СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННО НЕОДНОРОДНОЙ МОДУЛЯЦИИ ФАЗЫ СВЕТА И ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G02F1/13 

Область техники

Изобретение относится к области оптики и оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах голографии, 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, в том числе топографических, и других.

Предшествующий уровень техники

Лазеры и светодиоды - многообещающие источники света для компактных и ярких проекционных дисплеев. Однако наблюдению качественных изображений в дисплейных системах мешает спекл-шум, обусловленный, как ни парадоксально, высоким качеством излучения, в данном случае его высокой монохроматичностью и сфазированностью (когерентностью, или способностью к интерференции) [1, 2]. Изображения, наблюдаемые в голографии, тоже имеют спекл-структуру и для комфортного их наблюдения нуждаются в устранении спеклов.

Спекл-структура в изображениях - результат интерференции многих световых волн, рассеянных различными точками оптической системы и/или экрана как диффузора. Чем больше расстояние наблюдателя от экрана и чем меньше его размер, тем мельче выглядят спеклы. На практике размер наблюдаемых спеклов определяется разрешающей способностью глаза, которая обычно не превышает одной угловой минуты и равна 20-30 линий на миллиметр. Кроме того, при наблюдении следует учитывать инерцию зрения (порядка 1/25 секунды).

Проблему устранения (подавления) спекл-шума в наблюдаемых изображениях можно решить путем его усреднения непосредственно на экране или путем разрушения фазовых соотношений в лазерном пучке, то есть до проецирования изображений на экран.

Усреднение спекл-структуры на экране достигается с помощью быстро перемещаемого (например, быстро вращающегося) светорассеивающего диффузора [3]. В известной разработке голографического запоминающего устройства [4] более однородные голографические изображения наблюдались при перемещении двух диффузоров относительно друг друга. Очевидно, что экран с механическим перемещением - это неудачное решение проблемы.

Устройство подавления спеклов (деспеклер), основанное на разрушении фазовых соотношений в лазерном пучке, представляется более компактным и эффективным, но оно 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 лазерного пучка и его направленность. Таким деспеклером [1, 2] может быть, например, прозрачная фазовая маска со случайным пространственным распределением фазы глубиной порядка и более π, реализуемая с помощью быстро вращающейся отбеленной фотопластинки, ранее экспонированной через диффузор (обычно матовое стекло). Механического движения можно избежать, если такую маску реализовать с помощью пространственного фазового модулятора света, например жидкокристаллического, формирующего функции Уолша или другие ортогональные функции [5-7]. Однако использование фазового модулятора, разделенного на каналы модуляции света (пиксели), по сути, дополнительного микродисплея, резко усложняет и удорожает оптическую систему.

Известны и другие методы и устройства подавления спекл-структуры, появившиеся в последние годы. Например, в [8] предложен и в [9] подробно исследован метод вибрации некоторой тонкой среды - диффузора. Диффузор вибрирует на частоте около 100 Гц в приблизительно синусоидальной моде с амплитудой до 60 мкм. Для этого, по сути механического, метода характерны нестабильность работы и «усталость» среды.

В [10] для устранения спеклов предложены метод и устройство, предусматривающие отражение лазерного пучка от вибрирующего на двух разных частотах и одновременно сканирующего микрозеркала, последовательное прохождение пучка через случайную фазовую маску и световой канал для перемешивания лучей, и, наконец, освещение объектного транспаранта, формирующего изображение. Устройство достаточно сложно для использования на практике, хотя и обеспечивает получение качественного изображения.

Известны метод и устройство [11], использующие фотополимерную среду, изменяющую показатель преломления при освещении лазерным пучком. С помощью отклоняющего устройства и объективов, формирующих сходящиеся и расходящиеся под произвольным углом лазерные пучки, в среде последовательно в виде наложенных фазовых голограмм записывались многочисленные спекл-образы. В силу свойства ассоциативности голограмм при прохождении нужного лазерного пучка через фотополимерную среду он автоматически «очищался» от спеклов. Такой деспеклер (beam shaper - корректор пучка, как его назвали авторы) имеет хорошую эффективность подавления спеклов, не требует управления и даже может служить матрицей для тиражирования новых изделий методом прессования, но обладает серьезными недостатками: внесение дополнительных шумов голограммы, критичность к соблюдению длины волны, трудности в создании компактного деспеклера и проблемы «усталости» фотополимерной среды в процессе эксплуатации.

