СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ФАЗЫ СВЕТА И ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G02F1/13 

Область техники

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации и отображения информации с использованием светодиодов и лазеров, в частности в проекционных дисплеях, в том числе телевизионных, в пространственных модуляторах света, в устройствах хранения, преобразования, визуализации и обработки изображений и т.п.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время все большее распространение в технике визуализации и отображения информации получают устройства и системы с использованием когерентного или частично когерентного света, излучаемого, в первую очередь, светодиодами и лазерами различного типа. При освещении ими случайно-неоднородных объектов, таких, например, как шероховатая поверхность экрана или прозрачная среда с флуктуирующим в пространстве показателем преломления, вследствие интерференции рассеянных волн формируется пятнистая картина или спекл-структура. По сути она является шумом, и этот спекл-шум существенно снижает качество изображений [1-3].

На Фиг.1 показан [3] увеличенный фрагмент спекл-структуры в поле дифракции лазерного пучка на шероховатой поверхности (а) и приведены различные оптические схемы наблюдения спекл-картин (б, в). Здесь 1 - источник света (лазер), 2 - случайно-неоднородный объект или среда, 3 - схематичный вид продольного сечения слоя спекл-структуры, 4 - хаотически искаженный волновой фронт, 5 - изображающая оптическая система. Заметим, что спеклы наблюдаются и в изображающих оптических системах, в которых условия когерентного освещения объекта существенно менее требовательные. Например, такие «субъективные» спекл-картины видны невооруженным глазом даже в полихроматическом свете протяженных источников, проходящем через рассеивающую среду (схема Фиг.1в), что имеет место при наблюдении уличных фонарей через запотевшее или замороженное окно транспортного средства [3].

Устройства и системы визуализации и отображения информации, как правило, предусматривают вывод изображения на экран для визуального восприятия. Поэтому актуальной задачей является уменьшение и устранение (подавление) спекл-структуры, создающей в изображении шум, или спекл-модуляцию сравнительно низкой частоты, т.к. размеры отдельных спеклов определяются разрешающей способностью глаза [1-3]. Задача решается разными способами на основе следующих двух подходов, а именно:

1 - разрушением спекл-структуры непосредственно на экране, и

2 - разрушением фазовых соотношений, приводящих к созданию спекл-структуры, в пучке света до его проекции на экран.

В обоих случаях разрушение спеклов достигается путем пространственно-временной и случайно распределенной (по апертуре пучка) модуляции фазы света с достаточной глубиной фазовой задержки и скоростью, существенно большей реакции глаза.

В первом подходе необходимо учитывать предельную угловую разрешающую способность глаза. Она принимается равной одной минуте или 20-30 лин/мм, но эта величина может меняться в зависимости от условий освещения, структуры экрана, цветности изображения. Практически усреднение и тем самым устранение спекл-структуры достигается при использовании матового экрана, движущегося в процессе наблюдения на нем изображения [4]. Очевидно, движение матового рассеивателя должно быть достаточно быстрым, чтобы глаза не успевали отслеживать смещение спекл-структуры относительно изображения. В работе [5] предложен способ устранения спекл-структуры уже с помощью двух матовых рассеивателей, один из которых безостановочно движется относительно другого. В этом случае нет зависимости от передаточной функции оптической системы, т.к. величина корреляционной функции рассеивателя обычно много меньше импульсного отклика выходной оптической системы.

Второй подход к устранению спекл-шума, основанный на разрушении фазовых соотношений и тем самым возможности интерферировать лучам в световом пучке, представляется более компактным и эффективным, но реализующее его устройство должно иметь гораздо большую разрешающую способность (порядка сотен и даже тысячи 1/мм) вследствие необходимости последующего расширения пучка до размеров экрана, а также не должно ухудшать интенсивность светового пучка и его направленность.

Задача подавления интерференции решается с помощью управляемых пространственных фазовых масок (иначе, фильтров, рассеивателей). Примером такой маски [1-3] является засвеченная с помощью диффузора (например, матового стекла) и затем отбеленная топографическая пластинка, обеспечивающая пространственную модуляцию фазы проходящего света со случайным распределением фазовой задержки глубиной порядка π и более по площади пластинки (по апертуре пучка). Очевидно, такую пластинку, как и в рассмотренном выше случае рассеивающих экранов, нужно быстро перемещать в поперечном к пучку направлении, что является существенным недостатком данного решения.

