Электрооптический модулятор керра Советский патент 1978 года по МПК G02F1/07 

(54) ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР КЕРРА

Изобретение относится к электроопти ческим модуляторам света и может быть использовано в фототелеграфной аппаратуре, в аппаратуре звукозаписи и в дру гих приборах, где требуется преобразование электрических сигналов в видимые элементы изображения и запись производится на светочувствительные слои путе модуляции светового потока. Известен электрооптический модулято света, работающий на эффекте Керра ij Такие модуляторы малоинерционны, но они имеют очень малое входное оптическое отверстие, что практически полностью исключает возможность их применения в аппаратуре телеграфной (фото) и звукозаписи. Для того,чтобы не увеличивать расстояние яежду управляющими электродами на вход известного модулятора пода ется почти параллельный пучок света с очень малым сечением (около ) . Уве личение же этого расстояния приводит к необходимости пропорционального уве личения управляющего напряжения. Известны жидкостные модуляторы на основе эффекта Керра, которые имеют также некоторое применение в технике высоких частот в светодальномерах (радиогеодезии). Такие модуляторы малоинерционны; в конструктивном отношении они очень простые и эконсянически оправданы, например, при использовании их в светодальномерах стоимость такого модулятора составляла около 50 руб, в то время как кристаллические модуляторы имеют стоимость от 1000 до 2500 руб. Известные модуляторы обеспечивают работу на частотах сотни мегагерц, но для уменьшения управляющего напряжения и подводимую к модулятору мощность несколько ограничивают глубину модуляции (до 50%). Kpcwe того, во всех этих устройствах они имеют такое конструктивное выполнение, которое обеспечивает возможность работы только при подаче на вход светового потока в виде параллельного пучка лучей (большей части диаметр пучка от 1 до 3 мм). Ближайшим по технической сущности к описываемому изобретению является электрооптический модулятор, содержащий оптический фокусирующий элемент (линзу) , поляризатор, модуляторную ячейку, выполненную в виде кюветы, заполненной нитробензолом, в которой установлены параллельно один к другому два электрода, и анализатор З. Хотя в модуляторе и происходит фокусировка попадающего в ячейку светового пучка , однако в нем не обеспечивается найлучиия световая эффектив ность модулятора и параметры его эле.ментов не определены, т.е. он имеет низкую световую эффективность. С целью повышения световой эффектив ности в предлагаемом модуляторе оптиче кий фокусирующий элемент выполнен таки образом, что он формирует сходящийся- пучок света с апертурньм углом более 10, на пути которого последовательно расположено К модуляторных ячеек, при этом К выбрано из усЛовия egciod-M) )-2 V вх у где К - ближайшее целое число; м - требуемая глубина модуляции в процентах, й доля светового потока, получающаяся на выходе одной ячейки, установленной на темноту за счетДёпоЛяриэации света при отражении его от внутренних поверхностей электродов, на которые нанесен слой вещества с показателем преломления света меньшим чем у нитробензола, например стекло легкий крон или плавленный кварц, Д на электродов в направлении распространения света определяется условием .М tg-в .где N - число отражений от внутренних поверхностей электродов для крайних лучей падающего на модулятор сходящегося светового пучка ( N 100(3 - расстояние между электро,дами;. &- угол между внутренней поверхностью электродов и направлением падения на нее крайнего луча, ширина электродов выбрана в пределах попереч ного размера светового пучка, падающе го на модулятор. С целью упрощения конструкции в предлагаемом модуляторе электроды модуляторных ячеек вместе с анализатора ми могут быть заключены в одну кювету при этом анализатор предыдущей ячейки служит поляризатором последуквдей ячей ки. При подаче сходящегося светового потока с апертурным углом 20-30° количество света, которое можно пропустить через такой модулятор, может воз расти в 500-2000 раз, что значительно- : повышает его световую эффективность. Частичная деполяризация света .возникающая при отражении от внутренних поверхностей электродов, может пр вести к понижению глубины модуляции светового потока до 80% в зависимости от длины электродов и расстояния между электродами. В тех случаях, когда это недопустимо, глубина модуляции может быть повышена до требуемого значения путем повторного пропускания света через такой же модулятор (только без поляризатора). На фиг. 1 приведена схема предлагаемого модулятора; на фиг. 2 - схема прохождения светового луча в модуляторной ячейке; на фиг. 3 и 4 - схемы с использованием в качестве оптических элементов для получения сходящегося светового потока цилиндрических и соответствующих сферических линз, на фиг. 5 - схема модулятора при прохождении света через две последовательно расположенные модуляторные ячейки; на фиг. б - реализация модулятора, когда две последовательно включенные модуляторные ячейки выполнены в виде одной общей конструкции; на фиг. 7 - модуляционные характеристики для работы одной модуляторной ячейки и двух последовательно установленных ячеек соответственно; на фиг. 8 и 9 - диаграммы взаимного положения плоскостей пропускания поляризатора и обоих анализаторов для двух режимов работы,при прохождении света через две модуляторные ячейки. Предлагаемый модулятор содержит модуляторную ячейку, выполненную в виде стеклянной кюветы 1, заполненной жидкостью (например, нитробензо-, лом),-которая под действием электрического поля становится анизотропной. Внутри стеклянной кюветы 1 помещаются два электрода 2. На входную щель, образовавшуюся между этими электродами, с помощью оптического элемента 3 подается сходящийся пучок света 4. Перед модуля-торной ячейкой находится поляризатор 5,а за ней анализатор б.Длина управляК)щих электродов 2 в направлении распространения света t при заданном значении апертурного угла ip и ,расстоянии между электродами с(. устанавливается такой, что для большей части световых лучей имеет место отражение их от внутренних поверхностей управляющих электродов. Число отражений должно быть небольшим, так как каждое отражение понижает глубину модуляции одноячейкового модулятора примерно на 1 % (при оптимальных соотношениях показателей преломления и ) N 100-M, где ЛЛ - глубина модуляции; N - число отражений; в - угол между, внутренней пойерхностью электродов 2 и направлением падения луча в среде нитробензола.

