CH695171A5

CH695171A5 - Lichtteiler und optische Uebertrageranordnung mit einem Lichtteiler.

Info

Publication number: CH695171A5
Application number: CH00207/99A
Authority: CH
Inventors: Dr Phys Johannes Edlinger; Claus Heine
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2005-12-30
Also published as: US6288844B1; US20020126260A1; JP2000227510A; ITMI20000180A1; TW556003B; JP2010250339A; DE10003245A1; US20020196555A1; ITMI20000180A0; GB2347758A; US6476972B2; GB2347758B; KR20010006607A; GB0002544D0; US6781765B2; IT1316341B1; TWI254144B; JP5298280B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtteiler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine optische Übertrageranordnung mit einem Lichtteiler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die vorliegende Erfindung geht von Problemen aus, wie sie beim Einsatz von X-Cubes erkannt wurden und nachfolgend erläutert werden sollen. Die dabei gemachten Erkenntnisse lassen sich aber übertragen grundsätzlich auf optische Lichtteiler die, wie noch zu erläutern sein wird, im Zusammenhang mit Licht eingesetzt werden, welches unterschiedlich polarisiert ist. Zu diesem Thema kann auf A. Thelen, "Nonpolarizing interference films inside a glass cube", Appl. Optics, Vol. 15, No. 12, Dez. 1976, hingewiesen werden.

Beispielsweise in der DE-4 033 842 wird ein quaderförmiger, aus Einzelprismen mit dichroitischen Schichten zusammengesetztes optisches Bauelement als "dichroitisches Prisma" bezeichnet.

In der vorliegenden Schrift wird für ein solches Bauelement der Ausdruck X-Cube verwendet. Bezüglich solcher X-Cubes wird verwiesen auf die US-A-2 737 076, die US-A-2 754 718, die DE-A-4 033 842 sowie auf die JP-7-109 443, weiter auf die US-A-5 098 183, die EP-A-0 359 461. Im Weiteren wird auf die WO98/20 383 derselben Anmelderin wie vorliegende Anmeldung verwiesen. Definitionen

Es werden folgende Definitionen verwendet: - Licht, sichtbares Licht: Licht mit maximaler Energie im Spektralbereich 380 nm-720 nm - rotes Licht: Licht mit maximaler Energie im Spektralbereich 580 nm-720 nm, insbesondere im Spektralbereich 600 nm-680 nm - grünes Licht: Licht mit einer maximalen Energie im Spektralbereich 490 nm-605 nm, insbesondere im Spektralbereich 500 nm-600 nm - blaues Licht: Licht mit maximaler Energie im Spektralbereich 380 nm-510 nm, insbesondere im Spektralbereich 420 nm-500 nm - gelbes Licht: Licht mit maximaler Energie im Spektralbereich 475 nm-605 nm, insbesondere bei 582 nm +/- 3 nm - weisses Licht: Licht mit rotem, blauem und grünem Licht-Anteil. transparent: vernachlässigbare Absorption im Spektralbereich 380 nm-720 nm Quader: Raumform, gebildet durch paarweise sich parallel gegenüberliegende gleiche Rechtecke.

Anhand von Fig. 1 soll vorerst die grundsätzliche Wirkungsweise eines X-Cubes erläutert werden. Optische Lichtteiler dieser Art werden hauptsächlich in Projektoren eingesetzt, um weisses Licht in rotes, grünes und blaues Licht aufzuteilen bzw. aus Letzterem weisses Licht zu rekombinieren. Gemäss Fig. 1 umfasst ein X-Cube vier Einzelprismen 2a-2d. Üblicherweise bestehen die Prismen aus BK7-Glas. Im Querschnitt bilden sie rechtwinklig gleichschenklige Dreiecke mit einem 90 DEG -Winkel. Die Länge der Hypotenusen beträgt beispielsweise zwischen 5 mm und 50 mm, vorzugsweise 20-30 mm. Zwischen den beiden Prismenpaaren 2a und 2b einerseits, 2d und 2c andererseits ist ein spektral selektiv reflektierendes und transmittierendes Schichtsystem 5 eingebettet, welches blaues Licht weitestgehend reflektiert, hingegen grünes und rotes weitestgehend transmittiert.

Zwischen den beiden Prismenpaaren 2a und 2d einerseits, 2b und 2c anderseits ist ein weiteres spektral selektiv reflektierendes und transmittierendes Schichtsystem 7 eingebettet, welches rotes Licht weitestgehend reflektiert, hingegen grünes Licht und blaues Licht weitestgehend transmittiert.

Am X-Cube ergeben sich mithin drei Kanäle für rotes, grünes und blaues Licht, K R , K G , K B und ein Kanal K R+B+G für weisses Licht. An den Schichtsystemen 5, 7, je zwischen den angesprochenen Prismenpaaren, erfolgt Reflexion des einfallenden, entsprechend farbigen Lichtes unter 45 DEG . Die Hypotenuseflächen der Prismen 2 können mit einem Antireflexschichtsystem beschichtet sein.

Solche X-Cubes werden heute hauptsächlich verwendet in Projektionsapparaten, um rotes (R), blaues (B) und grünes (G) Licht, das je über in Transmission arbeitende Lichtventile, insbesondere LCD-Lichtventile, den zugeordneten Kanälen K R , K B , K G zuge führt wird, am Kanal K R+B+G in zu rekombinieren. Dies ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Lichtventile sind dabei bildgebende Elemente, die aus einer Vielzahl einzeln angesteuerter Pixel bestehen. Die Anzahl Pixel ergibt dabei die Auflösung nach EV-GA, SVGA, EGA, XGA usw.

Bei solchen in Transmission arbeitenden Lichtventilen besteht wegen der Leiterbahnen und der Ansteuerelektronik eine Begrenzung der Pixelgrösse nach unten, die nur schwer unterschritten werden kann. Bei Verkleinerung der Pixelgrösse sinkt zudem die optische Apertur pro Pixel.