Наиболее близкими к заявляемым являются описанные в патенте РФ [12] способ и устройство для пространственно неоднородной модуляции фазы света на основе светомодулирующей электрооптической ячейки, заполненной жидким кристаллом (ЖК), а именно, сегнетоэлектрическим жидким кристаллом (СЖК) смектического типа со спиральной (геликоидальной) структурой.

Способ пространственно неоднородной модуляции фазы света в [12] основан на электрически управляемом изменении двулучепреломления слоя СЖК в одноэлементной (однопиксельной) электрооптической ячейке с парой токопроводящих покрытий, при котором приложенным от источника электрического напряжения знакопеременным электрическим полем одновременно на низкой частоте (50-500 Гц) и высокой частоте (500-8000 Гц) в слое СЖК вызывают пространственные деформации геликоида (без изменения его шага). Как следствие, хаотически изменяется положение главной оптической оси эллипсоида показателей преломления вдоль направления, ортогонального смектическим слоям. Это приводит к формированию 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 в [12] предложен оптический модулятор на основе электрооптической ячейки, в которой состав и толщина слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла и режим управления знакопеременным электрическим напряжением выбраны из условия обеспечения необходимых для подавления спеклов скорости модуляции фазы света (более 50 1/сек), глубины модуляции фазы света (π и более) и способности к образованию в слое жидкого кристалла мелкомасштабных пространственно-неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления.

Пространственно неоднородная модуляция фазы света в ячейке геликоидального СЖК по способу [12], основанная на электрически управляемой пространственной деформации геликоида, обеспечивает достаточно высокие значения частоты модуляции и пространственного разрешения, чтобы разрушить временную и пространственную составляющую сфазированности проходящего через ячейку светового пучка и обеспечить визуализацию достаточно качественного изображения. Однако такая модуляция света обладает существенным недостатком, а именно наличием фазовых искажений модулируемого светового излучения, которые вносятся геликоидальной структурой используемого СЖК, в результате чего изменяется спектральный состав излучения. При выключении электрического поля имеет место остаточное светорассеяние. Кроме того, для амплитудной модуляции низкочастотного напряжения высокочастотным напряжением электронная схема управления вырабатывает напряжения не только разной частоты, но и разной формы, что не является оптимальным для устройства. При этом частота модуляции светового излучения при напряженности электрического поля порядка 2 В/мкм ограничена значением 500 Гц, сужающим возможные применения модулятора.

Задачей, решаемой в предлагаемом способе и устройстве, является приводящая к подавлению спеклов пространственно неоднородная фазовая модуляция света в СЖК, при которой искажения в спектральном составе модулируемого светового излучения отсутствуют, отсутствует светорассеяние при выключении электрического поля, частота модуляции светового излучения при напряженности электрического поля порядка 2 В/мкм возрастает до 1 кГц, и источник управляющего напряжения вырабатывает и подает на ячейку с СЖК низкочастотное и высокочастотное напряжения одинаковой формы (меандр).

Краткое описание фигур чертежей

На чертежах представлены:

Фигура 1 - схема, поясняющая деформацию геликоидальной структуры СЖК.

Фигура 2 - схема, поясняющая деформацию смектических слоев в негеликоидальном СЖК (а), и фрагмент (б) справа, поясняющий взаимное расположение вектора спонтанной поляризации смектического слоя и директора СЖК.

Фигура 3 - эффективность светорассеяния электрооптической ячейки с негеликоидальным СЖК в зависимости от длительности импульсов управляющего напряжения при фиксированной амплитуде.

Фигура 4 - осциллограммы управляющего напряжения (вверху), приложенного к ячейке с негеликоидальным СЖК, и оптического отклика - модуляции фазовой задержки (внизу).

Фигура 5 - фотография распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка, прошедшего через электрооптическую ячейку с негеликоидальным СЖК, при воздействии управляющего напряжения, форма которого показана на фигуре 4.

Сущность изобретения

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном способе модуляции фазы света, при котором приложенным от источника электрического напряжения знакопеременным электрическим полем одновременно на низкой и высокой частоте в объеме СЖК создают случайно распределенные по объему вариации показателя преломления, приводящие к пространственно неоднородной фазовой модуляции проходящего через ячейку света глубиной порядка и более π, новым является то, что геликоидальную закрутку директора в объеме СЖК полностью подавляют (СЖК становится негеликоидальным) путем взаимодействия хиральных добавок с противоположными знаками оптической активности, и в отсутствие электрического поля, путем задания определенного соотношения между величинами спонтанной поляризации, вращательной вязкости и модуля упругости СЖК, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, создают периодические деформации смектических слоев СЖК, приводящие к периодическим изменениям положения директора (эллипсоида показателей преломления) вдоль каждого смектического слоя.