На фиг. 2 показан ход лучей внутри модуляторной ячейки, при этом Пд - показатель преломления среды, из которой световой луч 1 входит в ячейку; же, для материала, из которого изготовлена кювета; г то же, для нитробензола; П, - то же, для материала, которым покрыта внутренняя поверхность уп эавляющего электрода 2; f - угол падения луча света на входе ячейки; 1дол преломления в толще стекла; & - угол, образованный падакяцим лучом 7 с поверхностью управляющего электрода,

В точке падения луча 7 имеет место полное внутреннее отражение, причем этот луч отклоняется на такой же уголв

Модулятор работает следующим образом.

При подаче на вход модулятора сходящегося пучка светового потока возможны два .Варианта его формирования,

В первом варианте создается световой конус сходящегося пучка света 4 (фиг. 3), ось этого конуса расположена нормально к оптической оси анизотропной среды, определяемой .направлением электрического поля между управляющими электродами 2 модулятора. Такое формирование конуса лучей получается, например, когда в параллельный пучок света ставится собирающая сферическая линза, сходящийся пучок света 4 собирается на входную щель модулятора 8 в виде небольшого светящегося пятна, В варианте (фиг, 4) на пути параллельного пучка света ставится собирающая цилиндрическая линза, с пс 1ощью которой создается сходящийся световой пучок 4, сжатый только в одной плоскости, а в др.угой (взаимно перпендикулярной плоскости) лучи остаются параллельными друг другу.

