DE974318C

DE974318C - Polarizer

Info

Publication number: DE974318C
Application number: DEP10410A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr Schroeder
Original assignee: Optische Werke CA Steinheil Soehne GmbH
Current assignee: Optische Werke CA Steinheil Soehne GmbH
Priority date: 1948-10-02
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1960-11-24

Description

Polarisator Zur Erzeugung linear polarisierter elektromagnetischer Strahlung gibt es bekanntlich drei prinzipiell verschiedene Verfahren: In der Optik verwendet man vorzugsweise geeignet geschnittene Prismen aus doppelbrechendem Material, wobei die eine Schwingungskomponente durch Reflexion entfernt wird (Nicolsches Prisma); da sie jedoch stets nur in kleinen Stücken zu haben und im spektralen Anwendungsbereich (o,2 bis etwa q. #t) beschränkt sind, sind sie durchaus nicht in allen Fällen geeignet. Neue Möglichkeiten wurden durch die seit einiger Zeit bekanntgewordenen sogenannten Polarisationsfilter geschaffen, deren Wirkung entweder auf dem Dichroismus kristalliner Substanzen oder einer dem Hertzschen Gitter analogen Struktur beruht. Sie besitzen den Vorteil, in fast beliebiger Größe angefertigt werden zu können, andererseits aber den Nachteil, weniger lichtdurchlässig und in ihrem spektralen Wirksamkeitsbereich noch stärker als Nicolsche Prismen eingeschränkt zu sein, indem der Polarisationsgrad unterhalb 0,4 #t und schon oberhalb o,7 #t meist nur noch gering ist. Eine dritte Möglichkeit zur Erhaltung linearpolarisierter Strahlung besteht in der Ausnutzung des Brewsterschen Winkels (pp. Eine elektromagnetische Welle, die unter diesem Winkel auf ein ebenes Dielektrikum auffällt, wird bekanntlich aufgespalten in eine vollständig linear polarisierte, reflektierte Welle und eine teilweise polarisierte durchgehende Welle, wobei die Intensität der Reflexion mit der Brechzahl des Dielektrikums ansteigt. Diese liegt jedoch bei den verfügbaren Stoffen, wie z. B. Glas, so niedrig, daß die Strahlungsausbeute in der Reflexion meist nur sehr gering ist. Da man außerdem eine Knickung im Strahlengang möglichst zu vermeiden bestrebt ist, bedient man sich häufiger des durchgehenden Strahlenteils, benötigt dann aber, um zu einem höheren Polarisationsgrad zu kommen, eine größere Anzahl von Platten. Im optischen Bereich erreicht man z. B. mit zwölf Platten von der Brechzahl n9 = 1,5 im durchgehenden Licht einen Polarisationsgrad von 960/,. Dabei muß man aber eine je nach der Dicke der Platten mehr oder minder erhebliche Verschiebung des Strahlenganges .sowie Verzerrungen infolge nicht genügender Planparallelität in Kauf nehmen.Polarizer For generating linearly polarized electromagnetic It is well known that there are three fundamentally different methods of radiation: In optics it is preferable to use suitably cut prisms made of birefringent material, wherein the one vibration component is removed by reflection (Nicol's prism); however, since they are only ever available in small pieces and in the spectral area of application (o, 2 to about q. #t), they are by no means suitable in all cases. New possibilities were created by the so-called Polarizing filters are created, the effect of which is either crystalline on the dichroism Substances or a structure analogous to the Hertzian lattice. You own the advantage of being able to be made in almost any size, on the other hand but the disadvantage of being less translucent and in their spectral range of effectiveness being even more restricted than Nicol's prisms by the degree of polarization below 0.4 #t and above o.7 #t is usually only low. A third The possibility of maintaining linearly polarized radiation is to use it des Brewster's angle (pp. An electromagnetic wave at this angle falls on a flat dielectric is known to be split up into a complete one linearly polarized reflected wave and a partially polarized continuous wave Wave, the intensity of the reflection increasing with the refractive index of the dielectric. However, this depends on the available substances, such as B. Glass, so low that the radiation yield in the reflection is usually only very low. Since you also to avoid a kink in the beam path as far as possible strives one uses the continuous beam part more often, but then needs to to come to a higher degree of polarization, a larger number of plates. in the optical range can be achieved z. B. with twelve plates with the refractive index n9 = 1.5 in transmitted light a degree of polarization of 960 / ,. But you have to have one depending on the thickness of the plates, a more or less significant shift in the beam path and accept distortions as a result of insufficient plane parallelism.

