DE3425584A1

DE3425584A1 - Optisches system mit einer fluessigkristallzelle, verfahren zu seinem betrieb und seine verwendung

Info

Publication number: DE3425584A1
Application number: DE19843425584
Authority: DE
Inventors: Gerd Prof. Dr.rer.nat. Heppke; Heinz-Siegfried Dipl.-Chem. Kitzerow; Michael 1000 Berlin Krumrey; Feodor Dr. Oestreicher
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 1984-07-11
Filing date: 1984-07-11
Publication date: 1986-01-16
Also published as: JPS6151130A; US4767194A

Description

5 Optisches System mit einer Flüssigkristallzelle, Verfahren zu seinem Betrieb und seine Verwendung.

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung ist aus IEEE Trans.Electron Devices ED-26 (1979) 1734 bekannt.

In der zitierten Arbeit wird eine Schlierenoptik beschrieben, die folgendermaßen aufgebaut ist: Licht mit einem relativ schmalen Frequenzband wird durch ein erstes Linsensystem parallelgerichtet, dann durch ein Phasengitter geschickt und anschließend über eine Projektionslinse auf einen Bildschirm geworfen. Das Phasengitter wird dabei durch eine Flüssigkristallzelle realisiert. Diese Zelle enthält im einzelnen zwei Glasplatten, die innenseitig jeweils ein feines Muster aus zueinander parallelen Streifenelektroden so\irie eine Orientierungsschicht tragen und eine Flüssigkristallschicht zwischen sich einschließen. Der Flüssigkristall hat eine positive dielektrische Anisotropie und hat im Ruhezustand eine Vorzugsrichtung parallel zur Elektrodenerstreckung.

Legt man an die Elektroden dieser Zelle eine elektrische Spannung, so v/erden diejenigen Flüssigkristallmoleküle, die ein E-FeId spüren, in Feldrichtung verkippt. Das hat zur Folge, daß Licht, welches parallel zur Elektrodenerstreckung schwingt, in der Flüssigkristallschicht einen mit der Gitterperiode modulierten Brechungsindex vorfindet und entsprechend gebeugt wird. Der Beugungswinkel eines Maximums bestimmter Ordnung ist durch die Geometrie der Anordnung und die Lichtwellenlänge vorgegeben, während seine Intensität durch die angelegte Spannung kontrolliert werden kann.

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Der geschilderte Zellentyp ermöglicht Schaltzeiten <15msec, allerdings unter der Voraussetzung einer extrem dünnen Flüssigkristallschicht von ca. 2um, die an die Zellenherstellung höchste Anforderungen stellt. Geht man zu größeren Plattenabständen über, wachsen sowohl die Einschaltals die Ausschaltzeit überproportional (vgl. die dortige Fig. 4). Im übrigen sind selbst Werte in der Größenordnung von 10msec noch zu hoch, wenn es darum geht, große Informationsmengen - etwa Videosignale - zu verarbeiten.

Hinzukommt ein weiterer Nachteil: Quer zur Elektrodenerstreckung schwingendes Licht spürt von der feldinduzierten Brechungsindexänderung (praktisch) nichts; es nimmt daher an der Beugung nicht teil und geht für den Effekt verloren. Unbefriedigend ist nicht zuletzt auch der Umstand, daß die Flüssigkristallschicht vororientiert werden muß; in der zitierten Publikation sind hierzu Aufdampfprozesse im Vakuum vorgesehen, die die Zellenfertigung erheblich belasten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das optische System der eingangs genannten Art so abzuwandeln, daß die Flüssigkristallzelle eine günstigere Schaltcharakteristik erhält, den größten Teil des eingestrahlten Lichts nutzt und überdies bequemer hergestellt werden kann. Diese Aufgäbe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. In diesem Zusammenhang haben die Begriffe "polarisatorfreie Trägerplatte" und "im wesentlichen transparente Flüssigkristallschicht" folgende Bedeutung: Eine Trägerplatte ist "polarisatorfrei", wenn sie keinen Polarisator tragt und auch nicht selbst polarisiert; im Bereich der Zelle befindet sich dann weder vor noch hinter der Flüssigkristallschicht ein polarisierendes Element. Die Flüssigkristallschicht ist "im wesentlichen transparent", wenn sie im Betrieb des Systems keine Komponente des durchtretenden Lichts - etwa durch eine selektive Reflexion - wegfiltert.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Flüssigkristallphase ("Blue Phase") tritt auf, wenn man bestimmte chirale Systeme aus der cholesterisehen Phase erwärmt bzw. aus der isotropen Phase abkühlt, und ist in einem engen Temperaturbereich unterhalb des Klärpunkts stabil. Es existieren wenigstens zwei unterscheidbare, dreidimensional geordnete Blue Phase - Modifikationen, von denen die eine (BP I) bei tieferen Temperaturen und die andere (BP II) bei höheren Temperaturen vorherrscht. Beide BP-Typen wirken (praktisch) nicht doppelbrechend und zeigen die von der cholesterischen Phase her geläufige Selektivreflexion, das heißt, sie verhalten sich optisch isotrop und reflektieren in einem engen Frequenzbereich zirkularpolarisiertes Licht mit der Händigkeit der zugrundeliegenden cholesterischen Phase. Die Reflexionsmaxima liegen bei verschiedenen Wellenlängen, die im allgemeinen gegenüber - dem \iax~W^e:rt; ^er cholesterischen Ausgangsphase rotverschoben sind. Eine detaillierte Beschreibung der Blue Phase ist der von W.Helfrich und G.Heppke herausgegebenen Monographie "Liquid crystals of One and Two-Dimensional Order", Springer Verlag, 1980, S.161-175, zu entnehmen.

