DE69630101T2

DE69630101T2 - Polarisationselement

Info

Publication number: DE69630101T2
Application number: DE69630101T
Authority: DE
Inventors: Ata Rifat HIKMET
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2016-06-01
Also published as: CN1161086A; EP0778956A1; DE69630101D1; US5900977A; CN1119675C; JPH10505435A; WO1997001779A1; EP0778956B1; KR100425641B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Polarisationselement wie in dem beschreibenden Teil von Anspruch 1 dargelegt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Bildprojektionsvorrichtung, bei der mindestens einer der das Bildanzeigefeld umgebenden Polarisatoren als erste oder zweite Schicht eines erfindungsgemäßen Polarisationselements ausgeführt ist, und auf eine Bildprojektionsvorrichtung, bei der der erste Polarisator oder das Bildanzeigefeld zusammen mit dem Polarisator und dem Analysator als ein erfindungsgemäßes Polarisationselement ausgeführt ist.
Zur Polarisierung eines nicht polarisierten Strahlenbündels können alle Arten von Polarisatoren eingesetzt werden. Einer der am besten bekannten Arten ist ein Absorptionspolarisator, der die nicht gewünschte Polarisationsrichtung absorbiert. Ein Nachteil eines derartigen Polarisators besteht darin, dass ca. 50% der Intensität des nicht polarisierten Strahlenbündels verloren geht. Außerdem kann sich bei Verwendung einer Hochleistungs-Strahlungsquelle, beispielsweise in Bildprojektionsvorrichtungen, der Polarisator erheblich aufheizen, was das Material, aus dem der Polarisator besteht, schädigen und die Leistung des Polarisators beeinträchtigen kann. Um die schädlichen Auswirkungen dieser Aufheizung soweit wie möglich einzuschränken, müssen kostspielige Kühlsysteme geschaffen werden, die sich nachteilig auf die Kompaktheit der Vorrichtung auswirken.
Eine andere An eines Polarisators ist ein Polarisationselement des eingangs beschriebenen Typs, der beispielsweise aus der britischen Patentanmeldung GB 2 166 562 bekannt ist. Das in dieser Anmeldung beschriebene Polarisationselement besteht aus einer Schicht, in der sich Bereiche mit einem Flüssigkristallwerkstoff und Bereiche mit einem transparenten, isotropen Werkstoff in einer in der Ebene der Schicht liegenden Richtung abwechseln. Der so gebildete Aufbau kann als Beugungsgitter angesehen werden. Die Hauptachse der Moleküle des Flüssigkristallwerkstoffs ist parallel zu den Rillen des Beugungsgitters ausgerichtet. Durch die Schaffung von Elektroden an den Substraten, zwischen denen das Beugungsgitter gebildet ist, kann die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle und somit die Richtung der Beugung, der das auf das Element treffende Licht unterzogen wird, verändert werden. Ein derartiger Polarisator lässt die gewünschte Polarisationsrichtung durch und bricht die unerwünschte Polarisationsrichtung vom Strahlengang.
Die Gefahr der Beschädigung dieses Polarisatortyps ist wesentlich geringer, da unerwünschtes Licht nicht mehr vom Polarisator absorbiert wird. Ein derartiger Polarisator weist jedoch nach wie vor den Nachteil auf, dass im Wesentlichen die Hälfte der Intensität eines nicht polarisierten Strahlenbündels, das auf das Element trifft, verloren geht, da die unerwünschte Polarisationsrichtung vom ursprünglichen Strahlenbündel gebrochen wird. Wird ein derartiges Element als Polarisator in einer Vorrichtung eingesetzt, bei der eine große Helligkeit des Bildes wünschenswert ist, wie beispielsweise bei einer Bildprojektionsvorrichtung, ist die Verwendung einer Hochleistungslichtquelle immer noch wünschenswert. Eine derartige Lichtquelle verbraucht jedoch relativ viel Strom und gibt relativ viel Wärme innerhalb der Vorrichtung ab, so dass immer noch Maßnahmen zur Kühlung ergriffen werden müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Polarisationselement zu schaffen, bei dem der größere Anteil des nicht polarisierten Lichtstrahls in Licht mit der geeigneten Polarisationsrichtung umgewandelt wird, gleichzeitig die Gefahr der Beschädigung des Elements durch Hitze relativ gering ist und die Kühlung keiner besonderen Aufmerksamkeit bedarf, und das außerdem sehr flach ist, so dass eine Vorrichtung, in der das Element eingesetzt wird, wesentlich kompakter ausgeführt werden kann.
Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Polarisationselement definiert wie im beschreibenden Teil von Anspruch 1 dargelegt.
Ein nicht polarisiertes Strahlenbündel wird durch die erste Schicht in zwei Strahlkomponenten mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen geteilt, die sich in verschiedene Richtungen ausbreiten. Die Achsen der Strahlkomponenten divergieren daher leicht.
Die zweite Schicht stellt sicher, dass diese Divergenz wieder reduziert wird, damit eine maximale Lichtmenge in die Apertur von optischen Bauteilen fällt, die hinter dem Element angeordnet sind.
