专利名称：二向色偏振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及偏振(极化)装置，其可应用在发光(照明)设备、建筑用玻璃和光学仪表的生产制造业，如分光光度计及显示器中。
在所建议的本发明框架内的二向色偏振器的作用是基于利用了一些通常被称为二向色的对电磁辐射的正交线性极化组元能实现不同吸收的材料。其中，一种被称为偏振片或极化光滤波器的胶片式二向色偏振器获得了最广泛的应用。此外，为获得该胶片式二向色偏振器通常还使用了一种特殊的材料，该材料内含有在广阔的波长频带区间内既具强吸收性能、又具强二向色性能的分子或粒子(如微晶体)。通常这些分子或粒子具有被拉长的形式，而在偏振器的制作过程中对这些分子或粒子在给定(或被标定)的方向上，又被称为在吸收轴线(中心线)的方向上，进行了定向处理。偏振器的通过面(极化镜面)装配为与吸收轴线相互垂直。对组元的吸收等级(吸收的能力大小)则与电能矢量的振动方向相对于所选定的方向是处于什么状态有关。在对偏振器的工作进行说明之前，为方便起见，这里先标出按吸收等级区分的正交极化组元及以后会应用到的被吸收组元(寄生组元)及不被吸收组元(有效组元)。
为了评估偏振器的效率(质量)及在偏振器之间进行比较，其中包含二向色偏振器，通常运用的是它们的超极化的能力(极化度比率)，而通常为获得其超极化的能力又使用了多种不同的方法(见阿.依.汪尤里辛，伏.帕.盖尔卡偌夫斯卡娅″光学偏振(极化)装置″基辅，技术出版社，1984[1]，第23页)，下面极化度比率将被理解为是一个量值P，它对于透射式的偏振器来说是通过不被吸收组元的能量透射系数T1及被吸收的正交极化组元的能量透射系数T2的换算关系来确定的，这样P＝(T1-T2)/(T1+T2)而对于反射的偏振器该量值P则是通过不被吸收组元的能量反射系数R1及被吸收的正交极化组元的能量反射系数R2的换算关系来确定的，这样P＝(R1-R2)/(R1+R2)已知二向色偏振器包括在一个方向上严重被拉长的聚合薄膜，薄膜中包含有在被拉长过程中实现了定向化的二向色分子，如以聚乙烯醇为基础的碘化聚乙烯偏振器([1]第37-42页)。这些偏振器都是由多层的薄层组成，其中除超极化薄层外，还包括加强层、粘合剂层及保护层。但是这些胶片式偏振器的主要缺点是它们在制作过程中的比较繁重的工作量。
与本发明在技术本质上最为接近的是在其片基上具有通过涂覆处于感胶离子液晶状态的有机染料形成的分子定向层的二向色偏振器(申请WO94/05493，分类C09B31/147，1994)。使用这样的涂料可以大大地简化二向色偏振器的制作工艺和由此而来的成本的降低，但通过这种方法获得的二向色偏振器却不具备足够的极化度比率。
本发明的任务是在保持对不吸收组元的高通过(反射)系数条件下通过提高从偏振器输出的电磁辐射的极化度等级的办法来提高二向色偏振器的效率。
所提任务的解决是在包含有片基及二向色材料薄层的二向色偏振器中置入两层反射面层，在两层反射面层中至少有一层具有部分通路的性质，且二向色吸收薄层位于两层反射面层之间。这样的多层结构能保证获得多射线的干扰，对外而言，它也就是一个法布里-柏罗射电干扰仪。
二向色偏振器也可作成是反射式的，这时有一层反射面层应作成是全反射式的，另一层反射面层则应作成是部分反射式的。并且对从片基方面来讲是前置的面上即可作成为是反射式的(全反射式的)薄层，也可作成为是部分通路式的薄层。
由于多射线干扰的结果，在二向色偏振器的输出端按不同的偏振器薄层的材料、厚度和不同的面层材料、厚度可以得到不同的干涉强度的最大值、干涉强度的最小值及干涉强度的中间值。
