WO1996010210A1 - Achromatisches phasenverzögerungselement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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phase delay
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delay element
achromatic phase
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Peter Kohns
Jörg SCHIRMER
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Optikzentrum Nrw Gmbh (Oz)
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Definitions

  • the invention relates to an achromatic phase delay element in which a plurality of liquid crystal layers are arranged one after the other and with which, in particular, the polarization state of light with different wavelengths can be monitored.
  • the polarization is an essential parameter of electromagnetic radiation.
  • ⁇ / 2 and ⁇ / 4 plates are usually used, which consist of birefringent crystals, such as calcite, potassium dihydrogen phosphate (KDP) or quartz.
  • a plate that has been ground once is only dimensioned for a certain wavelength, and that Influencing, for example, the polarization state of several wavelengths is not possible.
  • Such plates are fixed on a phase delay. It is not possible to actively influence the phase delay to compensate for temperature effects or to regulate the phase delay to different values.
  • electro-optical modulators for example made of potassium dihydrogen phosphate (KDP), allow a change in the phase delay. Even with small apertures, voltages in the kV range are required which are not safe and can only be handled with great effort.
  • KDP potassium dihydrogen phosphate
  • a uniform influencing of the polarization state in a wide spectral range requires achromatic phase plates, which have a fixed phase delay between the extraordinary and ordinary beam over a certain wavelength interval
  • Another possibility for use is to control the polarization state of a white light continuum generated with ultrashort intensive laser pulses.
  • Achromatic plates can consist of several layers of different crystal materials with the same or position of the fast axes rotated by 90 ° (D. Clarke, Optica Acta 14, 343 (1967)), from several layers of the same material of different thicknesses and cemented with certain angles of the fast axes (S. Pancharatnam, Proc. Ind. Acad . Be. A
  • phase plates designed in this way are cost-intensive and, from a technical point of view, only available with a small diameter of a few centimeters.
  • an achromatic ⁇ / 2 plate are not realized without the polarizers determining the incoming and outgoing direction of polarization. For example, it is not possible to convert right-handed circularly polarized light into left-handed polarized light.
  • the production of an achromatic ⁇ / 4 plate, for example for converting linearly polarized light into circularly polarized light, is also based not possible on the device described in the above publication.
  • liquid crystals which are preferably different, nominal liquid crystals, are arranged in several layers in such a way that the fast axes are oriented identically or orthogonally (90 °).
  • phase delay elements can be manufactured inexpensively and with a large aperture.
  • a phase delay element designed according to the invention can be used as a phase modulator, polarization analyzer (in conjunction with a downstream polarizer) and, after supplementing it with two upstream and downstream polarization filters, as an intensity modulator.
  • the order m of the individual layers can be kept small by selecting suitable liquid crystals, and the usable opening angle can thus be correspondingly large.
  • the additionally arranged electrical Trically conductive elements, between which the liquid crystal layers lie, enable the phase delay for each layer to be regulated separately by the application of a relatively low voltage. This can be used to adjust the phase delay of the entire element from a maximum value to almost zero.
  • compensation of environmental influences eg change in birefringence due to temperature fluctuations
  • phase delay elements designed according to the invention offer an almost universally applicable alternative to the conventional phase plates made of crystalline materials, the layer thicknesses, the number of layers and the selected liquid crystals being able to be optimized for the special application.
  • the thicknesses and the number of the individual liquid crystal layers can be determined mathematically.
  • the following equation system (1.1 - lk) has for liquid crystals with different Disperson of birefringence always a solution (d ,, ...
  • the values dj can be positive or negative.
  • the thickness of the i-th liquid crystal layer is the absolute amount of d. In the event that d j is positive, the i-th layer becomes parallel to the x-axis (vertical axis) and in the opposite case parallel to the y-axis ( horizontal axis). In this case, the desired phase shift ⁇ * is exactly achieved for the selected wavelengths ⁇ ,, ⁇ 2 , ... ⁇ k .
  • a phase delay element with the electrically conductive electrodes has the possibility of changing the phase delay with suitable alternating voltages. In a suitable interval above the response voltage:
  • ⁇ ni ( ⁇ , Vi) ⁇ ni ( ⁇ , V ⁇ 0) * (const u - const i> 2 * V j ),
  • V j is the amplitude of the alternating voltages of the ith layer.
  • phase delay In contrast to the known crystalline phase plates, deviations from the nominal values for the phase delay, which are caused by manufacturing tolerances or the influence of temperature, can be compensated for with a suitable control loop for the voltage applied to the respective layer.
  • a targeted adjustment of the phase delay is possible. For example, an element with the phase delay ⁇ can be detuned to a neutral element, since the birefringence of the liquid crystal layers disappears at high AC amplitudes. When the respective AC voltage amplitude is deliberately reduced, the phase delay of the entire phase delay element is switched on, assuming its maximum value with a small to disappearing amplitude.
