CN1433529A - 双稳态向列液晶装置 - Google Patents

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Abstract

一液晶装置包括一向列液晶材料层(2)，该层包含在两个盒壁(3，4)之间，每个壁都携带有电极结构(6，7)和一排列表面(20，21)。该排列层(20，21)在一个或两个盒壁(4)上，它是由多个小的(＜15μm)表面特征形成，每个表面特征都能单独地提供双稳的预倾斜和排列方向，并总起来在穿过该层(2)时引起分子取向的较大变化。该装置可以在光的透射状态和光的非透射状态之间转变。该小的表面特征可以是一些光栅区域(21)，突起(25)，或盲孔(26)，它们都由涂敷有垂直排列层的单稳的平表面(Fm)分隔开。最好，该光栅等提供在低表面倾斜和高表面倾斜之间的双稳的转变功能，而且在相邻光栅区域之间该低倾斜排列方向是变化的。

Description

双稳态向列液晶装置
本发明涉及液晶装置，特别是涉及以一单偏振器或不以偏振器工作的调制装置，其中调制是依靠对入射光的衍射，散射或吸收来产生的。
现行技术介绍
液晶装置通常包括包含在盒壁之间的一薄层液晶材料，所述盒壁至少有一个是光学透明的。这些壁常常在该内表面上涂有一透明的导电层以便能施加外电场。该电极通常做成一系列的条带，在一个壁上形成行或横线电极，而在另一壁上形成列电极。行和列的交点形成一可寻址的元素或像素的xy矩阵。其它的一些配置也是可行的，包括分段的或rθ显示器。
某些液晶装置还包括一些在电极旁边的半导体区域，目的是形成一些非线性元件，如薄膜晶体管(TFT)。其它一些层可被包含在该装置的里面，这些层包括滤色器、平面化与阻挡层、以及吸收或反射层。
每个像素的最里边的表面包括一排列层(alignment layer)，它给出所需要的该液晶指向矢(liquid crystal director)的取向。经常这种排列层是一聚合物层，例如，聚酰亚胺，用布打磨以便赋予该表面所希望的方向。这对液晶分子来说既形成一较好的排列又形成一较好的表面倾斜。如不打磨，该聚合物层通常就产生一沿平面的取向，在该层中，该液晶分子是与该聚合物的局部表面平行的，用一叫做指向矢的单位矢量来代表。还使用在光敏抗蚀剂层内形成的光栅表面来进行排列和表面倾斜；例如，在GB 2,312,523；GB 2,290,629；WO-98/59275；WO-97/39382；US 5,808,717；US 4,247,174中就作了介绍。光敏抗蚀剂材料常常导致该指向矢沿平面的排列，而且在该表面附近会由于该光栅表面的沟槽引起弹性变形，从而导致一较好的排列方向和预倾斜。
不同类型的排列通常是利用由，例如，表面活性剂所提供的低表面能来实现的。在这些情形中，该指向矢在局部是与该表面正交的，因而说成是垂直(homeotropic)的。在所有情形中，邻近该基片表面的液晶材料分子通过该液晶的弹性力将该优选排列方向传递给样品的块。
在液晶装置两边施加一电场就可发生很多效应。很多装置都依仗该液晶固有的介电各向异性(Δε＝ε‖-ε⊥，其中‖和⊥是指与该指向矢平行和垂直的方向)。如果Δε是正数，且该指向矢与施加的电场平行时，则该液晶的静电能就最小，而如果Δε是负数，则该指向矢就倾向于处在与施加的电场垂直的方向。这些效应都与该电场的RMS值有关，因而，这些效应与该电场的极性无关。虽然设计了某些显示“两频率”特性的材料，即Δε在电学工作频率范围内的低频时是正的，而在高频时则是负的，但大多数的材料却在该装置的整个工作频率范围上则要么是正的，要么是负的。新近已介绍了一些利用弯电效应(flexo-electric effect)的装置，这种效应发生在很多液晶中(R.B.Meyer，1969，Phys Rev Lett.V22，p918)。这种效应是由液晶分子的极性有序化所引起的，这种极性有序化是由液晶指向矢场的某种弹性畸变所诱发的。这种效应的强度与该DC电场有关，因而，这种效应也就取决与施加电场的极性。
在传统的扭曲向列型液晶装置中，该电光调制是由该Δε的效应所引起的。施加一适当的电压使该液晶分子发生转动，从近似平行于层的厚度的扭曲状态转动(它使平面偏振光的平面发生转动)到近似垂直于该层的非转动状态(转换的状态)。这些扭曲和非扭曲态可通过观察放在偏振片之间的液晶盒来区分，该偏振片可以是正交配置的，也可是某些其它的适当配置，取何种配置取决于液晶盒的设计。
另外，该光学反差可通过调制入射光的散射程度来获得。很多装置都使用这种效应，包括：动态散射向列型(Heilmeier等1968，Appl.Phys Lett v13 p46)；动态散射近晶型(dynamic scatteringsmectics)(例如，Crossland等1979，US 4,139,273)；热和电编址的散射近晶A型装置(例如，Coates，IN Bahadur，LiquidCrystal：Applications and Uses，Volume1，World Scientific，1990，p275)；微密封的聚合物色散液晶(例如，Fergason等1984，US 4 435 047，SEIKO EP-0,749,030-A1，Doane等Appl.Phys.Lett.，1986 v48 p269和Coates等US 5 604 612)；液晶色散(Hilsum，1976 UK 1 442 360)；在向列液晶中折射率的衍射光栅的电场诱导(Huignard等1987，US US4 630 091，Canon US-4,878,742)；带有图案化电极的铁电液晶(Ferroelectric LiquidCrystal with Patterned Electrodes)(O’Callaghan and Handschy，1990 US 5 182 665)。
其它一些液晶装置靠光学吸收的各向异性原理来区分不同的状态。通常通过在液晶材料中加入多色染料使这种类型装置的性能大大提高。这种类型装置的例子是宾主模式的胆甾型液晶装置(Taylor andWhite 1974，US 3 833 287)。
新近，介绍了一些新颖的光栅表面，在这些光栅表面中存在着多于一个的向列指向矢的稳定方向。在专利GB 2,286,467-A；USP-5,796,459中介绍了一种诱发具有不同方位取向(也就是，在该液晶盒的平面内的该液晶分子或指向矢平均方向的不同取向)的双稳表面状态的双光栅结构。该局部指向矢对于该表面来说是沿平面的，而且该两表面的取向通过精确控制光栅间距，振幅和闪耀程度来稳定。
在英国专利申请9521106.6，WO-97/14990，GB-2,318,422中介绍了一新型的表面，其中具有垂直的局部指向矢取向的单光栅表面导致具有不同倾斜角但在同一平面内的两个稳定状态。这种表面被用来形成一天顶双稳装置(Zenithal Bistable Device)或ZBD。该装置比GB2,286,467所述的方位角双稳装置具有显著改善的转变特性，因为由垂直施加在衬底上的电场所施加的转矩是作用在与处于该两稳定状态的指向矢相同的平面中。对于天顶双稳表面，至少有一个状态包含有该指向矢场的一些缺陷或旋错(disclination)，而一个状态却不具有这些缺陷，因而可说后者是连续的。例如，在GB 2 318 422中就描述了一天顶双稳表面，其中存在有一缺陷状态，导致在离开该光栅表面某一距离处(通常可与光栅凹坑相比拟)向列指向矢一低的预倾斜，而该连续态则导致一大的预倾斜。注意：自始至终该预倾斜都是用来表示该指向矢与该盒平面的夹角。很多传统液晶显示装置的共同的问题包括；狭窄的视角，缺乏衬比和反射性，不好的转变性能，功率利用效率低，以及难以大面积制造。此外，液晶装置在其它应用，包括保密室的窗户中，通常被用来控制光亮。通常，这些应用方面的问题是要求连续加电。
发明概述