在所建议偏振器输出端获得的不同极化度比率对干涉图像的影响的分析说明，当获得强度(视觉亮度)干涉最大值时，反射式或通路式的偏振器的能量反射系数或能量通过系数都有所增加，对被吸收组元和不被吸收组元来说皆有增加。但是正交极化组元的通过的(或反射的)辐射强度比率下降，或相应的说，极化度比率下降。这时虽然可提高偏振器的通过(反射)性能，但与极化度比率的下降比较而言，它是一个小量。
在偏振器输出端获得的干涉最小值，源于两个正交极化组元强度的减小，然而，计算和试验结果说明，与不被吸收组元强度比较起来，对被吸收组元强度可以保证实现更大程度的减小，这时虽然对偏振器的通过(反射)性能带来一些减低的影响，但它却保证了极化度比率的大大提高。
因此，比较合理的作法为，二向色偏振器的材料和厚度选取的条件是应按在偏振器的输出端获得对被吸收组元(至少是对一个电磁辐射的波长而言)的干涉最小值。
所选取的波长应是能保证获得干涉最小值的波长，比如，可能可以选取所使用光谱范围的中值波长。
所使用光谱范围的宽度应根据以下的考虑来确定；在二向色偏振器的输出端获得干涉最小值的条件可以以下公式表示；Δ＝mλ+λ/2其中Δ-在偏振器输出端两个自反射面层反射的射线的行程差m-干涉级别数λ-光波长在具备足够精度下，对于相邻的波长也可按此获得干涉最小值，但此时的行程差Δ的误差将不大于10％，在较大的干涉级别数(m＝10-50)下，即当有着比较厚的薄层时，二向色地吸收的电磁辐射的行程差误差在10％范围内的条件只有在非常窄小的波长范围内方有效，故此时，偏振器只可作为窄频带的偏振器使用。在零的干涉级别数(m＝0)下，即当有着比较薄的薄层时，二向色地吸收的电磁辐射的行程差误差在10％范围内的条件将在较为宽阔的波长范围内有效，如，对所选取的基本波长在上关系式(3)中取为550纳米时，则对于所有的可见范围都能获得干涉最小值的条件。因此，当二向色地吸收电磁辐射的薄层厚度做到能与辐射波长相比时，即可得到宽频带的偏振器。
从干涉理论中知道，为获得干涉最小值，在干涉的光(射)线之间的光学行程差应满足λ/2+mλ的关系，即为半波长的奇数倍。为保证这样的行程差，二向色吸收薄层的光学厚度至少对于一个波长来讲可按以下关系式来确定λ/4+λ/2m＝λ/4(1+2m)干涉射(光)线的幅值间的相互关系对干涉结果具有很大的影响，已知，最小强度值可以在它们的方程式中获得。因此，比较合适的作法是，应对被吸收组元的各干涉射线幅值进行最大可能地补偿(展平)，也即保证对这些组元射线的最大的互相衰减及对不被吸收组元保证能进行干涉射线幅值的重大区分，在实际上，这样作的结果，也就排除了能干涉这些射线的可能性。也即是，实际上将实现不被吸收组元强度的减小。实现这两个条件也即可保证提高极化度比率，这与降低一些偏振器的通过(反射)性能比较起来，提高极化度比率占有更重要的地位。
基于以上的考虑，二向色吸收薄层的厚度h可按以下至少可满足一个波长λ的关系式的条件来选出hn＝mλ+λ/4＝(2m+1)*λ/4其中n-二向色吸收薄层的折射系数m-整数而反射面层的厚度和材料的选取应当能够保证对被吸收的组元来说，对于至少一个波长至少两条干涉线的幅值相同或相近似(此时相差在10-20％之内)。在此情况下，必要的反射系数可选用试验数据或计算数据。
反射面层的材料既可选用金属，也可选用由高低折射系数交替变换的材料层构成的多层的介电镜面。
金属面层可以比较简单地获得，如在真空中进行热工的表面蒸发，但这会出现对光线吸收的部位，从而会减低偏振器的通过(反射)性能。对于这类面层可以采用金属铝、银或其它金属材料。
对多层的介电镜面来说，这里不存在对光线吸收的问题，但它的制作过程却十分复杂和辛劳。对于这类面层对高折射系数的材料可以采用如TiO2、MgO、ZnS、ZnSe、ZrO2、冰晶石及相应的聚合物等，对低折射系数的材料可以采用如SiO2、AL2O3、CaF2、BaF2、MgF2、AIN、BN或相应的聚合物等。
为制作反射面层可以采用以下的标准方法在真空中进行热工的表面蒸发，在蒸气中进行随后的热处理加工，实施磁控管溅射以及进行其它的工艺处理等。
