ПОЛЯРИЗАТОР Российский патент 1999 года по МПК G02B5/30 

Изобретение относится к оптике, а именно к оптическим поляризаторам, и может быть использовано в жидкокристаллических дисплеях, в том числе проекционного типа, в осветительной аппаратуре, в оптическом приборостроении.

Известен поляризатор (US 5650873, опубл. 1997[1]), включающий средство для преобразования входящего неполяризованного света в совокупность световых пучков измененной геометрии, когда площадь сечения некоторой части исходного пучка уменьшается вдвое при сохранении прежней величины переносимой им световой энергии, средство для разделения каждого из указанных неполяризованных световых пучков на поляризованные проходящий и отраженный световые пучки, имеющие линейные поляризации в двух взаимно ортогональных плоскостях, средство для изменения поляризации по крайней мере одного из названных поляризованных световых пучков для придания обоим поляризованным пучкам света поляризации в одной и той же плоскости, средство, направляющее один из названных поляризованных световых пучков перпендикулярно плоскости поляризатора с целью сообщения обоим, теперь уже одинаково поляризованным световым пучкам, единого направления распространения, а именно, параллельно направлению распространения исходного неполяризованного светового пучка. В результате весь падающий на поляризатор неполяризованный свет преобразуется в свет, поляризованный в одном направлении и переносящий всю энергию падающего света в том же направлении и в том же поперечном сечении, что и падающий. При этом средство для деления неполяризованных световых пучков на поляризованные проходящий и отраженный световые пучки, имеющие различные поляризации, включает пару диэлектрических поверхностей, расположенных под существенно наклонными углами к оси световых пучков (под углами, близкими к углу Брюстера), а средство для изменения поляризации включает полуволновую пластинку, помещенную между названными поверхностями. В известном поляризаторе [1] средство, направляющее один из поляризованных световых пучков перпендикулярно плоскости поляризатора, включает пару диэлектрических поверхностей, расположенных под существенно наклонными углами к оси световых пучков (под углами, близкими к углу Брюстера).

Недостатком известного поляризатора является сложность изготовления названных средств, содержащих множество существенно наклонных поверхностей, снабженных оптическими покрытиями, расположенных внутри тонкой диэлектрической пленки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является поляризатор (US 3522985 А, 04.08.70 [2]), который выполнен в виде пленки или пластины и включает:
- поляризующее средство, по-разному фокусирующее два множества линейно-поляризованных ортогонально друг другу пучков лучей, составляющих падающий на него неполяризованный свет,
- средство для изменения поляризации по крайней мере одного множества пучков лучей одной поляризации из двух указанных составляющих падающего на поляризатор неполяризованного света, и
- средство для коллимации выходящего из поляризатора света, выполненное в виде массива цилиндрических линз.

Указанное поляризующее средство состоит из двух пар диэлектрических слоев, один из слоев указанной пары является двулучепреломляющим, а другой - оптически изотропным. При этом указанные слои соединены между собой своими соответственно формованными поверхностями и образуют при этом одномерный массив одинаковых цилиндрических микролинз. Между указанными парами диэлектрических слоев помещена сплошная полуволновая двулучепреломляющая пластинка, оптическая ось которой расположена под углом 45^o к направлению геометрических осей указанных цилиндрических линз. При этом средство для изменения поляризации представляет собой секционированную двулучепреломляющую фазозадерживающую пластинку, полуволновую или четвертьволновую, параллельную плоскости поляризатора и имеющую оптическую ось, расположенную под углом 45^o к направлению геометрических осей указанных цилиндрических линз. После указанного средства два выходящие множества пучков оказываются сфокусированными в секциях или в секциях и в промежутках между секциями указанной секционированной двулучепреломляющей фазозадерживающей пластинки, что приводит к такому преобразованию состояния поляризации, по крайней мере, одного множества указанных сфокусированных световых пучков одной поляризации, что все световые пучки, прошедшие сквозь указанные фазозадерживающие пластинки, приобретают одинаковые поляризации, а энергия переносимая ими оказывается практически равной энергии падающего на поляризатор неполяризованного света.

В известном поляризаторе [2] двулучепреломляющие диэлектрические слои, входящие в состав указанных поляризующего средства и средства для изменения поляризации, по крайней мере, одного множества пучков лучей двух линейно-поляризованных составляющих падающего на поляризатор неполяризованного света, выполнены из полиэтилентерефталата или подобного ему молекулярно ориентированного в заданном направлении полимера.

