一种可实现p偏振光的全方位全透射的薄板结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种可实现P偏振光的全方位全透射的弯曲薄板结构。该结构可 使入射光的P偏振分量全部通过介质层，从而降低总的反射损耗。根据光源形状不同，可令 该结构体现柱状或旋转对称性。该结构可用于光源的保护罩、广告灯箱等的设计和制作。
【背景技术】
[0002] 在照明技术中，人们为了追求光源的利用效率进行了很多研究。运用商业软件进 行光学数值模拟，人们可对照明系统的结构和尺寸进行设计和优化，以期获得理想的照明 效果。此外，通过改善介质材料自身的透明度，人们可提高光的透射效率。比如，利用光扩 散PC材料，灯罩的透光率可以达到80-90 % (具体数值依赖于材料自身的性质、灯罩的厚 度、形状及测试方法）。
[0003] 不过，除了材料自身的性质以外，光的菲涅尔反射损失（如灯罩表面）也是照明设 计中值得重视的问题。我们知道，光入射到不同材料组成的界面时将会产生反射光和折射 光。对于一层介质薄板而言，这一效应同时存在于薄板的两个界面，从而削弱了光的透射能 力。反射光的比例决定于入射角度、光的偏振方向以及界面材料折射率的对比。早在1812 年，苏格兰物理学家布儒斯特发现，当自然光入射角的正切等于界面媒质的相对折射率时， 反射光线将为完全偏振光且偏振方向垂直于入射面。此时，P偏振光将产生全透射，即其反 射光的效率为0。这一现象已经被用于制作无菲涅尔损耗的激光窗口。在照明等技术中，能 否利用这一效应抑制灯罩两个表面的菲涅尔损耗（比如完全抑制P偏振光的反射损失）、进 一步提高透射效率呢？问题在于，光源发出的光往往是发散的，难以保证光在各个方向的 入射角都等于布鲁斯特角。
【发明内容】
[0004] 本实用新型要解决的技术问题是抑制光传播过程中的菲涅尔反射、实现P偏振光 的全透射效应，从而提供一种可实现P偏振光的全方位全透射的薄板结构。
[0005] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -种可实现p偏振光的全方位全透射的薄板结构，该薄板结构为弯曲透明 的介质板，介质板的折射率为η;所述介质板的入射表面形状满足方程：r = n0， 其中r是入射角为Θ时光源到达入射表面的距离，r。为入射角Θ =〇时光源到达 入射表面的距离；所述介质板的出射表面形状满足方程：
和
，其中，r'和Θ '为光经过入射表面后的折射光线达 到出射表面那一点的极坐标；t = 0/n为光经过入射表面后的折射光线在介质板内通过 的距离，t。为入射角Θ = 〇时通过的距离；θ B为布儒斯特角Θ B= tan S。
[0007] 所述光源采用点光源或者线光源。
[0008] 进一步地，当光源为点光源时，所述薄板结构为旋转对称状，当光源为线光源时， 所述薄板结构为柱状。
[0009] 本实用新型提供了一种弯曲的介质薄板结构，从点光源或线光源来的光到达介质 板两个界面的任意点处都能以布儒斯特角入射。也就是说，通过设计介质板两个界面的形 状曲线，使得光源发出的光到达第一个界面的任意点处，入射角都恰好等于布鲁斯特角。全 透射的P偏振光到达第二个界面时，入射角同样也是相应的布鲁斯特角（两个界面的布鲁 斯特角不同，两者互余）。本实用新型的结构不仅简单、优美，而且可实现P偏振光的全方位 全透射，从而极大地抑制了光的反射损失。由于菲涅尔反射损耗的抑制，该结构可提高器件 的通光效率，可广泛用于灯罩、灯箱以及特定光学器件的设计和制作。
【附图说明】
[0010] 图1本实用新型的结构与光线折射示意图；
[0011] 图2理论计算的本实用新型薄板表面形状曲线图。
【具体实施方式】
[0012] 本实用新型的【具体实施方式】如下，薄板的截面曲线由以下方程给出。
[0013] 图1给出了弯曲介质薄板的形状和光的折射示意图，两条粗实线代表介质层的两 个弯曲表面。其中，薄板介质层的折射率为n，其余空间假定为空气。光源位于坐标原点0 处，入射光线OA在第一个界面A点处折射进入介质层，折射线AB在第二个界面B点处再次 折射并出射。这里只画出第一象限的二维情形。
