DE69417174T2

DE69417174T2 - Beleuchtungssystem für Farbbildprojektionsvorrichtung und zirkularer Polarisator zur Anwendung in einem solchen System

Info

Publication number: DE69417174T2
Application number: DE69417174T
Authority: DE
Inventors: Dirk Jan Broer; Ingrid Emilienne Joanna Rita Heynderickx
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2014-12-09
Also published as: DE69417174D1; KR950023045A; JPH07199120A; CN1112688A; US5626408A; EP0659024A1; BE1007993A3; EP0659024B1

Description

Beleuchtungssystem für eine Farbbildprojektionseinrichtung und zirkularer Polarisator zum Gebrauch in einem solchen System

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beleuchtungssystem für eine Farbbildprojektionseinrichtung mit in Reihenfolge einer Strahlungsquelle zum Liefern eines nicht-polarisierten Strahlungsbündels und mindestens einem cholesterischen Spiegel zum Spalten des Strahlungsbündels in mindestens zwei Teilbündel einer anderen Wellenlänge.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Farbbildprojektionseinrichtung mit einem derartigen Beleuchtungssystem mit einem zirkularen Polarisator.
Der Ausdruck Farbbildprojektionseinrichtung soll großzügig gedacht werden und kann benutzt werden für eine Einrichtung zum Wiedergaben eines Videobildes, eines graphischen Bildes, numerischer Information oder einer Kombination derselben.
Ein Beleuchtungssystem zum Gebrauch in einer Farbbildprojektionseinrichtung der eingangs erwähnten Art ist bekannt aus dem Artikel: "New Liquid Crystal Polarized Color Projection Principle" von M. Schadt und J. Fünfschilling in "Japanese Journal of Applied Physics" Heft 29, Nr. 10, Oktober 1990, Seiten 1974-1984. Die Bildwiedergabeplatten des bei der bekannten Einrichtung verwendeten Beleuchtungssystems sind Transmissionsplatten mit einer Schicht aus einem flüssigkristallinen Material als Bilderzeugungselement. Diese Schicht moduliert den Polarisationszustand eintreffender Strahlung entsprechend der darin vorhandenen Bildinformation. Dazu soll das von dem Beleuchtungssystem erzeugte Bündel in einer bestimmten Richtung linear polarisiert sein oder eine bestimmte Polarisationsdrehrichtung haben, je nachdem die Bildwiedergabeplatte dazu geeignet ist, linear oder zirkular polarisierte Strahlung zu modulieren. Unter Bildwiedergabeplatte soll in diesem Zusammenhang die Kombination der flüssigkristallinen Schicht mit einem Polarisator und einem Analysator verstanden werden.
Das in dem Artikel beschriebene Beleuchtungssystem benutzt cholesterische Spiegel zum Spalten des von der Strahlungsquelle ausgesendeten "weißen", nicht-polarisierten Strahlungsbündels in eine Anzahl "farbiger" Teilbündel entsprechend der Anzahl Bildwiedergabeplatten und mit einem durchaus bestimmten polarisationszustand. Die cholesterischen Spiegel haben also eine doppelte Funktion, einerseits Farbselektion und andererseits Polarisationsselektion.
Ein cholesterischer Spiegel weist eine optische Schicht aus flüssigkristallinem Material auf mit einer spiralartigen Struktur mit einer Steigung p. Wenn ein "weißer" nicht-polarisierter Strahlungsbündel auf einen derartigen Spiegel trifft, wird ein zirkular polarisierter Strahlungsanteil mit einer Drehrichtung, die der Drehrichtung der molekularen Spirale entspricht und mit einer Wellenlänge, die auf die Steigung p der Spirale abgestimmt ist, reflektiert werden, während ein Anteil mit der entgegengesetzten Drehrichtung und/oder mit einer nicht auf den Spiegel abgestimmten Wellenlänge durchgelassen werden wird.
Bei dem bekannten Beleuchtungssystem erfolgt die Farbtrennung und die Polarisation wie folgt. Nicht-polarisiertes, weißes Licht trifft auf einen ersten cholesterischen Spiegel, der in einem Winkel von 45º gegenüber dem Bündel ausgerichtet ist. Das blaue, linksdrehende zirkular polarisierte Teilbündel wird an einem flachen Spiegel reflektiert. An dem Spiegel wird die Drehrichtung zu rechtsdrehend invertiert, so daß die Drehrichtung dieses Teilbündels nicht mehr angepaßt ist an die Spirale des cholesterischen Spiegels, wodurch das Teilbündel in Richtung der blauen Bildwiedergabeplatte durchgelassen wird. Der restliche Teil des Strahlungsbündels wird zu einem zweiten cholesterischen Spiegel durchgelassen, der den blauen rechtsdrehenden zirkular polarisierten Strahlungsanteil selektiert und unmittelbar in Richtung der blauen Bildwiedergabeplatte reflektiert. Auch ähnliche Weise werden mit weiteren cholesterischen Spiegeln das grüne und das rote Teilbündel selektiert.
Ein Nachteil des bekannten Beleuchtungssystems ist, daß die Seketivität für links- und rechtsdrehende zirkular polarisierte Strahlung nicht immer groß genug ist, wodurch die Effizienz der Umwandlung von nicht-polarisierter in zirkular polarisierte Strahlung nicht optimal ist.
Es ist weiterhin bemerkenswert, daß in der Europäischen Patentanmeldung EP 0 467 447 eine Bildprojektionseinrichtung beschrieben wird mit einem polarisationsempfindlichen Bündelspalter und einem Polarisationsdreher. Auf diese Weise werden zwei Teilbündel mit demselben zirkularen Polarisationszustand erzeugt. Der polarisationsempfindliche Bündelspalter ist ein cholesterisches Filter. Eine der Polarisationsrichtungen des nicht-polarisierten Bündels wird von dem Filter ausgesendet und wird an einem ersten Spiegel zu dem Bildwiedergabesystem reflektiert, während die andere Polarisationsrichtung von dem Filter aus an einem zweiten Spiegel reflektiert wird. An diesem genannten zweiten Spiegel wird die zirkulare Polarisationsrichtung des eintreffenden Teilbündels invertiert. Beim Eintreffen an dem cholesterischen Filter wird dieses Teilbündel nun von dem Filter in Richtung des Bildwiedergabesystems ausgesendet.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Beleuchtungssystenm zu schaffen für eine Bildprojektionseinrichtung, dessen Wirkungsgrad in der Umwandlung nicht-polarisierter, von der Strahlungsquelle ausgesendeter Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung optimal ist, wobei diese Umwandlung weiterhin auf eine relativ unaufwendige Weise verwirklicht werden kann.
Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem weist dazu das Kennzeichen auf, daß auf der Strecke des Strahlungsbündels zwischen der Strahlungsquelle und dem cholesterischen Spiegel ein zusammengesetzter Zirkularpolarisator, in dem das nicht-polarisierte Strahlungsbündel in zirkular polarisierte Teilbündel umgewandelt werden soll, vorgesehen ist, wobei dieser Polarisator einen polarisationsempfindlichen Bündelspalter aufweist zum Spalten des Strahlungsbündels in zwei zuein- ander senkrecht linear polarisierte Teilbündel, und daß ein Polarisationswandler vorgesehen ist, wobei die aus dem Polarisator heraustretenden zirkular polarisierten Teilbündel zusammen ein Bündel bilden.