In der Schicht, die die Polarisationsrichtung dreht, wird die Phase von mindestens einer Strahlkomponente verzögert, so dass die Polarisationsrichtung der entsprechenden Komponenten um einen gegebenen Winkel gedreht wird. Wenn das nicht po larisierte Strahlenbündel durch die erste Schicht in zwei senkrecht zueinander stehende polarisierte Strahlkomponenten geteilt und eine dieser beiden Komponenten um einen Winkel von 90 Grad gedreht wird, haben die von der die Polarisationsrichtung drehenden Schicht durchgelassenen Strahlkomponenten im Wesentlichen die gleiche Polarisationsrichtung.
Da keiner der drei Bestandteile des Polarisationselements eine wahrnehmbare Lichtmenge absorbiert, besteht im Wesentlichen keine Gefahr der Beschädigung durch Hitze, und der größere Anteil des nicht polarisierten Strahlenbündels wird in ein polarisiertes Strahlenbündel umgewandelt, das die gleiche Polarisationsrichtung aufweist. Infolgedessen braucht die Lichtquelle keine besonders hohe Leistung zu haben und der Kühlung keine besondere Aufmerksamkeit gewidmet zu werden.
In der US-amerikanischen Patentschrift US 5.184.248 wird ein Bildprojektionssystem dargelegt, das ein Beleuchtungssystem umfasst mit einer Lichtquelle, einer polarisationsempfindlichen Schicht und einer Polarisationsrotationseinheit, die in dem Strahlengang einer der polarisierten Strahlkomponenten angeordnet ist, und einer zweiten Schicht, die die Richtung von zwei darauf auftreffenden polarisierten Strahlkomponenten beeinflusst. Hingegen existiert in dem erfindungsgemäßen Polarisationselement die zweite Schicht nur in einem Strahlengang der polarisierten Strahlkomponenten.
In der Patentschrift EP 474237 A1 wird ein Polarisationselement beschrieben, das Folgendes umfasst: eine erste Schicht zum Teilen eines nicht polarisierten, auf das Element auftreffenden Strahlenbündels in zwei Strahlkomponenten mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, eine zweite Schicht im Strahlengang von beiden Strahlkomponenten zum Drehen sowohl der ersten als auch der zweiten Strahlkomponente, und eine dritte Schicht zum Beeinflussen der Richtung beider Strahlkomponenten. Hingegen existiert in dem er-findungsgemäßen Polarisationselement die zweite Schicht nur in einem Strahlengang der polarisierten Strahlkomponenten.
In der US-amerikanischen Patentschrift US 5.359.455 wird ein Polarisationselement beschrieben, das Folgendes umfasst: eine erste Schicht zum Teilen eines nicht polarisierten Strahlenbündels in zwei Strahlkomponenten mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, eine in einer der Strahlkomponenten positionierten Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung und eine zweite Schicht, die eine Brechungsschicht ist, die in beiden Strahlkomponenten angeordnet ist.
Hingegen existiert in dem erfindungsgemäßen Polarisationselement nach Anspruch 1 die zweite Schicht nur in einem Strahlengang der polarisierten Strahlkomponenten.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Polarisationselements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist.
Die erste Schicht teilt das nicht polarisierte Strahlenbündel in zwei Polarisationskomponenten; die sich in unterschiedliche Richtungen ausbreiten. Beide Polarisationskomponenten fallen auf die Schicht, die die Polarisationsrichtung dreht und sicherstellt, dass die Komponenten, die diese Schicht verlassen, im Wesentlichen die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen. Nachfolgend wird das Strahlenbündel durch die zweite Schicht konvergiert.
Ein weiteres Beispiel für das Polarisationselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schicht als eine Folge von ersten und zweiten Bereichen ausgeführt sind, die sich in einer in der Ebene der genannten Schichten liegenden Richtung abwechseln, wobei einer der Bereiche einen doppelbrechenden Werkstoff mit den Brechungsindices n_o und n_e und der andere Bereich einen isotropen Werkstoff mit einem Brechungsindex n_p enthält, wobei n_o = n_p oder n_e = n_p.
Die Polarisationsrichtung der Strahlkomponenten, die zusammen den Lichtstrahl bilden, der auf die Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Bereichen der ersten Schicht fällt, kann beeinflusst werden, indem als Werkstoff für die ersten und zweiten Bereiche ein doppelbrechender Werkstoff gewählt wird, wobei einer der Brechungsindices, n_o oder n_e gleich dem Brechungsindex n_p des isotropen Werkstoffs in dem benachbarten Bereich ist. Falls beispielsweise n_o = n_p, wird die gewöhnliche Strahlkomponente keinen Unterschied bei dem Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich feststellen und somit ungebrochen durchgelassen, während die Strahlkomponente mit einer Polarisationsrichtung, die senkrecht zu derjenigen der übertragenen Strahlkomponente steht, mit anderen Worten die außergewöhnliche Strahlkomponente, gebrochen wird. Der Winkel, unter dem die Brechung erfolgt, wird durch die Differenz zwischen den Brechungsindices des Werkstoffs des ersten und des zweiten Bereichs und dem Winkel bestimmt, in dem die zu polarisierende Strahlung auf die Grenzfläche fällt. Wenn n_e = n_p, wird die außergewöhnliche Strahlkomponente von der entsprechenden Schicht ohne Brechung durchgelassen, während das gewöhnliche Strahlenbündel gebrochen wird.
