АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК Российский патент 1995 года по МПК H04R23/00 

Изобретение относится к акустике и может быть использовано для преобразования акустических колебаний в оптическое излучение или в электрический сигнал.

Известен преобразователь механической энергии в электрическую, содержащий пространственно разнесенные источник оптического излучения и фотоприемник, между которыми последовательно расположены первая линза, первый поляроид, две параллельные оптически прозрачные пластины со слоем нематического жидкого кристалла между ними, имеющего гомеотропную ориентацию молекул, второй поляроид и вторую линзу, а также упругий элемент, посредством которого вторая оптически прозрачная пластина связана с вибрирующим объектом [1] Такой преобразователь может выполнять функцию акустооптического датчика после добавления к нему элемента, преобразующего акустические колебания в механические.

Известен акустооптический датчик, содержащий пространственно разнесенные источник оптического излучения и фотоприемник, между которыми последовательно расположены первый поляроид, две параллельные оптически прозрачные пластины со слоем нематического жидкого кристалла между ними, в котором молекулы ориентированы гомеотропно, и второй поляроид, причем концы двух параллельных оптически прозрачных пластин снабжены расширяющимися рупорами, закрытыми мембранами, подмембранные пространства заполнены неориентированным нематическим жидким кристаллом, а на поверхности одной из мембран установлена звукоизолирующая камера, закрепленная по периметру с краями ее поверхности [2] Этот акустооптический датчик характеризуется совокупностью признаков, наиболее близкой к совокупности существенных признаков изобретения, и выбран в качестве прототипа.

К недостаткам известного акустооптического датчика относятся низкая чувствительность, большие размеры, а также значительный объем, занимаемый жидким кристаллом.

Изобретение направлено на решение задачи повышения чувствительности акустооптического датчика за счет оптимизации геометpии датчика и его элементов. Дополнительно решаются задачи миниатюризации акустооптического датчика и снижения расхода жидкого кристалла.

Для достижения поставленной задачи в известном акустооптическом датчике, содержащем пространственно разнесенные источник оптического излучения и фотоприемник, между которыми последовательно расположены первый поляроид, две параллельные оптически прозрачные пластины со слоем жидкого кристалла между ними, в котором молекулы ориентированы, и второй поляроид, а также две мембраны, которые связаны с параллельными оптически прозрачными пластинами, и звукоизолирующую камеру, установленную на одной из мембран и закрепленную по периметру с краями ее поверхности, причем подмембранные пространства заполнены неориентированным жидким кристаллом, параллельные оптически прозрачные пластины частично заходят друг за друга, поверхности слоя жидкого кристалла с ориентированными молекулами с двух сторон ограничены перекрывающимися частями упомянутых пластин, а с двух других сторон герметизирующими прокладками, установленными вдоль боковых поверхностей перекрывающихся частей тех же пластин, каждая мембрана закреплена по периметру с перекрывающей частью одной из оптически прозрачных пластин, торцами герметизирующих прокладок и краями свободной поверхности другой пластины.

Молекулы слоя жидкого кристалла между двумя параллельными оптически прозрачными пластинами могут быть ориентированы различным образом, в том числе гомеопланарно. Оптически прозрачная пластина выполнена из стекла толщиной от 0,5 до 3 мм. Площадь слоя жидкого кристалла с ориентированными молекулами составляет от 1 до 25 мм², а толщина слоя жидкого кристалла от 5 до 500 мкм. Мембрана выполнена из лавсановой пленки толщиной от 10 до 100 мкм. Площадь мембраны в основании составляет от 10 до 200 мм², а объем подмембранного пространства от 1 до 100 мм³. Объем звукоизолирующей камеры, заполненной газом, составляет от 3 до 1000 мм³.

Источник оптического излучения выполнен в виде светодиода инфракрасного диапазона волн, а фотоприемник в виде фототранзистора инфракрасного диапазона волн. Герметизирующая прокладка выполнена их эпоксидного компаунда. Звукоизолирующая камера заполнена воздухом.

