Электроуправляемый светофильтр для видимой области спектра Советский патент 1984 года по МПК G02F1/23 

2. Светофильтр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью снижения управляющего напряжения, между всеми поляризаторами введены жидкокристаллические твист-ячейки с нанесенными на них электродами, подключенными к блоку управления, которые расположены так, что направление ориентации молекул у поверхностей жидкокристаллических ячеек совпадает, либо перпендикулярно осям пропускания поляризаторов, а также пассивная фазовая пластинка, расположенная между нейтральными поляризаторами так, что направление ее быстрой и медленной осей совпадает с направлениями индуцированных быстрой и медленной осей элемента с электрически управляемым двулучепреломлением, расположенного между этими же поляризаторами.

1. ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМЫЙ СВЕТОФИЛЬТР ДЛЯ ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА, состоящий из двух нейтральных поляризаторов и элемента с электрически управляемым двулучепреломлением с нанесенными на него электродами, подключенn(), ., ными к блоку управления с нулевым начальным двулучепреломлением, изготовленного из материала, позволяющего осуществить цветовую модуляцию с выделением полос пропускания второго порядка и более, расположенного между нейтральными поляризаторами, так, что азимут его индуцированной быстрой оси составляет угол 45° с направлением осей пропускания поляризаторов, отличающийся тем, что, с целью выделения спектрально чистой полосы пропускания, в него дополнительно введены до первого и после второго нейтрального поляризатора еще по одному идентичному элементу с электрически управляемым двулучепреломление.м и но одному хроматическому поляризатору, один из которых установлен до, § а другой после введенных элементов так, что их оси наибольщего пропускания парал(Л лельны или перпендикулярны осям пропускания нейтральных поляризаторов.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в оптоэлектронике, оптическом и голографическом приборостроении, в цветном к спектральном телевидении и фотографии.

Известны устройства, позволяющие непрерывно перемегцать спектральные полосы, где в качестве формирующих и перемещающих полосу пропускания по спектру используются элементы с электрически управляемым двулучепреломлением 1.

Однако эти устройства характеризуются недостаточной чистотой спектральных характеристик.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является электроуправляемый светофильтр для видимой области спектра, состоящий из двух нейтральных поляризаторов, между которыми находится элемент с электрически управляемым двулучепреломлением, с пулевым начальным двулучепреломлемнием с нанесенными на него электродами, подключенны.ми к блоку управления, изготовленный из материала, позволяющего осуществить цветовую модуляцию с выделением полос пропускания второго порядка и более, расположенный так, что азимут его оптической оси составляет угол 45° с направлением осей пропускания поляризаторов 2.

Недостаток известного устройства - одновременное сосуществование нескольких полос пропускания, что не позволяет получить чистые спектральные цвета.

Цель изобретения - обеспечение возможности выделения спектрально чистой полосы пропускания.

Поставленная цель достигается тем, что в электроунравляемый светофильтр для видимой области спектра, состоящий из двух нейтральных поляризаторов и элемента с электрически управляемым двулучепреломлением с нанесенными на него электродами, подключенными к блоку управления с нулевым начальным двулучепреломлением, изготовленного из материала, позволяющего осуществить цветовую модуляцию с выделением полос пропускания второго порядка

и более, расположенного между нейтральными поляризаторами, так, что азимут его индуцированной быстрой оси составляет угол 45° с направлением осей пропускания поляризаторов , дополнительно введены до первого и после второго нейтрального поляризатора еще по одному идентичному элементу с электрически управляемым двулучепреломлением и по одному хроматическому поляризатору, один из которых установлен до, а другой после введенных элемектов так, что их оси наибольщего пропуска-ния параллельны или перпендикулярны осям пропускания нейтральных поляризаторов. Кроме того, для снижения управляющего напряжения, между всеми поляризаторами могут быть введены жидкокристаллические

твист-ячейки с нанесенными на них электродами, подключенными к блоку управления, которые расположены так, что направление ориентации молекул у поверхностей жидкокристаллических ячеек совпадает, либо перпендикулярно осям пропускания поляризаторов, а также пассивная фазовая пластинка, расположенная между нейтральными поляризаторами так, что направление ее быстрой и медленной осей совпадает с направлениями индуцированных быстрой и медленной осей

элемента с электрически управляемым двулучепреломлением, расположенного между этими же поляризаторами.

На фиг. 1 представлена схема электроуправляемого светофильтра; на фиг. 2 - спектральные кривые пропускания хроматических поляризаторов.