Die Blue Phase ist in letzter Zeit relativ intensiv untersucht worden, und zwar vor allem deshalb, weil man noch kein Strukturmodell hat entwickeln können, das alle beobachteten Effekte befriedigend erklärt. Um hier weitere Aufschlüsse zu erhalten, ist auch schon das Verhalten der Blue Phase unter Feldeinfluß studiert worden. So wird in Mol.Cryst.Liq.Cryst. 99. (1983) 99 berichtet, daß mit zunehmender Feldstärke die Selektivreflexionsbanden beider BP-Typen sich zu längeren Wellenlängen hin verschieben und BP II in BP I übergeht. Aus polarisationsmikroskopischen Untersuchungen weiß man außerdem, daß die Typen BP I bzw. BP II im Feld doppelbrechend werden bzw. isotrop bleiben; hieraus ist gefolgert worden, daß das E-FeId in diesen Modifikationen eine optisch zweiachsige bzw. einachsige Anisotropie hervorruft (Z.Naturforsch.39a (1984)475).

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Das Phänomen, daß auch die Phase BP I - bei geeigneter Grenzflächenbeschaffenheit - unter Feldeinwirkung ihre optische Isotropie wahren kann und beide Phasentypen überdies eine feldabhängige optische Dichte zeigen, ist allerdings, soweit ersichtlich, noch nicht beobachtet oder diskutiert worden. Dieser Effekt bildet die Grundlage für die vorliegende Erfindung. Er ist durch folgende Eigenschaften charakterisiert:

- Die Ein- und Ausschaltzeiten betragen höchstens etwa 1msec. Dieser günstige Wert ist um so bemerkenswerter, als die Blue Phase erheblich zäher ist als die zugehörige cholesterische Phase und beispielsweise der bereits bekannte Farbverschiebungseffekt eine Reaktionszeit von etwa 0,1 see. hat.

- Das Schaltverhalten ist unabhängig'vom Plattenabstand. Man gewinnt damit für die Auslegung des Systems einen relativ großen Spielraum.

- - Die Lichtausbeute ist hoch, weil die optische Dichte der Flüssigkristallschicht - mit oder ohne Feld - für alle Komponenten des eintretenden Lichts gleich ist.

- Eine Vororientierung des Flüssigkristalls ist nicht erforderlich. Sie muß sogar vermieden werden, wenn die optische Isotropie erhalten bleiben soll.

Der hier gefundene Effekt ist um so stärker, je ausgeprägter die lokale dielektrische Anisotropie (2f]_) der HLue Phase ist. (a£-|_ Haßt sich beispielsweise aus der Differenz der beiden Werte des FüssigkristaZls in seinem Blue Phase-Zustand und in seiner aufgewundenen nemati sehen Phase ermitteln.) Eine weitere Steigerung ist zu erwarten, wenn die Phase oberhalb und unterhalb einer bestimmten Wechselspannungsfrequenz eine dielektrische Anisotropie mit unterschiedlichem Vorzeichen hat. Es hat sich nämlich gezeigt, daß der Brechungsindex mit zunehmendem Feld abnimmt, wenn der Flüssigkristall ein Äc]_>0 besitzt, und bei einem Άί-f-Q größer wird.

