ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР, ОСНОВАННЫЙ НА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКЕ Российский патент 2019 года по МПК G02F1/01 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к устройствам и способам для осуществления и управления оптической фильтрацией длины волны.

Описание предшествующего уровня техники

Устройства и способы, относящиеся к области спектроскопии в ближней инфракрасной (ИК) и видимой областях спектра, в настоящее время имеют большое значение в таких областях, как биология и медицина. Глобальная тенденция, направленная на предоставление пользователям портативных, носимых медицинских устройств, также способствует развитию области износоустойчивых спектроскопических устройств. Основным элементом такой технологии является оптический фильтр, который должен быть компактным и настраиваться для работы в максимально широком диапазоне длин волн с высокой точностью. Возможность перестроения работы на разных длинах волн требуется для различных спектроскопических применений, среди которых одним из самых перспективных является неинвазивное измерение уровня глюкозы в крови (Zhang W, Liu R, Zhang W, Jia H, Xu K. Discussion on the validity of NIR spectral data in non-invasive blood glucose sensing. Biomedical Optics Express. 2013). Существуют различные способы перестроения рабочего диапазона длин волн, включая основанные на MEMS (микроэлектромеханические системы с механическим контролем длины оптического пути), фильтр типа Маха-Цендера, или перестраиваемые фильтры, работа которых основана на акустооптике. Другой перспективный класс решений состоит из устройств с жидкими кристаллами, которые обладают некоторыми преимуществами, в том числе отсутствием механических движущихся частей и меньшим потреблением энергии.

Однако, предлагаемые в настоящее время устройства и способы для перестроения рабочего диапазона длин волн имеют сложную конструкцию, что ограничивает их использование в портативном компактном виде, либо используют высокие напряжения, необходимые для управления толстыми слоями жидких кристаллов, чтобы повысить производительность.

Существуют различные устройства, работающие в области техники, касающейся перестроения рабочего диапазона длин волн, в которых используются жидкие кристаллы.

Одним из аналогов предлагаемого изобретения является, например, документ US 6992809 B1. Описанное устройство представляет собой ангулярно распределенные замедляющие элементы одинакового двулучепреломления, расположенные друг за другом.

Недостатком этого устройства является сложность конструкции, что делает всю систему громоздкой, более того, элементы жидкокристаллического замедлителя требуют дополнительной мощности.

Аналогичный подход продемонстрирован в устройствах и способах, раскрытых в патентах US 2012/0268709 A1 и US 7167230 B2, в которых перестроение и выбор рабочего диапазона длин волн осуществляется посредством управления множеством эталонных жидкокристаллических модулей Фабри-Перо, соединенных каскадно. Такие системы имеют те же недостатки, что и описанные выше, а именно сложность конструкции, состоящая в использовании большого количества элементов для управления светом.

Необходимо отметить, что в документе US 7167230 B2 раскрыто выполнение перестроения рабочего диапазона длин волн путем приложения напряжения к двум жидкокристаллическим отражателям и пропускания освещения через полосовой фильтр, который помещается в середину устройства между отражателями. Основным недостатком этого устройства является то, что вся схема включает в себя два жидкокристаллических элемента, что означает двойное потребление энергии, кроме того, дополнительный элемент - полосовой фильтр - усложняет систему и ограничивает ее общий размер.

Сущность изобретения

Предлагается перестраиваемый оптический фильтр, содержащий: источник света, поляризатор, входной оптический элемент, жидкокристаллическую ячейку, содержащую электроды, без зазоров прилегающую к входному оптическому элементу, выходной оптический элемент, без зазоров прилегающий к жидкокристаллической ячейке, блок управления, выполненный с возможностью подачи заданного значения напряжения на жидкокристаллическую ячейку через электроды. Причем входной оптический элемент и выходной оптический элементы имеют одинаковый показатель преломления, больший показателя преломления жидкокристаллической ячейки без подачи на нее напряжения. Входной оптический элемент, жидкокристаллическая ячейка и выходной оптический элемент наклонены по отношению к падающему оптическому излучению от источника света под углом, обеспечивающим: полное внутреннее отражение для диапазона длин волн падающего оптического излучения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, когда заданное напряжение не подается на жидкокристаллическую ячейку, и прохождение рабочей части диапазона длин волн оптического излучения через жидкокристаллическую ячейку и выходной оптический элемент, и полное внутреннее отражение оставшейся части диапазона длин волн оптического излучения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, когда заданное напряжение подается на жидкокристаллическую ячейку. Причем заранее определено соответствие между упомянутой рабочей частью диапазона и заданным значением напряжения.

