дихроичный поляризатор и материал для его изготовления

Формула изобретения

1. Дихроичный поляризатор, содержащий, по крайней мере, одну анизотропно поглощающую пленку из ориентированных молекул органического вещества, отличающийся тем, что анизотропно поглощающая пленка характеризуется тем, что для главных полуосей эллипсоидов мнимой и действительной части анизотропного показателя преломления анизотропно поглощающей пленки в области, по крайней мере, одной из полос поглощения вещества выполняются следующие соотношения на площади с линейными размерами не менее длины волны максимума, по крайней мере, одной полосы поглощения:

К₁К₂>К₃,

(n₁+n₂)/2>n₃,

где K₁, К₂, К₃ и n₁, n₂, n₃ - главные значения полуосей эллипсоида соответственно мнимой и действительной части анизотропного коэффициента преломления пленки,

и/или анизотропно поглощающая пленка характеризуется тем, что пропускание света двумя анизотропно поглощающими пленками со скрещенными осями поляризации не увеличивается, по крайней мере, в некотором диапазоне длин волн при отклонении направления его распространения от нормали к плоскости поляризатора.

2. Поляризатор по п. 1, отличающийся тем, что выполняется следующее соотношение для главных значений полуосей эллипсоида мнимой части анизотропного коэффициента преломления:

К₁К₂>>К₃,

К₃<0,2*К.

3. Поляризатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что направления, которые соответствуют максимальной и/или минимальной величине главных значений полуосей эллипсоида мнимой части анизотропного коэффициента преломления, лежат в плоскости, параллельной плоскости подложки.

4. Поляризатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве органического вещества использовано, по крайней мере, одно органическое вещество, химическая формула которого содержит, по крайней мере, одну ионогенную группу, которая обеспечивает его растворимость в полярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, и/или, по крайней мере, одну неионогенную группу, которая обеспечивает его растворимость в неполярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, и/или, по крайней мере, один противоион, которые в процессе формирования анизотропно поглощающей пленки либо остаются в структуре молекулы либо нет.

5. Поляризатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве органического вещества использован, по крайней мере, один органический краситель, способный поглощать свет, по крайней мере, в одном из указанных спектральных диапазонов от 200 до 400 нм, от 400 до 700 нм, от 0,7 до 13 мкм.

6. Поляризатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве органического вещества использован, по крайней мере, один органический краситель формулы

{ К} (М)n,

где К - краситель, химическая формула которого содержит ионогенную группу или группы, одинаковые или разные, которая(рые) обеспечивает(ют) его растворимость в полярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы;

М - противоион;

n - количество противоионов в молекуле красителя, в том числе и дробное, при условии принадлежности одного противоиона нескольким молекулам, а в случае n>1 противоионы могут быть различные.

7. Поляризатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что анизотропно поглощающая пленка образована множеством надмолекулярных комплексов одного или нескольких органических веществ, причем надмолекулярные комплексы ориентированы в определенном направлении для обеспечения поляризации проходящего света.

8. Поляризатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна анизотропно поглощающая пленка получена из раствора, по крайней мере, одного органического вещества, образующего стабильную лиотропную жидкокристаллическую фазу, путем нанесения этого раствора на изотропную или анизотропную поверхность подложки или структуры, ориентирующего воздействия и последующей сушки.

9. Поляризатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что имеет подложку, выполненную из полимерного материала, или стекла, или металла, или полупроводникового материала, и имеющую форму поверхности плоскую, или вогнутую, или выпуклую, или сферическую, или коническую, или цилиндрическую, или изменяющуюся по определенному закону, в том числе и периодически, поверхность подложки, а также ее объемные свойства могут быть изотропными или анизотропными, на поверхностях подложки может быть сформирована периодическая или непериодическая текстура.

10. Поляризатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит, по крайней мере, одну поляризующую пленку, и/или, по крайней мере, одну пленку из проводящего материала, и/или, по крайней мере, одну фазозадерживающую пленку, и/или, по крайней мере, одну двулучепреломляющую пленку, и/или, по крайней мере, одну ориентирующую пленку, и/или, по крайней мере, одну защитную пленку, и/или, по крайней мере, одну пленку ЖК, и/или, по крайней мере, одну пленку, зеркально или диффузно отражающую свет, и/или, по крайней мере, одну пленку, одновременно выполняющую функции любого сочетания, по крайней мере, двух из указанных пленок, при этом, по крайней мере, одна из этих пленок может являться анизотропно или изотропно поглощающей и/или двулучепреломляющей.

11. Материал анизотропно поглощающей пленки на основе ориентированных молекул органического вещества, отличающийся тем, что молекулы вещества ориентированы таким образом, что для главных полуосей эллипсоидов мнимой и действительной части анизотропного коэффициента преломления анизотропно поглощающей пленки в области, по крайней мере, одной из полос поглощения вещества выполняются следующие соотношения на площади с линейными размерами не менее длины волны максимума, по крайней мере, одной полосы поглощения:

К₁К₂>К₃,

(n₁+n₂)/2>n₃,

где К₁, К₂, К₃ и n₁, n₂, n₃ - главные значения полуосей эллипсоида соответственно мнимой и действительной части анизотропного коэффициента преломления пленки,

и/или молекулы вещества ориентированы таким образом, что пропускание двух анизотропно поглощающих пленок со скрещенными осями поляризации света, сформированных из данного материала, не увеличивается, по крайней мере, в некотором диапазоне длин волн при отклонении направления его распространения от нормали к плоскости поляризатора.

