ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА ДЛЯ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 1999 года по МПК G02F1/1337 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструкции светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС) для систем ввода и обработки оптической информации, например для голографии и внутрирезонаторного считывания изображения.

Модулятор является одним из основных элементов оптических схем регистрации, преобразования и отображения оптической информации, позволяющих выполнять операции в реальном масштабе времени [1]. В нем происходит запись изображения, создание потенциального рельефа для передачи информации на электрооптический слой, а также считывание изображения. Динамические характеристики ЖК-ПВМС определяются как особенностями их конструкции и физико-химической природой используемых материалов (различные типы фотопроводников, разные классы жидких кристаллов, виды ориентирующих покрытий), так и возможностью оптимизации параметров с помощью специфических условий работы (использование лазерного излучения для записи и считывания, импульсный режим питания и другие аспекты).

Известна конструкция светоуправляемого ЖК-ПВМС, выбранная в качестве аналога [2] , содержащего полимерный фотопроводник в качестве светочувствительного слоя, нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей среды и окись кремния в качестве ориентирующего слоя. Последний обеспечивал планарную ориентацию молекул жидкого кристалла. Полимерные модуляторы обладают комплексом ценных технических параметров: высоким разрешением, характерным для молекулярных систем, высоким контрастом и чувствительностью. По разрешающей способности полимерные модуляторы имеют лучшие показатели среди широкого класса светоуправляемых ЖК-ПВМС [3]. Однако временные характеристики полимерных модуляторов хуже, чем у приборов с другими фотослоями. Недостатком известной конструкции модулятора является низкое быстродействие. Известная разработка полимерного ЖК-ПВМС [2] имеет следующие временные параметры: время включения - 200 мс, время выключения - 700 мс при условии работы прибора на постоянном напряжении питания и при постоянной засветке сине-зеленым участком спектра лампы накаливания. На том же устройстве авторы работы [4], применив импульсную запись с помощью лазерного интерференционного резольвометра, получили время включения ≈ 15 мс. Структура работала на постоянном напряжении питания.

Известна конструкция полимерного модулятора, выбранная в качестве прототипа, содержащего полимерный фотопроводник в качестве светочувствительного слоя, нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей среды и окись кремния в качестве ориентирующего слоя [5]. Прибор работал в условиях сочетания импульсной записи с импульсным однополярным напряжением питания и показал следующие временные параметры: время включения - 5 мс, время выключения - 120 мс. Недостатком данной конструкции модулятора явилось большое время выключения прибора, что снижает его быстродействие и затрудняет применение этого устройства в высокоскоростных оптических системах. Те же авторы, применив для питания структуры прямоугольные импульсы переменной полярности, получили время выключения ≈ 80 мс, что позволило повысить частоту цикла запись-считывание с 0,2 Гц до 1 Гц (см. результаты, представленные в таблице).

Техническим результатом изобретения является дальнейшее повышение быстродействия полимерного ЖК-ПВМС. Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве, конструкция которого включает полимерный фотопроводник и нематический жидкий кристалл, используют ориентант на основе тонких пленок аморфного углерода, полученных в плазме тлеющего разряда [6]. Замена ориентирующего слоя с окиси кремния на пленки аморфного углерода изменяет условия для подвижности носителей заряда на границе раздела сред с разными физико-химическими параметрами и обеспечивает существенно лучшее быстродействие (см. табл.). При работе предлагаемой конструкции ЖК-ПВМС использовалось напряжение питания в виде прямоугольных импульсов переменной полярности и импульсный режим записи.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ЖК-ПВМС отличается тем, что для ориентации молекул жидкого кристалла используют ориентант другого состава, а именно: тонкие пленки аморфного углерода. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена конструкция модулятора (фиг. 1), и оптической схемой измерения характеристик (фиг. 2).

Предлагаемый ЖК-ПВМС (фиг. 1) представляет собой многослойную систему, состоящую из слоя нематического жидкого кристалла (1) толщиной 5 мкм и пленки полимерного фотопроводника (2) толщиной 1 мкм. Толщина ЖК задавалась тефлоновыми прокладками (6). Структура заключалась между двумя стеклянными подложками (4) диаметром 35 мм с прозрачными проводящими электродами (5), полученными методом лазерного напыления окиси индия с добавкой окиси олова. На граничную с ЖК поверхность наносились пленки аморфного углерода (3) толщиной 500 полученные из паров толуола в плазме тлеющего разряда. Начальная ориентация ЖК - планарная, использовался S-эффект.

