Устройство подавления пучка нулевого порядка дифракции, выходящего из голограммы, освещенной поляризованным светом, и проектор видеоизображения

 

Использование - оптические системы. Устройство подавления пучка нулевого порядка дифракции содержит а) пластину из двулучепреломляющего материала, освещаемую названным пучком и дифрагированным пучком, выходящими из голограммы, причем эта пластина располагается таким образом и имеет такие размеры, что один из пучков выходит из пластины, не претерпевая сколько-нибудь заметного вращения его плоскости поляризации, в то время как плоскость поляризации другого пучка поворачивается на 90°, и b) поляризатор, освещаемый двумя пучками, которые выходят из двулучепреломляющей пластины, при этом плоскость максимального пропускания поляризатора параллельна плоскости поляризации дифрагированного пучка после его прохождения через двулучепреломляющую пластину. Технический результат - снижение габаритов устройства. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к устройству подавления пучка нулевого порядка дифракции, выходящего из голограммы, освещенной поляризованным светом, и в частности, к проектору видеоизображений, оснащенному таким устройством.

Функции многих обычных оптических компонентов, линз, фильтров и т.д. могут сегодня быть выполнены с помощью голограмм, которые обладают рядом преимуществ, в частности, они имеют малые габариты и плоскую форму, а затраты на их производство невелики.

Однако эффективность голограммы, как и любой оптической системы, в которой используется дифракция света, зависит от длины волны падающего излучения. Когда голограмма освещена пучком белого света, то, наряду с дифрагированным пучком, существует недифрагированный, не изменивший направление своего распространения пучок "нулевого порядка". Наличие этих двух пучков на выходе голограммы может привести к зашумленности дифрагированного пучка белым светом недифрагированного пучка. В частности, это происходит в том случае, когда голограмма формирует три пучка красного, зеленого и синего цветов соответственно, например, для проецирования цветного видеоизображения, а пучок нулевого порядка, состоящий из белого света, отрицательно влияет на чистоту цветов.

Чтобы устранить этот недостаток, можно изготовить голограмму таким образом, чтобы полезные дифрагированные пучки распространялись под большим углом по отношению к оси пучка нулевого порядка, или использовать дифрагированные лучи на большом расстоянии от голограммы, там, где эти пучки пространственно разделены с пучком нулевого порядка дифракции.

Это решение, к сожалению, приводит к созданию очень крупногабаритных блоков, которые, очевидно, не подходят для использования в аппаратах, таких, например, как проекторы видеоизображения или телевизионного изображения, предназначенных для широкого потребления, размеры которых должны быть по возможности уменьшены.

Известно устройство для отображения деформируемого объекта путем голографической интерферометрии, содержащее электрооптический фотопроводящий регистрирующий материал, в котором записывается интерферометрическая голограмма, соответствующая деформациям, средство поляризации для приложения к упомянутому материалу электрического поля, ортогонального среднему направлению регистрируемых интерференционных полос, и средство отображения для формирования изображений деформаций из голографической интерферограммы (см. GB 1599966 A, G 03 H 1/00, 07.10.1981). В одном из вариантов известного устройства интерферометрическое изображение, образуемое считыванием интерферометрической голограммы, представляет собой действительное изображение в плоскости, отличной от плоскости отображаемого деформируемого объекта, и устройство считывания изображения включает в себя светоделительную пластину, размещенную между деформируемым объектом и регистрирующим материалом для формирования изображения в плоскости, отличающейся от плоскости упомянутой структуры, и размещенные на оси восстановленного пучка линзу, поляризатор и средство запоминания изображения, причем поляризатор позволяет отделить восстанавливаемое изображение от оптических шумов, вводимых падающим пучком от объекта и опорным пучком.

Данное известное решение не обеспечивает эффективного подавления пучка нулевого порядка, выходящего из голограммы, освещенной поляризованным светом, и при реализации не обеспечивает необходимую степень компактности конструкции, требуемую в проекторах видеоизображения.

Известен проектор видеоизображения, содержащий прямоугольную матрицу жидкокристаллических элементов, электрически управляемых электронными средствами, причем элементы матрицы разграничиваются непрозрачным покрытием, прилегающим к ней (см. "Compact spatiochromatic single LCD Proection Architecture", B.H.Loiseaux et al., Ref. 57-4, pp. 87-88, Труды конференции ASTA DISPLAY/95). Известный проектор не обеспечивает подавление пучка нулевого порядка, который приводит к зашумленности дифрагированного пучка белым светом недифрагированного пучка, что отрицательно влияет на чистоту цветов воспроизводимого изображения.

Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание устройства подавления пучка нулевого порядка, выходящего из голограммы, освещенной белым светом, которое было бы эффективным в работе и имело бы малые габариты.

Задачей настоящего изобретения является также создание проектора видеоизображения, оснащенного таким устройством.

Эти и другие задачи изобретения, которые будут понятны из нижеследующего описания изобретения, могут быть достигнуты с помощью устройства подавления пучка нулевого порядка, выходящего из голограммы, освещенной поляризованным светом, при этом данное устройство отличается тем, что оно содержит: а) пластину из материала с двойным лучепреломлением, освещенную как дифрагированным пучком, так и пучком нулевого порядка дифракции, выходящими из голограммы, при этом указанная пластина располагается таким образом и имеет такие размеры, что один из лучей выходит из пластины без существенного поворота его плоскости поляризации, тогда как плоскость поляризации другого луча поворачивается на 90^o и b) поляризатор, освещенный двумя лучами, выходящими из двулучепреломляющей пластины, и ориентированный таким образом, что пропускание этого поляризатора максимально для излучения, поляризованного параллельно плоскости поляризации луча, дифрагированного голограммой и прошедшего через двулучепреломляющую пластину.

Эта плоскость максимального пропускания перпендикулярна плоскости поляризации пучка нулевого порядка после его прохождения через двулучепреломляющую пластину и поэтому пучок нулевого порядка подавляется поляризатором.

Голограмма, двулучепреломляющая пластина и поляризатор могут находиться на очень близком расстоянии друг от друга, то есть прилегать друг к другу, при этом понятно, что подавление пучка нулевого порядка происходит в очень небольшом объеме.

Изобретение также обеспечивает реализацию проектора видеоизображений небольших размеров, при этом изображение формируется активными матрицами жидкокристаллических элементов, каждый из которых освещается поляризованным светом, выходящим из голограммы. Проектор отличается тем, что содержит устройство, выполненное согласно изобретению и предназначенное для подавления пучка нулевого порядка, выходящего из названной голограммы.

Другие характеристики и преимущества устройства по настоящему изобретению поясняется нижеследующим описанием со ссылками на приложенные чертежи, на которых представлено следующее: фиг. 1 - схема устройства, соответствующего изобретению, фиг. 2 - схема оптической системы проектора видеоизображения, оснащенного устройством, соответствующим изобретению, фиг. 3 - схема варианта оптической системы, представленной на фиг. 2.

На фиг. 1 схематически представлено в осевом разрезе устройство согласно изобретению. Оно включает источник (не представлен на чертеже) внеосевого плоскополяризованного пучка (или пучок 1) света, падающего на голограмму 2, из которой выходит внеосевой пучок (или пучок 3) нулевого порядка, не смещенный голограммой, и осевой пучок (или пучок 4), дифрагированный и, следовательно, смещенный.

Устройство также содержит пластину 5 из двулучепреломляющего материала, расположенную так, чтобы через нее проходили оба пучка 3 и 4, которые имеют на выходе голограммы 2 одну и ту же ориентацию плоскости поляризации, которая обозначена двойной стрелкой, F1, под углом 45^o относительно плоскости фиг. 1.

Согласно изобретению выгодно, чтобы голограмма была разработана и выполнена таким образом, чтобы дифрагированный полезный пучок 4, являющийся результатом той или иной оптической обработки падающего пучка 1, выходил перпендикулярно по отношению к голограмме и падал на пластину 5 по нормали к ней. Как будет видно далее, это позволяет обеспечить максимальную компактность устройства, соответствующего изобретению.

Используемая двулучепреломляющая пластина 5 является одноосной, с главной осью 6, ориентированной параллельно или перпендикулярно поверхностям пластины. В случае пластины с осью 6, параллельной оси пучка 4, диграфированного голограммой, ясно, что пластина не влияет на ориентацию плоскости поляризации света этого пучка, который таким образом выходит из пластины 5 (пучок 4') с поляризацией, ориентация которой не изменилась, как показано схематически двойной стрелкой F1, обозначающей эту ориентацию.

Напротив, угол падения пучка 3 нулевого порядка на пластину 5 равен углу Θ дифракции, который разделяет оба пучка, выходящих из голограммы 2. Пучок распространяется в объеме пластины, под углом β к нормали к ее поверхности, который, в соответствии со вторым законом Декарта, равен: при этом n₀ - показатель преломления обыкновенного пучка пластины 5.