Признаками, отличительными от прототипа, являются установка параллельных оптически прозрачных пластин с краями, частично заходящими друг за друга, ограничение с двух сторон поверхности слоя жидкого кристалла с ориентированными молекулами перекрывающимися краями упомянутых пластин, а с двух других сторон герметизирующими прокладками, установленными вдоль боковых поверхностей перекрывающихся частей тех же пластин, закрепление каждой мембраны по периметру с перекрывающей частью одной из оптически прозрачных пластин, торцами герметизирующих прокладок и краями свободной поверхности другой пластины. К отличительным признакам относятся также заполнение звукоизолирующей камеры газом, выполнение оптически прозрачных пластин из стекла толщиной от 0,5 до 3 мм, ограничение площади слоя жидкого кристалла с ориентированными молекулами в пределах от 1 до 25 мм², а толщины слоя жидкого кристалла от 5 до 500 мкм, выполнение мембран из лавсановой пленки толщиной от 10 до 100 мкм, выбор площади в основании каждой мембраны от 10 до 200 мм², объема подмембранного пространства от 1 до 100 мм³, а объема звукоизолирующей камеры, заполненной газом, от 3 до 1000 мм³. Указанные отличительные признаки достаточны во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Гомеопланарная ориентация молекул слоя жидкого кристалла между параллельными оптически прозрачными пластинами, выполнение источника излучения в виде светодиода инфракрасного диапазона волн, фотоприемника в виде фототранзистора инфракрасного диапазона волн, герметизирующей прокладки из эпоксидного компаунда и заполнение звукоизолирующей камеры воздухом относятся к отличительным признакам, характеризующим изобретение лишь в частных случаях.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом может быть выражена следующим образом: оптимизация геометрии акустооптического датчика с целью улучшения его характеристик. В результате оптимизации геометрии акустооптического датчика и его элементов решаются задачи повышения чувствительности и миниатюризации акустооптического датчика, а также снижения расхода жидкого кристалла.

На фиг. 1 показан общий вид акустооптического датчика; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.2.

Акустооптический датчик содержит пространственно разнесенные источник 1 оптического излучения и фотоприемник 2, между которыми последовательно расположены первый поляроид 3, две параллельные оптически прозрачные пластины 4 и 5 со слоем 6 жидкого кристалла между ними, в котором молекулы ориентированы, и второй поляроид 7, а также две мембраны 8 и 9, которые связаны с параллельными оптически прозрачными пластинами 4 и 5 соответственно, и звукоизолирующую камеру 10, установленную на одной из мембран 9 и закрепленную по периметру с краями ее поверхности, причем подмембранные пространства 11 и 12 заполнены неориентированным жидким кристаллом, параллельные оптически прозрачные слоя 6 жидкого кристалла с ориентированными молекулами ограничены перекрывающимися частями упомянутых пластин 4 и 5, которые образуют плоский капилляр, а с двух других сторон герметизирующими прокладками 13 и 14, установленными вдоль боковых поверхностей перекрывающихся частей тех же пластин 4 и 5, каждая из мембран 8 и 9 закреплена по периметру с перекрывающей частью одной из оптически прозрачных пластин 5 и 4 соответственно, торцами герметизирующих прокладок 13 и 14 и краями свободной поверхности пластин 4 и 5 соответственно. Плоскость поляризации ни одного из поляроидов 3 и 7 не должна быть параллельна оси капилляра.

Молекулы слоя 6 жидкого кристалла (например, нематического) между двумя параллельными оптически прозрачными пластинами 4 и 5 ориентированы, например, гомеопланарно. Каждая оптически прозрачная пластина 4 и 5 выполнена из стекла толщиной от 0,5 до 3 мм. Площадь слоя 6 жидкого кристалла с ориентированными молекулами ограничена в пределах от 1 до 25 мм², а толщина слоя жидкого кристалла составляет от 5 до 500 мкм. Мембраны 8 и 9 выполнены из лавсановой пленки толщиной от 10 до 100 мкм. Площадь каждой мембраны 8 и 9 составляет в основании от 10 до 200 мм², а объем подмембранного пространства 11 и 12 от 1 до 100 мм³. Объем звукоизолирующей камеры 10 составляет от 3 до 1000 мм³, а сама звукоизолирующая камера 10 заполнена газом.

Несмотря на возможность варьирования характеристик элементов акустооптического датчика в широких пределах, имеется наилучший вариант реализации акустооптического датчика, установленный на дату подачи заявки на изобретение.

В наилучшем варианте акустооптического датчика источник 1 оптического излучения выполнен в виде светодиода инфракрасного диапазона волн, а фотоприемник 2 в виде фототранзистора инфракрасного диапазона волн. Толщина стеклянных пластин 4 и 5 равна 1 мм. Герметизирующие прокладки 13 и 14 выполнены из эпоксидного компаунда. Площадь слоя 6 жидкого кристалла с ориентированными молекулами 4 мм², а толщина слоя жидкого кристалла составляет 40 мкм. Мембраны 8 и 9 выполнены из лавсановой пленки толщиной 40 мкм. Основания мембран 8 и 9 имеют форму квадрата площадью 100 мм². Объем звукоизолирующей камеры 10 составляет 300 мм³, а сама камера 10 заполнена воздухом. В наилучшем варианте выполнения акустооптического датчика достигается оптимальное соотношение чувствительности и геометрических размеров.

