DE69827560T2

DE69827560T2 - Parallelplatten-Strahlteiler in Glas mit hohem Brechungsindex

Info

Publication number: DE69827560T2
Application number: DE69827560T
Authority: DE
Inventors: Ralph J. Carlsbad Gagnon
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2018-08-19
Also published as: EP0898194A1; US5959773A; DE69827560D1; EP0898194B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Strahlteiler und insbesondere Parallelplatten-Polarisations- und Farb-Strahlteiler für Flüssigkristallanzeigen.
2. DISKUSSION
Der Winkel, bei dem ein Dünnfilm-MacNeille-Polarisator effektiv ist, wird durch die Brechungsindizes von drei Materialien bestimmt. Die ersten beiden Materialien sind die abwechselnden Materialien, die den Dünnfilm-Reflektionsstapel bilden. Das dritte Material ist das Umgebungsmedium, dessen Brechungsindex anders als jedes der zwei Materialien, die für den Dünnfilmstapel verwendet werden, sein kann.
Der Dünnfilmstapel ist typischerweise aus sich abwechselnden Schichten eines ersten Materials mit einem hohen Brechungsindex (n_H) und eines zweiten Materials mit einem niedrigen Brechungsindex (n_L) gebildet. Bei einem spezifischen Winkel, dem Brewster Winkel, verschwindet die Reflektion für P-polarisiertes Licht vollständig. In dem Material mit niedrigem Brechungsindex wird dieser Winkel durch
berechnet. In dem Material mit hohem Brechungsindex ist der entsprechende Winkel das Komplement von θ_S. Der Zweck der Konstruktion des Dünnfilmpolarisators besteht darin den Brewster Winkel zu verwenden, um das Reflektionsvermögen von P-polarisiertem Licht zu minimieren, während das Reflektionsvermögen des S-polarisierten Lichts maximiert wird.
Wenn der Brechungsindex eines externen Mediums (n_E) nicht gleich zu n_L ist, findet eine zusätzliche Brechung bzw. Beugung statt. Der Polarisationswinkel θ_E in dem externen Medium kann unter Verwendung des Gesetzes von Snell gefunden werden. nEsin(θE) = nLsin(θB)oder
gefunden werden.
Weil die Grenzfläche zwischen dem Stapel und dem externen Medium bei dem Brewster Winkel, wenn n_E ≠ n_L ist, nicht arbeitet wird ein kleiner Betrag des Reflektionsvermögens des P-polarisierten Lichts durch die Schnittstelle erzeugt.
Ein hoher Kontrast tritt auch auf, wenn die Farb- und Polarisations-Strahlteiler parallel sind. Der zweckdienlichste Winkel für einen Polarisations- und/oder Farb-Strahlteiler ist gewöhnlicherweise 45°. Ein 45° Prisma benötigt weniger Platz oder weniger Volumen als ein Prisma, das bei einem höheren Winkel arbeitet.
Ein Strahlteiler, der bei 45° arbeitet, ist mit einem Zweikomponentensystem (n_H ≠ n_L) wegen des folgenden Grunds unmöglich. Die einzigen Lösungen für die Gleichung
erfordert, dass n_H = n_L ist. Wenn jedoch n_H = n_L ist, gibt es keine Reflektion für P-polarisiertes oder S-polarisiertes Licht. Deshalb muss das dritte Material für das externe Medium eingeführt werden, um den externen Winkel auf 45° zu halten, während erlaubt wird, dass der interne Brewster Winkel größer als 45° ist. Dies bedeutet jedoch, dass der Brechungsindex des externen Mediums größer als der Brechungsindex des Materials mit niedrigem Brechungsindex in dem Stapel sein muss. Das einzig geeignete externe Medium mit einem ausreichend hohen Brechungsindex und einer ausreichend niedrigen Doppelbrechung, um einen Betrieb mit hohem Kontrast bei 45° zu erlauben, ist Öl.
Flüssigölprismen umfassen einen Dünnfilm-Polarisationsstapel, der auf einer dünnen Platte gebildet ist, die in einen Tank platziert wird, der Öl enthält. Das Öl ist jedoch die Quelle von zusätzlichen Problemen. Ein großer externer Medium-Brechungsindex wird normalerweise eine überlegende Polarisation erleichtern, aber wenn der Brechungsindex hoch geht, verringert sich gewöhnlicherweise die Qualität des Öls und ruft zusätzliche Probleme hervor. Das Flüssigölprisma stellt auf das entsprechende Glassubstrat eine Anpassung bereit, die weniger als perfekt ist. Eine unerwünschte Absorption von blauem Licht tritt ebenfalls normalerweise auf. Die intensiven Lichtstrahlen, die das Flüssigölprisma durchqueren, verwsachen auch eine chemische Zersetzung. Eine Absorption von infraroter und sichtbarer Energie erhöht auch thermisch erzeugte Konvektionsströme und einen Druck auf dem Tank, was spezielle Verfahren und Vorrichtungen zur Entlastung der Ströme und des Drucks erfordert.