Механического движения фазовой маски можно избежать, если в ее качестве использовать пространственно-временной фазовый модулятор света [7], например жидкокристаллический, представляющий собой матрицу отдельно адресуемых жидкокристаллических ячеек. При управлении электрическим напряжением или светом по специально разработанной компьютерной программе такой модулятор в реальном времени формирует разнообразные ортогональные матрицы фазовых сдвигов величиной 0 и пи (π), соответствующие функциям Адамара, Уолша или другим ортогональным функциям [7-9]. Пример фазовой маски, соответствующей матрице Адамара, дан в [10] и показан на Фиг.2. Здесь в элементах матрицы (пикселах), закрашенных условно черным цветом, фазовый сдвиг отсутствует, а в незакрашенных равен пи (π), или наоборот.

Однако использование электрооптической среды, разделенной на каналы модуляции света (пиксели), с электронным устройством адресации каждого канала, т.е. по сути целого дисплея (микродисплея), резко усложняет и удорожает оптическую систему подавления спеклов. Вследствие уменьшения рабочей апертуры, обусловленного наличием управляющих электронных элементов (обычно тонкопленочных транзисторов) и промежутков между элементами матрицы, в таком приборе достаточно велики потери света. Более того, периодическая структура матрицы вносит искажения волнового фронта когерентного света, приводящие и к искажению изображения на экране. Электронное управление пространственным модулятором света представляет собой отдельную сложную задачу.

Наиболее близким к заявляемому является способ модуляции фазы света, реализуемый в устройстве, описанном в [11], а именно - в простой, без разделения на каналы модуляции, светомодулирующей электрооптической ячейке, заполненной жидким кристаллом (ЖК), а именно жидким кристаллом смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами (СЖК).

Физическая модель модуляции фазы света в электрооптической ячейке с СЖК показана на Фиг.3. В слое СЖК направление преимущественной ориентации длинных осей молекул (директора N) определяется полярным углом θ, на который они наклонены относительно нормали к смектическим слоям 3, и азимутальным углом φ в плоскости смектического слоя. Благодаря особой стехиометрии молекул каждый слой в отсутствие внешних воздействий обладает спонтанной поляризацией (P_s), вследствие чего СЖК имеют высокую чувствительность к действию электрического поля. Вектор поляризации лежит в плоскости смектического слоя и направлен перпендикулярно полярной оси, а полярные оси различных смектических слоев, отделенных друг от друга на период р₀, повернуты относительно друг друга так, что образуется равновесная спирально закрученная структура (геликоид). Макроскопическая поляризация ячейки однако, отсутствует, т.к. угол φ в смектических слоях изменяется от 0 до пи (π) на расстоянии, равном шагу спирали р₀.

Ячейки с СЖК обладают разнообразными электрооптические свойствами [11, 12]. Например, в них проявляется эффект электрически управляемого двулучепреломления, обусловленный деформацией геликоида и потому названный DHF-эффектом (от deformed helix ferroelectric). Он наблюдается вдоль направления распространения света при выполнении условия, что шаг спирали геликоида много меньше толщины слоя ЖК (Фиг.3). Кроме того, для наблюдения эффекта важно, чтобы шаг спирали (обычно 0,3÷0,5 мкм) был много меньше и апертуры светового пучка (выполняется практически всегда). Это означает, что модуляция наблюдается при усреднении (по сечению пучка) распределения фазовых сдвигов, имеющего место в пространственно-модулированном двулучепреломляющем слое СЖК. Эффект не имеет порога и наблюдается в малых полях, которые меньше критического поля раскрутки спирали геликоида.

