DE69713081T2

DE69713081T2 - Polarisationleuchtungssystem für lcd projektor

Info

Publication number: DE69713081T2
Application number: DE69713081T
Authority: DE
Inventors: F. Vanderwerf
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: AU2421697A; EP0890128B1; CN1214775A; US5995284A; ES2175397T3; JP2001501317A; KR20000005070A; KR100456492B1; CA2247435A1; DE69713081D1; EP0890128A1; TW307832B; WO1997037266A1

Description

Hinterrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im wesentlichen optische Beleuchtungssysteme und insbesondere ein Polarisationsbeleuchtungssystem mit einem neuartigen Raumintegrator, einschließlich Einrichtungen zum Steuern des Längenverhältnisses, wobei das System für elektronische Projektionsanzeigen, insbesondere vom Typ des Flüssigkristallbildschirms, geeignet ist.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Aufgrund des wachsenden Einsatzes von Flüssigkristallbildschirm- (LCD-) Vorrichtungen in Projektionssystemen besteht Bedarf an einer effizienten Quelle für polarisiertes Licht. Polarisiertes Licht wird bekannterweise von einem Absorptionspolarisator oder einem Polarisationsstrahlenteilungs- (PBS-) Würfel erzeugt. Bei Polarisationsstrahlenteilungswürfeln wird die Hälfte des Lichts reflektiert und dieses reflektierte Licht entweder wegprojiziert oder auf die gleiche Polarisation konvertiert wie der Strahl. Wenn das Licht konvertiert ist, wird der reflektiert Strahl dann zusammen mit dem durchgelassenen Strahl auf den LCD zurückgeleitet, um eine polarisierte Lichtquelle zu erhalten, die heller ist als eine Lichtquelle, bei der nur ein einfacher Absorptionspolarisator verwendet wird.
Eine frühe Anwendung der Konvertierung von polarisiertem Licht in Beleuchtungssystemen war die Anwendung bei Autoscheinwerfern, wie von Zehender in "Headlights for Motor-Vehicles with Polarized Light", Lichttechnik, S. 100- 103 (1973) beschrieben. Bei dieser frühen Ausführung wurde nicht versucht, eine räumliche Wiedervereinigung der separaten Strahlen zu erreichen oder den Strahlenquerschnitt zu steuern. Mit der Einführung von LCD-Projektionssystemen erwachte ein neues Interesse an dieser Technologie, wie z. B. von Imai et al., "A Novel Polarization Converter for High-Brightness Liquid Crystal Light Valve Projector", SPIE Proceedings, Vol. 1225, S. 52-58 (1990) und Shinsuke et al., "A Polarization-Transforming Optics for a High Luminance LCD Projector", Proceedings of the SID, Vol. 32/4, S. 301-304 (1991) beschrieben.
In der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 61-122626 ist eine Polarisationsbeleuchtungsvorrichtung beschrieben, bei der die separaten Strahlen auf der LCD-Ebene mit einem Keilprismenpaar räumlich integriert werden. Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung eine Lichtquelle 1, einen Kollimator 2, eine PBS- Würfel 3, ein rechtwinkliges Prisma 4, ein Halbwellenlängenplättchen 5, Keilprismen 6 und 7, eine LCD-Platte 8 und eine Projektionslinse 9 auf, Es muss eine beträchtliche Distanz zwischen den Keilprismen und dem LCD vorhanden sein, da die Strahlen konvergieren, und der Einfallwinkel auf den LCD muss klein gehalten werden, was eine unangemessene Einschränkung bei der Anwendung der Vorrichtung darstellt.
In den US-Patenten Nr. 4,913,529 und 4,969,730 sind Konvertierungs-Polarisations-Lichtprojektions-Beleuchtungssysteme beschrieben, bei denen Polarisationsplatten oder ein PBS-Würfel verwendet werden, wobei die separaten Strahlen mit einem Steuerprisma auf dem LCD vereinigt werden. Im US-Patent Nr. 5,381,278 werden konvergierende und divergierende Linsen für die Rückführung der separaten Strahlen zu der LCD-Platte beschrieben. In der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 71-99185 werden Doppel-Polarisationsstrahlenteiler verwendet, mit dem ein Strahl mit länglichem Querschnitt erzeugt wird, bei dem jedoch keine räumliche Wiedervereinigung der separaten Strahlen erfolgt. In der europäischen Patentanmeldung Nr. 615,148 erfolgt eine Polarisationskonvertierung und eine räumliche Wiedervereinigung durch Rückführen des Lichts zu dem Lichtquellenreflektor, wie es auch in der europäischen Patentanmeldung Nr. 573,905, die an Minnesota Mining and Manufacturing Co. (3M - Inhaber der vorliegenden Erfindung) abgetreten worden ist, der Fall ist. Im US-Patent Nr. 5,181,054 erfolgt eine räumliche Wiedervereinigung der separaten Strahlen durch Durchlassen der Strahlen in entgegengesetzten Richtungen durch den LCD, wie es auch im US-Patent Nr. 5,428,469 (ebenfalls an 3M abgetreten) der Fall ist. Im US-Patent Nr. 5,446, 510 gibt es einen gemeinsamen Kollimationswinkel für die separaten Strahlen, jedoch keine jede räumliche Integration.
In den US-Patenten Nr. 5,042,921 und 5,124,841 werden Polarisationskonverter beschrieben, bei denen die räumliche Integration durch Ablenk-Mikroprismen erfolgt. Der in der europäischen Patentanmeldung Nr. 463,500 beschriebene Polarisationskonverter behält das Längenverhältnis des Originalstrahls bei, macht jedoch den Einsatz von zwei LCDs erforderlich, und in der europäischen Patentanmeldung Nr. 456,427 wird die Strahlengröße durch Rückstrahlungen von einem Lampenreflektor mit einer rechteckigen Austrittsöffnung der LCD-Platte angepasst. Die Effizienz dieser Systeme wird durch die Komplexität der Optik, die Qualität der Reflexionsbeschichtung, den Grad der räumlichen Wiedervereinigung und Strahlengestaltung und die hohe chromatische Dispersion der Brechungselemente eingeschränkt.
In US 5 359 455 ist eine polarisationsbildende optische Vorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Polarisationsstrahlenteiler, einem Halbwellenlängenplättchen, zwei Spiegeln und zwei aus Prismen gebildeten Platten beschrieben. Der Lichtstrahl von der Lichtquelle wird von dem Strahlenteiler in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der beiden Lichtstrahlen wird auf dem Halbwellenplättchen um 90º gedreht. Die beiden Strahlen werden von den beiden Spiegeln separat auf die aus Prismen gebildete Platte reflektiert. Die beiden Strahlen werden von der aus Prismen gebildeten Platte gebeugt und danach teilweise von dem Spiegel auf die zweite aus Prismen gebildete Platte reflektiert, welche ebenfalls die Lichtstrahlen beugt.
Die räumliche Integration der separaten Strahlen ist wichtig, da sich die separaten Strahlen normalerweise in ihrer Stärke und Farbtemperatur voneinander unterscheiden. Eine Kollimierung des auf den LCD auftreffenden Strahls ist wichtig, da die meisten Anzeigen dieses Typs am besten mit einem gemeinsamen kleinen Einfallwinkel des Beleuchtungslichts arbeiten. Ferner kann kollimiertes Licht von einer Feldlinse effizienter auf die Projektionslinse fokussiert werden. Die Strahlenformung ist zum Durchlassen von maximalem Licht durch die rechteckige Öffnung des LCDs wichtig. Schließlich ist eine Kompaktheit zum Reduzierung der Größe der Projektoreinheit wünschenswert. Keines der vorgenannten Systeme bietet eine optimale Leistung in allen diesen Bereichen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, für eine vernachlässigbare Dispersion in einem Austrittsstrahl eines optischen Beleuchtungssystems zu sorgen.
Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß mit den Ansprüchen 1, 11 bzw. 18 gelöst.