Причем источник света может испускать когерентное коллимированное оптическое излучение или источник света может испускать некогерентное коллимированное оптическое излучение. Поляризатор может представлять собой поляризационную пластину. Причем поляризатор может представлять собой поляризатор на основе проволочной сетки или поляризатор может представлять собой тонкопленочный поляризатор. Входной оптический элемент может быть выполнен из фотополимера. Выходной оптический элемент может быть выполнен из фотополимера. Входной и выходной оптические элементы могут быть выполнены из стекла. Каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента может быть оптическим волокном. Причем каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента могут быть голографическим оптическим элементом. Каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента могут быть призмой, выполненной из фотополимера.

Также предлагается способ перестроения длины волны, содержащий этапы, на которых: испускают оптическое излучение; поляризуют оптическое излучение; направляют поляризованное оптическое излучение на входной оптический элемент, жидкокристаллическую ячейку, прилегающую к оптическому элементу без зазоров, выходной оптический элемент, прилегающий к жидкокристаллической ячейке без зазоров, подают заданные значения напряжения на жидкокристаллическую ячейку. Причем входной оптический элемент, жидкокристаллическая ячейка и выходной оптический элемент наклонены по отношению к оптическому излучению от источника света на угол, обеспечивающий прохождение рабочей части диапазона длин волн оптического излучения через жидкокристаллическую ячейку и выходной оптический элемент, и полное внутреннее отражение оставшейся части диапазона длин волн оптического излучения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, когда заданное значение напряжение подается на жидкокристаллическую ячейку. Причем заранее определено соответствие между упомянутой рабочей частью диапазона и заданным значением напряжения. Источник света может испускать когерентное коллимированное оптическое излучение или источник света может испускать по меньшей мере одно некогерентное коллимированное оптическое излучение. Причем поляризация оптического излучения может осуществляться через поляризатор, представляющий собой поляризационную пластину. Поляризация оптического излучения может также осуществляться через поляризатор, представляющий собой поляризатор на основе проволочной сетки. Поляризация оптического излучения может осуществляться через тонкопленочный поляризатор. При этом каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента может быть оптическим волокном. Каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента может быть голографическим оптическим элементом. В другом варианте осуществления каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента может быть призмой, выполненной из фотополимера.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1 распределение показателя преломления по толщине жидкокристаллической ячейки для различных значений напряжения для двух произвольных длин волн.

Фиг. 2 общая схема перестраиваемого оптического фильтра на основе жидкокристаллической ячейки.

Фиг. 3 теоретические зависимости пропускания инфракрасного излучения через жидкокристаллическую ячейку при приложении разных значений напряжения;

Фиг. 4 устройство перестраиваемого оптического фильтра в спектрометре;

Фиг. 5 экспериментальные зависимости пропускания инфракрасного излучения через жидкокристаллическую ячейку при приложении разных значений напряжения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение предназначено для обеспечения компактного и надежного решения для перестроения рабочего диапазона длин волн излучения, падающего на фильтр. Основными задачами, которые решает настоящее изобретение, являются:

- Упрощение конструкции, вызванной использованием множества различных жидкокристаллических элементов для последовательного отбора требуемой длины волны;

- Уменьшение потребления энергии, которое в прототипах возрастает за счет использования высоких напряжений для работы толстых слоев жидких кристаллов, которые выровнены ортогонально лучу падающего излучения.

Предлагаемое изобретение позволяет выполнять перестроение рабочего диапазона длин волн заданным образом посредством использования единственной жидкокристаллической ячейки, что уменьшает размер устройства, а также энергию, потребляемую предлагаемым устройством. Предлагаемое изобретение может быть использовано для работы с излучениями как в ИК, так и в видимой части спектра.

