DE102021006429A1 - Variable, zentrosymmetrische oder nicht-zentrosymmetrische elektro-optisch einstellbare Blende auf Flüssigkristall-Basis und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Blende auf Basis von Flüssigkristallen, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende einen ersten Dünnschicht-Polarisator aufweist, welcher Licht einer einheitlichen Polarisation aus natürlichem Licht erzeugt, dass der erste Dünnschicht-Polarisator als eine Dünnschichtzelle mit zwei Elektroden und aktiven Kompositen aus Semi-Mesogenen (4) und dipolaren, stäbchenförmigen Molekülen (5) ausgestaltet ist, welche durch ihre anisotropen optischen Eigenschaften die Eingangspolarisation verändern, dass im Strahlengang dem ersten Dünnschicht-Polarisator ein zweiter Dünnschicht-Polarisator nachgeordnet ist, welcher ohne elektrische Ansteuerspannung an den Elektroden das Licht veränderter Polarisation unverändert transmittiert und welcher beim Anlegen der elektrische Ansteuerspannung zwischen den Elektroden die Semi-Mesogene (4) und die stäbchenförmigen Moleküle (4, 5) senkrecht zu den Elektrodenflächen ausrichtet, so dass die Eingangspolarisation keine Veränderung erfährt, konstant bleibt und das Licht in Sperrrichtung auf den zweiten Dünnschicht-Polarisator trifft.

Description

  • Die Erfindung betrifft, gemäß dem Patentanspruch 1, eine variable, zentrosymmetrische sowie nicht-zentrosymmetrische elektro-optisch einstellbare Blende bzw. Beleuchtungssystem auf Flüssigkristall-Basis und gemäß dem Patentanspruch 12 ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Gegenstand der Erfindung sind variable Blenden auf Basis segmentierter Flüssigkristall-Elemente. Dabei handelt es sich um elektro-optische Elemente, deren Aufbau dem transmissiver LC Displays ähnelt. Derartige Blenden stellen quasi segmentierte, flächige „Lichtventile“ dar, die entsprechend elektrischer Ansteuerspannung lokale Bereiche des einfallenden Lichtes ausblenden.
  • Generell begrenzen Blenden die Lichtmenge, die auf den Bildverarbeitungssensor bzw. Fotodetektor fällt. Klassische Ausführungsbeispiele sind mechanische Irisblenden, Lochblenden oder Spaltblenden, die verhindern, dass bestimmte Anteile des Lichtes auf den Detektor fallen. Variable Blenden können durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers bzw. der Breite der Öffnung gesteuert werden und werden so an diverse Anwendungen oder die jeweilige Umgebung angepasst. Dadurch eignen sich Blenden als vielseitige Optionen zum Begrenzen von Licht.
  • Über die Blende kann man steuern, wieviel Licht auf den Bildsensor fällt. Der Bildsensor benötigt eine bestimmte Lichtmenge, um ein Bild erfassen zu können, d.h. ein richtig belichtetes Bild zu erstellen. Ist das aufgenommene Bild zu hell, ist es überbelichtet. Dabei ist zu viel Licht auf die sensitive Schicht bzw. den Sensor gefallen. Ist das erstellte Bild zu dunkel, so ist zu wenig Licht auf den Sensor getroffen. Darüber hinaus bestimmt die Öffnung der Blende neben der Lichtmenge die Schärfentiefe des Bildes.
    • • Je weiter die Blende geöffnet ist, desto mehr Licht, aber desto weniger Schärfentiefe wird erreicht.
    • • Je weiter geschlossen die Blende ist, desto weniger Licht, aber desto mehr Schärfentiefe wird erzielt.
  • Es sind Blenden für verschiedene Funktionen zu unterscheiden:
    • Eine Aperturblende beeinflusst die Helligkeit des Bildes gleichmäßig, indem sie die Öffnungsweite (Apertur) des optischen Geräts begrenzt. Eine solche Blende findet zum Beispiel beim Mikroskop-Kondensor Anwendung. Bevor das Licht in einem Mikroskop, durch das Präparat geht, wird es durch den Kondensor geleitet.
    • Dieser beinhaltet neben den Linsen oft eine Blende, die dafür benutzt wird, das zu betrachtende Objekt optimal auszuleuchten. Der Kondensor stellt ansonsten ein sammelndes optisches System dar, welches zur optimalen Ausleuchtung eines Objektes eingesetzt wird. Weitere Blenden-Typen sind anwendungsbezogen:
      • • Gesichtsfeldblenden - sie begrenzen den Bildausschnitt, ohne sich auf die Helligkeit des Bildes auszuwirken. Die Kontrolle des einfallenden Lichtes bzw. eines Lichtstrahls erfolgt bei gleichbleibender Lichtintensität durch die Änderung der Apertur.
      • • Streulichtblenden - sie sind außerhalb des Strahlengangs angeordnet und beeinflussen weder die Helligkeit des Bilds noch die Größe des Bildausschnitts, verhindern aber, dass von starken Quellen parasitäres Licht in das optische System gelangt.
  • Arbeitet man mit unterschiedlichen statischen Blenden (Ringblenden, Spaltblenden oder Sektorblenden), so erfordert dies jeweils den mechanischen Wechsel der verwendeten Blende, wenn die Bedingungen geändert werden sollen. Gängig sind darüber hinaus variable mechanische Blenden (z.B. Iris-Blenden in der Kamera-Technik) mit denen man definierte Blendenöffnungen mechanisch oder elektromechanisch einstellen kann. Derartige Blenden sind zentrosymmetrisch, die Variationsmöglichkeiten sind so auf den Öffnungsdurchmesser beschränkt. Adaptive Iris-Blenden werden auch für die Kontrolle von Laserstrahlen, von Reinigungsstrahlen, zur Fokussierung (focusing image), zur Begrenzung der optischen Aberration (limiting optical aberration) und zum Schutz von Photodetektoren eingesetzt.
  • Mechanische Blenden unterliegen immer einem gewissen Verschleiß und sind gegenüber Umwelteinflüssen anfällig. Weitere Probleme mechanischer Blenden bestehen in den begrenzten Schaltzeiten und der aufwendigen Fertigung. Diese Nachteile können durch variable, nicht-mechanische Elemente überwunden werden. Aufgrund ihrer Konstruktion können variable elektro-optische Blenden, vorliegend auch „variable elektro-optische Beleuchtungssysteme“ genannt, eine ganze Reihe weiterer optischer Funktionen ausführen. Das kann beispielsweise durch nicht-zentrosymmetrische Blendenöffnungen oder eine sektorweise Beleuchtung mit unterschiedlichen Winkeln bewirkt werden.
  • Blenden sind immer integraler Teil optischer Systeme. So führen Blenden in Kombination mit Objektiven in Kameras (Anwendungen im Cinema-Bereich und im Anwendungsfeld machine vision), aber auch in Mikroskopen ganz unterschiedliche optische Funktionen aus. Dies erfordert generell die wechselseitige Entwicklung von Blende und anderer optischer Elemente zu einem optischen Gesamtsystem.
  • Neben rein mechanischen Irisblenden, bei denen der Durchmesser einer zentrischen, kreisrunden Öffnung variiert wird, gibt es, basierend auf der in der WO 2013/133767A1 beschriebenen MEMS-Technologie, thermisch datierbare / einstellbare Blenden mit Mikrolamellen im Bereich von weniger als 10µm, wie diese in dem Fachaufsatz von R. R. A. Syms, H. Zou, J. Stagg, and H. Veladi. „Sliding-blade mems iris and variable optical attenuator." veröffentlicht im Journal ofMicromechanics and Microengineering, 14(12):1700-1710, 2004 beschrieben sind. Weiterhin sind auch elektrostatisch verkippbare Lamellen für Aperturgrößen im Millimeter-bereich, wie diese im Fachaufsatz von Hongbin Yu, Guangya Zhou, Yu Du, Xiaojing Mu, and Fook Siong Chau, „Mems-based tunable iris diaphragm." veröffentlicht im Journal of Microelectromechanical Systems, 21(5):1136-1145, 2012 beschrieben sind. Auch sind dreieckige, kreisförmig angeordnete Metallstreifen, die sich elektrostatisch aufrollen lassen, welche eine Öffnung im Sub-Millimeterbereich ermöglichen, bekannt, wie diese im Fachaufsatz von Che-Heung Kim, Kyu-Dong Jung, und Woonbae Kim. „A waferlevel micro mechanical global shutter for a micro camera." veröffentlicht im IEEE International Conference On Micro Electro Mechanical Systems, pages 156-159, 2009 beschrieben sind.
  • Da variable nicht-mechanische Blenden vorteilhafter sind, finden sich in der Literatur verschiedene andere Lösungsansätze: Blenden auf Basis elektrochromer Polymere, die sich unter Strom dunkel einfärben sind Gegenstand der US 2008/0084498 A1 , Blenden unter Verwendung von nicht transparenten Flüssigkeiten auf Basis des Elektro-Wetting-Prinzips oder mittels Membranen und Pumpen, die eine Flüssigkeit verdrängen sind Gegenstand der US 7,859,741 B2 .
