[go: up one dir, main page]

RU2373558C1 - Method of modulating phase of light and optical modulator to this end - Google Patents

Method of modulating phase of light and optical modulator to this end Download PDF

Info

Publication number
RU2373558C1
RU2373558C1 RU2008126434/28A RU2008126434A RU2373558C1 RU 2373558 C1 RU2373558 C1 RU 2373558C1 RU 2008126434/28 A RU2008126434/28 A RU 2008126434/28A RU 2008126434 A RU2008126434 A RU 2008126434A RU 2373558 C1 RU2373558 C1 RU 2373558C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid crystal
light
optical
cell
phase
Prior art date
Application number
RU2008126434/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Николаевич Компанец (RU)
Игорь Николаевич Компанец
Александр Львович Андреев (RU)
Александр Львович Андреев
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Priority to RU2008126434/28A priority Critical patent/RU2373558C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2373558C1 publication Critical patent/RU2373558C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

FIELD: physics; optics.
SUBSTANCE: invention relates to optoelectronics. The method is based on electrically controlled variation of double refraction of a ferroelectric liquid crystal in a single-element electro-optic cell with a single pair of current-conducting coatings. When alternating electric field at low frequency (50 to 500 Hz) and at high frequency (500 to 8000 Hz) is simultaneously applied, three dimensional deformations arise in the liquid crystal layer, which lead to formation of small-scale spatially non-uniform and fast time-varying structures with random distribution of refractive index gradients in the said layer. In the optical modulator composition and thickness of the liquid crystal layer and mode of controlling the electro-optic cell with alternating electrical voltage are chosen from a condition which provides for the modulation speed and modulation depth of the phase of light required for suppressing speckles.
EFFECT: increased spatial resolution and faster modulation.
4 cl, 6 dwg, 1 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации и отображения информации с использованием светодиодов и лазеров, в частности в проекционных дисплеях, в том числе телевизионных, в пространственных модуляторах света, в устройствах хранения, преобразования, визуализации и обработки изображений и т.п.The invention relates to the field of optoelectronics and can be used in devices and systems for visualization and information display using LEDs and lasers, in particular in projection displays, including television, in spatial light modulators, in storage, conversion, visualization and image processing devices etc.

Предшествующий уровень техникиState of the art

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, светодиодами и лазерами различного типа. При освещении ими 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 [1-3].Currently, devices and systems using coherent or partially coherent light emitted primarily by various types of LEDs and lasers are becoming increasingly common in the technique of visualizing and displaying information. When they illuminate randomly inhomogeneous objects, such as, for example, a rough surface of a screen or a transparent medium with a refractive index fluctuating in space, a spotted pattern or speckle structure is formed due to interference of scattered waves. In fact, it is noise, and this speckle noise significantly reduces image quality [1-3].

На Фиг.1 показан [3] увеличенный фрагмент спекл-структуры в поле дифракции лазерного пучка на шероховатой поверхности (а) и приведены различные оптические схемы наблюдения спекл-картин (б, в). Здесь 1 - источник света (лазер), 2 - случайно-неоднородный объект или среда, 3 - схематичный вид продольного сечения слоя спекл-структуры, 4 - хаотически искаженный волновой фронт, 5 - изображающая оптическая система. Заметим, что спеклы наблюдаются и в изображающих оптических системах, в которых условия когерентного освещения объекта существенно менее требовательные. Например, такие «субъективные» спекл-картины видны невооруженным глазом даже в полихроматическом свете протяженных источников, проходящем через рассеивающую среду (схема Фиг.1в), что имеет место при наблюдении уличных фонарей через запотевшее или замороженное окно транспортного средства [3].Figure 1 shows [3] an enlarged fragment of the speckle structure in the field of diffraction of a laser beam on a rough surface (a) and various optical schemes for observing speckle patterns (b, c) are shown. Here 1 is a light source (laser), 2 is a randomly inhomogeneous object or medium, 3 is a schematic view of the longitudinal section of a speckle layer, 4 is a randomly distorted wave front, 5 is an optical system. Note that speckles are also observed in imaging optical systems, in which the conditions of coherent illumination of an object are much less demanding. For example, such “subjective” speckle patterns are visible to the naked eye even in the polychromatic light of extended sources passing through a scattering medium (Figure 1c), which occurs when observing streetlights through a fogged or frozen vehicle window [3].

Устройства и системы визуализации и отображения информации, как правило, предусматривают вывод изображения на экран для визуального восприятия. Поэтому актуальной задачей является уменьшение и устранение (подавление) спекл-структуры, создающей в изображении шум, или спекл-модуляцию сравнительно низкой частоты, т.к. размеры отдельных спеклов определяются разрешающей способностью глаза [1-3]. Задача решается разными способами на основе следующих двух подходов, а именно:Devices and systems for visualization and display of information, as a rule, provide for the display of images on the screen for visual perception. Therefore, the urgent task is to reduce and eliminate (suppress) the speckle structure that creates noise in the image, or speckle modulation of a relatively low frequency, because the size of individual speckles is determined by the resolution of the eye [1-3]. The problem is solved in different ways based on the following two approaches, namely:

1 - разрушением спекл-структуры непосредственно на экране, и1 - the destruction of the speckle structure directly on the screen, and

2 - разрушением фазовых соотношений, приводящих к созданию спекл-структуры, в пучке света до его проекции на экран.2 - the destruction of phase relations leading to the creation of a speckle structure in a beam of light before it is projected onto the screen.

В обоих случаях разрушение спеклов достигается путем пространственно-временной и случайно распределенной (по апертуре пучка) модуляции фазы света с достаточной глубиной фазовой задержки и скоростью, существенно большей реакции глаза.In both cases, speckle destruction is achieved by spatially temporal and randomly distributed (over the beam aperture) modulation of the phase of light with a sufficient depth of phase delay and a speed substantially greater than the reaction of the eye.

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. Практически усреднение и тем самым устранение спекл-структуры достигается при использовании матового экрана, движущегося в процессе наблюдения на нем изображения [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 уже 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.In the first approach, it is necessary to take into account the limiting angular resolution of the eye. It is taken equal to one minute or 20-30 lines / mm, but this value can vary depending on the lighting conditions, screen structure, image color. In practice, averaging and thereby eliminating the speckle structure is achieved by using a matte screen moving in the process of observing an image on it [4]. Obviously, the movement of the matte diffuser should be fast enough so that the eyes do not have time to track the shift of the speckle structure relative to the image. In [5], a method was proposed for eliminating the speckle structure using two opaque diffusers, one of which moves non-stop relative to the other. In this case, there is no dependence on the transfer function of the optical system, since the magnitude of the correlation function of the scatterer is usually much less than the pulse response of the output optical system.

Второй подход к устранению спекл-шума, основанный на разрушении фазовых соотношений и тем самым возможности интерферировать лучам в световом пучке, представляется более компактным и эффективным, но реализующее его устройство должно иметь гораздо большую разрешающую способность (порядка сотен и даже тысячи 1/мм) вследствие необходимости последующего расширения пучка до размеров экрана, а также не должно ухудшать интенсивность светового пучка и его направленность.The second approach to the elimination of speckle noise, based on the destruction of phase relationships and thereby the ability to interfere with the rays in the light beam, seems more compact and efficient, but the device implementing it should have a much higher resolution (of the order of hundreds or even thousands of 1 / mm) due to the need for subsequent expansion of the beam to the size of the screen, and also should not impair the intensity of the light beam and its directivity.

Задача подавления интерференции решается с помощью управляемых пространственных фазовых масок (иначе, фильтров, рассеивателей). Примером такой маски [1-3] является засвеченная с помощью диффузора (например, матового стекла) и затем отбеленная топографическая пластинка, обеспечивающая пространственную модуляцию фазы проходящего света со случайным распределением фазовой задержки глубиной порядка π и более по площади пластинки (по апертуре пучка). 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.The problem of suppressing interference is solved using controlled spatial phase masks (in other words, filters, diffusers). An example of such a mask [1-3] is an illuminated using a diffuser (for example, frosted glass) and then bleached topographic plate, which provides spatial modulation of the phase of transmitted light with a random distribution of phase delay with a depth of the order of π or more over the area of the plate (over the beam aperture). Obviously, such a plate, as in the case of scattering screens considered above, must be quickly moved in the direction transverse to the beam, which is a significant drawback of this solution.

