JPS59219720A - 液晶素子 - Google Patents

液晶素子

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JPS59219720A
JPS59219720A JP59091716A JP9171684A JPS59219720A JP S59219720 A JPS59219720 A JP S59219720A JP 59091716 A JP59091716 A JP 59091716A JP 9171684 A JP9171684 A JP 9171684A JP S59219720 A JPS59219720 A JP S59219720A
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    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/1393Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent the birefringence of the liquid crystal being electrically controlled, e.g. ECB-, DAP-, HAN-, PI-LC cells
    • G02F1/1395Optically compensated birefringence [OCB]- cells or PI- cells

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分野〉 本発明は液晶素子、特に液晶体にカイラル(Chira
l)体を添加して高速始動、高速O乃至半波長可変光学
リターダ(retarder)として動作する素子に関
する。
〈従来技術〉 液晶素子は互に対向している配向内面を有する1対の電
極間に面接触する整列したディレクタ(di roct
or)を有する液晶体とより成シ、一方の配向面と接触
するディレクタの傾斜バイアス角は、他方の配向面に接
触するディレクタの傾斜バイアス角に対する回転方向で
決まることが知られている。斯る素子については例えば
ゼイド等による米国特許第4333.708号明細書の
第7欄第48乃至55行に開示されている。
この形状の液晶素子は上述のボイド特許の交互傾斜構造
セルの一部に含まれる光学スイッチであって、素子内で
ディスクリネーション(disclination)運
動を行って二安定スイッチが得られる。しかし、従来の
液晶素子の応答速度は遅いという欠点があった。
〈発明の目的〉 本発明の目的は最初に起動するときワームアッゾ遅延を
必要とせず高速応答の液晶素子を使用する可変光学リタ
ーダをP供することである。
本発明の他の目的は液晶体にカイラル体を加えることに
よシ素子内でπラジアンのねじれ状態での平衡を促進す
る可変リターダを提供することである。
本発明の更に他の目的は素子がスプレィ状態に戻るのを
防ぐ為に液晶素子内に電界を生じさせる必要がなく、よ
って「オフ」から「オン」状態への応答が極めて高速と
なる可変リターダを提供することである。
本発明のその他の目的は不動作素子の表面に現われる像
が、不使用時にもまだら模様にならない可変リターダを
提供することである。
〈発明の概要〉 液晶素子は明確に識別し得る第1及び第2トポロジー(
表面)状態を有する。第1状態は「オン」及び「オフ」
スイッチ状態を含む動作トポロジー状態である。第2状
態は不動作トポロジー状態であって素子の分子がスゲレ
イした状態である。
素子の「オン」スイッチ状態ではそれを通過する光が光
学リタデーション(遅延)が実質的に減少し、「オフ」
スイッチ状態では所定波長の光の略半波長相当の遅延が
生じる。1オン」及び「オフ」状態共にトポロジーはπ
ラジアンのねじれ状態である。また、液晶はトポロジー
上等しい状態にとどまるのがワームプップ遅延の排除に
好ましい。このワームアッノ遅延は不動作素子を動作さ
せるには数分の長さが一般的であるが、本発明の液晶素
子にあってはリラックス時でもπラジアンのねじれ状態
にとどマシ、素子中に電界をかけること直ちに応答して
素子を1オン」状態に切換える。
本発明の高速始動、高速液晶可変光学リターダは1対の
間隔をおいて対向させた光学的に透明な電極構体間に液
晶体を充填した液晶素子である。
この液晶素子はディレクタを有し、且つ必要に応じカイ
ラル体を添加してディレクタがπラジアンのねじれ状態
