CC BY
5
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В.
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТНЫЕ ПЕРЕНАСТРАИВАЕМЫЕ ДИФРАКЦИОННО-ФОКУСИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
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.
Предложено фокусирующе-дифракционное универсальное управляемое устройство на основе концентрически расположенных слоев жидкокристаллических композитов 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей, раздельно принимающее сигнал от расположенных на оптической оси устройства точечных источников света, переключаясь между источниками, находящимися на различном расстоянии, с помощью управляемой зонной пластинки Френеля. Предложены конструктивные решения дисплея, позволяющие создать гибкий (сворачиваемый в рулон) дисплей.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, зонная пластинка, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
RE-CONFIGURABLE LIQUID-CRYSTAL COMPOSITE DIFFRACTIVE-FOCUSING ELEMENTS
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
A focusing-diffraction universal controlled device based on concentrically arranged layers of liquid crystal composites of 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels is proposed, which separately receives a signal from point light sources located on the optical axis of the device, switching between sources located at different distances using a controlled Fresnel zone plate. The design solutions of the display that allow creating a flexible (collapsible) display are proposed.
Keywords: optical anisotropy, zone plate, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
Актуально совмещение жидкокристаллических (ЖК) фокусирующих (линзы [1]) оптических средств с возможностью определять дистанцию до объекта съемки с высокой точностью. В данной работе предложен переключаемый от использования как линза к использованию как зонная пластинка Френеля[2] управляемый[3](в ограниченном диапазоне фокусных расстояний) дифракционно-фокусирующий элемент. Время переключения [4] сопоставимо с частотой смены видеокадров. Для регулировки в более широких пределах, предложено использование ЖК-композитов [5,6].
Зонная пластинка Френеля
Оптический ЖК элемент в виде концентрических колец (полос) с индивидуальным для каждой концентрической полосы (кольца) ориентационным распределением директора ЖК, обусловленным как влиянием ориентирующего покрытия -приповерхностным ориентационным углом (полярным и азимутальным), так и ориентирующим (управляющим) электрическим полем прозрачных
электродов на поверхностях, может выполнять функции, в зависимости от совокупности ориентационно-оптических свойств всех его концентрических составляющих, либо линзы -рассеивающей или собирающей, либо зонной пластинки Френеля.
Фазовая задержка Ф изменяется между смежными концентрическими структурами с малым шагом, образуя - в случае линзы - параболическую зависимость от радиуса. Если Ф возрастает (в направлении от центра), линза- рассеивающая (аналогична сферической стеклянной рассеивающей линзе), а если Ф убывает, линза- собирающая [1,3].
Для зонной пластинки Френеля (рис.1): если открыты, начиная с центрального концентрического элемента, четные кольца (так называемые зоны) и при этом все нечетные зоны (т-й зоны Френеля
радиус гт = ^ т ) закрыты, то от источника
(точка А на рисунке 1) до точки В (фотоприемник на рисунке 1) дойдет вдвое больше света, чем без зонной пластинки. Использование управляемых ЖК
структур позволяет адаптировать концентрическую систему к какой-либо выбранной длине волны и при этом увеличить в четыре раза освещенность точки В. Для этого следует луч, падающий на «закрытые» зоны, не поглощать (что подразумевалось, говоря, что эти зоны закрыты), а пропускать с изменением фазы на обратную. В таком случае говорят, что для четных и нечетных зон на половину длины волны различается их оптическая толщина.
Для адаптации к выбранной в пределах широкого диапазона волн длине волны, каждая зона Френеля должна состоять из многочисленных концентрических структур, тогда можно, регулируя их оптико-ориентационные свойства (управляя ориентацией ЖК полем) также и настраивать зонную пластинку на выбранную дистанцию до точечного источника даже в том случае, если до него относительно недалеко.
Фотоприемник в точке В на рисунке 1, очевидно, в фокусе собирающей ЖК линзы и принимает коллимированный световой поток (параллельный оси линзы - прямой АВ). Переключаясь в режим зонной пластинки, принимается сигнал от точечного источника в точке А, находящегося на оптической оси устройства на заданном расстоянии.
зона Френеля. Сверху (при m=2) следующая за ней зона Френеля радиусом г2
При манипулировании ультрамелкими частицами, определив расстояние, фокусируют луч света и захватывают частицу в фокус, после чего, изменяя фокусное расстояние линзы ЖК, перемещают ее. Определение дистанции до частицы осуществляется с помощью френелевской дифракции на той длине волны, на которой частица является светорассеивающей. Получив четкий сигнал от частицы - точечного источника рассеянного света, переходят к манипулированию. Предложенная система успешно применима и в том случае, если частица загорожена ненужными частицами (другого сорта) на оси системы. Таким образом, предложенная система перспективна в оптическом манипулировании ультрамелкими частицами.
