CC BY
15
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТНЫЕ ЛИНЗЫ И СВЕТОФИЛЬТРЫ
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор кафедры информатики и компьютерного проектирования, e-mail: Sotrudnica_UNC@mail.ru;
Панкрушина Алла Вадимовна, к.т.н., доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; Царева Елена Владимировна, к.т.н., доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; Российский Химико-Технологический Университет им.Д.И. Менделеева, Москва, Россия; 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20.
Мащенко Владимир Игоревич, к.х.н., с.н.с. учебно-научной лаборатории теоретической и прикладной нанотехнологии.
Московский государственный областной университет (МГОУ); 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. Веры Волошиной, д. 24.
Ермакова Мария Вадимовна магистрант факультета Инженерная Академия Российского Университета Дружбы Народов.
Разработаны светофильрующие многоцветные и фокусирующие матричные оптические элементы из жидкокристаллических композитов на основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей. Предложены оригинальные оптические конструкции. Показана их актуальность в качестве элементной базы оптико-электронных средств.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, линзы, светофильтры, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
LIQUID CRYSTAL COMPOSITE LENSES AND LIGHT FILTERS
Solomatin A.S., Pankrushina A.V., Tsareva Е.У., Mashchenko V.I.*, Ermakova M.V.* Department of Computer Science and Computer Engineering D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *Moscow Region State University, 24 Very Voloshinoy str., 141014, Mytishi, Russia
Light filtering multi-color and focusing matrix optical elements made of liquid crystal composites based on 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels have been developed. Original optical designs are proposed. Their relevance as an element base of optoelectronic devices is shown.
Keywords: optical anisotropy, lenses, light filters, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
На основе нематических жидких кристаллов (ЖК) и ЖК-композитов в данной работе, являющейся продолжением [1-3], в качестве фокусирующего элемента видеосистемы
предложены линзы [2,4], в том числе новые, аналогичные цилиндрическим стеклянным линзам. Показаны преимущества матрицы линз ЖК при регулировании угла обзора видеосистемы. Предложена многоцветная (RGB) съемка на каждом приемном элементе благодаря оригинальным нематическим [5] ЖК светофильтрам. Предложены отражающие (зеркальные) линзы ЖК. Определены их характеристики.
Светофильтры
На основе слоев ЖК в данной работе показаны возможные светофильтры RGB цветов, то есть трехцветные. На рисунках 1 и 2 приведены их кривые пропускания, для этих примеров рассмотрена ячейка нематического ЖК с планарной ориентацией, с показателем преломления обыкновенным no=1.5 и показателем преломления необыкновенным ne=1.65,
при плоскости ориентации директора ЖК на 45° к поляризатору. Длина волны в RGB: красный Х=650 нм; зеленый Х=530 нм; синий Х=460 нм.
В скрещенных поляроидах
Как показано на рисунке 1, ячейка ЖК с толщиной слоя ЖК L=19.7 мкм обеспечивает распределение пропускания от длины волны, соответствующее светофильтру на три RGB цвета. Светофильтр имеет максимумы пропускания красный на 657 нм, зеленый на 537 нм, синий на 454 нм. Таким образом, профильтрованный свет может поступать сразу на три фотоприемных элемента, соответствующих цветам RGB.
В параллельных поляроидах
Как показано на рисунке 2, ячейка ЖК с толщиной слоя ЖК L=21.45 мкм обеспечивает распределение пропускания от длины волны, соответствующее светофильтру на три RGB цвета. Светофильтр имеет максимумы пропускания красный на 643 нм, зеленый на 537 нм, синий на 460 нм. Осталось световой поток разделить по цветам и сфокусировать на фотоприемных элементах.
Рис.1. Распределение интенсивности пропускания нормально падающего луча света от длины волны. Скрещенные
поляроиды. Толщина слоя ЖК 19,7 мкм (слева) Рис.2. Распределение интенсивности пропускания нормально падающего луча света от длины волны. Параллельные
поляроиды. Толщина слоя ЖК 21,45 мкм (справа)
Изготовив матрицу с прямоугольными отверстиями (порами матрицы, имеющими форму параллелепипедов), можно разместить в них предназначенную для поляризованного света линзу ЖК (рис.3), которая хорошо сочетается со светофильтрами (рис.1, рис.2). Линза ЖК представляет собой слой нематического ЖК, ориентированный у длинных (боковых) сторон параллелепипеда нанесенным слоем ориентанта (ориентирующего покрытия). Принципиально линза сходна с описанной в [1] - луч света формирует приведенный в [1] фронт волны. Разница в том, что в [1] рассмотрена линза для неполяризованного света, а в данной работе линза (рис.3) для поляризованного света, падающего по нормали, в плоскости поляризации которого - плоскость ориентации директора ЖК, определяемая углами ориентации ЖК на боковой поверхности. Воображаемая плоскость
симметрии линзы расположена посередине параллелепипеда. Она перпендикулярна плоскости поляризации (и плоскости ориентации директора ЖК). Светофильтры (рис.1, рис.2) пропускают поляризованный свет и ставятся соответственно линзе.
