ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР НА ОСНОВЕ ТВИСТ-ЯЧЕЙКИ С АНТИСИММЕТРИЧНЫМИ ГРАНИЧНЫМИ УСЛОВИЯМИ

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к электрооптическим устройствам на основе жидких кристаллов для управления интенсивностью светового потока, а также для отображения и обработки информации.
В настоящее время жидкокристаллические (ЖК) панели нашли свое применение как в области устройств отображения информации (ЖК – мониторы), так и в области устройств преобразования (например, стерео очки для 3D приложений). Если для дисплейных приложений наибольшее распространение получили TN (twistnematic) -, IPS (In-PlaneSwitching) - и MVA (Multi-DomainVerticalAlignment) -матрицы, то для применения в качестве модуляторов светового излучения чаще используются панели на основе  π- ячеек. При этом TN – ячейки (или твист-ячейки) так же используются в 3D  приложениях, но имеют несколько худшие динамические характеристики. Так как в последнее время очень большое внимание уделяется 3D – приложениям, то желательно применять для этих целей ЖК модуляторы. Стоит отметить, что с точки зрения достижения наилучших оптических характеристик лидером являются ЖК устройства на основе TN ячеек с симметричными граничными условиями. Наиболее распространенными быстродействующими ЖК модуляторами являются устройства на основе π- ячеек, в которых используется антисимметричные граничные условия, благодаря которым и достигаются малые времена срабатывания. Уточним, что под антисимметричными граничными условиями, понимаются такие условия ориентации молекул ЖК на подложках, при которых значения углов наклона (угол преднаклона) молекул на противоположных поверхностях равны по значению, но противоположны по знаку. Оптические характеристики таких ЖК модуляторов уступают оптическим  характеристикам ЖК модуляторов, выполненных на основе твист – эффекта в TN ячейках.
Известен ЖК модулятор для стереоочков (см. патент РФ № 2488150 по кл. МПК G02C7/00, опуб. 20.07.2013), содержащий бесполяроидный жидкокристаллический преобразователь поляризации, выполненный на основе спирально закрученных нематических жидкокристаллических структур либо комбинации четвертьволновых пластинок с фазосдвигающими жидкокристаллическими структурами. Данный модулятор выполнен на базе разновидности π - ячейки.
Модулятор имеет хорошее время срабатывания. Однако оптические характеристики данного модулятора оставляют желать лучшего. В частности, у такого устройства достаточно низкие значения контрастного отношения (на порядок ниже, чем утвист - модулятора) и в состоянии с максимальным пропусканием изображение получается слабо окрашенным.
Известен модулятор на основе хиральных жидких кристаллов (см. патент РФ № 2522768 по кл. МПК G02F1/13, опуб. 20.07.2014), содержащий хиральный жидкий кристалл, управляемый электрическим полем, имеющим компоненту, направленную перпендикулярно оси спирали, наводящим ангармоничность в спиральном распределении директора,  две компенсирующие фазовые пластины с аномальной и нормальной дисперсией двулучепреломления, что позволяет устранить характерную для хиральных жидких кристаллов дисперсию состояний поляризации света и расширить спектральный диапазон высококонтрастной модуляции света на всю видимую область спектра.
Модулятор имеет хорошие оптические характеристики, но большое время срабатывания, сопоставимое с твист - модулятором.
Наиболее близким к заявляемому является жидкокристаллический модулятор на основе твист-ячейки с антисимметричными граничными условиями (см. Учебное пособие «Моделирование характеристик жидкокристаллических дисплеев и модуляторов». Г.В. Симоненко. – Саратов: Саратовский госуниверситет, 2017. – С.71), содержащий расположенные последовательно на одной оптической оси входной поляризатор, твист-ячейку, заполненную нематическим жидким кристаллом с хиральной добавкой и с антисимметричными граничными условиями на ориентирующих подложках ячейки, фазовый компенсатор и выходной поляризатор. Данный модулятор имеет высокий коэффициент пропускания во всем видимом диапазоне длин волн света (следовательно, состояние с максимальным пропусканием не окрашено), малое время срабатывания, низкое значение контрастного отношения.
Техническая проблема заключается в создании модулятора одновременно обладающего хорошими оптическими свойствами и малым временем срабатывания.
Технический результат заключается в улучшении оптических свойств при уменьшении времени срабатывания.
0
0
Техническая проблема достигается тем, что в жидкокристаллическом модуляторе, содержащем расположенные последовательно на одной оптической оси входной поляризатор, твист-ячейку, заполненную нематическим жидким кристаллом с хиральной добавкой с антисимметричными граничными условиями на ориентирующих подложках ячейки, фазовый компенсатор и выходной поляризатор, согласно полезной модели, в качестве твист-ячейки выбрана ячейка с углом закрутки 90, а фазовый компенсатор выполнен в виде одноосной фазовой пластины с углом ориентации минус 32относительно направления ориентации молекул жидкого кристалла на входе и имеющей фазовую задержку 0,023 мкм.