Недостатком известного поляризатора [2] является невысокая эффективность поляризации выходящего света, обусловленная способностью поляризовать только ту часть лучей падающего света, которая перпендикулярна плоскости поляризатора, а также использованием в качестве двулучепреломляющего материала молекулярно ориентированного полиэтилентерефталата и подобных ему материалов.

Задачей настоящего изобретения является увеличение степени конверсии (при сохранении эффективности) неполяризованного света в поляризованный за счет поляризации не только нормально падающего света, но и света, падающего под углом, а также повышение качества преобразования неполяризованного света в поляризованный за счет снижения доли света нежелательной поляризации в выходящем из указанного поляризатора излучении.

Поставленная задача решается за счет того, что в поляризаторе, выполненном в виде по крайней мере одной пленки или пластины и включающем поляризующее средство для разделения множества неполяризованных световых пучков, составляющих падающий на поляризатор свет, на такое же множество одинаковых пар различным образом поляризованных световых пучков и средство для изменения поляризации по крайней мере одного множества одинаково поляризованных световых пучков, входящих в состав названного множества пар различным образом поляризованных световых пучков, причем поляризующее средство выполнено в виде микрофокусирующих оптических элементов, оптически согласованных со средством для изменения поляризации и содержащих по крайней мере один слой двулучепреломляющего материала, граничащий с по крайней мере одним слоем изотропного материала, по крайней мере один двулучепреломляющий слой, входящий в состав поляризующего средства, является анизотропно поглощающим и имеет по крайней мере один показатель преломления, возрастающий при увеличении длины волны поляризуемого света.

При этом микрофокусирующие оптические элементы могут быть выполнены в виде объемных линз или в виде амплитудной зонной пластинки, четные зоны которой, изготовлены из по крайней мере трех чередующихся двулучепреломляющих и оптически изотропных слоев, ее нечетные зоны изготовлены из оптически изотропного материала.

Причем средство для изменения поляризации целесообразно выполнять в виде секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки с секциями, расположенными в фокусах микрофокусирующих оптических элементов или вне фокусов микрофокусирующих оптических элементов.

Кроме того, средство для изменения поляризации может быть выполнено в виде секционированной просветной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки с секциями, расположенными вне фокусов фокусирующих свет оптических элементов, и с секциями, задающими разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, отличающуюся на π от разности фаз, задаваемой секциями названной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки, расположенными в фокусах названных фокусирующих оптических элементов.

А также средство для изменения поляризации может быть выполнено в виде секционированного просветного заполимеризованного планарного слоя жидкого кристалла, имеющего твистовую структуру, с поворотом оптической оси жидкого кристалла в пределах толщины названного слоя на угол 90^o с секциями, расположенными в фокусах фокусирующих свет оптических элементов, или в виде секционированного просветного заполимеризованного планарного слоя жидкого кристалла, имеющего твистовую структуру, с поворотом оптической оси жидкого кристалла в пределах толщины названного слоя на угол 90^o с секциями, расположенными вне фокусов фокусирующих свет оптических элементов.

Принцип действия заявляемого поляризатора можно представить себе следующим образом. Неполяризованный луч света, падающий на первую плоскую поверхность поляризатора, выполненного в виде пленки или пластины, содержащую нанесенное на нее поляризующее средство, выполненное в виде микрофокусирующих оптических элементов, имеющих различную оптическую силу для каждой поляризованной компоненты падающего неполяризованного света, разделяется на множество пар различным образом поляризованных световых пучков. Получившееся множество пар различным образом поляризованных световых пучков представляет собой в то же время два множества поляризованных световых пучков, в каждом из которых свет поляризован одинаково для всех пучков, входящих в состав этого множества. При этом одно из этих множеств световых пучков содержит параллельные пучки, линейно-поляризованные в одной плоскости, а другое множество световых пучков содержит пучки света, линейно- поляризованного в плоскости, ортогональной к плоскости поляризации первого множества пучков, сходящиеся в фокусах микрофокусирующих оптических элементов, которые (фокусы) регулярно расположены на второй плоской поверхности поляризатора, содержащей нанесенное на нее средство для изменения поляризации по крайней мере одного множества одинаково поляризованных световых пучков, выполненное в виде секционированной просветной двулучепреломляющей пластины, входящих в состав названного множества пар различным образом поляризованных световых пучков. По крайней мере одно множество одинаково поляризованных световых пучков, проходя через названное средство изменения поляризации, расположенное на второй поверхности поляризатора, изменяет свою поляризацию так, чтобы состояние его поляризации было одинаковым с состоянием поляризации другого множества также одинаково поляризованных световых пучков, также прошедших через вторую границу поляризатора. В результате оба названных множества выходящих из поляризатора световых пучков оказываются поляризованными одинаково, а кроме того, оба эти множества названных выходящих из поляризатора световых пучков переносят ту же по величине световую энергию, в том же направлении и через ту же площадь сечения, что и падающий на поляризатор неполяризованный свет.

