RU2340923C1 - Liquid crystal spatial light modulator (versions) - Google Patents
Liquid crystal spatial light modulator (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2340923C1 RU2340923C1 RU2007118669/28A RU2007118669A RU2340923C1 RU 2340923 C1 RU2340923 C1 RU 2340923C1 RU 2007118669/28 A RU2007118669/28 A RU 2007118669/28A RU 2007118669 A RU2007118669 A RU 2007118669A RU 2340923 C1 RU2340923 C1 RU 2340923C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid crystal
- smectic
- conductive coatings
- modulator
- aperture
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации и отображения информации с использованием лазеров, в частности в проекционных дисплеях, в том числе телевизионных, в пространственных модуляторах света, в устройствах хранения, преобразования и обработки изображений и т.п.The invention relates to the field of optoelectronics and can be used in devices and systems for the visualization and display of information using lasers, in particular in projection displays, including television, in spatial light modulators, in devices for storage, conversion and image processing, etc. .
В настоящее время все большее распространение в технике визуализации и отображения информации получают устройства и системы с использованием когерентного или частично-когерентного света, излучаемого, в первую очередь, лазерами различного типа. При освещении им случайно-неоднородных объектов, таких, например, как шероховатая поверхность экрана или прозрачная среда с флуктуирующим в пространстве показателем преломления, вследствие интерференции рассеянных волн формируется пятнистая картина, или спекл-структура. По сути, она является шумом, и этот спекл-шум существенно снижает качество изображений (см. [1], [2]).Currently, devices and systems using coherent or partially coherent light emitted primarily by various types of lasers are becoming increasingly widespread in the technique of visualizing and displaying information. When randomly inhomogeneous objects are illuminated by it, such as, for example, a rough screen surface or a transparent medium with a refractive index fluctuating in space, a spotted pattern or speckle structure is formed due to interference of scattered waves. In fact, it is noise, and this speckle noise significantly reduces the quality of images (see [1], [2]).
Увеличенный фрагмент спекл-картины в поле дифракции лазерного пучка на шероховатой поверхности показан на Фиг.1 (вид 1.1). В схеме, приведенной на Фиг.1 (вид 1.2), спекл-структура формируется в свободном пространстве и называется объективной спекл-картиной. Такие картины легко наблюдать с использованием лазерного излучения. Субъективные спекл-картины наблюдаются в изображающих оптических системах, в которых условия когерентного освещения объекта существенно менее требовательные. Поэтому субъективные спеклы можно наблюдать невооруженным глазом даже в полихроматическом свете протяженных источников. В схеме, приведенной на Фиг.1 (вид 1.3), свет проходит через рассеивающую среду, а спеклы наблюдаются в плоскости изображения освещающего источника. Субъективные спекл-картины, формируемые по схеме Фиг.1 (вид 1.3), хорошо видны даже при наблюдении уличных фонарей через запотевшее или замороженное окно транспортного средства (см. [2]). На Фиг.1 показаны источник 101 света, случайно-неоднородный объект 102 (или среда), схематичный вид 103 продольного сечения слоя спекл-структуры, хаотически искаженный волновой фронт 104, изображающая оптическая система 105.An enlarged fragment of the speckle pattern in the field of diffraction of a laser beam on a rough surface is shown in Figure 1 (view 1.1). In the diagram shown in FIG. 1 (view 1.2), the speckle structure is formed in free space and is called the objective speckle pattern. Such patterns are easy to observe using laser radiation. Subjective speckle patterns are observed in imaging optical systems in which the conditions of coherent illumination of an object are substantially less demanding. Therefore, subjective speckles can be observed with the naked eye even in the polychromatic light of extended sources. In the circuit shown in FIG. 1 (view 1.3), light passes through a scattering medium, and speckles are observed in the image plane of the illuminating source. Subjective speckle patterns formed according to the scheme of Figure 1 (view 1.3) are clearly visible even when observing streetlights through a foggy or frozen vehicle window (see [2]). 1 shows a
Устройства и системы визуализации и отображения информации, как правило, предусматривают вывод изображения на экран для визуального восприятия. Поэтому актуальной задачей является устранение спекл-структуры, создающей шум в изображении (спекл-модуляцию) сравнительно низкой частоты, т.к. размеры отдельных спеклов определяются разрешающей способностью глаза (см. [1]). Задача решается разными способами на основе следующих двух подходов, а именно:Devices and systems for visualization and display of information, as a rule, provide for the display of images on the screen for visual perception. Therefore, the urgent task is to eliminate the speckle structure that creates noise in the image (speckle modulation) of a relatively low frequency, because the sizes of individual speckles are determined by the resolution of the eye (see [1]). The problem is solved in different ways based on the following two approaches, namely:
- разрушением спекл-структуры непосредственно на экране и- the destruction of the speckle structure directly on the screen and
- разрушением фазовых соотношений, приводящих к созданию спекл-структуры, в пучке света до его проекции на экран.- the destruction of phase relations leading to the creation of a speckle structure in a beam of light before its projection onto the screen.
В обоих случаях скорость разрушения спеклов должна быть существенно больше реакции глаза.In both cases, the speckle destruction rate should be substantially greater than the reaction of the eye.
В первом подходе необходимо учитывать предельную угловую разрешающую способность глаза. Она принимается равной одной минуте, или 20-30 лин/мм, но эта величина может меняться в зависимости от условий освещения, структуры экрана, цветности изображения. Устранение спекл-структуры достигается ее усреднением при использовании матового экрана-рассеивателя в процессе наблюдения на нем изображения (см. [3, 4]). Очевидно, движение матового рассеивателя должно быть достаточно быстрым, чтобы глаза не успевали отслеживать смещение спекл-структуры относительно изображения.In the first approach, it is necessary to take into account the limiting angular resolution of the eye. It is taken equal to one minute, or 20-30 lines / mm, but this value can vary depending on the lighting conditions, screen structure, image color. The speckle structure is eliminated by averaging it when using a matte diffuser screen in the process of observing an image on it (see [3, 4]). Obviously, the movement of the matte diffuser should be fast enough so that the eyes do not have time to track the displacement of the speckle structure relative to the image.