  • phase delay element differs, however, in that the individual liquid crystals are aligned in parallel in the individual layers and there is no "twist" arrangement. Depending on the optical properties of the liquid crystals used for the individual layers, the thicknesses of the layers must also be determined.
  • the system of equations (1.1 - lk) can be used here.
  • the separating layers arranged between the liquid crystal layers, like the substrates, are made of optically high-quality material (eg quartz glass) in order to ensure a uniform layer thickness over the entire aperture, freedom from voltage birefringence and wavefront distortion with low losses.
  • the usable diameter of the phase delay element can, with the existing production technologies for liquid crystal displays, with a defined and uniform thickness of the individual liquid crystal layers, easily be in the range of 10 cm, which is in comparison to the complex and expensive production of crystal a much cheaper and more flexible production is possible.
  • liquid crystals are known and can be used in a variety of forms.
  • Landolt-Börnstein "Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology", New Series, Group IV: Macroscopic Properties of Matter, Vol. 7a-d: Liquid Cristals, ed. J. Thiem, Springer, Berlin / Heidelberg (1992/1993) listed approximately 50,000 known liquid crystals.
  • the structure of the liquid crystals based on organic components there are also other possibilities for the synthesis of further suitable liquid crystals in addition to those already known. The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.
  • 1 shows a partial perspective illustration of an achromatic phase delay element
  • 2 shows a diagram of the determined phase delay for a plate made of quartz and magnesium fluoride
  • FIG. 3 shows a diagram of the calculated phase delay of a phase delay element according to the invention.
  • Representation of an example of an achromatic phase delay element according to the invention has on the outer sides; seen in relation to the beam path of the light; arranged transparent substrates S with surfaces of optical quality and parallel orientation. In between are arranged liquid crystal layers LC j to LC k , on the outer interfaces of which there are pairs of opposing orientation layers R, to R k and, in an improved manner, additional transparent, electrically conductive electrode pairs E, to E k . Between these layers there are separating layers T made of a material with surfaces of optical quality that is transparent in the spectral region of interest.
  • the thickness of the individual liquid crystal layers LC is replaced by spacer A ; , which consist of glass fibers, microfoils or evaporated quartz glass, given.
  • the spacers A prefer that Desired thickness dimension d s for the i-th liquid crystal layer.
  • the same distance is also specified for the mutually facing surfaces of the orientation layer R j with the respective spacer A j .
  • orientation layers R, to P ⁇ which determine the orientation of the liquid crystals in the respective liquid crystal layers C] to LC k , are preferably formed from brushed polyimide.
  • the thickness of these orientation layers R j to P ⁇ is in the range of approximately 100 nm.
  • the rubbing direction is for each one liquid crystal layer LC ; orientation layers R j enclosing in pairs. The respective rubbing direction of a pair either follows the x-axis or y-axis shown in FIG. 1, depending on the result determined with the system of equations (1.1-lk) for the liquid crystal layer LC j in question.
  • the thickness of the respective liquid crystal layers LC j is dependent on the optical properties of the liquid crystals used for the layer and the selected spectral range with the equation system mentioned (1.1 - lk) certainly.
  • the thickness of the liquid crystal layers LC j is also in the ⁇ m range.
  • the liquid crystals used can be selected according to the respective requirements.
  • phase delays ⁇ can control voltages U ; be applied to the respective pair of transparent electrodes E j , which can optionally be influenced by a control or regulating circuit, not shown. Alternating voltages of approx. 1 kHz without DC offset are used to suppress electrochemical reactions.
  • Evaporated indium tin oxide is used in layer thicknesses in the range from 5-150 nm, preferably from 10-100 nm, in order to ensure high transmission from the range of the ultraviolet to the infrared spectral range.
  • FIG. 3 shows an example of a calculated phase delay ⁇ of a two-layer phase delay element with the liquid crystals NP-5, manufacturer Merck Chemicals, Germany, and RO-TN-403, manufacturer BDH Chemicals, England, and in FIG. 2, an example of a plate made of quartz and magnesium fluoride.
  • Thickness of 0.262 mm and an order of m 5 for quartz with a thickness of 0.304 mm.
  • the usable opening angle is significantly improved compared to the crystal plates when using suitable liquid crystals.
  • the red shift of the achromatic region is due to the crossing of the dispersion curves of the double refraction at approximately 750 nm for the liquid crystals and at approximately 500 nm for quartz and magnesium fluoride.
  • a change / shift in the achromatic wavelength range can also be achieved with the use of other liquid crystals.
  • a further improvement in the achromasia of a phase delay element according to the invention can be achieved with liquid crystals to be newly synthesized. which, in addition to the prominent absorption in the ultra violet, have a further prominent absorption in the near infrared.