对二向色地吸收薄层的材料的选用，原则上可以采用任一种二向色地吸收材料，由其所形成的薄层的厚度通常与波长是可比的，例如，等于波长的四分之一，即λ/4。然而，更合适的是选用处于感胶离子液晶态的分子定向的有机涂料，它们可自以下的材料系列中选取
I，n＝2-4，M-正离子
II，n＝2，M-正离子
IV，R＝H，CF3；X＝H，Br，SO3M；n＝1-3；
V，n＝2-4，M-正离子
VII，n＝2，M-正离子
VIII，n＝2-3，M-正离子
XR＝H，OAIK，NHR，Cl，Br，X＝O，NH，CH2；n＝2，M-正离子所指出的有机涂料在其制作薄层过程中可直接实现二向色涂料的分子定向。这样也就极大的简化了制作二向色偏振器的工艺流程，从而，也降低了其成本。
为制作二向色地吸收电磁辐射的薄层，可以采用以下的标准方法通过镘形线柱，凹版印刷机刮油墨刀，不转动圆柱形墨刀来进行涂覆，并在开缝的拉线模协助下进行涂覆等等。
现参照附
图1至3对本发明进行说明。图1给出了二向色偏振器原型的简图。图2给出了本发明的反射式二向色偏振器的简图。图3给出了本发明的透光式二向色偏振器的简图。
在图1的二向色偏振器原型的简图中，1为涂覆在片基2上的二向色地吸收电磁辐射的薄层。非极化的电磁辐射3通过薄层1，经二向色地吸收电磁辐射后，被转变为线偏振地极化的电磁辐射4。
通过对二向色偏振器原型的性能分析可以知道当二向色地吸收电磁辐射的薄层1的厚度为50-100纳米时，极化度比率为80％，二向色偏振器对有效极化组元的通过比率为90％。当二向色地吸收电磁辐射的薄层1的厚度为500纳米时，极化度比率为90％，有效极化组元的通过比率为80％。当二向色地吸收电磁辐射的薄层1的厚度为2000纳米时，极化度比率为99％，二向色偏振器对有效极化组元的通过比率为50％。因此，在二向色偏振器原型中，以增大二向色地吸收电磁辐射的薄层1的厚度来增加极化度比率的作法，将导至有效极化组元通过比率的大大地下降。
在图2本发明的反射式二向色偏振器简图中，有，二向色地吸收电磁辐射的薄层1，全反射电磁辐射的薄层5，及部分反射电磁辐射的薄层6，而所有这些薄层都被涂覆在片基2上。
对所建议的二向色反射式偏振器的工作原理可描述如下非极化的电磁辐射由两个其极化面为相互垂直的线性极化组元7与8组成(为了直观及易于理解，在图2、3中，对这两个组元散开来表达)。假设组元7为被吸收及无效的组元，其极化方向与二向色地吸收电磁辐射的薄层1的吸收轴线平行，它的一部分被部分反射电磁辐射的薄层6所反射，这一部分被反射的电磁辐射形成了射线(光线)9。组元7的另一部分能量穿过二向色地吸收电磁辐射的薄层1及被全反射电磁辐射的薄层5所反射，并再次穿过薄层1，薄层6后，形成了射线10。被反射的射线9，10将被极化成如同进入的组元7一样。在对薄层1的厚度进行选择时，应使射线9、10的光学行程差为被极化电磁辐射半波长的奇数倍，且该半波应取所选用光谱的中点波长的半波。这样，射线9、10相互干扰的结果使它们之间相互衰弱，以及在优化的方案下，它们将会被完全的熄灭。通过自反射薄层5、6实现反射的反射系数的最佳选择，使射线9、10的强度(幅度)相同或在数值上接近时，则可实现将它们完全熄灭。反射薄层5、6可以选用金属的或介电的、单层的或多层的。
另一线偏振地极化组元8为在薄层1中不被吸收的及为之后的有效组元，其极化方向与二向色地吸收电磁辐射的薄层1的吸收轴线相垂直，它的一部分被部分反射电磁辐射的薄层6所反射，这一部分被反射的电磁辐射形成了射线(光线)11。组元8的另一部分能量穿过二向色地吸收电磁辐射的薄层1及被全反射电磁辐射的薄层5所反射，并再次穿过薄层1，薄层6后，形成了射线12。被反射的射线11，12将被极化成如同进入的组元8一样。射线11、12相互干扰的结果使它们之间相互衰弱的程度，远远小于射线9、10。这是由于在薄层1中对射线12的吸收可小到忽略不计，使得它们的强度差别很大造成。