按照本发明，上述问题可通过一可在两双稳态之间转变的液晶盒来减少，这两稳态中的一个为高光散射的(或吸收性的)状态，而另一个则为很少光散射的(或吸收性的)状态，例如透明的状态。该散射态是通过在一个或两个盒壁上的一些小的表面特征来实现的，这些小的表面特征引起分子取向的局部变化。最好是，这些表面特征由光栅结构，或适当排列的表面凹凸结构来提供。
按照本发明，液晶装置包括一包含在两盒壁之间的一向列液晶材料层，每个盒壁都带有电极结构和一排列表面，
其特征在于：
在至少一个盒壁上有一排列层，该排列层具有主调制和次调制，
该主调制是很多小的(＜15μm)的排列区域形成，每一排列区域具有一成型的表面(profiled surface)和一垂直表面(homeotropicsurface)来给液晶分子提供双稳的预倾斜排列和排列方向，
而该次调制是该小排列区域的间隔和/或表面排列方向形成的；
因此，该装置就可在透射状态和非透射状态之间转变。
按照本发明的另一方面，液晶装置包括一包含在两盒壁之间的向列液晶材料层，每个盒壁都带有电极结构和一排列表面，
其特征在于：
在至少一个盒壁上有一排列层，该排列层是由很多小的表面特征构成，每个小表面特征都能够单独地引起分子取向的小的局部变化，并在横过该层时能共同地引起分子取向的较大变化，由此在所述小表面特征处的液晶分子的局部表面排列是与衬底垂直的，因此该装置可在透射或反射状态与不透射或不反射状态之间转变。
该小的排列区域(表面特征)，例如＜15μm的线度，可由一些光栅区域，突起或盲孔构成，并可被一些单稳排列，通常是垂直排列区域分隔开。最好是，在该光栅等区域内的这种排列可给该液晶材料提供双稳状态，在该液晶材料中该双稳状态具有不同的预倾斜值。在相邻区域之间该排列特征可以改变。该光栅等区域在大小、形状和排列方向上可以是同样的或不同样的。当光栅区域具有相同尺寸时，如在显示器的应用中，则排列方向的变化对于各个或几个区域来说可以是相同的，以便产生均匀的总体显示。在各个区域内，可有一逐渐的变化，因而散射量取决于施加电压的幅度，这样就产生出一灰度效果。
该液晶材料可以是向列的，长距胆甾型(或手征性的向列)，或近晶的。
本发明在一个或两个内表面上利用了与现行技术US 5 796 459和GB 2 318 422相似的一些排列光栅和一些附加的要求，如：在该或该低能状态之一的那种光栅所形成的排列方向，在GB 2 318 422的表面平面中的一个或多个方向被进一步调制，而且US 5 796 459的双光栅表面必须在局部与衬底垂直，同时该双光栅结构是安排来产生具有不同预倾斜的两个状态。GB 2 318 422的两个双稳态具有不同的预倾斜，它的天顶型双稳性比US 5 796 459的方位角双稳性更为优越，因为它允许最好的电光性能，而且它就是用在后面介绍的各种实施例中的那种类型。
可以构造一些简单的装置，在这些装置中存在单稳排列，而且该电光调制则是由于在响应施加的电场而出现液晶指向矢重新取向时，折射率变化减小而产生的。
但是，通过确保该表面在该液晶盒的某些区域中产生天顶双稳性，就可得到显著改进的效果。在这样的装置中，两个状态之一是高衍射，散射，或吸收的状态，而另一状态则是一较低衍射，散射，或吸收的状态。该两状态可利用适当电压，极性，周期和形状的电脉冲来进行选择。
为了在一散射装置中产生良好的亮度(和衬比)可对很多特性进行改变，以便使散射度变得最大。这对于利用背散射光来产生该明亮状态的反射模式装置来说尤其正确。首先在比入射波长(典型地为λ/5)短的长度范围上出现折射率调制的位置就会使背散射达到最大。为了诱发光波长的高度背散射在一天顶双稳光栅中制备这样微小特征实际上是很困难的，但是人们发现利用在0.2μm和2μm间距之间的表面特征却可能得到满意的结果。这是因为稳定在表面特征，如峰和谷处的该缺陷核心可提供附加的散射中心。此外，还发现，该缺陷核心增大背反射的程度是与该表面的锚定能(anchoring energy)和液晶的弹性常数有关的。
这些特性还影响该连续态的近表面的指向矢分布(因而影响激光散射状态的散射程度和反差比)和该电转变特性。但是，人们发现，该缺陷结构本身在散射程度上起着第二位的作用，而光栅结构本身对于光散射程度的贡献是一决定性的因素。这是因为与缺陷等有关的折射率的变化是局域在很靠近光栅表面的位置，而在大约离开该表面第一微米以内弹性变形就很快衰减为一均匀的指向矢分布。将该排列本身从该表面的一个部分改变到相邻的部分就确保了很大程度的散射，而且这是通过该光栅分布的次调制实现的。
使正向和背向散射达到最大的一些其它重要因素包括：该液晶层的双折射Δn和厚度，即该液晶盒的间隙d。该双折射应尽可能高，但由于材料的限制(如适当的相变温度，化学稳定性，和低粘度等)Δn在光波长上常常是在0.18和0.25之间。同样，该液晶盒的间隙则受其它考虑的限制，这些考虑包括转变电压和反差比。发现，对于在该光学领域的应用来说，间隙大约在10μm≤d≤50μm范围内的典型液晶盒即可获得良好的亮度和反差。
但是，对于依靠弯电效应(flexo-electric effect)来锁定在该双稳态之间的装置来说，使用这样大的液晶盒间隙就折衷了该装置的性能，使该电场阈值变得较高。由于这个缘故，也可使用在3μm≤d≤6μm之间的盒隙。另外，可利用区分该状态的两频效应(two-frequency effect)来转变具有较大间隔的液晶盒，因为介电转变是一RMS电压效应而与d无关。该光栅赋予进入该盒某一距离的液晶指向矢上的该表面预倾斜与该光栅形状的不对称程度有关。
为了保证最大程度的散射，该装置被设计成具有一接近于对称的光栅形状，以便该预倾斜接近于零。这意味着，对于该适当的偏振来说，从一个散射中心到下一散射中心，该两个双稳态具有最大的折射率差(即，几乎是全部的Δn)。
还可通过该液晶的寻常折射率与该光栅材料(如光敏抗蚀剂)相匹配的方法来改善反差。这有助于减少在连续态中的散射，从而产生一较好的“暗”状态。这样，仔细地优化该液晶成分，表面层的成分，以及该表面外貌(surface profile)都是改善装置性能的重要因素。
另外，本发明的装置还可以利用吸收而不是散射的原理来工作。例如，将适当的染料混进该液晶中后再注入该装置，通常，重量浓度范围为0.5％-5％，典型的为3％。那时，如液晶的Δn之类的因素起的作用较小，而光学反差和亮度则受因素，如该染料在液晶主体中的有序参数和染料吸收的各向异性的支配。
本发明的最重要的因素和基本原则是该光栅表面的设计，特别是次级调制的形式。很多不同的结构都是可用的，选择通常是由应用来决定。对于介绍的每种结构的共同点是，该光栅表面是在两个或多个长度范围，和/或在与该衬底平面平行的两正交维度上被调制的。
在本发明的一个实施例中，一垂直的单光栅结构，如在GB2 318 422中所用的那种结构，是由一单一的沟槽方向构成，但却具有不同间距(或一些间距)的两个或更多的调制幅度。该第一种调制是一种导致所希望的该液晶指向矢的不同预倾斜的双稳态的光栅结构，而对于比第一种调制间距大的第二种调制将使区域具有不同的预倾斜值，或产生液晶指向矢的一单一的单稳取向。这样，该液晶盒就可被锁定在两个或更多的稳定态上，在这些稳定态上在该表面调制方向存在有对该液晶盒的阻滞或吸收的一种调制。
在本发明的优选实施例中，该光栅就这样在该表面平面内的两个(或更多)方向上被调制。这些次级调制可具有一间距，该间距可以是从与用来排列液晶分子的第一种调制的间距相等的间距到是这距离很多倍的任何间距。例如，对于运作在光波波长上的装置来说，用来获得双稳排列的调制可以具有周期L1，而次级调制则可具有周期L2＝10L1。对于较长的波长(如IR)来说，可以优先利用L2＞10L1。因此，该表面被安排来提供向列液晶分子的排列，在横过该表面时，在与待调制的入射光波长同数量级的长度范围上(从λ/10到10λ)，这种排列会发生方向上的变化。这些波长可以是近UV到IR的波长(例如从200nm到12μm)。
