ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗ ОПТИЧЕСКИ ИЗОТРОПНОЙ ЖИДКОСТИ, В ЧАСТНОСТИ ЛИНЗА, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ КОМПОЗИЦИЙ
ELECTRICALLY CONTROLLED OPTICAL ELEMENT FROM AN OPTICALLY ISOTROPIC LIQUID, IN PARTICULAR A LENS, AND A METHOD FOR PRODUCTION THEREOF BASED ON LIQUID COMPOSITIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрически управляемому оптическому элементу, охарактеризованному в пункте 1 формулы изобретения, в частности линзе из оптически изотропной жидкости, и к способу его изготовления на основе жидких композиций, охарактеризованному в пункте 9 формулы изобретения.
Уровень техники
Управляемые оптические элементы в настоящее время - это преимущественно механические системы. Они массивные и объемистые, а также, из-за использования приводных и передаточных механизмов или подобных компонентов, подвержены нарушениям и сбоям нормальной работы и часто слишком инертны. По этой причине имеют преимущество и бурно развиваются на современном этапе немеханические оптические элементы. В то время как для таких оптических элементов с меньшим полезным диаметром уже существуют коммерчески успешные решения, в случае более крупных апертур ситуация пока что сложилась иная.
-12
2
-12
2
-14
2
Электрооптическим эффектом Керра (открыт в 1875 году шотландским физиком Джоном Керром, другие его названия: квадратичный электрооптический эффект, электрическое двойное лучепреломление) называют возникновение оптического двойного лучепреломления, возрастающего пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля. При этом эффекте молекулы с постоянным дипольным моментом ориентируются в изотропной жидкости в электрическом поле. В результате этого ориентирования материал в поле становится оптически анизотропным, при этом в направлении поля устанавливается более высокий показатель преломления, а перпендикулярно ему - более низкий по сравнению со случаем изотропной жидкости в состоянии при отсутствии напряжения. В ячейке Керра преломляющие и поляризационные свойства материала изменяются за счет приложенного извне электрического поля, что обуславливает возможность преобразования электрических сигналов в оптические. Поперек направления проходящего света посредством электродов-пластин в керровской жидкости прикладывается электрическое поле. В качестве керровской жидкости в большинстве случаев применяется чистый нитробензол, имеющий постоянную K Керра величиной 2,44×10 м/В, при комнатной температуре жидкий и способный к хорошему смешиванию со спиртами, эфирами и бензолом. Для сравнения, постоянная K Керра у нитротолуола равна 1,37×10 м/В, а для воды она составляет 5,1×10 м/В. При этом у названных жидкостей и при обычных размерах ячейки в сантиметровом диапазоне нужны электрические напряжения порядка нескольких киловольт. Передняя и задняя стороны ячейки Керра изготовлены стеклянными и являются светопроницаемыми, а боковые стенки - это металлические пластины, играющие роль электродов.
Таким образом, применением ячейки Керра в технике является конденсатор с выступающей в качестве диэлектрика керровской жидкостью, в большинстве случаев нитробензолом. Она помещается между перекрестными поляризаторами, у каждого из которых главная оптическая ось наклонена к направлению электрического поля на 45°. Если к ячейке не приложено напряжение, то свет через эту конструкцию проникнуть не может.
0
Теперь в электрическом поле керровская жидкость оказывает двойное преломление, т.е. составляющая луча света, распространяющаяся в форме колебаний в направлении поля, получает скорость распространения, отличную от таковой у его колебательной составляющей, распространяющейся перпендикулярно полю. Таким образом, при выходе из ячейки Керра между ними имеется фазовый сдвиг δ. За счет оптической конструкции теперь уже возникает количество L света, соотношение которого с δ и количеством L света, возникающим в самом благоприятном случае, выражается следующей формулой:
Фазовый сдвиг δ зависит от напряженности Е электрического поля, длины 1 проходимого светом пути между конденсаторными пластинами и постоянных Керра диэлектрика В, выражаясь формулой
Тогда
Из документа DE 555249 А известно решение, нацеленное на существенное повышение чувствительности ячейки Керра в качестве фотореле, в котором частичное излучение использованного поляризованного света кроме созданного в ячейке Керра, зависящего от напряжения фазового сдвига, делится еще и далее, с образованием неизменного фазового сдвига. Для создания дополнительного фазового сдвига на пути прохождения света поставлена двулучепреломляющая пластина кристалла.
-12
2
В жидкостях, таких как нитробензол, обнаруженная разница показателя преломления очень невелика, даже при приложении напряжений в киловольтном диапазоне. Из-за малых масштабов давно известного эффекта Керра кажется, что изготовление активных оптических элементов на его основе можно сразу же исключить. Так, постоянная Керра, количественно характеризующая интенсивность эффекта Керра, для нитробензола составляет (по данным Zinth, W., Optik, Oldenbourg-Verlag,  2011) лишь около 2,44×10 м/В.
2
На протяжении многих десятилетий то и дело проводились исследования для нахождения жидкостей, которые обладали бы более высокой постоянной Керра, чем использовавшийся до тех пор нитробензол, и давали бы благодаря этому одинаковый эффект при более низком управляющем напряжении. Например, из документа DE 622368 А известна керровская жидкость, у которой в растворитель вводятся двукратные или трехкратные заместители бензольного кольца, при комнатной температуре пребывающие в твердом агрегатном состоянии, постоянная Керра которого имеет порядок таковой для нитробензола. При этом целесообразным заместителем предпочтительно является оксид азота NO. В качестве растворителя в документе DE 622368 А предложено использовать, например: нитробензол, мета-нитротолуол, орто-нитротолуол.
В качестве подлежащих растворению веществ предложены: орто-динитробензол, нитроанилин (предпочтительно пара-), пара-нитротолуол, орто-нитрохлорбензол, 1,2,3-хлординитробензол, 1,2,3-дихлорнитробензол, а-нитронафталин, 1,8-динитронафталин.
Кроме того, в настоящее время используются элементы, основанные на жидкокристаллических материалах с макроскопической ориентацией. Однако этим системам присущ тот недостаток, что работают они только на направлении поляризации света, в перпендикулярном же ему направлении поляризации свет воздействию почти не подвергается. Из-за этого факта такие элементы комбинируют с абсорбционными поляризаторами, но это неизбежно приводит к снижению количества света до менее, чем 50%. Для устранения этого недостатка было предложено комбинировать друг с другом два (или более) конструктивно одинаковых элемента ортогональной ориентации, что приводит к заметному повышению затрат, дополнительным источникам ошибок за счет пространственных перекрестных помех, оптическим потерям и вызывает дополнительные проблемы в плане точной взаимной ориентации элементов.
Другие изотропные жидкокристаллические состояния - это рассеивающие диспергированные в полимере жидкие кристаллы, слабо рассеивающие системы с диспергированными в полимере жидкими кристаллами с добавлением наночастиц, а также изотропные усиленные полимерами жидкокристаллические голубые фазы. Они характеризуются высокими напряжениями переключения, обусловленными полимерной матрицей и доменными границами. В отличие от отражательных элементов, таких как жидкокристаллические фазовые модуляторы, в работающих на пропускание (транспарантных) элементах мешающим фактором выступает возникающее остаточное рассеяние.
В изотропных жидкостях с высокой анизотропией дипольного момента и палочкообразной формой молекул можно добиться существенно больших разностей показателя преломления, в результате чего обнаруживаются на порядки более высокие постоянные Керра. Это уже было показано, например, для изотропных фаз жидких кристаллов при повышенных температурах.
Значительно более высокие значения могут быть измерены в изотропных расплавах жидких кристаллов (J. Chem. Soc, Faraday Trans. 2, 1976, 72, 1447-1458 / DOI: 10.1039/F29767201447) при малейшем превышении температуры просветления или в полимерстабилизированных изотропных жидких кристаллах (Appl. Phys. Lett. 98, 023502 (2011)/DOI: 10.1063/1.3533396) и
-12
2
полимерстабилизированных голубых фазах жидких кристаллов. Для них были измерены постоянные Керра величиной до 300×10 м/В.
Тем не менее, крупным недостатком эффекта Керра в таких системах является его очень сильная температурная зависимость, например, описанная для изотропного расплава жидкого кристалла 5СВ (Dunmur D.A. and Tomes А.Е., 1981, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 76, 231). В полимерстабилизированных изотропных жидких кристаллах температурная зависимость могла бы быть уменьшена, однако лишь для сильно ограниченного интервала температур (J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 112002 /DOI: 10.1088/0022-3727/42/11/112002). Во множестве этих систем требуемое высокое напряжение и долгое время переключения оказываются фактором неблагоприятным.
