JP3792510B2

JP3792510B2 - 二色偏光子

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Publication number: JP3792510B2
Application number: JP2000506552A
Authority: JP
Inventors: イバノビチラザレフ，パベル; アレクサンドロビチミロシン，アレクサンドル; ウラジミロビチマリモネンコ，ニコライ; バシリエビチベルヤエフ，セルゲイ
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1998-08-03
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2018-08-03
Also published as: DE69832185D1; RU2124746C1; WO1999008140A1; DE69832185T2; JP2001512845A; EP1014119A1; US6942925B1; CN1271422A; CN1109903C; EP1014119A4; EP1014119B1

Description

【０００１】
本発明は偏光装置に関し、そして照明装置、建設材料用ガラスの製造および光学機器、例えば、分光光度計およびディスプレーにおいて使用できる。
【０００２】
提案される発明の枠組みに入ると考えられる二色偏光子の作用は、電磁線の直交する直線偏光を異なるように吸収する、通常に二色性と呼ばれるいくつかの材料の特性を基礎とする。ポラロイドまたは偏光フィルターと呼ばれる二色フィルム偏光子は最も広く用いられている。二色フィルム偏光子を製造するために、分子または粒子（例えば、微結晶）を含む材料は一般に用いられており、このような材料は広い範囲の波長において、強い吸収性とともに強い二色性を有する。概して、これらの分子または粒子は延びた形状を有し、それにより、分子または粒子の配向は、偏光子の製造の間に、吸収軸としても知られている特定の（選ばれた）方向に行われる。偏光子の透過面（偏光面）は吸収軸に対して垂直になる。成分の吸収の度合いは選ばれた方向に対する電気ベクトル振動の配向による。偏光子の機能を考えるときに、その吸収の度合いによって直交偏光成分を定めることが便利である。さらに、用語「吸収（寄生）成分」および非吸収（有用）成分」を使用する。
【０００３】
二色偏光子を含む偏光子の効率（品質）を評価しそしてそれらを比較するために、偏光能力（偏光の度合い）が通常に使用され、それは種々の方法を用いて決定される（A.I. Vanyurikhin, V.P. Gerchanovskaya, "Optical polarizing devices", Kiev, Tekhnika, 1984 [1], 23 頁、ロシア) 。さらに、偏光の度合いとは、透過性偏光子については、それぞれ非吸収直交偏光成分および吸収直交偏光成分のエネルギー透過係数Ｔ₁ およびＴ₂ により決定される値、
Ｐ＝（Ｔ₁ −Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）
を意味し、
一方、反射性偏光子については、それぞれ非吸収直交偏光成分および吸収直交偏光成分のエネルギー関連反射係数Ｒ₁ およびＲ₂ により決定される値、
Ｐ＝（Ｒ₁ −Ｒ₂ ）／（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）
を意味する。
【０００４】
二色偏光子は１つの方向に強く延伸され、そして延伸の間に配向された二色性分子を含むポリマーフィルムからなることが知られており、例えば、ポリビニルアルコールを基礎とするヨウ素−ポリビニル偏光子である（[1] 、37頁〜42頁) 。これらの偏光子は、偏光層とともに、強化層、接着層および保護層を含む多層フィルムである。この特定のフィルム偏光子の基本的な欠点はその製造に要求される労力が非常に多くかかることである。
【０００５】
本明細書に記載される偏光子と技術的な基礎が最も近い偏光子は、基材と、その上に、リオトロピック液晶状態である有機染料から得られた分子配向された層が付着しているものを含む二色偏光子である（ＰＣＴ９４／０５４９３、Ｃｌ．Ｃ０９Ｂ３１／１４７，１９９４）。このような染料の使用により、二色偏光子の製造の技術をかなり単純化でき、そしてその為、コストが低減できるが、このようにして得られた二色偏光子は十分な程度の偏光性を有しない。
【０００６】