  • the dispersion of the double refraction with the wavelength of these liquid crystals in the visible deviates from the normal behavior (with increasing wavelength falling monotonically without an inflection point) in that either the birefringence in the red increases or an inflection point is present.
  • a better adaptation to the optimal profile double refraction proportional to ⁇ , cf. equation system (1.1 - lk)
  • a conventional liquid crystal layer can be achieved by combination with a conventional liquid crystal layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein achromatisches Phasenverzögerungselement, bei dem mehrere Flüssigkristallschichten nacheinander angeordnet sind und mit dem insbesondere der Polarisationszustand von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen überwacht werden soll. Das achromatische Phasenverzögerungselement soll eine gleichmäßige Beeinflussung des Polarisationszustandes in einem breiten Spektralbereich ermöglichen und in ausreichender Größe einfach und kostengünstig herstellbar sein. Dabei werden die Flüssigkristallschichten (LC1-LCk) des Phasenverzögerungselementes aus unterschiedlichen Flüssigkristallen gebildet, wobei die schnellen Achsen der Flüssigkristallschichten (LC1-LCk) parallel und/oder orthogonal zueinander orientiert sind. Ferner können die Flüssigkristallschichten (LC1-LCk) unterschiedliche Dicken (di) aufweisen.

Description

Achromatisches Phasenverzögerungselement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein achromatisches Phasenver¬ zögerungselement, bei dem mehrere Flüssigkristall¬ schichten nacheinander angeordnet sind und mit dem insbesondere der Polarisationszustand von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen überwacht werden kann.
Neben der Wellenlänge, der Ausbreitung und Intensität ist die Polarisation eine wesentliche Kenngröße elek¬ tromagnetischer Strahlung. Zur Beeinflussung des Po¬ larisationszustandes im Bereich des ultravioletten, sichtbaren und infraroten Lichts werden üblicherweise λ/2- und λ/4-Platten, die aus doppelbrechenden Kristallen, wie Kalkspat, Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) oder Quarz bestehen, verwendet.
Dabei ist eine einmal geschliffene Platte nur für eine bestimmte Wellenlänge dimensioniert, und die Beeinflussung beispielsweise des Polarisationszustan¬ des mehrerer Wellenlängen ist nicht möglich.
Solche Platten sind auf eine Phasenverzögerung fixiert. Eine aktive Einflußnahme auf die Phasenver¬ zögerung zur Kompensation von Temperatureffekten oder zur Regelung der Phasenverzögerung auf unterschiedli¬ che Werte ist nicht möglich.
Lediglich elektrooptische Modulatoren, beispielsweise aus Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) , gestatten eine Veränderung der Phasenverzögerung. Dabei sind bereits bei kleinen Aperturen Spannungen im kV-Bereich erfor¬ derlich, die nicht sicher und nur aufwendig handhab- bar sind.
Eine gleichmäßige Beeinflussung des Polarisationszu¬ standes in einem breiten Spektralbereich erfordert achromatische Phasenplatten, die eine feste Phasen- Verzögerung zwischen außerordentlichem und ordentli¬ chem Strahl über ein bestimmtes Wellenlängenintervall
[^Anfang' λEndJ aufweisen.
Ein Anwendungsfall hierfür sind astronomische Polari- sationsmessungen, bei denen wegen der Lichtschwäche vieler Beobachtungsobjekte breite Spektralbereiche zu integrieren sind, um auswertbare Signale zu erhalten.
Eine andere Möglichkeit zur Anwendung ist die Kon- trolle des Polarisationszustandes eines mit ultrakur¬ zen intensiven Laserimpulsen erzeugten Weißlichtkon- tinuums.
Achromatische Platten können aus mehreren Schichten von verschiedenen Kristallmaterialien mit gleicher oder um 90° verdrehter Lage der schnellen Achsen (D. Clarke, Optica Acta 14, 343 (1967)), aus mehreren unterschiedlich dicken und mit bestimmten Winkeln der schnellen Achsen verkitteten Schichten des gleichen Materials (S. Pancharatnam, Proc. Ind. Acad. Sei. A
41, 130 u. 137 (1955)) oder aus mehreren gleichdicken Schichten des gleichen Materials mit unterschiedli¬ chen Orientierungen der schnellen Achsen (CM. Mc Intyre, S.E. Harris, J. Opt. Soc. Am. 58, 1575 (1968)) hergestellt werden. Dabei ist jedoch nur bei der erstgenannten Methode die Lage der schnellen Ach¬ sen des ganzen Elementes unabhängig von der Wellen¬ länge.