В работе [5] предложен способ устранения спекл-структуры с помощью двух матовых рассеивателей, один из которых безостановочно движется относительно другого. В этом случае нет зависимости от передаточной функции оптической системы, т.к. величина корреляционной функции рассеивателя обычно много меньше импульсного отклика выходной оптической системы. Устранение спекл-структуры с помощью двух матовых рассеивателей успешно реализовано (см. [6]).In [5], a method was proposed for eliminating the speckle structure using two matte diffusers, one of which moves non-stop relative to the other. In this case, there is no dependence on the transfer function of the optical system, since the magnitude of the correlation function of the scatterer is usually much less than the pulse response of the output optical system. The elimination of the speckle structure using two opaque diffusers has been successfully implemented (see [6]).
На Фиг.2 представлена конструкция матового экрана 201 с двумя рассеивателями (см. [6]), который выполнен в виде декоративной несущей рамки. На ней закреплен неподвижный матовый рассеиватель 202 и механизм перемещения подвижного рассеивателя. Механизм перемещения (в данном случае - вращения), показанный на Фиг.2, включает в себя тихоходный двигатель ДСМ-60-220 с двуплечным симметричным зубчатым редуктором, где показаны: двигатель 203, ведущая шестерня 204, промежуточные шестерни 205 и 206, ведущие выходные шестерни 207 и 208, эксцентрические оси 209 и 210, являющиеся ведущим звеном подвижной рамки 211 с матовым стеклом 212. При движении подвижная рамка 211 опирается на каленые регулирующие зазор винты 213. Пружины 214 отжимают рамку 211 при ее вращении. Параметры движения следующие: угловая скорость - 1 об/мин, радиус кругового перемещения - 1 мм, скорость вращения подвижной пластины - 38 об/мин. Экран имеет размер 230×330 мм2 и разрешающую способность 25 лин/мм. В этой конструкции обеспечивалось надежное подавление спекл-шума в восстановленных из голограмм изображениях.Figure 2 shows the design of the
Очевидным недостатком рассмотренного решения для устранения спекл-шума непосредственно на экране является использование сложного и громоздкого механического устройства перемещения экрана, причем тем более сложного и громоздкого, чем больше апертура экрана. Хотя этот подход был предложен и реализован более 20 лет назад, техническая реализация на протяжении многих лет оставалась практически неизменной.An obvious drawback of the considered solution for eliminating speckle noise directly on the screen is the use of a complex and cumbersome mechanical device for moving the screen, all the more complex and cumbersome, the larger the aperture of the screen. Although this approach was proposed and implemented over 20 years ago, the technical implementation over the years has remained virtually unchanged.
Второй подход к устранению спекл-шума, связанный с разрушением временной и пространственной когерентности излучения, реализуется с помощью более компактных технических средств, но требует гораздо более высокого пространственного разрешения, что обусловлено последующим расширением апертуры пучка до размеров экрана. Другим важным условием является сохранение направленности светового пучка, что не допускает использования светорассеивающих сред.The second approach to the elimination of speckle noise associated with the destruction of temporal and spatial coherence of radiation is implemented using more compact technical means, but requires a much higher spatial resolution, which is due to the subsequent expansion of the beam aperture to the screen size. Another important condition is the preservation of the directivity of the light beam, which does not allow the use of light-scattering media.
Известно решение указанной проблемы с помощью управляемых пространственных фазовых масок (фильтров). Примером такой маски (см. [1]) является засвеченная с помощью диффузора и затем отбеленная голографическая пластинка с подавляющей интерференцию глубиной π фазовой задержки, распределенной по апертуре пучка (т.е. по площади пластинки) случайным образом. Очевидно, такую пластинку, как и в рассмотренном выше случае рассеивающих экранов, нужно быстро перемещать в поперечном к пучку направлении, что является существенным недостатком данного решения.It is known to solve this problem using controlled spatial phase masks (filters). An example of such a mask (see [1]) is a holographic plate illuminated with a diffuser and then bleached with interference suppression depth π of the phase delay distributed randomly over the beam aperture (that is, over the area of the plate). Obviously, such a plate, as in the case of scattering screens considered above, must be quickly moved in the direction transverse to the beam, which is a significant drawback of this solution.
В качестве фазовой маски может быть использован жидкокристаллический фазовый пространственный модулятор света, генерирующий функции Уолша или другие ортогональные функции при управлении электрическим напряжением или светом по специально разработанной компьютерной программе (см. [7]). Такой пространственный модулятор света по своему назначению, принципу управления и технической реализации выбран в качестве прототипа.As a phase mask, a liquid crystal phase spatial light modulator can be used that generates Walsh functions or other orthogonal functions when controlling voltage or light according to a specially developed computer program (see [7]). Such a spatial light modulator is selected as a prototype for its purpose, control principle and technical implementation.
