RU2140094C1 - Optical polarizer - Google Patents
Optical polarizer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2140094C1 RU2140094C1 RU98101616A RU98101616A RU2140094C1 RU 2140094 C1 RU2140094 C1 RU 2140094C1 RU 98101616 A RU98101616 A RU 98101616A RU 98101616 A RU98101616 A RU 98101616A RU 2140094 C1 RU2140094 C1 RU 2140094C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- optical polarizer
- refractive index
- birefringent
- birefringent layer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Polarising Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптике, а именно к оптическим поляризаторам, которые могут быть использованы в жидкокристаллических дисплеях, в поляризационных очках, в автомобилях и других средствах передвижения, а также в стеклах для строительства, в осветительной аппаратуре, в оптическом приборостроении. The invention relates to optics, namely to optical polarizers that can be used in liquid crystal displays, in polarizing glasses, in cars and other vehicles, as well as in glasses for construction, in lighting equipment, in optical instrument making.
Используемые в настоящее время дихроичные оптические поляризаторы представляют собой ориентированную одноосным растяжением полимерную пленку, окрашенную в массе дихроичными органическими красителями или соединениями иода. В качестве полимера используют в основном поливиниловый спирт (ПВС) [1]. Иодные поляризаторы на основе ПВС, окрашенного иодом, имеют наиболее высокие поляризационные характеристики и находят широкое применение в производстве жидкокристаллических индикаторов для часов и калькуляторов, экранов для портативных компьютеров и т.п. The dichroic optical polarizers currently in use are a polymer film oriented uniaxially by tension, dyed in bulk by dichroic organic dyes or iodine compounds. Polyvinyl alcohol (PVA) is mainly used as a polymer [1]. Iodine polarizers based on PVA, stained with iodine, have the highest polarization characteristics and are widely used in the manufacture of liquid crystal indicators for watches and calculators, screens for laptop computers, etc.
При прохождении неполяризованного света через дихроичный оптический поляризатор [1] одна линейно поляризованная компонента, плоскость колебаний которой параллельна оси поглощения, практически полностью поглощается. Другая ортогональная линейно поляризованная компонента, т.е. та, в которой плоскость колебаний перпендикулярна оси поглощения, проходит через оптический поляризатор, испытывая значительно меньшее поглощение. Таким образом, осуществляется поляризация проходящего света. Иодные поляризаторы представляют собой многослойные пленки, которые включают наряду с поляризующим слоем также армирующие, клеевые и защитные слои. When non-polarized light passes through a dichroic optical polarizer [1], one linearly polarized component, the plane of oscillation of which is parallel to the absorption axis, is almost completely absorbed. Another orthogonal linearly polarized component, i.e. the one in which the oscillation plane is perpendicular to the absorption axis passes through the optical polarizer, experiencing significantly less absorption. Thus, the transmitted light is polarized. Iodine polarizers are multilayer films that include, along with the polarizing layer, also reinforcing, adhesive and protective layers.
Недостатками указанных пленочных дихроичных поляризаторов наряду со сравнительно высокой стоимостью, обусловленной сложностью их изготовления, является их низкая термо- и светостойкость. The disadvantages of these film dichroic polarizers, along with the relatively high cost due to the complexity of their manufacture, is their low heat and light resistance.
Аналогом заявляемого оптического поляризатора может служить также дихроичный поляризатор света (ДПС), представляющий собой подложку с нанесенной на нее тонкой пленкой молекулярно упорядоченного слоя дихроичных красителей, представляющих собой сульфокислоты или их неорганические соли азо- и полициклических соединений или их смеси, которые способны к образованию стабильной лиотропной жидкокристаллической фазы, что позволяет получать на их основе стабильные лиотропные жидкие кристаллы (ЛЖК) и композиции на их основе [2]. An analogue of the claimed optical polarizer can also be a dichroic light polarizer (DPS), which is a substrate coated with a thin film of a molecularly ordered layer of dichroic dyes, which are sulfonic acids or their inorganic salts of azo- and polycyclic compounds or mixtures thereof, which are capable of forming stable lyotropic liquid crystalline phase, which allows to obtain stable lyotropic liquid crystals (VFA) and compositions based on them [2].
Для изготовления известного поляризатора [2] на поверхность подложки наносят красители при их одновременным механическом ориентировании с последующим испарением растворителя. При этом на поверхности подложки образуется пленка толщиной 0.1-1.5 мкм молекулярно упорядоченного слоя красителя - поляризующее покрытие, способное поляризовать свет. For the manufacture of the known polarizer [2], dyes are applied to the surface of the substrate with simultaneous mechanical orientation followed by evaporation of the solvent. In this case, a film 0.1–1.5 μm thick of a molecularly ordered dye layer is formed on the surface of the substrate — a polarizing coating capable of polarizing light.
Известный поляризатор [2] обладает более высокой термо- и светостойкостью по сравнению с йодными поляризаторами, однако имеет более низкие поляризационные характеристики. The known polarizer [2] has a higher thermal and light resistance compared to iodine polarizers, however, it has lower polarization characteristics.
Известны также оптические поляризаторы, "работающие" за счет других физических явлений, например, за счет разного коэффициента отражения света, имеющего различные поляризации. Поляризаторы такого типа называются отражательными, в них используются явления поляризации света как при падении и отражении световых пучков от поверхности любых диэлектрических материалов под наклонными углами, близкими к углу Брюстера, так и при нормальном (перпендикулярном к поверхности) падении и отражении света от поверхности двулучепреломляющих материалов. Улучшение поляризующих свойств достигается при использовании многослойных конструкций отражательных поляризаторов. Optical polarizers are also known that “work” due to other physical phenomena, for example, due to different light reflection coefficients having different polarizations. Polarizers of this type are called reflective, they use the phenomena of light polarization both during the incidence and reflection of light beams from the surface of any dielectric materials at oblique angles close to the Brewster angle, and during normal (perpendicular to the surface) incidence and reflection of light from the surface of birefringent materials . Improving polarizing properties is achieved using multilayer structures of reflective polarizers.
Наиболее близким по технической сущности является известный оптический поляризатор [3], включающий по крайней мере один двулучепреломляющий слой с толщиной, при которой реализуется интерференционный экстремум на выходе оптического поляризатора по крайней мере для одной линейно поляризованной компоненты света. Такой поляризатор включает чередующиеся слои двух прозрачных (непоглощающих в диапазоне рабочих длин волн) полимерных материалов, по крайней мере один из которых двулучепреломляющий. Двулучепреломление в указанном полимерном материале образуется при вытяжке пленки, изготовленной из этого материала, в одном направлении в 2-10 раз. Другой слой полимерного материала, чередующийся послойно с двулучепреломляющим слоем, является оптически изотропным. Обыкновенный показатель преломления двулучепреломляющего слоя равен показателю преломления оптически изотропного слоя. Необыкновенный показатель преломления двулучепреломляющего слоя отличается от показателя преломления оптически изотропного слоя. The closest in technical essence is the known optical polarizer [3], which includes at least one birefringent layer with a thickness at which an interference extremum is realized at the output of the optical polarizer for at least one linearly polarized light component. Such a polarizer includes alternating layers of two transparent (non-absorbing in the range of operating wavelengths) polymer materials, at least one of which is birefringent. Birefringence in the specified polymer material is formed by drawing a film made of this material in one direction by 2-10 times. Another layer of polymer material, alternating in layers with a birefringent layer, is optically isotropic. The ordinary refractive index of the birefringent layer is equal to the refractive index of the optically isotropic layer. The unusual refractive index of the birefringent layer differs from the refractive index of the optically isotropic layer.