盒壁通常是玻璃材料，但它也可以是硬或软的塑料。对于大的装置来说，可将一些隔离物加进该液晶材料中，或者该光栅可以包括一些整体的隔离物。光栅可以用内部的金属或反射器，滤色器，聚合物壁或点隔离物(dot spacer)，吸收体，准直器漫射器片等来加以补充。
附图简述
现在将只通过例子并参考下述附图来介绍本发明：
图1是一矩阵式多路编址的液晶显示器的顶视图；
图2是图1所示显示器的横截面图；
图3a，b表示掩模的使用和在用于形成光栅的光敏抗蚀剂上的典型光照方向；
图4表示适于提供天顶双稳排列的非对称光栅表面的横截面图；
图5a，b，c表示在本发明的实施例中一个盒壁的顶视图和两个侧面立视图，这盒子可在单一方向对偏振光进行调制；
图6a，b示意地表示对于具有图5所示排列的液晶盒的两种电转变的分子排列；
图7a，b，c以示意形式表示在盒壁上的光栅的顶视图和两个侧视图；
图8表示用于在图7所示的两正交方向上对偏振光进行调制的光栅分布的二维图；
图9a，b，c与图8类似，但在光栅区域之间却包括一呈平表面的正方区域；
图10a，b，c与图8类似，但在各光栅区域之间却包括一些平表面的间隔；
图11a，b，c与图10类似，但在相邻光栅区域间却具有相反的非对称性；
图12表示由双光栅构成的另一光栅实施例的二维图；
图13表示一个具有一些规则形状的光栅区域的盒壁，其中，在不同区域中的光栅排列方向和分布都是变化的；
图14表示一个具有一些不规则形状的光栅区域的盒壁，其中，在不同区域中的光栅排列方向和分布都是变化的；
图15表示一个具有一些不规则形状的光栅区域的盒壁，其中，该光栅为一双光栅，而且在不同区域中的光栅排列方向和分布都是变化的；
图16表示一个具有一些不同形状的光栅区域的盒壁，其中，在每个区域中的光栅排列方向和分布都是变化的；
图17表示一由多个突起构成的光栅区域，这些突起的宽度、高度和间隔尺寸都可提供双稳排列；
图18示意地表示一处于两种转变状态上的具有图17所示排列的盒壁的侧视图；
图19表示一由多个盲孔构成的光栅区域，这些盲孔的宽度、高度和间隔尺寸都可提供双稳排列；
图20表示一处于两种转变状态上的具有图19所示排列的盒壁的侧视图；
图21表示一用来产生图7和图8所示光栅的金属掩模；
图22，23，24是利用图21的掩模制作和转变到它的两个表示锁定的状态的双稳盒的显微照片；
图25，26，27是对于由图22，23，和24的装置所形成的液晶盒所得到的衍射图案；
图28是从围绕着一具有相同高度和直径的单个圆柱突起的处于连续状态的指向矢分布的三维数字模拟的一个二维切片图形输出；
图29a，b是交叉偏振器之间的液晶盒的织构放大40倍的显微照片，其中，一个内表面具有图12所示的垂直的双光栅，分别表示该液晶盒处于两个状态：a)缺陷状态；b)连续状态；
图30是图29所示的液晶盒在用30V，2ms的双极脉冲，其极性变化的占空比为1000∶1时透明度与时间的关系曲线；
图31表示当利用a×10的物镜在交叉偏振器之间进行观察时，图29所示的液晶盒的光学透明度是该液晶盒取向的函数；
图32表示当利用a×10的物镜在交叉偏振器之间进行观察时，反差比是图29所示的液晶盒取向的函数；
图33是实现该液晶盒锁定在图29和35的两种状态之间时，响应时间与脉冲幅度的关系；
图34分别是在将图29所示的双光栅液晶盒锁定在a)缺陷(散射)状态和b)连续(非散射)状态之后，激光通过该液晶盒后入射在屏幕上的照片；
图35是第二种液晶盒的显微照片，它与图29所用的那种类似，但其中的双光栅做得较深，该图分别表示两种状态：a)缺陷状态；b)连续状态；
图36表示是图35所示的液晶盒对极性交替变化的双极性脉冲的光学响应(脉冲幅度为40V，持续时间为500μs)；
图37表示图36的一放大图，表示从连续(较少散射，衍射或吸收的)状态到缺陷(较多散射，衍射或吸收)状态的缓慢转变，其转变时间为80ms；
图38表示图3 6的一放大图，表示快速的从缺陷(较多散射，衍射或吸收)状态到连续状态的转变，其转变时间为4ms；
图39分别是先前已锁定在a)缺陷(散射)状态和b)连续(非散射)状态的图35所示的深双光栅液晶盒在激光通过该液晶盒后入射在屏幕上的照片；
图40是本发明的另一实施例的示意图，其中，制备了该液晶装置的两个内表面来形成不同取向的天顶双稳区域和一些单稳的垂直排列区域；
图41，42，43是本发明的另一些形式的横截面图。
在图1，2中的显示器包括一液晶盒，该液晶盒由包含在玻璃壁3，4之间的向列或长距胆甾型液晶材料层2所构成。间隔物环5将该壁典型地维持在1-50μm的间隔距离。对于某些实施例来说，使用的是1-6μm层厚；对于其它一些则使用10-50μm的间隔。另外可将大量相同尺寸的珠粒弥散在该液晶内以维持精确的壁间隔。象行电极的条6，如SnO2或ITO(氧化铟锑)的条，形成在一个壁3上，而类似的列电极7则形成在另一壁4上。对于m-行和n-列电极来说，这就形成一可编址元素或像素的m×n的矩阵。每个像素都是由行和列电极重叠形成的。
行驱动器8为每个行电极6提供电压。同样，列驱动器9为每个列电极7提供电压。对施加电极的控制则由控制逻辑电路10提供，它从电压源11接受功率，并由一时钟12来控制时间。
在该液晶盒的一侧或两侧上有一偏振片13，13’。另外，可在盒壁和偏振片之间，液晶层2的附近添加一，例如，伸长聚合物(stretchedpolymer)的光学补偿层17。一部分反射镜或吸收层16可与光源15一起安置在该液晶盒1的后面。这些都使得该显示器可以以反射的方式观看，并在暗淡的环境照明中从后面照亮。对于该透射装置来说，该反射镜或吸收器16可以省去。如后所述，其它的实施例可利用两个偏振片13和13’。
在装配之前，至少将该液晶盒壁3，4中的一个处理成具有排列特征，如表面浮雕光栅，以便提供需要的排列，即有或没有预倾斜的单稳或双稳排列。另一表面可处理成具有一沿平面(即与排列方向预倾斜零度或几度)或垂直排列的单稳表面，或一退化的平表面(即在该液晶盒平面内与非优选的排列方向预倾斜零度或几度)。
这样的配置可将每个像素分别编址到两种不同的视觉状态中。每个像素的不同状态总起来说就可提供需要的信息显示。每个像素编址用的波形可以是传统的。例如对于双稳光栅，该波形可以如在WO/005271-A1及99年3月3日提出的GB专利申请99/04704.5中所述那样。
图2所示的液晶盒结构可加以改变以便提供一遮板(shutter)，例如提供一大的遮蔽屏蔽。在这种情形，片电极就取代了该条电极，而且整个液晶盒就在其两个状态，例如透明和不透明或漫射状态之间转变。
排列光栅可以如图3a，b所示那样产生。涂镀在玻璃上形成该液晶盒壁的氧化铟锑(ITO)部分可用丙酮(acetone)和异丙醇(isopropanol)加以清洗，然后以3000rpm转速旋转涂敷光敏抗蚀剂20(Shipley 1805)为时30秒，以产生0.55μm的涂层厚度。然后在90℃进行软烘烤30分钟。曝光是在非垂直入射情形下进行的；在这种情形使用了60°的角度。有涂层的盒壁3，4被强度为0.8mW/cm2的汞灯(Osram Hg/100)光照射大约40-180秒。掩模19的取向是这样的，使得该沟槽的方向基本上与入射面垂直，如图3所示。
在这种几何结构中曝光就导致一不对称的强度分布，因而导致一不对称的光栅外形，如图4所示。在光是垂直于该掩模入射的地方，该光栅的分布是对称的(未画出)。然后除去该掩模19并使光栅在Shipley MF319中显影10秒钟，紧接着在去离子水中进行漂洗。然后再通过在深UV(254nm)射线中照射，使该光敏抗蚀剂20硬化，接着再在160℃烘烤45分钟，利用腐蚀剂根据接受的照射程度除去一些区域。该光敏抗蚀剂表面的最后形状就是如图4所示的光栅21。如后面所述，该整个的光敏抗蚀剂层20可以被做成一个或多个光栅区域，或仅仅一部分被做成光栅21，而剩余的留下作为平表面22。