Схема и принцип работы жидкокристаллического (ЖК) электрически управляемого пространственного модулятора света по [7] поясняются на Фиг.3. Основой конструкции такого модулятора и подобных устройств является жидкокристаллическая ячейка, которая, как правило, содержит две параллельно расположенные прозрачные диэлектрические пластины 301, на внешние стороны которых нанесены антиотражающие покрытия 302, а на внутренние - прозрачные токопроводящие покрытия 303 (обычно с антиотражающими подслоями), одно из которых или оба покрыты слоем прозрачного анизотропного диэлектрического вещества (ориентанта) 304. Пространство между пластинами заполнено жидкокристаллическим веществом 305, которое может изменять свою оптическую анизотропию в зависимости от амплитуды и/или длительности импульсов знакопеременного электрического напряжения, подаваемого на токопроводящие покрытия. Начальная ориентация молекул жидкокристаллического вещества в отсутствие внешнего электрического поля задается анизотропным покрытием. Изображение наблюдается или при прохождении света через слой в одном направлении, если оба токопроводящие покрытия сделаны прозрачными (вид 3.1), или при двойном прохождении света, если второе токопроводящее покрытие 306 сделано отражающим (вид 3.2).The scheme and principle of operation of a liquid crystal (LCD) electrically controlled spatial light modulator according to [7] are explained in FIG. 3. The basis of the design of such a modulator and similar devices is a liquid crystal cell, which, as a rule, contains two parallel-mounted transparent dielectric plates 301, on the outer sides of which are coated antireflection coatings 302, and on the inside - transparent conductive coatings 303 (usually with antireflection layers), one of which or both are coated with a layer of a transparent anisotropic dielectric substance (orientant) 304. The space between the plates is filled with a liquid crystal substance 305, to Thoroe can change its optical anisotropy depending on the amplitude and / or duration of pulses of alternating electric voltage applied to the conductive coating. The initial orientation of the liquid crystal molecules in the absence of an external electric field is determined by the anisotropic coating. The image is observed either when light passes through the layer in one direction, if both conductive coatings are made transparent (view 3.1), or when light passes twice if the second conductive coating 306 is made reflective (view 3.2).
На практике для фазовой модуляции лазерного излучения использовались пространственные модуляторы света на основе S-эффекта в жидком кристалле нематического типа с ограниченным числом элементов (максимум 256×256) в матрице, что применимо для подавления спекл-шума только в случае наблюдения несложных изображений. В случае отображения высокоинформативных изображений пространственное разрешение такого пространственного модулятора должно составлять сотни обратных мм. По сути, это жидкокристаллический активно-матричный микродисплей, работающий на пропускание света. Потери света в таком приборе достаточно велики вследствие уменьшения рабочей апертуры, обусловленного наличием управляющих электронных элементов (обычно тонкопленочных транзисторов) и промежутков между элементами матрицы. Более того, периодическая структура матрицы вносит искажения волнового фронта когерентного света, приводящие к искажению изображения на экране. Управление пространственным модулятором света представляет собой отдельную сложную задачу.In practice, phase modulation of laser radiation used spatial light modulators based on the S effect in a nematic type liquid crystal with a limited number of elements (maximum 256 × 256) in the matrix, which is applicable for suppressing speckle noise only when observing simple images. In the case of displaying highly informative images, the spatial resolution of such a spatial modulator should be hundreds of inverse mm. In fact, this is a liquid crystal active-matrix microdisplay, working on the transmission of light. Light losses in such a device are quite large due to a decrease in the working aperture due to the presence of control electronic elements (usually thin-film transistors) and gaps between the matrix elements. Moreover, the periodic structure of the matrix introduces distortions of the wavefront of coherent light, leading to distortion of the image on the screen. Controlling a spatial light modulator is a separate complex task.
В жидкокристаллических пространственных модуляторах и дисплеях жидкокристаллические вещества нематического типа получили наибольшее распространение (см. [8]). Как известно, оптический отклик (реакция) жидкого кристалла на воздействие электрического поля является результатом изменения анизотропии оптических свойств, обусловленной общей ориентацией длинных осей молекул в объеме слоя. Физической причиной ориентации (переориентации) молекул нематического жидкого кристалла (НЖК, или нематика) электрическим полем является анизотропия диэлектрической проницаемости, обусловленная их анизотропной (вытянутой) формой.In liquid-crystal spatial modulators and displays, liquid-crystalline substances of a nematic type are most widely used (see [8]). As is known, the optical response (reaction) of a liquid crystal to an electric field is the result of a change in the anisotropy of the optical properties due to the general orientation of the long axes of the molecules in the bulk of the layer. The physical reason for the orientation (reorientation) of the nematic liquid crystal molecules (NLC, or nematic) by the electric field is the dielectric constant anisotropy due to their anisotropic (elongated) shape.
Например, молекулы с положительным значением диэлектрической анизотропии (ε1l>ε⊥), стремясь к состоянию с наименьшей энергией, по достижении некоторого порогового значения Un s, необходимого для преодоления упругих сил, ориентируются своими длинными осями (директором) вдоль линий поля и направления распространения света (Фиг.4). В общем случае в результате переориентации молекул слой НЖК испытывает Splay-деформацию, и его двулучепреломляющие свойства изменяются (электрооптический S-эффект). Такая дисплейная ячейка может модулировать как фазу проходящего света, так и его интенсивность (с помощью поляризаторов). При этом чаще других для фазовой модуляции света используют именно S-эффект. На Фиг.4 показана схема переориентации молекул НЖК при splay-деформации слоя (S-эффект), где n0 - показатель преломления для обыкновенного луча, nе - показатель преломления для необыкновенного луча. Δn - разница показателей преломления (двулучепреломление), US n - пороговое напряжение переориентации, D - направление поляризации падающей световой волны. Направление светового луча и электрического поля (Е) совпадают.For example, molecules with a positive value of dielectric anisotropy (ε 1l > ε ⊥ ), tending to the state with the lowest energy, upon reaching a certain threshold value U n s necessary to overcome elastic forces, are oriented with their long axes (director) along the field and direction lines light propagation (Figure 4). In the general case, as a result of the reorientation of the molecules, the NLC layer undergoes Splay deformation, and its birefringent properties change (electro-optical S effect). Such a display cell can modulate both the phase of the transmitted light and its intensity (using polarizers). Moreover, more often than others, it is the S effect that is used for phase modulation of light. Figure 4 shows the reorientation of NLC molecules during splay-deformation of the layer (S-effect), where n 0 is the refractive index for an ordinary ray, n e is the refractive index for an extraordinary ray. Δn - refractive index difference (birefringence), U S n - reorientation threshold voltage, D - the polarization direction of the incident light wave. The direction of the light beam and the electric field (E) coincide.