Der zwischen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des einfallenden Strahlenbündels und der Brechungsrichtung eingeschlossene Winkel ergibt sich aus γ = acos(ne/(npcosα)) + α – 90°α bezeichnet hier den Winkel zwischen der Senkrechten auf die erste Schicht und der Grenzfläche zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich in dieser Schicht. Die Brechung erfolgt auf vergleichbare Weise an der Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Bereichen der zweiten Schicht. Die ersten und zweiten Bereiche werden so gewählt, dass die Strahlkomponente, die durch die Schicht zum Drehen der Polarisation in die Polarisationsrichtung gedreht wurde, von der zweiten Schicht in Richtung der ungebrochenen Strahlkomponente gebrochen wird.
Die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung wirkt in diesem Fall nur auf eine der Polarisationskomponenten. Die andere Komponente wird ohne Brechung durchgelassen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Polarisationselements ist dadurch gekennzeichnet, dass n_o,1 = n_p,1 für die erste Schicht gilt und dass eine Hauptachse der Moleküle der ersten Schicht in der Ebene der ersten Schicht und parallel zur Längsrichtung der ersten und zweiten Bereiche liegt.
Ein weiteres Beispiel des Polarisationselements ist dadurch gekennzeichnet, dass n_o,2 = n_p,2 für die zweite Schicht gilt und dass eine Hauptachse der Moleküle der zweiten Schicht senkrecht zur Ebene der zweiten Schicht liegt.
Wenn n_p = n_o zusammen mit der oben beschriebenen Ausrichtung der Moleküle in der ersten und der zweiten Schicht ist, wird erreicht, dass die gewöhnlichen Strahlenbündel durchgelassen und die außergewöhnlichen Strahlenbündel gebrochen werden.
Wenn n_p = n_e ist und die Hauptachsen der Moleküle in der ersten und der zweiten Schicht senkrecht zu der oben genannten Ausrichtung liegen, werden die außergewöhnlichen Strahlenbündel durchgelassen und die gewöhnlichen Strahlenbündel durch die erste und die zweite Schicht gebrochen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Polarisationselements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung einachsig ausgerichtete Moleküle enthält, wobei die Projektion auf die erste Schicht der Achse, nach der die Moleküle in der Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung ausge richtet werden, im Wesentlichen parallel zu einer Hauptachse der Moleküle der ersten Schicht ist.
Die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung wird so ausgeführt, dass die Polarisationskomponente, die senkrecht einfällt, ihre Polarisationsrichtung beibehält, und dass die Polarisationsrichtung der Polarisationskomponente, die unter einem Winkel einfällt, der kein rechter Winkel ist, gedreht wird.
Dies wird erreicht, indem die Achse der einachsig ausgerichteten Moleküle in einer Ebene lokalisiert wird, die einen Winkel θ zur Senkrechten auf die Schicht einschließt. Die Projektion der Achse, entlang der die Moleküle der Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung ausgerichtet sind, fällt dann mit der Ausrichtung der Hauptachse der Moleküle in der ersten Schicht zusammen. Die Strahlung, die nicht im rechten Winkel einfällt, wird unter einem Winkel γ in Bezug auf die Einfallsrichtung gebrochen. Die Werte des Winkels θ, die Dicke d und die Differenz des Brechungsindex des Werkstoffs der Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung werden durch den Winkel γ bestimmt. Diese drei Parameter definieren den Winkel, um den die Polarisationsrichtung der entsprechenden Polarisationskomponente gedreht wird. Eine Drehung um 90° kann durch Optimierung dieser Parameter erzielt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Polarisationselements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung einachsig ausgerichtete Moleküle enthält und dass die Ausrichtungsachse dieser Moleküle in der Ebene der Schicht liegt, wobei die Schicht in Bezug auf die erste Schicht um einen Winkel geneigt ist, bei dem die Projektion der Achse der einachsigen Moleküle auf der ersten Schicht im Wesentlichen parallel zu einer Hauptachse der Moleküle der ersten Schicht ist.
Anstelle der Ausrichtung der einachsigen Moleküle zu einer Achse, die einen Winkel θ zur Senkrechten auf die Schicht einschließt, können die Moleküle in der Ebene der Schicht liegen, während die Schicht selbst um einen Winkel θ geneigt sein kann.
Ein besonderes Beispiel des Polarisationselements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung eine Flüssigkristallschicht ist, die in Form einer Matrix in Zellen unterteilt ist, die unabhängig voneinander gesteuert werden können und somit ein Bildanzeigefeld bilden.
