DE69205347T2

DE69205347T2 - Lichtpolarisator und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE69205347T2
Application number: DE69205347T
Authority: DE
Inventors: Robert E Slocum
Original assignee: Polatomic Inc
Current assignee: Polatomic Inc
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1992-07-02
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2012-07-03
Also published as: EP0521591A3; US5122907A; EP0521591B1; EP0521591A2; DE69205347D1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Lichtpolarisatoren und insbesondere auf Lichtpolarisatoren und ein Herstellungsverfahren unter Verwendung von langgestreckten rundlichen Metallpartikeln, die auf einer lichtdurchlässigen Substratschicht niedergeschlagen sind.

Hintergrund der Erfindung

Flächenpolarisatoren wurden entwickelt, um Strahlenteiler-Polarisatoren zu ersetzen, welche teuer, voluminös und von begrenzter Größe sind. Die Technik von Flächenpolarisationsmaterial ist allgemein bekannt und stammt aus der Erfindung der H-Flächen- Zweifarben-Polarisatoren von Edwin H. Land aus dem Jahre 1938. Die Herstellung von Kunststoff-Polarisationsmaterialien in Flächenform ist ein zweistufiger Prozeß. Erstens wird ein Suspensionsmedium, das langkettige Moleküle enthält, gedehnt, um jene langkettigen Moleküle auszurichten. Zweitens werden polarisierende dichromatische Moleküle dem Medium hinzugefügt oder in das Medium eingeschlossen, welche sich so anlagern, daß sie entlang der ausgerichteten Kettenmoleküle orientiert sind. Die Licht polarisierenden Teilchen können auch in dem Medium dispergiert und durch Extrudieren, Walzen oder Recken des Mediums ausgerichtet werden.
Obwohl der größte Teil des kommerziell vermarkteten Flächenpolarisationsmaterials bis jetzt organisches Kunststoffmaterial ist, sind Forschungsarbeiten mit Hochleistungs-Glaspolarisatoren für Anwendungen bei Brillen durchgeführt worden, wo eine hohe Oberflächenhärte und gute Kratzbeständigkeits-Eigenschaften erwünscht sind. Polarisierende Gläser sind hergestellt worden, bei welchen ellipsoidförmige Metallpartikel in dein Glas aufgelöst wurden. Die Polarisationswirkung basiert auf der Tatsache, daß ellipsoidförmige Metallpartikel entlang der Längsachse polarisiertes Licht absorbieren und senkrecht zur Längsachse polarisiertes Licht übertragen.
Drei Verfahren für die Herstellung von polarisiertem Glas sind bis jetzt in der Patentliteratur offenbart worden. Die US-Patente Nr. 3,540,793, 4,125,404 und 4,125,405 offenbaren eine Polarisationswirkung bei fotochromen Gläsern, die Silberhalide enthalten, welche mit einer fotochemisch wirksamen Strahlung im Bereich von 350 nm bis 410 nm abgedunkelt und mit linear polarisiertem bleichendem Licht gebleicht werden.
Die US-Patente Nr. 3,653,863 und 4,282,022 offenbaren die Herstellung von in hohem Maße polarisierenden Gläsern ausgehend von Glas, welches phasentrennbar oder fotochrom ist und ein Silberhalid enthält, welches wärmebehandelt wird, um Silberhalidpartikel der gewünschten Größe zu bilden. Das Glas wird dann einem zweistufigen Prozeß unterworfen. Zuerst wird das Glas auf eine erhöhte Temperatur zwischen dem Entspannungspunkt und dem Schmelzpunkt (500 ºC bis 600 ºC) erwärmt, wonach dann ein Rekken, Extrudieren oder Walzen des Glases folgt, das die Silberhalidpartikel enthält, um sie zu dehnen und die Partikel zu einer ellipsoidförmigen Form zu orientieren. Zweitens wird das Glas einer Bestrahlung mit Hilfe von fotochemisch wirksamen Strahlen ausgesetzt, um Silbermetall auf der Oberfläche der Silberhalidpartikel zu erzeugen. Eine Verbesserung des zweiten Schritts wird im US-Patent Nr. 4,304,584 offenbart, wo das extrudierte Glas in einer reduzierenden Umgebung bei Temperaturen unterhalb des Entspannungspunktes des Glases wärmebehandelt wird, um längliches metallisches Silber in dem Glas oder auf den Silberhalidpartikeln in einer Oberflächenschicht des Glases mindestens zehn Mikrometer dick zu erzeugen. Das Verfahren schließt die Herstellung von Verbundglaskörpern ein, bei welchen die polarisierende und die fotochrome Glasschicht kombiniert und laminiert sind.