На входе ячейки создается узкая светящаяся полоска. В первом варианте плоскости падения всех световых лучей различны и они образуют различные углы с плоскостями главного сечения оптической системы, а во втором варианте плоскости падения всех световых лучей параллельны друг другу и они совпадают с плоскостями главного сечения оптической системы, поэтому условия: для появлений в системе неоднородноетей в освещенности значительно уменьшаются. Каждый из этих вариантов формирования светового потока имеет свои преимущества и свои недостатки, и окончательный выбор из них определяется в каждом отдельном случае условиями работы прибора .:

Первый вариант обеспечивает меньшую Межэлектродную емкость и, следовательно, меньшую инерционность, т.е. имеется возможность пропускать более широкую полосу частот в пределах многих сотен тысйч герц, а при увеличении управляющей мощности - и мегагерц, .

. Второй вариант образования сходящегося пучка света приводит к необходимости увеличения размера управляющих электродов в направлении, перпендикулярном распростране,нию света а, следовательно, и их электрической емкости. Это, в свою очередь, повышает инерционность системы по сравнению с первым, вариантом. Однако качество светящегося изображения на выходе модулятора

10 получается в этом случае более однородным, поэтому, для полосы частот в пре;делах сотни тысяч герц- следует рекомендовать второй вариант образования сходящегося светового потока, а для

5 больших скоростей работы лучше брать первый вариант образования сходящегося светового потока.

-Для уменьшения степени, деполяризации света при отражениях в описьшаемом модуляторе использованы такие материалы, чтобы разница между показателями преломления оптически более плотной среды и оптически менее плотной была бы незначительной. Так, например, для угла

25 падения лучей света . входе модулятора оптимальное значение этой разницы составляет 0,03-0,04, В этом случае/плоско-поляризованный луч при каждом отражении хотя и становится элепти30 чески поляризованным, но разница фаз между компонентами отраженной волны, лежащими в плоскости падения и перпендикулярно J плоскости падения, не превышает (2,5-3). Расчет этого сдвига

35 сУ производится по следующейформуле

tc,.-l-V((2) 2 lij einV

где Il2 - показатель преломления среды оптически более плотной;

llj - показатель преломления среды оптически менее плотной;

Ц - угол наклона лучей, падающих HI границу раздела сред по отношению к нормам (фиг. 2)

. « : V«j-«

Q- угол, образованный падакяцим

пуча с поверхностью управляющего электрода..

В модуляторной ячейке основной средой является нитробензол, показатель преломления которого в диапазоне длин

волн от Л-0,5 мк до Л 0,645 мк имеет значение. от П 1,5685 до П2 1,5472. Внутреннюю поверхность управляющих электродов покрывают, например, стеклом легкий крон, которое имеет для

