ЛИНЕЙНЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАТОР ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G02B5/30 

Изобретение относится к оптическим устройствам, выполненным из поляризующих материалов, и может быть использовано при создании устройств, предназначенных для получения линейно поляризованного оптического излучения с любым заданным расположением плоскостей поляризации выходных лучей, в том числе для получения так называемого "стопроцентно" линейно поляризованного света, когда оба выходных луча поляризованы в одной плоскости.

Известен линейный поляризатор [1-3] , который содержит два оптических элемента из прозрачного изотропного материала в виде двух призм, внутренние рабочие грани которых параллельны, два ориентирующих слоя, нанесенных на эти внутренние рабочие грани призм и размещенный между ориентирующими слоями слой нематического жидкого кристалла с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления каждого из оптических элементов. Поляризатор позволяет производить поляризацию оптического излучения в широком спектральном диапазоне, с высокой степенью поляризации света, с высоким коэффициентом пропускания. У такого поляризатора плоскости поляризации выходных лучей ортогональны.

Известен жидкокристаллический оптический поляризационный сепаратор (поляризатор) [4] , включающий нематический жидкокристаллический слой, заключенный между двумя прозрачными элементами. Рабочие ориентирующие поверхности элементов, контактирующие с жидким кристаллом, выполнены таким образом, что молекулы жидкокристаллического слоя, контактирующие с рабочей ориентирующей поверхностью первого оптического элемента, ориентированы параллельно этой поверхности, а контактирующие с рабочей ориентирующей поверхностью второго оптического элемента ориентированы перпендикулярно к этой поверхности. Этот поляризатор позволяет преобразовать исходный неполяризованный пучок света в два выходных пучка, линейно поляризованных в одной плоскости. Известный поляризатор позволяет производить поляризацию оптического излучения в широком спектральном диапазоне, с высокой степенью поляризации света, с высоким коэффициентом пропускания. Недостатком такого поляризатора является невозможность получения поляризованных лучей с произвольно ориентированными друг относительно друга плоскостями поляризации, что сужает возможности для различных технических применений. Другой недостаток известного поляризатора заключается в необходимости использования двух различных технологий создания ориентирующих слоев на рабочих поверхностях прозрачных оптических элементов, обеспечивающих ортогональную ориентацию молекул на одной поверхности и параллельную на другой.

Известный жидкокристаллический оптический поляризационный сепаратор (поляризатор), включающий нематический жидкокристаллический слой, заключенный между двумя прозрачными оптическими элементами, имеющими ориентирующие рабочие поверхности, обеспечивающие перпендикулярную ориентацию молекул на одной поверхности и параллельную на другой [4], выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения.

Задача изобретения состоит в достижении принципиально нового результата - возможности получения поляризатора с любой заранее заданной взаимной ориентацией плоскостей поляризации выходных лучей, а также упрощение технологии изготовления поляризаторов с параллельным расположением плоскостей поляризации выходных лучей.

Задача решена тем, что в известном линейном жидкокристаллическом сепараторе (поляризаторе), содержащем оптические элементы из прозрачного изотропного материала, имеющие параллельные внутренние грани с рабочими ориентирующими поверхностями, между которыми размещен слой ориентированного жидкокристаллического материала, характеризующегося тем, что показатель преломления для обыкновенного луча у него меньше, чем у материала каждого из оптических элементов, в соответствии с изобретением рабочие ориентирующие поверхности выполнены с обеспечением на них любой заданной однородной ориентации жидкокристаллического материала, такой, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью принимает значение в диапазоне от 0 до 90^o при выполнении условия исключения одновременного достижения на обеих поверхностях предельных значений углов из указанного диапазона, причем оптическая ось жидкокристаллического материала на рабочей ориентирующей поверхности одного оптического элемента не коллинеарна оптической оси жидкокристаллического материала на рабочей ориентирующей поверхности другого оптического элемента.

Задача упрощения технологии изготовления поляризаторов с параллельным расположением плоскостей поляризации выходных лучей решена тем, что два оптических элемента из прозрачного изотропного материала выполнены в виде призм Дове, основания которых являются внутренними гранями с рабочими ориентирующими поверхностями, при этом рабочие ориентирующие поверхности внутренних граней выполнены с обеспечением такой ориентации жидкокристаллического материала, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью принимает значение 45^o для каждой поверхности.