In neuester Zeit hat man zur Verbesserung dieses letzteren Prinzips vorgeschlagen, an Stelle von mehrfachen Glasplatten ein System von Interferenzschichten verschiedener Brechung zu wählen, deren jede unter dem Brewsterschen Winkel vom Licht getroffen wird. Die Realisierung dieses Vorschlags ist aber, wie die quantitative Diskussion ergibt, an die Bedingung gebunden, daß man das Schichtensystem zwischen Prismen einschließt, was zumindest bei großen Lichtbündelquerschnitten zu kostspieligen, komplexen Anordnungen führt.Recently one has to improve this latter principle proposed a system of interference layers instead of multiple glass plates of different refraction, each of which is at Brewster's angle from Light is hit. The realization of this proposal is like the quantitative one Discussion results, tied to the condition that one has the layer system between Includes prisms, which is expensive, at least with large light beam cross-sections, complex arrangements.

Ein anderer, speziell in der Ultrarotphysik diskutierterGedanke behandelt die polarisierende Wirkung von teildurchlässigen Metallschichten, deren Verwendung innerhalb der Optik und Lichttechnik aber wegen der starken Absorptionsverluste nicht in Betracht zu ziehen ist.Another idea discussed specifically in ultrared physics is dealt with the polarizing effect of partially transparent metal layers, their use but within optics and lighting technology because of the strong absorption losses is not to be considered.

Gemäß der Erfindung besteht ein Polarisator aus mindestens einer auf eine durchsichtige oder absorbierende Unterlage als Oberflächenschicht aufgebrachten, nichtmetallischen, die Reflexion verändernden, insbesondere erhöhenden Interferenzschicht, auf die das zu polarisierende Licht unter einem vom Brewsterschen Winkel abweichenden Winkel auftrifft, wobei die für eine Schicht geltende Bedingung sinngemäß für mehrere Schichten zugrunde gelegt ist. In dieser Formel ist Wellenlänge, Einfallswinkel, d = Dicke der Interferenzschicht, n, = effektiver Brechungsindex der Interferenzschicht, = Lichtaustrittswinkel in der Unterlage hinter der Schicht, k = o, i, 2, 3, ... zweckmäßig <io.According to the invention, a polarizer consists of at least one non-metallic, reflection-changing, in particular increasing, interference layer applied to a transparent or absorbent substrate as a surface layer, on which the light to be polarized strikes at an angle deviating from Brewster's angle, the one that applies to one layer condition is used accordingly for several layers. In this formula, wavelength, angle of incidence, d = thickness of the interference layer, n, = effective refractive index of the interference layer, = light exit angle in the substrate behind the layer, k = o, i, 2, 3, ... expediently <io.

Bei Erfüllung dieser Bedingungen erreicht man für genügend hohe Werte von n, eine Intensität der reflektierten polarisierten Strahlung, welche ein Mehrfaches von derjenigen betragen kann, die die freie Unterlage beim Brewsterschen Winkel liefern würde. Ebenso ist beim durchgehenden Licht der Polarisationsgrad beträchtlich erhöht. Die Verstärkung der Wirkung einer solchen Polarisationsschicht, insbesondere für die durchgehende Strahlung, ist auf verschiedene Art möglich. Entweder bringt man mehrere polarisierende Teilschichten hintereinander auf den gleichen Träger auf, indem man jeweils Schichten aus anderem Brechungsindex dazwischenlegt, oder man schaltet mehrere einfach- oder mehrfach beschichtete Träger mit geringem Zwischenraum hintereinander.If these conditions are met, sufficiently high values are achieved of n, an intensity of the reflected polarized radiation which is a multiple of that which the free base at Brewster's angle would deliver. The degree of polarization is also considerable in the case of light passing through elevated. The enhancement of the effect of such a polarizing layer, in particular for the continuous radiation is possible in different ways. Either brings several polarizing partial layers one behind the other on the same carrier by interposing layers with a different refractive index, or you switch several single or multiple coated carriers with little space between them behind each other.