На фигурах приняты следующие обозначения: хроматические поляризаторы (ХП) I и 2; жидкокристаллические твист-ячейки (ЖКЯ) 3-5; элементы с электрически управляемым двулучепреломлением или электрооптические фазовые пластинки (ЭОФП) 6- 8; нейтральные поляризаторы (НП) 9 и 10; пассивная фазовая пластинка (ФП) 11; изотропный светофильтр 12, используемый для устранения фона в красной и инфракрасной областях спектра. НП поляризует свет по всей видимой области спектра, а ХП - только в определенных частях спектра. Так же, как и НП они имеют два спектральных коэффициента пропускания К и К,..измеренных при двух взаимно ортогональных направлениях поляризации падающего на них линейно поляризованного света. ХП 1 является поляризатором и сине-зеленой части спектра (область 13 на фиг. 2), а ХП 2 -- поляризатором в зелено-красной части спектра (область 14 на фиг. 2). В ХП, использованных в фильтре, области поглощения, определяемые кривыми 15 и 16 (соответственно для Кг и Ку)., должны либо взаимно перекрываться, либо соприкасаться (область 17, фиг. 2) При соблюдении данного условия ХП 1 и ХП 2 могут работать как поляризаторы в двух взаимно дополнительных частях спектра перекрывая при этом весь спектр. Кроме того, ХП могут быть использованы и как цветные светофильтры (так, например ХП 1 в области 13 спектра фиг. 2) может быть использован как поляризатор, а в области 14 спектра - как светофильтр) для этого ХП 1 устанавливается так, чтобы его ось наибольшего пропускания была перпендикулярна направлению поляризации падающего на него света, при этом он характеризуется спектральной кривой 16 пропускания и, отрезая таким образом область 13, пропускает область 14. Аналогично может быть рассмотрено действие ХП 2. На фиг. 2 приведена спектральная характеристика изотропного фильтра 12 (кривая 18). Интенсивность света, выходящего из системы, состоящей из двух взаимно параллельных поляризаторов и двупреломляющего элемента (т. е. фазовой пластинки), помещенной между ними так, что ее быстрая ось (или медленная) составляет угол 45° с направлением главных осей пропускания поляризаторов (при этом осуществляется интерференция поляризационных лучей ИПЛ) описывается формулой I TloCOS -|где Ь 77- интенсивность падающего света; 5 (2) сдвиг фазы, создаваемый фазовой пластинкой;АИ -показатель двупреломления; ct - толщина пластинки; Д-длина волны. Как видно из формул (1) и (2), пропускание системы различно для разных длин волн и максимумы светопропускания имеют место для длин волн Л,..которые умещаются «елое число раз в разности хода Г д nd, создаваемой фазовой пластинкой, а минимумы - для волн, умещающихся полуцелое число раз, т. е. удовлетворяются условия And 2m +1.„. Л 2 3) где m -целое число. Величина т,., определенная по формуле (3), носит название порядка интерференции для данной длины волны Л...Для разных длин волн проходит различная доля начальной интенсивности светового потока, вследст вие чего вышедщий свет имеет окраску, которая различна в зависимости от разности хода Г, создаваемой фазовой пластинкой. Формула (3) показывает, что определенный порядок интерференциит для длины волны Д достигается при определенных значениях коэффициента двупреломления лп , который случае, если используется ЭОПФ, индуцируется электрическим полем и зависит от Величины прикладываемого напряжения U. Сформировав полосу пропусканият-го порядка на длине волны Л,.непрерывным изменением управляющего напряжения U возможно непрерывно смещать эту полосу пропускания по спектру (в данном случае непрерывное изменение управляющего напряжения Ц вызывает непрерывное изменение коэффициента двупреломления Лц ,..и порядок интерференции m имеет место уже для других длин волн, причем перемещение полосы т-го порядка вследствие непрерывности изменения Лп .становится непрерывным). В случае, если мы имеем составную фазовую пластинку, которая в данной схеме представлена элементами ФП 11 (пассивная ФП) и ЭОПФ 7, общая разность фаз б-ь.задается постоянной nst.H пере.менной 5 (формула 2 частью для ФП 11 и ЭОПФ 7 соответственно, т. е. 5V Sconsf-d(4) В данном случае перемещение полосы пропускания осуществляется благодаря переменной части сдвига фаз S. В данной схеме вместо составной фазовой пластинки может быть также использован элемент с электрически управляемым двулучепреломлением с ненулевым начальным двупреломлением, обеспечивающим начальную разность хода, которая создавалась пассивной ФП. ИПЛ может иметь место и в ХП, в частности ИПЛ можно наблюдать в области 13 спектра (фиг. 2) для последовательности элементов 1-6-9 и в области 14 спектра (фиг. 2) для последовательности элементов 10-8-2. В случае использования жидкокристаллических ячеек (ЖКЯ) формирование оптических характеристик фильтра происходит следующим образом. В исходной позиции напряжение не подается ни на одну ЭОПФ ни на одну ЖКЯ, а все поляризаторы