Для изготовления слоя двулучепреломляющего материала, имеющего по крайней один показатель преломления, возрастающий при увеличении длины волны поляризуемого света по крайней мере в некотором диапазоне рабочих длин волн, могут использоваться в том числе следующие материалы.

1. Низкомолекулярные термотропные жидкокристаллические вещества или их смеси, например, с последующим после нанесения слоя отверждением ультрафиолетовым излучением или застеклованные тем или иным способом. Эти смеси могут сами состоять из дихроичных красителей или содержать в качестве компоненты жидкокристаллические и/или нежидкокристаллические дихроичные красители.

2. Полимерные термотропные жидкокристаллические и нежидкокристаллические вещества и/или их смеси, содержащие дихроичные красители в качестве добавки и/или химически встроенные в полимерные молекулы.

3. Лиотропные жидкокристаллические вещества и/или их смеси, содержащие в качестве компоненты жидкокристаллические и/или нежидкокристаллические дихроичные красители, а также сами являющиеся дихроичными красителями.

4. Ориентированные слои дихроичных красителей, образующиеся при нанесении растворов красителей, например методом Дрейера (патент США N 2,524,286) и по заявке Японии N1-183602 (А), которые проходят через нематическую жидкокристаллическую фазу в процессе удаления растворителя.

5. Ориентированные вытяжкой гидрофобные (не жидкокристаллические) полимерные пленки с введенными в них дихроичными красителями разных химических классов, например по патенту США N 5, 059,356 от сент. 1990).

6. Ориентированные вытяжкой гидрофильные (не жидкокристаллические) полимерные пленки с введенными в них дихроичными красителями разных химических классов.

7. Слои дихроичных органических красителей полимерного строения.

8. Ориентированные молекулярно упорядоченные слои органических солей дихроичных анионных красителей.

9. Ориентированные молекулярно упорядоченные слои дихроичных красителей, способных к образованию лиотропной жидкокристаллической фазы, в том числе полимерного строения.

10. Анизотропно поглощающие двулучепреломляющие слои, сформированные из ассоциатов дихроичных красителей, содержащих ионногенные группы, по крайней мере с одним молем органического иона.

11. Анизотропно поглощающие двулучепреломляющие слои, сформированные из смешанных солей дихроичных анионных красителей, содержащих различные катионы.

12. Анизотропно поглощающие двулучепреломляющие слои, сформированные из ассоциатов дихроичных красителей, содержащих ионногенные группы, по крайней мере с одним молем поверхностно-активных ионов.

При этом дихроичные красители могут быть из класса азокрасителей, стильбеновых, антрахиноновых, полициклических, гетероциклических и т.п., которые в свою очередь могут относиться к анионным (прямым, активным и кислотным) и катионным.

Перечисленными вариантами не ограничиваются возможности использования других материалов для формирования двулучепреломляющих слоев для предлагаемого оптического поляризатора.

Выбор методов нанесения ориентированного слоя двулучепреломляющего материала зависит от вида используемого материала и не влияет на суть изобретения.

Для нанесения ориентированного слоя двулучепреломляющего материала, 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 нанесенных термопластичных полимерных материалов и стеклующихся материалов, нанесенный слой охлаждается после нанесения.

Другими методами, которые можно использовать для получения ориентированного слоя двулучепреломляющего материала, имеющими в процессе нанесения жидкокристаллическую фазу, является нанесение этого материала на подложку, изначально подготовленную для ориентации жидкокристаллической фазы. 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.