Dadurch, daß in einem Beleuchtungssystem für eine Farbbildprojektionseinrichtung, in der die Farbtrennung mit Hilfe cholesterischer Spiegel erfolgt, ein derartiger neuer Polarisator verwendet wird, ist die Strahlung, die den cholesterischen Spiegeln angeboten wird, bereits zirkular polarisiert, ohne daß dabei Absorption eines Teils der von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlung auftritt. Außerdem erfolgt diese Umwandlung unmittelbar mit Hilfe nur eines einzigen Elementes und ist die Umwandlungseffizienz von nicht-polarisierter Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung nicht abhängig von der Qualität der cholesterischen Spiegel. Auf diese Wei se wird die Umwandlungseffizienz von linear in zirkular polarisierte Strahlung optimiert, wodurch die Intensität des von der Strahlungsquelle ausgestrahlten Strahlungsbündels maximal benutzt werden kann. Außerdem reichen nun sechs cholesterische Spiegel, die nur halb so groß zu sein brauchen wie die sechs Spiegel in dem genannten Artikel, wodurch deren Herstellung einfacher und der Preis wesentlich niedriger wird. Weiterhin können die flachen Spiegel fortgelassen werden. In den gekannten Artikeln, wie in der vorliegenden Erfindung gibt es je Farbton zwei Bündelteile, die verschiedene Weglängen zwischen der Strahlungsquelle und dem Projektionslinsensystem zurücklegen. Dadurch, daß die flachen Spiegel in der Aufstellung nach der Erfindung fortgelassen sind, ist der Weglängenunterschied zwischen zwei Bündelteilen desselben Farbtons wesentlich kleiner geworden, so daß die Beleuchtung der LCDs verbessert ist.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems weist das Kennzeichen auf, daß der polarisationsempfindliche Bündelteiler zwei durchsichtige Elemente aufweist, zwischen denen sich eine polarisationstrennende Schicht befindet, und daß der Polarisationswandler aus zwei λ/4-Platten besteht, die je an einer anderen Austrittsfläche des polarisationsempfindlichen Bündelspalters in diagonaler Lage vorgesehen sind.
Unter einer diagonalen Lage wird in diesem Zusammenhang verstanden, daß die Achse der λ/4-Platte und die lineare Polarisationsrichtung einen Winkel von 45º einschließen.
Eine herkömmliche λ/4-Platte setzt linear polarisierte Strahlung in eine zirkular polarisierte Strahlung, oder umgekehrt, um, ist aber wellenlängenabhängig. Deswegen wird eine breitbandige oder achromatische λ/4-Platte verwendet. Dabei handelt es sich um ein durchsichtiges Element, das beispielsweise aus einer Anzahl Schichten zusammengesetzt ist und das für alle Wellenlängen in dem sichtbaren Wellenlängengebiet eine derartige Phasendrehung in einem Bündel hervorgerufen wird, daß linear polarisierte Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung umgewandelt wird, oder umgekehrt. Es sei bemerkt, daß achromatische λ/4-Platten an sich bekannt sich aus beispielsweise der Veröffentlichung: "Retardation Film for STN-LCDs 'NRF'" der Firma Nitto Denko in: "SID '92 Exhibit Guide, Society for Information Display", Mai 17-22, 1992, Boston, Massachusetts, USA.
Durch den polarisationsempfindlichen Bündelspalter wird das von der Strahlungsquelle gesendete nicht-polarisierte Strahlungsbündel in zwei zueinander senkrecht linar polarisierte Teilbündel aufgeteilt. Die beiden Teilbündel treten daraufhin je in eine λ/4-Platte hinein und werden in zirkular polarisierte Bündel umgewandelt. Die λ/4-Platten können derart ausgerichtet werden, daß die beiden Teilbündel in derselben Drehrichtung zirkular polarisiert sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem weist das Kennzeichen auf, daß der polarisationsempfindliche Bündelspalter zwei durchsichtige Elemente aufweist, zwischen denen sich eine polarisationsspaltende Schicht aus flüssigkristallinem Material befindet, dessen Moleküle in einem Azimuth-Winkel von nahezu 45º mit der Eintreffebene und in einem Kippwinkel, der dem Eintreffwinkel α des nicht-polarisierten Strahlungsbündels auf diese Schicht ausgerichtet sind und daß der Polarisationswandler aus einem dritten und einem vierten durchsichtigen Element besteht, je zum Leiten eines von dem Bündelspalter gelieferten linear polarisierten Teilbündels, und die je mindestens eine Reflexionsfläche haben, an der bei Reflexion des betreffenden Teilbündels zwischen dem Teilbündelanteil mit einer Polarisationsrichtung parallel zu und der Teilbündelanteil mit einer Polarisationsrichtung senkrecht auf der Eintreffebene eine Phasenverschiebung auftritt, wobei die gesamte Phasenverschiebung in dem dritten sowie vierten Element 90º beträgt.
In der Optik ist es bekannt, daß es bei totaler innerer Reflexion eines Strahlungsbündels eine relative Phasenverschiebung gibt zwischen dem Anteil des Bündels mit einer Polarisationsrichtung parallel zu und dem Bündelanteil senkrecht auf der Eintreffebene des Bündels. Die relative Phasenverschiebung δ = δ - δ , die dabei auftritt, wird bekanntlich gegeben durch:
wobei n die relative Brechzahl an der Trennfläche zwischen dem optischen dünnen und dem optisch dichten Medium und θi der Eintreffwinkel ist. Dadurch, daß nun die Moleküle der polarisationspaltenden Schicht in dem Bündelspalter derart ausgerichtet wird, daß die Polarisationsrichtung der von dem Bündelspalter gelieferten linear polarisierten Teilbündel einen Winkel von 45º mit der Eintreffebene dieses linear polarisierten Bündels einschließt, werden die Amplituden der Polarisationsanteile parallel zu und senkrecht auf dieser Eintreffebene einander entsprechen. Weiterhin läßt sich mit Hilfe der gegebenen Formel die gewünschte Phasenverschiebung von 90º zwischen den zwei Polarisationsanteilen, die erforderlich ist um linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umzuwandeln, dadurch verwirklich werden, daß die relative Brechzahl x und der Eintreffwinkel θi angepaßt werden. Dazu werden wenigstens zwei gesamte innere Reflexionen erforderlich.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems weist das Kennzeichen auf, daß das dritte und das vierte Element Fresnel- Prismen sind, je mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche, die einen Winkel β&sub1; bzw. einen Winkel β&sub2; mit der polarisationsspaltenden Schicht einschließen, wobei gilt, daß:
wobei δ&sub1; und δ&sub2; die Phasenverschiebungen zwischen dem Anteil mit der Polarisationsrichtung parallel zu und dem Anteil mit der Polarisationsrichtung senkrecht auf der Eintreffebene des in das dritte bzw. vierte Element eintreffenden linear polarisierten Teilbündels infolge der gesamten inneren Reflexionen an den betreffenden Reflexionsflächen, wobei n die relative Brechzahl der Fresnel-Prismen ist, wobei θi,1 = α-β&sub1; der Eintreffwinkel für die erste innere Totalreflexion ist und wobei θi,2 = α-2β&sub1;-β&sub2; der Eintreffwinkel für die zweite innere Totalreflexion ist, wobei α der Eintreffwinkel des nicht-polarisierten Strahlungsbündels an der polarisationsspaltenden Schicht des Bündelspalters ist.
