DE69217633T2

DE69217633T2 - Optischer Polarisationsstrahlenteiler und seine Verwendung in einem Abbildungssystem

Info

Publication number: DE69217633T2
Application number: DE69217633T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Huignard; Cecile Joubert; Brigitte Loiseaux
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2012-12-12
Also published as: FR2685100B1; EP0547949A1; DE69217633D1; EP0547949B1; US5410421A; FR2685100A1; JPH0659124A

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Polarisationsteiler sowie dessen Anwendung auf ein Anzeigesystem.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein optisches Bauelement mit geringer Dicke und großen Abmessungen, dessen Funktion darin besteht, eine auftreffende Welle zu polarisieren, die von einer kohärenten oder inkohärehten Lichtquelle (z. B. einer Halogenlampe, einer Lichtbogenlampe, ...) ausgegeben wird, und von der Bauart, die bereits im Dokument EP-A-0 422 661 offenbart ist. Das erhaltene Bauelement fügt sich ganz besonders in eine optische Konfiguration eines Videoprojektionssystems ein, so daß die Erfindung außerdem ein Anzeigesystem, insbesondere ein Flüssigkristall-Anzeigesystem, betrifft.
Ein Bragg-Spiegel, der unter den Bedingungen von Fig. 1 gegeben ist, bildet für eine auftreffende Welle einen Polarisator: der Bragg-Winkel θ = 45º bei der Wellenlänge λ ist außerdem der Brewster-Einfallswinkel der Grenzfläche n; n + Δn. Die von diesem Bauelement reflektierte Welle ist senkrecht polarisiert, während die durchgelassene Welle in der Einfallsebene liegt. In seiner herkömmlichen Form ist das Bauelement aus zwei 45º-Prismen mit Brechungsindex n gebildet, die an das holographische Bauelement geklebt sind, das durch Mittel eingetragen ist, die an ein Material mit photoinduzierter Brechungsindexveränderung angefügt sind. Dieses "Polarisationsteiler"-Prisma verwirklicht in einem Videoprojektor, in den aktive Flüssigkristallmatrizen integriert sind, eine wichtige optische Funktion. Ursprüngliche optische Architekturen, die die Merkmale der wellenlängenselektiven Polarisation und Beugung dieser Bauelemente ausnutzen, bilden den Gegenstand der französischen Patentanmeldung Nr. 90 14620. In bestimmten optischen Konfigurationen kann der Polarisationsteilerkubus Abmessungen besitzen, die zum LCD-Bildschirm äquivalent sind (typischerweise 10 x 10 cm²), was zur Verwirklichung eines Glas- oder Kunststoffbauelements mit großen Abmessungen, das folglich schwer ist und viel Platz beansprucht, führt.
Die Erfindung ermöglicht die Verwirklichung eines Polarisationsteilers mit geringer Dicke, der folglich leicht ist und wenig Platz beansprucht.
Die Erfindung betrifft daher den Polarisationsteiler, der im Anspruch 1 definiert ist.
Die Erfindung betrifft außerdem das Anzeigesystem, das im Anspruch 6 definiert ist und den Teiler verwendet.
Die verschiedenen Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden deutlicher in der folgenden Beschreibung und in den beigefügten Figuren, in denen:
- Fig. 1 einen im Stand der Technik bekannten und oben beschriebenen Polarisationsteiler zeigt;
- Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Polarisationsteilers gemäß der Erfindung zeigt;
- Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
- die Fig. 4 bis 7 eine Ausführungsvariante der Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung zeigen.
Zunächst wird mit Bezug auf Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Polarisationsteilers gemäß der Erfindung beschrieben.
Dieser Polarisationsteiler enthält:
- zwei Mikroprismen-Gitter 2 und 3 des "Fresnel"-Typs, dessen Spitzenwinkel vorzugsweise 90º beträgt, um einen maximalen Wirkungsgrad des Bauelements zu erhalten;