然后在表面21，22上再涂一层低能表面活性剂或卵磷脂(Lecithin)之类的聚合物，使得液晶分子倾向于处于在局部与表面垂直，即垂直边界条件。该表面的形状(因而某些性质)与好几个因素有关，包括光栅的深度(与曝光的时间有关)，它的间距(由铬掩模的间距给定)，以及光的入射角(例如，非对称或衍射光栅的闪耀程度)。
还可利用其它的制造技术来制备这样的表面(参看，例如，MCHutley，1982“Diffraction gratings”Academic Presspp71-128)，包括：划线(scoring)，压印，印刷，平板印刷，激光烧蚀，干涉摄影等技术。用于获得天顶双稳性的典型光栅的横截面的扫描电镜图像(SEM)示于图4中。在这例子中，该光栅间距为大约1.2μm而深度大约为0.8μm。实际上，在维持该表面的双稳性的同时，这些特性也允许有某种变化。例如，对于具有大约0.3μm-2.0μm深度的光栅已发现具有双稳性。
图5和图6表示本发明的一个最简单的实施例。
如图5a，b，和c所示液晶盒壁4携带有电极6和光栅层21。为了提供天顶双稳性，也就是，为了液晶分子可在垂直排列和在或接近平面排列之间转变，该光栅21具有基本光栅Gb的区域，每个这些区域都具有与图3相同的分布。这些基本光栅Gb与一平的区域Fm交替分布，该平的区域的宽度与该基本光栅区域相同。该光栅Gb具有的线度为，例如，高0.3μm，间距L1 0.6μm。光栅Gb和平表面Fm的调制具有间距L2，这间距常常比L1大2倍到10倍，举例说明的L2的尺寸大约为6μm。垂直涂层(homeotropic coating)，如卵磷脂被施加于基本光栅区域Gb上，也施加于平区域Fm上。按这种方式，该液晶材料的表面排列与双稳的光栅区域Gb和单稳垂直区域Fm是不同的，前者可以垂直(垂直的)或平行于该表面的平均平面排列，这取决于，例如，施加的DC电压的符号，而后者的排列总是与该壁4垂直的。
图6a和图6b表示一由图5的壁4正对着带有电极7的壁3形成的一液晶盒1，该壁3上覆盖有一垂直排列层22但却没有光栅。该液晶盒1通过一偏振片13接收平面偏振光。在这种配置中，受该双稳的基本光栅Gb影响的液晶盒的区域可以处于高倾斜状态(连续的)或低倾斜状态，而在平区域Fm分子则是处于高倾斜(传统的垂直的)状态。通过施加在电极6，7上的适当长度的正和负单向电压脉冲，使该液晶盒1的基本光栅区域Gb在两双稳态之间转变。
图6a表示一非散射(或衍射)或弱散射(或衍射)状态，在这种状态中该双稳的基本光栅区域G和交替出现的单稳平面区域Fm都是处于垂直(垂直的)排列状态。
图6b表示一强散射(或衍射)状态，在这种状态，该双稳光栅区域Gb处于低倾斜状态。在该平面区域Fm上该分子仍保持在垂直排列的状态上。这种衍射的原因是由于该液晶分子形成有规则的相光栅。在图平面内偏振的光(如图所示)经历一些与该液晶材料的寻常折射率(no)近似相等的折射率条，这些条是与非常折射率(ne)近似的折射率条相交替的。这样，该液晶盒对于入射光来说就形成一可以叫做相光栅的器件。众所周知的Bragg衍射定律给出2(L2)sinθ＝nλ，这里n是一整数。如果L2近似为12μm，则图6的结构就在角度θ为±1.4°处得到红光(λ＝600nm)的一级衍射斑点，而对于λ＝4μm近红外(IR)波长，则在角度θ为±9.6°时点得到一级衍射斑。
注意，如果在这例子中该入射偏振与光栅沟槽平行(也就是，从图6a和6b的纸平面出来)则就没有该折射率的调制和没有衍射。而且，如果偏振是在该纸平面内，但该光以偏离垂线的角度入射，则就观察到折射率的调制减小，这与较弱的衍射相应。
图7a，b，c表示盒壁4的另一实施例，在其中该光栅21是沿两正交方向调制的，如在图8的二维图所示。图7是示意地表示出一些小的正方区域，每一个都具有一双稳光栅的分布而且该壁表面的相邻区域中沟槽方向是相互正交的。在图7的实施例中没有平面的单稳排列区域。这种示意表示还用于本说明别的地方；如在图5中那样，在每个小方块内光栅周期为L1，而不同排列方向的周期为L2。该光栅21可如图3中那样用光刻技术将掩模转动90°分两步做成，也可利用特别设计有希望图案的单个掩模做成。在该整个盒壁4上涂敷有一层表面活性剂。
用如图7中那样的壁形成的盒被与象图6中那样的壁3一起使用。该盒可由正和负的DC电压脉冲转变，以便选取图6a的垂直(基片)的排列(非散射)或类似于图6b的散射状态。
在图7的例子中，该衍射状态对于在纸面内或与纸面垂直的方向上偏振的入射光来说都具有折射率调制的作用。例如，如果L1选成0.3μm(对于产生双稳排列光栅的深度大约为0.15μm)，而L2选为2.5μm，则对于与法线成7°的红光就有四个一级衍射光斑。
图9，10和11是在图7的壁4上作的一些改变，它们表示出三个另外的实施例，在这些实施例中在两个维度上都有多于两种的调制。在这些情形中，小方块的双稳排列光栅交替更换调制方向，而且这些光栅区域之间插有平的单稳垂直排列区域。这具有使相邻区域之间折射率失配增大的效果，不管该入射光的入射角度如何。
注意，在图9b，c中在隔一个的光栅区域上的预倾斜方向是朝着相同的方向；图10的情况也同样。相反，在图11中在相邻区域间该非对称的方向是相反的，因而改善了该装置的角度的特性。这种非对称性可通过图11b，c中的箭头23的方向看出，此时该材料是处于其低表面倾斜的转变状态上。
图12表示一极限情形，在这情形中对于处于两正交方向的光栅来说，L1＝L2(还有L1x＝L1y)；也就是，形成了一天顶双稳的双光栅。这样的双光栅先前，例如，在US patent 5,796,459中已被用于给出双稳的表面条件。在那个装置中，该双光栅导致双稳的排列方向，它在基片的平面内具有不同角度的分量(即，方位角双稳性(azimuthalbistability))。双光栅结构在表面平面内导致可引起液晶排列的两组正交的沟槽。虽然双稳性的条件是与两叠加光栅的相关形状有关，但沿着一沟槽或另一沟槽的排列对于各光栅形状的结构(如间距和幅度)是不敏感的。在本发明中，该双光栅具有一些附加的限制：该表面必须多涂一层低能处理层，或由低能材料形成，以便在该表面上的局部液晶方向倾向于沿该局部表面的法线方向。再加上第二限制：形成双光栅的两种光栅都具有一幅度与间距的比率(a/L1)，其比率范围为0.1＜a/L1＜2，最好为0.25＜a/L1＜1，而从经验来看，通常a/L1＝0.9。正如在UK专利申请9521106.6，及专利号为GB-2,318,422的专利中介绍的那样，这些都是导致天顶双稳性的条件。
在图12中，由垂直的双光栅形成的“谷”和“峰”可包含一些缺陷环(defect loop)，这些缺陷环导致那个区域的指向矢或者纯粹的高倾斜或者纯粹的低倾斜。另外，该指向矢场在每个特征(feature)附近都是连续的，并在那特征附近导致一均匀的指向矢的高倾斜。这比前述的实施例(例如，图7-11)具有下述的优点：较易于制备调制距离很短的双稳表面，因而适于应用在调制的长度范围与该光的波长同数量级的散射型的情形中。
图13，14，15表示使用这些原则来产生散射而不是衍射的三个实施例。在先前的例子中，从该排列光栅和较长的调制长度范围来看，该光栅区域都是有规则的。这些装置在衍射光学应用中是有用的，特别是在用于吸收模式时更是如此。如图7所示的装置就在用于吸收模式时是有用的。
对于基于散射的显示类型的应用来说，该光栅区域最好是较不规则的，如图13，14，15的例子所示。在图13，14中该光栅区域的大小，间隔，和排列方向都是不同的。为了产生单稳排列，在该光栅区域之间是一些涂有表面活性剂的平面区域。注意，天顶双稳单光栅(图13和14)或双光栅(图15)都可使用。对于大多光栅制备技术来说，在形状方面都可能有很多的自由度，因此就有可能改变使用图案的精确结构。但是，人们发现良好的散射状态容易由图14所示的那些简单的设计来构成，提供的每个区域(或散射中心)都保持很小(即小于＜10λ)。装置可在很大的长度范围对这种不规则或随机的图案进行重复，以便，例如，在大面积的显示器上的所有像素都具有在缺陷状态的相同散射程度。