  • In Analogie zu LC-Anzeigen (liquid crystal) sind Blenden auf der Basis von Guest-host LC-Displays bekannt, wie diese Gegenstand der US 4. 774,537 B2 oder der US 2012/0242924 A1 sind. Diese weisen ein sehr hohes Kontrastverhältnis auf, zeigen aber einen Transmissionsgradienten über den Winkel des einfallenden Lichtes und sind extrem polarisationsabhängig. Eine LC-Elastomer-Iris (LCE) funktioniert in Analogie zum Muskel des menschlichen Auges. Es wird ein thermischer Phasenübergang der LCE bewirkt, der zu einer Kontraktion des thermotropen, ringförmigen Materials führt, wie dies im Fachaufsatz „Self-Regulating Iris Based on light actuated Liquid Crystal Elastomer." veröffentlicht in Adv. Mater. 2017, 29, 1701814, siehe auch Liquid Crystal Elastomer Micro-optics, S. Petsch, R. Rix, ST. Schuhlafen, R. Zentel, H. Zappe, in: H. Zappe und C. Duppe Cambridge University press, 2016. „Concentric polymer-dispersed liquid crystal rings for light intensity modulation.“ beschrieben ist.
  • Eine detaillierte Zusammenstellung aktiver optischer Elemente bis 2008 ist in A review of active optical devices: I. Amplitude modulation:, S Mias and H Camon 2008 J. Micromech. Microeng. 18 083001 und in A review of active optical devices: II. Phase modulation: S Mias and H Camon 2008 J. Micromech. Microeng. 18 083002 beschrieben. Wichtige Lösungen für LC basierte Iris-Blenden sind adaptive Irisblenden auf Basis von TNLC Zellen mit Außen-Elektroden wie diese in Adaptive liquid crystal iris, Zuowei Zhou, Hongwen Ren and Changwoon Nah: Japanese Journal of Applied Physics, Volume 53, Number 9, 092201 (2014) beschrieben sind. Dabei handelt es sich um TNLC Zellen mit einer Lochelektrode (Apertur 2 mm) als Element mit Iris-analogem Charakter. Der Vorteil besteht in einer einfachen Fertigung, einem hohen Kontrast und einer guten Stabilität, die Nachteile sind in der geringen Variabilität bezüglich der Apertur, dem hohen Spannungsbedarf (> 1 00V) und der Blickwinkelabhängigkeit zu sehen.
  • Sowohl die vorstehend beschriebene US 4.774,537 B2 als auch die EP 0204471 A2 beschreiben die Verwendung einer Iris sowie einer Shutter-Anordnung in Kameras (vorzugsweise CCD), welche aus LC-Einheiten bestehen. Die einzelnen Flächen der Iris werden vorzugsweise als konzentrische Kreisringe gefertigt.
  • Beim Gegenstand der US2008/084498 A1 ist die grundsätzliche Struktur von Ringelektroden bzw. von Anordnungen von Elektroden und ihre Form zur Applikation in Irisblenden sowie den schematischen Aufbau von klassischen LC-Zellen bzw. elektrochromer Schichten beschrieben. Dieses grundlegende Patent bildet die Basis für eine Vielzahl neuerer Patentanmeldungen, von denen nur einige wenige nachfolgend ausführlicher dargestellt werden.
  • Im bereits vorstehend genannten_ US 2012/0242924 A1 werden Zellen (einzeln oder dual), zur Kontrolle der Lichttransmission beschrieben, die als variable Irisblende (Bereich) oder/und als Abschwächer (Eklipse) genutzt werden können. Sie basieren auf einer LC Matrix mit verschiedenen dichroitischen Partikeln. Über die strukturierte Elektrode mit einem aufgetragenen, frequenzabhängigen Material wird der effektiv wirksame Bereich der Lochelektrode bestimmt. Parameter zur Bewertung sind nicht verfügbar.
  • Die in US 2016/238869A1 , US 10,012,884 B2 , WO2015/042395A1 , US10401700 B2 und US 10,928,698 B2 beschriebenen Systeme (LC TEC Displays), bestehen ebenfalls aus zwei zueinander angeordneten Zellen, zusätzlich enthalten die Anordnungen zwei Polarisatoren und Retarder. Abhängig vom Flüssigkristall wird eine planare Orientierung (ECB-Zelle) oder eine quasi-homöotrope (VAN-Zelle) realisiert. Die Winkelabhängigkeit des Kontrastes wurde gemessen und mit älteren Ansätzen einer einfachen LC-Iris verglichen. Die Schaltspannung liegt unter 5V, die Spannungsänderung für eine vollständige Änderung von 100% beträgt ca. dV = 1-2V. Insgesamt kann festgestellt werden, dass die vorgenannten Lösungen technisch gesehen sehr aufwendig sind. Technische Einsatzparameter (wie Blickwinkel, Schaltzeit, ...) werden in den vorstehend genannten US-Schutzrechten nicht angegeben.
  • Die Lösung gemäß dem Gegenstand der US10401700 B2 und US 10,928,698 B2 beschreibt alle einsatzrelevanten technischen Parameter. Hinsichtlich der absoluten Transmission werden zwar keine Angaben gemacht, aber aufgrund des Aufbaus muss angenommen werden, dass nur eine sehr geringe Transmission von weniger als 14% möglich ist. Dies folgt aus der Notwendigkeit der Verwendung von Polarisatoren und Kompensationsfiltern (Retarder).
  • Durch die Verwendung von cholesterischen Flüssigkristallen (z.B. auch mit dichroitischen Farbstoffen, DDCLC) kann der Einsatz zusätzlicher optischer Elemente reduziert werden. Derartige Systeme werden als „smart windows“ zur Anwendung gebracht. Die elektro-optischen Eigenschaften eines solchen Shutters zeichnen sich durch große Transparenz und große Sperrwirkung aus. Sie lassen sich auch als Aktiv-Matrix-Element betreiben und in dynamische Systeme (auch ohne wesentliche Unschärfeprobleme) integrieren. Ein Vorteil dieses Systems liegt in der Möglichkeit, drei Schaltzustände zu realisieren. Die Schaltzeiten betragen für den Übergang von planar zu homöotrop ca. 13ms bei 20V. Für den Übergang FC zu H werden ca. 33ms, von H zu FC mit dV= -3V ca. 32ms und von H zu P ca. 20-250ms wie dies in den Fachaufsätzen „Bistable Smart Window Based on Ionic Liquid Doped Cholesteric Liquid Crystal." Volume 9, Number 1, February 2017 oder „High-image-quality Transparent Display based on AM-OLED with Cholesteric Liquid Crystal Back-panel." SID 2018 DIGEST, 993-995, ISSN 0097-996X/18/4702-0993 angegeben ist.
  • Durch die Verwendung nematischer Flüssigkristalle mit chiralen Dopanden ist es möglich, den Spannungsschwellwert als auch die notwendige Spannungsänderung zu senken. So genügte für Zellen mit einem Zellabstand von 7- 8.5µm eine Spannungsänderung von 2-3V bei einem Schwellwert von 2V, um die Transmission um 100% zu ändern, siehe auch den Fachaufsatz „Chiralhomeotropic liquid crystal cells for high contrast and low voltage displays." von Shin-Tson Wu, Chiung-Sheng Wu, und Kun-Wei Lin, veröffentlicht in Journal of Applied Physics 82, 4795 (1997).
  • Vorzugsweise werden Flüssigkristalle mit negativ dielektrischer Anisotropie benutzt, um eine homöotrope Orientierung zu erhalten. Letztere trägt zur Reduktion des spannungsabhängigen und wellenlängenabhängigen Retardationseffektes im Vergleich zu reinen TN-Zellen bei. Damit werden sehr kurze Schaltzeiten und niedrige Schaltspannungen möglich.
  • Eine der Möglichkeiten zur Erweiterung des Blickwinkels ergibt sich aus der gezielten Abfolge mehrerer Korrektur-Schichten, wie dies beim Gegenstand der US 10401700 B2 und US10,928,698 B2 und auch in der WO 2004/O53586 beschrieben wird. Es wird eine wesentliche Erhöhung des Blickwinkels, des Kontrastverhältnisses bei großen Blickwinkeln sowie die Minimierung von Schaltzeit und Schaltspannung erreicht.