12. Материал по п. 11, отличающийся тем, что выполняется следующее соотношение для главных значений полуосей эллипсоида мнимой части анизотропного коэффициента преломления:

К₁К₂>>К₃,

К₃<0,2*К.

13. Материал по любому из пп. 11 и 12, отличающийся тем, что в качестве органического вещества использовано, по крайней мере, одно органическое вещество, химическая формула которого содержит, по крайней мере, одну ионогенную группу, которая обеспечивает его растворимость в полярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, и/или, по крайней мере, одну неионогенную группу, которая обеспечивает его растворимость в неполярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, и/или, по крайней мере, один противоион, которые в процессе получения материала анизотропно поглощающей пленки либо остаются в структуре молекулы, либо нет.

14. Материал по п. 13, отличающийся тем, что в качестве полярного растворителя использована вода.

15. Материал по любому из пп. 11-14, отличающийся тем, что в качестве органического вещества использован, по крайней мере, один органический краситель формулы

{ К} (М)n,

где К - краситель, химическая формула которого содержит ионогенную группу или группы, одинаковые или разные, которая(рые) обеспечивает(ют) его растворимость в полярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы;

М - противоион;

n - количество противоионов в молекуле красителя, в том числе, и дробное, при условии принадлежности одного противоиона нескольким молекулам, а в случае n>1 противоионы могут быть различные.

16. Материал по любому из пп. 11-15, отличающийся тем, что в качестве органического вещества использован, по крайней мере, один органический краситель, способный поглощать свет, по крайней мере, в одном из указанных спектральных диапазонов от 200 до 400 нм, от 400 до 700 нм, от 0,7 до 13 мкм.

17. Материал по любому из пп. 11-16, отличающийся тем, что образован множеством надмолекулярных комплексов одного или нескольких органических веществ, причем надмолекулярные комплексы ориентированы в определенном направлении для обеспечения поляризации проходящего света.

18. Материал по любому из пп. 11-17, отличающийся тем, что получен из раствора, по крайней мере, одного органического вещества, образующего стабильную лиотропную жидкокристаллическую фазу, путем нанесения этого раствора на изотропную или анизотропную поверхность подложки или структуры, ориентирующего воздействия и последующей сушки.

19. Материал по любому из пп. 11-18, отличающийся тем, что он предназначен для получения поляризационной пленки, и/или фазозадерживающей пленки, и/или двулучепреломляющей пленки, и/или ориентирующей (жидкий кристалл) пленки, и/или защитной пленки, и/или пленки ЖК, или пленки, одновременно выполняющей функции любого сочетания, по крайней мере, двух из указанных пленок.

20. Материал по любому из предыдущих пп. 11-19, отличающийся тем, что он характеризуется переменным направлением оси поляризации по толщине полученной из него пленки, по крайней мере, на одном из участков пленки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термостойким и светостойким дихроичным поляризаторам, основанным на тонких пленках дихроичных органических веществ, в частности органических красителей, нанесенных на поверхность подложки, в которых молекулы дихроичного органического вещества упорядочены в кристаллическую решетку. Предлагаемые дихроичные поляризаторы могут быть использованы там, где предполагаются жесткие условия эксплуатации. Широкое применение они могут найти при производстве ЖК-дисплеев.

Известен поляризатор на основе полимера, например, поливинилового спирта, обладающий оптической анизотропией, получаемый путем одноосного растяжения пленки из этого полимера. Возникновение оптической анизотропии обусловлено вытягиванием полимерных молекул и их ориентацией вдоль направления растяжения [1] .

Обработка такой пленки в парах йода, йодсодержащем растворе или органическом красителе приводит к окрашиванию пленки, причем интенсивность окраски зависит от направления вектора электрического поля электромагнитной волны Е относительно оси вытягивания пленки.

Поляризационная эффективность таких пленок определяется концентрацией йода или другого красителя в полимерной пленке и степенью упорядоченности полимерных цепей.

Несмотря на высокую поляризационную эффективность поляризаторов, полученных из известных материалов, они обладают существенным недостатком, который заключается в том, что два скрещенных поляризатора имеют значительное пропускание света, падающего под углом к поверхности поляризатора, особенно в направлениях, азимут которых составляет 45^o относительно оси поляризации.

