ИСТОЧНИК ЦИРКУЛЯРНО-ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРОЕКЦИОННАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к поляризаторам, т.е. к оптическим устройствам, превращающим естественный неполяризованный свет в линейный или циркулярно поляризованный.

Известны поляризаторы призменного типа (призмы Воластона, Рошона и др.), принцип работы которых основан на разделении поляризованных лучей при прохождении светом двулучепреломляющих кристаллов /1/. Недостатком этих поляризаторов является то, что используется только 50% энергии падающего света.

Тем же недостатком обладают поляризаторы, представляющие собой ориентированную пленку с введенным в нее йодом или дихроичным красителем /2/.

Известен так же поляризатор, состоящий из источника света, по крайней мере, из одного слоя холестерического жидкого кристалла и комбинированного зеркала, состоящего из двух плоских поверхностей, расположенных под углом 45^o по отношению друг к другу /3/. В этом поляризаторе используется почти 100% энергии падающего на слой ЖК света. Этот поляризатор наиболее близок по конструкции и выполняемым функциям к предлагаемому и поэтому принят за прототип.

Недостатком известного поляризатора являются его малые функциональные возможности. Например, при поляризации светом, несущим информацию об изображениях, изображение "двоится".

Невозможно разделение пучка света по спектральным интервалам; если источник посылает свет в полный телесный угол 4π радиан, то значительная часть энергии безвозвратно теряется.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей источника циркулярно-поляризованного излучения более полное использование световой энергии источника неполяризованного излучения.

Эта задача достигается источником циркулярно-поляризованного излучения, содержащим источник неполяризованного излучения, по крайней мере, один слой холестерического жидкого кристалла и зеркало, причем слой жидкого кристалла и зеркало выполнены вогнутыми сферическими и расположены концентрически к источнику неполяризованного излучения, или источником циркулярно-поляризованного излучения, содержащим источник неполяризованного излучения, по крайней мере, один слой холестерического жидкого кристалла, зеркало и положительную линзу, расположенную перед слоем жидкого кристалла, причем, зеркало выполнено вогнутым сферическим, при этом источник неполяризованного излучения расположен в совмещенных центре кривизны зеркала и фокусе линзы.

Изобретение иллюстрируется примерами, отраженными на фиг. 2, 3.

На фиг. 1 показана схема источника циркулярно-поляризованного излучения, который состоит из слоя холестерического жидкого кристалла 1, зеркала 2 с вырезанным внутри его отверстием 3 и источника света 4. Жидкий кристалл имеет структуру, при которой длинные оси молекул в слое параллельны плоскости подложки. Слой жидкого кристалла плоский.

Параллельно слою жидкого кристалла и на некотором удалении от него находится обычное зеркало 2 с отверстием 3, через которое пучок света 5, идущий от монохроматического источника 4 может попадать в систему. Ниже рассмотрена работа источника циркулярно-поляризованного излучения на примере краевого луча 6. Луч 6 в точке 7 попадает на слой жидкого кристалла.

Пусть жидкий кристалл обладает правой холестерической спиралью. В точке 7 право циркулярно поляризованный свет отражается, а лево циркулярно поляризованный свет проходит через слой жидкого кристалла. На рисунках направление вращения вправо обозначено "+", влево "-". Таким образом, луч 8 право циркулярно поляризован, а луч 9 влево. Луч 8 попадает на зеркало в точке 10. При отражении от зеркала, как известно, направление циркулярной поляризации меняется на противоположное, так что отраженный луч 11 является циркулярно поляризованным влево и так же, как и луч 9, проходит через слой жидкого кристалла без ослабления. Сумма интенсивностей лучей 11 и 9 практически равна общей интенсивности падающего луча 6, если положение его спектральной полосы и ширина полосы соответствуют параметрам холестерического жидкого кристалла. При этом поляризация света происходит практически без потерь. Ясно, что поляризуется не только рассмотренный краевой луч 6, но и весь пучок света 5. Получение линейной поляризации не представляет затруднений. Линейно поляризованный свет можно получить без потерь из циркулярно поляризованного света с помощью пластины l/4..

Если холестерический слой 1 заменить несколькими слоями со свойством селективного отражения в различных диапазонах длин волн, то таким образом можно получить поляризатор для белого света. Для конструирования поляризатора на весь диапазон видимого света представляется эффективными многослойные полимерные жидкие кристаллы.