以上にリラックスするのを阻子する。
各電極構体は被着された導電層を有し、その内面はそれ
と接触する液晶体のディレクタがその表面に対して傾斜
バイアス角を形成するべく略均−に配列するようコンデ
ィション(配向)している。
一方の電極構体の配向面に接触するディレ−フタの傾斜
バイアス角は他方の電極構体の配向面に接する傾斜バイ
アス角に対する回転方向で定義される。
可変リターダもまたディレクタがπラジアンのねじれ状
態で最初にリラックスしている液晶素子に電界をかける
電界手段を有する。素子を「オン」状態にスイッチする
と電界は配向面に非接触のディレクタのかなシの数を殆
んど直ちに配向面に垂直方向に略−列に並ぶようにし、
その結果この電極構体の一面への入射光の素子通過によ
る光学的遅延を実質的に減少する。電界手段はまた電界
を変化して素子を「オフ」状態にして、配向面に接触し
ていないディレクタの少なくとも一部を素子内で一列状
態から後退させて電極構体の一面への入射光の光学遅延
を約半彼長にする。
液晶にカイラルを加えることによシ、素子の「オン」及
び「オフ」スイッチング動作完了後にダイレクタが分散
状態にリラックスするのを阻止する。その結果、素子の
再駆動はワームアッゾ遅延を生じることなく実現でき、
不動作素子表面にまだら模様が現われるのを阻止する。
〈実施例〉 本発明の好適実施例は液晶素子の電極44体に印加した
励起電圧によシ生じる電界強度に応じて通過光の遅延を
制御するようにした0乃至半波長可変リターダである。
ここでいう光学リタデーション及び複屈折という用語は
以下の説明によシ定義する。複屈折素子への入射光は常
光波と異常波と呼ばれる2成分よシ成ることが知られて
いる。これら光成分は複屈折素子内を異なる速度で通過
するので、素子を励起すると光線の一方は他方に対して
遅延する。この遅延によシ両光成分に位相差が生じ、ま
たこの遅延は光線の波長にも関係する。例えば、Δnd
/λ=1/2の実効複屈折を有する素子は半波長リター
ダと呼ばれる。ここで、Δnは実効複屈折、dは素子の
厚さ、λは光線の波長である。
第1図を参照すると、液晶素子(100)は互に間隔を
有し略平行配置の1対の電極構体(102)及び(10
4)を有し、その間にネマチック型液晶体(106)を
充填している。電極構体(102)はガラス製誘電体基
板(108)を有し、その内面に導電性且つ光学的に透
明の酸化インジウム錫の如き層(110)を形成する。
ディレクタ配向被膜(112)を導電層(110)に被
着して電極構体(102)と液晶体(106)間の境界
をなす。液晶体に接触する被膜(112)の表面は2つ
の方法のうちいずれか適当な方法によシ整えてこれと接
触する液晶体のディレクタの配向を行なう。使用する材
料及びディレクタ配向被膜(112)を整える方法につ
いては以下詳細に説明する。電極構体(104)は電極
構体(102)と同様構成であるので、各構成素子には
電極構体(102)の対応部と同じ参照符号にダラシを
付している。
電極(102)、(104)の夫々短かい端をずらせて
導電層(110)及び(110’)に端子(113)を
接続して図示せずもリターダ駆動回路の接続を可能にし
ている。スペーサ(114)はガラスファイバの如き適
当な材料であって、電極構体(102)、(104)間
を略平行に保持する。
次に第2図A乃至りを参照すると、液晶素子(100)
中の被膜(112)、(112’)のネマチック・ディ
レクタのアライメント形状は前述のボイド米国特許第4
,333,708号の第7欄第48乃至55行に記載さ
れている。しかし、とのボイド特許に記載の液晶素子は
本願発明の液晶素子と以下の点で相違する。
即ち前者は液晶素子(100)のディレクタ・アライメ
ントが一部分をなす交互傾斜ジュオメトリ型形状である
。?イド特許の素子は素子内でディスクリネーション運
動を促進し2安定スイツチング素子を提供すべく構成さ
れている。
電極構体(102)の被膜(112)はディレクタ(1
16)と接触する電極面が傾斜バイアス角十〇で相互に
平行に形成されるよう整えられている。この角+θは被
膜(112)の面を基準にして反時計方向に測定する。
電極構体(104)の被膜(112’)はディレクタ(
118)に接触している電極構体面が被膜(112’)
の表面を基準に時計方向に測って−θの傾斜角で互に平
行となるよう整えられている。よって、液晶素子(10
0)は電極構体(102)、(104)のディレクタ・