Еще один метод получения ориентированного слоя двулучепреломляющего материала - это известный метод фотоориентации предварительно нанесенного тем или иным способом слоя с помощью облучения его линейно-поляризованным ультрафиолетовым светом. При этом возможно использование методов фотолитографии для создания секционированных двулучепреломляющих слоев.

Для нанесения термотропных полимерных материалов могут быть применены экструдеры, в том числе имеющие большое количество (10- 100) плоских фильер и позволяющие наносить за один проход сразу много слоев требуемой толщины разных полимерных материалов.

Конечным результатом любых используемых методов должен быть ориентированный слой двулучепреломляющего материала, обладающий наряду с показателями преломления, значения которых различны по разным осям и растут с увеличением длины волны света (аномальная дисперсия), также дихроизмом с оптимальными значениями показателей поглощения.

Предлагаемые конструкции поляризатора по изобретению и его элементов иллюстрируются фиг. 1 - 5.

На фиг.1 схематично показано поперечное сечение одного из вариантов предлагаемого поляризатора, выполненного в виде одной пленки, на поверхности которой нанесены: поляризующее средство, выполненное в виде объемных линз, изготовленных из двулучепреломляющего материала, и средство для изменения поляризации пучков поляризованного света, выполненное в виде секционированной просветной двулучепреломляющей пластинки, секции которой расположены в фокусах названных объемных линз. На фиг.2 схематично показан общий вид предлагаемого поляризатора по фиг.1. На фиг.3 схематично показано поперечное сечение одного из вариантов предлагаемого поляризатора, выполненного в виде одной пленки, на поверхности которой нанесены: поляризующее средство, выполненное в виде объемных линз, изготовленных из двулучепреломляющего материала, по крайней мере один из показателей преломления которого растет с увеличением длины волны поляризуемого света, и средство для изменения поляризации пучков поляризованного света, выполненное в виде секционированной просветной двулучепреломляющей пластинки, секции которой расположены вне фокусов названных объемных линз. На фиг.4 схематично показано поперечное сечение одного из вариантов предлагаемого поляризатора, выполненного в виде одной пленки, на поверхности которой нанесены: поляризующее средство, выполненное в виде амплитудных зонных пластинок, изготовленных из чередующихся слоев двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного из его показателей преломления и изотропного материала, и средство для изменения поляризации пучков поляризованного света, выполненное в виде секционированной просветной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки, секции которой расположены вне фокусов названных амплитудных зонных пластинок, в промежутках между секциями которой в фокусах названных амплитудных зонных пластинок расположены просветные двулучепреломляющие пластинки, задающие разность фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами, отличающуюся на π от разности фаз, задаваемой названной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинкой. На фиг.5 представлен поперечный разрез одной из возможных конструкций амплитудной зонной пластинки, использованной в варианте предлагаемого поляризатора по фиг.4.

На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение одного из вариантов предлагаемого поляризатора, выполненного в виде одной пленки 1, на поверхности которой нанесены: поляризующее средство, выполненное в виде объемных линз 2, изготовленных из двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного из его показателей преломления и средство для изменения поляризации пучков 8 поляризованного света, выполненное в виде секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки, секции 4 которой расположены в фокусах названных объемных линз 2. Средство для изменения поляризации пучков 8 поляризованного света может быть также выполнено в виде секционированного просветного заполимеризованного двулучепреломляющего слоя жидкого кристалла, имеющего твистовую структуру, с поворотом оптической оси жидкого кристалла в пределах толщины названного слоя на угол 90^o, секции 4 которого также расположены в фокусах названных объемных линз 2.