  • Ein weiterer beschriebener Ansatz besteht in der Verwendung optisch isotroper Flüssigkristallzustände, wie z.B. der Blauen Phasen LC's oder nano-strukturierten LC's, welche aufgrund ihrer Struktur und Ausrichtung in der Zelle einen sehr großen Blickwinkel zulassen. Ein wesentlicher Beitrag liegt in der Anordnung, der Anzahl und der Form der Elektroden sowie des elektrischen Feldes, welches die Zelle durchspannt. Dazu zählen das „in-plane switching“ (IPS mode) von Dae Hyung Kim, Young Jin Lim, Da Eun Kim, Hongwen Ren, Seon Hong Ahn & Seung Hee Lee in (2014) Past, present, and future of fringe-field switching-liquid crystal display, Journal of Information Display, 15:2, 99-106 beschrieben, das vertikale Alignment (VA[N]) sowie der homöotrop/multi-domainartige Modus (HMD) VA. Der hauptsächliche Nachteil dieser Modi liegt in der geringen Transmission im Vergleich zum TN Modus, welcher in „Electro-optic characteristics and switching principle of a nematic liquid crystal cell controlled by fringe-field switching", veröffentlicht in Appl. Phys. Lett. 73, 2881 (1998) beschrieben ist. Deshalb wurde das fringe-field switching-Verfahren (FFS) eingeführt, welches eine Weiterentwicklung des IPS Modus darstellt und durch eine veränderte Abstimmung interdigitaler Elektroden erreicht wird. So liegen die Schaltzeiten im Bereich von wenigen Millisekunden wovon Seung-Won Oh, Ahn-Ki Kim, Byung Wok Park & Tae-Hoon Yoon (2015) in „Optical compensation methods for the elimination of off-axis light leakage in an in-plane-switching liquid crystal display", veröffentlicht in Journal of Information Display, 16:1, 1-10 berichten. Das Mehrelektrodenprinzip (double-side fringe-field switching, DFFS) verbessert insbesondere die Gleichmäßigkeit des Blickwinkels. Die Schaltzeit mit < 0.5ms (10µm-Zelle, ca. 15Vmax.) ist sehr kurz, siehe auch Meizi Jiao, Zhibing Ge, Shin-Tson Wu, and Wing-Kit Choi, Submillisecond response nematic liquid crystal modulators using dual fringe field switching in a vertically aligned cell., Appl. Phys. Lett. 92, 111101 (2008).
  • Insbesondere in neueren Publikationen und Patentanmeldungen wie in der US2016/0202460A1 ,der CN105158888A und der Publikation von Kaikai Guo,Zichao Bian,Siyuan Dong, Pariksheet Nanda, Ying Min Wang, and Guoan Zheng in „Microscopy illumination engineering using alow-cost liquid crystal display", veröffentlicht in BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS 574, Vol. 6, No. 2 (2015), DOI:10.1364/BOE.6.000574 wird die Möglichkeit der Verwendung von kommerziell verfügbaren LC-Anzeigen in Mikroskopen aufgezeigt. Durch pixelweise Ansteuerung werden Strukturen gebildet, die zur Kontrastverstärkung mittels bild- und lichtseitiger Verfahren eingesetzt werden können. Das wesentliche Manko bei der Verwendung dieser Anzeigen dürfte in den Beugungserscheinungen zu suchen sein, welche bedingt durch die Struktur der Anzeigen (Pixel) hervorgerufen werden. Darüber hinaus wird die Transmission zusätzlich durch den begrenzten Füllfaktor reduziert.
  • Der Einsatz von polymeren Strukturen in den LC-Mischungen (PSLC) dient vorrangig zur Stabilisierung geordneter LC-Zustände (z.B. einer planaren oder einer homöotropen Orientierung der Flüssigkristalle) durch Ausbildung eines polymeren Netzwerks (isotrop, anisotrop, separiert), welches sich durch die LC-Zelle spannt. In der Literatur werden zahlreiche Beispiele für den Einsatz geeigneter Materialien beschrieben. PSLC's gelangen vorrangig in optischen Schaltern (Shuttern) und Anzeigen (Displays) zur Anwendung [26]. Die Konzentration der vernetzbaren Anteile (Monomere) in der LC-Mischung liegt bei wenigen Prozent, da das aus den Monomeren gebildete Netzwerk die Transmission mindert (z.B. durch Streuung) oder/und die Schaltspannung (Schwellwertspannung) erhöht. Es werden Materialien eingesetzt, welche vorrangig photochemisch als auch thermisch aktivierbar sind. So werden einfache oder mehrfach funktionalisierte Acrylat-Monomere in Verbindung mit verschiedenen Gruppen wie z.B. Bisphenol A, Silane, Biphenyle usw. eingesetzt, wie dies in „Dye-Doped Electrically Smart Windows Based on Polymer-Stabilized Liquid Crystal", von Haitao Sun, Zuoping Xie, Chun Ju, Xiaowen Hu, Dong Yuan, Wei Zhao, Lingling Shui and Guofu Zhou, veröffentlicht in Polymers 2019, 11, 694 oder von Lee, Y.-J., Kim, Y.-K., Jo, S. I., Gwag, J. S., Yu, C.-J., & Kim, J.-H., veröffentlicht in (2009).Opt. Exp., 17, pp. 10298-10303 oder in „Improvement in device performance from a mixture of a liquid crystal and photosensitive acrylic prepolymer with the photoinduced vertical alignment method", von Czung-Yu Ho et al, veröffentlicht in 2011 Sci. Technol. Adv. Mater. 12 065002 beschrieben ist.
  • Reaktive Mesogene RM finden (auch als Beimischungen) in den Alignmentschichten Verwendung (u.a. zur Einstellung von Pretilt-Winkeln). Nach der Polymerisation des RM an der Oberfläche unter anliegender elektrischer Spannung (azimutale Ausrichtung der LC-Moleküle) wie dies von Lee, Y.-J., Kim, Y.-K., Jo, S. I., Gwag, J. S., Yu, C.-J., & Kim, J.-H. in (2009) Opt. Exp., 17, pp. 10298-10303 oder von Lee, Y.-J., Kim, Y.-K., Jo, S. I., Bae, K.-S., Choi, B.-D., Kim, J.-H., & Yu, C.-J., (2009).Opt. Exp., 17, pp. 23417-23422 beschrieben ist, wurde festgestellt, dass die Reaktionszeit (response time) von 500 auf 5ms reduziert werden konnte, siehe auch Soo In Jo, Chang-Jae Yu & Jae-Hoon Kim (2015) „Fast Response and Wide Viewing Angle Vertical Alignment Mode with X-Shape Electrode, Molecular Crystals and Liquid Crystals", 613:1, 69-74. In den Publikationen zu Irisblenden konnten keine Ansätze auf Basis polymerverstärkter Elemente gefunden werden.
  • Polarisatoren mit radialer oder azimutaler Symmetrie sind bekannt. So wurde von Sarik Nersisyan, Nelson Tabiryan, Diane M. Steeves and Brian R. Kimball, in „Axial polarizers based on dichroic liquid crystals“, veröffentlicht in J. of Appl. Phys., 108, pp. 033101-1 - 033101-5 (2010) gezeigt, dass das Material ROP-108, durch streifenweise polarisierte Belichtung bei gleichzeitiger Rotation der Probe, und je nach linearer Polarisationsrichtung in Bezug zum Belichtungsstreifen, eine axiale oder radiale Orientierung erfährt. Die eigentliche Zelle wird durch Zusammenbau von zwei Substraten, auf denen sich orientiertes ROP-108-Material befindet, und nachfolgender Befüllung dieser Zelle, mit einem dichroitischen Flüssigkristall, erreicht.
  • Kommerziell verfügbar sind transmissive Mikro-Flüssigkristall-Displays. Wie schon eingangs beschrieben, ist für die Ansteuerung von individuellen Bildpunkten (Pixel) eine Strukturierung der Elektroden notwendig. Die einzelnen Pixel bzw. Zeilen und Spalten müssen voneinander isoliert, adressiert und mit der Spannungsversorgung kontaktiert werden. Die Strukturierung erfolgt bei einer VGA-Auflösung (640x480 Pixel) im mittleren bis unteren Mikrometer-Bereich. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindices der verwendeten Materialien treten in der Transmission Beugungserscheinungen in einem Ausmaß auf, die makroskopisch als Trübung wahrgenommen werden. Ein Beispiel für die signifikante Verschlechterung der Bildqualität ist in 2 dargestellt. Verglichen mit dem Original (links) treten „Geisterbilder“ und Verwaschen der Bildstrukturen im transmittierten Bild auf (rechts). Diese Beugungserscheinungen schränken die Transmission soweit ein, dass oft nur noch von Transluzenz gesprochen werden kann und ein sinnvoller Einsatz in bildverarbeitenden Systemen nicht mehr möglich ist.
  • Bei LCD geringer Auflösung (Pixelgröße ca. 500µm) sind die Beugungsanteile weniger stark ausgeprägt, aber immer noch deutlich messbar. Zusätzlich hierzu wird die Transmission gegebenenfalls noch weiter durch die „black mask“ verringert, die die einzelnen Pixel voneinander trennt. Diese Fläche, die insgesamt die einzelnen Pixel elektrisch voneinander trennt, verringert die aktive Fläche des Displays (Füllfaktor = aktive Fläche / Gesamtfläche).
  • Seit vielen Jahren sind bereits LC-basierte Irisblenden in der Literatur bekannt. Es gibt eine Reihe von Schutzrechten. Einfache Lösungen wie (z.B. LC basierte Blende mit „Elektrodenloch“) weisen eine zu geringe Apertur auf oder Blenden mit nematischen planar orientierten Flüssigkristallen haben eine unbefriedigende Winkeltoleranz. Daher haben sich derartige Lösungen nicht durchgesetzt.
