ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации и отображения информации с использованием лазеров, в частности в проекционных дисплеях, в том числе телевизионных, в пространственных модуляторах света, в устройствах хранения, преобразования и обработки изображений и т.п.

В настоящее время все большее распространение в технике визуализации и отображения информации получают устройства и системы с использованием когерентного или частично-когерентного света, излучаемого, в первую очередь, лазерами различного типа. При освещении им случайно-неоднородных объектов, таких, например, как шероховатая поверхность экрана или прозрачная среда с флуктуирующим в пространстве показателем преломления, вследствие интерференции рассеянных волн формируется пятнистая картина, или спекл-структура. По сути, она является шумом, и этот спекл-шум существенно снижает качество изображений (см. [1], [2]).

Увеличенный фрагмент спекл-картины в поле дифракции лазерного пучка на шероховатой поверхности показан на Фиг.1 (вид 1.1). В схеме, приведенной на Фиг.1 (вид 1.2), спекл-структура формируется в свободном пространстве и называется объективной спекл-картиной. Такие картины легко наблюдать с использованием лазерного излучения. Субъективные спекл-картины наблюдаются в изображающих оптических системах, в которых условия когерентного освещения объекта существенно менее требовательные. Поэтому субъективные спеклы можно наблюдать невооруженным глазом даже в полихроматическом свете протяженных источников. В схеме, приведенной на Фиг.1 (вид 1.3), свет проходит через рассеивающую среду, а спеклы наблюдаются в плоскости изображения освещающего источника. Субъективные спекл-картины, формируемые по схеме Фиг.1 (вид 1.3), хорошо видны даже при наблюдении уличных фонарей через запотевшее или замороженное окно транспортного средства (см. [2]). На Фиг.1 показаны источник 101 света, случайно-неоднородный объект 102 (или среда), схематичный вид 103 продольного сечения слоя спекл-структуры, хаотически искаженный волновой фронт 104, изображающая оптическая система 105.

Устройства и системы визуализации и отображения информации, как правило, предусматривают вывод изображения на экран для визуального восприятия. Поэтому актуальной задачей является устранение спекл-структуры, создающей шум в изображении (спекл-модуляцию) сравнительно низкой частоты, т.к. размеры отдельных спеклов определяются разрешающей способностью глаза (см. [1]). Задача решается разными способами на основе следующих двух подходов, а именно:

- разрушением спекл-структуры непосредственно на экране и

- разрушением фазовых соотношений, приводящих к созданию спекл-структуры, в пучке света до его проекции на экран.

В обоих случаях скорость разрушения спеклов должна быть существенно больше реакции глаза.

В первом подходе необходимо учитывать предельную угловую разрешающую способность глаза. Она принимается равной одной минуте, или 20-30 лин/мм, но эта величина может меняться в зависимости от условий освещения, структуры экрана, цветности изображения. Устранение спекл-структуры достигается ее усреднением при использовании матового экрана-рассеивателя в процессе наблюдения на нем изображения (см. [3, 4]). Очевидно, движение матового рассеивателя должно быть достаточно быстрым, чтобы глаза не успевали отслеживать смещение спекл-структуры относительно изображения.

В работе [5] предложен способ устранения спекл-структуры с помощью двух матовых рассеивателей, один из которых безостановочно движется относительно другого. В этом случае нет зависимости от передаточной функции оптической системы, т.к. величина корреляционной функции рассеивателя обычно много меньше импульсного отклика выходной оптической системы. Устранение спекл-структуры с помощью двух матовых рассеивателей успешно реализовано (см. [6]).

