RU2726306C1

RU2726306C1 - Method for formation and compensation of astigmatic wave front and device for its implementation

Info

Publication number: RU2726306C1
Application number: RU2019141451A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Самагин; Светлана Павловна Котова; Александра Михайловна Майорова; Дарья Владимировна Прокопова
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-07-13

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to a method for generating and compensating for an arbitrary astigmatic wave front and a device for realizing said method. Technical results are provided due to the presence of two transparent substrates 1, 2 with transparent high-resistance coatings 3, 17 and contact electrodes 4-7 and 8-11 deposited on the aperture edges, wherein transparent high-resistance coatings and contact electrodes are arranged at angle of 45 degrees relative to each other. On high-resistance transparent coating and contact electrodes of both substrates there are orienting coatings 12, 13, between which layer 16 of nematic liquid crystal of specified thickness is arranged, at that substrates 1, 2 are crossed for formation of octagonal aperture. On contact electrodes 4-7 and 8-11 on both substrates there supplied are alternating potentials for formation of high-resistance coatings on different transparent substrates of voltage distribution and phase delay profile in form of surface of hyperbolic paraboloid, which rotation angle relative to the aperture center and deflection depth are determined by applied potentials, which provides formation of astigmatic wave front with different angular orientation and astigmatism value.EFFECT: invention improves energy efficiency, wide operating spectral range and manufacturability of the device and its control system.10 cl, 15 dwg, 3 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Настоящее изобретение относится к способу формирования и компенсации астигматического волнового фронта и к устройству для осуществления этого способа.The present invention relates to a method for forming and compensating an astigmatic wavefront and to a device for implementing this method.

Уровень техникиState of the art

Из существующего уровня техники известны устройства формирования и компенсации астигматического волнового фронта на основе комбинаций цилиндрических и телескопических линз (например, Андреев Л.Н., Дегтярева Г.С. Афокальный компенсатор аберраций // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, №8. С. 621-624). Такие устройства неприемлемы в системах, где нужно избежать механических перемещений.From the current state of the art, devices for the formation and compensation of an astigmatic wavefront based on combinations of cylindrical and telescopic lenses are known (for example, Andreev L.N., Degtyareva G.S. Afocal aberration compensator // Izvestiya vuzov. Priborostroenie. 2015. V. 58, No. 8. S. 621-624). Such devices are unacceptable in systems where mechanical movement must be avoided.

Из существующего уровня техники известны управляемые жидкокристаллические линзы, которые могут использоваться для формирования волновых фронтов заданной формы, в частности, цилиндрические [С. 77. 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),] и сферические [Е.Г. Абрамочкин, Ф.Ф. Васильев и др. «Управляемая жидкокристаллическая линза», препринт ФИАН, 194, Москва, 1988, 18 с.; Г.В. Вдовин, И.Р. Гуралъник, С.П. Котова и др. «Жидкокристаллические линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием. I. Теория, II. Численная оптимизация и эксперимент» // Квантовая электроника, 26, №3, 1999, с. 256-264)] волновые фронты, управление формой которых осуществляется без каких-либо механических напряжений за счет изменения амплитуд и частот прикладываемых напряжений. Однако такая линза не позволяет формировать и корректировать произвольный астигматический волновой фронт.The state of the art known controllable liquid crystal lenses that can be used to form wave fronts of a given shape, in particular, cylindrical [C. 77. Kotova, M.Yu. Loktev, A.F. Naumov, A.V. Parfenov, T.N. Sapcina. "Controlling the phase transmission of a liquid crystal lens." SamGU Bulletin, 2 (4), pp. 167-173 (1997),] and spherical [E.G. Abramochkin, F.F. Vasiliev et al. "Controlled liquid crystal lens", preprint FIAN, 194, Moscow, 1988, 18 p .; G.V. Vdovin, I.R. Guralnik, S.P. Kotova et al. “Liquid crystal lenses with a tunable focal length. I. Theory, II. Numerical optimization and experiment "// Quantum electronics, 26, №3, 1999, p. 256-264)] wave fronts, the shape of which is controlled without any mechanical stresses by changing the amplitudes and frequencies of applied stresses. However, such a lens does not allow the formation and correction of an arbitrary astigmatic wavefront.

Известны жидкокристаллические устройства, позволяющие формировать волновые фронты заданной формы и корректировать аберрации волнового фронта, в том числе формировать астигматический волновой фронт и корректировать астигматизм - это так называемые корректоры волнового фронта с модальным принципом управления [Naumov A F 1993 Modal wavefront correctors Proc. P.N. Lebedev Physical Institute, 217, 177-182], недостатком которых является необходимость использования большого количества (нескольких десятков) контактных электродов.Known liquid crystal devices that allow you to form wavefronts of a given shape and correct wavefront aberrations, including the formation of an astigmatic wavefront and correct astigmatism - these are the so-called wavefront correctors with a modal control principle [Naumov A F 1993 Modal wavefront correctors Proc. P.N. Lebedev Physical Institute, 217, 177-182], the disadvantage of which is the need to use a large number (several tens) of contact electrodes.