Для модуляции света в ячейках с СЖК широко используется эффект Кларка-Лагервола [11-13]. Необходимыми условиями его наблюдения являются прежнее требование ориентации смектического слоя перпендикулярно твердым подложкам и обратное соотношение для шага спирали геликоида - он должен быть больше толщины слоя ЖК (Фиг.3). На практике спираль может вообще отсутствовать (компенсируется специальными добавками с обратной закруткой геликоида). В тонких слоях СЖК электрооптическое переключение имеет бистабильный характер вследствие сильного взаимодействия слоя с ограничивающими его поверхностями.

Принцип модуляции фазы света на основе эффекта Кларка-Лагервола в оптическом модуляторе - ячейке с СЖК поясняется на Фиг.3. Модулятор управляется источником электрического напряжения 4. Слой СЖК располагается между подложками 1 с нанесенными на них токопроводящими покрытиями 2. При приложении к СЖК ячейке электрического поля вектор поляризации каждого смектического слоя устанавливается вдоль силовых линий поля, а длинные оси молекул располагаются в плоскости слоя СЖК под углом θ к оси геликоида. При смене знака поля вектор поляризации разворачивается в обратном направлении, а длинные оси молекул как образующие конуса переходят в положение - θ в той же плоскости, т.е. смещаются на 2θ по отношению к предыдущему положению. Переориентация длинных осей молекул сопровождается изменением двулучепреломления слоя СЖК, а следовательно, фазовой модуляцией проходящего света, которая может быть преобразована в амплитудную с помощью поляризаторов.

Фиг.3 также иллюстрирует, как на практике осуществляется амплитудная модуляция света в СЖК ячейке. Пусть на нее падает естественный неполяризованный свет, интенсивность которого I₀. Проходя через поляризатор П, свет становится линейно поляризованным в направлении оси пропускания поляризатора П. Направление директора N в ячейке зависит от знака напряжения источника 4, то есть от направления поля Е. Угол между векторами N(+E) и N(-E) составляет 2θ. Если СЖК находится в поле +Е, а поляроид ориентирован так, что его ось параллельна вектору N(+E), то свет распространяется вдоль главной оптической оси СЖК и поэтому не испытывает двулучепреломления, и при β=π/2 ячейка не пропускает свет. Если направление поля изменится на -Е, свет будет распространяться под углом 2θ к главной оптической оси СЖК и поэтому будет испытывать двулучепреломление, вследствие чего поляризация света из линейной преобразуется в эллиптическую. В этом случае при β=π/2 ячейка пропускает свет.

Интенсивность прошедшего света I определяется соотношением

I=I₀Sin²2θ+(N(-E),L)Sin²(πΔnd/λ),

где Δn - величина двулучепреломления слоя СЖК; d - его толщина; λ - длина волны света; (N(-E),L) - угол между векторами N и L. Максимально возможное светопропускание ячейки Т=I/I₀=1 достигается, если

Δnd/λ=1/2, θ+(N(-E),L)=π/4.

Возможное изменение двулучепреломления в слое СЖК таково, что фазовый сдвиг на пи (π), соответствующий первому максимуму интенсивности света за скрещенными поляроидами, достигается при некоторой напряженности электрического поля на толщине слоя 1,5-3,0 микрона для видимого диапазона длин волн, а в толстых слоях (порядка и более 10 мкм) фазовый сдвиг может достигать нескольких пи (π) и соответственно приводить к нескольким максимумам интенсивности света, наблюдаемым за скрещенными поляроидами.

Схема электрически управляемого оптического модулятора «пропускающего» и «отражательного» типа показана на Фиг.4. В первом варианте (Фиг.4а) свет проходит через ячейку СЖК насквозь, а во втором (Фиг.4б) - проходит дважды, т.к. отражается. Модулятор содержит две параллельно расположенные диэлектрические пластины (подложки) 1, из которых для варианта а прозрачны обе, а для варианта б - по крайней мере, одна. На внешние стороны диэлектрических пластин нанесены антиотражающие покрытия 2, а на внутренние - токопроводящие покрытия 3 (обычно с антиотражающими подслоями), которые для варианта а прозрачны оба, а для варианта б - прозрачно одно, поскольку второе делают светоотражающим. По крайней мере, одно из токопроводящих покрытий покрывают слоем прозрачного анизотропного диэлектрического вещества (ориентанта) 4. Пространство между пластинами заполнено жидкокристаллическим веществом 5, которое может изменять свою оптическую анизотропию в зависимости от амплитуды и/или длительности импульсов знакопеременного электрического напряжения, подаваемого на токопроводящие покрытия от источника 7. Начальная ориентация длинных осей молекул жидкокристаллического вещества в отсутствие внешнего электрического поля задается анизотропным покрытием.

