СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ДИСПЕРСИИ СОСТОЯНИЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР НА ОСНОВЕ ХИРАЛЬНЫХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
METHOD FOR DISPERSION COMPENSATION OF LIGHT POLARISATION STATES AND HIGH-SPEED ELECTROOPTICAL MODULATOR BASED ON CHIRAL LIQUID CRYSTALS

Предлагаемое изобретение относится к электронной технике, а именно к электрооптическим устройствам на основе жидких кристаллов (ЖК) для управления поляризационными свойствами и интенсивностью светового потока, а также для отображения и обработки информации. В частности, оно может быть применено для создания модуляторов светового излучения и жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) на основе хиральных жидких кристаллов (ХЖК). Сущность изобретения состоит в том, что к быстродействующему жидкокристаллическому модулятору, содержащему слой хирального жидкого кристалла, управляемого с помощью электрического поля, направленного перпендикулярно оси спирали, добавлены, по крайней мере, две компенсирующие фазовые пластины - одна с аномальной дисперсией двулучепреломления (АДЦ) и другая - с нормальной дисперсией двулучепреломления (НДД). Это позволяет устранить дисперсию состояний поляризации света на выходе слоя ХЖК и, как следствие, расширить спектральный диапазон высококонтрастной модуляции света на всю видимую область спектра.
Разработка быстродействующих электрооптических модуляторов имеет большое значение для развития информационных дисплеев и устройств отображения информации. Быстродействие дисплея напрямую влияет на качество отображаемой видеоинформации. В частности, разработка скоростных режимов переключения ЖКД позволяет перейти на последовательный режим отображения цветового контента и повысить разрешение и экономичность ЖКД. Это также позволяет упростить конструкцию ЖКД, а значит, снизить себестоимость дисплеев. В стереоскопических 3D дисплеях также важна частота обновления изображения, которая в настоящее время составляет не менее 120 Гц. Использование новых быстродействующих электрооптических модуляторов в стереоскопических дисплеях и очках с активными затворами позволяет улучшить качество восприятия 3D информации человеком.
В настоящее время известно множество способов управления поляризационными характеристиками светового потока с применением нематических жидких кристаллов (НЖК) и основанных на них различных типов электрооптических устройств. Они являются основой современных дисплейных технологий [1, 2]. Примерами могут служить жидкокристаллические дисплеи на твист (TN), супер-твист (STN) и смешанных закрученных (твист) нематических жидкокристаллических структурах (MTN), вертикально-ориентированной моде (VA), оптически компенсированной моде с деформацией поля директора ЖК типа изгиба (ОСВ), моде с управляемым электрическим полем двулучепреломлением (ЕСВ) и др. Во всех перечисленных вариантах тонкие слои жидкого кристалла заключены между двумя прозрачными плоскими подложками с электродами, и электрическое поле направлено перпендикулярно слою. При подаче электрического напряжения происходит изменение распределения поля директора жидкого кристалла, что приводит к изменению фазовой задержки между обыкновенным и необыкновенным лучами проходящего сквозь слой жидкого кристалла поляризованного света. С помощью поляризатора, установленного на выходе слоя жидкого кристалла, изменение фазовой задержки преобразуется в модуляцию интенсивности света. Недостатком модуляционных устройств данного типа является относительно длинные времена релаксации директора в исходное состояние после выключения поля, которые определяются вязкоупругими свойствами жидкого кристалла и толщиной жидкокристаллического слоя. Для современных ЖКД на основе нематических жидких кристаллов с низкой вращательной вязкостью при толщине слоя около 3 мкм времена релаксации составляют несколько миллисекунд [3]. Однако этого быстродействия не достаточно для высококачественного отображения информации в информационных ЖКД нового поколения. Как отмечалось, для реализации 3D режима необходимо, по меньшей мере, удвоить частоту обновления изображения от 60 Гц до 120 Гц. В отдельных случаях требуется повышение частоты кадров до 240 Гц. Оценки показывают, что при частоте кадров 240 Гц (длительность кадра составляет ~4.17 мс), которая принята в качестве нового стандарта для 3D-дисплеев, приемлемый оптический контраст порядка 100:1 можно достичь лишь при субмиллисекундных временах переключения, что обуславливает необходимость поиска новых жидкокристаллических материалов и электрооптических эффектов. Разработка скоростных режимов переключения ЖКД позволит перейти на последовательный цветовой режим работы устройства подсветки и упростить конструкцию ЖКД, исключив цветные фильтры. Использование новых быстродействующих электрооптических модуляторов в стереоскопических дисплеях и в очках с активными затворами позволит улучшить качество восприятия человеком 3D информации.