Deshalb würde es wünschenswert sein Polarisations- und Farb-Strahlteiler bereitzustellen, die bei einem Einfallswinkel von 45° arbeiten und in einem externen Medium arbeiten, welches nicht die Vorteile eines Brechungsindexsöls und von Flüssigkeitsprismen aufweist. Vorzugsweise haben die Polarisations- und Farbstrahlteiler einen hohen Kontrast.
Verwandte herkömmliche Systeme sind in der US 5530489 , US 5267029 , EP-A-0083090, US 4127322 und US 5625491 offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Farb- und/oder Polarisations-Strahlteiler in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden in Mehrfarben-Lichtventil-Projektionssystemen verwendet. Die Farb- und/oder Polarisations-Strahlteiler umfassen jeweils erste und zweite Prismen mit einem Dünnfilmstapel, der dazwischen angeordnet ist, wie im Anspruch 1 definiert. Die Prismen sind aus Glas gebildet, welches einen Brechungsindex zwischen 1,65 und 1,85 aufweisen. Die Farb- und Polarisationsstrahlteiler arbeiten bei einem Einfallswinkel von 45 Grad.
Durch einen Betrieb bei 45 Grad können die Farb- und/oder Polarisations-Strahlteiler in einer kompakten und parallelen Weise zusammengebaut werden und verringern dadurch die Größe des Farb- und/oder Polarisations-Strahlteilers, während der Kontrast des Lichtventil-Projektionssystems erhöht wird. Der hohe Glas-Brechungsindex erzeugt auch einen kleineren optischen Pfad für einen gegebenen physikalischen Pfad. Die Nachteile im Zusammenhang mit Brechungsindex-Ölprismen werden ebenfalls beseitigt.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden leicht ersichtlich sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet näher nach einem Studium der folgenden Beschreibung und durch Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Endansicht eines Strahlteilers gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht des Strahlteilers der 1, die den Pfad eines einfallenden Lichts auf den Strahlteiler darstellt;
2A eine isolierte Seitenansicht des Strahlteiler-Dünnfilmstapels, der in 2 gezeigt ist; und
3 eine Seitenansicht ähnlich wie 2, wobei der Pfad von moduliertem und nicht-moduliertem Licht, reflektiert durch die Lichtventile, dargestellt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die 1 und 2 ist ein optisches System 10 dargestellt und umfasst eine Lichtquelle 12 aus nicht-polarisiertem Licht. Das optische System 10 umfasst fernen einen Vorpolarisator 14, einen Hauptpolarisator und einen Farbstrahlteiler 18 und eine Projektionslinse 20.
Eine erste Viertelwellenlängen-Platte 24 ist angrenzend zu einer Facette 30 des Hauptpolarisators und des Farbstrahlteilers 18 angeordnet. Ein erstes Flüssigkristall-Lichtventil (Liquid Crystal Light Valve; LCLV) 34 ist angrenzend zu der Viertelwellenlängen-Platte 24 angeordnet. Eine erste Kathodenstrahlröhre (Cathode Ray Tube; CRT) (die nicht gezeigt ist) ist angrenzend zu dem ersten LCLV 34 angeordnet.
Eine zweite Viertelwellenlängen-Platte 42 ist angrenzend zu der Facette 44 des Hauptpolarisators und des Farbstrahlteilers 18 angeordnet. Ein zweites LCLV 48 ist angrenzend zu einer zweiten Viertelwellenlänge-Platte 42 angeordnet. Ein zweiter CRT (nicht gezeigt) ist angrenzend zu dem zweiten LCLV angeordnet.
Ein Kompensator 60 für den optischen Pfad liegt an einer Facette 62 des Hauptpolarisators- und Farbstrahlteilers 18 an. Eine dritte Viertelwellenlänge-Platte 66 liegt angrenzend zu dem Kompensator 60 für den optischen Pfad. Ein drittes LCLV 68 ist angrenzend zu der dritten Viertelwellenlänge-Platte 66 angeordnet. Eine dritte CRT (nicht gezeigt) ist angrenzend zu dem dritten LCLV 68 angeordnet. Die Linse 20 ist angrenzend zu der Facette 74 des Farbstrahlteilers positioniert.