Obwohl nach obigen Beziehungen die Dicke der Schichten auf die Wellenlänge der verwendeten Strahlung abgestimmt sein soll, ist bei nicht monochromatischer Strahlung etwa innerhalb einer Oktave der Polarisationsgrad nur wenig von der Wellenlänge abhängig, solange die Brechzahl des verwendeten Schichtmaterials genügend hoch bleibt. Darüber hinaus läßt sich aber ein hoher Polarisationsgrad noch über weiter ausgedehnte Spektralgebiete aufrechterhalten, wenn man Schichtsysteme kombiniert, welche die optimale Polarisationswirkung an verschiedenen Stellen des in Betracht gezogenen Spektralbereichs aufweisen und so an Stelle unvollkommenerPolarisation jedes Teilsystem einander verstärken. Für das sichtbare Spektrum genügen hierzu zwei bis drei Teilsysteme, deren optimale Polarisation durch geeignete Schichtdicken auf Rot und Blau bzw. etwa auf Rot, Grün und Blau einzustellen ist.Although according to the above relationships, the thickness of the layers on the wavelength the radiation used should be matched is not monochromatic Radiation within an octave, the degree of polarization only slightly depends on the wavelength as long as the refractive index of the layer material used remains sufficiently high. In addition, however, a high degree of polarization can still be achieved over a longer period of time Maintaining spectral regions if one combines layer systems, which the optimal polarization effect at different points of the considered Spectral range and so instead of imperfect polarization of each subsystem reinforce each other. Two to three sub-systems are sufficient for the visible spectrum, their optimal polarization through suitable layer thicknesses on red and blue or should be set to red, green and blue.

Der Schichtensatzpolarisator bietet ferner die Möglichkeit, durch Verwendung entsprechend absorbierenden Schichtmaterials oder durch die Art der Kombination von mehrfachen Schichten gleichzeitig eine Farbfilterwirkung zu erzielen. Im ersteren Fall handelt es sich um Substanzen, z. B. gefärbte anorganische Salze oder organische Farbstoffe, deren Absorptionskante nahe bei der Wellenlänge des vorzugsweise zu polarisierenden Lichtes liegt, im zweiten Fall um Mehrfachschichten, welche nach Art der Interferenzfilter im Spektrum Stellen selektiver Reflexion oder Durchlässigkeit aufweisen und aus absorptionsfreien oder absorbierenden Einzelschichten oder beiden bestehen können.The layer set polarizer also offers the option of Use according to the absorbent layer material or the type of combination to achieve a color filter effect from multiple layers at the same time. In the former Case it is substances such. B. colored inorganic salts or organic Dyes whose absorption edge is close to the wavelength of the preferably too polarizing light lies, in the second case around multiple layers, which after Type of interference filter in the spectrum. Places of selective reflection or transmission have and of absorption-free or absorbent individual layers or both can exist.

In Fällen, wo man auf Höchstwerte im Polarisationsgrad bei völliger Farbstichfreiheit besonderen Wert legt, ist eine Folge von Polarisatoren der oben beschriebenen Art vorzuziehen, die durch geringe Zwischenräume voneinander getrennt sind und jeweils nur eine geringe Anzahl von Schichten enthalten.In cases where one is on maximum values in the degree of polarization at utter The absence of color casts is a consequence of the polarizers above The type described is preferable, which are separated from one another by small spaces and each contain only a small number of layers.

