ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ВИДИМОМ И БЛИЖНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХ СПЕКТРА Российский патент 2008 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к оптоэлектронике, индикаторной технике и теплометрии.

Известно устройство для отображения информации, содержащее подложку с расположенным на ней рабочим слоем, выполненным из термохромного материала с гистерезисной характеристикой зависимости оптических свойств, например прозрачности или коэффициента отражения, от температуры [А.с. SU N 290277, МПК G06F 3/14. Устройство для отображения информации / B.C.Кузенко, А.С.Ситников, Л.Л.Утяков].

Рабочий слой из Cu₂HgJ₄ при нагревании и охлаждении в температурном диапазоне 70...87°С обратимо переходит из одной кристаллической модификации в другую (фазовый переход первого рода), что сопровождается резким изменением цвета от ярко-красного до черного. Наличие гистерезисной характеристики изменения цвета от температуры, с шириной петли 15°С, позволяет создавать проекционные запоминающие экраны произвольных размеров с записью оптическим лучом. Для этого необходимо внешнее термостатирование экрана в середине петли гистерезиса, например, с помощью терморегулятора.

Недостатком вышеназванного устройства является малая величина отношения отражательной способности материала в середине петли гистерезиса, которая не превышает 6:1, что не позволяет его эффективно использовать для голографической записи информации.

Кроме того, недостатком является отсутствие защитного слоя, что исключает использование устройства в условиях воздействия внешней среды. Время восстановления цвета при охлаждении рабочего слоя экрана воздухом комнатной температуры составляет доли секунды, что затягивает время появления новой информации.

Известно также устройство оптической индикации, содержащее диэлектрическую подложку, покрытую пленочными резистивными элементами с электродами, которые формируют рисунок отображаемой информации, далее последовательно расположены следующие пленочные слои: изоляционный слой, отражающий металлический слой, рабочий слой с гистерезисной зависимостью коэффициента отражения от температуры, например из диоксида ванадия, внешний защитный прозрачный слой, образующий светофильтр [Патент Франции N 2140892, МКИ G08F 13/00 // G02F 1/00. Устройство оптической индикации /J.Duchene, I.Melnick. Опубл. 19.01.73].

В рабочем слое из нестехиометричной фазы VO₂ в температурном интервале 50...76°С происходит обратимый фазовый переход первого рода из моноклинной в тетрагональную структуру, сопровождаемый скачкообразным изменением оптических и электрических свойств. Указанный фазовый переход первого рода получил название фазовый переход полупроводник-металл (ФППМ), так как до и после ФППМ электропроводность слоя фазы VO₂ соответствует полупроводниковому или металлическому состояниям.

Данное устройство предназначено для отображения буквенно-цифровой информации путем изменения цветовой окраски индикаторных элементов рабочего слоя. Кроме того, устройство позволяет осуществлять проекционную запись информации с помощью оптического или лазерного луча, при этом резистивные элементы с электродами осуществляют термостатирование рабочего слоя в середине петли гистерезиса.

Недостатком указанного устройства является наличие промежуточного пленочного изоляционного слоя, который достаточно сложно выполнить однородным, без пор на большой площади, например более 9 см². Поэтому в месте пор возникает перегрев слоя VO₂, что вызывает его разрушение.

Наиболее близким к заявляемому является голографический транспарант, выбранный в качестве прототипа, содержащий диэлектрическую подложку, покрытую алюминиевым зеркалом толщиной 100 нм, на котором расположен рабочий слой из VO₂ толщиной 0,1...0,12 мкм, который покрыт прозрачным диэлектрическим слоем толщиной λ/2n, где λ - рабочая длина волны, n - показатель преломления, на обратной стороне подложки расположены резистивный нагреватель из NiCr с электродами из Ni и термопара Cu-Ni [Олейник А.С. Оптические параметры пленочных реверсивных сред Al-VO₂-AK-113Ф и Al-VO₂-Al₂О₃ // ЖТФ. 1993. Т.63. Вып.1. С.97-103].

Голографический транспарант на основе окислов ванадия эффективен для записи и считывания оптической информации на длинах волн 1,06...1,15 мкм, где величина отношения R₁/R₂=40, где R₁ и R₂ - коэффициенты отражения до и после ФППМ, что обеспечивает дифракционную эффективность 2,4%.

Недостатком конструкции преобразователя изображения на основе окислов ванадия является: наличие только двух градаций яркости изображения в видимом диапазоне спектра; ограничение, связанное с использованием однослойного защитного покрытия, так как его отражение быстро возрастает при отклонении длины волны от рабочей.

