RU2582208C2

RU2582208C2 - Method of controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer, device for controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer and liquid crystal light modulator

Info

Publication number: RU2582208C2
Application number: RU2014101134/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Палто; Михаил Иванович Барник; Виктор Сергеевич Палто; Артур Рубенович Гейвандов
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2016-04-20
Also published as: RU2014101134A

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to electrooptical devices based on liquid crystals for controlling polarisation properties and intensity of light flux, as well as for displaying and processing unit, and can be used, in particular, to designing high-speed modulators of optical radiation and liquid crystal displays. Substance of invention consists in fact that in liquid crystal modulator comprises two substrates with planar system of electrodes on each, is realised by switching of electric field in two orthogonal directions, respectively, along and perpendicular to liquid crystal layer with controlled intensity. Tensions of switched electric fields reorientation rate of liquid crystal molecules between two orientation and optically distinguishable states, excluding long-term step free viscoelastic relaxation in main orientation state.

EFFECT: improved contrast, faster operation of liquid crystal element.

20 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к электрооптическим устройствам отображения и обработки информации и способам и устройствам управления ими. В частности, оно относится к жидкокристаллическим амплитудным и фазовым модуляторам светового излучения для применения в различных оптоэлектронных устройствах на жидких кристаллах (ЖК) и жидкокристаллических дисплеях (ЖКД) для отображения информации с высокими скоростями обновления.The invention relates to electro-optical devices for displaying and processing information and methods and devices for controlling them. In particular, it relates to liquid crystal amplitude and phase light modulators for use in various liquid crystal (LCD) optoelectronic devices and liquid crystal displays (LCDs) for displaying information with high update rates.

Основой электрооптических устройств на жидких кристаллах является жидкокристаллическая ячейка. Она состоит из двух оптически прозрачных (например, стеклянных) подложек с прозрачными электродами на внутренних поверхностях. Между подложками находится тонкий слой ЖК. Молекулы ЖК имеют асимметричную (как правило, палочкоподобную) форму и в жидкокристаллической фазе локально ориентированы своими осями преимущественно вдоль выделенного направления, определяемого единичным вектором, который называется директором. Начальное пространственное распределение поля директора (при выключенном электрическом поле), как правило, однородно (директор направлен в одном направлении во всем слое ЖК). Это распределение поля директора задается специальными ориентирующими пленками, наносимыми поверх электродов на внутренние поверхности подложек. Для проходящего света слой ЖК представляет собой прозрачную анизотропную среду с оптической осью, совпадающей с направлением директора ЖК. Однородно ориентированный слой ЖК эквивалентен оптической фазовой пластинке. Величина оптической анизотропии определяется разностью двух главных коэффициентов преломления, относящихся соответственно к направлениям поляризации света вдоль директора и перпендикулярно директору ЖК.The basis of electro-optical devices based on liquid crystals is a liquid crystal cell. It consists of two optically transparent (e.g. glass) substrates with transparent electrodes on the inner surfaces. Between the substrates is a thin layer of LCD. LC molecules have an asymmetric (usually rod-like) shape and in the liquid crystal phase are locally oriented with their axes mainly along the selected direction determined by a unit vector called the director. The initial spatial distribution of the director’s field (with the electric field turned off) is usually uniform (the director is directed in one direction in the entire LC layer). This distribution of the director field is determined by special orienting films deposited over the electrodes on the inner surfaces of the substrates. For transmitted light, the LC layer is a transparent anisotropic medium with an optical axis that coincides with the direction of the director of the LC. A uniformly oriented LC layer is equivalent to an optical phase plate. The magnitude of the optical anisotropy is determined by the difference between the two main refractive indices, respectively, related to the directions of polarization of light along the director and perpendicular to the director of the LC.

Начальное распределение поля директора ЖК, задаваемое граничными условиями на поверхностях подложек, может быть, например, планарным (директор параллелен плоскости слоя ЖК на всей его толщине) или гомеотропным (директор перпендикулярен плоскости слоя ЖК). В каждом из двух упомянутых случаев директор может иметь небольшой угол преднаклона соответственно по отношению к плоскости слоя ЖК или к его нормали.The initial distribution of the LC director field, defined by the boundary conditions on the surfaces of the substrates, can be, for example, planar (the director is parallel to the plane of the LC layer in its entire thickness) or homeotropic (the director is perpendicular to the plane of the LC layer). In each of the two cases mentioned, the director may have a small angle of pretilt, respectively, with respect to the plane of the LC layer or to its normal.

Различные оптические состояния ЖК ячейки достигаются в результате эффекта переориентации молекул ЖК под действием электрического поля. Прикладывая напряжение к электродам ячейки, можно менять пространственное распределение поля директора и, соответственно, распределение локальной оптической оси. Для создания модулятора света ячейка ЖК снабжается дополнительными внешними и внутренними функциональными элементами - поляризаторами, фазовыми пластинами, фильтрами и др. В зависимости от типа электрооптического эффекта, который лежит в основе работы электрооптического элемента, слой ЖК формируется из жидких кристаллов с положительной или отрицательной диэлектрической анизотропией. Во внешнем электрическом поле молекулы ЖК с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются длинными осями преимущественно вдоль электрического поля, а молекулы ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией - перпендикулярно полю.Various optical states of the LC cell are achieved as a result of the reorientation of the LC molecules under the influence of an electric field. By applying voltage to the electrodes of the cell, it is possible to change the spatial distribution of the director field and, accordingly, the distribution of the local optical axis. To create a light modulator, the LC cell is equipped with additional external and internal functional elements — polarizers, phase plates, filters, etc. Depending on the type of electro-optical effect that underlies the operation of the electro-optical element, the LC layer is formed from liquid crystals with positive or negative dielectric anisotropy . In an external electric field, LC molecules with positive dielectric anisotropy are oriented with long axes mainly along the electric field, and LC molecules with negative dielectric anisotropy are oriented perpendicular to the field.