In einem Fresnel-Prisma erfährt das eintreffende Bündel nacheinander zwei innere Totalreflexionen, wobei eine relative Phasenverschiebung von 90º zwischen dem Polarisationsanteil parallel zu und dem Polarisationsanteil senkrecht auf der Eintreffebene verursacht wird. Bei der ersten Reflexion wird das linear polarisierte Bündel elliptisch polarisiert und bei der zweiten Reflexion wird das elliptisch polarisierte Bündel in ein zirkular polarisiertes Bündel umgewandelt, unter der Bedingung aber, daß die Amplituden der beiden Anteile des eintreffenden Bündels einander entsprechen. Damit diese Umwandlung stattfinden kann, sollen dabei jedoch das Brechzahlverhältnis n des Polarisators und der Eintreffwinkel θi des umzuwandelnden Strahlungsbündels der obenstehenden Beziehung entsprechen.
In der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, in einem Beleuchtungssystem für eine Farbbildprojektionseinrichtung einen an sich bekannten Bündelspalter, der nicht-polarisierte Strahlung in linear polarisierte Strahlung umwandelt, mit Fresnel-Prismen derart zu kombinieren, daß mit Hilfe eines einzigen Elementes, das außerdem achromatisch ist in einem relativ großen Wellenlängenbereich, nichtpolarisierte Strahlung unmittelbar in zirkular polarisierte Strahlung umgewandelt werden kann. Dazu sollen aber die Formen der Fresnal-Prismen und des Bündelspalters aneinander angepaßt werden.
Es sei bemerkt, daß Fresnel-Prismen an sich bekannt sind zum Umwandeln linear polarisierter Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung, u. a. aus dem Buch: "Principles of Optics" von M. Born und E. Wolf, 6. Auflage, Pergamon Press, Seiten 47-51.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem weist das Kennzeichen auf, daß das erste und das zweite durchsichtige Element je mit einem Fresnel-Prisma zu einem einzigen Element integriert sind.
Dadurch, daß die Fresnel-Prismen mit einem Bündelspalter kombiniert werden, erfolgt die unmittelbare Umwandlung von linear in zirkular polarisierte Strahlung mit Hilfe eines einzigen Elementes. Dadurch wird die Konstruktion des Polarisators wesentlich vereinfacht.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems weist das Kennzeichen auf, daß wenigstens das dritte oder das vierte Element wenigstens an einer Reflexionsfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen ist.
Eine wellenlängenunabhängige Phasenverschiebung um 90º zwischen dem Polarisationsanteil parallel zu und dem Polarisationsanteil senkrecht auf der Eintreffebene kann auch durch eine einzige Reflexion eines der linear polarisierten Teilbündel an einem metallischen Spiegel. Die Verwirklichung einer bestimmten Phasenverschiebung anhand einer Reflexion an einem metallischen Spiegel ist an sich bekannt und wird beispielsweise in dem bereits genannten Buch "Principles of Optics" Seiten 615-618 beschrieben. Auf diese Wseise kann die Anzahl Reflexionen wesentlich verringert werden.
Bei einer bisher beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems sind noch immer je zu trennenden Farbton zwei cholersterische Spiegel erforderlich zur Verwirklichung einer Totalumwandlung in Strahlung, die auf geeignete Weise polarisiert ist um durch Bildwiedergabeplatten moduliert zu werden.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems weist jedoch das Kennzeichen auf, daß eine der Austrittflächen des Polarisators mit einem polarisationsdrehenden Element versehen ist.
Bei dem bekannten Beleuchtungssystem ist das von dem Polarisator zirkular polarisierte Bündel teilweise rechtsdrehend und teilweise linksdrehend zirkular polarisiert. Dadurch, daß nun der Polarisator an einer der Austrittsflächen mit einem polarisationsdrehenden Element versehen wird, das die Polarisationsrichtung des betreffenden Teilbündels gegenüber der Polarisationsrichtung des anderen Teilbündels um 180º dreht, werden beide Teilbündel beim verlassen des Polarisators zirkular polarisiert sein mit derselben Drehrichtung. Der Vorteil dabei ist, daß bei dem Beleuchtungssystem nur drei cholesterische Spiegel ausreichen.
Als polarisationsdrehendes Element gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Farbbildprojektionseinrichtung nach der Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, daß das polarisationsdrehende Element eine λ/2-Platte ist.
Eine λ/2-Platte ist als polarisationsdrehendes Element an sich bekannt.
Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Farbbildprojektionseinrichtung weist das Kennzeichen auf, daß das polarisationsdrehende Element ein doppeltes Fresnel-Prisma ist.
Unter einem doppelten Fresnel-Prisma soll ein prisma verstanden werden, in dem nacheinander vier interne Totalreflexionen erfolgen.
Dadurch, daß eines der zirkular polarisierten Teilbü≠del durch ein derartiges Prisma hindurchgeführt wird, wird eine Phasenverschiebung von 180º erzielt sein, derart, daß die Drehrichtung des betreffenden Teilbündels nun der Drehrichtung des anderen zirkular polarisierten Teilbündels entspricht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Farbbildprojektionseinrichtung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Farbbildprojektionseinrichtung,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Polarisators zum Gebrauch in einem Beleuchtungssystem für eine erfindungsgemäße Farbbildprojektionseinrichtung,
Fig. 4 eine Darstellung der Phasenverschiebung zwischen dem Anteil senkrecht auf und dem Anteil parallel zu der Normalen senkrecht auf der Eintreffebene des Strahlungsbündels in Funktion des Eintreifwinkels des linear polarisierten Teilbündels an der Luft-Prisma-Trennfläche;
Fig. 5a und 5b zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten zirkularen Polarisators, wobei mittels zweier verschiedenen Reflexionen eine Phasenverschiebung von 90º erhalten wird,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten zirkularen Polarisators, der wenigstens teilweise mit einer metallischen Schicht versehen ist,
Fig. 7 und 8 zwei Ausführungsbeispiele eines zusammengesetzten zirkularen Polarisators nach der Erfindung, der zwei Teilbündel mit derselben Polarisationsdrehrichtung liefert,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Farbbildprojektionseinrichtung mit einem Polarisator, der zwei in derselben Drehrichtung zirkular polarisierte Teilbündel liefert, und