Работу предлагаемого поляризатора можно пояснить следующим образом (для ясности понимания на фиг. 1 ход лучей различных поляризаций 6 и 8, а соответственно и их продолжений 7 и 9, показан на соседних элементарных ячейках рассматриваемого поляризатора). Неполяризованный свет 5 падает на первую поверхность поляризатора, с расположенными на ней объемными линзами 2. Проходя через объемную линзу 2, изготовленную из двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного из его показателей преломления и с расположением оптической оси 3 в плоскости рисунка и с обыкновенным показателем преломления, равным показателю преломления изотропного материала пленки 1, линейно-поляризованная перпендикулярно плоскости рисунка компонента 6 падающего на поляризатор неполяризованного света 5 не испытывает преломления на границе раздела линзы 2 и пленки 1, благодаря чему пучок света 6, продолжая сохранять направление и форму падающего пучка света 5, проходит через вторую границу пленки 1, образуя параллельный пучок 7 света, поляризованного перпендикулярно рисунку. Секционированная просветная полуволновая двулучепреломляющая пластинка практически не влияет на поляризацию параллельных пучков света 7, т.к. поперечные размеры ее секций 4 выбираются много меньше поперечных размеров объемных линз 2 (например, поперечные размеры секций 4 полуволновой пластинки составляют 10 микрометров, а поперечные размеры микролинз - 100-200 микрометров). Проходя через объемную линзу 2, изготовленную из двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного показателя преломления и с расположением оптической оси 3 в плоскости рисунка и с необыкновенным показателем преломления, превосходящим показатель преломления изотропного материала пленки 1, линейно-поляризованная в плоскости рисунка компонента 8 падающего на поляризатор неполяризованного света 5 фокусируется линзой 2 на второй поверхности пленки 1, где располагается секция 4 секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки, которая при прохождении через нее сходящегося пучка света 8 изменяет его поляризацию, формируя расходящийся пучок 9 света, поляризованного перпендикулярно плоскости рисунка. Такое изменение плоскости поляризации обусловлено известными оптическими свойствами просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки. Расходимость пучка света 9 зависит от отношения поперечных размеров линзы 2 и толщины пленки 1 и при достаточно малой величине этого отношения (например, 1:10 при поперечном размере линзы 100 микрометров и толщине пленки 1 миллиметр) может быть сделана не более 3^oC, что является приемлемым в большинстве приложений. Таким образом, в результате действия поляризатора энергия неполяризованного света 5 практически полностью превращается в энергию выходящих поляризованных пучков 7 и 9 с одинаковой линейной поляризацией высокой степени.

На фиг.2 схематично показан общий вид предлагаемого поляризатора, поперечное сечение которого показано на фиг. 1. Поляризатор выполнен в виде одной пленки или пластины 1, на первой поверхности которой нанесена система цилиндрических микролинз 2, изготовленных из двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного показателя преломления, а на второй поверхности пленки или пластины 1 нанесено средство для изменения поляризации падающего на него линейно-поляризованного пучка света в виде системы полос 4 просветных двулучепреломляющих пленок, оптически согласованной с названной системой цилиндрических микролинз 2. На фиг.2 показан также ход пучка 5 падающего на поляризатор неполяризованного света и ход совпадающих по направлению пучков 7 и 9 выходящего из поляризатора света линейно-поляризованного в одной плоскости.

На фиг. 3 схематично показано поперечное сечение одного из вариантов предлагаемого поляризатора, выполненного в виде одной пленки 1, на поверхности которой нанесены: поляризующее средство, выполненное в виде объемных линз 2, изготовленных из двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного показателя преломления и средство для изменения поляризации пучков 6 поляризованного света, выполненное в виде секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки, секции 4 которой расположены вне фокусов названных объемных линз 2. Средство для изменения поляризации пучков 6 поляризованного света может быть также выполнено в виде секционированного просветного заполимеризованного двулучепреломляющего слоя жидкого кристалла, имеющего твистовую структуру, с поворотом оптической оси жидкого кристалла в пределах толщины названного слоя на угол 90^o, секции 4 которого также расположены вне фокусов названных объемных линз 2.