Die Richtungen des außergewöhnlichen und des gewöhnlichen Strahlenbündels sind voneinander durch die erste Schicht getrennt. Durch Anlegen eines elektrischen Felds an die Pixel der Flüssigkristallmatrix kann sichergestellt werden, dass pro Pixel die beiden Polarisationskomponenten jeweils ihre Polarisationsrichtung beibehalten. Nachfolgend trifft jede Polarisationskomponente auf die zweite Schicht, die eine der beiden Komponenten ungehindert durchlässt und die andere in ihrer Richtung beeinflusst, damit die Achsen der Strahlkomponenten konvergieren. Das Ergebnis ist ein Pixelstrahlenbündel, das aus zwei getrennten Polarisationskomponenten besteht, die im Wesentlichen parallel zueinander sind.
Wenn kein elektrisches Feld an die Pixel der Flüssigkristallmatrix angelegt wird, werden die beiden Polarisationskomponenten, in die die erste Schicht das nicht polarisierte Strahlenbündel geteilt hat, um 90° in ihrer Polarisationsrichtung an der Position der genannten Pixel gedreht und bilden wieder zwei senkrecht aufeinander stehende polarisierte Komponenten, die von der zweiten Schicht noch weiter gebrochen werden. Es werden nun zwei Polarisationskomponenten gebildet, deren Richtungen einen Winkel von mehr als 0° einschließen.
Das erfindungsgemäße Polarisationselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Brechungsschicht ist, die unempfindlich gegen Polarisation ist.
Ein nicht polarisiertes Strahlenbündel wird durch die erste Schicht in zwei senkrecht zueinander stehende polarisierte Strahlkomponenten geteilt. Nach dem Verlassen der ersten Schicht umschließen diese beiden Strahlkomponenten einen Winkel. In dem Strahlengang eines dieser Strahlenbündel liegt die zweite Schicht, die, unabhängig von der Polarisationsrichtung der auf sie fallenden Polarisationskomponente, diese Strahlkomponente in eine Richtung bricht, die im Wesentlichen parallel zu der Strahlkomponente ist, die ungehindert von der ersten Schicht durchgelassen wurde. Nachfolgend wird in dem Strahlengang dieser gebrochenen Strahlkomponente oder dem Strahlengang der nicht gebrochenen Strahlkomponente ein Bauteil zum Drehen der Polarisationsrichtung geschaffen, um die Polarisationsrichtung der beiden Strahlkomponenten gleich zu machen. Auf diese Weise wird ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel erzielt, das größtenteils die gleiche Polarisationsrichtung hat.
Die Reihenfolge des Bauteils zum Drehen der Polarisationsrichtung und der zweiten Schicht kann auch vertauscht werden, da die Brechung durch die zweite Schicht unabhängig von der Polarisation ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Polarisationselements, das eine Aufteilung der Polarisationskomponenten, wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel beschrieben, durchführen kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht als eine Folge von ersten und zweiten Bereichen ausgeführt ist, die sich in einer in der Ebene der genannten Schicht liegenden Richtung abwechseln, und dass einer der Bereiche einen doppelbrechenden Werkstoff mit den Brechungsindices n_o und n_e und der andere Bereich einen isotropen Werkstoff mit einem Brechungsindex n_p enthält, wobei n_o = n_p oder n_e = n_p, und dass die zweite Schicht einen isotropen Werkstoff enthält.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1a und 1b perspektivische Ansichten von Beispielen des Polarisationselements, die nicht in den Rahmen des vorliegenden Anspruchs 1 fallen;
2a und 2b graphische Darstellungen der Durchquerung des Polarisationselements durch ein nicht polarisiertes Strahlenbündel, das auf das Element trifft, für eine Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung, die einen Flüssigkristallwerkstoff enthält;
3 eine graphische Darstellung des erfindungsgemäßen Polarisationselements, bei dem die zweite Schicht unabhängig von der Polarisation bricht; und
4 eine graphische Darstellung einer Bildprojektionsvorrichtung, in der der Polarisator des Bildanzeigefelds oder das Bildanzeigefeld selbst als erfindungsgemäßes Polarisationselement ausgeführt ist.
Das in 1a dargestellte Polarisationselement 1 umfasst eine erste Schicht 3 und eine zweite Schicht 5. Die erste Schicht 3 beeinflusst die Richtung von einer der Strahlkomponenten, die zusammen ein nicht polarisiertes Strahlenbündel b bilden, das auf das Element 1 fällt, und die zweite Schicht 5 beeinflusst die Richtung von polarisierten Komponenten, die auf diese Schicht fallen, abhängig von ihrer Polarisationsrichtung. Ferner existiert eine Schicht 7 zum Drehen der Polarisationsrichtung zwischen der ersten Schicht 3 und der zweiten Schicht 5.