Сущность изобретения заключается в следующем. Рабочие ориентирующие поверхности оптических элементов выполнены таким образом, что жидкокристаллический материал однородно ориентируется на них, и так, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью может быть любым от нуля до 90^o для каждой из поверхностей, однако, если на одной из поверхностей этот угол равен 90^o, то на другой не равен 0 и наоборот - если на одной он равен 0^o, то на другой не равен 90^o, причем оптические оси жидкокристаллического материала на рабочих ориентирующих поверхностях не коллинеарны. При этом в соответствии со свойствами жидкого кристалла ориентация его оптической оси непрерывно изменяется по толщине слоя от одного заданного положения на одной ориентирующей поверхности до другого заданного положения на другой ориентирующей поверхности. При падении неполяризованного луча на входную грань одного из оптических элементов на первой внутренней грани с ориентирующей поверхностью при определенном условии происходит полное внутреннее отражение одной из поляризованных компонент излучения, поляризация которой соответствует поляризации обыкновенного луча. Вторая поляризованная компонента (ее поляризация соответствует поляризации необыкновенного луча) распространяется в слое жидкокристаллического материала в направлении второго оптического элемента. Условие выполнения полного внутреннего отражения представимо в виде соотношения (1):
sinϕ_пад>n_o/n_и (1)
где ϕ_пад - угол падения неполяризованного луча на границу раздела изотропный оптический элемент - ориентированный слой жидкокристаллического материала,
n_о - обыкновенный показатель преломления слоя жидкокристаллического материала,
n_и - показатель преломления материала оптических элементов (например, стекла).

Положение плоскости поляризации каждого из лучей определяется ориентацией оптической оси слоя жидкокристаллического материала на соответствующей рабочей ориентирующей поверхности. На первой (по ходу луча) рабочей ориентирующей поверхности плоскость поляризации отраженного (при полном внутреннем отражении) луча ортогональна оптической оси жидкокристаллического материала. Плоскость поляризации необыкновенного луча, распространяющегося через слой жидкокристаллического материала, непрерывно поворачивается так, что проходит через оптическую ось слоя и на выходе, после пересечения лучом второй рабочей ориентирующей поверхности, проходит через оптическую ось жидкокристаллического материала на второй рабочей ориентирующей поверхности. При этом величина угла поворота плоскости поляризации необыкновенного луча по отношению к плоскости поляризации обыкновенного находится в диапазоне 0-90^o в зависимости от угла между оптическими осями жидкокристаллического материала на ориентирующих поверхностях. Непрерывное изменение ориентации оптической оси жидкого кристалла от одной ориентирующей поверхности до другой обеспечивается за счет его упругих свойств [5-6]. Любая заданная ориентация оптической оси жидкокристаллического материала на рабочих ориентирующих поверхностях поляризатора осуществляется с помощью соответствующей технологической обработки этих поверхностей. Для ориентации оптической оси жидкокристаллического материала в плоскости рабочей поверхности поляризатора может быть использовано натирание тканью соответствующего полимерного покрытия, нанесенного на эту поверхность, или облучение полимерного покрытия поляризованным светом ртутной лампы; наклонная ориентация может быть достигнута за счет напыления на рабочую поверхность под определенным углом некоторых химических соединений, таких как CaF₂, MgF₂ и др. Технологии нанесения ориентирующих покрытий подробно описаны в литературе [7-9].

Соответствующим подбором материала оптических элементов и жидкокристаллического материала можно обеспечить широкий спектральный рабочий диапазон, высокий коэффициент пропускания и высокую степень поляризации.

Схема устройства приведена на фиг.1.

Поляризатор содержит оптические элементы 1 и 2 в виде призм из прозрачного изотропного материала, с внутренними гранями с рабочими ориентирующими поверхностями 3 и 4, между которыми размещен слой жидкокристаллического материала 5. Входной гранью поляризатора служит грань 6 элемента 1, зеркально симметричной ей является грань 7 элемента 2. Жидкокристаллический материал слоя 5 ориентирован рабочими ориентирующими поверхностями 3 и 4 так, что оптические оси жидкокристаллического материала на рабочих ориентирующих поверхностях 3 и 4 не коллинеарны и составляют заданные углы ψ₁ и ψ₂ с этими поверхностями. Углы ψ₁ и ψ₂ определяются как углы между оптической осью на поверхности и ее проекцией на эту поверхность (DM и FK - проекции оптических осей MR и FG на поверхности 3 и 4 соответственно). При таком определении углов ψ₁ и ψ₂ их значения находятся в пределах от 0 до 90^o. Причем углы ψ₁ и ψ₂ выбираются так, что если ψ₁ = 0^°, то ψ₂ ≠ 90^°, а если ψ₁ = 90^°, то ψ₂ ≠ 0^°.