как НП, так и ХП характеризуются нейтральными кривыми пропускания (для ХП 1 и 2 это кривые 19 и 20 (фиг. 2). Подачей напряжения на ЖКЯ 5 изменяют азимутальную ориентацию- ХП 2. Теперь он характеризуется кривой 15 пропускания. В этом случае через весь фильтр может пройти только область 13 спектра. Функция изменения азимутальной ориентации ХП 2 может быть осуществлена и подачей полуволнового напряжения на ЭОФП 8, но в данном случае слегка ухудшаются характеристики передачи ХП вследствие дисперсии полуволнового напряжения ЭОФП 8. При подаче напряжения на ЭОФП 6 и ЭОФП 7 в ступенях фильтра 1-6-9 и 9-7- 10 осуществляется ИПЛ с выделением полос m и 2гп порядка соответственно. Прикладываемые напряжения в обеих ступенях рассчитываются таким образом, что максимумы светопропускания для порядков интерференции гтт.и 2т.получаются на одной и той же длине волны Л,.т. е. максимумы светопропускания для данной длины волны в обеих ступенях фильтра совпадают, а минимумы в ступени 1-6-9 имеют место для тех длин волн, для которых в ступени 9-7-10 осуществляются максимумы светопропускания. Таким образом соседние полосы пропускания уничтожаются и остается только выделенная полоса с полушириной, определяемой порядком интерференции.

Аналогично происходит формирование полосы пропускания в области 14 спектра, которая выделяется либо благодаря подаче соответствующего полуволнового напряжения на ЭОФП 6, либо подачей напряжения на ЖКЯ 3. В данном случае ХП 1 характеризуется кривой пропускания, а в ступенях фильтра 9-7-10 и 10-8-2 осуществляется ИПЛ с порядком интерференции 2т и m соответственно. Непрерывное смещение полосы пропускания от правой крайней границы области 13 до левой крайней границы области 14, т. е. от Л i до Л происходит благодаря ИПЛ, осуществляемой во всех трех ступенях фильтра, причем в ступенях фильтра 1-6-9 и 10-8-2 осуществляется ИПЛ порядка т, а в ступени 9-7-10 - интерференция порядка 2п),причем в ступени 1-б-9 формируется максимум и передний фронт полосы пропускания in порядка, а в ступени 10-8-2 - максимум и задний фронт полосы того же порядка. Эти максимумы имеют место для одной и той же длины волны и, т. е. совмещаются и, в целом ступенями 1-6-9 и 10-8-2 формируется полоса пропускания порядка интерференции гп,.Таким образом, эти ступени можно рассматривать как одну ступень, дающую порядок интерференции m для длины волны Я , при соответствующем управляющем напряжении и, как в описанных выше случаях, через фильтр в целом проходит полоса пропускания с полушириной определяемой порядком интерференции 2(Tt без побочных полос пропускания, которые гасятся в ступенях 1-6-9 и 10-8-2. Изменяя управляющие напряжения во всех трех ступенях от значений, которые дают максимум светопропускания на длине волны Л1ДО значения, дающего максимум светопропускания для длины волны Лг.,,.осуществляют непрерывное

Q смещение полосы пропускания от Я$ доЛг. Вышеописанная последовательность перемещения полос пропускания не является однозначно возможной, так как схема позволяет получить любую последовательность смены цветов. Аналогично может быть осу5 ществлена работа фильтра и в скрещенных поляризаторах, только в этом случае максимумы имеют место для получения значений m т „ т. е. -g-Работа фильтра с пониженным управляющим напряжением осуществляется слёдую щим образом.

ИПЛ, осуществляемая в параллельных поляризаторах 9 и 10 и ФП 11, создает полосы пропускания с максимумами на определенных длинах волн, которые становятся

5 минимумами в скрещенных поляризаторах, т. е. картина меняется на дополнительную. Пример. Рассмотрим полосу пропускания с максимумом наЛ. Непрерывно изменяя напряжение на ЭОФП 7 от О до и/Уд, перемещают максимум полосы пропускания до г

0 Та же полоса пропускания с максимумом при Л..может быть получена в скрещенных поляризаторах. Изменение ориентации поляризаторов осуществляется с помощью ЖКЯ 4. Отключая теперь ЭОФП 7 и подавая напряжение на ЖКЯ 4, получают данную

5 полосу пропускания на. Снова непрерывно изменяя напряжение на ЭОФП 7 от О до Ш/2,, получают полосу пропускания с максимумом на Яз. Ту же полосу пропускания можно получить и отключая ЖКЯ 4 и ЭОФП

0 7 и т. д. Таким образом, каждый раз напряжение на ЭОФП 7 меняется не более чем до Urt/2, и при этом осуществляется непрерывное смещение максимума полосы. Способ применим и в случае, если полосы пропускания формируются только ЭОФП

5 без пассивных фазовых пластинок, только в данном случае напряжение на ЭОФП изменяется не от О до Ua/j,. а от значения U, при котором были выделены полосы пропускания с порядком интерференции m до и-ь ил/г. Рассчитав необходимые напряжения в каждой секции для того, чтобы совмещались максимумы выделяемых полос и осуществляя вышеописанный способ управления, перемещают полосу пропускания по спектру в областях, выделяемых с по5 мощью ХП.

Предлагаемое устройство позволяет выделить спектрально чистую полосу пропускания. Т% П