Динамический способ управления профилем волнового фронта светового пучка и устройство для его реализации (в вариантах) предложены в патенте РФ №2214617 (опубл. 20.10.2003). Устройство позволяет реализовать различные типы волновых фронтов, в том числе астигматический волновой фронт, однако особенностью способа формирования волновых фронтов с помощью данного устройства является необходимость подавать напряжение последовательно в течение некоторого времени t на различные пары используемых контактных электродов. Это накладывает ограничения на используемые жидкие кристаллы, поскольку для реализации подобного способа время включения должно быть много больше времени выключения электрооптического эффекта в жидком кристалле.A dynamic method for controlling the wavefront profile of a light beam and a device for its implementation (in versions) are proposed in RF patent No. 2214617 (publ. 20.10.2003). The device makes it possible to implement various types of wave fronts, including an astigmatic wave front, however, a feature of the method for forming wave fronts using this device is the need to apply voltage sequentially for some time t to various pairs of contact electrodes used. This imposes restrictions on the liquid crystals used, since to implement such a method, the turn-on time must be much longer than the turn-off time of the electro-optical effect in the liquid crystal.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является жидкокристаллический (ЖК) фокусатор (четырехканальный ЖК модулятор) (Котова С.П., Патлань В.В., Самагин С.А. Перестраиваемый жидкокристаллический фокусатор. 1. Теория; 2. Эксперимент // Квантовая электроника, 2011, т. 41. №1, с. 58-70), который представляет собой устройство, реализованное на основе скрещенных подложек цилиндрических модальных ЖК линз, объединенных в одну конструкцию. На стеклянные подложки наносятся прозрачные высокоомные покрытия (поверхностное сопротивление от 100 кОм/квадрат и до единиц МОм/квадрат) и низкоомные непрозрачные полосковые контакты. Подложки располагаются так, чтобы их контактные электроды были перпендикулярны друг другу. Между подложками заключен слой нематического жидкого кристалла, толщина которого задается прокладками, а первоначальная планарная ориентация - нанесенными на подложки ориентирующими покрытиями. Управляя амплитудами и фазами потенциалов, прикладываемых к контактам устройства, можно изменять распределение электрического напряжения по апертуре. Под действием напряжения в ЖК слое происходит переориентация молекул (S-эффект). Это приводит к изменению пространственного распределения фазовой задержки, вносимой ЖК слоем в проходящую световую волну. Устройство позволяет реализовать фокусировку излучения в точку и отрезок, а также формировать световые поля с распределением интенсивности в заданной плоскости в виде колец, эллипсов и С-образные световые поля. За счет изменения прикладываемых напряжений можно изменять положение сформированного поля, его размеры, а также форму (например, от кольца к эллипсу и наоборот). Этот ЖК фокусатор характеризуется возможностью работать при достаточно высоких плотностях мощности излучения, падающего на фокусатор (эксперименты проводились при плотностях мощности излучения до 30 Вт/см), простотой и компактностью устройства и системы управления и, как следствие, более низкой стоимостью системы по сравнению с коммерческими многопиксельными ПМС. Недостатком рассматриваемого устройства является невозможность с его помощью формировать и компенсировать произвольный астигматический волновой фронт.The closest analogue of the present invention is a liquid crystal (LCD) focusing device (four-channel LCD modulator) (Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. A tunable liquid crystal focusing device. 1. Theory; 2. Experiment // Quantum Electronics, 2011, v. 41. No. 1, pp. 58-70), which is a device implemented on the basis of crossed substrates of cylindrical modal LC lenses combined into one design. Glass substrates are coated with transparent high-resistance coatings (surface resistance from 100 kOhm / square to units of MOhm / square) and low-resistance opaque strip contacts. The substrates are positioned so that their contact electrodes are perpendicular to each other. Between the substrates, there is a layer of nematic liquid crystal, the thickness of which is set by spacers, and the initial planar orientation is set by the orienting coatings applied to the substrates. By controlling the amplitudes and phases of the potentials applied to the contacts of the device, it is possible to change the distribution of the electric voltage over the aperture. Reorientation of molecules (S-effect) occurs under the action of voltage in the LC layer. This leads to a change in the spatial distribution of the phase delay introduced by the LC layer into the transmitted light wave. The device makes it possible to focus radiation into a point and a segment, as well as to form light fields with an intensity distribution in a given plane in the form of rings, ellipses and C-shaped light fields. By changing the applied voltages, it is possible to change the position of the generated field, its dimensions, and also its shape (for example, from a ring to an ellipse and vice versa). This LCD focusing device is characterized by the ability to operate at sufficiently high power densities of radiation incident on the focusing device (experiments were carried out at radiation power densities up to 30 W / cm), by the simplicity and compactness of the device and control system, and, as a consequence, by a lower cost of the system compared to commercial ones. multipixel PMS. The disadvantage of the considered device is the impossibility with its help to form and compensate for an arbitrary astigmatic wavefront.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Настоящее изобретение решает задачу формирования и компенсации астигматического волнового фронта. При этом, помимо расширения арсенала технических средств, обеспечивается хорошая энергетическая эффективность, широкий рабочий спектральный диапазон и технологичность изготовления простого и компактного устройства и системы его управления.The present invention solves the problem of forming and compensating an astigmatic wavefront. At the same time, in addition to expanding the arsenal of technical means, good energy efficiency, a wide operating spectral range and manufacturability of a simple and compact device and its control system are provided.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ формирования астигматического волнового фронта, заключающийся в том, что: наносят на каждую из первой и второй прозрачных подложек прозрачное высокоомное покрытие; наносят на края каждой из прозрачных подложек непрозрачные низкоомные покрытия, соединенные с прозрачным высокоомным покрытием, формируя тем самым на каждой из прозрачных подложек четыре контактных электрода; наносят ориентирующее покрытие на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды на каждой из прозрачных подложек; располагают прозрачные подложки на заданном расстоянии одна от другой с обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями так, чтобы высокоомные прозрачные покрытия были повернуты на угол 45° друг относительно друга, формируя таким образом октогональную апертуру; размещают между прозрачными подложками слой нематического жидкого кристалла; подают на контактные электроды на обеих прозрачных подложках такие переменные потенциалы, чтобы действующее значение напряжения между подложками было в пределах линейного участка вольт-фазной характеристики, для формирования между высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределения напряжения и профиля фазовой задержки в виде поверхностей гиперболического параболоида, угол поворота которых относительно центра апертуры и глубина прогиба определяется приложенными потенциалами, что и обеспечивает формирование астигматического волнового фронта с различной угловой ориентацией и величиной астигматизма.To solve this problem and achieve the specified technical result, the first aspect of the present invention provides a method for forming an astigmatic wave front, which consists in the fact that: a transparent high-resistance coating is applied to each of the first and second transparent substrates; applying opaque low-resistance coatings connected to the transparent high-resistance coating on the edges of each of the transparent substrates, thereby forming four contact electrodes on each of the transparent substrates; applying an alignment coating to the high-resistance transparent coating and contact electrodes on each of the transparent substrates; placing transparent substrates at a predetermined distance from one another with facing each other with orienting coatings so that high-resistance transparent coatings are rotated at an angle of 45 ° relative to each other, thus forming an octagonal aperture; a layer of nematic liquid crystal is placed between the transparent substrates; are applied to the contact electrodes on both transparent substrates such variable potentials so that the effective voltage value between the substrates is within the linear section of the volt-phase characteristic, to form a voltage distribution and a phase delay profile between high-resistance coatings on different transparent substrates in the form of hyperbolic paraboloid surfaces, the angle the rotation of which relative to the center of the aperture and the depth of deflection are determined by the applied potentials, which ensures the formation of an astigmatic wave front with different angular orientation and the magnitude of astigmatism.

Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что на пару противоположных контактных электродов первой прозрачной подложки могут подавать потенциалы равной амплитуды, на другую пару противоположных контактных электродов этой же подложки могут подавать потенциалы также равной амплитуды, но отличающиеся по величине от потенциалов первой пары, фазы потенциалов, поданных на контакты первой подложки равны, а на контактные электроды второй прозрачной подложки подают потенциалы с амплитудами, равными для противоположных контактов, но отличающимися между соседними контактами, а разность фаз потенциалов, приложенных к контактам первой и второй подложек, равна π.A feature of the method according to the first object of the present invention is that potentials of equal amplitude can be supplied to a pair of opposite contact electrodes of the first transparent substrate, potentials of equal amplitude can also be supplied to another pair of opposite contact electrodes of the same substrate, but differing in magnitude from the potentials of the first pair , the phases of the potentials applied to the contacts of the first substrate are equal, and potentials with amplitudes equal for opposite contacts, but different between adjacent contacts, are applied to the contact electrodes of the second transparent substrate, and the phase difference of the potentials applied to the contacts of the first and second substrates is π.

Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что размеры контактных электродов, наносимых на края каждой из прозрачных подложек, могут быть меньше размеров половины апертуры устройства (линейного размера нанесенного высокоомного покрытия) - предпочтительное соотношение ширин контактного электрода и апертуры устройства составляет 0,45.Another feature of the method according to the first object of the present invention is that the dimensions of the contact electrodes applied to the edges of each of the transparent substrates can be less than half of the device aperture (linear size of the applied high-resistance coating) - the preferred ratio of the widths of the contact electrode and the device aperture is 0.45.

Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что перед нанесением ориентирующего покрытия на одну из прозрачных подложек на ее высокоомном прозрачном покрытии и контактных электродах могут размещать диэлектрическое зеркало.Another feature of the method according to the first aspect of the present invention is that a dielectric mirror can be placed on its high-resistance transparent coating and contact electrodes before applying the alignment coating to one of the transparent substrates.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство для формирования и компенсации произвольного астигматического волнового фронта, содержащее: первую прозрачную подложку с нанесенными на нее прозрачным высокоомным покрытием и низкоомными непрозрачными покрытиями, соединенными с высокоомным прозрачным покрытием на противоположных краях первой прозрачной подложки, с формированием четырех контактных электродов, при этом на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие; вторую прозрачную подложку с таким же прозрачным высокоомным покрытием и такими же контактными электродами, причем прозрачное высокоомное покрытие и контактные электроды повернуты на угол 45° друг относительно друга, формируя таким образом октогональную апертуру; при этом на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие; слой нематического жидкого кристалла заданной толщины, размещенный между первой и второй прозрачными подложками; при этом контактные электроды на обеих прозрачных подложках предназначены для подачи на них переменных потенциалов для формирования между высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределения напряжения и профиля фазовой задержки в виде поверхности гиперболического параболоида, угол поворота которых относительно центра апертуры и глубина прогиба определяется приложенными потенциалами, что и обеспечивает формирование астигматического волнового фронта с различной угловой ориентацией и величиной астигматизма.To solve the same problem and achieve the same technical result, a second aspect of the present invention provides a device for forming and compensating for an arbitrary astigmatic wavefront, comprising: a first transparent substrate coated with a transparent high-resistance coating and low-resistance opaque coatings connected to a high-resistance transparent coating on opposite edges of the first transparent substrate, with the formation of four contact electrodes, while the high-resistance transparent coating and contact electrodes are applied an alignment coating; a second transparent substrate with the same transparent high-resistance coating and the same contact electrodes, wherein the transparent high-resistance coating and contact electrodes are rotated at an angle of 45 ° relative to each other, thus forming an octagonal aperture; an orienting coating is applied to the high-resistance transparent coating and contact electrodes; a layer of nematic liquid crystal of a predetermined thickness disposed between the first and second transparent substrates; in this case, the contact electrodes on both transparent substrates are designed to supply alternating potentials to them for the formation between high-resistance coatings on different transparent substrates a voltage distribution and a phase delay profile in the form of a hyperbolic paraboloid surface, the angle of rotation of which relative to the center of the aperture and the depth of deflection are determined by the applied potentials, which and provides the formation of an astigmatic wavefront with different angular orientation and magnitude of astigmatism.

Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что пара противоположных контактных электродов первой прозрачной подложки может быть предназначена для подачи потенциалов равных амплитуд и равных фаз, другая пара противоположных контактных электродов этой же подложки может быть предназначена для подачи потенциалов также равных амплитуд, но отличающихся по величине от потенциалов первой пары, и с фазами, равными фазам потенциалов на контактах первой подложки, а контактные электроды второй прозрачной подложки предназначены для подачи потенциалов с амплитудами, равными для противоположных контактов, но отличающимися между соседними контактами, и с фазами, отличающимися на π от фаз потенциалов, приложенных к контактам первой подложки.A feature of the device according to the second object of the present invention is that a pair of opposite contact electrodes of the first transparent substrate can be designed to supply potentials of equal amplitudes and equal phases, another pair of opposite contact electrodes of the same substrate can be designed to supply potentials of equal amplitudes, but differing in magnitude from the potentials of the first pair, and with phases equal to the phases of the potentials on the contacts of the first substrate, and the contact electrodes of the second transparent substrate are designed to supply potentials with amplitudes equal for opposite contacts, but different between adjacent contacts, and with phases that differ by π on the phases of the potentials applied to the contacts of the first substrate.

Еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что размеры контактных электродов, наносимых на края каждой из прозрачных подложек, могут быть меньше размеров половины апертуры устройства (линейного размера нанесенного высокоомного покрытия) - предпочтительное соотношение ширин контактного электрода и апертуры устройства составляет 0,45.Another feature of the device according to the second aspect of the present invention is that the dimensions of the contact electrodes applied to the edges of each of the transparent substrates can be less than half of the device aperture (linear size of the applied high-resistance coating) - the preferred ratio of the widths of the contact electrode and the device aperture is 0.45.

Еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что на высокоомном прозрачном покрытии и контактных электродах одной из прозрачных подложек может быть размещено диэлектрическое зеркало.Another feature of the device according to the second aspect of the present invention is that a dielectric mirror can be placed on the high-resistance transparent coating and contact electrodes of one of the transparent substrates.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На Фиг. 1 представлена условная структурная схема устройства по одному варианту осуществления настоящего изобретения.FIG. 1 is a schematic block diagram of a device according to one embodiment of the present invention.

На Фиг. 2 и 3 схематически показано размещение электродов на разных прозрачных подложках устройства по Фиг. 1.FIG. 2 and 3 schematically show the placement of electrodes on different transparent substrates of the device of FIG. 1.

На Фиг. 4-6 показаны распределения напряжения по апертуре в устройстве по Фиг. 1 для разных соотношений амплитуд и фаз согласно таблицам 1-3, соответственно.FIG. 4-6 show voltage distributions over the aperture in the device of FIG. 1 for different ratios of amplitudes and phases according to tables 1-3, respectively.

На Фиг. 7-9 приведены распределения фазовой задержки по апертуре в устройстве по Фиг. 1 для разных соотношений амплитуд и фаз согласно таблицам 1-3, соответственно.FIG. 7-9 show the distributions of the phase delay over the aperture in the device of FIG. 1 for different ratios of amplitudes and phases according to tables 1-3, respectively.

На Фиг. 10-12 представлены поляризационные интерферограммы, иллюстрирующие распределение фазовой задержки по Фиг. 7-9, соответственно.FIG. 10-12 are polarization interferograms illustrating the phase delay distribution of FIG. 7-9, respectively.

На Фиг. 13-15 показаны примеры распределения интенсивности светового поля, формируемого на разных расстояниях от устройства по Фиг. 1 для разных соотношений амплитуд и фаз согласно таблицам 1-3, соответственно.FIG. 13-15 show examples of the distribution of the intensity of the light field generated at different distances from the device according to FIG. 1 for different ratios of amplitudes and phases according to tables 1-3, respectively.

Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments

Способ по первому объекту настоящего изобретения может быть реализован с помощью устройства по второму объекту настоящего изобретения.The method according to the first aspect of the present invention can be implemented with the device according to the second aspect of the present invention.

На Фиг. 1 представлена условная структурная схема устройства по одному варианту осуществления настоящего изобретения. Такое устройство содержит первую и вторую прозрачные подложки, условно показанные на Фиг. 1 в виде бледных параллелепипедов, имеющих ссылочные позиции 1 и 2, соответственно. На Фиг. 1 первая прозрачная подложка 1 изображена сверху (что не имеет принципиального значения) и в дальнейшем будет иногда именоваться «верхняя прозрачная подложка», вторая прозрачная подложка 2, изображенная внизу, будет иногда именоваться «нижняя прозрачная подложка». Как правило, первая и вторая прозрачные подложки 1, 2 изготавливаются стеклянными, но могут выполняться и из прозрачного пластика, как это известно специалистам.FIG. 1 is a schematic block diagram of a device according to one embodiment of the present invention. Such a device contains the first and second transparent substrates, schematically shown in FIG. 1 in the form of pale parallelepipeds referenced 1 and 2, respectively. FIG. 1, the first transparent substrate 1 is shown from above (which is not essential) and will hereinafter be sometimes referred to as the "upper transparent substrate", the second transparent substrate 2 shown below will sometimes be referred to as the "lower transparent substrate". As a rule, the first and second transparent substrates 1, 2 are made of glass, but can also be made of transparent plastic, as is known to those skilled in the art.

Как показано на Фиг. 2, на первую прозрачную подложку 1 нанесено прозрачное высокоомное покрытие 3 (с поверхностным сопротивлением порядка 100 кОм/квадрат или более), которое может быть выполнено, например, из оксидов индия и олова, как это известно специалистам. На каждом крае первой прозрачной подложки 1 нанесены низкоомные непрозрачные покрытия, которые могут быть выполнены, например, из меди или алюминия, как это известно специалистам. Эти низкоомные непрозрачные покрытия соединены с высокоомным прозрачным покрытием 3 и образуют четыре контактных электрода 4-7.As shown in FIG. 2, the first transparent substrate 1 is coated with a transparent high-resistance coating 3 (with a surface resistance of the order of 100 kΩ / square or more), which can be made, for example, of indium and tin oxides, as is known in the art. On each edge of the first transparent substrate 1, low resistance opaque coatings are applied, which can be made, for example, of copper or aluminum, as is known to those skilled in the art. These low-resistance opaque coatings are connected to the high-resistance transparent coating 3 and form four contact electrodes 4-7.

