Пространственно-временные модуляторы

 

К ПВМС предъявляются высокие  требования телевизионных стандартов, что требует использования технологии обработки поверхности слоев  с точностью l/10 по всей апертуре (30—50 мм), где l — длина волны считывающего света .

 

 

 

 

 

 

 

Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света для систем оптической обработки информации.

Изобретение относится к  области оптического приборостроения, в частности к конструкции  светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света для систем ввода и обработки оптической информации, например для голографии и внутрирезонаторного считывания изображения. Устройство представляет собой многослойную систему, состоящую из пленки полимерного фотопроводника и слоя нематического жидкого кристалла. Для ориентации молекул ЖК используется специальное ориентирующее покрытие. При функционировании данного устройства предлагается использовать напряжение питания в виде прямоугольных импульсов переменной полярности и импульсный режим записи. Улучшенное быстродействие прибора, являющееся необходимым условием его применения в высокоскоростных система обработки оптической информации, позволило достичь повышения частоты цикла запись - считывание в 25 раз.

Модулятор является одним  из основных элементов оптических схем регистрации, преобразования и отображения  оптической информации, позволяющих  выполнять операции в реальном масштабе времени. В нем происходит запись изображения, создание потенциального рельефа для передачи информации на электрооптический слой, а также считывание изображения. Динамические характеристики ЖК-ПВМС определяются как особенностями их конструкции и физико-химической природой используемых материалов (различные типы фотопроводников, разные классы жидких кристаллов, виды ориентирующих покрытий), так и возможностью оптимизации параметров с помощью специфических условий работы (использование лазерного излучения для записи и считывания, импульсный режим питания и другие аспекты).

 Известна конструкция  светоуправляемого ЖК-ПВМС, выбранная в качестве аналога, содержащего полимерный фотопроводник в качестве светочувствительного слоя, нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей среды и окись кремния в качестве ориентирующего слоя. Последний обеспечивал планарную ориентацию молекул жидкого кристалла. Полимерные модуляторы обладают комплексом ценных технических параметров: высоким разрешением, характерным для молекулярных систем, высоким контрастом и чувствительностью. По разрешающей способности полимерные модуляторы имеют лучшие показатели среди широкого класса светоуправляемых ЖК-ПВМС. Однако временные характеристики полимерных модуляторов хуже, чем у приборов с другими фотослоями. Недостатком известной конструкции модулятора является низкое быстродействие. Известная разработка полимерного ЖК-ПВМС имеет следующие временные параметры: время включения - 200 мс, время выключения - 700 мс при условии работы прибора на постоянном напряжении питания и при постоянной засветке сине-зеленым участком спектра лампы накаливания. На том же устройстве авторы работы, применив импульсную запись с помощью лазерного интерференционного резольвометра, получили время включения 15 мс. Структура работала на постоянном напряжении питания.

Прибор работал в условиях сочетания импульсной записи с импульсным однополярным напряжением питания  и показал следующие временные  параметры: время включения - 5 мс, время  выключения - 120 мс. Недостатком данной конструкции модулятора явилось  большое время выключения прибора, что снижает его быстродействие и затрудняет применение этого устройства в высокоскоростных оптических системах. Те же авторы, применив для питания  структуры прямоугольные импульсы переменной полярности, получили время  выключения  80 мс, что позволило  повысить частоту цикла запись-считывание с 0,2 Гц до 1 Гц

 

Техническим результатом  изобретения является дальнейшее повышение  быстродействия полимерного ЖК-ПВМС. Указанный результат достигается  тем, что в известном устройстве, конструкция которого включает полимерный фотопроводник и нематический жидкий кристалл, используют ориентант на основе тонких пленок аморфного углерода, полученных в плазме тлеющего разряда. Замена ориентирующего слоя с окиси кремния на пленки аморфного углерода изменяет условия для подвижности носителей заряда на границе раздела сред с разными физико-химическими параметрами и обеспечивает существенно лучшее быстродействие (см. табл.). При работе предлагаемой конструкции ЖК-ПВМС использовалось напряжение питания в виде прямоугольных импульсов переменной полярности и импульсный режим записи.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена конструкция модулятора (рис. 15), и оптической схемой измерения характеристик (рис. 16).

Рис 15. Конструкция  модулятора

 

Предлагаемый ЖК-ПВМС (рис. 15) представляет собой многослойную систему, состоящую из слоя нематического жидкого кристалла (1) толщиной 5 мкм и пленки полимерного фотопроводника (2) толщиной 1 мкм. Толщина ЖК задавалась тефлоновыми прокладками (6). Структура заключалась между двумя стеклянными подложками (4) диаметром 35 мм с прозрачными проводящими электродами (5), полученными методом лазерного напыления окиси индия с добавкой окиси олова. На граничную с ЖК поверхность наносились пленки аморфного углерода (3) толщиной 500  полученные из паров толуола в плазме тлеющего разряда. Начальная ориентация ЖК - планарная, использовался S-эффект.

