СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДОЙ И НАПРАВЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СЛОЕ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДОЙ И НАПРАВЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СЛОЕ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА И ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА
METHOD OF CONTROLLING AMPLITUDE AND DIRECTION OF ELECTRIC FIELD IN LIQUID CRYSTAL LAYER, DEVICE FOR CONTROLLING AMPLITUDE AND DIRECTION OF ELECTRIC FIELD IN LIQUID CRYSTAL LAYER AND LIQUID CRYSTAL LIGHT MODULATOR

Изобретение относится к электрооптическим устройствам отображения и обработки информации и способам и устройствам управления ими. В частности, оно относится к жидкокристаллическим амплитудным и фазовым модуляторам светового излучения для применения в различных оптоэлектронных устройствах на жидких кристаллах (ЖК) и жидкокристаллических дисплеях (ЖКД) для отображения информации с высокими скоростями обновления.
Основой электрооптических устройств на жидких кристаллах является жидкокристаллическая ячейка. Она состоит из двух оптически прозрачных (например, стеклянных) подложек с прозрачными электродами на внутренних поверхностях. Между подложками находится тонкий слой ЖК. Молекулы ЖК имеют асимметричную (как правило, палочкоподобную) форму и в жидкокристаллической фазе локально ориентированы своими осями преимущественно вдоль выделенного направления, определяемого единичным вектором, который называется директором. Начальное пространственное распределение поля директора (при выключенном электрическом поле), как правило, однородно (директор направлен в одном направлении во всем слое ЖК). Это распределение поля директора задается специальными ориентирующими пленками, наносимыми поверх электродов на внутренние поверхности подложек. Для проходящего света слой ЖК представляет собой прозрачную анизотропную среду с оптической осью, совпадающей с направлением директора ЖК. Однородно ориентированный слой ЖК эквивалентен оптической фазовой пластинке. Величина оптической анизотропии определяется разностью двух главных коэффициентов преломления, относящихся соответственно к направлениям поляризации света вдоль директора и перпендикулярно директору ЖК.
Начальное распределение поля директора ЖК, задаваемое граничными условиями на поверхностях подложек, может быть, например, планарным (директор параллелен плоскости слоя ЖК на всей его толщине) или гомеотропным (директор перпендикулярен плоскости слоя ЖК). В каждом из двух упомянутых случаев директор может иметь небольшой угол преднаклона соответственно по отношению к плоскости слоя ЖК или к его нормали.
Различные оптические состояния ЖК ячейки достигаются в результате эффекта переориентации молекул ЖК под действием электрического поля. Прикладывая напряжение к электродам ячейки, можно менять пространственное распределение поля директора и, соответственно, распределение локальной оптической оси. Для создания модулятора света ячейка ЖК снабжается дополнительными внешними и внутренними функциональными элементами - поляризаторами, фазовыми пластинами, фильтрами и др. В зависимости от типа электрооптического эффекта, который лежит в основе работы электрооптического элемента, слой ЖК формируется из жидких кристаллов с положительной или отрицательной диэлектрической анизотропией. Во внешнем электрическом поле молекулы ЖК с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются длинными осями преимущественно вдоль электрического поля, а молекулы ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией - перпендикулярно полю.
Важными характеристиками, определяющими качество ЖКД, являются оптический контраст, максимальный коэффициент пропускания света, углы обзора, а также времена переключения между оптическими состояниями. Короткие времена переключения особенно важны в свете актуальных современных направлений развития дисплейных технологий, которые ориентированы на дисплеи с последовательным отображением цветового контента и стереоскопические (3D) дисплеи, где ключевым свойством является быстродействие. Быстродействие электрооптических элементов на нематических ЖК в основном ограничено большими значениями времен свободной релаксации директора ЖК из наведенного электрическим полем оптического состояния в начальное состояние без поля. При заданной толщине слоя ЖК время релаксации τ не зависит от напряжения и определяется только отношением вращательной вязкости γ к эффективному модулю упругости K, зависящему от характера деформации жидкого кристалла τ~γ/K.