Указанное соотношение является следующим: величина вращательной вязкости γ_φ находится в интервале 0,3<γ_φ<1,0 Пуаз, величина спонтанной поляризации P_S не превышает 50 нКл/см², а значение модуля упругости K, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находится в интервале (1÷3)·10^-12 Ньютон.

Когда директор СЖК сориентирован гомеотропно, то есть смектические слои параллельны подложкам электрооптической ячейки, периодические деформации смектических слоев наблюдаются в виде чередования светлых и темных полос с периодом от 1,5 до 5 мкм, который зависит от молекулярного строения СЖК [13].

Чтобы лучше понять сущность процесса переориентации директора и пространственной модуляции светового пучка в электрооптической ячейке с негеликоидальным СЖК и периодической деформацией смектических слоев, рассмотрим вначале способ модуляции фазы света при деформации геликоидальной структуры СЖК, описанный в прототипе [12] и поясняемый схемой на фиг.1. В электрооптической ячейке между стеклянными подложками 1 с прозрачным токопроводящим покрытием 2 (ориентирующий слой не показан) расположен смектический сегнетоэлектрический ЖК, имеющий слоистую структуру 3. В отсутствие внешнего электрического поля полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга, образуя геликоидальную (спиральную) закрутку директора СЖК, шаг которой совпадает с равновесным шагом р₀ (геликоидальная структура не искажена). В каждом слое положение директора n определяется полярным углом Θ₀ и азимутальным углом φ, который изменяется от 0 до 2π на расстоянии, равном шагу геликоида р₀.

Под действием параллельного смектическим слоям (вдоль координаты x) электрического поля от источника электрического напряжения 4 возникают и разрастаются переходные домены, в результате чего геликоид деформируется, причем вектор спонтанной поляризации P_S во всех слоях ориентируется по направлению поля, а директор приобретает одно направление во всем объеме СЖК, определяющее главную оптическую ось эллипсоида показателей преломления. Инверсия знака электрического поля (полярности управляющего напряжения) вновь индуцирует образование переходных доменов, движение которых, изменяет ориентацию вектора P_S на 180°, что в конечном итоге приводит к восстановлению невозмущенной геликоидальной структуры. В результате переориентации директора длинные оси молекул разворачиваются по конусу с раствором 2Θ₀, угол φ изменяется на 180°, и изменяется угол между плоскостью поляризации падающего света (I₀) и главной оптической осью эллипсоида, то есть осуществляется модуляция фазовой задержки между обыкновенным и необыкновенным лучами, или модуляция интенсивности света I, если электрооптическая ячейка находится между скрещенными поляризаторами 5 и 6. Образование переходных доменов вызывает появление градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида, которое сопровождается интенсивным рассеянием света и возникновением фазовых искажений, обусловленными деформацией геликоида.

На фиг.2 изображены: схема, поясняющая деформацию смектических слоев в негеликоидальном СЖК (а), и фрагмент (б) справа, поясняющий взаимное расположение вектора спонтанной поляризации смектического слоя и директора СЖК. В электрооптической ячейке толщиной d смектические слои 7 толщиной l находятся между стеклянными подложками 8 (остальные слои ячейки не показаны).

Наличие деформаций такого типа означает, что в смектических слоях молекулы СЖК, исходно наклоненные на угол Θ₀ относительно нормали к слою в данной точке, в отсутствие электрического поля дополнительно отклоняются на некоторый угол Ψ относительно оси z (Фиг.2). В результате изменяется проекция директора на плоскость xy.

В этом случае переориентация директора за счет взаимодействия переменного электрического поля со спонтанной поляризацией (поле прикладывается вдоль координаты x) может происходить как при изменения азимутального угла ориентации директора φ на 180° с переориентацией директора по образующим конуса с раствором 2Θ₀ (и с характерным временем переориентации директора τ_R~/γ_φ/P_SE [14], которое не зависит от частоты изменения электрического поля), так и при изменении распределения угла Ψ, отражающего деформацию смектических слоев.

