CN1475840A - 一种液晶调光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液晶调光器，有一个液晶盒，该液晶盒设有上、下两个透明基板101，该液晶盒周边设有密封圈102，其特征在于：所述的两个透明基板的内表面上对应设有透明电极103，在透明电极的内表面上设置具有预倾角的取向层104，该取向层的预倾角范围为1°～89°，在所述的两个透明基板之间设有一维有序的焦锥态液晶层，所述的液晶层是胆甾相液晶，该液晶的螺旋对称轴在同一方向，并与所述的两个透明基板平行。

Description

一种液晶调光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种液晶调光器及其制造方法，该调光器是用胆甾相液晶制成一种特殊的调光器，该调光器的反射光波长由所加电压来控制，可以使反射光颜色从红→绿→蓝快速变换，实现彩色显示。本专利的核心技术是使调光器中的胆甾相液晶始终处于取向良好的焦锥态(Focal conic)，即螺旋对称轴总在同一方向，只是螺矩随电压变化。
背景技术
随着工业的发展，人们对低功耗彩色液晶显示器的要求越来越高，越来越特殊。在某些应用中，比如在大屏幕LCOS(简称硅片上的液晶)投影显示中，要求显示器既能真实、快速地显示颜色和提高光的利用率，又能承受强光照射，对光的吸收几乎为零。目前，还没有能满足上述要求的调光器。
现在，液晶显示器实现彩色显示的技术主要有两种。最常见的一种是STN-LCD和TFT-LCD所采用的技术，其象素颜色由彩色滤色膜决定，外界条件无法改变。另一种是电控双折射(ECB)液晶显示器所采用的技术，其象素颜色是通过改变液晶层上所加电压从而改变其光学延迟量来获得的，其透过光强呈中心分布，边缘不清晰，光的利用率不高。这两种技术都不能使显示器快速变换颜色，而且，在与这两种技术相应的显示器层状结构中，都含有吸收光的偏振片、滤色膜和显示点四周的黑膜边框等。作为投影显示器的图象发生器(imager)，当强光通过时，会产生显著温升，使显示器的温度大大超过正常的工作范围。因此，基于现有彩色显示技术的液晶显示器都不能满足投影显示图象发生器的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液晶调光器及其制造方法，该调光器的反射光波长由所加电压来控制，通过调节驱动电压来改变其侧向入射的反射光波，可以使反射光颜色从红→绿→蓝快速变换，实现彩色显示。
本发明的目的是由下述技术方案实现的：一种液晶调光器，有一个液晶盒，该液晶盒设有上、下两个透明基板，该液晶盒周边设有密封圈，所述的两个透明基板的内表面上对应设有透明电极，在透明电极的内表面上设置具有预倾角的取向层，该取向层的预倾角范围为1°～89°，在所述的两个透明基板之间设有一维有序的焦锥态液晶层，所述的液晶层是胆甾相液晶，该液晶的螺旋对称轴在同一方向，并与所述的两个透明基板平行，通过调节驱动电压来改变其侧向入射的反射光波。
一种液晶调光器的制造方法：
A、配制混合液晶
采用向列相液晶，光活化材料，二者按比例配制成混合液晶，其重量比为，2∶3-10∶1；
B、在上下两块基板表面蒸镀透明电极，并于其上涂布聚酰亚胺SER11，作为取向层；
C、对上下基板的聚酰亚胺取向层分别进行反方向平行摩擦；
D、通过真空灌注或毛细现象灌注，将配制好的混合液晶灌满液晶盒，并用树酯胶封固；
E、将上下两基板的外表面檫干净，涂上树酯，并把两片梯形棱镜的斜面檫干净粘于其上，在粘合过程中，不要让气泡留在其中；
F、将制作好的液晶盒放入炉中，在接近或高于混合液晶清亮点的温度下加热，然后慢慢冷却，直到获得取向良好的一维焦锥织构，该加热温度为70℃-100℃。
