Динамический способ управления профилем волнового фронта светового пучка и устройство для его реализации (варианты)

 

Изобретение относится к оптической технике. В способе используется различие в значениях между временами "включения" t_on и "выключения" t_off электрооптического эффекта в слое нематического жидкого кристалла. Конструктивно динамический корректор может быть выполнен в двух вариантах. Первый имеет высокоомный электрод, сопротивление которого выбирается таким образом, чтобы постоянная времени RС была больше t_on, а управляющее напряжение было таким, чтобы t_оn >> t_off. Отличие заключается в способе управления, когда к паре контактов корректора подается управляющее напряжение в течение времени переключения t так, чтобы t_on ≤ t<< t_off. Второй вариант заключается в том, что вместо резистивного высокоомного электрода с контактами и низкоомного электрода используются два резистивных электрода с контактами по периферии. А способ управления состоит в том, что переключение управляющего напряжения производится между контактами не только одного электрода, но и контактами противоположных высокоомных электродов. Технический результат - получение более широкого класса возможных реализации фазовых профилей волнового фронта. 3 с.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к оптической технике, в частности к адаптивной оптике, 3D оптическим измерительным системам и к компьютерной оптике. Изобретение может быть использовано для получения заданного профиля волнового фронта или распределения интенсивности в плоскости фокусировки.

Известен способ управления профилем волнового фронта светового пучка, когда апертура светового пучка делится на субапертуры. Каждая субапертура представляет собой жидкокристаллическую ячейку, ограниченную индивидуальным и общим прозрачными электродами. Величина приложенного к индивидуальному электроду напряжения задает значение фазовой задержки между обыкновенной и необыкновенной световыми волнами за счет электрооптического S-эффекта. Проходящий через такой корректор световой пучок с линейной поляризацией, совпадающей с начальной ориентацией молекул жидкого кристалла, приобретает фазовую задержку в соответствии с распределением напряжений на индивидуальных электродах [G.D.Love, "Wave-front correction and production of Zernike modes with a liquid-crystal spatial light modulator", Appl. Optics, Vol.36, 7, pp. 1517-1524 (1997)] . Качество управления профилем волнового фронта определяется числом индивидуальных электродов.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ формирования заданного профиля волнового фронта, заключающийся в том, что к проводящими контактам, расположенным по периферии прозрачного высокоомного электрода, прикладывается переменное электрическое напряжение относительно прозрачного низкоомного электрода. Распределение показателя преломления создается за счет распределенных емкости и сопротивления в слое жидкого кристалла, находящегося между этими электродами. Форма распределения определяется конфигурацией проводящих контактов, амплитудой и частотой приложенного напряжения, а также сдвигом фаз между управляющими напряжениями [Е. Г. Абрамочкин, Ф.Ф. Васильев, П.В. Вашурин, Л.И. Жмурова, В.А. Игнатов, А. Ф. Наумов "Управляемая жидкокристаллическая линза", препринт ФИАН 194, Москва, 18 стр. (1988)].

Известный корректор с управлением по периферии, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, представляет собой плоский капилляр, заполненный планарно-ориентированным нематиком. Капилляр образуется стеклянными подложками, с нанесенными на внутренние стороны прозрачными электродами. Один из электродов - низкоомный, а другой - высокоомный. Высокоомный электрод имеет на двух противоположных сторонах два эквидистантных линейчатых проводящих контакта. Толщина капилляра задается изолирующими прокладками, а ориентация молекул жидкого кристалла - ориентирующим покрытием на электродах [С.П. Котова, М.Ю. Локтев, А.Ф. Наумов, А.В. Парфенов, Т.Н. Сапцина "Управление фазовым пропусканием жидкокристаллической линзы". Вестник СамГУ, 2(4), стр.167-173 (1997)]. Этот корректор предназначен для получения цилиндрического профиля волнового фронта.

Недостаток известного способа и устройства реализации состоит в ограниченности набора возможных фазовых профилей, так как для получения сложных профилей фазы (к примеру, для коррекции астигматизма, комы и других аберраций высшего порядка) необходимо увеличить число управляющих контактов. Однако в этом случае распределение модуля электрического поля в центре активной апертуры практически не меняется. Это вызвано взаимным влиянием соседних проводящих контактов, создающих утечку электрического напряжения без участия центральной области.

Целью изобретения является получение более широкого класса возможных реализации фазовых профилей.

Указанная цель достигается тем, что в заявляемом способе управления профилем волнового фронта используется различие в значениях между временами "включения" t_on и "выключения" t_off электрооптического эффекта в слое нематического жидкого кристалла [А.С. Сонин "Введение в физику жидких кристаллов", М. : Наука, 1983, с.204]. Корректор с таким способом управления будем называть динамическим корректором волнового фронта.

