DE102017211502B4

DE102017211502B4 - Polarisationseinheit mit einer schaltbaren Polarisationsfilterstruktur, Polarisator und Verwendung einer Polarisationseinheit oder eines Polarisators

Info

Publication number: DE102017211502B4
Application number: DE102017211502.5A
Authority: DE
Inventors: Annemarie Holleczek; Tobias Peterseim
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: DE102017211502A1

Abstract

Polarisationseinheit (200, 200-1, 200-2) aufweisend wenigstens eine Schicht (100, 100-1, 100-2) mit einer schaltbaren Polarisationsfilterstruktur aufweisend wenigstens ein erstes Material, welches zwischen• einer ersten Phase, bereitstellend eine erste Wirkung auf einfallendes Licht (203), und• wenigstens einer zweiten Phase, bereitstellend wenigstens eine zweite Wirkung auf das einfallende Licht (203), schaltbar ist; wobei• die Polarisationsfilterstruktur zumindest bereichsweise eine Gitterstreifenstruktur mit Gitterstreifen (102) und Bereichen (101) zwischen den Gitterstreifen (102) ausbildet, und wobeidie Gitterstreifen (102) wenigstens das erste Material aufweisen;dadurch gekennzeichnet, dass• die Schicht (100, 100-1, 100-2) mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur weiterhin wenigstens ein zweites Material, bereitstellend die erste Wirkung auf das einfallende Licht (203) aufweist, wobei die Schicht (100, 100-1, 100-2) mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur derart ausgebildet ist, dass die Bereiche (101) zwischen den Gitterstreifen (102) das zweite Material aufweisen; und wobei• die Schicht (100, 100-1, 100-2) mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur weiterhin derart ausgebildet ist, dass das zweite Material um die Gitterstreifen (102) herum angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Polarisationseinheit, einen Polarisator und die Verwendung einer Polarisationseinheit oder eines Polarisators gemäß dem Oberbegriff der unabhängig formulierten Ansprüche.
Stand der Technik
Eine wichtige Eigenschaft von Licht ist die Polarisation. Mithilfe von Polarisatoren ist es möglich, aus Licht elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Polarisation herauszufiltern. Bekannte Polarisatoren können hierbei gezielt steuerbar sein. In der einfachsten Ausführung kann hierbei die Polarisationseinheit mechanisch rotiert werden. Solche mechanisch rotierbaren Polarisatoren sind jedoch mechanisch anfällig und langsam. Eine Alternative stellen Flüssigkristalle oder Pockelzellen dar, die den Polarisationszustand verändern können. In Kombination mit einem fixierten Polarisator können Sie beispielsweise dazu verwendet werden, linear polarisiertes Licht zu blocken oder zu transmittieren. Flüssigkristallpolarisatoren sind nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich einsetzbar und die benötigte Zeit zur Ansteuerung liegt im Bereich von 1 ms und ist damit eher langsam. Für den Einsatz von Pockelzellen werden hohe Betriebsspannungen (>1 kV) benötigt.
Aus der US6144512 A ist eine Filterstruktur bekannt, bei der ein lichtphasenveränderndes Material eingesetzt wird. Dieses Material wird in der Filterstruktur derart zwischen zwei Phasen hin und her geschaltet, dass die Antwort der Filterstruktur auf einfallendes Licht steuerbar ist.
Aus Edward P. J. Parrott et al: Vanadium dioxide devices for terahertz wave modulation: a study of wire grid structures. In: Nanotechnology 27 205206, 2016, 1-9 ist ein Bauteil aufweisend VO₂-Drähte mit schaltbarem Polarisatoreffekt bekannt.
Aus B. S. Mun et al: Role of joule heating effect und bulk-surface phases in voltagedriven metal-insulator transition in VO2 crystal. In: Appl. Phys. Lett., 103, 2013, 061902-1 - 061902-5 ist ein spannungsinduzierter Metall-Isolator-Übergang VO₂-Kristallen in Makrogröße bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Polarisationseinheit aufweisend wenigstens eine Schicht mit einer schaltbaren Polarisationsfilterstruktur. Die Polarisationsfilterstruktur weist wenigstens ein erstes Material, welches zwischen einer ersten Phase, bereitstellend eine erste Wirkung auf einfallendes Licht, und wenigstens einer zweiten Phase, bereitstellend wenigstens eine zweite Wirkung auf das einfallende Licht, schaltbar ist.
Erfindungsgemäß bildet die Polarisationsfilterstruktur zumindestens bereichsweise eine Gitterstreifenstruktur mit Gitterstreifen und Bereichen zwischen den Gitterstreifen aus. Die Gitterstreifen weisen wenigstens das erste Material auf.