Известны электрооптические элементы с управлением ориентацией директора ЖК электрическим полем, направленным параллельно слою нематического жидкого кристалла [4]. В этом случае электроды выполнены в виде встречно-штыревой структуры, расположенной на внутренней поверхности одной из ограничивающих жидкий кристалл подложек. Жидкокристаллические слои имеют планарную, гомеотропную или закрученную на 90° ориентацию [5]. Электрооптические элементы подобной конструкции были успешно применены для создания ЖКД с расширенными углами обзора [6-9]. Электрооптические эффекты, основанные на данном режиме управления, относятся к так называемой IPS-моде. Недостатком электрооптических элементов с использованием IPS-моды в нематических жидких кристаллах также является большое время релаксации оптического отклика при выключении электрического поля.
Известен электрооптический элемент, в котором используется хиральный сегнетоэлектрический ЖК, управляемый электрическим полем, направленным перпендикулярно оси холестерической жидкокристаллической спирали, которая лежит в плоскости ЖК слоя [10, 11]. Сегнетоэлектрические ЖК имеют слоистую структуру с постоянным наклоном длинных осей молекул по отношению к нормали молекулярных слоев. Благодаря хиральности в молекулярных слоях молекулы жидкого кристалла при неизменном угле наклона повернуты на некоторый угол в плоскости слоев (по азимуту) по отношению к молекулам в смежных слоях, и надмолекулярная структура приобретает геликоидальный характер. Каждый слой характеризуется спонтанной поляризацией, вектор которой направлен перпендикулярно к плоскости наклона молекул. При шаге спирали много меньше расстояния между ограничивающими подложками и планарных граничных условиях на подложках теоретически можно реализовать однородную ориентацию молекул в плоскости жидкокристаллического слоя. В описанном устройстве электрическое напряжение прикладывают к электродам на обеих внутренних поверхностях подложек, и оно направлено перпендикулярно к оси спирали. Модуляция света, длина волны которого меньше шага спирали, осуществляется за счет малой обратимой деформации спирали в знакопеременном поле, взаимодействующем со спонтанной поляризацией. Электрооптический элемент характеризуется короткими временами переключения оптических состояний. Однако на практике качественная текстура сегнетоэлектрического жидкого кристалла с ориентированной в одном направлении в плоскости подложки осью геликоида не реализуется, вследствие чего макроскопические оптические характеристики такого модулятора низкие.
Известен электрооптический элемент на хиральном сегнетоэлектрическом ЖК, управляемый электрическим полем, которое генерируется встречно-штыревой электродной системой, сформированной на одной из подложек. В этом случае поле преимущественно направлено в плоскости слоя ЖК [12, 13]. На обеих внутренних поверхностях подложек, ограничивающих слой жидкого кристалла, создаются условия для гомеотропной ориентации молекул, и смектические слои ЖК расположены параллельно подложкам. Ось спирали (геликоида) такой структуры направлена нормально к ориентирующим подложкам. В скрещенных поляроидах в отсутствие электрического поля электрооптический элемент непрозрачен. В электрическом поле, направленном перпендикулярно оси спирали и взаимодействующем со спонтанной поляризацией, происходит поворот молекул ЖК по конусу вокруг нормали к слоям с сохранением угла наклона. При достаточно высоких полях достигается полная раскрутка спирали. В этом состоянии молекулы ЖК приобретают согласованный в одну и ту же сторону наклон, и слой ЖК становится эквивалентным одноосной оптической пластинке. Плоскость наклона оптической оси перпендикулярна направлению электрического поля. При углах между волновым вектором встречно-штыревой структуры и осями скрещенных поляроидов, не кратных 90° и не равных нулю, жидкокристаллический электрооптический элемент становится прозрачным. Электрооптический элемент отличается высоким быстродействием и обеспечивает возможность плавного изменения амплитуды и фазы световой волны. Недостатком данного устройства является малая фазовая задержка из-за наклона молекул и, как следствие, низкий контраст между включенным и выключенным состояниями.