Предлагаемое устройство содержит оптические элементы и жидкокристаллическую ячейку, расположенные под таким углом к падающему пучку, что происходит эффект полного внутреннего отражения падающего пучка во входном оптическом элементе на границе раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, в этом случае падающее излучение не может пройти через жидкокристаллическую ячейку. Напряжение, приложенное к жидкокристаллической ячейке, изменяет градиент показателя преломления жидкокристаллической ячейки и, таким образом, нарушает эффект полного внутреннего отражения для некоторых длин волн или диапазона длин волн из полного спектра падающего излучения, которое поступает в жидкокристаллическую ячейку. Рассматривается изменение именно градиента показателя преломления, поскольку изменение условия распространения светового пучка в ЖК ячейке вносит вклад в эффект перестроения рабочего диапазона длин волн. В каждой точке внутри жидкокристаллической ячейки имеется свой показатель преломления.

На фигуре 1 показано распределение показателя преломления по толщине жидкокристаллической ячейки для различных значений приложенного к ячейке напряжения для двух произвольных длин волн, кривые 1, 2, 3 для показателей преломления двух произвольных длин волн показаны сплошной и пунктирной линией. Как показано на фигуре 1, жидкокристаллическая ячейка состоит из слоя жидких кристаллов между слоями стекла, A - толщина жидкокристаллической ячейки, B - толщина слоя жидких кристаллов. Молекулы жидкого кристалла ориентированы по-разному, хотя и существует преимущественное направление их ориентации. Количество молекул, приобретающих определенную ориентацию, стремится к максимуму с увеличением напряжения, прикладываемого к ячейке. Необходимо отметить, что без приложения напряжения жидкокристаллическая ячейка также обладает градиентом показателя преломления. Если напряжение не приложено к жидкокристаллической ячейке, то для некоторых длин волн имеет место условие полного внутреннего отражения, это условие определяется дисперсией слоя жидких кристаллов и длинами волн падающего излучения.

Жидкокристаллическая ячейка объединена с двумя оптическими элементами, предназначенными для обеспечения надлежащего угла падения на жидкокристаллическую ячейку и параллельного выравнивания падающего и выходящего пучков относительно друг друга.

Применение оптических элементов обязательно, поскольку, как известно, полное внутренне отражение невозможно при переходе из менее плотной оптической среды (из воздуха) в более плотную оптическую среду (жидкокристаллическую ячейку). Учитывая, что показатель преломления жидкокристаллической ячейки n2 > 1 («1» -показатель преломления воздуха) для некоторого диапазона длин волн, для достижения эффекта полного внутреннего отражения в отсутствии напряжения, прикладываемого к жидкокристаллической ячейке, необходимо использовать материал входного оптического элемента с показателем преломления (n1), исходя из условия n1 > n2. Значения n1 и n2, а следовательно, оптические элементы и жидкокристаллическая ячейка, подбираются для каждого желаемого диапазона длин волн, в котором необходимо осуществлять перестроение. Как известно, синус угла полного внутреннего отражения определяется как

То есть, например, в случае, когда n1 ≈ 1.723 и n2 ≈ 1.5, где в данном примере n1 - показатель преломления стекла «тяжелого флинта», n2 - значение показателя преломления обычного стекла, поскольку слой жидких кристаллов на границе раздела между оптическим элементом и жидкокристаллическим элементом имеет примерно такой же показатель преломления, как и показатель преломления обычного стекла, предельный угол полного внутреннего отражения равен, примерно 60°. В таком случае оптическая схема выглядит практически идентично показанной на фигуре 2. При изменении напряжения на жидкокристаллической ячейке изменяется показатель преломления жидкокристаллической ячейки, и для некоторого диапазона длин волн из спектра излучения, падающего на жидкокристаллическую ячейку, происходит устранение условий возникновения эффекта полного внутреннего отражения. В этом случае часть падающего излучения проходит сквозь жидкокристаллическую ячейку.

Чтобы вывести это излучение из жидкокристаллической ячейки и добиться параллельности входного и выходного пучков (в целях удобства настройки и уменьшения габаритов устройств) за жидкокристаллической ячейкой размещается выходная оптическая среда (выходной оптический элемент) с показателем преломления n1. В этом случае выходящий из выходного оптического элемента пучок излучения параллелен пучку, падающему на входной оптический элемент, расположенный перед жидкокристаллической ячейкой.