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Schwarz-Weiß- oder monochomen Bildprojektionseinrichtung.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Farbbildprojektionseinrichtung 1 umfaßt ein Beleuchtungssystem 7, bestehend aus einer Strahlungsquelle 3, einem Spiegelsystem 8 und drei Bildwiedergabeplatten 27, 29 und 31, eine für jeden der Primärfarbtöne Rot, Blau und Grün. Jede dieser Bildwiedergabeplatten ist beispielsweise eine Flüssigkristallplatte, weiterhin als LCD-Platte bezeichnet, in Kombination mit einem Polarisator und einem Analysator. Eine LCD-Platte enthält eine Schicht flüssigkristallinen Materials, das zwischen zwei durchsichtigen Platten eingeschlossen ist und wobei diese Schicht in Bildelemente bzw. Pixel aufgeteilt ist. Die Platte kann aktiv sowie passiv angesteuert werden. Die beiden Formen direkt gesteuerter Bildwiedergabeplatten sind beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung EP 0 266 184 beschrieben. Durch Ansteuerung eines Bildelementes durch Anlegung eines örtlichen elektrischen Feldes wird eine Änderung in der effektiven Brechzahl des flüssigkristallinen Material an der Stelle dieses Bildelementes, derart, daß die Strahlung, die durch dieses Bildelement hindurchgeht, eine Änderung der Polarisationsrichtung erfährt. Dadurch, daß die Bildelemente der Platte, nach einem bestimmten Muster, bestimmt durch die angebotene Information, angesteuert oder gerade nicht angesteuert wird, entsteht ein "Polarisationsbild", das von dem Analysator in ein sichtbares Bild umgewandelt wird.
Die auf die Bildwiedergabeplatten auftreffende Strahlung soll also polarisiert sein. Es gibt Bildwiedergabeplatten, die linear polarisierte Strahlung modulieren, sowie Platten, die zirkular polarisierte Strahlung modulieren, je nach der Wahl des Polarisators und des Analysators. Die Strahlungsquelle liefert jedoch nicht-polarisierte Strahlung, die dadurch bevor sie auf die Bildwiedergabeplatten eintreffen, in Strahlung mit dem gewünschten Polarisationszustand umgewandelt werden muß. Dazu umfaßt das aus dem Artikel von M. Schadt und J. Fünfschilling bekannte und in Fig. 1 dargestellte Beleuchtungssystem cholesterische Spiegel. Ein cholesterischer Spiegel hat eine optische Schicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial mit einer Spiralstruktur mit einer Steigung p. Wenn ein "weißes", nicht-polarisiertes Strahlungsbündel auf einen derartigen Spiegel trifft, wird ein zirkular polarisierter Strahlungsanteil mit einer Drehrichtung, die der Drehrichtung der molekularen Spirale entspricht und mit einer Wellenlänge, die auf die Steigung p der Spirale abgestimmt ist, reflektiert werden, während ein Anteil mit der entgegengesetzten Drehrichtung und/oder mit einer nicht auf den Spiegel abgestimmten Wellenlänge durchgelassen werden.
Das bekannte Beleuchtungssystem 7 wird durch eine Strahlungsquelle 3 gebildet, die ein weißes, nicht-polarisiertes Strahlungsbündel 5 aussendet, und weiterhin durch eine Reihe von beispielsweise sechs cholesterischen Spiegeln 9, 10, 11, 12, 13, 14 und drei flache Spiegel 15, 16, 17 zum Spalten des Strahlungsbündels 5 in beispielsweise drei farbige Teilbündel 21, 23, 25 entsprechend der Anzahl Bildwiedergabeplatten 27, 29, 31.
Bei dem bekannten Beleuchtungssystem erfolgt die Farbtrennung und die Polarisation wie folgt. Nicht-polarisiertes, weißes Licht trifft auf den ersten cholesterischen Spiegel 9, der in einem Winkel von 45º gegenüber dem Bündel 5 polarisiert ist. Das blaue, linksdrehende zirkular polarisierte Teilbündel bb,1 wird in Richtung eines flachen Spiegels 15 reflektiert. An dem Spiegel 15 wird die Polarisationsrichtung invertiert in rechtsdrehend, so daß die Drehrichtung dieses Bündels nicht mehr an die der Spiralt des cholesterischen Spiegels 9 angepaßt ist und dieses Bündel dadurch in der Richtung der blauen Bildwiedergabeplatte 27 durchgelassen werden wird. Der restliche Teil des Strahlungsbündels wird zu einem zweiten cholesterischen Spiegel 10 durchgelassen, der den blauen, rechtsdrehenden Strahlungsanteil bb,r selektiert und unmittelbar in Richtung der blauen Bildwiedergabeplatte 27 reflektiert. Auf gleiche Weise werden die grünen Teilbündel bg,r, bg,1 selektiert. Die cholesterischen Spiegel haben hier also eine doppelte Funktion: Farbtrennung und Polarisation. Der Spiegel kann zum Polarisieren innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbandes dadurch ge eignet gemacht werden, daß die Breite und die Lage des Reflexionsbandes des Spiegels angepaßt wird.
Die bereits bekannten cholesterischen Spiegel sind als Polarisator innerhalb eines beschränkten Wellenlängenbandes, beispielsweise 50 nm, wirksam. Strahlung mit einer Wellenlänge außerhalb des Wellenlängenbandes wird durchgelassen. Die Wellenlängenbandbreite des völligen sichtbaren Lichtgebieten beträgt etwa 380 nm, was bedeutet, daß für ein Farbbildprojektionssystem, wie oben beschrieben, eine Breite von beispielsweise 100 bis 150 nm je Farbton durchaus geeignet ist.
Die Breite des Reflexionswellenlängenbandes Δλ des Spiegels wird gegeben durch Δλ = λ&sub0;Δn/ , wobei Δn = ne - no die Doppelbrechung ist, wobei ne und n&sub0; die außergewöhnliche und die gewöhnliche Brechzahl des cholesterischen Materials sind und = (ne + no)/2 die mittlere Brechzahl ist. λ&sub0; ist die zentrale Wellenlänge des selektiven Reflexionswellenlängenbandes bei senkrechtem Auftreffen der Strahlung und wird gegeben durch
worin p die Steigung der molekularen Spirale des Spiegels ist.
Da jedoch die Verschiebung des Reflexionswellenlängenbandes als Funktion des Eintreffwinkels beispielsweise 2 nm je Grad beträgt, soll bei der Herstellung des Spiegels ein breiteres Reflexionswellenlängenband als notwendig berücksichtigt werden, damit das vollständige sichtbare Wellenlängengebiet 380 nm breit abgedeckt wird.
Wenn nun als flüssigkristalline Schicht ein Polymer verwendet wird, kann die Steigung p der molekularen Spirale über die betreffende Schicht geändert werden, wodurch das Wellenlängenband verbreitert werden kann. Ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Spiegels ist in der nicht-veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr. 93203057.0 (PHN 14.629) beschrieben.
Durch die Verbreiterung des Reflexionsbandes je Spiegel kann nämlich die gesamte Lichtintensität gesteigert werden, da die drei Spiegel nun das für das sichtbare Wellenlängengebiet erforderliche Wellenlängenband zusammen abdecken können.
Ein Nachteil der heitigen cholesterischen Spiegel ist, daß die Selektivität zwischen links- und rechtsdrehendem zirkular polarisierten Licht jedoch noch nicht optimal ist. Deswegen wird in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, das von der Strahlungsquelle 3 ausgesendete nicht-polarisierte Strahlungsbündel 5 in zirkula polarisierte Strahlung umzuwandeln, bevor dieses den cholesterischen Spiegeln angeboten wird. Diese Umwandlung erfolgt mit Hilfe eines neuen zusammengesetzten zirkularen Polarisators.