Известны также электрооптические элементы на основе спирально закрученных хиральных нематических жидких кристаллах (ХНЖК), которые также называют холестерическими ЖК и характеризуются тем, что направление длинных осей молекул перпендикулярно оси спирали. Сама спираль образуется в результате непрерывного изменения угла (поворота) длинных осей молекул по мере смещения вдоль направления, перпендикулярного этим осям. Известны, например, электрооптические элементы [2, 14], электрическое поле в которых приложено перпендикулярно к слою ХНЖК. Под действием электрического поля в них могут быть реализованы переходы между оптически различимыми состояниями двух текстур: а) неупорядоченной и, как следствие, сильно рассеивающей свет планарно-ориентированными доменами, и б) однородной текстурой раскрученной спирали с гомеотропной ориентацией молекул, которая практически не рассеивает свет.
Известен электрооптический элемент [15], в котором для управления пространственно-ориентационным распределением молекул в ХНЖК используются два поочередно прикладываемые к нему электрических поля. Одно электрическое поле направлено перпендикулярно слою ЖК, а другое электрическое поле параллельно слою, что достигается применением сплошного электрода на одной подложке и встречно-штыревой структуры электродов на другой из подложек, ограничивающих жидкокристаллический слой. В выключенном состоянии (без какого-либо из электрических полей) слой ХНЖК рассеивает свет. При приложении электрического поля вдоль нормали к слою происходит переключение из рассеивающего состояния в состояние с однородной гомеотропной ориентацией директора, которое является прозрачным. В дальнейшем переключение между ортогональными направлениями электрического поля приводит к быстрому переключению между однородно ориентированными состояниями с планарной и гомеотропной ориентацией директора ЖК. При этом в скрещенных поляроидах, ориентированных осями пропускания под углом 45° к волновому вектору встречно-штыревой структуры электродов, реализуются прозрачное и непрозрачное состояния. Так как переход в оба состояния происходит в электрическом поле, то электрооптический элемент данного типа показывает высокое быстродействие. Существенным недостатком является то, что требуются очень высокие управляющие напряжения. Кроме того, данный электрооптический элемент не позволяет плавно управлять величиной пропускания и фазовой задержки проходящего света, т.е. отсутствует шкала серости.
В [16] предлагается устройство оптического элемента для контролируемого электрическим полем вращения плоскости поляризации света. Слой ХНЖК помещается между подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями, обеспечивающими гомеотропную ориентацию на одной подложке и планарную на другой. При шаге спирали больше толщины слоя ориентация молекул ХНЖК плавно меняется от гомеотропной к планарной ориентации с одновременной закруткой директора. Линейно поляризованный свет, проходя сквозь такой слой, испытывает поворот плоскости поляризации. При приложении увеличивающегося по амплитуде электрического поля холестерическая спираль раскручивается, и угол поворота плоскости поляризации изменяется. В конечном итоге ХНЖК приобретает структуру нематика с гомеотропной ориентацией. Данный элемент может быть использован и как модулятор интенсивности света, если он помещен между поляроидами. Однако скорости переключения состояний поляризации и интенсивности света в устройствах данного типа относительно низкие и мало отличаются от таковых для устройств на нематических ЖК.
Известен также способ управления поляризацией света, основанный на наведении электрическим полем двулучепреломления при флексоэлектрической деформации спирали ХНЖК. Если длина волны света много больше шага холестерической спирали, то при отсутствии электрического поля оптическая ось и ось холестерической спирали совпадают. Электрооптический эффект проявляется в результате поворота оптической оси при наложении электрического поля без изменения направления оси самой спирали. В отсутствие электрического поля ось спирали может быть ориентирована либо вдоль [17], либо перпендикулярно [18] плоскости ячейки. В первом случае для управления электрооптическим элементом используются прозрачные однородные электроды на обеих подложках, во втором - электроды в виде расположенных между подложками двух параллельных электродов. Для реализации электрооптического устройства требуются специальные холестерические жидкие кристаллы с коротким шагом спирали (0,3-0,7 мкм), большими флексоэлектрическими коэффициентами и нулевой диэлектрической анизотропией. Недостатками электрооптического устройства данного типа являются высокие управляющие напряжения, малая величина индуцированного двулучепреломления и, как следствие, низкий оптический контраст между включенным и выключенным состояниями.