Diese Einschränkung fällt bei Lichtventilen weg, welche nicht in Transmission, sondern, wie in Fig. 1 ausgezogen an den Lichtventilen LCD dargestellt, in Reflexion arbeiten und dabei die Polarisation des reflektierten Lichtes um 90 DEG drehen.

Dem Einsatz solcher in Reflexion arbeitenden Lichtventilen stehen aber bis heute die weiter unten zu erläuternden Probleme entgegen. In Fig. 2 sind die Verhältnisse dargestellt, die sich bei Ersatz üblicher in Transmission arbeitender Lichtventile, gemäss Fig. 1 LCD-Ventile, durch in Reflexion arbeitende Lichtventile RLV - Reflective Light Valves - ergeben. Wird an der Anordnung gemäss Fig. 1 nach Fig. 2 ein in Reflexion arbeitendes Lichtventil RLV zugeschaltet, so wird beispielsweise am Schichtsystem 5 des X-Cubes gemäss Fig. 1 reflektiertes S-polarisiertes (Schwingungsrichtung des E-Feldes), blaues Licht B am Lichtventil RLV in P-polarisiertes blaues Licht gewandelt und reflektiert, zurück auf das Schichtsystem 5 geworfen und von letzterem wiederum reflektiert.

An ein und demselben Schichtsystem 5, gemäss Fig. 2 und, analog, für rotes Licht am System 7, erfolgen Reflexionen von Licht gleicher Spektren, aber unterschiedlicher Polarisation.

Spektral selektiv reflektierende und transmittierende Schicht-Systeme, wie sie bei den erwähnten X-Cubes eingesetzt werden, aber auch an anderen Lichtteilern, für farbselektive Wirkung, werden üblicherweise mittels dielektrischer Vielschichtsysteme hergestellt. Diese umfassen je mindestens eine Schicht aus einem Material mit niedrigerem, eine Schicht aus einem Material mit höherem Brechwert. So wird üblicherweise als Material mit niedrigerem Brechwert SiO 2 eingesetzt, mit einem Brechwert von 1,46, als Material mit höherem Brechwert heute z.B. TiO 2 mit einem Brechwert von 2,4 oder Ta 2 0 s mit einem Brechwert von 2,1.

In Fig. 3 ist die Reflexion von S-polarisiertem blauem Licht an einem farbselektiven Schichtsystem aus SiO 2 /TiO 2 dargestellt sowie diejenige für P-polarisiertes blaues Licht am gleichen Schichtsystem. Beide Messungen erfolgten unter 45 DEG Lichteinfall, wie in Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 4 ist an einem wiederum aus SiO 2 /TiO 2 -Schichten aufgebauten, selektiv rotes Licht R reflektierenden Schichtsystem das Reflexionsverhalten für S-polarisiertes und für P-polarisiertes rotes Licht dargestellt. Die Messungen von Fig. 3, 4 wurden an einem X-Cube vorgenommen mit BK7-Glas als Trägerkörpermaterial, worin die erwähnten farbselektiven Schichtsysteme, 5, 7 von Fig. 2 eingebettet waren.

Aus den Fig. 3 und 4 ist erkenntlich, dass einerseits, in beiden Fällen, die Reflexion P-polarisierten Lichtes wesentlich geringer ist als diejenige S-polarisierten Lichtes, ganz ausgesprochen am rotselektiven Schichtsystem, und dass weiter eine deutliche Kantenverschiebung - Polarisations-Verschiebung - der reflektierten Spektren erfolgt, z.B. bei selektiver Reflexion von blauem Licht liegen die 50%-Reflexionspunkte für S- und P-Polarisation über 70 nm auseinander, entsprechend DELTA B .

Betrachtet man nun in Fig. 2 den eingezeichneten Strahlengang ohne Berücksichtigung des am X-Cube vorgesehenen, zweiten farbselektiven Schichtsystems 7, also lediglich die Reflexion an einem Schichtsystem, nämlich dem Schichtsystem 5 für blaues Licht, so ergibt sich I Bout

= I in <S>< +/- > R RB <S>< +/- > R RB

(1)

worin bedeuten

<tb><TABLE> Columns = 2 <tb><SEP> I Bout

:<SEP> Intensität des vom Schichtsystem 5 zurück- reflektierten P-polarisierten blauen Lichtes <tb><SEP> I in <S>:<SEP> Intensität des auf das Schichtsystem 5 einfallenden S-polarisierten blauen Lichtes <tb><SEP> R RB <S>:<SEP> Die Reflexion des blauselektiven Schichtsystems 5 für S-polarisiertes blaues Licht <tb><SEP> R RB

:<SEP> Die Reflexion des blauselektiven Schichtsystems 5 für P-polarisiertes blaues Licht. <tb></TABLE>

Ausgehend von den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Reflexionsverhalten für blaues Licht B am Schichtsystem 5 gemäss Fig. 2, analog für rotes Licht R am Schichtsystem 7, ergeben sich unter Mitberücksichtigung der jeweils transmittierenden Schichtsysteme, also System 7 für blaues Licht B bzw. System 5 für rotes Licht R, Intensitätsspektren für I Bout

bzw. für I Rout P wie in Fig. 5 bzw. Fig. 6 dargestellt. Für blaues Licht ergibt sich unter Mitberücksichtigung der erwähnten Transmissionen sowie, gemäss Fig. 2, des Reflexionsverhaltens eines gegebenenfalls zugeschaltet in Reflexion arbeitenden Lichtventils RLV:

I Bout

= I IN <S>< +/- > T RR <S>< +/- > R RB <S +/- > R RLVB < +/- > R RB <P +/- > T RR

(2)

Darin bezeichnen weiter:

<tb><TABLE> Columns = 2 <tb><SEP> T RR <S>:<SEP> Die Transmission des rotselektiven Schichtsystems 7 für S-polarisiertes Licht <tb><SEP> R RLVB :<SEP> Die Reflexion des Lichtventils <tb><SEP> T RR

:<SEP> Die Transmission des rotselektiven Schichtsystems 7 für P-polarisiertes Licht. <tb></TABLE>

Der Ausdruck für rotes Licht ergibt sich analog.