Die von den Bildwiedergabeplatten 27, 29 und 31 modulierten Bündel werden danach durch einen Satz dreier cholesterischer Spiegel 69, 71 und 73 zu einem einzigen Bündel 6 kombiniert, das auf das Projektionslinsensystem 33 trifft. Einfachheitshalber ist das Projektionslinsensystem 33 dargestellt durch eine einzige Linse. Das Bild wird auf einen Projektionsschirm 34 projiziert.
Der Vorteil der Verwendung cholesterischer Spiegel statt der Verwendung dichroischer Spiegel zur Farbtrennung ist, daß cholesterische Spiegel in einer einzigen Schicht hergestellt werden können, was einfacher und preisgünstiger ist. Dichroische Spiegel sind aus einer Anzahl aufeinanderfolgender dünner Schichten mit je einer anderen Brechzahl aufgebaut, was solche Spiegel technologisch relativ teuer macht.
Die von den cholesterischen Spiegeln herrührenden Strahlungsbündel sind also zirkular polarisiert. Dann können Bildwiedergabeplatten 27, 29 und 31 verwendet werden, die dazu geeignet sind, zirkular polarisierte Strahlung zu modulieren. Falls aber der Polarisator und der Analysator der Bildwiedergabeplatten 27, 29 und 31 darauf abgestimmt sind, linear polarisierte Strahlung zu modulieren, soll in jedem Teilbündel zwischen dem betreffenden cholesterischen Spiegel und der Bildwiedergabeplatte eine λ/4-Platte 63, 65, 67 vorgesehen werden um die zirkular polarisierte Strahlung in linear polarisierte Strahlung umzuwandeln. Bevor die von den Bildwiedergabeplatten 27, 29 und 31 modulierten Teilbündel wieder durch die cholesterischen Spiegel 69, 71 und 73 zu einem einzigen Bündel 8 kombiniert werden können, sollen die Teilbündel zunächst in zirkular polarisierte Bündel umgewandelt werden durch einen zweiten Satz von λ/4-Platten 75, 77 und 79. Die λ/4-Platten sind jeweils in gestrichelten Linien dargestellt, da sie, falls die Bildwiedergabeplatten zirkular polarisierte Strahlung modulieren, fortgelassen werden können.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Farbbildprojektionseinrichtung nach der Erfindung. Vor einem Satz von sechs relativ kleinen cholesterischen Spiegeln 16, 18, 20, 22, 24 und 26, die nun zusammen das Spiegelsystem 8 bilden, ist ein zusammengesetzter zirkularer Polarisator 35 vorgesehen, der das nichtpolarisierte Strahlungsbündel 5 von der Strahlungsquelle 3 unmittelbar in zirkular polarisierte Strahlung umwandelt. Dadurch, daß den cholesterischen Spiegeln nun bereits zirkular polarisiertes Licht angeboten wird, reichen zwei relativ kleine cholesterische Spiegel je Farbton, einen für jede Drehrichtung und können die flachen Spiegel fortgelassen werden. Derartige kleine cholesterische Spiegel lassen sich auf relativ einfache Art und Weise relativ einfach herstellen.
Fig. 3 zeigt detailliert ein Ausführungsbeispiel des zusammengesetzten zirkularen Polarisators 35. Der Polarisator enthält einen Bündelspalter 43, der die von der Strahlungsquelle 3 herrührende nicht-polarisierte Strahlung in zwei senkrecht aufeinander stehend linear polarisierte Strahlungsbündel umwandelt. Din derartiger polarisationsempfindlicher Bündelspalter ist an sich aus der US Patentschrift US-A 5.042.925 der Anmelderin bekannt. Der Bündelspalter 43 besteht aus zwei Glasprismen 45 und 47, zwischen denen sich eine Schicht 49 aus doppelbrechendem Material befindet, dessen außergewöhnliche Brechzahl der Brechzahl des Materials der Prismen entspricht. Die außergewöhnliche Brechzahl der doppelbrechenden Schicht 49 ist koeiner als die außergewöhnliche Brechzahl und folglich auch kleiner als die der Prismen.
Ein eintreffender Lichtstrahl 5 wird in einen außergewöhnlichen Lichtstrahl 5b, der nach dem Ausführungsbeispiel geradeaus geht und in einen gewöhnlichen Lichtstrahl 5a aufgeteilt, der an der Grenzfläche mit der polarisationtrennden Schicht 49 total reflektiert wird. Die Lichtstrahlen 5a und 5b sind in senkrecht aufeinander stehenden Richtungen linear polarisiert. Im Gegensatz zu den Polarisatoren, die auf Absorption eines der Hauptlichtstrahlen basieren, geht kein Licht verloren. Auch ist wichtig, daß in dem polarisationsempfindlichen Bündelspalter 43 keine Erwärmung durch eine solche Absorption stattfindet.
Geeignete doppelbrechende Klebstoffzusammensetzungen sind flüssigkristalline Acrylate, Epoxide und Vinyläther, wie diese beispielsweise in der niederländischen Patentanmeldung NL 8802683 beschrieben sind. Insbesondere sind netzwerkbildende Monomerzusammensetzungen geeignet, beispielsweise Diacrylate, wie diese in der genannten Ausführungsbeispiel Patentschrift beschrieben worden sind. Für weitere Information in Bezug auf diesen Bündelspalter wird auf die betreffende Patentschrift verwiesen.
In der vorliegenden Erfindung wird der Bündelspalter 43 zu einem zirkularen Polarisator derart erweitert, daß unmittelbare Umwandlung nicht-polarisierter Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung stattfindet. Um dies zu verwirklichen wird jedem der Prismen 45 und 47 ein durchsichtiges Element 51 und 53 hinzugefügt, das ein linear polarisiertes Teilbündel in ein zirkular polarisiertes Teilbündel umwandelt. Auf diese Weise verwandelt der zirkulare Polarisator 35 das nicht-polarisierte Strahlungsbündel 5 der Strahlungsquelle 3 unmittelbar in zwei zirkular polarisierte Teilbündel 2 und 4 um, die zusammen ein Bündel bilden. In Fig. 2 sind die durchsichtigen Elemente als λ/4-Platten dargestellt, die je auf einer dem Modulationssystem 7 zugewandten, Austrittsfläche 55 und 57 des Bündelspalters 43 angebracht sind. Eine λ/4-Platte ist ein durchsichtiges Element, das beispielsweise aus einer Anzahl Schichten zusammengesetzt ist, die zusammen für alle Wellenlängen in dem sichtbaren Wellenlängengebiet eine derartige Phasendrehung in einem Bündel bewirkt, daß linear polarisierte Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung, oder umgekehrt, umgewandelt wird. Eine herkömmliche λ/4-Platte verwandelt linear polarisierte Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung oder umgekehrt, ist aber wellenlängenabhängig. Deswegen werden hier breitbandige λ/4-Platten verwendet. Achromatische oder breitbandige λ/4- Platten sind beispielsweise aus der Veröffentlichung: "Retardation Film for STN- LCDs 'NRF''' der Firma Nitto Denko in "SID '92 Exhibit Guide, Society for Information Display" Mai 17-22, 1992, Boston, Massachusetts, USA bekannt. Die λ/4-Platten 51 und 53 können derart ausgerichtet werden, daß die zwei Teilbündel 2 und 4 mit derselben Drehrichtung zirkular polarisiert sind.
