ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ СВЕТОФИЛЬТР-ДЕПОЛЯРИЗАТОР Российский патент 2023 года по МПК G02B5/30 

Изобретение относится к поляризационным оптическим устройствам, а именно к поляризационным светофильтрам, применяемым в фотографической оптике и в системах оптического наблюдения. Предлагаемый светофильтр-деполяризатор может использоваться для устранения бликов, например, отраженного от поверхности воды света, а также в фотографии в качестве эффективного сокращения яркостного диапазона, усиления контраста на небосводе.

Известны оптические поляризационные устройства - светофильтры, основанные на свойстве дихроизма некоторых оптических сред, пропускающих свет с колебаниями электрического поля в одном направлении и поглощающих свет с колебаниями в ортогональном направлении (см., например, Физический энциклопедический словарь. Поляризатор// — Советская энциклопедия. - М., 1983). Такие светофильтры в последнее время чаще всего изготовляют на основе использования искусственных поляроидных пленок. Принцип действия поляризационных фильтров основан на законе Малюса (см. Ландсберг Г.С. Оптика. Уч. пособие для вузов, 6-е изд., Москва, Физматлит, 2003).

Известны поляризационные фильтры линейной поляризации, содержащие один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Применяя линейный поляризатор при фотосъёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения (https://ru.wikipedia.org/wiki/Поляризатор). С помощью линейных поляризаторов при использовании их совместно с анизотропными фазовыми пластинами получают свет с эллиптической или круговой поляризацией. Использование линейного поляризатора совместно с фазовой пластиной со строго определенной оптической толщиной – четвертьволновой фазовой пластиной, позволяет получить свет с круговой поляризацией. Такие поляризационные светофильтры называют круговыми поляризационными светофильтрами.

Известно оптическое устройство, содержащее первый слой прозрачного полимера, обладающего свойством самовосстановления; просветляющий слой, состоящий по существу из некристаллического фторсодержащего полимера, расположенного под упомянутым первым слоем; и круговой поляризатор, расположенный под упомянутым просветляющим слоем и прикрепленный к нему либо непосредственно, либо через необязательный клейкий слой. Оптическое изделие обладает антибликовыми свойствами, а также обладает свойствами самовосстановления и устойчивостью к истиранию, обеспечиваемыми тонкой многослойной пленкой (см. патент США 6403223, МПК G02B 1/10, опубл. 11.06.2002).

Известен многофункциональный поляризационный фильтр, который используется для цифровой фото камеры и имеет очень малую толщину и цельную структуру, чтобы предотвратить явление виньетирования, при котором на снятое изображение неблагоприятно влияет рамка фильтра (ЕР2590013, МПК G02B 1/11, опубл. 08.05.2013). Фильтр содержит основной корпус, который включает в себя стеклянную подложку из ультрафиолетового стекла, расположенную на стороне, на которую падает свет, и передающую стеклянную подложку, расположенную на стороне камеры. Поверхность подложки из ультрафиолетового стекла, расположенная со стороны падающего света, полируется и покрывается просветляющим покрытием, при этом тонкая пленка, образованная диэлектрической многослойной пленкой, укладывается стопкой на поверхность подложки из ультрафиолетового стекла, расположенного со стороны камеры.

Недостатком указанных фильтров является отсутствие возможности преобразования света с любым состоянием поляризации в естественный неполяризованный свет (деполяризованный).

