Отражательная призма для поворота плоскости поляризации

Отражательная призма для поворота плоскости поляризации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптическим элементам, а более конкретно к отражательным призмам для поворота плоскости поляризации, и может быть использовано в проекционных дисплеях и других оптических приборах.

Заявленная призма поворачивает вектор поляризации электромагнитной волны на определенный угол, что часто требуется во многих оптических приложениях.

Как правило, в качестве вращателя плоскости поляризации применяют полуволновые пластины. Пример преобразователя поляризации с полуволновой пластиной описан в патенте Японии №SHO 63-168622 [1], в котором поляризационная лучеразделительная пластина расположена сразу за источником света, для разделения неполяризованного света, испускаемого источником света, на два луча линейно-поляризованного света, плоскости поляризации которых пространственно сдвинуты на 90°. Затем плоскость поляризации одного из данных поляризованных лучей света поворачивается на 90° при прохождении через TN жидкокристаллическую (ЖК) панель, которая функционирует как вращатель плоскости поляризации, и направление распространения света становится тем же, что и у другого луча с неповернутой плоскостью поляризации. Таким образом получают комбинированный линейно-поляризованный свет, который затем проецируют на ЖК панель, которая формирует изображение.

Для поворота плоскости поляризации во многих приложениях также используют эффект двойного лучепреломления кристалла. Оптические элементы, основанные на данном эффекте, называют двулучепреломляющими волновыми пластинами или замедляющими пластинами (или кратко просто волновыми пластинами и замедлителями). Скорости распространения обыкновенного и необыкновенного луча через двулучепреломляющие материалы сильно зависят от их коэффициентов преломления. Различие в скоростях распространения приводит к различию фаз при совмещении лучей. В случае линейно поляризованного луча ϕ=2πd(n_е-n_о)/λ (где ϕ - разность фаз; d - толщина волновой пластины; n_е, n_о - коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного луча соответственно; λ - длина волны). При любой определенной длине волны разность фаз управляется толщиной волновой пластины. В приложениях используют пластины нескольких видов: одна восьмая длины волны, четвертьволновая, полуволновая и волновая пластины.

Описанные выше лучеразделительные и двулучепреломляющие пластины изготавливают из оптических кристаллов. Недостатком оптических кристаллов является их дороговизна. Кроме того, разность фаз между Р и S поляризованными компонентами света, который проходит через полуволновую пластину, существенно меняется в зависимости от длины волны света, в результате при использовании данных полуволновых пластин в преобразователях поляризации в проекционных системах дисплеев в проецируемом изображении могут возникнуть цветовые нарушения.

Наиболее близким к заявленному изобретению является оптическое устройство, приведенное в патенте США №4822150 [2], которое состоит из множества призматических поверхностей, выполненных с возможностью пропускания линейно-поляризованного входящего луча света и формирования линейно-поляризованного выходящего луча, коллинеарного входящему лучу и поляризованного ортогонально направлению поляризации входящего луча. К недостаткам данного устройства можно отнести слишком крупные габариты устройства, ограничивающие возможности его применения во многих приложениях, а также его низкую оптическую эффективность вследствие потерь, возникающих при большом количестве (семь) отражений луча, которые необходимо осуществить для получения результата.

Задачей заявляемого изобретения является создание отражательной призмы для поворота плоскости поляризации, которая имеет низкую себестоимость изготовления, малые размеры, высокую оптическую эффективность на выходе и не вносит цветовых искажений в отражаемый свет.

Поставленная задача решена путем создания отражательной призмы для поворота плоскости поляризации, которая изготовлена из оптически прозрачного материала и имеет форму прямоугольного параллелепипеда с тремя усеченными углами в форме призм, равнобедренные треугольные основания которых принадлежат взаимно перпендикулярным сторонам параллелепипеда, а одна из боковых граней каждой призмы является секущей плоскостью, которая формирует одну из трех рабочих поверхностей отражательной призмы, причем рабочие поверхности расположены под углом полного внутреннего отражения и выполнены с возможностью последовательного отражения входящего луча света, который попадает в отражательную призму нормально к ее боковой стороне, и возможностью формирования выходящего луча света, коллинеарного входящему лучу, причем рабочие поверхности при отражении луча света обеспечивают поворот плоскости поляризации.