В [US Pat. №3834794, 1974] для создания модулирующих свет жидкокристаллических устройств было предложено использовать встречно-штыревые (interdigitated) электроды, расположенные на одной из двух ограничивающих слой ЖК подложек (вторая подожка не имеет электропроводящего покрытия). В дальнейшем применение встречно-штыревых электродов и их модификаций позволило в значительной степени улучшить угловые характеристики дисплеев [US Pat. №5576867 (1996); US Pat. №5841498 (1998); Kiefer R., Weber В., Windscheid F. and Baur G., Japan Display′92, 547 (1992); G. Baur, R. Kiefer, H. Klausmann, F. Windscheid, Liquid Crystals Today, Vol.5, №3, 13 (1995); US Pat. №6661492 (2003); US Pat. №7259821 (2007)]. При этом электроды располагаются в одной плоскости либо в двух плоскостях, разделенных тонким изолирующим слоем, на одной и той же подложке. В обоих случаях электрическое поле, генерируемое между встречно-штыревыми электродами, направлено преимущественно параллельно слою жидкого кристалла. Электрооптический эффект с этим режимом управления распределением поля директора ЖК известен в дисплейных устройствах как режим переключения в планарном поле (In-Plane Switching, сокр. IPS, mode). В модулирующих свет элементах данного типа могут быть использованы ЖК как с положительной, так и с отрицательной диэлектрической анизотропией, а начальное распределение поля директора может быть разным: планарным, закрученным (твист) или гомеотропным. К преимуществам дисплейных элементов данной конструкции относятся широкие углы обзора, а к недостаткам - пониженное пропускание при использовании непрозрачных электродов.
Величина пропускания и апертурное отношение ЖКД увеличиваются при использовании прозрачных управляющих электродов [US Pat. №6661492 (2003); US Pat. №7259821 (2007)]. Общим недостатком упомянутых модулирующих устройств является относительно низкое быстродействие, так как время выключения индуцированного полем состояния ЖК определяется временем свободной вязкоупругой релаксации поля директора.
Известны жидкокристаллические дисплейные устройства [US Pat. №6678027 (2004); US Pat. App. №2011/0279758 A1 (2011)], в которых модуляция света жидким кристаллом реализуется за счет электрического поля формируемого напряжением, приложенным к одному сплошному электроду и двум встречно-штыревым электродам, расположенным на одной из двух подложек, между которыми заключен слой жидкого кристалла. Нижний сплошной электрод распложен непосредственно на подложке, а встречно-штыревые электроды отделены от сплошного электрода тонким диэлектрическим слоем. Вторая подложка не имеет электродов. В этом случае электрическое поле сосредоточено не только между электродами, но и проникает на небольшую глубину в слой жидкого кристалла, вызывая неоднородную деформацию поля директора. Электрооптический эффект с данным режимом управления распределением поля директора известен в дисплейных устройствах как фриндж-эффект (Fringe Field Switching, сокр. FFS). Деформация поля директора ЖК под действием электрического поля затрагивает лишь тонкий слой (порядка 1 мкм) жидкого кристалла вблизи подложки с электродами. Поэтому в таких устройствах реализуются короткие времена свободной релаксации директора и, как следствие, высокие скорости модуляции света. Однако для получения высокого коэффициента пропускания в светлом состоянии и высокого контраста при низком управляющем напряжении, для дисплейного элемента с FFS модой требуются жидкие кристаллы с большими значениями диэлектрической и оптической анизотропии.
