Переключаемый светофильтр

 

ОПИСА= ЙЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ (i i1 488177

Союз Советских

Соцналнстнческнх

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свпд-ву (22) Заявлено 21.01.74 (21) 1995324!26-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 15.10,75. Бюллетень ¹ 38

Дата опубликования описания 10.06.76 (51) М. Кл,2 G 02В 5/24

Государственный камнтет

Совета Министров СССР (53) ДК 535.345.6 (088.8) по делам изобретений и открытнн (72) Авторы изобретения

В, А. Цветков, Н. А. Морозов и М. И. Елинсон

Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР (71) Заявитель (54) ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫЙ СВЕТОФИЛЪТР

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано, в частности, для управления цветом в устройствах наглядного представления информации.

Известны электрически переключаемые светофильтры, использующие, например, явление селективного отражения света от пленки холестерического жидкого кристалла или изменение величины двулучепреломления пленки нематического жидкого кристалла при подаче управляющего напряжения, в последнем случае для работы необходимо применение поляроидов.

Недостатками существующих переключаемых светофильтров, использующих жидкие кристаллы, является зависимость спектрального состава пропускаемого или отражаемого света не только от управляющего напряжения, но и от температуры пленки жидкого кристалла, абсолютного значения и неравномерностей толщины пленки, угла зрения (для холестерических кристаллов), изменения спектрального состава по мере старения и разложения жидкокристаллического вещества.

Недостатками устройств с управляемой дифракционной структурой в прозрачных средах являются большие управляющие напряжения, значительные габариты, наличие вакуума (при управлении электронным пучком).

Целью данного изобретения является обеспечение постоянства спектрального состава света, проходящего через переключаемый светофильтр, с сохранением основного достоинства жидкокристаллических устройств — низко5 го управляющего напряжения и малых габаритов.

Это достигается тем, что в предлагаемом светофильтре на одну подложку начесена входная маска со щелями, на другую подлож10 ку нанесены два прозрачных электрода в виде гребенок с взаимно проникающими зубцами, а на расстоянии фраунгоферовои диффракции от слоя жидкого кристалла помещена выходная маска со щелями, неперекрыва15 ющимися со щелями входной маски.

Независимость периода получаемой дифракционной структуры от температуры, толщины пленки и показателя преломления жид. кого кристалла обеспечивает стаоильность 0 спектрального состава пропускаемого света, а применение жидкокристаллических веществ позволяет применять управляющие напряжения небольшой величины и мощности и сохранить малые габариты устройства.

25 На фиг. 1 — показана конструкция переключаемого светофильтпа; на фиг. 2 — конфигурация электродов; на фиг. 3 — ход лучей при управляемой дифракции.

Переключаемый светофильтр состоит из

30 жидкокристаллической ячейки, включающей

488177

25

3 пленку нематического жидкого кристалла 1, заключенную между двумя стеклами 2 и 3 с прозрачным проводящим покрытием 4 и 5, например, из двуокиси олова, и двух непрозрачных масок: входной 6 и выходной 7. Толщина пленки нематического жидкого кристалла задается прокладкой 8 из диэлектрика, например из фторопласта толщиной 5 — 50 мкм.

Прозрачное покрытие 5 на стекле 2 сплошное и используется как общий электрод, а на стекле 3 частично вытравлено так, что получаются две гребенки 9 и 10 (фиг. 2) с взаимно проникающими зубцами. Период зубцов каждой из гребенок 2 d, отношение ширины зубца и зазора не имеет принципиального значения и может быть принято равным единице.

Входная маска 6 имеет параллельные зубцам гребенок щели 11, пропускающие падающий белый свет в виде отдельных лучей 12, которые после прохождения через пленку жидкого кристалла могут занимать относительно луча 12 положения 13, 14 или 15 в зависимости от управляющего напряжения (фиг. 3).

Выходная маска 7 имеет щели 16, ширина которых и положение определенным образом, описанным ниже, согласованы со щелями в маске 6. Термостатирующее устройство. обеспечивающее поддержание температуры пленки жидкого кристалла в пределах области существования жидкокристаллической фазы, не приводится.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии (без подачи управляющих напряжений) пленка жидкого кристалла прозрачна и лучи 12 белого света, проходя через пленку жидкого кристалла, распространяются по прямой и, попадая в по",îæåíèå 13 (фиг. 3), поглощаются выходной маской 7.

На выход светофильтра через щели 16 поступает незначительная доля света, обусловленная рассеянием в пленке, отражениями от поверхностей стекол и частичной дифракцией на щелях маски 6.