在一般的液晶盒中，具有螺旋织构的胆甾相液晶存在平面态(planar state)和焦锥态(focal conic state)两种织构状态。
在平面态，螺旋对称轴垂直或近似垂直于基板。当外来光线照射时，只有其手性和胆甾相液晶螺旋织构手性相同的那个分量才会产生Bragg反射，而另一分量则从液晶层透射过去。
在零场，即不加电压时，反射光的波长λ和带宽Δλ分别为
λ＝n P cosθ                              (1)
Δλ＝Δn/nλcosθ或Δλ＝Δn P cosθ      (2)
n＝(ne+n0)/2                               (3)
此处n为胆甾液晶材料的平均折射率，P为胆甾相液晶螺旋织构的固有螺距，θ为入射光和螺旋对称轴的夹角，Δn＝ne-n0。ne为胆甾相液晶非寻常光的折射率，n0为胆甾相液晶寻常光的折射率。
在普通的焦锥态，螺旋对称轴平行或近似平行于基板，呈二维无序分布。当外来光线照射时，除少量被散射回来外，几乎全部透过显示器。
在零场，胆甾相液晶的两种织构状态以及许多被称为灰度等级的中间状态都是稳定的，由螺旋对称轴方向不相同的许多小畴构成。在一定的电场作用下，两种织构状态可以在同一物相下互相转换。
本发明的原理是采用一种特殊的表面处理和驱动技术，在全部或局部液晶层上得到稳定的、一维有序的特殊焦锥态，即焦锥织构的螺旋对称轴在同一方向，成为侧向入射光的反射体。入射光和反射光分别处于液晶层的两侧。
根据(1)式，该有序畴反射光的波长由螺旋织构的螺距P、入射/出射角θ和液晶材料的平均折射率n来决定。
胆甾相液晶螺旋织构的螺距P能随着施加于其上的电磁场强度的变化而变化，也就是说，P是电磁场强度的函数P(V)，如图1所示。当外加电磁场强度足够强时，P会变的无限长，使液晶相从能反射光的胆甾相变为不反射光的场致向列相。本液晶调光器仅工作在P为有限值的范围内，也就是说，在工作过程中，液晶始终处于取向很好的焦锥织构状态，不出现平面织构和向列相织构。不同的电磁场强度对应着不同的螺距P(V)，从而对应着不同的反射波长，反射波长落入可见光范围，就对应着不同的颜色。因此反射光的中心波长是连续可调的。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、由于本发明利用胆甾相液晶的电光特性，由加在液晶层上的电压来控制反射光的波长，通过改变电压，可以快速地改变反射光的颜色。
2、由于本发明的结构中，没有吸收光的偏振片、滤色膜等材料，当强光通过时，不会产生温升，因此允许高强度的光通过调光器，光的利用率也很高。这种调光器除适用于LCOS投影显示外，还可应用于光通讯等其他许多场合。
3、由于本发明的焦锥织构取向良好，入射光和反射光都是很好的平行光，没有散射光。
附图说明
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1、本发明的结构示意图
图2、本发明与光相互作用原理图
图3、本发明在特定电压驱动下的反射光谱示意图
具体实施方式
参见图1、该图显示的是液晶调光器的一个实施例，在该实施例中，有一个液晶盒，该液晶盒设有上、下两个透明基板101，该透明基板可用玻璃或其他材料制作，该液晶盒周边设有密封圈102，所述的两个透明基板的内表面上对应设有透明电极103，透明电极，一般用氧化铟锡(ITO)等材料制成。在透明电极的内表面上设置具有预倾角的取向层104，该取向层的预倾角范围为1°～89°，高预倾角(＞45°)焦锥织构更稳定，这一层的作用是使表面液晶层具有一定的取向和预倾角。本实施例的取向层的预倾角范围65°。