Нематики обладают рядом достоинств, но не обеспечивают достаточного быстродействия, т.к. время их электрооптического отклика лежит в диапазоне единиц и десятков миллисекунд и принципиально не может быть уменьшено без резкого увеличения управляющего напряжения. Главной причиной этого является квадратичный механизм взаимодействия нематика с электрическим полем и деформация слоя нематика как сплошной упругой среды.Nematics have a number of advantages, but do not provide sufficient speed, because the time of their electro-optical response lies in the range of units and tens of milliseconds and, in principle, cannot be reduced without a sharp increase in the control voltage. The main reason for this is the quadratic mechanism of interaction of the nematic with the electric field and the deformation of the nematic layer as a continuous elastic medium.
С другой стороны, известно, что жидкие кристаллы смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами (смектики С*, или С*ЖК), обладают существенно большим, чем нематики быстродействием электрооптического переключения - десятки и сотни микросекунд [9]. В них направление преимущественной ориентации длинных осей молекул определяется полярным углом Θ, на который они наклонены относительно нормали к смектическим слоям, и азимутальным углом (в плоскости смектического слоя (Фиг.5). Благодаря особой стехиометрии молекул в отсутствие внешних воздействий каждый слой молекул обладает спонтанной поляризацией (Ps), а полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга так, что образуется равновесная спирально закрученная структура (геликоид). Макроскопическая поляризация ячейки, однако, отсутствует, т.к. угол φ в смектических слоях изменяется от 0 до π на расстоянии, равном шагу спирали р0. Именно благодаря указанной поляризации слоев смектики С*ЖК имеют гораздо большую, чем нематики чувствительность к действию электрического поля и обеспечивают в 100-1000 раз большую частоту модуляции света. На Фиг.5 показана физическая модель дисплейной ячейки с сегнетоэлектрическим смектическим ЖК с шагом спирали большим (вид 5.1) и меньшим (вид 5.2) толщины слоя, где изображены: плоскости 508 смектических слоев жидкого кристалла, перпендикулярные поверхности пластин 501; вектор электрического поля, расположенный в плоскости смектического слоя; вектор , показывающий направление ориентации длинных осей молекул в смектических слоях сегнетоэлектрического жидкого кристалла; вектор спонтанной поляризации; шаг р0 геликоида; нормаль L к смектическим слоям; координатная ось х, перпендикулярная пластинам 1; координатная ось y, параллельная пластинам 1; координатная ось z, совпадающая по направлению с вектором ; угол Θ наклона длинных осей молекул по отношению к вектору (угол между векторами и ); угол (в плоскости XY между нормалью к пластинам и вектором ; направления Р и А осей пропускания поляризатора и анализатора; интенсивность I0 падающего на ячейку света; интенсивность I промодулированного ячейкой света; диаметр D падающего светового пучка; угол β между поляризатором и осью геликоида (вид 5.1), между R и А (вид 5.2).On the other hand, it is known that liquid crystals of the smectic type with ferroelectric properties (smectics C * or C * LC) have significantly greater electro-optical switching speeds — tens or hundreds of microseconds than nematics [9]. In them, the direction of the preferred orientation of the long axes of the molecules is determined by the polar angle на at which they are inclined relative to the normal to the smectic layers, and the azimuthal angle (in the plane of the smectic layer (Figure 5). Due to the special stoichiometry of the molecules in the absence of external influences, each layer of molecules has a spontaneous polarization (P s ), and the polar axes of the various smectic layers are rotated relative to each other so that an equilibrium helically twisted structure (helicoid) is formed. cell, however, is absent, because the angle φ in the smectic layers varies from 0 to π at a distance equal to the helix pitch p 0. It is due to the indicated polarization of the layers that the smectics C * LC have much greater sensitivity to the action of the electric field than nematics and provide a 100-1000 times higher frequency of light modulation. Fig. 5 shows a physical model of a display cell with a ferroelectric smectic LC with a helix pitch larger (view 5.1) and smaller (view 5.2) of the layer thickness, which shows: planes of 508 smectic layers of liquid crystal la, perpendicular to the surface of the
Созданы жидкокристаллические сегнетоэлектрические композиции из нехиральной смектической С жидкокристаллической смеси из замещенных фенилпиримидинов и фенилбензатов в количестве 60-90% от общей массы жидкокристаллической композиции и хиральной добавки из оптически активных производных терфенилдикарбоновой кислоты в количестве 10-40% от общей массы жидкокристаллической композиции (см. [10]). Эти композиции обеспечивают индицирование геликоида с шагом спирали более 1 мкм, спонтанную поляризацию более 50 нКл/см2 и смектической угол наклона более 10°. Такая ячейка обладает свойством бистабильности (названа «объемной бистабильностью»), которое обусловлено не столько вследствие взаимодействия С*ЖК слоя с ограничивающими его поверхностями, сколько благодаря стехиометрии самой жидкокристаллической композиции, и потому проявляется даже при толщине слоя более 10 мкм.Liquid crystalline ferroelectric compositions were created from a non-chiral smectic C liquid crystal mixture of substituted phenylpyrimidines and phenylbenzates in the amount of 60-90% of the total weight of the liquid crystal composition and a chiral additive from optically active derivatives of terphenyl dicarboxylic acid in the amount of 10-40% of the total weight of the liquid crystal composition (see [ 10]). These compositions provide an indication of the helicoid with a helix pitch of more than 1 μm, spontaneous polarization of more than 50 nC / cm 2 and a smectic tilt angle of more than 10 °. Such a cell has the property of bistability (called “bulk bistability”), which is caused not so much due to the interaction of the C * LC layer with its bounding surfaces, but due to stoichiometry of the liquid crystal composition itself, and therefore appears even with a layer thickness of more than 10 μm.