Оптические элементы с показателем преломления n1 могут быть различными - как на основе стекла, так и на основе иных материалов с подходящим показателем преломления. Точно так же не столь существенна и геометрия оптических элементов, критически важным для перестроения рабочего диапазона длин волн является именно падение входного излучения под углом, обеспечивающим эффект полного внутреннего отражения в начальный момент - с отключенным напряжением. И в этом смысле, если форма оптических элементов позволяет обеспечить выполнение данного условия, то она не столь существенна. Таким образом, ячейка может быть расположена параллельно падающему пучку, если за счет формы элементов пучок будет падать на входной оптический элемент под указанным углом.

Таким образом, предлагаемое оптическое устройство для перестроения рабочего диапазона длин волн состоит из следующих элементов: - источник света, который испускает оптическое излучение к образцу, причем свет от источника света падает на образец и отражается от образца;

-коллиматор, коллимирующий оптическое излучение, отраженное от образца;

- поляризатор, который поляризует оптическое излучение, отраженное от образца;

- по меньшей мере один входной оптический элемент, расположенный после поляризатора;

- скрученная нематическая жидкокристаллическая ячейка, покрытая двумя слоями оксида индия-олова (ITO) с прикрепленными к ней электродами, расположенная после входного оптического элемента, и плотно прилегающая к нему без зазоров, причем входной оптический элемент имеет такой показатель преломления и жидкокристаллическая ячейка имеет такой показатель преломления для желаемого диапазона длин волн и наклонены на такой критический угол к поляризованному оптическому излучению, что обеспечивается эффект полного внутреннего отражения поляризованного оптического излучения для этого диапазона длин волн на границе между входным оптическим элементом и жидкокристаллической ячейкой;

- выходной оптический элемент, расположенный после жидкокристаллической ячейки и плотно прилегающий к ней без зазоров и имеющий показатель преломления, совпадающий с показателем преломления первого оптического элемента, чтобы сохранить начальное направление оптического излучения;

- блок управления, который генерирует управляющий сигнал, подаваемый на жидкокристаллическую ячейку через электроды.

Также предлагается способ перестроения рабочего диапазона длин волн, который состоит из этапов, на которых осуществляется:

- испускание по меньшей мере одного оптического излучения от источника излучения;

- поляризация оптического излучения, испускаемого источником излучения;

- пропускание поляризованного оптического излучения через входной оптический элемент и жидкокристаллическую ячейку, соединенную с первым оптическим элементом без зазоров, причем оптический элемент и жидкокристаллическая ячейка имеют такие показатели преломления для желаемого диапазона длин волн, что поляризованное оптическое излучение в желаемом диапазоне длин волн подвергается эффекту полного внутреннего отражения на границе между входным оптическим элементом и жидкокристаллической ячейкой,

- приложение напряжения к жидкокристаллической ячейке, которое обеспечивает изменение показателя преломления жидкокристаллической ячейки для диапазона длин волн, падающего на жидкокристаллическую ячейку, и нарушение эффекта полного внутреннего отражения поляризованного оптического излучения на границе между входным оптическим элементом и жидкокристаллической ячейкой только для рабочего диапазона оптического излучения;

- пропускание оптического излучения с перестроенным спектром через выходной оптический элемент, расположенный после жидкокристаллической ячейки;

Ключевыми отличиями предлагаемого изобретения от решений, раскрытых в предшествующем уровне техники, является использование единственной жидкокристаллической ячейки, плотно прилегающей без зазоров к входному и выходному оптическим элементам.

Общая схема оптического фильтра на основе жидкокристаллической ячейки, согласно предлагаемому изобретению, показана на фигуре 2. Пучок излучения, например, отраженного от образца,(обозначенный стрелкой), проходит через поляризатор 1 и падает на входной оптический элемент 2, который прикреплен без зазоров к поверхности нематической жидкокристаллической ячейки 3, управляемой напряжением, подаваемым через электроды 4 и 5, соединенными со слоями оксида олова индия (ITO), покрывающего жидкокристаллическую ячейку. После прохождения через жидкокристаллическую ячейку пучок излучения проходит через выходной оптический элемент 6.