На Фиг.2 представлена конструкция матового экрана 201 с двумя рассеивателями (см. [6]), который выполнен в виде декоративной несущей рамки. На ней закреплен неподвижный матовый рассеиватель 202 и механизм перемещения подвижного рассеивателя. Механизм перемещения (в данном случае - вращения), показанный на Фиг.2, включает в себя тихоходный двигатель ДСМ-60-220 с двуплечным симметричным зубчатым редуктором, где показаны: двигатель 203, ведущая шестерня 204, промежуточные шестерни 205 и 206, ведущие выходные шестерни 207 и 208, эксцентрические оси 209 и 210, являющиеся ведущим звеном подвижной рамки 211 с матовым стеклом 212. При движении подвижная рамка 211 опирается на каленые регулирующие зазор винты 213. Пружины 214 отжимают рамку 211 при ее вращении. Параметры движения следующие: угловая скорость - 1 об/мин, радиус кругового перемещения - 1 мм, скорость вращения подвижной пластины - 38 об/мин. Экран имеет размер 230×330 мм² и разрешающую способность 25 лин/мм. В этой конструкции обеспечивалось надежное подавление спекл-шума в восстановленных из голограмм изображениях.

Очевидным недостатком рассмотренного решения для устранения спекл-шума непосредственно на экране является использование сложного и громоздкого механического устройства перемещения экрана, причем тем более сложного и громоздкого, чем больше апертура экрана. Хотя этот подход был предложен и реализован более 20 лет назад, техническая реализация на протяжении многих лет оставалась практически неизменной.

Второй подход к устранению спекл-шума, связанный с разрушением временной и пространственной когерентности излучения, реализуется с помощью более компактных технических средств, но требует гораздо более высокого пространственного разрешения, что обусловлено последующим расширением апертуры пучка до размеров экрана. Другим важным условием является сохранение направленности светового пучка, что не допускает использования светорассеивающих сред.

Известно решение указанной проблемы с помощью управляемых пространственных фазовых масок (фильтров). Примером такой маски (см. [1]) является засвеченная с помощью диффузора и затем отбеленная голографическая пластинка с подавляющей интерференцию глубиной π фазовой задержки, распределенной по апертуре пучка (т.е. по площади пластинки) случайным образом. Очевидно, такую пластинку, как и в рассмотренном выше случае рассеивающих экранов, нужно быстро перемещать в поперечном к пучку направлении, что является существенным недостатком данного решения.

В качестве фазовой маски может быть использован жидкокристаллический фазовый пространственный модулятор света, генерирующий функции Уолша или другие ортогональные функции при управлении электрическим напряжением или светом по специально разработанной компьютерной программе (см. [7]). Такой пространственный модулятор света по своему назначению, принципу управления и технической реализации выбран в качестве прототипа.

Схема и принцип работы жидкокристаллического (ЖК) электрически управляемого пространственного модулятора света по [7] поясняются на Фиг.3. Основой конструкции такого модулятора и подобных устройств является жидкокристаллическая ячейка, которая, как правило, содержит две параллельно расположенные прозрачные диэлектрические пластины 301, на внешние стороны которых нанесены антиотражающие покрытия 302, а на внутренние - прозрачные токопроводящие покрытия 303 (обычно с антиотражающими подслоями), одно из которых или оба покрыты слоем прозрачного анизотропного диэлектрического вещества (ориентанта) 304. Пространство между пластинами заполнено жидкокристаллическим веществом 305, которое может изменять свою оптическую анизотропию в зависимости от амплитуды и/или длительности импульсов знакопеременного электрического напряжения, подаваемого на токопроводящие покрытия. Начальная ориентация молекул жидкокристаллического вещества в отсутствие внешнего электрического поля задается анизотропным покрытием. Изображение наблюдается или при прохождении света через слой в одном направлении, если оба токопроводящие покрытия сделаны прозрачными (вид 3.1), или при двойном прохождении света, если второе токопроводящее покрытие 306 сделано отражающим (вид 3.2).

На практике для фазовой модуляции лазерного излучения использовались пространственные модуляторы света на основе S-эффекта в жидком кристалле нематического типа с ограниченным числом элементов (максимум 256×256) в матрице, что применимо для подавления спекл-шума только в случае наблюдения несложных изображений. В случае отображения высокоинформативных изображений пространственное разрешение такого пространственного модулятора должно составлять сотни обратных мм. По сути, это жидкокристаллический активно-матричный микродисплей, работающий на пропускание света. Потери света в таком приборе достаточно велики вследствие уменьшения рабочей апертуры, обусловленного наличием управляющих электронных элементов (обычно тонкопленочных транзисторов) и промежутков между элементами матрицы. Более того, периодическая структура матрицы вносит искажения волнового фронта когерентного света, приводящие к искажению изображения на экране. Управление пространственным модулятором света представляет собой отдельную сложную задачу.