указанного диапазона длины волн показатель преломления от ,521 до Hj 1,51. Эта разница, показателей преломления между нитробензолом и стеклом легкий крон является для используемых условий близкой к сэттимальной. Пригоден также плавленный кварц, имеющий значение показателя прелсмления , для видимого диапазона лучей й пределах от 1,4560 до 1,4697. Однако, так как разница в значении показателя пре лсмления у кварца и у нитробензола больше, чем у стекла легкий крон и ви робензола, то это приводит к нескольк большей деполяризации света, что неж1элательно. При правильном и оптимальном выбор конструктивных элементов описываемая конструкция позволяет значительно уве личи.ть количество света, проходящего через модулятор (более чем в 500 раз) при крайне незначительных потерях све та за счет отражения (без увеличения управляющего напряжения на электродах В тех же случаях, когда по условиям работы прибора требуется значительно снизить управляющее напряжение, приходится увеличивать длину б электро дов (в направлении распространения све та) и уменьшать расстояниеd между эле тродами, так как напряжение определяе ся из выражения где В - постоянная Керра; ид|2 полуволновое напряжение (т.е. напряжение,при котором обеспечивается поворот плоскости поляризации на угол -§ Как следует из выражения (1) этоТ1 путь снижения U д приводит к увеличению числа отражений N и, следователь но, к увеличению делолявизующей части света. Так, например, при мм, (,5 мм, f 20°,число отражений ,N согласно выражению (1) составляет .... N«-|-tgre |-|tgre, (5) где угол&. определяется для нйтрЪ бензола следующим образом. Если апертурный угол падающих на модулятор лучей света tf 20 и показа тель преломления для нитробензола ,563 (для ,52 мм), то можно написать следующие соотношения (фиг. 2) Пр 61П 4 ч в Hjj sine-, (б так как п, (для воздуха) , , 563,то ттй Откуда, согласно выражению (1) .,224-18При мм, ,5 мм и If 20 N « 9. При таком относительно большомчис ле отражений (для самых крайних сходя щихся лучей света) деполяризованная часть света в одном случае составляет лО 17%, а в другом случае - 8,5%, что приводит к соответствующему понижению глубины модуляции в одном случае почти до 80%, а в другсм случае-до 90% (см. вариант № 1 и 2 в таблице). В тех случаях, когда глубина модуляции в 80% и 90% по условиям работы прибора допустима,этот режим может быть принят,Однако,если это не приемлемо,то может быть использован следующий путь для (снижениявлияния деполяризующей части света на глубину модуляции: световой поток после прохождения через первую модуляторную ячейку направляется на такую же вторую1модуляторную ячейку (фиг. 5). На выходе второй модуляторной ячейки за счет деполяризации опять останется световой поток, равный 17% от входного потока для первого варианта и 8,5% для второго варианта. Таким образом, для первого варианта после второй ячейки деполяризующая часть света составляет 0,17 xO,l7 ,029, т.е. 2,9%, а для второго варианта -- 0,085 X 0,085 0,0072, т.е. 0,72%, что повышает глубину модуляции в одном случае до 97%, а в другом до 99% (рассматривается режим модулятора, установленного на темноту). Если требуется еще больше подавить деполяризующуюся часть света,то можно пропустить световой поток через третью модуляторную-ячейку, что приводит к дальнейшему повышению глубины модуляции. Число необходимых модуляторных ячеек К для обеспечения требуемой, глубины модуляции может быть определено из следующего выражения egcioo-MV2 :j.4 (ближайшее целое ц Va число) где М - требуемая глубина модуляции, %;ф,.... -доля светового потока на выходе одной модуляторной ячейки, установленной на темноту от потока на входе (за счет деполяризации). В тех случаях, когда по конструктивным соображениям нежелательно включать последовательно несколько модуляторных ячеек, можно применить ячейку с меньшим числом отражений. Например, по пункту 8 таблицу при мм, 30,5 мм, число отражений светового потока от внутренних поверхностей , глубина модуляции в одной ячейке составляет 98%, а при двух ячейках достигает почти 100%. При последовательном прохождении света через ряд модуляторных ячеек анализатор, установленный в предыдущей модуляторной ячейке, выполняет одновременно функции поляризатора для последующей модуляторной ячейки. Модуляционная характеристика для двух последовательно включенных модуляторных ячеек (фиг. 7, вторая кривая) имеет большую крутизну, чем длд одной ячейк (фиг, 7, первая кривая). Если к такой системе подвести постоянное смещение, равное около 0,75ид/2,то при работе в черно-белом режиме для .