Пунктирная линия на фигуре 2 показывает возможный путь излучения в случае полного внутреннего отражения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, при этом излучение полностью отражается, попадает обратно во входной элемент и выходит наружу через одну из граней входного элемента. При приложении напряжения к жидкокристаллической ячейке изменяется ее градиент показателя преломления. Это приводит к изменениям дисперсии в ЖК ячейке и создаются условия пропускания излучения только в рабочем диапазоне длин волн. Каждому значению приложенного напряжения соответствует своя дисперсия жидкокристаллической ячейки, то есть зависимость пространственного распределения показателя преломления в толще ячейки от длины волны. Таким образом, каждое из значений приложенного напряжения определяет свой спектр пропускания жидкокристаллической ячейки. В этом случае условия для эффекта полного внутреннего отражения во входном оптическом элементе устраняются только для части диапазона длин волн падающего поляризованного оптического излучения, то есть, часть излучения, для которой эффект полного внутреннего отражения перестает выполняться, проходит через жидкокристаллическую ячейку, попадает в выходной оптический элемент вдоль пути, показанного сплошной линией на фиг. 2, и выходит, попадая на датчик.

Численно рассчитанные спектры прошедшего излучения, наблюдаемые при разных значениях напряжения, приложенных к жидкокристаллической ячейке, показаны на фиг.3. Показан перестраиваемый диапазон длин волн, который определяется задачами пользователя. Например, необходимо получить информацию о глюкозе в крови человека методами оптической спектроскопии. Подобные исследования проводятся в диапазоне длин волн 1400-1650 нм, поскольку такое излучение обладает наибольшей проникающей способностью в биологические ткани. В этом диапазоне представляется целесообразным перестраивать рабочие длины волн, пропускаемые жидкокристаллической ячейкой, с целью обнаружить сигналы, соответствующие отражению излучения от молекул глюкозы в крови, которые, в свою очередь, максимальны на длине волны порядка 1500-1600 нм.

Исходя из требований к указанному диапазону рабочих длин волн конструируется фильтр, а именно, подбирается необходимая толщина слоя жидкокристаллической ячейки, выбирается материал входного и выходного оптических элементов, а также определяются рабочие значения напряжений, прикладываемые к жидкокристаллической ячейке. Толщина слоя жидкокристаллической ячейки и материал оптических элементов подбираются эмпирически, после предварительного математического моделирования. Зная значение дисперсии материалов, а также спектр источника излучения на входе ячейки и предполагаемые толщины материалов, можно смоделировать спектр излучения на выходе. Возможность изменять градиент показателя преломления какой-либо определенной жидкокристаллической ячейки ограничена ее параметрами - толщиной и типом кристаллов. То есть представляется целесообразным рассчитать и изготовлять жидкокристаллическую ячейку для конкретного заданного рабочего диапазона длин волн, а потом изменять диапазон пропускания этой жидкокристаллической ячейки в этих пределах путем подачи требуемого напряжения.

Пользователь может исследовать, как ведет себя образец в требуемом рабочем диапазоне длин волн, то есть исследовать спектр отражения образца в рабочем диапазоне длин волн: какова степень пропускания образца, какова степень поглощения в выбранном диапазоне и т.п.

На фигуре 3 показаны три графика зависимости нормированного коэффициента пропускания излучения жидкокристаллической ячейкой от длины волны, соответствующие разным значениям напряжения, приложенного к жидкокристаллической ячейке, имеющий перестраиваемый диапазон длин волн в данном случае от 1400 нм до 1650 нм. Когда значение напряжения максимально, зависимость нормированного коэффициента пропускания жидкокристаллической ячейки от длины волны падающего излучения представлена на фигуре 3 в положении справа и обозначена как ʺначальный спектрʺ. Необходимо отметить, что нормированный коэффициент пропускания - это коэффициент пропускания после деления на его максимальное значение, график строится для нормированного коэффициента пропускания для наглядности.