Наиболее близким к настоящему изобретению является способ управления поляризацией света и быстродействующий управляемый элемент с применением ХНЖК [19]. Особенностью этого изобретения является возможность существенного уменьшения времен переключения состояний поляризации света. Предложенный способ и устройства на его основе реализуют плавное изменение состояния поляризации света на выходе слоя ЖК с помощью управляющего электрического поля. Изменение характеристик прошедшей через слой ЖК световой волны достигалось за счет наведения ангармоничности в спиральном распределении директора с помощью электрического поля, направленного перпендикулярно оси спирали. Даже малая степень ангармоничности приводит к сильным изменениям состояния поляризации света, прошедшего через слой ЖК. Быстрое время переключения оптических характеристик было реализовано благодаря тому, что время релаксации директора ЖК после выключения поля определялось не толщиной слоя ЖК, как это имеет место в известных устройствах, а четвертью длины шага холестерической спирали. Так как времена вязкоупругой релаксации определяются квадратом характерной длины, в данном случае четвертью шага спирали, а шаг спирали может быть значительно меньше толщины слоя жидкого кристалла, то характерные времена релаксации директора существенно сокращаются. Необходимые оптические характеристики достигались оптимальным выбором как характеристик жидкокристаллического слоя (толщина, граничные условия, параметры жидкого кристалла), так и свойствами внешних элементов (устройством для создания электрического поля, ориентацией поляризационных элементов и др.). Недостатком данного способа управлением поляризацией света и устройств на его основе является относительно узкий спектральный диапазон модуляции прошедшего света с высоким контрастом и низкий контраст в широком спектральном диапазоне. Эти недостатки обусловлены дисперсией поляризационных состояний света, прошедшего сквозь слой ХНЖК.
В данном патенте предложен способ получения быстродействующей, высококонтрастной и спектрально-независимой модуляции с использованием ХЖК и устройство на их основе. Известно, что ХЖК обладают пространственно-периодической надмолекулярной структурой с геликоидальным распределением локальной оптической оси. При воздействии электрического поля перпендикулярно оси геликоида ХЖК возникает упругая деформация, которая оказывается периодически локализованной на размере в четверть шага геликоида. Таким образом, в электрическом поле ХЖК с субмикронным шагом геликоида характеризуются наноструктурированностью пространственной деформации поля директора (период от сотен до десятков нанометров). Последнее открывает возможность получения чрезвычайно коротких времен релаксации упругой деформации и, как следствие, реализации очень быстрого электрооптического переключения.
Настоящее изобретение направлено на 1) создание способа расширения спектрального диапазона модуляции света в упомянутом выше модуляторе на основе ХЖК [19] за счет компенсации дисперсии поляризационных состояния света с помощью фазовых пластинок и 2) создание высокоскоростных модуляторов светового потока с высоким контрастом в широком диапазоне длин волн.
Сущность изобретения состоит в том, что для оптической компенсации дисперсии поляризационных состояний света на выходе из слоя ХЖК и расширения спектрального диапазона высококонтрастной модуляции света электрооптическими устройствами, основанными на наведении ангармоничности в спиральном распределении директора электрическим полем, используются, по крайней мере, две фазовые пластинки. Одна из фазовых пластинок обладает нормальной дисперсией двулучепреломления (НДД), а другая - аномальной дисперсией двулучепреломления (АДД).
Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-7.
Фиг.1 показывает схематическое представление способа компенсации дисперсии поляризационных состояний света, проходящего сквозь слой ХЖК (а) до оптической компенсации и (б) - после компенсации.
Фиг.2 поясняет способ компенсации дисперсии поляризационных состояний света и показывает на сфере Пуанкаре спектральные зависимости состояний поляризации света при выключенном электрическом поле: а) на выходе из слоя ХЖК; б) после компенсирующей фазовой пластины с АДД; в) после компенсирующих фазовых пластин с АДД и НДД.
Фиг.3 показывает устройство электрооптического модулятора на основе ХНЖК с компенсацией дисперсии поляризационных состояний света фазовыми пластинами с АДД и НДД.
on
off
Фиг.4 показывает рассчитанные спектры оптического контраста (отношение пропускания света T при включенном электрическом поле к пропусканию света T) для скомпенсированной электрооптической системы (кривая 1), и нескомпенсированной системы (кривая 2), содержащей лишь слой ХЖК, помещенный между поляроидами.