Механического движения фазовой маски можно избежать, если в ее качестве использовать пространственно-временной фазовый модулятор света [7], например жидкокристаллический, представляющий собой матрицу отдельно адресуемых жидкокристаллических ячеек. При управлении электрическим напряжением или светом по специально разработанной компьютерной программе такой модулятор в реальном времени формирует разнообразные ортогональные матрицы фазовых сдвигов величиной 0 и пи (π), соответствующие функциям Адамара, Уолша или другим ортогональным функциям [7-9]. Пример фазовой маски, соответствующей матрице Адамара, дан в [10] и показан на Фиг.2. Здесь в элементах матрицы (пикселах), закрашенных условно черным цветом, фазовый сдвиг отсутствует, а в незакрашенных равен пи (π), или наоборот.The mechanical motion of the phase mask can be avoided by using a spatio-temporal phase light modulator [7], for example, a liquid crystal one, which is a matrix of separately addressable liquid crystal cells. When controlling electric voltage or light according to a specially developed computer program, such a modulator in real time generates a variety of orthogonal phase shift matrices of 0 and pi (π) corresponding to the Hadamard, Walsh, or other orthogonal functions [7-9]. An example of a phase mask corresponding to the Hadamard matrix is given in [10] and shown in FIG. 2. Here, in matrix elements (pixels), conditionally shaded in black, there is no phase shift, and in unpainted ones, pi (π), or vice versa.

Однако использование электрооптической среды, разделенной на каналы модуляции света (пиксели), с электронным устройством адресации каждого канала, т.е. по сути целого дисплея (микродисплея), резко усложняет и удорожает оптическую систему подавления спеклов. Вследствие уменьшения рабочей апертуры, обусловленного наличием управляющих электронных элементов (обычно тонкопленочных транзисторов) и промежутков между элементами матрицы, в таком приборе достаточно велики потери света. Более того, периодическая структура матрицы вносит искажения волнового фронта когерентного света, приводящие и к искажению изображения на экране. Электронное управление пространственным модулятором света представляет собой отдельную сложную задачу.However, the use of an electro-optical medium, divided into light modulation channels (pixels), with an electronic addressing device for each channel, i.e. essentially an entire display (microdisplay), dramatically complicates and increases the cost of the optical speckle suppression system. Due to the decrease in the working aperture due to the presence of control electronic elements (usually thin-film transistors) and the gaps between the matrix elements, such a device has rather large light losses. Moreover, the periodic structure of the matrix introduces distortions of the wavefront of coherent light, which also leads to distortion of the image on the screen. Electronic control of a spatial light modulator is a separate and complex task.

Наиболее близким к заявляемому является способ модуляции фазы света, реализуемый в устройстве, описанном в [11], а именно - в простой, без разделения на каналы модуляции, светомодулирующей электрооптической ячейке, заполненной жидким кристаллом (ЖК), а именно жидким кристаллом смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами (СЖК).Closest to the claimed is a method of modulating a phase of light, implemented in the device described in [11], namely, in a simple, without separation into modulation channels, light-modulating electro-optical cell filled with a liquid crystal (LC), namely, a smectic type liquid crystal with ferroelectric properties (FFA).

Физическая модель модуляции фазы света в электрооптической ячейке с СЖК показана на Фиг.3. В слое СЖК направление преимущественной ориентации длинных осей молекул (директора N) определяется полярным углом θ, на который они наклонены относительно нормали к смектическим слоям 3, и азимутальным углом φ в плоскости смектического слоя. Благодаря особой стехиометрии молекул каждый слой в отсутствие внешних воздействий обладает спонтанной поляризацией (Ps), вследствие чего СЖК имеют высокую чувствительность к действию электрического поля. Вектор поляризации лежит в плоскости смектического слоя и направлен перпендикулярно полярной оси, а полярные оси различных смектических слоев, отделенных друг от друга на период р0, повернуты относительно друг 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 пи (π) на расстоянии, равном шагу спирали р0.A physical model for modulating the phase of light in an electro-optical cell with FFA is shown in FIG. 3. In the FLC layer, the direction of the preferred orientation of the long axes of the molecules (director N) is determined by the polar angle θ, at which they are inclined relative to the normal to the smectic layers 3, and the azimuthal angle φ in the plane of the smectic layer. Due to the special stoichiometry of the molecules, each layer in the absence of external influences has a spontaneous polarization (P s ), as a result of which FFAs are highly sensitive to the action of an electric field. The polarization vector lies in the plane of the smectic layer and is directed perpendicular to the polar axis, and the polar axes of various smectic layers separated from each other by a period of p 0 are rotated relative to each other so that an equilibrium helically twisted structure (helicoid) is formed. Macroscopic polarization of the cell, however, is absent, because the angle φ in the smectic layers varies from 0 to pi (π) at a distance equal to the pitch of the spiral p 0 .

Ячейки с СЖК обладают разнообразными электрооптические свойствами [11, 12]. Например, в них проявляется эффект электрически управляемого двулучепреломления, обусловленный деформацией геликоида и потому названный DHF-эффектом (от deformed helix ferroelectric). Он наблюдается вдоль направления распространения света при выполнении условия, что шаг спирали геликоида много меньше толщины слоя ЖК (Фиг.3). Кроме того, для наблюдения эффекта важно, чтобы шаг спирали (обычно 0,3÷0,5 мкм) был много меньше и апертуры светового пучка (выполняется практически всегда). Это означает, что модуляция наблюдается при усреднении (по сечению пучка) распределения фазовых сдвигов, имеющего место в пространственно-модулированном двулучепреломляющем слое СЖК. Эффект не имеет порога и наблюдается в малых полях, которые меньше критического поля раскрутки спирали геликоида.FLC cells have various electro-optical properties [11, 12]. For example, they manifest the effect of electrically controlled birefringence, due to the deformation of the helicoid and therefore called the DHF effect (from deformed helix ferroelectric). It is observed along the direction of light propagation under the condition that the helix pitch is much smaller than the thickness of the LC layer (Figure 3). In addition, to observe the effect, it is important that the pitch of the spiral (usually 0.3–0.5 μm) is much smaller and the aperture of the light beam (almost always performed). This means that modulation is observed when averaging (over the beam cross section) the distribution of phase shifts occurring in the spatially modulated birefringent layer of the FLC. The effect has no threshold and is observed in small fields, which are less than the critical field of the helicoid's helix unwinding.

Для модуляции света в ячейках с СЖК широко используется эффект Кларка-Лагервола [11-13]. Необходимыми условиями его наблюдения являются прежнее требование ориентации смектического слоя перпендикулярно твердым подложкам и обратное соотношение для шага спирали геликоида - он должен быть больше толщины слоя ЖК (Фиг.3). На практике спираль может вообще отсутствовать (компенсируется специальными добавками с обратной закруткой геликоида). В тонких слоях СЖК электрооптическое переключение имеет бистабильный характер вследствие сильного взаимодействия слоя с ограничивающими его поверхностями.For the modulation of light in cells with FFA, the Clark – Lagerwol effect is widely used [11–13]. The necessary conditions for his observation are the previous requirement of the orientation of the smectic layer perpendicular to solid substrates and the inverse relationship for the helix pitch of the helicoid - it should be greater than the thickness of the LC layer (Figure 3). In practice, the spiral may be absent altogether (compensated by special additives with the reverse twist of the helicoid). In thin FLC layers, electro-optical switching is bistable due to the strong interaction of the layer with its bounding surfaces.