2
2
Для создания в области оптической передачи сообщений, т.е. связи и коммуникаций, усовершенствованных электрооптических элементов в сочетании с планарными волноводами или оптическими волокнами, подходящими в случаях применения, требующих модуляции, демпфирования, управления поляризацией и переключения оптических сигналов, из документа WO 2004/046796 А1 известно волноводное устройство, содержащее сердцевину оптического волновода и оболочку, оптически связанную с сердцевиной. Оболочка включает в себя оптически функциональную зону с керровской средой, определяющую показатель преломления, который может варьироваться в ответ на управляющий сигнал, подаваемый к оптически функциональной зоне. Показатель преломления оптически функциональной зоны ниже показателя преломления сердцевины оптического волновода при рабочей длине волны и рабочей температуре устройства. Оболочка содержит оптически функциональную зону, определенную неполяризованной, по существу изотропной или по существу анизотропной полимерной средой оболочки. В частности, среда оболочки представляет собой полимерно-хромофорную смесь, характеризующуюся мобильностью хромофора, достаточной для обеспечения возможности пассивного перехода оптически функциональной зоны, а именно из по существу ориентированного состояния в по существу изотропное состояние менее чем за примерно одну секунду. В частности, полимерно-хромофорная смесь содержит хромофор в количестве по меньшей мере от около 5 до около 20 мас.% и является пластифицированной, а керровская среда содержит полимер, выбранный из поликарбоната, тройного сополимера, полиметилметакрилата (ПММА) и полициклогексана. В предпочтительном варианте хромофор имеет донорный компонент, мостиковый компонент с сопряженным и/или ароматическим компонентом, и акцепторный компонент. В частности, в публикации приведены 12 различных структурных формул керровской среды. Кроме того, предусмотрено управляющее устройство, выполненное с возможностью управления рабочей температурой волноводного устройства или ее регулирования. Полимерная среда оболочки характеризуется эффективной температурой стеклования, которая ниже рабочей температуры устройства. При этом следует отметить, что эффективная температура стеклования материала - это температура, при которой переориентационная мобильность хромофора демонстрирует относительно большое возрастание как функция температуры материала. Эффективную температуру стеклования электрооптического материала можно определить из замеров электрооптического отклика материала как функцию его температуры. Среда оболочки имеет приемлемую степень хромофорной мобильности и физической стабильности, либо за счет включения в нее пластификатора, либо за счет обеспечения того, чтобы эффективная температура стеклования среды оболочки была ниже рабочей температуры устройства. Более подробно, среды оболочки, упоминаемые в документе WO 2004/046796, характеризуются эффективными температурами стеклования ниже около 120°С, вплоть до 20°С и даже ниже. Для достижения достаточной хромофорной мобильности в среде оболочки предусмотрен растворитель. В случае полимерной среды оболочки, содержащей хромофор и базисный полимер, подходящий растворитель растворяет как хромофор, так и полимер. Во многих случаях использование такого растворителя дает подходящие рабочие температуры устройств при комнатной температуре или близко к ней. С помощью управляющих электродов в оптически функциональной зоне оболочки генерируется электрическое поле Е. В качестве альтернативы управляющий сигнал может порождать термический сигнал, при этом оптически функциональная зона оболочки реагирует на величину термического сигнала. В любом случае волноводное устройство имеет подходящее управляющее устройство, выполненное с возможностью независимого друг от друга изменения оптических свойств оптически функциональных участков оптически функциональной зоны. В частности, приложение управляющего напряжения к электрооптической полимерной оболочке или полимерному покрытию также индуцирует последовательные фазовые сдвиги Δφ в оптическом сигнале, однако последовательные фазовые сдвиги индуцируются с одинаковым значением, а именно с прогрессивно уменьшающимися повышениями значений управляющего напряжения V(I≈sinφ, где φ=BV). Поэтому в случае последовательных фазовых сдвигов Δφ величиной 180° величина последовательных приращений Vπ управляющего напряжения, требующихся для индуцирования последовательных фазовых сдвигов величиной 180°, уменьшается по мере возрастания величины управляющего напряжения V. Для приведения в действие (возбуждения) интерферометра Маха-Цендера (т.е. светоделителя с двумя плечами для измерения фазовых сдвигов или для модуляции света посредством целенаправленной фазовой модуляции в плече интерферометра, соответственно для зависимого от длины волны демультиплексирования) посредством фазового сдвига на 180°, в раскрытом в публикации WO 2004/046796 А1 волноводном устройстве требуется около 340 В. Следующий фазовый сдвиг на 180° происходит при примерно 520 В, но достигается за счет повышения возбуждающего напряжения только примерно на 180 В (это разность между 520 В и 340 В). Третий фазовый сдвиг на 180° возникает при около 610 В, приращение составляет лишь около 90 В. Простая экстраполяция позволяет предположить, что с напряжением смещения порядка 3000 В можно получить возбуждающее напряжение Vπ около 4 В. За счет усовершенствований полимерной среды оболочки или среды покрытия и доводки конфигурации электродов, использующихся в качестве управляющих электродов, может быть достигнут фазовый сдвиг на 180°, а именно с возбуждающими напряжениями менее 5 В с напряжением смещения около 1000 В.
Еще одно прикладное применение электрооптического эффекта Керра или эффекта Поккельса в технике, связанное с областью оптической передачи сообщений, соответственно областью связи и коммуникаций, представляют собой дифракционные решетки с электрически управляемым показателем преломления и электрически управляемой пространственной периодичностью, выступающие в качестве устройств ввода или вывода излучения, сопрягающих элементов (интерфейсов) волновода, модовых преобразователей или поляризационных преобразователей, модовых и/или поляризационных фильтров, отклонителей (дефлекторов), отражателей. Для этого из документа ЕР 1155355 В1 известна дифракционная решетка с электрически управляемым показателем преломления и электрически управляемой пространственной частотой, содержащая:
подложку;
электрооптическую структуру, проходящую над подложкой и имеющую волновод с осью распространения;
0
0
0
первую и вторую электродообразующие структуры для создания между ними электрического поля, индуцирующего в волноводе дифракционную решетку, причем первая и вторая электродообразующие структуры расположены на противоположных сторонах электрооптической структуры и каждая из них проходит в плоскости, параллельной оси распространения волновода, при этом первая электродообразующая структура включает в себя первый и второй наборы штрихов во встречно-штыревой компоновке, при этом первый набор штрихов находится под потенциалом V, а второй набор штрихов - под потенциалом V+ΔV, причем V может варьироваться для регулирования показателя преломления дифракционной решетки и может варьироваться между дискретными значениями для переключения пространственной периодичности решетки.
В альтернативном варианте дифракционная решетка для изменения падающего на нее извне света содержит:
подложку;
электрооптическую структуру, проходящую над подложкой;
первую и вторую электродообразующие структуры для создания между ними электрического поля, индуцирующего в электрооптической структуре дифракционную решетку, при этом первая и вторая электродообразующие структуры проходят параллельно друг другу и электрооптической структуре вдоль расположенных одна над другой плоскостей, находясь на противоположных сторонах электрооптической структуры,
0
0
0
при этом первая электродообразующая структура содержит первый и второй наборы штрихов во встречно-штыревой компоновке, при этом первый набор штрихов находится под потенциалом V, а второй набор штрихов - под потенциалом V+ΔV, причем V может варьироваться для регулирования показателя преломления дифракционной решетки и может варьироваться между дискретными значениями для переключения пространственной периодичности решетки.
3
2
Более конкретно, раскрытая в документе ЕР 1155355 В1 дифракционная решетка может иметь такое исполнение, что она действует как брэгговский фильтр или ее можно использовать для коллинеарных встречных соединений для обеспечения функции отражателя, при этом она служит в качестве активного оптического фильтра для лазера на основе распределенной обратной связи (DFB, сокр. от англ. "distributed feedback" - распределенная обратная связь), или лазера на основе распределенного брэгговского отражения (DBR, распределенный брэгговский отражатель). Другие исполнения касаются применения в системах спектрального уплотнения (англ. WDM, сокр. от "wavelength division multiplexing" - мультиплексирование распределением по длинам волн) для волоконно-оптической связи. Решетка может быть использована сама по себе или в сочетании с другими электрооптическими компонентами для образования интегрированных структур. Решетка содержит электрооптическую структуру, например, образованную из такого материала, как LiNbO или электрооптического полимера, представляющую собой электрооптическую пластинку, предпочтительно имеющую толщину приблизительно от 0,5 до 2 мкм и ширину около 5 мкм, проходящую над подложкой. Первая и вторая электродообразующие структуры обеспечены на противоположных сторонах электрооптической структуры параллельно направлению распространения. Первая и вторая электродообразующие структуры, в частности, имея гребнеобразную форму, подвержены воздействию различных потенциалов для создания между ними электрического поля и как следствие, периодичности из-за этого получающегося в результате электрического поля. Современные нанотехнологии предоставляют возможность создания электродообразующих структур во встречно-штыревой компоновке с субмикронными расстояниями между штырями (штрихами решетки). Эти электроды изготавливаются из прозрачного электропроводного материала, а также оксидов индия и олова (сокр. ITO, от англ. "indium-tin oxide"), например, с шириной а=105 мкм и толщиной пленки на основе оксидов индия и олова величиной 0,1 мкм. Расстояния между волноводом и электродными штырями-штрихами заполнено буферными слоями из диэлектрического материала, такого как SiO, имеющего показатель преломления ниже показателя преломления волновода. Эти буферные слои образуют играющий роль оболочки слой внутри электрооптической пластинки образованного волновода и защищают проводимую волну от влекущих потери взаимодействий с электродами.
Кроме того, из документа DE 2828910 А1 известно использование электрооптического эффекта Керра в сочетании с призматическими очковыми стеклами поляризирующих очков в такой области техники, как стереотелевидение. Для этого поляризационному устройству подобраны такие расположение и размеры, что оно проходит над всей поверхностью экрана телевизионного приемника, при этом обеспечена возможность поворота его плоскости поляризации для избирательного ориентирования на плоскость поляризации левой линзы или правой линзы поляризационных очков зрителя. Поворачивание плоскости поляризации поляризующего устройства достигается предпочтительно за счет ячейки Керра, выполненной из оптически активного материала, поворачивающего плоскость поляризации проходящего поляризованного света в зависимости от напряжения, выдаваемого источником управляющего напряжения, приложенного к противоположным электродам ячейки. При этом роли левой и правой линз взаимозаменяемы, и в одном состоянии поляризационного устройства левая линза передает проходящий сквозь поляризационное устройство свет, в то время как правая линза действует как затемняющий фильтр, а в другом состоянии устройства линзы блокируют, соответственно передают, свет, проходящий через поляризационное устройство. Кроме того, зритель по своему усмотрению может подобрать левую или правую линзу таким образом, что она действует как затемняющий фильтр, так что изображение по желанию зрителя может представляться ближе или дальше. Источник управляющего напряжения может выдавать упомянутое напряжение в зависимости от командного сигнала, что вместе с телевизионным сигналом (в случае воспроизведения телевизионного сигнала) или в зависимости от записанного на пленку сигнала (в случае воспроизведения с пленки). Ячейка Керра может быть изготовлена из поликристаллического цирконат-титанат свинца, легированного лантаном (ЦТСЛ, англ. PLZT, сокр. от "polycrystalline lanthanum-modified lead zirconate titanate") или иных известных сегнетоэлектрических керамических материалов.
Еще один случай применения для бесполяризационных, электрически управляемых, соответственно переключаемых, оптических линз - это оптические приборы для улучшения зрения и переключаемые увеличительные системы (телескопические очки). Классические оптические приборы для улучшения зрения, включая бифокальные системы, все более и более оснащаются дополнительными функциями. Один весьма существенный аспект представляет собой развитие активных, т.е. интеллектуальных (они же переключаемые либо управляемые) оптических систем. В настоящее время на это развитие также оказывают влияние развитие "наголовных дисплеев" (англ. аббрев. HMD, от "Head Mounted Displays") и жидкокристаллические системы для развивающейся бурными темпами сферы "дополненной реальности" (ДР - это технология, при которой картины реального мира комбинируются с информацией, сгенерированной компьютером, в результате чего образы из реального мира дополняются виртуальной информацией). Основой этого развития являются микродисплеи на базе жидкокристаллических дисплеев. В модифицированном виде эта технология также может произвести революцию в других областях оптики и прийти на смену классическим преломляющим элементам, таким как линзы, призмы и иные пассивные элементы.
