CN1551994A - 产生指定偏振状态光的方法 - Google Patents

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Abstract

产生指定偏振状态光的方法，其中在偏振状态敏感的分光器入口处导入光，将指定偏振状态的光从分光器在第一出口输出。将具有与指定状态有偏差的偏振状态的光相对这种状态进行改变和输出。本发明涉及偏振器装置，照明装置，投影系统及其应用。

Description

产生指定偏振状态光的方法
本发明涉及用于产生指定偏振状态光的方法，其中在偏振状态敏感的分光器入口处导入光，将指定偏振状态的光从分光器在第一出口输出，将具有与指定状态有偏差的偏振状态的光相对这种状态进行改变和输出。此外本发明涉及偏振器装置，照明装置，投影系统以及它们的应用。
从US-A-6 139 157中已知开始叙述类型的一种方法或者按照这种方法工作的照明系统。穿过光隧道以及透镜系统之后将非偏振光输入给偏振状态敏感的分光器。将被输入的非偏振光起振为指定偏振状态的部分在分光器的第一出口输出期间，将具有与指定偏振状态有偏差的非偏振光状态相对这种状态进行改变和在分光器的第二出口输出。
这种方法有以下缺点：
因为最后成为指定状态的偏振光在分光器的两个分离区域或者出口输出，设计了用于精确接受来自两个区域光的紧相连的照明光学部件，这使得整个系统没有灵活性而且体积很大。
本发明的任务是建立一种方法和一种按照这种方法工作的偏振器装置，这种装置避免了上述缺点。
这项任务按开始叙述的方法是这样解决的，将改变偏振状态的光重新导入偏振敏感分光器的入口。
因此实际上整个非偏振光最后达到了以所希望偏振状态从分光器中输出。这是因为将光一直在第二出口输出并被偏转直到具有至少接近指定的偏振状态，然后同样在第一出口离开分光器。
如还要叙述的，按照本发明方法优异的实施形式揭示了具有最大优越性的实现方法，即通过反射，优选通过多次反射将光的偏振状态改变。
在另外一个优异的实施形式中，特别优选与上述反射状态改变结合，通过预先规定的延迟，优选借助于至少一个延迟器元件，将光的偏振状态改变。
从US 6 139 157中已知，进入分光器的光首先从一个光源用反射器聚焦在光隧道的孔上和通过光隧道周边内表面的多次反射作用使光强度分布在其输出侧均匀化。因此也已知，为了强度均匀化的原因，对于非偏振的、输入分配光的光应安排一个具有多次反射的光程。
于是在按照本发明方法最优越的实施形式中，在将光导入偏振状态敏感的分光器之前同样将光引导通过一具有反射周边的光隧道组件，并且将具有与指定偏振状态垂直的状态的光从与照明光源相反的一端进入光隧道组件，并且在其上进行反射。因此该由于强度均匀化原因为非偏振光安排的光隧道组件同时被充分利用，以便将非偏振光的不在指定状态的偏振光部分相对其偏振状态进行改变和重新输入到分光器的入口。因此实现了最紧凑和最简单的按照本发明的实施。
优选在至少一个引入光的区域在组件中安排至少一个起指定的，定义的改变偏振状态作用的元件，优选至少一个延迟器片。
在另一优异实施形式中，借助于一个光源和一个反射器产生导入分光器入口的光和将与指定偏振状态垂直状态光的至少一部分至少还在反射器上反射和将在那里被反射的光输入到偏振状态敏感的分光器上。
该后面叙述的过程特别适合于与已经叙述过的光隧道组件设置组合在一起，借助用上述反射器实际上建立了对光隧道组件窗孔的封闭空间，这样无论如何使得从分光器第二出口和通过光隧道窗孔出来的那部分光不会丢失，而是通过反射器重新反射到光隧道组件中。其中优选反射器的形状类似于一个乌尔伯利特球(Ulbricht’sche Kugel)。
在最后叙述过程的另一优异实施形式中也在反射器面上安排了一个起指定偏振状态改变作用的元件。