Für die durchsichtigen Elemente 51 und 53 werden jedoch vorzugsweise Fresnel-Prismen verwendet. Mit derartigen Elementen ist es möglich, auf priesgünstige Art und Weise eine wellenlängenunabhängige Polarisationsumwandlung zu verwirklichen.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten zirkularen Polarisators 35, in dem die durchsichtigen Elemente Fresnel-Prismen 59 und 61 sind. Deutlichkeitshalber sind von dem eintreffenden Bündel 5 die Teilbündel 5a und 5b und von den austretenden Teilbündeln 2 und 4 nur die Hauptstrahlen dargestellt.
Ein Fresnel-Prisma ist ein an sich bekanntes Element und ist beispielsweise in dem Buch "Principles of Optics" von M. Born und E. Wolf, 6. Auflage, Pergamon Press, Seiten 47-51 eingehend beschrieben. Unter einem Fresnel-Prisma wird ein Prisma verstanden, in dem ein Bündel nacheinander zwei innere Totalreflexionen erfährt. Wenn die Polarisationsrichtung des Bündels einen Winkel von 45º mit der Eintreffebene des Bündels an der Stelle der ersten reflektierenden Prismafläche 58a, 60a, und bei einem bestimmten Eintreffwinkel dieses Bündels an der Prismafläche, verursachen die zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen zusammen eine Phasenverschiebung von 90º zwischen den Anteilen des eintreffenden Bündels, das eine Polarisationsrichtung senkrecht auf bzw. parallel zu der genannten Eintreffebene haben. Diese Ebene ist die Zeichenebene der Fig. 3.
Eine derartige Phasenverschiebung bedeutet eine Umwandlung linear polarisierter Strahlung in Zirkular polarisierte Strahlung. Die Phasenverschiebung δ, die je Reflexion auftritt, wird gegeben durch:
mit n = n&sub2;/n&sub1;, wobei n&sub2; die Brechzahl des das Prisma umgebenden Mediums ist uns n&sub1; die Brechzahl des Prismas ist. Aus der Bedingung, daß je Reflexion eine Phasenverschiebung von 45º auftritt und aus den Brechzahlen n&sub1; und n&sub2; läßt sich der Winkel θi bestimmen. θi ist der Eintreffwinkel der von dem Bündelspalte 43 erzeugten linear polarisierten Teilbündel an der Prisma-Luft-Trennfläche 58a oder 60a.
Fig. 4 zeigt, falls das Prisma sich in Luft befindet, n&sub2; = 1, die Phasenverschiebung δ in Funktion des Eintreffwinkels θi. Aus der Figur folgt, daß beispielsweise für ein Prisma mit der Brechzahl n&sub1; = 1,7 die gewünschte Phasenverschiebung von 45º für zwei Werte des Eintreffwinkels, und zwar θi = 39,2º und θi = 60,5º, erhalten werden kann.
Die Polarisationsrichtung der linear polarisierten Teilbündel 5a, 5b soll mit der Eintreffebene an der Stelle der reflektierenden Flächen 58a und 60a einen Winkel von 45º einschließen. Die kann dadurch verwirklicht werden, daß die Molekülen der flüssigkristallinen Schicht 49 derart ausgerichtet werden, daß sie einen Azimuthwinkel vpn 45º mit der Eintreffebene des Bündels 5 einschließen und einen Kippwinkel haben der dem Eintreffwinkel α des Strahlungsbündels an der doppelbrechenden Schicht 49 entspricht. Die Molekülen können auf diese Weise ausgerichtet werden, indem beispielsweise auf den Oberflächen der Prismen, welche die doppelbrechende Schicht 49 berühren, eine Ausrichtschicht angebracht wird. Die Oberflächen werden mit einem Tuch gerieben, wonach die Molekülen der doppelbrechenden Schicht sich in der Reibrichtung ausrichten. Die Ausrichtung kann gewünschtenfalls auch dadurch erhalten werden, daß das Gebilde aus Prismen in ein Magnetfeld gestellt wird. Licht, das in einer Richtung parallel zu den Molekülen polarisiert ist, sieht keine Brechung, während Licht mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu der Richtung der Molekülen eine Totalreflexion erfährt. Damit die von dem Bündelspalter 43 linear polarisierten Teilbündel in einem Winkel θi an einer Luft-Prisma-Trennfläche eintreffen, sollen, in Anbetracht der erzielbaren Werte der Brechzahlen, die Reflexionsflächen der Fresnel-Prismen in einem bestimmten Winkel gegenüber der doppelbrechenden Schicht liegen. Dieser Winkel wird bestimmt durch β = α - θi, wobei α der Eintreffwinkel an der doppelbrechenden Schicht ist und durch die Brechzahl des Materials des Bündelspalters 43 bestimmt wird.
Der Polarisator 35 verwandelt also das nicht-polarisierte Strahlungsbündel 5 der Strahlungsquelle 3 unmittelbar in ein links- und ein rechtsdrehendes, zirkular polarisiertes Teilbündel 2 und 4, die zusammen ein Bündel bilden. Auf diese Weise kann die Effizienz der Umwandlung nicht-polarisierter in zirkular polarisierte Strahlung wesentlich gesteigert werden und wird die Intensität der Strahlungsquelle optimal benutzt. Wie bereits erwähnt, reichen sechs relativ kleine cholesterische Spiegel. Außerdem wird die Differenz in der Weglänge zwischen den entgegengesetzt zirkular polarisierten Teilbündeln 2 und 4, gemessen zwischen der Strahlungsquelle 3 und dem Projektionslinsensystem 33, reduziert, so daß die LCDs gleichmäßiger beleuchtet werden.
Der in Fig. 3 dargestellte zirkularer Polarisator kann formmäßig noch weiter optimiert werden. Vorzugsweise besteht der zirkulare Polarisator 35 aus möglichst wenig einzelnen Blöcken. Dazu sollen die Eintreffwinkel α und θi einander angepaßt werden. Der Winkel α kann durch die Materialwahl der Prismen 45, 47 sowie der doppelbrechenden Schicht 49 variiert werden. Der Winkel θi kann dadurch angepaßt werden, daß die Form der Brechzahl der Fresnel-Prismen angepaßt wird. Im letzteren Fall wird auch der Grenzwinkel für kritische Reflexion und folglich der Wert von α beeinflußt.
Zur Erläuterung wird nachfolgendes Zahlenbeispiel gegeben. Wenn das Verhältnis der gewöhnlichen Brechzahl der Trennschicht 49 zu der Brechzahl des Prismas 45 dem Wert 0,87 entspricht, tritt bei einem Eintreffwinkel α von 67º eine kritische Reflexion auf. Dies bedeutet, daß das gewöhnliche linear polarisierte Teilbündel die doppelbrechende Schicht in einem Winkel von 67º verläßt, während das außergewöhnliche linear polarisierte Teilbündel keine Differenz in der Brechzahl sehen darf und quer durch die Schicht 49 hindurch in das andere Prisma eintritt. Dies bedeutet, daß das doppelbrechende Material derart gewählt werden soll, daß no/ne dem Wert 0,87 entspricht. Da für die meisten, flüssigkristallinen Werkstoffe die gewöhnliche Brechzahl in der Nähe von 1,52 liegt, soll nebst der außergewöhnlichen Brechzahl ne des flüssigkristallinen Materials auch die Brechzahl des Materials der Prismen dem Wert 1,75 nahezu entsprechen.