- ein Polarisationsteilerelement 1, das zwischen die zwei Mikroprismen-Gitter 2 und 3 eingeklemmt ist. Dieses Teilerelement 1 ist ein Bragg-Spiegel, der in ein Photopolymer-Material eingetragen ist.
Die Prismen 20, 21, ... des Gitters 2 und die Prismen 30, 31, ... des Gitters 3 bestehen aus einem Material, dessen Brechungsindex an denjenigen des Teilerelements 1 so angepaßt ist, daß die Brechungsindexdifferenz zwischen den Prismen und dem Teilerelement 1 gering oder sogar Null ist. Beispielsweise kann das Teilerelement 1 ebenso wie die Prismen aus einem Polymermaterial bestehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mikroprismen- Gitter 2 und 3 in Form von Platten verwirklicht, die prismenförmig gerillte Oberflächen aufweisen.
Das Licht eines nicht polarisierten auftreffenden Strahlenbündels FI, dessen Richtung mit der Normalen der Ebene der Schichten des Elements 1 einen Winkel, den sogenannten Brewster-Winkel, bildet, das in einer in der Einfallsebene enthaltenen Richtung polarisiert ist, wird in einer zur Auftreffrichtung kolinearen Richtung FT durchgelassen. Das in der zur Einfallsebene senkrechten Richtung polarisierte Licht wird in einer zur Auftreffrichtung senkrechten Richtung FR reflektiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, in der das Strahlenbündel FI mit der Ebene der Schichten des Elements 1 einen Winkel von 45º bildet, sind die Flächen der Prismen wie etwa 35 zur Richtung des auftreffenden Strahlenbündels senkrecht. Ebenso sind die Austrittsflächen des reflektierten Strahlenbündels wie etwa 36 zur Richtung FR senkrecht. Die Austrittsflächen des durchgelassenen Strahlenbündels wie etwa 26 sind zur Richtung FT senkrecht.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die Richtungen FI, FT, FR in bezug auf die Hauptebenen des Elements 1 um 45º geneigt. Jedes Prisma 20, 21, 30, 31, ... ist dann ein Prisma, dessen Spitzenwinkel 90º beträgt und dessen Flächen in bezug auf die Hauptflächen des Elements 1 um 45º geneigt sind. Das Strahlenbündel FI wird dann ohne Verformung längs der Strahlenbündel FT und FR durchgelassen bzw. reflektiert. Wenn dagegen ein Strahlenbündel einer Anamorphose unterworfen werden soll, ist das Schichtgitter nicht parallel zur Ebene des Elements 1 eingetragen. Da das Strahlenbündel FI in bezug auf die Ebene der Schichten stets um 45º geneigt ist und zur Fläche 35 stets senkrecht ist, bilden die Flächen 35 und 36 in bezug auf das Element 1 nicht mehr einen Winkel von 45º.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 3 und 4 eine Anwendung des Teilers der Erfindung auf eine Anzeigevorrichtung beschrieben.
Die Vorrichtung von Fig. 3 ist eine Anwendung auf obige Vorrichtungen, in der das von der Polarisationsteilervorrichtung HP reflektierte Licht einen Teil (z. B. die Hälfte) einer Fokussierungsvorrichtung HL und eines LCD-Bildschirms beleuchtet.
Das Licht, das nicht reflektiert (mit zur Einfallsebene paralleler Polarisation) und von der Polarisationsvorrichtung HP durchgelassen wird, beleuchtet den anderen Teil der Fokussierungsvorrichtung HL und den anderen Teil des Bildschirms. Daher kann das gesamte Licht der Quelle genutzt werden.
Die Gitter RZ1 und RZ2, die an die Fokussierungsvorrichtung HL angeklebt sind, ermöglichen die Erhaltung eines zu den Eintrittsflächen der Gitter RZ1 und RZ2 normalen Einfalls. Es ist jedoch möglich, die Gitter RZ1, RZ2 nicht vorzusehen. Die Fokussierungsvorrichtung ermöglicht die Ablenkung und die Fokussierung des Lichts zu den Bildelementen des LCD-Bildschirms.