На Фиг. 3 показана вторая прозрачная подложка 2, выполненная аналогично первой прозрачной подложке 1, т.е. на нее нанесено такое же прозрачное высокоомное покрытие 17, а по краям второй прозрачной подложки 2 нанесены низкоомные непрозрачные покрытия, образующие четыре контактных электрода 8-11, аналогичных контактным электродам 4-7 на первой прозрачной подложке 1. При этом прозрачное высокоомное покрытие 6 и получившиеся контактные электроды подложки 2 повернуты на угол 45 градусов относительно высокомного покрытия и контактных электродов подложки 1.FIG. 3 shows a second transparent substrate 2 similar to the first transparent substrate 1, i.e. the same transparent high-resistance coating 17 is applied to it, and low-resistance opaque coatings are applied along the edges of the second transparent substrate 2, forming four contact electrodes 8-11, similar to contact electrodes 4-7 on the first transparent substrate 1. In this case, the transparent high-resistance coating 6 and the resulting The contact electrodes of the substrate 2 are rotated at an angle of 45 degrees relative to the high coating and the contact electrodes of the substrate 1.

На Фиг. 1 ссылочными позициями 12 и 13 помечены ориентирующие покрытия, нанесенные на высокоомные прозрачные покрытия 3 и 17 и контактные электроды 4-7 и 8-11 обеих прозрачных подложек 1 и 2.FIG. 1, reference numerals 12 and 13 mark alignment coatings applied to high-resistance transparent coatings 3 and 17 and contact electrodes 4-7 and 8-11 of both transparent substrates 1 and 2.

Как видно из Фиг. 1, прозрачные подложки 1 и 2, выполненные согласно Фиг. 2 и 3, собираются в пакет обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями 12 и 13. Иными словами, непрозрачные контактные электроды 4, 5 и 8-11 на скрещенных прозрачных подложках 1 и 2 образуют октагональную апертуру (апертуру в виде правильного восьмиугольника).As seen in FIG. 1, transparent substrates 1 and 2 according to FIG. 2 and 3, are assembled in a stack with facing sides with orienting coatings 12 and 13. In other words, opaque contact electrodes 4, 5 and 8-11 on crossed transparent substrates 1 and 2 form an octagonal aperture (aperture in the form of a regular octagon).

Обе прозрачные подложки 1 и 2 в упомянутом пакете расположены на заданном расстоянии одна от другой благодаря, например, прокладкам 14, 15 такой толщины, которая соответствует толщине слоя 16 жидкого кристалла, заливаемого в пространство между первой и второй прозрачными подложками 1, 2. В качестве жидкого кристалла используют немати-ческий жидкий кристалл, как это известно из вышеуказанного ближайшего аналога или из патента РФ №2582208 (опубл. 20.04.2016). Первоначальная планарная ориентация используемого нематического жидкого кристалла задается как раз нанесенными ориентирующими покрытиями 12, 13.Both transparent substrates 1 and 2 in said package are located at a predetermined distance from one another due to, for example, spacers 14, 15 of such a thickness that corresponds to the thickness of the liquid crystal layer 16 poured into the space between the first and second transparent substrates 1, 2. As liquid crystal, a nematic liquid crystal is used, as is known from the aforementioned closest analogue or from RF patent No. 2582208 (publ. 20.04.2016). The initial planar orientation of the nematic liquid crystal used is determined by the applied orienting coatings 12, 13.

В результате получается жидкокристаллическая (ЖК) астигматическая пластина. Для того, чтобы с ее помощью реализовать способ по первому объекту настоящего изобретения, на контактные электроды 4-7 и 8-11 на обеих прозрачных подложках 1, 2 необходимо подать переменные потенциалы для формирования между высокоомными покрытиями 3 и 17 на разных прозрачных подложках 1, 2 распределений напряжения и фазовой задержки в виде поверхности гиперболического параболоида, что и обеспечивает формирование либо компенсацию астигматического волнового фронта, который математически может быть описан как суперпозиция волновых фронтов, описываемых полиномами Цернике

с разными значениями коэффициентов

. Здесь используется одно из удобных представлений аберраций волнового фронта - разложение по полиномам Цернике. Полиномы Цернике в общем виде имеют следующий вид [Борн М., Вольф Э. / Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.]:The result is a liquid crystal (LCD) astigmatic plate. In order to use it to implement the method according to the first object of the present invention, alternating potentials must be applied to the contact electrodes 4-7 and 8-11 on both

transparent substrates

1, 2 to form between the high-

resistance coatings

3 and 17 on different

transparent substrates

1, 2 voltage distributions and phase delay in the form of a hyperbolic paraboloid surface, which provides the formation or compensation of an astigmatic wavefront, which can be mathematically described as a superposition of wavefronts described by Zernike polynomials

with different values of the coefficients

. Here we use one of the convenient representations of wavefront aberrations - the expansion in terms of Zernike polynomials. Zernike polynomials in general form have the following form [M. Born, E. Wolf / Fundamentals of optics. - M .: Nauka, 1973. - 720 p.]:

где r и θ - полярные координаты; m, n - целые числа, причем m+n - четное число. Волновую аберрацию в общем виде через полиномы Цернике можно представить следующим образом:

where r and θ are polar coordinates; m, n are integers, and m + n is an even number. Wave aberration in general through the Zernike polynomials can be represented as follows:

Потенциалы задают так, чтобы величины действующих значений напряжений в области апертуры сформированного распределения были из линейного участка вольт-фазной характеристики используемого жидкого кристалла.The potentials are set so that the values of the effective values of the voltages in the region of the aperture of the formed distribution are from the linear section of the volt-phase characteristic of the liquid crystal used.