Mit einer Kombination der Verwendung mehrerer Schich¬ ten verschiedener Materialien mit gleicher oder um 90° verdrehter Lage der schnellen Achsen und der Ver¬ wendung von Schichten unterschiedlicher Dicken, die in bestimmten Winkeln miteinander verkittet sind, sind sogenannte "superachromatische•* Platten erhält¬ lich, die über den gesamten sichtbaren Spektralbe¬ reich nahezu konstante Phasenverzögerung und Lage der schnellen Achsen aufweisen.
Die so ausgeführten Phasenplatten sind jedoch kosten¬ intensiv und aus technischer Sicht nur mit einem kleinen Durchmesser von wenigen Zentimetern verfüg¬ bar.
Dieser kleine Durchmesser verlangt beim Einsatz in der Astronomie an Großteleskopen (Flächenpolarime- trie) die Anordnung des Elementes in einem hoch kol- limierten Strahlengang. Dadurch ist bei nicht achsen¬ parallelen Strahlenbündeln der Einfallswinkel zur Flächennormalen des Elementes unvertretbar groß und es wird eine Abweichung von der gewünschten Phasen¬ verzögerung hervorgerufen, die zusätzlich dadurch erhöht wird, daß die einzelnen Elemente herstellungs¬ technisch bedingt Phasenplatten höherer Ordnung sind (d.h. Verzögerung von z.B. (m+l/2)λ mit m»l) .
Von J.E. Stockley, G.D. Sharp, D. Doroski, K.M. John¬ son "High-speed analog achromatic intensity modula- tor", Optics Letters, Vol. 19, No. 10 (1994), S. 758- 760, wird ein achromatischer Intensitätsmodulator, basierend auf zwei identischen, zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordneten Schichten smektischer Flüssigkristalle beschrieben, die für eine mittlere Wellenlänge des achromatischen Bereichs jeweils als λ/2-Platte wirken. Durch Anlegen von Steuerspannungen können die Winkel zwischen schnellen Achsen der Flüs¬ sigkristalle und Polarisationsrichtung des Eingangs- polarisators geändert werden. Hierdurch ergibt sich für die Kombination aus Flüssigkristallschichten und Polarisation ein Verhalten ähnlich dem einer drehba¬ ren, achromatischen λ/2-Platte zwischen gekreuzten Polarisatoren. Die Transmission der Kombination für Licht, das in Durchlaßrichtung des Eingangspolarisa- tors schwingt, kann zwischen nahezu 0 % und 100 % geregelt werden.
Ohne Feststellung der ein- und ausgehenden Polarisa¬ tionsrichtung durch die Polarisatoren werden die Ei¬ genschaften einer achromatischen λ/2-Platte jedoch nicht verwirklicht. So ist es beispielsweise nicht möglich rechtsdrehend zirkulär polarisiertes Licht in linksdrehend polarisiertes Licht zu überführen. Auch die Herstellung einer achromatischen λ/4-Platte, bei¬ spielsweise zur Überführung linear polarisierten Lichts in zirkulär polarisiertes Licht ist basierend auf dem in obiger Veröffentlichung beschriebenen Ge¬ rät nicht möglich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein achroma¬ tisches Phasenverzögerungselement zu schaffen, das eine gleichmäßige Beeinflussung des Polarisationszu¬ standes in einem breiten Spektralbereich ermöglicht und in ausreichender Größe einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn¬ zeichnenden Teil des Anspruchs l genannten Merkmale für die Vorrichtung und des Anspruchs 14 für das Ver¬ fahren gelöst.
Die Flüssigkristalle, die bevorzugt verschiedene, ne- matische Flüssigkristalle sind, werden in mehreren Schichten so angeordnet, daß die schnellen Achsen gleich oder orthogonal (90°) orientiert sind.
Aufbauend auf bekannten Technologien, können solche Phasenverzögerungselemente preiswert und mit großer Apertur hergestellt werden.
Eine Verwendung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Phasenverzögerungselementes ist als Phasenmodulator, Polarisationsanalysator (in Verbindung mit einem nachgeordneten Polarisator) und nach Ergänzung mit zwei vor und nachgeschalteten Polarisationsfiltern als Intensitätsmodulator möglich.
Die Ordnung m der einzelnen Schichten kann durch Aus¬ wahl geeigneter Flüssigkristalle kleingehalten werden und dadurch der nutzbare Öffnungswinkel entsprechend groß ausfallen. Die zusätzlich angeordneten elek- trisch leitenden Elemente, zwischen denen die Flüs¬ sigkristallschichten liegen, ermöglichen durch das Anlegen einer relativ niedrigen Spannung eine Rege¬ lung der Phasenverzögerung für jede Schicht geson- dert. Dies kann für eine Durchstimmung der Phasenver¬ zögerung des gesamten Elementes von einem Maximalwert bis nahezu Null genutzt werden. Außerdem ist eine Kompensation von Umgebungseinflüssen (z.B. Änderung der Doppelbrechung durch TemperaturSchwankungen) mög- lieh.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Phasenverzögerungs¬ elemente bieten zu den herkömmlichen Phasenplatten aus kristallinen Materialien eine nahezu universell einsetzbare Alternative, wobei die Schichtdicken, die Schichtanzahl und die ausgewählten Flüssigkristalle für den speziellen Anwendungsfall optimiert werden können.