Zusammenfassender Überblick über die Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polarisationsbeleuchtungssystem, das insbesondere für einen LCD-Projektor geeignet ist, wobei das System im wesentlichen eine Lichtquelle, eine Einrichtung zum Kollimieren von Licht von der Quelle in einen Eintrittsstrahl, eine Einrichtung zum Teilen des Eintrittsstrahls in einen ersten Strahl mit einem ersten Polarisationszustand und einen zweiten Strahl mit einem zweiten Polarisationszustand, eine Phasenplättcheneinrichtung zum Konvertieren des ersten Strahls aus dem ersten Polarisationszustand in den zweiten Polarisationszustand, eine Einrichtung zum räumlichen Integrieren der ersten und zweiten Strahlen zur Erzeugung eines kollimierten Austrittsstrahls mit einem Längenverhältnis und eine Einrichtung zum Verändern des Längenverhältnisses des Austrittsstrahls aufweist. Die Integrationseinrichtung weist vorzugsweise eine Raumintegratorzelle mit einem ersten mikroprismatischen Element mit einer planaren Fläche und einer Fläche mit prismatischen Furchen gegenüber der planaren Fläche und ein zweites mikroprismatisches Element mit einer weiteren planaren Fläche und einer weiteren Fläche mit prismatischen Furchen, die der anderen planaren Fläche gegenüberliegt und der Fläche mit prismatischen Furchen auf dem ersten mikroprismatischen Element zugewandt ist, wobei ferner erste und zweite im wesentlichen einander gegenüberliegende Reflexionsflächen angrenzend an erste bzw. zweite Seiten des zweiten mikroprismatischen Elements vorgesehen sind.
Die Einrichtung zum Aufteilen des Lichts kann einen Polarisationsstrahlenteiler (PBS) aufweisen, der die ersten und zweiten Strahlen erzeugt, und der PBS kann zum Leiten der ersten und zweiten Strahlen zu den ersten bzw. zweiten reflektierenden Keilprismen vorgesehen sein. Bei mehreren Ausführungsformen weist die Raumintegratorzelle ein Austrittselement auf, das mit einem ersten Strahlenkompressionselement kombiniert ist, wobei ein zweites Strahlenkompressionselement angrenzend an das erste Strahlenkompressionselement angeordnet ist, um ein verändertes Längenverhältnis zu erzeugen. Das erste Strahlenkompressionselement kann eine Fresnel-Linse mit positivem Zylinder und das zweite Strahlenkompressionselement eine Linse mit einem negativen Zylinder sein. Alternativ kann das erste Strahlenkompressionselement ein erstes mikroprismatisches Element und das zweite Strahlenkompressionselement ein zweites mikroprismatisches Element sein, das in einem schiefen Winkel relativ zu dem ersten mikroprismatischen Element positioniert ist. Die Einrichtung zum Verändern des Längenverhältnisses des Austrittsstrahls kann ferner dazu vorgesehen sein, zusätzlich ein Ablenken des Austrittsstrahl um ungefähr 90º zu bewirken.
Bei der vorliegenden Erfindung werden zahlreiche Nachteile, die der Stand der Technik aufweist, vermieden, und zwar durch Erzeugen eines konvertierten sekundären Strahls kollimierten polarisierten Lichts und räumliches Wiedervereinigen dieses Strahls mit dem primären Strahl mittels linearer Mikroprismen mit innerer Totalreflexion, wobei die Polarisierung und Kollimierung mit minimaler chromatischer Dispersion beibehalten werden. Das Längenverhältnis des räumlich integrierten Strahls wird dann zwecks Anpassung an das Format einer LCD-Platte auf effiziente Weise konvertiert. Es ist keine Rückstrahlung oder Rückführung des Strahls in Richtung der Lichtquelle erforderlich, und der einzelne kollimierte Strahl, der die LCD-Platte durchläuft, kann effizienter auf die Projektionslinse fokussiert werden.