Поляризатор работает следующим образом. Неполяризованный луч света АО проходит через входную грань 6 элемента 1 и падает под углом ϕ_пад (угол ϕ_пад - угол между падающим лучом и нормалью ON к рабочей ориентирующей поверхности 3) на первую границу раздела изотропный материал - слой жидкокристаллического материала (ориентирующая рабочая поверхность 3), где происходит разделение луча на две ортогонально поляризованные компоненты за счет полного внутреннего отражения обыкновенного луча, который распространяется затем в объеме оптического элемента 1 в направлении ОВ (фиг.1). Плоскость поляризации обыкновенного луча (плоскость, в которой находится луч ОВ и вектор напряженности электрического поля световой волны E₁) ортогональна оптической оси MR. Необыкновенный луч распространяется через слой жидкого кристалла в направлении ОС к оптическому элементу 2, при этом плоскость его поляризации (плоскость, в которой находится луч ОС и вектор напряженности электрического поля световой волны Е₂) непрерывно поворачивается так, что проходит через оптическую ось жидкокристаллического материала в слое и после прохождения необыкновенным лучом второй внутренней ориентирующей рабочей поверхности 4 проходит через оптическую ось FG и оказывается повернутой на любой заданный угол по отношению к плоскости поляризации отраженного луча.

В качестве примера конкретного выполнения рассмотрены характеристики "100-процентного" линейного жидкокристаллического поляризатора оптического излучения на основе стекла ТФ1 (n_и=1,649 для λ,=578 нм) и жидкокристаллического материала ЖКМ-1867 (n_е=1,662, n₀=1,511 для λ=578 нм). Поляризатор собран из двух стеклянных призм Дове 1 и 2 (фиг.2, обозначения те же, что и на фиг.1) с углами при основании α=44^o. Размер граней 6, 7 и симметричных им граней равен 30•38 мм, все грани просветлены. При падении неполяризованного луча А на входную грань 6 призмы Дове параллельно ее основанию, угол падения на рабочую ориентирующую поверхность равен 70^o. В этом случае реализуется условие (1) для всех длин волн спектральной полосы поляризатора. Например, для λ=578 нм sinϕ_пад = sin70^° = 0,940>n_o/n_и = 0,916. Оптические оси MR и FG жидкокристаллического материала на поверхностях 3 и 4 ориентированы под углом 45^o к этим поверхностям, в то время как угол между оптическими осями составляет 90^o (фиг.3). Фиг.3 показывает поляризатор на фиг.2 в сечении РР'. У такого поляризатора плоскости поляризации выходящих лучей параллельны.

Спектральная полоса пропускания поляризатора определяется пропусканием стекла и находится в интервале от 400 до 2600 нм. При этом обеспечен коэффициент пропускания не ниже 0,92 для обоих лучей. Контрастное отношение для прошедшего луча не хуже 10^-4 и для отраженного не хуже 10^-2.

Таким образом, линейный жидкокристаллический поляризатор оптического излучения, содержащий по крайней мере два оптических элемента из прозрачного изотропного материала, имеющих параллельные внутренние грани с рабочими ориентирующими поверхностями, между которыми размещен слой ориентированного жидкокристаллического материала, характеризующийся тем, что показатель преломления для обыкновенного луча меньше, чем показатель преломления каждого из оптических элементов, отличающийся тем, что рабочие ориентирующие поверхности выполнены с обеспечением на них любой заданной однородной ориентации жидкокристаллического материала, такой, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью принимает значение в диапазоне от 0 до 90^o при выполнении условия исключения одновременного достижения на обеих поверхностях предельных значений углов из указанного диапазона, причем оптическая ось жидкокристаллического материала на рабочей ориентирующей поверхности одного оптического элемента не коллинеарна оптической оси жидкокристаллического материала на рабочей ориентирующей поверхности другого оптического элемента, позволяет получать два выходных луча с любой заранее заданной взаимной ориентацией плоскостей поляризации выходных лучей в широком спектральном диапазоне, с высоким пропусканием и высокой степенью поляризации.