В первом случае диссипативным коэффициентом является вращательная вязкость γ_φ, а во втором, когда частота изменения электрического поля f~1/τ_m (здесь τ_m - максвелловское время релаксации), диссипативный коэффициент - вязкость при деформации сдвига γ_Ψ [15]. Таким образом, переменное электрическое поле E, приложенное вдоль смектических слоев (координата x), взаимодействуя со спонтанной поляризацией, изменяет распределение угла Ψ. Физически это означает изменение типа диссипации энергии и переход характеризующих ее коэффициентов от γ_φ к γ_ψ.

Нелинейное изменение распределения угла Ψ в переменном электрическом поле приводит к появлению солитона, который представляет собой волновой пакет с локализованной в нем периодической волной. Скорость движения центра солитона определяется как [16]:

где K - коэффициент упругости, описывающий деформацию директора по углу Ψ, γ_ψ - сдвиговая вязкость СЖК, М - энергия изгиба смектических слоев, φ₀ - начальный азимутальный угол ориентации директора.

Движение солитонов приводит к переориентации директора во всем объеме СЖК. В результате во всех смектических слоях азимутальный угол φ становится одинаковым и равным 0 или π, в зависимости от направления поля, а вектор P_S устанавливается по направлению поля. В этом случае, если плоскость поляризации падающего света лежит вдоль направления директора СЖК (вдоль главной оптической оси), то светопропускание электрооптической ячейки максимально. Инверсия знака электрического поля (полярности импульсов управляющего напряжения) вновь индуцирует образование солитонных волн, что сопровождается рассеянием света.

Как было отмечено выше, периодические деформации смектических слоев негеликоидальных СЖК возникают при определенном соотношении между величинами спонтанной поляризации, вращательной вязкости и соответствующего модуля упругости.

Если значение γ_φ ниже 0,3 Пуаз, то переход к сдвиговой вязкости γ_ψ не достигается, и солитонный механизм переориентации директора СЖК не реализуется, а при γ_φ>1 Пуаз значительно увеличивается время оптического отклика не только на малых, но и на больших частотах, когда ответственной за диссипацию энергии становится сдвиговая вязкость γ_ψ. При увеличении значения спонтанной поляризации выше значения 50 нКл/см² повышается напряжение насыщения и начинают образовываться сегнетоэлектрические домены [17] (вдоль координаты y на фиг.2), что приводит к появлению светорассеяния при выключении электрического поля. Наконец, значения (1÷3)·10^-12 Ньютон для модуля упругости K характеризуют интервал, в котором смектические слои устойчивы и в то же время податливы к образованию периодических пространственных деформаций в отсутствие электрического поля.

Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в создании в электрооптической ячейке с СЖК условий, которые приводят к периодическим деформациям смектических слоев, и, как следствие, к периодическим изменениям положения директора (главной оптической оси) вдоль каждого смектического слоя. Для этого геликоидальная закрутка директора в объеме СЖК должна обязательно отсутствовать (подавляться), что обеспечивается добавлением к исходной нехиральной смектической матрице оптически активных (хиральных) компонентов с противоположными знаками оптической активности до полного погашения (компенсации) оптической активности СЖК [18].

Для реализации способа предложен оптический модулятор на основе электрооптической жидкокристаллической ячейки, в которой состав и толщина слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла и режим управления знакопеременным электрическим напряжением выбраны из условия обеспечения необходимых для подавления спеклов скорости и глубины модуляции фазы света и способности к образованию в слое жидкого кристалла мелкомасштабных пространственно-неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления, отличающийся тем, что толщина жидкокристаллической ячейки выбрана в интервале 10-35 мкм, величина вращательной вязкости γ_φ находится в интервале 0,3<γ_φ<1,0 Пуаз, величина спонтанной поляризации P_S не превышает 50 нКл/см², и значение модуля упругости K, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находится в интервале (1÷3)·10^-12 Ньютон, а источник электрического напряжения выполнен с возможностью формирования управляющих низкочастотного и высокочастотного напряжений одинаковой формы (меандр) с частотой 50÷1000 Гц и 1÷10 кГц, соответственно.

Оптимальное для подавления спеклов соотношение между скоростью, глубиной модуляции света и способностью к образованию в слое СЖК пространственно-неоднородных структур со случайным распределением градиентов показателя преломления достигается при определенном соотношении толщины жидкокристаллической ячейки и периода деформации смектических слоев. Так, для периода деформации от 1,5 до 5 мкм оптимальная толщина составляет 10÷35 мкм.