В жидкокристаллических пространственных модуляторах и дисплеях жидкокристаллические вещества нематического типа получили наибольшее распространение (см. [8]). Как известно, оптический отклик (реакция) жидкого кристалла на воздействие электрического поля является результатом изменения анизотропии оптических свойств, обусловленной общей ориентацией длинных осей молекул в объеме слоя. Физической причиной ориентации (переориентации) молекул нематического жидкого кристалла (НЖК, или нематика) электрическим полем является анизотропия диэлектрической проницаемости, обусловленная их анизотропной (вытянутой) формой.

Например, молекулы с положительным значением диэлектрической анизотропии (ε_1l>ε_⊥), стремясь к состоянию с наименьшей энергией, по достижении некоторого порогового значения U_n ^s, необходимого для преодоления упругих сил, ориентируются своими длинными осями (директором) вдоль линий поля и направления распространения света (Фиг.4). В общем случае в результате переориентации молекул слой НЖК испытывает Splay-деформацию, и его двулучепреломляющие свойства изменяются (электрооптический S-эффект). Такая дисплейная ячейка может модулировать как фазу проходящего света, так и его интенсивность (с помощью поляризаторов). При этом чаще других для фазовой модуляции света используют именно S-эффект. На Фиг.4 показана схема переориентации молекул НЖК при splay-деформации слоя (S-эффект), где n₀ - показатель преломления для обыкновенного луча, n_е - показатель преломления для необыкновенного луча. Δn - разница показателей преломления (двулучепреломление), U^S _n - пороговое напряжение переориентации, D - направление поляризации падающей световой волны. Направление светового луча и электрического поля (Е) совпадают.

Нематики обладают рядом достоинств, но не обеспечивают достаточного быстродействия, т.к. время их электрооптического отклика лежит в диапазоне единиц и десятков миллисекунд и принципиально не может быть уменьшено без резкого увеличения управляющего напряжения. Главной причиной этого является квадратичный механизм взаимодействия нематика с электрическим полем и деформация слоя нематика как сплошной упругой среды.

С другой стороны, известно, что жидкие кристаллы смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами (смектики С^*, или С^*ЖК), обладают существенно большим, чем нематики быстродействием электрооптического переключения - десятки и сотни микросекунд [9]. В них направление преимущественной ориентации длинных осей молекул определяется полярным углом Θ, на который они наклонены относительно нормали к смектическим слоям, и азимутальным углом (в плоскости смектического слоя (Фиг.5). Благодаря особой стехиометрии молекул в отсутствие внешних воздействий каждый слой молекул обладает спонтанной поляризацией (P_s), а полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга так, что образуется равновесная спирально закрученная структура (геликоид). Макроскопическая поляризация ячейки, однако, отсутствует, т.к. угол ϕ в смектических слоях изменяется от 0 до π на расстоянии, равном шагу спирали р₀. Именно благодаря указанной поляризации слоев смектики С^*ЖК имеют гораздо большую, чем нематики чувствительность к действию электрического поля и обеспечивают в 100-1000 раз большую частоту модуляции света. На Фиг.5 показана физическая модель дисплейной ячейки с сегнетоэлектрическим смектическим ЖК с шагом спирали большим (вид 5.1) и меньшим (вид 5.2) толщины слоя, где изображены: плоскости 508 смектических слоев жидкого кристалла, перпендикулярные поверхности пластин 501; вектор электрического поля, расположенный в плоскости смектического слоя; вектор , показывающий направление ориентации длинных осей молекул в смектических слоях сегнетоэлектрического жидкого кристалла; вектор спонтанной поляризации; шаг р₀ геликоида; нормаль L к смектическим слоям; координатная ось х, перпендикулярная пластинам 1; координатная ось y, параллельная пластинам 1; координатная ось z, совпадающая по направлению с вектором ; угол Θ наклона длинных осей молекул по отношению к вектору (угол между векторами и ); угол (в плоскости XY между нормалью к пластинам и вектором ; направления Р и А осей пропускания поляризатора и анализатора; интенсивность I₀ падающего на ячейку света; интенсивность I промодулированного ячейкой света; диаметр D падающего светового пучка; угол β между поляризатором и осью геликоида (вид 5.1), между R и А (вид 5.2).