Принцип модуляции фазы света на основе эффекта Кларка-Лагервола в оптическом модуляторе - ячейке с СЖК поясняется на Фиг.3. Модулятор управляется источником электрического напряжения 4. Слой СЖК располагается между подложками 1 с нанесенными на них токопроводящими покрытиями 2. При приложении к СЖК ячейке электрического поля вектор поляризации каждого смектического слоя устанавливается вдоль силовых линий поля, а длинные оси молекул располагаются в плоскости слоя СЖК под углом θ к оси геликоида. При смене знака поля вектор поляризации разворачивается в обратном направлении, а длинные оси молекул как образующие конуса переходят в положение - θ в той же плоскости, т.е. смещаются на 2θ по отношению к предыдущему положению. Переориентация длинных осей молекул сопровождается изменением двулучепреломления слоя СЖК, а следовательно, фазовой модуляцией проходящего света, которая может быть преобразована в амплитудную с помощью поляризаторов.The principle of modulation of the phase of the light based on the Clark-Lagervol effect in the optical modulator - cell with FFA is illustrated in Fig.3. The modulator is controlled by an electric voltage source 4. The FLC layer is located between the substrates 1 with conductive coatings deposited on them 2. When an electric field is applied to the FLC cell, the polarization vector of each smectic layer is established along the field lines, and the long axes of the molecules are located in the plane of the FLC layer at an angle θ to the axis of the helicoid. When the field sign changes, the polarization vector reverses, and the long axes of the molecules as generators of the cone go to the position - θ in the same plane, i.e. are shifted by 2θ with respect to the previous position. The reorientation of the long axes of the molecules is accompanied by a change in the birefringence of the FLC layer, and, consequently, by phase modulation of the transmitted light, which can be converted into amplitude using polarizers.

Фиг.3 также иллюстрирует, как на практике осуществляется амплитудная модуляция света в СЖК ячейке. Пусть на нее падает естественный неполяризованный свет, интенсивность которого I0. Проходя через поляризатор П, свет становится линейно поляризованным в направлении оси пропускания поляризатора П. Направление директора N в ячейке зависит от знака напряжения источника 4, то есть от направления поля Е. Угол между векторами N(+E) и N(-E) составляет 2θ. Если СЖК находится в поле +Е, а поляроид ориентирован так, что его ось параллельна вектору N(+E), то свет распространяется вдоль главной оптической оси СЖК и поэтому не испытывает двулучепреломления, и при β=π/2 ячейка не пропускает свет. Если направление поля изменится на -Е, свет будет распространяться под углом 2θ к главной оптической оси СЖК и поэтому будет испытывать двулучепреломление, вследствие чего поляризация света из линейной преобразуется в эллиптическую. В этом случае при β=π/2 ячейка пропускает свет.Figure 3 also illustrates how amplitude modulation of light in an FLC cell is implemented in practice. Let natural non-polarized light fall on it, the intensity of which is I 0 . Passing through the polarizer P, the light becomes linearly polarized in the direction of the transmission axis of the polarizer P. The direction of the director N in the cell depends on the sign of the voltage of source 4, that is, on the direction of the field E. The angle between the vectors N (+ E) and N (-E) is 2θ. If the FFA is in the + E field and the polaroid is oriented so that its axis is parallel to the N (+ E) vector, then the light propagates along the main optical axis of the FLC and therefore does not experience birefringence, and at β = π / 2 the cell does not transmit light. If the field direction changes by -E, the light will propagate at an angle of 2θ to the main optical axis of the FLC and, therefore, will experience birefringence, as a result of which the polarization of light from linear to elliptical is converted. In this case, at β = π / 2, the cell transmits light.

Интенсивность прошедшего света I определяется соотношениемThe transmitted light intensity I is determined by the ratio

I=I0Sin22θ+(N(-E),L)Sin2(πΔnd/λ),I = I 0 Sin 2 2θ + (N (-E), L) Sin 2 (πΔnd / λ),

где Δn - величина двулучепреломления слоя СЖК; d - его толщина; λ - длина волны света; (N(-E),L) - угол между векторами N и L. Максимально возможное светопропускание ячейки Т=I/I0=1 достигается, еслиwhere Δn is the birefringence of the FLC layer; d is its thickness; λ is the wavelength of light; (N (-E), L) is the angle between the vectors N and L. The maximum possible light transmission of the cell T = I / I 0 = 1 is achieved if

Δnd/λ=1/2, θ+(N(-E),L)=π/4.Δnd / λ = 1/2, θ + (N (-E), L) = π / 4.

Возможное изменение двулучепреломления в слое СЖК таково, что фазовый сдвиг на пи (π), соответствующий первому максимуму интенсивности света за скрещенными поляроидами, достигается при некоторой напряженности электрического поля на толщине слоя 1,5-3,0 микрона для видимого диапазона длин волн, а в толстых слоях (порядка и более 10 мкм) фазовый сдвиг может достигать нескольких пи (π) и соответственно приводить к нескольким максимумам интенсивности света, наблюдаемым за скрещенными поляроидами.A possible change in birefringence in the FLC layer is such that the phase shift by pi (π), corresponding to the first maximum of light intensity behind crossed polaroids, is achieved at a certain electric field strength at a layer thickness of 1.5-3.0 microns for the visible wavelength range, and in thick layers (of the order of and more than 10 μm), the phase shift can reach several pi (π) and, accordingly, lead to several light intensity maxima observed for crossed polaroids.

Схема электрически управляемого оптического модулятора «пропускающего» и «отражательного» типа показана на Фиг.4. В первом варианте (Фиг.4а) свет проходит через ячейку СЖК насквозь, а во втором (Фиг.4б) - проходит дважды, т.к. отражается. Модулятор содержит две параллельно расположенные диэлектрические пластины (подложки) 1, из которых для варианта а прозрачны обе, а для варианта б - по крайней мере, одна. На внешние стороны диэлектрических пластин нанесены антиотражающие покрытия 2, а на внутренние - токопроводящие покрытия 3 (обычно с антиотражающими подслоями), которые для варианта а прозрачны оба, а для варианта б - прозрачно одно, поскольку второе делают светоотражающим. По крайней мере, одно из токопроводящих покрытий покрывают слоем прозрачного анизотропного диэлектрического вещества (ориентанта) 4. Пространство между пластинами заполнено жидкокристаллическим веществом 5, которое может изменять свою оптическую анизотропию в зависимости от амплитуды и/или длительности импульсов знакопеременного электрического напряжения, подаваемого на токопроводящие покрытия от источника 7. Начальная ориентация длинных осей молекул жидкокристаллического вещества в отсутствие внешнего электрического поля задается анизотропным покрытием.The circuit of an electrically controlled optical modulator of "transmitting" and "reflective" type is shown in Fig.4. In the first embodiment (Fig. 4a), light passes through the FLC cell through, and in the second (Fig. 4b) it passes twice, because reflected. The modulator contains two parallel-mounted dielectric plates (substrates) 1, of which both are transparent for option a, and at least one for option b. Antireflective coatings 2 are applied on the outer sides of the dielectric plates, and conductive coatings 3 (usually with antireflective sublayers) are applied on the inner sides, which are both transparent for option a, and one is transparent for option b, since the second is made reflective. At least one of the conductive coatings is covered with a layer of a transparent anisotropic dielectric substance (orientant) 4. The space between the plates is filled with a liquid crystal substance 5, which can change its optical anisotropy depending on the amplitude and / or pulse duration of alternating electrical voltage supplied to the conductive coatings from the source 7. The initial orientation of the long axes of the molecules of the liquid crystal substance in the absence of an external electric field sets anisotropic coating.