Eine Phase kann als ein Bereich homogener Zusammensetzung und homogener physikalischer Eigenschaften aufgefasst werden. Das wenigstens erste Material kann sich in einem ersten Bereich homogener Zusammensetzung und homogener physikalischer Eigenschaften befinden. Das wenigstens erste Material kann sich in einem zweiten Bereich homogener Zusammensetzung und homogener physikalischer Eigenschaften befinden.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Schalten zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase sehr schnell möglich ist. Das Schalten kann in einem Zeitbereich von Nanosekunden durchgeführt werden. Es kann sehr schnell von der ersten Wirkung auf einfallendes Licht auf die zweite Wirkung auf einfallendes Licht umgeschaltet werden. Es kann ebenso sehr schnell von der zweiten Wirkung auf einfallendes Licht auf die erste Wirkung auf einfallendes Licht umgeschaltet werden. Für das Schalten sind keine mechanischen Vorrichtungen notwendig. Der Verschleiß der Polarisationseinheit ist entsprechend gering. Es sind mehrere Millionen Schaltzyklen möglich. Die Lebensdauer der Polarisationseinheit ist entsprechend hoch.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gitterstreifen parallel zueinander angeordnet sind und dass die Bereiche zwischen den Gitterstreifen parallel zueinander angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die parallelen Gitterstreifen und die parallelen Bereiche zwischen den Gitterstreifen gut reproduzierbar hergestellt werden können. Die parallelen Gitterstreifen und die parallelen Bereiche zwischen den Gitterstreifen können extrem klein hergestellt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gitterstreifen parallelkurvenförmig zueinander angeordnet sind und dass die Bereiche zwischen den Gitterstreifen parallelkurvenförmig zueinander angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die erste Wirkung wenigstens eine Komponente des einfallenden Lichts, die parallel zu einer vorgegebenen Raumrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts schwingt, transmittiert wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass durch die zweite Wirkung wenigstens eine Komponente des einfallenden Lichts, die parallel zu einer vorgegebenen Raumrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts schwingt, herausgefiltert wird.
Eine Komponente des einfallenden Lichts kann hierbei eine vorgegebene Polarisation sein. Eine Komponente des einfallenden Lichts kann eine vorgegebene polarisierte Komponente sein.
Ist das erste Material in der ersten Phase geschaltet, so kann das erste Material derart auf das einfallende Licht wirken, dass wenigstens eine vorgegebene polarisierte Komponente des einfallenden Lichts transmittiert wird. Ist das erste Material in der ersten Phase geschaltet, so kann das erste Material alternativ derart auf das einfallende Licht wirken, das wenigstens zwei vorgegebene polarisierte Komponenten des einfallenden Lichts transmittiert werden. Die zwei vorgegebenen polarisierten Komponenten des einfallenden Lichts können hierbei überlagert sein. Beispielsweise kann das erste Material auf einfallendes Licht, welches eine Überlagerung wenigstens zweier linear polarisierter Komponenten aufweist, derart wirken, dass unpolarisiertes Licht oder zirkular polarisiertes Licht oder elliptisch polarisiertes Licht transmittiert wird.
Ist das erste Material in der zweiten Phase geschaltet, so kann wenigstens eine vorgegebene polarisierte Komponente des einfallenden Lichts herausgefiltert werden. Weist das einfallende Licht eine Überlagerung wenigstens zweier polarisierter Komponenten auf, so kann die wenigstens zweite polarisierte Komponente durch die zweite Wirkung des ersten Materials von der Polarisationseinheit beispielsweise transmittiert werden. Hierdurch ist es möglich, einfallendes unpolarisiertes Licht in polarisiertes Licht umzuwandeln. Alternativ ist es möglich, die Polarisation des einfallenden Lichts zu verändern. Alternativ kann die wenigstens zweite polarisierte Komponente durch die zweite Wirkung des ersten Materials ebenfalls herausgefiltert werden. Die Wellenlängen des Lichts, welches transmittiert wird, kann bei der Transmission nahezu konstant bleiben.
Durch das Schalten bzw. Umschalten des ersten Materials von der ersten Phase in die zweite Phase oder von der zweiten Phase in die erste Phase wird es möglich, dass jeweils nur Licht einer passenden Polarisation durch die Polarisationseinheit transmittiert wird. Der Polarisationszustand der Polarisationseinheit lässt sich schnell schalten. Die Polarisation des einfallenden Lichts kann zeitabhängig und/oder situationsabhängig verändert werden. Einfallendes Licht einer passenden Polarisation kann zeitabhängig und/oder situationsabhängig transmittiert oder herausgefiltert werden.