После того как уменьшают напряжение до некоторого промежуточного значения, происходит изменение показателя преломления ячейки для рабочего диапазона длин волн и, соответственно, изменение спектрального состава излучения, проходящего через ячейку. Процесс уменьшения напряжения и процесс изменения показателя преломления, идут практически одновременно, задержка между ними обусловлена конечным временем отклика молекул жидких кристаллов на приложенное напряжение и составляет миллисекунды. В этом случае график зависимости нормированного коэффициента пропускания жидкокристаллической ячейки от длины волны падающего излучения представлен на фигуре 3 в центре и обозначен как «средний спектр». Из графика видно, что при уменьшении напряжения кривая указанной зависимости сместилась влево, что показывает диапазон длин волн, который теперь пропускает жидкокристаллическая ячейка. Аналогично зависимость ведет себя и при дальнейшем уменьшении напряжении до некоторого минимального значения - диапазон длин волн, который пропускает жидкокристаллическая ячейка смещается левее. Эта кривая обозначена как «конечный спектр». В данном примере показано перестроение рабочего диапазона длин волн жидкокристаллической ячейки при уменьшении напряжения, что соответствует смещению диапазона длин волн, который пропускает жидкокристаллическая ячейка справа налево, как это показано стрелками на фигуре 3.

Предпочтительный вариант предлагаемого настраиваемого оптического фильтра предполагает его использование как части компактного ближнего инфракрасного спектрометра, например, такого, как описан в документе Burns, Donald; Ciurczak, Emil, eds. (2007), Handbook of Near-Infrared Analysis, Third Edition (Practical Spectroscopy), стр. 349-369. Спектрометры такого типа восстанавливают спектр излучения, отраженного от образца, например, от ткани кожи человека (см., например, документ S. Boyd, L. Vandenberghe, Convex Optimization (Cambridge University Press, Cambridge, 2004). Для такого спектрометра требуется оптический фильтр, который позволяет получать набор различных спектров отраженного от образца излучения.

На практике при исследовании спектра отражения образца требуется измерить интегральный сигнал, полученный после отражения излучения источника от образца и пропускания его через жидкокристаллическую ячейку. Значение этого сигнала определяется рабочим диапазоном длин волн жидкокристаллической ячейки. Чем больше различных диапазонов пропускания жидкокристаллической ячейки используется (путем приложения напряжения), тем большее количество значений сигнала от образца можно получить. Эти значения в дальнейшем используются в восстановлении спектра отражения образца, и чем этих значений больше, тем точнее можно восстановить спектр.

На фигуре 4 показано устройство перестраиваемого оптического фильтра в спектрометре согласно изобретению. Корпус 1 спектрометра включает в себя набор светодиодов 2, испускающих излучение, характеризующееся некоторым постоянным спектром. Излучение падает на образец (на фигуре 4 не показан), после отражения от образца излучение проходит через коллимирующую линзу 3, прикрепленную к корпусу спектрометра с помощью крепления 4. Коллимированное излучение пропускается через поляризатор 5, прикрепленный к корпусу спектрометра с помощью крепления 6. Поляризатор нужен для подачи в жидкокристаллическую ячейку света с определенным состоянием поляризации, в данном случае плоскость поляризации на входе в ячейку должна быть перпендикулярно плоскости прямоугольной ячейки. Ячейка максимально чувствительна именно к такому состоянию, то есть вышеуказанный эффект достигается при использовании света, поляризованного именно таким образом. Излучение после поляризатора последовательно проходит через входной оптический элемент 7, жидкокристаллическую ячейку 8, если к ней приложено напряжение, и выходной жидкокристаллический элемент 9. Излучение от выходного оптического элемента переходит к фотодетектору 10, подключенному к блоку управления 11. Блок управления получает электрический сигнал, соответствующий световой энергии, регистрируемой фотодетектором, а также управляет напряжением, которое прикладывается к жидкокристаллической ячейке с помощью электродов 12 и 13, связанных с ITO-слоем. Электроды также служат в качестве опор для присоединения входной и выходной призм и жидкокристаллической ячейки к корпусу спектрометра.

Фотодетектор 10 регистрирует интегральный сигнал, поступающий с выхода призмы, расположенной после жидкокристаллической ячейки. Фотодетектор собирает всю световую энергию с выходного оптического элемента, то есть интегральный сигнал, который используется при реконструкции спектра, отраженного от образца.

