eng
Светоделители находят приложение во многих оптических устройствах, где важно создать оптическую разность хода лучей, понизить бликование, сузить допуск на смещения луча. В комбинации светоделителей с поляризаторами удается получить отличные результаты в схемах с низким диафрагменным числом.
Теги: beam splitters optical components po;irizers оптические компоненты поляризационные устройства светоделители
Поляризационные светоделители могут быть полезны для задач, решение которых требует высокой компактности конструкции и пониженного уровня вибраций. В большинстве случаев применяют стандартные светоделители. Компания Moxtek предлагает для этих задач светоделители серии MacNeille. Однако при использовании оптических устройств, в основе которых лежит схема с объективом с низким диафрагменным числом (ДЧ) (большой угловой апертурой), происходит нарушение цветового баланса и контраста. Под контрастом условно подразумевается отношение коэффициента пропускания излучения в случае, когда плоскости поляризации падающего излучения и пропускания поляризационных светоделителей совпадают, к коэффициенту пропускания в случае, когда эти плоскости перпендикулярны. Поляризаторы, изготовленные по технологии nanowire ("нанонить"), напротив, демонстрируют высокую производительность работы в широком спектральном диапазоне от УФ- до ИК-диапазона и при малом ДЧ. Moxtek удалось добиться отличных результатов в приложениях с низким ДЧ, где требуется разделение световых потоков при использовании таких поляризаторов в качестве гипотенузы кубических светоделителей.
Эффективность пропускания светоделителей при малом ДЧ
На рис.1 показан светодиод, излучение от которого после коллиматора проходит через диафрагму, расположенную перед вращающимся поляризатором для задания требуемого типа поляризации. Далее луч фокусируется на стандартный поляризатор (см. рис.1, верхняя часть) и кубический поляризатор компании Moxtek (см. рис.1, нижняя часть). При этом плоскости поляризации падающего излучения и пропускания поляризационных светоделителей перпендикулярны друг другу и, соответственно, интенсивность проходящего света в этом случае минимальна (s-конфигурация). Изображения, построенные отраженным и прошедшим лучами, построены на экране (рис. 1б, е). Далее поляризатор повернули на 90°, то есть. плоскости поляризации падающего излучения и пропускания поляризационных светоделителей стали параллельны (p-конфигурация). И соответственно интенсивность проходящего света в этом случае максимальна. Результаты отображены на рис.1в, е.
После этого поляризатор повернули на угол 45°, чтобы уравнять интенсивности отраженной компоненты света и прошедшей. Из результата (рис.1) следует сделать вывод, что в случае использования светоделителей серии Ice Cube изменений в цвете прошедшего и отраженного лучей не происходит, а в s-конфигурации интенсивность прошедшего излучения минимальна. Измерения проводились при ДЧ f / D = f / 1,5. Однако данное ДЧ варьировалось (изображения, соответствующие этим вариациям, не приведены). Дополнительно были проведены эксперименты при варьировании угла падения излучения на светоделитель в области длин волн от УФ- до ближнего ИК-спектра. Падающий луч от светодиода был хорошо сколлимирован. Результаты показали, что светоделители серии Ice Cube значительно лучше работают при варьировании азимутального угла до величин ±20°, полярного угла – до ±10°. Более подробное описание экспериментов можно найти на сайте компании Moxtek.
Далее были исследованы коэффициенты пропускания светоделителей. Схема экспериментальной установки подобна той, что приведена на рис.1, с тем лишь отличием, что экран был заменен детектором (производство Thorlabs, модель 5120C). Для угловой апертуры ±16° (ДЧ = 1,74) отношение коэффициента пропускания p- к s-конфигурации составило 1470, в то время как то же самое отношение для стандартного светоделителя MacNeille составило 23. Коэффициент пропускания для p-конфигурации светоделителей Moxtek и MacNeille составил 74,8% и 78,6%, соответственно, в сравнении с пропусканием без светоделителей. В случае с меньшей угловой апертурой ±4° (ДЧ = 6,45) контраст и коэффициент пропускания в p-конфигурации для светоделителя MacNeille выросли до значений 103 и 81,7%, соответственно, в то время как те же показатели для светоделителя Moxtek выросли до значений 6460 и 81,4%. Спектр излучения светодиода был исследован с помощью портативного оптоволоконного спектрометра. Результаты представлены на рис.2, где в спектре заметен пик на длине волны 450 нм и высокая интенсивность в области "зеленых" и "красных" длин волн. Для ограничения рассеянного света при измерении коэффициента пропускания без изменения угловой апертуры перед детектором была установлена диафрагма. В качестве поляризатора использовалась модель UVD240 (Moxtek). Светоделитель MacNeille имел стандартное исполнение.