  • In Analogie zu SLM scheiden Blenden mit fein strukturierten Elektroden, d.h. hoher Pixelzahl) aufgrund ihrer Transluzenz (Beugung durch die Pixelstruktur der Elektroden) ebenfalls aus.
  • Lichtverschlüsse auf Basis von Flüssigkristallen sind am Markt verfügbar. Sie weisen aber keine individuell ansprechbaren Segmente auf und werden als einheitlicher Lichtverschluss eingesetzt (FOS- Fast Optical Switch). Ein großes Problem stellt hier die Abhängigkeit des Kontrastes (On/Off) von der Durchstrahlungsrichtung dar. Ist der Einfallswinkel auf dem Element nicht lotrecht, kann es zu erheblichen Einbußen des Kontrastwertes kommen, der sogar bis zu einer Kontrast-Inversion führen kann. Die Abhängigkeit des Kontrastwertes vom Einfallswinkel ist bei typischen LCD auch nicht rotationssymmetrisch, sondern in zwei gegenüberliegenden Quadranten wesentlich stärker als bei den beiden anderen.
  • Die Grundlagen einer hier beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung auf Basis einer Dünnschichtzelle sind in der WO 2017/092877 A1 und der WO 2018/134041 beschrieben, welche hier durch Referenzieren zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden.
  • Beim Gegenstand der WO 2017/092877 A1 wird ein elektrisch steuerbares optisches Element mit einer mit einer Ausgangsmischung gefüllten Zelle mit zwei Substraten und einer auf die innere Oberfläche des jeweiligen Substrats aufgebrachten leitfähigen Schicht beansprucht, wobei die Ausgangsmischung eine Mischung aus dipolaren, stäbchenförmigen Molekülen und Semi-Mesogenen als aktive Komponenten aufweist. Die Kerr-Mischung bildet eine dünne Schicht mit einem durch Photopolymerisation hergestellten, weitmaschigen, anisotropen Netzwerk zwischen auf einem Substrat aufgebrachten strukturierten oder / und flächigen leitfähigen Schicht in einer Dünnschichtzelle aus, derart, dass entsprechend dem elektro-optischen Kerr-Effekt der Zustand der aktiven Komposite aus Semi-Mesogene und dipolare, stäbchenförmige Moleküle der Kerr-Mischung ohne elektrisches Feld im Arbeitstemperaturbereich isotrop ist und durch elektrisch kontinuierliche Einstellung der Spannung U oder durch Anlegen einer konstanten Spannung eine Veränderung des spannungsinduzierten Phasenhubs oder Brechungsindexhubes im optischen Element erzeugt wird. Das Komposit ist durch die Semi-Mesogene eine isotrope Flüssigkeit. Die Semi-Mesogene stören die Ordnung und verhindern so die Ausbildung von LC-Phasen. Das gilt für den Arbeitstemperaturbereich. Kühlt man diese Komposite unter den Arbeitstemperaturbereich ab, kann eine LC-Phase vorliegen. Der Aufbau des anisotropen Netzwerkes erfolgt dann bei homeotroper Orientierung des sich nun im flüssigkristallinen Zustand befindlichen Komposits, indem auch die polymerisationsfähigen Reaktivmesogene orientiert und in diesem Zustand polymerisiert werden. Das sind thermotrope Flüssigkristalle. Ordnungszustand und Ordnungsgrad hängen von der Temperatur ab. Die Orientierung senkrecht zu den Substraten kann aber auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes erreicht werden. Das anisotrope Netzwerk wird dann bei angelegter Spannung durch Photopolymerisation erzeugt. Das anisotrope Netzwerk wird nicht durch die stäbchenförmigen Mesogene und die nicht-stäbchenförmigen Semimesogene gebildet, sondern durch die Reaktivmesogene, die mit dem Komposit durch Oberflächenalignment und/oder durch das Anlegen von Spannung senkrecht zu den Substraten orientiert werden.
  • Beim Gegenstand der WO 2018/134041 ist zudem ein optisch wirksames Oberflächenprofil auf der inneren Oberfläche eines Substrates oder in das Substrat oder beider Substrate eingearbeitet. Die Dünnschichtzelle weist zwei Glas- oder Polymersubstrate auf, deren innere Oberfläche jeweils mit einer leitfähigen ITO-Elektrode als leitfähige Schicht und diese mit einer Orientierungsschicht versehen ist und die Herstellung eines weitmaschigen, anisotropen Polymernetzwerks in der abgekühlten Kerr-Mischung erfolgt mittels beigemischter Photoinitiatoren, aliphatischer Monomere und reaktiver Mesogene und UV-Bestrahlung, wobei bei Anlegen einer Spannung U ein Ausrichten der stäbchenförmigen Moleküle entlang der Feldlinien erfolgt. Das Verfahren zur Herstellung eines elektrisch steuerbaren optischen Elements mit einer mit Kerr-Mischung gefüllten Zelle mit zwei Substraten und einer auf die innere Oberfläche des jeweiligen Substrats aufgebrachten leitfähigen Schicht beim Gegenstand der WO 2018/134041 der Anmelderin, ist gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte:
    1. a) die Ausgangsmischung weist eine Mischung aus dipolaren, stäbchenförmigen Molekülen und Semi-Mesogenen als aktive Komponenten, reaktiven Mesogenen, Photoinitiatoren und aliphatischen Monomere auf,
    2. b) die Ausgangsmischung wird in eine Dünnschichtzelle gefüllt,
    3. c) die Ausgangsmischung wird auf eine tiefere Temperatur T als Raumtemperatur RT abgekühlt, bei der sich eine-flüssigkristalline Phase mit einer homöotropen Orientierung ausbildet,
    4. d) durch eine UV-Bestrahlung der homöotrop orientierten Schichten werden Radikale erzeugt, die eine Polymerisation der orientierten reaktiven Mesogene bewirken, derart, dass ein weitmaschiges, loses anisotropes Netzwerk aus mit den aliphatischen Monomeren vernetzten reaktiven Mesogenen in der Ausgangsmischung entsteht,
    5. e) ein optisch wirksames Oberflächenprofil wird auf der inneren Oberfläche eines Substrates oder in das Substrat oder beider Substrate eingearbeitet,
    so dass ohne Spannung U im Arbeitstemperaturbereich das Komposit aus stäbchenförmigen Molekülen mit großem Dipolmoment und Semi-Mesogenen wieder isotrop ist und bei Anlegen der Spannung U sich die Moleküle des Komposits in Richtung der E-Feldlinien orientieren. Weiterhin wird beim Gegenstand der WO 2018/134041 ein Ausführungsbeispiel für den Bereich machine vision näher beschrieben und erläutert. Die elektrisch kontaktierte und auf geeignete Weise mechanisch gefasste Dünnschichtzelle wird mechanisch mit weiteren optischen Elementen auf geeignete Weise kombiniert, um ein Makroobjektiv herzustellen, das eine schnelle Variation der Fokusebene im µs-Bereich erlaubt. Das Makroobjektiv, bestehend aus der Dünnschichtzelle und einem klassischen Objektiv (mit einem Linsensystem von vorzugsweise drei bis fünf Linsen, insbesondere aus Kunststoff, welche Führungsmittel zur Einstellung durch Verbiegung und/oder Drehung der einzelnen Linsen aufweisen), ist nahe vor einem Kameramodul, insbesondere einem CCD-Kamera-Modul oder C-MOS-Kameramodul angeordnet. Das Objektiv weist beispielsweise vier Linsen, d.h. vier optisch wirksame Flächen zur Einstellung der gewünschten Brennweite des Linsensystems auf. Das Kameramodul steht mit einem Zwischenspeicher und einer Auswertelektronik in Verbindung, wobei in Kombination mit einer Steuereinrichtung die Produkte im Produktionszyklus während der Herstellung im Takt der Anlagen abfotografiert und die Bilder in Echtzeit computergesteuert ausgewertet werden können. Dabei werden Produktfehler sofort erkannt und schadhafte Produkte aus der weiteren Fertigung entfernt. Die im Zwischenspeicher gespeicherten Bilder der Fokusreihe (Pixelgrafikdatei oder Vektorgrafikdatei) werden unter Nutzung von Referenzkoordinaten detailgetreu übereinander gelagert und mittels der Auswerteelektronik durch Vergleich mit einem Referenzbild (in Pixelgrafik oder Vektorgrafik) ausgewertet. Die gilt auch für einen Ausschnittbereich (Kachel) der einzelnen Bilder einschließlich der Umwandlung des jeweiligen Bildausschnitts in Pixelgrafik oder Vektorgrafik bzw. das Bewegen von 3D- Objekten im dreidimensionalen Raum. Die Stromversorgung des Makroobjektivs, des Kameramoduls, des Zwischenspeichers und der Auswertelektronik erfolgt mit einem Modul. Das Anlegen einer Spannung an die Dünnschichtzelle bewirkt die Ausrichtung stäbchenförmiger Moleküle und der Semi-Mesogene, wodurch die optische Funktion des schaltbaren Elementes realisiert wird. Auf diese Weise wird ein Hybrid-Objektiv, d.h. eine Kombination eines klassischen Objektivs mit einer elektrisch einstellbaren oder schaltbaren Linse realisiert und die