В частности, на противоположные контактные электроды 4, 6 первой прозрачной подложки 1 подают потенциалы равной амплитуды, а на противоположные контактные электроды 5, 7 этой же подложки подают потенциалы также с равными амплитудами, но отличающимися от амплитуд для контактов 4 и 6, а фазы потенциалов на всех контактах 4-7 первой подложки равны между собой. Аналогично на противоположные контакты 8, 10 второй прозрачной подложки 2 подают потенциалы равной амплитуды, а на противоположные контактные электроды 9, 11 этой же подложки подают потенциалы также с равными амплитудами, но отличающимися от амплитуд для контактов 8 и 10, а фазы потенциалов 8-11 второй подложки равны между собой и отличаются на π от потенциалов, поданных на контакты первой подложки.In particular, potentials of equal amplitude are applied to opposite contact electrodes 4, 6 of the first transparent substrate 1, and potentials are also supplied to opposite contact electrodes 5, 7 of the same substrate with equal amplitudes, but differing from the amplitudes for contacts 4 and 6, and the phases of the potentials at all contacts 4-7 of the first substrate are equal to each other. Similarly, potentials of equal amplitude are applied to opposite contacts 8, 10 of the second transparent substrate 2, and potentials are also supplied to opposite contact electrodes 9, 11 of the same substrate with equal amplitudes, but differing from the amplitudes for contacts 8 and 10, and the phases of potentials 8-11 of the second substrate are equal to each other and differ by π from the potentials applied to the contacts of the first substrate.

Полученная ЖК астигматическая пластинка реализует способ по первому объекту настоящего изобретения следующим образом.The obtained LC astigmatic plate implements the method according to the first aspect of the present invention as follows.

На контакты 4-7 и 8-11 подают потенциалы, характерные для формирования распределения в виде поверхности гиперболического параболоида. Для формирования либо компенсации астигматического волнового фронта, описываемого полиномом Цернике

нужно подать на противоположные контакты 4, 6 первой подложки равные потенциалы, на противоположные контакты 5, 7 той же подложки равные между собой потенциалы, но отличающиеся по амплитуде от потенциалов 4, 6, фазы потенциалов на контактах 4-7 нужно задать равными нулю, а на контакты 8-11 нижней подложки подать нулевые потенциалы. Пример возможных значений амплитуд и фаз потенциалов, подаваемых на контакты 4-7 и 8-11, приведен ниже в таблице 1.Contacts 4-7 and 8-11 are supplied with potentials typical for the formation of a distribution in the form of a surface of a hyperbolic paraboloid. For the formation or compensation of the astigmatic wavefront described by the Zernike polynomial

it is necessary to supply equal potentials to

opposite contacts

4, 6 of the first substrate, to

opposite contacts

5, 7 of the same substrate equal potentials, but differing in amplitude from

potentials

4, 6, the phases of the potentials on contacts 4-7 must be set equal to zero, and apply zero potentials to contacts 8-11 of the bottom substrate. An example of possible values of the amplitudes and phases of the potentials applied to contacts 4-7 and 8-11 is given in table 1 below.

Заданные значения приводят к формированию профиля напряжения и соответственно волнового фронта в виде поверхности гиперболического параболоида (Фиг. 10), распределение интенсивности в некоторой плоскости будет иметь вид светового отрезка (Фиг. 13).The specified values lead to the formation of a voltage profile and, accordingly, a wavefront in the form of a surface of a hyperbolic paraboloid (Fig. 10), the intensity distribution in a certain plane will look like a light segment (Fig. 13).

Если подать на контакты 4-7 подложки 1 нулевые потенциалы, а на противоположные контакты 8, 10 второй подложки потенциалы равной амплитуды, на противоположные контакты 9, 11 той же подложки подать равные между собой потенциалы, но отличающиеся по амплитуде от потенциалов 8, 10, а фазы потенциалов на контактах 8-11 задать равными нулю, то можно сформировать (либо компенсировать) волновой фронт, описываемый полиномом Цернике

Пример возможных значений амплитуд и фаз потенциалов, подаваемых на контакты 4-7 и 8-11, приведен ниже в таблице 2.If zero potentials are applied to contacts 4-7 of substrate 1, and potentials of equal amplitude to

opposite contacts

8, 10 of the second substrate, equal potentials are applied to

opposite contacts

9, 11 of the same substrate, but differing in amplitude from

potentials

8, 10, and the phases of the potentials at contacts 8-11 are set equal to zero, then it is possible to form (or compensate) a wave front described by the Zernike polynomial

An example of possible values of the amplitudes and phases of the potentials applied to contacts 4-7 and 8-11 is given in table 2 below.

Заданные значения приводят к формированию профиля напряжения и соответственно волнового фронта в виде поверхностей гиперболического параболоида, повернутых на 45 градусов относительно центра апертуры (Фиг. 11), распределение интенсивности в некоторой плоскости будет иметь вид светового отрезка, повернутого на 45 градусов (Фиг. 14).The specified values lead to the formation of a voltage profile and, accordingly, a wavefront in the form of surfaces of a hyperbolic paraboloid rotated 45 degrees relative to the center of the aperture (Fig. 11), the intensity distribution in a certain plane will look like a light segment rotated by 45 degrees (Fig. 14) ...