Известно, что тогда пластина 5 вносит между обеими составляющими TE и TM пучка 3 фазовый сдвиг Ф_TE - Ф_TM.

λ - длина волны света, n_e - показатель преломления необыкновенного пучка и d - толщина пластины 5.

Если теперь предположить, что плоскость поляризации луча 3 является такой, что электрический вектор излучения наклонен под углом 45^o по отношению к плоскости падения пучка, как показано схематически на фиг.1, составляющие TE и TM пучка 3 нулевого порядка имеют равную интенсивность и плоскость поляризации пучка 3 поворачивается на 90^o при прохождении через пластину 5, если: Ф_TE - Ф_TM = π,
то есть, при подстановке этого условия в вышеназванное уравнение (2), получим
2d[n_o-(n²_ocos²β+n_esin²β)^1/2] = λcosβ (3)
Толщину d пластины и угол Θ дифракции голограммы выбирают таким образом, чтобы обеспечить выполнение уравнения (3). В этом случае плоскости поляризации обоих пучков 3' и 4', которые выходят из пластины 5, оказываются ориентированными под углом 90^o одна относительно другой.

В соответствии с изобретением, эти лучи перехватываются обычным поляризатором 9, ориентированным таким образом, чтобы его плоскость максимального пропускания была ориентирована параллельно направлению двойной стрелки F1, так чтобы этот поляризатор пропускал дифрагированный пучок 4'. Одновременно поляризатор поглощает луч 3 нулевого порядка, плоскость поляризации которого, обозначенная стрелкой F2, ориентирована под углом 90^o относительно плоскости поляризации дифрагированного пучка. Свет, который выходит из поляризатора, является тогда полностью очищенным от пучка нулевого порядка.

Также следует отметить, что благодаря параллельности всех элементов, обеспеченной ориентацией, в соответствии с изобретением, дифрагированного луча 4 перпендикулярно плоскости голограммы и плоскости пластины 5, голограмма 2, пластина 5 и поляризатор 9 могут прилегать к одному из двух других элементов, или все они вместе могут быть помещены вплотную друг к другу, что обеспечивает очень небольшие размеры устройства в соответствии с одной из целей настоящего изобретения.

Если ось пластины 5 ориентирована по стрелке 7, параллельно поверхностям пластины и под углом 45^o по отношению к плоскости поляризации света, падающего на эту пластину, то обеспечивают различие в 90^o в ориентации плоскостей поляризации пучков 3' и 4', которые выходят из этой пластины, выбирая 0 и 0, таким образом, чтобы выполнялось следующее соотношение:
2(n_e-n_o)d = λcosβ/(1-cosβ)
β определяется из вышеупомянутого соотношения (1).

При этом поглощается пучок нулевого порядка 3', пропущенный через элементы так, как было описано ранее.

Было выполнено устройство, соответствующее вышеизложенным принципам. Измерения показали, что устройство позволяет уменьшить, по меньшей мере, в 400 раз интенсивность пучка нулевого порядка, при очень незначительном уменьшении интенсивности полезного дифрагированного пучка.

Пластина 5 устройства, согласно изобретению, может быть выполнена из различных двулучепреломляющих материалов, хорошо известных в технике. Это может быть, например, так называемая "полуволновая" пластина, выполненная на основе одноосного кристалла соответствующего среза или слюдяной пластины. Можно также использовать пленку из двулучепреломляющего полимера, такую как пленка из поливинилового спирта, полученную методом вытяжки, элемент на жидких кристаллах или пластину, изготовленную из оптически активного материала, такого как материал, описанный в работе "Optical Wave in crystal" A. Yariv, p. Yech, New York, Willey International Publication, 1984. Можно также использовать, в соответствии с изобретением, пластину из пористого двулучепреломляющего стекла, такого, как описано в работе "Phase separationin glass", О. V. Mazurin, E.A. Porai-Koshits, 1984, North-Holland (Амстердам-Оксфорд-Нью-Йорк-Токио).

Пластины, выполненные из двулучепреломляющего кристалла соответствующего среза, являются дорогостоящими, вследствие затрат как на получение кристалла, так и на изготовление среза, требующего высокой точности. Чтобы уменьшить стоимость пластины 5, можно использовать пленки из двулучепреломляющих полимеров, но они характеризуются большим светорассеянием, а их механические и физические свойства подвержены деградации.