Die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der selektiven Rot- bzw. Blauschichtsysteme bezüglich S- und P-Polarisation führen zu gravierenden Konsequenzen:

Das Licht aus den Spektralbereichen DELTA B bzw. DELTA R zwischen den S- und P-Reflexionsspektren gemäss den Fig. 3 und 4 wird nicht mehr ausgegeben, sondern passiert, entsprechend, den Blau- bzw. Rotreflektor und bleibt als Streulicht im System, gemäss Fig. 2 im X-Cube.

In Fig. 7 ist das Spektrum des Streulichtes im X-Cube dargestellt, wobei die erwähnten Zwischenspektralbereiche A B und A R gemäss den Fig. 3 und 4 eingetragen sind.

Es ist ersichtlich, dass sehr viel Streulicht im System verbleibt. Weiter ist, wie aus den Fig. 5 und 6 erkenntlich, die Gesamttransmission sowohl im roten Spektralbereich wie auch im blauen ungenügend, d.h. wesentlich geringer, als sie wäre, wenn, mit Blick auf Fig. 2, an beiden farbselektiven Schichtsystemen 5 und 7 nur S-polarisiertes Licht reflektiert würde.

Ausgehend von den geschilderten Problemen stellt sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, Lichtteiler eingangs genannter Art zu schaffen, bei denen das unterschiedliche farbselektive Verhalten der Schichtsysteme bezüglich Lichtes, welches unterschiedlich polarisiert ist, reduziert bzw. korrigiert wird, bzw. eine optische Übertrageranordnung mit einem Lichtteiler zu schaffen, bei der dies ebenfalls erreicht wird. Bevorzugt wird, in Kombination, als Lichtteiler der erfindungsgemässen Übertrageranordnung ein erfindungsgemässer Lichtteiler eingesetzt.

Es soll mithin an einem Lichtteiler genannter Art, also insbesondere an einem X-Cube und/oder an einer Übertrageranordnung mit einem Lichtteiler, eine wesentlich höhere Gesamttransmission von rotem und blauem Licht realisiert werden, wenn das Licht unterschiedlich polarisiert den Lichtteiler aufteilend und rekombinierend durchläuft.

Weiter soll das Streulicht im Lichtteiler bzw. in der Übertrageranordnung minimalisiert werden, und es soll gegebenenfalls der Farbort optimiert werden.

Dies führt dazu, wie noch zu erläutern sein wird, dass die Kantenverschiebung DELTA - die Polarisations-Verschiebung - der P- und S-Reflexionsspektren, wie sie anhand von Fig. 3 bzw. 4 er läutert wurden, wesentlich reduziert wird und zudem die Reflexion P-polarisierten Lichtes dem Wert für S-polarisiertes Licht angenähert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Brechwert N LS gewählt zu: N LS = 1,8 +/- 2%

Als Material mit höherem Brechwert wird bevorzugt eingesetzt ein Material, das mindestens überwiegend aus einem Oxid oder Oxynitrid besteht, dabei bevorzugterweise aus mindestens einem Material aus der Gruppe TiO 2 , Ta 2 O s , Nb 2 O s , HfO 2 , ZrO 2 , -SiO x N y , dabei insbesondere bevorzugt aus TiO 2 und/oder Ta 2 O 5 . All diese Materialien weisen Brechwerte auf, die höchstens 2,1 betragen.

Der erfindungsgemäss gewählte niedrigere Brechwert N LS wird bevorzugterweise dadurch eingestellt, dass als zugeordnetes Material ein Mischmaterial eingesetzt wird, bestehend mindestens aus zwei Materialien m 1 und m 2 , für deren Brechwerte N m1 , N m2 gilt: N m1 >= 1,05 N LS N m2 <= 0,95 N LS

Vorzugsweise ist das erste Material m 1 des Mischmaterials ein auch als Material mit dem höheren Brechwert eingesetztes Material, also ein Oxid oder Oxynitrid, dabei vorzugsweise mindestens eines der oben erwähnten Materialien TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , SiO x N y , dabei insbesondere bevorzugt TiO 2 und/oder Ta 2 O 5 .

Als zweites Material m 2 des Mischmaterials wird bevorzugterweise eingesetzt SiO 2 und/oder A1 2 O 3 und/oder SiO x N y und/oder Y 2 O 3 . Durch Wahl des Mischungsverhältnisses m 1 /m 2 am Mischmaterial, dem Material mit dem niedrigeren Brechwert, wird daran der erwünschte Brechwert N LS realisiert. Bevorzugt wird als Material mit niedrigerem Brechwert ein Mischmaterial aus SiO 2 und TiO 2 eingesetzt, mit einem SiO 2 -Anteil A SiO2 , der im Bereich von 55% bis 65% liegt und einem TiO 2 -Anteil A T iO2 , der mit dem SiO 2 -Anteil eine Summe von 100% ergibt, also zwischen 35% und 45% liegt.Y 2 O 3 mit einem Brechwert von 1,8 +/- 2% kann dabei auch als Material mit niedrigerem Brechwert eingesetzt werden.

Der Brechwert N K des Materials des mindestens einen Trägerkörpers wird bevorzugt wie folgt gewählt: 1,52 >= N K >= 1.

Dabei entspricht der Wert 1,52 dem Brechwert von BK7-Glas, das üblicherweise, insbesondere für X-Cubes, eingesetzt wird. Es kann der erwähnte Körper auch aus Quarzglas mit N K = 1,45 +/- 2% gefertigt sein.

Bevorzugt sind am erfindungsgemässen Lichtteiler beide Schicht-Systeme wie das erwähnte mindestens eine ausgebildet. Im Weiteren wird nun erfindungsgemäss und besonders bevorzugt ein als X-Cube ausgebildeter Lichtteiler der oben erwähnten Art vorgeschlagen, bei dem die Schichtsysteme im Wesentlichen entlang von Diagonalebenen eines Trägerkörper-Quaders eingebettet sind, welcher vorzugsweise, in einer Schnittebene senkrecht zur gemeinsamen Schnittgeraden der Schichtsysteme, quadratisch ist.