Die erste Schicht 3 umfasst erste Bereiche 9 und zweite Bereiche 11. Einer der beiden Bereiche, zum Beispiel der erste Bereich 9, enthält einen doppelbrechenden Werkstoff mit einem gewöhnlichen Brechungsindex n_o,1 und einem außergewöhnlichen Brechungsindex n_e,1. Der zweite Bereich 11 enthält dann einen isotropen Werkstoff mit einem Brechungsindex n_p,1. Wenn ein nicht polarisiertes Strahlenbündel b auf die erste Schicht 3 trifft, erkennen die gewöhnlichen Strahlenbündel keinen Unterschied zwischen den Brechungsindices, wenn n_o,1 = n_p,1, an der Grenzfläche 4 zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich und werden infolgedessen ungebrochen durchgelassen. Diese Strahlenbündel bilden zusammen eine erste Strahlkomponente b1. Die außergewöhnlichen Strahlenbündel erfahren jedoch einen Unterschied in den Brechungsindices, da n_e,1 ≠ n_p,1, und werden nachfolgend in Bezug auf die gewöhnlichen Strahlenbündel gebrochen. Diese Strahlenbündel bilden zusammen eine Strahlkomponente b₂. Nur die Hauptstrahlen der Strahlkomponenten sind dargestellt. Der von der Brechungsrichtung und der Einfallsrichtung auf die erste Schicht eingeschlossene Winkel ergibt sich aus γ = acos(ne,1/(np,1cosα)) + α – 90°,wobei α der Winkel ist, der von der Senkrechten auf die erste Schicht und der Grenzfläche 4 zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich dieser Schicht eingeschlossen wird.
Das Strahlenbündel b, das nun in zwei Strahlkomponenten b₁, b₂ geteilt ist, deren Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen, dargestellt durch doppelte Pfeile durch die Hauptstrahlen, fällt nachfolgend auf eine Schicht 7 zum Drehen der Polarisationsrichtung. Diese Schicht 7 umfasst einachsig ausgerichtete Moleküle. Der Winkel, um den die Polarisationsrichtung einer gegebenen Strahlkomponente gedreht wird, wird durch die Richtung der Achse, entlang der die Moleküle in der Schicht 7 in Bezug auf die Senkrechte auf die Schicht (Winkel θ) ausgerichtet sind, durch die Dicke der Schicht 7 und die Brechungsindexdifferenz Δn in dieser Schicht bestimmt. Wenn die beiden Strahlkomponenten b₁, b₂ senkrecht zueinander polarisiert werden und die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung eine Drehung des Strahlenbündels, das nicht in rechtem Winkel auf sie fällt, um 90° bewirkt, haben die Strahlkomponenten größtenteils die gleiche Polarisationsrichtung, nachdem sie das Element zum Drehen der Polarisationsrichtung durchquert haben. Die Achsen der Strahlkomponenten divergieren jedoch immer noch. Indem bewirkt wird, dass diese Strahlkomponenten nachfolgend auf die zweite Schicht 5 treffen, die im Prinzip vom gleichen Typ ist wie die erste Schicht 3, kann die Divergenz reduziert werden, so dass die Gesamtapertur des Strahlenbündels abnimmt. Zu diesem Zweck besteht die zweite Schicht 5 ebenfalls aus ersten Bereichen 10 und zweiten Bereichen 12. Die ersten Bereiche 10 enthalten beispielsweise einen doppelbrechenden Werkstoff mit den Indices n_o,2 und n_e,2, und die zweiten Bereiche 12 enthalten einen isotropen Werkstoff mit einem Brechungsindex n_p,2. Der doppelbrechende Werkstoff kann für die erste und die zweite Schicht der gleiche sein, aber auch unterschiedlich sein. Für n_o,2 = n_p,2 gilt wiederum, dass die gewöhnlichen Strahlenbündel an der Grenzfläche 6 keinen Unterschied im Brechungsindex erfahren und somit ungebrochen durchgelassen werden, während die außergewöhnlichen Strahlenbündel gebrochen werden. Durch Ausrichtung der chen Strahlenbündel gebrochen werden. Durch Ausrichtung der Hauptachse der Moleküle senkrecht zur Ebene der Schicht in dieser Schicht werden die außergewöhnlichen Strahlenbündel in der Richtung der gewöhnlichen Strahlenbündel gebrochen, mit anderen Worten: die Achsen der Strahlkomponenten konvergieren.
Wenn in der ersten Schicht 3 n_p = n_o ist und die Hauptachse der Moleküle des doppelbrechenden Werkstoffs der ersten Schicht 3 in der Ebene dieser ersten Schicht 3 liegt und parallel zur Längsrichtung der Bereiche 9, 11 ist, und wenn in der zweiten Schicht 5 n_p = n_o ist und die Hauptachse der Moleküle des doppelbrechenden Werkstoffs der zweiten Schicht 5 senkrecht zu der Ebene dieser zweiten Schicht steht, lassen die beiden Schichten 3, 5 die gewöhnlichen Strahlenbündel durch und brechen die außergewöhnlichen Strahlenbündel. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 1a dargestellt.
Wenn n_p = n_e ist und die Hauptachse der Moleküle des doppelbrechenden Werkstoffs der ersten Schicht 3 in der Ebene dieser ersten Schicht 3 liegt, aber senkrecht zur Längsrichtung der Rillen steht, und wenn in der zweiten Schicht 5 n_p = n_e ist und die Hauptachse der Moleküle in der Ebene dieser zweiten Schicht liegt und senkrecht zur Längsrichtung der Bereiche 9, 11 steht, lassen die beiden Schichten die außergewöhnlichen Strahlenbündel durch und brechen die gewöhnlichen Strahlenbündel. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 1b dargestellt.