По сравнению с прототипом, искажения в спектральном составе модулируемого светового излучения отсутствуют, и, кроме того, отсутствует светорассеяние при выключении электрического поля. Эффект пространственно-неоднородной по апертуре фазовой модуляции света в слое СЖК достигается одновременным воздействием высокочастотного (до 10 кГц) и низкочастотного (до 1000 Гц) импульсного питающего напряжения, причем частота модуляции света излучения при напряженности электрического поля порядка 2 В/мкм возрастает до 1 кГц, что расширяет диапазон возможных применений модулятора (деспеклера). Одинаковая форма импульсов низкочастотного и высокочастотного напряжения (меандр) обеспечивает упрощение электронной схемы управления модулятора.

Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в том, что в оптическом модуляторе на основе одноэлементной электрооптической ячейки с негеликоидальным сегнетоэлектрическим ЖК реализуется разрушающая временную и пространственную сфазированность светового пучка пространственно-неоднородная модуляция его фазы глубиной порядка и более π, причем, по сравнению с прототипом, искажения в спектральном составе модулируемого света и светорассеяние при выключении электрического поля отсутствуют, и, кроме того, электрически управляемые импульсы низкочастотного и высокочастотного напряжения имеют одинаковую форму (меандр) и расширенный вдвое интервал частот модуляции.

Преимущества предлагаемого способа и устройства пространственно-временной фазовой модуляции света являются следствием формирования в нем пространственно-неоднородных структур со случайным распределением градиентов показателя преломления, обусловленного выбором в качестве модулирующей среды негеликоидального СЖК с определенным соотношением между величинами спонтанной поляризации, вращательной вязкости и соответствующего модуля упругости, и выбором режима управления знакопеременным электрическим напряжением и толщины электрооптической ячейки.

Главными достоинствами заявляемого пространственного оптического модулятора, кроме простоты его конструкции, управления и использования, являются отсутствие искажений в спектральном составе модулируемого светового излучения, отсутствие светорассеяния при выключении электрического поля, одинаковая форма импульсов управляющего низкочастотного и высокочастотного напряжения и расширенный, не менее чем вдвое, интервал частот модуляции фазы света по сравнению с прототипом.

При этом из уровня техники совершенно не очевидно, что в оптическом модуляторе на основе электрооптической ячейки с негеликоидальным СЖК можно добиться гораздо более эффективной пространственно-неоднородной фазовой модуляции света только за счет выбора типа СЖК и его деформации в электрическом поле и выбора толщины электрооптической ячейки и режима ее питания знакопеременным электрическим напряжением.

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

- проводящие покрытия могут быть выполнены несплошными и могут иметь пространственные неоднородности по толщине и сопротивлению 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 промодулированы по амплитуде (высокочастотные импульсы) или по частоте;

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

Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства для осуществления пространственно неоднородной фазовой модуляции света позволяет в известном оптическом модуляторе на основе электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки добиться по сравнению с прототипом отсутствия искажений в спектральном составе модулируемого светового излучения, отсутствия светорассеяния при выключении электрического поля, расширения вдвое интервала частот модуляции фазы света и использования управляющих импульсов низкочастотного и высокочастотного напряжения одинаковой формы.

Пример осуществления способа модуляции фазы света и оптического модулятора для его осуществления

По предлагаемому способу и устройству было изготовлено несколько экспериментальных образцов пространственных оптических модуляторов на основе электрооптической жидкокристаллический ячейки с негеликоидальным СЖК, осуществляющих пространственную неоднородную фазовую модуляцию светового пучка и подавление спеклов в изображениях, и были измерены характеристики таких модуляторов.

Принципиальная конструкция жидкокристаллических ячеек изготовленных модуляторов не отличалась от использованной в [12]. Ячейки заполнялись негеликоидальным СЖК со следующими материальными параметрами: спонтанная поляризация P_S=40 нКл/см², коэффициент вращательной вязкости γ_φ=0,4 Пуаз, угол наклона молекул в смектических слоях Θ₀=23° (при температуре 20°C), температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы от +2 до 70°C. Этот материал обладает высоким быстродействием: времена включения/выключения электрооптического отклика лежат в субмиллисекундном диапазоне. Толщина жидкокристаллических ячеек составляла от 10 до 35 мкм, апертура ячеек - 2×2 см.

Геликоидальная закрутка директора в объеме негеликоидального СЖК была подавлена за счет взаимодействия хиральных добавок с противоположными знаками оптической активности до полной компенсации активности [18]. Поэтому такие СЖК называют еще сегнетоэлектриками с компенсированным геликоидом [13].