Die Achromasie der Phasenverzögerungselemente wird durch eine Kombination mehrerer Flüssigkristall¬ schichten (k=Anzahl) bestimmt.
Dabei können die Dicken und die Anzahl der einzelnen Flüssigkristallschichten mathematisch bestimmt wer¬ den. Für die gewünschte Phasenverschiebung ό" (in rad) , z.B. δ=π für eine λ/2-Platte, und Δn^λ) die wellenlängenabhängige Doppelbrechung der i-ten Flüs¬ sigkristallschicht (i=l, 2,...,k) wird das gewünschte Wellenlängenintervall [λAnfang,X^,,] bevorzugt äquidi- stant in k-1 Teile [λj, λi+1] geteilt. Für diesen Fall besitzt das folgende Gleichungssystem (1.1 - l.k) für Flüssigkristalle mit unterschiedlicher Disperson der Doppelbrechung stets eine Lösung (d,,...dk): Δn, (λ, ) *d1 + Δn2 (λ, ) * d2 + . . . +Δnk (λ, ) * dk = δ* 1/2π (1. 1) Δn, (λ2) *dj + Δn2(λ2) * d2 + . . . +Δnk(λ2) * dk = δ*\2/2π (1.2 )
• # •
Δn, (λk) *dj + Δn2 (λk) * d2 + . . . +Δnk(Xk) * dk = δ*\/2π ( l . k)
Dabei können die Werte dj positiv oder negativ sein. Die Dicke der i-ten Flüssigkristallschicht ist der absolute Betrag von d Für den Fall, daß dj positiv ist, wird die i-te Schicht parallel zur x-Achse (ver- tikale Achse) und im gegenteiligen Fall parallel zur y-Achse (horizontale Achse) ausgerichtet. Für diesen Fall wird die gewünschte Phasenverschiebung ό* für die ausgewählten Wellenlängen λ,, λ2,...λk genau erreicht.
Je feiner die Unterteilung des Wellenlängenintervalls [λ Anfang' λ Ende3 gewählt wird, um so besser ist die Achromasie des Elementes. Dies ist jedoch mit stei¬ gender Anzahl der Flüssigkeitkristallschichten ver¬ bunden.
Ein Phasenverzögerungselement mit den elektrisch lei¬ tenden Elektroden besitzt die Möglichkeit zur Ände¬ rung der Phasenverzögerung mit geeigneten Wechsel¬ spannungen. Oberhalb der Ansprechspannung gilt in einem geeigneten Intervall:
Δni(λ,Vi) = Δni(λ,V~0) * (constu - consti>2 * Vj) ,
wobei Vj die Amplitude der Wechselspannungen der i- ten Schicht ist.
Mit der Wahl geeigneter Spannungen lassen sich Lösun¬ gen des Gleichungssystems (1.1 - l.k) für verschiede¬ ne Phasenverzögerungen δ finden, ohne daß die Schichtdicken dj oder Flüssigkristallschichten geän¬ dert werden müssen. Aufgrund der kleinen Schichtdik- ken sind nur geringe Spannungen im Volt-Bereich er¬ forderlich, um ausreichend große Veränderungen zu bewirken.
Mit einem geeigneten Regelkreis für die angelegte Spannung an der jeweiligen Schicht können im Gegen¬ satz zu den bekannten kristallinen Phasenplatten Ab- weichungen von den Sollwerten für die Phasenverzöge¬ rung, die durch Fertigungstoleranzen oder den Tempe¬ ratureinfluß hervorgerufen werden, kompensiert wer¬ den. Zusätzlich ist eine gezielte Durchstimmung der Phasenverzögerung möglich. Es kann beispielsweise ein Element mit der Phasenverzögerung π zu einem neutra¬ len Element verstimmt werden, da bei hohen Wechsel¬ spannungsamplituden die Doppelbrechung der Flüssig¬ kristallschichten verschwindet. Bei gezieltem Senken der jeweiligen Wechselspannungsamplitude wird die Phasenverzögerung des gesamten Phasenverzögerungsele¬ mentes eingeschaltet, wobei sie bei kleiner bis ver¬ schwindender Amplitude ihren maximalen Wert annimmt.
