專利名稱：產生指定偏振狀態光的方法
技術領域：
本發明涉及用于產生指定偏振狀態光的方法，其中在偏振狀態敏感的分光器入口處導入光，將指定偏振狀態的光從分光器在第一出口輸出，將具有與指定狀態有偏差的偏振狀態的光相對這種狀態進行改變和輸出。此外本發明涉及偏振器裝置，照明裝置，投影系統以及它們的應用。
從US-A-6 139 157中已知開始敘述類型的一種方法或者按照這種方法工作的照明系統。穿過光隧道以及透鏡系統之后將非偏振光輸入給偏振狀態敏感的分光器。將被輸入的非偏振光起振為指定偏振狀態的部分在分光器的第一出口輸出期間，將具有與指定偏振狀態有偏差的非偏振光狀態相對這種狀態進行改變和在分光器的第二出口輸出。
這種方法有以下缺點因為最后成為指定狀態的偏振光在分光器的兩個分離區域或者出口輸出，設計了用于精確接受來自兩個區域光的緊相連的照明光學部件，這使得整個系統沒有靈活性而且體積很大。
本發明的任務是建立一種方法和一種按照這種方法工作的偏振器裝置，這種裝置避免了上述缺點。
這項任務按開始敘述的方法是這樣解決的，將改變偏振狀態的光重新導入偏振敏感分光器的入口。
因此實際上整個非偏振光最后達到了以所希望偏振狀態從分光器中輸出。這是因為將光一直在第二出口輸出并被偏轉直到具有至少接近指定的偏振狀態，然后同樣在第一出口離開分光器。
如還要敘述的，按照本發明方法優異的實施形式揭示了具有最大優越性的實現方法，即通過反射，優選通過多次反射將光的偏振狀態改變。
在另外一個優異的實施形式中，特別優選與上述反射狀態改變結合，通過預先規定的延遲，優選借助于至少一個延遲器元件，將光的偏振狀態改變。
從US 6 139 157中已知，進入分光器的光首先從一個光源用反射器聚焦在光隧道的孔上和通過光隧道周邊內表面的多次反射作用使光強度分布在其輸出側均勻化。因此也已知，為了強度均勻化的原因，對于非偏振的、輸入分配光的光應安排一個具有多次反射的光程。
于是在按照本發明方法最優越的實施形式中，在將光導入偏振狀態敏感的分光器之前同樣將光引導通過一具有反射周邊的光隧道組件，并且將具有與指定偏振狀態垂直的狀態的光從與照明光源相反的一端進入光隧道組件，并且在其上進行反射。因此該由于強度均勻化原因為非偏振光安排的光隧道組件同時被充分利用，以便將非偏振光的不在指定狀態的偏振光部分相對其偏振狀態進行改變和重新輸入到分光器的入口。因此實現了最緊湊和最簡單的按照本發明的實施。
優選在至少一個引入光的區域在組件中安排至少一個起指定的，定義的改變偏振狀態作用的元件，優選至少一個延遲器片。
在另一優異實施形式中，借助于一個光源和一個反射器產生導入分光器入口的光和將與指定偏振狀態垂直狀態光的至少一部分至少還在反射器上反射和將在那里被反射的光輸入到偏振狀態敏感的分光器上。
該后面敘述的過程特別適合于與已經敘述過的光隧道組件設置組合在一起，借助用上述反射器實際上建立了對光隧道組件窗孔的封閉空間，這樣無論如何使得從分光器第二出口和通過光隧道窗孔出來的那部分光不會丟失，而是通過反射器重新反射到光隧道組件中。其中優選反射器的形狀類似于一個烏爾伯利特球(Ulbricht’sche Kugel)。
在最后敘述過程的另一優異實施形式中也在反射器面上安排了一個起指定偏振狀態改變作用的元件。
在權利要求8詳細敘述了按照本發明的偏振裝置及其按照權利要求9至16的優異實施形式。在權利要求17中詳細敘述了按照本發明的照明裝置，按照本發明的投影系統詳細敘述在權利要求19中。按照本發明的裝置以及按照本發明的方法非常好地適于應用在投影儀或者照明裝置領域內。
隨后借助附圖舉例敘述本發明。這些附圖是

圖1借助于一個光學的功能塊/信號流程圖表示了按照本發明方法的原理，本發明的偏振裝置按照這個原理工作；