Важными характеристиками, определяющими качество ЖКД, являются оптический контраст, максимальный коэффициент пропускания света, углы обзора, а также времена переключения между оптическими состояниями. Короткие времена переключения особенно важны в свете актуальных современных направлений развития дисплейных технологий, которые ориентированы на дисплеи с последовательным отображением цветового контента и стереоскопические (3D) дисплеи, где ключевым свойством является быстродействие. Быстродействие электрооптических элементов на нематических ЖК в основном ограничено большими значениями времен свободной релаксации директора ЖК из наведенного электрическим полем оптического состояния в начальное состояние без поля. При заданной толщине слоя ЖК время релаксации τ не зависит от напряжения и определяется только отношением вращательной вязкости γ к эффективному модулю упругости K, зависящему от характера деформации жидкого кристалла τ~γ/K.Important characteristics that determine the quality of an LCD are optical contrast, maximum light transmittance, viewing angles, and switching times between optical states. Short switching times are especially important in the light of current modern trends in the development of display technologies, which are focused on displays with sequential display of color content and stereoscopic (3D) displays, where speed is a key property. The performance of electro-optical elements on nematic LCs is mainly limited by the large values of the free relaxation times of the LC director from the optical state induced by the electric field to the initial state without a field. For a given thickness of the LC layer, the relaxation time τ does not depend on stress and is determined only by the ratio of rotational viscosity γ to the effective elastic modulus K, which depends on the nature of the deformation of the liquid crystal τ ~ γ / K.

В [US Pat. №3834794, 1974] для создания модулирующих свет жидкокристаллических устройств было предложено использовать встречно-штыревые (interdigitated) электроды, расположенные на одной из двух ограничивающих слой ЖК подложек (вторая подожка не имеет электропроводящего покрытия). В дальнейшем применение встречно-штыревых электродов и их модификаций позволило в значительной степени улучшить угловые характеристики дисплеев [US Pat. №5576867 (1996); US Pat. №5841498 (1998); Kiefer R., Weber В., Windscheid F. and Baur G., Japan Display′92, 547 (1992); G. Baur, R. Kiefer, H. Klausmann, F. Windscheid, Liquid Crystals Today, Vol.5, №3, 13 (1995); US Pat. №6661492 (2003); US Pat. №7259821 (2007)]. При этом электроды располагаются в одной плоскости либо в двух плоскостях, разделенных тонким изолирующим слоем, на одной и той же подложке. В обоих случаях электрическое поле, генерируемое между встречно-штыревыми электродами, направлено преимущественно параллельно слою жидкого кристалла. Электрооптический эффект с этим режимом управления распределением поля директора ЖК известен в дисплейных устройствах как режим переключения в планарном поле (In-Plane Switching, сокр. IPS, mode). В модулирующих свет элементах данного типа могут быть использованы ЖК как с положительной, так и с отрицательной диэлектрической анизотропией, а начальное распределение поля директора может быть разным: планарным, закрученным (твист) или гомеотропным. К преимуществам дисплейных элементов данной конструкции относятся широкие углы обзора, а к недостаткам - пониженное пропускание при использовании непрозрачных электродов.In [US Pat. No. 3834794, 1974] to create light-modulating liquid crystal devices, it was proposed to use interdigitated electrodes located on one of the two layer-limiting LC substrates (the second substrate does not have an electrically conductive coating). In the future, the use of interdigital electrodes and their modifications has significantly improved the angular characteristics of displays [US Pat. No. 5576867 (1996); US Pat. No. 5841498 (1998); Kiefer R., Weber B., Windscheid F. and Baur G., Japan Display′92, 547 (1992); G. Baur, R. Kiefer, H. Klausmann, F. Windscheid, Liquid Crystals Today, Vol. 5, No. 3, 13 (1995); US Pat. No. 6661492 (2003); US Pat. No. 7259821 (2007)]. In this case, the electrodes are located in one plane or in two planes separated by a thin insulating layer, on the same substrate. In both cases, the electric field generated between the interdigital electrodes is directed mainly parallel to the liquid crystal layer. The electro-optical effect with this mode of controlling the distribution of the director’s LCD field is known in display devices as the mode of switching in a planar field (In-Plane Switching, abbreviated IPS, mode). In light modulating elements of this type, LCs with both positive and negative dielectric anisotropy can be used, and the initial distribution of the director field can be different: planar, twisted (twist), or homeotropic. The advantages of the display elements of this design include wide viewing angles, and the disadvantages are reduced transmission when using opaque electrodes.

Величина пропускания и апертурное отношение ЖКД увеличиваются при использовании прозрачных управляющих электродов [US Pat. №6661492 (2003); US Pat. №7259821 (2007)]. Общим недостатком упомянутых модулирующих устройств является относительно низкое быстродействие, так как время выключения индуцированного полем состояния ЖК определяется временем свободной вязкоупругой релаксации поля директора.The transmittance and aperture ratio of the LCD are increased when using transparent control electrodes [US Pat. No. 6661492 (2003); US Pat. No. 7259821 (2007)]. A common drawback of these modulating devices is the relatively low speed, since the turn-off time of the field-induced LC state is determined by the time of free viscoelastic relaxation of the director field.

Известны жидкокристаллические дисплейные устройства [US Pat. №6678027 (2004); US Pat. App. №2011/0279758 A1 (2011)], в которых модуляция света жидким кристаллом реализуется за счет электрического поля формируемого напряжением, приложенным к одному сплошному электроду и двум встречно-штыревым электродам, расположенным на одной из двух подложек, между которыми заключен слой жидкого кристалла. Нижний сплошной электрод распложен непосредственно на подложке, а встречно-штыревые электроды отделены от сплошного электрода тонким диэлектрическим слоем. Вторая подложка не имеет электродов. В этом случае электрическое поле сосредоточено не только между электродами, но и проникает на небольшую глубину в слой жидкого кристалла, вызывая неоднородную деформацию поля директора. Электрооптический эффект с данным режимом управления распределением поля директора известен в дисплейных устройствах как фриндж-эффект (Fringe Field Switching, сокр. FFS). Деформация поля директора ЖК под действием электрического поля затрагивает лишь тонкий слой (порядка 1 мкм) жидкого кристалла вблизи подложки с электродами. Поэтому в таких устройствах реализуются короткие времена свободной релаксации директора и, как следствие, высокие скорости модуляции света. Однако для получения высокого коэффициента пропускания в светлом состоянии и высокого контраста при низком управляющем напряжении, для дисплейного элемента с FFS модой требуются жидкие кристаллы с большими значениями диэлектрической и оптической анизотропии.Known liquid crystal display devices [US Pat. No. 6678027 (2004); US Pat. App. No. 2011/0279758 A1 (2011)], in which the modulation of light by a liquid crystal is realized due to the electric field generated by the voltage applied to one continuous electrode and two interdigital electrodes located on one of two substrates, between which a layer of liquid crystal is enclosed. The lower solid electrode is located directly on the substrate, and the interdigital electrodes are separated from the solid electrode by a thin dielectric layer. The second substrate has no electrodes. In this case, the electric field is concentrated not only between the electrodes, but also penetrates to a small depth in the liquid crystal layer, causing an inhomogeneous deformation of the director field. The electro-optical effect with this director field distribution control mode is known in display devices as the Fringe Field Switching (abbreviated FFS). The deformation of the LC director field under the action of an electric field affects only a thin layer (of the order of 1 μm) of the liquid crystal near the substrate with electrodes. Therefore, in such devices short director free relaxation times and, as a result, high light modulation rates are realized. However, to obtain a high transmittance in the light state and high contrast at a low control voltage, liquid crystals with high values of dielectric and optical anisotropy are required for a display element with an FFS mode.