Благодаря спонтанной поляризации СЖК имеют высокую чувствительность к действию управляющего электрического поля. Поэтому быстродействие электрооптического переключения в них лежит в субмиллисекундном диапазоне. Соответственно оптические модуляторы на основе ячеек СЖК обеспечивают частоту модуляции света в несколько единиц - десятков килогерц. Именно для такой модуляции (амплитудной или фазовой, в зависимости от наличия или отсутствия поляризаторов) рассмотренный выше модулятор и применяется на практике: либо как самостоятельный одноканальный быстродействующий модулятор света, либо как одна их многих дисплейных ячеек быстродействующего СЖК дисплея, либо как одна из многих светомодуляционных ячеек многоканального пространственно-временного модулятора света, в том числе формирующего ортогональные функции.Due to the spontaneous polarization, FFAs are highly sensitive to the action of a control electric field. Therefore, the speed of electro-optical switching in them lies in the submillisecond range. Accordingly, optical modulators based on FLC cells provide a light modulation frequency of several units - tens of kilohertz. It is for such a modulation (amplitude or phase, depending on the presence or absence of polarizers) that the modulator considered above is applied in practice: either as an independent single-channel high-speed light modulator, or as one of many of the display cells of a high-speed FLC display, or as one of many light-modulation cells of a multichannel space-time light modulator, including one forming orthogonal functions.

Таким образом, оптический модулятор на основе ячейки СЖК обеспечивает достаточно высокую частоту фазовой модуляции света, чтобы разрушить временную составляющую сфазированности (интерференции, когерентности) светового пучка. Однако никакой пространственной модуляции света (тем более с высоким пространственным разрешением), требуемой для разрушения пространственной когерентности светового пучка, оптический модулятор на основе обычной одноэлементной (одноканальной) электрооптической ячейки, описаной в [12] и подробно рассмотренной выше, обеспечить не может, так как не может создать пространственную структуру неоднородных и случайно распределенных по всей апертуре ячейки мелкомасштабных вариаций показателя преломления, приводящих к неоднородной по апертуре фазовой модуляции света глубиной порядка и более пи (π).Thus, an optical modulator based on an FLC cell provides a sufficiently high frequency of phase modulation of light in order to destroy the temporal component of the phasing (interference, coherence) of the light beam. However, the optical modulator based on the usual single-element (single-channel) electro-optical cell described in [12] and discussed in detail above cannot provide any spatial light modulation (especially with high spatial resolution) required to destroy the spatial coherence of the light beam, since cannot create the spatial structure of small-scale variations of the refractive index that are heterogeneous and randomly distributed over the entire aperture of the cell, leading to apertures non-uniform e phase modulation of light with a depth of the order of and more than pi (π).

Задачей, решаемой в предлагаемом способе и устройстве, является создание на основе не разделенной на отдельно управляемые элементы (пикселы) электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки оптического модулятора и обеспечение в нем неоднородной по апертуре и реализуемой с высоким пространственным разрешением и быстродействием пространственно-временной модуляции фазы проходящего света глубиной порядка и более пи (π), разрушающей временную и пространственную сфазированность светового пучка и тем самым обеспечивающей подавление спекл-структуры в формируемых этим пучком изображениях.The problem to be solved in the proposed method and device is the creation of an optical modulator based on an electro-optical ferroelectric liquid crystal cell of an electro-optical ferroelectric liquid crystal cell that is not divided into separately controlled elements (pixels) and provides an aperture inhomogeneous in it and implemented with high spatial resolution and high speed spatial-temporal modulation of the transmitted light with a depth of the order of and more than pi (π), which destroys the temporal and spatial phasing of the light beam and thereby ensures suppressing the speckle structure in the images formed by this beam.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном способе модуляции фазы света, основанном на электрически управляемом изменении двулучепреломления слоя СЖК в одноэлементной электрооптической ячейке с СЖК с единственной парой токопроводящих покрытий, новым является то, что знакопеременным электрическим полем одновременно на низкой частоте (50-500 Гц) и высокой частоте (500-8000 Гц), приложенным от источника электрического напряжения, в слое СЖК вызывают пространственные деформации, приводящие к формированию в нем мелкомасштабных (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно-неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления, и как следствие, к фазовой модуляции проходящего света, пространственно неоднородной по апертуре электрооптической ячейки.The solution to this problem is ensured by the fact that in the known method of modulating the phase of light based on an electrically controlled birefringence of the FLC layer in a single cell electro-optical cell with FLC with a single pair of conductive coatings, the new is that an alternating electric field is simultaneously at a low frequency (50-500 Hz) and a high frequency (500-8000 Hz) applied from an electric voltage source in the FLC layer cause spatial deformations, which lead to the formation of small-scale ones in it (the size of the order of fractions - units of micrometers) of spatially inhomogeneous and rapidly changing in time structures with a random distribution of refractive index gradients, and as a result, to phase modulation of transmitted light spatially inhomogeneous over the aperture of the electro-optical cell.

Для реализации способа предложен оптический модулятор на основе электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки, содержащий две параллельно расположенные диэлектрические пластины, по крайней мере, одна из которых выполнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрачным, жидкий кристалл, заполняющий пространство между токопроводящими покрытиями, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, прозрачное анизотропное покрытие, задающее начальную ориентацию молекул жидкого кристалла в отсутствие внешнего электрического поля, нанесенное по крайней мере на одно токопроводящее покрытие со стороны, обращенной к жидкому кристаллу, источник электрического напряжения, в котором новым является то, что состав и толщина слоя жидкого кристалла и режим управления электрооптической ячейкой знакопеременным электрическим напряжением одновременно на низкой и высокой частоте выбираются, исходя из условия обеспечения необходимых для подавления спеклов скорости модуляции фазы света (более 50 1/с), глубины модуляции фазы света (π и более) и способности к образованию в объеме СЖК мелкомасштабных (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления.To implement the method, an optical modulator based on an electro-optical ferroelectric liquid crystal cell is proposed, containing two parallel-mounted dielectric plates, at least one of which is made transparent, on the inside of which conductive coatings are applied, at least one of which is made transparent, a liquid crystal filling the space between conductive coatings, changing its optical anisotropy under the influence of an electric field, transparent anisotropic coating, specifying the initial orientation of the liquid crystal molecules in the absence of an external electric field, applied to at least one conductive coating from the side facing the liquid crystal, an electric voltage source in which the composition and thickness of the liquid crystal layer and the control mode of the electro-optical cell with alternating electrical voltage simultaneously at low and high frequency are selected based on the conditions of providing necessary to suppress with peckles of light phase modulation speed (more than 50 1 / s), depth of light phase modulation (π and more) and the ability to form small-scale (in the order of fractions - units of micrometers) spatially inhomogeneous structures with a random distribution of gradients in the FLC volume refractive index.

Толщина слоя жидкого кристалла 5-25 мкм выбирается из условия ахроматического пропускания во всем видимом диапазоне длин волн и достижения необходимых для подавления спеклов глубины модуляции фазы не менее пи (π) и скорости включения-выключения пространственных деформаций более 50 1/с.The liquid crystal layer thickness of 5-25 μm is selected from the condition of achromatic transmission in the entire visible wavelength range and reaching the depth of phase modulation necessary for suppressing speckles not less than pi (π) and the spatial deformation on-off rate of more than 50 1 / s.

Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в электрически управляемом формировании в одноэлементной электрооптической ячейке с сегнетоэлектрическим ЖК изменяющихся во времени мелкомасштабных пространственно неоднородных и случайно распределенных по объему слоя ЖК вариаций показателя преломления, обеспечивающих хаотичную по апертуре оптического модулятора фазовую модуляцию проходящего света глубиной порядка и более пи (π).Thus, the essence of the proposed method consists in the electrically controlled formation of small-scale spatially inhomogeneous and randomly distributed over the volume of the LC layer refractive index variations in a single-cell electro-optical cell with a ferroelectric LC, which provide phase modulation of the transmitted light random in the aperture of the optical modulator with an order of depth and more (π).

Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в том, что в оптическом модуляторе на основе одноэлементной электрооптической ячейки с сегнетоэлектрическим ЖК реализуется неоднородная по апертуре, с высоким пространственным разрешением и быстродействием пространственно-временная модуляция фазы проходящего света глубиной порядка и более пи, разрушающая временную и пространственную сфазированность светового пучка и тем самым обеспечивающая подавление спекл-структуры в формируемых этим пучком изображениях.The technical result achieved in the claimed invention lies in the fact that in an optical modulator based on a single cell electro-optical cell with a ferroelectric LC, an aperture is inhomogeneous with high spatial resolution and speed, spatio-temporal modulation of the phase of transmitted light with a depth of the order of or more pi, destroying the temporal and spatial phasing of the light beam and thereby providing suppression of the speckle structure in the images formed by this beam.

Преимущества предлагаемого способа и устройства пространственно-временной фазовой модуляции света реализуются за счет выбора состава и толщины слоя жидкокристаллического вещества и подходящего режима питания электрооптической ячейки знакопеременным электрическим напряжением.The advantages of the proposed method and device for the spatio-temporal phase light modulation are realized by choosing the composition and thickness of the layer of liquid crystal material and a suitable power supply mode of the electro-optical cell with alternating voltage.

Главными достоинствами заявляемого оптического модулятора, обеспечивающего в итоге уменьшение и подавление спекл-шума в изображениях, являются простота его конструкции, управления и использования, что становится очевидным при сравнении такого одноэлементного модулятора с применяемыми для этой же цели пространственно-временными модуляторами света, например, в виде вращающегося фазового диффузора [2] или многоэлементной матрицы, формирующей ортогональные функции [9].The main advantages of the proposed optical modulator, which ultimately reduces and suppresses speckle noise in images, are the simplicity of its construction, control and use, which becomes apparent when comparing such a single-element modulator with spatio-temporal light modulators used for the same purpose, for example, in in the form of a rotating phase diffuser [2] or a multi-element matrix forming orthogonal functions [9].

Состав СЖК выбирается, исходя из его способности при определенном режиме электрического питания оптического модулятора формировать в электрооптическом слое толщиной 5-25 мкм пространственно неоднородные и быстро изменяемые во времени структуры со случайным распределением градиентов показателя преломления. Обычно такие структуры в большей или меньшей степени рассеивают проходящий свет. За последние годы выявлен большой ряд соответствующих композиций СЖК и определены условия и физические механизмы, способствующие возбуждению пространственно неоднородных деформаций в слое СЖК и, как следствие, приводящие к рассеянию света с короткими (субмиллисекундными) временами его включения и выключения [14]. Например, к возбуждению таких деформаций и к светорассеянию может привести инверсия знака электрического поля, если она индуцирует образование так называемых переходных доменов и связанных с ними градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида. Именно управляемые электрическим полем вариации показателя преломления по площади и глубине слоя СЖК, инициируемые с помощью знакопеременного электрического напряжения специальной формы, являются тем фактором, который позволяет осуществить нужную для достижения результата пространственно-временную фазовую модуляцию света в ячейке с СЖК. Ее глубина тем больше, чем больше толщина слоя СЖК, и она может составлять несколько пи (π) при толщине слоя 10-25 мкм.The composition of the FFA is selected based on its ability to form spatially inhomogeneous and rapidly changing in time structures with a random distribution of refractive index gradients in an electro-optical layer 5–25 μm thick under a certain mode of electric power supply to the optical modulator. Typically, such structures scatter transmitted light to a greater or lesser extent. In recent years, a large number of corresponding FLC compositions have been identified and conditions and physical mechanisms have been determined that facilitate the excitation of spatially inhomogeneous deformations in the FLC layer and, as a result, lead to light scattering with short (submillisecond) times of its on and off [14]. For example, the inversion of the sign of the electric field can lead to the excitation of such deformations and to light scattering if it induces the formation of the so-called transition domains and the associated refractive index gradients along the axis of the helicoid. It is the electric field-controlled variations of the refractive index over the area and depth of the FLC layer, initiated with the help of alternating electrical voltage of a special shape, that is the factor that allows the spatio-temporal phase modulation of light necessary for achieving the result to be achieved in the cell with FLC. Its depth is the greater, the greater the thickness of the FLC layer, and it can be several pi (π) with a layer thickness of 10–25 μm.

Выбор подходящего режима питания оптического модулятора знакопеременным электрическим напряжением обеспечивает условия для кратковременного включения пространственно-временных деформаций слоя, приводящих к формированию изменяющихся во времени мелкомасштабных (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно неоднородных и случайно распределенных по объему слоя вариаций показателя преломления. Заметим, что кратковременное (на 100 мкс и менее) светорассеяние не чувствительно для глаз, не искажает структуру изображений, не влияет на их восприятие и световые потери на него незначительны (менее 10%).The choice of a suitable power regime for the optical modulator with alternating electrical voltage provides the conditions for the short-term inclusion of spatio-temporal deformations of the layer, leading to the formation of time-varying small-scale (in the order of fractions - units of micrometers) spatially inhomogeneous and randomly distributed over the volume of the layer refractive index variations. Note that short-term (by 100 μs or less) light scattering is not sensitive to the eyes, does not distort the structure of images, does not affect their perception and light losses on it are negligible (less than 10%).

Эффект пространственно неоднородной фазовой модуляции света в слое СЖК достигается одновременным воздействием низкочастотного (сотни герц) и высокочастотного (килогерцы) импульсного питающего напряжения, так как при переходе от низкочастотной к высокочастотной возбуждающей моде имеет место значительное (до 90°) увеличение угла между плоскостью поляризации падающего света и направлением главной оптической оси СЖК. В этом случае изменяется характер движения директора СЖК в процессе его переориентации электрическим полем, и возникают пространственные деформации слоя, создающие мелкомасштабные (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно неоднородные и случайно распределенные по объему слоя вариации показателя преломления СЖК.The effect of spatially inhomogeneous phase modulation of light in the FLC layer is achieved by the simultaneous action of a low-frequency (hundreds of hertz) and high-frequency (kilohertz) pulsed supply voltage, since a significant increase (up to 90 °) of the angle between the plane of polarization of the incident light and the direction of the main optical axis of the FFA. In this case, the nature of the motion of the director of the FFA changes during its reorientation by the electric field, and spatial deformations of the layer arise, creating small-scale (in the order of fractions - units of micrometers) spatially inhomogeneous variations of the refractive index of the FFA randomly distributed over the volume of the layer.

При этом из уровня техники совершенно не очевидно, что в оптическом модуляторе на основе обычной электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки можно добиться эффективной пространственно-временной фазовой модуляции света только за счет выбора состава и толщины слоя жидкого кристалла и подходящего режима управления электрооптической ячейкой знакопеременным электрическим напряжением, без разделения ячейки на отдельные элементы и их раздельного управления, без ухудшения устойчивости и надежности работы как устройства модуляции света.Moreover, it is completely not obvious from the prior art that in an optical modulator based on a conventional electro-optical ferroelectric liquid crystal cell, it is possible to achieve effective spatio-temporal phase modulation of light only by choosing the composition and thickness of the liquid crystal layer and a suitable control mode of the electro-optical cell with alternating voltage, without cell division into separate elements and their separate control, without compromising stability and reliability of operation as a device Properties of light modulation.