图16表示导致散射的这类光栅结构的另一实施例。此外，该图案是赝随机的，是设计来产生良好的散射或背散射状态的，但与先前的例子相反，该天顶双稳光栅本身(即具有最小的周期L1的光栅)在壁4的平面内的方向是变化的。这具有下述优点：可产生很细微的特征，特别是在该沟槽的曲率中心处。没有光栅的区域是平而涂敷有表面活性剂的。
图17表示图12类型的散射表面的一种取极端情形的变形，在该盒壁4上具有赝随机排列的突起25。每个突起25都与由图12的双光栅形成的突起类似。通过保证每个突起的表面涂敷一层适当的低能表面活性材料或每个突起的表面就用这种活性表面材料制作以诱发垂直排列，和保证(在需要双稳性的区域中)每个突起都具有恰当的形状和与紧邻间隔适当的距离，则就可产生天顶双稳的结果。例如，高度与直径相同(h＝D)，间隔在0.5D和2D之间的小的圆柱突起常常导致天顶双稳性(把这些图形与常见的光栅结构的产品区别开。该壁在突起25被适当隔开以产生双稳性的那些区域之间的区域都具有局部的单稳垂直排列，因而有助于产生改善的散射。最好的性能可从一些具有安排来产生不同散射程度的间隔的这种突起25的簇群(cluster)获得。此外，该特征的大小还可在横过该盒壁4时发生变化，以便改善该光学性能。对于要求显示天顶双稳性的每个表面区域来说，一般该突起的高度为0.1-2μm，直径为0.1-2μm，而突起之间的间隔为0.1-2μm，最好这些值是在0.5和1.0μm之间。在分布(profile)上这些突起可以是对称的，也可是非对称的。
图18表示一盒壁4的侧视图，该盒壁带有电极6和一有图17那样的突起25的光栅层。将该突起25的形状(特征的高，直径和陡度)和间隔做成这样，使得双稳的沿平面的和垂直的状态都具有近似相等的能量，以便产生电学上可转变的双稳操作。当靠近该突起25的区域是处于沿平面的状态(C1-D1和E1-F1)时，则该区域就起着散射中心的作用。当靠近该突起25的区域是处于其转变的垂直状态(如在A1-B1)时，则有很小的散射。通过使该液晶材料2的寻常折射率与该盒壁4的折射率相匹配，该散射还可更进一步减小。在表面是单稳和垂直的区域(B1-C1和D1-E1)内，几乎没有散射。
图18与先前的图6所示的实施例相似，在其中的双稳区域内L2＝(3L1)/2。这能使制作和改善散射都很容易，因为该散射中心的密度很高，而且具有更易于制作的与入射光波长相近的特征尺寸。如图12所示，图18的二维缺陷状态是复杂的，但可在间隙凹(trough)处和在该特征的顶部周围都具有一些围绕这些特征的缺陷环。畴壁通常从一个表面伸展到另一表面，如在C1，D1和E1处所示，但它们有时却从同一表面上的一个区域横穿到另一区域。
图19表示一具有几乎与图18相反的浮雕分布的天顶双稳表面的盒壁的一个区域。这里，该散射中心是由在该盒壁4上的光敏抗蚀剂层20中的盲孔26形成。此外，天顶双稳性与该孔的相关直径，深度，和间隔，以及垂直排列涂层有关。这种类型的结构比之于图18的结构具有很多的优点。首先，该双稳性本身对邻孔的位置不太敏感，但孔的布局对于决定该光散射分布(profile)仍然是一重要因素。而且，对于特征大小为使用图18之类结构的可能特征大小的大约三分之一时，原则上就可产生双稳性。一般来说，该孔的直径是在0.1与2μm之间变化，深度是在0.1与2μm之间变化，而孔之间的间隔是在0.1与2μm之间变化。这些孔26在形状上可以是对称的，也可是不对称的。
图20示意地表示该装置的两种电转变的双稳状态。此外，由一个表面到另一表面的畴壁表示在C2，D2，E2和F2处。在A2与B2之间的液晶材料已被转变到几乎不产生散射的高倾斜状态。从C2到D2和从E2到F2，该材料被转变成平行(基片)的状态，而且从C2到F2存在散射。
在另一个没有图示的实施例中，盒壁可具有孔26和突起25的混合体，两者或者混合一起，或者分处于一较大显示器的不同区域中。
图21表示铬掩模的照片，该铬掩模可用来制备在图7，8的实施例中所用的那种光栅结构。该掩模被分裂成10μm的格栅(grid)，在每个格栅中有很多1μm宽的图3所示的那种铬条。
图22，23，24是按本发明的例1制备的天顶双稳装置的显微照片。图22和23分别是当该液晶盒在交叉偏振器之间，在施加适当能量的电脉冲将其锁定在高倾斜排列和低倾斜排列状态后，该盒的显微照片(×100)。在两种情形中，该盒都是在垂直和水平的交叉偏振片之间拍照的(该沟槽方向相对于偏振器成±45°)。在图22中的较高的透明度证实，该盒的畴在该场去除后，完全被锁定在从高倾斜到低倾斜的状态上。添加一四分之一波片(相对于偏振片成45°)表明在相邻畴中的排列方向是相互正交的，如图24的显微照片所示。
图25，26，27表示由该装置在利用HeNe激光(632.8nm正入射)照明时所产生的衍射花样的图像。图25所示的图像是由处于衍射(低倾斜)状态的装置产生的，它与在图23所示的在交叉偏振片之间的观察相应。在这种情形，该激光的偏振方向是水平的，而且该畴的格栅是垂直和水平伸展的。几个较高的衍射级次在这图像中都能清楚看见。如果该偏振方向现在是垂直的，则就可获得一具有相同基本特征的图像，如图26所示。因此该散射大体上是与偏振无关的。最后，如果该盒被转变到非衍射(高倾斜)状态，则就只观察到零级光束，如图27所示。
图28表示模拟一非常靠近单个突起的向列液晶的结果，该单个突起如用于形成图18所示的天顶双稳性的那些。该模拟是在三个方向进行的，但只清晰地画出了一单一的二维片。在这例子中，上表面也是垂直排列的，但在垂直边缘的指向矢却是自由的，以便建立单个突起的模型(该结果表明，在很靠近该突起的位置，该指向矢的分布(director profile)在所有方向上都存在明显的变形，但在离开该突起就很快衰减成在一致的垂直线。这是与在专利GB2 318 422所介绍的连续或非缺陷状态等价的。还曾作过模拟该缺陷状态的尝试。这是通过在模拟的边缘上提供周期性的边界条件来进行的。如对双稳系统所期望的那样，产生了两种情况中的一种。或者是出现与图28所示的同样构形(即连续状态)，或者该模拟形成了很多的缺陷而不能得到一满意的解。
图29表示由一浅的垂直双光栅(在下面例6中介绍的)构造的装置的显微照片，分别表示锁定在该缺陷状态(图29a)和该连续状态(图29b)之后的情况。在两种情形中，该盒都是在交叉偏振片之间，在透明状态下利用光学显微镜以40倍的放大率观察的。该照片是在该光栅区域的边缘处拍摄的，该光栅区域就与两照片下面部分视场的暗部分相应。对于该盒的所有取向来说，这在交叉偏振片之间都是暗的，表示它是一垂直排列的区域。与预期的一样，这是因为它与平面的单稳区域相应。利用交变极性的双极脉冲，适当的电压，和持续时间来锁定该两状态。对这脉冲系列的光学响应可用发光二极管(带有视觉响应滤波器)来监测，所得到的透射响应以图30的示波图表示。
在转变成两状态后，当该盒在交叉偏振片之间转动时该透明度就被监测，结果示于图31中。在该连续状态(下扫描线)上，在测量的透明度方面几乎没有变化，因而证明该液晶分子现在在大部分样品中都一律是垂直的。当锁定在另一状态，缺陷状态(上扫描线)时，就有很高的透明度，因而证明该液晶指向矢在该盒平面中包含一很高的分量。也就是说，在这状态中的预倾斜比先前连续状态低得多。当转动处于缺陷状态的该盒时，图29a的纹理结构就会清晰地发生变化，这是由于在该盒平面中具有不同的指向矢取向的不同区域，会按照它们相对于该交叉偏振片的相应取向产生不同的透明度。该角度依赖性也示于图31中(上扫描线)，它清楚地表明这些畴的取向是随机的。这表示，虽然基础在双光栅突起之间凹谷的缺陷结构的四周和突起顶峰的四周的畴壁并不形成完全的规则图案，但彼此之间和与邻近结构的缺陷之间却相互作用，从而形成一随机结构。这就得到了比限制缺陷来获得双光栅的规则图案时好得多的装置性能。