- Zusammengefasst, besteht somit der eine erfindungsgemässe Lösungsansatz obgenannter Aufgabe in gezielter Auswahl von Materialien der erwähnten Schichtsysteme.

Eine bevorzugte Lösung der obgenannten Aufgabe wird durch einen spektral selektiven Lichtteiler wie nachstehend beschrieben erreicht. Bei einem Lichtteiler, der weisses Licht in rotes, grünes und blaues Licht teilt, bzw. weisses Licht aus rotem, grünem und blauem Licht rekombiniert, mit zwei separaten, je farbselektiv reflektierenden und transmittierenden Schichtsystemen, die auf oder in mindestens einen transparenten Trägerkörper aufgebracht bzw. eingebettet sind und woran der Körper je Austrittsflächen für das rote, grüne bzw. blaue Licht festlegt, wird mindestens eine der Austrittsflächen bezüglich der Richtung aus ihr tretendem, an mindestens einem der Schichtsysteme reflektierten Lichtes so verkippt, dass die Flächennormale der Austrittsfläche mit der erwähnten Richtung einen spitzen Winkel ? einschliesst, der von 0 DEG abweicht.

Aufgrund von Fertigungstoleranzen am Lichtteiler können wohl auch dann von 0 DEG abweichende Winkel zwischen Lichtaustrittsrichtung und Flächennormale auftreten, aber einerseits sind solche toleranzbedingte Winkelabweichungen nicht reproduzierbar, und anderseits sind die in Kauf zu nehmenden toleranzbedingten Winkelabweichungen herstellungsbedingt vorbekannt. Die erfindungsgemäss realisierte Nullabweichung ist jedenfalls grösser als die erwähnte, vorbekannte Toleranzabweichung.

Bevorzugt und wie noch zu erläutern sein wird, sind die angesprochenen Winkelabweichungen höchstens 5 DEG .

An einem solchen Lichtteiler ist es nun möglich, in Reflexion arbeitende Lichtventile direkt auf die Austrittsflächen zu applizieren, womit bezüglich der Schichtsysteme, beispielsweise gemäss Fig. 2, an einem betrachteten Schichtsystem einfallendes, spektral aufzuteilendes Licht in S-Polarisation, am Schichtsystem unter einem anderen Winkel reflektiert wird, als das vom Lichtventil RLV reflektierte P-polarisierte, zu rekombinierende Licht gleichen Spektrums.

Allerdings besteht auch die Möglichkeit, die Reflexionswinkel-Verschiebung am einen und/oder andern Schichtsystem zu realisieren ohne entsprechende Verkippung der Austrittsflächen am Lichtteiler selber, d.h. ohne den Lichtteiler zu ändern, durch entsprechend relativ verkippte Montage der Lichtventile.

Eine entsprechende optische Übertrageranordnung mit einem Lichtteiler, mit einer Ein- und Austrittsfläche für weisses Licht und je Austrittsflächen für rotes, blaues und grünes Licht weist, wirkverbunden mit den Austrittsflächen des erwähnten Lichtteilers und nach dem Wortlaut von Anspruch 11, Reflektoren auf, welche die Lichtpolarisation ändern und woran das aus den Austrittsflächen austretende Licht unter einem Winkel reflektiert wird, der mehr von 0 DEG abweicht, als durch die Fertigungstoleranzen der Gesamtanordnung gegeben.

Eine solche optische Übertrageranordnung kann nun sowohl realisiert sein durch direktes Aufbringen von in Reflexion arbeitenden Lichtventilen auf die verkippten Austrittsflächen eines Lichtteilers, wie er oben beschreiben ist, oder die Reflektoren-Verkippung kann durch mechanische Montagevorkehrungen, losgelöst von der eigentlichen Lichtteilerausbildung, realisiert werden.

Der erfindungsgemässe Lichtteiler für sich betrachtet weist bevorzugt kombiniert sowohl die Massnahmen bezüglich Schichtmate rialien auf wie auch die Massnahmen, um an den Schichtsystemen Strahleinfallsrichtung-spezifische, unterschiedliche Reflexionswinkel zu realisieren, wie dies der Lichtteiler nach Anspruch 10 spezifiziert. Desgleichen weist eine optische Übertrageranordnung grundsätzlich mit verkippten Reflektoren nach Anspruch 11 bevorzugt auch die Schichtmaterial-spezifischen Lösungsmerkmale am Lichtteiler auf, dies gemäss Wortlaut von Anspruch 9.

Jedes der erfindungsgemässen Prinzipien, nämlich erfindungsgemässe Materialwahl an einem, vorzugsweise an beiden der Schichtsysteme und/oder Einfallsrichtung-spezifische Reflexion an mindestens einem, vorzugsweise an beiden Schichtsystemen erlauben es nun, insbesondere auch für Projektoranordnungen, mit reflektierenden Lichtventilen zu arbeiten.

Eine optische Übertrageranordnung, woran, gemäss Anspruch 11, die erwähnte Verkippung realisiert ist und/oder welche einen Lichtteiler mit erfindungsgemässer Materialwahl an den Schicht-Systemen umfasst, weist weiter bevorzugterweise eingangsseitig einen Polarisationsstrahlteiler auf und/oder, als Beleuchtungsquelle, eine HMI-Leuchte.

Dabei weist die erwähnte HMI-Leuchte dort in ihrem Lichtspektrum tiefe Energiewerte auf, wo auch der spektrale Verschiebungsbereich im Reflexionsverhalten bezüglich S- und P-polarisierten Lichtes liegt, d.h. entsprechend den Spektralbereichen DELTA R und DELTA B gemäss den Fig. 3 bis 7.