Существует проблема увеличения контраста изображения в видимой области спектра, а также достижения максимальной дифракционной эффективности на длинах волн 1,06...1,2 мкм, где наиболее целесообразна запись оптической информации.

Задачей настоящего изобретения является повышение яркостного контраста изображения при сохранении цветового контраста изображения в видимом диапазоне спектра и сохранении дифракционной эффективности на длинах волн 1,06...1,15 мкм, а также обеспечение возможности эксплуатации в условиях воздействия внешних факторов окружающей среды.

Сущность изобретения достигается тем, что в известном преобразователе изображения в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах спектра, содержащем диэлектрическую подложку, с обратной стороны которой расположены пленочные резистивный нагреватель и термопара, а с лицевой стороны подложка покрыта алюминиевым зеркалом, на котором последовательно расположены рабочий слой из VO₂ и наружный защитный диэлектрический слой, рабочий слой из VO₂ содержит окисные слои, при следующем их расположении: поверхностный слой из V₂O₅, затем слой из VO₂ и нижний слой из V₃O₅, V₂О₃, VO, при этом в процентном отношении толщины указанных слоев имеют от их общей суммы следующие значения V₂O₅ - 5%, VO₂ - 75%, V₃О₅, V₂O₃, VO - 20%, а оптические толщины слоев пленочной структуры с соответствующими названным слоям показателями преломления подчинены соотношениям: n₁d₁=n₂d₂=0,27 и n₃d₃=0,115, где n₁=1,38...1,69, n₂=2,35, n₃=1,15 - показатели преломления защитного слоя, рабочего слоя на основе окислов ванадия, алюминиевого зеркала соответственно, a d₁, d₂, d₃ - толщины пленочных слоев структуры, в мкм.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в установлении в процессе изготовления оптимального процентного соотношения между объемов рабочего слоя VO₂ и окисных слоев V₂O₅, V₃O₅, V₂О₃, VO к их общей сумме.

Экспериментально установлено, что стимулы, характеризующие цветовой тон, насыщенность цвета и яркость пленочной структуры Al-VO₂ имеют выражение экстремальные значения в зависимости от толщины оксидного слоя на основе фазы VO₂. Оптимизация технологического процесса изготовления структуры показала, что при установке толщины d слоя ванадия и при дальнейшем окислении его на воздухе при 480°С до формирования оксидного слоя ванадия толщиной 2d, последний состоит из поверхностного слоя V₂O₅ - 5% всей толщины, рабочего слоя VO₂ - 75% всей толщины и нижележащего слоя из V₃O₅, V₂О₃, VO - 20% всей толщины. Это справедливо для оксидного слоя ванадия толщиной 0,1...0,12 мкм [Олейник А.С. Оптические параметры пленочных реверсивных сред Al-VO₂-AK-113Ф и Al-VO₂-Al₂О₃ // ЖТФ. 1993. Т.63. Вып.1. С.97-103].

Исходный цвет пленочной структуры Al - V₂О₅, VO₂, V₃О₅, V₂О₃, VO определяется оптической толщиной оксидного слоя ванадия. Изменение цвета при нагреве до температуры фазового перехода полупроводник-металл (ФППМ) фазы VO₂ обусловлено перераспределением спектральной зависимости коэффициента отражения структуры в видимой области спектра.

Путем выбора толщины оксидного слоя ванадия, при оптимальном соотношении его фазового состава, устанавливается компромисс между максимальным контрастом изображения и подборкой благоприятных пар цветов в видимом диапазоне спектра до и после ФППМ.

Выбором соотношения оптических толщин прозрачного диэлектрического слоя и оксидного слоя ванадия обеспечивается максимальная величина отношения между отражениями в полупроводниковом и металлическом состояниях на длинах волн 0,4...1,15 мкм и возможность эксплуатации в условиях воздействия внешних факторов окружающей среды.

Пленки Al и V необходимой толщины получаются путем контроля скорости напыления при величине подводимой мощности к испарителю, веса навески и времени процесса напыления, при заданной степени вакуума. Кроме того, в процессе напыления используется резистивный метод контроля по свидетелю необходимой толщины покрытия, что обеспечивает разброс не более пяти процентов от заданной толщины.

Процесс окисления пленки ванадия на воздухе производят при заданных температуре 480°С и времени окисления, за которое оксидный слой приобретает цвет, необходимый для визуализации оптических сигналов. Так как вариации порога яркостной и цветовой контрастной чувствительности зрения совпадают, то при визуальном контроле цвет оксидного слоя уверенно устанавливается относительно цвета эталона.