Пример устройства, удовлетворяющий сразу с двух точек зрения, а именно в плане создания имеющих индивидуальную настройку, соответственно управляемых, линз, и обеспечения расширенной функциональности, известен из документа ЕР 1463970 В1, где раскрыты бинокулярные электронные очки с оправой, каркас которых выполнен в виде пыленепроницаемого закрытого корпуса, к которому шарнирно присоединены дужки, и которые имеют по меньшей мере одну расположенную в корпусе электронную видеокамеру, объектив, линзы которого обращены вперед, и датчик на приборах с зарядовой связью. Более подробно, предусмотрена выполненная с возможностью перемещения при помощи двигателя, расположенная спереди линзовая система с пластмассовыми линзами и с направляющим средством для регулирования путем изгибания и/или вращения отдельных линз, соединенная с электронной камерой. С линзовой системой и камерой соединено электрическое управляющее устройство, имеющее запоминающее устройство для записи и хранения задаваемых вручную значений уставок для обоих глаз в качестве номинальных значений для адаптации для автоматической коррекции нарушений зрения и расстояния между глазами во время эксплуатации. Дефекты зрения корректируются путем регулирования оптической силы линз и/или фокусировки, включая автоматическое регулирование на дистанцию чтения или работы, при этом происходит фокусировка с регулировкой контрастности, за счет исполнения управляющего устройства, обеспечивающего беспрерывную фокусировку с регулировкой контрастности. Линзовая система состоит из четырех линз и пределы (кратность) увеличения составляют от 2,5 до 10 раз. Управляющее устройство служит для управления двигателем, а для повышения скорости регулирования на стороне съема мощности электродвигателя расположен передаточный механизм. В качестве источника электропитания в оправе очков расположен аккумулятор, а на оправе предусмотрен индикатор, указывающий состояние зарядки аккумулятора. Кроме того, предусмотрена соединенная с камерой интерфейсная схема для подключения записывающих средств. Кроме того, в области дужек расположен(ы) радиоприемник и/или приемник вызовов, соединенные(й) с устройством отображения. Перед первым использованием очковой системы человек, который будет носить эти очки, регулирует межглазное расстояние и при наличии дефектов зрения подстраивает их значения оптической силы в диоптриях на нужное ему. Конфигурации сохраняются в памяти системы и служат в качестве основы для всех дальнейших, с этого момента уже автоматически отрегулированных процессов. Время, протекающее до наводки на резкость при масштабировании между расстоянием для чтения, равным около 25 см, и фокусировкой до бесконечности, составляет лишь секунды. Механическая линзовая система в состоянии масштабировать объекты с бесступенчатым приближением с кратностью 2,4. Резкость изображения объектов получается автоматически, независимо от степени масштабирования, которую можно регулировать нажатием на кнопку (аналогично тому, как это происходит в цифровой камере). Эти очки с автофокусом функционируют с целым мехатронным комплексом, состоящим из камеры с микросхемным управлением, электродвигателя и специальных линз с обработанной поверхностью. Могут иметься и другие дополнительные функции: клавиши памяти, микрофон, речевое управление, громкоговоритель в дужках, внешние аккумуляторные батареи, память для долговременной записи видео- и аудиоинформации, а также источник подсветки.
Важную оптическую функцию таких многофункциональных очков представляет собой увеличительная система. В традиционных телескопических очках для увеличения рассматриваемых объектов используется линзовая система, крепимая в нижней части очков. Характерной особенностью этих телескопических очков является фиксированная увеличительная система, позволяющая использовать только одну, да и то скорее ограниченную, область всего поля зрения. Как правило, в увеличительных системах, в зависимости от потребности, применяют кеплеровскую или галилеевскую систему. Галилеевские системы допускают непосредственную реализацию прямого и конгруэнтного (неперевернутого) увеличения, тогда как кеплеровские системы отмечаются большими полями обзора. Однако в кеплеровском телескопе создается зеркально-перевернутое изображение, при необходимости преобразуемое дополнительными оптическими элементами (призмами или линзами). Если габаритная ширина увеличительной системы является критичным параметром, то предпочтение отдают галилеевскому телескопу.
Использовавшиеся до сих пор принципы для разработки управляемых оптических элементов, в частности линз, основаны на эластичных мембранах в сочетании подходящими текучими средами, предполагают использование принципа электросмачивания жидких линз или основаны на электрически индуцированном переориентировании жидких кристаллов. В случае эластомерных мембран в полость, образованную тонкой эластомерной пленкой, закачивают жидкость, или же она выпускается в резервуар, для инициирования изменения кривизны мембраны. Мембранные линзы также могут быть встроены в микроскопные системы (см. Biomed. Opt. Express 5(2), 645-652 (2014) или Biomed. Opt. Express 5(6), 1877-1885 (2014)). Однако это механическое решение имеет только умеренные времена переключения, поскольку в ходе операции переключения мембранные полости должны быть заполнены жидкостью или опорожнены от нее. Помимо этого, подлежит проверке стабильность эластомерной мембраны при высоком числе циклов переключения. К тому же периферия мембранных линз является относительно объемистой из-за наличия резервуара, насосов и двигателей. На основании мембранных линз в продажу на рынок также были выпущены управляемые оптические приборы для улучшения зрения, у которых процесс закачки осуществляется вручную. Такие системы очень медленные по своей природе.
Альтернативу мембранным линзам представляют собой жидкие линзы, основанные на принципе электросмачивания. Области применения этих управляемых оптических жидких линз с автофокусом - это смартфоны, веб-камеры и иные применения.
Диапазон перенастройки оптической силы линз весьма велик и простирается от -12 до 12 диоптрий. Времена переключения в 20 мс дают достаточное для ряда применений быстродействие, однако для высоких тактовых частот в области машинного зрения этого времени недостаточно. Однако для применений в оптических фокусирующих элементах в области машинного зрения имеют место другие требования, касающиеся апертуры, скорости и разрешения. Уровень техники в отношении фокусировки в промышленной области - это объективы с механической фокусировкой. Такая фокусировка достигла своих пределов из-за перемещаемых масс (скорость), а также с точки зрения долговременной стабильности (износ механических элементов). Недостаток этого решения также состоит в том, что состояние при отсутствии напряжения не является оптически нейтральным, а представляет собой рассиевающую линзу. Кроме того, свободная апертура ограничена в соотношении с общим диаметром линзового элемента, в результате чего кольцеобразный блок питания находится в доминирующем положении по отношению к линзовому элементу, в частности в применениях на голове.
Изложенное говорит о том, что как элементы на основе принципа электросмачивания, так и мембранные линзы малопригодны и для гибридной оптики, и для оптических приборов для улучшения зрения или телескопических очков из-за своей конструктивной формы с крупногабаритными запитывающими устройствами и в силу своей массы.
Переключаемые линзы на основе жидких кристаллов не выказывают этих недостатков. Переключаемые бифокальные очки на основе жидких кристаллов основаны, как правило, на индуцированном полем изменении ориентации тонкого жидкокристаллического слоя внутри классической преломляющей линзы. Из-за контраста показателя преломления во включенном состоянии активируется дополнительный линзовый элемент, призванный давать возможность острого зрения вблизи. В выключенном состоянии этот линзовый элемент неактивен и преломляющей линзой обеспечивается острое зрение на дальнее расстояние. Переключение между состояниями может осуществляться вручную или посредством детектора наклона.
Для применений в веб-камерах или камерах мобильных телефонов обходятся линзами диаметром лишь в несколько миллиметров, что очень упрощает техническую проблему. Здесь ограничением является сильная поляризационная зависимость используемого эффекта, из-за которой либо снижается световая отдача по причине задействования дополнительных поляризаторов, либо конструкция элементов, вследствие альтернативной ортогональной комбинации двух элементов, заметно усложняется и таит дополнительные источники ошибок в процессе изготовления. Преимущество линз на жидкокристаллической основе состоит в том, что с их помощью можно реализовать, например, телескопические системы или фокусировочные приспособления, которые полностью обходятся без механических элементов, что открывает возможность получения надежной и не требующей технического обслуживания оптики и, кроме того, приводит к уменьшению массогабаритных показателей.
В преломляющих линзах возможная оптическая сила определяется, как правило, радиусом кривизны границы фаз между оптически более плотной и более разреженной средами и скачком показателя преломления. Подобное также справедливо для линз с переменным показателем преломления (англ. сокр. GRIN, от "gradient-index"), в качестве каковых также следует рассматривать плоские жидкокристаллические линзы. Здесь определяющими величинами являются радиальный скачок показателя преломления от центра к окраине, в сочетании с диаметром. У всех этих типов линз требуемый диаметр линзы ограничивает достижимую оптическую силу, когда толщина слоя среды должна оставаться постоянной. Если при определенной оптической силе диаметр линзы должен быть повышен, то также придется увеличить толщину слоя. Однако в жидкокристаллических линзах это приводит к квадратичному возрастанию необходимых напряжений переключения при одновременном убывании скорости переключения.
Преодолеть эти ограничения можно только посредством дифракционных линз, или, точнее фазных зонных пластинок. В отличие от зонных пластинок Френеля, основанных на амплитудной модуляции, в фазных зонных пластинках для достижения линзовой функции используется фазовый сдвиг величиной в половину длины волны. Из-за этого у них также значительно выше световая отдача, поскольку используется весь падающий свет, а не только половина, как в амплитудных зонных пластинках. Вдобавок за счет исполнения в виде голограммы Габора (когда вместо бинарного перехода зон имеет место синусообразный) типичная периодичность фокусной длины может быть уменьшена на определенную фокусную длину.
Традиционные жесткие оптические элементы из неорганических материалов, например, линзы из стекла или кристаллические светоделители, во все возрастающей степени заменяются изготавливаемыми из органических материалов. Хотя первые из упомянутых имеют преимущество за счет обладания превосходными оптическими свойствами и более высокой стабильностью, но они объемисты и характеризуются затратоемкостью технологии изготовления. Органические материалы существенно легче в обработке, в частности при придании им нужной структуры (метод литья под давлением, печатание, наноимпринтинг, 3D-печать, лазерное структурирование). Еще одно очень существенное преимущество состоит в том, что многие органические материалы реагируют на внешние стимулы, такие как свет, электрическое напряжение, температура и т.д., и благодаря их физическим свойствам изменяются, перманентно или обратимо. Наиболее ярким примером использования электрически переключаемых и управляемых оптических элементов на основании электрооптических эффектов ориентирования жидких кристаллов служит индуцированное напряжением переориентирование жидких кристаллов в жидкокристаллических дисплеях. Еще один пример - индуцированные напряжением изменения толщины или длины эластомеров, используемых в исполнительных механизмах (органах) или перестраиваемых решетках. Это открывает возможность реализации активных оптических систем, соответственно интеллектуальных систем, у которых обеспечена возможность целенаправленного регулирования, соответственно они активно реагируют на внешние условия.
