ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2018 года по МПК G02F1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области обработки оптической информации: к конструкции оптических затворов, регуляторов и модуляторов света, способных реализовать физический пиксель экранов, а также оптических коммутаторов с микроэлектромеханическими оптическими модуляторами.

Уровень техники

Известны микроэлектромеханические оптические затворы в виде микрозеркал, приводимых в движение микроэлектромеханическими приводами - актуаторами (US Pat. 6856445, 7116462, 7102808, 7016099, RU 2276774, 2277265). Недостатком их является сложность и ограниченность применения.

Известны микроэлектромеханические вентили, содержащие переворачивающиеся заслонки в виде флажков с закрепленной осью вращения, перекрывающие или открывающие микроотверстия для прохождения света (US 20040080484 А1).

Известен также микроэлектромеханический регулятор в виде заслонки, перемещающейся, благодаря неодинаковому удлинению двух консолей при неодинаковом их нагреве и перекрывающей при этом частично или полностью световой поток через отверстие (US Pat. 6775048, 6967761, 7151627). Недостатком их является сложность конструкции и изготовления, а также малая полезная площадь.

Прототипом предлагаемого изобретения является оптический модулятор (WO 2010114417, RU 2473936) в виде неподвижного поляризатора и параллельного ему подвижного поляризатора, выполненного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной им, содержащий также средство для осуществления поворота подвижного поляризатора. В варианте изобретения смещение диска вдоль стенок исключается наличием гнезда, например, в виде отверстия во вспомогательном слое.

Недостатком устройства по прототипу является необходимость преодоления значительных моментов сил трения, действующих на подвижный поляризатор и препятствующих манипулированию им (повороту, вращению, угловым колебаниям), что, в частности, предъявляет дополнительные требования к средствам осуществления поворота. Силы трения возникают из-за сил нормального давления гравитационной или электростатической природы.

Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением, является уменьшение моментов сил трения, препятствующих повороту подвижного поляризатора.

Раскрытие сущности изобретения

Для решения этой проблемы предложено два технических решения, образующих единый изобретательский замысел.

Указанная проблема решается в первом из заявляемых технических решений тем, что предложен оптический модулятор (регулятор светового потока), содержащий плоский поляризатор в виде диска (далее - просто «диск»), помещенного с возможностью поворота в гнездо между двумя параллельными стенками, хотя бы одна из которых прозрачна и является поляризатором или дополнена плоским поляризатором, причем на одной или на каждой стороне диска в его центре выполнен или конический, или сферический, или иной по форме выступ высотой от 0,01 до 0,1 от радиуса диска с размерами в плане в пределах окружности радиусом не более 0,2 от радиуса диска. Предложенный модулятор имеет также средство для осуществления поворота диска любой известной конструкции (такие средства, например, как в прототипе RU 2473936).

Гнездо может быть выполнено в виде отверстия в сплошном слое или в виде отдельных ограничителей смещения (столбиков между стенками, например).

Вторая стенка оптического модулятора не предназначена для поляризации света и может быть выполнена или прозрачной (для случая модулятора, работающего на просвет), или отражающей (для случая модулятора, работающего на отражение), или частично отражающей, а частично пропускающей (для случая необходимости работы на просвет и на отражение).

Рассмотрим случай оптического модулятора, предназначенного для работы в горизонтальном положении, т.е. при горизонтально ориентированных стенках и диске.

Существенным отличием от решения по прототипу является то, что в центре диска или в центре каждой из сторон диска выполнен выступ. Рассмотрим следствие наличия нижнего выступа. Этот выступ препятствует прилеганию диска всей нижней поверхностью к нижней стенке. Благодаря выступу в центре диск лежит под некоторым углом к стенке и касается нижней стенки только своим выступом в центре и областью диска на его периферии. При этом практически весь вес диска приходится на область контакта его выступа с нижней стенкой и сила трения между диском и нижней стенкой при попытке повернуть диск действует именно в этой области. Однако момент этой силы трения относительно оси диска мал, т.к. мало плечо. Сила же нормального давления периферийной части на нижнюю стенку практически равна нулю, т.к. уравновешена противоположной ей половиной диска (опускаем тривиальное доказательство), поэтому мала и сила трения, препятствующая повороту диска. Хотя плечо (радиус диска) и велико, момент этой силы трения мал, благодаря малой величине силы. Другим важным обстоятельством является то, что благодаря наличию выступа на диске диск не лежит на стенке всей плоскостью, и это практически исключает электростатическое взаимодействие между ними, т.к. сила электростатического взаимодействия между поверхностями пропорциональна площади контакта, и, следовательно, исключает появление дополнительных тормозящих моментов, препятствующих повороту диска.