Известны быстро переключаемые электрооптические элементы на нематических ЖК с тремя управляющими электродами. [Т.-Н. Yoon, К.-Н. Kim, D.H. Song, J.С.Kim, Fast-switching technology for nematic liquid-crystal cells, SPIE Newsroom (2011); D. H. Song, J.-W. Kim, K.-H. Kim, S.J. Rho, H. Lee, H. Kim, T.-H. Yoon, Ultrafast switching of randomly-aligned nematic liquid crystals, Optics Express, Volume 20, Issue 11, p.11659 (2012)]. В них как светлое, так и темное оптические состояния реализуются при приложении электрического поля, то есть исключается свободная релаксация деформированного поля директора. На внутренних стенках обеих подложек ячейки ЖК нанесены сплошные электроды. На одной из подложек поверх сплошного электрода нанесен тонкий изолирующий слой, на поверхности которого сформирована электродная система в виде узких параллельных полос (решетка). Приложение электрического напряжения между сплошным электродом и отделенной от него изолирующим слоем решеткой создает неоднородное преимущественно планарное поле, а приложение электрического напряжения между сплошными электродами первой и второй подложек создает нормальное электрическое поле (вдоль нормали к слою ЖК). Однородно ориентированный нематический ЖК с положительной диэлектрической анизотропией или исходно не ориентированный ЖК (ориентирующие слои отсутствуют) в нормальном поле приобретает гомеотропную ориентацию, а в планарном поле - планарную ориентацию. Такой жидкокристаллический элемент обладает высоким быстродействием. Однако создание трех электродов усложняет технологический процесс изготовления электрооптического элемента. Кроме того, авторами не предложена электрическая схема управления полем в реальных устройствах с такой сложной геометрией расположения электродов.
По технической сущности наиболее близким к настоящему изобретению способом управления слоем ЖК при помощи двух ортогонально направленных полей является способ [US Pat. №3854751 (1974)], в котором на слой жидкого кристалла последовательно действуют два электрических поля, направленных нормально или вдоль слоя ЖК. В такой ЖК ячейке на внутренней стороне одной из подложек, ограничивающих слой жидкого кристалла, сформирована система встречно-штыревых электродов, а на внутренней стороне второй подложки нанесен сплошной прозрачный электрод. Переключение оптических состояний ЖК осуществляется последовательным приложением электрического напряжения между верхним сплошным и нижними встречно-штыревыми электродами для создания нормального электрического поля и между встречно-штыревыми электродами для создания планарного поля. Здесь и ниже поле, которое преимущественно направлено вдоль нормали к слою ЖК, называется нормальным, а поле, преимущественно параллельное плоскости этого слоя, - планарным. Недостаток и способа переключения электрического поля в данном случае состоит в том, что верхний сплошной электрод деструктивно влияет на распределение планарного электрического поля между встречно-штыревыми электродами. В его распределении возникает значительная нормальная составляющая, что, в свою очередь, препятствует планарной переориентации ЖК, ухудшая контраст и быстродействие жидкокристаллического элемента.
По технической сущности устройства, близкого к устройству для управления амплитудой и направлением электрического поля в слое ЖК согласно настоящему изобретению, не выявлено.
По технической сущности наиболее близким к устройству ЖК модулятора согласно настоящему изобретению является ЖКД устройство [US Pat. №6700558 (2004)], в котором на первой подложке расположены первый и второй электроды, между которыми задают разность потенциалов и создают преимущественно планарное поле, а на второй подложке сформирован третий электрод, благодаря которому прикладывают разность потенциалов между электродами первой подложки и третьим электродом и, таким образом, создают преимущественно нормальное электрическое поле. Такой ЖКД обладает высоким быстродействием. Недостаток способа переключения электрического поля в данном случае состоит в том, что верхний сплошной электрод деструктивно влияет на распределение планарного электрического поля между встречно-штыревыми электродами. В его распределении возникает значительная нормальная составляющая, что, в свою очередь, препятствует планарной переориентации ЖК, ухудшая контраст и быстродействие жидкокристаллического элемента.
Настоящее изобретение направлено на устранение перечисленных выше конструктивных и функциональных недостатков электрооптических устройств на ЖК и способов управления ими. Сущность способа, используемого в предлагаемом здесь изобретении, заключается в том, что встречно-штыревые электроды формируются на внутренних поверхностях обеих подложек жидкокристаллической ячейки. Переключение между оптическими состояниями ЖК осуществляется последовательным приложением электрического поля заданной напряженности вдоль слоя ЖК (планарное электрическое поле) и перпендикулярно к слою (нормальное электрическое поле) с помощью специального аналого-цифрового устройства. Данный способ переключения распределения поля директора и оптических состояний ЖК можно назвать режимом двунаправленного переключения {Bidirectional Field Switching, сокр. BFS), а электрооптический эффект - BFS mode. Данный способ управления и геометрия ЖК ячейки, работающей в режиме BFS, могут быть использованы для создания быстродействующего активно-матричного ЖКД.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими фигурами:
Фиг.1 схематически показывает устройство жидкокристаллического модулятора света согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на внутренних поверхностях обеих подложек жидкокристаллической ячейки (сечение).