Созданы жидкокристаллические сегнетоэлектрические композиции из нехиральной смектической С жидкокристаллической смеси из замещенных фенилпиримидинов и фенилбензатов в количестве 60-90% от общей массы жидкокристаллической композиции и хиральной добавки из оптически активных производных терфенилдикарбоновой кислоты в количестве 10-40% от общей массы жидкокристаллической композиции (см. [10]). Эти композиции обеспечивают индицирование геликоида с шагом спирали более 1 мкм, спонтанную поляризацию более 50 нКл/см² и смектической угол наклона более 10°. Такая ячейка обладает свойством бистабильности (названа «объемной бистабильностью»), которое обусловлено не столько вследствие взаимодействия С^*ЖК слоя с ограничивающими его поверхностями, сколько благодаря стехиометрии самой жидкокристаллической композиции, и потому проявляется даже при толщине слоя более 10 мкм.

Кроме бистабильности данная С^*ЖК ячейка обладает свойством мультистабильности, что позволяет обеспечить получение серой шкалы в информационных дисплеях. Серая шкала может быть реализована физически, т.е. не путем электронных ухищрений и чрезмерных требований к разрешающей способности или к быстродействию дисплейной ячейки, а непосредственно при электрооптическом переключении жидкокристаллического вещества. Она воспроизводится в виде практически непрерывной последовательности стабильных оптических состояний в пределах от состояния с нулевой интенсивностью до максимальной (Фиг.6), и потому указанные выше условия, по существу, являются условиями проявления мультистабильности. Как крайние, так и все промежуточные состояния устанавливаются инвертирующим импульсом соответствующей амплитуды и длительности за время в десятки и сотни микросекунд. На Фиг.6 демонстрируется изменение во времени электрооптического отклика С^*ЖК ячеек (верхние линии) на управляющие электрические импульсы (нижние линии) для трех типов отклика: моностабильного (без запоминания оптического состояния - слева), бистабильного (с двумя устойчивыми оптическими состояниями - справа, выделен жирной линией) и мультистабильного (с уровнями серого, запоминаемыми после выключения импульса - справа, все линии). Наглядно мультистабильность проявляется как изменение соотношения между шириной наблюдаемых за анализатором светлых и темных полос (Фиг.7, вид 7.3), обусловленных пространственно-периодической модуляцией направления ориентации вектора поляризации (Фиг.8) выше некоторого порогового напряжения. На Фиг.8 показана ориентация вектора поляризации и распределение азимутального угла директора вдоль нормали (z) к смектическим слоям при разных значениях электрического напряжения (U₁<U₂<U₃).

Период полос (единицы-десятки микрометров) задается величиной спонтанной поляризации жидкокристаллического вещества (Фиг.7, вид 7.1). При превышении порога переключаются вначале те области ячейки, у которых ϕ максимально, а другие области не переключаются. В результате исходные домены разрываются, причем смена полярности поля не позволяет установиться регулярной решетке доменов. При этом модуляция фазы проходящего света достигает π и более в зависимости от толщины слоя С^*ЖК (обычно от 5 до 30 мкм) и приложенного напряжения (от единиц до десятков вольт). Наличие доменов, периодическая модуляция угла (вдоль координаты z и запоминание изменяемой периодической решетки в любой точке петли гистерезиса обусловлены только материальными параметрами жидкокристаллического вещества.

Композиции С^*ЖК, обладающие объемной бистабильностью, при определенном режиме электрического возбуждения позволяют интенсивно рассеивать свет (см. [11]).

Свойства формировать в С^*ЖК слое доменные пространственно-неоднородные структуры и с высокой скоростью управлять ими представляет интерес с точки зрения их использования в качестве основы для создания пространственного спекл-подавляющего модулятора. Однако информация о таком применении С^*ЖК ячеек отсутствует, и неизвестны используемые конструкции, подходящие С^*ЖК составы, электрооптические эффекты и режимы управления у какого-либо С^*ЖК модулятора с таким назначением.