Nutzung von Fokusreihen durch schnelle, fokussierbare Linsenelemente für neuartige Makrobilder mit erhöhter Schärfentiefe ermöglicht. Das Makroobjektiv vergrößert über Fokusreihen den nutzbaren Bereich zur Auswertung (Schärfentiefe) um den Faktor 20 gegenüber den physikalisch möglichen Schärfentiefenbereich einer Einzelaufnahme (Blende F# 2.8, MAG = 1). So ist eine maximale Schärfentiefe im Bereich von 0,168mm (bei Annahme von 0,015 mm Unschärfe als Kriterium für die Schärfe, der sog. Unschärfekreis). Prinzipiell ist dabei dieser Bereich sogar noch größer machbar, da Fokusreihen im Prinzip fast beliebig erweiterbar sind. Grenzen sind lediglich durch das Objektivdesign und die Aufnahme- und Auswertezeit gegeben (es fallen deutlich höhere Datenmengen zur Auswertung an und es wird eine hohe Bildaufnahmefrequenz gefordert). Der große Vorteil des Makroobjektivs auf der Basis von elektro-aktiven Flüssigkeiten besteht darin, dass vollkommen auf aktive mechanische Komponenten verzichtet werden kann und somit eine robuste und wartungsfreie Optik ermöglicht wird. Außerdem ist damit eine erhebliche Reduktion von Bautiefe und Gewicht verbunden, wodurch eine Miniaturisierung und Integration der Dünnschichtzelle unterstützt wird. Durch die präzise und scharfe Abbildung des Produkts kann die nachgelagerte Auswertung stabil funktionieren und im Sekundenzyklus gemessen und geprüft werden, was über 600.000 Zyklen am Tag entspricht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine variable, elektro-optisch einstellbare Blende bzw. Beleuchtungssystem auf Flüssigkristall-Basis auszugestalten bzw. herzustellen.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Blende auf Basis von Flüssigkristallen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, dass die Blende einen ersten Dünnschicht-Polarisator aufweist, welcher Licht einer einheitlichen Polarisation aus natürlichem Licht erzeugt, dass der erste Dünnschicht-Polarisator als eine Dünnschichtzelle mit zwei Elektroden und aktiven Kompositen aus Semi-Mesogenen und dipolaren, stäbchenförmigen Molekülen ausgestaltet ist, welche durch ihre anisotropen optischen Eigenschaften die Eingangspolarisation verändern, dass im Strahlengang dem ersten Dünnschicht-Polarisator ein zweiter Dünnschicht-Polarisator nachgeordnet ist, welcher ohne elektrische Ansteuerspannung an den Elektroden das Licht veränderter Polarisation unverändert transmittiert und welcher beim Anlegen der elektrische Ansteuerspannung zwischen den Elektroden die stäbchenförmigen Moleküle senkrecht zu den Elektrodenflächen ausrichtet, so dass die Eingangspolarisation keine Veränderung erfährt, konstant bleibt und das Licht in Sperrrichtung auf den zweiten Dünnschicht-Polarisator trifft.
  • Weiterhin wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung einer variabel ansteuerbaren Blende mit Elektrodenflächen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 gelöst, bei dem:
    1. a) die Segmentierung der Elektrodenflächen mittels Photolithographie durchgeführt wird, wobei ein motorisierter XY-Tisch mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich benutzt wird,
    2. b) ein fokussierter Strahl eines UV-Lasers zur Belichtung Verwendung findet,
    3. c) mittels einer programmierbaren Ansteuerung des XY-Tisches die Linienmuster geschrieben werden, wodurch individuelle Strukturen in einer Photoresist-Schicht erzeugt werden können, ohne dass Masken für die Belichtung notwendig werden und
    4. d) nach dem Entwickeln ein Ätzprozess erfolgt, bei dem in den freigelegten Bereichen die Elektroden aus ITO entfernt werden.
  • Diese Probleme beim Stand der Technik werden beim erfindungsgemäßen Konzept durch variable, zentrosymmetrische oder nicht-zentrosymmetrische elektro-optisch einstellbare Blende auf Flüssigkristall-Basis gelöst. Derartige Blenden (deren Aufbau dem transmissiver LC Displays ähnelt) stellen quasi segmentierte, flächige „Lichtventile“ dar, die entsprechend elektrischer Ansteuerspannung lokale Bereiche des einfallenden Lichtes ausblenden. Insbesondere werden elliptische Blenden oder nicht-rotationssymmetrische Blenden mit freier Segmentansteuerung genutzt.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
    • 1 die Architektur einer bevorzugten Ausführungsform der Semi-Mesogene,
    • 2 Bild original (links) und in Transmission durch einen Spatial Light Modulator SLM (räumlicher Lichtmodulator),
    • 3 eine Ausführungsform für ein ITO-Substrat mit photolithographisch erzeugter Struktur und
    • 4 ein Ausführungsbeispiel für eine axiale (links) und radiale Orientierung (rechts) von LC-Molekülen gemäß der Erfindung.
  • Um bei der erfindungsgemäßen Blende isotrope nicht-stäbchenförmige Semimesogene 4 mit einer hohen dielektrischen und optischen Anisotropie zu synthetisieren, sind Substituenten R1 in die para-Position einer Biphenyl-Struktur als polare Kopfgruppe eingefügt, wobei R1 aus der Gruppe bestehend aus -CN, - NCS, -F, -Br und -Cl ausgewählt ist. Substituenten Y, werden in einer oder mehreren ortho- und/oder meta-Positionen eingefügt, wobei Y aus der Gruppe bestehend aus -H, -CN, -NCS, -F, -Br, -Cl, -CH3, -C2H5, -CH(CH3)2 ausgewählt ist oder andere geeigneten Substituenten und/oder geeigneten verzweigten Alkyle verwendet werden, um flüssigkristalline Phasen gemäß der Formel
    Figure DE102021006429A1_0001
    zu verhindern, wobei R1 aus der Gruppe bestehend aus -CN, -NCS, -F, -Br und -Cl ausgewählt ist.
  • Weiterhin kann durch einen Austausch von Phenylringen gegen heteroaromatische Kerne in isotropen nicht stäbchenförmigen Semimesogenen 4 gemäß der Formel
    Figure DE102021006429A1_0002
    das permanente Dipolmoment und damit die dielektrische Anisotropie der isotropen nicht stäbchenförmigen Semi-Mesogene 4 erhöht werden, wobei X aus N, S oder O bestehen kann.
  • Um die asymmetrische Abhängigkeit des Kontrastwertes vom Einfallswinkel zu minimieren, wird erfindungsgemäß ein STN-Modus (super twisted nematic) als Grundlage für die Realisierung der erfindungsgemäßen elektro-optisch Blenden genutzt. Bei diesem LC-Modus wird im spannungslosen Zustand genau wie beim bekannten TN-Modus (twisted nematic) eine verdrehte nematische Phase genutzt. Bei Dünnschichtzellen mit einer verdrehten nematischen Phase ist die Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle an beiden Grenzflächen unterschiedlich. Die Verdrehung der Orientierung kann bei diesen thermodynamisch stabil eingestellt werden, wofür eine bestimmte Menge einer chiralen Verbindung, insbesondere eines chiralen Dopanden dem Flüssigkristall/Dünnschichtzelle zugesetzt wird. Dabei wird erfindungsgemäß die Konzentration des chiralen Dopanden der Schichtdicke der Dünnschichtzelle genau angepasst. Die verdrehte Struktur wirkt sich außerdem günstig auf das Schaltverhalten bei der spannungsinduzierten Umorientierung der LC-Moleküle aus. Das Schaltverhalten ist dadurch hinsichtlich Dynamik und Homogenität wesentlich besser als das homogener nematischer Phasen.
  • Während bei dem in der Entwicklung der LCD regelmäßig benutzten TN-Modus eine Verdrehung von 90° in der LC-Orientierung genutzt wird, beträgt diese beim erfindungsgemäßen STN-Modus beispielsweise 135° oder mehr. Diese stärkere Verdrehung führt oft zu Problemen bei der Off-Schaltung, da es zu Störungen der Reorientierung der LC-Moleküle kommen kann.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in das System ein anisotropes Polymer-Netzwerk integriert wird. Das Netzwerk wird erfindungsgemäß durch photoinduzierte Polymerisation aus reaktiven Flüssigkristall-Molekülen (Reaktivmesogene) im Ausgangszustand erzeugt. Es folgt in der Struktur den LC-Molekülen und behält diese Ausrichtung auch bei, wenn die Flüssigkristall-Moleküle durch Anlegen einer Spannung umorientiert werden. Wird das elektrische Feld abgeschaltet finden diese in die ursprüngliche Orientierung durch die lenkende (dirigierende) Wirkung des anisotropen Netzwerks schneller und leichter zurück und es werden so Störungen in der Orientierung vermieden. Durch ein anisotropes Polymernetzwerk wird quasi ein Memory-Effekt bewirkt, der die Einstellung der Ausgangsordnung unterstützt.