不同的衰弱程度的结果是，被吸收的及不被吸收的组元在自偏振器输出的辐射中，一种(被吸收的)线偏振地极化组元的含量就减低了，这种减低是相对于另一种(不被吸收的)与被吸收组元为正交极化态的组元而言的，这样，也就导致了极化度等级的很大地提高。
图3给出了本发明的透光式二向色偏振器的简图。它包含有二向色地吸收电磁辐射的薄层1及部分反射电磁辐射的薄层6、13。而所有这些薄层都被涂覆在片基2上。
对本发明的透光式二向色电磁辐射偏振器的工作原理可描述如下非极化的电磁辐射由两个其极化面为相互垂直的线性极化组元7、8组成。组元7、8先通过部分反射电磁辐射的薄层6，之后，穿过二向色地吸收电磁辐射的薄层1。组元7、8的一部分能量通过部分反射电磁辐射的薄层13，形成射线14、15。它们的另一部分能量则被部分反射电磁辐射的薄层13所反射，通过薄层1后，被薄层6所反射，并再次穿过薄层1，薄层13后，形成了射线16、17。射线15，17将被极化成如同进入的组元8一样，即，垂直于吸收轴线。射线14，16将被极化成如同进入的组元7一样，即，平性于吸收轴线。
在薄层1中被吸收的射线14、16相互干扰的结果使它们之间相互衰弱，以及在优化的方案下，它们将会被完全的熄灭。通过自反射薄层6、13实现反射的反射系数的最佳选择，使射线14、16的强度(幅度)相同或在数值上接近时，则可实现将它们完全熄灭。反射薄层6、13可以选用金属的或介电的、单层的或多层的。
在薄层1中不被吸收的射线15、17相互干扰的结果使它们之间也相互衰弱，但其相互衰弱的量值与射线14、16比较起来是很小的。这是由于在薄层1中对射线15、17的吸收可小到忽略不计，使得它们的强度差别很大造成。
不同的衰弱程度的结果是，被吸收的及不被吸收的组元在自偏振器输出的辐射中，一种(被吸收的)线偏振地极化组元的含量就减低了，这种减低是相对于另一种(不被吸收的)与被吸收组元为正交极化态的组元而言的，这样，也就导致了极化度等级的很大地提高。
以下给出了该二向色偏振器的具体实施例。
例1用于极化可见光波段(波长为400-700纳米)的本发明反射式二向色偏振器(图2)的制作可参照以下方式在玻璃片基上连续地实施渗铝涂覆，使形成厚度达100纳米的强反射薄层(通过在真空中进行热工的表面蒸发的涂覆方法)。然后，用由关系式I、II、III所确定的涂料混合物来制作厚度为130纳米的二向色地吸收电磁辐射的薄层。之后，选用铝材来制作厚度为2纳米的部分反射电磁辐射的薄层。
通过测量说明，在所制作的二向色偏振器中，在二向色偏振器对有效极化组元的反射达90％的情况下，其超极化的能力达92％。而在采用同样涂料及同样薄层厚度制作的正交式偏振器中，(为了对比的正确性而采用了涂覆在镜面上的作法)，在二向色偏振器对有效极化组元的反射达90％的情况下，其超极化的能力达80％。例2用于对波长段为490-510纳米的辐射并使其极化的本发明反射式二向色电磁辐射偏振器(图2)的制作可参照以下方式在玻璃片基上连续地以多层介电面层(由交替的MgF2薄层及冰晶石薄层组成)的形式涂覆出在490-510纳米的波段反射系数为98％的强反射薄层。然后，在这个强反射薄层上以关系式II的定向涂料来涂覆出厚度为125纳米的二向色吸收电磁辐射的薄层。再后，具反射系数为28％的部分反射电磁辐射的薄层同样由MgF2，薄层及冰晶石薄层来制成。