Известны быстро переключаемые электрооптические элементы на нематических ЖК с тремя управляющими электродами. [Т.-Н. Yoon, К.-Н. Kim, D.H. Song, J.С.Kim, Fast-switching technology for nematic liquid-crystal cells, SPIE Newsroom (2011); D. H. Song, J.-W. Kim, K.-H. Kim, S.J. Rho, H. Lee, H. Kim, T.-H. Yoon, Ultrafast switching of randomly-aligned nematic liquid crystals, Optics Express, Volume 20, Issue 11, p.11659 (2012)]. В них как светлое, так и темное оптические состояния реализуются при приложении электрического поля, то есть исключается свободная релаксация деформированного поля директора. На внутренних стенках обеих подложек ячейки ЖК нанесены сплошные электроды. На одной из подложек поверх сплошного электрода нанесен тонкий изолирующий слой, на поверхности которого сформирована электродная система в виде узких параллельных полос (решетка). Приложение электрического напряжения между сплошным электродом и отделенной от него изолирующим слоем решеткой создает неоднородное преимущественно планарное поле, а приложение электрического напряжения между сплошными электродами первой и второй подложек создает нормальное электрическое поле (вдоль нормали к слою ЖК). Однородно ориентированный нематический ЖК с положительной диэлектрической анизотропией или исходно не ориентированный ЖК (ориентирующие слои отсутствуют) в нормальном поле приобретает гомеотропную ориентацию, а в планарном поле - планарную ориентацию. Такой жидкокристаллический элемент обладает высоким быстродействием. Однако создание трех электродов усложняет технологический процесс изготовления электрооптического элемента. Кроме того, авторами не предложена электрическая схема управления полем в реальных устройствах с такой сложной геометрией расположения электродов.Known quickly switchable electro-optical elements on a nematic LCD with three control electrodes. [T.-N. Yoon, K.-N. Kim, D.H. Song, J.C. Kim, Fast-switching technology for nematic liquid-crystal cells, SPIE Newsroom (2011); D. H. Song, J.-W. Kim, K.-H. Kim, S.J. Rho, H. Lee, H. Kim, T.-H. Yoon, Ultrafast switching of randomly-aligned nematic liquid crystals, Optics Express, Volume 20, Issue 11, p.11659 (2012)]. In them, both light and dark optical states are realized when an electric field is applied, that is, free relaxation of the deformed director field is excluded. Solid electrodes are deposited on the inner walls of both substrates of the LC cell. On one of the substrates, a thin insulating layer is deposited on top of the solid electrode, on the surface of which an electrode system is formed in the form of narrow parallel strips (grating). The application of electric voltage between the solid electrode and the grating separated from it by the insulating layer creates a predominantly inhomogeneous planar field, and the application of electric voltage between the solid electrodes of the first and second substrates creates a normal electric field (along the normal to the LC layer). A uniformly oriented nematic LC with positive dielectric anisotropy or an initially non-oriented LC (no orienting layers) acquires a homeotropic orientation in a normal field, and a planar orientation in a planar field. Such a liquid crystal element has a high speed. However, the creation of three electrodes complicates the manufacturing process of the electro-optical element. In addition, the authors have not proposed an electric field control circuit in real devices with such a complex geometry of the electrodes.

По технической сущности наиболее близким к настоящему изобретению способом управления слоем ЖК при помощи двух ортогонально направленных полей является способ [US Pat. №3854751 (1974)], в котором на слой жидкого кристалла последовательно действуют два электрических поля, направленных нормально или вдоль слоя ЖК. В такой ЖК ячейке на внутренней стороне одной из подложек, ограничивающих слой жидкого кристалла, сформирована система встречно-штыревых электродов, а на внутренней стороне второй подложки нанесен сплошной прозрачный электрод. Переключение оптических состояний ЖК осуществляется последовательным приложением электрического напряжения между верхним сплошным и нижними встречно-штыревыми электродами для создания нормального электрического поля и между встречно-штыревыми электродами для создания планарного поля. Здесь и ниже поле, которое преимущественно направлено вдоль нормали к слою ЖК, называется нормальным, а поле, преимущественно параллельное плоскости этого слоя, - планарным. Недостаток и способа переключения электрического поля в данном случае состоит в том, что верхний сплошной электрод деструктивно влияет на распределение планарного электрического поля между встречно-штыревыми электродами. В его распределении возникает значительная нормальная составляющая, что, в свою очередь, препятствует планарной переориентации ЖК, ухудшая контраст и быстродействие жидкокристаллического элемента.According to the technical essence, the closest to the present invention method of controlling the LC layer using two orthogonally directed fields is the method [US Pat. No. 3854751 (1974)], in which two electric fields sequentially acting normally or along the LC layer are successively acting on the liquid crystal layer. In such an LC cell, a system of interdigital electrodes is formed on the inner side of one of the substrates bounding the liquid crystal layer, and a solid transparent electrode is deposited on the inner side of the second substrate. The switching of the optical states of the LC is carried out by the sequential application of electric voltage between the upper solid and lower interdigital electrodes to create a normal electric field and between the interdigital electrodes to create a planar field. Here and below, the field, which is mainly directed along the normal to the LC layer, is called normal, and the field, mainly parallel to the plane of this layer, is planar. The disadvantage of the method of switching the electric field in this case is that the upper continuous electrode destructively affects the distribution of the planar electric field between the interdigital electrodes. A significant normal component arises in its distribution, which, in turn, prevents the planar reorientation of the LC, worsening the contrast and speed of the liquid crystal element.