圖2與圖1相似的圖中表示了偏振旋轉或者偏振改變的組件的優選構成；圖3在類似于圖1和2的圖中表示了按照本發明的方法或者按照本發明的裝置優異的實施形式，在其中同樣的部件不僅充分利用在光強度分布均勻化而且充分利用在按照本發明的偏振狀態旋轉或者偏振狀態改變上；圖4借助于圖3所表示的過程優異實施形式；圖5安排了偏振狀態敏感的分光器的第一個優異實施形式；圖6安排了偏振狀態敏感的分光器的另一個優異實施形式；圖7在另一優異實施形式中簡化表示了使用按照本發明的方法或者按照本發明的偏振裝置或者按照本發明的投影裝置。
借助于圖1應該首先使用一個光學功能塊/信號流程圖敘述本發明的基本原理。一般來說將從投影儀光源出來的非偏振光線L傳送到偏振狀態敏感的分光器1上。偏振方向敏感的分光器1在它的光出口A1將非偏振光線L中有指定偏振狀態例如P-偏振的部分LP輸出。將非偏振光L的一部分LS，這個與在A1傳出的光偏振狀態P有一個垂直的、根據這個例子即S-偏振狀態，將其從偏振狀態敏感的分光器1的第二光學出口A2輸出。一般來說將上述光L的一部分即Lp，通過偏振濾波器層系統在偏振狀態敏感的分光器1上透射，將其余的例如Ls在這里反射。
具有所希望的偏振狀態的光Lp在光出口A1出來。將偏振狀態敏感的分光器1出口A2出來的光Ls在偏振狀態旋轉或者改變的元件3上將其偏振狀態改變或者旋轉并且重新傳送到偏振狀態敏感的分光器1的光入口E1上。因此實際上整個傳送給分光器1的起初非偏振的光L最后是作為具有所希望的偏振狀態例如P的Lp輸出。
如圖2表示了如果按照圖1在光出口A2出來的光Ls經過多次反射，就可以優異實現偏振狀態旋轉的元件3。一般來說通過反射不再保持光的偏振狀態。如果光Ls的偏振狀態也只有很少的旋轉，于是的確還會有一部分P偏振化而且在出口A1作為LP部分輸出來。其余部分可能需要經過裝置3的多次循環直到其偏振方向相當于所要求的P-偏振。
如圖2表示的在裝置3上可以優異地通過安排附加分立的偏振方向旋轉元件，特別是所謂的“延遲器”元件加強偏振狀態的旋轉，首先根據附圖1的原理借助這些元件將引入光Ls的λ/2延遲，也就是說偏振方向旋轉90°。
在圖2方框3上一方面示意地表示了用于光LS的多次反射裝置6。另一方面用虛線表示了裝入的、附加的分立偏振方向旋轉元件，例如是一個延遲器片8。
如在引言中敘述過的，在很多應用特別是在投影儀中通常希望提供強度盡可能均勻分布的光束。為此也如開始已經敘述過的已知，首先將來源于光源的非常小區域的一束光傳送到光隧道，在其中通過來源于光源的光多次反射，在輸出側提供一個均勻的、一般來說與形成圖形的元件形狀相匹配的強度分布。
但是如果現在在偏振狀態敏感的分光器1的入口側，如圖3示意表示，安排了由于均勻化原因將輸入光L多次反射的組件，此被安排的多次反射組件與圖1和2的元件3類似優異地同時使用作為偏振方向旋轉組件。
按照圖3光Le射在多次反射的組件3a上，如已經敘述過作為舉例優異地射在光隧道的光入口E3a上，并且在多次反射之后強度均勻化地傳送給偏振狀態敏感的分光器1的入口E1上。
現在在與光入口E1相同的光出口A2上將不希望的偏振狀態光LS傳回到多次反射元件3a的出口A3a上，在那里經過多次反射之后被反射回來，并且作為具有現在已經旋轉了偏振方向的光L的一部分，又傳送到偏振敏感的分光器1上。用這種方式和方法充分利用了已經由于強度均勻化原因安排的多次反射組件3a，其中如下面還要敘述的，又可以安排專門的、分立的偏振旋轉元件如延遲器片，并且實現按照本發明如圖1或者圖2中的方塊3敘述過的應安排的偏振狀態旋轉。
在圖4中表示了借助圖3敘述的優異實施原理優異的實施形式。例如來自投影光源的光Le通過光隧道3a出口E3a的窗口7進入，并且只要與光隧道光軸A不是近似平行，則在光隧道3a高反射的內壁9上被一次或多次地反射。
將射入的光線或者例如其光路用虛線畫在附圖4上。
優選直接在光隧道3a的出口A3a處安排偏振狀態敏感的分光器1a，所希望的偏振狀態光LP并且具有均勻的分布強度從光出口A1a輸出。