Работу предлагаемого поляризатора можно пояснить следующим образом (для ясности понимания на фиг. 3 ход лучей различных поляризаций 6 и 8, а соответственно и их продолжений 7 и 9, показан на соседних элементарных ячейках рассматриваемого поляризатора). Неполяризованный свет 5 падает на первую поверхность поляризатора, с расположенными на ней объемными линзами 2. Проходя через объемную линзу 2, изготовленную из двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного показателя преломления, с расположением оптической оси 3 в плоскости рисунка и с обыкновенным показателем преломления, равным показателю преломления изотропного материала пленки 1, линейно-поляризованная перпендикулярно плоскости рисунка компонента 6 падающего на поляризатор неполяризованного света 5 не испытывает преломления на границе раздела линзы 2 и пленки 1, благодаря чему пучок света 6 продолжает сохранять направление и форму падающего пучка света 5. Проходя через вторую границу пленки 1 с расположенными на ней секциями 4 секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки, пучок света 6 изменяет свою поляризацию, образуя параллельный пучок 7 света, поляризованного в плоскости рисунка. Такое изменение плоскости поляризации обусловлено известными оптическими свойствами просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки. Промежутки между секциями 4 секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки практически не влияют на поляризацию параллельных пучков света 7, т.к. поперечные размеры этих промежутков выбираются много меньше поперечных размеров объемных линз 2 (например, поперечные размеры промежутков между секциями 4 полуволновой пластинки составляют 10 микрометров, а поперечные размеры микролинз - 100-200 микрометров). Проходя через объемную линзу 2, изготовленную из двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного показателя преломления, с расположением оптической оси 3 в плоскости рисунка и с необыкновенным показателем преломления, превосходящим показатель преломления изотропного материала пленки 1, линейно-поляризованная в плоскости рисунка компонента 8 падающего на поляризатор неполяризованного света 5 фокусируется линзой 2 на второй поверхности пленки 1, попадая в промежуток между двумя соседними секциями 4 секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки и выходя из поляризатора в виде расходящегося пучка 9 света, поляризованного как и пучок 8 в плоскости рисунка. Расходимость пучка света 9 зависит от отношения поперечных размеров линзы 2 и толщины пленки 1 и при достаточно малой величине этого отношения (например, 1:10 при поперечном размере линзы 100 микрометров и толщине пленки 1 миллиметр) может быть сделана не более 3^o, что является приемлемым в большинстве приложений. Таким образом, в результате действия поляризатора энергия неполяризованного света 5 практически полностью превращается в энергию выходящих поляризованных пучков 7 и 9 с одинаковой линейной поляризацией высокой степени.

На фиг. 4 схематично показано поперечное сечение одного из вариантов предлагаемого поляризатора, выполненного в виде одной пленки 1, на поверхности которой нанесены: поляризующее средство, выполненное в виде амплитудных зонных пластинок 2, изготовленных из чередующихся слоев двулучепреломляющего и изотропного материалов, и средство для изменения поляризации пучков 6 и 8 поляризованного света, выполненное в виде секционированной просветной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки, секции 4 которой расположены вне фокусов названных амплитудных зонных пластинок 2, в промежутках между секциями которой в фокусах названных амплитудных зонных пластинок расположены просветные двулучепреломляющие пластинки 4.1, задающие разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, отличающуюся на π от разности фаз, задаваемой просветными четвертьволновыми двулучепреломляющими пластинками 4.

Работу предлагаемого поляризатора можно пояснить следующим образом (для ясности понимания на фиг.4 ход лучей различных поляризаций 6 и 8, а соответственно и их продолжений 7 и 9, показан на соседних элементарных ячейках рассматриваемого поляризатора). Неполяризованный свет 5 падает на первую поверхность поляризатора, с расположенными на ней амплитудными зонными пластинками 2. Проходя через амплитудную зонную пластинку 2, изготовленную из чередующихся слоев двулучепреломляющего и изотропного материалов с расположением оптической оси 3 названного двулучепреломляющего материала в плоскости рисунка и с обыкновенным показателем преломления, равным показателю преломления названного изотропного материала, линейно-поляризованная перпендикулярно плоскости рисунка компонента 6 падающего на поляризатор неполяризованного света 5 не испытывает отражения от границ раздела чередующихся двулучепреломляющего и изотропного слоев, благодаря чему пучок света 6 продолжает сохранять направление и форму падающего пучка света 5. Проходя через вторую границу пленки 1 с расположенными на ней вне фокуса названной амплитудной зонной пластинки 2 секциями 4 секционированной просветной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки, пучок 6 света, линейно-поляризованного перпендикулярно плоскости рисунка, изменяет свою поляризацию, образуя параллельный пучок 7 циркулярно поляризованного света. При этом просветная двулучепреломляющая пластинка 4.1, расположенная в промежутках между названными секциями 4 просветной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки, задающая разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, отличающуюся на π от разности фаз, задаваемой названными секциями 4 просветной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки, практически не влияет на поляризацию параллельных пучков света 7, т.к. ее поперечные размеры выбираются много меньше поперечных размеров амплитудной зонной пластинки 2 (например, поперечные размеры двулучепреломляющей пластинки 4.1 составляют 10 микрометров, а поперечные размеры амплитудной зонной пластинки - 100-200 микрометров). Проходя через амплитудную зонную пластинку 2, изготовленную из чередующихся слоев двулучепреломляющего и изотропного материалов, с расположением оптической оси 3 названного двулучепреломляющего материала в плоскости рисунка и с необыкновенным показателем преломления, превосходящим показатель преломления названного изотропного материала, поляризованная в плоскости рисунка линейно-поляризованная компонента 8 падающего на поляризатор неполяризованного света 5 фокусируется амплитудной зонной пластинкой 2 на второй поверхности пленки 1, где располагается просветная двулучепреломляющая пластинка 4.1, задающей разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, отличающуюся на π от разности фаз, задаваемой четвертьволновыми двулучепреломляющими пластинками 4, которая при прохождении через нее сходящегося пучка 8 света, линейно-поляризованного в плоскости рисунка, изменяет его поляризацию, формируя расходящийся пучок 9 циркулярно-поляризованного света того же знака, что и циркулярно-поляризованный свет в пучке 7. Такое изменение плоскости поляризации пучков 7 и 9 обусловлено известными оптическими свойствами соответственно просветной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки и двулучепреломляющей пластинки, задающей разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, отличающуюся на π от разности фаз, задаваемой четвертьволновой пластинкой. Расходимость пучка света 9 зависит от отношения поперечных размеров амплитудной зонной пластинки 2 и толщины пленки 1 и при достаточно малой величине этого отношения (например, 1:10 при поперечном размере линзы 100 микрометров и толщине пленки 1 мм) может быть сделана не более 3^o, что является приемлемым в большинстве приложений. Таким образом, в результате действия поляризатора энергия неполяризованного света 5 с высокой эффективностью превращается в энергию выходящих поляризованных пучков 7 и 9 с одинаковой циркулярной поляризацией высокой степени.