在权利要求8详细叙述了按照本发明的偏振装置及其按照权利要求9至16的优异实施形式。在权利要求17中详细叙述了按照本发明的照明装置，按照本发明的投影系统详细叙述在权利要求19中。按照本发明的装置以及按照本发明的方法非常好地适于应用在投影仪或者照明装置领域内。
随后借助附图举例叙述本发明。这些附图是：
图1借助于一个光学的功能块/信号流程图表示了按照本发明方法的原理，本发明的偏振装置按照这个原理工作；
图2与图1相似的图中表示了偏振旋转或者偏振改变的组件的优选构成；
图3在类似于图1和2的图中表示了按照本发明的方法或者按照本发明的装置优异的实施形式，在其中同样的部件不仅充分利用在光强度分布均匀化而且充分利用在按照本发明的偏振状态旋转或者偏振状态改变上；
图4借助于图3所表示的过程优异实施形式；
图5安排了偏振状态敏感的分光器的第一个优异实施形式；
图6安排了偏振状态敏感的分光器的另一个优异实施形式；
图7在另一优异实施形式中简化表示了使用按照本发明的方法或者按照本发明的偏振装置或者按照本发明的投影装置。
借助于图1应该首先使用一个光学功能块/信号流程图叙述本发明的基本原理。一般来说将从投影仪光源出来的非偏振光线L传送到偏振状态敏感的分光器1上。偏振方向敏感的分光器1在它的光出口A1将非偏振光线L中有指定偏振状态例如P-偏振的部分LP输出。将非偏振光L的一部分LS，这个与在A1传出的光偏振状态P有一个垂直的、根据这个例子即S-偏振状态，将其从偏振状态敏感的分光器1的第二光学出口A2输出。一般来说将上述光L的一部分即Lp，通过偏振滤波器层系统在偏振状态敏感的分光器1上透射，将其余的例如Ls在这里反射。
具有所希望的偏振状态的光Lp在光出口A1出来。将偏振状态敏感的分光器1出口A2出来的光Ls在偏振状态旋转或者改变的元件3上将其偏振状态改变或者旋转并且重新传送到偏振状态敏感的分光器1的光入口E1上。因此实际上整个传送给分光器1的起初非偏振的光L最后是作为具有所希望的偏振状态例如P的Lp输出。
如图2表示了如果按照图1在光出口A2出来的光Ls经过多次反射，就可以优异实现偏振状态旋转的元件3。一般来说通过反射不再保持光的偏振状态。如果光Ls的偏振状态也只有很少的旋转，于是的确还会有一部分P偏振化而且在出口A1作为LP部分输出来。其余部分可能需要经过装置3的多次循环直到其偏振方向相当于所要求的P-偏振。
如图2表示的在装置3上可以优异地通过安排附加分立的偏振方向旋转元件，特别是所谓的“延迟器”元件加强偏振状态的旋转，首先根据附图1的原理借助这些元件将引入光Ls的λ/2延迟，也就是说偏振方向旋转90°。
在图2方框3上一方面示意地表示了用于光LS的多次反射装置6。另一方面用虚线表示了装入的、附加的分立偏振方向旋转元件，例如是一个延迟器片8。
如在引言中叙述过的，在很多应用特别是在投影仪中通常希望提供强度尽可能均匀分布的光束。为此也如开始已经叙述过的已知，首先将来源于光源的非常小区域的一束光传送到光隧道，在其中通过来源于光源的光多次反射，在输出侧提供一个均匀的、一般来说与形成图形的元件形状相匹配的强度分布。
但是如果现在在偏振状态敏感的分光器1的入口侧，如图3示意表示，安排了由于均匀化原因将输入光L多次反射的组件，此被安排的多次反射组件与图1和2的元件3类似优异地同时使用作为偏振方向旋转组件。
按照图3光Le射在多次反射的组件3a上，如已经叙述过作为举例优异地射在光隧道的光入口E3a上，并且在多次反射之后强度均匀化地传送给偏振状态敏感的分光器1的入口E1上。
现在在与光入口E1相同的光出口A2上将不希望的偏振状态光LS传回到多次反射元件3a的出口A3a上，在那里经过多次反射之后被反射回来，并且作为具有现在已经旋转了偏振方向的光L的一部分，又传送到偏振敏感的分光器1上。用这种方式和方法充分利用了已经由于强度均匀化原因安排的多次反射组件3a，其中如下面还要叙述的，又可以安排专门的、分立的偏振旋转元件如延迟器片，并且实现按照本发明如图1或者图2中的方块3叙述过的应安排的偏振状态旋转。