Ein erstes Material, welches zwischen einer ersten und einer wenigstens zweiten Phase schaltbar ist, kann ein lichtphasenveränderndes Material sein. Ein derartiges lichtphasenveränderndes Material kann beispielsweise ein Übergangsmetalloxid sein. Ein mögliches Übergangsmetalloxid kann Vanadiumdioxid sein. Ein lichtphasenveränderndes Material kann auch ein dotiertes Übergangsmetalloxid sein. Das erste Material kann alternativ aus der Gruppe der Monochalkogenide der Seltenen Erden, der Organometallverbindungen, der organischen Leitermaterialien und/oder der Halbleitermaterialien ausgewählt sein.
Beispielsweise kann das erste Material in der ersten Phase ein Isolator und in der zweiten Phase metallisch sein, und umgekehrt. Befindet sich das lichtphasenverändernde Material in der Phase des Isolators, so kann es optisch transparent für einfallendes Licht sein. Befindet sich das lichtphasenverändernde Material in der metallischen Phase, so kann es reflektierend auf einfallendes Licht wirken.
Erfindungsgemäß weist die Schicht mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur weiterhin wenigstens ein zweites Material, bereitstellend die erste Wirkung auf das einfallende Licht, auf. Hierbei ist die Schicht mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur derart ausgebildet, dass die Bereiche zwischen den Gitterstreifen das zweite Material aufweisen. Das zweite Material kann beispielsweise ein optisch transparenter Isolator sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass wenn das erste Material in der ersten Phase geschaltet ist, die gesamte Polarisationsfilterstruktur die erste Wirkung auf das einfallende Licht bereitstellt. Wenn das erste Material in der zweiten Phase geschaltet ist, ist die Polarisationseinheit als Streifen-Polarisationseinheit ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist die Schicht mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur weiterhin derart ausgebildet, dass das zweite Material um die Gitterstreifen herum angeordnet ist. Die Gitterstreifen, welche das erste Material aufweisen, liegen hierdurch in vorteilhafter Weise geschützt in dem zweiten Material. Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn das zweite Material ein optisch transparenter Isolator ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Polarisationseinheit weiterhin wenigstens eine erste leitfähige Elektrodenschicht auf einer ersten Seite der Polarisationsfilterstruktur auf. Weiterhin weist die Polarisationseinheit wenigstens eine zweite leitfähige Elektrodenschicht auf einer zweiten Seite der Polarisationsfilterstruktur auf. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass Strom und/oder Spannung an die Polarisationseinheit angelegt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Polarisationseinheit weiterhin ein Mittel auf, um das erste Material selektiv von der ersten Phase in die wenigstens zweite Phase zu schalten. Ein derartiges Mittel kann beispielsweise eine Elektrode bzw. ein Elektrodenpaar sein. Ein derartiges Mittel kann beispielsweise auch ein Peltier-Element sein. Das Mittel ist vorzugsweise mit der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht verbunden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass mithilfe des Mittels das Schalten des ersten Materials zwischen der ersten und der zweiten Phase ermöglicht wird.
Das erste Material kann, wie bereits erwähnt, ein lichtphasenveränderndes Material sein. Ein lichtphasenveränderndes Material kann beispielsweise durch Erwärmung und Abkühlung zwischen der ersten und zweiten Phase schaltbar sein. Ein lichtphasenverändernde Material kann beispielsweise auch durch Anlegen eines externen kurzen Spannungspulse zwischen der ersten und zweiten Phase schaltbar sein. Insbesondere für das Schalten mittels Anlegen eines externen Spannungspulse ist der technische Aufwand sehr gering. Es genügen relativ geringe Spannungen (kleiner 100 V). Dies reduziert die Kosten der Polarisationseinheit insbesondere im Vergleich zu einer Pockelzelle, deren Treiber für hohe Spannungen (ungefähr ein bis 6 kV) ausgelegt sein müssen.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Polarisator beansprucht, der wenigstens zwei, benachbart zueinander angeordnete Polarisationseinheiten, wie sie oben beschrieben worden, aufweist. Hierbei liegen die Gitterstreifen der ersten Polarisationseinheit in einer ersten Ebene. Die Gitterstreifen der zweiten Polarisationseinheit liegen in einer zweiten Ebene. Die erste und die zweite Ebene sind parallel zueinander angeordnet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass wenigstens zwei Polarisationseinheiten miteinander kombiniert werden können. Das erste Material jeder der wenigstens zwei Polarisationseinheiten kann hierbei individuell geschaltet werden. Hierdurch können mehrere Polarisationszustände des Polarisators realisiert werden. Die Menge des transmittierten Lichts kann gezielt kontrolliert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Polarisators sind die Gitterstreifen der ersten Polarisationseinheit um einen von 0° verschiedenen Winkel zu den Gitterstreifen der zweiten Polarisationseinheit angeordnet. Die Gitterstreifen der ersten Polarisationseinheit sind entsprechend in einer Ebene verkippt zu den Gitterstreifen der zweiten Polarisationseinheit angeordnet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass verschiedene Polarisationszustände des Polarisators ansteuerbar sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Polarisators beträgt der Winkel 90°.