Известен поляризатор на основе материала, представляющего собой сульфокислоты азо- и полициклических соединений или их смеси, а также их соли [2] . Раствор известного материала способен к образованию стабильной лиотропной жидкокристаллической фазы, что позволяет получать на его основе пленки с анизотропией оптических свойств. Для получения пленки на основе известного материала на подложку наносят раствор лиотропного жидкокристаллического красителя при одновременном его ориентировании с последующим испарением растворителя. При этом на поверхности подложки образуется тонкая пленка молекулярно упорядоченной структуры. Плоские молекулы известного материала сгруппированы в ориентационно упорядоченные ансамбли. Плоскости молекул и лежащие в них дипольные моменты оптического перехода ориентированы перпендикулярно оси макроскопической ориентации получаемой пленки. Для создания такой структуры используется жидкокристаллическое состояние раствора красителя, в котором молекулы уже обладают локальной упорядоченностью, находясь в одно- или двумерных квазикристаллических агрегатах, ориентированных относительно друг друга. При нанесении такой системы на поверхность основы при одновременном наложении внешнего ориентирующего воздействия она приобретает макроскопическую ориентацию, которая в процессе высыхания раствора не только сохраняется, но может и повышаться за счет явления кристаллизации. Ось поляризации при этом направлена вдоль ориентирующего воздействия, совпадающего с направлением нанесения поляризатора.

Поляризатор на основе материала по прототипу обладает рядом существенных недостатков, ограничивающих его применение, а именно: поляризатор имеет недостаточно высокую поляризационную эффективность и низкие угловые характеристики. Это приводит к тому, что при использовании таких поляризаторов в различных устройствах, где предполагается наличие двух параллельных поляризаторов данного типа, имеет место пропускание неполяризованного света, падающего под углом к их поверхности. Это особенно проявляется в случае, когда хотя бы один из них имеет диффузно отражающее покрытие, применяемое в большинстве жидкокристаллических дисплеев. Одной из причин указанных недостатков является то, что в поляризаторе по прототипу не контролируется степень поглощения света вдоль нормали к плоскости поляризатора и поэтому соотношение коэффициентов поглощения света вдоль двух осей, одна из которых лежит в плоскости подложки и перпендикулярна направлению ориентирования, а другая совпадает с нормалью к подложке, не является оптимальным.

Оптические свойства поляризаторов характеризуются комплексным анизотропным показателем преломления N_i,j, = (_i,ji,j)^1/2, где _i,j и _i,j- тензоры диэлектрической и магнитной проницаемости. В системе координат, в которой тензор диэлектрической проницаемости диагонален, N_m= n_m-ik_m, где n_m - собственно показатель преломления, характеризующий скорость распространения света в веществе, плоскость поляризации которого параллельна оси m, k_m - мнимая часть, характеризующая поглощение света в веществе с плоскостью поляризации вдоль оси m и связанная с коэффициентом поглощения соотношением:

K_m = 2k_m/,

где - длина световой волны. Угловая зависимость действительной и мнимой частей показателя преломления может быть описана эллипсоидами.

Для йодных поляризаторов характерна осевая симметрия компонентов N_m, большая полуось эллипсоида которых совпадает с направлением вытягивания пленки. При этом две компоненты действительной и мнимой части показателя преломления равны между собой, причем показатель преломления обыкновенного луча меньше показателя преломления необыкновенного, а две компоненты мнимой части почти равны нулю. Такие пленки обладают так называемой положительной диэлектрической анизотропией и положительным дихроизмом. Это означает, что дипольные моменты оптического перехода молекул, ответственных за поглощение света, ориентированы вдоль направления, совпадающего с направлением вытягивания полимера. В том случае, когда выполняется противоположное соотношение между коэффициентами преломления обыкновенного и необыкновенного луча, а именно показатель преломления обыкновенного луча больше показателя преломления необыкновенного луча, и две компоненты мнимой части равны некоторой конечной величине, а третья равна 0, реализуется, так называемый, случай отрицательного одноосного дихроизма и диэлектрической анизотропии. Таким образом, в первом случае эллипсоиды угловой зависимости действительной и мнимой частей показателя преломления имеют вытянутую (игольчатую) форму, а во втором - дискообразную.

Изменение формы эллипсоида мнимой части показателя преломления существенно сказывается на параметрах поляризатора и, в том числе, на его угловых характеристиках. Как было установлено, при большой величине коэффициента поглощения вдоль нормали K_Z, сравнимого по величине с коэффициентом К_Y вдоль оси Y, перпендикулярной направлению ориентирования, поляризатор имеет относительно низкую поляризационную эффективность и низкое пропускание двух параллельных поляризаторов, особенно если один из них имеет диффузно отражающее покрытие, которое применяется в большинстве ЖК дисплеев. Именно эта ситуация характерна для поляризатора по прототипу. Это связано с тем, что интенсивность поглощения падающего под углом неполяризованного света возрастает для всех направлений плоскости поляризации в падающем пучке. С другой стороны при малом значении K_Z возникает слишком большое пропускание падающего под углом к плоскости поляризаторов света двумя скрещенными поляризаторами из-за уменьшения в этом случае степени поляризации света, выходящего из первого поляризатора. Нами эмпирически установлено строго определенное соотношение главных полуосей эллипсоидов мнимой и действительной части анизотропного показателя преломления анизотропно поглощающей пленки и/или зависимость пропускания двух скрещенных анизотропно поглощающих пленок, выполнение которых обеспечит достижение указанного ниже технического результата и может быть однозначно проконтролировано на различных этапах производства поляризатора.