Herstellungsverfahren für mehrschichtige Flüssigkri- stallzellen sind von Display-Anwendungen ausreichend bekannt (US 42 60 224, US 44 31 270). Das erfindungs¬ gemäße Phasenverzögerungselement unterscheidet sich jedoch dadurch, daß die einzelnen Flüssigkristalle parallel in den einzelnen Schichten ausgerichtet sind und keine "Twist"-Anordnung vorliegt. Je nach den optischen Eigenschaften der für die einzelnen Schich¬ ten verwendeten Flüssigkristalle, sind auch die Dik- ken der Schichten zu bestimmen. Hierbei kann das Gleichungssystem (1.1 - l.k) herangezogen werden. Die zwischen den Flüssigkristallschichten angeordne¬ ten Trennschichten sind wie die Substrate aus optisch hochwertigem Material (z.B. Quarzglas) , um eine über die gesamte Apertur gleichmäßige Schichtdicke, Frei- heit von Spannungsdoppelbrechung und Wellenfrontver- zerrung bei geringen Verlusten zu gewährleisten.
Der ausnutzbare Durchmesser des Phasenverzögerungs¬ elementes kann mit den vorhandenen Herstellungstech- nologien für Flüssigkristallanzeigen, bei definierter und gleichmäßiger Dicke der einzelnen Flüssig¬ kristallschichten ohne weiteres im Bereich von 10 cm liegen, womit gegenüber der aufwendige und hohe Qua¬ litätsansprüche erfordernden Herstellung von kristal- linen Verzögerungselementen eine wesentlich kosten¬ günstigere und flexiblere Fertigung möglich ist.
Im Gegensatz zu Grenzen, die bei der Verwendung dop¬ pelbrechender kristalliner Materialien (Verfügbarkeit von ausreichend großen und reinen Kristallen) und deren Bearbeitbarkeit (Polierbarkeit bei exakter Schichtdicke) bestehen, sind Flüssigkristalle in vielfältiger Form bekannt und einsetzbar. So sind beispielsweise in Landolt-Börnstein, "Numerical Data and Functional Relationsships in Science and Techno¬ logy", New Series, Group IV: Macroscopic Properties of Matter, Vol. 7a-d: Liquid Cristals, ed. J. Thiem, Springer, Berlin/Heidelberg (1992/1993) ca. 50.000 bekannte Flüssigkristalle aufgeführt. Mit dem auf organischen Komponenten basierenden Aufbau der Flüs¬ sigkristalle ergeben sich neben den bereits bekannten auch weitere Möglichkeiten zur Synthese weiterer ge¬ eigneter Flüssigkristalle. Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Aus¬ führungsbeispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigt: Fig. 1 eine teilweise perspektivische Dar¬ stellung eines achromatischen Phasen¬ verzögerungselementes; Fig. 2 ein Diagramm der ermittelten Phasen¬ verzögerung für eine Platte aus Quarz und Magnesiumfluorid und
Fig. 3 ein Diagramm der berechneten Phasen¬ verzögerung eines erfindungsgemäßen Phasenverzögerungselementes.
Die in Figur 1 gezeigte teilweise perspektivische
Darstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen achromatischen Phasenverzögerungselementes verfügt über an den äußeren Seiten; in bezug auf den Strah¬ lengang des Lichtes gesehen; angeordnete transparente Substrate S mit Oberflächen optischer Qualität und paralleler Orientierung. Dazwischen sind Flüssigkri¬ stallschichten LCj bis LCk angeordnet, an deren äuße¬ ren Grenzflächen jeweils paarweise gegenüberliegend Orientierungsschichten R, bis Rk und verbessernder Weise zusätzliche transparente, elektrisch leitende Elektrodenpaare E, bis Ek vorhanden sind. Zwischen diesen Schichten sind Trennschichten T aus einem im interessierenden Spektralbereich transparenten Mate¬ rial mit Oberflächen in optischer Qualität vorhanden.
Die Dicke der einzelnen Flüssigkristallschichten LC; wird durch Abstandshalter A;, die aus Glasfasern, My- larfolien oder aufgedampftem Quarzglas bestehen, vor¬ gegeben. Die Abstandshalter A; haben bevorzugt das gewünschte Dickenmaß ds für die i-te Flüssigkristall¬ schicht. Der gleiche Abstand wird auch für die gegen¬ einander weisenden Flächen der Orientierungsschicht Rj mit dem jeweiligen Abstandshalter Aj vorgegeben.
Diese Orientierungsschichten R, bis P^, die die Aus¬ richtung der Flüssigkristalle in den jeweiligen Flüs¬ sigkristallschichten C] bis LCk bestimmen, sind be¬ vorzugt aus gebürstetem Polyimid gebildet. Die Dicke dieser Orientierungsschichten Rj bis P^ liegt zur Ge¬ währleistung eines hohen Transmissionsgrades im Be¬ reich von ca. 100 nm. Die Reibrichtung ist für die je eine Flüssigkristallschicht LC; paarweise einschlie¬ ßenden Orientierungschichten Rj parallel. Die jewei¬ lige Reibrichtung eines Paares folgt entweder der in der Figur 1 eingezeichneten x-Achse oder y-Achse, je nach dem mit dem Gleichungssystem (1.1 - l.k) für die betreffende Flüssigkristallschicht LCj ermittelten Ergebnis.