Проблему же поляризационной зависимости можно было бы устранить за счет специальных жидкокристаллических систем, которые являются изотропными на макроскопическом уровне в направлении прохождения лучей. Это касается, например, систем на основе диспергированных в полимере жидких кристаллов (сокр. PDLC, от англ. "Polymer Dispersed Liquid Crystal") или полимерстабилизированных жидких кристаллов с голубыми фазами (изотропная жидкокристаллическая фаза, имеющая сложную пространственную структуру). Однако из-за повышенных взаимодействий с полимерными стенками требуются высокие напряжения переключения. Вдобавок к этому возникают, будучи обусловлены разделением фаз, повышенное рассеяние проходящего света, что существенно ограничивает пригодность этих базовых решений для изображающих оптических систем. Также интенсивно ведутся разработки концептуальных решений, направленных на уменьшение времени переключения, но в существующем на сегодняшний день уровне техники те подвижки в плане переключения, которые были бы достойны упоминания, ограничены значениями времени переключения в субмиллисекундном диапазоне.
Индуцированное напряжением ориентирование полярных молекул в жидкостях давно известно как оптический эффект Керра. Однако постоянные Керра традиционных жидкостей, таких, например, как нитробензол или сероуглерод, для применения в линзах являются слишком низкими, отличаясь на порядки от нужных, а напряжение переключения слишком высоко и превышает нужное на порядок.
В изотропных жидких кристаллах наблюдаются значительно более высокие постоянные Керра. Времена переключения находятся в миллисекундном диапазоне, ограничивающемся одноразрядными числами, или ниже. Некоторые из этих проблем жидкокристаллических систем и традиционных керровских жидкостей можно преодолеть за счет жидких кристаллов в их изотропной фазе с температурой выще точки просветления. При этом находят полезное применение эффекты предварительной ориентации жидких кристаллов в изотропных расплавах, возникающие незамедлительно по превышении точки просветления. Это приводит к бесполяризационным, быстро переключающимся и достаточно эффективным керровским системам. Однако крайне существенным недостатком является чрезвычайно сильная температурная зависимость эффекта. Можно резюмировать, что все варианты на основе принципа электросмачивания, жидкокристаллического ориентирования или сочетания мембран и текучих сред в плане оптических или геометрических параметров иногда имеют присущие им значительные ограничения.
Как продемонстрировал вышеизложенный разбор положения вещей в уровне техники, известны имеющие различные конструктивные исполнения устройства, в которых используется электрооптический эффект Керра, в частности для модуляции света. Недостатком для широкомасштабного промышленного применения является очень сильная температурная зависимость эффекта в сочетании с высокими рабочими напряжениями.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в разработке, соответственно изготовлении, электрически управляемого оптического элемента таким образом, чтобы на основе электрооптического эффекта Керра достичь низкого порогового и рабочего напряжения, минимизировать температурную зависимость эффекта и добиться короткого времени отклика.
Поставленная задача решается согласно изобретению электрически управляемым оптическим элементом, охарактеризованным в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, тем, что керровская жидкость включает в себя смесь из палочкообразных и непалочкообразных молекул, выступающую в качестве активной композиции, и керровская жидкость образует в тонкослойной ячейке тонкий слой с предварительно импринтируемой, редкосшитой, анизотропной сеткой между нанесенными на каждую подложку структурированными и/или плоскими токопроводящими слоями, таким образом, что в соответствии с электрооптическим эффектом Керра состояние активной композиции керровской жидкости при отсутствии электрического поля в области рабочих температур является изотропным, и за счет электрически непрерывного регулирования напряжения или его подачи / отключения создается изменение индуцированного напряжением фазового сдвига или скачка показателя преломления оптического элемента и свет проникает через межэлектродный промежуток перпендикулярно электродам.
Поставленная задача также решается согласно изобретению способом изготовления электрически управляемого оптического элемента, охарактеризованным в ограничительной части пункта 9 формулы изобретения, тем, что
а) формируют керровскую жидкость, включающую в себя смесь из палочкообразных и непалочкообразных молекул, выступающих в качестве активной композиции, реакционноспособных мезогенов, фотоинициаторов и алифатических мономеров,
б) заполняют керровской жидкостью ячейку Керра, выполненную в форме тонкослойной ячейки,
в) охлаждают керровскую жидкость до температуры ниже комнатной температуры, при которой формируется жидкокристаллическая фаза с гомеотропной ориентацией,
г) подвергают гомеотропно ориентированные слои ультрафиолетовому облучению с созданием в результате радикалов, порождающих полимеризацию ориентированных реакционносопособных полумезогенов, таким образом, что в керровской жидкости возникает редкосшитая, слабосшитая анизотропная сетка из мезогенов, сшитых с алифатическими мономерами,
так, что при отсутствии напряжения в области рабочих температур композиция из палочкообразных молекул с большим дипольным моментом и непалочкообразных, диполярных молекул снова является изотропной, а при приложении напряжения молекулы композиции ориентируются в направлении линий электрического поля.
В настоящем изобретении используется электрооптический эффект Керра (см. также одноименную статью в немецкоязычной версии интернет-справочника "Wikipedia", с адресом по ссылке https://de.wikipedia.org/wiki/Kerr-Effekt) в изотропных жидкостях. Соответственно, речь идет о жидкокристаллических состояниях. В частности, в предлагаемом в изобретении оптическом элементе усиление оптического эффекта Керра вызывается за счет самоорганизации на основании предварительно импринтируемой, редкосшитой, слабосшитой анизотропной сетки. Тем самым указанные выше недостатки могут быть неожиданным образом устранены за счет использования предлагаемых в изобретении композиций и за счет предлагаемой в изобретении технологии изготовления, которые приводят к особым конфигурациям ячейки в предлагаемой в изобретении тонкослойной ячейке. Состояние предлагаемых в изобретении активных композиций при отсутствии электрического поля в области рабочих температур является изотропным. Не существует доменов или микродоменов упорядоченных молекул, которые могли бы привести к рассеянию. В частности, формируются фиксированные мезогенные кластеры, также являющиеся составной частью смеси-предшественника (т.е. выступают в качестве исходных материалов для дальнейшего щага синтеза). Они повышают эффект Керра и минимизируют его температурную зависимость. Вся композиция остается в жидком изотропном состоянии.
Предлагаемые в изобретении оптические тонкослойные элементы, в основу которых заложено указанное решение, представляют собой электрически непрерывно управляемые или, в качестве альтернативы, переключаемые между определенными состояниями, фазовые модуляторы, линзы и оптические приборы для улучшения зрения. Их отличительной особенностью является оптическая изотропия, т.е. они являются бесполяризационными и не дают рассеяния. Они реализуются с электрооптическими активными композициями, которые можно использовать без поляризации в направлении передачи и характеризуются высоким электрически индуцируемым фазовым сдвигом и/или скачком показателя преломления. В частности, для случая применения в качестве оптических приборов для улучшения зрения диапазон рабочих напряжений постоянного напряжения U находится между 15 и 40 В, предпочтительно составляя от 25 до 30 В.
Предлагаемый в изобретении способ обеспечивает изготовление бесполяризационных, электрически переключаемых оптических элементов на основе тонкослойных ячеек с инновационными электроактивными жидкостями, ориентация которых усиливается за счет взаимодействия полярных палочкообразных молекул в анизотропных полимерных сетках. Технический результат, выражающийся в заметно повышенной модуляции показателя преломления, соответственно фазовых сдвигах, при коротких временах переключения и пониженном напряжении, достигнут за счет строения молекул и усиления эффекта Керра вследствие самоорганизации. Можно привести следующие примеры для электрически переключаемых, или управляемых, линз, в частности для оптических приборов для улучшения зрения:
а) имеющие быстрое электрическое переключение оптические отдельные элементы для оптических приборов для улучшения зрения
б) перенастраиваемые оптические приборы для улучшения зрения с индивидуальной регулировкой
в) переключаемая усилительная система для телескопических очков.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения, изложенном в пункте 2 формулы изобретения, тонкослойная ячейка имеет две стеклянные или полимерные подложки, внутренняя поверхность каждой их которых снабжена токопроводящим электродом на основе оксидов индия и олова, выступающим в качестве токопроводящего слоя, и находящимся на нем ориентирующим слоем, и предварительный импринтинг для редкосшитой анизотропной полимерной сетки осуществляется посредством подмешанных в охлажденную керровскую жидкость фотоинициаторов, алифатических мономеров и реакционноспособных мезогенов, выстраивания палочкообразных молекул в результате приложения напряжения и ультрафиолетового облучения керровской жидкости.
Преимущество этого варианта выполнения состоит в том, что неожиданным образом примерно половина скелета молекулы может быть сформирована мезогенной и характеризуется выраженными взаимодействиями с полумезогенами композиций, а другая примерно половина скелета молекулы является немезогенной, при этом отклонение от палочкообразной структуры не снижает величину диэлектрической анизотропии.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, изложенном в пункте 3 формулы изобретения, приводящий к гомеотропной ориентации ориентирующий слой содержит фотосшиваемые, соответственно фотополимеризуемые группы, и анизотропная сетка ковалентно прикреплена к обеим граничным поверхностям подложек, в результате чего сетка остается в своей анизотропной форме даже при становлении керровской жидкости изотропной в результате повышения температуры в рабочей области до приблизительно комнатной температуры.
Преимущество этого варианта выполнения состоит в том, что неожиданным образом действие ориентирующего слоя усиливает гомеотропную ориентацию (т.е. ту, при которой молекулы ориентируются перпендикулярно подложкам) и сетка в тонкослойной ячейке фиксирована на обеих граничных поверхностях подложек.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и подробности изобретения приведены в нижеследующем описании предпочтительного варианта выполнения предлагаемого элемента и предпочтительного варианта осуществления предлагаемого способа, сделанном со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - предпочтительный вариант выполнения электрически управляемого оптического элемента, слева - в исходном состоянии, а справа - после предварительного (молекулярного) импринтинга;
на фиг. 2 - оптический элемент, показанный на фиг. 1, при примерно комнатной температуре RT, слева - без нагружения напряжением U, справа - после приложения напряжения U;
на фиг. 3 - компонентный состав изотропной керровской композиции;
на фиг. 4 - архитектура полумезогенов в предпочтительной форме их реализации; и
на фиг. 5а, 5б - вариант выполнения для многомерной анизотропной сетки.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 и 2 показан предпочтительный вариант выполнения электрически управляемого оптического элемента, в частности, для пояснения предлагаемых в изобретении обеспечивающих эффект Керра изотропных композиций керровской жидкости K на основе смесей палочкообразных молекул 5 и непалочкообразных молекул 4 в анизотропных сетках 9. При этом использованные в дальнейшем описании понятия имеют следующие значения, как это показано на фиг. 3:
жидкий кристалл + полумезоген = изотропная смесь,
изотропная смесь + реакционноспособные мезогены + алифатический мономер + фотоинициатор + прочие - это смесь-предшественник,
смесь - предшественник + ультрафиолетовое облучение - это (предлагаемая в изобретении) композиция.