На фиг. 2 показано устройство для получения поляризованного света. В центре сферы находится источник неполяризованного света 12. В полусфере 15 имеется зеркальное покрытие, а вторая часть полусферы состоит из двух слоев 13 и 14 жидкого кристалла с разными полосами спектральной селективности. Полосы спектральной селективности почти перекрывают видимый спектр и, таким образом, образуется белый свет.

Свет от источника попадает на внутреннюю поверхность слоя жидкого кристалла 13 и разделяется там на два луча в разными поляризациями, один из которых отражается, а другой проходит. Прошедший луч 17 является поляризованным и имеет спектральный состав, соответствующий параметрам слоя 13 жидкого кристалла. На втором слое жидкого кристалла 14 происходит расщепление на разные поляризации в другом спектральном диапазоне с пропусканием одной поляризации и отражением противоположной поляризации.

При соответствующем выборе слоев жидкого кристалла можно перекрыть почти весь видимый спектр, так что образуется приближенно белый свет. Отраженные лучи 18 попадают на металлическое зеркало 15, расположенное на полусфере по другую сторону от источника света 12 и отражаются на нем. При отражении направление поляризации меняется на обратное, так как отраженный свет имеет то же направление вращается, что и уже прошедший свет. Таким образом, он может проходить через слои жидкого кристалла 13 и 14 без ослабления. По сравнению с прототипом здесь используется для поляризации световая энергия, посылаемая источником света в полный телесный угол в 4π радиан, что расширяет функциональные возможности поляризатора.

На фиг. 3 показано альтернативное решение той же конструкции. Монохроматический источник света 19 находится приблизительно в центре полусферического зеркала 20. На противоположной стороне находится слой холестерического жидкого кристалла 21, который в этом случае имеет не сферическую форму, а плоскую. Такая конструкция упрощает изготовление жидкокристаллического элемента. Между источником света и слоем жидкого кристалла установлена положительная линза 22. На практике слой жидкого кристалла может быть помещен непосредственно к плоской стороне линзы.

Конструктивное решение принципиально не отличается от описанного выше. Источник света излучает неполяризованный свет, который непосредственно падает на слой жидкого кристалла 21 или после отражения от зеркала 20 на тот же слой кристалла 21 через линзу 22. На жидком кристалле левоциркулярно поляризованная часть света, отмеченная на рисунке стрелкой со знаком "-", проходит. Правоциркулярно поляризованная часть света, отмеченная знаком "+" и стрелкой, отражается и попадает на зеркало 20. При отражении в зеркале она меняет поляризацию на обратную левоциркулярную и также проходит через слой жидкого кристалла 21. Если источник света излучает белый свет, то неиспользуемая часть спектра также может быть поляризована. Для этого последующие слои жидкого кристалла должны быть подобраны по диапазонам спектральной селективности. В этом конструктивном решении также увеличивается по сравнению с прототипом степень использования энергии источника света, что расширяет функциональные возможности поляризатора.

Известна проекционная система, содержащая источник поляризованного излучения, анализатор и слой жидкого кристалла для модуляции поляризованного света /4/.

В качестве слоя жидкого кристалла используется слой с такими эффектами, как твист -, супертвист -, ДАР -, сегнетоэлектрические и другие. В источнике поляризованного излучения и в качестве анализатора используется поляроид, т. е. ориентировочная пленка с введенными в нее йодом или дихраичным красителем. Недостатком известной проекционной системы является ее малый КПД использования света, т. к. 50% падающего света поглощается в поляроиде. Задачей изобретения является увеличение коэффициента полезного действия проекционной системы.

Поставленная задача достигается предлагаемой проекционной системой, содержащей источник поляризованного излучения, включающий источник неполяризованного излучения и поляризатор, элемент для модуляции поляризованного излучения и анализатор, причем, источник поляризованного излучения дополнительно содержит сферическое зеркало, поляризатор выполнен в виде полусферического слоя холестерического жидкого кристалла, причем, зеркало и слой холестерического жидкого кристалла расположены концентрически к источнику неполяризованного излучения.

В проекционной системе, описанной выше, анализатор может быть выполнен в виде, по крайней мере, одного слоя холестерического жидкого красителя.