0
0
Антисимметричные граничные условия на ориентирующих подложках ячейки обеспечены выбором углов преднаклона ориентации молекул жидкого кристалла равным  +2на одной из них и - 2 на другой.
Толщину ячейки предпочтительно выбирать равной 3,5 мкм.
Полезная модель поясняется иллюстрациями, где:
на фиг. 1 представлена схема жидкокристаллического модулятора;
на фиг. 2 представлено расположение оптических осей структурных элементов устройства: 1-1 – ось максимального пропускания входного поляризатора и направление натирания на входной поверхности твист-ячейки, 3-3 – оптическая ось фазового компенсатора, 4-4 - ось максимального пропускания выходного поляризатора и направление натирания на выходной поверхности твист-ячейки, γ - угол между направлениями 1-1 и 3-3.
на фиг. 3 представлена схема жидкокристаллического модулятора, поясняющая работу устройства: слева – расположение слоёв в ячейке в случае, когда на управляющих электродах напряжение равно 0 В, а справа –расположение слоёв в ячейке в случае, когда на управляющие электроды подано напряжение 12 В;
на фиг. 4 представлена зависимость пропускания модулятора от управляющего напряжения;
на фиг. 5 представлены координаты цвета на цветовом треугольнике для двух рабочих состояний ЖК модулятора.
На иллюстрациях позициями обозначены:
1 – входной поляризатор, ориентированный по направлению натирания на входной поверхности твист-ячейки,
2 – твист-ячейка с антисимметричными граничными условиями,
3 – плёночный фазовый компенсатор, ориентированный под углом γ к направлению натирания на входной поверхности твист-ячейки,
4 – выходной поляризатор, ориентированный по направлению натирания на выходной поверхности твист-ячейки,
5 – стеклянные подложки,
6 – управляющие электроды,
7– ориентирующие жидкий кристалл слои,
о
8 – нематический жидкий кристалл с хиральной добавкой и с углом закрутки структуры 90,
65
65
D– точка на цветовом треугольнике, соответствующая стандартному источнику белого света D,
9 – точка, соответствующая состоянию ЖК модулятора с максимальным пропусканием при значении управляющего напряжения 0 В,
10 – точка, соответствующая состоянию ЖК модулятора с минимальным пропусканием при значении управляющего напряжения 12 В.
о
Устройство содержит расположенные последовательно на одной оптической оси входной поляризатор 1, твист-ячейку 2, фазовый компенсатор 3 и выходной поляризатор 4. Входной и выходной поляризаторы выполнены на основе плёнки NPF – F 1205 DU. Твист-ячейка заполнена нематическим жидким кристаллом с хиральной добавкой, обеспечивающей угол закрутки структуры ЖК на 90.
о
о
Антисимметричные граничные условия на ориентирующих подложках 5 ячейки обеспечены стандартной технологией натирания подложек ячейки, которая обеспечивает угол преднаклона молекул жидкого кристалла на входной поверхности, равный 2, а на выходной поверхности –  -2.
0
Фазовый компенсатор 3 выполнен в виде одноосной полимерной пленки, у которой угол ориентации  оптической оси относительно направления натирания молекул жидкого кристалла на входной поверхности равен -32, а оптическая длина пути составляет 0,023 мкм на длине волны света 550 нм.
Устройство работает следующим образом.
о
Если на управляющие электроды не подано напряжение (левая часть фиг. 3), то ЖК структура модулятора не искажена. В этом случае свет, проходя сквозь входной поляризатор 1, становится линейно поляризованным и попадает на ЖК ячейку. Так как ЖК твист – структура не искажена, то она поворачивает плоскость поляризации света на 90 и волна проходит через фазовый компенсатор 3 и далее через выходной поляризатор 4. Так как фазовая задержка фазового компенсатора мала, то она очень слабо искажает линейную поляризацию световой волны, прошедшей сквозь неё, и поэтому такая световая волна полностью проходит через выходной поляризатор 4. В этом случае модулятор имеет максимальное пропускание.
о
Если на управляющие электроды подано высокое управляющее напряжение (правая часть фиг. 3), то в этом случае ЖК структура модулятора становится сильно искаженной и перестает вращать плоскость поляризации света, прошедшего сквозь кристалл. Так как выходной поляризатор 4 повернут на 90 относительно входного 1, то свет через такую ЖК ячейку не проходит. В данном случае фазовый компенсатор 3 служит для преобразования эллиптически поляризованного света, вышедшего из искаженной ЖК структуры, в свет с линейной поляризацией с направлением поляризации, перпендикулярном направлению максимального пропускания выходного поляризатора 4. В этом состоянии ЖК модулятор имеет минимальное пропускание, которое обеспечивает контрастное отношение изображения, сопоставимое с контрастным отношением стандартного твист – модулятора.