Характерной особенностью предлагаемых в изобретении композиций 4, 5 керровской жидкости K является подходящая комбинация палочкообразных молекул 5 с большим дипольным моментом, а также непалочкообразных диполярных молекул 4, препятствующих образованию упорядоченных состояний, таких, например, как жидкокристаллические фазы, фотосшиваемых моно-, би- и трифункциональных молекул, в частности реакционноспособных мезогенов 8, и фотоинициаторов 6. Фотоинициаторы представляют собой химические соединения, которые после поглощения (ультрафиолетового) света распадаются в ходе реакции фотолиза с образованием химически активных особых видов химических соединений, которые запускают (инициируют) реакцию, применительно к предлагаемой в изобретении керровской жидкости K - полимеризацию. При упоминании химически активных особых видов химических соединений речь идет о радикалах или катионах. При этом другие компоненты, такие как молекулы с нековалентными взаимодействиями и фиксированные мезогенные кластеры, заметно улучшают желательные свойства.
Непалочкообразные диполярные молекулы (полумезогены) 4 подавляют образование жидкокристаллической фазы при комнатной температуре, соответственно в области RT рабочих температур. Их функция состоит в том, чтобы понизить точку просветления жидкокристаллических фаз палочкообразных молекул 5. Достичь такого уравновешенного понижения точки просветления можно, среди прочего, например, за счет объемистых боковых групп, латеральных заместителей, за счет меньшего соотношения между длиной и шириной, за счет отклонений от палочкообразной структуры.
С другой стороны, форма молекулы полумезогенов 4, их молекулярные взаимодействия и их концентрация подобраны с тем расчетом, что при низких температурах ниже области рабочих температур (T<RT) они позволяют формирование гомеотропной ориентации смеси. Следовательно, одна половина скелета молекулы представляет собой полумезоген и характеризуется выраженными взаимодействиями с мезогенами композиции, а другая половина не является мезогенной, при этом отклонение от палочкообразной структуры не снижает величину диэлектрической анизотропии. Вместе с тем, для этих молекул характерен максимально высокий дипольный момент, благодаря чему они дают вклад в силу эффекта Керра композиции.
В результате ультрафиолетового облучения (предпочтительно с помощью силовых диодов ультрафиолетового света) гомеотропно ориентированных слоев создаются радикалы, вызывающие полимеризацию ориентированных реакционноспособных мезогенов 8. В результате этого возникает редкосшитая (крупноячеистая), слабосшитая анизотропная сетка 9. При комнатной температуре, соответственно, в области RT рабочих температур композиция из палочкообразных молекул с большим дипольным моментом и непалочкообразных, диполярных молекул снова является изотропной. При приложении напряжения U молекулы композиции 4, 5 ориентируются в направлении линий электрического поля (гомеотропно, т.е. перпендикулярно поверхностям подложек) (см. фиг. 1 слева).
В варианте выполнения обуславливающий гомеотропную ориентацию ориентирующий слой 3 содержит фотосшиваемые, соответственно фотополимеризуемые группы. В этом случае анизотропная сетка 9 ковалентно прикрепляется к обеим граничным поверхностям подложек, в результате чего сетка особенно устойчиво остается в своей анизотропной форме даже тогда, когда композиция 4, 5 становится изотропной за счет повышения температуры до значения в рабочей области (приблизительно комнатной температуры) RT.
Имеющая полимерную основу анизотропная матрица, или анизотропная сетка 9, служит для поддержания вызванного приложением электроэнергии состояния переключения и понижает напряжение переключения. Она создается в смеси-предшественнике 4, 5 активного материала особым способом. Создание вспомогательной сетки 9 не вызывает сколько-нибудь ощутимого на макроуровне разделения фаз, как это имеет место в случае полимерстабилизированных голубых фаз, полимерстабилизированных изотропных фаз и изотропных полимердиспергированных фаз.
Редкосшитая анизотропная полимерная сетка 9 своей ориентирующей функцией (объемное (не только по поверхности, а во всей толще) ориентирование, ориентирующий слой 3) вызывает улучшение постоянства температуры, низкие напряжения переключения и усиливает оптический эффект Керра за счет самоорганизации.
В крайнем случае при приложении достаточно высокого напряжения U и подходящих межмолекулярных взаимодействиях точно подобранного состава композиции 4, 5 уже образуется жидкокристаллическая фаза, и только лишь благодаря этим факторам.
Для получения меньшей температурной зависимости за счет стабилизации вследствие фиксации порядка в керровской жидкости K в редкосшитой анизотропной полимерной сетке 9 может быть достигнут эффект Керра изотропных композиций с наноразмерными кластерами и наночастицами из имеющих анизотропию формы молекул с большим дипольным моментом. Для этого наноразмерные кластеры и наночастицы молекул 4 с анизотропией формы, фиксирующихся в своем упорядоченном расположении за счет ковалентных связей или межмолекулярных взаимодействий, используются в качестве компонента смеси-предшественника 4, 5. Такие наноразмерные анизотропные кластеры и наночастицы расширяют вышеупомянутый подход с получением эффекта Керра изотропной композиции на основе смесей палочкообразных молекул 5 и непалочкообразных молекул 4 в анизотропных сетках 9. Отличие состоит в том, что палочкообразные молекулы 5 с большим дипольным моментом существуют в форме наноразмерных кластеров и наночастиц с фиксацией в упорядоченном расположении (аналогично эффекту предварительного упорядочивания скоплений при малейшем превышении точки просветления нематической фазы). Такие кластеры и наночастицы малы и имею наноскопические размеры (от 1 до 200 нм, предпочтительно от 5 до 20 нм). Из-за наноскопического размера они не вызывают рассеяния композиции. Палочкообразные молекулы 5 с химически активными группами (реакционноспособными мезогенами) при малейшем превышении точки просветления могут фиксироваться за счет фотополимеризации в образовавшихся капельных вкраплениях, наночастицах или нематических предварительно упорядоченных скоплениях. Вместо фиксации за счет ковалентных связей это также может происходить за счет нековалентных межмолекулярных взаимодействий (водородных мостиковых связей, ионных взаимодействий и пион-пионных взаимодействий (далее - ππ-взаимодействий), что также приводит к более стабильным упорядоченным наноскопическим расположениям молекул. Такие молекулярные кластеры, соответственно сферические и асферические наночастицы, диспергируются в смеси-предшественнике 4, 5. Получающиеся в результате композиции представляют собой изотропные нерассеивающие жидкости.
Упорядоченно фиксированные кластеры и наночастицы на основе имеющих анизотропию формы молекул вызывают, с одной стороны, повышение эффекта Керра за счет своего в высокой степени стабильного порядка ориентирования и минимизируют, в частности, выраженную температурную зависимость эффекта Керра в растворах или жидкокристаллических материалах для температур выше точки просветления.
Для получения в керровской жидкости K меньшей температурной зависимости, за счет разницы между температурной зависимостью межмолекулярного комплексообразования и температурной зависимостью эффекта предварительного упорядочивания, эффект Керра изотропных композиций на основании возникающих в результате комплексообразования, имеющих анизотропию формы молекул 5 с большим дипольным моментом, может быть достигнут за счет межмолекулярных взаимодействий в редкосшитой анизотропной полимерной сетке 9. Для этого сначала за счет межмолекулярных взаимодействий, например, водородных мостиковых связей, ионных взаимодействий и ππ-взаимодействий (таких, например, как пиридина с кислотой, кислоты с кислотой и тому подобных) образуются палочкообразные молекулы 5 с большим дипольным моментом. Разница температурных зависимостей межмолекулярных взаимодействий и эффекта предварительного ориентирования идет на пользу стабилизации эффекта. Таким образом, за счет нековалентных межмолекулярных взаимодействий повышается стремление к упорядочиванию палочкообразных молекул 5 - в соответствии с вышеупомянутым подходом, где эффект Керра имеет место в изотропной композиции на основе смесей палочкообразных и непалочкообразных молекул 4, 5. Вследствие этого за счет самоорганизации возникает индуцированный напряжением эффект упорядочивания, или усиления, приводящий к высоким значениям постоянных Керра.
Для получения в керровской жидкости K меньшей температурной зависимости, за счет разницы между температурной зависимостью межмолекулярного комплексообразования и температурной зависимостью эффекта предварительного упорядочивания, может быть достигнута термическая стабилизация эффекта Керра изотропной композиции с не имеющими анизотропию формы молекулами, образующимися за счет межмолекулярных взаимодействий. При этом первым делом за счет межмолекулярных взаимодействий, например, водородных связей, ионных взаимодействий либо ππ-взаимодействий, образуются непалочкообразные полумезогены 4. В результате образования полумезогенов 4 при комнатной температуре, соответственно в области RT рабочих температур, генерируется изотропная фаза. Повышение температуры приводит к ослаблению нековалентных взаимодействий и комплексы (частично) расщепляются. Таким образом, их концентрация снижается и, следовательно, становится возможным управление тенденцией упорядочивания. Термически индуцированный распад комплексов, т.е. уменьшенное образование, например, водородных мостиковых связей, ликвидирует размытость заряда, возникшую в результате комплексообразования, и фрагменты получают более высокий дипольный момент. Таким образом, с повышением температуры композиция получает повышенную диэлектрическую анизотропию и поддерживается эффект Керра.
Использование предлагаемых в изобретении активных композиций 4, 5 и применение их в тонких слоях между структурированными или/и плоскими электродами 2 открывает возможность реализации разных устройств во многих сферах применения, среди которых:
преломляющие и дифракционные оптические элементы,
линзы с непрерывным электрическим управлением или с возможностью переключения между двумя состояниями,
линзы с непрерывным электрическим управлением и возможностью локального модифицирования (коррекционные линзы, асферические линзы),
локально и по фактической ситуации в процессе работы, непрерывно регулируемые оптические приборы для улучшения зрения или оптические приборы для улучшения зрения, переключаемые между двумя состояниями (подключаемая деталь для рассмотрения предметов вблизи),
дифракционные решетки с электрическим управлением,
поляризационно-независимые фазовые модуляторы.