Der Hauptpolarisator- und Farbstrahl-Teiler 18 umfasst ein erstes, zweites, drittes und viertes Prisma 80, 82, 84 und 86. Ein erster Dünnfilmstapel 90, der zu dem Hauptpolarisator gehört, ist zwischen dem ersten und zweiten Prisma 80 und 82 eingebettet. Ein zweiter Dünnfilmstapel 92, der zu dem ersten Farbstrahlteiler gehört, ist zwischen dem zweiten und dritten Prisma 82 und 84 eingebettet. Ein dritter Dünnfilmstapel 94, der zu einem zweiten Farbstrahlteiler gehört, ist zwischen dem dritten und vierten Prisma 84 und 86 eingebettet. Vorzugsweise, wie in 2A gezeigt, umfasst der Dünnfilmstapel 94 sich abwechselnde Schichten eines ersten Materials mit einem hohen Brechungsindex, wie der Schicht H, einem zweiten Material mit einem niedrigen Brechungsindex, wie die Schicht L, und zwei Schichten M, die jeweils einen mittleren Brechungsindex aufweisen und den Stapel innerhalb der angrenzenden Prismen, 84, 86 koppeln. Die Dünnfilmstapel 90, 92 sind im Aufbau ähnlich zu dem Dünnfilmstapel 94, obwohl sich die Anzahl und die Dicke der Schichten, die in jedem Stapel verwendet werden, gemäß spezifischer Konstruktionsparameter verändern können.
Vorzugsweise ist das erste, zweite, dritte und vierte Prisma 80, 82, 84 und 86 aus Glas mit einem hohen Brechungsindex gebildet. Vorzugsweise weist das Glas einen Brechungsindex zwischen 1,65 bis 1,85 auf. Weiter vorzugsweise weist das Glas einen Brechungsindex zwischen 1,75 und 1,85 auf. Ein derartiges Glas ist gegenwärtig von der Nikon Corp. erhältlich. In einer höchst bevorzugten Ausführungsform weist das Glas einen Brechungsindex von 1,83 und eine niedrige Doppelbrechung auf.
Bezugnehmend auf 1 umfasst ein Vorpolarisator 14 ein erstes und ein zweites Prisma 100 und 102. Ein vierter Dünnfilmstapel 106 ist zwischen dem ersten und zweiten Prisma 100 und 102 eingebettet. Das erste und zweite Prisma 100 und 102 sind ebenfalls vorzugsweise aus Glas mit einem Brechungsindex ähnlich zu dem Glas der Prismen 80, 82, 84 und 86 gebildet.
Bei der Verwendung wird ein nicht-polarisieres Licht W entlang einer ersten optischen Achse durch die Lichtquelle 12 auf eine Facette 110 des zweiten Prismas 102 gerichtet. Das nicht-polarisierte Licht W fällt auf den vierten Dünnfilmstapel 106 ein. Das S-polarisierte Licht (W_S) wird durch den vierten Dünnfilmstapel 106 in eine Richtung senkrecht zu der ersten optischen Achse reflektiert. Der vierte Dünnfilmstapel 106 überträgt P-polarisiertes Licht (W_P) entlang der ersten optischen Achse in Richtung auf die Facette 114 hin.
Bezugnehmend auf 2 werden der erste, zweite und dritte Dünnfilmstapel 90, 92 und 94 in Bezug zu dem vierten Dünnfilmstapel 106 des Vorpolarisators 14 um 90 Grad gedreht. Deshalb wird P-polarisiertes Licht (W_P), welches bei 114 austritt, in Bezug auf den Hauptpolarisator- und Farbstrahlteiler 18 S-polarisiert (W_S).
S-polarisiertes Licht (W_S) fällt auf die Facette 116 des Farbstrahlteilers 18 ein. S-polarisiertes Licht (W_S) wird durch den ersten Dünnfilmstapel 90 entlang einer zweiten optischen Achse reflektiert. Der erste Dünnfilmstapel 90 arbeitet in einer Weise, die ähnlich zu dem vierten Dünnfilmstapel ist. Mit anderen Worten, das S-polarisierte Licht wird reflektiert, während P-polarisiertes Licht transmittiert wird.