Фиг.2а показывает конструкцию жидкокристаллического модулятора света согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных стенках жидкокристаллической ячейки и ориентацию молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией в нормальном электрическом поле, создаваемом потенциалами от устройства управления при нулевом логическом уровне на входе TTL и электрическом потенциале φ(t) произвольной формы на входе U.
Фиг.2б показывает конструкцию жидкокристаллического модулятора согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных стенках жидкокристаллической ячейки и ориентацию молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией в планарном электрическом поле, создаваемом потенциалами от устройства управления при единичном логическом уровне на входе TTL и электрическом потенциале φ(t) произвольной формы на входе U.
Фиг.2в показывает конструкцию жидкокристаллического модулятора света согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных стенках жидкокристаллической ячейки и ориентацию молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией в нормальном электрическом поле, создаваемом потенциалами от устройства управления при нулевом логическом уровне на входе TTL и электрическом потенциале φ(t) произвольной формы на входе U.
Фиг.2г показывает конструкцию жидкокристаллического модулятора согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных стенках жидкокристаллической ячейки и ориентацию молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией в планарном электрическом поле, создаваемом потенциалами от устройства управления при единичном логическом уровне на входе TTL и электрическом потенциале φ(t) произвольной формы на входе U.
Фиг.3 показывает схему устройства для управления амплитудой и направлением электрического поля в слое ЖК путем изменения логического состояния (0 или 1) на входе TTL и переключения электрических потенциалов на четырех выходах (А, В, С, D), которые подключены к четырем электродам жидкокристаллической ячейки, при заданной форме потенциала φ(t) на входе U в соответствии с состояниями, указанными в таблице пункта 2 формулы изобретения.
Фиг.4а показывает экспериментальную осциллограмму электрооптического отклика (кривая 13) и временные зависимости потенциалов на электродах для жидкокристаллического модулятора с взаимно параллельной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при переключении направления электрического поля от нормального к планарному в результате изменения логического уровня на входе TTL устройства управления.
Фиг.4б показывает экспериментальные осциллограммы электрооптического отклика жидкокристаллического модулятора с взаимно параллельной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при управлении распределением директора ЖК только планарным электрическим полем (кривая 14) и использовании режима двунаправленного переключения поля (кривая 15).
Фиг.4в показывает экспериментальные осциллограммы электрооптического отклика (кривые 16-20) жидкокристаллического модулятора с взаимно параллельной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при подаче на вход U устройства управления импульсов прямоугольной формы (частота 2 кГц) различной амплитуды и при частоте импульсов 330 Гц на входе TTL.
Фиг.5 показывает результаты экспериментальных измерений зависимости времен переключения оптического пропускания в светлое (кривая 22) и темное (кривая 23) состояния от амплитуды напряжения на входе U устройства управления для жидкокристаллического модулятора с взаимно параллельной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при режиме двунаправленного переключения поля.
Фиг.6 показывает экспериментальные осциллограммы электрооптического отклика (кривые 24-29) жидкокристаллического модулятора с взаимно перпендикулярной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориенторованный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при подаче на вход U устройства управления импульсов прямоугольной формы (частота 2 кГц, кривая 31) различной амплитуды и при частоте импульсов 166 Гц на входе TTL.
Фиг.7 показывает результаты экспериментальных измерений зависимости времен переключения оптического пропускания в светлое (кривая 33) и темное (кривая 34) состояния от амплитуды напряжения на входе U устройства управления для жидкокристаллического модулятора с взаимно перпендикулярной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией.
Фиг.8 показывает экспериментальные осциллограммы электрооптического отклика жидкокристаллического модулятора с взаимно перпендикулярной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при управлении только планарным электрическим полем (кривая 35) и используя режим двунаправленного переключения электрического поля (кривая 36).