Фиг.5 показывает временные характеристики переключения оптического пропускания в зависимости от электрического поля в ХЖК.
Фиг.6 показывает зависимость пропускания от напряженности электрического поля для скомпенсированного модулятора на основе ХНЖК.
Фиг.7 показывает экспериментальные спектры оптического контраста скомпенсированного модулятора - кривые 1 для расчетной ориентации оптических осей; кривая 2 - для случая, когда оптические оси смещены от расчетных направлений.
Оптическая схема, поясняющая сущность способа компенсации дисперсии поляризационных состояний света, показана на Фиг.1. Фиг.1а иллюстрирует схему модулятора без компенсации, Фиг.1б - с компенсацией. Здесь показаны следующие элементы схемы: поляризатор (1), стеклянные подложки (2) с тонкими полимерными пленками для реализации планарной текстуры Гранжана, слой ХЖК (3) с осью спирали, направленной вдоль нормали к подложкам, фазовая пластинка с аномальной дисперсией двулучепреломления (4), фазовая пластинка с нормальной дисперсией двулучепреломления (5), анализатор (6). Углы α и β задают направления осей пропускания поляризатора (1) и анализатора (6), соответственно. Вектор электрического поля Е направлен в плоскости слоя ХЖК перпендикулярно оси спирали ХЖК.
on
off
on
off
Сущность способа компенсации поляризационных состояний света, проходящего через слой ХЖК, иллюстрирует Фиг.2. Разные состояния поляризации отображаются разными точками на сфере Пуанкаре. Координаты точки на сфере суть компоненты S1, S2, S3 вектора Стокса. Точки на экваторе сферы соответствуют линейно поляризованному свету. Линейно поляризованный свет после поляризатора проходит через слой ХЖК и изменяет свое состояние поляризации света в общем случае на эллиптическое (точки вне экватора), которое характеризуется огромной спектральной дисперсией (разброс между точками на сфере Пуанкаре, соответствующими диапазону длин волн 450-650 нм, охватывает около четверти окружности (Фиг.2а)). Однако при определенных параметрах жидкокристаллического слоя и направлении линейной поляризации на входе слоя ЖК можно обеспечить условия, когда свет на выходе слоя останется линейно поляризованным, с направлением линейной поляризации, в общем случае, не совпадающем с направлением исходной поляризации и зависящим от длины волны. Таким образом, свет, прошедший через слой ХЖК, может быть полностью заблокирован поляризатором (анализатором), стоящим на выходе оптической системы,. В этом случае имеет место "темное" состояние. При приложении к жидкокристаллическому слою поля, которое не превышает критическое значение поля раскрутки спирали, спиральное распределение директора будет деформироваться без изменения шага спирали, при этом в пространственном распределении компонент директора ЖК, которое первоначально являлось гармоническим, будет индуцироваться ангармоничность в виде нечетных пространственных гармоник. Состояние поляризации света, прошедшего через слой ХЖК, будет меняться, и он начнет проходить через анализатор, обеспечивая уровень яркости и контраста, регулируемый электрическим полем. Однако линейная поляризация света после прохождения слоя ХЖК для определенного направления поляризации входящего света для заданной толщины слоя и шага спирали реализуется в выключенном поле только для одной длины волны. Для других длин волн поляризация эллиптическая, причем отличающаяся для каждой длины волны. То есть имеет место дисперсия поляризационного состояния прошедшего света, а спектральная характеристика контрастного отношения Т/T - оптической системы без компенсации фазовыми пластинами (Фиг.1а) характеризуется узким диапазоном длин волн высокого контраста (T/T>10) с выраженным максимумом лишь на одной длине волны (Фиг.4, кривая 2).