Die Kombinationsmöglichkeiten der ersten und der zweiten Schicht sind nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind jedoch relativ einfach herzustellen. Für die erste Schicht 3 kann gelten, dass n_p = n_o, während für die zweite Schicht 5 gelten kann, dass n_p = n_e, oder umge kehrt.
Damit die Schicht 7 die Polarisationsrichtung des unter einem Winkel auf sie auftreffenden Strahlenbündels dreht, sollte die Projektion der Achse, auf der die einachsig ausgerichteten Moleküle der Schicht 7 liegen, mit der Ausrichtung der Hauptachsen der Moleküle des doppelbrechenden Werkstoffs der ersten Schicht 3 zusammenfallen.
Die Brechungsindices n_o und n_e und der Winkel α der ersten Schicht 3 bestimmen den Winkel γ, der von der gebrochenen Polarisationskomponente b₂ und der durchlaufenden Polarisationskomponente b₁ gebildet wird. Mit Bezug auf den Wert für γ werden der Winkel θ, die Dicke d und die erforderliche Brechungsindexdifferenz Δn der Schicht 7 zum Drehen der Polarisationsrichtung bestimmt. Durch Optimierung dieser Parameter kann erreicht werden, dass eine der Polarisationskomponenten durchgelassen wird, ohne dass ihre Polarisationsrichtung beeinflusst wird, während die Polarisationsrichtung der anderen Polarisationskomponente um 90° gedreht wird.
Statt dass die Achse, entlang der die einachsigen Moleküle ausgerichtet sind, einen Winkel θ mit der senkrecht zur Schicht 7 zum Drehen der Polarisationsrichtung stehenden Ebene bildet, kann die Molekülachse alternativ in der Ebene der Schicht 7 liegen, und die Schicht kann um einen Winkel θ geneigt sein.
Die Grenzflächen 4; 6 zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich 3, 5; 10, 12 bilden zusammen eine Oberfläche, die die Form beispielsweise einer Sinuswellen-, einer Sägezahn- oder Zickzackstruktur oder eines Rechtecks haben kann. Eine Zickzackstruktur ergibt eine ungebrochene Strahlkomponente und eine gebrochene Strahlkomponente auf beiden Seiten des durchlaufenden Strahlenbündels. Eine Sägezahnstruktur ist jedoch asymmetrisch und ergibt ein durchlaufendes Strahlenbündel und nur ein einziges gebrochenes Strahlenbündel.
Die erste Schicht 3 kann beispielsweise durch Ätzen eines monokristallinen Siliziumwafers oder durch mechanische Herstellung von Rillen in einem Substrat gefertigt werden, um die Form des Gitters im Silizium oder im Substrat zu schaffen. Nachfolgend kann dieses Substrat in einem doppelbrechenden Werkstoff repliziert werden. Doppelbrechende Werkstoffe, die besonders für die Herstellung des oben beschriebenen Polarisationselements mittels dieses Verfahrens geeignet sind, sind bekannte anisotrope Netze, wie sie beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 0 213 680 (PHN 11.472) beschrieben werden, und anisotrope Gele, wie sie in der europäischen Patentanmeldung EP 0 451 905 (PHN 13.299) beschrieben werden. Wenn in gleichem Maße geeignete Flüssigkristallpolymere oder Oligomere, ausgerichtete Polymere und glasbildende Flüssigkristallwerkstoffe mit geringer Masse verwendet werden, kann die gewünschte Struktur direkt in den Werkstoff gepresst werden (geprägte Polymere). Bei der Verwendung anisotroper Kristalle wird die Struktur mechanisch erzielt.
Die 2a und 2b zeigen ein Beispiel eines Polarisationselements; bei dem die Schicht 7 zum Drehen der Polarisationsrichtung einen Flüssigkristallwerkstoff enthält, und stellen die Strahlung des gewöhnlichen und des außergewöhnlichen Strahlenbündels für eine unter Spannung stehende Zelle (a) und eine spannungsfreie Zelle (b) dar. Die Zelle besteht beispielsweise aus zwei Glasplatten, zwischen denen der Flüssigkristallwerkstoff platziert ist. An jeder Glasplatte ist an der Seite des Flüssigkristallwerkstoffs eine transparente Elektrode, beispielsweise eine ITO-Elektrode, vorgesehen.
Für die Zelle kann ein Werkstoff, der auf dem TN-Effekt (twisted nematic effect), dem STN-Effekt (super twisted nematic effect) oder dem ferroelektrischen Effekt beruht, verwendet werden. Jeder dieser Werkstoffe ist in der Lage, eine Drehung der Polarisationsrichtung um 90° zu bewirken. Die erste Schicht 3 und die zweite Schicht 5 können wie oben beschrieben ausgeführt werden.