Жидкокристаллический модулятор (Фиг.1) согласно настоящему изобретению содержит слой нематического жидкого кристалла 1. В качестве материала может быть использован также ЖК в смектической фазе. Жидкокристаллический слой располагается между двумя прозрачными диэлектрическими подложками 2 и 3, выполненными, например, из стекла. На одну из подложек, например нижнюю 2, может быть нанесено отражающее свет зеркало для работы электрооптического элемента в отраженном свете. На внутренние стороны обеих подложек 2 и 3 нанесены прозрачные, например из оксидов индия и олова (ITO - Indium Tin Oxide), или непрозрачные, например металлические из хрома, встречно-штыревые электроды с множеством параллельных полос 4, 4а, 5 и 5а для создания в слое ЖК электрического поля. Электродные полосы 5 и 5а на подложке 3, соответственно, параллельны полосам 4 и 4а на подложке 2 и расположены строго друг над другом (как показано на Фиг.1, 2а и 2б). Полосы 5 и 5а могут быть также ориентированы перпендикулярно к полосам 4 и 4а либо составлять между собой любой угол от 0° до 90°. Исходная молекулярная ориентация ЖК обеспечивается нанесением на внутренние поверхности подложек с электродами ориентирующих покрытий 6 и 7. Модулятор содержит средства для установления оптического различия между переключаемыми полем ориентационными состояниями жидкого кристалла - например, поляризаторы 8 и 9 на внешних сторонах подложек 2 и 3. Между поляризаторами 8 и 9 и подложками 2 и 3 могут устанавливаться фазовые пластинки 10 и 11 или другие оптические элементы для реализации оптимальных спектральных и угловых характеристик модулятора. Встречно-штыревые электроды 4, 4а, 5 и 5а подключаются к устройству 12 согласно схемам, показанным на Фиг.2а и Фиг.2б. Устройство управления электрическим полем 12 переключает знаки потенциалов на электродах модулятора при подаче на вход TTL напряжения логического уровня 0 или уровня 1 (уровню логического нуля соответствует электрическое напряжение в интервале от 0 до 0,2 B, а логической единице - от 2,5 до 5 B), создавая соответственно нормальное электрическое поле (Фиг.2а) или планарное поле (Фиг.2б). При этом абсолютные значения переключаемых потенциалов определяются по отношению к общей шине амплитудой напряжения на входе U управляющего устройства. Потенциал на входе U может иметь произвольную форму во времени.
При положительной диэлектрической анизотропии ЖК его молекулы ориентируются длинными осями преимущественно вдоль поля. Следовательно, директор жидкого кристалла в нормальном поле ориентирован преимущественно гомеотропно, а в планарном поле - планарно.
При отрицательной диэлектрической анизотропии ЖК его молекулы длинными осями ориентируются перпендикулярно полю. Следовательно, директор жидкого кристалла в нормальном поле ориентирован преимущественно планарно, а в планарном поле - гомеотропно.
Если слой ЖК с положительной анизотропией расположить между скрещенными поляризаторами, то получится электрооптический модулятор света. В таком модуляторе различные ориентационные состояния ЖК приводят к оптически различимым состояниям всей оптической системы - светлому и темному. В состоянии с гомеотропной ориентацией директора, слой ЖК не влияет на поляризацию нормально падающего пучка света, и свет блокируется выходным поляризатором, если его ось поглощения совпадает с плоскостью поляризации света, прошедшего через первый поляризатор. Данному состоянию распределения поля директора соответствует низкий коэффициент пропускания всей оптической системы, и оно является "оптически темным". В случае планарной ориентации директора слой ЖК вносит определенную оптическую задержку между обыкновенным и необыкновенным лучами проходящего света, и свет становится в общем случае эллиптически поляризованным. Такое состояние является "оптически светлым".