Наклонное положение диска никак не влияет на работу модулятора при имеющих место малых углах наклона.

Нижний предел высоты выступа определяется необходимостью исключить касания стенки частями диска, которое может возникать из-за неточности при изготовлении диска и из-за изгибов диска по разным причинам - эти отклонения редко выходят за 10%, и высота выступа в 0,1 от радиуса диска достаточна для исключения влияния вероятных отклонений на работу устройства. Верхний предел высоты выступа определяется тем, что дальнейшее увеличение высоты приводит к увеличению силы нормального давления в области касания стенки периферийной частью диска, а также увеличивает толщину устройства. Нижний предел размера выступа в плане определяется только прочностью используемого для изготовления выступа материала и не имеет существенного значения для работы устройства. Верхний предел ограничен указанной выше величиной, т.к. площадь выступа в плане уменьшает полезную площадь модулятора.

Выступы на диске могут быть выполнены с обеих сторон диска. При таком исполнении исключается электростатическое взаимодействие диска также и с верхней стенкой, которое также может привести к возникновению существенных сил трения и соответствующих моментов, препятствующих вращению диска. Кроме того, упрощается процесс сборки, т.к. отпадает необходимость ориентировать диски при сборке оптического модулятора. Выступы могут быть выполнены или из того же материала, что и диск, или из другого материалы, или представлять собой единую деталь, диск и могут быть соединены с ним любым известным способом.

Рассмотрим теперь случай оптического модулятора, предназначенного для работы как в горизонтальном, так и в вертикальном или наклонном положении. От смещения вдоль стенок диск удерживается стенками гнезда, в котором он находится, поэтому при наклонном или вертикальном положении модулятора диск касается стенки гнезда, и между диском и стенкой гнезда возникает сила трения, тормозящий момент которой препятствует повороту диска.

Для исключения или для уменьшения такого момента в настоящем изобретении предлагается описанные выступы или один выступ на диске выполнять из магнитного материала с возможностью намагничивания или уже намагниченного в направлении, перпендикулярном плоскости диска, а ближайшая к этому выступу стенка содержит область, выполненную намагниченной или с возможностью намагничивания в том же направлении, в каком намагничен выступ, расположенную в пределах окружности с центром в точке проекции центра диска на стенку, т.е. в центре гнезда, и радиусом не более 0,2 от радиуса диска (как и область выступа в плане).

При выполнении из магнитного материала обоих выступов магнитная область может быть выполнена как на одной из стенок, так и на обеих стенках. Оба выступа могут быть также выполнены как части единой детали, проходящей через центр диска и закрепленной на нем (приклеенной, приваренной и т.п.)

Намагниченная область стенки может представлять собой или слой магнитного материала, нанесенный на одну или обе стороны стенки, или встроенный в стенку магнитный материал, или намагниченную часть стенки (для материалов стенки, допускающих намагничивание).

При такой конструкции сила магнитного притяжения между выступом и вставкой из магнитного материала на стенке удерживает диск от касания стенки гнезда при наклонном или вертикальном положении модулятора или уменьшает силу нормального давления, если такое касание происходит. При наличии двух выступов на диске и, соответственно, двух магнитных вставок на стенках надежность устройства повышается.

Смысл подачи первого из заявляемых решений, предназначенного для использования в модуляторах с горизонтально ориентацией, в том, что, хотя второе решение более универсально и обеспечивает работу модулятора при любой его ориентации, существует множество применений, в которых модулятор используется только в горизонтальном положении (в составе планшетов, индикаторов, электронной бумаги, оптических коммутаторов и т.п.), и поэтому оправдана разработка для таких случаев более простого и дешевого варианта устройства.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично, без соблюдения масштаба и без детализации (не показаны средства привода, склеивающие, просветляющие, антибликовые, упрочняющие, уменьшающие трение, токоподводящие, крепежные и др. элементы), изображено сечение оптического модулятора в плоскости диска.

На фиг. 2 изображено, также схематично, поперечное сечение оптического модулятора для работы в горизонтальном положении.

На фиг. 3 изображено, также схематично, поперечное сечение оптического модулятора с выступами из магнитного материала и магнитными вставками на стенках, находящегося, для примера, в вертикальном положении.

Цифрами обозначены:

1 - диск из плоского поляризатора;

2 - гнездо;

3 - выступ в центре диска;

4 - выступ из магнитного материала;

5 - намагниченная область стенки;

6 - стенка из плоского поляризатора;

7 - стенка (или прозрачная, или с отражателем, или полупрозрачная и полуотражающая).