Figurenkurzbeschreibung

Die Erfindung wird am besten anhand der beiliegenden Zeichnungen verständlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer dem Stand der Technik entsprechenden Polarisationsbeleuchtungsvorrichtung mit als Keilprismen ausgebildeten Strahlenintegratoren;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarisationsbeleuchtungssystems;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Konfiguration der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Raumintegratorzelle;
Fig. 3A eine Vergrößerung der linearen mikroprismatischen Elementstruktur auf dem in Fig. 3 gezeigten Raumintegrator;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Typs eines dem Stand der Technik entsprechenden Längenverhältniskonverters mit Linsen mit positiven und negativen Zylindern;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anwendung von Fresnel-Linsen mit positivem/negativem Zylinder;
Fig. 6 eine dem Stand der Technik entsprechende anamorphotische Strahlenkompression mittels eines Paars identischer Prismen mit minimaler chromatischer Dispersion;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Raumintegrators mit anamorphotischer Strahlenkompression mittels identischer Fresnel-Prismen;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anamorphotischen Strahlenkompression mittels eines Prismenpaars mit einer Strahlenablenkung um 90º und minimaler chromatischer Dispersion;
Fig. 9 ein Reflexionskeilprisma als anamorphotischen Strahlenkompressor;
Fig. 10 eine Kombination aus Raumintegrator/anamorphotischem Strahlenkompressor;
Fig. 11 einen LCD-Projektor, bei dem eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt; und
Fig. 12 eine weiter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein rechtwinkliges Prisma in Zusammenhang mit dem PBS-Würfel überflüssig macht.