Технической задачей, решаемой предлагаемыми вариантами изобретения, образующими единый изобретательский замысел, является создание жидкокристаллического устройства для подавления спекл-шума в изображениях, обладающего по сравнению с аналогом существенно более простой конструкцией и технологией изготовления, более высоким пространственным разрешением, более высокими параметрами светопропускания и более высоким быстродействием.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном жидкокристаллическом пространственном модуляторе света, содержащем две параллельно расположенные прозрачные диэлектрические пластины, на внешние стороны которых нанесены антиотражающие покрытия, а на внутренние стороны прозрачные токопроводящие покрытия, и жидкокристаллическое вещество, заполняющее пространство между токопроводящими покрытиями и изменяющее свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, применено такое жидкокристаллическое вещество, которое является композицией смектического С^*-типа с сегнетоэлектрическими свойствами, обладающей способностью формировать в слое пространственно неоднородные структуры, с высокой скоростью модулирующие под действием импульсного знакопеременного электрического напряжения фазу проходящего света; при этом для модуляции света используют один пространственно неоднородный модулирующий элемент площадью, равной апертуре всего модулятора, со сплошными по всей апертуре токопроводящими покрытиями и управляющее импульсное знакопеременное электрическое напряжение прилагают к одной единственной паре токопроводящих покрытий.

В первом варианте технического решения предлагается пространственный модулятор, подавляющий спекл-шум при прохождении через него лазерного пучка в одном направлении (по схеме, изображенной на Фиг.3, вид 3.1). Заключенный в модуляторе слой С^*ЖК благодаря своим свойствам при управлении электрическим напряжением разрушает фазовые соотношения в пучке, приводящие к созданию спекл-структуры в изображениях. Примененное жидкокристаллическое вещество на основе композиции смектического С^*-типа с сегнетоэлектрическими свойствами, не имеет шевронных дефектов и позволяет достичь высокой стабильности при переключении состояний светопропускания, что обеспечивает высокое качество изображения, проходящего через ячейку.

Во втором варианте вместо ячейки, работающей на просвет, предлагается использовать жидкокристаллическую ячейку отражательного типа, для чего достаточно выполнить одно из токопроводящих покрытий отражающим (см. Фиг.3, вид 3.2). Такая ячейка с апертурой, равной размеру экрана, на который проецируется изображение, может служить для подавления спеклов при установке непосредственно перед экраном или вместо него. В последнем случае используется композиция С^*ЖК, интенсивно рассеивающая свет при приложении знакопеременного электрического напряжения.

Кроме того, в обоих вариантах жидкокристаллическое вещество является композицией смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами, в которой нехиральная смектическая С жидкокристаллическая смесь содержит замещенные фенилпиримидины и фенилбензоаты в соотношении масс от 3:1 до 2:1, при этом замещенные фенилпиримидины включают по крайней мере одно органическое соединение, выбранное из группы (I, II), состоящей из:

(I)

где n≥8, m≤10

(II)

где n≥6, m≤10

фенилбензоаты включают, по крайней мере, одно органическое соединение, выбранное из группы (III, IV), состоящей из:

(III)

где n≥8, m≤10

(IV)

где n≥6, m≤10

а хиральная добавка включает органические соединения (V, VI), состоящие из:

(V)

n≥4, m≤6

где n=0,1; m≥2

(VI)

где n≥3, m≤6

в соотношении масс от 1:1 до 2:1 и органическое соединение (VII):

масса которого составляет 15-30% от общей массы хиральной добавки.

Преимущества заявляемого спекл-подавляющего С^*ЖК пространственного модулятора обеспечиваются за счет предложенных:

- конструкции С^*ЖК ячейки,

- состава жидкокристаллического вещества и

- режима управления ячейкой.