Для формирования (и соответственно компенсации) произвольного астигматического волнового фронта, который математически может быть описан как суперпозиция волновых фронтов, описываемых полиномами Цернике

с разными значениями коэффициентов

необходимо на противоположные контактные электроды 4, 6 первой прозрачной подложки 1 подать потенциалы равной амплитуды, а на противоположные контактные электроды 5, 7 этой же подложки подать потенциалы также с равными амплитудами, но отличающимися от амплитуд для контактов 4 и 6, фазы потенциалов на всех контактах 4-7 первой подложки равны между собой; аналогично на противоположные контакты 8, 10 второй прозрачной подложки 2 нужно подать потенциалы равной амплитуды, а на противоположные контактные электроды 9, 11 этой же подложки подать потенциалы также с равными амплитудами, но отличающимися от амплитуд для контактов 8 и 10, фазы потенциалов 8-11 второй подложки равны между собой и отличаются на π от потенциалов, поданных на контакты первой подложки. Пример возможных значений амплитуд и фаз потенциалов, подаваемых на контакты 4-7 и 8-11, приведен ниже в таблице 3.To form (and accordingly compensate) an arbitrary astigmatic wavefront, which can be mathematically described as a superposition of wavefronts described by Zernike polynomials

with different values of the coefficients

it is necessary to apply potentials of equal amplitude to the

opposite contact electrodes

4, 6 of the first transparent substrate 1, and to the

opposite contact electrodes

5, 7 of the same substrate, also apply potentials with equal amplitudes, but differing from the amplitudes for

contacts

4 and 6, the phase of the potentials on all contacts 4-7 of the first substrate are equal to each other; similarly, potentials of equal amplitude should be applied to

opposite contacts

8, 10 of the second transparent substrate 2, and potentials should also be applied to

opposite contact electrodes

9, 11 of the same substrate with equal amplitudes, but differing from the amplitudes for

contacts

8 and 10, potential phases 8-11 of the second substrate are equal to each other and differ by π from the potentials applied to the contacts of the first substrate. An example of possible values of the amplitudes and phases of the potentials applied to contacts 4-7 and 8-11 is given in table 3 below.

Заданные значения приводят к формированию профиля напряжения и соответственно волнового фронта в виде поверхностей гиперболического параболоида, повернутых на некоторый угол относительно центра апертуры (Фиг. 12), распределение интенсивности в некоторой плоскости будет иметь вид светового отрезка, повернутого на тот же угол (Фиг. 15).The specified values lead to the formation of a voltage profile and, accordingly, a wavefront in the form of surfaces of a hyperbolic paraboloid, rotated by a certain angle relative to the center of the aperture (Fig. 12), the intensity distribution in a certain plane will look like a light segment rotated by the same angle (Fig. 15 ).

Работа устройства по второму объекту настоящего изобретения иллюстрируется результатами численного моделирования. При моделировании апертура полагалась квадратной с длиной стороны 1 мм; толщина слоя 16 жидкого кристалла задавалась равной 20 мкм; длины контактных электродов задавались равными 0,45 мм, для расчета фазовой задержки использовалась экспериментальная вольт-фазная характеристика ЖК BL037. При моделировании предполагалось, что устройство освещается плоской однородной волной, ограниченной круглой диафрагмой, которая играла роль апертуры устройства. Распределение напряжения по апертуре для значений потенциалов, указанных в таблицах 1-3, представлены на Фиг. 4 (где U - действующее значение напряжения в области апертуры, приложенное к слою 16 жидкого кристалла; х и у - координаты в плоскости устройства). Соответствующие распределения фазовой задержки представлены на Фиг. 7-9 (где δФ - фазовая задержка; х и у - координаты в плоскости апертуры устройства), а поляризационная интерферограмма - на Фиг. 10-12 (х и у - координаты в плоскости апертуры устройства).The operation of the device according to the second aspect of the present invention is illustrated by the results of numerical simulation. In the simulation, the aperture was assumed to be square with a side length of 1 mm; the thickness of the layer 16 of the liquid crystal was set equal to 20 μm; the lengths of the contact electrodes were set equal to 0.45 mm; the experimental voltage-phase characteristic of the BL037 LC was used to calculate the phase delay. In the simulation, it was assumed that the device is illuminated by a flat uniform wave limited by a circular aperture, which played the role of the device aperture. The voltage distribution over the aperture for the potential values indicated in Tables 1-3 is shown in FIG. 4 (where U is the effective value of the voltage in the area of the aperture applied to the layer 16 of the liquid crystal; x and y are coordinates in the plane of the device). The corresponding phase delay distributions are shown in FIG. 7-9 (where δФ is the phase delay; x and y are coordinates in the plane of the device aperture), and the polarization interferogram is shown in FIG. 10-12 (x and y are coordinates in the plane of the device aperture).

При прохождении световой волны через такой фазовый транспарант (т.е. пакет из прозрачных подложек по Фиг. 1) формируется астигматический волновой фронт световой волны. Примеры рассчитанных световых полей в предположении, что на транспарант падает плоская однородная световая волна в плоскостях наблюдения, где световая волна фокусируется в отрезок, представлены на Фиг. 13-15.When a light wave passes through such a phase transparency (ie, a packet of transparent substrates in Fig. 1), an astigmatic wavefront of the light wave is formed. Examples of calculated light fields on the assumption that a plane homogeneous light wave is incident on the transparency in the observation planes, where the light wave is focused into a segment, are shown in Fig. 13-15.

Изменяя прикладываемые к контактным электродам потенциалы так, чтобы их амплитуды и фазы соответствовали описанным выше правилам, можно управлять величиной астигматизма для каждой подложки, то есть управлять коэффициентами

Соответственно, можно плавно поворачивать распределения на произвольный угол и формировать и корректировать произвольный астигматический волновой фронт, который математически может быть описан как суперпозиция волновых фронтов, описываемых полиномами Цернике

с разными значениями коэффициентов

By changing the potentials applied to the contact electrodes so that their amplitudes and phases correspond to the rules described above, it is possible to control the amount of astigmatism for each substrate, that is, to control the coefficients

Accordingly, one can smoothly rotate the distributions by an arbitrary angle and form and correct an arbitrary astigmatic wavefront, which can be mathematically described as a superposition of wavefronts described by Zernike polynomials

with different values of the coefficients

Настоящее изобретение может быть осуществлено по другому варианту. В этом варианте для реализации астигматической пластины, работающей в режиме отражения, на одной из прозрачных подложек (например, второй, т.е. нижней прозрачной подложке 2) на ее высокоомном прозрачном покрытии 17 и контактных электродах 8-11 перед нанесением ориентирующего покрытия 13 размещают диэлектрическое зеркало.The present invention can be implemented in another way. In this embodiment, to implement an astigmatic plate operating in the reflection mode, on one of the transparent substrates (for example, the second, i.e., the lower transparent substrate 2), on its high-resistance transparent coating 17 and contact electrodes 8-11, before applying the orienting coating 13, dielectric mirror.