Beschreibung der bevorzugen Ausführungsform

Die Figuren und insbesondere Fig. 2 zeigen eine Ausführungsform 10 des erfindungsgemäßen Polarisationsbeleuchtungssystems. Das System 10 ist insbesondere für die Verwendung mit einem Flüssigkristallanzeige- (LCD-) Projektor vorgesehen, und die Kombination weist im wesentlichen eine Lichtquelle oder Lampe 12, einen Kollimator oder parabolischen Reflektor 14, eine Einrichtung 16 zum Trennen von polarisiertem p- und s-Licht in Form eines Polarisationsstrahlenteilers (PBS), eine Einrichtung 18 zum Rückführen eines der polarisierten Strahlen (in diesem Fall des reflektierten Strahls) parallel zu dem anderen polarisierten Strahl (dem durchgelassenen Strahl) in Form eines rechtwinkligen Prismareflektors, ein Halbwellenlängenplättchen 20, eine Raumintegratorzelle 22, eine Analyseeinrichtung 24, eine LCD-Platte 26 und eine Projektionslinse 28 auf. Die Ausführungsform 10 ist ein aus einer einzelnen Platte bestehender Durchlass-LCD-Projektor, Fachleute auf dem Sachgebiet wissen jedoch, dass das allgemeine Prinzip auch auf farb- und pseudofarbdurchlässige LCD-Projektoren mit mehreren Platten sowie reflektierende LCD-Lichtventilprojektoren anwendbar ist.
Willkürlich polarisiertes Licht von der Lichtquelle 12 wird von dem parabolischen Reflektor 14 (oder einer anderen Einrichtung) kollimiert und tritt in den PBS-Würfel 16 ein. Das p-polariserte Licht wird durchgelassen und das reflektierte s-polarisierte Licht von dem rechtwinkligen Reflexionsprisma 18 um 90º gedreht und dann von dem Halb- (λ/2-) Wellenlängenplättchen 20 in p-polarisiertes Licht konvertiert. Die benachbarten und räumlich getrennten kollimierten Lichtstrahlen treten in die mikroprismatische Raumintegratorzelle 22 ein, in der sie räumlich integriert werden, und treten als ein einziger kollimierter polarisierter Strahl wieder aus. Die Komponenten 12-18 sind beim Stand der Technik bekannt, und es können fast alle bekannten Komponenten verwendet werden. Daher ist bei der Ausführungsform 10 die primäre Neuheit durch den Raumintegrator 22 begründet.
Fig. 3 zeigt eine Raumintegratorzelle 22. Jeder benachbarte Eintrittsstrahl wird gleichermaßen von dem ersten mikroprismatischen Element 32, das eine Serie von gleichseitigen linearen Mikroprismen 34 mit einem Winkel von 60º aufweist (siehe Fig. 3a), abgelenkt. Die Hälfte des Lichts läuft direkt zu einem zweiten gegenüber angeordneten mikroprismatischen Element 36. Die andere Hälfte des Lichts wird von seitlich angeordneten Spiegeln 38 und 40 reflektiert und läuft dann zu dem gegenüberliegenden mikroprismatischen Element 36.
Das Steuern der Länge der Zelle 22 bewirkt, dass beide Strahlen als räumlich integrierter und kollimierter Strahl aus der Zelle austreten. Die Länge der Raumintegratorzelle beträgt L = A tan(π/6), wobei A die halbe Höhe der Zelle ist (siehe Fig. 2) und in die Mitte der Zelle 22 eintretende Lichtstrahlen am Rand der Zelle austreten. Fig. 3a zeigt einen vergrößerten Abschnitt des ersten linearen mikroprismatischen Elements 32, bei dem sämtliche Prismenwinkel α = 60º betragen und der Ablenkwinkel δ = 60º beträgt. An beiden mikroprismatischen Elementen erfolgt keine Brechung und somit keine chromatische Dispersion, da sämtliche Strahlenablenkungen durch innere Totalreflexion (TIR) erfolgen, d. h. der Einfallswinkel an der Grenzfläche zwischen Luft und dem mikroprismatischen Element gleich Null ist. Bei leichten Abweichungen von der perfekten Kollimation tritt im wesentlichen keine chromatische Dispersion bei Strahlen auf, die an beiden Flächen gebrochen und ferner von den TIR-Flächen reflektiert werden, da die Mikroprismen gleichseitige Dreiecke mit einem Winkel von 60º sind.
Da der PBS-Würfel 16 benachbarte quadratische Strahlen bildet, die jeweils ein Längenverhältnis von AR = 1 : 1 aufweisen, hat der in die Raumintegratorzelle eintretende und aus dieser austretende konvertierte Polarisationsstrahl ein AR = 2 : 1. Da die meisten LCD-Platten ein AR = 4 : 3 = 1,33 aufweisen, sollte AR zur effizienten Beleuchtung der LCD-Platte angepasst werden. Ein Standardverfahren zum Konvertieren des Längenverhältnisses, bei dem die Richtung des Lichtstrahls beibehalten wird, ist die Verwendung von Linsen 42 und 44 mit positivem bzw. negativem Zylinder, wie in Fig. 4 gezeigt. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine neuartige Variante dieses Verfahrens angewandt, und zwar durch Bilden einer Fresnel-Linse 46 mit positivem Zylinder in der Austrittsfläche der Raumintegratorzelle 48, wie in Fig. 5 gezeigt. Eine Linse 50 mit negativem Zylinder kann eine kontinuierliche oder eine Fresnel-Linse sein.
Bei einem weiterem Standardverfahren zum Konvertieren des Längenverhältnisses oder zur anamorphotischen Strahlenkompression wird ein Paar identischer Prismen verwendet, wie in Fig. 6 gezeigt. Die chromatische Dispersion des ersten Prismas 52 wird durch die entgegengesetzte Dispersion des zweiten Prismas 54 aufgehoben, und die Richtung des kollimierten Lichts wird beibehalten. Ein ähnlicher Effekt kann bei der vorliegenden Erfindung durch Bilden des ersten Elements in Form einer Serie linearer Mikroprismen auf dem Austrittselement 56 einer Raumintegratorzelle 58 erzielt werden. Ein zweites lineares mikroprismatisches Element 60 wird dann in einem schiefen Winkel δ gleich der Strahlenablenkung des ersten Elements angeordnet, wie in Fig. 7 gezeigt. Bei Acryl-Kunststoff (nd = 1,492) mit Prismenwinkeln von α = 40,52º und δ = 35,25º wird das Längenverhältnis z. B. von 2/1 zu 4/3 konvertiert, ohne dass eine chromatische Dispersion erfolgt.