управления модулятором потребуется сигнал, равны только О ,25 ид/2. При работе в полутоновом режиме эт характеристику необходимо видоизменит путем включения нелинейных элементов, для обеспечения правильного воспроизведения оптических плотностей. Взамен пропускания света через ряд последовательно включенных модуляторных ячеек (фиг. 5) можно в целях упро щения и удешевления конструкции приме нить усТройстёо с двумя или тремя отдельными модуляторными ячейками (фиг. 6), состоящее из стеклянной ячейки, заполненной нитробензолом, двух или трех пар управляющих электродов 2 и анализатора 6 (одного или двух, в зависимости от числа пар электродов), зажатого вплотную между обеими парами смежно расположенных с ним электродов. Со стороны входа этого устройства находился поляризатор 5 и оптическая система 3, обеспечивающая получение сходящегося иучка света, а со стороны выхода - анализатор также оптическая система. Благодаря такому способу решения задачи по сравнению со способом последовательного пропускания света чере отдельные (одноячейковые) модуляторы (фиг. 5). отпадает необходимость устанавливать между модуляторами оптические элементы; уменьшаются габариты все го прибора и общие потери света. При практической реализации двухячейкового модулятора (в одном корпусе чтобы весь световой поток, который выходит из щели первой ячейки должен попасть во входную щель второй ячейки. Для этого расстояние между электро дами во второй ячейке берется несколь ко большим, чем расстояние между элек тродами в первой ячейке. Величина этой разности (d - d,) определяется толщиною зажатого между ячейками анализатора. При использовании для модуляции двух отдельных модуляторных ячеек (фиг. 1) или одного двухячейкового модулятора (фиг. 6) устанавливается оптимальное вэаимоположение плоскостей пропускания поляризатора и обоих анализаторов. Здесь может быть предложено большое число вариантов,решающих эт задачу.Для каждого из этих вариантов требуется вполне определенное соотнсяие ние между значениями напряжений,подвод мых к обоим парам управляющих электро дов . Так как в жидкостных электроопти ческих модуляторах света имеет место квадратичная зависимостьизменения разности фаз от модулирующего напряже ния, а интенсивность света на выходе юдулятора пропорциональна квадрату синуса от разности фаз, то начальный участок роста светового потока от приложенного напряжении получается очень пологим, т.е. практически малоэффективным (фиг. 7) , Лрй этом по оси ординат отложен относительный рост светового потока, а по оси абсцис-относительное значение приложенного к электродам напряжения. Кривая 1 (фиг. 7) для одной модуляторной ячейки, а кривая 2 для двух последовательно включенных модуляторных ячеек, причем для кривой 1 на участке изменения напряжения от нуля до(0,3 - 0,4) ид,2 световой поток меняется очень мало (на 3-5%), поэтому лучше к такому модулятору приложить постоянное напряжение, равное и д,2, а затем уменьшить его до (0,60,7) от Uj(2,.B этом случае изменяющаяся часть напряжения на электродах должна составлять только (60-70%) от максимального, что облегчает схемную реализацию устройства. Взаимное положение плоскости про пускания поляризатора 5 и обоих анализаторов при работе по схеме, привеЬ денной на фиг. 5 или фиг. 6,,/будет следующим (см. диаграмму на фиг. 8)Г анализатор 6 расположен накрест с ана лизатором б . При отсутствии сигнала из канала связи свя зи с этим плоскости поляризации в обоих модуляторах поворачиваются на 90°. Слет через систему проходит максимальный. В момент прихода -из канала связи управляющего сигнала напряжения U и U начинают уменьшаться, а плоскости поляризации вращаются в обратную сторону, стремясь к своему исходному положению.В этом случае в первой ячейке nqf ляризованный свет задержится aнaлизaтClfром 6.Деполяризованная ,же часть звета т.е. та часть, у которой плоскость колебаний совпадает с направлением пропускания анализатора б , проходит через этот анализатор, но при этом этот остаток светового потока становится снова плоско-поляризованным. Пройдя через ячейку второго модулятора, этот остаток повторно значительно уменьшается и практически может дальше не учитываться. В тех случаях, когда в исходном положении (при. отсутствии сигнала из канала связи) свет через модулятор не должен проходить, взаимное положение плоскостей пропускания поляризатора и обоих анализаторов должно быть следующим (фиг. 9)::анализаторы 6 и 6 расположены параллельно поляризатороу 5. В исходном положении к обоим управляющим электродам подводится напряжение ,2 и .cBeT через систему в этом случае не проходит. С приходом управляющего сигнала из канала связи