本発明の目的は、非吸収成分の高い透過（反射）係数を保持しながら、電磁線の偏光の度合いを上げることにより、二色性偏光子の効率を上げることである。
【０００７】
本明細書に示した目的は、基材および二色性材料の層を含む二色性偏光子において、２つの反射性コーティングが導入され、そのうちの少なくとも１つが部分的に透過性にされており、そして二色吸収層が２つの反射性コーティングの間に配置されていることにより達成される。このような多層構造により、マルチパス干渉が得られ、そしてファブリ・ペロ干渉計と似たものになる。
【０００８】
二色偏光子は反射性偏光子として使用することができ、そして反射性コーティングの１つは、この場合には、完全に反射性とされ、第二の反射性コーティングは部分的に透過性とされるであろう。そこで、基材側からみて付着される第一のコーティングは反射性（完全に反射性）のコーティングであってもまたは部分的に透過性のコーティングであってもよい。
【０００９】
二色偏光子の出口では、マルチパス干渉により、干渉最大値、最小値並びに中間強度値が偏光子を構成する層およびコーティングの厚さおよび材料により得られる。
【００１０】
電磁線の偏光の度合いに関する、提案される偏光子の出口での干渉画像の影響の分析は、最大の強度の干渉が得られるときに、吸収成分および非吸収成分の両方についてのエネルギー関連透過係数の増加があるか、または、もう一方の偏光子タイプ（透過性でなく、反射性）では、吸収成分および非吸収成分の両方についての反射係数の増加があることを示した。このように、直交偏光成分の透過（または反射）された電磁線の強度の比は減少し、従って、偏光の度合いは減少する。これにより、偏光子の透過性（反射性）が増加されるが、このことは偏光の度合いの減少ほど重要なことではない。
【００１１】
干渉最小値が偏光子の出口において得られるときに、両方の直交偏光成分の強度は低下する。しかしながら、計算および実験データの両方は、非吸収成分の強度よりも有意に吸収成分の強度を低下することを示した。このことは、偏光子の透過性（反射性）を幾分か低下させるが、偏光の度合いを実質的に増加させる。
【００１２】
それ故、二色偏光子の材料および層の厚さは、二色偏光子の出口において、電磁線の少なくとも１つの波長について、吸収成分の干渉最小値を得るための要件により決定されることが適切である。
【００１３】
干渉最小値を得るための波長は、例えば、使用されるスペクトル範囲の中間に対応する波長に設定されることができる。
【００１４】
使用されるスペクトル範囲の幅は次の考慮点から決定される。
【００１５】
二色偏光子の出口で干渉最小値を得るための条件は、
Δ＝ｍλ＋λ／２
（式中、Δはビームが偏光子を離れるときに反射性コーティングから反射される２つのビームのパス長さの差であり、ｍは干渉の次数であり、そしてλは光の波長である）として記載できる。十分な精度をもって、干渉最小値は、パス長さの差Δが１０％以下である隣接波長についても現れる。より高い次数の干渉では（ｍ＝１０〜５０）、即ち、電磁線を二色性をもって吸収する層の厚さが十分に厚いときには、非常に狭い範囲の波長についてパス長さの１０％差の条件が満たされ、その為、偏光子は狭いバンドのものとしてのみ使用できる。干渉の次数が０であるときに（ｍ＝０）、即ち、電磁線を二色性をもって吸収する層の厚さが十分に小さいときに、この条件はより広い波長範囲で満たされる。例えば、等式（３）が有効である基本波長のために５５０を選ぶと、干渉最小値を得るための要件は、実用上、全可視範囲について満足される。その為、二色性をもって吸収する層の厚さが電磁線の波長と類似するときに、広いバンドの偏光子を得ることができる。
【００１６】
干渉の理論から、干渉最小値を得るために、干渉ビームの間の光学パス長さの差は半波長の奇数倍である（λ／２＋ｍλ）とすべきであることが知られている。
【００１７】
このようなパス長さの差を確保するために、二色性吸収層の厚さは少なくとも１つの波長について等式λ／４＋λ／２ｍ＝λ／４（１＋２ｍ）から決定される。
【００１８】
干渉の結果は干渉ビームの振幅値の比により大きく影響される。振幅が等しいときに最小の強度値を得ることができることが知られている。それ故、吸収成分の干渉ビームの振幅値を互いにできるだけ近くすることが適切であり、それにより、これらの成分のビームの最大の相互の打ち消し合いが行われる。同時に、非吸収成分の干渉ビームの振幅の間の有意な差を確保すべきであり、それにより、これらのビームが干渉する機会が実際上排除され、即ち、非吸収成分の強度は評価できるほどには低下されない。もし両方の要件が満たされるならば、偏光の度合いの増加が確保され、このことは偏光子の透過性（反射性）のある程度の低下よりも重要である。