  • Alternativ hierzu kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein neuartiger radialsymmetrischer LC-Modus genutzt werden. Im Gegensatz zu einer homogenen nematischen Orientierung, bei der alle LC-Moleküle im Wesentlichen parallel ausgerichtet werden, werden bei der erfindungsgemäßen Blende zentrosymmetrische Orientierungen realisiert, bei der zum einen eine radiale Orientierung (siehe 4 rechts), zum anderen eine axiale Orientierung der LC-Moleküle (siehe 4 links) erzielt wird, wie dies in 4 dargestellt ist. In der Kombination beider Orientierungen in einer Zelle entsteht an jedem Punkt in Durchstrahlungsrichtung betrachtet eine TN-Orientierung. Die Ausrichtung rotiert jedoch um den Mittelpunkt. Insgesamt wird also eine rotationssymmetrische Abhängigkeit des Kontrastwertes vom Einfallswinkel ermöglicht.
  • Um diese TN-Rotation zu erreichen, sind an der einen Grenzfläche der segmentierten Dünnschicht-Zelle die Flüssigkristall-Moleküle axial und an der anderen Grenzfläche der Dünnschicht-Zelle radial orientiert. Die orientierende Wirkung wird erfindungsgemäß mit einem geeigneten Photo-Polymer durch Bestrahlung mit polarisiertem Licht (Photo-Alignment) über den gesamten sichtbaren Spektralbereich erreicht.
  • Alternativ hierzu können auch den Flüssigkristall-Mischungen dichroitische Farbstoffe beigemischt werden. Diese Guest-Host Systeme benötigen zwar keine Polarisatoren mehr, weisen in der Regel jedoch geringere Kontrastwerte auf, als die Zweischichtenlösung von Zelle und rotationssymmetrischem Polarisator.
  • Eine weitere Methode zur Verminderung der Abhängigkeit des Kontrastwertes vom Einfallswinkel stellt die orthogonale Kombination zweier TN-Zellen dar, welche bei den erfindungsgemäß segmentierten Dünnschicht-Zellen angewendet wird. Diese Methode ist deutlich aufwändiger und birgt zusätzliche Risiken, z.B. durch fehlerhafte Ausrichtung und ähnlichem.
  • Bei der Segmentierung des LC-Switches (welche quasi segmentierte, flächige „Lichtventile“ darstellen) ist es ebenfalls nötig, die einzelnen Segmente auf einer Elektrode voneinander zu isolieren und sie mit der Spannungsversorgung zu kontaktieren. Zwar treten aufgrund der viel geringeren Strukturanzahl und -dichte keine Beugungserscheinungen auf, aber die Bereiche über den isolierenden Bereichen können ebenfalls nicht geschaltet werden (siehe auch Füllfaktor). Es treten also je nach der Ausrichtung der Polarisatoren zueinander im „On-Zustand“ entweder blockierte Bereiche („normally Off“) oder transmittierende Bereiche („normally On“) auf, die die Abbildungsqualität beeinträchtigen.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Problem auf zwei alternativen Wegen gelöst. Der erste Lösungsweg ist beide Elektrodenflächen auf geeignete Weise zu strukturieren. Hierzu ist ein Überlappungsbereich realisiert, der im Schaltzustand in den Grenzbereichen noch den notwendigen Schwellwert an Felddichte garantiert.
  • Beim zweiten Lösungsweg sind „floating electrodes“ realisiert, die von der eigentlichen Elektrode E1, E2 durch eine dünne Isolationsschicht getrennt sind. Eine solche dünne Isolationsschicht kann durch Bedampfen mit Siliziumdioxid hergestellt werden.
  • Mit einer Dicke von wenigen Hundert Nanometer ist die Isolationsschicht zum einen gut isolierend und ausreichend stabil. Auf der anderen Seite sind die „floating electrodes“ räumlich nah genug an den flächigen Elektroden E1, E2, um mit diesen in Wechselwirkung zu treten. Beim Anlegen einer Wechselspannung können diese so durch induktive Übertragung mit einer Spannung belegt werden, die eine genügend hohe Felddichte für die Umorientierung der Flüssigkristalle generiert. Auf diese erfindungsgemäße Weise können Mängel in der Bildqualität, die durch ursprünglich inaktive Bereiche hervorgerufen wurden, vermieden werden.
  • Damit werden neuartige variabel einstellbare Blenden möglich. Mit den vorstehend skizzierten Lösungen werden Probleme bisheriger LC basierter Ansätze einschließlich dualer Blenden mit zwei LC-Zellen nematischer Flüssigkristalle überwunden. Solche duale Blenden verbessern zwar den optischen Effekt partiell, senken aber die Transparenz aufgrund der vielen Grenzschichten und erfordern eine präzise Montage. Das trifft sowohl auf zentrosymmetrische Blenden und erst recht auf nicht-zentrosymmetrische Blenden zu. Diese Probleme werden beim erfindungsgemäßen Konzept, insbesondere bei elliptischen Blenden oder nichtrotationssymmetrischen Blenden mit freier Segmentansteuerung gelöst. Derartige Blenden (deren Aufbau dem transmissiver LC Displays ähnelt) stellen quasi segmentierte, flächige „Lichtventile“ dar, die entsprechend elektrischer Ansteuerspannung lokale Bereiche des einfallenden Lichtes ausblenden.
  • Die erfindungsgemäßen variablen elektro-optischen Blenden können unterschiedliche optische Funktionen besitzen, die durch folgende Parameter gekennzeichnet sind:
    • - nicht-mechanische Blenden, LC basiert, elektrisch einstellbar bzw. schaltbar
    • - wahlweises Design verschiedener Segmente, Blendenöffnung: elliptischkonzentrisch, exzentrische Fläche der Öffnung etc.
    • - selektive, unabhängige Schaltung einzelner Segmente, Auflösung bzw. Anzahl und Größe der Segmente, Anzahl der Segmente 4, 8 bzw. 16
    • - nicht-mechanische, verschleißfreie Funktion
    • - Schaltgeschwindigkeit im unteren Millisekunden-Bereich (10 bis 0,5ms)
    • - Kontrastwerte nach Anwendungen, 10:1, 1000:1 oder höher
    • - möglichst geringe Abhängigkeit des Kontrastwerts vom Einfallswinkel
    • - Schaltspannung < 42V
    • - Durchmesser > 30mm
    • - Kombination mit weiteren optischen Optionen / Funktionalitäten
  • Der Aufwand zur Herstellung der variablen, elektro-optisch einstellbaren Blende auf Flüssigkristall-Basis hängt stark von der gewünschten Variabilität und der Auflösung der einzustellenden Strukturen ab. Unter dem Aspekt des Nutzens und des Aufwandes ist eine sinnvolle Grenze für die Anzahl der Segmente zu finden.
  • Eine Alternative zu einzelnen Segmenten stellt die Pixelierung der Gesamtfläche dar. Bereits in der Technik realisierte transmissive Mikrodisplays zeigen aber auf aufgrund der Vielzahl der notwendigen Strukturen der leitfähigen Elektroden (Einzelpixel, Isolatoren, Busleitungen und „black mask“) diffraktive Eigenschaften, die makroskopisch einen starken Verlust an Schärfe eines transmittierten Bildes bewirken. Somit sind derartige Elemente nach dem Stand der Technik für bildverarbeitende Systeme vollkommen ungeeignet.
  • Erfindungsgemäß werden diese Probleme dadurch gelöst, dass eine ausreichend hohe Anzahl von Segmenten bereitgestellt wird. Diese Segmente in Form und Anzahl können auf die jeweils adressierte Anwendung zugeschnitten werden.
  • Die Segmentierung der Elektrodenflächen wird erfindungsgemäß mittels Photolithographie durchgeführt. Hierzu wird ein motorisierter XY-Tisch mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich benutzt. Zur Belichtung findet ein fokussierter Strahl eines UV-DPSS Lasers Verwendung. Über eine programmierbare Ansteuerung des XY-Tisches können so die notwendigen Linienmuster geschrieben werden, ähnlich wie bei einem Plotter. Auf diese Weise können individuelle Strukturen in einer Photoresist-Schicht erzeugt werden, ohne dass Masken für die Belichtung notwendig werden. Nach dem Entwickeln erfolgt ein Ätzprozess, bei dem in den freigelegten Bereichen das ITO entfernt wird. Durch diese höchst variable und schnelle Methode werden die unterschiedlichen Segmente voneinander isoliert.