In einer weiteren Ausgestaltung des Polarisators ist zwischen den wenigstens zwei Polarisationseinheiten eine Trennschicht angeordnet. Diese Trennschicht kann beispielsweise einen optisch transparenten Isolator aufweisen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Polarisationseinheit kann die folgenden Schritte aufweisen: Aufbringen einer Schicht mit einer schaltbaren Polarisationsfilterstruktur aufweisend wenigstens ein erstes Material, welches zwischen einer ersten Phase, bereitstellend eine erste Wirkung auf einfallendes Licht, und wenigstens einer zweiten Phase, bereitstellend wenigstens eine zweite Wirkung auf das einfallende Licht, schaltbar ist. Die Polarisationsfilterstruktur wird derart aufgebracht, dass zumindest bereichsweise eine Gitterstreifenstruktur mit Gitterstreifen und Bereichen zwischen den Gitterstreifen ausgebildet wird. Die Gitterstreifen weisen wenigstens das erste Material auf.
Die Polarisationseinheit kann mit bekannten kostengünstigen Depositionsverfahren hergestellt werden. Die Schicht mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur kann beispielsweise mit gängigen Verfahren der Lithographie und/oder Maskentechnik hergestellt werden.
Der Vorteil besteht darin, dass die Bauweise der Polarisationseinheit flach und kompakt realisiert werden kann. Es ist möglich die Polarisationseinheit in verschiedensten Größenordnungen herzustellen.
Das Verfahren zur Herstellung einer Polarisationseinheit kann weiterhin den Schritt des Aufbringens wenigstens eines zweiten Materials, bereitstellend die erste Wirkung auf das einfallende Licht, aufweisen. Hierbei weist die Schicht mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur das wenigstens zweite Material auf.
Das Verfahren zur Herstellung einer Polarisationseinheit kann weiterhin die Schritte des Aufbringens wenigstens einer ersten leitfähigen Elektrodenschicht auf einer ersten Seite eines Trägersubstrats und des Aufbringens einer wenigstens zweiten Elektrodenschicht aufweisen. Die Polarisationseinheit wird entsprechend so hergestellt, dass sie aus mehreren verschiedenen Materialschichten besteht.
Erfindungsgemäß wird außerdem die Verwendung einer Polarisationseinheit, wie sie oben beschrieben wurde, oder eines Polarisators, wie er oben beschrieben wurde, in einer Messvorrichtung wie einem Lidar-Sensor, einem Kamerasystem, einer Vorrichtung für Hyperspektralimaging oder einer Vorrichtung zur Kontrolle von Verpackungen, oder einer Fenstervorrichtung beansprucht. Eine Fenstervorrichtung kann beispielsweise die Fensterscheibe eines Fahrzeugs oder die Fensterscheibe eines Gebäudes sein. Die Polarisationseinheit oder der Polarisators kann an verschiedenen Orten im optischen Aufbau einer Messvorrichtung integriert sein. Die Polarisationseinheit oder der Polarisator kann in oder auf einem optischen Element aufgebracht sein, welches in einer Messvorrichtung verwendet werden kann. Die Polarisationseinheit oder der Polarisators kann in oder auf einer Fenstervorrichtung aufgebracht sein.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass unerwünschte Strahlung gefiltert werden kann. Beispielsweise kann beim Einsatz einer der Messvorrichtungen die Messung störende Strahlung gefiltert werden. Beim Einsatz einer der Messvorrichtungen kann der Bildkontrast erhöht werden. Es kann auch störendes, polarisiertes Hintergrundlicht unterdrückt werden. Störendes, polarisiertes Hintergrundlicht kann zum Beispiel von der Sonne ausgesendetes Licht sein, welches beispielsweise an einer Wasseroberfläche (z. B. einer Pfütze) reflektiert wurde. Bei der Verwendung einer Polarisationseinheit oder eines Polarisators in einer Fenstervorrichtung kann die Helligkeit in geschlossenen Räumen gezielt kontrolliert werden.
Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine Polarisationsfilterstruktur;
2A eine Polarisationseinheit, bei der das erste Material in der ersten Phase geschaltet ist;
2B eine Polarisationseinheit, bei der das erste Material in der zweiten Phase geschaltet ist;
3 einen Polarisator mit zwei, benachbart zueinander angeordneten Polarisationseinheiten.

1 zeigt beispielhaft eine Polarisationsfilterstruktur 100. Die Polarisationsfilterstruktur 100 bildet eine Struktur aus Gitterstreifen 102 aus. Hierbei sind die Gitterstreifen 102 parallel zueinander angeordnet. In einer hier nicht geziegten Ausführungsform können die Gitterstreifen 102 auch parallelkurvenförmig zueinander angeordnet sein. Die Gitterstreifen 102 weisen wenigstens ein erstes Material auf, welches zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase schaltbar ist. Die erste Phase stellt eine erste Wirkung auf Licht bereit, welches auf die Polarisationsfilterstruktur 100 einfällt. Die zweite Phase stellt eine zweite Wirkung auf Licht bereit, welches auf die Polarisationsfilterstruktur 100 einfällt. Das erste Material kann ein Übergangsmetalloxid sein. Die Gitterstreifen 102 können beispielsweise Vanadiumdioxid aufweisen. Das erste Material kann auch eine Organometallverbindung oder ein Halbleitermaterial sein. Die Gitterstreifen 102 können neben dem ersten Material weitere Materialien aufweisen. Das erste Material kann mit einem weiteren Material dotiert sein.
Zwischen den Gitterstreifen 102 sind Bereiche 101 ausgebildet. Hierbei sind die Bereiche 101 parallel zueinander angeordnet. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform können die Bereiche 101 auch parallelkurvenförmig zueinander angeordnet sein. Die Bereiche 101 können ein zweites Material aufweisen. Das zweite Material kann ein optisch transparenter Isolator sein. Ein optisch transparenter Isolator kann beispielsweise Siliziumdioxid sein.
Die 2A zeigt eine Seitenansicht der Polarisationseinheit 200, bei der das erste Material in der ersten Phase geschaltet ist. Die 2B zeigt eine Seitenansicht derselben Polarisationseinheit 200, wobei das erste Material in der zweiten Phase geschaltet ist. Dies wird durch die unterschiedliche Schraffierung des Gitterstreifens 102 verdeutlicht. Die Polarisationseinheit 200 weist eine Schichtstruktur auf.
Die Polarisationseinheit 200 weist eine Schicht mit einer schaltbaren Polarisationsfilterstruktur 100 auf, wie sie in 1 beschrieben wurde. Die Dicke der Schicht mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur 100 kann beispielsweise kleiner als 1 µm sein. Aufgrund der Seitenansicht der Polarisationseinheit 200 ist nur einer der Gitterstreifen 102 sichtbar. Zwischen den Gitterstreifen 102 sind Bereiche 101 ausgebildet. Im gezeigten Beispiel ist die Schicht mit der streifenförmigen Polarisationsfilterstruktur 100 weiterhin derart ausgebildet ist, dass die Bereiche 101 um die Gitterstreifen 102 herum angeordnet sind. Das zweite Material ist um die Gitterstreifen 102 herum angeordnet. Entsprechend ist ein Bereich 101 auf einer ersten Seite des einen sichtbaren Gitterstreifens 102 in 2 erkennbar. Der Teil des Bereichs 101, der auf einer ersten Seite des einen sichtbaren Gitterstreifens 102 sichtbar ist, kann beispielsweise eine Dicke von ca. 100 nm aufweisen. Entsprechend ist der Bereich 101 weiterhin auf einer zweiten Seite des einen sichtbaren Gitterschreibens 102 erkennbar. Der Teil des Bereichs 101, der auf einer zweiten Seite des einen sichtbaren Gitterstreifens 102 sichtbar ist, kann beispielsweise eine Dicke von ca. 100 nm aufweisen.
Die Polarisationseinheit 200 weist eine erste leitfähige Elektrodenschicht 201-A auf einer ersten Seite der Polarisationsfilterstruktur 100 auf. Die erste leitfähige Elektrodenschicht 201-A kann eine Dicke von nur wenigen Mikrometern aufweisen. Die erste leitfähige Elektrodenschicht 201-A kann ein im sichtbaren Wellenlängenbereich optisch transparentes und leitendes Material, wie beispielsweise Indiumzinnoxid (Englisch: indium tin oxide, ITO), aufweisen. Die Polarisationseinheit 200 weist weiterhin eine zweite leitfähige Elektrodenschicht 201-B auf einer zweiten Seite der Polarisationsfilterstruktur 100 auf. Die zweite leitfähige Elektrodenschicht 201-B kann eine Dicke von nur wenigen Mikrometern aufweisen. Die zweite leitfähige Elektrodenschicht 201-B kann ein im sichtbaren Wellenlängenbereich optisch transparentes und leitendes Material, wie beispielsweise Indiumzinnoxid (Englisch: indium tin oxide, ITO), aufweisen.