Защитное диэлектрическое покрытие требуемой толщины наносилось методами: центрифуги с использованием бутилметакрилового лака АК-113Ф, при контроле скорости и времени вращения центрифуги, вязкости лака и его количества; термического напыления в вакууме с использованием фотометрического контроля коэффициента отражения покрытий MgF₂; электронно-лучевого испарения в вакууме с фиксацией толщины покрытий SiO₂, Al₂О₃, кратной четверти длины волны интерференционного фильтра на рабочей длине волны.

Таким образом, на основании приведенных соотношений: n₁d₁=n₂d₂=0,27, n₃d₃=0,115, зная показатели преломления n₁, n₂, n₃, используемых пленочных слоев структуры, добиваются заданной их толщины d₁, d₂, d₃.

На фиг.1 и фиг.2 схематически изображена конструкция преобразователя изображения; на фиг.3 показано соотношение фаз по толщине оксидного слоя ванадия; на фиг.4 приведен коэффициент отражения структуры Al - V₂О₅, VO₂, V₃О₅, V₂О₃, VO на длинах волн 0,4...1,2 мкм до и после ФППМ; на фиг.5 приведен спектральный коэффициент отражения структуры Al - V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂О₃, VO - Д (диэлектрик) на длинах волн 0,4...1,2 мкм до и после ФППМ.

На фиг.1 и фиг.2 показан преобразователь изображения, который содержит жесткую или гибкую диэлектрическую подложку 1, покрытую алюминиевым зеркалом 2. На зеркале 2 расположен оксидный слой ванадия 3, состоящий из фаз V₂О₅, VO₂, V₃О₅, V₂О₃, VO, который покрыт внешним прозрачным диэлектрическим слоем 4. С обратной стороны подложки 1 расположены пленочные резистивный нагреватель 5 и термопара 6.

На фиг.3 показано соотношение фаз V₂O₅, VO₂, V₃O₅, V₂О₃, VO в процентном отношении по толщине оксидного слоя ванадия 2.

На фиг.4 приведен спектральный коэффициент отражения структуры Al - V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂О₃, VO (0,1...0,115) мкм до и после ФППМ на длинах волн 0,4...1,2 мкм. Структура обладает яркостным контрастом изображения 0,63, что при ширине петли гистерезиса 13°С обеспечивает три градации яркости изображения.

На фиг.5 приведен спектральный коэффициент отражения структуры Al - V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂O₃, VO - АК-1130 (0,1...0,115...0,19) мкм до и после ФППМ на длинах волн 0,4...1,2 мкм.

Пленки двуокиси ванадия, содержащие незначительное количество пятиокиси, трехокиси и окиси ванадия обладают большим скачком показателя преломления при ФППМ в голубой, синей, фиолетовой областях спектра по сравнению с чистой двуокисью ванадия.

При выполнении соотношений n₁d₁=n₂d₂=0,27 имеет место случай двойного слоя между средами с близкими по значению показателями преломления (для воздуха n₀=1, для алюминия n₃=1,15). В этом случае происходит небольшой сдвиг интерференционных максимума и минимума отражения структуры в сторону коротких длин волн. В видимой области спектра в структуре Al - V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂O₃, VO - Д (диэлектрик) происходит изменение величины отражений до и после ФППМ, что и обуславливает повышение яркостного контраста изображения. В ближней ИК области спектра из-за широкого интерференционного минимума отражения в полупроводниковом состоянии сохраняется величина отношения коэффициентов отражения до и после ФППМ.

На основании измерений спектрального коэффициента отражения пленочных структур Al - VO₂ и Al - VO₂ - Д (диэлектрик) на длинах волн 0,4...0,77 мкм до и после ФППМ (фиг.3 и фиг.4) рассчитывались цветности каждой структуры в системе XYZ с помощью метода взвешенных координат, при стандартных значениях удельных координат цветов однородных излучений х(λ), y(λ), z(λ) и спектрального распределения энергии I_c(λ) источника света С. Для объективной оценки величины цветовой контрастности К_ц использовался равноконтрастный график в системе UVW, где единой мерой различия цветов, выражаемого различиями трехцветных коэффициентов, является расстояние между точками двух цветов, пропорциональное числу порогов цветоразличения [Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. Пер. с англ. / Под ред. Л.Ф.Артюшина М.: Мир, 1978. 598 с.].

В таблице приведены светотехнические параметры преобразователей изображения, выполненных без защитного слоя - п.(1) и с защитным слоем разной толщины п.(2-4).