Для функционирования призмы важно, чтобы первая рабочая поверхность была сформирована секущей плоскостью, которая пересекает оба основания, большую боковую сторону и ребро параллелепипеда, вдоль которого примыкают большая и меньшая стороны параллелепипеда, вторая рабочая поверхность была сформирована секущей плоскостью, которая пересекает верхнее основание, меньшую боковую сторону и две большие боковые стороны параллелепипеда, а третья рабочая поверхность была сформирована секущей плоскостью, которая пересекает обе меньшие боковые стороны, большую боковую сторону, не усеченную первой рабочей поверхностью, и ребро параллелепипеда, вдоль которого примыкают нижнее основание и большая боковая сторона, причем первая рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения на вторую рабочую поверхность входящего луча света, который попадает в отражательную призму нормально к ее большей боковой стороне, усеченной третьей рабочей поверхностью, вторая рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения луча света на третью рабочую поверхность, а третья рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения луча света на большую боковую сторону, усеченную первой рабочей поверхностью, причем выходящий луч света направлен в ту же сторону, что и входящий луч.

Для функционирования призмы важно, чтобы первая рабочая поверхность была сформирована секущей плоскостью, которая пересекает оба основания, большую боковую сторону и ребро параллелепипеда, вдоль которого примыкают большая и меньшая стороны параллелепипеда, вторая рабочая поверхность была сформирована секущей плоскостью, которая пересекает верхнее основание, меньшую боковую сторону и две большие боковые стороны параллелепипеда, а третья рабочая поверхность была сформирована секущей плоскостью, которая пересекает обе меньшие боковые стороны, большую боковую сторону, усеченную первой рабочей поверхностью, и ребро параллелепипеда, вдоль которого примыкают нижнее основание и большая боковая сторона, причем первая рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения на вторую рабочую поверхность входящего луча света, который попадает в отражательную призму нормально к ее большей боковой стороне, не усеченной третьей рабочей поверхностью, вторая рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения луча света на третью рабочую поверхность, а третья рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения луча света на большую боковую сторону, не усеченную третьей рабочей поверхностью, причем выходящий луч света направлен в обратную сторону относительно входящего луча.

Для функционирования призмы важно, чтобы коэффициент преломления оптически прозрачного материала, из которого изготовлена призма, был больше коэффициента преломления окружающей среды, и чтобы при этом отражение луча света от рабочих поверхностей происходило за счет эффекта полного внутреннего отражения.

Для функционирования призмы важно, чтобы рабочие поверхности имели покрытие из отражающего материала.

Для функционирования призмы важно, чтобы при отражении луча света от рабочих поверхностей происходил поворот плоскости поляризации на 90°.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение себестоимости изготовления, уменьшение размеров, повышение оптической эффективности на выходе и устранение цветовых искажений за счет создания призмы из прозрачного оптического материала с тремя отражающими поверхностями, расположенными определенным образом.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с привлечением графических материалов.

Фиг.1. Схема отражательной призмы для поворота плоскости поляризации: 1.1 - с одинаково направленными входящим/выходящим лучами и 1.2 - схема прохождения света в призме, выполненные согласно изобретению.

Фиг.2. Схема отражательной призмы для поворота плоскости поляризации: 2.1 - с разнонаправленными входящим/выходящим лучами и 2.2 - схема прохождения света в призме, выполненные согласно изобретению.

Фиг.3. Схема поляризационного световода, выполненного на основе отражательной призмы для поворота плоскости поляризации с разнонаправленными входящим/выходящим лучами, выполненной согласно изобретению.