图32表示反差比，它是由图31所示结果的比值计算的。当在两交叉偏振片中使用这样的一装置，则平均反差大约为20。应该注意，测得的反差比强烈地与该样品的放大倍率有关，利用低放大倍率(X5)粗略地给出与液晶盒取向无关的平均反差。
正好锁定在两状态之间所需要的尾随脉冲(trailing pulse)的幅度和持续时间示于图33中。将该结果与后面的例子(例7)比较，发现两种液晶盒对于现行技术的传统天顶双稳液晶装置来说，都具有相似的电光响应。
该例6的液晶盒被放置在一HeNe激光(波长628nm)的路径上，并在屏上观察所产生的透明度。图34a，b分别表示所得到的缺陷状态(散射)和连续状态(非散射)的图案。
图35表示利用与上面图29用的相同装置所获得的处于缺陷(图35a)和连续(图35b)状态的例7的较深的垂直双光栅的纹理结构。与图29的比较表明，透明度得到很大的改善，而且畴的尺寸明显变小。
图35的液晶盒的电光响应示于图36，37，和38中。这表明该双稳性比之于图30所示的浅双光栅的双稳性是有所改善的。图36表示图35的盒对极性交替变化的双极性脉冲(脉冲峰值为40V，持续时间为500μs)的光学响应。从连续到缺陷的缓慢转变(图37)和回到该连续状态快速响应曲(图38)两者都是与天顶双稳装置的现行技术是一致的。
图39a，b表示例7的液晶盒处在该两状态上的激光散射的差异。与该浅光栅(图34)的比较表明在缺陷状态(图39a)的散射程度得到显著改善，同时还保持该连续状态(图39b)的很微弱的散射。
图40a，b表示一与图6的装置类似的装置，相同的部件赋予相同的参考数字。该装置具有壁3，4，并包含有液晶材料2和在两壁3，4的内表面上的天顶双稳光栅结构21，同时在光栅之间的壁上呈垂直排列。电极没有表示出来，但与图6是相同的。在该盒1的后面可以有一背板30。该背板30可以是一种或多种颜色的吸收物质，而且可以是均一的，或是在每个像素中以不同颜色或不同量的吸收或反射像素化。该液晶材料可以是带有或不带有二色性染料添加剂的向列，胆甾型，长距胆甾型液晶。
该图示出在两表面上的光栅区域和平的垂直区域(flathomeotropic areas)，其中，该光栅的取向是限于页平面内。较通常的是，在与该装置平面平行的所有方向上该光栅都会发生变化。而且上下表面都可不匹配，从而当两个表面处于缺陷状态时在该盒的大部分中缺陷的量将增大。图40a画出了当两表面都处于高预倾斜状态时的情况。这在整个盒中形成均匀的垂直排列，而观察不到散射。图40b画出了在两表面处于低倾斜的缺陷状态时可能的指向矢分布。这比本发明先前的实施例可产生明显更高的散射度。
重要的是认识到，按图40设计的液晶盒不会锁定在由DC场转变时所显示的两状态之间，如在所有先前本发明给定的例子中所用的单极和双极脉冲就是该DC场的例子。这是因为该电场是施加在该盒的两边，因而一给定极性的DC脉冲在该两表面上就会产生相反的电场方向。因此，该装置就被一DC场锁定在一表面低倾斜和另一表面高倾斜状态之间。这问题可通过使用从Merck获得的TX2A之类的两频向列液晶来消除。这通常不是与该材料中的固有的弯电效应相关联，而是利用了在低频时该材料具有一正的介电各向异性和该施加的RMS电压在两表面上都导致高倾斜状态的事实，如图40a所示。这是因为在施加该低频场时平行于场方向的指向矢具有最低的能量状态，该电场方向近似沿着该表面的法线。当电压足够时，该施加的场就将靠近该光栅表面的指向矢锁定在该连续状态上，它具有平行于该场方向的最大的指向矢分量。
另外，在两表面处，高频(对于TX2A来说，一般在50kHz或以上，它在25℃时具有6kHz的交叉频率)锁定到该低倾斜状态，形成图40b所示的状态。这是因为那时垂直于施加电场的指向矢具有最低的能量，因此，如果该电压足够高，则就可锁定具有最低倾斜的指向矢配置。
图41，42，43表示另一些实施例的横截面视图。该最简单的配置类型是一简单的可转变的散射或漫射装置，其中，在施加的转变电压终止后仍保持不同程度的散射；即该装置是双稳的。
图41a，b表示一与图6的装置相似的装置，其相同部分赋予相同的参考数字。该装置具有壁3，4，并包含液晶材料2，一在壁3的内表面的垂直排列和在壁4的内表面上的光栅结构21。电极没有表示出来，但与图6是相同的。在该盒1的后面是一背板30。该背板30可以是一种或多种颜色的吸收物质，而且可以是均匀的，或是用每个像素中的不同颜色或不同量的吸收或反射物质的像素化的。该液晶材料可以是带有或不带有二色性染料添加剂的向列、胆甾型、长距胆甾型的。
图41a表示一转变的状态，在这状态上所有的液晶分子都处于一高倾斜的转变状态。图41b表示另一转变状态，在这状态上，选择的区域是处于一平行于平面的状态(planar state)。该装置可以在一图41b所示的散射装置，或图41a所示的反射装置之间转变，这里该装置呈现出与该背板30相同的颜色。
另外，该液晶材料2包括染料，而该背板30是一反射器。在这种情形，图41a所示的均匀高倾斜状态具有很高的反射能力，图41b的可变化的平行平面状态吸收入射光，因而形成光学反差。
图42a，b是与图41a，b相似，并增添了一微棱镜片31。这以与Kanemoto等人在Proceedings of the International DisplaysResearch Conference(1994)pp183-186(Monterey，CaliforniaUSA 10-13 Oct 1994)中所述的相同方式增强了背散射。该装置可在图42a所示的非散射状态和图42b所示的散射状态之间转变。在这种散射状态，有些接近法线入射在装置上的光被背散射，但大部分却是向前散射的。这导致该显示器的反差很差。但是，如图所示，加入一个或多个片就可增大透过该装置和棱镜阵列组合的光的有效角度。在零或弱散射状态上，这仅仅导致装置分辨率的稍微损失，而对于较强的散射状态来说，该透射角度就变得充分地大，足以在棱镜排列的背表面引起全内反射。这样就使背散射的程度增强，直到有损于装置的分辨率。利用一对于第一棱镜排列交叉的第二棱镜排列还可使背散射进一步增强。
图43表示另一实施例，它包括传统的扭曲向列液晶装置的液晶盒33，该盒具有一些安排来形成像素显示器的电极34，35和一反射(或半反射)背板36。在该盒30(似乎应是33-译者)就是本发明的装置1，有些类似图40的装置，具有壁3，4和在两壁3，4上的光栅21。在一个壁上的双稳光栅21的区域部分地正对另一壁上的平的区域。
该传统的液晶盒33在反射或tranflective模式下具有很高的分辨率和低的视差作用。但是，如果从一定向光源来考虑，则该显示器将经受高度镜面反射，从而导致难以辨识。在传统上，这是在该装置前面使用一固定的漫射体来克服的。在本发明中该装置1就起着可变漫射体的作用，因而该组合光学特性可容易地进行调节，使整个显示器的耗散功率的增加微不足道。该装置1可以是一覆盖该显示器的整个面积的单块遮板，也可以是不同区域中有选择地转变。
一个已知的可转换的漫射体描述于USP-5,831,698中。下面给出了光栅和液晶盒制造的进一步的细节。
例1
传统的接触光敏抗蚀剂技术(如图3所示)可用来制造图5，7，8，9，10，11和12所示的那类光栅。对于存在有两正交方向而且每一方向对于光栅都具有由不对称或闪耀程度产生的处于缺陷状态的预倾斜的情形来说，该光入射时应相对于表面的法线有一角度，而且相对于两光栅的方向还有一方位角。在该光栅范围上该预倾斜方向有变化的情形，如图11所示的那样，用这样的方法制造是较为困难的，而用多光束干涉摄影方法则就较为容易制造。如图13，14，15，16，17，18，19和20之类结构也可用接触平版印刷术来制造，但那时将导致零预倾斜(如果使用垂直入射光来使光敏抗蚀剂交联(cross-link))或随光栅方向变化的预倾斜(这得到一对于某些应用是不希望的可变的转换阈值)。