Осуществление изобретения

Примером конкретного исполнения оптического модулятора для использования в горизонтальном (или близком к нему) положении может служить модулятор, диск 1 которого диаметром 1 мм выполнен из кварца толщиной 0,05 мм, на который нанесена серебряная поляризационная решетка. С обеих сторон диска в его центре нанесены ситалловые цилиндрические выступы 3 высотой 20 мкм и диаметром 50 мкм. Стенки 6 и 7 модулятора размерами 1,5×15 мм в плане выполнены из кварца толщиной 0,5 мм и на внутреннюю (для модулятора) поверхность одной из стенок (стенка 6) нанесена серебряная поляризационная решетка. Гнездо 2 для диска выполнено в виде отверстия диаметром 1,1 мм в пластине кремния толщиной 100 мкм и размерами в плане 1,5×15 мм, которая установлена между двумя стенками. Гнездо припаяно к стенкам, а в варианте исполнения приклеено - к этому соединению нет особых требований, т.к. нет требований к герметичности устройства. Средством для поворота диска является источник электрического поля: протяженные проводящие полосы поляризационной решетки ориентируются вдоль вектора напряженности электрического поля.

Примером конкретного исполнения оптического модулятора для использования в произвольной ориентации может служить модулятор, отличающийся от описанного в предыдущем примере тем, что выступы 4 того же размера выполнены из композита на основе неодимового магнитного порошка NdFeB (наносится в смеси с клеем, полимеризующимся в УФ), а магнитные вставки 5 в стенки 6 и 7 выполнены из того же композита, заполняющего углубления диаметром 50 мкм и глубиной 20 мкм, выполненные в стенках в центре гнезда (напротив требуемого положения центра диска).

Эксперименты показали, что применение предлагаемого изобретения позволяет на порядки уменьшить величину воздействия, необходимого для поворота диска. Разница близка к разнице поведения стрелки компаса на игле и просто на столе… Исследования с использованием нанесения антистатических слоев показали, что исключение влияния паразитного электростатического притяжения между диском и стенкой при применении предлагаемого изобретения является превалирующим эффектом от этого применения.

Применение изобретения позволяет:

- увеличить быстродействие микроэлектромеханического оптического модулятора;

- снизить потребляемую мощность, что существенно для дисплеев, физические пиксели которых выполнены в виде предложенных оптических модуляторов;

- упростить средства управления оптическими модуляторами и экранами на их основе;

- расширить возможности по управлению оптическими модуляторами;

- упростить технологию изготовления за счет, в частности, отсутствия необходимости нанесения антистатических слоев;

- увеличить долговечность и надежность устройства благодаря уменьшению трения поляризационных дисков, приводящего к их износу.

Изобретение относится к области обработки оптической информации. В оптическом модуляторе света модуляция происходит посредством поворота подвижного поляризатора в виде диска относительно неподвижного поляризатора. Для уменьшения моментов сил трения, препятствующих повороту диска, согласно первому варианту в центре диска выполнен с одной или с обеих сторон конический или сферический выступ. Согласно второму варианту в диске выполнены с одной или с обеих сторон выступы из магнитного материала, а в стенках модулятора напротив этих выступов выполнены области из магнитного материала так, чтобы они были или могли быть намагничены в одном направлении. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптический модулятор, содержащий плоский поляризатор в виде диска, помещенного с возможностью поворота в гнездо между двумя параллельными стенками, хотя бы одна из которых прозрачна и является поляризатором или дополнена плоским поляризатором, а также средство для поворота диска, отличающийся тем, что на одной или на каждой стороне диска в его центре выполнен конический или сферический выступ высотой от 0,01 до 0,1 от радиуса диска с размерами в плане в пределах окружности радиусом не более 0,2 от радиуса диска.

2. Оптический модулятор, содержащий плоский поляризатор в виде диска, помещенного с возможностью поворота в гнездо между двумя параллельными ему стенками, хотя бы одна из которых прозрачна и является поляризатором или дополнена плоским поляризатором, а также средство для поворота диска, отличающийся тем, что на одной или на каждой стороне диска в его центре выполнен выступ из магнитного материала с возможностью намагничивания или намагниченного в направлении, перпендикулярном плоскости диска, конической или сферической формы высотой от 0,01 до 0,1 от радиуса диска с размерами в плане в пределах окружности радиусом не более 0,2 от радиуса диска, а стенка или каждая стенка содержит область, выполненную намагниченной или с возможностью намагничивания в том же направлении, в каком намагничен выступ, расположенную в пределах окружности с центром в центре гнезда и радиусом не более 0,2 от радиуса диска.