При определенном соотношении между периодом деформации смектических слоев и толщиной электрооптической ячейки (указаны выше), амплитудой и длительностью импульсов управляющего напряжения, возникновение солитонной волны вызывает появление градиентов показателя преломления вдоль смектических слоев и сопровождается интенсивным рассеянием света. Движение солитонов приводит к переориентации директора во всем объеме СЖК. В результате во всех смектических слоях азимутальный угол φ становится одинаковым и равным 0 или π, в зависимости от направления поля, а вектор P_S ориентирован по направлению поля. В этом случае, если плоскость поляризации падающего света лежит вдоль направления директора СЖК (вдоль главной оптической оси), то светопропускание электрооптической ячейки максимально. Инверсия знака электрического поля (полярности импульсов управляющего напряжения) вновь индуцирует образование солитонных волн, что сопровождается рассеянием света.

Фиг.3 иллюстрирует, как эффективность светорассеяния (контрастное отношение) на солитонных волнах, возникающих при нелинейном изменении распределения угла Ψ в переменном электрическом поле, зависит от длительности знакопеременных импульсов управляющего напряжения амплитудой ±50 В, приложенного к ячейке с негеликоидальным СЖК толщиной 18 мкм.

В рассматриваемом случае, при определенном соотношении между амплитудой и длительностью знакопеременных импульсов управляющего напряжения, упругой энергией геликоида и спонтанной поляризацией СЖК, процесс рассеяния имеет бистабильный характер. Это означает, что оба оптических состояния структуры как с максимальным светопропусканием, так и с максимальной эффективностью светорассеяния, сохраняются в течение нескольких секунд после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности.

В зависимости от времени воздействия электрического поля на структуру (длительности импульсов управляющего напряжения) наблюдаются несколько максимумов эффективности светорассеяния (Фиг.3). Угол между плоскостью поляризации падающего света и направлением главной оптической оси СЖК, которому соответствуют максимальные значения эффективности рассеяния и светопропускания, достигает максимального значения (90°) при длительности импульсов порядка 100 мкс и уменьшается для второго и третьего максимумов (80 и 60 соответственно). Максимальной эффективности светорассеяния (первый максимум зависимости C(τ_имп)) соответствует регулярная структура рассеивающих центров в виде циркулярных доменов.

Переходы между светорассеивающими модами при одновременном воздействии на электрооптическую ячейку импульсов управляющего напряжения, длительность которых соответствует различным максимумам эффективности светорассеяния, приводят к хаотичному изменению положения индикатрисы рассеяния. В результате кратковременного (порядка 50 мкс) включения светорассеяния в слое СЖК формируются пространственно неоднородные структуры с практически случайным распределением градиентов показателя преломления по объему, что, в свою очередь, является причиной пространственно неоднородной по сечению пучка фазовой модуляции света в электрооптической ячейке. Заметим, что такое кратковременное светорассеяние не чувствительно для глаз, не искажает структуру изображений, не влияет на их восприятие, и световые потери на него незначительны (менее 5%).

Пространственно неоднородная модуляция фазовой задержки, глубина которой порядка и более π, позволяет разрушить фазовые соотношения в лазерном пучке, проходящего через электрооптическую ячейку и, как следствие этого, подавить спекл-шум в изображении. При заданной длине волны светового излучения глубина фазовой модуляции определяется показателем двулучепреломления СЖК Δn и толщиной электрооптической ячейки и зависит от амплитуды управляющего напряжения. Для ячейки толщиной 18 мкм максимальная глубина модуляции (4π) достигается при амплитуде напряжения ±20 В.

Распределение градиентов показателя преломления по объему СЖК и, как следствие этого, характер модуляции фазовой задержки, зависит от соотношения длительности и амплитуды импульсов управляющего напряжения. Осциллограмма электрооптического отклика (нижняя на Фиг.4) иллюстрирует пространственно неоднородную фазовую модуляцию света глубиной до 4π ячейкой с негеликоидальным СЖК. Она показывает, что при напряженности электрического поля порядка 2 В/мкм фазовая модуляция с высокой степенью неоднородности достигается при амплитудной модуляции низкочастотного напряжения (меандр) знакопеременными импульсами, длительность которых на порядок меньше периода низкочастотного сигнала (две верхних осциллограммы). Здесь частота повторения низкочастотного сигнала (меандр) амплитудой ±35 В составила около 1 кГц, а частота модулирующего сигнала той же амплитуды - 10 кГц. Амплитуда и длительность импульсов выбиралась таким образом, чтобы эффективность светорассеяния изменялась за время действия каждого из последовательности импульсов, но не достигала бы своего максимального значения.