Для улучшения характеристик спекл-подавляющих оптических модуляторов можно в отдельности или в совокупности использовать различные направления их совершенствования, как то: изменение типа и состава жидкого кристалла и электрооптического эффекта в нем, изменение режима управления ячейкой, видоизменение конструкции модулятора и т.п. Например:To improve the characteristics of speckle-suppressing optical modulators, one can individually or collectively use various directions for their improvement, such as: changing the type and composition of the liquid crystal and the electro-optical effect in it, changing the control mode of the cell, modifying the design of the modulator, etc. For example:

- возможно использование СЖК с шагом спирали, большим или меньшим длины волны видимого света, с целью уменьшения видимого фона от рассеянного излучения;- it is possible to use FLC with a spiral pitch greater or less than the wavelength of visible light, in order to reduce the visible background from scattered radiation;

- возможно использование любого другого типа жидких кристаллов, способного обеспечить формирование в его слое пространственных неоднородностей с указанными выше свойствами;- it is possible to use any other type of liquid crystals that can ensure the formation in its layer of spatial inhomogeneities with the above properties;

- возможно использование полимерно-жидкокристаллических композиций и диэлектрических пластин в виде тонких и гибких пленок;- it is possible to use polymer-liquid crystal compositions and dielectric plates in the form of thin and flexible films;

- проводящие покрытия могут быть выполнены не сплошными и могут иметь пространственные неоднородности по толщине и сопротивлению для создания дополнительных пространственных фазовых неоднородностей в слое СЖК;- conductive coatings may not be continuous and may have spatial inhomogeneities in thickness and resistance to create additional spatial phase inhomogeneities in the FLC layer;

- ориентирующие покрытия могут быть выполнены не сплошными для создания дополнительных пространственных фазовых неоднородностей в слое СЖК;- orienting coatings can be performed not continuous to create additional spatial phase inhomogeneities in the FLC layer;

- поверх одного или обоих проводящих покрытий могут быть дополнительно нанесены защитные диэлектрические пленки, например из окиси алюминия;- on top of one or both conductive coatings, protective dielectric films, for example, from alumina, can be additionally applied;

- управляющие импульсы могут быть дополнительно модулированы по амплитуде и/или частоте;- control pulses can be additionally modulated in amplitude and / or frequency;

- один из проводящих слоев выполнен зеркальным с тем, чтобы обеспечить двойное прохождение света через слой жидкого кристалла при его отражении;- one of the conductive layers is made mirror in order to ensure double passage of light through a layer of liquid crystal when it is reflected;

- для усиления эффекта подавления спекл-шума конструкция модулятора может включать две последовательно расположенные СЖК ячейки и др.- to enhance the effect of suppressing speckle noise, the design of the modulator may include two sequentially located FLC cells, etc.

Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства позволяет в известном оптическом модуляторе на основе электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки, без разделения ее на отдельно управляемые элементы, реализовать функции быстродействующего и высокоразрешающего пространственно-временного модулятора фазы света, разрушающего сфазированность проходящего светового пучка и тем самым обеспечивающего подавление спекл-структуры в формируемых им изображениях. Кроме того, такой оптический модулятор, будучи выполненным в широкоапертурном варианте, может быть использован в качестве подавляющего спеклы экрана для отображения на нем проектируемых изображений.Thus, the use of the proposed method and device allows in the known optical modulator based on an electro-optical ferroelectric liquid crystal cell, without dividing it into separately controlled elements, to realize the functions of a fast and high-resolution spatio-temporal light phase modulator, which destroys the phasing of the transmitted light beam and thereby suppresses speckle structures in the images formed by him. In addition, such an optical modulator, being made in the wide-aperture version, can be used as an overwhelming speckle of the screen for displaying projected images on it.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Предлагаемый оптический модулятор является простым, компактным, технологичным и эффективным устройством подавления спекл-шума в изображениях. Это делает возможным его применение во многих современных и перспективных информационных устройствах и системах хранения, преобразования, обработки, визуализации и проекционного отображения информации с использованием светодиодов и лазеров. Более того, его применение будет способствовать упрощению конструкции и технологии изготовления этих устройств и систем.The proposed optical modulator is a simple, compact, technological and effective device for suppressing speckle noise in images. This makes it possible to use it in many modern and promising information devices and systems for storing, converting, processing, visualizing and projecting information using LEDs and lasers. Moreover, its use will facilitate the simplification of the design and manufacturing technology of these devices and systems.

Пример осуществления способаAn example of the method

По предлагаемому способу и устройству было изготовлено несколько экспериментальных образцов оптических модуляторов на основе электрооптической жидкокристаллический ячейки с СЖК, осуществляющих пространственно-временную модуляцию светового пучка, и были измерены характеристики таких модуляторов. Принципиальная конструкция изготовленных модуляторов не отличается от изображенной на Фиг.3.According to the proposed method and device, several experimental samples of optical modulators were made based on an electro-optical liquid crystal cell with FLC, which spatially temporal modulated the light beam, and the characteristics of such modulators were measured. The basic design of the manufactured modulators does not differ from that shown in FIG. 3.

Чтобы сформировать в экспериментальных ячейках структуру с пространственной неоднородностью оптической анизотропии, использовался один из геликоидальных сегнетоэлектрических жидкокристаллических материалов с управляемым электрическим полем двулучепреломлением и светорассеянием со следующими материальными параметрами: шаг геликоида р0 был равен 0,4 мкм, величина спонтанной поляризации РS=50 нКл/см2; угол наклона молекул θ0=25°; коэффициент вращательной вязкости γr=0,7 пуаз; Δn=0,17.In order to form a structure with spatial heterogeneity of optical anisotropy in the experimental cells, we used one of the helicoidal ferroelectric liquid crystal materials with an electric field controlled by birefringence and light scattering with the following material parameters: helicoid pitch p 0 was 0.4 μm, spontaneous polarization Р S = 50 nCl / cm 2 ; the angle of inclination of the molecules θ 0 = 25 °; coefficient of rotational viscosity γ r = 0.7 poise; Δn = 0.17.

Этот материал имеет широкий температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы (-5…+70°С) и обладает высоким быстродействием: времена включения-выключения электрооптического отклика лежат в субмиллисекундном диапазоне. Апертура электрооптической ячейки составляла 2×2 см. Толщина слоя СЖК в разных ячейках была d≈13-16 мкм, что удовлетворяло соотношению d>>р0.This material has a wide temperature range for the existence of the ferroelectric phase (-5 ... + 70 ° C) and has high speed: the on-off times of the electro-optical response lie in the submillisecond range. The aperture of the electro-optical cell was 2 × 2 cm. The thickness of the FLC layer in different cells was d≈13–16 μm, which satisfied the ratio d >> p 0 .

Процесс пространственно-временной модуляции светового пучка с помощью электрооптической ячейки с СЖК может быть описан нижеследующим образом. В отсутствие электрического поля геликоидальная структура не искажена - шаг геликоида в электрооптической ячейке совпадает с равновесным шагом р0. При приложении электрического поля Е перпендикулярно к оси геликоида (Фиг.3) дипольные моменты у части молекул СЖК оказываются исходно расположенными вдоль направления поля Е (энергетически выгодная ориентация). Домен, в котором дипольные моменты расположены не по направлению поля, неустойчив. В силу этого в нем происходит [14] появление областей (так называемых переходных доменов), в которых дипольные моменты располагаются энергетически выгодно - в тех смектических слоях, где изначально азимутальный угол φ имел максимальное отклонение от φ=0 (или φ=π). Переходные домены представляют собой связанное состояние двух 180° доменных стенок разных знаков. Под действием электрического поля связанное состояние разрастается и деформируется, и при достижении некоторого критического поля стенки начинают двигаться, причем стенки разного знака движутся в противоположных направлениях. Стенка движется таким образом, чтобы объем энергетически выгодного домена увеличивался за счет домена энергетически невыгодного.The process of spatio-temporal modulation of a light beam using an electro-optical cell with an FLC can be described as follows. In the absence of an electric field, the helicoidal structure is not distorted - the pitch of the helicoid in the electro-optical cell coincides with the equilibrium pitch p 0 . When an electric field E is applied perpendicular to the axis of the helicoid (FIG. 3), the dipole moments of a part of the FFA molecules are initially located along the direction of the field E (energetically favorable orientation). The domain in which the dipole moments are not in the direction of the field is unstable. Due to this, the appearance of regions (the so-called transition domains) [14] in which dipole moments are energetically favorable — in those smectic layers where the azimuthal angle φ had the maximum deviation from φ = 0 (or φ = π) occurs in it [14]. Transition domains are the bound state of two 180 ° domain walls of different signs. Under the influence of an electric field, the bound state grows and deforms, and when a certain critical field is reached, the walls begin to move, and walls of different signs move in opposite directions. The wall moves in such a way that the volume of the energetically favorable domain increases due to the domain of energetically unfavorable.