Ein weiteres Verfahren für die Herstellung von polarisiertem Glas wird im US-Patent Nr. 4,479,819 für den nahen infraroten Spektralbereich, der zu 700 nm bis 3000 nm beschrieben wird, durch verbesserte Glaszieh- und Reduktionstechniken bei hoher Temperatur offenbart. Ein weiteres Verfahren wird im US-Patent Nr. 4,486,213 für das Plattieren eines polarisierenden Glaskerns mit einem Glasüberzug offenbart, um hohe Schlankheitsgrade für die länglichen Metallpartikel zu erreichen. US-Patent Nr. 4,908,054 offenbart Verfahren für die Verbesserung des Kontrastes und der Bandbreite einer Polarisationswirkung für das in dem US-Patent Nr. 4,479,819 beschriebene Erzeugnis.
Eine dritte Klasse Polarisatoren sind die Hertz'schen Polarisatoren, welche Metalldrähte auf die Oberfläche eines lichtdurchlässigen Materials plazieren. Vor 1900 hat Heinrich Hertz ein Verfahren für das Polarisieren einer Strahlung unter Verwendung einer Anordnung aus parallelen reflektierenden Drähten demonstriert, welche bezogen auf die Wellenlänge der zu polarisierenden Strahlung sehr lang waren, und die Drähte waren um eine Entfernung voneinander getrennt, die viel kleiner als die zu polarisierende Wellenlänge war. Der Hertz'sche Polarisator ist oft in der Form eines Drahtgitters gestaltet, kann aber auch aus in unregelmäßigem Abstand voneinander angeordneten Drähten bestehen, die die Polarisationsbedingungen erfüllen. Der Hertzr sche Polarisator lätit die Strahlung mit dem elektrischen Vektor senkrecht zu den Drähten durch und reflektiert die Strahlung mit einem elektrischen Vektor parallel zu den Drähten.
US-Patent Nr. 3,046,839 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hertz'schen Polarisators auf der Oberfläche eines optischen Materials durch Bildung eines Beugungsgitters auf der Oberfläche. Das Beugungsgitter besteht aus Vertiefungen, und die Vertiefungsspitzen sind durch Verdampfung mit Metall beschichtet, um ein Feld aus Metallfäden zu bilden. US-Patent Nr. 3,353,895 offenbart ein Verfahren für die Herstellung eines Hertz'schen Polarisators durch Bildung von Metallfäden unter Verwendung eines verdampfenden Schattenbildungsverfahrens. Das verdampfte Metall wird in der Nähe des Einfallwinkels auf ein höckeriges lichtdurchlässiges Material gerichtet, das mit vorstehenden Stellen bedeckt ist. Metallfäden eines Hertz'schen Polarisators werden durch Bildung von Fäden erzeugt, welche entlang der Seite der vorstehenden Stellen liegen und werden durch den Schatten getrennt, der von den vorstehenden Stellen geworfen wird.
Die US-Patente Nr. 3,969,545 und 4,049,338 offenbaren einen Hertz'schen Polarisator, der Metallfäden hat, welche durch Verdampfung auf glatte Oberflächen eines lichtdurchlässigen optischen Materials aufgebracht werden. Die Metallelemente des Hertz'schen Polarisators sind Silber-Nadelkristalle, die auf der Oberfläche durch Einfallswinkel-Vakuumaufdampfen von Silber gezüchtet werden.
Jeder der drei Klassen von Flächenpolarisatoren fehlt es an Eigenschaften, um Hochleistungs-Polarisationsmaterial zu erzeugen, das sowohl für den sichtbaren, als auch den nahen Infrarot- Spektralbereich (400 nm bis 3000 nm) geeignet ist. Die Kunststoff-Flächenpolarisatoren haben ein dürftiges Leistungsvermögen im nahen Infrarot-Spektralbereich und werden wegen der Weichheit des Kunststoffs leicht beschädigt. Die Hertz'schen Polarisatoren, auf optisch lichtdurchlässige Materialien angewandt, reflektieren eher die unerwünschten Komponenten der Strahlung, als sie zu absorbieren, was speziell unerwünscht für Anwendungen auf dem Gebiet der Augenoptik und der Anzeige ist. Das Hertz'sche Verfahren ist bis jetzt, obwohl es mit Erfolg im nahen Infrarot- Spektralbereich zur Anwendung kommt, noch nicht in effektiver Weise wegen der Schwierigkeit der Herstellung einer einheitlichen Metalldichte von Metallfäden, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, auf den sichtbaren Teil des Spektrums erweitert worden. Schließlich ist das Verfahren von polarisierendem Glas auf Gläser beschränkt, welche eine in hohem Maße spezialisierte Zusammensetzung haben, die Silber enthält. Obwohl die polarisierenden Gläser mit dem Handelsnamen POLACOR effektive Polarisatoren im nahen Infrarotbereich sind, ist das ursprüngliche Ziel der Anfertigung eines Glases in Augenoptik-Qualität für die Verwendung bei Qualitäts- und auf Rezept verschriebenen Sonnenbrillen bis jetzt noch nicht erreicht worden. Dieses nichterfüllte Ziel ist die Folge der Kompliziertheit und Schwierigkeit der Gestaltung und Erwärmung von Spezialgläsern und eines Unvermögens, die Gestalt und die Einheitlichkeit der polarisierenden Metallpartikel für den sichtbaren Spektralbereich zu steuern.