Следствием выбранного режима электрического возбуждения является разрушение фазовых соотношений в проходящем через электрооптическую ячейку лазерном пучке. Это иллюстрирует на Фиг.5 фотография распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка, прошедшего через электрооптическую ячейку толщиной 18 мкм при возбуждении СЖК импульсом управляющего напряжения, форма которого показана на Фиг.4. Частота повторения низкочастотного сигнала (меандр) составляет 1 кГц, амплитуда ±18 В. Частота модулирующего сигнала (знакопеременные импульсы той же формы) - 10 кГц, амплитуда ±18 В. Эффективность подавления спекл-шума составила 50 процентов и она может быть повышена при дальнейшей оптимизации состава и толщины слоя СЖК, конструкции ячейки и режима ее электрического питания.

Промышленная применимость

Сравнение различных подходов к проблеме усреднения (подавления) спеклов в изображениях, формируемых наиболее яркими и перспективными световыми источниками - источниками лазерного излучения, показывает высокую конкурентность метода создания деспеклера на основе электрооптической ячейки с негеликоидальным сегнетоэлектрическим ЖК. Предлагаемый пространственный оптический модулятор является простым, компактным, технологичным и эффективным устройством подавления спекл-шума. Это делает возможным его применение во многих современных и перспективных информационных устройствах и системах хранения, преобразования, обработки, визуализации и проекционного отображения информации. Огромным рынком потребления деспеклеров является также сфера топографии, поскольку дешевые, т.е. простые и технологичные и в то же время эффективные деспеклеры требуются многим школьным и университетским физическим кабинетам и исследовательским оптическим лабораториям.

Таким образом, в выпуске эффективного и одновременно компактного, простого и технологичного деспеклера на основе СЖК нуждается целая отрасль новой техники, использующая лазерное излучение в целях визуализации и отображения информации.

Источники информации

1. Кольер Р., Берхард К., Лин Л. Оптическая топография (М., Мир, 1973).

2. Goodman J.W. Laser Speckle and Related Phenomena» (Berlin, Springer-Verlag, 1984).

3. Lowenthal S., Joyeux D. Speckle Removal by a Slowly Moving Diffuser. Journal of Opt. Soc. of Am., v.61, 847-851 (1971).

4. Турухано Б.Г. Дисковая система топографической памяти. В сб. «Оптическая топография. Практические применения» (Л-д, Наука, 1985), 75-95.

5. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света (М.: Радио и связь, 1987).

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

7. Trisnadi J.I. Hadamard speckle contrast reduction. Optics Letters, v.29, #1, 11-13 (2004).

8. Goodman J.W. Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications (Roberts and Company Publishers, Colorado, 2006).

9. Kuratomi Y., Sekiya K., Satoh H., Tomiyama T. Analysis of speckle-reduction performance in a laser rear-projection display using a small moving diffuser. Journal of the SID, v.18, #12, 1119-1126 (2010).

10. Zhaomin Tong et al. Laser Speckle Reduction Using MEMS Scanning Mirror, SID′10 DIGEST, 1909-1912 (2010).

11. Kazutoshi Ishida et al. Despeckling method with variable speckle generator utilizing photopolymer film. Proc. IDW′10, 1471-1474 (2010)

12. Андреев А.Л., Компанец И.Н. Способ модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления. Патент РФ №2373558, 2009 (приоритет 01.07.2008).

13. Андреев А., Компанец И. Жидкокристаллические дисплеи: перспективы развития (часть 1). Ж. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, №6, 72-88 (2012).

14. Handschy M.A., Clark N.A., Lagerwall S.T. Field-Induced First-Order Orientation Transitions in Ferroelectric Liquid Crystals. Phys. Rev. Lett., v.51, 471-474 (1983).

15. Landau L.D., Lifshits E.M. Theory of Elasticity (Publ. House “Nauka”, Moscow, 1987), P.188-189.

16. Т.Б. Федосенкова, А.Л. Андреев, Е.П. Пожидаев, И.Н. Компанец. Управляемое внешним электрическим полем двулучепреломление в негеликоидальных сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Краткие сообщения по физике, №3, 45-52 (2002).

