[發明專利]光學器件

在審

• 申請號: 201280045090.5
• 申請日: 2012-09-06
• 公開（公告）號: CN103843054A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: W·A·克羅斯蘭德;安東尼·伯納德·戴維;約翰·R·摩爾;大平·褚;J·P·漢寧頓;特里·科拉普
• 申請（專利權）人: 劍橋企業有限公司;道康寧公司
• 主分類號: G09G3/36
• 分類號: G09G3/36;G09G3/20;C09K19/02;G02F1/133
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 白云;鄭霞

本發明涉及光子學的領域。實施方案涉及使用具有近晶A特性的液晶材料的光學器件，如顯示器、用于實現光的透射的板或振幅型空間光調制器。實施方案涉及一種操作這樣的光學器件的方法。

實施方案涉及光學器件，其中通過SmA動態散射過程產生無序態且通過介電重取向引起清晰的(clear)均勻態。這樣的光學器件可以用于提供變化量的光透射-局部地，如在“像素”中或遍及整個器件而無需光偏振鏡。

液晶具有趨于自行有序而不會凝固的分子且因而獲得晶體屬性，即使它們仍然流動且可以填充容器。液晶的各相廣義上是狀態的概括序列，使得這樣的分子流體可以從成為各向同性的液體一直流過，直至其凝固為固體。通常這樣的分子將以強的各向異性為典型特征。此各向異性所采用的形式可以被考慮，其中分子以高的長寬比（比寬長得多，因而是“棒”或“板條”狀）為典型特征，且可以具有偶極特征和各向異性可極化性。在這些情形中，分子取向的平均方向被稱為“導向器（director）”。

向列相液晶以最常見的液晶材料為典型特征且通常用在液晶平面屏幕器件和平板顯示器中。延伸向列相介晶的長度或其他結構變化通常使它們在低于向列相冷卻且在凝固之前時顯示另外的相，且在較低的溫度下，典型的特征可以是“層狀流體”。這樣的層狀液晶被稱為“近晶”液晶。本文中我們將僅考慮通常稱為“近晶A”（縮寫為“SmA”）液晶的材料。例如，原型“5CB”（4’-戊基-4-聯苯基腈），“5OCB”（是醚鍵合的戊基，4’-（戊氧基）-4-聯苯基腈）是向列相，“8CB”（4’-辛基-4-聯苯基腈）和“8OCB”（4’-（辛氧基）-4-聯苯基腈），每個在較高溫度的向列相之下都呈現SmA相，在縮寫“mCB”和“mOCB”中，m代表整數且分別指代4-氰基-4’-正烷基聯苯基和4-氰基-4’-正烷氧基聯苯基中的烷基或烷氧基鏈上的碳原子數；例如：

8CB=4-氰基-4’-辛基聯苯基；和

8OCB=4-氰基-4’-辛氧基聯苯基。

形成SmA相的分子具有類似于形成向列相的那些分子的特性。它們是棒狀的且通常具有正介電各向異性。為了引入負介電各向異性而引入強的橫向偶極往往會使SmA相不穩定且可能會導致化學不穩定性增加。

近晶液晶在它們的轉換中呈現滯后，使得介電重取向（或近晶結構的其他擾亂）在去除所施加的電場后并不弛豫。與大多數向列液晶結構不同，介電重取向的SmA液晶保持在驅動態，直至施加另外的力。

通過采用平面的片材，如玻璃并向這些片材應用透明的(transparent)導電層（通常由銦錫氧化物制成）可以形成板，導電層連接至導體，使得可以施加可變場。這兩個片材可以被形成為板，如通過具有均勻直徑（通常，如5-15微米，這取決于期望的晶胞厚度）的珠分隔。此板隨后被用膠封邊，允許一個或多個孔便于由液晶材料填充。

使用這種晶胞，SmA液晶層可以通過填充板來形成（通常在超過材料的各向同性轉換的高溫下）。與其中晶胞的均勻對齊是必要的向列設備不同，在本文所討論的SmA設備中不對齊的層是所希望的。在填充這種SmA板并將這種SmA板從室溫熱循環到超過各向同性轉換且再返回時，液晶將顯示織構（texture），該織構對相來說是典型的。同時，沒有表面對齊的向列可以出現在眾所周知的紋影織構中，其中線背離或“穿過”散射光，由于SmA材料的層狀結構，在SmA中形成“焦點圓錐曲線”織構。在折射率中存在急劇的空間變化，這導致光散射。這些織構的出現由折射率的各向異性產生，當光正交到達平均分子方向的更可極化的軸時，其是最高的。折射指數中的變化引起光散射。當在交叉的偏振鏡之間觀察（顯微鏡下）時，還可以觀察到不同分子取向的區域之間的對比。

為了電尋址SmA液晶面板，通常應用交流（AC）場。在沒摻雜的材料中，LC的正介電各向異性將引起最初隨機對齊的多域的重排，以使介晶（mesogen）與場方向對齊（垂直于玻璃表面）。由于各向異性的分子的平均取向垂直于玻璃層，面板將顯得清晰。對于大多數未摻雜的SmA材料來說，這種情況可僅僅通過加熱晶胞以破壞SmA對齊而可逆。

如果合適的離子摻雜劑溶解在SmA液晶主機中，則在DC或低頻（例如<200Hz）電場的影響下，兩種正交力試圖使近晶A導向器定向：

i)如上文所描述的電介質重取向試圖在場方向中對準(align)SmA導向器(指示長分子軸的平均方向)。

ii）同時，離子通過SmA電解質的運動試圖在離子發現其更易于行進的方向中對準近晶A導向器。