Wenn ein nicht polarisiertes Strahlenbündel b auf die erste Schicht 3 trifft, wird es in zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlkomponenten b₁ und b₂ geteilt, deren Ausbreitungsrichtungen einen Winkel ϕ einschließen. 2 wird in Bezug auf eine Zelle erläutert, die im spannungsfreien Zustand eine Drehung der Polarisationsrichtung bewirkt.
Wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristallwerkstoff angelegt wird, kann sichergestellt werden, dass jede Polarisationskomponente ihre Polarisationsrichtung beim Durchqueren der Flüssigkristallschicht 7 beibehält. Die beiden unterschiedlichen Polarisationskomponenten b₁ und b₂ treffen nachfolgend unter verschiedenen Winkeln auf die zweite Schicht 5, in der eine der Polarisationskomponenten, beispielsweise b₂, in einer Richtung gebrochen wird, die parallel zu derjenigen der anderen Polarisationskomponente b₁ ist. Ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel b' wird erzeugt, das aus zwei Polarisationskomponenten b₁ und b₂ besteht, die voneinander getrennt sind.
Wenn kein elektrisches Feld an dem Flüssigkristallwerkstoff anliegt, wird jede der beiden Polarisationskomponenten b₁ und b₂, die von der ersten Schicht 3 in ihrer Richtung getrennt wurden, einer Drehung der Polarisationsrichtung um 90° unterzogen. Es resultieren immer noch zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten. Die Polarisationsrichtung von b₁ ist jedoch die ursprüngliche Polarisationsrichtung von b₂ und umgekehrt. Das Ergebnis sieht so aus, dass das gewöhnliche und das außergewöhnliche Strahlenbündel b₁ und b₂ voneinander weg gebrochen werden.
Ein Polarisationselement mit einer Flüssigkristallschicht als Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung kann als Bildanzeigefeld eingesetzt werden. Jedes Pixel in der Flüssigkristallmatrix entspricht vorzugsweise einer halben Periode der durch die Bereiche 9, 11; 10, 12 in der ersten und der zweiten Schicht gebildeten Struktur. Durch die Zuführung von Bildinformationen zu den Pixeln wird der Winkel bestimmt, um den die Polarisationsrichtung eines polarisierten Strahlenbündels von der Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung an der Position dieses Pixels gedreht wird. In Abhängigkeit von diesem Winkel unterscheidet sich die Brechung in der zweiten Schicht des Polarisationselements, und die unerwünschte Strahlung wird von dem Strahlengang auf eine An reflektiert, wie sie beispielsweise in der US-amerikanischen Patentschrift US-A 4.613.207 beschrieben wird. Auf diese Weise wird die unerwünschte Strahlung nicht die Projektionslinse erreichen, und es können Graustufen erzielt werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Polarisationselements. Die erste Schicht 3 kann wie die oben erwähnten ersten Schichten ausgeführt werden. Die zweite Schicht 5 ist isotrop. Die Brechung einer derartigen Schicht hängt nicht von der Polarisation ab, so dass die Schicht 5 sowohl vor als auch hinter der Schicht 7 zum Drehen der Polarisationsrichtung angeordnet werden kann. Ein nicht polarisiertes Strahlenbündel b trifft auf die erste Schicht 3, so dass das Strahlenbündel b in zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlkomponenten b₁ und b₂ geteilt wird. Die zweite Schicht 5 macht das gebrochene Strahlenbündel b₂ wieder parallel zur anderen Komponente b₁. In dem Strahlengang von b₂ ist eine Schicht 7 zum Drehen der Polarisationsrichtung vorgesehen, die sicherstellt, dass die Polarisationsrichtung von b₂ in diejenige von b₁ umgewandelt wird. Die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung kann beispielsweise eine λ/2-Platte oder eine Flüssigkristallzelle sein, die in der Lage ist, die Polarisationsrichtung in einem Spannungszustand oder einem spannungsfreien Zustand um 90° zu drehen. Das Ergebnis ist ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel, das größtenteils die gleiche Polarisationsrichtung aufweist.