Es ist auch möglich, bei der vorliegenden Erfindung eine anamorphotische Strahlenkompression mit einer Strahlenablenkung um 90º mittels zweier Prismen durchzuführen, wie in Fig. 8 gezeigt. Hier folgt dem ersten Ablenkprisma 62 ein zweites Prisma 64, das den Strahl durch Brechung und innere Totalreflexion ablenkt. Durch Spezifizieren der Scheitelwinkel und Neigungswinkel wie dargestellt, wird die chromatische Dispersion des ersten Prismas durch die Dispersion des zweiten Prismas aufgehoben. Durch die Verwendung von optischem Kronglas (nd = 1,523) für beide Prismen und φ&sub1; = 30º, φ&sub2; = 8º, α&sub1; = 18,6º, α&sub2; = 68º, α&sub3; = 38,2º wird der Strahl z. B. von AR = 2 : 1 zu AR = 4 : 3 mit vernachlässigbarer chromatischer Dispersion konvertiert.
Wenn eine Strahlenablenkung um 90º zwischen dem Raumintegrator und der LCD-Platte erfolgt, gibt es mehrere weitere Verfahren zum Erreichen der gewünschten Konvertierung des Längenverhältnisses. Ein Verfahren ist in Fig. 9 gezeigt, bei dem ein Reflexionskeilprisma 66 verwendet wird. Der einfallende Strahl mit AR = 2 : 1 wird durch Spezifizieren des Neigungswinkels φ und des Prismenkeilwinkels α zu einem Ausgangsstrahl mit AR = 4 : 3 konvertiert. Hierbei gilt
φ atan(A'/A), und
α = (θ-θ')/2,
wobei: A' = Breite des komprimierten Austrittsstrahls,
A = Breite des Eintrittsstrahls,
θ = Einfallwinkel des austretenden reflektierten Strahls an der Brechfläche, und
θ' = Brechungswinkel des Eintrittsstrahls an der Brechfläche.
Der gezeigte θ-Winkel ist ein ungefährer Wert. In der Praxis müssen die variierende Prismendicke und deren Auswirkung auf die Kompression des Austrittstrahls berücksichtigt werden. Somit werden φ und α iterativ angepasst, bis der Austrittsstrahl komprimiert ist, um das gewünschte Längenverhältnis zu erreichen. Bei einem Reflexionskeilprisma 66 aus optischem Kronglas (nd = 1,523) sowie φ 17,0º und α 13,9º kann ein Strahlenkompressionsverhältnis A'/A = 0,375 erreicht werden.
Fig. 10 zeigt einen Raumintegrator 70, bei dem eine anamorphotische Strahlenkompression und eine räumliche Integration zweier Eintrittsstrahlen mittels Reflexionskeilprismen 72 und 74 sowie seitlich angeordneten planaren Hilfsspiegeln 76 und 78 durchgeführt worden ist, der Prismenablenkwinkel δ beträgt 60º und der Eintrittswinkel für die linearen mikroprismatischen 60º-Elemente 60º, In der Figur beträgt:
A' = (4/3)A,
φ atan((cos(π/6) - C cos(π/3))/(C cos(π/3) + cos π/6))), und
α = (θ-θ')/2,
wobei: C = Faktor der anamorphotischen Kompression des Keilprismas,
θ = Einfallwinkel des austretenden reflektierten Strahls an der Brechfläche des Keilprismas,
θ' = Brechungswinkel des Eintrittstrahls an der Brechfläche des Keilprismas, und
φ = Neigungswinkel der Keilprismen.
Bei C = 2/3 werden zwei benachbarte Eintrittsstrahlen mit der gleichen Polarisation und jeweils einem Querschnitt von A · A zu einem integrierten kollimierten und polarisierten Ausgangsstrahl mit einem Querschnitt von 4A/3 · A und einem Längenverhältnis von AR = 4 : 3 kombiniert. Jedes Reflexionskeilprisma hat einen Brechungsindex von nd = 1,523, φ = 26,0º und α = 15,2º. Bei dem in Fig. 10 gezeigten System sind die Reflexionsflächen der Keilprismen im wesentlichen einander gegenüber, jedoch nicht parallel angeordnet. Fig. 11 zeigt ein kompaktes LCD-Beleuchtungs- und Projektionssystem 84, bei dem diese Kombination aus Raumintegrator und anamorphotischem Strahlenkompressor zum Einsatz kommt.
Fig. 12 zeigt einen Polarisationskonverter 86 mit zwei Reflexionsprismen 88 und 90 und einem einzelnen mikroprismatischen Element 92 mit einem Winkel von 60º zum räumlichen Integrieren der beiden Strahlen und Konvertieren des Längenverhältnisses. Das kollimierte Licht tritt in einen Polarisationsstrahlenteiler 94 ein, in dem p-polarisiertes Licht durchgelassen wird und s-polarisiertes Licht reflektiert und von dem Halbwellenlängenplättchen 96 zu p-polarisiertem Licht konvertiert wird. Die beiden Strahlen treten in einem Winkel von 45º in die Reflexionsprismen ein, werden um einen Faktor C komprimiert und treten in einem Winkel von 60º aus den Prismen aus. Es besteht ein Winkel δ von 45º zwischen den Eingangs- und Austrittsstrahlen der Reflexionsprismen. Die komprimierten Strahlen werden dann von dem mikroprismatischen Element mit einem Winkel von 60º räumlich zu einem einzigen kollimierten polarisierten Strahl integriert. Ein ankommender Strahl mit einem Längenverhältnis von AR = 1 kann mittels Reflexionsprismen mit einem Brechungsindex nd = 1,523, einem Scheitelwinkel α = 10,3º, einem Neigungswinkel φ = 26º und einem Faktor der anamorphotischen Kompression von C = 2/3 in einen ausgehenden Strahl mit einem Längenverhältnis von AR = 4 : 3 konvertiert werden.