用圖3的敘述，將用線畫在圖4上與所希望的偏振狀態，這里是P，有偏差的光隧道3a中的光LS返回到光隧道3a中，在那里經過多次反射之后最后反射在圍繞窗口7構成內部反射的光隧道端壁11上，將首先通過多次反射被旋轉的偏振狀態又在光隧道出口A3a處傳送給偏振狀態敏感的分光器1a上。借此經過這樣的旋轉之后在所希望方向上或者在所希望狀態上的偏振的光作為光LP的一部分從分光器1a輸出。其中將端壁11的反射內壁調整得與反射平面或者與分光器1a的平均位置E′(見圖5)相平行。
在實現按照圖4優異實施例中在入口窗口7和光隧道3a的出口A3a或偏振狀態敏感的分光器1a入口之間安排了起分立的指定偏振狀態旋轉作用的一個或多個光學元件。如圖4用虛線表示的，在光隧道3a橫截面上可以安排用13a表示的偏振狀態旋轉元件，例如優選λ/4-延遲器片，和/或在光隧道3a周圍壁上如在13b表示的和/或在光隧道3a定義的入口窗口7的入口側的端壁11上如在圖4上用13c表示的。同樣優異的是安排這種偏振狀態旋轉元件，特別是λ/4-延遲器片，在圍繞入口窗口7端壁11用13c表示的。由于光LS兩次穿過λ/4-延遲器片的路段因此得到了90°的偏振狀態旋轉。
如圖4已經表示的，優越的是使用片狀的偏振狀態敏感的分光器1a。此時必須根據出現的光強度來決定，是否可以使用以塑料為基礎的偏振分光器，或者使用在玻璃基體上用膽甾醇型濾波器的分光器。
但是還可以使用一種在三層涂層的玻璃棱鏡基礎上實現的如圖5表示的偏振分光器1b。
如果射入分光器1b的光L和LS期望盡可能小的平行偏移Δ，優選如同圖6表示的，現在被稱為1c的偏振狀態選擇性分光器以三棱鏡結構I，II...陳列實現。結構越細，上述平行偏移Δ越小。
在圖4上還可以看到，光LS在反射之后沒有射在圍繞入口窗口7的終端11上，而是穿過入口窗口7離開光隧道而丟失了。在圖7，在按照本發明的投影儀的例子范圍內，表示了這個問題的解決方法。光源17的光在聚焦的反射器15的入口窗口7上是這樣形成的，偏振狀態敏感的分光器1a或者1b或者1c的光不能從系統中丟失，并且還在光隧道3a的反射器15上反射。此時可以將反射器15設計為主要是相當于烏爾伯利特球的形狀。
專門按照本發明的投影儀除了已經敘述過的元件之外還包括一個彩色快門19以及一個透鏡系統21，此外還有分光器23，由于已經按照本發明安排的偏振狀態選擇性的分光器1a不是強制性地必須將這個構成為偏振狀態敏感的分光器。最后將27稱為投影透鏡。
此外如圖7表示和敘述的，還可以在反射器15上安排一個分立的偏振方向旋轉元件，在圖7上被稱為13d。
用圖7優選安排的顏色快門，例如具有三種選擇顏色的透射區(沒有示出)例如選擇性透射的紅，綠和藍，進行光線LP的彩色調制。優選將彩色快門19構成為彩色輪。優選安排了以反射工作的光閥陣列作為形成圖像的元件25，在其上按像素地和在安排彩色快門19時與最后的時間同步，在被投影的圖像上控制各個像素的強度。
偏振狀態敏感的分光器可以是一個元件，它使波長范圍為Δλ1的光在第一偏振狀態透射和在與之垂直的第二偏振狀態反射，而另一波長范圍Δλ2的光在第二偏振狀態透射和在第一個偏振狀態反射。
于是從分光器中出來的光具有依賴于波長范圍的偏振狀態。這種依賴于波長范圍的偏振分布常常在投影儀上特別是在以反射的LCD′s為基礎的投影儀上是需要的。偏振狀態敏感的元件可以由延遲器堆垛和后置的偏振分光器構成，共同起作用成為波長選擇的、偏振狀態敏感的分光器。
權利要求
1.產生指定偏振狀態(P)光的方法，其中在偏振狀態敏感的分光器(1)入口(E1)處導入光(L)，將指定偏振狀態的光(LP)從分光器(1)在第一分光器出口(A1)輸出，將具有與指定狀態(P)垂直的偏振狀態(S)的光(LS)相對這個狀態進行改變和輸出，其特征為，在上述入口(E1)處將被改變偏振狀態的光重新導入偏振狀態敏感的分光器。
2.按照權利要求1的方法，其特征為，通過反射，優選通過多次反射改變偏振狀態。