Die Flüssigkristallzelle sollte mit einer Frequenz im Audiobereich angesteuert werden. Bei Frequenzen unter 30Hz könnte es zu hydrodynamischen Turbulenzen kommen,

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und bei Frequenzen >105hz läßt sich der Flüssigkristall nicht mehr ohne weiteres temperaturstabil halten. Legt man eine relativ niederfrequente Sinusspannung an, so vermag der Brechungsindex der Spannungsänderung zu folgen und wird dementsprechend zeitlich moduliert. Soll der Modulationsgrad bei Frequenzen OO^Hz gering bleiben, so empfiehlt sich die Verwendung einer Rechteckspannung, die einen relativ großen Anteil höherfrequenter Oberwellen enthält.
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Bei dem vorgeschlagenen System könnte die Flüssigkristallzelle insbesondere in folgenden Funktionen eingesetzt werden:

- als Lichtventil zur Intensitätsmodulation einer Strahlung mit bestimmter Wellenlänge;

- als Beugungsgitter in einer Schlierenoptik;

- als ein Fabry-Perot-Interferometer zum Durchstimmen einer Laserwellenlänge;

- als Linse mit einer variablen Brennweite und

- als Lichtweiche, die mit einem feldkontrollierten Totalreflexionswinkel arbeitet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Der Lösungsvorschlag soll nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in einer stark vereinfachten Darstellung ein erfindungsgemäßes System, mit einer Flüssigkristallzelle in einem Seitenschnitt;

Fig. 2 die relative Brechungsindexänderung, in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, und Fig. 3 die gleiche Funktion bei Verwendung einer anderen Flüssigkristallsubstanz.

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Die Anordnung der Fig. 1 enthält eine Flüssigkristallzelle 1, eine Spannungsquelle 2, eine Lichtquelle 3 und eine Projektionsfläche 4.

Die Zelle enthält zwei Glasplatten 5, 6 und eine Heizfolie 7. Die beiden Substrate sind auf ihren Innenflächen jeweils mit einer Dünnschichtelektrode 8, 9 versehen. Diese Elektroden, die in Richtung der Plattennormalen miteinander fluchten, bilden je ein Streifengitter mit einer Gitterkonstanten von 40um. Ein Rahmen 10 hält die beiden Platten auf einen Abstand von 23um und ist mit ihnen hermetisch dicht verbunden.

Die von den Platten und dem Rahmen gebildete Kammer ist mit einer Flüssigkristallsubstanz 11 gefüllt. Dieser Flüssigkristall besteht aus der pyrimidinhaltigen nematischen Weitbereichsmischung "RO TN 404" der Firma Hoffmann-La Roche und dem chiralen, mesogenen 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)biphenyl, das von der Firma BDH unter der Bezeichnung "CB 15" vertrieben wird. Das Gemisch enthält die chirale Verbindung mit einem Anteil von 62,3Gew% und hat insgesamt ein Ä£|>5. Beim Aufheizen vollziehen sich die Phasenübergänge bei folgenden Temperaturen: Cholesterisch /BP I bei 26°C, BP I / BP II bei 27⁰C und BP II/isotrop bei 28⁰C. Beim Abkühlen läßt sich vor allem der Übergang BP I/cholesterisch unterkühlen. Die Ganghöhe hat einen Wert zwischen 200nm und 300nm.

Die Spannungsquelle liefert eine IkHz-Sinus-Spannung mit einstellbarer Amplitude.

Die Lichtquelle ist ein handelsüblicher HeNe-Laser, der einen Strahl mit einer Wellenlänge von 632nm und einer Intensität im mW-Bereich senkrecht auf die Zelle richtet. Die Laserwellenlänge liegt oberhalb des Bereiches, den die Selektivreflexionsmaxima der Flüssigkristallschicht bei der angelegten Spannung überstreichen.

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Befindet sich der Flüssigkristall im Ausgangszustand, so beobachtet man, wie in der ungeordnet isotropen Phase, nur den Primärstrahl. In Gegenwart eins Feldes zeigen sich auf dem Projektionsschirm in bestimmten Abständen von der optischen Achse Intensitätsmaxima, wobei die relativen Intensitäten benachbarter Maxima mit dem Feld wechseln.

Aus dieser Anordnung läßt sich die relative Änderung des Brechungsindex η in Feldrichtung ermitteln. Diese Größe, bn/n, ist in Fig. 2 als Funktion der angelegten Spannung U aufgetragen, und zwar für die Modifikation BP I und BP II sowie für die ungeordnet isotrope Phase (Kurven 12, 13 und 14). Man erkennt, daß der Brechungsindex mit wachsendem E-FeId in beiden BP-Modifikationen deutlich und oberhalb des Klärpunkts relativ schwach abnimmt.