В этом варианте изобретения астигматический волновой фронт будет формироваться при отражении световой волны от рассматриваемого фазового транспаранта (т.е. пакета из прозрачных подложек по Фиг. 1 с добавленным диэлектрическим зеркалом на подложке 2).In this embodiment of the invention, an astigmatic wavefront will be formed when a light wave is reflected from the phase transparency in question (ie, a packet of transparent substrates of Fig. 1 with an added dielectric mirror on substrate 2).

Таким образом, предлагаемая сдвоенная жидкокристаллическая пластина, расширяя арсенал технических средств и будучи технологически довольно простым, компактным и недорогим устройством, позволяет формировать и компенсировать произвольный астигматический волновой фронт.Thus, the proposed double liquid crystal plate, expanding the arsenal of technical means and being technologically quite simple, compact and inexpensive device, allows you to form and compensate for an arbitrary astigmatic wavefront.

Claims

1. A method for the formation and compensation of an arbitrary astigmatic wavefront, which consists in the fact that:

- applying a transparent high-resistance coating to each of the first and second transparent substrates;

- deposited on the edges of each of the transparent substrates opaque low-resistance coatings, connected to the transparent high-resistance coating, thereby forming four contact electrodes on each of the transparent substrates;

- applying an orientation coating on the said high-resistance transparent coating and contact electrodes on each of the transparent substrates;

- placing transparent substrates at a given distance from one another with facing each other with orienting coatings so that high-resistance transparent coatings are rotated at an angle of 45 ° relative to each other, thus forming an octagonal aperture;

- a layer of nematic liquid crystal is placed between said transparent substrates;

- apply such variable potentials to the contact electrodes on both transparent substrates so that the effective voltage value between the substrates is within the linear section of the voltage-phase characteristic of the liquid crystal used, to form a voltage distribution and a phase delay profile in the form of a surface between high-resistance coatings on different transparent substrates hyperbolic paraboloid, the angle of rotation of which relative to the center of the aperture and the depth of deflection are determined by the applied potentials, which ensures the formation of an astigmatic wavefront with different angular orientation and magnitude of astigmatism.

2. The method according to claim 1, in which potentials of equal amplitude are applied to a pair of opposite contact electrodes of the first transparent substrate, potentials of equal amplitude are also applied to the other pair of opposite contact electrodes of the same substrate, but differing in magnitude from the potentials of the first pair, the phase of the potentials, applied to the contacts of the first substrate are equal, and potentials with amplitudes equal for opposite contacts, but differing between adjacent contacts, are applied to the contact electrodes of the second transparent substrate, and the phase difference of the potentials applied to the contacts of the first and second substrates is π.

3. The method according to claim 1, in which the dimensions of the contact electrodes applied to the edges of each of the transparent substrates are less than half of the device aperture (linear dimension of the applied high-resistance coating).

4. The method of claim 3, wherein the ratio of the widths of the contact electrode to the device aperture is 0.45.

5. The method according to claim 1, in which before applying said alignment coating to one of the transparent substrates, a dielectric mirror is placed on its high-resistance transparent coating and contact electrodes.

6. A device for the formation and compensation of an arbitrary astigmatic wavefront, containing:

- a first transparent substrate coated with a transparent high-resistance coating and low-resistance opaque coatings connected to said high-resistance transparent coating on opposite edges of the first transparent substrate, with the formation of four contact electrodes, wherein an alignment coating is applied to said high-resistance transparent coating and contact electrodes;

- a second transparent substrate with the same transparent high-resistance coating and the same contact electrodes, wherein the transparent substrates are located at a given distance from one another with facing sides with orienting coatings so that the high-resistance transparent coatings are rotated at an angle of 45 ° relative to each other , thus forming an octagonal aperture, wherein an orienting coating is applied to said high-resistance transparent coating and contact electrodes;

- a layer of nematic liquid crystal of a given thickness, located between the above-mentioned first and second transparent substrates;

- in this case, the said contact electrodes on both said transparent substrates are intended to supply alternating potentials to them for the formation of voltage distribution and phase delay profile between high-resistance coatings on different transparent substrates in the form of a hyperbolic paraboloid surface, the angle of rotation of which relative to the center of the aperture and the depth of deflection are determined by the applied potentials, which provides the formation of an astigmatic wavefront with different angular orientation and the magnitude of astigmatism.

7. The device according to claim 6, in which a pair of opposite contact electrodes of the first transparent substrate is designed to supply potentials of equal amplitudes and equal phases, another pair of opposite contact electrodes of the same substrate is intended to supply potentials of equal amplitudes, but differing in magnitude from the potentials of the first pairs, and with phases equal to the phases of the potentials at the contacts of the first substrate, and the contact electrodes of the second transparent substrate are designed to supply potentials with amplitudes equal for opposite contacts, but differing between adjacent contacts, and with phases that differ by π from the phases of the potentials applied to the contacts of the first substrate.

8. A device according to claim 6, in which the dimensions of said contact electrodes applied to the edges of each of said transparent substrates are less than half the device aperture (linear dimension of the applied high-resistance coating).

9. The device of claim. 8, wherein the ratio of the widths of the contact electrode to the aperture of the device is 0.45.

10. A device according to claim 6, wherein a dielectric mirror is placed on said high-resistance transparent coating and contact electrodes of one of said transparent substrates.