CS245614B1 - Zafizeni k optické indikaci malých mechanických posunuti - Google Patents

Abstract

Účelem zařízení je vytvořit jednoduché a citlivé zařízení k indikaci malých mechanických posunutí. Tohoto účelu se dosáhne zařízením, kde mezi světelný zdroj /Z/ a indikátor světla /1/, tvořený například fotoodporem, fotodiodou nebo fototrazistorem, jsou vloženy dva polarizační filtry /P a A/, z nichž alespoň jeden polarizační filtr /P, A/ je posuvný ve směru své roviny. Polarizační roviny polarizačních filtrů /P, A/ svírají úhel 90° a mezi nimi je umístěna homeotropní vrstvička nematického krystalu /K/. Její tloušťka je řádově 10-5 až 10-4m.

Description

Vynález se týká zařízení k optické indikaci malých mechanických posunutí řádově mikrometry, využívajícího vlastností tekutých krystalů.

Dosud užívané snímače malých mechanických posunutí, řádově l mikrometr, jsou zpravidla mechanické, indukční, kapacitní, optické a elektronkové. Mechanické snímače využívají obvykle pákových nebo ozubených mechanismů a jsou velmi náročné na přesné mechanické opracování.

Indukční a kapacitní snímače přeměňují mechanické posunutí ve změnu indukčností nebo kapacity. Rovněž tyto snímače kladou vysoké nároky na přesnost opracování a také další využití signálu si vyžaduje složitých elektronických obvodů.

Optické snímače využívají systému zrcadel nebo planparalelních destiček a pro další zpracování signálu se užívá další optické soustavy. Jsou známé rovněž metody využívající moaré oorazců, u nichž se modulace světelného toku dosahuje soustavou dvou destiček s nanesenými soustavami čar, přičemž jedna z destiček je posuvná.

Všechny tyto typy snímačů mají zhruba stojnou'hranici citlivosti 10 m. Výjimkou jsou pouze optická interferenční zařízení, jejichž přesnost je o několik řádů vyšší. To jsou však zařízení velmi složitá a nákladná.

V soudobé elektronice je široce využíváno tekutých krystalů k optické indikaci různých údajů. K ovládání propustnosti nebo odrazivosti optoelektrických buněk s tekutými krystaly je užíváno elektrického napětí, přiváděného na elektrody těchto buněk. Ukázalo se, že propustnost buňky s tekutým krystalem lze při vhodném uspořádání ovládat i mechanicky.

Těchto skutečností využívá i zařízení podle vynálezu, které odstraňuje výše uvedené nedostatky, kde mezi světelný zdroj a indikátor světla jsou vloženy dva polarizační filtry, z nichž alespoň jeden je posuvný ve směru své roviny.

Podstatou vynálezu je, že polarizační roviny těchto filtrů svírají úhel 90°. Mezi nimi — 5 je umístěna homeotropní vrstvička nematického tekutého krystalu, jejíž šířka je řádově 10 až 10 m. Indikátor světla může být tvořen fotoodporem nebo fotodiodou nebo fototranzistorem.

Výhodou zařízení podle vynálezu je jednoduchost, malé pořizovaní náklady a snadná přeměna mechanického posunutí v elektrický signál. Na zdroj světla ani na typ elektrooptického snímače nejsou kladeny speciální nároky. Ve srovnání s metodami moaré obrazců nevznikají v zařízení podle vynálezu složité ohybové a interferenční jevy.

Schematicky je zařízení podle vynálezu znázorněno na přiloženém obr. 1, popis činnosti je objasněn pomocí obr. 2, 3.

Optický polarizátor a analyzátor, uložené mezi zdrojem světla £ a indikátorem světla jsou tvořeny polarizačními filtry £ a A, které .jsou k sobě přiloženy tak, že jejich polarizační roviny svírají úhel 90°.