Das S-polarisierte Licht (W_S) fällt auf den zweiten Dünnfilmstapel 92 ein, der blaues Licht reflektiert und rotes und grünes Licht transmittiert. Das S-polarisierte blaue Licht (W_S) wird durch einen zweiten Dünnfilmstapel 92 durch einen Kompensator 60 für den optischen Pfad und die Viertelwellenlängen-Platte 66 auf das dritte LCLV reflektiert. Das dritte LCLV moduliert das S-polarisierte blaue Licht in einer herkömmlichen Weise.
Das S-polarisierte rote und grüne Licht (R_S + G_S) wird durch den zweiten Dünnfilmstapel 92 übertragen (transmittiert) und fällt auf den dritten Dünnfilmstapel 94 ein. Der dritte Dünnfilmstapel 94 überträgt rotes Licht und reflektiert grünes Licht. Das rote und grüne Licht geht durch Viertelwellenlänge-Platten zu 24 bzw. 42 und fällt auf die ersten und zweiten LCLVs 34 und 48 ein. Das erste und zweite LCLV modulieren das rote und grüne Licht in einer herkömmlichen Weise.
Bezugnehmend auf die 2 und 3, wenn das S-polarisierte blaue Licht (W_S) auf das LCLV 68 einfällt, dann moduliert die dritte CRT und das LCLV 68 das blaue Licht, um ein gewünschtes Bild zu erhalten. Die dritte CRT beleuchtet selektiv Abschnitte des LCLV 68 und lässt andere Abschnitte dunkel.
Abschnitte des LCLVs 68, die beleuchtet werden, drehen das S-polarisierte Licht in P-polarisiertes Licht. Abschnitte, die einfach dunkel bleiben, reflektieren das S-polarisierte Licht.
In 3 wird das reflektierte S-polarisierte Licht als nicht-moduliertes S-polarisiertes blaues Licht (U_BS) angezeigt. Das reflektierte P-polarisierte Licht ist als moduliertes P-polarisiertes blaues Licht (M_BP) angezeigt. Genauso stellt das LCLV 48 nicht-moduliertes S-polarisiertes grünes Licht (U_GS) und moduliertes grünes P-polarisiertes Licht (M_GP) bereit. Schließlich stellt das LCLV 34 nicht-moduliertes rotes S-polarisiertes Licht (U_RS) und moduliertes rotes P-polarisiertes Licht (M_RP) bereit. Der erste Dünnfilmstapel 90 überträgt moduliertes rotes, grünes und blaues P-polarisiertes Licht (M_(R+G+B)P) und reflektiert nicht-moduliertes rotes, grünes und blaues S-polarisiertes Licht (U_(R+G+B)S) in Richtung auf den Vorpolarisator 14 und die Quelle 12 hin.
Durch Verwendung von Glas mit einem hohen Brechungsindex und einer geringen Doppelbrechung können Polarisations- und Farb-Strahlteiler realisiert werden, die bei einem Einfallswinkel von 45° arbeiten. Derartige Polarisations- und Farb-Strahlteiler umgehen Probleme im Zusammenhang mit Prismen, die optisches Öl verwenden, wie voranstehend diskutiert. Ferner nimmt ein 45° Prisma weniger Platz als ein Prisma ein, welches bei einem höheren Einfallswinkel arbeitet. Der hohe Brechungsindex des Glases erzeugt auch einen kleineren optischen Pfad für einen gegebenen physikalischen Pfad. Weil die Farb-Strahlteiler und die Polarisations-Strahlteiler-Platten alle parallel und in dem gleichen Brechungsindexmedium sind, wird das Kontrastverhältnis signifikant erhöht.
Die folgenden ungefähren Berechnungen nehmen eine Null-Doppelbrechung an, weil das Glas mit hohem Brechungsindex eine sehr geringe Doppelbrechung aufweist. Mit einer Viertelwellenlängen-Platte, einem polaren Winkel von 5°, und gemittelt über zwölf unterschiedliche Azimuthwinkel, ist das Betriebsverhalten dieser Strahlteilerkombination wie folgt (die folgende Berechnung wurde mit einem Computermodell ausgeführt):
Nächste Farbtemperatur = 5534 K. CIE Farbkoordinaten
PHOTOOPTISCHER WIRKUNGSGRAD = 50,7
PHOTOOPTISCHER KONTRAST

rot 1315; grün 1890; blau 209; und weiß 1176.