在所述的两个透明基板之间设有一维有序的焦锥态液晶层105，所述的液晶层是胆甾相液晶，该液晶的螺旋对称轴106在同一方向，并与所述的两个透明基板平行，通过调节驱动电压来改变其侧向入射的反射光波。所述的胆甾相液晶材料，一般由市售的向列相液晶和光活化材料组成。为了满足某些特殊要求，也可加入少量，比如不超过总量5％的聚合物单体、聚合物和表面活性剂等。在液晶材料中，向列相液晶和光活化材料的比例，根据使用要求和所用材料，可以在2∶3～10∶1之间变化，最好在2∶3～2∶1之间变化。
制作液晶调光器，重要的是液晶盒结构的设计和胆甾相液晶材料的选取。液晶盒的厚度要小，本实施例的液晶盒厚度为1-10微米，其大小为0.8英寸×0.8英寸的方形液晶盒，并且无衬垫材料(spacer)。
胆甾相液晶螺旋织构的螺距P(μm)可由下式表述：
        P＝1/AiCi
式中，Ai为第i种光活化材料对液晶的扭曲能力；Ci为第i种光活化材料在向列相液晶材料中的百分比。
参见图2，本发明与两个辅助的梯形透明棱镜200、202作成一体。为了简化制造工艺，便于大规模生产，最好利用折射率相匹配的材料，如加拿大树酯或环氧树酯等把透明棱镜的下底面和基板粘在一起。在液晶盒内充入呈一维有序的焦锥织构的胆甾相液晶材料201，其螺旋对称轴206相互平行并平行于基板。入射光203、反射光205在液晶层平面两侧，并且和螺旋对称轴在同一平面内。该入射光.可以把入射的白色自然光分解为左旋和右旋两个手性不同的圆偏振光分量，只有手性和胆甾相螺旋相同的那个分量才会产生反射，而另一分量及其余的光则从液晶层透射过去形成透射光204。该透射光是反射光的补色光，即入射光除去反射光后的剩余部分。
反射光的中心波长为：
     λ＝n P cosθ
此处θ为入射光和螺旋对称轴的夹角，如果θ足够的小，液晶层足够厚，Δn足够大，则反射光中被选择反射的同旋光全部被反射，且带宽为矩形。
参见图3，当在液晶盒上施加的驱动电压为V0时，曲线301显示的是中心波长为400nm的反射光谱带；
当在液晶盒上施加的驱动电压为V1时，曲线302显示的是中心波长为450nm的反射光谱带；
当在液晶盒上施加的驱动电压为V2时，曲线303显示的是中心波长为550nm的反射光谱带；
当在液晶盒上施加的驱动电压为V3时，曲线304显示的是中心波长为610nm的反射光谱带。
本实施例所述的驱动电压是无直流分量的脉冲电压。
液晶调光器的制造方法的实施例一：
A、配制混合液晶
采用EM化学公司生产的向列相液晶BL003，实力克公司生产的光活化材料CB15，按比例配制成混合液晶，其重量比为BL003∶CB15＝6∶1；
B、在上下两块基板表面蒸镀透明电极，并于其上涂布NISSON公司生产的聚酰亚胺SER11，作为取向层，其预倾角为65°；
C、对上下基板的聚酰亚胺取向层分别进行反方向平行摩擦；
D、做一个厚度为2.3微米、大小为0.8英寸×0.8英寸的方形液晶盒，然后通过真空灌注或毛细现象灌注方法，将配制好的混合液晶灌满液晶盒，并用树酯胶封固；
E、将上下两基板的外表面檫干净，涂上加拿大树酯，并把两片梯形棱镜的斜面檫干净粘于其上，在粘合过程中，不要让气泡留在其中；
F、将制作好的液晶盒放入炉中，在接近或高于混合液晶清亮点的温度下加热，然后慢慢冷却，直到获得取向良好的一维焦锥织构，该加热温度为70℃-100℃，最佳为80℃。
液晶调光器的制造方法的实施例二：
A、配制混合液晶
采用向列相液晶BL009，光活化材料CB15，R1011和R811，按比例配制成混合液晶，其重量比为BL009∶R1011∶CB15∶R811＝65∶6∶12∶7；
B、在蒸镀有透明电极的上下两块基板表面蒸镀SiO2，其预倾角为65°；
C、对上下基板的聚酰亚胺取向层分别进行反方向平行摩擦；