Предлагаемый способ компенсации дисперсии поляризационных состояний состоит в том, что в оптическую систему добавляются две фазовые пластины (Фиг.1б), одна из которых (5) обладает аномальной дисперсией двулучепреломления (АДД), а вторая (6) характеризуется нормальной дисперсией двулучепреломления (НДД). После прохождения светом фазовой пластины с АДД направления большой оси эллипса поляризации для всех длин волн совпадают (Фиг.2б), то есть состояния поляризации для всех длин волн оказываются на одном меридиане сферы Пуанкаре с азимутом, совпадающим с ориентацией оптической оси фазовой пластины АДД, выбранной для определенности по азимуту 0° (180°). При этом, благодаря аномальной дисперсии фазовой пластины, достигается монотонное смещение состояний поляризации от экватора к полюсу при увеличении длины волны.
off
Эллиптически поляризованный свет после прохождения фазовой пластины с АДД можно преобразовать в линейно поляризованный, используя фазовую пластину с НДД, оптическая ось которой направлена под углом 45° по отношению к оптической оси пластины с АДД. Необходимая фазовая задержка фазовой пластины с НДД зависит как от оптической анизотропии ХЖК, так и от толщины жидкокристаллического слоя, а спектральная дисперсия фазовой задержки такова, что создаваемый фазовый сдвиг, тем больше, чем короче длина волны. То есть длинноволновые состояния поляризации будут смещаться вдоль меридиана сферы Пуанкаре на меньшее расстояние по сравнению с коротковолновыми состояниями. Это означает, что можно подобрать такие значения оптической задержки и дисперсии двулучепреломления фазовой пластины, при которых различные точки, соответствующие разным длинам волн, окажутся в одной и той же точке на экваторе сферы Пуанкаре (Фиг.2в). Таким образом, устраняется спектральная дисперсия поляризационных состояний, то есть свет во всем спектральном диапазоне имеет одну и ту же линейную поляризацию и при некоторых условиях, накладываемых на характеристики элементов оптической системы, она может быть перпендикулярна поляризации входящего света. В результате свет после прохождения слоя хирального ЖК и двух компенсирующих фазовых пластин может быть блокирован выходным поляризатором (анализатором) с осью пропускания, ориентированной перпендикулярно оптической оси пластинки с АДД. Это обеспечивает глубокое темной состояние T при выключенном электрическом поле и высокое контрастное отношение во всем спектральном диапазоне, величина которого ограничивается лишь эффективностью поляризаторов.
R
Фиг.3 показывает устройство электрооптического модулятора на основе ХНЖК с применением компенсирующих фазовых пластин. Здесь (1) - слой ХНЖК; (2) - стеклянные подложки; (3) - планарная система встречно-штыревых электродов с шириной электрода 5 мкм и расстоянием между соседними электродами l=40 мкм; (4) - тонкие полимерные пленки для создания граничных условий ориентации директора ХНЖК; (5) - прокладки для фиксации зазора и толщины слоя ХНЖК; (6) поляризаторы; (7) фазовая пластина с АДД; (8) фазовая пластина с НДД. Легкие оси ориентирования для реализации однородной гранжановской текстуры ХНЖК на подложках модулятора направлены под углом φ=+45° к направлению электрического поля, которое в свою очередь параллельно оси Х координатной системы. Толщина слоя ХНЖК d=12 мкм. Оптические оси поляризатора и анализатора ориентированы вдоль оси X, α=β=0°. Фазовая задержка фазовой пластины с АДД (7) при λ=550 нм составляет 138 нм, а фазовая задержка фазовой пластины с НДД при λ= 550 нм составляет 508 нм.
Подбор компенсирующих фазовых пластин с необходимой спектральной зависимостью является довольно сложной задачей. Поэтому, может так случиться, что после прохождения светом двух фазовых пластин НДД и АДЦ, компенсация поляризационных состояний света будет недостаточной для достижения требуемого темного состояния модулятора. Тогда для достижения большей степени компенсации мы можем использовать дополнительные фазовые пластины, спектральная зависимость которых отличается от первых двух, но суммарная спектральная зависимость обеспечивает компенсацию спектральных состояний света наиболее эффективным образом.