№Преобразователь изображенияКонтраст изображенияЦвет среды по методу ISCC-NBSЯркостный, К_яЦветовой, К_цДо ФППосле ФП1Al - V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂O₃, VO (100...115)нм0,6310зеленыйзеленовато-синий2Al - V₂O₅, VO₂, V₃O₅, V₂O₃, VO - АК-113Ф (100...115...190)нм0,659,3зеленыйзеленовато-синий3Al - V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂O₃, VO - АК-113Ф (100...115...215)нм0,516,27желтовато-зеленыйсине-зеленый4Al - V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂O₃, VO - АК-113Ф (100...115...160)нм0,5610зеленыйсине-зеленый

Как видно из результатов экспериментов оптимальные светотехнические параметры соответствуют структуре Al - V₂О₅, VO₂, V₃O₅, V₂O₃, VO - п.(1) при толщине оксидного слоя ванадия 0,115 мкм. В трехслойных структурах Al - V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂О₃, VO - Д - п.(2) при выполнении соотношений: n₁d₁=n₂d₂=0,27 и n₃d₃=0,115 происходит увеличение яркостного контраста на 3,7% при уменьшении цветового контраста на 6,7%. При визуальном наблюдении двух картин изображения с тремя градациями яркостного контраста изображения и достаточно высоким цветовым контрастом, увеличение на 3,7% яркостного контраста предпочтительнее, чем уменьшение на 6,7% цветового контраста. Увеличение толщины защитного покрытия на 15% - п.(3) приводит к уменьшению контраста изображения К_я на 19,1%, а соответственно уменьшение толщины защитного покрытия на 15% - п.(4) приводит к уменьшению К_я на 11,2%. Главной задачей было увеличить яркостный контраст К_я изображения в видимом диапазоне спектра и, при этом, сохранить дифракционную эффективность на длинах волн 1,06...1,15 мкм, а также получить возможность использовать трехслойную структуру Al -V₂O₅, VO₂, V₃О₅, V₂O₃, VO - Д в условиях воздействия влаги окружающей среды и ионизирующих излучений.

Пленочные нагреватель и термопара подключены к терморегулятору, который обеспечивает термостатирование оксидного слоя ванадия в середине петли гистерезиса, что обеспечивает режим внутренней памяти преобразователя изображения. Стирание изображения осуществляется путем отключения напряжения питания нагревателя.

Изобретение относится к оптоэлектронике. Преобразователь характеризуется наличием диэлектрической подложки, с лицевой стороны подложка покрыта алюминиевым зеркалом, на котором последовательно расположены рабочий слой из VO₂ и наружный защитный диэлектрический слой, при этом рабочий слой из VO₂ содержит окисные слои: поверхностный слой из V₂O₅ и нижний слой из V₃О₅, V₂О₃, VO, в процентном отношении толщины указанных слоев имеют от их общей суммы следующие значения V₂O₅ - 5%, VO₂ - 75%, V₃O₅, V₂O₃, VO - 20% соответственно, а оптические толщины слоев пленочной структуры с соответствующими названным слоям показателями преломления подчинены соотношениям: n₁d₁=n₂d₂=0,27 и n₃d₃=0,115 где n₁=1,38...1,69, n₂=2,35, n₃=1,15 - показатели преломления защитного слоя, оксидного слоя ванадия, алюминиевого зеркала соответственно, a d₁, d₂, d₃ - толщины пленочных слоев структуры, в мкм. Техническим результатом изобретения является повышение яркостного контраста изображения, сохранение дифракционной эффективности в ближнем ИК диапазоне спектра и обеспечение возможности эксплуатации в условиях воздействия внешних факторов окружающей среды. 5 ил., 1 табл.

Преобразователь изображения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, содержащий диэлектрическую подложку, с обратной стороны которой расположены пленочные резистивный нагреватель и термопара, а с лицевой стороны подложка покрыта алюминиевым зеркалом, на котором последовательно расположены рабочий слой из VO₂ и наружный защитный диэлектрический слой, отличающийся тем, что рабочий слой из VO₂ содержит окисные слои при следующем их расположении: поверхностный слой из V₂O₅, затем слой из VO₅ и нижний слой из V₃O₅, V₂О₃, VO, при этом в процентном отношении толщины указанных слоев имеют от их общей суммы следующие значения: V₂O₅ - 5%, VO₂ - 75%, V₃O₅, V₂О₃, VO - 20%, а оптические толщины слоев пленочной структуры с соответствующими названным слоям показателями преломления подчинены соотношениям: n₁d₁=n₂d₂=0,27 и n₃d₃=0,115, где n₁=1,38...1,69, n₂=2,35, n₃=1,15 - показатели преломления защитного слоя, рабочего слоя на основе окислов ванадия и алюминиевого зеркала соответственно, a d₁, d₂, d₃ - толщины пленочных слоев структуры, мкм.