Die Polarisationseinheit 200 weist weiterhin ein Mittel 207 auf, um das erste Material selektiv von der ersten Phase in die wenigstens zweite Phase zu schalten. Hierfür sind sowohl an der ersten leitfähigen Elektrodenschicht 201-A als auch an der zweiten leitfähigen Elektrodenschicht 201-B die Elektroden 207 angebracht. An die Elektroden 207 kann eine Spannung angelegt werden, um das erste Material selektiv von der ersten Phase in die wenigstens zweite Phase zu schalten.
Die Polarisationseinheit 200 weist weiterhin ein Trägersubstrat 202 auf. Das Trägersubstrat 202 besteht aus einem optisch transparentem Material. Das Trägermaterial 202 kann beispielsweise aus Glas oder einem optisch transparenten Kunststoff bestehen. Die Polarisationseinheit 200 der 2 ist derart aufgebaut, dass die erste leitfähige Elektrodenschicht 201-A auf dem Trägersubstrat 202 angeordnet ist. Es ist alternativ möglich, dass die zweite leitfähige Elektrodenschicht 201-B oder eine weitere, hier nicht gezeigte Schicht auf dem Trägersubstrat 202 angeordnet ist.
Die 2A und 2B verdeutlichen beispielhaft die Funktionsweise der schaltbaren Polarisationseinheit 200.
In 2A fällt das Licht 203 als unpolarisiertes Licht auf die Polarisationseinheit 200. Das einfallende, unpolarisierte Licht 203 stellt beispielsweise eine Überlagerung von Licht einer ersten Polarisationsrichtung 205 und einer zweiten Polarisationsrichtung 206 dar. Das einfallende, unpolarisierte Licht 203 stellt beispielsweise eine Überlagerung von Licht einer ersten polarisierten Komponente 205 des einfallenden Lichts und einer zweiten polarisierten Komponente 206 des einfallenden Lichts dar. In 2A liegt keine Spannung an den Elektroden 207 an. Es liegt keine Spannung an der Polarisationseinheit 200 an. Das erste Material ist in einer ersten Phase geschaltet. Dadurch stellt es eine erste Wirkung auf das einfallende, unpolarisierte Licht 203 bereit. Das erste Material ist in seiner ersten Phase beispielsweise optisch transparent für das einfallende, unpolarisierte Licht 203. Weisen die Gitterstreifen 102 beispielsweise Vanadiumdioxid als erstes Material auf, so sind die Gitterstreifen 102 optisch transparent, wenn keine Spannung an der Polarisationseinheit 200 anliegt. Die erste Wirkung ist beispielsweise derart, dass das einfallende, unpolarisierte Licht 203 durch das erste Material transmittiert wird. Das einfallende, unpolarisierte Licht 203 wird durch die Gitterstreifen 102 transmittiert. Das unpolarisierte, einfallende Licht 203 wird von der Polarisationseinheit 200 transmittiert. Das transmittierte Licht 204-A ist weiterhin unpolarisiert. Das transmittierte, unpolarisierte Licht 204-A stellt beispielsweise ebenfalls eine Überlagerung einer ersten Polarisationsrichtung 205 und einer zweiten Polarisationsrichtung 206 dar. Das transmittierte, unpolarisierte Licht 204-A stellt beispielsweise ebenfalls eine Überlagerung von Licht einer ersten polarisierten Komponente 205 und einer zweiten polarisierten Komponente 206 dar.
In 2B fällt das Licht 203 ebenfalls als unpolarisiertes Licht auf die Polarisationseinheit 200. Das einfallende, unpolarisierte Licht 203 stellt beispielsweise eine Überlagerung von Licht einer ersten Polarisationsrichtung 205 und einer zweiten Polarisationsrichtung 206 dar. Das einfallende, unpolarisierte Licht 203 stellt beispielsweise eine Überlagerung von Licht einer ersten polarisierten Komponente 205 des einfallenden Lichts und einer zweiten polarisierten Komponente 206 des einfallenden Lichts dar. In 2B liegt eine Spannung an den Elektroden 207 an. Es liegt eine Spannung an der Polarisationseinheit 200 an. Das erste Material ist in einer zweiten Phase geschaltet. Dadurch stellt es eine zweite Wirkung auf das einfallende, unpolarisierte Licht 203 bereit. Das erste Material ist in seiner zweiten Phase beispielsweise reflektierend für wenigstens einen Teil des einfallenden, unpolarisierten Lichts 203. Das erste Material kann in seiner zweiten Phase beispielsweise auch absorbierend für wenigstens einen Teil des einfallenden, und polarisierten Lichts 203 sein. Die zweite Wirkung ist beispielsweise derart, dass wenigstens ein Teil des einfallenden, unpolarisierten Lichts 203 vom ersten Material reflektiert wird. Die zweite Wirkung ist beispielsweise derart, dass wenigstens ein Teil des einfallenden, unpolarisierten Lichts 203 vom ersten Material absorbiert wird. Das reflektierte Licht 208 kann die Polarisationseinheit 200 nicht durchlaufen. Auch absorbiertes Licht kann die Polarisationseinheit 200 nicht durchlaufen.