Результаты применения светоделителя Moxtek для проекционной технологии LCOS (жидкие кристаллы на кремнии)
В шлем-дисплеях, индикаторах на лобовом стекле и пикопроекторах обычно используют LCOS- или DMD-матрицы. Для воспроизведения оптической схемы LCOS-проектора были использованы: кубический поляризационный светоделитель, четвертьволновая пластина с широким рабочим диапазоном длин волн и зеркало, расположенное в направлении пропускания лучей после светоделителя. Обратный луч от зеркала проходил через четвертьволновую пластину, отражался от светоделителя и, через анализатор, попадал на детектор или отображался на экране (рис.3). Данная оптическая схема представляет собой базовый элемент для построения двумерного изображения. Функция четвертьволновой пластины – изменить p-поляризацию луча, прошедшего сквозь светоделитель, на круговую поляризацию. Причем направленность поляризации изменялась после отражения от зеркала, луч вновь проходил сквозь пластину, и p-поляризация превращалась в поляризацию s-типа. После отражения от светоделителя s-поляризованный луч проходил сквозь анализатор, таким образом получали состояние "включено". С другой стороны, выравнивание осей наибольшей или наименьшей скорости распространения луча в пластине с плоскостью р-поляризации луча, прошедшего сквозь светоделитель, ведет к тому, что тип поляризации не изменяется. Далее, отражаясь от светоделителя, p-поляризованный луч проходил через анализатор, соответственно интенсивность на выходе была минимальна. Так получали состояние "выключено". Рассеивание света в системе в состоянии "выключено" имеет форму мальтийского креста и обусловлено неидеальностью конденсорной линзы. Рассеяние от светоделителей Moxtek и MacNeille изображено на рис.3б, в соответственно, при этом диафрагменное число соответствует 1,74. Видно, что степень рассеяния и однородность цвета более приемлемы в случае с использованием светоделителя Moxtek. Для меньшего апертурного угла ±4,4° (ДЧ = 6,45) контраст между состояниями "включено" и "выключено" для светоделителей Moxtek и MacNeille составляет 6600 и 4940 соответственно, в то время как относительный коэффициент пропускания – 41,2% и 55,8%. В случае с ДЧ = 1,74 чувствительность детектора не позволила зарегистрировать сигнал. Для получения приемлемых результатов потребовался коллиматор. Падение на четвертьволновую пластину луча под углом, отличным от прямого, ограничивает производительность системы в случае с малым ДЧ. Производителем четвертьволновой пластины является фирма Foctek Photonics, ее рабочий диапазон составляет 450–680 нм, производитель зеркала – New Focus (модель 5108) с коэффициентом отражения порядка 90% во всем видимом диапазоне, производитель анализатора – Moxtek (модель UVC240), производитель поглотителя пучка – Acktar.
На рис.4 изображена схема функционирования светоделителя Moxtek, где пластина, расположенная в месте гипотенузы куба, влияет на поляризацию света. Проходящий луч имеет только p-поляризацию. Отраженный луч имеет обе компоненты (s и p) поляризации, при этом p-компонента может быть отсечена путем использования анализатора (см. рис.3). Оценка изменения цвета после прохождения и отражения света от светоделителя, функционирование при различных углах падения излучения на светоделитель, а также сравнение результатов со светоделителями MacNeille представлены в техническом описании для светоделителей серии Ice Cube на сайте Moxtek. Технические характеристики и особенности применения для светоделителя серии Ice Cube приведены в таблице. Возможность работы при различных длинах волн и широкий допустимый угол захвата излучения являются важными критериями для использования светоделителей в конструкции виртуальных дисплеев, в то время как высокая величина светового потока и рабочая температура являются наиболее критичными параметрами для традиционных проекционных дисплеев. Упомянутые разность хода лучей и данные, показывающие эффективность работы светоделителей при различных углах падения излучения, важны для задач интерферометрии. Стоит отметить, что опционально доступно крепление оптических элементов (поляризаторов, анализаторов, фазовых пластин) к внешней части светоделителя. Это может послужить преимуществом для снижения межповерхностных потерь при отражении, а также эффектов, связанных с механическими вибрациями.