Наиболее близким к заявляемому является поляризационный фильтр круговой поляризации, выполненный в виде последовательно установленных по ходу распространения лучей света линейного поляризатора – поляроида, и тонкого плоскопараллельного анизотропного слоя вещества строго определенной толщины d. Оптическая ось анизотропного слоя должна быть параллельна граням слоя и составлять угол 45° с осью пропускания поляроида. Такой анизотропный слой преобразует линейно поляризованный свет, выходящий из поляроида и проходящий анизотропный слой, в свет с круговой поляризацией, который выходит из слоя анизотропного вещества и попадает в оптическую систему фотокамеры (https://en.wikipedia.org/wiki/Polarizer#Circular_polarizers)

Эти светофильтры применяют в аналоговых зеркальных фотокамерах с электронной системой управления экспозицией и фокусировки (система TTL - Through The Lens), а также и в цифровых фотокамерах, снабженных электронной системой управления режимами съемки - экспозицией, фокусировкой и т.п. Применение в таких электронных фотографических системах с автоматикой линейных поляризационных светофильтров, а не круговых поляризационных светофильтров, становится проблемным из-за того, что линейно поляризованный свет, выходящий из линейного светофильтра попадает в оптическую систему камеры и испытывает в ней иные энергетические отражения и прохождения через оптические элементы камеры, нежели естественный неполяризованный свет, на который настроена электронная система автоматика камеры. Поэтому линейные светофильтры нельзя применять в системах фотографии с электронным управлением.

Недостатком являются жесткие требования к толщине d анизотропного слоя, определяемой формулой:

.(1)

– средняя длина волны света в вакууме;

- показатель преломления анизотропного слоя для обыкновенной волны;

- показатель преломления анизотропного слоя для необыкновенной волны. порядок разности фаз обыкновенной и необыкновенной волн в результате прохождения ими анизотропного слоя.

Поэтому круговые фильтры требуют исключительно высокую точность изготовления по геометрической толщине и по показателям преломления света веществом анизотропного слоя, обеспечиваемую высокими технологическими и измерительными средствами, что усложняет производство круговых поляризационных светофильтров и повышает их стоимость.

Техническая проблема заключается в разработке фильтра, обеспечивающего преобразование света с любым состоянием поляризации в естественный неполяризованный свет.

Технический результат заключается в упрощении конструкции, не требующей высокой прецизионности изготовления слоя анизотропного вещества.

Технический результат достигается тем, что в поляризационном светофильтре, содержащем расположенные по ходу лучей света линейный поляризатор и плоско параллельный анизотропный слой толщины d с оптической осью, параллельной границам слоя и составляющей угол 45° с осью пропускания линейного поляризатора, согласно решению, толщина d анизотропного слоя выбрана из соотношения:

,

где - длина временной когерентности света в вакууме;

- показатель преломления анизотропного слоя для обыкновенной волны;

- показатель преломления анизотропного слоя для необыкновенной волны.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено схематическое изображение конструкции предлагаемого поляризационного светофильтра-деполяризатора, где:

1 и 4 – изотропные стеклянные пластины – жесткая защитная основа светофильтра,

2 – линейный поляризатор – поляроид,

3 – плоско параллельный слой (пленка или пластина) анизотропного материала толщиной d,

5 – линейно поляризованный свет, или частично линейно поляризованный, или эллиптически поляризованный, или естественный неполяризованный свет,

6 – деполяризованный свет – естественный неполяризованный свет.

Поляризационный светофильтр-деполяризатор содержит расположенные по ходу лучей света изотропную стеклянную пластину 1, линейный поляризатор 2 и пластину 3 из анизотропного материала толщиной d, изотропную стеклянную пластину 4.

Для снижения технологической сложности изготовления кругового поляризационного светофильтра и соответственно снижения себестоимости его изготовления, и для повышения эффективности выполняемых светофильтром функции предлагается изготовление поляризационного светофильтра со слоем анизотропного вещества, толщина которого не выдерживается строго определенной величины, определяемой формулой (1), а только превышает определенную величину, устанавливаемую неравенством:

,(2)

где - средняя длина волны солнечного света видимого диапазона в вакууме,

- ширина контура частотного спектра света в шкале длин волн,

- длина временной когерентности света видимого диапазона.