17. Л.А. Береснев, М.В. Лосева, H.И. Чернова, С.Г. Кононов, П.В. Адоменас, Е.П. Пожидаев. Сегнетоэлектрические домены в жидком кристалле. Письма в ЖЭТФ, 51, вып.9, 457-461 (1990).

18. Береснев Л.А., Байкалов В.А., Блинов Л.М., Пожидаев Е.П., Пурванецкас Г.В. Первый негеликоидальный сегнетоэлектрический жидкий кристалл. Письма в ЖЭТФ, т.33, вып.10, 553-557 (1981).

Изобретение относится к области оптики и оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах голографии, визуализации и отображения информации. Способ пространственно неоднородной модуляции фазы света основан на электрически управляемом изменении показателя преломления сегнетоэлектрического жидкого кристалла (СЖК) в одноэлементной электрооптической ячейке с единственной парой токопроводящих покрытий при приложении от источника электрического напряжения знакопеременного электрического поля одновременно на низкой и высокой частоте. Геликоидальную закрутку директора в объеме СЖК полностью компенсируют путем добавления к исходной нехиральной смектической матрице оптически активных компонентов с противоположными знаками оптической активности. В отсутствие электрического поля путем задания определенного соотношения между величинами спонтанной поляризации, вращательной вязкости, модуля упругости СЖК, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, и толщины электрооптической ячейки создают периодические деформации смектических слоев, приводящие к периодическим изменениям положения директора СЖК вдоль каждого смектического слоя. Технический результат - отсутствие искажений в спектральном составе модулируемого излучения, отсутствие светорассеяния при выключении электрического поля. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ пространственно неоднородной модуляции фазы света, основанный на электрически управляемом изменении показателя преломления сегнетоэлектрического жидкого кристалла (СЖК) в одноэлементной электрооптической ячейке с единственной парой токопроводящих покрытий при приложении от источника электрического напряжения знакопеременного электрического поля одновременно на низкой и высокой частоте, отличающийся тем, что геликоидальную закрутку директора в объеме СЖК полностью компенсируют путем добавления к исходной нехиральной смектической матрице оптически активных компонентов с противоположными знаками оптической активности и в отсутствие электрического поля путем задания определенного соотношения между величинами спонтанной поляризации, вращательной вязкости, модуля упругости СЖК, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, и толщины электрооптической ячейки создают периодические деформации смектических слоев, приводящие к периодическим изменениям положения директора СЖК вдоль каждого смектического слоя.

2. Оптический модулятор на основе одноэлементной электрооптической ячейки с сегнетоэлектрическим жидким кристаллом, изменяющим свою оптическую анизотропию под воздействием знакопеременного электрического поля от источника электрического напряжения, отличающийся тем, что СЖК выбран негеликоидальным, то есть со стремящимся к нулю волновым вектором геликоида q₀=2π/p₀, где p₀ есть шаг геликоида, состав СЖК и толщина электрооптической ячейки выбраны из условия практического отсутствия искажений в спектральном составе модулируемого светового излучения и минимального светорассеяния при выключении электрического поля, а источник электрического напряжения выбран из условия возможности одновременного формирования управляющих низкочастотных и высокочастотных импульсов напряжения одинаковой формы (меандр).

3. Оптический модулятор по п.2, отличающийся тем, что величина вращательной вязкости СЖК γ_φ находится в интервале 0,3<γ_φ<1,0 Пуаз, величина спонтанной поляризации P_s не превышает 50 нКл/см², значение модуля упругости K, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находится в интервале (1÷3)·10^-12 Ньютон, и толщина электрооптической ячейки с СЖК выбрана в интервале 10÷35 мкм.

4. Оптический модулятор по п.2, отличающийся тем, что источник электрического напряжения выполнен с возможностью одновременного формирования управляющих низкочастотных и высокочастотных импульсов напряжения одинаковой формы (меандр) с частотой 50÷1000 Гц и 1÷10 кГц, соответственно, причем частота пространственно неоднородной фазовой модуляции света при напряженности электрического поля порядка 2 В/мкм составляет порядка 1 кГц.

5. Оптический модулятор по п.2, отличающийся тем, что оптимальное для подавления спеклов соотношение между частотой, глубиной модуляции света и способностью к образованию в слое СЖК пространственно неоднородных структур со случайным распределением градиентов показателя преломления обеспечивают путем задания определенного соотношения между периодом деформации смектических слоев и толщиной жидкокристаллической ячейки, причем для периода деформации от 1,5 до 5 мкм оптимальная толщина составляет 10÷35 мкм.