Die Herstellung der Schichten kann nach den üblichen Verfahren erfolgen, wobei man sich für das optische Gebiet einschließlich Ultraviolett und Ultrarot zweckmäßig des Vakuum-Aufdampfverfahrens bedient. Als besonders geeignet erweisen sich hier Metalloxyde, vor allem hochbrechende, wie z. B. Ti 0, Bi203, welche besonders feste und chemisch widerstandsfähige Beläge liefern; aber auch Sulfide, z. B. ZnS, oder Schwermetalle, z. B. Pb C12, sind verwendbar. Für das ultrarote Gebiet eignen sich z. B. Antimonsulfid, Selen sowie AgCl, T1Br und TIJ oder Mischungen aus diesen.The layers can be produced by the customary processes, the vacuum vapor deposition process being expediently used for the optical field including ultraviolet and ultrared. Metal oxides prove to be particularly suitable here, especially high-index ones, such as. B. Ti 0, Bi203, which provide particularly strong and chemically resistant coatings; but also sulfides, e.g. B. ZnS, or heavy metals, e.g. B. Pb C12 can be used. For the ultra-red area z. B. antimony sulfide, selenium and AgCl, T1Br and TIJ or mixtures of these.

In den Abbildungen sind einige Ausführungsbeispiele des neuen Polarisators im Schnitt wiedergegeben.In the pictures are some embodiments of the new polarizer reproduced in section.

Die etwa auf die Tragschicht i (Abb. i) aufgebrachte dünne Polarisationsschicht 2 ist gemäß der Erfindung so beschaffen, daß sie die Reflexion elektromagnetischer Wellen, insbesondere Lichtwellen verändert, insbesondere erhöht.The thin polarization layer applied to the base layer i (Fig. I) 2 is according to the Invention designed so that it eliminates electromagnetic reflection Waves, in particular light waves, changed, in particular increased.

Man kann auch mehrere, aufeinander abgestimmte Schichtsysteme 2, 3, 4 (Abb. 2) kombinieren.You can also use several coordinated layer systems 2, 3, 4 (Fig. 2).

Auch ist eine Vereinigung mehrerer Schichten (Polarisatoren) zu einer Folge denkbar, deren Einzelschichten 5, 6, 7, 8 (Abb. 3) durch kleine Zwischenräume 9, io, ii voneinander getrennt sind.There is also a union of several layers (polarizers) into one Conceivable consequence, their individual layers 5, 6, 7, 8 (Fig. 3) through small spaces 9, io, ii are separated from each other.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Polarizer, characterized in that it consists of at least one non-metallic, reflection-changing, in particular increasing, interference layer applied to a transparent or absorbent base as a surface layer, on which the light to be polarized strikes at an angle deviating from Brewster's angle, the for one Shift condition applicable is used accordingly for several layers.

2. Polarizer according to claim i, characterized by a combination of sub-layers of different refractive power and different or equal thickness.

3. Polarizer according to claim i and / or 2, characterized by layer systems that are so coordinated that each has the polarization effect another amplified in its area of imperfect polarization effect.

4th Polarizer according to claim i and / or following, characterized by at least a laminate base for one or more layers, which as a result of its refraction or absorption color filter effect achieved, with the choice of material made in this way is that the absorption edge is close to the wavelength of a preferably to be polarized Light lies or in such a way that with a combination of layers selective reflection or permeability occurs in the manner of the interference filter.

5. Polarizer, labeled by a sequence of individual polarizers according to claim i and / or the following, which are separated from each other by small gaps.

6. Polarizer according to claim i and / or following, characterized in that the reflection-changing layers are preferably made of metal oxides, metal sulfides or halides (for example Ti 02, Bit 03, Zn S, Pb Cl, or Sb, S3, T1Br or elemental Se) exist which, insofar as the color filter effect based on absorption is to be excluded according to claim 4, absorb as little as possible in the area of application. Documents considered: U.S. Patent No. 2,403,731, Journal of the Optical Society of America, Vol. 37, 1947, October issue, pp. 792 to 797; "Physical Review", Vol. 57, 1940, pp. 925 ff ; "Optik", Vol. I, 1946 pp. 2 to 7.