В модуляторе использован разработанный в ИК РАН хиральный нематический жидкий кристалл НЖК-68, содержащий следующие жидкокристаллические компоненты:
В качестве оптически активной добавки для индуцирования геликоидальной закрутки использовано соединение «гексасорбит» [20]:
Это соединение индуцирует геликоид с правой закруткой, шаг которого при концентрации 1.8% в базовой смеси НЖК-68 составляет 1 мкм. Другие ХНЖК с соответствующими свойствами также могут быть использованы в схеме модулятора. Измеренные характеристики хирального нематического жидкого кристалла на основе смеси НЖК-68 и 1.8% гексасорбита следующие:
||
- диэлектрическая анизотропия в направлении параллельному директору НЖК ε=22,5;
⊥
- диэлектрическая анизотропия в направлении перпендикулярному директору НЖК ε=6,0;
11
- коэффициент упругости поперечного изгиба К,=9,6 пН;
33
- коэффициент упругости продольного изгиба К,=15 пН;
22
- коэффициент упругости деформации кручения К,=5,7 пН;
- вращательная вязкость γ,=0,17 Па·с;
||
- главный показатель преломления в направлении параллельному директору НЖК n=1,6995;
⊥
- главный показатель преломления в направлении перпендикулярному директору НЖК n=1,5095;
||
-5
-1
- дисперсия показателя преломления вдоль директора Δn=20,3 10 нм;
⊥
-5
-1
- дисперсия показателя преломления перпендикулярно директору Δn=9,3 10 нм;
C
- температура перехода НЖК-68 из нематической в изотропную фазу Т=93°С;
- температура перехода из смектической фазы в нематическую Т<-20°С.
0
- шаг холестерической спирали Р=1±0.025 мкм.
В таблице 1 приведено несколько расчетных примеров с требованиями к геометрии расположения составляющих элементов компенсированного электрооптического модулятора и к параметрам фазовых пластин, если в качестве ХНЖК используется НЖК-68, для достижения оптимальных спектральных характеристик модуляции. При этом приводятся также примеры, если использовать ОАД, индуцирующую левую закрутку.
0
Таблица 1. Ориентация осей и параметры оптических элементов для оптимизированных математических моделей на основе ХЖК с НЖК-68. Учтена дисперсия показателей преломления НЖК-68. Шаг геликоида ХЖК Р=1 мкм.
№
Ориентация оси пропускания поля ризатора α и анализатора (β), град.
Ориентация легкихсей на границах слоя ХНЖК
Ориентации быстрой оси фазовой пластины с АДД φ<sub>1</sub>, и пластины с НДД (φ<sub>2</sub>),град.
Фазовая задержка пластины с АДЦ R<sub>1,λ=550 нм </sub>и пластины с НДД (R<sub>2,λ=550</sub> нм), нм
Дисперсия фазовой задержки пластины с АДД R<sub>1,λ=400нм</sub> - R<sub>1,λ=700нм</sub> и пластины с НДД (Р<sub>2,λ=400нм</sub> - К<sub>2,λ=700нм</sub>), нм
Толщина слоя ХЖК (d), мкм
Направление закрутки геликоида
1
0° (0°)
+45°
90° (-45°)
150(505)
-82 (+51)
12
левое
2
0° (0°)
-45°
90° (-45°)
125 (505)
-68(+51)
12
левое
3
0° (0°)
+45°
90° (+45°)
125 (505)
-68 (+51)
12
правое
4
0° (0°)
-45°
90° (+45°)
150(505)
-82 (+51)
12
правое
5
0° (0°)
+45°
90° (+45°)
125 (465)
-68(+47)
10
правое
Фиг.4 показывает рассчитанную спектральную зависимость контраста для компенсированного модулятора (кривая 1) в соответствии с примером №3 в таблице 1. Кривая 2 изображает спектр контраста для нескомпенсированного модулятора с максимумом при длине волны 550 нм когда угол α=-10° и угол β=+4°. Обе кривые соответствуют напряженности электрического поля Е=2 В/мкм. На длине волны 550 нм контрастное отношение превышает величину 1000:1. Однако спектральный диапазон для нескомпенсированного модулятора, определенный по уровню 10:1, оказывается недостаточно широким - от 475 нм до 625 нм. Для скомпенсированного модулятора спектральный диапазон с высоким контрастным отношением значительно шире - на краях видимого спектрального диапазона (425 нм и 700 нм) контраст превышает уровень 200.
on
off
Фиг.5 показывает экспериментальную зависимость времен переключения оптических состояний электрооптического модулятора на основе ХНЖК в зависимости от напряженности электрического поля. Время τ (кривая 1) соответствует времени, за которое пропускание при подаче на модулятор электрического поля изменяется от 0.1 до 0.9 от его максимальной величины. Время τ (кривая 2) соответствует времени, за которое пропускание при выключении поля изменяется от 0.9 до 0.1 от его максимальной величины.