Принцип работы известного оптического поляризатора заключается в следующем. Одна линейно поляризованная компонента неполяризованного света, которой соответствует необыкновенный (больший) показатель преломления двулучепреломляющего слоя, существенно отражается от многослойного оптического поляризатора за счет различия показателей преломления на границах двулучепреломляющего и оптически изотропного полимерных слоев. При толщинах слоев порядка длины волны света световые лучи, отраженные от границ слоев, интерферируют друг с другом. При соответствующем подборе толщин слоев и их показателей преломления оптическая разность хода между волнами, отраженными от границ слоев, составляет целое число длин волн, т.е. результатом интерференции отраженных волн будет интерференционный максимум, приводящий к их взаимному усилению. В этом случае отражение линейно поляризованной компоненты неполяризованного света, которой соответствует необыкновенный (больший) показатель преломления двулучепреломляющего слоя, значительно усиливается. The principle of operation of the known optical polarizer is as follows. One linearly polarized component of non-polarized light, which corresponds to an unusual (larger) refractive index of the birefringent layer, is significantly reflected from the multilayer optical polarizer due to the difference in the refractive indices at the boundaries of the birefringent and optically isotropic polymer layers. At layer thicknesses of the order of the wavelength of light, light rays reflected from the boundaries of the layers interfere with each other. With an appropriate selection of layer thicknesses and their refractive indices, the optical path difference between the waves reflected from the boundaries of the layers is an integer number of wavelengths, i.e. the result of the interference of the reflected waves will be the interference maximum, leading to their mutual amplification. In this case, the reflection of the linearly polarized component of unpolarized light, which corresponds to an extraordinary (larger) refractive index of the birefringent layer, is significantly enhanced.
Обыкновенный (меньший) показатель преломления двулучепреломляющего слоя выбирается существенно равным показателю преломления оптически изотропного полимерного слоя, т. е. нет различия (скачков) показателей преломления на границах двулучепреломляющего и оптически изотропного полимерных слоев. Поэтому другая линейно поляризованная компонента падающего неполяризованного света, которой соответствует обыкновенный (меньший) показатель преломления двулучепреломляющего слоя, проходит через многослойный оптический поляризатор полностью, без каких-либо отражений. The ordinary (lower) refractive index of the birefringent layer is chosen to be substantially equal to the refractive index of the optically isotropic polymer layer, i.e., there are no differences (jumps) in the refractive indices at the boundaries of the birefringent and optically isotropic polymer layers. Therefore, another linearly polarized component of the incident unpolarized light, which corresponds to an ordinary (lower) refractive index of the birefringent layer, passes through the multilayer optical polarizer completely, without any reflections.
Таким образом, при падении неполяризованного света на известный оптический поляризатор одна линейно поляризованная компонента отражается, а другая линейно поляризованная компонента проходит через оптический поляризатор, т. е. происходит поляризация света как для проходящего, так и для отраженного света. Thus, when non-polarized light is incident on a known optical polarizer, one linearly polarized component is reflected, and the other linearly polarized component passes through the optical polarizer, i.e., light is polarized for both transmitted and reflected light.
Известный оптический поляризатор [3] является комбинированным и содержит также дополнительно дихроичный поляризатор со слабыми поглощением и дихроизмом, оптически позиционированный с отражательным оптическим поляризатором. Роль дополнительного дихроичного поляризатора, ось пропускания которого параллельна оси пропускания отражательного оптического поляризатора, сводится к устранению отражений внешнего света при работе комбинированного оптического поляризатора "на просвет". The known optical polarizer [3] is combined and also contains an additional dichroic polarizer with weak absorption and dichroism, optically positioned with a reflective optical polarizer. The role of the additional dichroic polarizer, the transmission axis of which is parallel to the transmission axis of the reflective optical polarizer, is reduced to eliminating reflections of external light during operation of the combined optical polarizer "in the light".
Одним из недостатков известного оптического поляризатора является сравнительно сильная спектральная зависимость его оптических характеристик, т.е. зависимость поляризующей способности и коэффициента отражения (и пропускания) от длины волны поляризуемого света. Этот недостаток обусловлен тем, что показатели преломления в используемых материалах убывают при увеличении длины волны поляризуемого света. One of the disadvantages of the known optical polarizer is the relatively strong spectral dependence of its optical characteristics, i.e. dependence of polarizing ability and reflection coefficient (and transmittance) on the wavelength of polarized light. This disadvantage is due to the fact that the refractive indices in the materials used decrease with increasing wavelength of polarized light.
Другим недостатком известного оптического поляризатора [3] является необходимость использования большого количества чередующихся слоев, обусловленная тем, что максимальная величина двулучепреломления (разница между необыкновенным и обыкновенным показателем преломления двулучепреломляющего материала) в прозрачных полимерных материалах мала и обычно не превышает 0,1-0,2. Поэтому коэффициент отражения от границ слоев мал, и для получения высокого отражения в целом от оптического поляризатора необходимо использовать большое количество (100-600) слоев, нанесение которых представляет огромной сложности задачу и требует специального прецизионного оборудования. Another disadvantage of the known optical polarizer [3] is the need to use a large number of alternating layers, due to the fact that the maximum birefringence (the difference between the unusual and ordinary refractive index of the birefringent material) in transparent polymeric materials is small and usually does not exceed 0.1-0.2 . Therefore, the reflection coefficient from the boundaries of the layers is small, and to obtain high reflection in general from the optical polarizer, it is necessary to use a large number (100-600) layers, the application of which is of great difficulty and requires special precision equipment.
Вторая причина необходимости использования большого количества слоев в оптическом поляризаторе по прототипу заключается в следующем. Для поляризации света в широком диапазоне длин волн в многослойном покрытии нужно иметь много пар чередующихся слоев или групп пар с разными толщинами с целью "настройки" каждой группы пар на "свою" длину волны из широкого спектрального интервала. The second reason for the need to use a large number of layers in an optical polarizer according to the prototype is as follows. To polarize light in a wide range of wavelengths in a multilayer coating, you need to have many pairs of alternating layers or groups of pairs with different thicknesses in order to "tune" each group of pairs to "their" wavelength from a wide spectral range.
Тем не менее, даже при использовании большого количества групп пар слоев, каждая из которых настроена на свою длину волны, оптические характеристики известного оптического поляризатора сравнительно сильно зависят от длины волны поляризуемого света. However, even when using a large number of groups of pairs of layers, each of which is tuned to its own wavelength, the optical characteristics of the known optical polarizer are relatively strongly dependent on the wavelength of the polarized light.
Задачей изобретения является создание оптического поляризатора, обеспечивающего высокие поляризационные характеристики в широкой спектральной области при использовании количества слоев не более 10. The objective of the invention is to provide an optical polarizer that provides high polarization characteristics in a wide spectral region when using the number of layers of not more than 10.
Поставленная задача решается в оптическом поляризаторе, отличающемся тем, что по крайней мере один двулучепреломляющий слой является анизотропно поглощающим и имеет по крайней мере один показатель преломления, возрастающий при увеличении длины волны поляризуемого света по крайней мере в некотором диапазоне длин волн. The problem is solved in an optical polarizer, characterized in that at least one birefringent layer is anisotropically absorbing and has at least one refractive index that increases with increasing wavelength of polarized light in at least a certain wavelength range.