Далее приведено подробное описание конструкции предлагаемого в изобретении электрически управляемого оптического элемента, сделанное со ссылками на фиг. 1 и 2.
Подложки 1 ячейки:
Подложки ячейки могут быть выполнены из стекла или пластмассы. Подложки могут быть плоскими, вогнутыми или выпуклыми, либо также иметь микролинзы. Подложки 1 удерживаются разделительной проставкой (деталями из стеклянного или пластмассового волокна, либо мельчайшими шариками, либо созданными методом литографии полимерными структурами) на равномерном расстоянии величиной несколько микрометров. На торцах обе подложки 1 скреплены друг с другом при помощи оптического клея.
Электроды 2:
Стеклянные или пластмассовые подложки 1 снабжены прозрачными электродами 2, предпочтительно представляющими собой электроды из оксидов индия и олова, металлов, или электропроводных полимеров, которые нанесены на подложки 1, среди прочего, методами ионного распыления, термического напыления и печатания. Электроды 2 могут быть сформированы на большой площади или в виде структурного рельефа, при этом структурирование может осуществляться путем печатания посредством масок-трафаретов при нанесении электродов. В качестве альтернативы в рамках изобретения могут быть структурированы занимающие большую площадь электроды.
Ориентирующие слои 3:
На состоящие из оксидов индия и олова электроды 2 наносятся тонкие покрытия из ориентирующих слоев 3 (толщиной от 20 нм до 1 мкм), обуславливающих гомеотропную ориентацию композиции при низких температурах, т.е. ниже области рабочих температур (T<RT). Для этого в рамках изобретения используются полимеры, среди прочих такие как полиимид, поливиниловый спирт, фоточувствительные полимеры, лецитин.
В качестве необязательного дополнения ориентирующий слой 3 содержит (фото-)сшиваемые группы, позволяющие формировать ковалентную связь с реакционноспособными мезогенами, соответственно образованными из них сетками 9.
Композиция 4, 5:
В рабочей области вблизи комнатной температуры RT композиция является изотропной. При низких температурах за счет ориентирования граничными поверхностями с помощью ориентирующих слоев достигается анизотропное состояние. Это анизотропное промежуточное состояние необходимо исключительно для формирования анизотропной сетки 9 путем фотополимеризации реакционноспособных мезогенов 8. Затем, в области RT рабочих температур, снова достигается изотропное состояние полярных, палочкообразных и непалочкообразных молекул 4, 5.
Во время изготовления и при эксплуатации предлагаемого в изобретении электрически управляемого оптического элемента имеют место следующие состояния:
1. Изотропное исходное состояние композиции-смеси 4, 5 между подложками 1 при комнатной температуре RT.
2. Гомеотропное состояние при низких температурах перед фотополимеризацией (см. фиг. 1 слева).
3. Гомеотропное состояние с анизотропной сеткой, сгенерированной путем фотополимеризации при низких температурах (см. фиг. 1 справа).
4. Изотропное состояние с анизотропной сеткой при комнатной температуре RT за счет отключения напряжения U (см. фиг. 2 слева).
5. Ориентирование композиции за счет приложения электрического напряжения U. Ориентирование поддерживается анизотропной сеткой 9 (см. фиг. 2 справа).
За счет комбинации смесей с имеющими высокую анизотропию (Δn) материалами нового типа, упорядочивания регулируемых, соответственно расщепляемых и вносящих вклад в эффект Керра компонентов и генерирования анизотропных полимерных сеток 9, происходящего "по месту событий", предлагаемые в изобретении композиции, по сравнению с использованием эффекта Керра в обычных жидкостях, имеют значительное повышение индуцированной напряжением модуляции независимых от поляризации оптических свойств. При этом композиции построены из различных функциональных компонентов:
Во-первых, это палочкообразные молекулы 5 с большим дипольным моментом, у которых стремление к упорядочиванию в области рабочих температур снижается за счет диполярных молекул с ограниченной мезогенностью (полумезогенов 4). При этом полумезогены 4 играют решающую роль, поскольку они функционируют практически как помеха против палочкообразных имеющих высокую анизотропию (Δn) соединений и, таким образом, их стремление к упорядоченности в области рабочих температур частично снижается и предотвращается образование упорядоченных состояний, таких как жидкокристаллические фазы. Но поскольку они также имеют высокую диэлектрическую анизотропию, они дают свой посильный вклад в эффект Керра.
Еще один существенный компонент - это фотосшиваемые реакционноспособные мезогены 8, скомбинированные с фотоинициатором 6. При температуре ниже области рабочих температур существуют исходные смеси в нематической жидкокристаллической фазе, которые могут быть гомеотропно ориентированы за счет эффектов на граничных поверхностях и/или электрического напряжения. Ультрафиолетовое облучение в этом состоянии, вызывая фотополимеризацию реакционноспособных мезогенов 8, приводит к образованию редкосшитой, слабосшитой, анизотропной и оказывающей ориентирующее действие сетки 9. Однако получающиеся в результате композиции при комнатной температуре, соответственно в области рабочих температур, являются изотропными, не рассеивающими и оптически прозрачными. Тем не менее, если приложено достаточно высокое электрическое напряжение, то полярные палочкообразные молекулы 5 изотропной жидкости ориентируются в направлении линий электрического поля перпендикулярно подложкам, в результате чего изменяется показатель преломления. При этом анизотропная сетка 9 поддерживает ориентирование полярных палочкообразных молекул 5 композиции за счет эффекта предварительного упорядочивания и тем самым усиливает оптический эффект Керра. В результате достигается существенно более сильная модуляция показателя преломления при меньших напряжениях переключения, по сравнению с таковыми параметрами для известных из уровня техники устройств. Помимо этого, существенно уменьшается температурная зависимость процесса, что и делает возможным его использование в технике. Необходимый индуцированный напряжением скачок показателя преломления, соответственно фазовый сдвиг, создается в предлагаемых в изобретении композициях на основе электрооптического эффекта Керра. Изотропные жидкие композиции характеризуются очень короткими временами переключения.
В вышеописанной конфигурации все состояния переключения симметричны к направлению излучения и тем самым являются поляризационно независимыми. По совокупности, предлагаемые в изобретении композиции позволяют использование электрооптического базового эффекта для изготовления тонкослойных элементов с функцией линз, поскольку значительно повышается величина модуляции показателя преломления, уменьшается время переключения и снижается требуемое напряжение переключения. При этом в рамках изобретения в качестве базовых элементов могут быть изготовлены дифракционные линзы, в которых задействуются опытные образцы предложенных инновационных композиций. Альтернативное решение, которым является создание активных зонных пластинок Френеля (фазового типа) требует изготовления кольцеобразных апериодических электродообразующих структур и обеспечения их контактирования. Кольцевые электроды можно изготавливать на основе оксидов индия и олова. Оба метода подходят для реализации переключаемых линз, френелевских структур в подложке или в активном материале, при этом предлагаемая в изобретении переключаемая дифракционная тонкослойная линза может быть продумана и адаптирована для различных оптических применений, что подробнее разъяснено ниже.
Как изложено ранее, переключаемые линзы на основе принципа электросмачивания и изготавливаемые из эластомерных мембран для оптических приборов для улучшения зрения и телескопических очков малопригодны из-за их массы, объемистых энергоснабжающих компонентов и ограниченности апертуры. Для изготовления гибридной оптики эти подходы также могут быть полезны лишь ограниченно.
У переключаемых линз на основе жидких кристаллов этих недостатков не наблюдается. Однако этот подход сильно ограничивает поляризационная зависимость ориентированных жидких кристаллов. Для преодоления этого недостатка необходимо использовать дополнительные оптические компоненты, такие, например, как поляризаторы или несколько ЖК-элементов с противоположной ориентацией жидких кристаллов (см. A.Y.G.; Ko, S.W.; Huang, S.H.; Chen, Y.Y.; Lin, Т.Н., Opt. Express 2011, 19, 2294-2300), либо противоположно ориентирующие слои (см., в частности Ren, Н.; Lin, Y.H.; Fan, Y.H.; Wu, S.T. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 141110; Lin, Y.H.; Ren, H.; Wu, Y.H.; Zhao, Y.; Fang, J.; Ge, Z.; Wu, S.T, Opt. Express 2005, 13, 8746-8752; Wang, В.; Ye, M.; Sato, S., Opt. Commun. 2005, 250, 266-273). Однако в результате этого уменьшается световая отдача, конструкция системы заметно усложняется и появляются дополнительные источники ошибок в процессе изготовления.
В изотропных же ЖК-элементах на основе диспергированных в полимере жидких кристаллов имеется сильное рассеяние капель различной ориентации в исходном состоянии "выключено". Наносистемы на основе диспергированных в полимере жидких кристаллов, которые в обоих состояниях оптически почти прозрачны, также имеют остаточное рассеяние. Кроме того, необходимое напряжение переключения сравнительно высоко, а время переключения из-за взаимодействия наноразмерных капель с включающей их полимерной матрицей заметно длиннее, чем у других ЖК-элементов.
Поскольку у ЖК-элементов процесс диэлектрической переориентации (особенно в состоянии при отсутствии поля), как правило, происходит относительно медленно, в последние годы предпринимались многочисленные изыскания в попытке достижения более коротких времен переключения жидкокристаллических дисплеев и для иных ЖК-элементов. Можно привести следующие примеры: оптимизация вязкоупругих параметров нематических жидких кристаллов, перевозбуждение системы (см. D.-K. Yang and S.-T. Wu, Fundamentals of Liquid Crystal Devices (John Wiley, New York, 2006)), "новое ориентирование" нематиков в субмикронных матрицах-темплатах на основе полимерной сетки (см. J. Xiang and О.D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 103, 051112 (2013)) или же "двухчастотные" жидкие кристаллы (DFLC, сокр. от англ. "Dual Frequency Liquid Crystals") (см. В. Golovin, S.V. Shiyanovskii, and O.D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 83, 3864 (2003)), поверхностно-стабилизированные сегнетоэлектрические жидкие кристаллы (сокр. SSFLC, от англ. "surface-stabilized ferroelectric liquid crystal") или хиральные смектики (см. G. Polushin, V.В. Rogozhin, and Е.I. Ryumtsev Doklady Physical Chemistry, 2015, Vol. 465, Part 2, pp. 298-300).