Свойства сфокусированных оптических пучков рассмотрены, например, в [6]. Нормально падающий луч света сфокусируется так же, как в стеклянной цилиндрической линзе. Будет сформирована нитевидная фокусная область, лежащая в воображаемом продолжении плоскости симметрии линзы (рис.3) на фокусном расстоянии (рис.4). Соотношения между фокусными дистанциями Б, радиусом (полушириной) линзы
(параллелепипедообразной поры) Я и толщиной слоя жидкого кристалла Ь такие же, как в [1].
Рис.3. Линза ЖК. Оптически аналогична стеклянной цилиндрической линзе с плоскостью симметрии,
перпендикулярной плоскости поляризации падающего луча (слева) Рис.4. Фокусные расстоянияЕ в зависимости отполушириньЖ и толщины Ьслоя ЖК линзы (справа)
Фотоэлементы RGB
При размещении линзы (рис.3) последовательно со светофильтром (рис.1, рис.2) формируется нитевидная фокусная область. В ней можно разместить длинный узкий фотоприемный элемент. Поскольку ЖК обладают неодинаковыми оптическими свойствами и следующими из них фокусными дистанциями для различных длин волны, то прошедшие светофильтр и линзу три RGB луча сфокусируются в трех несовпадающих нитевидных фокусных областях. Это позволяет разместить раздельно три фотоприемника и принимать три цветовых сигнала на одну пару светофильтр-линза,
притом строго от одной и той же исходной точки (источника света) благодаря узкому угловому диапазону вышеописанной линзы ЖК. К тому же диафрагмирование можно обеспечить глубиной поры матрицы.
Отражающие (зеркальные) линзы ЖК
Разместив зеркало позади слоя ЖК (позади линзы), удвоим ход луча в слое ЖК (линзе). Тогда фокусное расстояние будет соответствовать вдвое большей толщине слоя ЖК (рис.4). Фотоприемники в таком случае располагаются перед линзой, но между светофильтрами и линзой.
Перенастройка параметров светофильтров и линз, выполненных из ЖК-композитных материалов
К долговременному фиксированию полученных микроструктур- кристаллизации ЖК, с размерами от долей до десятков микрон, приводит резкое охлаждение ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля ниже температуры плавления. Для формирования линз ЖК перспективно создание микроструктур ЖК в боросилоксановых (БС) [2,3] матрицах с получением микрокапель и микроцилиндров различной
геометрии.Электрическим полем они могут быть переориентированы под другое фокусное расстояние [4] при нагревании композитов (требует включения соответствующих элементов в конструкцию) выше температуры плавления 8ОЦБ (выше 55°С).
Светофильтры аналогично могут быть перерегулированы под другой набор полос пропускания (цветов).
Применение в видеосистемах
Вышеописанные перенастраиваемые системы могут быть востребованы для видеосистем с переменной плотностью изображения -концентрацией плотности в приоритетной области за счет снижения в неприоритетной. Изменение плотности изображения достигается за счет изгиба пористой матрицы (пористого листа). При этом изображение строится по принципу один приемный элемент - один пиксель видеокартинки. Изменяются угловые диапазоны, соответствующие пикселям изображения, то есть объект тех же линейных размерений будет отображаться большим или меньшим количеством пикселей. Это актуально для видеосистем, в поле зрения которых временно возникает необходимость уплотнить изображение локального объекта (лицо человека, номер автомобиля). Трехцветные приемные элементы обеспечивают адекватную съемку без искажения цветовосприятия, так как надежно сонаправлены и снимают всеми тремя цветовыми каналами одну и ту же узкую область на поверхности объекта видеосъемки.
Выводы
Разработаны фокусирующие и
светофильтрующие элементы, позволяющие управлять распределением светового потока в
различных (по фокусному расстоянию и светофильтрации) режимах, основанные на ориентированных ЖК-композитах 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля. Материалы на базе исследованных ЖК-композитов могут быть использованы в дисплейной технике и оптоэлектронике.
Предложены линзы ЖК, аналогичные цилиндрическим стеклянным линзам. Предложена многоцветная (RGB) съемка на каждом приемном элементе благодаря оригинальным нематическим ЖК светофильтрам. Предложены отражающие (зеркальные) линзы ЖК.
Отмечена перспективность предложенных средств в видеосистемах с переменной плотностью изображения, перераспределяемой по полю зрения видеосистемы.
Список литературы
1. Соломатин А.С. Линзы на основе жидких кристаллов с неоднородным радиальным распределением директора // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-математика. - 2016. - № 3.- С. 37-45.
2. Мащенко В.И., Шашкова Ю.О., Соломатин А.С., Беляев В.В. Особенности формирования микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана// Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - №2 . - С.34 - 45.
3. Мащенко В.И., Соломатин А.С., Шашкова Ю.О., Беляев В.В. Микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана. Оптические свойства дисперсной жидкокристаллической структуры на их основе// Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - № 3. - С.97 - 107. DOI: 10.18384/2310-7251-2017-3-97-107
4. Невская Г.Е.,Томилин М.Г. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов// Оптический журнал. -2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
5. Коншина Е.А. Оптика жидкокристаллических сред. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2012. - 99 с.
6. Смирнов С.А. Свойства сфокусированных оптических пучков: учеб. пособие. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - 123 c.