Существенным признаком изобретения является по крайней мере один двулучепреломляющий слой с толщиной, при которой реализуется интерференционный экстремум на выходе оптического поляризатора по крайней мере для одной линейно поляризованной компоненты света. Толщина двулучепреломляющего слоя выбирается также в зависимости от типа материала, используемого для изготовления слоя. An essential feature of the invention is at least one birefringent layer with a thickness at which an interference extremum is realized at the output of the optical polarizer for at least one linearly polarized light component. The thickness of the birefringent layer is also selected depending on the type of material used to make the layer.
Отличительным признаком изобретения является по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой, который имеет по крайней мере один показатель преломления, возрастающий при увеличении длины волны поляризуемого света. При этом, во-первых, значительно увеличивается величина по крайней мере одного показателя преломления и резко уменьшается необходимое количество слоев. Во-вторых, значительно уменьшается и в оптимальном варианте полностью устраняется зависимость условий получения интерференционных экстремумов (максимумов и минимумов) от длины волны света, что обеспечивает высокие поляризационные характеристики оптического поляризатора в широкой спектральной области. A distinctive feature of the invention is at least one anisotropically absorbing birefringent layer, which has at least one refractive index, increasing with increasing wavelength of polarized light. In this case, firstly, the magnitude of at least one refractive index increases significantly and the required number of layers sharply decreases. Secondly, the dependence of the conditions for obtaining interference extrema (maxima and minima) on the wavelength of light is significantly reduced and, in the best case, completely eliminated, which ensures high polarization characteristics of the optical polarizer in a wide spectral region.
Вариантами выполнения оптического поляризатора по изобретению, отличающегося тем, что по крайней мере один двулучепреломляющий слой является анизотропно поглощающим и имеет по крайней мере один показатель преломления, возрастающий при увеличении длины волны поляризуемого света по крайней мере в некотором диапазоне длин волн, являются:
1. Оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой изготовлен из материала, выбранного из числа низкомолекулярных термотропных жидкокристаллических веществ или их смесей, представляющих собой дихроичные красители или содержащих в качестве компоненты жидкокристаллические и/или нежидкокристаллические дихроичные красители.Embodiments of the optical polarizer according to the invention, characterized in that at least one birefringent layer is anisotropically absorbing and has at least one refractive index, increasing with increasing wavelength of polarized light in at least a certain wavelength range, are:
1. An optical polarizer, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer is made of a material selected from among low molecular weight thermotropic liquid crystal substances or mixtures thereof, which are dichroic dyes or containing liquid crystalline and / or non-liquid dichroic dyes as components.
2. Оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой изготовлен из материала, выбранного из числа полимерных термотропных жидкокристаллических или нежидкокристаллических веществ или их смесей, содержащих растворенные в массе и/или химически связанные с полимерной цепью дихроичные красители, и имеет толщину менее 0,2 мкм. 2. An optical polarizer, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer is made of a material selected from a number of polymer thermotropic liquid crystalline or non-liquid crystalline substances or mixtures thereof containing dichroic dyes dissolved in the mass and / or chemically bonded to the polymer chain, and has a thickness of less than 0.2 microns.
3. Оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой представляет собой ориентированную пленку нежидкокристаллических полимерных материалов с регулируемой степенью гидрофильности, окрашенных дихроичными красителями и/или соединениями иода. 3. An optical polarizer, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer is an oriented film of non-liquid crystalline polymer materials with an adjustable degree of hydrophilicity, stained with dichroic dyes and / or iodine compounds.
4. Оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой сформирован из дихроичных органических красителей полимерного строения. 4. An optical polarizer, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer is formed of dichroic organic dyes of a polymer structure.
5. Оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой представляет собой ориентированный молекулярно упорядоченный слой органических солей дихроичных анионных красителей. 5. An optical polarizer, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer is an oriented molecularly ordered layer of organic salts of dichroic anionic dyes.
6. Оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой представляет собой ориентированный молекулярно упорядоченный слой толщиной менее 0.1 мкм дихроичных красителей, способных к образованию лиотропной жидкокристаллической фазы. 6. An optical polarizer, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer is an oriented molecularly ordered layer with a thickness of less than 0.1 μm of dichroic dyes capable of forming a lyotropic liquid crystal phase.
7. Оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой представляет собой ориентированный молекулярно упорядоченный слой толщиной менее 0.1 мкм дихроичных красителей полимерного строения, способных к образованию лиотропной жидкокристаллической фазы. 7. An optical polarizer, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer is an oriented molecularly ordered layer with a thickness of less than 0.1 μm of dichroic dyes of a polymer structure capable of forming a lyotropic liquid crystal phase.
8. Оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой представляет собой ориентированный молекулярно упорядоченный слой толщиной менее 0.1 мкм дихроичных красителей или их смесей, способных к образованию стабильной лиотропной жидкокристаллической фазы. 8. An optical polarizer, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer is an oriented molecularly ordered layer with a thickness of less than 0.1 μm of dichroic dyes or mixtures thereof capable of forming a stable lyotropic liquid crystal phase.
Перечисленными вариантами не ограничиваются возможности использования других материалов для формирования анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев для предлагаемого оптического поляризатора. The listed options are not limited to the possibility of using other materials to form anisotropically absorbing birefringent layers for the proposed optical polarizer.
Анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой в предлагаемом оптическом поляризаторе может быть как твердым, так и жидким. The anisotropic absorbing birefringent layer in the proposed optical polarizer can be either solid or liquid.
Использование по крайней мере одного анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя хотя и вызывает небольшие потери света в оптическом поляризаторе, однако эти потери малы, особенно в слоях толщиной менее 0,1 мкм, и достигаемый технический результат - обеспечение высоких поляризационных характеристик в широкой спектральной области при использовании количества слоев не более 10 - компенсирует эти потери. The use of at least one anisotropic absorbing birefringent layer, although it causes small losses of light in the optical polarizer, however, these losses are small, especially in layers with a thickness of less than 0.1 μm, and the technical result achieved is the provision of high polarization characteristics in a wide spectral region when using the amount layers no more than 10 - compensates for these losses.
Выбор методов изготовления оптического поляризатора по изобретению зависит от вида материалов, используемых для анизотропно поглощающих двулучепреломляющих и других слоев, и не влияет на суть изобретения. The choice of methods for manufacturing the optical polarizer according to the invention depends on the type of materials used for anisotropically absorbing birefringent and other layers, and does not affect the essence of the invention.
Для формирования анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев, могут быть применены следующие стандартные способы: нанесение валиком, ракельным ножом, ракелем в форме невращающегося цилиндра, нанесение с помощью щелевой фильеры и другие. В ряде случаев после нанесения слой подвергается сушке с целью удаления растворителей. В других случаях, например для термопластичных полимерных материалов и стеклующихся материалов, нанесенный слой охлаждается после нанесения. To form anisotropically absorbing birefringent layers, the following standard methods can be applied: applying with a roller, doctor blade, doctor blade in the form of a non-rotating cylinder, applying using a slotted die and others. In some cases, after application, the layer is dried to remove solvents. In other cases, for example for thermoplastic polymeric materials and glass materials, the applied layer is cooled after application.
Другими методами, которые можно использовать для получения анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев из материалов, образующих в процессе нанесения жидкокристаллической фазы, является нанесение этого материала на подложку, изначально подготовленную для ориентации жидкокристаллической фазы [4] . Одним из таких методов служит однонаправленное натирание подложки или предварительно нанесенного на нее тонкого полимерного слоя, известное и применяемое для ориентации термотропных низкомолекулярных жидкокристаллических смесей при изготовлении ЖК-дисплеев. Other methods that can be used to obtain anisotropically absorbing birefringent layers from materials that form during the deposition of a liquid crystal phase are the deposition of this material on a substrate that was originally prepared to orient the liquid crystal phase [4]. One of these methods is the unidirectional rubbing of a substrate or a pre-applied thin polymer layer, known and used to orient thermotropic low molecular weight liquid crystal mixtures in the manufacture of LCD displays.