Техническим результатом изобретения является улучшение угловых характеристик поляризатора, уменьшение пропускания неполяризованного света как одним поляризатором, так и двумя параллельными поляризаторами при сохранении их толщины, улучшение угловых характеристик двух скрещенных поляризаторов и повышение поляризационной эффективности.

Технический результат достигается тем, что в дихроичном поляризаторе, содержащем, по крайней мере, одну анизотропно поглощающую пленку из ориентированных молекул органического вещества, анизотропно поглощающая пленка характеризуется тем, что для главных полуосей эллипсоидов мнимой и действительной части анизотропного показателя преломления материала анизотропно поглощающей пленки в области, по крайней мере, одной из полос поглощения вещества выполняются следующие соотношения на площади с линейными размерами не менее длины волны максимума, по крайней мере, одной полосы поглощения:

К₁К₂>К₃,

(n₁+n₂)/2>n₃.

где К₁, К₂, К₃ и n₁, n₂, n₃ - главные значения полуосей эллипсоида, соответственно, мнимой и действительной части анизотропного показателя преломления материала пленки, и/или анизотропно поглощающая пленка характеризуется тем, что пропускание света двумя анизотропно поглощающими пленками со скрещенными осями поляризации не увеличивается, по крайней мере, в некотором диапазоне длин волн при отклонении направления его распространения от нормали к плоскости поляризатора.

Может выполняться следующее соотношение коэффициентов поглощения:

К₁К₂>>К₃,

К₃<0,2К₁.

Направления, которые соответствуют максимальному и/или минимальному значению мнимой части показателя преломления, могут лежать в плоскости, параллельной плоскости подложки.

В качестве органического вещества может быть использовано, по крайней мере, одно органическое вещество, химическая формула которого содержит, по крайней мере, одну ионогенную функциональную группу, которая обеспечивает его растворимость в полярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, и, по крайней мере, один противоион, которые в процессе формирования анизотропно поглощающей пленки либо остаются в структуре молекулы, либо нет.

В качестве органического вещества может быть использовано, по крайней мере, одно органическое вещество, химическая формула которого содержит, по крайней мере, одну неионогенную функциональную группу, которая обеспечивает его растворимость в неполярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, которые в процессе формирования анизотропно поглощающей пленки либо остаются в структуре молекулы, либо нет.

В качестве органического вещества также может быть использован, по крайней мере, один органический краситель, способный поглощать свет, по крайней мере, в одном из указанных спектральных диапазонов от 200 до 400 нм, от 400 до 700 нм, от 0,7 до 13 мкм.

В качестве органического вещества может быть использован, по крайней мере, один органический краситель формулы:

{ К} (М)n,

где К - краситель, химическая формула которого содержит ионогенную группу или группы, одинаковые или разные, которая (рые) обеспечивает (ют) его растворимость в полярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы,

М - противоион, n - количество противоионов в молекуле красителя, в том числе и дробное, при условии принадлежности одного противоиона нескольким молекулам, а в случае n>1 противоионы могут быть различные.

Анизотропно поглощающая пленка может быть образована множеством надмолекулярных комплексов одного или нескольких органических веществ, причем надмолекулярные комплексы ориентированы в определенном направлении для обеспечения поляризации проходящего света.

По крайней мере, одна анизотропно поглощающая пленка может быть получена из раствора, по крайней мере, одного органического вещества, образующего стабильную лиотропную или термотропную жидкокристаллическую фазу, путем нанесения этого раствора на изотропную или анизотропную поверхность подложки или структуры, внешнего ориентирующего воздействия и последующей сушки.

Поляризатор может иметь подложку, выполненную из полимерного материала, или стекла, или металла, или полупроводникового материала, и имеющую форму поверхности плоскую, или вогнутую, или выпуклую, или сферическую, или коническую, или цилиндрическую, или изменяющуюся, по определенному закону, в том числе и периодически, поверхность подложки, а также ее объемные свойства могут быть изотропными или анизотропными, на поверхностях подложки может быть сформирована периодическая или непериодическая текстура.

Поляризатор может содержать, по крайней мере, одну поляризующую пленку, и/или, по крайней мере, одну пленку из проводящего материала, и/или, по крайней мере, одну фазозадерживающую пленку, и/или, по крайней мере, одну двулучепреломляющую пленку, и/или, по крайней мере, одну ориентирующую пленку, и/или, по крайней мере, одну защитную пленку, и/или, по крайней мере, одну пленку ЖК, и/или, по крайней мере, одну пленку, зеркально или диффузно отражающую свет, и/или, по крайней мере, одну пленку, одновременно выполняющую функции любого сочетания, по крайней мере, двух из указанных пленок, при этом, по крайней мере, одна из этих пленок может являться анизотропно или изотропно поглощающей и/или двулучепреломляющей.