Genau wie die Reibrichtung und damit die Orientierung der Flüssigkeitkristallschichten LCj, wird auch die Dicke der jeweiligen Flüssigkristallschichten LCj in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften der für die Schicht verwendeten Flüssigkristalle und dem aus¬ gewählten Spektralbereich mit genanntem Gleichungs¬ system (1.1 - l.k) bestimmt. Dabei liegt auch die Dicke der Flüssigkristallschichten LCj im μm-Bereich.
Die verwendeten Flüssigkristalle können den jeweili¬ gen Anforderungen entsprechend ausgewählt werden.
Zur Kompensation von Temperaturschwankungen, Ferti¬ gungstoleranzen oder Durchstimmung der Phasenverzöge- rung δ können SteuerSpannungen U; an das jeweilige Paar transparenter Elektroden Ej angelegt werden, die gegebenenfalls mit einem nicht dargestellten Steuer¬ oder Regelkreis beeinflußbar sind. Zur Unterdrückung elektrochemischer Reaktionen werden WechselSpannungen von ca. 1 kHz ohne Gleichstrom-Offset eingesetzt.
Als Material für die Elektroden E; kommt in Schicht¬ dicken im Bereich von 5-150 nm, bevorzugt von 10 - 100 nm, aufgedampftes Indium-Zinn-Oxid zum Einsatz, um eine hohe Transmission vom Bereich des ultravio¬ letten bis zum infraroten Spektralbereich zu sichern.
In der Figur 3 ist ein Beispiel einer rechnerisch ermittelten Phasenverzögerung δ eines zweischichtigen Phasenverzögerungselementes mit den Flüssigkristallen NP-5, Hersteller Merck Chemikalien, Deutschland, und RO-TN-403, Hersteller BDH Chemicals, England, und in Figur 2 ein Beispiel für eine Platte aus Quarz und Magnesiumfluorid dargestellt.
Die notwendigen Doppelbrechungsdaten für die Flüssig¬ kristalle wurden Shin-Tson Wu, Phys. Rev. A 33, 1270 (1986) und S.T. Wu, A.M. Lackner, U. Efron, Appl. Opt. 26, 3441 (1987) entnommen.
Die Figur, Dicken und Doppelbrechung für Quarz und Magnesiumfluorid sind K. Serkowski, "Methods of Expe- rimental Physics", ed. N. Carleton, Academie Press York/London, Vol. 12A, 361 (1974) entnommen.
Die Schichtdicke für NP-5 beträgt 4,6 μm, und für RO- TN-403 beträgt sie 6,5 μm. Dies entspricht bei einer Wellenlänge von 750 nm einer Ordnung von m=l für bei¬ de Flüssigkristallarten.
Die entsprechende Kristallplatte weist bei 500 nm eine Ordnung von m=6 für Magnesiumfluorid mit einer
Dicke von 0,262 mm und eine Ordnung von m=5 für Quarz mit einer Dicke von 0,304 mm auf.
Daraus ergibt es sich, daß der nutzbare Öffnungswin- kel bei Verwendung geeigneter Flüssigkristalle gegen¬ über den Kristallplatten entscheidend verbessert wird. Die Rotverschiebung des achromatischen Bereichs ist im Falle des betrachteten Flüssigkristallpaares durch das Kreuzen der Dispersionskurven der Doppel- brechung bei etwa 750 nm für die Flüssigkristalle und bei etwa 500 nm für Quarz und Magnesiumfluorid be¬ gründet.
Eine Veränderung/Verschiebung des achromatischen Wel- lenlängenbereiches läßt sich auch mit der Verwendung anderer Flüssigkristalle erreichen.
Wie in diesem Beispiel gezeigt, sind unterschiedliche Paare bzw. auch eine Mehrzahl von Flüssigkristallen mit sehr unterschiedlichen Dispersionen der Doppel¬ brechung erhältlich, um beim Achromatisieren mit der beschriebenen Methode die Ordnung m der einzelnen Schichten und so die Winkelabhängigkeit der Phasen¬ verzögerung gegenüber den herkömmlichen in der Kri- stalloptik verwendeten Paare Quarz und Magnesiumfluo¬ rid, sehr zu verringern.