Еще один метод получения анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев - это известный метод фотоориентации предварительно нанесенного тем или иным способом слоя с помощью облучения его линейно поляризованным ультрафиолетовым светом. Another method for producing anisotropically absorbing birefringent layers is the well-known method of photoorienting a layer previously applied in one way or another by irradiating it with linearly polarized ultraviolet light.
Для нанесения анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев из термотропных полимерных материалов могут быть применены экструдеры, в том числе имеющие несколько плоских фильер и позволяющие наносить за один проход сразу несколько слоев разных полимерных материалов требуемой толщины. Extruders can be used to apply anisotropically absorbing birefringent layers of thermotropic polymeric materials, including those having several flat dies and allowing several layers of different polymeric materials of the required thickness to be deposited at once.
Здесь и далее под понятием свет и "оптический" (поляризатор) имеется в виду электромагнитное излучение видимого, ближнего ультрафиолетового и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн, т.е. диапазона от 250-300 нм до 1.000-2.000 нм (от 0,25-0,3 до 1-2 мкм). Hereinafter, the term light and “optical” (polarizer) refers to electromagnetic radiation from the visible, near ultraviolet and near infrared wavelength ranges, i.e. range from 250-300 nm to 1.000-2.000 nm (from 0.25-0.3 to 1-2 microns).
Здесь и далее говорится про плоский слой исключительно для простоты понимания. Без потери общности мы имеем в виду также оптический поляризатор, имеющий слои различной формы: цилиндрические, сферические и других более сложных форм. Кроме того, предлагаемый оптический поляризатор может быть выполнен как конструкционно единым и изолированным, так и нанесенным на различные подложки или между подложками. Hereinafter, it is said about a flat layer solely for ease of understanding. Without loss of generality, we also mean an optical polarizer having layers of various shapes: cylindrical, spherical, and other more complex shapes. In addition, the proposed optical polarizer can be made as structurally uniform and isolated, and applied to various substrates or between substrates.
Двулучепреломляющими называют слои, имеющие по крайней мере два различных показателя преломления: необыкновенный ne для одной линейно поляризованной компоненты света и обыкновенный no для другой ортогональной линейно поляризованной компоненты света. Величина Δ n = ne - no называется анизотропией показателя преломления или, проще, оптической анизотропией. Здесь и далее полагается, что оптические оси, которым соответствуют необыкновенный и обыкновенный показатели преломления ортогональны и расположены в плоскости слоя. Оптическая ось, которой соответствует необыкновенный показатель преломления ne, выделена тем или иным способом. Например, этой осью может быть направление вытяжки слоя полимерного материала или директор в ориентированном нематическом жидком кристалле. Такой двулучепреломляющий слой в смысле кристаллооптики соответствует оптически одноосной пластинке, вырезанной параллельно главной оси. Здесь и далее рассматриваются для примера оптически положительные двулучепреломляющие слои, в которых ne > no. Без потери общности все выводы относятся также к оптически отрицательным двулучепреломляющим слоям, в которых ne < no.Birefringent layers are those having at least two different refractive indices: extraordinary n e for one linearly polarized light component and ordinary n o for another orthogonal linearly polarized light component. The value Δ n = n e - n o is called the anisotropy of the refractive index or, more simply, optical anisotropy. Hereinafter, it is assumed that the optical axes to which the extraordinary and ordinary refractive indices correspond are orthogonal and are located in the layer plane. The optical axis, which corresponds to an extraordinary refractive index n e , is highlighted in one way or another. For example, this axis may be the direction of drawing of the layer of polymer material or the director in an oriented nematic liquid crystal. Such a birefringent layer in the sense of crystal optics corresponds to an optically uniaxial plate cut parallel to the main axis. Hereinafter, we will consider, for example, optically positive birefringent layers in which n e > n o . Without loss of generality, all conclusions also apply to optically negative birefringent layers in which n e <n o .
В более общем случае, например для оптически двуосных слоев, существуют три различных показателя преломления nx = ne, ny = no, nz. Показатель преломления nx соответствует направлению колебаний в световой волне, параллельному плоскости слоя и направленному вдоль выделенного тем или иным способом направления X в плоскости слоя, ny - направлению Y колебаний в световой волне, также параллельному плоскости слоя, но перпендикулярному направлению X, nz - направлению Z колебаний в световой волне, перпендикулярному плоскости слоя. В зависимости от способа изготовления двулучепреломляющих слоев и типа используемых материалов соотношение величин показателей преломления nx, ny, nz может быть различным.In a more general case, for example for optically biaxial layers, there are three different refractive indices n x = n e , n y = n o , n z . The refractive index n x corresponds to the direction of oscillations in the light wave parallel to the plane of the layer and directed along the X direction selected in one way or another in the plane of the layer, n y to the direction Y of oscillations in the light wave, also parallel to the plane of the layer, but perpendicular to the direction X, n z - the direction Z of the oscillations in the light wave perpendicular to the plane of the layer. Depending on the method of manufacturing birefringent layers and the type of materials used, the ratio of the refractive indices n x , n y , n z can be different.
По крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой в предлагаемом оптическом поляризаторе может иметь один, два или все три показателя преломления, возрастающие при увеличении длины волны поляризуемого света по крайней мере в некотором диапазоне длин волн. At least one anisotropic absorbing birefringent layer in the proposed optical polarizer may have one, two, or all three refractive indices increasing with increasing wavelength of polarized light in at least a certain wavelength range.
Наиболее предпочтительно использовать оптический поляризатор по изобретению, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой имеет по крайней мере один показатель преломления, прямо пропорциональный длине волны поляризуемого света по крайней мере в некотором диапазоне длин волн. Например, если в формуле 2dne = m λ (где d - толщина анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя, m - порядок интерференции), соответствующей условию интерференционного максимума, необыкновенный показатель преломления ne будет прямо пропорционален длине волны света, т.е. ne = A λ (где A - коэффициент пропорциональности), то длина волны "сокращается", а это означает, что условие, в данном случае интерференционного максимума, выполняется для всех длин волн и, более того, для всех порядков интерференции, т.е. для всех значений m. Сверх того, при другой толщине слоя этого же материала можно аналогично получить независимость от длины волны света условия интерференционного минимума. Прямая пропорциональность показателя преломления длине волны света является более строгим требованием (условием), чем простое возрастание показателя преломления при увеличении длины волны света.It is most preferable to use the optical polarizer according to the invention, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer has at least one refractive index directly proportional to the wavelength of the polarized light in at least a certain wavelength range. For example, if in the formula 2dn e = m λ (where d is the thickness of the anisotropic absorbing birefringent layer, m is the interference order) corresponding to the interference maximum condition, the extraordinary refractive index n e will be directly proportional to the wavelength of light, i.e. n e = A λ (where A is the coefficient of proportionality), then the wavelength is “shortened,” which means that the condition, in this case the interference maximum, is satisfied for all wavelengths and, moreover, for all orders of interference, t. e. for all values of m. Moreover, with a different layer thickness of the same material, it is possible to similarly obtain the independence of the interference minimum condition from the light wavelength. Direct proportionality of the refractive index to the wavelength of light is a more stringent requirement (condition) than a simple increase in the refractive index with increasing wavelength of light.