测试说明，在所制作的二向色偏振器中，在波长段为490-510纳米的区域内，在二向色偏振器对有效极化组元的反射为85％的情况下，其超极化能力达95％。在采用同样涂料及同样薄层厚度制作的正交式偏振器中，(为了对比的正确性而采用了涂覆在镜面上的作法)，在二向色偏振器对有效极化组元的反射为90％的情况下，其超极化能力为85％。例3用于对波长段为620-640纳米的辐射并使其极化的本发明透光式二向色偏振器(图3)的制作可参照以下方式在玻璃片基上连续地实施渗铝涂覆，使形成厚度达20纳米的部分反射薄层(通过在真空中进行热工的表面蒸发的涂覆方法)。然后，用由关系式IV所确定的定向涂料来制作厚度为155纳米的二向色地吸收电磁辐射的薄层。之后，选用铝材来制作厚度为20纳米的部分反射电磁辐射的第二个薄层。
通过测量说明，在所制作的二向色偏振器中，在二向色偏振器对有效极化组元的反射达80％的情况下，其超极化的能力达98％。而在采用同样涂料及同样薄层厚度制作的正交式偏振器中，在二向色偏振器对有效极化组元的通过达82％的情况下，其超极化的能力达86％。例4用于靠近红外波段的辐射并使其极化的本发明透光式二向色电磁辐射偏振器(图3)的制作可参照以下方式在玻璃片基上连续地以多层介电面层(由硫化锌薄层及磷酸铵薄层组成)的形式涂覆出在700-1200纳米的波段反射系数为40-55％的部分反射薄层。然后，用关系式X的定向涂料来涂覆出厚度为250纳米的二向色吸收电磁辐射的薄层。再后，用同样的硫化锌薄层及磷酸铵薄层来制作出具反射系数为28％的部分反射电磁辐射的薄层。
测试说明，在所制作的二向色偏振器中，在波长段为700-1200纳米的区域内，在二向色偏振器对有效极化组元的反射为80％的情况下，其超极化能力达92％。在采用同样涂料及同样薄层厚度制作的正交式偏振器中，在二向色偏振器对有效极化组元的反射为80％的情况下，其超极化能力为75％。
这样，在所有上述的例子中，在对不被吸收组元保留高通过(反射)系数条件下，由于增高了自二向色偏振器输出的电磁辐射的极化度等级，从而获得了二向色偏振器的工作效率的提高。
权利要求
1.二向色的偏振器，该种二向色偏振器包括片基及二向色地吸收电磁辐射的薄层，其特征在于，被涂覆成为两层反射面层，且其中至少有一层是部分通过式的，而二向色地吸收电磁辐射的薄层位于两层反射面层之间。
2.如权利要求1的二向色的偏振器，其特征在于，两层反射面层皆做成部分通过式的。
3.如权利要求1的二向色的偏振器，其特征在于，二向色地吸收电磁辐射的薄层及反射面薄层的材料和厚度是由在二向色偏振器的输出端对电磁辐射(至少对一个波长是如此)的被吸收组元获得最小干扰的条件来选取。
4.如权利要求1-3的二向色的偏振器，其特征在于，在反射电磁辐射的面层中，至少有一层是金属面层。
5.如权利要求1-3的二向色的偏振器，其特征在于，在反射电磁辐射的面层中，至少有一层是由高低折射系数交替变换的材料层构成的多层的介电镜面做成。
6.如权利要求1-5的二向色的偏振器，其特征在于，二向色地吸收电磁辐射的薄层是由二向色的，以感胶离子液晶态涂制的涂料做成的定向薄层构成。
全文摘要
本发明涉及偏振装置,其可应用在发光设备、建筑用玻璃生产及显示器中,所建议的二向包偏振器包括一片片基及至少一层二向色地吸收电磁辐射的薄层,该薄层引入了两层反射面层,其中至少有一层反射面层具有部分通路的性质,薄层位于双反射面层之间且能二向色地吸收电磁辐射,薄层及反射面层的材料和厚度,皆以满足电磁辐射(至少对一个波长是如此)的被吸收组元在二向色偏振器的输出端获得最小干扰的条件来选取,本发明的成果是在保留对不被吸收组元高通过(反射)系数的条件下,由于增高了自二向色偏振器输出的电磁辐射的极化度等级,从而获得了二向色偏振器的工作效率的提高。
文档编号G02B5/30GK1271422SQ98809519
公开日2000年10月25日 申请日期1998年8月3日 优先权日1997年8月11日
发明者帕维尔·伊凡诺维奇·拉扎列夫, 亚历山大·亚历山大罗维奇·米约什金, 尼古拉·维拉帝米约维奇·马里莫宁科, 瑟盖·瓦瑟利维奇·贝尔伊夫 申请人:奥普帝瓦有限公司