Если оптические элементы устройства выполнены в виде призм Дове, основания которых являются внутренними гранями с рабочими ориентирующими поверхностями, выполненными с обеспечением такой ориентации жидкокристаллического материала, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью принимает значение 45^o для каждой из поверхностей, то изготовление поляризатора с параллельными плоскостями поляризации выходных лучей существенно упрощается (обе рабочие ориентирующие поверхности создаются с применением одной технологии).

Источники информации
1. А. А. Каретников. Оптика и спектроскопия, 1989, т.67, вып.2, с.324-326.

2. А.А. Каретников и др. Оптический журнал, 1992, 9, с.64-67.

3. Патент РФ 2164704, 1997, А.А. Каретников, А.П. Ковшик, Е.И. Рюмцев. Линейный поляризатор на нематическом жидком кристалле.

4. Патент Франции FR 2685500 А1 (1993). Separateur optique de polarisations et application a un systeme de visualisation.

5. Л.М. Блинов. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов, М., 1978, с. 384.

6. М. Ф. Гребенкин, А.В. Иващенко. Жидкокристаллические материалы, М., 1989, с.135, 197, 288.

7. Е. С. Лукьянченко, В.А. Козунов, В.И. Григос, Успехи Химии, 1985, T. LIV, вып.2, с.214-238.

8. Жак Коньяр. Ориентация нематических жидких кристаллов и их смесей, Минск, 1986, 100 с.

9. А. Г. Дядюша и др. Украинский физический журнал, 1991, т.36, 7, с. 1059-1061.

10. R.A. Kashnov and C.R. Stein, Appled Optics. v.12, 10, pp.2309-2311.

11. D. Rivere, Y. Levy and C. Imbert, Optics Communications, 1978, v.25, 2, pp.206-210.

Поляризатор содержит два оптических элемента из прозрачного изотропного материала, имеющих параллельные внутренние грани с ориентирующими поверхностями, между которыми размещен слой жидкокристаллического материала, показатель преломления которого для обыкновенного луча меньше, чем показатель преломления каждого из оптических элементов. Ориентирующие поверхности выполнены таким образом, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью принимает значение в диапазоне от 0 до 90^o при выполнении условия исключения одновременного достижения на обеих поверхностях предельных значений углов из указанного диапазона, причем оптические оси жидкокристаллического материала на разных ориентирующих поверхностях не коллинеарна между собой. Угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью может быть одинаковым для каждой из поверхностей, например, 45^o. Оптические элементы могут быть выполнены в виде призм Дове, основания которых являются ориентирующими поверхностями. Обеспечивается любая заданная взаимная ориентация плоскостей ориентации выходных лучей и упрощение технологии изготовления поляризаторов с параллельным расположением плоскостей поляризации выходных лучей. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Линейный жидкокристаллический поляризатор оптического излучения, содержащий по крайней мере два оптических элемента из прозрачного изотропного материала, имеющих параллельные внутренние грани с рабочими ориентирующими поверхностями, между которыми размещен слой ориентированного жидкокристаллического материала, характеризующийся тем, что его показатель преломления для обыкновенного луча меньше, чем показатель преломления каждого из оптических элементов, отличающийся тем, что рабочие ориентирующие поверхности выполнены с обеспечением на них любой заданной однородной ориентацией жидкокристаллического материала, такой, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью принимает значение в диапазоне от 0 до 90^o при выполнении условия исключения одновременного достижения на обеих поверхностях предельных значений углов из указанного диапазона, причем оптическая ось жидкокристаллического материала на рабочей ориентирующей поверхности одного оптического элемента не коллинеарна оптической оси жидкокристаллического материала на рабочей ориентирующей поверхности другого оптического элемента. 2. Поляризатор по п. 1, отличающийся тем, что рабочие ориентирующие поверхности внутренних граней выполнены с обеспечением на них такой ориентации жидкокристаллического материала, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью принимает одно и то же значение для каждой из поверхностей. 3. Поляризатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что рабочие ориентирующие поверхности внутренних граней выполнены с обеспечением на них такой ориентации жидкокристаллического материала, что угол между оптической осью жидкокристаллического материала на поверхности и той же поверхностью принимает значение 45^o для каждой из поверхностей. 4. Поляризатор по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что два оптических элемента из прозрачного изотропного материала выполнены в виде призм Дове, основания которых являются внутренними гранями с рабочими ориентирующими поверхностями.