Движение доменных границ приводит к увеличению шага геликоида в электрооптической ячейке. По истечении некоторого промежутка времени доменные границы становятся бесконечно удаленными - во всех смектических слоях азимутальный угол φ одинаков, а вектор Ps ориентирован по направлению поля. Поскольку плоскость поляризации падающего света лежит вдоль направления директора СЖК (вдоль главной оптической оси), то светопропускание электрооптической ячейки максимально.The movement of domain walls leads to an increase in the pitch of the helicoid in the electro-optical cell. After a certain period of time, the domain walls become infinitely distant - in all smectic layers, the azimuthal angle φ is the same, and the vector P s is oriented in the direction of the field. Since the plane of polarization of the incident light lies along the direction of the director of the FLC (along the main optical axis), the light transmission of the electro-optical cell is maximized.

Инверсия знака электрического поля (полярности управляющего напряжения) вновь индуцирует образование переходных доменов, движение которых в конечном итоге приводит к восстановлению невозмущенной геликоидальной структуры. В этом случае образование переходных доменов вызывает появление градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида, которое может сопровождаться рассеянием света.Inversion of the sign of the electric field (polarity of the control voltage) again induces the formation of transition domains, the movement of which ultimately leads to the restoration of the unperturbed helicoidal structure. In this case, the formation of transition domains causes the appearance of gradients of the refractive index along the axis of the helicoid, which may be accompanied by light scattering.

Фиг.5 иллюстрирует формирование в экспериментальном образце оптического модулятора, изготовленного по предлагаемому способу и устройству, пространственно неоднородных структур с почти случайным по сечению пучка распределением показателя преломления с помощью показанных на нижней осциллограмме знакопеременных импульсов электрического напряжения низкой частоты (меандр амплитудой ±30 В с частотой повторения 450 Гц), модулированных короткими (порядка 100 мкс) знакопеременными импульсами высокой частоты (амплитуда ±20 В, частота повторения 3,5 кГц). При выбранных параметрах управляющего напряжения в слое СЖК толщиной 16 мкм происходит как модуляция положения главной оптической оси СЖК (индикатрисы рассеяния), так и модуляция фазы света со случайным временным откликом глубиной до 4π (верхняя осциллограмма).Figure 5 illustrates the formation in an experimental sample of an optical modulator manufactured by the proposed method and device of spatially heterogeneous structures with an almost random distribution of the refractive index along the beam cross section using alternating low-frequency voltage pulses shown on the lower waveform (meander amplitude ± 30 V with frequency repetition 450 Hz) modulated by short (about 100 μs) alternating pulses of high frequency (amplitude ± 20 V, repetition frequency 3.5 kHz). With the selected control voltage parameters in the FLC layer with a thickness of 16 μm, both the position of the main optical axis of the FLC (scattering indicatrix) is modulated and the phase of the light is modulated with a random time response up to 4π deep (upper waveform).

Свидетельством осуществления в том же экспериментальном образце оптического модулятора пространственно-временной модуляции светового пучка являются представленные на Фиг.6 фотографии сечения пучка с исходной (а) и разрушенной (б) спекловой картиной. Эффективность подавления спекл-шума составила 50 процентов и она может быть повышена при дальнейшей оптимизации состава и толщины слоя жидкокристаллического вещества, конструкции ячейки и режима ее питания электрическим напряжением.Evidence of the spatial-temporal modulation of the light beam in the same experimental sample of the optical modulator is shown in Fig. 6 photographs of the beam cross section with the original (a) and destroyed (b) speckle pattern. The speckle noise suppression efficiency was 50 percent and it can be improved with further optimization of the composition and thickness of the liquid crystal layer, the cell structure, and the mode of its supply with electric voltage.

Литературные источникиLiterary sources

[1] Кольер Р., Берхард К., Лин Л. Оптическая голография. Москва, Мир, с.390 (1973).[1] Collier R., Berhard K., Lin L. Optical holography. Moscow, Mir, p. 390 (1973).

[2] Goodman J.W. In Laser Speckle and Related Phenomena (ed. Dainty J.C.), Springer-Verlag, Berlin, p.9-75 (1984).[2] Goodman J.W. In Laser Speckle and Related Phenomena (ed. Dainty J.C.), Springer-Verlag, Berlin, p. 9-75 (1984).

[3] Рябухо В.П. СОЖ, №5, с.102-109 (2001).[3] Ryabuho V.P. Coolant, No. 5, pp. 102-109 (2001).

[4] Arsenault H., Lowenthal S. Opt.Commun., v.57, 493 (1970).[4] Arsenault H., Lowenthal S. Opt. Commun., V. 57, 493 (1970).

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

[6] Турухано Б.Г. В сборнике «Оптическая голография. Практические применения», Ленинград, Наука, стр.75-95 (1985).[6] Turukhano B.G. In the collection “Optical holography. Practical Applications ”, Leningrad, Science, pp. 75-95 (1985).

[7] Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. /Под ред. Компанца И.Н./, Москва, Радио и связь (1987).[7] Vasiliev A.A., Casasent D., Kompanets I.N., Parfenov A.V. Spatial light modulators. / Ed. Kompantsa I.N. /, Moscow, Radio and Communications (1987).

[8] Hedayat A.S., Sloan N.J.A., Stufken J. Orthogonal Arrays: Theory and Applications. Springer-Verlag, New York (1999).[8] Hedayat A.S., Sloan N.J.A., Stufken J. Orthogonal Arrays: Theory and Applications. Springer-Verlag, New York (1999).

[9] Trisnadi J.I. Optics Letters, v.29, # 1,11-13 (2004).[9] Trisnadi J.I. Optics Letters, v. 29, # 1.11-13 (2004).

[10] Trisnadi J.I. International Patent WO 03/001281 A1 (03.01.2003 on Appl. 25.06.2001).[10] Trisnadi J.I. International Patent WO 03/001281 A1 (01/03/2003 on Appl. 06/25/2001).

[11] Chigrinov V.G. Liquid crystal devices: physics and applications, Artech House, Boston, London, UK (1999).[11] Chigrinov V.G. Liquid crystal devices: physics and applications, Artech House, Boston, London, UK (1999).

[12] Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev E., Zerrouk A. Proc. SPIE, v.4511, 82-91 (2001).[12] Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev E., Zerrouk A. Proc. SPIE, v. 4511, 82-91 (2001).

[13] Clark N.A., Lagerwall S.T.J. Appl. Phys., v.36, 899-903 (1980).[13] Clark N.A., Lagerwall S.T.J. Appl. Phys., V. 36, 899-903 (1980).

[14] Андреев А.Л., Бобылев Ю.П., Губасарян Н.А., Компанец И.Н., Пожидаев Е.П., Федосенкова Т.Б., Шошин В.М., Шумкина Ю.П. Оптический журнал, т.79, №9, 58-65 (2005).[14] Andreev A.L., Bobylev Yu.P., Gubasaryan N.A., Kompanets I.N., Pozhidaev E.P., Fedosenkova TB, Shoshin V.M., Shumkina Yu.P. Optical Journal, vol. 79, No. 9, 58-65 (2005).