在图4中表示了借助图3叙述的优异实施原理优异的实施形式。例如来自投影光源的光Le通过光隧道3a出口E3a的窗口7进入，并且只要与光隧道光轴A不是近似平行，则在光隧道3a高反射的内壁9上被一次或多次地反射。
将射入的光线或者例如其光路用虚线画在附图4上。
优选直接在光隧道3a的出口A3a处安排偏振状态敏感的分光器1a，所希望的偏振状态光LP并且具有均匀的分布强度从光出口A1a输出。
用图3的叙述，将用线画在图4上与所希望的偏振状态，这里是P，有偏差的光隧道3a中的光LS返回到光隧道3a中，在那里经过多次反射之后最后反射在围绕窗口7构成内部反射的光隧道端壁11上，将首先通过多次反射被旋转的偏振状态又在光隧道出口A3a处传送给偏振状态敏感的分光器1a上。借此经过这样的旋转之后在所希望方向上或者在所希望状态上的偏振的光作为光LP的一部分从分光器1a输出。其中将端壁11的反射内壁调整得与反射平面或者与分光器1a的平均位置E′(见图5)相平行。
在实现按照图4优异实施例中在入口窗口7和光隧道3a的出口A3a或偏振状态敏感的分光器1a入口之间安排了起分立的指定偏振状态旋转作用的一个或多个光学元件。如图4用虚线表示的，在光隧道3a横截面上可以安排用13a表示的偏振状态旋转元件，例如优选λ/4-延迟器片，和/或在光隧道3a周围壁上如在13b表示的和/或在光隧道3a定义的入口窗口7的入口侧的端壁11上如在图4上用13c表示的。同样优异的是安排这种偏振状态旋转元件，特别是λ/4-延迟器片，在围绕入口窗口7端壁11用13c表示的。由于光LS两次穿过λ/4-延迟器片的路段因此得到了90°的偏振状态旋转。
如图4已经表示的，优越的是使用片状的偏振状态敏感的分光器1a。此时必须根据出现的光强度来决定，是否可以使用以塑料为基础的偏振分光器，或者使用在玻璃基体上用胆甾醇型滤波器的分光器。
但是还可以使用一种在三层涂层的玻璃棱镜基础上实现的如图5表示的偏振分光器1b。
如果射入分光器1b的光L和LS期望尽可能小的平行偏移Δ，优选如同图6表示的，现在被称为1c的偏振状态选择性分光器以三棱镜结构I，II...陈列实现。结构越细，上述平行偏移Δ越小。
在图4上还可以看到，光LS在反射之后没有射在围绕入口窗口7的终端11上，而是穿过入口窗口7离开光隧道而丢失了。在图7，在按照本发明的投影仪的例子范围内，表示了这个问题的解决方法。光源17的光在聚焦的反射器15的入口窗口7上是这样形成的，偏振状态敏感的分光器1a或者1b或者1c的光不能从系统中丢失，并且还在光隧道3a的反射器15上反射。此时可以将反射器15设计为主要是相当于乌尔伯利特球的形状。
专门按照本发明的投影仪除了已经叙述过的元件之外还包括一个彩色快门19以及一个透镜系统21，此外还有分光器23，由于已经按照本发明安排的偏振状态选择性的分光器1a不是强制性地必须将这个构成为偏振状态敏感的分光器。最后将27称为投影透镜。
此外如图7表示和叙述的，还可以在反射器15上安排一个分立的偏振方向旋转元件，在图7上被称为13d。
用图7优选安排的颜色快门，例如具有三种选择颜色的透射区(没有示出)例如选择性透射的红，绿和蓝，进行光线LP的彩色调制。优选将彩色快门19构成为彩色轮。优选安排了以反射工作的光阀阵列作为形成图像的元件25，在其上按像素地和在安排彩色快门19时与最后的时间同步，在被投影的图像上控制各个像素的强度。
偏振状态敏感的分光器可以是一个元件，它使波长范围为Δλ1的光在第一偏振状态透射和在与之垂直的第二偏振状态反射，而另一波长范围Δλ2的光在第二偏振状态透射和在第一个偏振状态反射。
于是从分光器中出来的光具有依赖于波长范围的偏振状态。这种依赖于波长范围的偏振分布常常在投影仪上特别是在以反射的LCD′s为基础的投影仪上是需要的。偏振状态敏感的元件可以由延迟器堆垛和后置的偏振分光器构成，共同起作用成为波长选择的、偏振状态敏感的分光器。

Claims (20)