Кроме бистабильности данная С*ЖК ячейка обладает свойством мультистабильности, что позволяет обеспечить получение серой шкалы в информационных дисплеях. Серая шкала может быть реализована физически, т.е. не путем электронных ухищрений и чрезмерных требований к разрешающей способности или к быстродействию дисплейной ячейки, а непосредственно при электрооптическом переключении жидкокристаллического вещества. Она воспроизводится в виде практически непрерывной последовательности стабильных оптических состояний в пределах от состояния с нулевой интенсивностью до максимальной (Фиг.6), и потому указанные выше условия, по существу, являются условиями проявления мультистабильности. Как крайние, так и все промежуточные состояния устанавливаются инвертирующим импульсом соответствующей амплитуды и длительности за время в десятки и сотни микросекунд. На Фиг.6 демонстрируется изменение во времени электрооптического отклика С*ЖК ячеек (верхние линии) на управляющие электрические импульсы (нижние линии) для трех типов отклика: моностабильного (без запоминания оптического состояния - слева), бистабильного (с двумя устойчивыми оптическими состояниями - справа, выделен жирной линией) и мультистабильного (с уровнями серого, запоминаемыми после выключения импульса - справа, все линии). Наглядно мультистабильность проявляется как изменение соотношения между шириной наблюдаемых за анализатором светлых и темных полос (Фиг.7, вид 7.3), обусловленных пространственно-периодической модуляцией направления ориентации вектора поляризации (Фиг.8) выше некоторого порогового напряжения. На Фиг.8 показана ориентация вектора поляризации и распределение азимутального угла директора вдоль нормали (z) к смектическим слоям при разных значениях электрического напряжения (U1<U2<U3).In addition to bistability, this C * LCD cell has the property of multistability, which makes it possible to obtain a gray scale in information displays. The gray scale can be implemented physically, i.e. not by electronic tricks and excessive requirements for resolution or speed of the display cell, but directly during electro-optical switching of a liquid crystal substance. It is reproduced in the form of an almost continuous sequence of stable optical states ranging from a state with zero intensity to a maximum (Fig.6), and therefore the above conditions are essentially conditions for the manifestation of multistability. Both extreme and all intermediate states are set by an inverting pulse of the corresponding amplitude and duration for tens or hundreds of microseconds. Figure 6 shows the time variation of the electro-optical response C * of the LCD cells (upper lines) to control electric pulses (lower lines) for three types of response: monostable (without storing the optical state on the left), bistable (with two stable optical states on the right , marked in bold) and multistable (with gray levels remembered after switching off the pulse - on the right, all lines). Multistability is clearly manifested as a change in the ratio between the width of the light and dark bands observed behind the analyzer (Fig. 7, view 7.3), due to spatially periodic modulation of the direction of orientation of the polarization vector (Fig. 8) above a certain threshold voltage. Figure 8 shows the orientation of the polarization vector and the azimuth angle distribution of the director along the normal (z) to the smectic layers at different values of voltage (U 1 <U 2 <U 3).
Период полос (единицы-десятки микрометров) задается величиной спонтанной поляризации жидкокристаллического вещества (Фиг.7, вид 7.1). При превышении порога переключаются вначале те области ячейки, у которых φ максимально, а другие области не переключаются. В результате исходные домены разрываются, причем смена полярности поля не позволяет установиться регулярной решетке доменов. При этом модуляция фазы проходящего света достигает π и более в зависимости от толщины слоя С*ЖК (обычно от 5 до 30 мкм) и приложенного напряжения (от единиц до десятков вольт). Наличие доменов, периодическая модуляция угла (вдоль координаты z и запоминание изменяемой периодической решетки в любой точке петли гистерезиса обусловлены только материальными параметрами жидкокристаллического вещества.The period of the bands (units to tens of micrometers) is determined by the value of the spontaneous polarization of the liquid crystal substance (Fig. 7, view 7.1). When the threshold is exceeded, at first those regions of the cell for which φ are maximal and other regions do not switch are switched. As a result, the initial domains are broken, and a change in the field polarity does not allow the establishment of a regular domain lattice. Moreover, the phase modulation of the transmitted light reaches π or more depending on the thickness of the C * LC layer (usually from 5 to 30 μm) and the applied voltage (from units to tens of volts). The presence of domains, periodic modulation of the angle (along the z coordinate, and storing of the variable periodic lattice at any point of the hysteresis loop are caused only by the material parameters of the liquid crystal substance.
Композиции С*ЖК, обладающие объемной бистабильностью, при определенном режиме электрического возбуждения позволяют интенсивно рассеивать свет (см. [11]).Compositions of C * LC with bulk bistability, under a certain regime of electric excitation, allow intensively scattering light (see [11]).
Свойства формировать в С*ЖК слое доменные пространственно-неоднородные структуры и с высокой скоростью управлять ими представляет интерес с точки зрения их использования в качестве основы для создания пространственного спекл-подавляющего модулятора. Однако информация о таком применении С*ЖК ячеек отсутствует, и неизвестны используемые конструкции, подходящие С*ЖК составы, электрооптические эффекты и режимы управления у какого-либо С*ЖК модулятора с таким назначением.The properties of forming spatially inhomogeneous domain structures in a C * LC layer and controlling them with high speed is of interest from the point of view of their use as the basis for creating a spatial speckle-suppressing modulator. However, there is no information on such an application of C * LCD cells, and the constructions used, suitable C * LCD compositions, electro-optical effects and control modes of any C * LCD modulator with this purpose are unknown.