Конструктивно динамический корректор может быть выполнен в двух вариантах. Первый совпадает с описанным прототипом устройства и имеет высокоомный электрод, сопротивление которого выбирается таким образом, чтобы постоянная времени RC была больше t_on, а управляющее напряжение было таким, чтобы t_on >> t_off. Отличие заключается в способе управления, когда к паре контактов корректора подается управляющее напряжение в течение времени переключения t так, чтобы t_on ≤ t << t_off. В этом случае в слое жидкого кристалла формируется требуемое распределение показателя преломления в направлении между активными контактами. Затем напряжение переключается на другую пару контактов, чтобы сформировать распределение в другом направлении и так далее, пока не сформируется такое двумерное распределение показателя преломления, чтобы прошедший через слой жидкого кристалла световой пучок приобрел заданный профиль волнового фронта.

Второй вариант заключается в том, что вместо резистивного высокоомного электрода с контактами и низкоомного электрода используются два резистивных электрода с контактами по периферии. Из анализа, аналогичного приведенному в [Г. В. Вдовин, И. Р. Гуральник, С. П. Котова, М.Ю. Локтев, А.Ф. Наумов "Жидкокристаллические линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием. I. Теория", Квантовая электроника 26 (1999), стр.256-264] следует, что корректор с двумя высокоомными электродами, имеющими поверхностные сопротивления ρ_1s и ρ_2s, с физической точки зрения эквивалентен корректору с одним высоокоомным электродом, имеющим поверхностное сопротивление ρ_s = ρ_1s+ρ_2s. Способ управления состоит в том, что переключение управляющего напряжения производится между контактами не только одного электрода, но и контактами противоположных высокоомных электродов. Такая конфигурация позволяет получить большую плотность управляющих контактов.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается организацией управления, позволяющей реализовать больший класс фазовых профилей из-за отсутствия взаимного влияния между соседними контактами, поскольку в каждый момент времени включена только одна пара контактов. Таким образом, заявляемый способ и устройство для его осуществления соответствуют критерию изобретения "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг.1, 2 представлена схема устройства динамического корректора волнового фронта с одним высокоомным электродом. На фиг.3 представлена схема устройства динамического корректора волнового фронта с двумя высокоомными электродами. На фиг. 4 показано расположение управляющих контактов динамического корректора волнового фронта, предназначенного для реализации астигматического волнового фронта и дефокусировки. На фиг. 5 приведен пример распределения фазы волнового фронта в корректоре, представленном на фиг.4.

Устройство динамического корректора волнового фронта включает в себя две стеклянные пластины 1, разделенные изолирующими прокладками 2, которые задают толщину слоя жидкого кристалла 3. С внутренней стороны пластины покрыты прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями 4. Причем один электрод 5 является высокоомным(и) и на нем(них) нанесены управляющие контакты 6. Другой электрод 7 - низкоомный (во втором случае отсутствует). Форма и взаимное расположение управляющих контактов определяются классом фазовых поверхностей, которые необходимо сформировать с помощью данного устройства. Например, для получения астигматического волнового фронта и дефокусировки может быть использовано расположение управляющих контактов, показанное на фиг.4. Результат работы такого корректора показан на фиг.5.

Формула изобретения

1. Динамический способ управления профилем волнового фронта, включающий использование корректора волнового фронта, содержащего слой нематического жидкого кристалла, отличающийся тем, что в динамическом корректоре волнового фронта используют различие в значениях между временами включения и выключения электрооптического эффекта в слое нематического жидкого кристалла, при этом в корректоре сопротивление высокоомного электрода выбирают таким образом, чтобы постоянная времени RC была больше времени включения t_on и используют такое управляющее напряжение, что t_on >> t_off, где t_off - время выключения, причем управляющее напряжение подают к паре контактов корректора в течение времени t, где t_on ≤ t << t_off, затем переключают напряжение на другую пару контактов и таким образом формируют в слое жидкого кристалла двумерное распределение показателя преломления для формирования профиля волнового фронта светового пучка, прошедшего через слой жидкого кристалла.

2. Динамический корректор волнового фронта, включающий слой нематического жидкого кристалла, высокоомный электрод и низкоомный электрод, отличающийся тем, что сопротивление высокоомного электрода выбрано таким образом, чтобы постоянная времени RС была больше t_on - времени включения электрооптического эффекта в слое нематического жидкого кристалла, корректор содержит несколько пар управляющих контактов, причем в каждый момент времени включена только одна пара контактов и управляющее напряжение подается к паре контактов в течение времени t, где t_on ≤ t << t_off, t_off - время выключения электрооптического эффекта в слое нематического жидкого кристалла, а форма и взаимное расположение управляющих контактов определяют класс сформированной фазовой поверхности.

3. Динамический корректор волнового фронта, включающий слой нематического жидкого кристалла и высокоомный электрод, отличающийся тем, что сопротивление высокоомного электрода выбрано таким образом, чтобы постоянная времени RC была больше t_on - времени включения электрооптического эффекта в слое нематического жидкого кристалла, корректор содержит второй высокоомный электрод с управляющими контактами, причем переключение управляющего напряжения производится между контактами противоположных высокоомных электродов и управляющее напряжение подается в течение времени t, где t_on ≤ t << t_off, t_off - время выключения электрооптического эффекта в слое нематического жидкого кристалла, а форма и взаимное расположение управляющих контактов определяют класс сформированной фазовой поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5