Рассмотрим принцип функционирования заявленного изобретения. В обоих вариантах (Фиг.1 и 2) отражательная призма 1 для вращения плоскости поляризации изготовлена из оптически прозрачного материала и имеет форму прямоугольного параллелепипеда с тремя усеченными углами 2, 3, 4 в форме призм, равнобедренные треугольные основания которых принадлежат взаимно перпендикулярным сторонам параллелепипеда, а одна из боковых граней каждой призмы является секущей плоскостью, которая формирует одну из трех рабочих поверхностей 5, 6, 7 отражательной призмы. Причем рабочие поверхности расположены под углом полного внутреннего отражения и выполнены с возможностью последовательного отражения входящего луча света 8, который попадает в отражательную призму 1 нормально к ее боковой стороне, и с возможностью формирования при этом выходящего луча света, коллинеарного входящему лучу, причем при отражении луча света от рабочих поверхностей 5, 6, 7 происходит поворот плоскости поляризации.

Отражения от рабочих поверхностей 5, 6, 7 происходят согласно правилу полного внутреннего отражения, имея в виду, что при этом призма должна быть окружена внешней средой, коэффициент преломления которой меньше коэффициента преломления материала призмы, или за счет наличия отражающего слоя на рабочих поверхностях.

В первом варианте выполнения отражательной призмы с одинаково направленными входящим/выходящим лучами (Фиг.1) луч света 8, входит в отражательную призму 1 через большую сторону 9 нормально к ее поверхности и падает на первую рабочую поверхность 5, отражается от первой рабочей поверхности 5, затем падает на вторую рабочую поверхность 6 и отражается от второй рабочей поверхности 6, затем падает на третью рабочую поверхность 7, отражается от третьей рабочей поверхности 7 и выходит через большую боковую сторону 10 отражающей призмы 1 в качестве выходящего луча 11, который распространяется в том же направлении, что и входящий луч 8. Плоскость Н поляризации выходящего луча 11 повернута на 90° относительно направления плоскости V поляризации входящего луча 8 (это показано стрелками). Вращение плоскости поляризации зависит только от пространственного угла прохождения луча внутри призмы.

Второй вариант выполнения отражательной призмы в соответствии с заявленным изобретением показан на Фиг.2. Как видно, в этом варианте заявленного изобретения третья рабочая поверхность 7 сформирована путем отсечения от угла нижнего основания параллелепипеда призмы, при этом рабочая поверхность 7 пересекает большую сторону 10 параллелепипеда. Это говорит о том, что результирующий выходящий луч света 11 будет распространяться коллинеарно, но в обратном направлении по сравнению с направлением распространения входящего луча 8.

На Фиг.3 показан пример применения заявленного изобретения в поляризационном световоде, который включает в себя световод 12, наклонные поверхности 13, отражатель 14 и отражательную призму 15 для поворота плоскости поляризации с разнонаправленными входящим/выходящим лучами, выполненную согласно изобретению. Входящий неполяризованный свет разделяют на две поляризованные компоненты с S и Р поляризацией наклонными поверхностями 13, после чего одну из компонент преобразовывают отражательной призмой 15 для поворота плоскости поляризации: свет с S-поляризацией отражается от наклонных поверхностей и выходит через боковую сторону световода, а свет с Р-поляризацией проходит через весь световод 12, выходит из его противоположного конца и падает на отражательную призму 15. В отражательной призме 15 компоненту с Р-поляризацией преобразовывают в компоненту с S-поляризацией путем вращения плоскости поляризации и направляют обратно в световод 12, в котором свет сначала отражается от наклонных поверхностей 13, а затем от отражателя 14, после чего также выходит через боковую сторону световода. Причем входящий неполяризованный свет разделяют на две поляризованные компоненты наклонными поверхностями 13 за счет отражения под углом Брюстера. Учитывая, что при падении света под углом Брюстера компонента с Р-поляризацией не отражается, внутри световода 12 располагают множество наклонных поверхностей 13, которые наклонены под углом Брюстера к направлению распространения входящего в световод света и работают как поляризаторы. Таким образом, только компонента света с S-поляризацией отражается и выходит через боковую сторону световода 12, а компонента с Р-поляризацией проходит через световод и выходит из его противоположного конца. Наклонные поверхности внутри световода могут быть выполнены разными способами. Один из способов заключается в склеивании прозрачным клеем множества наклонных пластин с образованием блока пластин, наклоненных под углом 45°. Другой способ предполагает склеивание прозрачным клеем двух призматических поверхностей, при этом внутренние поверхности будут наклонены как в сторону входного конца световода, так и от него. Плоскость поляризации компоненты света с Р-поляризацией поворачивается на 90° в заявленной отражательной призме, выполненной в варианте, показанном на Фиг.2, при этом преобразуется в компоненту с S-поляризацией.

