Die anorganische Wellenplatte – eine optische Dünnschichtkomponente

Die Funktion von Wellenplatten besteht darin, die Richtung der Lichtschwingung zu ändern.

Eine Wellenplatte ist ein optisches Bauteil, das in erster Linie der effizienten Lichtnutzung dient. Sie wird in optischen Geräten wie Projektoren eingesetzt, um die Lichtrichtung in die gewünschte Richtung zu lenken. Im Folgenden sehen wir uns Aufbau und Funktion genauer an.
Die hier beschriebenen Polarisatoren nehmen unpolarisiertes Licht auf und leiten es in eine bestimmte Richtung weiter. Im Gegensatz dazu kann eine Wellenplatte den Polarisationszustand ändern, indem sie die Phase (den Zeitpunkt des Lichtaustritts) des einfallenden Lichts verschiebt.

Die folgenden beiden Abbildungen zeigen die Lichtwellen, die durch eine Halbwellenplatte und eine Viertelwellenplatte laufen. Dabei handelt es sich um die beiden häufigsten Arten von Wellenplatten.

Licht kann als Kombination zweier senkrecht zueinander stehender Lichtvektoren betrachtet werden. Wenn die Phase um eine halbe Wellenlänge verschoben wird, wie in der Abbildung unten gezeigt, erhält man linear polarisiertes Licht, das im Vergleich zur Phase ohne Phasenverschiebung um 90 Grad abgewinkelt ist.

Die folgende Abbildung hingegen ist eine schematische Darstellung der Lichtleistung einer Viertelwellenplatte, die die Phasenlage um ein Viertel verschiebt. Da der kombinierte Lichtvektor einen Spiralbogen bildet, wird er als „zirkular polarisiertes Licht“ bezeichnet. Umgekehrt kann eine Viertelwellenplatte linear polarisiertes Licht ausgeben, wenn zirkular polarisiertes Licht eingegeben wird.

Wellenplatten nutzen Licht effizient

Als Nächstes geben wir einige Beispiele, wo Wellenplatten tatsächlich in Geräten verwendet werden. Ein Gerätetyp, bei dem Wellenplatten zum Einsatz kommen, sind Projektoren, die für Besprechungen usw. eingesetzt werden. Sie sind im Projektor in eine optische Komponente namens PS-Konverter integriert. Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird durch den PS-Konverter polarisiert und umgewandelt und das Licht wird so ausgerichtet, dass es der Polarisation des Flüssigkristalls entspricht, wodurch die Lichtnutzungseffizienz erhöht wird.

Die folgende Abbildung zeigt den Weg, den das Licht von der Lichtquelle im Projektor nimmt, nachdem es durch den PS-Konverter gegangen ist, um ein Bild zu projizieren. Das von der Lichtquelle links ausgestrahlte unpolarisierte Licht ist eine Mischung aus P-polarisiertem Licht (horizontal schwingendes Licht) und S-polarisiertem Licht (vertikal schwingendes Licht). Ein PS-Konverter (Polarisationskonversionselement) überträgt S-polarisiertes Licht unverändert, P-polarisiertes Licht passiert jedoch eine Halbwellenplatte, wandelt es in S-polarisiertes Licht um und überträgt es dann. Mit anderen Worten besteht die Aufgabe des PS-Konverters (Halbwellenplatte) darin, unpolarisiertes Licht in S-polarisiertes Licht umzuwandeln. Das S-polarisierte Licht, das durch den PS-Konverter geht, wird vom polarisierenden Strahlteiler reflektiert und gelangt dann in das reflektierende LCD-Panel. Nur die Pixel, die das Bild ausgeben, wechseln zu P-polarisiertem Licht, das dann durch den polarisierenden Strahlteiler geht und das Bild projiziert.

Die wichtigste Leistungsanforderung an eine Wellenplatte ist eine hohe „Rotationsdurchlässigkeit“. Unter Rotationstransmission versteht man das Verhältnis, das angibt, wie effizient das auf die Wellenplatte einfallende Licht polarisiert wird. Nachfolgend sind zwei Diagramme aufgeführt, die die Durchlässigkeit für polarisiertes Licht der von Dexerials entwickelten Breitband-Halbwellenplatte zeigen. Im oberen Diagramm ist auf der horizontalen Achse die Wellenlänge angegeben und im unteren Diagramm der Einfallswinkel des Lichts. Um das Licht der Lichtquelle möglichst effizient zu nutzen, ist es notwendig, über ein möglichst breites Wellenlängenband und einen möglichst breiten Einfallswinkel eine Polarisationsdurchlässigkeit von nahezu 100 % aufrechtzuerhalten.

Merkmale der anorganischen Wellenplatten von Dexerials

Die meisten herkömmlichen Wellenplatten bestehen aus organischen Materialien. Organische Materialien haben den Vorteil, dass sie kostengünstig sind, haben jedoch einen großen Nachteil: Sie sind hitzeempfindlich. Aus diesem Grund werden in den in den letzten Jahren immer heller gewordenen Projektoren mittlerweile Wellenplatten aus anorganischen Materialien verwendet, die einer langfristigen Nutzung standhalten.

Die von Dexerials entwickelten anorganischen Wellenplatten weisen die folgenden drei Hauptmerkmale auf.

1. Da es sich um ein anorganisches Material handelt, verfügt es über eine hervorragende Hitze- und Lichtbeständigkeit.
2. Durch die Herstellung im Dünnschichtverfahren sind wir in der Lage, Filme mit geringen Phasenunterschieden zu entwickeln, die den Kundenanforderungen entsprechen.
3. Durch den Einsatz eines Dünnschichtverfahrens ist es möglich, eine Verzögerungsplatte mit geringer Abhängigkeit vom Einfallswinkel herzustellen.

Es gibt auch anorganische Verzögerungsplatten aus Quarz. Quarzverzögerungsplatten sind jedoch weniger genau, da sie einen mechanischen Polierprozess verwenden, um Phasenunterschiede von ½ oder ¼ zu erreichen.

Im Gegensatz dazu bildet die von Dexerials mithilfe eines Dünnschichtverfahrens entwickelte Wellenplatte säulenförmige Strukturen durch schräges Aufdampfen anorganischer Materialien auf ein Glassubstrat und erzeugt so eine Phasendifferenz. Dies ermöglicht eine hochpräzise Fertigung.

Dexerials wird weiterhin Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Leistung von Projektoren durchführen, damit diese hellere und qualitativ hochwertigere Bilder projizieren können.