8
Эффект Керра, основанный на ориентировании полярных молекул (см., например, Bing-Xiang Li, Volodymyr Borshch, Sergij V. Shiyanovskii, Shao-Bin Liu; Oleg D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 104, 201105 (2014)) и не требующий диэлектрического переориентирования директора ориентированных жидких кристаллов (эффект Фредерикса), имеет времена переключения в наносекундном диапазоне (1-33 нс). Однако необходимое в традиционных керровских жидкостях напряжение переключения составляет несколько сотен вольт (300-900 В, Е=~10 В/м), при этом электрически индуцированное двойное лучепреломление достигает значений от 0,001 до 0,01. Эти подходы ограничены усложненными схемами управления, гистерезисной характеристикой, а также нестабильными состояниями переключения (Su Xu, Yan Li, Yifan Liu, Jie Sun, Hongwen Ren, Shin-Tson Wu, Micromachines 2014, 5, 300-324).
Альтернативой выступают голубые фазы жидких кристаллов, которые имеют сложную пространственную (трехмерную) структуру, но в состоянии при отсутствии поля являются оптически изотропными. Они характеризуются короткими временами переключения, но непригодны для линзовых применений из-за очень малых температурных пределов существования фаз. Усиленные полимерами голубые фазы (PSBP, см. Su Xu, Yan Li, Yifan Liu, Jie Sun, Hongwen Ren, Shin-Tson Wu, Micromachines 2014, 5, 300-324) демонстрируют более высокую модуляцию показателя преломления, с актуальными для конкретного применения областями существования, но имеют относительно высокие напряжения переключения и значительные эффекты рассеяния в выключенном состоянии (см. Y. Haseba and Н. Kikuchi, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2007, 470,1; Young-Cheol Yang and Deng-Ke Yang Applied Physics Letters 98, 023502, 2011).
Ориентирование полярных молекул в электрическом поле давно известно как оптический эффект Керра. Однако постоянные Керра традиционных жидкостей, таких, например, как нитробензол или сероуглерод, для применения в линзах являются слишком низкими, отличаясь на порядки от нужных, а напряжение переключения для соответствующих толщин слоя слишком высоко и превышает нужное на порядок. Заметно более высокие постоянные Керра, с временами переключения в миллисекундном и субмиллисекундном диапазоне, имеют изотропные расплавы нематических жидких кристаллов (см. F. Costache, М. Blasl Optik & Photonik Volume 6, Issue 4, pages 29-31, December 2011). Это приводит к бесполяризационным, обладающим быстрым переключением и эффективным керровским системам. Эффект имеет две очевидные причины. Во-первых, палочкообразные полярные жидкие кристаллы с продольно проходящей π-системой обуславливают высокие постоянные Керра. Вторую же причину можно усмотреть в нематическом эффекте предварительного ориентирования скоплений (так называемых "роев") молекул при превышении точки просветления. Существенным недостатком этого подхода является возникающая в результате этого чрезвычайно сильная температурная зависимость эффекта.
Описанные недостатки удалось преодолеть посредством предлагаемых в изобретении изотропных композиций. За счет комбинации изотропных мезогенов и полумезогенных смесей в анизотропных полимерных сетках 9 достигаются высокие значения модуляции показателя преломления при соответствующих высокому быстродействию временах переключения и умеренных напряжениях переключения. Общую идею предложенного инновационного материала можно использовать для изготовления электрически переключаемых, или управляемых, оптических линз и других оптических элементов на основе оптического эффекта Керра.
Для этого были подобраны жидкокристаллические соединения с очень высокой анизотропией показателя преломления и, в увязке с этим, разработаны и смешаны с этими соединениями изотропные полумезогены, так что полученные в итоге смеси этих двух компонентов обладают только лишь латентно жидкокристаллическими свойствами. В частности, без приложения электрического напряжения в области рабочих температур они существуют в виде изотропных жидкостей. Предлагаемые в изобретении полумезогены 4 по своей структуре, сочетанию их свойств и функции представляют собой новый класс функциональных материалов. Далее более подробно описано регулирование требуемых для них свойств за счет подходящего строения молекул и эффективных путей синтеза.
Предлагаемые в изобретении композиции требуют точного регулирования оптических и динамических свойств, а также межмолекулярных взаимодействий основных компонентов этих смесей (см. фиг. 3), в состав которых входят:
- жидкокристалличекие соединения с повышенной анизотропией показателя преломления;
- полумезогены 4, служащие для регулирования упорядочивания;
- фотополимеризуемые реакционноспособные мезогены 8 для образования анизотропной сетки 9.
Согласно изобретению керровские смеси содержат палочкообразные жидкие кристаллы 5 с большой анизотропией показателя преломления. За счет их смешивания с полумезогенами 4 их высокая тенденция к упорядоченности, а также их высокие температуры плавления и просветления понижаются таким образом, что в области RT рабочих температур смеси существуют в виде изотропных жидкостей. В весьма затратных и трудоемких сериях экспериментальных исследований были испытаны различные подходы для регулирования этой комбинации свойств на молекулярном уровне, в том числе: путем регулирования подходящих соотношений длины и ширины, варьированием длины жестких ароматических циклических систем, длины и разветвленности боковых групп и варьированием полярности головной группы, т.е., если обобщить, путем регулирования подходящих межмолекулярных взаимодействий, подавляющих ЖК-фазу. В силу своего строения полярные полумезогены 4 также могут быть ориентированы в электрическом поле, но подавляют жидкокристаллические свойства смесей. Эти полумезогены 4 имеют жидкокристаллические свойства только лишь потенциально, являясь изотропными жидкостями с только лишь латентно жидкокристаллическими свойствами.
Ввиду также требуемых оптических и электрооптических свойств керровских смесей, полумезогены 4 нельзя заменить каким-либо произвольным растворителем. Расстройство и регулирование порядка ориентирования жидких кристаллов согласно изобретению происходит определенным образом. Так, получаемые в конечном итоге смеси в рабочей области должны существовать в виде оптически изотропной жидкости, однако они имеют тенденцию нематического предварительного ориентирования. Однако при низких температурах они должны быть жидкокристаллическими и могут приобретать гомеотропную ориентацию за счет ориентирующего слоя или в результате приложения электрического поля. Этот определенный порядок ориентирования необходим для построения анизотропной сетки путем фотополимеризации при низких температурах.
Полумезогены 4 должны выполнять еще и другие функции. Так, за счет их молекулярного строения они согласно изобретению также дают вклад в оптический эффект Керра. Поэтому они также должны иметь высокую диэлектрическую анизотропию, вносить вклад в высокую анизотропию показателя преломления, а также поддерживать получаемое совместным действием ориентирование смесей в электрическом поле. Данное сочетание этих различных свойств достигается за счет следующих структурных признаков:
(1) расстройство жидкокристаллического порядка должно достигаться за счет вторичного или третичного разветвления алкильных боковых групп и/или за счет латеральных заместителей.
(2) высокая диэлектрическая анизотропия, высокие постоянные Керра, что соответствует высоким значениям анизотропии показателя преломления, достигаются варьированием полярной головной группы, а также за счет введения гетероциклов в жесткую часть молекулы.
Принципиальная архитектура полумезогенов 4 приведена на фиг. 4.
Описанную функциональность изотропных полумезогенов 4 можно получить на основе подходящим образом замещенных бифенилов. В частности, разветвленные боковые группы весьма ощутимо увеличивают ширину молекулы и приводят к заметному снижению температур переходов. За счет измененного соотношения между длиной и шириной может предотвращаться образование нематической фазы, или же область существования такой фазы может сильно сокращаться. Достигается это за счет встраивания, например, метальных и этильных групп в качестве ветвления алифатических боковых групп, при этом очень важное значение имеет положение ветвления в боковой группе.
Эти структурные свойства далее проиллюстрированы:
а) для боковой группы с вторичным ветвлением, R=CN
и
б) для боковой группы с третичным ветвлением, R=CN
Цели синтезирования изотропных полумезогенов 4 с высокой диэлектрической анизотропией Δε и высокой оптической анизотропией Δn может способствовать, например, наличие полярной головной группы. В качестве особенно подходящих групп, которые, с одной стороны, вносят крупный вклад в электрически индуцируемое двойное лучепреломление, а с другой стороны - дают вклад в высокую диэлектрическую анизотропию, имеют преимущество следующие заместители в параположении бифенильной структуры, а именно при замещении мезогенной единицы полярными головными группами:
1
R=CN, -NCS, -Hal (F, Br, Cl)
Кроме того, повысить постоянный дипольный момент полумезогенов 4, а тем самым и их диэлектрическую анизотропию Δε, можно за счет замены фенильных колец гетероароматическими ядрами. В то время как гетероароматические ядра геометрию изменяют лишь очень незначительно, согласно опубликованным сведениям [A. Boller, М. Cereghetti, Н. Scherrer, Z. Naturforsch., Teil В, 33, 433 (1978)] ожидается усиленное влияние на диэлектрические свойства, при этом положение гетероатома, соответственно также гетероароматического элемента по сравнению с головной группой следует выбирать таким образом, чтобы получить аддитивное поведение дипольных моментов. Помимо повышения диэлектрической анизотропии также следует ожидать возрастания анизотропии поляризуемости, а тем самым и повышенного двойного лучепреломления. Это проиллюстрировано ниже, в частности, для полумезогена 4 с пиримидиновым кольцом и варьированием головной группы:
1
R=-CN, -NCS, -Hal (F, Br, Cl)
Кроме того, диэлектрическую анизотропию можно повысить за счет полярных групп на жестких кольцах. Латеральные заместители одновременно могут противодействовать частичной компенсации дипольных моментов за счет образования димеров.
Так, в частности, введение двух атомов фтора в 3,5-положение дает повышение диэлектрической анизотропии на 8,5 единиц (см. P. Kirsch, A. Hahn, Eur. J. of Org. Chem. (2005), (14), 3095-3100). В случае латерального 3,5-замещения сохраняется парциальный электрический заряд вдоль продольной оси молекулы (т.е. дипольный момент параллельно продольной оси), результатом чего является положительная диэлектрическая анизотропия. Одновременно наличие латеральных заместителей вызывает понижение температур переходов. В частности, повышение диэлектрической анизотропии за счет введения полярных заместителей проиллюстрировано ниже.
Согласно изобретению за счет анизотропной полимерной сетки 9 осуществляется поддержка индуцированного полем ориентирования изотропной смеси. Обеспечиваемый сеткой 9 ориентирующий эффект памяти в сочетании с нематическим эффектом предварительного упорядочивания латентно жидкокристаллических композиций усиливает оптический эффект Керра.