Weisen die Gitterstreifen 102 beispielsweise Vanadiumdioxid als erstes Material auf, so unterläuft das Vanadiumdioxid einen Phasenübergang, wenn eine Spannung an der Polarisationseinheit 200 angelegt wird. Die Gitterstreifen 102 sind nach dem Phasenübergang metallisch und somit reflektierend für wenigstens einen Teil des einfallenden, unpolarisierten Lichts 203. Es entsteht ein Streifenpolarisator. Wenigstens ein Teil des einfallenden, unpolarisierten Lichts 203 wird durch die Gitterstreifen 102 des Streifenpolarisators als reflektiertes Licht 208 reflektiert. In 2B wird der Teil des einfallenden, unpolarisierten Lichts 203 reflektiert, der die erste Polarisationsrichtung 205 aufweist. Der andere Teil des einfallenden, unpolarisierten Lichts 203, der im Beispiel die Zweitpolarisationsrichtung 206 aufweist, wird von der Polarisationseinheit 200 transmittiert. Auf diese Weise kann das einfallende, unpolarisierte Licht 203 beim Durchlaufen der Polarisationseinheit 200 in transmittiertes, polarisiertes Licht 204-B umgewandelt werden. Beispielsweise ist das transmittierte, polarisierte Licht 204-B linear polarisiert.
3 zeigt einen Polarisator 300 mit zwei, benachbart zueinander angeordneten Polarisationseinheiten 200-1 und 200-2. Jede der beiden Polarisationseinheiten 200-1 und 200-2 entsprechen in ihrem Aufbau im wesentlichen der Polarisationseinheit 200, wie sie in 1 und 2 beschrieben wurde. Im Unterschied zur Polarisationseinheit 200 aus 2 weist die Polarisationseinheit 200-1 kein Trägersubstrat 202 auf. Der Polarisator 300 weist in seinem Gesamtaufbau nur ein Trägersubstrat 202 auf, welches Teil der Polarisationseinheit 200-2 ist. Alternativ könnte das Trägersubstrat 202 auch auf der anderen Seite des Polarisators 300 angeordnet und somit Teil der Polarisationseinheit 200-1 sein.
Zwischen der Polarisationseinheit 200-1 und der Polarisationseinheit 200-2 befindet sich eine Trennschicht 301. Diese Trennschicht 301 weist beispielsweise einen optisch transparenten Isolator auf. Ein optisch transparenter Isolator kann beispielsweise Siliziumdioxid sein.
Die Gitterstreifen 102-1 der ersten Polarisationseinheit 200-1 liegen in einer ersten Ebene. Die Gitterstreifen 102-2 der zweiten Polarisationseinheit 200-2 liegen in einer zweiten Ebene. Die erste und die zweite Ebene sind parallel zueinander angeordnet. Die Gitterstreifen 102-1 der ersten Polarisationseinheit 200-1 sind um einen Winkel von 90° verdreht zu den Gitterstreifen 102-2 der zweiten Polarisationseinheit 200-2 angeordnet. Entsprechend ist in 3 nur einer der Gitterstreifen 102-1 der ersten Polarisationseinheit 200-1 erkennbar, wohingegen mehrere der Gitterstreifen 102-2 der zweiten Polarisationseinheit 200-2 erkennbar sind.