Для изготовления заявленной призмы из цельной пластины прозрачного материала или полимера могут использоваться различные технологии: отрезание углов и полировка краев куба или прямоугольного параллелепипеда, литье.

Заявленное изобретение может использоваться в проекционных дисплеях, оптических модуляторах, изоляторах и других оптических устройствах.

Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

1. Отражательная призма для поворота плоскости поляризации, изготовленная из оптически прозрачного материала и имеющая форму прямоугольного параллелепипеда с тремя усеченными углами в форме призм, равнобедренные треугольные основания которых принадлежат взаимно перпендикулярным сторонам параллелепипеда, а одна из боковых граней каждой призмы является секущей плоскостью, которая формирует одну из трех рабочих поверхностей отражательной призмы, причем рабочие поверхности расположены под углом полного внутреннего отражения и выполнены с возможностью последовательного отражения входящего луча света, который попадает в отражательную призму нормально к ее боковой стороне, и возможностью формирования выходящего луча света, коллинеарного входящему лучу, причем рабочие поверхности при отражении луча света обеспечивают поворот плоскости поляризации.

2. Отражательная призма по п.1, отличающаяся тем, что первая рабочая поверхность сформирована секущей плоскостью, которая пересекает оба основания, большую боковую сторону и ребро параллелепипеда, вдоль которого примыкают большая и меньшая стороны параллелепипеда, вторая рабочая поверхность сформирована секущей плоскостью, которая пересекает верхнее основание, меньшую боковую сторону и две больших боковые стороны параллелепипеда, а третья рабочая поверхность сформирована секущей плоскостью, которая пересекает обе меньшие боковые стороны, большую боковую сторону, не усеченную первой рабочей поверхностью, и ребро параллелепипеда, вдоль которого примыкают нижнее основание и большая боковая сторона, причем первая рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения на вторую рабочую поверхность входящего луча света, который попадает в отражательную призму нормально к ее большей боковой стороне, усеченной третьей рабочей поверхностью, вторая рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения луча света на третью рабочую поверхность, а третья рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения луча света на большую боковую сторону, не усеченную первой рабочей поверхностью, причем выходящий луч света направлен в ту же сторону, что и входящий луч.

3. Отражательная призма по п.1, отличающаяся тем, что первая рабочая поверхность сформирована секущей плоскостью, которая пересекает оба основания, большую боковую сторону и ребро параллелепипеда, вдоль которого примыкают большая и меньшая стороны параллелепипеда, вторая рабочая поверхность сформирована секущей плоскостью, которая пересекает верхнее основание, меньшую боковую сторону и две больших боковые стороны параллелепипеда, а третья рабочая поверхность сформирована секущей плоскостью, которая пересекает обе меньшие боковые стороны, большую боковую сторону, которая пересекается первой рабочей поверхностью, и ребро параллелепипеда, вдоль которого примыкают нижнее основание и большая боковая сторона, причем первая рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения на вторую рабочую поверхность входящего луча света, который попадает в отражательную призму нормально к ее большей боковой стороне, не усеченной третьей рабочей поверхностью, вторая рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения луча света на третью рабочую поверхность, а третья рабочая поверхность выполнена с возможностью отражения луча света на большую боковую сторону, не усеченную третьей рабочей поверхностью, причем выходящий луч света направлен в обратную сторону относительно входящего луча.

4. Отражательная призма по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что коэффициент преломления оптически прозрачного материала, из которого изготовлена призма, больше коэффициента преломления окружающей среды, при этом отражение луча света от рабочих поверхностей происходит за счет эффекта полного внутреннего отражения.

5. Отражательная призма по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что рабочие поверхности имеют покрытие из отражающего материала.

6. Отражательная призма по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что при отражении луча света от рабочих поверхностей обеспечивается поворот плоскости поляризации на 90°.