Die Berechnungen des Kontrasts nehmen die Verwendung einer Viertelwellenlängen-Platte an dem Lichtventil an. Ohne die Viertelwellenlängen-Platte wird der Kontrast verringert. Nachstehend ist eine Berechnung ohne die Viertelwellenlängen-Platte angegeben:
Nächste Farbtemperatur = 5534 K. CIE Farbkoordinaten
PHOTOOPTISCHER WIRKUNGSGRAD = 50,7
PHOTOOPTISCHER KONTRAST
rot 209; grün 170; blau 112; und weiß 170. Deshalb werden vorzugsweise Viertelwellenlängen-Platten verwendet.
Wegen der Variation der Filtergrenzwellenlänge mit dem Einfallswinkel sind die Farben der drei Kanäle tatsächlich eine Funktion des Einfallswinkels. Wenn über sämtliche Einfallswinkel in dem Bestrahlungskonus gemittelt, wird ein zufriedenstellendes Ergebnis der Farben typischerweise gefunden. Wenn eine Farbe von einer Verteilung von Einfallswinkeln abhängt und die Verteilung von Einfallswinkeln sich über dem Objektfeld verändert, dann wird sich die Primärfarbe über dem Objektfeld verändern. Weil die Filter gegenüber Veränderungen in Einfallswinkeln empfindlich sind, sollte das Beleuchtungs- bzw. Bestrahlungssystem Veränderungen in der Verteilung von Einfallswinkeln vom Standpunkt des Objektfelds her nicht erlauben. Farbfilter in Glas sind auf Einfallswinkelvariationen empfindlicher als Farbfilter in Luft.
A. 45° PBS IN GLAS MIT HOHEM BRECHUNGSINDEX
Der Vorpolarisator 14 und der Hauptpolarisator (der erste Dünnfilmstapel 90) reflektieren eine S-Polarisation in dem Band von 430 bis 680 Nanometern (nm) mit einem maximalen Reflektionsvermögen und transmittieren die P-Polarisation in dem Band von 430 bis 680 nm mit einem maximalen Transmissionsvermögen. Der optimale Winkel für das P-Transmissionsvermögen sollte 45° sein. Der Bereich von Winkeln, über dem der Polarisator verwendet werden wird, ist 40° bis 50° in Luft (42,27° bis 47,73° im Glas). Das externe Medium ist Glas mit hohem Brechungsindex mit einem Brechungsindex von 1,83.
Der Vorpolarisator 14 weist vorzugsweise die folgenden Betriebsspezifikationen auf:

1. Eine Halbleistungs-Bandbreite für die S-Reflektion > 300 nm;
2. Für den Wellenlängenbereich von 490 bis 610 nm, ein durchschnittliches Transmissionsvermögen von der S-Polarisation < 0,0004 und ein durchschnittliches Reflektionsvermögen der P-Polarisation < 0,002;
3. Für den Wellenlängenbereich von 430 bis 680 nm, ein maximales Transmissionsvermögen der S-Polarisation < 0,003 und ein maximales Reflektionsvermögen der P-Polarisation < 0,004;
4. Einfallswinkel zwischen 40° Luft (42,27° Glas) und 50° Luft (47,73° Glas); und
5. Für den Wellenlängenbereich von 450 bis 650 nm, ein durchschnittliches Reflektionsvermögen der P-Polarisation < 0,12.

Die voranstehenden Spezifikationen sind bevorzugte Konstruktionsmaterialien für den Vorpolarisator 14 und den ersten Dünnfilmstapel 90:
Glas 1,83; L 1,52; M 2,13; und T 2,47, wobei L = „niedrig"; M = „mittel"; und T = „Titandioxid". n = 1,52 z. B. Si₂O₃, ThF₄; n = 2,13 z. B. Ta₂O₅, Z_rO₂; n = 2,47 z. B. TiO₂. Die Dünnfilmmaterialien sind nicht spezifiziert, weil der Dünnfilmspezialist den gewünschten Index durch Vermischen von Materialien erzielen kann. Die Dickedaten für die Dünnfilme werden in Viertelwellenlängen-Einheiten bei einem normalen Einfall bei einer Wellenlänge von 550 nm gegeben:
Glas
Glas
B. 45° BLAUER REFLEKTOR IN GLAS MIT HOHEM BRECHUNGSINDEX
Der erste Farb-Strahlteiler (der Dünnfilmstapel 92) reflektiert vorzugsweise blaue Wellenlängen der S- und P-Polarisation bei einem 45° Einfallswinkel im Glas mit einem hohen Brechungsindex gleich zu 1,83. Weil es schwierig ist P-Polarisationen zu reflektieren, werden eine große Anzahl von Dünnfilmschichten verwendet. Ferner wird die Veränderung des 50% Reflektionspunkts, sowohl im Hinblick auf den Einfallswinkel als auch im Hinblick auf die Polarisation, wichtig. Diese Veränderungen sollten auf einem Minimum über einem Winkelbereich von 42,3° bis 47,7° gehalten werden, während gleichzeitig das Reflektionsvermögen der blauen P-Polarisation auf einem hohen Wert gehalten wird.