Время срабатывания ЖК модулятора складывается из времени включения и времени выключения. Под временем включения понимается время, необходимое ЖК модулятору перейти из состояния с нулевым управляющим напряжением в состояние с высоким управляющим напряжением, то есть из «левого» состояния в «правое» на фиг. 3. Под временем выключения понимается время, необходимое ЖК модулятору совершить обратный переход при переключении управляющего напряжения из высокого значения в нулевое, то есть из «правого» состояния в «левое» на фиг. 3. В этом случае малые значения времени срабатывания данного ЖК модулятора достигаются благодаря трем факторам:
1) высокие значения  управляющих напряжений;
2) антисимметричные граничные условия в твист – структуре;
3) малой толщине ЖК ячейки.
off
off
reac
relax
Для доказательства достижения технического результата исследовались наборы интегральных характеристик ЖК модуляторов, состоящих из ЖК модулятора на твист -эффекте в ячейке с симметричными и антисимметричными граничными условиями и фазовым компенсатором (см. Таблицу). В таблице: T- пропускание устройства в состоянии «выключено», С – контраст изображения, τ - полное время срабатывания устройства (или быстродействие), H –ахроматичность изображения в состоянии «выключено», τ – время реакции ЖК устройства, τ – время релаксации.
Таблица
Характеристики модулятора на основе твист-ячейки с симметричными и антисимметричными граничными условиями и фазовым компенсатором
Тип модулятора на основе твист -ячейки
T<sub>off</sub>
C
H<sub>off</sub>
τ = τ<sub>reac</sub>+τ<sub>relax</sub>, млс
стандартный
0.363
3873
0.014
0.0315
антисимметричный с фазовым компенсатором
0.34
2776
0.02
0.007
В качестве инструмента исследования использовался метод компьютерного моделирования характеристик ЖК модуляторов с помощью комплекса программ MOUSE– LCD, который обеспечивает расхождение экспериментальных и расчётных характеристик Σ для различных типов ЖК устройств в пределах погрешности эксперимента.
11
22
33
⊥
׀׀
При компьютерном исследовании характеристик ЖК модулятора использовались данные для ЖК вещества типа ZLI 4792 фирмы Merck, Германия (постоянные упругости ЖК K = 10.5 10-6 дин, K = 6.9 10-6 дин, K = 16.8 10-6 дин, диэлектрические постоянные ЖК ε = 4.88, ε = 13.54, анизотропия показателей преломления ЖК на различных длинах волн Δn (436 нм) = 0.104, Δn (546 нм) = 0.1, Δn (633 нм) = 0.096), коэффициент вязкости ЖК γ = 0.15 единиц СГС.
о
о
о
о
о
о
01
02
01
02
LC
LC
LC
В качестве поляризатора использовалась пленка NPF – F 1205 DU. Угол ориентации входного поляризатора составлял 0 с направлением натирания на первой подложке ЖК ячейки, а для выходного поляризатора угол ориентации равнялся 0 с направлением натирания на второй подложке. Углы ориентации молекул ЖК для симметричных граничных условий выбирались равными 2 на обеих подложках (θ = θ = 2). Для антисимметричных граничных условий угол преднаклона молекул ЖК на первой подложке равнялся θ = 2, а на второй подложке считался равным θ = -2.  Толщина слоя ЖК d в рабочей ячейке равна 3.5 мкм. Такая толщина рабочего слоя ЖК выбрана потому, что уменьшение d приводит к нарушению режима Могена в твист – эффекте и сильно ухудшает оптические характеристики ЖК модулятора, а увеличение d влечёт за собой увеличение времени срабатывания устройства.
о
phas
phas
В данном случае фазовый компенсатор, представляет  из себя одноосную фазовую пластинку, ориентированную под углом γ = -32 к направлению натирания на первой подложке ЖК ячейки, и имеющей оптическую длину  Δnd = 0.023 мкм (Δn – оптическая анизотропия показателей преломления фазовой пленки, d – толщина фазового компенсатора).
Как видно из таблицы, ЖК модулятор на основе твист – эффекта в ячейке с антисимметричными граничными условиями и с фазовым пленочным компенсатором имеет сравнимые со стандартным твист – индикатором оптические характеристики и существенно меньшее полное время срабатывания, что делает это устройство конкурентом для ЖК модуляторов, работающих на основе π - ячеек.
Таким образом, заявляемый жидкокристаллический модулятор на основе твист-ячейки с антисимметричными граничными условиями одновременно обладает хорошими оптическими свойствами и малыми временами срабатывания.