Известно, что в нематических жидких кристаллах с отрицательной анизотропией диэлектрической постоянной при подаче электрического напряжения по величине больше порогового значения везникает электрооптический эффект — «динамическое рассеяние», в результате чего пленка жидкого кристалла становится молочно-белой и практически непрозрачной. В нематических жидких кристаллах с положительной анизотропией диэлектрической постоянной, под действием напряжения возникает электрооптический эффект — «индуцированная ориентация», в результате чего молекулы жидкого кристалла, ориентированные в исходном состоянии, например, хаотически, выстраиваются длинными осями вдоль силовых линий приложенного поля, так что участки, находящиеся под напряжением, отличаются по показателю преломления от невозбужденных участков.

При подаче управляющего напряжения на сплошной общий электрод (покрытие 5) и од35

4 ну из гребенок 9 или 10 возникает поле с периодической структурой, и повторяет его структуру система непрозрачных и прозрачных полос, если использован жидкий кристалл с отрицательной анизотропией, либо система полос с разными показателями преломления, если использован жидкий кристалл с положительной анизотропией. В первом случае система полос действует как амплитудная, во втором — как фазовая дифракционная решетка с периодом 2 d, разлагая белый свет в дифракционный спектр, причем угловое положение максимумов определяется по формуле

siny =2d где — угол, под которым наблюдается максимум интенсивности света; л — длина волны наблюдаемого света; 2 d — период решетки;

m — порядок спектра (принимает целые значения 1, 2, 3...) .

Луч 12 белого света разложится на дифракционные спектры нескольких порядков, спектры +1 порядка придутся на участки 14, где под углом — 0,7 мкм (красный). Под углом cpz в маске 7 расположены щели 16, которые пропускают свет на выход светофильтра. При подаче напряжения на одну из гребенок и общий электрод — это будет красный участок спектра. При подаче напряжения на общий электрод (покрытие 5) и обе гребенки 9 и 10 возникает дифракционная решетка с вдвое меньшим периодом (d) . Это приводит к тому, что спектры + +1 порядка придутся на участки 15, а,под углом с будет распространяться свет с длиной волны вдвое меньшей, т. е. 0,35 мкм, так что на выход светофильтра будет проходить фиолетовая часть спектра. Таким образом, переключаемый светофильтр имеет три резко различимых состояния: в отсутствие управляющего напряжения не пропускает света; при подаче напряжения на общий электрод и одну из гребенок пропускает свет длины волны 2Х, при подаче напряжения на общий электрод и обе гребенки пропускает свет длины волны i..

При заданном периоде 2 d спектральный состав проходящего света определяется только положением и шириной щелей выходной маски 7, которая устанавливается при сборке светофильтра, поэтому в процессе экспуатации изменения температуры и показателя преломления пленки жидкого кристалла, абсолютная величина и неравномерность толщины пленки, изменения свойств жидкого кристалла по мере старения не влияют на спектральный состав. B зависимости от толщины пленки жидкого кристалла, управляющего напряжения и выбранного соотношения ширины зубца и зазора гребенок при заданном периоде 2 d за счет краевых эффектов может изменяться соотношение ширины прозрачных и непрозрачных участков дифракционных реше488177

Предмет изобретения

/ / 1, P i 4

11

Й !У

Фиг Я

4 иг.

Составитель Н. Ефрема

Текред Н. Ханеева

Корректор Е. Хмелева

Редактор И. Шубина

Заказ 1026/11 Изд. ¹ 1030 Тиран. 593 Г! одн и си ое

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 ток, что приводит к изменению числа порядков дифракционных спектров и перераспределению интенсивности света по спектрам разного порядка, Таким образом, всегда можно выбрать такое соотношение этих величин, при котором в спектрах, например, + 1 порядка сосредоточена максимальная доля света, и использовать их для работы в то время, как спектры нулевого, второго и более высоких порядков поглощаются маской 7.

В целях уменьшения доли света, поглощаемого светофильтром, ширина щелей в маске

6 и их число должны быть выбраны максимальными с учетом того, что при значительной ширине щелей происходит «размытие», спектров и расширение полосы длин волн пропускаемого света, а при малом расстоянии между щелями может происходить перекрытие спектров от соседних щелей. Толщина стекла 2 не имеет принципиального значения, толщина стекла 3 (Ц при заданном 2d ограничивается снизу технологическими возмож1остям11 изготовления маски 7 со щелями минимальной ширины и минимальным шагом, а сверху — также условием неперекрытия спектров от соседних щелей маски 6.

Переключаемый светофильтр, содержащий слой жидкого кристалла, закл1оченного ежду !

0 дв .мя прозрачными подложками, на одн из которых нанесен сплошной прозрачный электрод, отличающийся тем, что, с целью стабильного выделения спектрального участка света в каждом из электрически переключае-!

5 мых положений, на одну подложку нанесена входная маска со щелями, на другую подложку нанесены два прозрачных электрода в виде гребснок с взаимно проникающими зубцами, а на расстоянии фраунгоферозой диффракции от слоя жидкого кристалла помещена выходная маска со щелями, неперекрывающимисВ со щелями входной маски.