Выводы
Светоделители серии Ice Cube производства Moxtek со встроенным поляризатором, изготовленным по технологии "nanowire", показывают отличные характеристики в широком диапазоне длин волн, при различных углах падения излучения относительно грани светоделителя. В сравнении со стандартными светоделителями MacNeille, изменение цвета пучка после его прохождения/отражения от светоделителей Moxtek минимально. В то время как светоделители MacNeille могут работать только при небольших отклонениях падающего луча от нормали к грани, светоделители серии Ice Cube позволяют значительно расширить этот диапазон. Данное преимущество позволяет использовать светоделители Moxtek во многих приложениях, связанных со спектроскопией, в особенности там, где требуется компактное расположение элементов в оптической схеме. ■
Эффективность пропускания светоделителей при малом ДЧ
На рис.1 показан светодиод, излучение от которого после коллиматора проходит через диафрагму, расположенную перед вращающимся поляризатором для задания требуемого типа поляризации. Далее луч фокусируется на стандартный поляризатор (см. рис.1, верхняя часть) и кубический поляризатор компании Moxtek (см. рис.1, нижняя часть). При этом плоскости поляризации падающего излучения и пропускания поляризационных светоделителей перпендикулярны друг другу и, соответственно, интенсивность проходящего света в этом случае минимальна (s-конфигурация). Изображения, построенные отраженным и прошедшим лучами, построены на экране (рис. 1б, е). Далее поляризатор повернули на 90°, то есть. плоскости поляризации падающего излучения и пропускания поляризационных светоделителей стали параллельны (p-конфигурация). И соответственно интенсивность проходящего света в этом случае максимальна. Результаты отображены на рис.1в, е.
После этого поляризатор повернули на угол 45°, чтобы уравнять интенсивности отраженной компоненты света и прошедшей. Из результата (рис.1) следует сделать вывод, что в случае использования светоделителей серии Ice Cube изменений в цвете прошедшего и отраженного лучей не происходит, а в s-конфигурации интенсивность прошедшего излучения минимальна. Измерения проводились при ДЧ f / D = f / 1,5. Однако данное ДЧ варьировалось (изображения, соответствующие этим вариациям, не приведены). Дополнительно были проведены эксперименты при варьировании угла падения излучения на светоделитель в области длин волн от УФ- до ближнего ИК-спектра. Падающий луч от светодиода был хорошо сколлимирован. Результаты показали, что светоделители серии Ice Cube значительно лучше работают при варьировании азимутального угла до величин ±20°, полярного угла – до ±10°. Более подробное описание экспериментов можно найти на сайте компании Moxtek.
Далее были исследованы коэффициенты пропускания светоделителей. Схема экспериментальной установки подобна той, что приведена на рис.1, с тем лишь отличием, что экран был заменен детектором (производство Thorlabs, модель 5120C). Для угловой апертуры ±16° (ДЧ = 1,74) отношение коэффициента пропускания p- к s-конфигурации составило 1470, в то время как то же самое отношение для стандартного светоделителя MacNeille составило 23. Коэффициент пропускания для p-конфигурации светоделителей Moxtek и MacNeille составил 74,8% и 78,6%, соответственно, в сравнении с пропусканием без светоделителей. В случае с меньшей угловой апертурой ±4° (ДЧ = 6,45) контраст и коэффициент пропускания в p-конфигурации для светоделителя MacNeille выросли до значений 103 и 81,7%, соответственно, в то время как те же показатели для светоделителя Moxtek выросли до значений 6460 и 81,4%. Спектр излучения светодиода был исследован с помощью портативного оптоволоконного спектрометра. Результаты представлены на рис.2, где в спектре заметен пик на длине волны 450 нм и высокая интенсивность в области "зеленых" и "красных" длин волн. Для ограничения рассеянного света при измерении коэффициента пропускания без изменения угловой апертуры перед детектором была установлена диафрагма. В качестве поляризатора использовалась модель UVD240 (Moxtek). Светоделитель MacNeille имел стандартное исполнение.