Предпочтительным по изобретению является оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой имеет максимальную величину по крайней мере одного показателя преломления не менее 1,9. При этом необходимое число слоев не превышает 10, а спектральная область с высокими поляризационными характеристиками расширяется более, чем в три раза по сравнению с прототипом. Preferred according to the invention is an optical polarizer, characterized in that at least one anisotropic absorbing birefringent layer has a maximum value of at least one refractive index of at least 1.9. In this case, the required number of layers does not exceed 10, and the spectral region with high polarization characteristics expands more than three times in comparison with the prototype.
Эксперименты и оценки показали также, что предпочтительным является оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой имеет максимальный показатель поглощения не менее 0,1. Experiments and estimates have also shown that an optical polarizer is preferable, characterized in that at least one anisotropically absorbing birefringent layer has a maximum absorption index of at least 0.1.
Оптимальным является оптический поляризатор, отличающийся тем, что толщины анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев выбираются из условия получения на выходе оптического поляризатора интерференционного минимума для одной линейно поляризованной компоненты света и, одновременно, интерференционного максимума для другой ортогональной линейно поляризованной компоненты света. Действительно, особенностью двулучепреломляющих слоев является сам факт существования по крайней мере двух различных по значению показателей преломления, например, nx и ny, соответствующих осям X и Y, расположенным в плоскости слоя. Благодаря этому факту, можно выбрать толщину слоя и порядок интерференции (число m) так, чтобы на выходе оптического поляризатора получался интерференционный минимум для одной линейно поляризованной компоненты и, одновременно, интерференционный максимум для другой ортогональной линейно поляризованной компоненты света. Интерференционный минимум может соответствовать обыкновенному показателю преломления, при этом интерференционный максимум обусловлен, соответственно, необыкновенным показателем преломления. Возможна также обратная ситуация, когда интерференционный минимум соответствует необыкновенному показателю преломления, при этом интерференционный максимум обусловлен, соответственно, обыкновенным показателем преломления.An optical polarizer is optimal, characterized in that the thicknesses of the anisotropically absorbing birefringent layers are selected from the condition that an interference minimum for one linearly polarized light component and, at the same time, an interference maximum for another orthogonal linearly polarized light component are obtained at the output of the optical polarizer. Indeed, a feature of birefringent layers is the very fact of the existence of at least two different refractive indices, for example, n x and n y , corresponding to the X and Y axes located in the plane of the layer. Due to this fact, it is possible to choose the layer thickness and the order of interference (number m) so that the output of the optical polarizer produces an interference minimum for one linearly polarized component and, at the same time, an interference maximum for another orthogonal linearly polarized light component. The interference minimum may correspond to an ordinary refractive index, while the interference maximum is due, respectively, to an unusual refractive index. The opposite situation is also possible, when the interference minimum corresponds to an extraordinary refractive index, while the interference maximum is due, respectively, to an ordinary refractive index.
Предпочтителен также оптический поляризатор, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере два слоя, по крайней мере один из которых анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой, а другой слой оптически изотропный, причем один показатель преломления двулучепреломляющего слоя отличается от показателя преломления оптически изотропного слоя, а другой показатель преломления анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя совпадает или близок с показателем преломления оптически изотропного слоя. An optical polarizer is also preferred, characterized in that it contains at least two layers, at least one of which is an anisotropically absorbing birefringent layer, and the other layer is optically isotropic, and one refractive index of the birefringent layer differs from the refractive index of the optically isotropic layer and the other the refractive index of the anisotropic absorbing birefringent layer coincides or is close to the refractive index of the optically isotropic layer.
В этом варианте одна линейно поляризованная компонента падающего неполяризованного света, которой соответствует необыкновенный (больший) показатель преломления анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя, существенно отражается от многослойного оптического поляризатора за счет различия показателей преломления на границах слоев. При соответствующем подборе толщин слоев и их показателей преломления оптическая разность хода между волнами, отраженными от границ одного и того же анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя, составляет целое число длин волн, т.е. результатом их интерференции будет интерференционный максимум, приводящий к взаимному усилению отраженных волн. При этом оптические толщины слоев оптически изотропного материала могут быть как значительно больше длины волны, так и порядка длины волны. В результате отражение линейно поляризованной компоненты неполяризованного света, которой соответствует необыкновенный (больший) показатель преломления анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев значительно усиливается. In this embodiment, one linearly polarized component of the incident non-polarized light, which corresponds to an extraordinary (larger) refractive index of the anisotropic absorbing birefringent layer, is significantly reflected from the multilayer optical polarizer due to the difference in refractive indices at the boundaries of the layers. With an appropriate selection of the layer thicknesses and their refractive indices, the optical path difference between the waves reflected from the boundaries of the same anisotropic absorbing birefringent layer is an integer number of wavelengths, i.e. The result of their interference will be the interference maximum, leading to the mutual amplification of the reflected waves. In this case, the optical thicknesses of the layers of an optically isotropic material can be both significantly larger than the wavelength and of the order of the wavelength. As a result, the reflection of the linearly polarized component of non-polarized light, which corresponds to an extraordinary (larger) refractive index of anisotropically absorbing birefringent layers, is significantly enhanced.
Обыкновенный (меньший) показатель преломления анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев совпадает или близок показателю преломления оптически изотропного слоя, т.е. нет различия (скачков) показателей преломления на границах слоев. Поэтому другая линейно поляризованная компонента падающего неполяризованного света, которой соответствует обыкновенный (меньший) показатель преломления анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя, проходит через многослойный оптический поляризатор полностью, без каких-либо отражений. The ordinary (lower) refractive index of anisotropically absorbing birefringent layers coincides or is close to the refractive index of an optically isotropic layer, i.e. there are no differences (jumps) in the refractive indices at the boundaries of the layers. Therefore, another linearly polarized component of the incident unpolarized light, which corresponds to the ordinary (lower) refractive index of the anisotropic absorbing birefringent layer, passes through the multilayer optical polarizer completely, without any reflections.
Другим вариантом по изобретению служит оптический поляризатор, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере два различных двулучепреломляющих слоя, по крайней мере один из которых анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой, причем один показатель преломления анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя отличается от одного показателя преломления другого двулучепреломляющего слоя, а другой показатель преломления анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя совпадает или близок с другим показателем преломления другого двулучепреломляющего слоя. Another embodiment of the invention is an optical polarizer, characterized in that it contains at least two different birefringent layers, at least one of which is an anisotropically absorbing birefringent layer, wherein one refractive index of the anisotropic absorbing birefringent layer differs from one refractive index of the other birefringent layer, and another refractive index of the anisotropic absorbing birefringent layer coincides or is close to another refractive index another birefringent layer.
Большое влияние на результат интерференции оказывает соотношение интенсивностей, а значит и амплитуд электрических полей интерферирующих лучей. Известно, что минимальное значение интенсивности в интерференционном минимуме (теоретически равное нулю) может быть получено в случае их равенства. Поэтому целесообразно обеспечить максимально достижимое выравнивание амплитуд интерферирующих лучей для условий интерференционного минимума, что обеспечивает максимальное "гашение" лучей соответствующей компоненты неполяризованного света. Для получения оптимального результата интерференции для условий интерференционного максимума необходимо увеличивать коэффициенты отражения от каждой границы слоев. The ratio of intensities, and hence the amplitudes of the electric fields of the interfering rays, has a great influence on the result of interference. It is known that the minimum value of intensity in the interference minimum (theoretically equal to zero) can be obtained if they are equal. Therefore, it is advisable to ensure the maximum achievable alignment of the amplitudes of the interfering rays for the conditions of the interference minimum, which ensures the maximum "damping" of the rays of the corresponding component of unpolarized light. To obtain the optimal result of interference for the conditions of the interference maximum, it is necessary to increase the reflection coefficients from each layer boundary.