Der Dünnfilmstapel 92 weist vorzugsweise die folgenden Betriebsspezifikationen auf

1. Einfallswinkel: 45°;
2. Mittelung der 50% Reflektionspunkte für die S- und P-Polarisation: 500 nm;
3. Differenz zwischen den S und P 50% Reflektionspunkten: < 35 nm;
4. Verschiebung in den S und P 50% Reflektionspunkten zwischen 45° und 47,7°: < 27 nm;
5. Für den Wellenlängenbereich von 425 bis 480 nm, durchschnittliches Transmissionsvermögen der S-Polarisation < 0,0001;
6. Für den Wellenlängenbereich von 440 bis 480 nm, ein maximales Transmissionsvermögen der P-Polarisation < 0,05 und ein durchschnittliches Transmissionsvermögen der P-Polarisation < 0,015;
7. Für den Wellenlängenbereich von 525 bis 680 nm, ein maximales Reflektionsvermögen der S-Polarisation < 0,0075 und ein durchschnittliches Reflektionsvermögen < 0,002; und
8. Für den Wellenlängenbereich von 525 bis 680 nm, ein durchschnittliches Reflektionsvermögen der P-Polarisation < 0,001.
9. Einfallswinkel: 47,7° (50° in Luft);
10. Für den Wellenlängenbereich von 440 bis 480 nm, ein durchschnittliches Transmissionsvermögen der S-Polarisation < 0,001.
11. Einfallswinkel: 42,3° (40° in Luft);
12. Für den Wellenlängenbereich von 465 bis 480 nm, ein durchschnittliches Transmissionsvermögen der P-Polarisation < 0,35;
13. Für den Wellenlängenbereich von 545 bis 680 nm, ein maximales Reflektionsvermögen der S-Polarisation < 0,05 und ein durchschnittliches Reflektionsvermögen der S-Polarisation < 0,005.

Die vorangehenden Angaben sind bevorzugte Konstruktionsmaterialien für den Dünnfilmstapel 92:
Glas 1,83; L 1,46; und M 1,83, mit L = „niedrig", n = 1,46 z. B. SiO₂; M = „mittel", n = 1,83 z. B. Y₂O₃, ThO₂. Dickendaten werden normalerweise in Viertelwellenlängen-Einheiten bei normalem Einfall bei einer Wellenlänge von 500 nm angegeben.
Glas
Glas
C. 45° GRÜNER REFLEKTOR IN GLAS MIT HOHEM BRECHUNGSINDEX
Der Dünnfilmstapel 94 reflektiert S und P grüne Wellenlängen bei 45° Einfallswinkel in Glas mit einem hohen Brechungsindex gleich zu 1,83. Weil es schwierig ist eine P-Polarisation zu reflektieren, werden eine große Anzahl von Dünnfilmschichten verwendet. Ferner ist die Veränderung des 50% Reflektionspunkts sowohl im Hinblick auf den Einfallswinkel als auch im Hinblick auf die Polarisation wichtig. Diese Veränderung sollte auf einem Minimum bei einem Winkelbereich von 42,3° bis 47,7° gehalten werden, während gleichzeitig das Reflektionsvermögen der grünen P-Polarisation auf einem hohen Wert gehalten wird. Für diesen Strahlteiler sind die blauen Wellenlängen nicht wichtig, da der Dünnfilmstapel 92 diese aus dem Einfallslicht entfernt hat.
Der grüne Reflektor (Dünnfilmstapel 92) weist vorzugsweise die folgenden Betriebsspezifikationen auf

1. Einfallswinkel: 45°;
2. Mittelung der 50% Reflektionspunkte der S- und P-Polarisation: 600 nm;
3. Differenz zwischen den S und P 50% Reflektionspunkten: < 42 nm;
4. Verschiebung in den S und P 50% Reflektionspunkten zwischen 45° und 47,7°: < 34 nm;
5. Für den Wellenlängenbereich von 500 bis 575 nm, ein durchschnittliches Transmissionsvermögen der S-Polarisation < 0,0001;
6. Für den Wellenlängenbereich von 520 bis 575 nm, ein maximales Transmissionsvermögen der P-Polarisation < 0,03 und ein durchschnittliches Transmissionsvermögen der P-Polarisation < 0,015;
7. Für den Wellenlängenbereich von 625 bis 700 nm, ein maximales Reflektionsvermögen der S-Polarisation < 0,0075 und ein durchschnittliches Reflektionsvermögen < 0,002; und
8. Für den Wellenlängenbereich von 625 bis 700 nm, ein durchschnittliches Reflektionsvermögen der P-Polarisation < 0,001.