Es ist möglich, ein Halbwellenlängenplättchen λ/2 vorzusehen, das die Polarisation des Lichts dreht, das einen der Teile des Bildschirms beleuchtet. In Fig. 3 ist dieses Halbwellenlängenplättchen im Weg des von der Vorrichtung HP durchgelassenen Strahlenbündels angeordnet. Der LCD- Bildschirm wird dann auf seiner gesamten Oberfläche elektrisch gleichmäßig gesteuert. Vorteilhaft kann das Halbwellenlängenplättchen eine passive Flüssigkristallzelle sein, die im (chromatischen) Wellenleitermodus arbeitet. Dieses Halbwellenlängenplättchen könnte anstatt im Weg des von der Vorrichtung HP durchgelassenen Strahlenbündels im Weg des von der Vorrichtung HP reflektierten Strahlenbündels vor oder hinter dem LCD-Bildschirm angeordnet sein. Außerdem könnte dieses Halbwellenlängenplättchen vorzugsweise senkrecht zum Strahlenbündel angeordnet sein.
Außerdem kann das Halbwellenlängenplättchen auch nicht vorgesehen sein. In diesem Fall werden die zwei Teile des Bildschirms durch Lichtstrahlenbündel mit orthogonalen Polarisationen beleuchtet. Dann können die zwei Teile des Bildschirms in entgegengesetzter Weise gesteuert werden.
Gemäß einer in Fig. 7 gezeigten Ausführungsvariante ist eine Ablenkvorrichtung HRED für die zur Fokussierungsvorrichtung HL durchgelassenen Strahlenbündel vorgesehen.
Um zu vermeiden, daß auf dem LCD-Bildschirm im mittleren Teil des Bildschirms eine nicht beleuchtete Zone vorhanden ist, ermöglicht die Vorrichtung HRED die Ablenkung des einen, des anderen oder beider Strahlenbündel FT und FR in der Weise, daß sie einander angenähert werden. Beispielsweise wird in Fig. 7 das Strahlenbündel FR abgelenkt, um es neben dem Strahlenbündel FT anzuordnen. Die Strahlenbündel FT und FR werden anschließend zur Fokussierungsvorrichtung HL durchgelassen, die sie auf die verschiedenen Bildelemente des LCD-Bildschirms fokussiert. Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung HRED in Form einer Holographie-Vorrichtung verwirklicht.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante des Systems von Fig. 3, die ermöglicht, ausgehend von der Quelle 5 bis zu einem LCD- Bildschirm an allen Punkten gleiche Wege zu erhalten. Diese Vorrichtung enthält, wenn auch nicht zwangsläufig, die Holographie-Fokussierungsvorrichtung HL, die an den LCD-Bildschirm angefügt ist. Die Polarisationsteilungs- Holographievorrichtung HP befindet sich in einer Ebene, die in bezug auf den LCD-Bildschirm und die Vorrichtung HL mittig angeordnet ist. Das eintretende Strahlenbündel ist von der Art, daß sein Auftreffwinkel auf die Vorrichtung HP 45º beträgt. Um diesen Auftreffwinkel zu erhalten, ist eine eingetragene Holographie- Vorrichtung H1 vorgesehen, um das Eintrittsstrahlenbündel in der Weise abzulenken, daß es unter einem Einfallswinkel von im wesentlichen 45º an die Vorrichtung HP übertragen wird. Vorzugsweise ist das Eintrittsstrahlenbündel zur Vorrichtung H1 senkrecht.
Im Betrieb mit mehreren Wellenlängen (dreifarbiger Betrieb) lenkt die Holographie-Vorrichtung H1 das Eintrittsstrahlenbündel ab, das eine in einem schmalen Band befindliche Wellenlänge, beispielsweise Grün, besitzt. Die Strahlenbündel, die andere Wellenlängen besitzen (die Strahlenbündel FB und FR), werden nicht abgelenkt. Hingegen reflektiert ein dichroitisches Plättchen LBR diese Strahlenbündel FB und FR an andere Anzeigevorrichtungen, die in Serie angeordnet sind (jedoch in der Figur nicht gezeigt sind).