Folglich ist eine Notwendigkeit in bezug auf einen Polarisator und ein Herstellungsverfahren für polarisierendes Material entstanden, das ein hohes Leistungsvermögen sowohl für den sichtbaren, als auch den nahen infraroten Spektralbereich hat. Diese Aufgabe wird mit einem Lichtpolarisator, wie er in Anspruch 1 definiert ist und mit einem Verfahren für die Herstellung von Licht polarisierendem Material, wie in Anspruch 15 definiert, gelöst.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung legt ein Verfahren für die Herstellung von polarisierendem Material dar, welches einen hohen Kontrast im sichtbaren und im nahen Infrarot-Spektralband (400 nm bis 3000 nm) hat. Das Verfahren besteht darin, die Oberfläche eines optischen Materials mit langgestreckten rundlichen Metallpartikeln zu beschichten. Die Lichtpolarisationskomponente parallel zur Fluchtungsrichtung wird absorbiert, und die Polarisationskomponente senkrecht zur Fluchtungsrichtung wird durchgelassen. Die Wellenlänge der Spitzenwertpolarisation wird durch das Verhältnis von Länge zu Breite der langgestreckten rundlichen Metallpartikel und den Brechungsindex des lichtdurchlässigen Materials bestimmt, das die Metallpartikel umgibt. Es wird ein Licht polarisierendes Material offenbart, welches ein Kontrastverhältnis größer als 1000 für Wellenlängen im sichtbaren und im nahen Infrarot-Spektralband hat. Das Material besteht aus langgestreckten rundlichen Silberpartikeln, die auf der Oberfläche eines optischen Materials einheitlich verteilt und ausgerichtet sind. Es wird ein Verfahren für die Herstellung von polarisierendem Material durch Bedampfen einer glatten Glasoberfläche mit einer Vielzahl von Schichten aus langgestreckten rundlichen Metallpartikeln dargelegt. Die Wellenlänge der Spitzenwertabsorption kann durch Steuerung des Aufdampfprozesses so gewählt werden, daß sie in eine gewünschte Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 3000 nm fällt. Es wird ein Verfahren für das Aufdampfen von Metallpartikeln direkt auf eine glatte optische Oberfläche und ein Anordnen der Wellenlänge der Spitzenwertabsorption durch Variieren des Mehrschicht-Aufdampfprozesses offenbart.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum Zweck eines besseren Verstehens der vorliegenden Erfindung und weiterer Vorteile derselben wird jetzt Bezug auf die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt, bei welchen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht mit teilweise geschnittenen Elementen ist, die das Aufbringen von verdampftem Metall auf ein Substrat veranschaulicht;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der sich ergebenden langgestreckten Metallpartikel ist, die auf einem Substrat in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebracht werden;
Fig. 3 ein Elektronenmikroskopbild einer Oberfläche ist, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beschichtet wurde; und
Fig. 4 und 5 Grafiken sind, die Kontrastkurven für verschiedene Aufbringungsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die anisotrope Polarisationsabhängigkeit des optischen Absorptionsvermögens rundlicher Metallpartikel ist allgemein aus solchen Texten, wie van de Hulst und die Suspension solcher Teile in Glas (Corning) oder Kunststoff (Land) bekannt. Die Eigenschaften rundlicher Metallpartikel auf ebenen Oberflächen ist durch Praktiker von Surfaced Ramann Scattering (SERS) untersucht worden. Wissenschaftliche Beobachter haben schwache Polarisationseffekte in metallischen Dünnschichten beobachtet. Die vorliegende Erfindung bringt Metallpartikel auf der Oberfläche eines lichtdurchlässigen optischen Materials in einer solchen Art und Weise auf, daß eine bedeutende anisotrope Absorption von Licht erreicht wird, wobei eine starke Durchlässigkeit der Polarisationskomponente, die senkrecht zu der Fluchtungsachse schwingt und eine starke Absorption der Komponente erfolgt, die parallel zur Fluchtungsachse schwingt, um auf diese Weise das Material als Polarisator nützlich zu machen. Die vorliegende Erfindung schließt ein Verfahren für die Auswahl des Partikelvolumens und des Schlankheitsgrades ein, um die Wellenlänge der Spitzenwertabsorption des Materials effektiv auf die gewünschte Wellenlänge in dem Bereich abzustimmen, der sich von 450 nm bis zu 3000 nm erstreckt.