Результаты применения светоделителя Moxtek для проекционной технологии LCOS (жидкие кристаллы на кремнии)
В шлем-дисплеях, индикаторах на лобовом стекле и пикопроекторах обычно используют LCOS- или DMD-матрицы. Для воспроизведения оптической схемы LCOS-проектора были использованы: кубический поляризационный светоделитель, четвертьволновая пластина с широким рабочим диапазоном длин волн и зеркало, расположенное в направлении пропускания лучей после светоделителя. Обратный луч от зеркала проходил через четвертьволновую пластину, отражался от светоделителя и, через анализатор, попадал на детектор или отображался на экране (рис.3). Данная оптическая схема представляет собой базовый элемент для построения двумерного изображения. Функция четвертьволновой пластины – изменить p-поляризацию луча, прошедшего сквозь светоделитель, на круговую поляризацию. Причем направленность поляризации изменялась после отражения от зеркала, луч вновь проходил сквозь пластину, и p-поляризация превращалась в поляризацию s-типа. После отражения от светоделителя s-поляризованный луч проходил сквозь анализатор, таким образом получали состояние "включено". С другой стороны, выравнивание осей наибольшей или наименьшей скорости распространения луча в пластине с плоскостью р-поляризации луча, прошедшего сквозь светоделитель, ведет к тому, что тип поляризации не изменяется. Далее, отражаясь от светоделителя, p-поляризованный луч проходил через анализатор, соответственно интенсивность на выходе была минимальна. Так получали состояние "выключено". Рассеивание света в системе в состоянии "выключено" имеет форму мальтийского креста и обусловлено неидеальностью конденсорной линзы. Рассеяние от светоделителей Moxtek и MacNeille изображено на рис.3б, в соответственно, при этом диафрагменное число соответствует 1,74. Видно, что степень рассеяния и однородность цвета более приемлемы в случае с использованием светоделителя Moxtek. Для меньшего апертурного угла ±4,4° (ДЧ = 6,45) контраст между состояниями "включено" и "выключено" для светоделителей Moxtek и MacNeille составляет 6600 и 4940 соответственно, в то время как относительный коэффициент пропускания – 41,2% и 55,8%. В случае с ДЧ = 1,74 чувствительность детектора не позволила зарегистрировать сигнал. Для получения приемлемых результатов потребовался коллиматор. Падение на четвертьволновую пластину луча под углом, отличным от прямого, ограничивает производительность системы в случае с малым ДЧ. Производителем четвертьволновой пластины является фирма Foctek Photonics, ее рабочий диапазон составляет 450–680 нм, производитель зеркала – New Focus (модель 5108) с коэффициентом отражения порядка 90% во всем видимом диапазоне, производитель анализатора – Moxtek (модель UVC240), производитель поглотителя пучка – Acktar.
На рис.4 изображена схема функционирования светоделителя Moxtek, где пластина, расположенная в месте гипотенузы куба, влияет на поляризацию света. Проходящий луч имеет только p-поляризацию. Отраженный луч имеет обе компоненты (s и p) поляризации, при этом p-компонента может быть отсечена путем использования анализатора (см. рис.3). Оценка изменения цвета после прохождения и отражения света от светоделителя, функционирование при различных углах падения излучения на светоделитель, а также сравнение результатов со светоделителями MacNeille представлены в техническом описании для светоделителей серии Ice Cube на сайте Moxtek. Технические характеристики и особенности применения для светоделителя серии Ice Cube приведены в таблице. Возможность работы при различных длинах волн и широкий допустимый угол захвата излучения являются важными критериями для использования светоделителей в конструкции виртуальных дисплеев, в то время как высокая величина светового потока и рабочая температура являются наиболее критичными параметрами для традиционных проекционных дисплеев. Упомянутые разность хода лучей и данные, показывающие эффективность работы светоделителей при различных углах падения излучения, важны для задач интерферометрии. Стоит отметить, что опционально доступно крепление оптических элементов (поляризаторов, анализаторов, фазовых пластин) к внешней части светоделителя. Это может послужить преимуществом для снижения межповерхностных потерь при отражении, а также эффектов, связанных с механическими вибрациями.
Выводы
Светоделители серии Ice Cube производства Moxtek со встроенным поляризатором, изготовленным по технологии "nanowire", показывают отличные характеристики в широком диапазоне длин волн, при различных углах падения излучения относительно грани светоделителя. В сравнении со стандартными светоделителями MacNeille, изменение цвета пучка после его прохождения/отражения от светоделителей Moxtek минимально. В то время как светоделители MacNeille могут работать только при небольших отклонениях падающего луча от нормали к грани, светоделители серии Ice Cube позволяют значительно расширить этот диапазон. Данное преимущество позволяет использовать светоделители Moxtek во многих приложениях, связанных со спектроскопией, в особенности там, где требуется компактное расположение элементов в оптической схеме. ■
Отзывы читателей