アライメント層(112)、(112’)の対向面のデ
ィレクタ(116)、(118)に接触する面が夫々反
対方向に傾斜バイアスするよう製造される。
ディレクタとの接触面の所望アライメントを行なう好適
方法の第1は夫々電極構体(102)、(104)上に
アライメント被膜(112)、(112’)を作る材料
としてポリ・イミドを使用する必要が生じる。各アライ
メント被膜を摩擦して2°乃至5°が好ましい傾斜バイ
アス角1θ1を作る。ディレクタとの接触面の所望アラ
イメントを行なう第2の好適方法は夫々電極構体(10
2)、(104)のアライメント被膜(112)+(1
12’)を構成する材料として一酸化シリコンを使用す
ることである。−酸化シリコン層を蒸発させて電極面か
ら計って5°が好ましい蒸着層を作る。
これは10°乃至30°(好ましくは15°乃至25°
)の傾斜バイアス角1θ1を得るのに十分な量である。
液晶分子を所定方向ヘアライメントする為に一酸化シリ
コン又は他のアライメント材料を被着する方法は他人に
よシ既に開示されておシ当業者には周知である。−例と
してジャニングの米国特許第4.165,923号に開
示されている。
第2A図は約2 kHzで20vrm11の交流電圧V
1を夫夫電極構体(102)及び(104)の導電層(
no)及び(110’)に印加した際の表面非接触ディ
レクタ(12のの方向を図示したものである。導電層(
110’)の、信号はvlはリターダ駆動回路の出力に
得た第1スイツチング状態であって、液晶素子(100
)内の電極構体(102)、(104)間に交流電界E
を生じてこの素子を「オン」状態にする。正のat異方
性を有する液晶体(106)の表面非接触ディレクタ(
120)のかなシの数は素子内の電束線の方向(121
)に治って実質的に一列に並び、この方向は電極構体の
整えた面に垂直となる。よって、素子(100)を「オ
ン」状態に励起すると、非接触面ディレクタ(120)
は素子表面に垂直にアライメント(整列)される。
面接触ディレクタ(116)及び(118)は夫々第2
A図、第2C図と第2D図とに示す素子の第1及び第2
トポロジー状態では実質的にその傾斜バイアス角1θ1
にとどまることに注目されたい。
第2B図は信号V1を取シ去りた後の面非接触ディレク
タ(120)の方向を図示したものであシ、面非接触デ
ィレクタの整列は素子内の電極構体間に作られた電界に
よって影響は受けないが、分子間弾性力によシ影響を受
けて面非接触ディレクタを「オン」状態の一列整列状態
がらりラックスさせる。信号V、を取シ除くと、駆動回
路の出力は第2スイツチング状態となる。第2B図に示
すディレクタ方向は素子の「オフ」状態に対応する。
素子(Zoo)を「オフ」状態にするには、信号V。
の電圧以下で一般にO&ルト付近であるノ4ルス状交流
電圧■2を駆動回路の出力に得て、これを素子に印加す
ることによっても可能である。信号v2の周波数は一般
に信号v1のそれと同じである。
液晶素子の「オン」から「オフ」状態への移行中、面非
接触ディレクタは電極構体面に垂直の一列整列状態から
退き、隣接するディレクタが互に平行になろうとする。
よって、面非接触ディレクタ(120a)及び(120
b)は矢印(122a)で示す如く時計方向に回転して
ディレクタ(116)〜(120a)とが略平行に近づ
くようれ゛なる。一方、面非接触ディレクタ(120c
)及び(1′tOd)は矢印(122b)で示す方向に
反時計方向へ回転tてディレクタ(118)と(120
c)は略平行になる。よって、素子(100)を「オフ
」状態にリラックスさせると、面非接触ディレクタの多
くはディレクタ成分を素子面に投影するように整列され
る。
素子(100)の表面形状はパン・トーンの文献に開示
する如き従来の液晶可変リターダ素子と、傾斜バイアス
角が電極構体の内面よシ測った場合同一回転方向である
という点で相違することに留意されたい。素子(100
)のこの面接触ディレクタ+Ll;成によシ「オン」状
態から「オフ」状態へ光学的にはね返ることなく迅速に
面非接触ディレクタをリラックスさせることができる。
この迅速で、光学的はね返シなくディレクタをリラック
スできる理由は素子の整えた両面に沿って液晶体が同一
方向(124)に流れる為であると現時点では考えられ
ている。この単一方向への流れは従来素子では起シ得ず
、前述したパン・トーンの従来素子では整えた面に沿っ
て逆方向に流れる。この液晶体が素子(100)内を一
方向に流れることによる作用効果は、リラックスしてい