[0014] 令A点为内表面的任意一点，其坐标为（x，y);光线OA与X轴的夹角为Θ，线段OA 的长度为r ;经过A点的表面法线与光线OA的夹角始终固定为布儒斯特角Θ B= tan 1Ii ;经 过A点的表面切线与X轴的夹角为θτ(θτ= θ + θ Β+π/2)。容易推得第一个界面的方程 为
[0016] 其中r。为Θ = 〇时内表面与光源的距离。
[0017] 光线OA经折射得到折射光线AB，要使折射光AB再次产生全透射，则要求AB相对 于外表面的入射角应等于相应的布儒斯特角。容易证明，此时经过A、B两点的表面切线或 法线方向相互平行。令B点的坐标为（X'，/)，其极坐标为（r'，Θ '）；折射线AB与X轴的 夹角为S1P1= Θ+2 Θ b-ji/2)，线段AB的长度为t。计算可得
[0018] t = t〇e θ/η (2)
[0019] 其中t。为θ = 〇时折射光线AB在介质层内通过的距离。
[0020] -旦入射角度Θ给定，则r、t的数值以及B点的坐标也将确定（假定r。和t。也 选定的话）。通过计算可以得到
[0023] 这样，第二个曲面的形状也可确定下来。
[0024] 上式（1) (2) (3) (4)即为薄板内外截面曲线方程的具体形式。
[0025] 取：r。= 100mm、t。= 5mm、介质的折射率n = L 5,图2给出了理论计算的弯曲介质 薄板的内外表面形状曲线图。在此情形下，对于任一入射角度Θ，P偏振的入射光分量（电 场平行于入射面）能够全部通过介质层，导致全方位的全透射效应。应该指出的是，对于S 偏振（电场垂直于入射面），上述结构依然存在菲涅尔反射。不过，由于P偏振的全方位全 透射，光的反射损耗总体上得到了抑制。
[0026] 光源采用点光源或者线光源发出的光到达薄板的两个界面时都能以布儒斯特角 入射，入射光的P偏振分量在任意或多个传播方向上都能产生全透射。当光源为点光源（如 尺寸较小的小灯珠）时，将图1中的两条表面曲线作为母线绕y轴旋转一周，可得旋转对称 的薄板介质层；当光源为线光源（如较细的灯管，沿着z轴方向放置）时，将图1中的两条 表面曲线沿z轴平移即可得到柱状的薄板介质层。其它区域的介质层可根据需要利用镜面 对称来获得。这样，结构可在Θ =〇~180度或0~360度的角度范围内工作。
【主权项】
1. 一种可实现P偏振光的全方位全透射的薄板结构，其特征在于，该薄板结构为弯曲 透明的介质板，介质板的折射率为n;所述介质板的入射表面形状满足方程：r=r# ne，其 中r是入射角为0时光源到达入射表面的距离，r。为入射角0 =0时光源到达入射表面 的距离；所述介质板的出射表面开多状满足方S 财沒.+苁/:2.+tan:-L([see瑪十tan紙):f "t 其中，r'和0 '为光经过入射表面后的折射光线达5咄射表面那一点的极坐标;t=Ve/n为光经 过入射表面后的折射光线在介质板内通过的距离，丸为入射角0 = 0时通过的距离；0 B为布儒 斯特角0b=tanS。2. 根据权利要求1所述的一种可实现p偏振光的全方位全透射的薄板结构，其特征在 于，所述光源采用点光源或者线光源。3. 根据权利要求2所述的一种可实现p偏振光的全方位全透射的薄板结构，其特征在 于，当光源为点光源时，所述薄板结构为旋转对称状，当光源为线光源时，所述薄板结构为 柱状。
【专利摘要】本实用新型提供了一种可实现p偏振光的全方位全透射的薄板结构。该薄板结构为弯曲透明的介质板，从点光源或线光源来的光到达介质板两个界面的任意点处都能以布儒斯特角入射。也就是说，通过设计介质板两个界面的形状曲线，使得光源发出的光到达第一个界面的任意点处，入射角都恰好等于布鲁斯特角。全透射的p偏振光到达第二个界面时，入射角同样也是相应的布鲁斯特角(两个界面的布鲁斯特角不同，两者互余)。本实用新型的结构不仅简单、优美，而且可实现p偏振光的全方位全透射，从而极大地抑制了光的反射损失。由于菲涅尔反射损耗的抑制，该结构可提高器件的通光效率，可用于灯罩、灯箱以及特定光学器件的设计和制作。
【IPC分类】F21V5/00, G02B5/00
【公开号】CN204832559
【申请号】CN201520598723
【发明人】郭炀, 黄成平
【申请人】南京工业大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月10日