Благодаря спонтанной поляризации СЖК имеют высокую чувствительность к действию управляющего электрического поля. Поэтому быстродействие электрооптического переключения в них лежит в субмиллисекундном диапазоне. Соответственно оптические модуляторы на основе ячеек СЖК обеспечивают частоту модуляции света в несколько единиц - десятков килогерц. Именно для такой модуляции (амплитудной или фазовой, в зависимости от наличия или отсутствия поляризаторов) рассмотренный выше модулятор и применяется на практике: либо как самостоятельный одноканальный быстродействующий модулятор света, либо как одна их многих дисплейных ячеек быстродействующего СЖК дисплея, либо как одна из многих светомодуляционных ячеек многоканального пространственно-временного модулятора света, в том числе формирующего ортогональные функции.

Таким образом, оптический модулятор на основе ячейки СЖК обеспечивает достаточно высокую частоту фазовой модуляции света, чтобы разрушить временную составляющую сфазированности (интерференции, когерентности) светового пучка. Однако никакой пространственной модуляции света (тем более с высоким пространственным разрешением), требуемой для разрушения пространственной когерентности светового пучка, оптический модулятор на основе обычной одноэлементной (одноканальной) электрооптической ячейки, описаной в [12] и подробно рассмотренной выше, обеспечить не может, так как не может создать пространственную структуру неоднородных и случайно распределенных по всей апертуре ячейки мелкомасштабных вариаций показателя преломления, приводящих к неоднородной по апертуре фазовой модуляции света глубиной порядка и более пи (π).

Задачей, решаемой в предлагаемом способе и устройстве, является создание на основе не разделенной на отдельно управляемые элементы (пикселы) электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки оптического модулятора и обеспечение в нем неоднородной по апертуре и реализуемой с высоким пространственным разрешением и быстродействием пространственно-временной модуляции фазы проходящего света глубиной порядка и более пи (π), разрушающей временную и пространственную сфазированность светового пучка и тем самым обеспечивающей подавление спекл-структуры в формируемых этим пучком изображениях.

Сущность изобретения

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном способе модуляции фазы света, основанном на электрически управляемом изменении двулучепреломления слоя СЖК в одноэлементной электрооптической ячейке с СЖК с единственной парой токопроводящих покрытий, новым является то, что знакопеременным электрическим полем одновременно на низкой частоте (50-500 Гц) и высокой частоте (500-8000 Гц), приложенным от источника электрического напряжения, в слое СЖК вызывают пространственные деформации, приводящие к формированию в нем мелкомасштабных (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно-неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления, и как следствие, к фазовой модуляции проходящего света, пространственно неоднородной по апертуре электрооптической ячейки.

Для реализации способа предложен оптический модулятор на основе электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки, содержащий две параллельно расположенные диэлектрические пластины, по крайней мере, одна из которых выполнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрачным, жидкий кристалл, заполняющий пространство между токопроводящими покрытиями, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, прозрачное анизотропное покрытие, задающее начальную ориентацию молекул жидкого кристалла в отсутствие внешнего электрического поля, нанесенное по крайней мере на одно токопроводящее покрытие со стороны, обращенной к жидкому кристаллу, источник электрического напряжения, в котором новым является то, что состав и толщина слоя жидкого кристалла и режим управления электрооптической ячейкой знакопеременным электрическим напряжением одновременно на низкой и высокой частоте выбираются, исходя из условия обеспечения необходимых для подавления спеклов скорости модуляции фазы света (более 50 1/с), глубины модуляции фазы света (π и более) и способности к образованию в объеме СЖК мелкомасштабных (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления.