Alespoň jeden z těchto polarizačních filtrů P, A je posuvný ve směru své roviny. Mezi polarizačními filtry P a A je umístěna tenká vrstva nematického tekutého krystalu K, tloušřky —5 -4 řádově 10 až 10 m, se zápornou anizotropií elektrické permitivity.

Molekuly tekutého krystalu K jsou svými dlouhými osami orientovány kolmo k rovině polarizačním filtrům P a A, jsou tedy v homeotropním uspořádání.

Indikátor světla _! může tvořit fotodioda nebo fotoodpor nebo fototranzistor. V homeotropní vrstvě nematického tekutého krystalu K jsou molekuly uspořádány kolmo na rovinu destiček filtrů P, A, takže takováto vrstva má ve všech směrech, ležících v rovině destiček, stejné vlastnosti.

O molekulách předpokládáme, že ve směru osy mají snadnou polarlzovatelnost v optickém oboru. Nachází-li se mezi zkříženými polarizačními filtry P, A homeotropní vrstva tekutého krystalu K, nepropouští soustava světlo.

Směr elektrického dipólového momentu molekul je pro homeotropní vrstvu vyznačen na obr. 1 jako vektor £. Při posunutí polarizátoru ve směru M dojde k porušení homeotropní vrstvy a objeví se složka dipólového momentu ve směru posunuti. Dipólové momenty molekul se vychýlí o úhel alfa daný vztahem tg alfa = j , kde x je velikost mechanického posunutí, d je tlouštka homeotropní vrstvy.

Pro malé úhly alfa potom bude tg alfa ~ alfa ~ íj a pro složku dipólového momentu vychází p_Q 'S p . alfa

Předpokládáme-li /obr. 2/, že směr mechanického posunutí M svírá s kmitosměrem polarizátoru P úhel beta, uplatní se ve směru posunutí složka intenzity elektrického pole

E_q . cos beta, kde Εθ je intenzita elektrického pole ve světle prošlém polarizátorem P.

Na analyzátor A dopadá světlo, v němž je intenzita elektrického pole určena vztahem

E₁ »k . p_d . e_q . cos beta a její složka do kmitosměru analyzátoru A bude

Ε Tf E_Q . k . p<j . cos beta . sin beta

Světelný tok prošlý celou soustavou bude dán vztahem <J>ff | k² . E² . p² . /j/² . sin² 2beta

Zde k je konstanta úměrnosti. Má-li nastat změna optické propustnosti soustavy, musí být φά 0 a tedy beta + o, beta / . Mechanické posunutí vyvolá maximální změnu propustnosti pro úhel beta « .

Zařízení pracuje tedy tak, že posune-li se jeden z polarizačních filtrů P nebo A tak, že vektor posunutí je rovnoběžný s povrchem filtrů a svirá s kmitosměrem světla prošlého polarizátorem P nenulový úhel, dojde k průchodu světla touto soustavou.

Posunutí o velikosti řádově 1 mikrometr již vyvolá intenzivní optický jev. Změna optické propustnosti této soustavy trvá jen po dobu posouvání filtru. Tato změna je indikována indikátorem světla £.

Popsané zařízení by se svou citlivostí mohlo uplatnit jako indikátor malých posunuti, vibrací, otřesů, jako součást zabezpečovacích zařízení nebo při kontrole nerovností povrchů.

245614 4

Claims (1)

1. Zařízení k optické indikaci malých mechanických posunutí řádově mikrometry, opatřené světelným zdrojem a protilehlým indikátorem světla, kde mezi světelný zdroj a indikátor svět la jsou vloženy dva polarizační filtry, z nichž alespoň jeden je posuvný ve směru své roviny vyznačující se tím, že polarizační roviny filtrů /P, A/ svírají úhel 90° a mezi nimi je umístěna homeotropní vrstvička nematického tekutého krystalu /K/, jejíž tlouštka je řádově 1O^-5 až 10^-4 m.