Далее решается задача определения спектра отражения излучения от образца. Для этого используется решение уравнения

a * x=b (1),

где a - калибровочная матрица размера ((MxN)),

М - количество строк матрицы, равно количеству значений напряжения, подаваемого на жидкокристаллическую ячейку

N - количество столбцов, количество точек, которые описывают спектр и определяют разрешение, с которым его можно восстановить (пример, при N=100 и в диапазоне длин волн 1200-1800 нм мы сможем восстановить спектр с шагом (1800-1200)/100=6 нм). Необходимо отметить, что N задается на основании требований к спектральному разрешению. То есть, если необходимо восстановить спектр, например, с шагом 6 нм в диапазоне 1200-1800 нм, нужно выбрать N равным 100,

x - неизвестный спектр отражения образца - вектор размерности (Nx1),

b - сигнал от фотодетектора размерности (Mx1).

С учетом размерности выражение выше выглядит как -

a(MxN) * x(Nx1)=b(Mx1).

Калибровочная матрица a формируется следующим образом - для каждого значения напряжения общим количеством M измеряется при помощи обычного спектрометра спектр излучения калибровочного источника (светодиода), прошедшего через ЖК ячейку. Один спектр - сигнал размерности 1xN. Таким образом, набор спектров пропускания излучения калибровочного источника через ЖК ячейку для всех значений напряжения - MxN.

Освещая при помощи калибровочного источника образец и меняя напряжение на ЖК ячейке, получают набор значений сигнала фотодетектора, установленного на выходе ЖК ячейки. Для того же набора значений напряжений M получают набор значений сигнала фотодетектора - Mx1.

Обладая калибровочной матрицей a и сигналом на фотодетекторе b, определяют спектр отражения образца x из выражения (1).

Калибровочная матрица а измеряется на этапе сборки спектрометра и требует использования дополнительного спектрометра, который регистрирует различные спектры излучения, генерируемого светодиодами, на выходе жидкокристаллической ячейки при различных значениях приложенного напряжения. Некоторые типичные спектры, измеренные на выходе жидкокристаллической ячейки при разных значениях напряжения, показаны на фигуре 5, они демонстрируют работу ячейки при различных уровнях прикладываемого напряжения. Фигура 5 служит для демонстрации работы фильтра с использованием экспериментальных данных. Сплошной кривой обозначен спектр, полученный при приложении напряжения 3,8 В, пунктирной кривой обозначен спектр, полученный при приложении напряжения 4,3 В, точечной кривой обозначен спектр, полученный при приложении напряжения 4,8 В. Чтобы восстановить спектр отражения образца, необходимо получить сигнал b и фильтровать излучение, отраженное от образца, и проходящее через жидкокристаллическую ячейку. Точный спектр определяется путем решения вышеупомянутого выражения.

Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения, не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.

Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.

Изобретение относится к устройствам и способам для осуществления и управления оптической фильтрацией длины волны. Перестраиваемый оптический фильтр содержит источник света, поляризатор, входной оптический элемент, жидкокристаллическую ячейку, выходной оптический элемент, блок управления. Входной оптический элемент, жидкокристаллическая ячейка и выходной оптический элемент наклонены по отношению к падающему оптическому излучению от источника света под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение для диапазона длин волн падающего оптического излучения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, когда заданное напряжение не подается на жидкокристаллическую ячейку, и прохождение рабочей части диапазона длин волн оптического излучения через жидкокристаллическую ячейку и выходной оптический элемент, и полное внутреннее отражение оставшейся части диапазона длин волн оптического излучения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, когда заданное напряжение подается на жидкокристаллическую ячейку. Изобретение обеспечивает уменьшение размера устройства и энергозатрат. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Перестраиваемый оптический фильтр, содержащий:

источник света;

поляризатор;

входной оптический элемент;

жидкокристаллическую ячейку, содержащую электроды, без зазоров прилегающую к входному оптическому элементу,

выходной оптический элемент, без зазоров прилегающий к жидкокристаллической ячейке;

блок управления, выполненный с возможностью подачи заданного значения напряжения на жидкокристаллическую ячейку через подсоединенные к ней электроды;