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 befindet sich das dichroitische Plättchen LBR hinter der Vorrichtung H1, es könnte sich jedoch ebenso vor der Vorrichtung H1 befinden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante der Vorrichtung der Erfindung. Diese Vorrichtung enthält eine erste Polarisationsteilungs-Vorrichtung HPD1, die in bezug auf den LCD-Bildschirm (beispielsweise um 45º) geneigt angeordnet ist und die Beleuchtung des halben LCD-Bildschirms ermöglicht. Sie empfängt ein in einer zum LCD-Bildschirm parallelen Richtung auftreffendes Strahlenbündel RVB. Sie reflektiert eine der Polarisationen R1 des auftreffenden Strahlenbündels mit einer bestimmten Wellenlänge (einer Wellenlänge, die beispielsweise Rot entspricht) auf den LCD-Bildschirm. Sie überträgt die andere Polarisation R2 des Strahlenbündels mit derselben wellenlänge (Rot) sowie das Licht sämtlicher anderer Wellenlängen (insbesondere jener, die Grün und Blau entsprechen) ohne Ablenkung.
Eine zweite Polarisationsteilungs-Vorrichtung HPD2, die mit derselben Wellenlänge wie HPDL (Rot im betrachteten Beispiel) arbeitet, reflektiert das Strahlenbündel R2 zum LCD-Bildschirm. Diese Teilungsvorrichtung kann auch ein holographischer Spiegel sein, der mit der zu reflektierenden Wellenlänge (Rot) arbeitet.
Der LCD-Bildschirm empfängt die Strahlenbündel R1 und R2 über eine Fokussierungsvorrichtung HL, die das Licht wie oben beschrieben auf die verschiedenen Bildelemente des LCD-Bildschirms fokussiert. Es ist jedoch auch möglich, die Fokussierungsvorrichtung HL nicht vorzusehen. Am Ausgang des LCD- Bildschirms läßt eine dritte Polarisationsteilungs-Vorrichtung HPD3 das Licht einer bestimmten Polarisation durch, während es das Licht mit der senkrechten Polarisation nicht überträgt, und dies in Abhängigkeit von dem vom LCD-Bildschirm angezeigten Bild.
Außerdem können die zwei Teile des Bildschirms, die die zwei Strahlenbündel R1 und R2 empfangen, umgekehrt gesteuert werden. Oder aber es ist möglich, ein Halbwellenlängenplättchen λ/2 vorzusehen, das die Polarisation eines dieser Strahlenbündel um 90º dreht. Beispielsweise ist, wie in Fig. 5 gezeigt ist, das Plättchen λ/2 zwischen der ersten Polarisationsteilungsvorrichtung HPD und der zweiten Polarisationsteilungsvorrichtung HPD2 angeordnet.
Die Vorrichtung von Fig. 5 arbeitet mit einer einzigen Wellenlänge oder genauer mit einem verhältnismäßig schmalen Wellenlängenbereich. Das Licht mit anderen Wellenlängen wird nicht abgelenkt und tritt wieder wie das Strahlenbündel VB aus.
Um andere Wellenlängen zu verarbeiten, sieht die Erfindung die Anordnung anderer Vorrichtungen wie etwa jener von Fig. 5 in einer in Fig. 6 gezeigten Anordnung vor. In dieser Fig. 6 sind zwei andere Vorrichtungen auf die Richtung des Strahlenbündels VB ausgerichtet. Die erste Vorrichtung ist dazu vorgesehen, einen Wellenlängenbereich zu verarbeiten, der beispielsweise Grün entspricht. Sie lenkt das Licht, das eine zu einem dritten Bereich, beispielsweise Blau, gehörende Wellenlänge besitzt, nicht ab.
Die drei Vorrichtungen D1, D2, D3 verarbeiten somit drei unterschiedliche Wellenlängenbereiche, d. h. Bereiche, die den Farben Rot, Grün bzw. Blau entsprechen.
Die drei Strahlenbündel, die von den drei Vorrichtungen D1, D2, D3 ausgegeben werden, werden mit Hilfe von drei Spiegeln HPR, HPV, HPB überlagert, welche die drei verarbeiteten Strahlenbündel parallel empfangen und hintereinander in Richtung der reflektierten Strahlenbündel angeordnet sind, derart, daß sie die drei reflektierten Strahlenbündel RS, VS, BS kolinear machen. Diese drei Strahlenbündel werden zu einer Ausgangsoptik OP durchgelassen.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile:
- Verwendung eines Mikroprismen-Gitters mit geringer Dicke, das durch Kunststoffguß verwirklicht ist, beispielsweise mit einer Dicke von wenigstens 5 bis 10 mm;
- Bragg-Spiegel, der in einen Photopolymer-Film optisch eingetragen ist, der auf die Mikroprismen-Gitter geklebt ist;
- Struktur mit geringem Gewicht, die mit der Verwirklichung von "Polarisationsteilerkubus"-Funktionen mit sehr großen Abmessungen von beispielsweise 15 x 15 cm kompatibel ist.