D、通过真空灌注或毛细现象灌注方法，将配制好的混合液晶灌满液晶盒，并用树酯胶封固；
E、将上下两基板的外表面檫干净，涂上树酯，并把两块梯形棱镜的下底面檫干净粘于其上，在粘合过程中，不要让气泡留在其中；
F、在两基板之间加上大于解旋电压的工作电压，该交流电的频率为1kHz其电压为25V，持续10毫秒，然后花2秒钟时间，缓慢地将电压逐渐降至10V，使胆甾相液晶进入场致向列相状态，然后，慢慢地将电压逐渐降低，直到获得取向良好的一维焦锥织构。
本发明的应用范围很广，例如，可将其应用于LCOS投影显示器。将三层调光器叠合在一起，通过控制调光器的层间距离和照射光的入射角，把照于其上的白光分成整齐而紧连的红、绿、蓝三色光带，同时照射在LCOS的全部象素上。当改变三个调光器的电压时，三条色带轮换地照射LCOS上被同步驱动的相应象素，投影到屏幕上，得到全彩色图象。与采用分光、合光的三片式LCOS投影显示器及采用色轮的光学系统相比，采用这种调光器的LCOS投影显示器，结构简单，只用一片LCOS，避免了繁琐而困难的三色光点对准问题，光利用率高，其性能价格比远远超过其他LCOS投影显示器。

Claims (6)

1、一种液晶调光器，有一个液晶盒，该液晶盒设有上、下两个透明基板(101)，该液晶盒周边设有密封圈(102)，其特征在于：所述的两个透明基板的内表面上对应设有透明电极(103)，在透明电极的内表面上设置具有预倾角的取向层(104)，该取向层的预倾角范围为1°～89°，在所述的两个透明基板之间设有一维有序的焦锥态液晶层，所述的液晶层是胆甾相液晶，该液晶的螺旋对称轴在同一方向，并与所述的两个透明基板平行，通过调节驱动电压来改变其侧向入射的反射光波。
2、根据权利要求1所述的液晶调光器，其特征在于：所述的液晶盒的厚度为1-10微米，并且无衬垫材料。
3、根据权利要求2所述的液晶调光器，其特征在于：所述的胆甾相液晶是由向列相液晶与光活化材料按比例配制而成，其重量比为2∶3-10∶1。
4、根据权利要求2所述的液晶调光器，其特征在于：所述的取向层的预倾角范围65°。
5、一种液晶调光器的制造方法，其特征在于：
A、配制混合液晶
采用向列相液晶，光活化材料，二者按比例配制成混合液晶，其重量比为，2∶3-10∶1；
B、在上下两块基板表面蒸镀透明电极，并于其上涂布聚酰亚胺SER11，作为取向层；
C、对上下基板的聚酰亚胺取向层分别进行反方向平行摩擦；
D、通过真空灌注或毛细现象灌注，将配制好的混合液晶灌满液晶盒，并用树酯胶封固；
E、将上下两基板的外表面檫干净，涂上树酯，并把两片梯形棱镜的斜面檫干净粘于其上，在粘合过程中，不要让气泡留在其中；
F、将制作好的液晶盒放入炉中，在接近或高于混合液晶清亮点的温度下加热，然后慢慢冷却，直到获得取向良好的一维焦锥织构，该加热温度为70℃-100℃。
6、根据权利要求5所述的液晶调光器的制造方法，其特征在于：
A、配制混合液晶
采用向列相液晶，光活化材料，二者按比例配制成混合液晶，其重量比为，2∶3-10∶1；
B、在蒸镀有透明电极的上下两块基板表面蒸镀SiO2，其预倾角为65°；
C、对上下基板的聚酰亚胺取向层分别进行反方向平行摩擦；
D、通过真空灌注或毛细现象灌注方法，将配制好的混合液晶灌满液晶盒，并用树酯胶封固；
E、将上下两基板的外表面檫干净，涂上树酯，并把两块梯形棱镜的下底面檫干净粘于其上，在粘合过程中，不要让气泡留在其中；
F、在两基板之间加上大于解旋电压的工作电压，使胆甾相液晶进入场致向列相状态，然后，慢慢地将电压逐渐降低，直到获得取向良好的一维焦锥织构。
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