  • 3 zeigt einen Belichtungsaufbau mit entsprechend erzeugter Struktur. Eine geeignete Auflösung des ITO-Substrats mit photolithographisch erzeugter Struktur im mittleren Mikrometer-Bereich kann damit erreicht werden. Dabei werden LC-Mischungen für elektrisch schaltbare optische Blenden auf Basis polymerverstärkter Flüssigkristalle eingesetzt. Durch die Auswahl der Komponenten und die Einstellung geeigneter Mischungsverhältnisse werden die anwendungsrelevanten Eigenschaften der Mischung, wie Homogenität, Ordnungstendenz, optische und elektro-optische Eigenschaften zu einem für die Applikationen erforderlichen Optimum geführt werden. Dies erfordert ein genaues Ausbalancieren der zwischenmolekularen Wechselwirkungen der Mischungsbestandteile
  • Die Stabilität des elektro-optischen Elements und die ON- und insbesondere die OFF-Schaltzeiten werden durch ein anisotropes Polymernetzwerk verbessert. Das orientierend wirkende anisotrope Polymernetzwerk wird durch UV-Photopolymerisation erzeugt. Insbesondere wird das anisotrope Netzwerk durch die photoinduzierte Polymerisation von Reaktivmesogenen im OFF Zustand der Zelle hergestellt. Das Netzwerk bewirkt einen Memory-Effekt, der die Einstellung des Ausgangszustandes im OFF-Zustand unterstützt. Die angestrebte Funktion erfordert eine genaue Abstimmung der zwischenmolekularen Wechselwirkungen zwischen den Flüssigkristall-Molekülen und der das anisotrope Netzwerk bildenden Polymerstruktur.
  • Neben den Reaktivmesogenen enthalten die erfindungsgemäßen Mischungen daher auch chirale Zusätze, Initiatoren sowie niedermolekulare, nicht-mesogene Netzwerkbildner, um die gewünschten Eigenschaften des anisotropen Netzwerkes zu erzielen. Dabei kann das Netzwerk die ON- und OFF-Schaltzeiten beeinflussen (orientierende Wirkung bei Beibehaltung der Dynamik).
  • Zur Realisierung des rotationssymmetrischen LC-Modus werden erfindungsgemäße Polarisatoren benutzt, die zum einen eine axiale und zum anderen eine radiale Ausrichtung der Sperrrichtung aufweisen (siehe 4). Hierzu werden Photoalignment-Materialien eingesetzt und gegebenenfalls synthetisiert oder durch Grafting modifiziert. Die photochemische Strukturierung dieser Materialien auf molekularer Ebene bildet die Grundlage des Alignments sowohl von Flüssigkristallen für die aktive Komponente als auch für die rotationssymmetrischen Polarisatoren. Diese neuartigen Polarisatoren sind auf Basis von Mischungen geeigneter Reaktivmesogene und dichroitischer Farbstoffen realisiert, die durch die oben beschriebenen Alignment-Layer orientiert werden.
  • Auch können im Rahmen der Erfindung flüssigkristalline Guest-Host Systeme die alternativ zum Einsatz absorptiver Polarisatoren genutzt werden, um den elektrooptischen Lichtverschluss zu realisieren. Hierzu werden ebenfalls dichroitische Farbstoffe eingesetzt, die einerseits möglichst hohe Kontrastwerte ermöglichen und anderseits den gesamten sichtbaren Spektralbereich abdecken.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Blenden erfolgt in folgenden Arbeitsschritten:
    1. a) Programmierung der XY-Strukturierungseinheit,
    2. b) Auswahl und Herstellung von nematischen Mischungen
    3. c) Synthese dichroitische Farbstoffe (DD) für LC Guest-Host,
    4. d) Auswahl von DD's und Synthese von RMM's für den Dünnschicht-Polarisator,
    5. e) Auswahl und Synthese der Materialien für die Orientierungsschicht,
    6. f) Auswahl von Reaktiv-Mesogenen für den Aufbau des anisotropen Polymernetzwerkes und
    7. g) Aufbau und Programmierung eines Set-up zur Charakterisierung des winkelabhängigen Kontrastes.
  • Im Einzelnen hierzu: Die Materialien zur Orientierung nematischer Flüssigkristalle und Reaktivmesogene (RM) sowie dichroitischer Farbstoffe werden für Dünnschicht- Polarisatoren auf Guest-Host-Basis (GH) weiterentwickelt. Photoalignment ist insbesondere für die Entwicklung radialer und axialer Polarisatoren notwendig. Mit diesem Material für ein derartiges Alignment von Flüssigkristallen und Reaktivmesogenen können auch Geometrien orientierter Bereiche erzeugt werden, die durch die Photoalignment- Materialien gemäß dem Gegenstand der WO 2017/092877 A1 und der WO 2018/134041 nicht erreicht werden.
  • Weiterhin erfolgt die Modifikation von Aligningschichten zur kovalenten Anbindung von Bulkmaterial. Die bereits vorher synthetisierten Aligning-Materialien werden durch Oberflächenmodifizierung mit zusätzlichen funktionellen Gruppen ausgestattet bzw. es sind solche Aligning-Materialien synthetisiert, welche eine kovalente Anbindung von bspw. Reaktivmesogenen an die Orientierungsschicht zu ermöglichen.
  • Durch die Synthese von Anthrachinon-Farbstoffen mit unterschiedlicher Absorptionscharakteristik werden die Dünnschichtpolarisatoren weiterentwickelt. So können Mischungen von zwei oder drei dichroitischen Farbstoffen benutzt werden, die eine ausreichende Löslichkeit aufweisen und deren Gemische den ganzen sichtbaren Spektralbereich abdecken. Um eine höhere Stabilität der Farbstoffe in den RMM-Filmen zu erreichen, werden Farbstoffe benutzt, die kovalent oder nichtkovalent in RMM-Filme eingebunden werden.
  • Die erfindungsgemäßen elektrisch schaltbaren LC-basierten, variablen Blenden werden mittels einem variablen lithographischen Verfahren erzeugt, welches eine beliebige und maskenfreie Strukturierung der ITO-Elektroden der Dünnschicht-Polarisatoren erlaubt. Auf Basis der durch dieses Verfahren hergestellten strukturierten Elektroden erfolgt der Aufbau von Dünnschicht-Zellen mit bestimmten optischen Eigenschaften.
  • Die Dünnschicht-Zellen werden mit den oben genannten LC-Mischungen befüllt. Diese Mischungen sind auch als anisotrope Matrix zur Ausbildung der anisotropen Netzwerkstruktur durch Photo-Polymerisation geeignet. Durch die Charakterisierung der optischen und elektro-optischen Eigenschaften der oben genannten LC-Mischungen kann mittels der physikalischen, elektro-optischen Untersuchung eine Ergebniskontrolle durchgeführt werden und liefert damit die entscheidende Rückkopplung für die weitere Materialentwicklung. Hierzu ist eine komplette Demonstrationsanordnung für kontraststeigernde Mikroskopie-Verfahren auf der Grundlage eines Mikroskops sowie eines LC-Displays aufgebaut. Zur variablen Einstellung der notwendigen optischen Strukturen des LC-Displays wird eine Ansteuerung mittels eines Computer-Programms vorgenommen.
  • Durch den erfindungsgemäßen rotationssymmetrischen LC-Modus wird die Kontrast-Charakteristik der erfindungsgemäßen elektrooptischen Blenden erheblich verbessert. Hierzu werden radial bzw. axial ausgerichtete Dünnschicht-Polarisatoren eingesetzt, wobei Grundlage hierfür das Photoalignment dichroitischer Reaktivmesogen-Mischungen bildet, insbesondere das Photoaligning-Material sowie Mischungen dichroitischer Farbstoffe für die Dünnschicht-Polarisatoren. Alternativ zum neuen LC-Modus soll durch den Einsatz des STN-Modus und linearer Polarisatoren im Ein-Zellenaufbau bzw. durch Zellkombination die erforderliche höhere Winkeltoleranz erreicht werden.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Blenden gemäß den oben genannten Anforderungen erfolgt in folgenden Arbeitsschritten:
    • a1) Aufbau eines Setups zur XY-Strukturierung der Elektroden,
    • b1) Ausbau und Anpassung eines Setups zur Befüllung von Zellen,
    • c1) Aufbau eines Setups zum Alignment,
    • d1) Untersuchungen zum LC-Modus, Auswahl nach Anwendung,
    • e1) Zellenbau und Charakterisierung erster Segment-Blenden,
    • f1) Entwicklung von InCell-Polarisatoren,
    • g1) Aufbau des anisotropen Polymernetzwerkes zur Herstellung von Blenden nach Applikationsfeld.
  • Aufbauend auf diesen Prinzip-Lösungen stehen nunmehr elektrisch schaltbare variable Blenden für verschiedene Anwendungen mit unterschiedlicher Funktion, Segmentierung und Geometrie zum Einsatz in verschiedenen Applikationsfelder zur Verfügung.
  • Insbesondere können die erfindungsgemäßen Blenden bei folgenden Applikationsfelder eingesetzt werden:
    • • Dünnschicht-Polarisatoren mit axialer oder radialer Orientierung bilden die Grundlage für die Realisierung von LC-Schaltern mit einer geringen Winkelabhängigkeit des Kontrastwertes. Diese LC-Schalter werden durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Polarisatoren in Kombination mit neuem LC-Modi realisiert, die eine rotationssymmetrische Orientierung aufweisen. Derartige Dünnschicht-Polarisatoren stellen darüber hinaus auch optische Komponenten dar, die in weiteren Applikationsfeldern genutzt werden können.