Die erste Polarisationseinheit 200-1 weist die Elektroden 207-1 auf. Die zweite Polarisationseinheit 200-2 weist die Elektroden 207-2 auf. Zum Beispiel kann durch Anlegen einer Spannung ausschließlich an der ersten Polarisationseinheit 200-1 einfallendes, unpolarisiertes Licht 203 als vertikal linear polarisiertes Licht 204 transmittiert werden. Zum Beispiel kann durch Anlegen einer Spannung ausschließlich an der zweiten Polarisationseinheit 200-2 einfallendes, unpolarisiertes Licht 203 als horizontal linear polarisiertes Licht 204 transmittiert werden. Durch abwechselndes Anlegen einer Spannung an der ersten Polarisationseinheit 200-1 und an der zweiten Polarisationseinheit 200-2 kann zwischen dem transmittierten, vertikal linear polarisierten Licht 204 und dem transmittierten, horizontal linear polarisierten Licht 204 umgeschaltet werden. Dieses Schalten kann sehr schnell durchgeführt werden. Wird an den beiden Polarisationseinheiten 200-1 und 200-2 gleichzeitig eine Spannung angelegt, kann auch sämtliches einfallendes Licht 203 als reflektiertes Licht 208 reflektiert werden.

Claims

Polarisationseinheit (200, 200-1, 200-2) aufweisend wenigstens eine Schicht (100, 100-1, 100-2) mit einer schaltbaren Polarisationsfilterstruktur aufweisend wenigstens ein erstes Material, welches zwischen • einer ersten Phase, bereitstellend eine erste Wirkung auf einfallendes Licht (203), und • wenigstens einer zweiten Phase, bereitstellend wenigstens eine zweite Wirkung auf das einfallende Licht (203), schaltbar ist; wobei • die Polarisationsfilterstruktur zumindest bereichsweise eine Gitterstreifenstruktur mit Gitterstreifen (102) und Bereichen (101) zwischen den Gitterstreifen (102) ausbildet, und wobei die Gitterstreifen (102) wenigstens das erste Material aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass • die Schicht (100, 100-1, 100-2) mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur weiterhin wenigstens ein zweites Material, bereitstellend die erste Wirkung auf das einfallende Licht (203) aufweist, wobei die Schicht (100, 100-1, 100-2) mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur derart ausgebildet ist, dass die Bereiche (101) zwischen den Gitterstreifen (102) das zweite Material aufweisen; und wobei • die Schicht (100, 100-1, 100-2) mit der schaltbaren Polarisationsfilterstruktur weiterhin derart ausgebildet ist, dass das zweite Material um die Gitterstreifen (102) herum angeordnet ist.
Polarisationseinheit (200, 200-1, 200-2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstreifen (102) parallel zueinander angeordnet sind und dass die Bereiche (101) zwischen den Gitterstreifen (102) parallel zueinander angeordnet sind.
Polarisationseinheit (200, 200-1, 200-2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass • durch die erste Wirkung wenigstens eine Komponente des einfallenden Lichts (203), die parallel zu einer vorgegebenen Raumrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts (203) schwingt, transmittiert wird, und dass • durch die zweite Wirkung wenigstens eine Komponente des einfallenden Lichts (203), die parallel zu einer vorgegebenen Raumrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts (203) schwingt, herausgefiltert wird.
Polarisationseinheit (200, 200-1, 200-2) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend • wenigstens eine erste leitfähige Elektrodenschicht (201-A, 201-A-1, 201 -A-2) auf einer ersten Seite der Polarisationsfilterstruktur (100, 100-1, 100-2); und • wenigstens eine zweite leitfähige Elektrodenschicht (201-B, 201 -B-1, 201 -B-2) auf einer zweiten Seite der Polarisationsfilterstruktur (100, 100-1, 100-2).
Polarisationseinheit (200, 200-1, 200-2) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend wenigstens ein Mittel (207, 207-1, 207-2), um das erste Material, selektiv von der ersten Phase in die wenigstens zweite Phase zu schalten.
Polarisator (300) aufweisend wenigstens zwei, benachbart zueinander angeordnete Polarisationseinheiten (200-1, 200-2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei • die Gitterstreifen (102-1) der ersten Polarisationseinheit (202-1) in einer ersten Ebene, und • die Gitterstreifen (102-2) der zweiten Polarisationseinheit (202-2) in einer zweiten Ebene liegen, und wobei • die erste und die zweite Ebene parallel zueinander angeordnet sind.
Polarisator (300) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstreifen (102-1) der ersten Polarisationseinheit (200-1) um einen von 0° verschiedenen Winkel zu den Gitterstreifen (102-2) der zweiten Polarisationseinheit (200-2) angeordnet sind.
Polarisator (300) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 90° beträgt.
Polarisator (300) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den wenigstens zwei Polarisationseinheiten (200-1, 200-2) eine Trennschicht (301) angeordnet ist.
Verwendung einer Polarisationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder eines Polarisators nach einem der Ansprüche 6 bis 9 in einem Lidar-Sensor, einem Kamerasystem, einer Vorrichtung für Hyperspektralimaging, einer Vorrichtung zur Kontrolle von Verpackungen oder einer Fenstervorrichtung.