Измерения динамических характеристик ЖК-ПВМС проводились по голографической методике [7] по схеме, представленной на фиг. 2, где представлены неодимовый лазер (1), преобразователь второй гармоники (2), телескоп (3), диафрагма (4), поворотное зеркало (5), делительное зеркало (6), призма (7), ПВМС (8), He- Ne-лазер (9), линза (10), фотоумножитель (II).

Модулятор работал следующим образом.

Вторая гармоника моноимпульсного неодимового лазера (1) ( λ 0,52 мкм, длительность импульса 20 нс) использовалась для записи дифракционной решетки. Пространственная частота, на которой велись исследования, составляла 100 лин/мм. Диаметр пятна на фотослое ≈ 5 мм, плотность энергии записи поддерживалась на уровне 400 мкВт/см². Для питания модулятора использовалось импульсное напряжение питания с амплитудой прямого импульса 30 B и амплитудой импульса обратной полярности 10 В. Длительность импульса питания составляла 30 мс, частота следования - 5 Гц. Импульсное питание прибора было синхронизовано с импульсами генерации лазера. Задержка между импульсом генерации лазера и передним фронтом импульса питания составляла 50 мкс. Для считывания "на просвет" использовалось непрерывное линейно - поляризованное излучение He-Ne-лазера (9) ( λ = 0,63 мкм). При записи и считывании ориентация вектора решетки и поля считывающего излучения совпадала с ориентацией директора ЖК-молекул, то есть выполнялась следующая векторная комбинация Дифракционный отклик регистрировался в первом порядке дифракции в фокальной плоскости линзы (10), расположенной за ЖК-ПВМС (8). Регистрация велась с помощью электронного фотоумножителя (II). Время включения, определенное по времени нарастания дифракционного отклика от уровня 0,1 до уровня 0,9, в предлагаемом устройстве составило 3 мс, время выключения, соответствующее времени спада дифракционного отклика от максимального значения до уровня 0,1, составило 20 мс.

Использование в качестве ориентанта тонких пленок аморфного углерода позволило сократить время выключения модулятора и существенно снизить время релаксации, что улучшило время выключения прибора в 4 раза. Улучшенное быстродействие прибора, являющееся необходимым условием его применения в высокоскоростных системах обработки оптической информации, позволило достичь повышения частоты цикла запись-считывание полимерных модуляторов с 0,2 Гц [5] до 5 Гц. Указанное функциональное совершенствование прибора позволит расширить область применения полимерных модуляторов света.

Источники информации:
1. Васильев А.А. и др. Пространственные модуляторы света. - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.

2. Мыльников В.С. и др. Пространственно-временная модуляция света структурой органический полимерный фотопроводник - жидкий кристалл. ЖТФ. - 1985, т. 55, вып. 4, с. 749-751.

3. Слюсарь А.В., Мыльников B.C. Пространственно-временная модуляция света структурой жидкий кристалл - полимерный фотопроводник с сопряженными связями. ЖТФ.-1991, т. 61, вып.11, с. 201-2ОЗ.

4. Мыльников В. С. и др. Эффективная реверсивная фазовая запись оптической информации структурой органический полимерный фотопроводник - жидкий кристалл. Письма в ЖТФ. - 1985, т. 11, вып. 1, с. 38-41.

5. Василенко Н.А., Каманина Н.В., Онохов А.П. Особенности работы ПВМС с полимерным фотослоем при импульсной записи и импульсном напряжении питания. Письма в ЖТФ. - 1992, т. 18, вып. 13, с. 27-30.

6. Коншина Е.А., Баранов А.В., Яковлев В.Б. Колебательные спектры углеродных пленок, полученных из ацетиленовой плазмы. ЖПС. - 1988, т. 48, N 6, с. 957-962.

7. Кольер P., Баркхарт К., Лин. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973, 686 с.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструкции светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света для систем ввода и обработки оптической информации, например для голографии и внутрирезонаторного считывания изображения. Устройство представляет собой многослойную систему, состоящую из пленки полимерного фотопроводника и слоя нематического жидкого кристалла. Для ориентации молекул ЖК используется специальное ориентирующее покрытие. При функционировании данного устройства предлагается использовать напряжение питания в виде прямоугольных импульсов переменной полярности и импульсный режим записи. Улучшенное быстродействие прибора, являющееся необходимым условием его применения в высокоскоростных система обработки оптической информации, позволило достичь повышения частоты цикла запись - считывание в 25 раз. 2 ил., 1 табл.

Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света для систем оптической обработки информации, содержащий полимерный фотопроводник в качестве светочувствительного слоя, нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей среды и ориентирующий слой, отличающийся тем, что этот слой выполнен в виде тонких пленок аморфного углерода.