Поставленная задача решается также проекционной системой, содержащей источник поляризованного излучения, включающий источник излучения и поляризатор, элемент для модуляции поляризованного излучения и анализатор, причем источник поляризованного излучения дополнительно содержит сферическое зеркало и положительную линзу, расположенную перед слоем жидкого кристалла, при этом источник неполяризованного излучения расположен в совмещенных центре кривизны зеркала и фокусе линзы.

В проекционной системе, описанной выше, анализатор может быть выполнен в виде слоя холестерического жидкого кристалла.

Изобретение иллюстрируется примерами, отраженными фиг. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.

На фиг. 4 показана проекционная система, работающая в некотором спектральном диапазоне. Система включает в себя источник 23 циркулярно поляризованного света и холестерический элемент 24, выполняющей функции как анализатора, так и спектрального светофильтра. Между поляризатором 23 и анализатором 24 находится индикаторный элемент жидкого кристалла 25 для модуляции света. Оба холестерических слоя в поляризаторе и анализаторе могут быть многослойными, т. е. несколько холестерических слоев имеют различные диапазоны селективного отражения света, что обеспечивает воспроизведение белого цвета. Проекционная система, изображенная на фиг. 9, отличается высоким КПД использования энергии. Эту и аналогичную проекционную систему с комбинациями поляризатор/анализатор можно повторить трижды для трех основных цветов или более трех раз, реализовав тем самым многоцветную проекционную систему. При этом достаточно, при известных обстоятельствах, одной единственной лампы. Преимуществом трех- или многократной проекционной оптики, кроме всего прочего, является простое регулирование цвета с помощью механических или электрооптических затворов (например, на твистэффекте) в проекционной системе, что расширяет ее функциональные возможности.

Все проекционные системы, известные до сих пор, использовали проходящий через них свет. Предлагаемые поляризатор /анализатор пригодны также для систем с отражением света. Прежде всего, для так называемых ТFТ-структур. Применение проекционных систем с отражением света имеют определенное преимущество, т.к. не происходит потери света на сформированных на подложках транзисторах. На фиг. 5 дан пример такой проекционной системы: свет, исходящий от источника света 26 делится в кубе 27 на холестерическом слое 28, при этом отражается только правильный свет при правильной циркулярной поляризации, оставшийся свет пропускается.

Свет пересекает затем индикаторный элемент жидкого кристалла 29 и отражается от зеркала 30, затем снова пересекает элемент 29 и поступает на делитель луча 28, который анализирует циркулярную поляризацию и пропускает отраженный свет, потому что его поляризация приняла обратное направление от зеркала 30. Пропущенный свет может быть спроецирован или сначала скомбинирован со светом из другого соответствующего поляризатора другого цвета.

В элементе жидкого кристалла с интегрированными активными электронными элементами (например, TFT, MIM и др.) регулируемые с помощью транзисторов электроды выполнены в виде зеркала. Совокупность этих электродов образует зеркало 30.

Так как свет дважды пересекает индикаторный элемент жидкого кристалла 29, он претерпевает дважды смещение фазы, это значит, для того, чтобы добиться одинакового электрооптического эффекта, двойное преломление должно быть в два раза меньше, чем у дисплея на прохождение света той же толщины.

Возможность использования данной проекционной системы в совокупности с ТFT-транзисторами (на отражение) увеличивает КПД использования световой энергии.

Схема расстановки может быть еще более компактной, если для холестерического жидкого кристалла в качестве граничных поверхностей использовать линзу и куб и если индикаторный элемент также использует куб в качестве граничной поверхности.

На основе этой монохроматической системы по аналогии с трансмиссионными системами можно создать все возможные комбинации поляризатор/анализатор. Для изготовления холестерических слоев пригодны холестерические материалы с величиной шага спирали р<1,5 мкм и оптической анизотропией Dn>0,09..

На фиг. 6 10 показаны различные виды элементов жидких кристаллов с различными поляризаторами. На фиг. 6 показан вариант с источником света, подобным тому, который показан на фиг. 3, где для простоты не указана половина линз.

Свет, исходящий от монохроматического источника света 19, например, с λ, как описано во взаимосвязи с фиг. 3, преобразуется сразу или после отражения от зеркала 20 в холестерическом слое жидкого кристалла 21 в циркулярный свет с правым направлением вращения.