Ein lichtdurchlässiges optisches Element, das für das Substrat des polarisierenden Materials gewählt wird, kann zum Beispiel aus einer Scheibe aus Glas BK-7 von 25 mm Durchmesser bestehen, welche auf optische Qualität mit mikroskopisch glatter Oberfläche geschliffen worden ist. Ein Verfahren für das Aufbringen einer Beschichtung aus Silberpartikeln auf die Oberfläche eines Substrats ist das Aufdampfen unter Vakuum. Ein bedeutender Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Auflagerungstechnik des Auftreffens von verdampftem Metall auf der Oberfläche unter einem Winkel in der Nähe des Einfallwinkels größer als 85 Grad zur Normalen der Substratoberfläche, um langgestreckte rundliche Teilchen auf der Oberfläche des Substrats zu bilden.
Jetzt soll unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein Verfahren für die Bildung eines Licht polarisierenden Materials in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht werden. Das Verfahren verwendet ein Vakuum-Aufbringungssystem, das generell mit der Zahl 10 gekennzeichnet ist. Ein Substrat 12, das eine mikroskopisch glatte Oberfläche 12a hat, ist auf einem Substrathalter 14 in einer Glasglocke 16 montiert. Das Substrat 12 ist auf dem Substrathalter 14 beispielsweise durch Verwendung von Schrauben oder Klebstoff montiert. Der Substrathalter 14 ist an einem Träger 18 mit Hilfe eines Stiftes 20 befestigt, welcher gestattet, daß sich der Substrathalter 14 und das Substrat 12 bezogen auf den Träger 18 schwenken und drehen können. Das Aufbringungssystem 10 besteht aus einem Heizelement 22, das ein Behältnis 24 für die Aufnahme von Metall hat, beispielsweise bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu verdampfende Metallguelle 26. Das Heizelement 22 ist mit Heizelektroden 28 und 30 verbunden, welche ihrerseits mit einer (nicht gezeigten) Energieguelle verbunden sind. Zwischen der Metallquelle 26 und dem Substrat 12 befindet sich eine Kollimationsvorrichtung 32, die einen Kollimationsschlitz oder eine Kollimationsöffnung 34 hat.
Das Substrat 12 ist auf dem Substrathalter 14 montiert und unter dem gewünschten Winkel zu einem Metall-Aufbringungsstrahl 36 in einem Abstand von ungefähr 20 cm von der Metallquelle 26 im Innern der Glasglocke 16 positioniert. Der Substrathalter 14 ist so gestaltet, daß das Substrat 12 um 180 Grad um die Normale zu dem Substrat 12 in der Mitte von Substrat 12 gedreht werden kann. Die Substratstellung 1, wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich auf das Ausrichten von Substrat 12 unter Θ Grad zwischen der Richtung des Auftreffens von Metallaufbringungsstrahl 36 und einer Achse 38 von Substrat 12, wie in Fig. 1 gezeigt. Substratstellung 2, wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich auf das Ausrichten von Substrat 12, wenn es um 180 Grad aus Stellung 1 um eine Achse in der Mitte des Substrats 12 normal zur Oberfläche gedreht worden ist.
In Funktion besteht das Verfahren entsprechend der bevorzugten Ausführungsform zuerst darin, die Oberfläche 12a von Substrat 12 vor dem Montieren von Substrat 12 in der Glasglocke 16 zu reinigen. Die Metallquelle 26, die auf zudampfen ist, wird in ein Behältnis 24 gebracht, welches seinerseits mit einer Stromquelle verbunden wird. Vor dem Aktivieren der Stromquelle wird die Glasglocke 16 unter Verwendung bekannter Techniken bis auf einen Druck von weniger als 0,00001 Torr evakuiert. Wenn der Aufbringungsprozeß aktiviert ist, dann haften Metallatome an der Oberfläche des Substrats 12 und bilden einen langgestreckten rundlichen Partikel, wobei die Längsachse des Sphäroids mit der Richtung des Metall-Aufdampfungsstrahls fluchtet. Ein Metall der Wahl für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist reines Silber. Es wurden Proben entsprechend der hierin beschriebenen Erfindung durch Verdampfen von 0,125 cm³ hergestellt, doch wird nur ein geringer Bruchteil des Silbers tatsächlich auf der Oberfläche 12a des Substrats 12 niedergeschlagen.