Поэтому, в соответствии с изобретением, для изготовления пластины 5 предпочтительнее использовать пористое стекло. Пористое стекло обладает устойчивостью стекла и значительным двойным лучепреломлением (см. вышеупомянутую работу Mazurin et al., а также работу "Двухфазные стекла: структура, свойства, применение", Б. Г. Варшал, изд. Академии Наук СССР, Ленинград, 1991). Эксперименты показали, что можно изготовить слабо рассеивающее пористое стекло, имеющее двойное лучепреломление (n₀-n₂) порядка 1,3 · 10^-3. Можно также выполнить пластину 5 из такого пористого стекла толщиной около 1 мм, не предъявляя высоких требований к точности механической обработки поверхностей пластины, что также уменьшит стоимость такой пластины, выполненной из недорогого материала.

В качестве наглядного и неограничительного примера настоящего изобретения может быть представлено описание его применения при демонстрации видео и телевизионного изображения, в соответствии с фиг. 2 и 3 прилагаемых чертежей. На этих чертежах представлена голограмма 2 (или 2', или 2''), двулучепреломляющая пластина 5 и поляризатор 9 устройства, выполненного согласно изобретению.

На фиг. 2 схематически представлена оптическая система проектора видеоизображения на экране, состоящего из прямоугольной матрицы 10 жидкокристаллических элементов, электрически управляемых электронными средствами (не показаны), при этом элементы матрицы разграничиваются непрозрачным покрытием 11 (так называемая "черная матрица"), прилегающим к ней. Речь идет о том, чтобы проецировать изображение, формируемое матрицей 10, на проекционном экране (не показан) с помощью проекционного объектива 12. Для этого известным образом освещают поляризованным светом каждую жидкокристаллическую ячейку матрицы 10, при этом указанные ячейки действуют как оптические затворы (или световые клапаны). Свет исходит из источника 13 белого света, который проходит через анализатор 14, формирующий плоскополяризованный пучок. Преимуществом является то, что этот анализатор можно заменить преобразователем света, таким как преобразователь, описанный в совместно поданной заявке того же заявителя под названием "Преобразователь естественного белого света в плоскополяризованный свет", при этом в данном преобразователе в значительной мере устраняется потеря световой энергии от источника 13.

Поляризованный таким образом свет освещает голограмму 2'. В соответствии с работой проектора видеоизображения, как описано в вышеупомянутой публикации (Труды конференции ASTA DISPLAY'95), эта голограмма формирует множество триплетов пучков света, красного R, зеленого V и синего В, соответственно, при этом пучки каждого триплета фокусируются микролинзой матрицы 15 таких микролинз на три соседних элемента 16, 17, 19 матрицы 10, которые формируют один из элементов проецируемого изображения. Конечно, как видно на схеме по фиг. 1, пучки, выходящие из голограммы 2, проходят через двулучепреломляющую пластину 5 и поляризатор 9, соответствующим образом ориентированный для поглощения, согласно изобретению, пучка нулевого порядка, и, таким образом, этот пучок не освещает матрицу 15 микролинз, которые фокусируют дифрагированные пучки.

Электронное управление элементов матрицы выборочно деблокирует прохождение света сквозь поляризатор 19, расположенный перед объективом 12, при этом данный поляризатор ориентируется так, чтобы обычно блокировать прохождение этого света, в соответствии с принятым способом функционирования матрицы с жидкокристаллическими ячейками.

Следует отметить, что пластина 2', пластина 5 и поляризатор 9 прилегают друг к другу очень компактным образом.

На фиг. 3 представлен другой способ выполнения оптической системы проектора видеоизображений, включающей в себя устройство согласно изобретению. На этом чертеже цифровые обозначения, идентичные обозначениям, используемым на фиг. 2, означают идентичные или сходные элементы. Таким образом, оптическая система по фиг. 3 содержит вышеназванные элементы 5, 9, 10, 12, 13, 14, 16, 17, 18 и 19. В действительности, оптическая система по фиг. 3 отличается от оптической системы по фиг. 2 тем, что она содержит голограмму 2'', установленную рядом с двулучепреломляющей пластиной 5, и отсутствием матрицы микролина 15, присутствовавшей на фиг. 2.