Es ist aber nicht notwendig, die gesamte Phasenverschiebung von 90º anhand zweier Reflexionen, welche die gleiche Phasenverschiebung verursachen, zu verwirklichen. Die zwei Reflexionen können auch zwei verschiedene Phasenverschiebungen herbeiführen, die zusammen eine Gesamtphasenverschiebung von 90º ergeben. Dies ist beispielsweise der Fall bei den Ausführungsbeispielen des zusammengesetzten Zirkularpolarisators, die in den Fig. 5a und 5b dargestellt sind. Die Geometrie wird bestimmt durch die Anforderung, daß für einen bestimmten Eintreffwinkel α der Winkel β derart gewählt werden soll, daß für die inneren Reflexionen in den Winkeln θi,1 und θi,2 gilt:
mit θi,1 = α - β
mit θi,2 = θi,1 - β = α - 2β und wobei δ&sub1; + δ&sub2; = 90º.
Für den zirkularen Polarisator nach Fig. 5a gilt, daß für einen Eintreffwinkel α = 67º der Winkel β = 4,45º wird. Die erste innere Reflexion in einem Winkel θi,1 = 62,55º ergibt eine Phasenverschiebung von 42º, während die zweite innere Reflexion in einem Winkel θi,2 = 58,1º eine Phasenverschiebung von 48º ergibt.
Für den Zirkularpolarisator nach Fig. 5b gilt, daß für einen Eintreffwinkel α = 67º zwei werte für den Winkel β möglich sind, und zwar 15,0º und 24,8º. Für die erste innere Reflexion ist θi,1 = α mit einer Phasenverschiebung von 35,0º als Folge. Die restliche Phasenverschiebung von 54,1º wird durch eine zweite innere Reflexion in einem Winkel θi,2 = 52º oder 42,2º erhalten. Aus der Graphik nach Fig. 4 folgt, daß ein Winkel von 42,2º die beste Wahl ist in Bezug auf die Wellenlängen- und Eintreffwinkelabhängigkeit.
Als alternative Lösung kann der ersten Reflexionsfläche 58a, 60a des Polarisators 35 sowie der zweiten Reflexionsfläche 58b, 60b des Polarisators eine Schräge gegenüber der doppelbrechenden Schicht 49 erteilt werden, so daß der Winkel β über die zwei Oberflächen verteilt wird.
Fig. 6 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten zirkularen Polarisators. In diesem Zirkularpolarisator enthält jeder der Polarisationswandler nur eine einzige Reflexionsfläche, die als Spiegelreflexionsfläche ausgebildet ist. Eine Spiegelreflexionsfläche kann dadurch erhalten werden, daß beispielsweise eine der Oberflächen des Polarisators wenigstens teilweise mit einer Metallschicht 50 versehen wird. Es ist an sich bekannt, beispielsweise aus dem Buch:" "Principles of Optics" von M. Born und E. Wolf, 6. Auflage, Pergamon Press, Seiten 615-618, daß durch Spiegelreflexion an einer spiegelnden Oberfläche eine Phasenverschiebung von 90º verwirklicht werden kann zwischen dem Polarisationsanteil senkrecht auf und dem Polarisationsanteil parallel zu der Eintreffebene des eintreffenden Strahlungsbündels, insofern θi an die Brechzahlen des Prismas und der metallischen Schicht angepaßt wird. θi kann beispielsweise dadurch angepaßt werden, daß beispielsweise die Reflexionsflächen 58a und 60a einen Winkel β mit der Polarisationstrennfläche 49 einschließt. Auf diese Weise wird die Anzahl Reflexionen reduziert und kann dadurch der Zirkularpolarisator gedrängter ausgebildet werden.
Wie bisher beschrieben, ergibt der zusammengesetzte Zirkularpolarisator mit Fresnel-Prismen ein Bündel, von dem nahezu die Hälfte linksdrehend zirkular polarisiert ist und von dem nahezu die andere Hälfte rechtsdrehend zirkular polarisiert ist. Die beiden Teilbündel können in derselben Drehrichtung zirkular polarisiert sein, indem bei einem der beiden Teilbündel zwischen dem Polarisationsanteil senkrecht zu und dem Polarisationsanteil parallel zu der Eintreffebene des betreffenden Teilbündels eine Phasenverschiebung von 180º verwirklicht wird. Die kann dadurch erfolgen, daß auf einer der Austrittflächen des Zirkularpolarisators eine zusätzliche optische Verzögerungsplatte bzw. eine λ/2-Platte vorgesehen wird. In den Fig. 3, 51, 5b und 6 ist eine λ/2-Platte 81 gestrichelt dargestellt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß eines der zwei Fresnel-Prismen mit einem doppelten Fresnel-Prisma, in dem vier innere Reflexionen an Reflexionsflächen 58q, 58 auftreten, verlängert wird und folglich zusammen eine Phasenverschiebung von 180º verursachen. Fig. 7 zeigt davon ein Ausführungsbeispiel. Die zwei Teilbündel 2 und 4 sind nun in derselben Drehrichtung zirkular polarisiert. Die dadurch entstandene Asymmetrie des zirkularen Polarisators kann wenigstens zum Teil dadurch vermieden werden, daß für das verlängerte prisam 45, 59, 83 oder für einen Teil davon ein Material mit einer anderen Brechzahl gewählt wird. Eine weitere Möglichkeit, wobei die Asymmetrie des Polarisators vermieden wird, besteht darin, daß eine Brechzahlabweichung eines der Prismenteile des Polarisators 35 mit auf den Reflexionsflächen 58a, 58b vorgesehenen metallischen Schichten 85, 87 kombiniert wird. Ein Ausführungsbeispiel eines Zirkularpolarisators, wobei dies der Fall ist, ist in Fig. 8 dargestellt. Eine innere Totalreflexion an einer Luft- Prisma-Trennschichtoberfläche 58a, 58b, 60a, 60b verursacht beispielsweise eine Phasenverschiebung von 45º. Die Reflexionen an den metallischen Schichten verursachen je eine Phasenverschiebung von 90º. Auf diese Weise entsteht nach Fig. 8 eine Phasenverschiebung von 180º zwischen den zwei Teilbündeln 2 und 4, was bedeutet, daß die zwei Teilbündel in derselben Drehrichtung zirkular polarisiert sind.
Wenn dann die beiden Teilbündel 2 und 4 in derselben Richtung zirkular polarisiert sind, reicht ein Spiegelsystem 8 mit nur drei cholesterischen Spiegeln 89, 91 und 93 statt sechs, wie in Fig. 9 dargestellt.
Durch eine Kombination der Brechzahlabweichung des Materials eines der beiden Prismen und der etwaigen Auftragung metallischer Schichten auf den Reflexionsflächen der Fresnel-Prismen kann ein nahezu symmetrischer Polarisator erhalten werden, der ein nicht-polarisiertes Strahlungsbündel unmittelbar in ein zirkular polarisiertes Strahlungsbündel umwandelt, wobei es in diesem Bündel nur eine zirkular polarisierte Drehrichtung gibt.
Der erfindungsgemäße Zirkularpolarisator, namentlich in den Ausführungsformen, die zwei zirkular polarisierte Teilbündel mit derselben Drehrichtung liefern, kann auch in Schwarz-Weiß- oder in Monochrombildprojektionseinrichtungen, wie beispielsweise Monitoren, verwendet werden. Fig. 10 zeigt das Prinzip einer derartigen Einrichtung.
Das nicht-polarisierte Strahlungsbündel 5, das von der Strahlungsquelle 3 herrührt, wird für den zusammengesetzten Zirkularpolarisator 35 in zwei zirkularpolarisierte Teilbündel 2 und 4 umgewandelt, ggf. in derselben Drehrichtung zirkular polarisiert, je nach dem auf dem Polarisator 35 Auftragen eines polarisationsdrehenden Elementes. Die mit Hilfe einer Schwarz-Weiß- oder Monochrom-LCD-Platte 86 modulierte Strahlung wird danach über Projektionslinsensystem 33 auf einen Bildprojektionsschirm 34 projiziert. Wenn die LCD-Platte linear polarisiertes Licht moduliert, befindet sich vor und hinter der LCD-Platte noch eine λ/4-Platte 95, 97, die im Fall einer monochromen LCD-Platte nicht breitbandig zu sein braucht.