Технической задачей, решаемой предлагаемыми вариантами изобретения, образующими единый изобретательский замысел, является создание жидкокристаллического устройства для подавления спекл-шума в изображениях, обладающего по сравнению с аналогом существенно более простой конструкцией и технологией изготовления, более высоким пространственным разрешением, более высокими параметрами светопропускания и более высоким быстродействием.The technical problem solved by the proposed variants of the invention, forming a single inventive concept, is the creation of a liquid crystal device for suppressing speckle noise in images, which, in comparison with the analogue, has a significantly simpler design and manufacturing technology, higher spatial resolution, higher transmittance and higher speed.
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном жидкокристаллическом пространственном модуляторе света, содержащем две параллельно расположенные прозрачные диэлектрические пластины, на внешние стороны которых нанесены антиотражающие покрытия, а на внутренние стороны прозрачные токопроводящие покрытия, и жидкокристаллическое вещество, заполняющее пространство между токопроводящими покрытиями и изменяющее свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, применено такое жидкокристаллическое вещество, которое является композицией смектического С*-типа с сегнетоэлектрическими свойствами, обладающей способностью формировать в слое пространственно неоднородные структуры, с высокой скоростью модулирующие под действием импульсного знакопеременного электрического напряжения фазу проходящего света; при этом для модуляции света используют один пространственно неоднородный модулирующий элемент площадью, равной апертуре всего модулятора, со сплошными по всей апертуре токопроводящими покрытиями и управляющее импульсное знакопеременное электрическое напряжение прилагают к одной единственной паре токопроводящих покрытий.The solution to this problem is provided by the fact that in the known liquid crystal spatial light modulator, containing two parallel arranged transparent dielectric plates, the outer sides of which are coated with antireflection coatings, and the inner sides are transparent conductive coatings, and a liquid crystal substance that fills the space between the conductive coatings and changes its optical anisotropy under the influence of an electric field, such a liquid crystal substance is used on which is a composition of the smectic C * -type ferroelectric properties having the ability to generate a spatially inhomogeneous layer structure, a high speed by modulating a pulsed alternating voltage phase of the transmitted light; at the same time, one spatially inhomogeneous modulating element with an area equal to the aperture of the entire modulator, with conductive coatings continuous throughout the aperture and an alternating pulse alternating voltage is applied to one single pair of conductive coatings for light modulation.
В первом варианте технического решения предлагается пространственный модулятор, подавляющий спекл-шум при прохождении через него лазерного пучка в одном направлении (по схеме, изображенной на Фиг.3, вид 3.1). Заключенный в модуляторе слой С*ЖК благодаря своим свойствам при управлении электрическим напряжением разрушает фазовые соотношения в пучке, приводящие к созданию спекл-структуры в изображениях. Примененное жидкокристаллическое вещество на основе композиции смектического С*-типа с сегнетоэлектрическими свойствами, не имеет шевронных дефектов и позволяет достичь высокой стабильности при переключении состояний светопропускания, что обеспечивает высокое качество изображения, проходящего через ячейку.In the first embodiment of the technical solution, a spatial modulator is proposed that suppresses speckle noise when a laser beam passes through it in one direction (according to the scheme shown in Figure 3, view 3.1). The C * LC layer enclosed in the modulator, due to its properties when controlling electric voltage, destroys the phase relationships in the beam, leading to the creation of a speckle structure in the images. The applied liquid crystalline substance based on the composition of the smectic C * type with ferroelectric properties has no chevron defects and allows one to achieve high stability when switching light transmission states, which ensures high quality of the image passing through the cell.
Во втором варианте вместо ячейки, работающей на просвет, предлагается использовать жидкокристаллическую ячейку отражательного типа, для чего достаточно выполнить одно из токопроводящих покрытий отражающим (см. Фиг.3, вид 3.2). Такая ячейка с апертурой, равной размеру экрана, на который проецируется изображение, может служить для подавления спеклов при установке непосредственно перед экраном или вместо него. В последнем случае используется композиция С*ЖК, интенсивно рассеивающая свет при приложении знакопеременного электрического напряжения.In the second embodiment, instead of a cell operating in light, it is proposed to use a liquid crystal cell of the reflective type, for which it is enough to make one of the conductive coatings reflective (see Figure 3, view 3.2). Such a cell with an aperture equal to the size of the screen onto which the image is projected can serve to suppress speckles when installed directly in front of the screen or instead of it. In the latter case, the composition C * LCD is used, which intensively scatters light when an alternating voltage is applied.
Кроме того, в обоих вариантах жидкокристаллическое вещество является композицией смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами, в которой нехиральная смектическая С жидкокристаллическая смесь содержит замещенные фенилпиримидины и фенилбензоаты в соотношении масс от 3:1 до 2:1, при этом замещенные фенилпиримидины включают по крайней мере одно органическое соединение, выбранное из группы (I, II), состоящей из:In addition, in both embodiments, the liquid crystal substance is a smectic type composition with ferroelectric properties, in which the non-chiral smectic C liquid crystal mixture contains substituted phenylpyrimidines and phenylbenzoates in a weight ratio of 3: 1 to 2: 1, while substituted phenylpyrimidines include at least one organic a compound selected from group (I, II) consisting of:
(I) (I)
где n≥8, m≤10where n≥8, m≤10
(II) (Ii)
где n≥6, m≤10where n≥6, m≤10
фенилбензоаты включают, по крайней мере, одно органическое соединение, выбранное из группы (III, IV), состоящей из:phenylbenzoates include at least one organic compound selected from the group (III, IV) consisting of:
(III) (III)
где n≥8, m≤10where n≥8, m≤10
(IV) (Iv)
где n≥6, m≤10where n≥6, m≤10
а хиральная добавка включает органические соединения (V, VI), состоящие из:and the chiral additive includes organic compounds (V, VI), consisting of:
(V) (V)
n≥4, m≤6n≥4, m≤6
где n=0,1; m≥2where n = 0.1; m≥2
(VI) (Vi)
где n≥3, m≤6where n≥3, m≤6
в соотношении масс от 1:1 до 2:1 и органическое соединение (VII):in a mass ratio of from 1: 1 to 2: 1 and organic compound (VII):
масса которого составляет 15-30% от общей массы хиральной добавки.the mass of which is 15-30% of the total mass of the chiral additive.