По технической сущности устройства, близкого к устройству для управления амплитудой и направлением электрического поля в слое ЖК согласно настоящему изобретению, не выявлено.According to the technical nature of the device, close to the device for controlling the amplitude and direction of the electric field in the LCD layer according to the present invention, is not detected.

По технической сущности наиболее близким к устройству ЖК модулятора согласно настоящему изобретению является ЖКД устройство [US Pat. №6700558 (2004)], в котором на первой подложке расположены первый и второй электроды, между которыми задают разность потенциалов и создают преимущественно планарное поле, а на второй подложке сформирован третий электрод, благодаря которому прикладывают разность потенциалов между электродами первой подложки и третьим электродом и, таким образом, создают преимущественно нормальное электрическое поле. Такой ЖКД обладает высоким быстродействием. Недостаток способа переключения электрического поля в данном случае состоит в том, что верхний сплошной электрод деструктивно влияет на распределение планарного электрического поля между встречно-штыревыми электродами. В его распределении возникает значительная нормальная составляющая, что, в свою очередь, препятствует планарной переориентации ЖК, ухудшая контраст и быстродействие жидкокристаллического элемента.By technical nature, the closest to the device of the LCD modulator according to the present invention is an LCD device [US Pat. No. 6700558 (2004)], in which the first and second electrodes are located on the first substrate, between which the potential difference is set and a mainly planar field is created, and the third electrode is formed on the second substrate, due to which the potential difference is applied between the electrodes of the first substrate and the third electrode and thus create a predominantly normal electric field. This LCD has a high speed. The disadvantage of the method of switching the electric field in this case is that the upper solid electrode destructively affects the distribution of the planar electric field between the interdigital electrodes. A significant normal component arises in its distribution, which, in turn, prevents the planar reorientation of the LC, worsening the contrast and speed of the liquid crystal element.

Настоящее изобретение направлено на устранение перечисленных выше конструктивных и функциональных недостатков электрооптических устройств на ЖК и способов управления ими. Сущность способа, используемого в предлагаемом здесь изобретении, заключается в том, что встречно-штыревые электроды формируются на внутренних поверхностях обеих подложек жидкокристаллической ячейки. Переключение между оптическими состояниями ЖК осуществляется последовательным приложением электрического поля заданной напряженности вдоль слоя ЖК (планарное электрическое поле) и перпендикулярно к слою (нормальное электрическое поле) с помощью специального аналого-цифрового устройства. Данный способ переключения распределения поля директора и оптических состояний ЖК можно назвать режимом двунаправленного переключения {Bidirectional Field Switching, сокр. BFS), а электрооптический эффект - BFS mode. Данный способ управления и геометрия ЖК ячейки, работающей в режиме BFS, могут быть использованы для создания быстродействующего активно-матричного ЖКД.The present invention is directed to eliminating the above structural and functional disadvantages of electro-optical LCD devices and methods for controlling them. The essence of the method used in the invention proposed here is that interdigital electrodes are formed on the inner surfaces of both substrates of the liquid crystal cell. Switching between the optical states of the LC is carried out by sequentially applying an electric field of a given strength along the LC layer (planar electric field) and perpendicular to the layer (normal electric field) using a special analog-digital device. This method of switching the distribution of the director field and the optical states of the LC can be called the bidirectional switching mode {Bidirectional Field Switching, abbr. BFS), and the electro-optical effect is BFS mode. This control method and the geometry of the LCD cell operating in the BFS mode can be used to create a fast-acting active-matrix LCD.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими фигурами:The invention is illustrated by the following figures:

Фиг.1 схематически показывает устройство жидкокристаллического модулятора света согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на внутренних поверхностях обеих подложек жидкокристаллической ячейки (сечение).Figure 1 schematically shows the device of the liquid crystal light modulator according to the present invention with mutually parallel orientation of the strips of the interdigital electrode structures on the inner surfaces of both substrates of the liquid crystal cell (section).

Фиг.2а показывает конструкцию жидкокристаллического модулятора света согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных стенках жидкокристаллической ячейки и ориентацию молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией в нормальном электрическом поле, создаваемом потенциалами от устройства управления при нулевом логическом уровне на входе TTL и электрическом потенциале φ(t) произвольной формы на входе U.Fig. 2a shows the construction of a liquid crystal light modulator according to the present invention with mutually parallel orientation of strips of interdigital electrode structures on opposite walls of the liquid crystal cell and the orientation of LC molecules with positive dielectric anisotropy in a normal electric field generated by potentials from the control device at a zero logic input level TTL and the electric potential φ (t) of arbitrary shape at the input U.

Фиг.2б показывает конструкцию жидкокристаллического модулятора согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных стенках жидкокристаллической ячейки и ориентацию молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией в планарном электрическом поле, создаваемом потенциалами от устройства управления при единичном логическом уровне на входе TTL и электрическом потенциале φ(t) произвольной формы на входе U.Fig.2b shows the design of the liquid crystal modulator according to the present invention with the mutually parallel orientation of the strips of the interdigital electrode structures on opposite walls of the liquid crystal cell and the orientation of the LCD molecules with positive dielectric anisotropy in a planar electric field generated by the potentials from the control device at a single logic level at the TTL input and electric potential φ (t) of arbitrary shape at the input U.

Фиг.2в показывает конструкцию жидкокристаллического модулятора света согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных стенках жидкокристаллической ячейки и ориентацию молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией в нормальном электрическом поле, создаваемом потенциалами от устройства управления при нулевом логическом уровне на входе TTL и электрическом потенциале φ(t) произвольной формы на входе U.FIG. 2 c shows the construction of a liquid crystal light modulator according to the present invention with mutually parallel orientation of strips of interdigital electrode structures on opposite walls of the liquid crystal cell and the orientation of LC molecules with positive dielectric anisotropy in a normal electric field generated by potentials from the control device at a zero logic input level TTL and the electric potential φ (t) of arbitrary shape at the input U.