При такой толщине анизотропного слоя линейно поляризованный свет, вышедший из поляроида и прошедший затем анизотропный слой, превращается в естественный неполяризованный свет, который имеет все необходимые свойства для правильной работы электронной системы автоматики фотокамеры. При этом для достижения требуемого превращения линейно поляризованного света, выходящего из линейного поляризатора, в свет, близкий по своему энергетическому эффекту после его прохождения через оптические элементы камеры, к естественному неполяризованному свету, оптическая ось анизотропного слоя, как и в случае кругового поляризационного фильтра, должна быть параллельна границам слоя и составлять угол в 45° с плоскостью поляризации падающего на слой света, совпадающей с осью пропускания поляроида.

Изготовление анизотропного слоя такой толщины не требует прецизионной технологии контроля слоя по толщине и по показателям его преломления, что необходимо при изготовлении кругового поляризационного светофильтра. Кроме этого такой светофильтр будет одинаково работать для всего диапазона длин волн видимого света, тогда как круговой светофильтр работает преимущественно только для света с длинами волн зеленого света – центральных длин волн видимого диапазона. Это является еще одним преимуществом предлагаемого поляризационного светофильтра.

В предлагаемом поляризационном светофильтре-деполяризаторе изменение состояния поляризации и достижение требуемого эффекта преобразования света с любым состоянием поляризации в естественный неполяризованный свет, происходит в результате действия только двух его элементов – линейного поляризатора – поляроида 2, и слоя анизотропного вещества 3. Внешние изотропные стеклянные пластины 1 и 4 служат в качестве защиты и жесткой основы поляризационных элементов светофильтра и не оказывают какого-либо действия на состояние поляризации проходящего через них света и соответственно не изменяют состояние его поляризации. Поэтому при рассмотрении работы светофильтра деполяризатора эти пластины не принимаются во внимание.

Внешний пучок света любого состояния поляризации, включая линейно поляризованный свет и естественный неполяризованный свет, сначала проходит линейный поляризатор – поляроид 2 и становится линейно поляризованным с направлением колебаний электрического поля , совпадающим с осью пропускания поляроида 2. Интенсивность этого линейно поляризованного света зависит от интенсивности и состояния поляризации входящего в поляроид пучка света 5. Отражения света от границ элементов светофильтра во внимание не принимаются, и они могут быть сведены к минимуму при использовании просветляющих покрытий, широко применяемых в оптических устройствах. Линейно поляризованный свет, попадая в анизотропный слой 3, разлагается на две ортогонально линейно поляризованные волны – обыкновенную и необыкновенную , распространяющиеся вдоль оси z перпендикулярно границам оптических элементов фильтра. Интенсивности этих волн для достижения требуемого эффекта должны быть равными, . Для этого ось пропускания поляроида и оптическая ось анизотропного слоя должны составлять между собой угол в 45°. Обыкновенная волна линейно поляризована в плоскости, перпендикулярной оптической оси анизотропного слоя 3, а необыкновенная волна линейно поляризована в плоскости, в которой лежит оптическая ось анизотропного слоя 3. Эти волны распространяются с разными скоростями вдоль оси z, перпендикулярной граням анизотропного слоя, в силу анизотропных свойств слоя и ориентации оптической оси слоя параллельно его граням. Скорость распространения обыкновенной волны , а необыкновенной волны , где - скорость света в вакууме, и - главные значения показателей преломления вещества анизотропного слоя: - показатель преломления обыкновенной волны, - показатель преломления необыкновенной волны. В силу различия скоростей распространения этих волн в анизотропном слое они пройдут в слое различные оптические пути и , где d – геометрическая толщина слоя. В другом физическом представлении, обыкновенная и необыкновенная волны имеют разные времена прохождения толщи слоя: и . В результате между обыкновенной и необыкновенной волнами каждой спектральной составляющей всего спектрального диапазона входящего в светофильтр света на выходе из анизотропного слоя возникнет разность фаз колебаний этих волн:

, (3)

где и - длина волны соответственно обыкновенной и необыкновенной волн j-той спектральной составляющей света, - длина волны в вакууме j-ой спектральной составляющей света, - оптическая разность хода обыкновенной и необыкновенной волн, возникающая при прохождении анизотропного слоя. При отсутствии дисперсии, что можно предположить для упрощения рассмотрения, показатели преломления и не зависят от длины волны и одинаковы для всех спектральных составляющих света.