Замена НЖК на С^*ЖК позволяет существенно (более чем в 100 раз) увеличить быстродействие. Состав С^*ЖК обеспечивает условия для создания управляемых пространственно-неоднородных структур в слое. Отказ от матрицы модулирующих элементов и использование одной однородной по апертуре С^*ЖК ячейки в качестве плоского одноканального широко-апертурного модулятора позволяет обеспечить непрерывную по апертуре пространственно-неоднородную фазовую модуляцию лазерного излучения и исключить мультиплексную или активно-матричную адресацию элементов матрицы. Режим управления импульсным знакопеременным электрическим напряжением обеспечивает необходимую скорость и глубину модуляции фазы при отсутствии светорассеяния и искажения изображений. Модулятор может быть изготовлен с размером рабочей апертуры, подходящим для используемой мощности и сечения лазерного пучка, чтобы не допустить ухода из температурного режима или обеспечить наиболее благоприятные условия модуляции фазы света.

При этом из уровня техники не очевидно, что подавления спеклов лазерного излучения можно добиться путем применения быстродействующего С^*ЖК, обладающего бистабильными и мультистабильными свойствами, без ухудшения его устойчивости или нарушения указанных свойств, вызываемых влиянием ограничивающих С^*ЖК слоев, режима электрического импульсного управления или проходящего лазерного излучения.

Для улучшения характеристик спекл-подавляющих С^*ЖК модуляторов целесообразно в отдельности или в совокупности использовать различные направления их совершенствования, как то: изменение типа и состава жидкокристаллического вещества, изменение режима управления ячейкой, видоизменение конструкции модулятора и т.п. Например, для усиления эффекта подавления спекл-шума в конструкции модулятора предлагается предусмотреть две последовательно расположенные С^*ЖК ячейки. В модуляторе целесообразно также использование полимерно-жидкокристаллических слоев, антиферроэлектрических композиций ЖК, флексоэлектрического эффекта и др.

Таким образом, использование предлагаемой конструкции модулятора, состава жидкокристаллического вещества и режима управления импульсным знакопеременным электрическим напряжением позволяет получить устройство подавления спеклов лазерного излучения, обладающее высоким быстродействием (десятки микросекунд), высокой разрешающей способностью (до единиц микрометров) и стабильностью параметров светопропускания без искажения изображений, что делает возможным применение модулятора по своему назначению и создание на базе таких модуляторов и лазеров устройств визуализации и отображения видеоинформации, в том числе проекционных, отличающихся высоким разрешением и хорошим качеством изображения и соответствующих требованиям современных и перспективных систем хранения, преобразования, обработки изображений и отображения информации с помощью лазерного излучения, при упрощении их конструкции и технологии изготовления.

Заявляемый модулятор в качестве устройства для подавления спекл-шума в изображениях может найти широкое применение при разработке дисплеев и других оптоэлектронных устройств отображения, использующих лазерное излучение для визуализации информации.

Источники информации

1. Кольер Р., Берхард К., Лин Л. Оптическая голография. Москва: Мир, с.390 (1973).

2. Рябухо В.П. // СОЖ, N 5, с.102-109 (2001).

3. Lohmann A.V., J. Opt. Soc. Am., v.55, 1030 (1965).

4. Arsenault H., Lowenthal S. Opt. Commun., v.57, 493 1970).

5. Lowenthal S., Joyeux D., J. Opt. Soc. Am., v.61, 7, 847 (1971).

6. Турухано Б.Г. Дисковая система голографической памяти. В сборнике «Оптическая голография. Практические применения», Ленинград: Наука, стр.75-95 (1985).

7. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света /под ред. И.Н.Компанца/, Москва: Радио и связь (1987).

8. Л.М.Блинов, Электро- и магнитооптика жидких кристаллов, Москва: Наука (1978).

9. V.G.Chigrinov, Liquid crystal devices: physics and applications, Artech House, Boston, London, UK (1999).

10. Андреев А.Л., Компанец И.Н., Пожидаев Е.П. Жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка. Патент России №2092883 от 10.10.1997 (по заявке №95109563 с приоритетом от 07.06.1995).

11. Андреев А.Л., Бобылев Ю.П., Губасарян Н.А., Компанец И.Н., Пожидаев Е.П., Федосенкова Т.Б., Шошин В.М., Шумкина Ю.П. Управляемое электрическим полем рассеяние света в сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Оптический журнал, т.79, №9, 58-65 (2005).