Die Erfindung wird nun weiter beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 8 die Reflexion von blauem Licht an einem erfindungsgemässen Lichtteiler mit erfindungsgemässer Schichtmaterialwahl für S- und P-Polarisationen,

Fig. 9 in Darstellung analog zu Fig. 8 die bei erfindungsgemässer Schichtmaterialwahl resultierende Reflexion von rotem Licht in S- und P-Polarisation,

Fig. 10 die Gesamttransmission von blauem Licht an einem X-Cube mit erfindungsgemäss gewählten Schichtsystem-Materialien, d.h. mit Schichtsystemen, die jeweils zu den Resultaten gemäss den Fig. 8 und 9 führen, sowie das Spektrum einer HMI-Leuchte,

Fig. 11 in Darstellung analog zu Fig. 10, am selben X-Cube aufgenommen, das Spektrum der gesamten Transmission von rotem Licht sowie der erwähnten HMI-Leuchte,

Fig. 12 das Spektrum des am erwähnten erfindungsgemässen X-Cube resultierenden Streulichtes sowie der erwähnten HMI-Leuchte,

Fig. 13 schematisch, eine erste erfindungsgemässe optische Übertrageranordnung in Form einer erfindungsgemässen Projektionsanordnung mit einem erfindungsgemässen Lichtteiler mit erfindungsgemäss gewählten Materialien der Schichtsysteme,

Fig. 14 schematisch und nur mit einem der Schichtsysteme dargestellt, eine X-Cube- und Lichtventilanordnung zur Erläuterung der Erfindung unter ihrem Verkippungsaspekt bezüglich roten Lichtes,

Fig. 15 in Darstellung analog zu Fig. 14, die Verhältnisse für blaues Licht,

Fig. 16 unter Verwendung eines herkömmlich geformten X-Cubes eine einfache Realisationsmöglichkeit der Erfindung unter ihrem Verkippungsaspekt, und

Fig. 17 Spektren des roten und blauen Lichtes zur Erläuterung der erfindungsgemässen Verkippungswirkung, und

Fig. 18 in Analogie zu Fig. 12, das bei einem X-Cube mit kombinierten erfindungsgemässen Lösungen gemäss den Spektren von Fig. 17 resultierende Restlichtspektrum, mit dem Spektrum der HMI-Leuchte Phillips UHP 120 W.

Die nachfolgend anhand der Fig. 8 bis 12 vorgestellten Ergebnisse wurden an einer Anordnung, wie sie prinzipiell in Fig. 2 dargestellt ist, gemessen. Es wurde ein X-Cube vorgesehen mit farbselektiven Schichtsystemen 5 bzw. 7. Das höherbrechende Material bei den Schichtsystemen 5, 7 war TiO 2 , das Material mit niedrigerem Brechwert ein Mischmaterial aus SiO 2 und TiO 2 , in einem Mischungsverhältnis von A Si02 /A TiO2 = 60/40. Der X-Cube-Körper bestand aus Quarzglas.

Die sich bei Reflexionsmessungen ergebenden Einflüsse der Transmission am jeweils nicht betroffenen Schichtsystem - also für blaues Licht dem rot-selektiven System 7 und für rotes Licht dem blauselektiven 5 - insbesondere der Transmissionsunterschied für S- und P-polarisiertes rotes bzw. blaues Licht, waren vernachlässigbar.

An der Anordnung von Fig. 2 wurden, in Analogie zu Fig. 3, bei einem X-Cube mit TiO 2 als Material mit höherem Brechwert und SiO 2 als Material mit niedrigerem Brechwert am erfindungsgemä ssen Lichtteiler Spektren für reflektiertes blaues Licht B in S- und P-Polarisation gemessen, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind, analog für rotes Licht R in Fig. 9. Der Brechwert N LS innerhalb des Bereiches 1,7 <= N LS <= 2,1 wurde zu 1,8 +/- 2% gewählt.

Durch die Wahl des erwähnten Mischverhältnisses am Mischmaterial mit niedrigerem Brechwert und damit der Einstellung des niedrigeren Brechwertes, wurde eine wesentliche Reduktion der Polarisationsverschiebungen DELTA B bzw. DELTA R erreicht, also eine wesentliche Annäherung der Reflexionsspektrenkanten von S- und P-polarisiertem Licht. Wenn an vorbekannten optischen Bauteilen gemäss Fig. 3 bei 50% Reflexion sich zwischen Reflexionsspektrum für S- und P-polarisiertes Licht eine Polarisationsverschiebung von 70 nm ergibt, so ergibt sich am erfindungsgemässen Bauteil für dieses Licht lediglich mehr eine Polarisationsverschiebung von 30 nm. Desgleichen ergibt sich für rotes Licht bei 30% Reflexion am erfindungsgemässen Bauteil nur noch eine Polarisationsverschiebung von 25 nm, während diese gemäss Fig. 4 an vorbekannten Bauelementen 50 nm beträgt.

Im Weiteren beträgt die maximale Reflexion von P-polarisiertem blauen Licht erfindungsgemäss und gemäss Fig. 8 ca. 92% derjenigen von S-polarisiertem blauen Licht, während bei vorbekannten Bauteilen gemäss Fig. 3 diese nur 75% beträgt. Bezüglich rotem Licht beträgt, wie ohne weiteres ersichtlich, die maximale erfindungsgemäss erzielte Reflexion bei P-Polarisation 97% derjenigen bei S-Polarisation, während bei vorbekannten Bauteilen gemäss Fig. 4 erstere nur 40% beträgt.

In Fig. 10 ist an dem wie oben definiert erfindungsgemäss aufgebauten System gemäss Fig. 2 die gesamte Transmission von blauem Licht dargestellt, in Fig. 11, entsprechend, die gesamte Transmission von rotem Licht, also über die Lichtteilung am X-Cube, Reflexion an RLV und Lichtrekombination am X-Cube.

Eine HMI-Leuchte, wie beispielsweise eine Lampe UHP 120 W der Firma Philips, ergibt das in den Fig. 10 und 11 miteingetragene - DELTA - Lampenspektrum. Es ist daraus ersichtlich, dass das Lampenspektrum insbesondere dort eine kleine Energie bzw. Intensität aufweist, wo das blaue Licht, aufgrund der nach Fig. 8 noch verbleibenden Polarisationsverschiebung DELTA ' B , ohnehin wenig transmittiert wird. Zusätzlich wird, äusserst vorteilhaft, die Lampenspektrallinie bei 580 nm, entsprechend der Gelblinien, durch das erfindungsgemäss vorgesehene Schichtsystem ausgeblendet (s. Fig. 10), was eine Grüneinfärbung der Blaukomponente bzw. Orangeeinfärbung der Rotkomponente verhindert.