Технический результат достигается также тем, что молекулы вещества материала, из которого изготовлена анизотропно поглощающая пленка, ориентированы таким образом, что для главных полуосей эллипсоидов мнимой и действительной части анизотропного показателя преломления материала анизотропно поглощающей пленки в области, по крайней мере, одной из полос поглощения вещества выполняются следующие соотношения на площади с линейными размерами не менее длины волны максимума, по крайней мере, одной полосы поглощения:

К₁К₂>К₃,

(n₁+n₂)/2>n₃,

где К₁, К₂, К₃ и n₁, n₂, n₃ - главные значения полуосей эллипсоида, соответственно, мнимой и действительной части анизотропного показателя преломления материала пленки, и/или молекулы вещества ориентированы таким образом, что пропускание двух анизотропно поглощающих пленок со скрещенными осями поляризации света, сформированных из данного материала, не увеличивается, по крайней мере, в некотором диапазоне длин волн при отклонении направления его распространения от нормали к плоскости поляризатора.

В материале могут выполняться следующее соотношение коэффициентов поглощения:

К₁К₂>>К₃,

К₃<0,2К₁.

В качестве органического вещества может быть использовано, по крайней мере, одно органическое вещество, химическая формула которого содержит, по крайней мере, одну ионогенную группу, которая обеспечивает его растворимость в полярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, и, по крайней мере, один противоион, которые в процессе получения материала анизотропно поглощающей пленки либо остаются в структуре молекулы, либо нет.

В качестве органического вещества может быть использовано, по крайней мере, одно органическое вещество, химическая формула которого содержит, по крайней мере, одну неионогенную группу, которая обеспечивает его растворимость в неполярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, которая (ые) в процессе получения материала анизотропно поглощающей пленки либо остается (ются) в структуре молекулы либо нет.

В качестве органического вещества может быть использован, по крайней мере, один органический краситель, способный поглощать свет, по крайней мере, в одном из указанных спектральных диапазонов от 200 до 400 нм, от 400 до 700 нм, от 0,7 до 13 мкм.

В качестве органического вещества может быть использован, по крайней мере, один органический краситель формулы:

{ К} (М)n,

где К - краситель, химическая формула которого содержит ионогенную группу или группы, одинаковые или разные, которая (рые) обеспечивает (ют) его растворимость в полярных растворителях для образования лиотропной жидкокристаллической фазы, М - противоион, n - количество противоионов в молекуле красителя, в том числе и дробное, при условии принадлежности одного противоиона нескольким молекулам, а в случае n>1 противоионы могут быть различные.

В качестве полярного растворителя может быть использована вода.

Материал может быть образован множеством надмолекулярных комплексов одного или нескольких органических веществ, причем надмолекулярные комплексы ориентированы в определенном направлении для обеспечения поляризации проходящего света.

Материал может быть получен из раствора, по крайней мере, одного органического вещества, образующего стабильную лиотропную или термотропную жидкокристаллическую фазу, путем нанесения этого раствора на изотропную или анизотропную поверхность подложки или структуры, внешнего ориентирующего воздействия и последующей сушки.

Материал может быть предназначен для получения поляризационной пленки, и/или фазозадерживающей пленки, и/или двулучепреломляющей пленки, и/или ориентирующей (жидкий кристалл) пленки, и/или защитной пленки, и/или пленки ЖК, или пленки, одновременно выполняющей функции любого сочетания, по крайней мере, двух из указанных пленок.

Материал может характеризоваться переменным направлением оси поляризации по толщине полученной из него пленки, по крайней мере, на одном из участков площади пленки.

Необходимо отметить, что для достижения технического результата изобретения может быть достаточно выполнение одного из альтернативных условий по независимым пунктам формулы изобретения.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-9. На фиг. 1а), б) поясняется особенность прохождения света, падающего перпендикулярно и под углом к плоскости поляризаторов, в случае идеально ориентированного одноосного поляризатора. На фиг. 2 а), б) дается аналогичное пояснение для поляризатора, у которого коэффициент поглощения вдоль нормали равен коэффициенту поглощения перпендикулярно направлению ориентирования, а третий коэффициент равен нулю. Поляризаторы на фиг. 1, 2 являются поляризаторами, соответственно, с положительной и отрицательной анизотропией коэффициента поглощения. На фиг. 3 показаны эллипсоиды, характеризующие угловую зависимость коэффициента поглощения и показателя преломления в предлагаемом по настоящему изобретению поляризаторе. На фиг. 4 показаны графики угловой зависимости поляризационной эффективности Ер поляризатора и пропускания Н₉₀ двух скрещенных поляризаторов по настоящему изобретению от полярного угла при фиксированном азимутальном угле 45^o. На фиг. 5-9 представлены варианты реализации молекулярной упаковки в поляризаторе, обеспечивающей необходимую анизотропию показателя поглощения.