Работу устройства для формирования потенциалов планарного и нормального электрического поля поясняет Фиг.3. Принцип работы устройства заключается в управлении потенциалами на четырех независимых электродах жидкокристаллической ячейки подключенных к выходам A, B, С, D. Устройство управления потенциалами состоит из линейных усилителей с инвертируемым коэффициентом усиления. Так, при единичном логическом уровне на входе TTL усилители A1, A2, A3 находятся соответственно в состояниях с коэффициентами передачи +1, -1, -1. Таким образом, потенциал φ(t) на входе U транслируется на выходы A, B, C, D, соответственно, как φ(t), φ(t), -φ(t), -φ(t). Такое распределение потенциалов приводит к планарному полю в геометрии подключения, показанной на Фиг.2б. В случае нулевого уровня на входе TTL коэффициенты передачи усилителей A1, A2, A3 соответственно равны -1, +1, +1, а потенциалы на выходах A, B, C, D соответственно равны φ(t), -φ(t), -φ(t), φ(t) и это приводит к нормальному электрическому полю, см. Фиг.2а.
Пример 1.
1
Слой нематического ЖК 1 помещен между двумя стеклянными подложками 2 и 3 (Фиг.1, Фиг.2а, Фиг.2б) с непрозрачными встречно-штыревыми электродами из хрома на внутренних поверхностях подложек. Электродные полосы 5 и 5а встречно-штыревой структуры на подложке 3 расположены соответственно строго над электродными полосами 4 и 4а встречно-штыревой структуры на подложке 2, и параллельны друг другу. Ширина полос встречно-штыревых электродов w=2 мкм, расстояние между полосами l=4 мкм. Площадь, занимаемая встречно-штыревыми электродами на каждой из подложек, представляет собой квадрат со стороной 2 мм. Исходная гомеотропная ориентация ЖК достигалась с помощью ориентанта фирмы Merck, нанесенного в виде тонких пленок (~50 нм) на поверхности с электродами. В качестве жидкокристаллического материала 1 использована нематическая смесь Merck MLC-6625, для которой величина оптической анизотропия Δn=0,074, величина низкочастотной диэлектрической анизотропии Δε=+5.9 и вращательная вязкость γ=110 мПа·с. Толщина слоя жидкого кристалла d=3 мкм. Оси пропускания скрещенных между собой поляризаторов 8 и 9 на внешних сторонах подложек 2 и 3 составляют угол 45° с направлением полос встречно-штыревой электродной системы и, следовательно, с направлением планарного электрического поля.
Модулятор является "нормально темным", т.е. в выключенном состоянии не пропускает свет. В нормальном электрическом поле одинаковая разность потенциалов приложена между электродами 5 и 4, а также между электродами 5а и 4а (Фиг.2а), причем потенциалы на электродах 5 и 5а совпадают. В нормальном электрическом поле устройство не пропускает свет, так как индуцированная полем молекулярная ориентация ЖК почти совпадает с исходной гомеотропной ориентацией. Исключение составляют незначительные приэлектродные области вдоль полос, где электрическое поле неоднородно и директор ЖК несколько отклоняется от нормали. Проходящий сквозь слой ЖК свет, поляризованный линейно входным поляризатором 8, не изменяет своей поляризации. Таким образом, прошедший через слой жидкого кристалла свет блокируется выходным поляризатором 9. В планарном электрическом поле одинаковая разность потенциалов приложена между электродами 5 и 5а, и 4 и 4а (Фиг.2б), причем потенциалы на электродах 4 и 5 совпадают. В планарном электрическом поле молекулы ЖК ориентируются преимущественно планарно. Вследствие наличия оптической разности хода между обыкновенным и необыкновенным лучами устройство становится прозрачным. В идеальном случае, когда разность хода Δn·d=(m+1/2)Δλ, свет после прохождения слоя ЖК линейно поляризован вдоль направления, совпадающего с осью пропускания выходного поляризатора.
Экспериментальная осциллограмма 13 оптического отклика модулятора на импульсы, поступающие на вход TTL, а также временные зависимости потенциалов на электродах показаны на Фиг.4а. В данном примере длительность каждого управляющего TTL импульса равна 1,5 мс при частоте следования 333 Гц. Форма потенциала φ(t) имеет вид знакопеременных прямоугольных импульсов длительностью 0,25 мс с частотой 2 кГц. Смена направления электрического поля с нормального на планарное происходит в момент включения высокого уровня импульсного напряжения на входе TTL. Электрическое поле сохраняется планарным на протяжении всего интервала времени с высоким уровнем TTL импульса и переключается в нормальное поле при низком напряжении на входе TTL. Осциллограмма 13 соответствует амплитуде потенциала φ(t) по отношению к общей шине равной 11 B.