Предлагаемый оптический поляризатор может быть выполнен как комбинированным, т.е. работающим как "на отражение", так и "на пропускание", так и для работы только "на отражение". В этих случаях вариантом выполнения является оптический поляризатор, отличающийся тем, что на одну его сторону дополнительно нанесено светоотражающее покрытие. Предпочтительным является оптический поляризатор, отличающийся тем, что светоотражающее покрытие выполнено металлическим. Нанесение светоотражающего покрытия позволяет также выбирать оптимальные для интерференции коэффициенты отражения от границ оптического поляризатора. The proposed optical polarizer can be performed as combined, i.e. working both for reflection and transmission, and for working only for reflection. In these cases, an embodiment is an optical polarizer, characterized in that a reflective coating is additionally applied to one side thereof. An optical polarizer is preferred, characterized in that the reflective coating is made of metal. The application of a reflective coating also makes it possible to choose reflection coefficients optimal for interference from the boundaries of the optical polarizer.
При нанесении оптического поляризатора на подложку первым со стороны подложки может быть нанесено как светоотражающее покрытие (зеркало полностью или частично отражающее), так и сам оптический поляризатор. When applying an optical polarizer to the substrate, both the reflective coating (the mirror fully or partially reflecting) and the optical polarizer itself can be applied first from the side of the substrate.
Отражающее покрытие может быть выполнено как из металла, так и в виде многослойных диэлектрических зеркал из чередующихся слоев материалов с высоким и низким показателями преломления. The reflective coating can be made both of metal, and in the form of multilayer dielectric mirrors from alternating layers of materials with high and low refractive indices.
Металлические покрытия достаточно просто наносятся, например термическим испарением в вакууме, но при этом в них имеет место поглощение света, что уменьшает пропускание (отражение) оптического поляризатора. Для получения отражающих металлических покрытий могут использоваться алюминий (Al), серебро (Ag) и другие металлы. Metal coatings are quite simple to apply, for example, by thermal evaporation in a vacuum, but at the same time they absorb light, which reduces the transmission (reflection) of the optical polarizer. To obtain reflective metal coatings, aluminum (Al), silver (Ag), and other metals can be used.
В случае многослойных диэлектрических зеркал поглощение света в них отсутствует, но процесс их нанесения довольно сложен и трудоемок. Для этих покрытий могут использоваться TiO2, MgO, ZnS, ZnSe, ZrO2, криолит и полимеры в качестве материалов с высоким показателем преломления, а в качестве материалов с низким показателем преломления - SiO2, Al2O3, CaF2, BaF2, MgF2, AIN, BN или полимеры.In the case of multilayer dielectric mirrors, there is no absorption of light in them, but the process of applying them is rather complicated and time-consuming. For these coatings, TiO 2 , MgO, ZnS, ZnSe, ZrO 2 , cryolite and polymers can be used as materials with a high refractive index, and as materials with a low refractive index - SiO 2 , Al 2 O 3 , CaF 2 , BaF 2 , MgF 2 , AIN, BN or polymers.
Для нанесения отражающих покрытий на подложку или на оптический поляризатор могут быть применены следующие стандартные способы: термическое испарение в вакууме, нанесение в парах с последующей термической обработкой, магнетронное распыление и другие. The following standard methods can be applied to deposit reflective coatings on a substrate or on an optical polarizer: thermal evaporation in vacuum, vapor deposition followed by heat treatment, magnetron sputtering, and others.
В качестве материала подложки, на которую может быть нанесен оптический поляризатор, работающий на "просвет" и, возможно, дополнительно на "отражение", могут быть использованы любые материалы, прозрачные в диапазоне рабочих длин волн, например кварц, стекло, полимеры и другие. As the substrate material, onto which an optical polarizer can be applied, which operates on the “lumen” and, possibly, additionally on the “reflection”, any materials that are transparent in the range of working wavelengths, for example, quartz, glass, polymers, and others, can be used.
В качестве материала подложки, на которую может быть нанесен оптический поляризатор, работающий только на "отражение" наряду с материалами, прозрачными в диапазоне рабочих длин волн, например кварц, стекло, полимеры, и могут быть использованы также любые другие материалы, непрозрачные в диапазоне рабочих длин волн, например металлы, полупроводниковые материалы, ситаллы, пластмассы и другие. As the substrate material on which an optical polarizer can be applied, operating only on “reflection” along with materials transparent in the range of working wavelengths, for example quartz, glass, polymers, and any other materials that are opaque in the range of working wavelengths, for example metals, semiconductor materials, ceramic, plastics and others.
Изобретение иллюстрируется отдельными примерами конкретного выполнения на фиг. 1-3. На фиг.1 показана схема однослойного оптического поляризатора по изобретению отражательного типа. На фиг. 2 схематично представлены виды зависимостей показателя преломления слоев в оптических поляризаторах от длины волны света. На фиг. 3 показана схема многослойного оптического поляризатора по изобретению. The invention is illustrated by specific examples of the specific embodiment of FIG. 1-3. Figure 1 shows a diagram of a single-layer optical polarizer according to the invention of the reflective type. In FIG. Figure 2 schematically shows the types of dependences of the refractive index of the layers in optical polarizers on the wavelength of light. In FIG. 3 shows a diagram of a multilayer optical polarizer according to the invention.
На фиг. 1 показана схема однослойного оптического поляризатора по изобретению отражательного типа, включающего анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой 1, отличающегося тем, что оба его показателя преломления (необыкновенный ne и обыкновенный no) пропорциональны длине волны поляризуемого света. В простейшем варианте слой 1 граничит с двух сторон с воздухом. В более сложных вариантах на одну его сторону дополнительно нанесено светоотражающее покрытие. Слой 1 может быть нанесен также на подложку, например из прозрачного стекла (показана на фиг.1 пунктиром).In FIG. 1 shows a diagram of a reflective single-layer optical polarizer according to the invention, comprising an anisotropically absorbing birefringent layer 1, characterized in that both of its refractive indices (extraordinary n e and ordinary n o ) are proportional to the wavelength of polarized light. In the simplest embodiment, layer 1 borders on both sides with air. In more complex versions, one side of it is additionally coated with a reflective coating. Layer 1 can also be deposited on a substrate, for example of transparent glass (dotted as shown in FIG. 1).