Толщина слоя жидкого кристалла 5-25 мкм выбирается из условия ахроматического пропускания во всем видимом диапазоне длин волн и достижения необходимых для подавления спеклов глубины модуляции фазы не менее пи (π) и скорости включения-выключения пространственных деформаций более 50 1/с.

Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в электрически управляемом формировании в одноэлементной электрооптической ячейке с сегнетоэлектрическим ЖК изменяющихся во времени мелкомасштабных пространственно неоднородных и случайно распределенных по объему слоя ЖК вариаций показателя преломления, обеспечивающих хаотичную по апертуре оптического модулятора фазовую модуляцию проходящего света глубиной порядка и более пи (π).

Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в том, что в оптическом модуляторе на основе одноэлементной электрооптической ячейки с сегнетоэлектрическим ЖК реализуется неоднородная по апертуре, с высоким пространственным разрешением и быстродействием пространственно-временная модуляция фазы проходящего света глубиной порядка и более пи, разрушающая временную и пространственную сфазированность светового пучка и тем самым обеспечивающая подавление спекл-структуры в формируемых этим пучком изображениях.

Преимущества предлагаемого способа и устройства пространственно-временной фазовой модуляции света реализуются за счет выбора состава и толщины слоя жидкокристаллического вещества и подходящего режима питания электрооптической ячейки знакопеременным электрическим напряжением.

Главными достоинствами заявляемого оптического модулятора, обеспечивающего в итоге уменьшение и подавление спекл-шума в изображениях, являются простота его конструкции, управления и использования, что становится очевидным при сравнении такого одноэлементного модулятора с применяемыми для этой же цели пространственно-временными модуляторами света, например, в виде вращающегося фазового диффузора [2] или многоэлементной матрицы, формирующей ортогональные функции [9].

Состав СЖК выбирается, исходя из его способности при определенном режиме электрического питания оптического модулятора формировать в электрооптическом слое толщиной 5-25 мкм пространственно неоднородные и быстро изменяемые во времени структуры со случайным распределением градиентов показателя преломления. Обычно такие структуры в большей или меньшей степени рассеивают проходящий свет. За последние годы выявлен большой ряд соответствующих композиций СЖК и определены условия и физические механизмы, способствующие возбуждению пространственно неоднородных деформаций в слое СЖК и, как следствие, приводящие к рассеянию света с короткими (субмиллисекундными) временами его включения и выключения [14]. Например, к возбуждению таких деформаций и к светорассеянию может привести инверсия знака электрического поля, если она индуцирует образование так называемых переходных доменов и связанных с ними градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида. Именно управляемые электрическим полем вариации показателя преломления по площади и глубине слоя СЖК, инициируемые с помощью знакопеременного электрического напряжения специальной формы, являются тем фактором, который позволяет осуществить нужную для достижения результата пространственно-временную фазовую модуляцию света в ячейке с СЖК. Ее глубина тем больше, чем больше толщина слоя СЖК, и она может составлять несколько пи (π) при толщине слоя 10-25 мкм.

Выбор подходящего режима питания оптического модулятора знакопеременным электрическим напряжением обеспечивает условия для кратковременного включения пространственно-временных деформаций слоя, приводящих к формированию изменяющихся во времени мелкомасштабных (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно неоднородных и случайно распределенных по объему слоя вариаций показателя преломления. Заметим, что кратковременное (на 100 мкс и менее) светорассеяние не чувствительно для глаз, не искажает структуру изображений, не влияет на их восприятие и световые потери на него незначительны (менее 10%).

Эффект пространственно неоднородной фазовой модуляции света в слое СЖК достигается одновременным воздействием низкочастотного (сотни герц) и высокочастотного (килогерцы) импульсного питающего напряжения, так как при переходе от низкочастотной к высокочастотной возбуждающей моде имеет место значительное (до 90°) увеличение угла между плоскостью поляризации падающего света и направлением главной оптической оси СЖК. В этом случае изменяется характер движения директора СЖК в процессе его переориентации электрическим полем, и возникают пространственные деформации слоя, создающие мелкомасштабные (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно неоднородные и случайно распределенные по объему слоя вариации показателя преломления СЖК.