9. Einfallswinkel: 47,7° (50° in Luft);
10. Für den Wellenlängenbereich von 525 bis 570 nm, ein durchschnitliches Transmissionsvermögen der S-Polarisation < 0,001.
11. Einfallswinkel: 42,3° (40° in Luft);
12. Für den Wellenlängenbereich von 555 bis 576 nm, ein durchschnittliches Transmissionsvermögen der P-Polarisation < 0,4;
13. Für den Wellenlängenbereich von 655 bis 680 nm, ein durchschnittliches Reflektionsvermögen der S-Polarisation < 0,004.

Die voranstehenden Angaben sind bevorzugte Konstruktionsmaterialien für den grünen Reflektor:
Glas 1,83; L 1,46; und M 1,83. Die Dickendaten werden in Wellenlängen-Einheiten bei normalem Einfall bei einer Wellenlänge von 600 nm angegeben:
Glas
Glas
In einer höchst bevorzugten Ausführungsform weisen die Lichtventile eine Dimension von 1'' × 1,78'' auf, der Hauptpolarisator- und Farb-Strahlteiler weist eine Dimension von 4,5'' × 2,2'' × 1,5'' auf. Der Ausgleichungsblock für den optischen Pfad weist die Dimensionen von 1,5'' × 2,28'' × 1,5'' auf. Der Vorpolarisator weist die Dimensionen von 2'' × 3'' × 3'' auf Diese Dimensionen wurden unter der Annahme einer Strahlausdehnung von 5° in Luft und 2,73° in Glas berechnet. Wenn die voranstehenden Größen zu klein für eine zufriedenstellende Bildqualität sind, können die Dimensionen durch einen festen Faktor skaliert werden. Wenn zum Beispiel die Höhe des Lichtventils 1,2'' anstelle von 1,0'' sein muss, dann sollten sämtliche Dimensionen und Größen mit einem Faktor von 1,2 multipliziert werden.
Wie sich der voranstehenden Beschreibung entnehmen lässt weisen Projektionssysteme, die die Farb- und Polarisations-Strahlteiler gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden, höhere Kontrastverhältnisse als früher erhalten auf, und zwar als Folge der Verwendung von Glas mit einem hohen Brechungsindex zusammen mit Farb- und Polarisations-Strahlteilern, die bei 45° arbeiten, die parallel sind, und die in dem gleichen Brechungsindexmedium sind.
Wie auch erkannt werden kann beseitigen Farb- und Polarisations-Strahlteiler gemäß der vorliegenden Erfindung die Notwendigkeit für Brechungsindex-Ölprismen. Ferner wird der Platz, der von einem Tank benötigt wird, um die Brechungsindexflüssigkeit aufzunehmen, beseitigt. Ferner benötigen Farb- und Polarisations-Strahlteiler, die bei 45° arbeiten, weniger Platz als Strahlteiler, die bei höheren Einfallswinkeln arbeiten. Ferner erzeugt der hohe Brechungsindex des verwendeten Glases einen kleineren optischen Pfad für einen gegebenen physikalischen Pfad.
Verschiedene andere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet näher nach einem nützlichen Studium des voranstehenden Textes und der Zeichnungen, in Verbindung mit den folgenden Ansprüchen.