【００１９】
上記の考慮点から、二色性吸収層の厚さｈを、少なくとも１つの波長λについて有効な次の等式
ｈｎ＝ｍλ＋λ／４＝（２ｍ＋１）^* λ／４
（式中、ｎは二色性吸収層の屈折率であり、ｍは整数である）の要件から選択することが適切であり、
一方、反射性コーティングの厚さおよび材料は、吸収成分について、少なくとも１つの波長に関して少なくとも２つの干渉ビームの振幅が等しいかまたは略等しい（１０〜２０％以内）であることを確保するような要件から選択される。
【００２０】
反射性コーティングは金属からできているか、または、高屈折率の材料と低屈折率の材料の交互の層からなる多層誘電体ミラーから製造されたものであることができる。
【００２１】
金属コーティングは、例えば、真空中での熱蒸発により付着させることが容易である。しかしながら、そのとき、光はこのようなコーティング中に吸収され、偏光子の透過性（反射性）を低下させる。これらのコーティングのために、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）および他の金属が使用できる。
【００２２】
多層誘電体ミラーの場合、光はその中に吸収されないが、その付着プロセスはむしろ複雑であり、そして労力がかかる。これらのコーティングのために、ＴｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはＺｒＯ₂ またはポリマーが高屈折率材料として使用できる。低屈折率材料として、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＣａＦ₂ 、ＢａＦ₂ 、ＡＩＮ、ＢＮまたはポリマーが使用できる。
【００２３】
次の標準法：真空中の熱付着、真空中の付着の次に熱加工、マグネトロン分散等は反射性コーティングを付着するために使用できる。
【００２４】
二色吸収層を製造するための材料として、原則として、どの二色吸収性材料を使用することもでき、波長と類似する厚さ、特にλ／４と等しい厚さの層として形成されることができる。しかしながら、次のシリーズからのリオトロピック液晶状態である分子配向された有機染料を使用することがより適切である。
【００２５】
【化１】

【００２６】
【化２】

【００２７】
特定の有機染料は層の付着の間に直接的に二色性をもった染料分子に配向することができる。この為、二色偏光子を得るための技術的方法はかなり単純になり、そして結果的にそのコストが低減される。
【００２８】
電磁線を二色性をもって吸収する層を付着させるために、次の標準法：定盤（platen) 、ドクターナイフ、非回転シリンダーの形のドクターによる付着、スリット紡糸口金またはダイを用いた付着等、を使用することができる。
【００２９】
本発明を図１〜３により例示する。図１において、プロトタイプによる二色偏光子のスキームを示す。図２において、本発明による反射タイプの二色偏光子のスキームを示す。図３において、本発明による透過光二色偏光子のスキームを示す。
【００３０】
図１において、プロトタイプの二色偏光子のスキームは電磁線を二色性をもって吸収する層１を含み、そして基材２上に付着されて示されている。プロトタイプによる二色偏光子において、非偏光電磁線３は、基材２の上に付着されている、電磁線を二色性をもって吸収する層１を通過し、そして直線偏光された電磁線４となる。
【００３１】
プロトタイプの二色偏光子の特性の分析は、電磁線を二色性をもって吸収する層１の厚さが５０ｎｍであるときに、偏光度８０％で、二色偏光子による有用偏光成分の透過率は９０％であることを示した。電磁線を二色性をもって吸収する層１の厚さが５００ｎｍであるときに、偏光度９０％で、二色偏光子による有用偏光成分の透過率は８０％である。電磁線を二色性をもって吸収する層１の厚さが２０００ｎｍであるときに、偏光度９９％で、二色偏光子による有用偏光成分の透過率は５０％である。
【００３２】
図２において、本発明による反射タイプの二色偏光子のスキームは、電磁線を二色性をもって吸収する層１、電磁線を完全に反射する層５および電磁線を部分的に反射する層６（以下、それぞれ単に層５又は層６と言う場合がある）を含んで示されている。全ての層は基材２上に続けて付着されている。
【００３３】