在第一例子中，类似于图7，8所示的一光栅结构是利用一标准的接触平版印刷工艺制造的。在一涂有1.1mm厚ITO的玻璃片上，以3000rpm的速度，旋转涂敷30秒的光敏抗蚀剂Shipley 1805。这就形成一厚度为0.55μm的膜。然后将该表面在90℃软烘烤30分钟以除去过剩的溶剂。然后将利用电子束(e-beam)方法制备的铬掩模(参看图10)固定，使其与该光敏抗蚀剂表面紧密接触。该掩模由0.5μm的铬线构成，铬线之间的间隙为0.5μm，如图10所示。利用未滤光的水银灯(0.3mW/cm2)将样品照射530秒。该照射是以与表面法线成60°的角度进行，而且在基片平面中的分量相对于该掩模中的两种光栅方向成45°。
这种工艺对于该光栅格栅的每部分都导致45°的缺陷状态预倾斜(亦即该天顶双稳状态是预倾斜45°和90°)。然后利用Shipley MF319在800rpm的速度上旋转显影(spin development)10秒钟，紧接着在去离子水中漂洗。这导致间距为1.0μm的光栅格栅表面的形成。然后在深UV(254nm)下照射，使光敏抗蚀剂硬化，接着在180℃烘烤2小时。最后，通过用垂直排列聚合物JALS 688处理，以3000rpm速度旋转，并在180℃烘烤30秒，使该表面变成垂直的。然后通过将这天顶双稳格栅表面安放在一平面的，垂直表面的对面的方法构成一4μm的液晶盒，后一表面是利用上述的同一JALS 688的工艺得到的。这对着的表面是通过下述方法制备的：用与该光栅表面类似但不进行光栅曝光的方法制备一Shipley 1805的薄层(0.2μm)。液晶盒是由一光栅表面和一平表面利用包含珠粒隔离物(bead spacer)的边缘密封胶粘合形成。该盒充满市售向列液晶MLC 6602(可从德国的E.Merck买到)，该液晶在整个可能的工作频率和温度范围都具有正的介电各向异性和一高的Δn值，以产生最大的衍射效应。充填是通过该均质相(isotropic phase)中的毛细作用完成的，然后缓慢冷却成向列相。
按照上面详述的结构，对每个基片的ITO都制备了电接触，并施加交替变换的脉冲，脉冲的占空比为100∶1。这种信号是由一些直线脉冲组成，其典型的持续时间为0.1-100ms，而大小为20-100V。使用的占空比在50∶1和500∶1之间，而且叠加了频率为1kHz到100kHz且电压的有效值为V(Vrms)(0V-10V)的AC波形。也可使用其它的电信号，如在9521106.6中所用的多路复用信号。当利用光学显微镜在交叉偏振片之间观察时，在纹理结构方面所产生的变化示于图22，23和24中。
该液晶盒用氦氖激光光源照明，并将所产生的衍射图样投射在一屏上。在衍射和非衍射状态之间获得双稳锁定(bistable latching)，其结果示于图25，26，和27中。该盒也用钨的白炽灯光源照明，而且观察到它在一个状态中呈弱散射，而在另一状态是透射的，而且可利用适当极性和适当持续时间与大小的脉冲用电学方法选择每个状态。
例2
还生产了一种与例2类似的液晶盒，但这一次使用的是硫化锌基片而不是传统的玻璃。然后通过利用对3-5μm的波长敏感的IR相机对暖和的物体成像的方法，对这种液晶盒进行在IR中使用的测试。发现散射和非散射之间的反差比在光学波长上观察到的显著地高，因而在非散射状态可清晰分辨的图像，在锁定在散射状态后，就被该盒变得昏暗不清了。
例3
第三种液晶盒是按照与前些例子相同的方法制备的，但该盒充注的是液晶E7，在这种液晶中混进了2wt％的黑的二色性染料(例如参看Bahadur Liquid Crystals：Applications and Uses，Volume 3，Chapter 11，World Scientific Press)。这种情形，由于在该两种状态之间光学吸收的差异，对于法向入射光来说在该两种状态之间观察到大约为2∶1的反差比。这还可通过使该盒在反射模式下运作来更进一步改善，在该模式中该盒一侧的平表面被一反射铝层所覆盖。
例4
在先前的例子中，该散射对于显示装置来说是很弱而并不引人注意的。其理由是在基片平面内排列方向变化大小在长度规模上是显著大于入射光的波长的。为了保证对光波波长有较高程度的散射，基片可利用具有与图6b相似设计的掩模来制备，其中该光栅间距为0.15μm，那些具有恒定沟槽方向的特征的平均宽度大约为0.6μm。使用倍频的氩离子激光(257nm，例如，参看前述的Hutley的同一论著，p99)就可实现较小的特征尺寸，该激光是用来使深UV光敏抗蚀剂PMGI显影的。在这例子中该基片是用垂直入射光照射的。在显影后，该表面就被一氟化的铬的络合物的垂直表面活性剂(homeotropicsurfactant)所覆盖，而且与第二平垂直表面(flat homeotropicsurface)间隔20μm。如例1所述，该盒又用BLO36充满，并用于在透射状态和散射状态之间的转变。还发现该装置可提供适度的背散射。这可用于一无偏振片的显示器配置，在这里，该装置是被安装在一黑的(或有色的)背景前面。这对于垂直入射光来说可给出大约4∶1的反差比，这对于某些显示应用来说是足够的，在这些应用中，低功率，双稳性和机械寿命都是主要的要求。
该被反射状态亮度的进一步改善是利用如US 3 910 681所描述的全息摄影反射板来实现的。这汇集入射光而部分地向后反射输出光，因此提供了多条通过散射装置的路径。
例5
例4的方法还可应用来形成随意彼此隔开的微孔表面，如图9所示，在该表面中每个孔都近似有0.2μm深，和有0.35μm的直径。这比之于先前例子来说，散射和非散射状态都得到了改善。
例6
早先涂敷了导体ITO并经适当腐蚀的玻璃基片以3000rpm的转速旋转30秒钟，就可在其上旋转涂敷上该光敏抗蚀剂层SU8。然后将这样品在100℃上软烘烤10分钟，接着在UV光下照射3分钟并在160℃上烘烤30分钟。这层被用来在该ITO电极上形成一阻挡层。然后在这外面再披覆上用下述工艺形成的光栅。将光敏抗蚀剂Shipley1813以3000rpm的转速旋转30秒钟，然后在115℃上烘烤60秒，形成一厚度为1.55μm的层。具有1.2μm间距的单光栅掩模(如图3所示的那种)被压贴在这表面上，利用强UV源(1kW OAI汞氙弧光灯产生30mW/cm2的强度)照射6秒钟。然后将该掩模通过90°的重新取向并再次照射6秒钟。
接着通过以800rpm的速度旋转涂敷Shipley MF 319的方法使双光栅显影10秒钟，接着在双重去离子水中漂洗。然后使该双光栅在硬UV中固化，并在180℃上烘烤2小时。然后在该双光栅表面再以3000rpm的转速再涂敷一层垂直排列聚合物JALS 688(由Japan SyntheticRubber Company生产)，并在180℃上烘烤60秒。利用这双光栅表面和一也涂敷有JALS 688的平基片就可构成一4.5μm的液晶盒。
然后在该液晶盒内充注由德国Merck生产的液晶材料MLC 6204。使该盒从最初的均质相冷却，以便在整个有效面积上形成缺陷状态。在这种原始状态中该缺陷的大小比图29或35的那些要大的多，显示出可忽略的激光散射。然后将该盒连接到一任意波形发生器以提供适当的电信号。在整个试验中所用的信号都是极性为+V和持续时间为τ的脉冲信号，之后紧接着就是极性为-V和持续时间为τ的脉冲信号，然后在0V上持续1000τ的时间，之后才是第二个双极性脉冲，但这一次却具有相反的极性(先为-V后为+V)。
提供了这样的方法，使得脉冲串能被中断，不施加信号，使该盒处于其两个中的任何一个零场状态。当施加幅度为40V和时间片为3ms的脉冲串时，就可观察到该盒锁定在亮和暗状态之间。透射是利用发光二极管(和一视觉响应滤波器)检测的，而瞬间的变化是利用一记忆示波器来监视的。图30所示的瞬态响应，清楚地表明所观察到的两状态之间的差异；还可参看图31和32。对于例6来说，当该缺陷开始合并时，在该亮(缺陷)态上就存在有光响应的衰减。这被认为是因为该光栅浅所致。
例7