Beispiel

Ein LCD-Projektionssystem mit einer einzigen Platte wurde zum Bewerten der erfindungsgemäßen Komponenten als Versuchsmodell hergestellt. Eine 24 V- 250 Watt-Wolfram-Halogenlampe (vom Typ EHJ) mit einem sphärischen Rückstrahler erzeugte mittels eines Paars Glaskondensatorlinsen einen Strahl kollimierten Lichts mit einem Durchmesser von 50 mm. Der Strahl wurde auf eine 32 mm mal 32 mm große Öffnung maskiert, und ein Teil des Wärmereflexionsglases wurde nahe dieser quadratischen Öffnung positioniert.
Ein breitbandiger 450-680 nm großer PBS-Würfel (Melles Griot #03 PBB 007) erzeugte einen durchgelassenen p-polarisierten Strahl und einen reflektierten s-polarisierten Strahl. Ein unbeschichtetes 45º-Prisma (Edmund Scientific #32531) lenkte den Strahl durch innere Totalreflexion um 90º ab, so dass er an den durchgelassenen Strahl angrenzte. Der s-polarisierte Strahl wurde von einem Halbwellenlängenplättchen (Polaroid #605208) in einen p-polarisierten Strahl konvertiert. Es wurde eine Raumintegratorzelle mit zwei linearen mikroprismatischen Elementen mit einem Winkel von 60º, von denen jedes Element 32 mm breit mal 64 mm hoch war, aus 2 mm dickem Acryl hergestellt, wobei jede Mikroprismenbreite = 0,25 mm betrug. Der Abstand zwischen den mikroprismatischen Elementen betrug L = 18,5 mm. Die räumliche Integration und gemeinsame Polarisation der beiden Strahlen wurde durch Untersuchen des Ausgangs der Raumintegratorzelle verifiziert.
Ein anamorphotisches Strahlenkompressions-Reflexionskeilprisma wurde mit einer Länge von 100 mm, einer Breite von 38 mm und einem Keilwinkel = 14,3º aus Acryl-Kunststoff (nd = 1,492) hergestellt. Das Reflexionskeilprisma veränderte die Abmessung des aus dem Raumintegrator austretenden Strahls von 64 mm mal 32 mm (AR = 2 : 1) zu 32 mm mal 24 mm (AR = 4 : 3).
Ein VGA-kompatibles, diagonales, monochromes 1,3"-LCD-Modul (Seiko Epson #P13VM115/125) mit einer Analyseeinrichtung auf der Austrittsseite wurde von dem aus dem Keilprisma austretenden kollimierten und polarisierten Lichtstrahl beleuchtet. Eine plankonvexe Feldlinse fokussierte das Licht von dem LCD-Modul in eine beschichtete f/2,5-Anastigmat-Projektionslinse mit einer Brennweite von 3" (JML Optical Industries). Der mit einem Spectra- Physics-Helligkeitsmesser gemessene Helligkeitsanstieg des projizierten Schirmbilds betrug 70%, wenn das ausgegebene konvertierte polarisierte Licht dem primären Strahl hinzugefügt war.
Obwohl die Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen beschrieben worden ist, darf diese Beschreibung nicht als einschränkend angesehen werden. Verschiedene Modifikationen der beschriebenen Ausführungsform sowie alternative Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute auf dem Sachgebiet anhand der Beschreibung offensichtlich. Daher können solche Modifikationen durchgeführt werden, ohne dass dadurch von der Wesensart und dem Umfang der Erfindung, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen festgelegt sind, abgewichen wird.