提案される反射性二色偏光子の操作は次の通りに説明できる。非偏光電磁線は２つの直交偏光成分７および８（以下、それぞれ単に成分７又は成分８と言う場合がある）からなり、その偏光平面は互いに垂直である（これらの２成分は良好な表現および理解のために図２および３において従来のように互いに離れて示されている）。電磁線を二色性をもって吸収する層１の吸収軸に平行に配向された、吸収されそしてもはや使用されない成分７は、電磁線を部分的に反射する層６から部分的に反射され、そしてビーム９を形成する。成分７の他の部分のエネルギーは、電磁線を二色性をもって吸収する層１を通過し、そして電磁線を完全に反射する層５で反射された後に、層１を再び通過し、その後、層６を通過して、ビーム１０を形成する。反射されたビーム９および１０は最初の成分７と同一に偏光されている。層１の厚さは、ビーム９および１０の間の光学パス長さの差が偏光電磁線の半波長の奇数倍となるように選択され、この波長は使用されるスペクトル範囲の中間に対応する。この場合に、ビーム９および１０の干渉により互いに弱められ、そして最適な場合には、完全に打ち消し合う。もしビーム９および１０の強度（振幅）が同一であるかまたはそれに近い値であるならば（このことは層５および６の反射率を最適に選択することにより達成されうる）、ビーム９および１０の完全な相互打ち消し合いが達成される。層５および６は金属、半導体または誘電体から製造されることができ、そして単一層であってもまたは多層であってもよい。
【００３４】
層１の光学軸（吸収軸）に垂直に偏光されている、層１に吸収されない他のさらに使用される直交偏光成分８は、電磁線を部分的に反射する層６から部分的に反射され、そしてビーム１１を形成する。成分８のエネルギーの他の部分は電磁線を二色性をもって吸収する層１を通過し、層５から反射された後に、層１を再び通過し、その後、層６を通過し、ビーム１２を形成する。反射されたビーム１１および１２は最初の成分８と同一に偏光されている。干渉によりビーム１１および１２はビーム９および１０よりもかなり少ししか弱められない。このことは層１中のビーム１０の無視できるほど小さい吸収のために強度がかなり異なるという事実により起こる。
【００３５】
図３において、本発明による透過タイプの二色偏光子のスキームが示されている。この偏光子は電磁線を二色性をもって吸収する層１および電磁線を部分的に反射する層６および１３を含む。全ての層は基材２上に付着されている。
【００３６】
本発明による電磁線の透過タイプの二色偏光子の操作は次の通りに説明できる。非偏光電磁線は偏光平面が互いに垂直である２つの直交偏光成分７および８からなる。これらの成分の両方は電磁線を部分的に反射する層６を通過し、そしてその後、電磁線を二色性をもって吸収する層１を通過する。成分７および８のエネルギーの一部は電磁線を部分的に反射する層１３を通過し、それぞれビーム１４および１５を形成する。成分７および８のエネルギーの他の部分は電磁線を部分的に反射する層１３から反射され、層１を通過し、層６から反射されて、再び層１および層１３を通過し、それぞれビーム１６および１７を形成する。ビーム１５および１７は最初の成分８と同一に偏光されており、即ち、吸収軸に対して垂直に偏光されている。通過したビーム１４および１６は最初の成分７と同一に偏光されており、即ち、吸収軸に対して平行−垂直に偏光している。
【００３７】
本発明の目的は、成分７の部分（ビーム）１４および１６の干渉並びに成分８の部分（ビーム）１５および１７の干渉の間に、二色偏光子を通過する電磁線の異なる成分７および８の低減が等しくないことにより達成される。このことは、層１、６および１３の厚さを特別に選択することにより確保される。特に、電磁線を二色性をもって吸収する層１の光学厚さは偏光された電磁線の波長の整数倍であるべきである。電磁線を部分的に反射する層６および１３の厚さを変えることにより、二色偏光子の効率を上げるための最適なこれらの層の反射率値を選択することができる。層６および１３の反射率を選択するための基準は、例えば、二色偏光子の最大コントラストであることができる。層６および１３の最適厚さは本発明の基礎に影響を及ぼさない。
【００３８】
電磁線を部分的に反射する層６および１３は金属または多層誘電体から製造されてよく、それらは本発明の基礎に影響を及ぼさない。
【００３９】
二色偏光子の特定の態様の例を以下に示す。
【００４０】
例１
可視（光）波長範囲、即ち、波長バンド４００〜７００ｎｍにおける偏光のための本発明による反射タイプの二色偏光子（図２）を以下の通りに製造する。ガラス基材上に、次の層を続けて付着させる：１００ｎｍの厚さのアルミニウムの強い反射性の層（真空中の熱蒸発を用いて付着）；その後、式１、２、３の染料の混合物から製造した５０ｎｍの厚さの、電磁線を二色性をもって吸収する層；その後、２ｎｍの厚さの、電磁線を部分的に反射するアルミニウム層を付着する。
【００４１】