На фиг. 1а пучок неполяризованного света S_o падает нормально к поверхности поляризатора 1, ось поглощения которого направлена вдоль оси X, совпадающей с направлением вытяжки полимерной пленки. Коэффициент поглощения вдоль этой оси равен К_X, а вдоль направления Y и Z - 0. Ось Z направлена по нормали к плоскости, ось Y является осью поляризации. Свет в неполяризованном пучке S_o содержит плоско поляризованные лучи с ориентацией плоскости поляризации во всех направлениях и одинаковой амплитудой электрического поля Ео, так что концы векторов Е находятся на окружности радиуса Ео. При нормальном падении света окружность входящего пучка S₀ трансформируется в линию длиной 2Ео в выходящем пучке S", что означает преобразование света в плоско поляризованный пучок. При отклонении пучка от нормали в промежуточном азимутальном направлении (фиг. 1б) плоско поляризованный пучок преобразуется в частично поляризованный, поскольку часть лучей с плоскостью поляризации, перпендикулярной оси поглощения, будет проходить через поляризатор без ослабления. Другие же лучи будут ослабляться в разной степени в зависимости от угла, который образует эта ось с плоскостью поляризации. Таким образом, луч S", выходящий из поляризатора, будет только частично поляризованным, причем степень поляризации будет минимальна при азимутальном угле 45^o. Окружность, на которой расположены концы векторов электрического поля, преобразуется в эллипс с длинной полуосью, равной Ео. При прохождении пучка через второй поляризатор с осью поляризации, параллельной оси первого поляризатора, изменится только короткая полуось эллипса за счет дополнительного поглощения. Длинная же полуось останется такой же. Если поляризующая ось второго поляризатора направлена под углом 90^o относительно оси первого, то длинная ось эллипса станет меньше, а короткая почти не изменится, и на выходе из второго поляризатора будет наблюдаться слабо поляризованный пучок, интенсивность которого тем больше, чем больше полярный угол , а азимутальный ближе к 45^o. Это объясняет плохие угловые характеристики скрещенных поляризаторов с положительной анизотропией.

В случае распределения дипольных моментов оптического перехода, показанного на фиг. 2а, окружность неполяризованного пучка, падающего нормально к плоскости поляризатора, также трансформируется в отрезок длиной 2Ео. При отклонении пучка S₀ от нормали проходящий пучок S" также будет трансформироваться в эллипс, однако, его большая полуось будет меньше Ео, поскольку в наклонном пучке нет таких направлений вектора Е, при которых он был бы перпендикулярен всем поглощающим диполям. При прохождении света через второй поляризатор, параллельный первому, обе оси эллипса уменьшатся еще больше, и на выходе мы будем иметь свет меньшей интенсивности, чем если бы все дипольные моменты оптического перехода были бы ориентированы вдоль одной оси, как в первом случае. Если свет проходит через два скрещенных поляризатора, то поглощение света по всем направлениям вектора Е усиливается, что обеспечивает более полное поглощение света в сравнении со случаем, представленным на фиг. 1 а), б).

Таким образом, видно, что для пары поляризаторов любого типа определенное преимущество в угловых характеристиках при одной их ориентации сочетается с недостатком при другой ориентации. Из вышеизложенного следует, что величина коэффициента поглощения вдоль нормали к плоскости поляризатора существенно влияет на угловые характеристики поляризаторов. Отсюда следует, что можно подобрать такое соотношение коэффициентов К_Y и K_Z, что они обеспечат оптимальное сочетание характеристик поляризаторов с положительным и отрицательным дихроизмом.

На фиг. 3 показаны эллипсоиды, характеризующие угловую зависимость коэффициентов поглощения и преломления (мнимой и действительной части анизотропного показателя преломления) предлагаемого поляризатора. Главные оси эллипсоидов показателя преломления n и коэффициента поглощения K сонаправлены относительно друг друга, но относительно системы координат X, Y, Z, связанной с подложкой, в общем случае ориентированы произвольно. В системе координат X, Y, Z ось Z направлена вдоль нормали к подложке, а ось Х направлена вдоль направления движения подложки или узла, наносящего на нее пленку красителя. Ось Y направлена перпендикулярно плоскости XZ. Направление оси Х не обязательно совпадает с направлением короткой оси 3 эллипсоида. Короткая ось, как правило, направлена вдоль преимущественной ориентации длинных осей надмолекулярных (supramolecular) комплексов, из которых формируется поляризующий слой. Эти комплексы представляют собой структурные единицы лиотропного ЖК состояния, существующего в растворе используемых веществ. Они образуются в результате молекулярной самосборки. Длинная ось 1 при этом ориентирована вдоль преимущественной ориентации дипольных моментов оптического перехода молекул. Более того, направление этих осей может быть разным на различных участках поляризатора.

Вдоль оси 3 коэффициент поглощения К₃ имеет минимальную величину, и в идеальном поляризаторе он должен быть равен 0. Ось 1 совпадает с направлением, вдоль которого наблюдается максимальный коэффициент поглощения К₁. При этом необходимо отметить, что уменьшение K₁ будет приводить к возрастанию K₂, поскольку это связано с переориентацией дипольных моментов оптического перехода из распределенного состояния в более однонаправленное в плоскости 1-2. При той же толщине поляризатора это увеличит его поляризационную эффективность. Для компонентов мнимой и действительной части коэффициента преломления поляризаторов по изобретению одновременно должны выполняться соотношения:

К₁К₂>К₃,

(n₁+n₂)/2>n₃.