Claims

1. Artikel zum räumlichen Integrieren von zwei oder mehr kollimierten Lichtstrahlen, mit:

einer ersten Reflexionsfläche (38),

einer zweiten Reflexionsfläche (40), die im wesentlichen der ersten Reflexionsfläche gegenüberliegt,

einem ersten mikroprismatischen Element (32) mit einer Serie von gleichseitigen linearen Mikroprismen mit einem Winkel von ungefähr 60º zum Ablenken von Licht von den Lichtstrahlen durch innere Totalreflexion zwischen den und auf die ersten und zweiten Reflexionsflächen (38,40), und

einem zweiten mikroprismatischen Element (36) mit einer Serie von gleichseitigen linearen Mikroprismen mit einem Winkel von ungefähr 60º zum Sammeln von Licht, das von den Lichtstrahlen abgelenkt ist und von den ersten und zweiten Reflexionsflächen (38,40) reflektiert wird, und zum Kollimieren des gesammelten Lichts durch innere Totalreflexion in einen Austrittsstrahl.

2. Artikel nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Reflexionsflächen (38,40) parallel verlaufen.

3. Artikel nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Reflexionsflächen (38,40) auf ersten bzw. zweiten Reflexionskeilprismen (62,64) gebildet sind.

4. Artikel nach Anspruch 1, ferner mit einem Polarisationsstrahlenteiler (16).

5. Artikel nach Anspruch 1, bei dem das erste mikroprismatische Element (32,36) ferner eine planare, der Fläche mit prismatischen Furchen gegenüberliegende Fläche aufweist, die den beiden einfallenden Lichtstrahlen zugewandt ist.

6. Artikel nach Anspruch 1, bei dem das zweite mikroprismatische Element (36) eine Fläche mit prismatischen Furchen aufweist, die den beiden Lichtstrahlen zugewandt ist, und eine planare Fläche gegenüber der Furchenfläche aufweist.

7. Artikel nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten mikroprismatischen Elemente (32,36) im wesentlichen keine chromatische Dispersion hervorrufen.

8. Artikel nach Anspruch 1, bei dem der Austrittsstrahl ein Längenverhältnis aufweist, und das zweite mikroprismatische Element (36) ein erstes Strahlenkompressionselement (52) aufweist und ferner ein zweites Strahlenkompressionselement (54) aufweist, das angrenzend an das erste Strahlenkompressionselement (52) angeordnet ist, um das Längenverhältnis des Austrittsstrahls zu verändern.

9. Artikel nach Anspruch 1, ferner mit einem Polarisationsstrahlenteiler (16), der die zwei kollimierten Strahlen aus einem einzelnen kollimierten Strahl erzeugt, wobei ein erster der beiden kollimierten Strahlen einen ersten Polarisationszustand aufweist und ein zweiter der beiden kollimierten Strahlen einen zweiten Polarisationszustand aufweist, und bei dem das erste prismatische Element den ersten kollimierten Strahl auf das erste Reflexionskeilprisma (62) leitet und den zweiten kollimierten Strahl auf das zweite Reflexionskeilprisma (64) leitet, und

ein Halbwellenlängenplättchen zwischen dem Polarisationsstrahlenteiler (16) und dem ersten Reflexionskeilprisma (62) angeordnet ist.

10. Artikel nach Anspruch 5, bei dem das zweite mikroprismatische Element (36) im wesentlichen parallel zu dem ersten mikroprismatischen Element (32) verläuft und eine Fläche mit prismatischen Furchen aufweist, die den beiden Lichtstrahlen zugewandt ist, und eine planare Fläche gegenüber der Furchenfläche aufweist.

11. Polarisationsbeleuchtungssystem mit:

einer Lichtquelle,

einer Einrichtung zum Kollimieren von Licht von der Lichtquelle in einen Eintrittsstrahl,

einer Einrichtung (94) zum Trennen des Eintrittsstrahls in einen ersten Strahl mit einem ersten Polarisationszustand und einen zweiten Strahl mit einem zweiten Polarisationszustand,

einer Einrichtung (96) zum Konvertieren des ersten Strahls vom ersten Polarisationszustand in den zweiten Polarisationszustand,

einer Einrichtung zum räumlichen Integrieren der ersten und zweiten Strahlen zum Erzeugen eines kollimierten Austrittstrahls mit einem Längenverhältnis, und

einer Einrichtung zum Verändern des Längenverhältnisses des Austrittsstrahls mittels Reflexionskeilprismen (88,90),

wobei die Integrationseinrichtung aufweist:

ein erstes mikroprismatisches Element (80) mit einer planaren Fläche und einer Fläche mit prismatischen Furchen mit einer Serie von gleichseitigen linearen Mikroprismen mit einem Winkel von ungefähr 60º gegenüber der planaren Fläche,

ein zweites mikroprismatisches Element (92) mit einer weiteren planaren Fläche und einer weiteren Fläche mit prismatischen Furchen mit einer Serie von gleichseitigen linearen Mikroprismen mit einem Winkel von ungefähr 60º, die der anderen planaren Fläche gegenüberliegt und der Fläche mit prismatischen Furchen auf dem ersten mikroprismatischen Element (80) zugewandt ist,

eine erste Reflexionsfläche (88) angrenzend an eine erste Seite des zweiten mikroprismatischen Elements (92), und

eine zweite Reflexionsfläche (90) angrenzend an eine zweite Seite des zweiten mikroprismatischen Elements (92), wobei die zweite Reflexionsfläche (90) der ersten Reflexionsfläche (80) im wesentlichen gegenüberliegt.