Фиг.2г показывает конструкцию жидкокристаллического модулятора согласно настоящему изобретению при взаимно параллельной ориентации полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных стенках жидкокристаллической ячейки и ориентацию молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией в планарном электрическом поле, создаваемом потенциалами от устройства управления при единичном логическом уровне на входе TTL и электрическом потенциале φ(t) произвольной формы на входе U.Fig. 2d shows the construction of a liquid crystal modulator according to the present invention with mutually parallel orientation of strips of interdigital electrode structures on opposite walls of the liquid crystal cell and the orientation of LC molecules with positive dielectric anisotropy in a planar electric field generated by potentials from the control device at a single logic level at the TTL input and electric potential φ (t) of arbitrary shape at the input U.

Фиг.3 показывает схему устройства для управления амплитудой и направлением электрического поля в слое ЖК путем изменения логического состояния (0 или 1) на входе TTL и переключения электрических потенциалов на четырех выходах (А, В, С, D), которые подключены к четырем электродам жидкокристаллической ячейки, при заданной форме потенциала φ(t) на входе U в соответствии с состояниями, указанными в таблице пункта 2 формулы изобретения.Figure 3 shows a diagram of a device for controlling the amplitude and direction of the electric field in the LCD layer by changing the logical state (0 or 1) at the TTL input and switching electric potentials at the four outputs (A, B, C, D) that are connected to the four electrodes a liquid crystal cell, for a given shape of the potential φ (t) at the input U in accordance with the conditions indicated in the table of paragraph 2 of the claims.

Фиг.4а показывает экспериментальную осциллограмму электрооптического отклика (кривая 13) и временные зависимости потенциалов на электродах для жидкокристаллического модулятора с взаимно параллельной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при переключении направления электрического поля от нормального к планарному в результате изменения логического уровня на входе TTL устройства управления.Figure 4a shows the experimental waveform of the electro-optical response (curve 13) and the time dependences of the potentials on the electrodes for the liquid crystal modulator with mutually parallel orientation of the strips of the interdigital electrode structures on opposite substrates of the liquid crystal cell containing a homeotropically oriented nematic LC layer with positive dielectric anisotropy, when switching direction of the electric field from normal to planar as a result of a change in the logical Level on TTL input control device.

Фиг.4б показывает экспериментальные осциллограммы электрооптического отклика жидкокристаллического модулятора с взаимно параллельной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при управлении распределением директора ЖК только планарным электрическим полем (кривая 14) и использовании режима двунаправленного переключения поля (кривая 15).Fig. 4b shows experimental waveforms of the electro-optical response of a liquid crystal modulator with mutually parallel orientation of strips of interdigital electrode structures on opposite substrates of a liquid crystal cell containing a homeotropically oriented layer of a nematic LC with positive dielectric anisotropy while controlling the distribution of the director of the LC only by a planar electric field (curve 14) and using bidirectional field switching mode (curve 15).

Фиг.4в показывает экспериментальные осциллограммы электрооптического отклика (кривые 16-20) жидкокристаллического модулятора с взаимно параллельной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при подаче на вход U устройства управления импульсов прямоугольной формы (частота 2 кГц) различной амплитуды и при частоте импульсов 330 Гц на входе TTL.Fig. 4c shows experimental waveforms of the electro-optical response (curves 16-20) of a liquid crystal modulator with mutually parallel orientation of strips of interdigital electrode structures on opposite substrates of a liquid crystal cell containing a homeotropically oriented layer of a nematic LC with positive dielectric anisotropy when the control device is fed to input U rectangular-shaped pulses (frequency 2 kHz) of various amplitudes and with a pulse frequency of 330 Hz at the TTL input.

Фиг.5 показывает результаты экспериментальных измерений зависимости времен переключения оптического пропускания в светлое (кривая 22) и темное (кривая 23) состояния от амплитуды напряжения на входе U устройства управления для жидкокристаллического модулятора с взаимно параллельной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при режиме двунаправленного переключения поля.Figure 5 shows the results of experimental measurements of the dependence of the times of switching the optical transmission to the light (curve 22) and dark (curve 23) states on the voltage amplitude at the input U of the control device for a liquid crystal modulator with mutually parallel orientation of strips of interdigital electrode structures on opposite substrates of the liquid crystal cell containing a homeotropically oriented layer of a nematic LC with positive dielectric anisotropy in the bidirectional mode field switching.

Фиг.6 показывает экспериментальные осциллограммы электрооптического отклика (кривые 24-29) жидкокристаллического модулятора с взаимно перпендикулярной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориенторованный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при подаче на вход U устройства управления импульсов прямоугольной формы (частота 2 кГц, кривая 31) различной амплитуды и при частоте импульсов 166 Гц на входе TTL.6 shows experimental oscillograms of the electro-optical response (curves 24-29) of a liquid crystal modulator with a mutually perpendicular orientation of the strips of the interdigital electrode structures on opposite substrates of the liquid crystal cell containing a homeotropically oriented layer of a nematic LC with positive dielectric anisotropy, when applied to the input of the U device rectangular-shaped pulses (frequency 2 kHz, curve 31) of various amplitudes and at a pulse frequency of 166 Hz at the TTL input.

Фиг.7 показывает результаты экспериментальных измерений зависимости времен переключения оптического пропускания в светлое (кривая 33) и темное (кривая 34) состояния от амплитуды напряжения на входе U устройства управления для жидкокристаллического модулятора с взаимно перпендикулярной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией.Fig. 7 shows the results of experimental measurements of the dependence of the switching times of the optical transmission to the light (curve 33) and dark (curve 34) states on the voltage amplitude at the input U of the control device for a liquid crystal modulator with mutually perpendicular orientation of the strips of the interdigital electrode structures on opposite substrates of the liquid crystal cell containing a homeotropically oriented layer of nematic LC with positive dielectric anisotropy.

Фиг.8 показывает экспериментальные осциллограммы электрооптического отклика жидкокристаллического модулятора с взаимно перпендикулярной ориентацией полос встречно-штыревых электродных структур на противоположных подложках жидкокристаллической ячейки, содержащего гомеотропно ориентированный слой нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, при управлении только планарным электрическим полем (кривая 35) и используя режим двунаправленного переключения электрического поля (кривая 36).Fig. 8 shows experimental waveforms of the electro-optical response of a liquid crystal modulator with mutually perpendicular orientation of strips of interdigital electrode structures on opposite substrates of a liquid crystal cell containing a homeotropically oriented nematic LC layer with positive dielectric anisotropy, while controlling only a planar electric field (curve 35) and using bidirectional switching of the electric field (curve 36).