る素子内でこの流れによシ中心部にある面非接触ディレ
クタ(102e )に対して「逆」トルクが作用しない
ことである。その結果、はね返シのない高速電子光学ス
イッチングが実現できる6 第2C図は液晶素子(100)が第2B図に示す「オフ
」状態を超えてリラックスする期間T1後のディレクタ
の方向を図示したものである。この状態は電界を取シ除
いてから約50m5後以内に素子内に電界を再びかけな
かった場合に起るのが普通である。第2C図に示す素子
のディレクタ形状は、面非接触ディレクタ(120)が
路面形状を断念して所謂πラジアンねじれ又はら旋形状
と呼ばれる状態となることを特徴とする。約1ボルトの
交流信号V、を素子に印加すると、面非接触ディレクタ
がπラジアンねじれ状態にリラックスするのを阻止でき
ることに留意されたい。
この液晶素子(100)をO乃至半波長可変リターダと
して動作する方法は、ディスクリネーションのない面非
接触ディレクタを第2A図に示す電界整列、即ち「オン
」状態から第2B図に示す略平面状の「オフ」状態へリ
ラックスさせることである。
素子(100)をπねじれ状態から散乱状態に更にリラ
ックスするのは素子内に反復的に電界をかけなければ防
止できるが、本発明によるとホスト液晶体(106)に
カイラル体を加えることにより実現できる。
ここでいうカイラル体とは、散乱状態の液晶に加えると
液晶分子のねじれ又はら旋状態を促進する。よって、カ
イラル体を加えるとπねじれ状態をリラックス液晶分子
に変更する作用を有する。
希望分子ら旋状態の液晶体に加えて液晶素子とするに要
するカイラル体の量は次式から決定できる。
ここでPは得られるら旋のピッチ、dは素子内に入れた
液晶体とカイラル体との混合物の厚さである。ここで、
ピッチはディレクタがら旋軸を中心にして3600回転
するに要する、ら旋軸に沿って測った距離である、カイ
ラル体を液晶体に添加する量はP=3dの関係式を満足
するのが好ましい。
この範囲内のカイラル体の添加量を有する液晶によシ生
じる分子ねじれ量は液晶及びカイラル混合体を表面処理
した電極(102) 、 (104)間に充填するとき
、液晶素子を最低エネルギーレベルのπラジアンねじれ
状態にすることができることが判っている。
特定のカイラル体を添加すると液晶素子内で最低エネル
ギーレベルをπラジアンねじれ状態のエネルギーに持ち
上げることができる。液晶及びカイラル添加物混合体の
特定の例を以下に例示する。
リラックスした最終状態でπラジアンねじれ状態におる
厚さ6μの液晶素子はピッチ8乃至24μで好ましくは
18μの液晶体を含む。本発明によυ製造した液晶素子
(100)の−例はニューヨーク州エレムスフォードの
イーエム・ラボラトリーズ社製液晶化合物第1132番
と英国プールのビーデーエッチ・ケミカルズ社製カイラ
ル化合物番号CB15のカイラル体とを夫々重量比で9
92%対0.8の割合で混合したものである。
本発明の目的にはカイラル体であればどんなものでもよ
いことに注意されたい。更に、カイラル体を液晶素子に
添加すると、液晶素子を「オフ」時の面形状から僅かに
ねじれた状態に変化する。
しかし面非接触ディレクタ方向性による悪影響は全く感
知されなかった。
本発明にあっては、液晶素子(100)を0乃至半波長
の可変り・タープとして動作させ、その光学軸は非面接
触ディレクタ(120)の整列方向に対応する。
電極構体(102)、(104)の表面に垂直方向(1
26)に直線偏光の光を入射すると、液晶素子が「オン
」の際の面非接触ディレクタ(120)の方向と符合す
る。「オン」状態でディレクタ(120)をその方向に
向けると液晶素子の電極面への光学軸の投影は殆んど無
視できる。この状態では液晶素子(100)は方向(1
26)に進行する入射光の光学遅延はかなシ減少する。
電極構体(102)、(104)の表面に垂直方向(1
26)に進行する直線偏光光線は液晶素子がrt7.1
状態の面非接触ディレクタの整列方向と不一致である。
この「オフ」状態でのディレクタ(120)はそれぞれ
液晶素子の電極面上に相描数の投影を生じる。
この状態では、液晶素子(100)は略々法線入射光線
に対して実質的に複屈折を生じる。面非接触ディレクタ
(120)の方向は数式 %式% を満足する波長の光に対して実質的に半波長の光学リタ
ーダを提供する。ここでdは液晶厚(128)、Δnは
素子の実効複屈折である。
この装置は、液晶素子の「オン」状態から「オフ」状態
への移行時に生じる面非接触ディレクタの再整列時に液