按照图6所用的同样方法制备了第二种液晶盒，但是这一次利用了光敏抗蚀剂Shipley 1818(它形成2.18μm的光敏抗蚀剂的厚度)而且使每种正交单光栅都曝光9秒钟的时间。这种工艺导致一较深的双光栅结构，以图改善双稳性。这样品的原始状态和锁定的缺陷状态两者都具有较例子6小得多的畴，而且在交叉偏振片之间该连续状态甚至更暗。这意味着在该缺陷状态测量到近似两倍的透射率，并还得到了70∶1的反差比。亮状态的透射率和反差两者随液晶盒取向的变化也都较例6为小。这部分是因为紧随该施加场的尾随脉冲(trailingpulse)(参看图36)之后并不存在光的透射率的衰减。当用作装置时，例7还给出很高程度的激光散射和较好的光学表现。
随机天顶双稳表面的另外的制备方法如下：
天顶双稳表面还可使用与通常用来制造光栅不同的技术来制备。在本发明中所用的一种新颖方法是通过混合排列。在Harada等的专利：EP 0 732 610 A2中介绍了一种方法，在该专利中将两种或多种不同溶解度的聚合物混合在一溶剂中并旋转涂敷在一适当的基片上，以便起给定基片的微滴表面能的作用来控制微滴的大小和形状。在该发明的第五例中，将聚合物PAS和聚4乙烯基联苯(poly 4vinylbiphenyl)按10∶1的比例在溶剂N-甲基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone)(NMP)中混合以给出3wt％的浓度。然后旋转涂敷并在200℃烘烤1小时就得到50nm厚的排列层，其上有一些高度大约为30nm和直径大约为50nm的表面突起，这些突起的间隔是无规则的。在本发明中，那时就将这表面旋转涂敷一层低能表面活性剂，如氟化的铬的络合物或硅烷(如ZLI 3334)的垂直剂(homeotropicagent)。该高密度的很小散射中心导致了一很强的散射状态，不过由于在另一状态中相当高程度的散射却使得反差很差，这是由于在某些区域中该缺陷状态仍保持单稳性造成的。这是与很多非光栅方法所共有的一个问题，因为要实现相同程度的表面控制常常是困难的。但是，人们发现，利用在聚合物溶液中添加表面活性剂来帮助控制该微滴的大小，就可能得到某种改善。其它的例子也是可行的，包括利用两种不可互溶的垂直排列聚合物，利用一种在两种不可互溶的溶剂中具有不同溶解度的聚合物等等。
类似的技术还可用来生产微孔表面，在这表面中该排列层是按与PDLC相同的方式形成的(也就是利用光，热，或溶剂诱发物相分离(PIPS，TIPS或SIPS)的方法，这些方法被，例如，Doane综述在Bahadur主编的，“Liquid Crystals：Applications and Uses，Volume1，World Scientific，1990，p361”中)。使包含溶剂的该单体(如果使用PIPS工艺，则有时就与适当的光引发剂(photo initiator)联合使用)旋转，以形成一具有精确控制厚度的表面膜。
通过仔细控制溶液浓度，温度，基础表面的润湿性等，图17，18，19和20中所示两种类型的表面则都是可能的。另外，如果需要，单体微滴的细的气溶胶喷射(aerosol spray)可以被用来涂敷垂直表面，可在垂直表面活性剂中硬化(用热学和/或光学方法)和涂敷。在这例子中，初始表面活性剂涂敷既用作该液晶的排列剂又用作湿润剂，其可在硬化之前增大该微滴的接触角，由此保证很好形成恰当外形的陡峭特征从而提供天顶双稳性。

Claims (30)

1.一种液晶装置，包括一向列液晶材料层(2)，该层包含在两个盒壁(3，4)之间，每个壁都携带有电极结构(6，7)和一排列表面(21)，其特征在于：
排列层(21，22)在至少一个盒壁(4)上，该排列层具有一主调制和一次调制，
该主调制是由多个小(＜15μm)排列区域形成的，每个区域都具有一成型表面和一垂直表面，以便给液晶分子提供双稳的预倾斜排列和排列方向，而次调制是由小的排列区域的间隔和/或的表面排列方向(图5-20)形成的，
由此，就可使该装置在光的透射状态和光的非透射状态之间转变。
2.权利要求1的装置，其中多个小的排列区域是由多个光栅区域(21)形成的。
3.权利要求2的装置，其中该光栅区域包括单光栅结构(图5，7，9，10，11)和或双光栅结构(图12)。
4.权利要求1的装置，其中每个小的排列区域是由多个突起(25)形成的。
5.权利要求1的装置，其中每个小的排列区域是由多个盲孔(26)形成的。
6.权利要求1的装置，其中该次调制是通过多个小排列区域与垂直表面排列区域(图5，7，9，11)分隔所形成。
7.权利要求1的装置，其中次调制是通过改变相邻的小排列区域的排列方向所形成(图7)。
8.权利要求1的装置，其中多个小的表面特征是安排来形成多个不同方向的排列(图7-16)。
9.权利要求1的装置，其中该多个小的排列区域具有一规则形状(图5-11)。
10.权利要求1的装置，其中该多个小的排列区域具有不规则的形状(图14，15，16)。
11.权利要求1的装置，其中该多个小的排列区域至少在一个方向上是毗连的(图7，8，12)。
12.权利要求2的装置，其中光栅是一系列的对称或不对称的沟槽。
13.权利要求2的装置，其中该光栅是一系列对称或不对称的沟槽，其中至少在一些排列区域内该沟槽的方向是变化的(图16)。
14.权利要求2的装置，其中在光栅区域内的周期是L1，而且该周期在每个排列区域都是均匀的(图13，14，15)。
15.权利要求2的装置，其中在光栅区域内的周期是L1，而且该周期在每个排列区域都是变化的。
16.权利要求2的装置，其中该光栅区域由具有垂直表面排列的区域分隔开，而光栅区域加垂直排列区域的组合的周期是L2。
17.权利要求1的装置，其中一个盒壁(3)经过一垂直排列的表面处理。
18.权利要求16的装置，其中该周期L2是从与在光栅区域内的周期L1相等的周期变化到10L1。
19.权利要求1的装置，其中该液晶材料包含一定数量的二色性染料。
20.权利要求1的装置，其中该装置包括至少一个偏振片(13，13’)。
21.权利要求3的装置，其中光栅具有具有幅度为a而周期为L1的沟槽，这里，0.1＜a/L1＜0.75。
22.权利要求1的装置，其中该向列液晶层的厚度是在1μm和50μm之间。
23.权利要求1的装置，其中该电极结构(6，7)在一个盒壁上被做成行电极，而在另一盒壁上被做成列电极，从而形成一可编址的像素或显示单元的xy矩阵。
24.权利要求23的装置，其中在每个像素内该主、次调制都是恒定的。
25.权利要求23的装置，其中在每个像素内该主、次调制都是变化的，而且至少有多个像素具有相同的变化。
26.权利要求1的装置，其中电极结构(6，7)是片电极，因此整个液晶盒就可在两个不同的光透射水平之间转变。
27.权利要求1的装置，其中该液晶材料(2)是一手征性向列或近晶材料。
28.权利要求1的装置，其中该装置是被夹在两交叉的偏振片(13和13’)之间。
29.一种液晶装置，包括一向列液晶材料层(2)，该层包含在两个盒壁(3，4)之间，每个壁都携带有电极结构(6，7)和一排列表面(21，22)，其特征在于：
排列层(21)在至少一个盒壁(4)上，该排列层是由多个小的(＜15μm)光栅区域构成的，每个区域都给液晶分子提供双稳性排列，该多个光栅区域提供多个排列方向(图7-16)，
该光栅区域被一些具有单稳的高表面倾斜排列的区域所分隔开，
由此，就可使该装置在光的透射状态和光的非透射状态之间转变。
30.一种液晶装置，包括一向列液晶材料层(2)，该层包含在两个盒壁(3，4)之间，每个壁都携带有电极结构(6，7)和一排列表面(21)，其特征在于：
排列层(21)在至少一个盒壁(4)上，该排列层是由多个小的(＜15μm)表面特征构成的，每个表面特征都可单独地引起分子取向小的局部变化，而且总起来就能在横穿该层(2)引起分子取向的较大变化，由此，就可使该装置在光的透射状态和光的非透射状态之间转变。
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