CS245614B1

CS245614B1 - Device for optical indication of small mechanical displacements

Info

Publication number: CS245614B1
Application number: CS844330A
Authority: CS
Inventors: Jiri Kotrbaty; Vaclav Havel
Original assignee: Jiri Kotrbaty; Vaclav Havel
Priority date: 1984-06-07
Filing date: 1984-06-07
Publication date: 1986-10-16
Also published as: CS433084A1

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.The purpose of the device is to create a simple and sensitive device for indicating small mechanical displacements. This purpose is achieved by a device where two polarizing filters /P and A/ are inserted between the light source /Z/ and the light indicator /1/, formed for example by a photoresistor, photodiode or phototransistor, at least one of which is movable in the direction of its plane. The polarization planes of the polarizing filters /P, A/ form an angle of 90° and a homeotropic layer of nematic crystal /K/ is placed between them. Its thickness is of the order of 10-5 to 10-4m.

Description

Vynález se týká zařízení k optické indikaci malých mechanických posunutí řádově mikrometry, využívajícího vlastností tekutých krystalů.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for optical indication of small mechanical displacements of the order of micrometers utilizing the properties of liquid crystals.

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.The small mechanical displacement sensors used to date, of the order of 1 micrometer, are generally mechanical, inductive, capacitive, optical and vacuum tubes. Mechanical sensors usually use lever or gear mechanisms and are very demanding on precision mechanical machining.

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.Inductive and capacitive sensors convert mechanical displacement into a change in inductance or capacitance. Also, these sensors place high demands on machining accuracy and also further use of the signal requires complex electronic circuits.

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.Optical sensors use a system of mirrors or planar parallel plates and another optical system is used for further signal processing. Also known are methods using moiré punches in which the luminous flux modulation is achieved by a set of two plates with a plurality of lines, one of the plates being movable.

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.All these types of sensors have roughly a fixed sensitivity limit of 10 m. The only exception are optical interference devices whose accuracy is several orders of magnitude higher. However, these are very complex and expensive devices.

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.In contemporary electronics, liquid crystals are widely used for optical indication of various data. To control the transmittance or reflectivity of the liquid crystal optoelectric cells, the voltage applied to the electrodes of these cells is used. It has been shown that the permeability of the liquid-crystal cell can also be controlled mechanically when appropriately arranged.

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.This fact is also utilized by the device according to the invention which eliminates the above-mentioned drawbacks, where two polarizing filters are inserted between the light source and the light indicator, at least one of which is movable in the direction of its plane.

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.It is an object of the invention that the polarization planes of these filters form an angle of 90 °. Between them - 5 is placed a homeotropic layer of nematic liquid crystal, whose width is of the order of 10 to 10 m. The light indicator may consist of a photoresistor or a photodiode or a phototransistor.

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.The advantages of the device according to the invention are simplicity, low cost and easy conversion of the mechanical displacement into an electrical signal. There are no special demands on the light source or the type of electro-optical sensor. Compared to moiré patterns, there are no complicated bending and interference phenomena in the device according to the invention.

Schematicky je zařízení podle vynálezu znázorněno na přiloženém obr. 1, popis činnosti je objasněn pomocí obr. 2, 3.The device according to the invention is shown schematically in the enclosed Fig. 1, the description of operation is illustrated by Figs.

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°.The optical polarizer and the analyzer disposed between the light source 6 and the light indicator are formed by polarizing filters 6 and 7 which are brought together so that their polarization planes form an angle of 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.At least one of these polarizing filters P, A is movable in the direction of its plane. Between the polarizing filters P and A there is a thin layer of nematic liquid crystal K, thickness -5 -4 of the order of 10 to 10 m, with a negative anisotropy of electrical permittivity.

Molekuly tekutého krystalu K jsou svými dlouhými osami orientovány kolmo k rovině polarizačním filtrům P a A, jsou tedy v homeotropním uspořádání.With their long axes, the liquid crystal molecules K are oriented perpendicular to the plane of the polarizing filters P and A, thus in a homeotropic arrangement.

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.Light indicator _! it may be a photodiode or a photoresistor or a phototransistor. In the homeotropic layer of the nematic liquid crystal K, the molecules are arranged perpendicular to the plane of the filter plates P, A, so that such a layer has the same properties in all directions lying in the plane of the plates.

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.We assume that molecules have an easy polarizability in the optical domain. If there is a homeotropic liquid crystal layer K between the crossed polarization filters P, A, the system is light-proof.

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.The direction of the electrical dipole moment of the molecules for the homeotropic layer is shown in FIG. When the polarizer moves in the M direction, the homeotropic layer breaks and the dipole moment component appears in the shift direction. The dipole moments of the molecules deviate by the angle alpha given by the relation tg alpha = j, where x is the magnitude of the mechanical displacement, d is the thickness of the homeotropic layer.

Pro malé úhly alfa potom bude tg alfa ~ alfa ~ íj a pro složku dipólového momentu vychází p_Q 'S p . alfaFor small angles alpha then tg will be alpha ~ alpha ~ 1 and for the dipole moment component, p _Q 'S p. alpha

Předpokládáme-li /obr. 2/, že směr mechanického posunutí M svírá s kmitosměrem polarizátoru P úhel beta, uplatní se ve směru posunutí složka intenzity elektrického poleAssuming / fig. 2 / that the direction of mechanical displacement M forms angle beta with the frequency of the polarizer P, the electric field intensity component is applied in the direction of displacement

E_q . cos beta, kde Εθ je intenzita elektrického pole ve světle prošlém polarizátorem P.E _q . cos beta, where Εθ is the intensity of the electric field in the light transmitted by the polarizer P.

Na analyzátor A dopadá světlo, v němž je intenzita elektrického pole určena vztahemThe analyzer A receives light in which the field strength is determined by the relation

E₁ »k . p_d . e_q . cos beta a její složka do kmitosměru analyzátoru A budeE ₁ »k. p _d . e _q . cos beta and its component to analyzer frequency A will be

Ε Tf E_Q . k . p<j . cos beta . sin betaΕ 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 2betaThe luminous flux going through the whole system will be given by <J> ff | k ² . E ² . p ² . / j / ² . Sin ² 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 « .Here k is the proportionality constant. If the optical transmittance of the system is to change, φά 0 and thus beta + o, beta /. The mechanical displacement induces a maximum change in permeability for the angle 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.Thus, the device operates such that if one of the polarizing filters P or A is shifted so that the displacement vector is parallel to the surface of the filters and forms a non-zero angle with the frequency of light passed through the polarizer P, light passes through the system.

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 £.An offset of the order of 1 micrometer already produces an intense optical effect. Changing the optical throughput of this system only lasts while the filter is moving. This change is indicated by the light indicator £.

Popsané zařízení by se svou citlivostí mohlo uplatnit jako indikátor malých posunuti, vibrací, otřesů, jako součást zabezpečovacích zařízení nebo při kontrole nerovností povrchů.The described device could be used with its sensitivity as an indicator of small displacements, vibrations, shocks, as a part of security devices or for checking uneven surfaces.

245614 4245614 4

Claims

Apparatus for optical indication of small mechanical displacements of the order of micrometers, equipped with a light source and an opposing light indicator, wherein two polarizing filters are inserted between the light source and the light indicator 1a, at least one of which is displaceable in its plane direction (P, A) form an angle of 90 ° and between them is located a homeotropic layer of nematic liquid crystal (K), the thickness of which is of the order of 10 ^-5 to 10 ^-4 m.