Работу предлагаемого оптического поляризатора отражательного типа можно пояснить следующим образом. Неполяризованный свет состоит из двух линейно поляризованных компонент 2 и 3, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны (эти две компоненты условно разнесены на фиг. 1 для наглядности и лучшего понимания). Компонента 2, поляризованная параллельно оптической оси анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя 1, частично отражается от границы слоя 1, образуя луч 4. Частичное отражение света от границы раздела слоя 1 и среды происходит за счет скачка (разницы) показателей преломления на этой границе. Для частичного отражения света может быть использовано также дополнительно нанесенное на слой 1 светоотражающее покрытие. Другая часть энергии компоненты 2, проходя через анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой 1, отражается от второй границы слоя 1 и проходит еще раз слой 1, образуя луч 5. Отраженные лучи 4 и 5 поляризованы так же, как и входящая компонента 2. The work of the proposed optical polarizer of the reflective type can be explained as follows. Unpolarized light consists of two linearly
Толщина слоя 1 выбирается такой, чтобы оптическая разность хода Δe для лучей 4 и 5, соответствующая большему показателю преломления ne, составляла нечетное число полуволн поляризуемого света, Δe = λ/2+mλ, где λ - длина волны света, m - порядок интерференции. Если среды с обеих сторон слоя 1 прозрачные (непоглощающие) и имеют показатели преломления меньшие, чем показатели преломления слоя 1, то оптическая разность хода Δe = 2dne+λ/2, где d - толщина слоя 1, а величина λ/2 - скачок фазы при отражении от первой границы как от оптически более плотной среды. В этом случае результатом интерференции лучей 4 и 5 является их взаимное ослабление и в оптимальном варианте их полное гашение. Полное гашение лучей 4 и 5 достигается, если интенсивности (амплитуды) лучей 4 и 5 одинаковы или близки по величине, что может быть достигнуто оптимальным подбором коэффициентов отражения от границ слоя 1, например за счет дополнительно нанесенного светоотражающего покрытия. Светоотражающее покрытие может быть выполнено металлическим или диэлектрическим и быть однослойным или многослойным. При выполнении условия пропорциональности необыкновенного показателя преломления анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя 1 длине волны света (ne ~λ ) равенство Δe = 2dne+λ/2 = λ/2+mλ выполняется для всего диапазона длин волн света, что обеспечивает высокие поляризационные характеристики в широкой спектральной области.The thickness of layer 1 is chosen so that the optical path difference Δ e for
Другая линейно поляризованная компонента 3, которая поляризована перпендикулярно оптической оси анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя 1, частично отражается от первой границы слоя 1, образуя луч 6. Другая часть энергии компоненты 3, проходя через слой 1, отражается от второй границы слоя 1, проходит еще раз слой 1, образуя луч 7. Отраженные лучи 6 и 7 поляризованы так же, как и входящая компонента 3. Результатом интерференции лучей 6 и 7 является их взаимное усиление, т.е. интерференционный максимум, т.к. оптическая разность хода между ними Δo, соответствующая обыкновенному (меньшему) показателю преломления no, составляет целое число длин волн Δo = 2dno+λ/2 = mλ (скачок фазы λ/2 при отражении луча 6 от первой границы слоя 1 для этой компоненты также происходит). При выполнении условия пропорциональности обыкновенного показателя преломления анизотропно поглощающего двулучепреломляющего слоя 1 длине волны света (no ~λ ) условие интерференционного максимума Δo = 2dno+λ/2 = mλ также выполняется для всего диапазона длин волн света, что означает устранение спектральной зависимости поляризационных характеристик оптического поляризатора.Another linearly
Таким образом, в широкой области спектра в результате интерференции суммарное отражение компоненты 2, поляризованной параллельно быстрой оси слоя 1 двулучепреломляющего материала, значительно меньше, чем отражение компоненты 3, поляризованной перпендикулярно быстрой оси слоя 1. Thus, in the wide spectral region as a result of interference, the total reflection of
Возможна реализация и обратной ситуации, когда в результате интерференции суммарное отражение компоненты 2, поляризованной параллельно оптической оси слоя двулучепреломляющего материала 1, значительно больше, чем отражение компоненты 3, поляризованной перпендикулярно оптической оси слоя 1. Эта ситуация имеет место, когда толщина слоя 1 выбирается такой, чтобы оптическая разность хода Δe для лучей 4 и 5, соответствующая необыкновенному (большему) показателю преломления ne, составляла четное число полуволн поляризуемого света Δe = mλ. В этом случае результатом интерференции лучей 4 и 5 является интерференционный максимум, т.е. их взаимное усиление. В то же время оптическая разность хода Δo для лучей 6 и 7, соответствующая обыкновенному (меньшему) показателю преломления no, составляет нечетное число полуволн поляризуемого света Δo = λ/2+mλ. В этом случае результатом интерференции лучей 9 и 10 является интерференционный минимум, т.е. их взаимное ослабление. Теперь в результате интерференции суммарное отражение компоненты 2, поляризованной параллельно оптической оси слоя 1 двулучепреломляющего материала, значительно больше, чем отражение компоненты 3, поляризованной перпендикулярно оптической оси слоя 1 двулучепреломляющего материала
На фиг.2 схематично представлены зависимости показателя преломления слоев в оптических поляризаторах от длины волны видимого света, т.е. в области 400-700 нанометров. Кривая 1 соответствует оптическому поляризатору по прототипу, в котором показатель преломления слоев убывает при увеличения длины волны света. Такая зависимость в оптике называется нормальной дисперсией и свойственна прозрачным материалам. Кривая 2 соответствует оптическому поляризатору по изобретению, в котором по крайней мере один показатель преломления слоев возрастает при увеличения длины волны света. Такая зависимость в оптике называется аномальной дисперсией и для получения такой зависимости оптический поляризатор должен быть специальным образом сконструирован. Эксперименты и расчеты показали, что предпочтительным для этого является оптический поляризатор, отличающийся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой имеет максимальный показатель поглощения не менее 0,1. Здесь, как и в оптике, показатель поглощения изготовленного слоя k определяется (см. также ГОСТ 7601-78) как коэффициент при мнимой части в комплексном показателе преломления изготовленного слоя материала Z = n - ik. Кривая 3 соответствует предпочтительному варианту оптического поляризатора по изобретению, отличающемуся тем, что по крайней мере один анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой имеет по крайней мере один показатель преломления, прямо пропорциональный длине волны поляризуемого света по крайней мере в некотором диапазоне длин волн. Прямая пропорциональность показателя преломления длине волны света является более строгим требованием (условием), чем простое возрастание показателя преломления при увеличении длины волны света. Высокие поляризационные характеристики в широкой спектральной области обеспечиваются в оптическом поляризаторе, отличающимся тем, что показатель преломления возрастает при увеличении длины волны поляризуемого света как в некотором диапазоне длин волн, так и при всех длинах волн.The reverse situation is also possible when, as a result of interference, the total reflection of
Figure 2 schematically shows the dependences of the refractive index of the layers in optical polarizers on the wavelength of visible light, i.e. in the region of 400-700 nanometers. Curve 1 corresponds to the optical polarizer according to the prototype, in which the refractive index of the layers decreases with increasing wavelength of light. Such a dependence in optics is called normal dispersion and is characteristic of transparent materials.
На фиг. 3 показана схема многослойного оптического поляризатора по изобретению, включающего 4 анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоя 1, отличающегося тем, что необыкновенный показатель преломления ne этих слоев возрастает при увеличении длины волны поляризуемого света. Указанные слои 1 нанесены, чередуясь с четырьмя слоями 8 оптически изотропного материала, причем обыкновенный показатель преломления nо двулучепреломляющего материала совпадает или близок с показателем преломления ni, оптически изотропного материала. Анизотропно поглощающие двулучепреломляющие слои 1 могут быть выполнены одинаковыми или из разных материалов, отличающихся, например, спектральными диапазонами, в которых необыкновенный показатель преломления ne возрастает при увеличении длины волны.In FIG. 3 shows a diagram of a multilayer optical polarizer according to the invention, comprising 4 anisotropically absorbing birefringent layers 1, characterized in that the unusual refractive index n e of these layers increases with increasing wavelength of polarized light. These layers 1 are deposited alternating with four layers 8 of an optically isotropic material, the ordinary refractive index n of the birefringent material being the same or close to the refractive index n i of the optically isotropic material. Anisotropically absorbing birefringent layers 1 can be made identical or from different materials, differing, for example, spectral ranges in which the unusual refractive index n e increases with increasing wavelength.