Claims (4)

1. Способ модуляции фазы света, основанный на электрически управляемом изменении двулучепреломления слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла в одноэлементной электрооптической ячейке с единственной парой токопроводящих покрытий, отличающийся тем, что приложенным от источника электрического напряжения знакопеременным электрическим полем одновременно на низкой частоте (50-500 Гц) и высокой частоте (500-8000 Гц) в слое жидкого кристалла вызывают пространственные деформации, приводящие к формированию в нем мелкомасштабных (размером порядка долей - единиц микрометров) пространственно неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления, и как следствие, к фазовой модуляции проходящего света в пространственно неоднородной по апертуре электрооптической ячейке.1. A method of modulating a phase of light based on an electrically controlled birefringence change of a ferroelectric liquid crystal layer in a single-cell electro-optical cell with a single pair of conductive coatings, characterized in that an alternating electric field applied from the voltage source simultaneously at a low frequency (50-500 Hz) and high frequency (500-8000 Hz) in a layer of a liquid crystal cause spatial deformations, leading to the formation of small-scale (pore size Single fractions - micrometer units) spatially inhomogeneous and quickly changeable structures in time with a random distribution of the refractive index gradients, and as a result, the phase modulation of the transmitted light in spatially nonuniform aperture electrooptical cell. 2. Способ модуляции фазы света по п.1, отличающийся тем, что значение фазового сдвига на любом участке апертуры модулирующей жидкокристаллической среды при заданном режиме (амплитуда, форма, длительность и частота следования знакопеременных импульсов) электрического напряжения не является точно заданным, а находится в интервале значений от 0 до максимального, определяемого толщиной жидкого кристалла, длиной волны и максимально возможным значением изменения двулучепреломления на этом участке апертуры.2. The method of modulating the phase of light according to claim 1, characterized in that the phase shift value at any portion of the aperture of the modulating liquid crystal medium in a given mode (amplitude, shape, duration and frequency of alternating pulses) of the electric voltage is not exactly specified, but is in the range of values from 0 to the maximum, determined by the thickness of the liquid crystal, the wavelength and the maximum possible value of the change in birefringence in this section of the aperture. 3. Оптический модулятор на основе электрооптической сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки, содержащий две параллельно расположенные диэлектрические пластины, по крайней мере, одна из которых выполнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрачным, жидкий кристалл, заполняющий пространство между токопроводящими покрытиями, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, прозрачное анизотропное покрытие, задающее начальную ориентацию молекул жидкого кристалла в отсутствии внешнего электрического поля, нанесенное, по крайней мере, на одно токопроводящее покрытие со стороны, обращенной к жидкому кристаллу, источник электрического напряжения, отличающийся тем, что источник электрического напряжения выполнен с возможностью питания ячейки знакопеременным электрическим полем одновременно на низкой и высокой частоте, а состав и толщина слоя жидкого кристалла выбраны из условия обеспечения образования в слое жидкого кристалла мелкомасштабных пространственно-неоднородных и быстро изменяемых во времени структур со случайным распределением градиентов показателя преломления.3. An optical modulator based on an electro-optical ferroelectric liquid crystal cell, containing two parallel-mounted dielectric plates, at least one of which is made transparent, on the inner sides of which are conductive coatings, at least one of which is made transparent, a liquid crystal filling the space between the conductive coatings, changing its optical anisotropy under the influence of an electric field, a transparent anisotropic coating, the initial orientation of the liquid crystal molecules in the absence of an external electric field, applied to at least one conductive coating from the side facing the liquid crystal, an electric voltage source, characterized in that the electric voltage source is configured to supply the cell with an alternating electric field simultaneously at low and high frequencies, and the composition and thickness of the liquid crystal layer are selected from the condition of ensuring the formation of small-scale particles in the liquid crystal layer spatial heterogeneous and rapidly changing in time structures with a random distribution of refractive index gradients. 4. Оптический модулятор по п.3, отличающийся тем, что толщина слоя жидкого кристалла выбрана в пределах 5-25 мкм из условия ахроматического пропускания во всем видимом диапазоне длин волн и достижения необходимых для подавления спеклов глубины модуляции фазы не менее пи (π) и скорости включения-выключения пространственных деформаций более 50 1/с. 4. The optical modulator according to claim 3, characterized in that the thickness of the liquid crystal layer is selected within 5-25 μm from the condition of achromatic transmission in the entire visible range of wavelengths and reaching the phase modulation depth necessary for suppressing speckles not less than pi (π) and spatial deformation on-off rates of more than 50 1 / s.
RU2008126434/28A 2008-07-01 2008-07-01 Method of modulating phase of light and optical modulator to this end RU2373558C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008126434/28A RU2373558C1 (en) 2008-07-01 2008-07-01 Method of modulating phase of light and optical modulator to this end

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008126434/28A RU2373558C1 (en) 2008-07-01 2008-07-01 Method of modulating phase of light and optical modulator to this end

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2373558C1 true RU2373558C1 (en) 2009-11-20

Family

ID=41477991

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008126434/28A RU2373558C1 (en) 2008-07-01 2008-07-01 Method of modulating phase of light and optical modulator to this end

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2373558C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011112121A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" Ferroelectric liquid crystal display cell
RU2561307C2 (en) * 2014-01-16 2015-08-27 Игорь Николаевич Компанец Method for spatial non-uniform modulation of light phase and optical modulator therefor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3446474A1 (en) * 1984-12-20 1986-07-03 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn LIQUID CRYSTAL MODULATOR FOR VOICE AND INFORMATION TRANSFER IN THE VISIBLE AND INFRATER AREA
US6122023A (en) * 1998-07-28 2000-09-19 Motorola, Inc. Non-speckle liquid crystal projection display
RU2253888C2 (en) * 2000-07-15 2005-06-10 Голографик Имэджинг Ллс Bistable liquid-crystal units
RU2304297C1 (en) * 2006-03-21 2007-08-10 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Device for suppression of speckles

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3446474A1 (en) * 1984-12-20 1986-07-03 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn LIQUID CRYSTAL MODULATOR FOR VOICE AND INFORMATION TRANSFER IN THE VISIBLE AND INFRATER AREA
US6122023A (en) * 1998-07-28 2000-09-19 Motorola, Inc. Non-speckle liquid crystal projection display
RU2253888C2 (en) * 2000-07-15 2005-06-10 Голографик Имэджинг Ллс Bistable liquid-crystal units
RU2304297C1 (en) * 2006-03-21 2007-08-10 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Device for suppression of speckles

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011112121A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" Ferroelectric liquid crystal display cell
RU2430393C1 (en) * 2010-03-11 2011-09-27 Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" Ferroelectric lcd cell
RU2561307C2 (en) * 2014-01-16 2015-08-27 Игорь Николаевич Компанец Method for spatial non-uniform modulation of light phase and optical modulator therefor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3650608A (en) Method and apparatus for displaying coherent light images
US6714174B2 (en) Optical device and three-dimensional display device
US3836243A (en) Liquid crystal display apparatus
US4773738A (en) Optical modulation device using ferroelectric liquid crystal and AC and DC driving voltages
KR101797214B1 (en) Transparent display device and driving method thereof
KR20000069992A (en) Apparatus for and method of driving a cholestric liquid crystal flat panel display with initial setting into the nematic state
US9709877B2 (en) Video projector employing ferroelectric liquid crystal display
RU2373558C1 (en) Method of modulating phase of light and optical modulator to this end
JP2003098504A (en) Optical deflection element, optical deflection device using the same, and image display device
Andreev et al. Speckle‐noise suppression due to a single ferroelectric liquid‐crystal cell
KR20080067041A (en) Transflective Liquid Crystal Display Panel
JP5601322B2 (en) Projection display
US3980396A (en) Liquid crystalline deflection and modulation system
US3716289A (en) Electro-optical display devices using smectic-nematic liquid crystal mixtures
RU2430393C1 (en) Ferroelectric lcd cell
Andreev et al. Speckle suppression using a liquid-crystal cell
US20150304646A1 (en) Three-Dimensional Display
US5040879A (en) Variable density optical filter
CN113495405A (en) Projection system
RU2561307C2 (en) Method for spatial non-uniform modulation of light phase and optical modulator therefor
RU2582208C2 (en) Method of controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer, device for controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer and liquid crystal light modulator
CN107209431B (en) Vertical spiral ferroelectric liquid crystal display unit
RU2340923C1 (en) Liquid crystal spatial light modulator (versions)
RU2219588C1 (en) Method and device for producing three- dimensional images
JP2006501500A5 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
PC4A Invention patent assignment

Effective date: 20100726

PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20101224

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160702