測定により、このように製造した二色偏光子の偏光能力が９２％であり、二色偏光子による有用偏光成分の反射率が９０％であることが示された。同一の染料および同一の厚さでのミラー上に付着されたプロトタイプの同様の偏光パラメータは８０％であり、そしてこの二色偏光子による有用偏光成分の反射率は９０％であった。
【００４２】
例２
可視（光）波長範囲において偏光する反射タイプの電磁線二色偏光子（図２）を以下の通りに製造する。４９０〜５１０ｎｍで９８％の反射率で強く反射する層を多層誘電体コーティングとしてガラスプレート上に付着させる。このコーティングはＭｇＦ₂ と氷晶石との交互の層からできている。この強く反射性である層の上に、１２０ｎｍの厚さの層を付着させ、この層は電磁線を二色性をもって吸収し、そして式ＩＩの配向された染料から製造されている。その後、電磁線を部分的に反射する層を付着させ、この反射率は２８％であり、これもＭｇＦ₂ と氷晶石との交互の層からできている。
【００４３】
測定により、このように製造された二色偏光子の４９０〜５００ｎｍの波長範囲での偏光能力は９５％であり、二色偏光子による有用偏光成分の反射率は９０％であることが示された。ミラー上に付着されたプロトタイプのものの偏光能力は８５％であり、二色偏光子の有用偏光成分の反射率は９０％であった。
【００４４】
例３
６２０〜６４０ｎｍの波長範囲において偏光する透過タイプの電磁線二色偏光子（図３）を次の通りに製造する。２０ｎｍの厚さの部分的に反射性のアルミニウム層をガラスプレート上に付着させる（真空中の熱蒸発を用いて付着）。その後、１４０ｎｍの厚さの、式ＩＶの配向された染料からできている電磁線を二色性をもって吸収する層を付着させる。最後に、電磁線を部分的に反射する第二の２０ｎｍの厚さのアルミニウム層を付着させる。
【００４５】
測定により、このように製造された二色偏光子の偏光能力が９８％であり、二色偏光子による有用偏光成分の反射率が８０％であることが示された。プロトタイプのものの偏光能力は８６％であり、二色偏光子による有用偏光成分の透過率は８２％であった。
【００４６】
例４
近赤外波長範囲において偏光する、本発明による透過光電磁線二色偏光子（図３）を次の通りに製造する。７００〜１２００ｎｍの波長範囲で反射率が４０〜５０％である部分的に反射性の層を、亜硫酸亜鉛と燐酸アンモニウムの層からできた多層誘電体コーティングとしてガラスプレート上に付着させる。この強く反射性の層の上に、１８０ｎｍの厚さの、式Ｘの配向された染料からできた電磁線を二色性をもって吸収する層を付着させ、その後、反射率が２８％である、電磁線を部分的に反射する層を付着させる。この電磁線を部分的に反射する層も亜硫酸亜鉛と燐酸アンモニウムの層からできている。
【００４７】
測定により、製造された二色偏光子の偏光能力が７００〜１２００ｎｍの波長範囲で９２％であり、二色偏光子による有用偏光成分の反射率が８０％であることが示された。
【００４８】
プロトタイプのものの偏光能力は７５％であり、二色偏光子による有用偏光成分の反射率は８０％であった。
【００４９】
このように、全ての例は非吸収成分の透過性（反射性）の値が同一でありながら、電磁線の偏光の度合いが増加することにより二色偏光子の効率が改良されていることを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】プロトタイプによる二色偏光子のスキームを示す。
【図２】本発明による反射タイプの二色偏光子のスキームを示す。
【図３】本発明による透過光二色偏光子のスキームを示す。

Claims

基材および電磁線を二色性をもって吸収する層を含む二色偏光子であり、２層の反射性コーティングが導入されており、そのうちの少なくとも１層が部分的に透過性であり、前記電磁線を二色性をもって吸収する層はこの２層の反射性コーティングの間に配置されている、二色偏光子。
前記反射性コーティングの両方が部分的に透過性である、請求項１記載の二色偏光子。
電磁線を二色性をもって吸収する層の材料および厚さ、並びに、反射性コーティングの材料および厚さは、二色偏光子の出口において、少なくとも１つの波長の値に対する電磁線の吸収成分が干渉最小値となる要件により選択される、請求項１記載の二色偏光子。
電磁線を反射するコーティングの少なくとも１つが金属からできている、請求項１または２または３記載の二色偏光子。
電磁線を反射するコーティングの少なくとも１つが、低屈折率の材料と高屈折率の材料の交互の層の多層誘電体ミラーからできている、請求項１または２または３記載の二色偏光子。
電磁線を二色性をもって吸収する層はリオトロピック液晶状態から適用された少なくとも１種の二色性染料の配向された層からできている、請求項１または２または３または４または５記載の二色偏光子。