Преимущества заявляемого спекл-подавляющего С*ЖК пространственного модулятора обеспечиваются за счет предложенных:The advantages of the claimed speckle-suppressing C * LCD spatial modulator are provided due to the proposed:
- конструкции С*ЖК ячейки,- C * LCD cell designs,
- состава жидкокристаллического вещества и- the composition of the liquid crystal substance and
- режима управления ячейкой.- cell control mode.
Замена НЖК на С*ЖК позволяет существенно (более чем в 100 раз) увеличить быстродействие. Состав С*ЖК обеспечивает условия для создания управляемых пространственно-неоднородных структур в слое. Отказ от матрицы модулирующих элементов и использование одной однородной по апертуре С*ЖК ячейки в качестве плоского одноканального широко-апертурного модулятора позволяет обеспечить непрерывную по апертуре пространственно-неоднородную фазовую модуляцию лазерного излучения и исключить мультиплексную или активно-матричную адресацию элементов матрицы. Режим управления импульсным знакопеременным электрическим напряжением обеспечивает необходимую скорость и глубину модуляции фазы при отсутствии светорассеяния и искажения изображений. Модулятор может быть изготовлен с размером рабочей апертуры, подходящим для используемой мощности и сечения лазерного пучка, чтобы не допустить ухода из температурного режима или обеспечить наиболее благоприятные условия модуляции фазы света.Replacing an NLC with a C * LCD can significantly (more than 100 times) increase the speed. The composition of C * LC provides the conditions for the creation of controlled spatially inhomogeneous structures in the layer. The rejection of the matrix of modulating elements and the use of a single uniform C * aperture LCD cell as a flat single-channel wide-aperture modulator makes it possible to ensure spatially inhomogeneous phase modulation of laser radiation continuously in aperture and to exclude multiplex or active-matrix addressing of matrix elements. The control mode of pulsed alternating voltage provides the necessary speed and depth of phase modulation in the absence of light scattering and image distortion. The modulator can be manufactured with a working aperture size suitable for the used power and the laser beam cross section, in order to prevent the temperature regime from escaping or to provide the most favorable conditions for the modulation of the light phase.
При этом из уровня техники не очевидно, что подавления спеклов лазерного излучения можно добиться путем применения быстродействующего С*ЖК, обладающего бистабильными и мультистабильными свойствами, без ухудшения его устойчивости или нарушения указанных свойств, вызываемых влиянием ограничивающих С*ЖК слоев, режима электрического импульсного управления или проходящего лазерного излучения.In this prior art is not obvious that suppress speckle of laser radiation can be achieved by applying the fast C LC having bistable and multistable properties without impairing its stability or disorder mentioned properties caused by the influence of the bounding C LC layers mode of the electrical pulse control or passing laser radiation.
Для улучшения характеристик спекл-подавляющих С*ЖК модуляторов целесообразно в отдельности или в совокупности использовать различные направления их совершенствования, как то: изменение типа и состава жидкокристаллического вещества, изменение режима управления ячейкой, видоизменение конструкции модулятора и т.п. Например, для усиления эффекта подавления спекл-шума в конструкции модулятора предлагается предусмотреть две последовательно расположенные С*ЖК ячейки. В модуляторе целесообразно также использование полимерно-жидкокристаллических слоев, антиферроэлектрических композиций ЖК, флексоэлектрического эффекта и др.To improve the characteristics of speckle-suppressing C * LC modulators, it is advisable to use individually or in the aggregate various directions for their improvement, such as: changing the type and composition of liquid crystal substances, changing the control mode of the cell, modifying the design of the modulator, etc. For example, to enhance the effect of suppressing speckle noise, it is proposed to provide two sequentially located C * LCD cells in the design of the modulator. In the modulator it is also advisable to use polymer-liquid crystal layers, antiferroelectric compositions LC, flexoelectric effect, etc.
Таким образом, использование предлагаемой конструкции модулятора, состава жидкокристаллического вещества и режима управления импульсным знакопеременным электрическим напряжением позволяет получить устройство подавления спеклов лазерного излучения, обладающее высоким быстродействием (десятки микросекунд), высокой разрешающей способностью (до единиц микрометров) и стабильностью параметров светопропускания без искажения изображений, что делает возможным применение модулятора по своему назначению и создание на базе таких модуляторов и лазеров устройств визуализации и отображения видеоинформации, в том числе проекционных, отличающихся высоким разрешением и хорошим качеством изображения и соответствующих требованиям современных и перспективных систем хранения, преобразования, обработки изображений и отображения информации с помощью лазерного излучения, при упрощении их конструкции и технологии изготовления.Thus, the use of the proposed modulator design, liquid crystal composition, and control mode of alternating pulsed alternating voltage makes it possible to obtain a laser speckle suppression device that has high speed (tens of microseconds), high resolution (up to several micrometers) and stability of light transmission parameters without image distortion, which makes it possible to use the modulator for its intended purpose and to create on the basis of such modulo s and laser imaging devices and video display, including projection differing high resolution and good image quality and meet the requirements of modern and advanced storage, conversion, image processing and displaying information using a laser beam, while simplifying their design and manufacturing technology.
Заявляемый модулятор в качестве устройства для подавления спекл-шума в изображениях может найти широкое применение при разработке дисплеев и других оптоэлектронных устройств отображения, использующих лазерное излучение для визуализации информации.The inventive modulator as a device for suppressing speckle noise in images can be widely used in the development of displays and other optoelectronic display devices using laser radiation to visualize information.
Источники информацииInformation sources
1. Кольер Р., Берхард К., Лин Л. Оптическая голография. Москва: Мир, с.390 (1973).1. Collier R., Berhard K., Lin L. Optical holography. Moscow: World, p. 390 (1973).