4 zeigt eine Bildprojektionsvorrichtung 15, in der der Polarisator 17 des Bildanzeigefelds 21 als ein erfindungsgemäßes Polarisationselement ausgeführt ist. Der Analysator 19 kann wie die erste und die zweite Schicht des in 1a oder 1b gezeigten Polarisationselements ausgeführt werden. Licht von einer Lichtquelle 23 trifft über eine Kondensorlinse 25 auf den Polarisator 17, der vor dem Bildanzeigefeld 21 angeordnet ist. Wird ein herkömmlicher Polarisator verwendet, werden ca. 50% des Lichts absorbiert und nur die gewünschte Polarisationsrichtung zu dem Bildanzeigefeld 21 durchgelassen. Wird der Polarisator 17 als ein erfindungsgemäßes Polarisationselement ausgeführt, wird die unerwünschte Polarisationsrichtung nicht mehr absorbiert, sondern erst durch Brechung von der gewünschten Polarisationsrichtung getrennt, dann in ihrer Polarisationsrichtung gedreht und wieder in Bezug auf die Einfallsrichtung gebrochen, so dass eine maximale Lichtmenge des Strahlenbündels von der Lichtquelle auf das Bildanzeigefeld 21 in der geeigneten Polarisationsrichtung trifft. Das Polarisationselement funktioniert in diesem Fall tatsächlich als ein Vorpolarisator. Die Polarisationsrichtung dieses Lichtstrahls wird nachfolgend durch das Bildanzeigefeld 21 in Übereinstimmung mit dem anzuzeigenden Bild moduliert. Das modulierte Strahlenbündel fällt dann auf den Analysator 19. Wird der Analysator wie die erste und zweite Schicht des in 1a oder 1b gezeigten Polarisationselements ausgeführt, wird das Licht, das nicht zur Erstellung des Bildes beiträgt, nicht absorbiert, sondern aus dem Strahlengang hinaus gebrochen. Das von dem Analysator 19 kommende Licht wandert zu dem Projektionslinsensystem, das der Einfachheit halber als eine einzige Linse 27 dargestellt ist, von dem es in ein Bild umgewandelt wird. Auf diese Weise wird eine größere Bildhelligkeit mit der gleichen Lichtquelle erzielt, da mehr von der Lichtquelle ausgesendetes Licht für die Erstellung des Bildes genutzt wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bildprojektionsvorrichtung ist die Kombination des Bildanzeigefelds mit dem Polarisator und dem Analysator auf ähnliche Weise wie das Polarisationselement nach Anspruch 1, bei dem die Schicht 7 zum Drehen der Polarisationsrichtung aus einer Flüssigkristallschicht gebildet wird, die in Form einer Matrix in Zellen unterteilt ist, die getrennt angesteuert werden können und als Pixel fungieren. Das Polarisationselement funktioniert nun gleichzeitig als Polarisator und Modulator.

Claims

Polarisationselement mit einer ersten Schicht (3) zum Teilen eines nicht polarisierten Strahlenbündels (b), das auf das Element trifft, in zwei Strahlkomponenten (b1, b2), die unterschiedliche Polarisationsrichtungen und Strahlengänge haben, die einen positiven Winkel in Bezug aufeinander bilden, wobei das Element ferner Folgendes aufweist: eine zweite Schicht (5), die die Ausbreitungsrichtung von mindestens einer auf sie treffenden polarisierten Strahlkomponente (b2) beeinflusst, so dass die Strahlengänge der genannten polarisierten Strahlkomponenten (b1, b2) parallel werden, wobei die zweite Schicht (5) eine Brechungsschicht ist, die unempfindlich gegen Polarisation ist; und eine Schicht (7) zum Drehen der Polarisationsrichtung, die in mindestens einem der Strahlengänge der genannten polarisierten Strahlkomponenten (b1, b2) existiert, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht in dem Strahlengang von nur einer der genannten polarisierten Strahlkomponenten (b1, b2) existiert.
Polarisationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist.
Polarisationselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (3) als eine Folge von ersten und zweiten länglichen Bereichen (9, 11) ausgeführt ist, die sich in einer in der Ebene der genannten Schicht liegenden Richtung abwechseln, wobei einer der Bereiche (9, 11) einen doppelbrechenden Werkstoff mit den Brechungsindices n_o und n_e und der andere Bereich einen isotropen Werkstoff mit einem Brechungsindex n_p enthält, wobei n_o = n_p oder n_e = n_p.
Polarisationselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass n_o,1 = n_p,1 für die erste Schicht gilt, und dass eine Hauptachse der Moleküle des doppelbrechenden Werkstoffs der ersten Schicht in der Ebene der ersten Schicht und parallel zur Längsrichtung der ersten und zweiten länglichen Bereiche liegt.
Polarisationselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung einachsig ausgerichtete Moleküle enthält, wobei die Projektion auf die erste Schicht der Achse, nach der die Moleküle in der Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung ausgerichtet werden, im Wesentlichen parallel zu einer Hauptachse der Moleküle des doppelbrechenden Werkstoffs der ersten Schicht ist.
Polarisationselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zum Drehen der Polarisationsrichtung einachsig ausgerichtete Moleküle enthält, und dass die Ausrichtungsachse dieser Moleküle in der Ebene der Schicht liegt, wobei die Schicht in Bezug auf die erste Schicht um einen Winkel geneigt ist, bei dem die Projektion der Achse der einachsigen Moleküle auf der ersten Schicht im Wesentlichen parallel zu einer Hauptachse der Moleküle des doppelbrechenden Werkstoffs der ersten Schicht ist.
Bildprojektionsvorrichtung (15), die Folgendes aufeinander folgend umfasst: ein Beleuchtungssystem (23, 25) zum Liefern eines Lichtstrahls, ein Bildanzeigefeld (21), das ein optisch aktives Material enthält und dem ein erster Polarisator (17) vorausgeht und ein zweiter Polarisator (19) folgt, und ein Projektionslinsensystem (27), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polarisator (17) als ein Polarisationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt ist.