Fig. 2 veranschaulicht das sich ergebende verdampfte Metallmuster auf Oberfläche 12a von Substrat 12, um eine Vielzahl länglicher sphäroid geformter Partikel 40 zu bilden, deren Längsachse mit der Richtung des Metall-Aufdampfungsstrahls 36 fluchtet. Fig. 3 veranschaulicht ein Elektronenmikroskop-Durchgangsbild des gebildeten Überzuges.
Es ist eine Vielzahl von Aufbringungstechniken für die Herstellung einer Inselschicht eines unterbrochenen Metallpartikels bis jetzt mit Formen entwickelt worden, die sphärisch oder ellipsoidförmig sind oder die Form von Nadelkristallen haben. Das vorliegende Verfahren sorgt für die Herstellung von Silbermetallpartikeln, welche das deutliche Polarisationsverhalten eines langgestreckten Metallsphäroids aufweisen. Zusätzlich sorgt das Verfahren für das Wählen der Wellenlänge der Spitzenwertpolarisation dadurch, daß bewirkt wird, daß das verdampfte Metall 26 auf die Substratoberfläche 12a in einer speziellen Folge von Aufprallrichtungen aufprallt, wobei eine spezielle Silberfraktion auf der Oberfläche 12a bei jeder Folge ankommt. Dieses Verfahren wählt auf physikalische Weise das effektive Verhältnis von Länge zu Breite bei den Metallpartikeln 40, welches die Wellenlänge einer Spitzenwertpolarisation bestimmt. Zusätzlich kann die Wellenlänge einer Spitzenwertabsorption dadurch zu einer größeren Wellenlänge verschoben werden, daß man den Brechungsindex des Mediums erhöht, welches die Metallpartikel 40 umgibt. Die Metallpartikel 40, welche direkt auf der Oberfläche des Substrats 12 niedergeschlagen werden, sind effektiv von Luft mit einem Brechungsindex von 1,0 umgeben. Der Brechungsindex kann dadurch vergrößert werden, daß man durch Verdampfen oder chemisch Substrat 12 mit Material beschichtet, das einen hohen Brechungsindex hat. Dieses Verfahren der Wellenlängenwahl wird hierin durch Aufbringen eines optischen Klebers mit einem Brechungsindex von 1,50 demonstriert. Jetzt sollen verschiedene Verfahren zur Herstellung polarisierender Materialien entsprechend der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Ein erstes Aufbringungsverfahren teilt den Prozeß in zwei Teile, so daß die Hälfte des Silber-Auftragungsmaterials in Stellung 1 aufgebracht wird und die Hälfte des Silbers in Stellung 2 aufgebracht wird. Eine Spitzenwertpolarisation tritt bei 900 nm bei einer Partikeldurchlässigkeit k&sub1; = 0,68 und k&sub2; = 0,0029 auf. Die Schicht hat einen Kontrast von ungefähr 235 bei 900 nm. Der Kontrast ist definiert als k&sub1;/k&sub2;, wobei k&sub1; die maximale Durchlässigkeit (linear polarisiertes Licht senkrecht zur Längsachse) und k&sub2; die minimale Durchlässigkeit (parallel zur Längsachse polarisiertes Licht) ist. Die Kontrastkurve ist als Kurve 50 in Fig. 4 dargestellt.
Ein zweites Aufbringungsverfahren teilt den Prozeß in vier Teile, so daß die Hälfte des Silbers in Stellung 1 und die Hälfte des Silbers in Stellung 2 aufgebracht wird. Es wurden vier Aufdampfungen in der Stellungsreihenfolge 1,2, 1,2 vorgenommen. Eine Spitzenwertpolarisation tritt bei 700 nm mit den Hauptdurchlässigkeiten k&sub1; = 0,60 und k&sub2; = 0,0028 auf. Der Kontrast bei 700 nm beträgt ungefähr 214. Die Kontrastkurve ist als Kurve 52 in Fig. 4 dargestellt.
Ein drittes Aufbringungsverfahren unterteilt den Prozeß in sechs Teile, so daß die Hälfte des Silbers in Stellung 1 und die Hälfte des Silbers in Stellung 2 aufgebracht wird. Es wurden sechs Aufdampfungen in der Stellungsreihenfolge 1,2, 1,2, 1,2 vorgenommen. Eine Spitzenwertpolarisation tritt bei 550 nm mit den Hauptdurchlässigkeiten k&sub1; = 0,58 und k&sub2; = 0,0038 auf. Der Kontrast beträgt ungefähr 153. Die Kontrastkurve ist als Kurve 54 in Fig. 4 dargestellt.
Ein viertes Aufbringungsverfahren unterteilt den Prozeß in acht Teile, so daß die Hälfte des Silbers in Stellung 1 und die Hälfte des Silbers in Stellung 2 aufgebracht wird. Es wurden acht Aufdampfungen in der Stellungsreihenfolge 1,2, 1,2, 1,2, 1,2 vorgenommen. Eine Spitzenwertpolarisation tritt bei 550 nm mit den Hauptdurchlässigkeiten k&sub1; = 0,42 und k&sub2; = 0,0022 und einem Kontrast von ungefähr 191 auf. Die Kontrastkurve ist als Kurve 56 in Fig. 4 dargestellt.