Компоненты действительной и мнимой части анизотропного коэффициента преломления, а также направление осей эллипсоида можно экспериментально определить существующими эллипсометрическими или спектрофотометрическими методами.

Обеспечить необходимую анизотропию коэффициента поглощения и ориентацию его главных осей можно заданием определенного углового распределения молекул в поляризующей пленке на поверхности подложки. Если функция распределения симметрична относительно направления нанесения поляризатора и нормали к плоскости подложки, оси 1 и 3 эллипсоида коэффициента поглощения будут совпадать с этими направлениями, т. е. осями Х и Z, а третья ось будет направлена перпендикулярно им (ось Y). Осью минимального поглощения при этом будет ось X, а наибольшего - ось Y. При несимметричном угловом распределении направление осей может не совпадать с указанными направлениями.

На фиг. 4 представлены графики угловой зависимости поляризационной эффективности поляризатора Ер и пропускания двух скрещенных поляризаторов Н₉₀ от полярного угла при фиксированном азимутальном угле 45^o для различных значений коэффициента R, равного отношению коэффициентов K₂ и K₁ в диапазоне от 0 до 1. При R= 0 поляризационная эффективность уменьшается, а пропускание увеличивается с отклонением луча от нормали к плоскости поляризаторов. Однако, при R= Ro ход этих зависимостей становится обратным, т. е. поляризационная эффективность увеличивается, а пропускание уменьшается. Это свидетельствует об улучшении угловых характеристик поляризаторов, присущем заявленному изобретению.

Симметричное и несимметричное угловое распределение молекул можно задать различным образом. На фиг. 5 показана упаковка молекул, имеющих дипольный момент оптического перехода, направленный вдоль ее длинной оси. При формировании поляризатора дипольный момент оказывается ориентированным под некоторым углом к поверхности подложки. При идеальной упаковке молекул, показанных на четеже, длинная полуось эллипсоида коэффициента поглощения будет направлена под углом к поверхности поляризатора. При упаковке молекул, показанной на фиг. 6, реализуется симметричная функция распределения, и главные оси направлены по нормали, вдоль и перпендикулярно плоскости молекул. При этом соотношение между коэффициентами К_Y и К_Z зависит от угла между направлением дипольного момента оптического перехода и молекулярной осью. Так, например, если этот угол будет равен 45^o, то они будут равны между собой (фиг. 7а), а при нулевом угле К_Z будет равен 0. Очевидно, что наличие винтовой оси перпендикулярно плоскости молекул приведет к равенству коэффициентов К_Y и К_Z. Этот случай показан на фиг. 7б). Нарушение ориентационного порядка увеличивает поглощение вдоль нормали и делает эллипсоид в плоскости, перпендикулярной направлению ориентирования, более симметричным. На фиг. 8 и 9 показаны случаи, соответственно, симметричного и несимметричного углового распределения при наличии частичной разупорядоченности молекул в плоскости, перпендикулярной направлению нанесения поляризатора.

Управление угловым распределением молекул и, следовательно, соотношением между компонентами анизотропного коэффициента поглощения, а также ориентационным распределением главных осей эллипсоидов в объеме поляризатора можно осуществлять различным путем, а именно:

- наложением внешнего электрического или магнитного поля на область, где формируется поляризатор,

- силами вязкого течения,

- изменением свойств поверхности путем ее модификации,

- изменением поверхностной энергии и ее анизотропии,

- определенными условиями сушки поляризатора в процессе его формирования,

- модификацией органических молекул путем введения в них дополнительных групп или заменяя существующие на другие,

- варьированием соотношения количества изомеров в составе ЛЖК композиции,

- другими методами.

Минимальный линейный размер участка слоя, на котором контролируют указанные параметры, определяется нижней границей рабочего диапазона длин волн для данного поляризатора. Более мелкая структура будет усредняться, и ее невозможно будет идентифицировать оптическими методами. Спектральный диапазон действия поляризатора зависит от спектральной области полос поглощения органических молекул и лежит в интервале 0,2-13 мкм, охватывающем УФ, видимую и ИК область.

Для получения ориентационно и пространственно упорядоченного слоя органического вещества, могут быть использованы органические молекулы различных классов, способные к образованию ЖК и ЛЖК фазы. К ним могут быть отнесены полимерные ЖК, ЖК с высокой температурой плавления, низкомолекулярные соединения, склонные в растворах к агрегации и переходу в стабильное ЛЖК состояние. Большую группу соединений последнего типа составляют водорастворимые красители, на основе которых может быть получен поляризатор с необходимыми угловыми характеристиками.

Структурные формулы органических веществ, используемых в заявленном изобретении, представлены ниже.