В публикации под названием "Holographic optical element for liguid erystal projectors", N. Ichikawa, Ref. S 32-1, упомянутых Трудов Конференции ASIA DISPLAY' 95, описывается структура и работа голограммы, соответствующей голограмме 2''. Также там описывается способ получения такой голограммы. Она состоит из большого числа элементов, каждый из которых сопряжен с одним из триплетов элементов (красным, зеленым и синим), составляющих элемент изображения матрицы 10 на жидких кристаллах. Каждый элемент в результате дифракции формирует три пучка: красный, зеленый и синий, соответственно, каждый из которых фокусируется на соответствующем элементе 16, 17, 18 триплета жидкокристаллической матрицы. В данном случае матрица микролина устройства, изображенного на фиг. 2, становится бесполезной.

Следует отметить, что компоненты 2', 5, 9, 11 и 10, имеющие плоскую форму, могут прилегать друг к другу, что обеспечивает компактность оптической системы, в соответствии с одной из основных задач настоящего изобретения.

Изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения, которые были представлены только в качестве примера.

Формула изобретения

1. Устройство подавления пучка 3 нулевого порядка дифракции, выходящего из голограммы 2; 2'; 2'', освещенной поляризованным светом, отличающееся тем, что оно включает одноосную двулучепреломляющую пластину 5, освещаемую как указанным пуском 3, так и дифрагированным пучком 4, выходящими из голограммы 2; 2'; 2'', причем одноосная двулучепреломляющая пластина 5 ориентирована таким образом и имеет такие размеры, что один из пучков выходит из одноосной двулучепреломляющей пластины 5, не претерпевая сколько-нибудь существенного вращения его плоскости поляризации, в то время как плоскость поляризации другого пучка поворачивается на 90^o, и поляризатор 9, освещаемый двумя пучками, выходящими из одноосной двулучепреломляющей пластины 5, при этом плоскость максимального пропускания поляризатора 9 параллельна плоскости поляризации дифрагированного пучка 4' после его прохождения через одноосную двулучепреломляющую пластину.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось 6 одноосной двулучепреломляющей пластины перпендикулярна поверхности пластины 5, для которой показатели преломления обыкновенного луча n_o и необыкновенного луча n_e связаны с толщиной d пластины и с углом дифракции Θ голограммы соотношениями
2d[n_o-(n²_ocos²β+n²_esin²β)^1/2] = λcosβ,
β = arcsin (sinΘ/n_o).
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что одноосная двулучепреломляющая пластина 5 выполнена из пористого стекла.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось 7 одноосной двулучепреломляющей пластины параллельна поверхности пластины 5 и ориентирована под углом 45^o по отношению к плоскости поляризации падающих на пластину 5 пучков, при этом показатели преломления обыкновенного луча n_o и необыкновенного луча n_e связаны с толщиной d пластины и с углом дифракции Θ голограммы зависимостями: 2d(n_e-n_o) = λcosβ/(1-cosβ), β = arcsin(sinΘ/n_o).
5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что пучок 4, дифрагированный голограммой 2; 2'; 2'', или пучок нулевого порядка дифракции ориентирован перпендикулярно к поверхности голограммы.

6. Устройство по одному из пп.1 - 4, отличающееся тем, что, по меньшей мере, два элемента группы, образованной голограммой 2; 2'; 2'', одноосной двулучепреломляющей пластиной 5 и поляризатором 9, примыкают друг к другу.

7. Проектор видеоизображения, содержащий активную матрицу 10 элементов на жидких кристаллах, освещаемую пучком поляризованного света, выходящим из голограммы 2'; 2'', отличающийся тем, что содержит устройство подавления 5, 9 пучка нулевого порядка дифракции, выходящего из указанной голограммы 2'; 2'', выполненное в соответствии с одним из пп.1 - 6.

8. Проектор по п.7, отличающийся тем, что голограмма 2' обеспечивает формирование триплета дифрагированных пучков R, V, B света каждого из трех первичных цветов R, V, B на каждом элементе матрицы 15 микролинз, прилегающей к матрице 10, для освещения триплетов жидкокристаллических ячеек 16, 17, 18, образующих элементы проецируемого изображения.

9. Проектор по п.7, отличающийся тем, что голограмма 2'' состоит из матрицы дифракционных элементов, каждый из которых предназначен для формирования трех пучков света одного из трех первичных цветов R, V, B соответственно и для фокусировки этих пучков на трех ячейках 16, 17, 18, связанных с отдельным элементом проецируемого изображения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3