За слоем жидкого кристалла 21 установлена пластина l/4 31, преобразующая циркулярно поляризованный свет в линейно поляризованный. Направление поляризации указано двойной стрелкой. За λ/4-пластиной 31 установлен TN-элемент 32, который изменяет направление поляризации света известным образом на 90^o. Этот свет может, не ослабляясь, пройти через поляризатор 33, расположенный за TN-элементом 32 под углом в 90^o, относительно направления поляризации перед элементом. Если к элементу 32 подключено напряжение, то поляризация света на TN-элементе не изменяется и свет не может пройти через поляризатор 120, TN-элемент работает, таким образом, в обычном режиме, в котором направление поляризации падающего света поворачивается на 90^o в выключенном состоянии. Данная проекционная система индикаторного типа обладает большим КПД использования света.

Другой вид функционирования показан на фиг. 7. Как и в предыдущем примере, циркулярно поляризованный свет,с правым направлением вращения, проводится непосредственно к TN-элементу 32. Для данного вида функционирования элемент должен иметь минимальную оптическую разницу хода в δ=Δn•d=λ/2 между включенным и выключенным состоянием. Если это условие выполнено, то при прохождении циркулярно поляризованного света меняется направление его вращения, т.е. в предложенном случае направление вправо (+) на направление влево (-).

За TN-элементом 32 находится другой холестерический слой 34, через который может проходить поляризованный циркулярный свет с левым направлением вращения, которое противоположно вращению для первого слоя 21. Если TN-элемент включен, то он не воздействует на состояние поляризации света, так что свет блокируется (не пропускается) слоем холестерической жидкого кристалла 121.

В обоих случаях согласно фиг. 6 и 7 на выходе схемы получаем такую же интенсивность, что и на входе, т.к. нет поляризаторов, которые поглощали бы свет, что увеличивает КПД использования световой энергии. Для сравнения на фиг. 8 еще раз проводится обычная схема компоновки с ТN-элементом 32, оснащенным поляризаторами 35, 36, которые являются линейными поляризаторами. Так как входной поляризатор 122 поглощает часть света, то на выходе интенсивность в лучшем случае составит 50%
Схемы компоновки согласно фиг. 6 8 дают положительный контраст, если индикаторные элементы сконструированы по такому принципу. Негативный контраст возможен, а именно, на фиг. 7, если применяется вращение холестерического слоя вправо, а не влево. В случаях фиг. 6 и 8 известным образом, путем вращения линейного поляризатора на выходной стороне на 90^o.

Указанная на фиг. 9 схема компоновки основывается на том, что, как и на фиг. 7, циркулярно поляризованный свет подведен прямо к TN-элементу 37. В отличии от такого, указанного на фиг. 7, элемент 37 имеет минимальную оптическую разницу хода между включенным и выключенным состоянием δ=λ/4.. При этом он действует в выключенном состоянии как λ/4-пластина, преобразующая циркулярно поляризованный.

Линейный поляризатор 38, расположенный за ТN-элементом, может блокировать линейно поляризованный свет в нужном положении. Во включенном состоянии TN-элемент не воздействует на циркулярно поляризованный свет. Он проходит через линейный поляризатор 38.

Вместо TN-элемента для данной схемы компоновки может быть использован любой другой элемент жидкого кристалла, если выполняется условие δ=λ/4 или плюс кратное число длин волн.

Если имеется циркулярно поляризованный свет, т.е. например, источники света, указанные на фиг. 6 и 7, то используя вариант, указанный на фиг. 9, можно получить 100%-ную отдачу света. Если же исходить обычным путем от неполяризованного естественного света, то при получении циркулярно поляризованного света с помощью линейного поляризатора и λ/4 потери составят 50% Несмотря на это, есть определенный смысл в применении дополнительных λ/4 пластин в обычных, традиционных дисплеях согласно фиг. 8, т.е. при новом варианте характерные напряжения для ТN-элемента до 50% ниже, чем для типов дисплеев известных ранее.

