lichtdurchgangs). Zusätzlich
wurde in der vorangegangen Beschreibung während eines Durchgangs in der
Vorrichtung (3) berücksichtigt,
dass das Licht zwei Mal zurückgeworfen
wird (auf den beiden gegenüber
liegenden Flächen
(35) und (36)), ohne jedoch den Rahmen der Erfindung
zu verlassen, könnte
man eine grössere
Zahl an Reflexionen vorsehen, wobei das Ziel wäre, dass man auf die Polarisationen S
und P des Lichts bei einem Durchgang eine Phasenverschiebung von
90° ausübt. Unter diesen
Bedingungen könnte
die Vorrichtung (3) anders als parallelepipedal sein:
- – die
Flächen
(35) und (36) könnten nicht parallel sein,
- – die
Vorrichtung (3) könnte
eine größere Anzahl an
Reflexionsflächen
für das
Licht im Inneren der Vorrichtung enthalten.
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Im Übrigen könnte man
vorsehen, den reflektierenden Polarisator (6) auf die Austrittsfläche (52) der
Führung
(5) aufzubringen, was zu einer kompakten Vorrichtung führen würde.
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Man
könnte
nach einer Abart des Ausführungsbeispiels
vorsehen, das zu beleuchtende Objekt (2) auf den reflektierenden
Polarisator (6) aufzusetzen. Im Fall eines Einröhrenbetrachtungssystems, wo
das Objekt (2) ein Raumlichtmodulator ist, wie zum Beispiel
ein Flüssigkristallbildschirm,
der durch Transmission beleuchtet ist, könnte man die Abmessungen der
Austrittsfläche
(51) und der Führung
(5) an die Abmessungen des zu beleuchtenden Flüssigkristallbildschirms
anpassen, was ein kompaktes System darstellen würde.