На Фиг.4б показана осциллограмма электрооптического отклика 14 модулятора при управлении только планарным электрическим полем, когда темное состояние достигается благодаря свободной релаксации директора ЖК, и осциллограмма электрооптического отклика 15 при использовании режима двунаправленного переключения электрического поля. В обоих случаях на входе U устройства управления амплитуда импульсов была равна 11 B на протяжении действия высокого уровня импульса TTL. Свободная релаксация достигалась при нулевом потенциале на входе U устройства управления на промежутках времени с низким уровнем напряжения на входе TTL. При свободной релаксации директора ЖК темное состояние достигается за время ~3,5 мс. При режиме двунаправленного переключения время перехода в темное состояние равно ~0,15 мс, т.е. сокращается более чем в 20 раз. Время переключения оптического пропускания из темного в светлое состояние (нормальное электрическое поле изменяется на планарное) практически не зависит от режима управления и при напряжении U=11 B равно ~0,35 мс.
Экспериментальные осциллограммы оптического отклика модулятора в зависимости от амплитуды импульсов потенциала φ(t) частотой 2 кГц показаны на Фиг.4в. Длительность каждого переключающего TTL-импульса равна 1.5 мс при частоте следования 333 Гц. Кривая пропускания 16 соответствует управляющему напряжению 11 B на входе U, кривая 17 - 10 B, кривая 18 - 9 B, кривая 19 - 8 B, кривая 20 - 7 B, кривая 21 - 0 B.
Фиг.5 демонстрирует пример экспериментальной зависимости времен переключения τ оптического отклика от амплитуды импульсов напряжения на входе U. Кривая 22 характеризует времена нарастания оптического пропускания от уровня 0,1 до уровня 0,9 по отношению к величине его максимального значения при включении планарного электрического поля. Кривая 23 характеризует времена спада оптического пропускания от уровня 0.9 до уровня 0.1 по отношению к величине его максимального значения при включении нормального электрического поля. При амплитуде импульсов напряжения свыше 6 В каждое из времен переключения составляет менее 1 мс, а при напряжении 11 В менее 0,4 мс. Дальнейшее уменьшение времен переключения оптического отклика может быть достигнуто при увеличении амплитуды напряжения, а также за счет уменьшения вращательной вязкости γ и изменения коэффициентов упругости ЖК.
Пример 2.
1
Слой нематического ЖК 1 помещен между двумя стеклянными подложками 2 и 3 (Фиг.2в, Фиг.2г) с непрозрачными встречно-штыревыми электродами из хрома на внутренних поверхностях подложек. Электродные полосы 5 и 5а встречно-штыревой структуры на подложке 3 и электродные полосы 4 и 4а встречно-штыревой структуры на подложке 2 ориентированы перпендикулярно друг другу. Ширина полос встречно-штыревых электродов w=2 мкм, расстояние между полосами l=4 мкм. Площадь, занимаемая встречно-штыревыми электродами на каждой из подложек, представляет собой квадрат со стороной 2 мм. Исходная гомеотропная ориентация ЖК достигалась с помощью ориентанта фирмы Merck, нанесенного в виде тонких пленок (~50 нм) на поверхности с электродами. В качестве жидкокристаллического материала 1 использована нематическая смесь Merck ZLI-1957/5, для которой величина оптической анизотропия Δn=0,1213, величина низкочастотной диэлектрической анизотропии Δε=+4.5 и вращательная вязкостьγ=105 мПа·с. Толщина слоя жидкого кристалла 1 равнялась d=3,2 мкм. Оси пропускания скрещенных между собой поляризаторов 8 и 9 на внешних сторонах подложек 2 и 3 составляют угол 90°. При этом на входе в ячейку направление оси пропускания поляризатора перпендикулярно направлению полос встречно-штыревой электродной системы и, следовательно, параллельно направлению планарного электрического поля вблизи поверхности этой подложки.