晶素子内に液晶体が一方向に流れ□ ることを促進する
ことにより光学的バウンドを軽減して比較的高速動作が
可能である。
〈変更・変形〉 液晶素子(100)は誘電異方性を有し、印加する交流
信号の周波数の関数で極性(サイン)を変化することが
理解されよう。よって、液晶素子の電極構体(102)
、(104)に200乃至500Hzの低周波信号を印
加す−ると、面非接触ディレクタ(120)は電界方向
に平行で且つ液晶素子面に垂直方向に整列しようとする
ので「オン」状態となる。他方、80乃至100kHz
の高周波パルス信号を素子に印加すると、面非接触ディ
レクタ(120)は電界に垂直且つ素子面に平行に整列
し「オフ」状態となる。十分な/?ルス幅の高周波信号
A?ルスを印加すると、この素子が半波長リターダとな
るようなダレイレタ形状が得られる。しかし、この液晶
は単周波数半波長リターダとして使用し複雑且つ高電力
駆動信号源の必要性を排除するのが好ましい。
液晶素子(100)は素子面への入射光が素子を通過す
る際に遅延量を連続的に可変する可変光学リターダとし
て使用することもできる。単周波液晶素子の場合には、
素子(100)に印加する交流信号パルスの電圧を面非
接触ディレクタの方向が所望の第1光学遅延量となるレ
ベルに調整することによシ上述の作用を得る。素子への
印加電圧を増加すると、素子の面に投影されるディレク
タ成分の量に対応する減少を生じ、これが素子への入射
光線の減少した第2の光学遅延量となる。
2周波数液晶素子の場合には、最初「オフ」状態の素子
(100)に面非接触ディレクタを所望第1光学遅延量
となる形態に方向付けるに足る第1電圧の低周波信号を
印加することにょ多連続可変遅延量が得られる。このよ
うな低周波信号を連続して印加すると、素子が更にリラ
ックスするのを防止し、よって光学遅延を所望第1量に
略一定に維持する。第1遅延量を第2の高い遅延量に変
更するには、十分なパルス幅の高周波信号パルスを印加
して面非接触ディレクタを第2遅延状態に対応する形状
に再び方向付けする。第1電圧以下の第2電圧の低周波
信号を連続印加すると、素子が更にリラックスするのを
防止し、よって光学遅延を殆んど一定の第2値に維持す
る。
尚、以上は本発明の好適実施例のみにつき説明したもの
であるが、本発明の好適実施例の細部について当業者は
種々の変更が可能である。よって、本発明の技術的範囲
はこれら実施例のみに限定すべきでないこと言うまでも
ない。
〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明の液晶素子には液晶体にカ
イラル体を添加して液晶素子を高速始動且つ高速可変光
学リターダとして動作することができる。またカイラル
体の添加により、不動作素子がスプレィトポロジー状態
にリラックスするのを阻止するので、ワームアップ遅延
を生じることなくスイッチング動作することができる。
不動作素子の表面が不使用時にまだら模様に見えるのを
阻止できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による液晶素子の模型の拡大側断面図で
あシ、第2図A、B、C及びDは夫々本発明の液晶素子
が電界によシ「オン」状態、一部リラックスした「オフ
」状態、πラジアンねじれ状態及び分散状態にある場合
のディレクタ整列状況を図示した模型図である。 図中(102)?(104)は電極構体、(106)は
液晶体、(108)、(108’)は誘電体基板、(1
10)、(110’)は%極被膜、(1:12)、(1
12’)はディレクタ整列(配向)被膜、(116)、
(118)は面接触ディレクタ、(120)は面非接触
ディレクタを示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、略一定間隔で対向させた一対の電極構体内部に液晶
    体を充填し、上記一対の電極構体内面配向を夫々面接触
    ディレクタの方向を各電極内面に対して互に逆方向に傾
    斜させ、上記電極構体の各電極による内部電界の変化に
    よシ面非接触ディレクタの少なくとも一部の方向を制御
    するようにした液晶素子。 2 上記液晶体としてカイラルを添加したことを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の液晶素子。
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