Жидкокристаллический модулятор (Фиг.1) согласно настоящему изобретению содержит слой нематического жидкого кристалла 1. В качестве материала может быть использован также ЖК в смектической фазе. Жидкокристаллический слой располагается между двумя прозрачными диэлектрическими подложками 2 и 3, выполненными, например, из стекла. На одну из подложек, например нижнюю 2, может быть нанесено отражающее свет зеркало для работы электрооптического элемента в отраженном свете. На внутренние стороны обеих подложек 2 и 3 нанесены прозрачные, например из оксидов индия и олова (ITO - Indium Tin Oxide), или непрозрачные, например металлические из хрома, встречно-штыревые электроды с множеством параллельных полос 4, 4а, 5 и 5а для создания в слое ЖК электрического поля. Электродные полосы 5 и 5а на подложке 3, соответственно, параллельны полосам 4 и 4а на подложке 2 и расположены строго друг над другом (как показано на Фиг.1, 2а и 2б). Полосы 5 и 5а могут быть также ориентированы перпендикулярно к полосам 4 и 4а либо составлять между собой любой угол от 0° до 90°. Исходная молекулярная ориентация ЖК обеспечивается нанесением на внутренние поверхности подложек с электродами ориентирующих покрытий 6 и 7. Модулятор содержит средства для установления оптического различия между переключаемыми полем ориентационными состояниями жидкого кристалла - например, поляризаторы 8 и 9 на внешних сторонах подложек 2 и 3. Между поляризаторами 8 и 9 и подложками 2 и 3 могут устанавливаться фазовые пластинки 10 и 11 или другие оптические элементы для реализации оптимальных спектральных и угловых характеристик модулятора. Встречно-штыревые электроды 4, 4а, 5 и 5а подключаются к устройству 12 согласно схемам, показанным на Фиг.2а и Фиг.2б. Устройство управления электрическим полем 12 переключает знаки потенциалов на электродах модулятора при подаче на вход TTL напряжения логического уровня 0 или уровня 1 (уровню логического нуля соответствует электрическое напряжение в интервале от 0 до 0,2 B, а логической единице - от 2,5 до 5 B), создавая соответственно нормальное электрическое поле (Фиг.2а) или планарное поле (Фиг.2б). При этом абсолютные значения переключаемых потенциалов определяются по отношению к общей шине амплитудой напряжения на входе U управляющего устройства. Потенциал на входе U может иметь произвольную форму во времени.The liquid crystal modulator (FIG. 1) according to the present invention contains a layer of nematic liquid crystal 1. An LC in the smectic phase can also be used as a material. The liquid crystal layer is located between two transparent dielectric substrates 2 and 3, made, for example, of glass. On one of the substrates, for example, lower 2, a light-reflecting mirror can be applied to operate the electro-optical element in reflected light. Transparent, for example, from indium and tin oxides (ITO - Indium Tin Oxide), or opaque, such as metal from chromium, interdigitated electrodes with many parallel strips 4, 4a, 5 and 5a are applied on the inner sides of both substrates 2 and 3 to create in the LC layer of the electric field. The electrode strips 5 and 5a on the substrate 3, respectively, are parallel to the strips 4 and 4a on the substrate 2 and are located strictly one above the other (as shown in Figs. 1, 2a and 2b). Strips 5 and 5a can also be oriented perpendicular to strips 4 and 4a, or make any angle between themselves from 0 ° to 90 °. The initial molecular orientation of the LC is ensured by applying orienting coatings 6 and 7 on the inner surfaces of the substrates with the electrodes. The modulator contains means for establishing the optical difference between the field-switched orientational states of the liquid crystal — for example, polarizers 8 and 9 on the outer sides of substrates 2 and 3. Between polarizers 8 and 9 and substrates 2 and 3, phase plates 10 and 11 or other optical elements can be installed to realize optimal spectral and angular characteristics of the modulator but. The interdigital electrodes 4, 4a, 5 and 5a are connected to the device 12 according to the circuits shown in Fig.2a and Fig.2b. The electric field control device 12 switches the signs of the potentials on the modulator electrodes when a voltage of logic level 0 or level 1 is applied to the TTL input (the level of logical zero corresponds to an electrical voltage in the range from 0 to 0.2 V, and to a logical unit from 2.5 to 5 B), creating respectively a normal electric field (Fig.2A) or a planar field (Fig.2b). In this case, the absolute values of the switched potentials are determined with respect to the common bus by the voltage amplitude at the input U of the control device. The potential at the input U can be arbitrary in time.

При положительной диэлектрической анизотропии ЖК его молекулы ориентируются длинными осями преимущественно вдоль поля. Следовательно, директор жидкого кристалла в нормальном поле ориентирован преимущественно гомеотропно, а в планарном поле - планарно.With positive dielectric anisotropy of the LC, its molecules are oriented by long axes mainly along the field. Therefore, the director of a liquid crystal in a normal field is oriented mainly homeotropically, and in a planar field it is planar.

При отрицательной диэлектрической анизотропии ЖК его молекулы длинными осями ориентируются перпендикулярно полю. Следовательно, директор жидкого кристалла в нормальном поле ориентирован преимущественно планарно, а в планарном поле - гомеотропно.With negative dielectric anisotropy of the LC, its molecules are oriented perpendicular to the field with long axes. Consequently, the director of a liquid crystal in a normal field is oriented mainly planarly, and in a planar field it is homeotropically oriented.

Если слой ЖК с положительной анизотропией расположить между скрещенными поляризаторами, то получится электрооптический модулятор света. В таком модуляторе различные ориентационные состояния ЖК приводят к оптически различимым состояниям всей оптической системы - светлому и темному. В состоянии с гомеотропной ориентацией директора, слой ЖК не влияет на поляризацию нормально падающего пучка света, и свет блокируется выходным поляризатором, если его ось поглощения совпадает с плоскостью поляризации света, прошедшего через первый поляризатор. Данному состоянию распределения поля директора соответствует низкий коэффициент пропускания всей оптической системы, и оно является "оптически темным". В случае планарной ориентации директора слой ЖК вносит определенную оптическую задержку между обыкновенным и необыкновенным лучами проходящего света, и свет становится в общем случае эллиптически поляризованным. Такое состояние является "оптически светлым".If the LC layer with positive anisotropy is placed between crossed polarizers, we get an electro-optical light modulator. In such a modulator, various orientational states of the LCs lead to optically distinguishable states of the entire optical system — light and dark. In the state with the director’s homeotropic orientation, the LC layer does not affect the polarization of the normally incident light beam, and the light is blocked by the output polarizer if its absorption axis coincides with the plane of polarization of the light transmitted through the first polarizer. This state of distribution of the director field corresponds to a low transmittance of the entire optical system, and it is “optically dark”. In the case of the director’s planar orientation, the LC layer introduces a certain optical delay between the ordinary and extraordinary rays of the transmitted light, and the light generally becomes elliptically polarized. This condition is “optically bright”.

