[发明专利]液晶散射型起偏器

说明书

本发明是一种光学起偏器。

光的偏振现象是光学中基本现象之一，许多光学仪器、器械是根据光的偏振原理设计制造的。起偏器可以从自然光中获得线偏振光。历来常用的正入射型起偏器主要有棱镜式起偏器和二色性薄膜起偏器两大类。棱镜式起偏器通常用天然的或人工生长的双折射晶体，例如方解石、石英晶体，将它们沿一定方向切割后，经过仔细研磨、抛光而制成。其起偏原理如下：当自然光通过棱镜式起偏器时，由于晶体的双折射，即n_e≠n₀（n_e为晶体中非常光线的折射率，n₀为晶体中寻常光线的折射率），使得自然光中二束电矢量振动方向互相垂直的两束偏振光分开，并沿不同方向射出。这种起偏器虽有良好的透射特性，但因天然的光学方解石晶体等在自然界极为稀少，而人工生长的方解石单晶最大边长只有3～4mm，不能制作较大面积的起偏器，而且加工困难，价格昂贵。难以普遍推广应用。二向色性薄膜起偏器是利用二向色物质对某一方向的偏振光的吸收比垂直于此方向的偏振光的吸收更强的原理制成的。通常使用的是一种用碘或各种二向色染料着色的拉伸聚乙烯醇薄膜制成的片状起偏器。但往往由于二向色性不够理想，不得不牺牲透光率，造成透光性较差（一般单片透光率小于30%），光的亮度损失过大，不能满足许多光学系统应用的要求，对于强光系统，由于吸收光能而大量发热，造成形变以致损坏。

本发明的目的是提供一种既要具有良好的透光性能，又要便于制作，易于应用的光学起偏器。

本发明利用液晶对光的各向异性折射率△n比较大的性质，通过合理设计器件结构，使自然光中电矢量振动方向互相垂直的二束偏振光，其中一束光几乎没有损耗地透过，另一束光被完全散射，实现起偏效果。

本发明由液晶以及用于夹持液晶的两块透明基板和垫圈组成，由密封胶密封。本发明可根据需要做成各种形状、各种规格的起偏器，如圆形、方形等。附图为方形起偏器的示意图，图1为正视图，图2为剖视图。两块透明基板1和2内侧分别涂覆有一层透明介质层3和4，该透明介质层的涂覆方向是一致的，其折射率n要等于或近似等于液晶材料垂直于棒状液晶分子长轴方向的折射率n_⊥，而此时沿着液晶分子长轴方向的折射率n₁₁大于n;两块透明基板上的透明介质层3或4的表面至少有一个面为糙面;两块透明基板之间用与基板形状、大小一致的垫圈5隔开，间隔小于20μ（即垫圈厚度小于20μ），填圈留有一个缺口，与基板形成注入液晶所需的进液孔6;由透明基板与垫圈围成的具有小于20μ空夹层的盒子，四周边缘除进液孔6以外，由密封胶密封，用真空灌注法从进液孔注入液晶后再用密封胶密封进液孔。

本发明所用的液晶通常为宽相变温度范围的向列型或近晶型液晶。透明基板的材料可以是玻璃、透明塑料、石英玻璃等，基板的厚度与起偏器的尺寸相适应，以满足能夹持液晶但不产生形变为度。透明基板内侧表面的透明介质层的涂覆方向是一定的，两块透明基板上的透明介质层的涂覆方向是平行的。透明介质层的材料要具有如下性质：（1）不溶于液晶;（2）质地纯净，不渗出与液晶相作用或污染液晶的物质;（3）与基板附着牢固;（4）在相应使用光谱区有高的透过率。该透明介质层可以用纯净的有机树脂类物质，例如聚乙烯醇。所用的密封剂可以是环氧树脂，熔点低于基板材料的软化点、膨胀系数与基板材料一致的玻璃或合金。为了增加透射率，在透明基板的入射侧表面可以涂减反射层。我们称这样的起偏器为透射式液晶散射型起偏器。其起偏的机理如下：因为透明介质层是沿一定方向涂覆的，液晶器件内部液晶分子受表面（界面）定向作用力的作用，棒状液晶分子的长轴呈顺介质涂覆方向排列，所以当两块基板上透明介质层的涂覆方向相平行时，液晶器件内部的液晶分子均一地呈顺涂覆方向排列-沿面定向排列。这样分子均一地定向排列的液晶膜犹如一片厚度小于20μ的单轴晶体的单晶，液晶膜沿液晶分子长轴方向的折射率n₁₁大于n，并且液晶与透明介质之间的界面是糙面，因而是一个散射面，于是就引起相应方向偏振光的散射。由于液晶膜垂直于分子长轴方向的折射率n₁等于或近似等于透明介质的折射率n，所以即使液晶与透明介质层之间的界面是糙面，该界面亦非散射面，结果使相应偏振光能几乎无畸变、无损耗地透过。自然光中二束电矢量振动方向互相垂直的偏振光，一束光透射，另一束光被散射，起到了起偏的效果。

倘若两块透明基板上的透明介质层3、4的涂覆方向互相垂直，或者取任意角度，那末液晶器件内部液晶分子的排列亦相应有一个扭转角，透过的偏振光和散射的偏振光在出射侧也同样有一个相应的旋转角。