Ein fünftes Aufbringungsverfahren schließt den Prozeß des vorstehend beschriebenen ersten Aufbringungsverfahrens und dann ein Beschichten der Oberfläche der Metallschicht mit einem optischen Kleber (Norlin) ein, welcher einen Brechungsindex von 1,50 hat. Die Wellenlänge der Spitzenwertabsorption verschiebt sich von 900 nm auf 1350 nm. Dieses Verfahren veranschaulicht die analytische Voraussage, daß die Wellenlänge einer Spitzenwertpolarisation ungefähr gleich der Wellenlänge der Spitzenwertpolarisation in Luft multipliziert mit dem Brechungsindex des Materials ist, das die Partikel umgibt. Die Kontrastkurve ist als Kurve 58 in Fig. 4 dargestellt.
Ein sechstes Aufbringungsverfahren besteht in dem vorstehend beschriebenen Prozeß des dritten Aufbringungsverfahrens mit der anschließenden Modifikation bei der Herstellung des Substrats 12, um die Polarisationskennwerte des Materials bei 600 nm zu verbessern. Das Substrat 12 wird vor Anwendung des dritten Verfahrens zuerst mit Silber beschichtet warmbehandelt. Das Substrat 12 wird durch das vorstehend beschriebene Verfahren unter Verwendung von 0,025 cm³ Silber für die gesamte Verdampfung beschichtet. Das Substrat 12 wird in einem Vakuumsystem 4 Minuten lang bei einer Entfernung von 10 cm von dem Behältnis 24 bei der Temperatur erwärmt, die normalerweise erforderlich ist, um Silber zu verdampfen. Der Vorabüberzug mit erhitztem Silber verbindet sich mit dem entsprechend dem dritten Verfahren aufgebrachten Silber, um einen verbesserten Kontrast von 1466 bei 600 nm zu erzeugen, wie durch Kurve 60 in Fig. 4 gezeigt.
Die auf dem Substrat 12 aufgebrachte Schicht aus Silberpartikeln kann durch Übertragung von einem anderen Substrat mit Hilfe von Abhebetechniken übertragen werden. Die ursprüngliche Aufdampfungsfläche wird mit einer dünnen Teflonschicht überzogen, welche für das Auge unsichtbar ist. Die Silberpartikel werden oben auf die vorher aufgetragene Teflonschicht aufgebracht. Das Substrat 12 wird mit einem optischen Kleber überzogen, welcher gegen die Oberfläche des mit Silberpartikeln beschichteten Substrats gedrückt wird. Der Kleber wird gehärtet, und die Substrate werden getrennt, wobei die Silberpartikelschicht zurückbleibt, die auf die Oberfläche von Substrat durch Anhaften an den optischen Kleber übertragen worden ist.
Obwohl Vakuum-Aufdampfungstechniken hierin für das Aufbringen der langgestreckten rundlichen Metallpartikel 40 auf die Oberfläche von Substrat 12 offenbart worden sind, können zusätzliche lithografische Verfahren für das Aufbringen der Metallpartikel zur Anwendung kommen, wie jene, die in "Optical Absorbance of Silver Ellipsoidal Particles" (Optisches Absorptionsvermögen ellipsoidförmiger Silberpartikel); M. C. Buncick, R. J. Warmack und T. L. Ferrell; J. Opt. Society of American B; Band 4, Juni 1987, S. 927 - 933 und "Fabrication of a High Densitiy Storage Medium for Electron Beam Memory" (Herstellung eines Speichermediums hoher Dichte für einen Elektronenstrahlspeicher); J. A. Oro und J. C. Wolf; J. Vac. Science Technology B1(4); Okt.-Dez. 1983, S. 1088 - 1090 beschrieben werden.
Man kann deshalb erkennen, daß die vorliegende Erfindung für einen Polarisator und für ein Verfahren für die Herstellung von Polarisationsmaterial sorgt, welche ein hohes Leistungsverhalten sowohl für den sichtbaren, als auch den nahen Infrarot-Spektralbereich haben. Die vorliegende Erfindung sorgt für die Beschichtung der Oberfläche eines optischen Materials mit ausgerichteten langgestreckten rundlichen Metallpartikeln, in welchen die Licht-Polarisationskomponente parallel zur Fluchtungsrichtung der Metallpartikel absorbiert und die Polarisationskomponente senkrecht zur Fluchtung der Metallpartikel durchgelassen wird. Während nun die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, wird man verstehen, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen für jemanden naheliegen, der mit der Technik vertraut ist, und es ist beabsichtigt, solche Änderungen und Modifikationen mit einzuschließen, wie sie in den Geltungsbereich der nachstehenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Lichtpolarisator, mit:

einem lichtdurchlässigen Substrat (12); und

einer Anzahl von langgestreckten, rundlichen Metallpartikeln (40), die an der Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats angeordnet sind, wobei jedes der Metallpartikel eine Längsachse und eine Länge hat, die kleiner ist als die Wellenlänge des zu polarisierenden Lichts, wobei die Anzahl der Metallpartikel so auf dem lichtdurchlässigen Substrat angeordnet ist, daß die Längsachsen parallel zueinander verlaufen, um dadurch unerwünschtes Licht, welches in einer Richtung parallel zu den Längsachsen der Metallpartikel polarisiert ist, zu absorbieren und um erwünschtes Licht, welches in einer Richtung senkrecht zu den Längsachsen der Metallpartikel polarisiert ist, hindurchzulassen.

2. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Metallpartikel Licht hindurchläßt, dessen elektrischer Feldvektor senkrecht zu den Längsachsen der Metallpartikel schwingt, und Licht absorbiert, dessen elektrischer Feldvektor parallel zu den Längsachsen der Metallpartikel schwingt, wobei die Absorption ein Maximum bei einer Wellenlänge erreicht, die durch das Länge/Breite-Verhältnis der Metallpartikel und durch den Brechungsindex des die Metallpartikel umgebenden Materials bestimmt ist.

3. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei das lichtdurchlässige Substrat aus der Gruppe aus Gläsern und Kunststoffen ausgewählt ist, die für sichtbares Licht durchlässig sind.

4. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei das lichtdurchlässige Substrat aus der Gruppe aus Gläsern und Kunststoffen ausgewählt ist, die bei Infrarotstrahlung durchlässig sind.

5. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei das Länge/Breite- Verhältnis der Metallpartikel aus Werten in einem Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 20 ausgewählt ist, um dadurch die Wellenlänge der maximalen Polarisation im Wellenlängenbereich zwischen ungefähr 300 nm und dem nahen Infrarotspektralbereich einzustellen.

6. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des die Partikel umgebenden Materials ausgewählt ist, um die Wellenlänge der maximalen Polarisation auszuwählen.

7. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, der weiterhin enthält:

eine Anzahl lichtdurchlässiger Substratschichten, wobei eine oder mehrere Flächen dieser Anzahl lichtdurchlässiger Substrate mit einer oder mehreren Metallpartikelschichten bedeckt sind.

8. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel ein effektives Kugelvolumen mit einem Durchmesser von ungefähr 5 nm bis 100 nm haben.

9. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei die Dichte und das Volumen der Metallpartikel gewählt sind, um Transmissionsgrade k&sub1; und k&sub2; des Polarisierungsmaterials auszuwählen, durch die ein Kontrastverhältnis k&sub1;/k&sub2; erreicht wird, das bei der Wellenlänge der maximalen Polarisation größer als 1000 ist, wobei k&sub1; der maximale Transmissionsgrad des Lichts ist, welches senkrecht zu den Längsachsen linear polarisiert ist, und k&sub2; der minimale Transmissionsgrad des Lichts ist, welches parallel zu den Längsachsen polarisiert ist.

10. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel mittels Vakuumabscheidung auf der Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats aufgebracht werden.

11. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel durch Lithographie gebildet sind.

12. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel Silber enthalten.

13. Lichtpolarisator nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel auf der Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats aufgebracht sind.

14. Lichtpolarisator nach Anspruch 7, wobei die Metallpartikel auf die Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats in zwei oder mehreren Schichten aufgebracht sind, die durch lichtdurchlässige Schichten voneinander getrennt sind.

15. Verfahren zur Herstellung von lichtpolarisierendem Material, mit:

Ausbilden einer Anzahl von langgestreckten, rundlichen Metallpartikeln (40), die an der Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats angeordnet sind, wobei jedes der Metallpartikel eine Längsachse und eine Länge hat, die kleiner ist als die Wellenlänge des zu polarisierenden Lichts, wobei die Anzahl der Metallpartikel so auf dem lichtdurchlässigen Substrat angeordnet ist, daß die Längsachsen parallel zueinander verlaufen, um dadurch unerwünschtes Licht, welches in einer Richtung parallel zu den Längsachsen der Metallpartikel polarisiert ist, zu absorbieren und um erwunschtes Licht abzugeben, welches in einer Richtung senkrecht zu den Längsachsen der Metallpartikel polarisiert ist, hindurchzulassen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Anzahl der Metallpartikel Licht durchläßt, dessen elektrischer Feldvektor senkrecht zu den Längsachsen der Metallpartikel schwingt, und Licht absorbiert, dessen elektrischer Feldvektor parallel zu den Längsachsen der Metallpartikel schwingt, wobei die Absorption ein Maximum bei einer Wellenlänge erreicht, die durch das Länge/Breite-Verhältnis der Metallpartikel und durch den Brechungsindex des die Metallpartikel umgebenden Materials bestimmt ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, welches das Auswählen des lichtdurchlässigen Substrats aus der Gruppe aus Gläsern oder Kunststoffen enthält, die für sichtbares Licht durchlässig sind.

18. Verfahren nach Anspruch 15, welches das Auswählen des lichtdurchlässigen Substrats aus der Gruppe aus Gläsern und Kunststoffen enthält, die für Infrarotstrahlung durchlässig sind.

19. Verfahren nach Anspruch 15, welches das Auswählen des Länge/Breite-Verhältnisses der Metallpartikel aus Werten in einem Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 20 umfaßt, um dadurch die Wellenlänge der maximalen Polarisation im Wellenlängenbereich zwischen ungefähr 300 nm und dem nahen Infrarotspektralbereich einzustellen.

20. Verfahren nach Anspruch 15, welches das Auswählen des Brechungsindex des die Partikel umgebenden Materials umfaßt, um die Wellenlänge der maximalen Polarisation auszuwählen.

21. Verfahren nach Anspruch 15, welches weiterhin umfaßt:

Ausbilden eine Anzahl lichtdurchlässiger Substratschichten, wobei eine oder mehrere Flächen dieser Anzahl lichtdurchlässiger Substrate mit einer oder mehreren Metallpartikelschichten bedeckt sind.

22. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Metallpartikel ein effektives Kugelvolumen mit einem Durchmesser von ungefähr 5 nm bis 100 nm haben.

23. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Dichte und das Volumen der Metallpartikel gewählt sind, um Transmissionsgrade k&sub1; und k&sub2; des Polarisierungsmaterials auszuwählen, durch die ein Kontrastverhältnis k&sub1;/k&sub2; erreicht wird, das bei der Wellenlänge der maximalen Polarisation größer als 1000 ist, wobei k&sub1; der maximale Transmissionsgrad des Lichts ist, welches senkrecht zu den Längsachsen linear polarisiert ist, und k&sub2; der minimale Transmissionsgrad des Lichts ist, welches parallel zu den Längsachsen polarisiert ist.

24. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Metallpartikel mittels Vakuumabscheidung auf der Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats aufgebracht werden.

25. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Metallpartikel durch Lithographie gebildet werden.

26. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Metallpartikel Silber enthalten.

27. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Metallpartikel auf die Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats aufgebracht werden.

28. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Metallpartikel auf die Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats in zwei oder mehreren Schichten aufgebracht werden, die durch lichtdurchlässige Schichten voneinander getrennt sind.