Eine weitere Verbesserung der Achromasie eines erfin¬ dungsgemäßen Phasenverzögerungselementes läßt sich mit neu zu synthetisierenden Flüssigkristallen errei- chen, die neben der prominenten Absorption im Ultra¬ violetten eine weitere prominente Absorption im nahen Infraroten aufweisen. Die Dispersion der Doppelbre¬ chung mit der Wellenlänge dieser Flüssigkristalle im Sichtbaren weicht von dem normalen Verhalten (bei zunehmender Wellenlänge streng monoton fallend ohne Wendepunkt) dahingehend ab, daß entweder die Doppel¬ brechung im Roten ansteigt oder ein Wendepunkt vor¬ handen ist. In beiden Fällen läßt sich durch Kombina- tion mit einer herkömmlichen Flüssigkristallschicht eine bessere Anpassung an den optimalen Verlauf (Dop¬ pelbrechung proportional zu λ, vgl. Gleichungssystem (1.1 - l.k)) erreichen.
Eine weitere Verbesserung der Achromasie durch Hin¬ tereinanderschaltung mehrerer der beschriebenen Ele¬ mente mit unterschiedlichen Orientierungen der schnellen Achsen, basierend auf den von Pancharatnam in Proc. Ind. Acad. Sei. A 41, 130 u. 137 (1955) und Mc Intyre/Harris in J. Opt. Soc. Am. 58, 1575 (1968) vorgeschlagenen Vorgehensweisen, ist ebenfalls mög¬ lich. Dabei ist jedoch zu beachten, daß bei einer Änderung der Soll-Verzögerung von z.B. λ/2 auf λ/4 neben den Phasenverzögerungen der einzelnen Flüssig- kristallschichten, die ja über die angelegte Wechsel¬ spannung regelbar sind, auch die Orientierungen der schnellen Achsen zueinander geändert werden müssen. Dadurch wird entweder die Möglichkeit der Regelung der Phasenverzögerung verloren, oder es muß jedes Element einzeln exakt mechanisch justiert werden kön¬ nen.

Claims

Patentansprüche
1. Achromatisches Phasenverzögerungselement mit mehreren Flüssigkristallschichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschichten (LC,-LCk) aus unterschiedlichen Flüssigkristallen gebildet sind, wobei die schnellen Achsen der Flüssigkri¬ stallschichten (LC|-LCk) parallel und/oder or¬ thogonal zueinander orientiert sind.
2. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschichten (LC,-LCk) un¬ terschiedliche Dicken (dj) aufweisen.
3. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschichten (LC,-LCk) von Orientierungsschichten (R,-]^) eingefaßt sind.
4. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Strahlengang des Lichtes äußeren Flüssigkristallschichten (LC,) und (LCk) und die
Orientierungsschichten (Rj) und (R^ auf Sub¬ straten (S) aufgebracht sind. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungsschichten (R,-Rk) und Flüs¬ sigkristallschichten (LC,-LCk) zwischen transparenten, leitfähigen Elektroden (Ej-i^) angeordnet sind.
6. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß transparente Elemente (T) zwischen den Flüssigkristallschichten (LCι~LCk) , den Orien¬ tierungsschichten (R1-Rk) und den leitfähigen Elektroden (E,-Ek) angeordnet sind.
7. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der Flüssigkristallschich¬ ten (LC,-LCk) durch Reiben der Orientierungs¬ schichten (Rj-Rjj) in einer bestimmten Richtung vorgegeben ist.
8. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungsschichten (Rj-Rj aus ge¬ bürstetem Polyimid gebildet sind.
9. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Elektroden (E,-Ek) auf den __ Substraten (S) und den transparenten Elementen (T) aufgebracht sind.
10. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Elektroden (E,-Ek) aufge¬ dampftes Indium-Zinn-Oxid sind, an die Steuer¬ spannungen anlegbar sind.
11. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Wechselspannungen ohne Gleichstrom-Offset anlegbar sind.
12. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Flüssigkristallschichten (LC,- LCk) mit zwischen den Orientierungsschichten
(R,-Rk) angeordneten Abstandshaltern (A) vorge¬ geben ist.
13. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (A) aus Glasfasern, My- larfolien oder aufgedampftem Quarzglas gebildet sind.
14. Achromatisches Phasenverzögerungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschichten (LC,-LCk) aus nematischen Flüssigkristallen gebildet sind.
15. Verfahren zur Herstellung eines achromatischen Phasenverzögerungselementes unter Verwendung von mehreren Flüssigkristallschichten, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen Substraten und Trennschichten Flüs¬ sigkristallschichten mit paralleler und orthoga- naler Anordnung der schnellen Achsen von Paaren mit in einer Richtung geriebenen oder gebürste- ten Orientierungsschichten eingefaßt werden, die die Orientierung der Flüssigkristalle bestimmen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Orientierungsschichten mit auf Sub- straten und Trennschichten aufgedampften, elek¬ trisch leitenden Elektrodenpaaren eingefaßt wer¬ den, an die eine Wechselspannung angelegt wird.
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