Работу предлагаемого оптического поляризатора можно пояснить следующим образом. Неполяризованный свет состоит из двух линейно поляризованных компонент 2 и 3, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны (эти две компоненты условно разнесены на фиг. 3 для наглядности и лучшего понимания). Компонента 2, поляризованная параллельно оптической оси анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев 1, частично отражается от границ слоев 1 и оптически изотропных слоев 8, образуя лучи 4. Отраженные лучи 4 поляризованы так же, как и входящая компонента 2. The operation of the proposed optical polarizer can be explained as follows. Unpolarized light consists of two linearly
Толщина слоев 1 выбирается такой, что результатом интерференции всех лучей 4 является интерференционный максимум, т.е. их взаимное усиление. Коэффициент отражения при этом достигает 98% - 99,9%, что означает, что линейно поляризованная компонента 2 практически полностью отражается от оптического поляризатора, образуя луч 9. При выполнении условия более строгого, чем просто возрастание, а именно, условия прямой пропорциональности необыкновенного показателя преломления анизотропно поглощающих двулучепреломляющих слоев 1 длине волны света (ne ~ λ ) условие интерференционного максимума выполняется для всего диапазона рабочих длин волн света.The thickness of the layers 1 is chosen such that the result of the interference of all the
Другой компоненте 3 неполяризованного света, линейно поляризованной перпендикулярно оптической оси слоев 1, соответствует обыкновенный показатель преломления no слоев 1, равный показателю преломления ni оптически изотропного слоя (no = ni). При этом никакого отражения от границ слоев 1 и 8 нет, и линейно поляризованная компонента 3 проходит через многослойный оптический поляризатор полностью, без каких-либо отражений, образуя луч 10. Отражение компоненты 3 от внешних поверхностей оптического поляризатора может быть устранено обычным способом "просветления", т.е. нанесением на внешние поверхности оптически изотропных слоев с оптической толщиной в четверть длины волны и показателем преломления равным no 1/2.Another
В результате неполяризованный свет при падении на многослойный оптический поляризатор разделяется на две части и превращается в линейно поляризованный луч 9, проходящий через оптический поляризатор, и ортогонально поляризованный луч 10, отраженный от оптического поляризатора. As a result, non-polarized light when incident on a multilayer optical polarizer is divided into two parts and turns into a linearly polarized beam 9 passing through the optical polarizer, and an orthogonally polarized
Описанные примеры не ограничивают возможные варианты конкретного выполнения предлагаемого оптического поляризатора. The described examples do not limit the possible options for a specific implementation of the proposed optical polarizer.
Таким образом, во всех приведенных примерах обеспечиваются высокие поляризационные характеристики оптического поляризатора в широкой спектральной области при использовании количества слоев не более 10. Thus, in all the examples cited, high polarization characteristics of the optical polarizer in a wide spectral region are provided when using the number of layers no more than 10.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Патент США 5,007,942, G 02 B 5/30, 1991.Sources of information taken into account when preparing the application:
1. US patent 5,007,942, G 02 B 5/30, 1991.
2. Заявка PCT/WO 94/28073, C 09 B 31/147, 1994. 2. Application PCT / WO 94/28073, C 09 B 31/147, 1994.
3. Заявка PCT/WO 95/17691, G 02 B 5/30, 1995. 3. Application PCT / WO 95/17691, G 02 B 5/30, 1995.
4. Патент США 2,524,286, 350-155, 1950. 4. US patent 2,524,286, 350-155, 1950.
Claims (17)
Priority Applications (11)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98101616A RU2140094C1 (en) | 1998-01-12 | 1998-01-12 | Optical polarizer |
| EP98964580A EP0961138B1 (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | Polariser and liquid crystal display element |
| KR1019997007424A KR100607739B1 (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | Polariser and liquid crystal display element |
| JP53241599A JP2001517329A (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | Polarizer and liquid crystal display device |
| EP04011720A EP1450200A3 (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | A polarizer and liquid crystal display element |
| CNB2004100024110A CN100409043C (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | Polaroid and liquid crystal display element |
| DE69825251T DE69825251T2 (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | POLARIZER AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY ELEMENT |
| US09/367,543 US6767594B1 (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | Polarizer and liquid crystal display element |
| PCT/RU1998/000415 WO1999031535A1 (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | Polariser and liquid crystal display element |
| CNB988036835A CN1142451C (en) | 1997-12-16 | 1998-12-15 | Polariser and liquid crystal display element |
| US10/864,461 US7232594B2 (en) | 1997-12-16 | 2004-06-10 | Polarizer and liquid crystal display element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98101616A RU2140094C1 (en) | 1998-01-12 | 1998-01-12 | Optical polarizer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98101616A RU98101616A (en) | 1999-09-27 |
| RU2140094C1 true RU2140094C1 (en) | 1999-10-20 |
Family
ID=20201710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98101616A RU2140094C1 (en) | 1997-12-16 | 1998-01-12 | Optical polarizer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2140094C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7132138B2 (en) | 2000-12-06 | 2006-11-07 | Nitto Denko Corporation | Liquid crystal information displays |
| CN111741845A (en) * | 2018-02-22 | 2020-10-02 | 东洋纺薄膜解决有限公司 | Multilayer laminated film |
-
1998
- 1998-01-12 RU RU98101616A patent/RU2140094C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7132138B2 (en) | 2000-12-06 | 2006-11-07 | Nitto Denko Corporation | Liquid crystal information displays |
| CN111741845A (en) * | 2018-02-22 | 2020-10-02 | 东洋纺薄膜解决有限公司 | Multilayer laminated film |
| CN111741845B (en) * | 2018-02-22 | 2022-06-07 | 东洋纺株式会社 | Multilayer laminated film |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2124746C1 (en) | Dichroic polarizer | |
| KR100724905B1 (en) | Optical film, polarizer and display device | |
| JP4681628B2 (en) | Polarizer | |
| US7393570B2 (en) | Broad-band-cholesteric liquid-crystal film, process for producing the same, circularly polarizing plate, linearly polarizing element, illiminator, and liquid-crystal display | |
| US6667835B2 (en) | Optical film, polarizer and display device | |
| JP2005504333A (en) | Polarization rotator and method for producing article containing polarization rotator | |
| EP1554613A1 (en) | Polarizing arrangement | |
| US7132138B2 (en) | Liquid crystal information displays | |
| US7113337B2 (en) | Multilayer optical coating | |
| US6320632B1 (en) | Color reflection type polarizer | |
| RU2140094C1 (en) | Optical polarizer | |
| KR100657725B1 (en) | Multilayer optical coating | |
| RU2001118989A (en) | Multilayer optical coating | |
| US20040028839A1 (en) | Optical anisotropic film | |
| RU2143128C1 (en) | Polarizer | |
| WO1997007418A1 (en) | Thin film polarizing device | |
| RU2147759C1 (en) | Polarizer | |
| JP3897300B2 (en) | LCD information display | |
| WO2024070693A1 (en) | Polarization diffraction element, optical element and optical device | |
| WO2023207581A1 (en) | Optical polarization device and manufacturing method therefor, and near-eye display device | |
| Vardanyan et al. | The optics of dichroic chiral photonic crystals (oblique incidence) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150113 |