Акустооптический датчик осуществляет прямое акустооптическое преобразование, которое обусловлено способностью ориентированного слоя 6 жидкого кристалла изменять свое ориентационное состояние под воздействием акустических сигналов.

Поскольку жидкий кристалл-анизотропное вещество, то перемена ориентации молекул ведет к изменению его физических свойств (в частности, оптических). Чтобы эти изменения выделить и тем самым идентифицировать акустический сигнал, ориентированный слой 6 жидкого кристалла просвечивается источником 1 оптического излучения и с помощью двух поляроидов 3 и 7 и фотоприемника 2 анализируется состояние поляризации. Изменение давления вызывает механические колебания мембраны 8, приводящие к изменению ориентации молекул слоя 6 жидкого кристалла в осциллирующем гидродинамическом потоке, которые образуется в ориентированном слое, и, следовательно, к поляризационной модуляции светового потока. Изменение интенсивности светового потока, регистрируемое фотоприемником 2, пропорционально изменению акустического давления.

Экспериментальные исследования характеристик акустооптического датчика подтвердили его преимущества перед аналогичными известными устройствами.

Использование: для преобразования акустических колебаний в электрические сигналы. Сущность изобретения: датчик содержит пространственно разнесенные источник оптического излучения и фотоприемник, между которыми последовательно расположены первый полярод, две паралельные оптически прозрачные пластины со слоем жидкого кристалла между ними, в котором молекулы ориентированы, и второй поляроид, а также две мембраны, две герметизирующие прокладки и звукоизолирующую камеру, установленную на одной из мембран. Подмембранные пространства заполнены неориентированным кристаллом. Оптически прозрачные пластины частично заходят друг за друга, поверхности слоя жидкого кристалла с ориентированными молекулами с двух сторон ограничены перекрывающимися частями этих пластин, а с двух других сторон - герметизирующими прокладками, установленными вдоль боковых поверхностей перекрывающихся частей оптически прозрачных пластин. Каждая мембрана закреплена по периметру с перекрывающейся частью одной из данных пластин торцами герметизирующих прокладок и краями свободной поверхности другой пластины. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, содержащий пространственно разнесенные источник оптического излучения и фотоприемник, между которыми последовательно расположены первый поляроид, две параллельные оптически прозрачные пластины со слоем жидкого кристалла между ними, в котором молекулы ориентированы, и второй поляроид, а также две мембраны, которые связаны с параллельными оптически прозрачными пластинами, и звукоизолирующую камеру, установленную на одной из мембран и закрепленную по периметру с краями ее поверхности, причем подмембранные пространства заполнены неориентированным жидким кристаллом, отличающийся тем, что параллельные оптически прозрачные пластины частично заходят одна за другую, поверхности слоя жидкого кристалла с ориентированными молекулами с двух сторон ограничены перекрывающимися частями оптически прозрачных пластин, а с двух других сторон введенными герметизирующими прокладками, установленными вдоль боковых поверхностей перекрывающихся частей оптически прозрачных пластин, каждая мембрана закреплена по периметру с перекрывающейся частью одной из оптически прозрачных пластин, торцами герметизирующих прокладок и краями свободной поверхности другой оптически прозрачной пластины. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что оптически прозрачные пластины выполнены из стекла толщиной 0,5 3 мм. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что герметизирующие прокладки выполнены из эпоксидного компаунда. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что площадь слоя жидкого кристалла с ориентированными молекулами составляет 1 22 мм², а толщина этого слоя 5 500 мкм. 5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что мембрана выполнена из лавсановой пленки толщиной 10 100 мкм. 6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что площадь каждой из мембран в основании составляет 10 200 мм², а объем подмембранного пространства - 1 100 мм³. 7. Датчик по п.1, отличающийся тем,что объем звукоизолирующей камеры составляет 3 1000 мм³. 8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что молекулы слоя жидкого кристалла, расположенного между двумя параллельными оптически прозрачными пластинами, ориентированы гомопланарно. 9. Датчик по п.1, отличающийся тем, что звукоизолирующая камера заполнена газом. 10. Датчик по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде светодиода инфракрасного диапазона волн. 11. Датчик по п.1, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен в виде фототранзистора инфракрасного диапазона волн. 12. Датчик по п.9, отличающийся тем, что звукоизолирующая камера заполнена воздухом.