При конечном ненулевом значении оптической разности хода разность фаз обыкновенной и необыкновенной волн каждой спектральной составляющей имеет разную величину в силу различия значений длины волны спектральной составляющей. Следовательно, волны с разными длинами волн по выходу из анизотропного слоя будут иметь разные состояния поляризации. Согласно (3) диапазон изменения разности фаз при данном диапазоне длин волн зависит от величины оптической разности хода . Если такова, что при данном , изменение разности фаз , то спектральные составляющие света будут иметь все состояния поляризации света – линейную, эллиптическую и круговую с разными ориентациями линий и эллипсов поляризации и разными направлениями вращения вектора возмущений электрического поля. В результате в этом случае суммарная световая волна будет иметь неполяризованное состояние – будет естественным светом. Из (3) следует, что

, (4)

где - средняя длина волны спектрального диапазона света. Таким образом получается при оптической разности хода

. (5)

Следовательно, при

(6)

свет, выходящий из анизотропного слоя, становится естественным неполяризованным светом.

Поскольку , то для геометрической толщины d анизотропного слоя получаем соотношение

, (7)

необходимое для того, чтобы свет, выходящий из светофильтра, становился естественным неполяризованным.

Поскольку, как известно, длина временной когерентности света в вакууме определяется по формуле , то (7) принимает следующий вид

, (8)

При выполнении такого условия поляризационный светофильтр преобразует свет с любым состоянием поляризации в естественный неполяризованный свет.

Пример практического использования.

Анизотропный слой может быть выполнен, например, из кристаллического кварца SiO₂, имеющим показатели преломления для обыкновенной волны и для необыкновенной волны в частотном диапазоне видимого белого света мкм и мкм (https://tehtab.ru/Guide/GuidePhysics/LightAndColor/

AbsortonRedjPrel/RefractionJointTable/). Согласно (8) требуемая толщина d анизотропного слоя должна быть мкм. Трехкратное превышение этой величины достаточно для достижения требуемого эффекта преобразования света в естественный неполяризованный свет. Таким образом, толщина анизотропного слоя из кристаллического кварца должна быть мкм. Ограничение сверху толщины анизотропного слоя определяется конструктивными и технологическими требованиями к фильтру.

Изобретение может использоваться в фотографической оптике и в системах оптического наблюдения для устранения бликов и уменьшения яркостного диапазона, усиления контраста на небосводе. Поляризационный светофильтр содержит расположенные по ходу лучей света линейный поляризатор и плоскопараллельный анизотропный слой толщиной d с оптической осью, параллельной границам слоя и составляющей угол 45° с осью пропускания линейного поляризатора. Толщина d анизотропного слоя выбрана из соотношения: , где - длина временной когерентности света в вакууме; - показатель преломления анизотропного слоя для обыкновенной волны; - показатель преломления анизотропного слоя необыкновенной волны. Технический результат - упрощение конструкции, не требующей высокой прецизионности изготовления слоя анизотропного вещества. 1 ил.

Поляризационный светофильтр, содержащий расположенные по ходу лучей света линейный поляризатор и плоско параллельный анизотропный слой толщиной d с оптической осью, параллельной границам слоя и составляющей угол 45° с осью пропускания линейного поляризатора, отличающийся тем, что толщина d анизотропного слоя выбрана из соотношения:

, где

- длина временной когерентности света в вакууме;

- показатель преломления анизотропного слоя для обыкновенной волны;

- показатель преломления анизотропного слоя необыкновенной волны.