При этом из уровня техники совершенно не очевидно, что в оптическом модуляторе на основе обычной электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки можно добиться эффективной пространственно-временной фазовой модуляции света только за счет выбора состава и толщины слоя жидкого кристалла и подходящего режима управления электрооптической ячейкой знакопеременным электрическим напряжением, без разделения ячейки на отдельные элементы и их раздельного управления, без ухудшения устойчивости и надежности работы как устройства модуляции света.

Для улучшения характеристик спекл-подавляющих оптических модуляторов можно в отдельности или в совокупности использовать различные направления их совершенствования, как то: изменение типа и состава жидкого кристалла и электрооптического эффекта в нем, изменение режима управления ячейкой, видоизменение конструкции модулятора и т.п. Например:

- возможно использование СЖК с шагом спирали, большим или меньшим длины волны видимого света, с целью уменьшения видимого фона от рассеянного излучения;

- возможно использование любого другого типа жидких кристаллов, способного обеспечить формирование в его слое пространственных неоднородностей с указанными выше свойствами;

- возможно использование полимерно-жидкокристаллических композиций и диэлектрических пластин в виде тонких и гибких пленок;

- проводящие покрытия могут быть выполнены не сплошными и могут иметь пространственные неоднородности по толщине и сопротивлению для создания дополнительных пространственных фазовых неоднородностей в слое СЖК;

- ориентирующие покрытия могут быть выполнены не сплошными для создания дополнительных пространственных фазовых неоднородностей в слое СЖК;

- поверх одного или обоих проводящих покрытий могут быть дополнительно нанесены защитные диэлектрические пленки, например из окиси алюминия;

- управляющие импульсы могут быть дополнительно модулированы по амплитуде и/или частоте;

- один из проводящих слоев выполнен зеркальным с тем, чтобы обеспечить двойное прохождение света через слой жидкого кристалла при его отражении;

- для усиления эффекта подавления спекл-шума конструкция модулятора может включать две последовательно расположенные СЖК ячейки и др.

Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства позволяет в известном оптическом модуляторе на основе электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки, без разделения ее на отдельно управляемые элементы, реализовать функции быстродействующего и высокоразрешающего пространственно-временного модулятора фазы света, разрушающего сфазированность проходящего светового пучка и тем самым обеспечивающего подавление спекл-структуры в формируемых им изображениях. Кроме того, такой оптический модулятор, будучи выполненным в широкоапертурном варианте, может быть использован в качестве подавляющего спеклы экрана для отображения на нем проектируемых изображений.

Промышленная применимость

Предлагаемый оптический модулятор является простым, компактным, технологичным и эффективным устройством подавления спекл-шума в изображениях. Это делает возможным его применение во многих современных и перспективных информационных устройствах и системах хранения, преобразования, обработки, визуализации и проекционного отображения информации с использованием светодиодов и лазеров. Более того, его применение будет способствовать упрощению конструкции и технологии изготовления этих устройств и систем.

Пример осуществления способа

По предлагаемому способу и устройству было изготовлено несколько экспериментальных образцов оптических модуляторов на основе электрооптической жидкокристаллический ячейки с СЖК, осуществляющих пространственно-временную модуляцию светового пучка, и были измерены характеристики таких модуляторов. Принципиальная конструкция изготовленных модуляторов не отличается от изображенной на Фиг.3.

Чтобы сформировать в экспериментальных ячейках структуру с пространственной неоднородностью оптической анизотропии, использовался один из геликоидальных сегнетоэлектрических жидкокристаллических материалов с управляемым электрическим полем двулучепреломлением и светорассеянием со следующими материальными параметрами: шаг геликоида р₀ был равен 0,4 мкм, величина спонтанной поляризации Р_S=50 нКл/см²; угол наклона молекул θ₀=25°; коэффициент вращательной вязкости γ_r=0,7 пуаз; Δn=0,17.

Этот материал имеет широкий температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы (-5…+70°С) и обладает высоким быстродействием: времена включения-выключения электрооптического отклика лежат в субмиллисекундном диапазоне. Апертура электрооптической ячейки составляла 2×2 см. Толщина слоя СЖК в разных ячейках была d≈13-16 мкм, что удовлетворяло соотношению d>>р₀.