Claims

1. Beleuchtungssystem für eine Farbbildprojektionseinrichtung mit in Reihenfolge einer Strahlungsquelle zum Liefern eines nicht-polarisierten Strahlungsbündels und mindestens einem cholesterischen Spiegel zum Spalten des Strahlungsbündels in mindestens zwei Teilbündel einer anderen Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Strecke des Strahlungsbündels zwischen der Strahlungsquelle und dem cholesterischen Spiegel ein zusammengesetzter Zirkularpolarisator, in dem das nicht-polarisierte Strahlungsbündel in zirkular polarisierte Teilbündel umgewandelt werden soll, vorgesehen ist, wobei dieser Polarisator einen polarisationsempfindlichen Bündelspalter aufweist zum Spalten des Strahlungsbündels in zwei zueinander senkrecht, linear polarisierte Teilbündel, und daß ein Polarisationswandler vorgesehen ist, wobei die aus dem Polarisator heraustretenden zirkular polarisierten Teilbündel zusammen ein Bündel bilden.

2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisationsempfindliche Bündelteiler zwei durchsichtige Elemente aufweist, zwischen denen sich eine polarisationstrennende Schicht befindet, und daß der Polarisationswandler aus zwei λ/4-Platten besteht, die je an einer anderen Austrittsfläche des polarisationsempfindlichen Bündelspalters in diagonaler Lage vorgesehen sind.

3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisationsempfindliche Bündelspalter zwei durchsichtige Elemente aufweist, zwischen denen sich eine polarisationsspaltende Schicht aus flüssigkristallinem Material befindet, dessen Moleküle in einem Azimuth-Winkel von nahezu 45º mit der Eintreffebene und in einem Kippwinkel, der dem Eintreffwinkel α des nicht-polarisierten Strahlungsbündels auf diese Schicht entspricht, ausgerichtet sind und daß der Polarisationswandler aus einem dritten und einem vierten durchsichtigen Element besteht, je zum Leiten eines von dem Bündelspalter gelieferten linear polarisierten Teilbündels, und die je mindestens eine Reflexionsfläche haben, an der bei Reflexion des betreffen den Teilbündels zwischen dem Teilbündelanteil mit einer Polarisationsrichtung parallel zu, und der Teilbündelanteil mit einer Polarisationsrichtung senkrecht auf der Eintreffebene eine Phasenverschiebung auftritt, wobei die gesamte Phasenverschiebung in dem dritten sowie vierten Element 90º beträgt.

4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte und das vierte Element Fresnel-Prismen sind, je mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche, die einen Winkel β&sub1; bzw. einen Winkel β&sub2; mit der polarisationsspaltenden Schicht einschließen, wobei gilt, daß:

wobei δ&sub1; und δ&sub2; die Phasenverschiebungen zwischen dem Anteil mit der Polarisationsrichtung parallel zu und dem Anteil mit der Polarisationsrichtung senkrecht auf der Eintreffebene des in das dritte bzw. vierte Element eintreffenden linear polarisierten Teilbündels infolge der gesamten inneren Reflexionen an den betreffenden Reflexionsflächen, wobei n die relative Brechzahl der Fresnel-Prismen ist, wobei θi,1 = α - β&sub1; der Eintreffwinkel für die erste innere Totalreflexion ist und wobei θi,2 = α - 2β&sub1; - β&sub2; der Eintreffwinkel für die zweite innere Totalreflexion ist, wobei α der Eintreffwinkel des nicht-polarisierten Strahlungsbündels an der polarisationsspaltenden Schicht des Bündelspalters ist.

5. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite durchsichtige Element mit je einem Fresnel-Prisma zu einem einzigen Element integriert sind.

6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das dritte oder das vierte Element wenigstens an einer Reflexionsfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen ist.

7. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Austrittsflächen des Polarisators mit einem polarisationsdrehenden Element versehen ist.

8. Beleuchtungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisationsdrehende Element eine λ/2-Platte ist.

9. Beleuchtungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisationsdrehende Element ein doppeltes Fresnel-Prisma ist.

10. Bildprojektionseinrichtung mit einem Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle zum Liefern eines Strahlungsbündels, mit einem Bildwiedergabesystem mit mindestens einer Bildwiedergabeplatte zum Erzeugen eines zu projizierenden Bildes durch Modulation der Polarisationsrichtung der Strahlungsbündel und mit einem Projektionslinsensystem zum Projizieren des von dem Bildwiedergabesystem erzeugten Bildes, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem eine System nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.