Aus dem Vergleich des Streulichtspektrums von Fig. 12 mit demjenigen an einem herkömmlichen X-Cube nach Fig. 7 ist ersichtlich, dass die gesamten Streulichtverluste am erfindungsgemäss realisierten Lichtteiler mit erfindungsgemäss gewählten Schichtsystem-Materialien wesentlich geringer sind als an einem herkömmlichen Lichtteiler genannter Art, insbesondere auch, wenn der erfindungsgemässe Lichtteiler mit einer HMI-Lichtquelle kombiniert wird.

In Fig. 13 ist die Realisation eines erfindungsgemässen Projektors dargestellt, bei dem nun, dank der erfindungsgemässen Ausbildung des als X-Cube ausgebildeten optischen Lichtteilers, nämlich mit erfindungsgemäss gewählten Schichtsystem-Materialien, in Reflexion arbeitende Lichtventile RLV eingesetzt sind.

Weisses Licht, S-polarisiert oder beides, S- und P-polarisiert, tritt auf einen Polarisations-Strahlteiler 13 auf. Das Schicht-System 10 des Strahlteilers besitzt in bekannter Art und Weise die Eigenschaft, S-polarisiertes Licht um 90 DEG umzulenken und P-polarisiertes Licht durchzulassen. Das P-polarisierte Licht kann auch mittels eines Spiegels (nicht dargestellt) in die Lichtquelle zurückreflektiert werden. Das S-polarisierte weisse Licht läuft in den X-Cube 12 ein, aufgebaut wie anhand von Fig. 2 erläutert wurde, aber mit erfindungsgemässen Schichtsystem-Materialien. An den drei Farbkanal-entsprechenden Austrittsflächen des X-Cubes 12 sind in Reflexion arbeitende Lichtventile, RLV<R>, RLV<G> und RLV<B> vorgesehen.

Unter Polarisationsänderung wird dort das Licht der jeweils zugeordneten Spektren zurückreflektiert, P-polarisiert auf die zugeordneten, erfindungsgemäss ausgebildeten, farbselektiven Reflexionsschichtsysteme und durch den Polarisations-Strahlteiler 13 rekombiniert ausgegeben. Das Licht wird also im X-Cube in S-Polarisation in RGB aufgespalten und im gleichen X-Cube in P-Polarisation aus RGB rekombiniert. Das P-polarisierte Licht kann den polarisierenden Strahlteiler 13 ungehindert passieren und wird über eine Projektionsoptik auf einen Schirm (nicht dargestellt) projiziert.

Anhand von Fig. 14 soll nun die angesprochene, bevorzugte erfindungsgemässe Lösung obgestellter Aufgabe prinzipiell erläutert werden, welche sich, wie bereits erwähnt, optimalerweise mit der eben beschriebenen Lösung, spezielle Schichtsystem-Materialwahl, kombinieren lässt.

Wiederum ist das zu lösende Problem dadurch gegeben, dass, wie anhand von Fig. 3 und Fig. 4 erläutert wurde, an den jeweiligen Schichtsystemen eines Lichtteilers eine massgebliche Polarisa tions-Verschiebung der reflektierten Spektren, entsprechend DELTA B und DELTA R , entsteht.

Grundsätzlich und mit Blick auf die erwähnten Figuren soll erreicht werden: - Die Spektralkante des reflektierten roten Lichtes in S-Polarisation soll (s. Fig. 4) hin zu längeren Wellenlängen geschoben werden; - die Spektralkante des reflektierten roten Lichtes in P-Polarisation soll gegen kürzere Wellenlängen hin geschoben werden; - die Spektralkante des reflektierten blauen Lichtes in S-Polarisation soll gegen kürzere Wellenlängen hin geschoben werden, und - die Spektralkante des reflektierten blauen Lichtes in P-Polarisation soll gegen längere Wellenlängen geschoben werden.

Es ist höchst überraschend, dass sich alle diese Bedingungen grundsätzlich dadurch erfüllen lassen, dass gezielt die Einfallswinkel jeweils für P- und S-polarisiertes Licht an den zugeordneten Schichtsystemen voneinander unterschiedlich gewählt werden. Dieses Vorgehen soll prinzipiell anhand von Fig. 14 erläutert werden. Diese zeigt, abgesehen von den noch zu erläuternden Verhältnissen, schematisch einen X-Cube 20 mit dem einen Schichtsystem 5a - dem Rotreflektor - sowie, aus Übersichtsgründen nur für einen Kanal eingezeichnet, einem in Reflexion arbeitenden Lichtventil RLV.

Wesentlich bei der erfindungsgemässen Lösung ist nun, dass das auf RLV einfallende Licht unter einem von 0 DEG abweichenden Winkel ? , bezüglich der Flächennormalen F RLV auf RLV eintrifft, und nicht mehr wie beispielsweise gemäss Fig. 2 oder 13 unter dem Winkel ? = 0 DEG .

Die an das Spektrum des roten Lichtes für eine Verringerung der Polarisationsverschiebung gemäss Fig. 4 gestellten Anforderungen werden nun dadurch erfüllt, dass der Reflexionswinkel alpha R für das S-polarisierte rote Licht kleiner gewählt wird als der Winkel beta für das P-polarisierte rote Licht.

Umgekehrt werden die Bedingungen bezüglich Polarisationsverschiebung der Spektren des blauen Lichtes dadurch erfüllt, dass, wie in Fig. 15 dargestellt, der Reflexionswinkel alpha B des blauen Lichtes in S-Polarisation am Schichtsystem 7a grösser ist als der Reflexionswinkel beta B des vom zugeordneten Lichtventil RLV reflektierten blauen Lichtes. Gemäss den Fig. 14, 15 ergibt sich am Rotreflektor- bzw. Blaureflektor-Schichtsystem 5a, 7a

beta R = alpha R + 2 ? beta B = alpha B - 2 ?