Фиг.6 показывает зависимость коэффициента пропускания от амплитуды импульса электрического поля для оптически скомпенсированного модулятора. U/l соответствует напряженности импульса поля между электродами, то есть у поверхности слоя ХНЖК, граничащей с штыревой системой электродов с расстоянием между электродами l=40 мкм. Как видно из графика, эффект имеет типичную для жидкокристаллических устройств нелинейную шкалу серости.
Фиг.7 показывает экспериментальные зависимости оптического контраста. Для расчетной геометрии (кривая 1) оптический контраст на уровне 10:1 реализуется в спектральной области от 430 нм до 720 нм, охватывая весь спектральный диапазон, существенный для дисплейных технологий. В значительной спектральной области (470-650 нм) контраст находится на достаточно высоком уровне, близком к 100:1. Это значение контраста ниже расчетного уровня (1000:1) лишь из-за технологических причин: ошибок ориентации главных осей при сборке модулятора и отклонения реальной спектральной дисперсии коэффициентов преломления от расчетных значений. Технологические ошибки изготовления ретардеров и отклонение их параметров от расчетных значений могут быть в некоторой степени скомпенсированы изменением ориентации главных осей поляризаторов от расчетных значений. Например, небольшое изменение ориентации оси поляризатора позволяет существенно увеличить контрастное отношение в центральной области спектра (кривая 2), сохранив при этом достаточно широкий спектральный диапазон модуляции светового потока. Как видно из кривой 2, после углового смещения оси поляризатора на 8° максимальное контрастное отношение достигает величины 500:1 на длине волны 520 нм, а спектральный диапазон контрастного отношения не менее 10:1 охватывает интервал длин волн от 450 до 680 нм, что существенно шире, чем в случае оптически нескомпенсированного модулятора (см. кривая 2 на Фиг.4).
∗
∗
∗
В электрооптическом модуляторе может использоваться также хиральный смектический С жидкий кристалл, ориентированный гомеотропно. Электрооптика модулятора будет такой же, как и для ХНЖК, при этом быстродействие модулятора будет выше, а суммарная фазовая задержка будет ниже, чем для ХНЖК. Поэтому для достижения требуемой величины модуляции необходимо правильно подобрать параметры хирального смектического С жидкого кристалла, анизотропию показателя преломления, угол наклона директора и вращательную вязкость, а также параметры модулятора: толщину слоя хирального смектического С жидкого кристалла и зазор между электродами.
Источники инфрпмации
1. V.G.Chigrinov, Liquid Crystal Devices (physics and application), Artech House, Boston (1999).
2. E.Luder, Liquid Crystal Displays, J.Wiley & Sons, Chichester (2001).
3. W. den Boer, Active Matrix Liquid Crystal Displays (Fundamental and Applications), Newness, Elsevier, Waltham (2005).
4. US Patent №3834794 (1974).
5. R.F.Soref, J.Appl. Phys. v.45, №12, 5466 (1974).
6. US Patent №5576867 (1996).
7. US Patent №5841498 (1998).
8. R.Kiefer, B.Weber, F.Windscheid and G.Baur, Japan Display′92, 547 (1992).
9. G.Baur, R.Kiefer, H.Klausmann, F.Windscheid, Liquid Crystals Today, Vol.5, №3, 13 (1995).
10. Swiss Patent Application №3722/87.
11. B.I.Ostrovski, A.Z.Rabinovich, V.G.Chigrinov, Advances in Liquid Crystals Research and Applications, Edited by Lajos Bata, Pergamon Press, Oxford-Akademiai Kiado, Budapest (1980).
12. International Application Number PCT/KR99/00700.
13. M.I.Bamik, S.P.Palto, Ferroelectric 310, 11-23 (2004).
14. US Patent №3652148 (1972).
15. US Patent №3854751 (1974).
16. US Patent №4114990.
17. J.S. Patel, S.-D. Lee, J. Appl. Phys. v.66, 1879 (1989).
18. B.J. Broughton, M.J. Clarke, A.E. Blatch, H.J. Coles, J. Appl. Phys. v.98, 034109 (2005).
19. Патент RU 2366989. "Способ управления поляризацией света и быстродействующий управляемый оптический элемент с применением холестерического жидкого кристалла (варианты)" (02.08.2007).
20. US Patent №7041348 (2006).