3.按照權利要求1或2之一的方法，其特征為，人們通過預先規定的延遲，優選借助至少一個延遲器元件改變偏振狀態。
4.按照權利要求1至3之一的方法，其特征為，在導入偏振狀態敏感的分光器入口之前將光線引導通過具有周邊反射的光隧道組件并且將具有與指定偏振狀態垂直的狀態的光引導到這個組件中和在其中反射之后傳送到入口。
5.按照權利要求4的方法，其特征為，在至少一個導入光的組件區域安排一個引起預先規定偏振狀態改變的元件，優選至少一個延遲器片。
6.按照權利要求1至5之一的方法，其特征為，借助于光源和反射器產生光并且將至少一部分具有與指定偏振狀態垂直偏振狀態的光至少又在反射器上反射并且將在那里反射的光傳送到偏振狀態敏感的分光器入口。
7.按照權利要求6的方法，其特征為，在反射器表面處安排一個引起預先規定偏振狀態改變的元件，優選延遲器片結構。
8.具有偏振狀態敏感的分光器(1)的偏振器裝置，在其光入口(E1)上導入光(L)，指定偏振狀態(LP)的光在第一光出口(A1)輸出和與之垂直的偏振狀態(LS)的光在第二光出口(A2)輸出，其特征為，改變偏振狀態的組件(3)的光學入口(E3)與第二光出口(A2)的作用是結合的，其光學出口(A3)與偏振狀態敏感的分光器(1)的光學入口(E1)的作用是結合的。
9.按照權利要求8的裝置，其特征為，在組件(3)入口(E3)和出口(A3)將光反射，優選多次反射。
10.按照權利要求8或9的裝置，其特征為，組件(13)包括至少一個將偏振狀態改變一指定角度的組件，優選至少一個延遲器片。
11.按照權利要求8-10之一的裝置，其特征為，分光器(1)的入口(E1)和第二出口(A2)是由分光器(1)同一個區域構成的。
12.按照權利要求8-11之一的裝置，其特征為，光隧道組件(3a)出口(A3a)與分光器(1)入口(E1)的作用是結合的，這個出口(A3a)作為入口與光分光器的第二出口(A2)的作用是結合的。
13.按照權利要求12的裝置，其特征為，在光隧道組件(3a)入口處安排了一個具有窗孔(7)的內部反射端壁(11)。
14.按照權利要求12或13的裝置，其特征為，在光隧道組件(3a)中安排了至少一個引起預先規定偏振狀態改變的組件(13a，13b，13c)。
15.按照權利要求12-14之一的裝置，其特征為，分光器包括一個棱鏡裝置，一個反射的偏振膜或膽甾醇型(Cholesterisch)的偏振器。
16.按照權利要求8-14之一的裝置，其特征為，從分光器第一出口輸出的是依賴于其波長范圍的指定偏振狀態的光。
17.按照權利要求12-16之一的具有分光器裝置的照明裝置，其特征為，在光隧道組件入口側前置了具有反射器(15)的光源(17)并且其中反射器(17)對光隧道組件定義了一個至少幾乎封閉的空間。
18.按照權利要求17的照明裝置，其特征為，給反射器安排了引起指定偏振方向旋轉的結構(13d)。
19.投影系統具有按照權利要求12-16之一的裝置或具有按照權利要求17或18的照明裝置和具有前置在分光器入口(E1)處的彩色快門(19)。
20.按照權利要求1-7之一方法的應用和/或按照權利要求8-16之一分光器的應用和/或按照權利要求17的照明裝置的應用或按照權利要求18投影儀裝置的應用。
全文摘要
產生指定偏振狀態光的方法，其中在偏振狀態敏感的分光器入口處導入光，將指定偏振狀態的光從分光器在第一出口輸出。將具有與指定狀態有偏差的偏振狀態的光相對這種狀態進行改變和輸出。本發明涉及偏振器裝置，照明裝置，投影系統及其應用。
文檔編號G02B27/18GK1551994SQ02813445
公開日2004年12月1日 申請日期2002年6月25日 優先權日2001年7月4日
發明者J·埃林格爾, C·海涅-坎普肯斯, D·霍伊斯勒, J 埃林格爾, 了估, 坎普肯斯 申請人:尤納克西斯巴爾策斯公司