Рис 16. Оптической схемой измерения характеристик

 

Измерения динамических характеристик  ЖК-ПВМС проводились по голографической  методике [7] по схеме, представленной на фиг. 2, где представлены неодимовый лазер (1), преобразователь второй гармоники (2), телескоп (3), диафрагма (4), поворотное зеркало (5), делительное зеркало (6), призма (7), ПВМС (8), He- Ne-лазер (9), линза (10), фотоумножитель (II).

Модулятор работал следующим  образом:

Вторая гармоника моноимпульсного  неодимового лазера (1) ( λ= 0,52 мкм, длительность импульса 20 нс) использовалась для записи дифракционной решетки. Пространственная частота, на которой велись исследования, составляла 100 лин/мм. Диаметр пятна на фотослое  5 мм, плотность энергии записи поддерживалась на уровне 400 мкВт/см2. Для питания модулятора использовалось импульсное напряжение питания с амплитудой прямого импульса 30 B и амплитудой импульса обратной полярности 10 В. Длительность импульса питания составляла 30 мс, частота следования - 5 Гц. Импульсное питание прибора было синхронизовано с импульсами генерации лазера. Задержка между импульсом генерации лазера и передним фронтом импульса питания составляла 50 мкс. Для считывания "на просвет" использовалось непрерывное линейно - поляризованное излучение He-Ne-лазера (9) ( λ = 0,63 мкм). При записи и считывании ориентация вектора решетки и поля считывающего излучения совпадала с ориентацией директора ЖК-молекул, то есть выполнялась следующая векторная комбинация  Дифракционный отклик регистрировался в первом порядке дифракции в фокальной плоскости линзы (10), расположенной за ЖК-ПВМС (8). Регистрация велась с помощью электронного фотоумножителя (II). Время включения, определенное по времени нарастания дифракционного отклика от уровня 0,1 до уровня 0,9, в предлагаемом устройстве составило 3 мс, время выключения, соответствующее времени спада дифракционного отклика от максимального значения до уровня 0,1, составило 20 мс.

 Использование в качестве  ориентанта тонких пленок аморфного углерода позволило сократить время выключения модулятора и существенно снизить время релаксации, что улучшило время выключения прибора в 4 раза. Улучшенное быстродействие прибора, являющееся необходимым условием его применения в высокоскоростных системах обработки оптической информации, позволило достичь повышения частоты цикла запись-считывание полимерных модуляторов с 0,2 Гц [5] до 5 Гц. Указанное функциональное совершенствование прибора позволит расширить область применения полимерных модуляторов света.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип действия ПВМС

Емкостные сопротивления  слоем (соответственно их толщины) выбираются такими, чтобы приложенное к прозрачным электродам переменное напряжение (f = 104 Гц, U = 10—30 В) в отсутствие подсветки изображением в основном падало на слой фотополупроводника, а напряжение на слое ЖК было меньше порогового напряжения переориентации его молекул. Записывающий свет входного изображения создает в полупроводнике рельеф свободных носителей зарядов, которые приводят к образованию рельефа емкости структуры, соответствующего входному изображению. В освещенных участках емкость слоя полупроводника возрастает, что приводит к возрастанию напряжения на слое ЖК. Максимальный коэффициент увеличения емкости определяется соотношением толщины полупроводника к суммарной толщине диэлектрических слоев структуры.

При напряжении на ЖК больше порогового значения для переориентации молекул показатель преломления  ЖК изменяется и формируется его  рельеф. Прошедший через слой ЖК световой поток опроса модулируется в соответствии с изменением показателя его преломления. При наличии  в схеме опроса поляроидов воспроизводится  амплитудная картина преобразованного изображения.

Конструктивно МДП-структура формируется на входной стеклянной подложке со стороны нанесенного на нее прозрачного электрода. Светомодулирующая часть представляет собой ЖК-ячейку (ЖКЯ), опорными стенками которой являются поверхности пластины полупроводника и выходной стеклянной подложки со стороны второго прозрачного электрода .

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Существенный интерес  к аналоговым приборам с распределенными  параметрами типа ПВМС, позволяющим  в реальном времени осуществлять интегральные преобразования изображений, имел место примерно 15—20 лет назад, когда цифровая электроника еще  находилась в стадии развития. С  появлением быстрого преобразования Фурье  цифровыми методами и жидкокристаллических высокоинформативных матриц с активной адресацией интерес к системам ПВМС стал ослабевать. В последние годы появились нейрокомпьютерные алгоритмы  обработки больших массивов информации, реализация которых цифровыми методами сталкивается с определенными трудностями, и возник новый виток интереса к специализированным устройствам  обработки на основе аналоговых структур с распределенными параметрами  типа ПВМС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

 

1. Оптические методы обработки сигналов.   Свет В. Д.    1971г.
2. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии. Введение в цифровую оптику.  Ярославский Л.П. 1987
3. http://kunegin.com/ref/lec/611.htm
4. http://relec.ru/radiolocation/277-raznovidnosti-prostranstvenno-vremennoy-modulyacii-lokacionnyh-signalov.html
5. http://www.vimi.ru/applphys/2000/5/f6-1.htm