Работу устройства для формирования потенциалов планарного и нормального электрического поля поясняет Фиг.3. Принцип работы устройства заключается в управлении потенциалами на четырех независимых электродах жидкокристаллической ячейки подключенных к выходам A, B, С, D. Устройство управления потенциалами состоит из линейных усилителей с инвертируемым коэффициентом усиления. Так, при единичном логическом уровне на входе TTL усилители A1, A2, A3 находятся соответственно в состояниях с коэффициентами передачи +1, -1, -1. Таким образом, потенциал φ(t) на входе U транслируется на выходы A, B, C, D, соответственно, как φ(t), φ(t), -φ(t), -φ(t). Такое распределение потенциалов приводит к планарному полю в геометрии подключения, показанной на Фиг.2б. В случае нулевого уровня на входе TTL коэффициенты передачи усилителей A1, A2, A3 соответственно равны -1, +1, +1, а потенциалы на выходах A, B, C, D соответственно равны φ(t), -φ(t), -φ(t), φ(t) и это приводит к нормальному электрическому полю, см. Фиг.2а.Figure 3 illustrates the operation of the device for forming the potentials of a planar and normal electric field. The principle of operation of the device is to control the potentials on four independent electrodes of the liquid crystal cell connected to the outputs A, B, C, D. The potential control device consists of linear amplifiers with an invertible gain. So, at a single logic level at the TTL input, amplifiers A1, A2, A3 are respectively in states with transmission coefficients +1, -1, -1. Thus, the potential φ (t) at the input U is translated to the outputs A, B, C, D, respectively, as φ (t), φ (t), -φ (t), -φ (t). Such a potential distribution leads to a planar field in the connection geometry shown in FIG. 2b. In the case of a zero level at the TTL input, the transmission coefficients of amplifiers A1, A2, A3 are respectively -1, +1, +1, and the potentials at the outputs A, B, C, D are respectively equal to φ (t), -φ (t), -φ (t), φ (t) and this leads to a normal electric field, see Fig. 2a.

Пример 1.Example 1

Слой нематического ЖК 1 помещен между двумя стеклянными подложками 2 и 3 (Фиг.1, Фиг.2а, Фиг.2б) с непрозрачными встречно-штыревыми электродами из хрома на внутренних поверхностях подложек. Электродные полосы 5 и 5а встречно-штыревой структуры на подложке 3 расположены соответственно строго над электродными полосами 4 и 4а встречно-штыревой структуры на подложке 2, и параллельны друг другу. Ширина полос встречно-штыревых электродов w=2 мкм, расстояние между полосами l=4 мкм. Площадь, занимаемая встречно-штыревыми электродами на каждой из подложек, представляет собой квадрат со стороной 2 мм. Исходная гомеотропная ориентация ЖК достигалась с помощью ориентанта фирмы Merck, нанесенного в виде тонких пленок (~50 нм) на поверхности с электродами. В качестве жидкокристаллического материала 1 использована нематическая смесь Merck MLC-6625, для которой величина оптической анизотропия Δn=0,074, величина низкочастотной диэлектрической анизотропии Δε=+5.9 и вращательная вязкость γ₁=110 мПа·с. Толщина слоя жидкого кристалла d=3 мкм. Оси пропускания скрещенных между собой поляризаторов 8 и 9 на внешних сторонах подложек 2 и 3 составляют угол 45° с направлением полос встречно-штыревой электродной системы и, следовательно, с направлением планарного электрического поля.A layer of nematic LCD 1 is placed between two glass substrates 2 and 3 (Fig. 1, Fig. 2a, Fig. 2b) with opaque chromium interdigital electrodes on the inner surfaces of the substrates. The electrode strips 5 and 5a of the interdigital structure on the substrate 3 are respectively located strictly above the electrode strips 4 and 4a of the interdigital structure on the substrate 2, and are parallel to each other. The width of the strips of the interdigital electrodes w = 2 μm, the distance between the strips l = 4 μm. The area occupied by the interdigital electrodes on each of the substrates is a square with a side of 2 mm. The initial homeotropic orientation of the LC was achieved using a Merck orientant deposited in the form of thin films (~ 50 nm) on the surface with electrodes. As the liquid crystal material 1, a Merck MLC-6625 nematic mixture was used, for which the optical anisotropy Δn = 0.074, the low-frequency dielectric anisotropy Δε = + 5.9, and the rotational viscosity γ ₁ = 110 mPa · s. The thickness of the layer of liquid crystal d = 3 microns. The transmission axes of the polarizers 8 and 9 crossed between themselves on the outer sides of the substrates 2 and 3 make an angle of 45 ° with the direction of the strips of the interdigital electrode system and, therefore, with the direction of the planar electric field.