Процесс пространственно-временной модуляции светового пучка с помощью электрооптической ячейки с СЖК может быть описан нижеследующим образом. В отсутствие электрического поля геликоидальная структура не искажена - шаг геликоида в электрооптической ячейке совпадает с равновесным шагом р₀. При приложении электрического поля Е перпендикулярно к оси геликоида (Фиг.3) дипольные моменты у части молекул СЖК оказываются исходно расположенными вдоль направления поля Е (энергетически выгодная ориентация). Домен, в котором дипольные моменты расположены не по направлению поля, неустойчив. В силу этого в нем происходит [14] появление областей (так называемых переходных доменов), в которых дипольные моменты располагаются энергетически выгодно - в тех смектических слоях, где изначально азимутальный угол φ имел максимальное отклонение от φ=0 (или φ=π). Переходные домены представляют собой связанное состояние двух 180° доменных стенок разных знаков. Под действием электрического поля связанное состояние разрастается и деформируется, и при достижении некоторого критического поля стенки начинают двигаться, причем стенки разного знака движутся в противоположных направлениях. Стенка движется таким образом, чтобы объем энергетически выгодного домена увеличивался за счет домена энергетически невыгодного.

Движение доменных границ приводит к увеличению шага геликоида в электрооптической ячейке. По истечении некоторого промежутка времени доменные границы становятся бесконечно удаленными - во всех смектических слоях азимутальный угол φ одинаков, а вектор P_s ориентирован по направлению поля. Поскольку плоскость поляризации падающего света лежит вдоль направления директора СЖК (вдоль главной оптической оси), то светопропускание электрооптической ячейки максимально.

Инверсия знака электрического поля (полярности управляющего напряжения) вновь индуцирует образование переходных доменов, движение которых в конечном итоге приводит к восстановлению невозмущенной геликоидальной структуры. В этом случае образование переходных доменов вызывает появление градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида, которое может сопровождаться рассеянием света.

Фиг.5 иллюстрирует формирование в экспериментальном образце оптического модулятора, изготовленного по предлагаемому способу и устройству, пространственно неоднородных структур с почти случайным по сечению пучка распределением показателя преломления с помощью показанных на нижней осциллограмме знакопеременных импульсов электрического напряжения низкой частоты (меандр амплитудой ±30 В с частотой повторения 450 Гц), модулированных короткими (порядка 100 мкс) знакопеременными импульсами высокой частоты (амплитуда ±20 В, частота повторения 3,5 кГц). При выбранных параметрах управляющего напряжения в слое СЖК толщиной 16 мкм происходит как модуляция положения главной оптической оси СЖК (индикатрисы рассеяния), так и модуляция фазы света со случайным временным откликом глубиной до 4π (верхняя осциллограмма).

Свидетельством осуществления в том же экспериментальном образце оптического модулятора пространственно-временной модуляции светового пучка являются представленные на Фиг.6 фотографии сечения пучка с исходной (а) и разрушенной (б) спекловой картиной. Эффективность подавления спекл-шума составила 50 процентов и она может быть повышена при дальнейшей оптимизации состава и толщины слоя жидкокристаллического вещества, конструкции ячейки и режима ее питания электрическим напряжением.

Литературные источники

[1] Кольер Р., Берхард К., Лин Л. Оптическая голография. Москва, Мир, с.390 (1973).

[2] Goodman J.W. In Laser Speckle and Related Phenomena (ed. Dainty J.C.), Springer-Verlag, Berlin, p.9-75 (1984).

[3] Рябухо В.П. СОЖ, №5, с.102-109 (2001).

[4] Arsenault H., Lowenthal S. Opt.Commun., v.57, 493 (1970).

[5] Lowenthal S., Joyeux D., J. Opt. Soc. Am., v.61, 847 (1971).

[6] Турухано Б.Г. В сборнике «Оптическая голография. Практические применения», Ленинград, Наука, стр.75-95 (1985).