Der Winkel alpha wird durch die geometrische Relativposition des Schichtsystems 5a gemäss Fig. 14 zur Richtung des am Kanal K R+B+G einfallenden Lichtes eingestellt, der Winkel beta in Funktion dieses erwähnten Einfallswinkels alpha sowie der Winkelausrichtung des Reflektors an RLV mit Bezug auf das am Kanal K R bzw. K B austretende Licht.

Sowohl bezüglich des roten Lichtes wie auch bezüglich des blauen wird in einer bevorzugten Ausführungsform der jeweilige Winkel alpha und beta symmetrisch zu 45 DEG gewählt. Bezeichnet man die Abweichung der jeweiligen Winkel alpha , beta von 45 DEG mit delta , so ergibt sich 45 DEG +- delta = alpha 45 DEG +- delta = beta ,

wobei jeweils das obere Vorzeichen für blaues Licht am Reflektor 7a gemäss Fig. 15, das untere Vorzeichen für die Verhältnisse am Rotkanal mit dem Reflektor 5a gemäss Fig. 14 gilt. Daraus ergibt sich ? = delta

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird delta gewählt zu 0 < delta <= 5 DEG .

Daraus folgt, dass am Lichtventil RLV R , dem Rotkanal K R zugeordnet, und/oder am Lichtventil RLV B , dem Blaukanal K B zugeordnet, vorzugsweise an beiden, das jeweils einfallende Licht unter einem Winkel ? zu reflektieren ist, der grösser ist als 0 DEG und bevorzugt höchstens 5 DEG beträgt. Weil auch kleine Einfallswinkel ? , die von 0 DEG abweichen, fertigungsbedingt sein können, wird selbstverständlich dieser Winkel ? von 0 DEG in einem Mass abweichend gewählt, der über dem Fertigungstoleranzen-bedingten Mass liegt.

Wie aus den Fig. 14 und 15 ohne weiteres ersichtlich, wird dabei der jeweilige Winkel alpha durch die relative Ausrichtung des jeweiligen Schichtsystems 7a bzw. 5a und der Licht-Einfallsrichtung des durch den Kanal für weisses Licht K R+B+G eintretenden Lichtes festgelegt.

Die erfindungsgemässen geometrischen Verhältnisse an Lichtteilern und Ventilen RLV, insbesondere X-Cubes und Lichtventilen RLV, wie sie qualitativ in den Figuren 14 und 15 dargestellt werden, können realisiert werden durch spezielle Formung des X-Cubes bzw. Lichtteilers selber, nämlich durch Verkippen ihrer Austrittsflächen entsprechend K R bzw. K B sowie ihrer Schichtsystemen 5a und 7a und direktes Aufbringen der Ventile auf die verkippten Flächen (in Fig. 14, 15 gestrichelt bei K R ? , K B ? ). Alternativ - und einfacher - wird die "Verkippung" durch entsprechende Positionierung der RLVs und Ausbildung von Beleuchtungs- bzw. Rekombinationsoptiken realisiert, mit geometrisch unverändertem X-Cube bzw. Lichtteiler.

Eine einfache Realisationsform ergibt sich dabei gemäss Fig. 16 und wie ohne weiteres aus kombinierter Betrachtung der Fig. 14 und 15 einsehbar, dadurch, dass ein X-Cube, wie beispielsweise anhand von Fig. 2 gezeigt, bezüglich beispielsweise parallel angeordneter Lichtventile RLV verkippt wird.

In Fig. 17 sind mehrere Spektren für rotes und blaues Licht dargestellt, wie sie an einem X-Cube gemessen wurden, woran beide erfindungsgemässen Lösungen kombiniert waren, nämlich, einerseits, erfindungsgemässe Materialwahl der Schichtsysteme und, andererseits, erfindungsgemässe Einfallswinkel-Auslegung. Diese Spektren wurden an X-Cubes ausgemessen, welche bereits zu den vorbeschriebenen Spektren gemäss den Fig. 8 und 9 führten.

Bei den Rotspektren von Fig. 17 bezeichnen: (a): Das Spektrum des reflektierten S-polarisierten roten Lichtes bei einem Einfallswinkel alpha R gemäss Fig. 14 am erfindungsgemässen Rotreflektor 5 von 45 DEG . Dieses Spektrum entspricht dem einen Spektrum von Fig. 9. (b): Das Spektrum des reflektierten P-polarisierten roten Lichtes, reflektiert am erfindungsgemässen Rotreflektor 5 unter beta R = 45 DEG .

An diesen Spektren ist die erfindungsgemäss durch Materialwahl an den Schichtsystemen erzielte Reduktion der Polarisationsverschiebung gemäss Fig. 9 wiederum ersichtlich. (c): Das Spektrum S-polarisierten roten Lichtes am selben erfindungsgemässen Rotreflektor 5 reflektiert unter alpha R = 42 DEG . (d): Das Spektrum am nämlichen Rotreflektor 5 reflektierten P-polarisierten roten Lichtes mit beta R = 48 DEG .

Aus dem Vergleich der Spektren (c) und (d) ist ohne weiteres ersichtlich, dass die verbleibende Polarisationsverschiebung DELTA '' R nochmals um praktisch 50% reduziert wird, dies durch gezielte polarisationsabhängige Auslegung der Einfallswinkel alpha R , beta R .

Bei den Blauspektren B von Fig. 17 bezeichnen: (e): Das Spektrum reflektierten S-polarisierten blauen Lichtes am bezüglich Schichtmaterialien erfindungsgemäss ausgelegten Blaureflektor 7 unter einem Einfallswinkel alpha B = 45 DEG .

Dieses Spektrum entspricht dem einen von Fig. 8. (f): Das Spektrum des reflektierten P-polarisierten blauen Lichtes, am erfindungsgemässen Blaureflektor 7, mit beta B = 45 DEG .

Dieses Spektrum entspricht dem andern von Fig. 8.