12. Polarisationsbeleuchtungssystem nach Anspruch 11, bei dem:

die Einrichtung (94) zum Trennen des Lichts einen Polarisationsstrahlenteiler aufweist, der die ersten und zweiten Strahlen erzeugt,

die Einrichtung zum räumlichen Integrieren der ersten und zweiten Strahlen erste und zweite Reflexionskeilprismen (88,90) aufweist, und der Polarisationsstrahlenteiler den ersten Strahl zu dem ersten Reflexionskeilprisma (88) leitet und den zweiten Strahl zu dem zweiten Reflexionskeilprisma (90) leitet.

13. Polarisationsbeleuchtungssystem nach Anspruch 11, bei dem:

die Einrichtung zum räumlichen Integrieren der ersten und zweiten Strahlen eine Raumintegratorzelle mit einem Austrittselement aufweist, und

die Einrichtung zum Verändern des Längenverhältnisses des Austrittsstrahls ein mit dem Austrittselement verbundenes erstes Strahlenkompressionselement aufweist und ein zweites Strahlenkompressionselement aufweist, das angrenzend an das erste Strahlenkompressionselement angeordnet ist.

14. Polarisationsbeleuchtungssystem nach Anspruch 11, bei dem die Einrichtung zum Verändern des Längenverhältnisses des Austrittsstrahls ferner dafür sorgt, dass der Austrittsstrahl um ungefähr 90º abgelenkt wird.

15. Polarisationsbeleuchtungssystem nach Anspruch 11, bei dem die ersten und zweiten Reflexionsflächen (88, 90) jeweils erste und zweite planare Hilfsspiegel aufweisen und ferner versehen sind mit:

einem ersten Reflexionskeilprisma (88) zwischen den ersten und zweiten mikroprismatischen Elementen nahe dem ersten planaren Hilfsspiegel, und

einem zweiten Reflexionskeilprisma (90) zwischen den ersten und zweiten mikroprismatischen Elementen (80,92) nahe dem zweiten planaren Hilfsspiegel und im wesentlichen gegenüber dem ersten Reflexionskeilprisma.

16. Polarisationsbeleuchtungssystem nach Anspruch 13, bei dem:

das erste Strahlenkompressionselement eine Fresnel-Linse mit positivem Zylinder ist, und

das zweite Strahlenkompressionselement eine Linse mit negativem Zylinder ist.

17. Polarisationsbeleuchtungssystem nach Anspruch 13, bei dem:

das erste Strahlenkompressionselement ein erstes mikroprismatisches Element ist, und

das zweite Strahlenkompressionselement ein zweites mikroprismatisches Element ist, das in einem schiefen Winkel relativ zu dem ersten mikroprismatischen Element angeordnet ist.

18. Elektronischer Projektor mit:

einer Lichtquelle (12),

einer Einrichtung (14) zum Kollimieren von Licht von der Lichtquelle in einen Eintrittsstrahl,

einer Einrichtung (16) zum Trennen des Eintrittsstrahls in einen ersten Strahl mit einem ersten Polarisationszustand und einen zweiten Strahl mit einem zweiten Polarisationszustand,

einem Halbwellenlängenplättchen (20), das angrenzend an die Trenneinrichtung zum Konvertieren des ersten Strahls vom ersten Polarisationszustand in den zweiten Polarisationszustand angeordnet ist,

einer Raumintegratorzelle (22) zum Empfangen der ersten und zweiten Strahlen, wobei die Zelle (22) aufweist: eine erste Reflexionsfläche, eine zweite Reflexionsfläche, die im wesentlichen gegenüber der ersten Reflexionsfläche angeordnet ist, ein erstes mikroprismatisches Element (32) mit einer Serie von gleichseitigen linearen Mikroprismen mit einem Winkel von ungefähr 60º zum Ablenken von Licht von den ersten und zweiten Strahlen durch innere Totalreflexion zwischen den und auf die ersten und zweiten Reflexionsflächen und ein zweites mikroprismatisches Element (36) mit einer Serie von gleichseitigen linearen Mikroprismen mit einem Winkel von ungefähr 60º zum Sammeln von Licht, das von den Lichtstrahlen abgelenkt ist und von den ersten und zweiten Reflexionsflächen reflektiert wird, und zum Kollimieren des gesammelten Lichts durch innere Totalreflexion in einen Austrittsstrahl mit einem Längenverhältnis,

einer Einrichtung zum Verändern des Längenverhältnisses des Austrittsstrahls mit einem mit dem Austrittselement verbundenen ersten Strahlenkompressionselement und einem zweiten Strahlenkompressionselement, das angrenzend an das erste Strahlenkompressionselement angeordnet ist,

einer Anzeigeeinrichtung zum Empfangen des Austrittsstrahl mit dem veränderten Längenverhältnis,

einer Projektionslinse (28), und

einer Feldlinse zum Leiten von Licht von der Anzeigeeinrichtung (26) zur Projektionslinse (28).