1.产生指定偏振状态(P)光的方法，其中在偏振状态敏感的分光器(1)入口(E1)处导入光(L)，将指定偏振状态的光(LP)从分光器(1)在第一分光器出口(A1)输出，将具有与指定状态(P)垂直的偏振状态(S)的光(LS)相对这个状态进行改变和输出，
其特征为，
在上述入口(E1)处将被改变偏振状态的光重新导入偏振状态敏感的分光器。
2.按照权利要求1的方法，
其特征为，
通过反射，优选通过多次反射改变偏振状态。
3.按照权利要求1或2之一的方法，
其特征为，
人们通过预先规定的延迟，优选借助至少一个延迟器元件改变偏振状态。
4.按照权利要求1至3之一的方法，
其特征为，
在导入偏振状态敏感的分光器入口之前将光线引导通过具有周边反射的光隧道组件并且将具有与指定偏振状态垂直的状态的光引导到这个组件中和在其中反射之后传送到入口。
5.按照权利要求4的方法，
其特征为，
在至少一个导入光的组件区域安排一个引起预先规定偏振状态改变的元件，优选至少一个延迟器片。
6.按照权利要求1至5之一的方法，
其特征为，
借助于光源和反射器产生光并且将至少一部分具有与指定偏振状态垂直偏振状态的光至少又在反射器上反射并且将在那里反射的光传送到偏振状态敏感的分光器入口。
7.按照权利要求6的方法，
其特征为，
在反射器表面处安排一个引起预先规定偏振状态改变的元件，优选延迟器片结构。
8.具有偏振状态敏感的分光器(1)的偏振器装置，在其光入口(E1)上导入光(L)，指定偏振状态(LP)的光在第一光出口(A1)输出和与之垂直的偏振状态(LS)的光在第二光出口(A2)输出，
其特征为，
改变偏振状态的组件(3)的光学入口(E3)与第二光出口(A2)的作用是结合的，其光学出口(A3)与偏振状态敏感的分光器(1)的光学入口(E1)的作用是结合的。
9.按照权利要求8的装置，
其特征为，
在组件(3)入口(E3)和出口(A3)将光反射，优选多次反射。
10.按照权利要求8或9的装置，
其特征为，
组件(13)包括至少一个将偏振状态改变一指定角度的组件，优选至少一个延迟器片。
11.按照权利要求8-10之一的装置，
其特征为，
分光器(1)的入口(E1)和第二出口(A2)是由分光器(1)同一个区域构成的。
12.按照权利要求8-11之一的装置，
其特征为，
光隧道组件(3a)出口(A3a)与分光器(1)入口(E1)的作用是结合的，这个出口(A3a)作为入口与光分光器的第二出口(A2)的作用是结合的。
13.按照权利要求12的装置，
其特征为，
在光隧道组件(3a)入口处安排了一个具有窗孔(7)的内部反射端壁(11)。
14.按照权利要求12或13的装置，
其特征为，
在光隧道组件(3a)中安排了至少一个引起预先规定偏振状态改变的组件(13a，13b，13c)。
15.按照权利要求12-14之一的装置，
其特征为，
分光器包括一个棱镜装置，一个反射的偏振膜或胆甾醇型(Cholesterisch)的偏振器。
16.按照权利要求8-14之一的装置，
其特征为，
从分光器第一出口输出的是依赖于其波长范围的指定偏振状态的光。
17.按照权利要求12-16之一的具有分光器装置的照明装置，
其特征为，
在光隧道组件入口侧前置了具有反射器(15)的光源(17)并且其中反射器(17)对光隧道组件定义了一个至少几乎封闭的空间。
18.按照权利要求17的照明装置，
其特征为，
给反射器安排了引起指定偏振方向旋转的结构(13d)。
19.投影系统具有按照权利要求12-16之一的装置或具有按照权利要求17或18的照明装置和具有前置在分光器入口(E1)处的彩色快门(19)。
20.按照权利要求1-7之一方法的应用和/或按照权利要求8-16之一分光器的应用和/或按照权利要求17的照明装置的应用或按照权利要求18投影仪装置的应用。
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