Красители:

- полиметиновые красители, например, "псевдоизоцианин":



"пинацианол":



- триарилметановые красители, например, "Основный бирюзовый":



"кислотный ярко-голубой З":



- диаминоксантеновые красители, например, "сульфородамин С":



- акридиновые красители, например, "основный желтый К":



- продукты сульфирования акридиновых красителей, например "транс-хинакридона":



- водорастворимые производные антрахиноновых красителей, например "активный ярко-голубой КХ":



- продукты сульфирования кубовых красителей, например, "флавантрона":



"индантренового желтого":



"кубового желтого 4К":



"кубового темно-зеленого Ж":



"кубового фиолетового С":



"индантрона: ":



периленового фиолетового:





кубового алого 2Ж:





- азокрасителей, например, "бензопурпурина 4Б":



"прямого желтого светопрочного О":



"прямого желтого светопрочного":



- водорастворимых диазиновых красителей, например, "кислотного темно-голубого З":



- продуктов сульфирования диоксазиновых красителей, например, "пигмента фиолетового диоксазинового":



- растворимых тиазиновых красителей, например, "метиленового голубого":



- водорастворимые производные фталоцианинов, например соли октакарбоксифталоцианина меди:



- флуоресцентные отбеливатели, например:



или



или



или



а также другие бесцветные органические вещества, например, динатрий-хромогликат.

Поляризатор помимо поляризующего слоя и подложки, которая может быть изготовлена из полимерного материала, стекла, металла или полупроводникового материала плоской, сферической, конической, цилиндрической или иной формы, может содержать также один или более токопроводящий, изолирующий, двулучепреломляющий, отражательный, защитный, адгезионный и другие слои, обеспечивающие необходимые потребительские качества поляризатора и улучшающие его технические параметры.

Пример действия поляризатора.

Рассмотрим действие поляризатора согласно изобретению, коэффициенты поглощения которого вдоль трех осей не равны друг другу, а ось, вдоль которой коэффициент поглощения имеет между ними среднее по величине значение, совпадает по направлению с нормалью к подложке. В силу неидеальности поляризатора коэффициент К_X близок к 0, но не равен ему. При падении неполяризованного пучка света нормально к плоскости поляризатора окружность, вдоль которой распределены концы векторов электрического поля неполяризованного пучка, трансформируется в вытянутый эллипс, длина полуосей которого определяется толщиной поляризатора и коэффициентами поглощения К_X и К_Y. Толщина поляризатора выбирается такой, чтобы выходящий пучок был линейно поляризованным. При отклонении пучка от нормали линейная поляризация будет трансформироваться в частично поляризованное, характеризуемое эллиптическим распределением амплитуды электрического поля в зависимости от ориентации плоскости поляризации в пучке. При этом скорости изменения большой и малой полуоси в зависимости от полярного и азимутального угла распространения света в поляризаторе не одинаковы и зависят от соотношения коэффициентов К_Y и К_Z, которое устанавливается таким, чтобы обеспечить оптимальное сочетание интенсивности проходящего света и его степени поляризации. В частности, одним из условий оптимума будет не уменьшение, а, по крайней мере, сохранение поляризационной эффективности поляризатора на одном уровне при отклонении луча от нормали к поляризатору и азимутальном угле 45^o. Оптимум устанавливается по пропусканию двух поляризаторов с параллельной и перпендикулярной ориентацией осей поляризации, по крайней мере, для одной длины волны.

Пример реализации заявленного изобретения.

Дихроичный поляризатор согласно изобретению получают путем формирования по крайней мере одной анизотропно поглощающей пленки из ориентированных молекул органического вещества. Материал указанной пленки может быть получен одним из известных способов. Для этого берут одно, например, из перечисленных выше органических веществ - индантрон. Переводят краситель в жидкокристаллический раствор. Полученный ЖК раствор наносят на стеклянную пластину размером 10*10 см² в виде полоски на расстоянии 2 см от края пластины. Пластину закрепляют на прямолинейно движущемся столике. Невращающийся валик с диаметром 2 см прижимают к пластине. Толщину формируемого слоя раствора красителя задают двумя прокладками, которые закрепляют на валике. Столик с закрепленной пластиной двигают со скоростью 10 см/с. Пленку сушат при комнатной температуре. Изменяя условия внешнего ориентирующего воздействия в процессе получения пленки и/или после ее получения, задают определенную ориентацию имеющимся в ЖК растворе надмолекулярным комплексам. Внешнее ориентирующее воздействие может быть различным по природе: механическое, электромагнитное и т. д. При достаточных усилиях внешнего ориентирующего воздействия, которые выбирают в зависимости от свойств наносимого ЖК раствора (природа вещества, концентрация, температура и др. ), в результате получен заявленный материал в виде анизотропно поглощающей пленки, характеризуемый указанными в независимом пункте формулы изобретения параметрами.

Как показали экспериментальные данные, дихроичные поляризаторы, полученные согласно п. 1 формулы изобретения на основе заявленного материала, однозначно позволяют получить технический результат, заключающийся в улучшении угловых характеристик поляризатора, а именно, повышение пропускания неполяризованного света как одним поляризатором, так и двумя параллельными поляризаторами при сохранении их толщины, а также улучшение угловых характеристик двух скрещенных поляризаторов и повышение поляризационной эффективности. Для всех полученных поляризаторов согласно изобретению поляризационная эффективность не ниже 98,8%, а пропускание неполяризованного света одиночным поляризатором выше, чем у известных аналогов при одинаковой толщине.

Источники информации

1. US 5007942, 1991.

2. WO 94/28073, 1994.