Fig. 3 zeigt die Funktion on/n einer Flüssigkristallsubstanz mit einer negativen dielektrischen Anisotropie.

Diese Substanz enthält als nematischen Träger die Weitbereichsmischung "EN 18" (Fa.Lixon), die mit 26,5Gew# der chiralen Verbindung "S 811" (Fa.Merck) dotiert ist. Dargestellt sind die Ergebnisse, die aus Messungen bei Temperaturen von 38,6⁰C, 44,0°C, 44,5⁰C und 48,4⁰C (Kurven 15, 16, 17 und 18) gewonnen wurden. Bei 38,6⁰C ist der Flüssigkristall cholesterisch; bei 44,5⁰C und 48,4⁰C liegt die Modifikation BP II bzw. die ungeordnet isotrope Phase vor. Bei 44,0⁰C geht der Flüssigkristall mit Überschreiten einer Spannung von etwa 50V von BP I zur cholesterisehen Phase über; diese Phasentransformation macht sich in einer starken Diskontinuität der Kurve 16 bemerkbar. Im übrigen bestätigt auch die zweite Flüssigkristallsubstanz, daß sich der Brechungsindex in der Blue Phase mit einem Vorzeichen ändert, das dem Vorzeichen der dielektrisehen Anisotropie entgegengesetzt ist.

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Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Ausführungsbeispiele. So ist es ohne Belang, in welchem Flüssigkristallsystem die Blue Phase erzeugt wird. So könnte man sie beispielsweise auch in einem flüssigkristallinen Polymer, in einem lyotropen System, mit Mikroemulsionen bzw. -suspensionen oder in mikroverkapselten Flüssigkristallen realisieren. Davon abgesehen braucht das Betriebslicht keineswegs monochrom zu sein; es kommen durchaus auch Frequenzgemische in Frage, soweit dies der .Anwendungszweck zuläßt und keine spürbaren Selektivreflexionen auftreten.
13 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1. Optisches System, enthaltend

1) eine Flüssigkristallzelle (1) mit

a) zwei polarisatorfreien Trägerplatten (5, 6), die auf ihren einander zugewandten Flächen jeweils mit einem elektrisch leitenden Belag (Elektroden 8, 9) versehen sind, und

b) einer zwischen den Trägerplatten eingeschlossenen Flüssigkristallschicht (11);

2) eine mit den Elektroden (8, 9) verbundene Spannungsquelle (3), die in der Flüssigkristallschicht (11) ein wenigstens angenähert senkrecht zur Schichtebene gerichtetes elektrisches Feld erzeugt;

3) eine vor die Flüssigkristallzelle (1) gesetzte Lichtquelle (3), die auf die Flüssigkristallzelle (1) ein Strahlbündel schickt, und zwar

a) in einer Richtung, die im wesentlichen der Feldrichtung entspricht, und

b) mit einer Frequenz, bei der die Flüssigkristallschicht (11) im wesentlichen transparent ist und eine feldabhängige optische Dichte hat; dadurch gekennzeichnet, daß 1c) die Flüssigkristallschicht (11) in einer chiralen, optisch isotropen Phase vorliegt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß die lokale dielektrische Anisotropie der Eüssigkristallschicht (11) im feldfreien Zustand einen positiven Wert >3, insbesondere >7 hat.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß die lokale dielektrische Anisotropie der Flüssigkristallschicht (11) im feldfreien Zustand einen negativen Wert <-1 hat.

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4. System nach einem der Ansprüche 1 Ms 3, dadurch g e k e η nzeichnet, daß die lokale dielektrische Anisotropie der Flüssigkristallschicht (11) oberhalb und unterhalb einer bestimmten Wechselspannungsfrequenz unterschiedliche Vorzeichen hat.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (11) ein Gemisch aus mindestens einer nematischen Komponente und einer chiralen Komponente ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1Ms 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (11) eine Dicke zwischen 20um und 250um, insbesondere zwischen 25um und 100um, hat.

7. Verfahren zum Betrieb eines optischen Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man an die Elektroden (8, 9) eine Wechselspannung zwischen 30Hz und 10^Hz, insbesondere zwischen 500Hz und 10^Hz legt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine Rechteckspannung ist.

9. Verwendung eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Intensitätsmodulation von Licht einer bestimmten Wellenlänge.

10. Verwendung eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Schlierenoptik, insbesondere zur Darstellung bewegter Bilder.

11. Verwendung eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Durchstimmung der Wellenlänge eines insbesondere in einem Laser erzeugten Lichts.

12. Verwendung eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 als Linse mit variabler Brennweite.

13· Verwendung eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 als Lichtweiche.