Zwischen den Spektren (e) und (f) ist die Polarisationsverschiebung DELTA ' B gemäss Fig. 8 erkenntlich. (g): Das Spektrum des am erfindungsgemäss ausgebildeten Blaureflektor 7 reflektierten, S-polarisierten blauen Lichtes mit alpha B = 48 DEG . (h): Das Spektrum des am erfindungsgemäss ausgebildeten Blaureflektor 7 reflektierten, P-polarisierten blauen Lichtes mit beta B = 42 DEG .

Wiederum ist an den Spektren (g) und (h) die weitere Reduktion der Polarisationsverschiebung bezüglich der allein durch erfindungsgemässe Schichtmaterialwahl bereits erzielten gemäss Fig. 8 erkenntlich.

In Fig. 18 ist, in Analogie zur Darstellung gemäss Fig. 12, einerseits das Spektrum einer HMI-Leuchte, nämlich der UHP 120 W der Firma Philips, dargestellt, anderseits das Spektrum von Streulicht, erreicht mit einem X-Cube mit erfindungsgemäss ausgelegten Schichtsystemen sowie mit der polarisationsspezifischen Auslegung der Einfallswinkel alpha , beta gemäss den Spektren von Fig. 17.

Am erfindungsgemässen Lichtteiler, insbesondere X-Cube, ist es ohne weiteres möglich, z.B. nur das den Rotreflektor bildende

Schichtsystem 5 mit den erfindungsgemässen Materialien auszubilden und die erfindungsgemässe Einfallswinkel-Auslegung, beispielsweise gemäss Fig. 16, durch Verkippen des X-Cubes zu realisieren.

Claims

1. Spektral selektiver Lichtteiler, der weisses Licht in rotes, grünes und blaues Licht teilt bzw. weisses Licht aus rotem, grünem und blauem Licht rekombiniert, mit zwei separaten, je farbselektiv reflektierenden und transmittierenden Schicht-Systemen, die auf oder in mindestens einen transparenten Trägerkörper aufgebracht bzw. eingebettet sind, wobei mindestens eines der Schichtsysteme mindestens eine Schicht aus einem Material mit niedrigerem Brechwert umfasst sowie mindestens eine Schicht aus Material mit höherem Brechwert, dadurch gekennzeichnet, dass für den niedrigeren Brechwert N LS gilt: 1,7 <= N LS <= 2,1.

2. Lichtteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: N LS = 1,8 +/- 2%.

3.

Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit niedrigerem Brechwert ein Mischmaterial ist, das aus mindestens zwei Materialien m 1 , m 2 besteht, für welche Materialien gilt: N m1 >= 1,05 N LS N m2 <= 0,95 N LS .

4. Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit höherem Brechwert mindestens überwiegend aus mindestens einem Oxid oder Oxinitrid besteht, vorzugsweise aus mindestens einem der folgenden Materialien: TiO 2 , Ta 2 O

5 , Nb 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , SiO x N y 5.

Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit niedrigerem Brechwert mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , SiO x N y , dabei vorzugsweise TiO 2 und/oder Ta 2 O 5 sowie mindestens eines der folgenden Materialien: Y 2 O 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , SiO x N y , vorzugsweise, dass das Material mit niedrigerem Brechwert mindestens überwiegend aus SiO 2 und TiO 2 besteht, bevorzugt mit einem Anteilverhältnis, bei dem der Anteil von SiO 2 A Si02 im Bereich von 55% bis 65% liegt und der Anteil von TiO 2 mit dem Anteil von SiO 2 eine Summe von 100% ergibt, also im Bereich von 35% bis 45% liegt.

6. Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit niedrigerem Brechwert Y 2 O 3 umfasst.

7.

Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Brechwert N k des Materials des mindestens einen Trägerkörpers gilt: 1,52 >= N k >= 1, bevorzugterweise N k = 1,45 +/- 2%.

8. Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schichtsysteme mindestens eine Schicht aus einem Material mit niedrigerem Brechwert sowie mindestens eine Schicht aus Material mit höherem Brechwert aufweisen.

9. Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er als X-Cube ausgebildet ist und bei dem die Schichtsysteme im Wesentlichen entlang von Diagonalebenen eines Trägerkörper-Quaders eingebettet sind, welcher vorzugsweise, mindestens genähert, quadratisch ist, betrachtet in einer Schnittebene senkrecht zur gemeinsamen Schnittgeraden der Schichtsysteme.

10.

Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Austrittsflächen für an mindestens einem der Schichtsysteme reflektiertes, aus der Teilung resultierendes Licht, bezüglich der Austrittsrichtung dieses Lichtes so verkippt angeordnet ist, dass ihre Flächennormale mit besagter Richtung einen Winkel ? einschliesst, der von Null abweicht, und zwar um mehr als durch Fertigungstoleranzen des Lichtteilers bedingt, für den vorzugsweise gilt: ? <= 5 DEG .

11.

Optische Übertrageranordnung mit einem Lichtteiler nach einem der Ansprüche 1-10, mit einer Ein-/Austrittsfläche für weisses Licht und je Austrittsflächen für rotes, blaues und grünes Licht, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Austrittsflächen Reflektoren wirkverbunden sind, welche die Lichtpolarisation ändern und woran das aus den Austrittsflächen austretende Licht unter einem Winkel reflektiert wird, der mehr von 0 DEG abweicht, als durch die Fertigungstoleranzen der Anordnung gegeben.

12. Übertrageranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren durch je Anordnungen reflektierender Lichtventile gebildet sind, vorzugsweise je durch LCD-Anordnungen.

13. Übertrageranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht unter einem Winkel ? an den Reflektoren reflektiert wird, für den gilt 0 DEG < ? <= 5 DEG , wobei er mehr als durch Fertigungstoleranzen bedingt von Null abweicht.

14. Übertrageranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtreflexion unter dem angegebenen Winkel bei mehr als einem der Reflektoren erfolgt.

15. Übertrageranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsfläche des Lichtteilers für aufzuteilendes Licht einen Polarisationsstrahlteiler aufweist und/oder weiter eine HMI-Leuchte als Beleuchtungsquelle für die Eintrittsfläche.