На фиг. 10 показана схема компоновки, построенная на отражении. Это соответствует ранее описанной альтернативе с TN-элементом при δ=λ/4 между включенным и выключенным состоянием, причем, в данном примере используется ДАР-элемент 39. В выключенном состоянии элемент действует как λ/4 - пластина, т.е. циркулярно поляризованный свет преобразуется в линейно поляризованный. После отражения от зеркала 40 протекает обратный процесс, т.е. линейно поляризованный свет преобразуется снова в элементе λ/4 в циркулярно поляризованный, проходит беспрепятственно холестерический слой 21 и подходит к выходу, сохраняя полную интенсивность.

Если к элементу 39 подключено напряжение, и оптически он одноосный, он не воздействует на состояние поляризации света. За элементом правоциркулярно поляризованный свет проходит к рефлектору 40, который, как уже говорилось, при отражении меняет направление циркулярности света. Этот свет, левоциркулярный после отражения, на который не воздействует ДАР-элемент 29, попадает на холестерический слой 21 и блокируется им.

Преимущество данного варианта заключается в том, что рефлектор 40 может быть установлен на подложке элемента жидкого кристалла, так что светопоглощение структуры, как, например, тонкопленочные транзисторы, располагаются за рефлектором, не снижая яркости активной поверхности элемента изображения.

Сравнение показало, что схемы компоновки, указанные на фиг. 6, 7 и 9, обеспечивают яркость большую, чем таковые на фиг. 8. Поэтому КПД использования света в данных проекционных системах выше, чем нежели в системах с использованием обычных поляроидов. Кроме того, как указывалось выше, имеется заметная тенденция понижения необходимого регулирующего напряжения.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет расширить функциональные возможности поляризатора за счет более полного использования световой энергии и возможности поляризации в различных спектральных интервалах и создать проекционную систему на его основе с большим КПД использования света. ЫЫЫ9

Использование: превращение естественного неполяризованного света в линейный или циркулярно-поляризованный. Сущность изобретения: источник циркулярно-поляризованного излучения содержит источник неполяризованного излучения, один или несколько слоев холестерического жидкого кристалла и зеркало, причем, слой жидкого кристалла и зеркало выполнены вогнутыми сферическими и расположены концентрически к источнику излучения. Слой жидкого кристалла может быть выполнен плоским и снабжен линзой, фокус которой совмещен с центром кривизны зеркала и центром источника неполяризованного излучения. Проекционная система содержит указанный источник циркуляционно-поляризационного излучения, а также элемент для модуляции поляризованного излучения и анализатор. 4 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Источник циркулярно-поляризованного излучения, содержащий источник неполяризованного излучения, по крайней мере один слой холестерического жидкого кристалла и зеркало, отличающийся тем, что, с целью более полного использования световой энергии источника неполяризованного излучения, слой жидкого кристалла и зеркало выполнены вогнутыми сферическими и расположены концентрически к источнику неполяризованного излучения. 2. Источник циркулярно-поляризованного излучения, содержащий источник неполяризованного излучения, по крайней мере один слой холестерического жидкого кристалла, зеркало и положительную линзу, расположенную перед слоем жидкого кристалла, отличающийся тем, что, с целью более полного использования световой энергии источника неполяризованного излучения, зеркало выполнено вогнутым сферическим, при этом источник неполяризованного излучения расположен в совмещенных центре кривизны зеркала и фокусе линзы. 3. Проекционная система, содержащая источник поляризованного излучения, включающий источник неполяризованного излучения и поляризатор, элемент для модуляции поляризованного излучения и анализатор, отличающаяся тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного действия источник поляризованного излучения дополнительно содержит сферическое зеркало, поляризатор выполнен в виде полусферического слоя холестерического жидкого кристалла, причем зеркало и слой холестерического жидкого кристалла расположены концентрически к источнику неполяризованного излучения. 4. Проекционная система по п.3, отличающаяся тем, что анализатор выполнен в виде по крайней мере одного слоя холестерического жидкого кристалла. 5. Проекционная система, содержащая источник поляризованного излучения, включающий источник излучения, и поляризатор, элемент для модуляции поляризованного излучения и анализатор, отличающаяся тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного действия, источник поляризованного излучения дополнительно содержит сферическое зеркало и положительную линзу, расположенную перед слоем жидкого кристалла, при этом источник неполяризованного излучения расположен в совмещенных центре кривизны зеркала и фокусе линзы. 6. Проекционная система по п.5, отличающаяся тем, что анализатор выполнен в виде слоя холестерического жидкого кристалла.