Поскольку при управлении полем фазовая задержка слоя ЖК меняется (у тонкого, быстро перестраиваемого слоя) на ограниченную величину,
то имеет смысл поверх ячейки ЖК, управляемой полем, расположить слой ЖК-композита с фиксированной величиной фазовой задержки. Однако по мере необходимости ориентированные ЖК-композиты 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе боросилоксанового (БС) геля [5,6] могут быть переориентированы [3] электрическим полем при нагревании композитов (требует включения соответствующих элементов в конструкцию) выше температуры плавления 8ОЦБ (выше 55°С). Резкое охлаждение ниже температуры плавления приводит к кристаллизации ЖК и к долговременному фиксированию полученных микроструктур, с размерами от долей до десятков микрон. Таким образом, перефокусирование устройства медленное (нагрев - охлаждение) при больших изменениях (между серией циклов использования устройства) и быстрое (электрическое поле) при малых изменениях фокусировки.
Гибкий дисплей
Актуален для малоразмерных носимых средств большой дисплей, сворачивающийся в носимые габариты. В зависимости от степени развертывания, экран может использоваться полностью или частично (в условиях, резко ограничивающих допустимые габариты). Для уменьшения световых потерь удобно использовать комбинацию трех энергоэффективных источников необходимых цветов.
Трехлучевой цветоделитель (рис.2) использует призму, углы падения лучей на пиксели (обычно предусмотрен узкий угловой диапазон), зависящие от угла падения исходного луча на призму, который должен лежать в узком угловом диапазоне. На рисунке 3 предложен гибкий экран, удовлетворяющий этому условию.
Лучи света проходят (рис.3) от источников света между поверхностью с цветоделительными элементами и поверхности с зеркальным покрытием. Свет попадает частично на цветоделители элементов и поглощается, а частично на зеркальную поверхность, и отражается, снова проходя между поверхностью зеркальной и поверхностью с элементами. Часть света попадает на цветоделители, а часть снова отражается. Таким образом, свет от одного блока RGB источников постепенно выходит через цветоделители элементов и освещенность от данного источника в удаленной от него части дисплея снижается.
Поэтому блоки RGB источников ставятся с таким интервалом, чтобы равномерно освещать дисплей. Чем меньше интервалы, тем более равномерно дисплей будет освещен. Свет падает на цветоделители (рис.2) в пределах такого углового диапазона, что после прохождения через призму поступает в пиксели в пределах допустимого углового диапазона пикселей.
пересекающих нижнюю (выходную) поверхность призмы на соответствующих участках, где расположены пиксели тех
же цветов (слева)
Рис.3. Гибкий экран. Свет распространяется в узком канале между зеркальной задней поверхностью и пикселями
(точнее, цветоделительными призмами) (справа)
Выводы
Предложено фокусирующе-дифракционное универсальное управляемое ЖК устройство на основе концентрически расположенных ЖК слоев, позволяющее: раздельно принимать сигнал от расположенного на оптической оси устройства источника света, переключаясь между источниками, находящимися на различном расстоянии, с помощью управляемой зонной пластинки Френеля; раздельно принимать сигнал от точечных источников с помощью дифракционной ЖК структуры, а остальные сигналы (световые потоки) с помощью ЖК линзы с регулируемыми характеристиками (собирающая или рассеивающая), с регулируемым фокусным расстоянием. Предложена управляемая ЖК структура, решающая вышеперечисленные задачи и при этом переключаемая со скоростью смены кадров в быстродействующих ЖК оптических системах, то есть позволяющая выполнять одновременно (квазиодновременно) видеосъемку с несколькими разными фокусными расстояниями (на несколько разных фотоприемников на одной оптической оси) как близких, так и удаленных объектов и, кроме того, принимать сигнал от точечных источников на разных расстояниях на оптической оси; решающая проблемы манипулирования ультрамелкими частицами лучом света и обратной связи - информации об их положении. Предложены в конструкции дисплея цветоделительные призмы для блока из трех пикселей, показана их совместимость с гибким дисплеем.
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. Ландсберг Г.С. Оптика: учеб. пособие. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы,1957. - 759с.
3.Невская Г.Е. , Томилин М.Г. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. // Оптический журнал. -2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
4. Коншина Е.А. Оптика жидкокристаллических сред. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2012. - 99 с.
5. 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.
6. 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. БОТ: 10.18384/2310-7251-2017-3-97-107