2. Рябухо В.П. // СОЖ, N 5, с.102-109 (2001).2. Ryabuho V.P. // Coolant, N 5, pp. 102-109 (2001).
3. Lohmann A.V., J. Opt. Soc. Am., v.55, 1030 (1965).3. Lohmann A.V., J. Opt. Soc. Am., V. 55, 1030 (1965).
4. Arsenault H., Lowenthal S. Opt. Commun., v.57, 493 1970).4. Arsenault H., Lowenthal S. Opt. Commun., V. 57, 493 1970).
5. Lowenthal S., Joyeux D., J. Opt. Soc. Am., v.61, 7, 847 (1971).5. Lowenthal S., Joyeux D., J. Opt. Soc. Am., V. 61, 7, 847 (1971).
6. Турухано Б.Г. Дисковая система голографической памяти. В сборнике «Оптическая голография. Практические применения», Ленинград: Наука, стр.75-95 (1985).6. Turukhano B.G. Disk system of holographic memory. In the collection “Optical holography. Practical Applications ”, Leningrad: Science, pp. 75-95 (1985).
7. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света /под ред. И.Н.Компанца/, Москва: Радио и связь (1987).7. Vasiliev A.A., Casasent D., Kompanets I.N., Parfenov A.V. Spatial Light Modulators / Ed. I.N. Kompanza /, Moscow: Radio and Communications (1987).
8. Л.М.Блинов, Электро- и магнитооптика жидких кристаллов, Москва: Наука (1978).8. L. M. Blinov, Electro and magneto-optics of liquid crystals, Moscow: Nauka (1978).
9. V.G.Chigrinov, Liquid crystal devices: physics and applications, Artech House, Boston, London, UK (1999).9. V. G. Chigrinov, Liquid crystal devices: physics and applications, Artech House, Boston, London, UK (1999).
10. Андреев А.Л., Компанец И.Н., Пожидаев Е.П. Жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка. Патент России №2092883 от 10.10.1997 (по заявке №95109563 с приоритетом от 07.06.1995).10. Andreev A.L., Kompanets I.N., Pozhidaev E.P. Liquid crystal ferroelectric display cell. Russian patent No. 2092883 dated 10/10/1997 (according to the application No. 95109563 with priority dated 07/07/1995).
11. Андреев А.Л., Бобылев Ю.П., Губасарян Н.А., Компанец И.Н., Пожидаев Е.П., Федосенкова Т.Б., Шошин В.М., Шумкина Ю.П. Управляемое электрическим полем рассеяние света в сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Оптический журнал, т.79, №9, 58-65 (2005).11. Andreev A.L., Bobylev Yu.P., Gubasaryan N.A., Kompanets I.N., Pozhidaev E.P., Fedosenkova TB, Shoshin V.M., Shumkina Yu.P. Electric field controlled light scattering in ferroelectric liquid crystals. Optical Journal, vol. 79, No. 9, 58-65 (2005).
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007118669/28A RU2340923C1 (en) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Liquid crystal spatial light modulator (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007118669/28A RU2340923C1 (en) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Liquid crystal spatial light modulator (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2340923C1 true RU2340923C1 (en) | 2008-12-10 |
Family
ID=40194464
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007118669/28A RU2340923C1 (en) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Liquid crystal spatial light modulator (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2340923C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2521087C2 (en) * | 2009-08-27 | 2014-06-27 | Шарп Кабушики Каиша | Illumination system and liquid crystal display device using said system |
-
2007
- 2007-05-21 RU RU2007118669/28A patent/RU2340923C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2521087C2 (en) * | 2009-08-27 | 2014-06-27 | Шарп Кабушики Каиша | Illumination system and liquid crystal display device using said system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6188462B1 (en) | Diffraction grating with electrically controlled periodicity | |
KR100251514B1 (en) | Cholesteric liquid crystal device | |
EP1042702B1 (en) | Bistable nematic liquid crystal device | |
US5062691A (en) | Liquid crystal device with grey scale | |
KR19980033500A (en) | Reflective bistable nematic liquid crystal display | |
Margerum et al. | Electro-optical applications of liquid crystals | |
US9400412B2 (en) | Nanosecond liquid crystalline optical modulator | |
RU2340923C1 (en) | Liquid crystal spatial light modulator (versions) | |
Andreev et al. | Speckle‐noise suppression due to a single ferroelectric liquid‐crystal cell | |
McEwen | Liquid crystals, displays and devices for optical processing | |
RU2430393C1 (en) | Ferroelectric lcd cell | |
Palto et al. | Submillisecond inverse TN bidirectional field switching mode | |
Zola et al. | Characteristics of dual mode reflective cholesteric display | |
RU2373558C1 (en) | Method of modulating phase of light and optical modulator to this end | |
Andreev et al. | Speckle suppression using a liquid-crystal cell | |
US20230004052A1 (en) | Liquid crystal device | |
Andreev et al. | Electric-field-controlled light scattering in ferroelectric liquid crystals | |
RU2304297C1 (en) | Device for suppression of speckles | |
RU2649062C1 (en) | Optical modulator | |
EP0425304B1 (en) | Liquid crystal device with grey scale | |
KR19990027489A (en) | Vertically oriented twisted nematic liquid crystal display with ferroelectric liquid crystal | |
RU2561307C2 (en) | Method for spatial non-uniform modulation of light phase and optical modulator therefor | |
RU2740338C1 (en) | Liquid crystal display cell | |
Berenberg et al. | Orientation dependencies of diffraction efficiency of the dynamic holographic corrector recorded in optically addressed spatial light modulator with the ferroelectric liquid crystal | |
Kim et al. | Reflective mode of a nematic liquid crystal with chirality in a hybrid aligned configuration |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200522 |