[7] Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. /Под ред. Компанца И.Н./, Москва, Радио и связь (1987).

[8] Hedayat A.S., Sloan N.J.A., Stufken J. Orthogonal Arrays: Theory and Applications. Springer-Verlag, New York (1999).

[9] Trisnadi J.I. Optics Letters, v.29, # 1,11-13 (2004).

[10] Trisnadi J.I. International Patent WO 03/001281 A1 (03.01.2003 on Appl. 25.06.2001).

[11] Chigrinov V.G. Liquid crystal devices: physics and applications, Artech House, Boston, London, UK (1999).

[12] Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev E., Zerrouk A. Proc. SPIE, v.4511, 82-91 (2001).

[13] Clark N.A., Lagerwall S.T.J. Appl. Phys., v.36, 899-903 (1980).

[14] Андреев А.Л., Бобылев Ю.П., Губасарян Н.А., Компанец И.Н., Пожидаев Е.П., Федосенкова Т.Б., Шошин В.М., Шумкина Ю.П. Оптический журнал, т.79, №9, 58-65 (2005).

Изобретение относится к области оптоэлектроники. Способ основан на электрически управляемом изменении двулучепреломления слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла в одноэлементной электрооптической ячейке с одной и единственной парой токопроводящих покрытий. При приложении знакопеременного электрического поля одновременно на низкой частоте (50-500 Гц) и высокой частоте (500-8000 Гц) в слое жидкого кристалла вызывают пространственные деформации, приводящие к формированию в нем мелкомасштабных пространственно неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления. В оптическом модуляторе состав и толщина слоя жидкого кристалла и режим управления электрооптической ячейкой знакопеременным электрическим напряжением выбраны из условия обеспечения необходимых для подавления спеклов скорости модуляции фазы света и глубины модуляции фазы света. Технический результат - повышение пространственного разрешения и быстродействия модуляции. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ модуляции фазы света, основанный на электрически управляемом изменении двулучепреломления слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла в одноэлементной электрооптической ячейке с единственной парой токопроводящих покрытий, отличающийся тем, что приложенным от источника электрического напряжения знакопеременным электрическим полем одновременно на низкой частоте (50-500 Гц) и высокой частоте (500-8000 Гц) в слое жидкого кристалла вызывают пространственные деформации, приводящие к формированию в нем мелкомасштабных (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления, и как следствие, к фазовой модуляции проходящего света в пространственно неоднородной по апертуре электрооптической ячейке.

2. Способ модуляции фазы света по п.1, отличающийся тем, что значение фазового сдвига на любом участке апертуры модулирующей жидкокристаллической среды при заданном режиме (амплитуда, форма, длительность и частота следования знакопеременных импульсов) электрического напряжения не является точно заданным, а находится в интервале значений от 0 до максимального, определяемого толщиной жидкого кристалла, длиной волны и максимально возможным значением изменения двулучепреломления на этом участке апертуры.

3. Оптический модулятор на основе электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки, содержащий две параллельно расположенные диэлектрические пластины, по крайней мере, одна из которых выполнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрачным, жидкий кристалл, заполняющий пространство между токопроводящими покрытиями, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, прозрачное анизотропное покрытие, задающее начальную ориентацию молекул жидкого кристалла в отсутствии внешнего электрического поля, нанесенное, по крайней мере, на одно токопроводящее покрытие со стороны, обращенной к жидкому кристаллу, источник электрического напряжения, отличающийся тем, что источник электрического напряжения выполнен с возможностью питания ячейки знакопеременным электрическим полем одновременно на низкой и высокой частоте, а состав и толщина слоя жидкого кристалла выбраны из условия обеспечения образования в слое жидкого кристалла мелкомасштабных пространственно-неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления.

4. Оптический модулятор по п.3, отличающийся тем, что толщина слоя жидкого кристалла выбрана в пределах 5-25 мкм из условия ахроматического пропускания во всем видимом диапазоне длин волн и достижения необходимых для подавления спеклов глубины модуляции фазы не менее пи (π) и скорости включения-выключения пространственных деформаций более 50 1/с.