Еще одна важная задача сетки 9 состоит в значительном понижении температурной зависимости эффекта Керра. Для построения сетки 9 в изотропную смесь, состоящую из мезогенов и полумезогенов 4, вводят, в частности, ароматические реакционноспособные мезогены 8 и алифатические мономеры. Затем они полимеризуются в ходе фотополимеризации в гомеотропно упорядоченном состоянии композиции при низких температурах и образуют редкосшитую анизотропную сетку 9. Подмешивание реакционноспособных мезогенов 8 требует согласования межмолекулярных взаимодействий в исходных смесях, а также в конечных композициях после построения сетчатой структуры. Для дополнительного достижения высокой стабильности сетки 9 она за счет функционализации ориентирующего слоя 3 ковалентно связывается с подложками.
На фиг. 5а и 5б показано создание многомерной анизотропной сетки, а именно:
а) изотропная смесь с реакционноспособными мезогенами 8 в гомеотропно ориентированной смеси (прекомпозиции) (см. фиг. 5а) и
б) ковалентное связывание сетки 9 и ориентирующего слоя 3 с помощью стабилизирующих сетку молекул (см. фиг. 5б).
Ковалентное "заякорение" сетки 9 на граничных поверхностях ориентирующих слоев 3 приводит к значительному улучшению электрооптического поведения переключения и долговременной стабильности. Для этого ориентирующий материал функционализируется термостабильными, реакционноспособными группами (например, гидроксильными ОН-группами). Модифицированный материал нанесен на подложку, а функциональные группы модифицируются таким образом, что они могут реагировать с бифункциональными реакционноспособными мезогенами 8. Инициированное радикальной фотополимеризацией формирование сетки включает образование связи с обоими функционализированными ориентирующими слоями 3, так что анизотропная сетка 9 с обеспечением ее устойчивости на граничных поверхностях пересекает ячейку с созданием постоянной натянутости. При этом подобающим образом регулируется нужная концентрация мест образования связей на граничных поверхностях.
Помимо улучшения свойств композиций за счет образования сетки, основывающейся на алифатических или, в соответствующем случае, ароматических реакционноспособных мезогенах 8, также подавляются возможные явления их расслоения.
Предлагаемые в изобретении керровские композиции, например, для применения в линзах, в частности, для оптических приборов для улучшения зрения и телескопических очков, соответствуют предъявляемым требованиям по следующим пунктам:
- имеют высокую постоянную Керра;
- обладают высокой диэлектрической анизотропией;
- в области рабочих температур являются изотропными и жидкотекучими за счет полумезогенов 4;
- имеют высокую, электрически индуцируемую, модуляцию показателя преломления за счет палочкообразных молекул 5 и полярных полумезогенов 4;
- обладают хорошей однородностью (смешиваемость веществ, слабая тенденция к разделению фаз) во всей области рабочих температур;
- имеют малые времена переключения за счет низкой вращательной вязкости;
- имеют малое поглощение в видимой области спектра;
- обладают высокой (фото)химической стабильностью.
Кроме того, существенными преимуществами этого подхода по сравнению с подходами, основанными на использовании жидкого кристалла, являются поляризационная независимость и короткие времена переключения. В предлагаемых в изобретении композициях соединяются достоинства жидкокристаллических систем (большие постоянные Керра палочкообразных полярных молекул и повышенная тенденция к упорядоченности), и, с другой стороны, достоинства изотропных жидкостей с пониженной вращательной вязкостью и очень малыми временами переключения и, таким образом, они совмещают преимущества каламитических жидких кристаллов с их изотропными жидкостями.
Для оптических приборов для улучшения зрения предлагаемая в изобретении линза имеет бесполяризационное, электрически управляемое поле обзора на близком расстоянии при умеренных временах переключения и некритичные для искомого применения напряжения переключения, составляющие менее 42 В. Диаметр линзы делает возможным приемлемое поле обзора, а оптическая сила переключаемой линзы выражается значениями в диапазоне диоптрий, ограничивающемся одноразрядными числами. Оптическая функция по существу очень мало зависит от длины световой волны, а эффективность дифракции довольно высока, что позволяет избежать "побочных (фантомных) изображений". Кроме того, предлагаемая в изобретении линза может комбинироваться с обычными очковыми стеклами и для управления элементом имеет низкую массу и конструктивный объем, что позволяет использовать ее вместе с обыкновенным очковым стеклом, то есть встроить их в оправу для очков.
В рамках изобретения применение для оптических приборов для улучшения зрения можно расширить на перенастраиваемые и имеющие индивидуальное регулирование оптические приборы для улучшения зрения. За счет использования растров, создаваемых пиксельными электродами, подобно таковым в работающих на пропускание (транспарантных) ЖК-дисплеях, можно в индивидуальном порядке регулировать оптические свойства для очень малых областей. Это дает возможность создания дифракционных линз, например, имеющих зависящую от направления оптическую силу, как в случае требующихся для коррекции астигматизма. Тогда регулирование линзы можно проводить с адаптацией в индивидуальном порядке и сохранением в памяти, как это реализовано в бинокулярных электронных очках, описанных в документе ЕР 1463970 В1.
В рамках изобретения возможно использование предлагаемой в изобретении линзы в переключаемой увеличительной системе для телескопических очков. Часть требований, предъявляемых к увеличительной системе, подобна существующим в области оптических приборов для улучшения зрения. Однако оптическая сила используемых в окулярах и объективах линз должна быть заметно выше. Однако при нужной апертуре требования, в частности к окулярной линзе, значительно ниже. Для увеличительной системы достаточен коэффициент увеличения 2,5. Как и в случае отдельного элемента, система также может быть реализована с максимально возможно малой массой для обеспечения искомого высокого комфорта при ношении. В этом состоит заметное отличие предлагаемого в изобретении решения от коммерчески доступных в настоящее время телескопических очков. Разумеется, еще одно существенное преимущество заключается в том, что в выключенном состоянии имеется в распоряжении все поле обзора; включаемые в состав конструкции управляющие и энергоснабжающие элементы его не ограничивают.
Предлагаемая в изобретении линза удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к линзам в следующих случаях:
а) для создания бесполяризационного, электрически управляемого поля обзора на близком расстоянии для оптических приборов для улучшения зрения, в частности оптических приборов для улучшения зрения с подключаемой деталью для улучшения видимости на близком расстоянии,
б) в перенастраиваемых оптических приборах для улучшения зрения с индивидуальной регулировкой (оптические приборы для улучшения зрения с попиксельным управлением с использованием структурированных в микронном масштабе электродов, подобно используемым в работающем на пропускание дисплее с активной матрицей) и
в) в переключаемой увеличительной системе для телескопических очков, или многофункциональных очков,
что очевидно из следующей таблицы.
Другие удовлетворенные требования - это высокая прозрачность, воспроизводимость, высокая надежность и повышенный коэффициент наполнения во избежание "появления посторонних образов (изображений-призраков)", а также поляризационная независимость принципа действия. Помимо этого, отдельные элементы в выключенном состоянии оптически нейтральны.
Изобретение не ограничивается проиллюстрированными и описанными вариантами выполнения, а охватывает также и все функционально эквивалентные в контексте настоящего изобретения конструктивные исполнения.
d
Например, для получения полумезогенов можно осуществить синтез на основе латерально замещенных бифенилов и синтез катализатора для конечной реакции связывания для получения замещенных бифенилов. Для получения 5 полумезогенов можно осуществить синтез 5 замещенных арилбороновых кислот и действия по приданию им нужных характеристик. Для формования ступенчатых линз в различных материалах можно осуществить направленную на получение оптимальных характеристик модификацию структуры рельефа поверхности доступных на сегодняшний день ступенчатых линз посредством профилометра, включая изготовление полидиметилсилоксановых (ПДМС) слепков (изготовление штампов поверхностных решеток и массивов микролинз, включая применение эпоксидной смеси для формования поверхностных дифракционных решеток в заливочном компаунде с торговой маркой "Sylgard 184" (силиконово-эластомерный набор) и изготовление реплики с помощью оптического адгезива NOA65 (его вязкость 1200 сантипуаз, показатель преломления n 1,52), в частности концентрирующей дифракционной решетки (метод формования поверхностных решеток с пилообразным профилем для изготовления линейных поверхностных решеток, служащих в качестве модельных структур для соответствующих зонных пластинок Френеля); формование поверхностных решеток осуществляется с помощью оригинала (мастер-формы, англ. "master") (выпускаемой промышленностью дифракционной решетки), сформованной в ПДМС в качестве негативной копии. Затем, с использованием этого "штампа" посредством дальнейшего шага формования с помощью NOA65 можно изготовить положительные копии, которые, среди прочего, подходят для построения переключаемых оптических элементов; применение соответствующих механизмов реакции Сузуки, в ходе которой происходит перекрестное сочетание арилов (синтез бифенилов или производных бифенила путем образования углерод-углеродной связи), соответственно аналогичных реакций и использование хроматографической очистки промежуточных соединений (в частности, многоступенчатый синтез с периодическими межэтапными операциями очистки). Сферы применения предлагаемого в изобретении электрически управляемого оптического элемента простираются во многие области техники, в частности:
1. Измерительная техника
- анализ образцов с ячейкой Керра в измерительной головке;
- системы контроля полупроводниковых пластин;
- поляризатор в микроскопах или эндоскопах;
- измерение напряженности электрического поля.
2. Технологическое оборудование:
- микролитографические установки для проекционного экспонирования для интегральных микросхем или жидкокристаллических дисплеев;
- модулятор света для экспонирования печатных плат;
- элемент, вращающий плоскость поляризации (изменяющий направление ее вращения) при записи на компакт-диск или DVD-диск.
3. Техника связи
- быстродействующий оптический (световой) затвор на ячейке Керра с подключенным после нее поляризационным фильтром (или без него) для оцифровки сигналов с частотой вплоть до 100 ГГц (оптический сигнал).
4. Медицинская техника
- оптический модулятор в системе магниторезонансной томографии;
- поляризатор в микроскопах или эндоскопах.
Кроме того, изобретение также еще не ограничено изложенной в пунктах 1 и 9 формулы изобретения комбинацией признаков, но и может быть определено посредством любой другой произвольной комбинации определенных признаков всех в общей сложности раскрытых отдельных признаков. Это означает, что в принципе практически каждый отдельный признак пунктов 1 и 9 формулы изобретения можно опустить, соответственно заменить его по меньшей мере одним отдельным признаком, раскрытым в другом месте заявки.
Перечень позиционных обозначений на чертежах