Claims

1. Optischer Polarisationsteiler, mit einem Polarisationsteilerelement, das zwischen zwei Plättchen (2, 3) eingeklemmt ist, deren Flächen, die dem Polarisationsteilerelement zugewandt sind, die Form eines Prismengitters (20, 21, 30, 31) besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsteilerelement einen Bragg-Spiegel (1) enthält, der in ein Photopolymer-Material eingetragen ist.

2. Optischer Polarisationsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Quelle enthält, die ein Lichtstrahlenbündel auf eine Auftrefffläche des Bragg-Spiegels in einem Winkel aussendet, der in bezug auf die Normale dieser Fläche im wesentlichen 45º beträgt, wobei der Bragg-Spiegel einen ersten Polarisationsstrahl (F2) des auftreffenden Strahlenbündels in einer ersten Richtung durchläßt, die zur Richtung des auftreffenden Strahlenbündels kolinear ist, und einen zweiten Polarisationstrahl (F3) des auftreffenden Strahlenbündels in einer zweiten Richtung reflektiert, die in der Mitte des Polarisationsteilerelements mit der ersten Richtung einen rechten Winkel bildet,

- wobei das Prismengitter des Plättchens (3), das auf der Auftrefffläche des Bragg-Gitters angeordnet ist, eine zur Richtung des auftreffenden Strahlenbündels senkrechte Fläche (35) und eine zur zweiten Richtung senkrechte Fläche (36) aufweist und

- wobei das Prismengitter des Plättchens (2), das auf der der Auftrefffläche gegenüberliegenden Fläche des Bragg- Gitters angeordnet ist, eine zur ersten Richtung senkrechte Fläche (6) aufweist.

3. Teiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Prisma aus einem ähnlichen Material wie dasjenige des Polarisationsteilerelements (1) ist.

4. Teiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bragg-Gitter ein Holographie-Gitter ist.

5. Teiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismengitter in Form von Platten verwirklicht sind, die kleine Leitern aufweisen.

6. Anzeigesystem, das den Teiler nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche sowie wenigstens eine steuerbare elektrooptische Anzeigevorrichtung enthält, welche je nach Steuerzustand auf die eine oder die andere der Polarisationen einwirkt, wobei der Teiler das nicht polarisierte Licht empfängt, das Licht einer Polarisation auf einen Teil der Anzeigevorrichtung durchläßt und das Licht einer anderen Polarisation auf einen anderen Teil der Anzeigevorrichtung reflektiert.

7. Anzeigesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsteiler durch eine nicht polarisierte Lichtquelle (S) beleuchtet wird, das in einer ersten Polarisationsrichtung polarisierte Licht auf einer ersten Bahn durchläßt und das Licht, das in einer zweiten, zur ersten Richtung senkrechten Polarisationsrichtung polarisiert ist, auf einer zweiten Bahn reflektiert, wobei sich in einer der zwei Bahnen eine Reflexionsvorrichtung befindet, die das Licht parallel zur anderen Bahn in der Weise reflektiert, daß sie die zwei Strahlenbündel der zwei Polarisationen parallel macht.

8. Anzeigesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsteiler senkrecht zur Ebene der Anzeigevorrichtung auf einer Linie angeordnet ist, die die Ebene der Anzeigevorrichtung in zwei gleiche Teile trennt, wobei jeder Teil dieser Ebene ein Prismengitter besitzt, das jeweils eine Fläche besitzt, die zur Richtung der Bahn des Lichts, das vom Polarisationsteiler stammt, senkrecht ist.

9. Anzeigesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsteiler senkrecht zur Ebene der Anzeigevorrichtung auf einer Linie angeordnet ist, die die Ebene der Anzeigevorrichtung in zwei gleiche Teile trennt, wobei jeder Teil dieser Ebene eine Fokussierungsvorrichtung (HL) besitzt, die jeweils das vom Polarisationsteiler stammende Licht empfängt und es auf eine Ebene der Anzeigevorrichtung fokussiert.

10. Anzeigesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Polarisationsteiler (HPD1, HPD2) enthält, die in bezug auf die Ebene des Anzeigebildschirms um 45º geneigt sind, wobei jeder Polarisationsteiler eine Polarisation mit einer Wellenlänge zum Bildschirm reflektiert und die andere Polarisation derselben Wellenlänge sowie die anderen Wellenlängen zu einem anderen Teiler durchläßt.

11. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung für hologräphische Ablenkung (HRED) enthält, die zwischen dem Polarisationsteiler und der Fokussierungsvorrichtung (HL) angeordnet ist und ermöglicht, das eine, das andere oder beide Strahlenbündel (FT, FR), die vom Teiler durchgelassen werden, abzulenken, um sie einzustellen.

12. System nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung ein Flüssigkristallbildschirm ist und daß es eine Fokussierungsvorrichtung enthält, die die Fokussierung des vom Polarisationsteiler stammenden Lichts auf verschiedene Bildelemente des Flüssigkristallbildschirms ermöglicht.