Claims

Strahlverarbeitungssystem, umfassend: einen Polarisator (18), der bei einem Einfallswinkel von 45° arbeitet, wobei der Polarisator einen Teil eines Strahls einer Strahlung mit einer ersten Polarisation entlang einer optischen Achse reflektiert, wobei der Polarisator einen ersten Dünnfilmstapel (90) einschließt, der zwischen einem ersten (80) und einem zweiten (82) Transmissionsprisma eingebettet ist, wobei der erste Dünnfilmstapel alternierende Schichten aus einem ersten und einem zweiten Material, angeordnet zwischen zwei Prismaübergangsschichten, einschließt, wobei das erste Material ein Material mit einem hohen Brechungsindex umfasst, wobei das zweite Material ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex umfasst, wobei die zwei Prismaübergangsschichten jeweils einen Brechungsindex zwischen denjenigen des ersten und zweiten Materials aufweisen; einen entlang der optischen Achse orientierten ersten Strahlteiler (92), der ein erstes Band des Strahls der Strahlung reflektiert und ein zweites und drittes Band des Strahls der Strahlung transmittiert; und einen entlang der optischen Achse orientierten zweiten Strahlteiler (94), der das zweite Band des Strahls der Strahlung reflektiert und das dritte Band des Strahls der Strahlung transmittiert, wobei der zweite Strahlteiler im Wesentlichen parallel zu und in nächster Nähe zu dem ersten Strahlteiler orientiert ist, um Systemgrößen- und optische Pfadanforderungen zu minimieren.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Vorpolarisator, der den Strahl der Strahlung vorpolarisiert, bevor der Strahl der Strahlung den Polarisator erreicht, wobei der Vorpolarisator orthogonal in Bezug auf den Polarisator derart orientiert ist, dass ein Teil des vorpolarisierten Strahls der Strahlung mit einer zweiten Polarisation an den Polarisator bei einem Winkel von ungefähr 90 Grad transmittiert wird und dadurch an den Polarisator als ein Strahl der Strahlung mit der ersten Polarisation empfangen wird.
System nach Anspruch 2, wobei der Polarisator einen Dünnfilmstapel einschließt, der einen Einfallswinkel von ungefähr 45° aufweist und zwischen einem ersten und einem zweiten Glasprisma mit einem hohen Brechungsindex eingebettet ist.
System nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Prisma im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind und aus einem Glasmaterial mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,65 und 1,85 gebildet sind.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Strahlteiler einen zweiten Dünnfilmstapel, der zwischen dem zweiten Prisma und einem dritten Prisma eingebettet ist, umfasst, wobei der zweite Dünnfilmstapel alternierende Schichten aus einem ersten und einem zweiten Material, angeordnet zwischen zwei Prismaübergangsschichten, einschließt, wobei das erste Material ein Material mit einem hohen Brechungsindex umfasst, wobei das zweite Material ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex umfasst, wobei die zwei Prismaübergangsschichten jeweils einen Brechungsindex zwischen denjenigen des ersten und zweiten Materials aufweisen.
System nach Anspruch 5, wobei das zweite und dritte Prisma im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind und aus einem Glasmaterial mit einem Brechungsindex von zwischen ungefähr 1,65 und 1,85 gebildet sind.
System nach Anspruch 5, wobei der zweite Strahlteiler einen dritten Dünnfilmstapel, der zwischen dem dritten Prisma und einem vierten Prisma eingebettet ist, umfasst, wobei der dritte Dünnfilmstapel alternierende Schichten aus einem ersten und einem zweiten Material, angeordnet zwischen zwei Prismaübergangsschichten, einschließt, wobei das erste Material ein Material mit einem hohen Brechungsindex umfasst, wobei das zweite Material ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex umfasst, wobei die zwei Prismaübergangsschichten jeweils einen Brechungsindex zwischen denjenigen des ersten und zweiten Materials aufweisen; und wobei das dritte und vierte Prisma im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind und aus einem Glasmaterial mit einem Brechungsindex von zwischen ungefähr 1,65 und 1,85 gebildet sind.
System nach Anspruch 1, wobei das erste Band der Strahlung ein Licht mit einem blauen Wellenlängenspektrum umfasst, das zweite Band der Strahlung ein Licht mit einem grünen Wellenlängenspektrum umfasst, und das dritte Band der Strahlung ein Licht mit einem roten Wellenlängenspektrum umfasst.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Lichtprozessoren, die jeweils eine Strahlung, die von dem ersten und zweiten Strahlteiler reflektiert oder transmittiert wird, empfangen und verarbeiten, und die jeweils die verarbeitete Strahlung durch den ersten und zweiten Strahlteiler ausgeben; wobei die Vielzahl von Lichtprozessoren jeweils ein Lichtventil, positioniert in einer betriebsmäßigen Nähe zu einer 1/4 Wellenplatte, aufweisen, die jeweils zu verarbeitendes Licht empfangen und die jeweils verarbeitetes Licht durch den ersten und zweiten Strahlteiler und den Polarisator transmittieren; und wobei die verarbeitete Strahlung sowohl eine nichtmodulierte als auch eine modulierte Strahlung umfasst, wobei der Polarisator die nichtmodulierte Strahlung reflektiert und die modulierte Strahlung für Strahlungsprojektionszwecke transmittiert.