    • • Variable Blenden im Cinema-Bereich für Spezialeffekte in Filmkameras, wie z.B. „einstellbare Unschärfefiguren“. Hierfür wird vorzugsweise eine variable, nicht-rotationssymmetrische, d.h. elliptische Blende eingesetzt, wobei ein derartiges System mit nicht-rotationssymmetrischer Blenden vorzugsweise in Filmkameras für die Aufnahmetechnik eingesetzt ist. Die elliptische Blende für den Cinema-Bereich ist zentrosymmetrisch, mit bis zu acht Elektroden-Segmenten.
    • • Variable Blenden für den Bereich Mikroskopie. Mittels solcher erfindungsgemäß ausgestalteter Blenden ist es möglich die klassischen Techniken, z.B. des Phasenkontrasts oder der schrägen Beleuchtung für die Kontrastverstärkung kontrastarmer Phasenobjekte, zu ersetzen. Im Unterschied zu klassischen Lösungen aus Einzelelementen (z.B. Phasenkontrast: für jedes Objektiv im Mikroskop wird eine andere Phasenblende benötigt) wird erfindungsgemäß eine variable Mehrsektoren-Lösung eingesetzt, die es erlaubt, einzelne Beugungs-Elemente aus dem klassischen Verfahren in ein Objekt zu integrieren.
    • • Die Sektoren bestehen vorzugsweise aus individuell ansteuerbaren sichelförmigen Segmenten oder Kreisabschnitten, dadurch lässt sich die Ausrichtung der genutzten Lichtbündel variieren. Auf diese Weise wird der Kontrast unterschiedlich ausgerichteter Phasenstrukturen wesentlich verstärkt. Auch bei dieser Anwendung ist es möglich, durch nachträgliche Kombination von Einzelbildern komplexere Strukturen sichtbar zu machen.
  • Im Rahmen der Erfindung können auf Basis der erfindungsgemäßen Lösungen variable Blenden zur Steuerung der Schärfentiefe, der Variation der Fokusebene oder auch für Smartphone-Kameras eingesetzt werden. Die Charakterisierung der erfindungsgemäßen Blenden erfolgt über Messungen der Transmission, der Schaltzeiten, der Kontrastwerte und der Abhängigkeit vom Einfallswinkel.
  • Im Rahmen der Erfindung kann auch eine signifikante Erhöhung der Variabilität elektro-optischer Blenden in Anlehnung an die Technik der transmissiven Mikrodisplays realisiert werden. Dabei sind die erfindungsgemäßen Blenden immer integraler Teil komplexer optischer Systeme, wie z.B. Kameras oder Mikroskope.
  • Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die in den Patentansprüchen 1 und 9 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der Patentansprüche 1 und 9 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 4
    Semi-Mesogen
    5
    dipolares stäbchenförmiges Molekül
    8
    reaktive Mesogene
    9
    anisotropes Netzwerk, Polymernetzwerk
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Blende auf Basis von Flüssigkristallen, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende einen ersten Dünnschicht-Polarisator aufweist, welcher Licht einer einheitlichen Polarisation aus natürlichem Licht erzeugt, dass der erste Dünnschicht-Polarisator als eine Dünnschichtzelle mit zwei Elektroden und aktiven Kompositen aus Semi-Mesogenen (4) und dipolaren, stäbchenförmigen Molekülen (5) ausgestaltet ist, welche durch ihre anisotropen optischen Eigenschaften die Eingangspolarisation verändern, dass im Strahlengang dem ersten Dünnschicht-Polarisator ein zweiter Dünnschicht-Polarisator nachgeordnet ist, welcher ohne elektrische Ansteuerspannung an den Elektroden das Licht veränderter Polarisation unverändert transmittiert und welcher beim Anlegen der elektrische Ansteuerspannung zwischen den Elektroden die Semi-Mesogene (4) und die stäbchenförmigen Moleküle (4, 5) senkrecht zu den Elektrodenflächen ausrichtet, so dass die Eingangspolarisation keine Veränderung erfährt, konstant bleibt und das Licht in Sperrrichtung auf den zweiten Dünnschicht-Polarisator trifft.
  2. Blende nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtzelle als elektro-optische Element mit segmentierten Flüssigkristallelementen ausgestaltet ist, indem die Elektroden in Segmente aufgeteilt sind, jedes Segment individuell angesteuert wird und diese Bereiche wahlweise für den Lichtdurchgang geöffnet oder geschlossen werden, derart, dass die Blende als variable, zentrosymmetrische sowie nicht-zentrosymmetrische, insbesondere elliptische elektro-optische Blende ausgestaltet ist.
  3. Blende nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der einen Grenzfläche der segmentierten Dünnschichtzelle die Flüssigkristall-Moleküle axial und an der anderen Grenzfläche der Dünnschichtzelle radial orientiert sind, wobei die orientierende Wirkung mit einem Photo-Polymer durch Bestrahlung mit polarisiertem Licht über den gesamten sichtbaren Spektralbereich erreicht wird.
  4. Blende nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilität des elektro-optischen Elements in Form des ersten Dünnschicht-Polarisator und zweiten Dünnschicht-Polarisators und die ON- und insbesondere die OFF-Schaltzeiten durch ein anisotropes Polymernetzwerk verbessert werden, wobei das orientierend wirkende anisotrope Polymernetzwerk durch UV-Photopolymerisation erzeugt wird, welches einen Memory-Effekt bewirkt, der die Einstellung des Ausgangszustandes im OFF-Zustand unterstützt.
  5. Blende nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungen des ersten und zweiten Dünnschicht-Polarisators neben Reaktivmesogenen (8) chirale Zusätze, Initiatoren sowie niedermolekulare, nicht-mesogene Netzwerkbildner, enthalten, um die gewünschten Eigenschaften des anisotropen Netzwerkes zu erzielen.
  6. Blende nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektrodenflächen derart strukturiert sind, dass ein Überlappungsbereich realisiert ist, der im Schaltzustand in den Grenzbereichen noch den notwendigen Schwellwert an Felddichte garantiert oder dass „floating electrodes“ realisiert sind, die von der eigentlichen Elektrode durch eine dünne Isolationsschicht getrennt sind
  7. Blende nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass isotrope nicht-stäbchenförmige Semimesogene (4) mit einer hohen dielektrischen und optischen Anisotropie synthetisiert sind, indem Substituenten R1 in die para-Position einer Biphenyl-Struktur als polare Kopfgruppe eingefügt sind, wobei R1 aus der Gruppe bestehend aus - CN, -NCS, -F, -Br und -Cl ausgewählt ist, dass Substituenten Y in einer oder mehreren ortho- und/oder meta-Positionen eingefügt werden, wobei Y aus der Gruppe bestehend aus -H, -CN, -NCS, -F, -Br, -Cl, -CH3, -C2H5, -CH(CH3)2 ausgewählt ist oder andere geeigneten Substituenten und/oder geeigneten verzweigten Alkyle werden verwendet, um flüssigkristalline Phasen gemäß der Formel
    Figure DE102021006429A1_0003
    zu verhindern, wobei R1 aus der Gruppe bestehend aus -CN, -NCS, -F, -Br und -Cl ausgewählt ist.
  8. Blende nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Austausch von Phenylringen gegen heteroaromatische Kernen in isotropen nicht stäbchenförmigen Semimesogenen (4) gemäß der Formel
    Figure DE102021006429A1_0004
    das permanente Dipolmoment und damit die dielektrische Anisotropie der isotropen nicht stäbchenförmigen Semimesogene (4) erhöht werden, wobei X aus N, S oder O besteht.
  9. Verfahren zur Herstellung einer variabel ansteuerbaren Blende mit Elektrodenflächen, bei dem: a) die Segmentierung der Elektrodenflächen mittels Photolithographie durchgeführt wird, wobei ein motorisierter XY-Tisch mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich benutzt wird,b) ein fokussierter Strahl eines UV-Lasers zur Belichtung Verwendung findet, c) mittels einer programmierbaren Ansteuerung des XY-Tisches die Linienmuster geschrieben werden, wodurch individuelle Strukturen in einer Photoresist-Schicht erzeugt werden, ohne dass Masken für die Belichtung notwendig werden und d) nach dem Entwickeln ein Ätzprozess erfolgt, bei dem in den freigelegten Bereichen die Elektroden aus ITO entfernt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung von „floating electrodes“, die von der eigentlichen Elektrode durch eine dünne Isolationsschicht getrennt sind, eine solche dünne Isolationsschicht durch Bedampfen mit Siliziumdioxid hergestellt wird.
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CN117214186A (zh) * 2023-11-08 2023-12-12 合肥晶合集成电路股份有限公司 样品失效分析方法、装置及介质
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