В выключенном состоянии модулятор не пропускает свет, модулятор является "нормально темным". Когда одинаковая разность потенциалов приложена между электродами 5 и 4, а также между электродами 5а и 4а, причем потенциалы на электродах 5 и 5а, а также между электродами 4 и 4а, совпадают, между подложками 2 и 3 устанавливается нормальное электрическое поле. В этом случае устройство также не пропускает свет, так как индуцированная электрическим полем молекулярная ориентация ЖК совпадает с исходной гомеотропной ориентацией и проходящий сквозь слой ЖК свет, поляризованный линейно входным поляризатором 8, не изменяет своей поляризации и блокируется выходным поляризатором 9.
Когда одинаковая разность потенциалов приложена между электродами 5 и 5а, а также между электродами 4 и 4а, причем потенциалы на электродах 4 и 5 совпадают, на поверхностях подложек 2 и 3 реализуются планарные электрические поля. При этом направления электрических полей вблизи поверхностей подложек 2 и 3 взаимно перпендикулярны. Молекулы ЖК с положительной диэлектрической анизотропией на поверхностях подложек ориентируются вдоль электрического поля, вследствие чего в объеме жидкокристаллического слоя вдоль направления распространения света устанавливается закрученная на 90° молекулярная структура (твист-ориентация). Направление поляризации проходящего сквозь слой жидкого кристалла света испытывает поворот на 90° и не блокируется выходным поляризатором 9.
Экспериментальные осциллограммы 24-30 оптического отклика модулятора, управляемого TTL импульсами 31, в зависимости от амплитуды напряжения на входе U показаны на Фиг.6. Длительность управляющего импульса равна 3 мс при частоте следования 166 Гц. Форма напряжения на входе U (потенциал φ(t)) представлена знакопеременными прямоугольными импульсами длительностью 0,5 мс с частотой 2 кГц. Смена направления электрического поля с нормального на планарное направление происходит в момент включения высокого уровня импульсного напряжения на входе TTL. В момент включения низкого уровня напряжения на входе TTL нормальное направление электрического поля меняется на планарное. Кривая пропускания 24 соответствует напряжению 11 B, кривая 25 - 10 B, кривая 26 - 9 B, кривая 27 - 8 B, кривая 28 - 7 B, кривая 29 - 6 B и кривая 30 - 0 B.
Фиг.7 демонстрирует экспериментальную зависимость времен переключения τ оптического отклика от амплитуды импульсов напряжения входе U. Кривая 33 показывает времена нарастания оптического пропускания от уровня 0,1 до уровня 0,9 по отношению к величине его максимального значения при включении планарного электрического поля. Кривая 34 характеризует времена спада оптического пропускания от уровня 0,9 до уровня 0,1 по отношению к величине его максимального значения при включении нормального электрического поля. При амплитуде импульсов планарного поля ~7 B и выше время переключения оптического пропускания в прозрачное состояние составляет менее 1 мс, а время переключения в темное состояние составляет менее 0,25 мс.
На Фиг.8 показаны осциллограмма 35 электрооптического отклика при управлении модулятором только планарным полем (соответственно напряжение на входе U равно 11 B на временном интервале действия TTL импульса и 0 B при низком уровне напряжения на TTL входе). Кривая отклика 36 соответствует режиму двунаправленного переключения поля (амплитуда напряжения на входе U равна 11 B как для высокого, так и для низкого уровня сигнала на TTL входе). Когда темное состояние достигается благодаря свободной релаксации директора ЖК (кривая 35), время переключения составляет около 2,5 мс. Это время является близким к времени выключения твист-эффекта для данного жидкокристаллического материала и данной толщины слоя жидкого кристалла. При управлении модулятором планарным и нормальным полями (двунаправленное управление) время переключения в темное состояние сокращается более чем на порядок величины и составляет около 0,15 мс. Время переключения из темного состояния в светлое практически не зависит от режима управления и при напряжении U=11 B составляет 0,55 мс.