причем входной оптический элемент и выходной оптический элементы имеют одинаковый показатель преломления, больший показателя преломления жидкокристаллической ячейки для диапазона длин волн падающего оптического излучения без подачи на нее напряжения,

при этом входной оптический элемент, жидкокристаллическая ячейка и выходной оптический элемент наклонены по отношению к падающему оптическому излучению от источника света под углом, обеспечивающим:

полное внутреннее отражение для диапазона длин волн падающего оптического излучения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, когда заданное напряжение не подается на жидкокристаллическую ячейку, и

прохождение рабочей части диапазона длин волн оптического излучения через жидкокристаллическую ячейку и выходной оптический элемент и полное внутреннее отражение оставшейся части диапазона длин волн оптического излучения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, когда заданное напряжение подается на жидкокристаллическую ячейку,

причем заранее определено соответствие между упомянутой рабочей частью диапазона и заданным значением напряжения.

2. Перестраиваемый оптический фильтр по п.1, в котором источник света испускает когерентное коллимированное оптическое излучение.

3. Перестраиваемый оптический фильтр по п.1, в котором источник света испускает некогерентное коллимированное оптическое излучение.

4. Перестраиваемый оптический фильтр по п.1, в котором поляризатор представляет собой поляризационную пластину.

5. Перестраиваемый оптический фильтр по п.1, в котором поляризатор представляет собой поляризатор на основе проволочной сетки.

6. Перестраиваемый оптический фильтр по п.1, в котором поляризатор представляет собой тонкопленочный поляризатор.

7. Перестраиваемый оптический фильтр по пп.2-6, в котором входной оптический элемент выполнен из фотополимера.

8. Перестраиваемый оптический фильтр по п.1, в котором выходной оптический элемент выполнен из фотополимера.

9. Перестраиваемый оптический фильтр по п.1, в котором входной и выходной оптические элементы выполнены из стекла.

10. Перестраиваемый оптический фильтр по п.1, в котором каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента является оптическим волокном.

11. Перестраиваемый оптический фильтр по п. 1, в котором каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента является голографическим оптическим элементом.

12. Перестраиваемый оптический фильтр по п. 1, в котором каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента является призмой, выполненной из фотополимера.

13. Способ перестроения длины волны, содержащий этапы, на которых:

испускают оптическое излучение;

поляризуют оптическое излучение;

направляют поляризованное оптическое излучение на входной оптический элемент, жидкокристаллическую ячейку, прилегающую к оптическому элементу без зазоров, выходной оптический элемент, прилегающий к жидкокристаллической ячейке без зазоров,

подают заданные значения напряжения на жидкокристаллическую ячейку,

причем

входной оптический элемент, жидкокристаллическая ячейка и выходной оптический элемент наклонены по отношению к оптическому излучению от источника света на угол, обеспечивающий

прохождение рабочей части диапазона длин волн оптического излучения через жидкокристаллическую ячейку и выходной оптический элемент и полное внутреннее отражение оставшейся части диапазона длин волн оптического излучения внутри входного оптического элемента от границы раздела входного оптического элемента и жидкокристаллической ячейки, когда заданное значение напряжение подается на жидкокристаллическую ячейку,

причем заранее определено соответствие между упомянутой рабочей частью диапазона и заданным значением напряжения.

14. Способ по п. 13, в котором источник света испускает когерентное коллимированное оптическое излучение.

15. Способ по п. 13, в котором источник света испускает по меньшей мере одно некогерентное коллимированное оптическое излучение.

16. Способ по п. 13, в котором

поляризация оптического излучения осуществляется через поляризатор, представляющий собой поляризационную пластину.

17. Способ по п. 13, в котором

поляризация оптического излучения осуществляется через поляризатор, представляющий собой поляризатор на основе проволочной сетки.

18. Способ по п. 13, в котором

поляризация оптического излучения осуществляется через тонкопленочный поляризатор.

19. Способ по пп. 14-18, в котором каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента является оптическим волокном.

20. Способ по пп. 13-16, в котором каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента является голографическим оптическим элементом.

21. Способ по пп. 13-16, в котором каждый из входного оптического элемента и выходного оптического элемента является призмой, выполненной из фотополимера.