На фиг. 5 представлен поперечный разрез одной из возможных конструкций амплитудной зонной пластинки, использованной в варианте предлагаемого поляризатора по фиг. 4. В конструкции амплитудной зонной пластинки 2, поперечное сечение которой изображено на фиг. 5, используются участки 2.1 двулучепреломляющего материала с показателями преломления n₀ обыкновенного луча и n_e необыкновенного луча, условно обозначенные оптические оси 3 которых расположены в плоскости рисунка, находящиеся между слоями оптически изотропного материала 2.2, 2.3, и 2.4 с показателем преломления n₀. Благодаря этому обстоятельству указанная зонная пластинка пропускает без изменения геометрии пучка и интенсивности света пучки 5.1 и 5.3 света, поляризованного перпендикулярно плоскости рисунка, образуя на выходе из указанной зонной пластинки параллельный пучок 6 света, линейно-поляризованного перпендикулярно плоскости рисунка, и пропускает пучки 5.4, задерживая пучки 5.2, как те, так и другие линейно-поляризованные в плоскости рисунка, формируя из них вследствие явления дифракции сходящийся пучок 8, также линейно-поляризованный в плоскости рисунка. Для обеспечения описанного действия указанной зонной пластинки должны соблюдаться определенные соотношения между показателями преломления n_e, n_o, длиной волны света λ, толщиной слоя 2.1, а также толщинами слоев 2.2 и 2.4 в случае многослойной амплитудной зонной пластинки, обеспечивающие отсутствие пропускания пучков 5.2, линейно-поляризованных в плоскости рисунка, участками указанной амплитудной зонной пластинки с областями 2.1 пленки из двулучепреломляющего материала вследствие явления интерференции в тонких пленках. Например, для случая, изображенного на фиг. 5, это соотношение имеет вид 2d₂n_e+λ/2 = mλ, m - целое число, называемое порядком интерференции. Таким образом, на выходе из зонной пластинки формируются два пучка света параллельный 6 и сходящийся 8, имеющие линейную поляризацию в двух взаимно ортогональных плоскостях.

Приведенные на фиг. 1-4 конструкции средств для разделения каждого из неполяризованных световых пучков 5 на два линейно-поляризованных световых пучка 6 и 8, имеющих различные линейные поляризации, и средств для изменения поляризации по крайней мере одного из поляризованных световых пучков 6 и 8 могут сочетаться между собой в других всевозможных вариантах.