11

напряжения U и Uj одновременно уменьшается, а свет через систему модуляторов увеличивается, достигнув своего полного значения, когда U и Ug падают до установленной величины.

Для фототелеграфной аппаратуры, работгиощей в телефонном канале, нужен модулятор с не очень высоким напряжением для управления (пункты 2 и 3 таблицы) . Можно сделать сравнительную оценку световой эффективности модулятора по пункту 2 таблицы (И 20 мм, с| 0,5 В) при подаче на йего сходящегося светового потока с апертурным углом 20 с модулятором, выполненным также на основе эффекта Керра с тем же расстоянием между электродами й«0,5 мм, но при подаче на его вход параллельного пучка света d « Ю,5 O4. Для образования сходящегося Где d С Nа и„,и -дМ 12

.светового потока можно использовать, (например, первый объектив, установленный в фототелеграфном аппарате Нева обеспечивающий получение сходящегося светового потока на диафрагму с апертурным углом около 20. Диаметр этого объектива 12 мм, 2F«17,4 мм, площадь объектива 110 мм . Если ориентировочно принять, чтоосвещенность пучка света в сечений такая же, как и освещенность в сечении параллельного пучка света ,5 мм, падающего на вход модулятора с ячейкой Керра, то соотношение между световыми потоками для первого и второго варианта окажется рав HfciW ,: т.е. световая эффективность предлагаемого модулятора в 560 раз выше, чем у жидкостных электрооптических модуляторов света (при том же .значении :управляющего напряжения на электродах).

.Таблица длина электродов в направлении распространения света; расстояние между электродами; электрическая, межэлектродная емкость (если размер электродов в направлении, перпендикулярном свету, равен 12 мм); число отражений от внутренних поверхностей электродов; полуволновое напряжение; доля остаточного .светового потока на выходе одной модуляторной ячейки, когда она полностью закрыта; о же, на выходе двухПоследовательно включенных модуляторных ячеек t размах управлякнцего напряжения при работе в полутоновом режиме; размах управляющего напряжения при работе в режиме черно-белсм, глубина модуляции, %. Формула изобретения 1. Электрооптический модулятор Керра, содержащий оптический фокусирующий элемент, поляризатор, модуляторную ячейку, выполненную в виде кюветы, зайолненной нитробензолом,в которой уста йовлены параллельно один к другому двЬ электрода, и анализатор,о т я и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения световой эффективности, оптический фокусирующий элемент выпо|1 йен. так, что он формирует сходящийся пучок света с апертурным углом более 10, на пути которого последовательно расположено К модуляторных ячеек, при этом К выбрано из условия ggdoo-MVz е,(. где К - ближайшее целое число; М - требуемая глубина модуляции в процентах; светового потока, получающаяся на выходе одной ячейки, установленной на темноту за счет деполяризации света при отражении его от внутренних поверхностей электродов, на которые нанесен слой вещества с показателем преломления света меньшим, чем у нитробензола, например стекло, легкий крон или плавленный / кварц, длина электродов в направлении J 4 распространения света определяется условием где N - число отражений от внутренних поверхностей электродов для крайних лучей падающего на модулятор сходящегося светового пучка (N 100-M)f d- расстояние между электродами; &- угол между внутренней поверхностью электродов и направлением падения на нее крайнего луча, ширина электродов выбрана в пределах поперечного размера светового пучка, падающего на модулятор., 2, Модулятор по п, 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью упрощения конструкции, электроды модуляторных ячеек :вместе с анализаторами заключены в одну кювету, при этом анализатор предьщущей ячейки служит поляризатором последующей ячейки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Орловский Е.Л. Теоретические основы фототелеграфии. М., Связь, 1957, с. 299. . . 2.Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света, М., Наука, 1970 с. 143. 3.Авторское свидетельство СССР № 127840, кл. (502 F 1/07, 1959.