Таким образом, заявляемый поляризатор обеспечивает превращение практически всей энергии неполяризованного излучения в поляризованное излучение при относительно простой конструкции, представляющей собой по крайней мере одну пленку или пластину с нанесенным на ее поверхность поляризующим средством, в виде микрофокусирующих оптических элементов, изготовленных из двулучепреломляющего материала с аномальной дисперсией по крайней мере одного показателя преломления, имеющих различную оптическую силу для каждой поляризованной компоненты света и оптически согласованных с нанесенным на поверхность пленки или пластины средством для изменения поляризации, выполненным в виде секционированной просветной двулучепреломляющей пластины или слоя.

Поляризатор содержит поляризующее средство для разделения множества неполяризованных световых пучков на такое же множество одинаковых пар различным образом поляризованных световых пучков и средство для изменения их поляризации. Поляризующее средство выполнено в виде микрофокусирующих оптических элементов, оптически согласованных со средством для изменения поляризации и содержащих по крайней мере один слой двулучепреломляющего материала, граничащего с по крайней мере одним слоем изотропного материала. По крайней мере один двулучепреломляющий слой является анизотропно поглощающим и имеет по крайней мере один показатель преломления, возрастающий при увеличении длины волны поляризуемого света. Микрофокусирующие оптические элементы могут быть выполнены в виде объемных линз или амплитудных зонных пластинок. Средство для изменения поляризации может быть выполнено в виде или секционированной просветной двулучепреломляющей пластинки с секциями, расположенными в фокусах или вне фокусов микрофокусирующих оптических элементов, или секционированного просветного заполимеризованного планарного слоя жидкого кристалла. Обеспечивается повышение качества преобразования и увеличение степени преобразования неполяризованного света в поляризованный за счет света, падающего под углом. 7 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Поляризатор, выполненный в виде по крайней мере одной пленки или пластины и включающий поляризующее средство для разделения множества неполяризованных световых пучков, составляющих падающий на поляризатор свет, на такое же множество одинаковых пар различным образом поляризованных световых пучков и средство для изменения поляризации по крайней мере одного множества одинаково поляризованных световых пучков, входящих в состав названного множества пар различным образом поляризованных световых пучков, причем поляризующее средство выполнено в виде микрофокусирующих оптических элементов, оптически согласованных со средством для изменения поляризации и содержащих по крайней мере один слой двулучепреломляющего материала, граничащего с по крайней мере одним слоем изотропного материала, отличающийся тем, что по крайней мере один двулучепреломляющий слой, входящий в состав поляризующего средства, является анизотропно поглощающим и имеет по крайней мере один показатель преломления, возрастающий при увеличении длины волны поляризуемого света. 2. Поляризатор по п.1, отличающийся тем, что микрофокусирующие оптические элементы выполнены в виде объемных линз. 3. Поляризатор по п.1, отличающийся тем, что микрофокусирующий оптический элемент выполнен в виде амплитудной зонной пластинки, четные зоны которой изготовлены из по крайней мере трех чередующихся двулучепреломляющих и оптически изотропных слоев, ее нечетные зоны изготовлены из оптически изотропного материала. 4. Поляризатор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что средство для изменения поляризации выполнено в виде секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки с секциями, расположенными в фокусах микрофокусирующих оптических элементов. 5. Поляризатор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что средство для изменения поляризации выполнено в виде секционированной просветной полуволновой двулучепреломляющей пластинки с секциями, расположенными вне фокусов микрофокусирующих оптических элементов. 6. Поляризатор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что средство для изменения поляризации выполнено в виде секционированной просветной четвертьволновой двулучепреломляющей пластинки с секциями, расположенными вне фокусов фокусирующих свет оптических элементов, и с секциями, задающими разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, отличающуюся на π от разности фаз, задаваемой секциями названной четверьволновой двулучепреломляющей пластинки, расположенными в фокусах названных фокусирующих свет оптических элементов. 7. Поляризатор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что средство для изменения поляризации выполнено в виде секционированного просветного заполимеризованного планарного слоя жидкого кристалла, имеющего твистовую структуру, с поворотом оптической оси жидкого кристалла в пределах толщины названного слоя на угол 90^o с секциями, расположенными в фокусах фокусирующих свет оптических элементов. 8. Поляризатор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что средство для изменения поляризации выполнено в виде секционированного просветного заполимеризованного планарного слоя жидкого кристалла, имеющего твистовую структуру, с поворотом оптической оси жидкого кристалла в пределах толщины названного слоя на угол 90^o с секциями, расположенными вне фокусов фокусирующих свет оптических элементов.