Модулятор является "нормально темным", т.е. в выключенном состоянии не пропускает свет. В нормальном электрическом поле одинаковая разность потенциалов приложена между электродами 5 и 4, а также между электродами 5а и 4а (Фиг.2а), причем потенциалы на электродах 5 и 5а совпадают. В нормальном электрическом поле устройство не пропускает свет, так как индуцированная полем молекулярная ориентация ЖК почти совпадает с исходной гомеотропной ориентацией. Исключение составляют незначительные приэлектродные области вдоль полос, где электрическое поле неоднородно и директор ЖК несколько отклоняется от нормали. Проходящий сквозь слой ЖК свет, поляризованный линейно входным поляризатором 8, не изменяет своей поляризации. Таким образом, прошедший через слой жидкого кристалла свет блокируется выходным поляризатором 9. В планарном электрическом поле одинаковая разность потенциалов приложена между электродами 5 и 5а, и 4 и 4а (Фиг.2б), причем потенциалы на электродах 4 и 5 совпадают. В планарном электрическом поле молекулы ЖК ориентируются преимущественно планарно. Вследствие наличия оптической разности хода между обыкновенным и необыкновенным лучами устройство становится прозрачным. В идеальном случае, когда разность хода Δn·d=(m+1/2)Δλ, свет после прохождения слоя ЖК линейно поляризован вдоль направления, совпадающего с осью пропускания выходного поляризатора.The modulator is “normally dark”, i.e. in the off state does not transmit light. In a normal electric field, the same potential difference is applied between the electrodes 5 and 4, as well as between the electrodes 5a and 4a (Fig. 2a), and the potentials on the electrodes 5 and 5a coincide. In a normal electric field, the device does not transmit light, since the field-induced molecular orientation of the LC almost coincides with the initial homeotropic orientation. The exception is insignificant near-electrode regions along the bands, where the electric field is inhomogeneous and the director of the LC deviates somewhat from the normal. The light passing through the LC layer polarized linearly by the input polarizer 8 does not change its polarization. Thus, the light transmitted through the liquid crystal layer is blocked by the output polarizer 9. In a planar electric field, the same potential difference is applied between the electrodes 5 and 5a, and 4 and 4a (Fig. 2b), and the potentials on the electrodes 4 and 5 coincide. In a planar electric field, LC molecules are oriented predominantly planarly. Due to the presence of an optical path difference between the ordinary and extraordinary rays, the device becomes transparent. In the ideal case, when the path difference is Δn · d = (m + 1/2) Δλ, the light after passing through the LC layer is linearly polarized along the direction coinciding with the transmission axis of the output polarizer.

Экспериментальная осциллограмма 13 оптического отклика модулятора на импульсы, поступающие на вход TTL, а также временные зависимости потенциалов на электродах показаны на Фиг.4а. В данном примере длительность каждого управляющего TTL импульса равна 1,5 мс при частоте следования 333 Гц. Форма потенциала φ(t) имеет вид знакопеременных прямоугольных импульсов длительностью 0,25 мс с частотой 2 кГц. Смена направления электрического поля с нормального на планарное происходит в момент включения высокого уровня импульсного напряжения на входе TTL. Электрическое поле сохраняется планарным на протяжении всего интервала времени с высоким уровнем TTL импульса и переключается в нормальное поле при низком напряжении на входе TTL. Осциллограмма 13 соответствует амплитуде потенциала φ(t) по отношению к общей шине равной 11 B.The experimental waveform 13 of the optical response of the modulator to the pulses arriving at the TTL input, as well as the time dependences of the potentials on the electrodes are shown in Fig. 4a. In this example, the duration of each TTL control pulse is 1.5 ms at a repetition rate of 333 Hz. The shape of the potential φ (t) has the form of alternating rectangular pulses with a duration of 0.25 ms and a frequency of 2 kHz. The direction of the electric field changes from normal to planar at the moment of switching on a high level of pulse voltage at the TTL input. The electric field remains planar throughout the entire time interval with a high TTL pulse level and switches to the normal field at a low voltage at the TTL input. The waveform 13 corresponds to the amplitude of the potential φ (t) with respect to the common bus equal to 11 B.

На Фиг.4б показана осциллограмма электрооптического отклика 14 модулятора при управлении только планарным электрическим полем, когда темное состояние достигается благодаря свободной релаксации директора ЖК, и осциллограмма электрооптического отклика 15 при использовании режима двунаправленного переключения электрического поля. В обоих случаях на входе U устройства управления амплитуда импульсов была равна 11 B на протяжении действия высокого уровня импульса TTL. Свободная релаксация достигалась при нулевом потенциале на входе U устройства управления на промежутках времени с низким уровнем напряжения на входе TTL. При свободной релаксации директора ЖК темное состояние достигается за время ~3,5 мс. При режиме двунаправленного переключения время перехода в темное состояние равно ~0,15 мс, т.е. сокращается более чем в 20 раз. Время переключения оптического пропускания из темного в светлое состояние (нормальное электрическое поле изменяется на планарное) практически не зависит от режима управления и при напряжении U=11 B равно ~0,35 мс.Figure 4b shows the waveform of the electro-optical response 14 of the modulator when controlling only a planar electric field, when the dark state is achieved due to the free relaxation of the LCD director, and the waveform of the electro-optical response 15 when using the bi-directional switching of the electric field. In both cases, at the input U of the control device, the pulse amplitude was 11 B during the action of the high pulse level TTL. Free relaxation was achieved at zero potential at the input U of the control device at time intervals with a low voltage level at the input TTL. With free relaxation of the director of the LC, the dark state is reached in ~ 3.5 ms. In the bidirectional switching mode, the transition time to the dark state is ~ 0.15 ms, i.e. reduced by more than 20 times. The switching time of the optical transmission from dark to light (the normal electric field changes to planar) is practically independent of the control mode and at a voltage of U = 11 V is ~ 0.35 ms.

Экспериментальные осциллограммы оптического отклика модулятора в зависимости от амплитуды импульсов потенциала φ(t) частотой 2 кГц показаны на Фиг.4в. Длительность каждого переключающего TTL-импульса равна 1.5 мс при частоте следования 333 Гц. Кривая пропускания 16 соответствует управляющему напряжению 11 B на входе U, кривая 17 - 10 B, кривая 18 - 9 B, кривая 19 - 8 B, кривая 20 - 7 B, кривая 21 - 0 B.Experimental oscillograms of the optical response of the modulator depending on the amplitude of the pulses of the potential φ (t) with a frequency of 2 kHz are shown in Fig. 4c. The duration of each switching TTL pulse is 1.5 ms at a repetition rate of 333 Hz. The transmission curve 16 corresponds to a control voltage of 11 V at the input U, curve 17 - 10 V, curve 18 - 9 B, curve 19 - 8 B, curve 20 - 7 B, curve 21 - 0 B.

Фиг.5 демонстрирует пример экспериментальной зависимости времен переключения τ оптического отклика от амплитуды импульсов напряжения на входе U. Кривая 22 характеризует времена нарастания оптического пропускания от уровня 0,1 до уровня 0,9 по отношению к величине его максимального значения при включении планарного электрического поля. Кривая 23 характеризует времена спада оптического пропускания от уровня 0.9 до уровня 0.1 по отношению к величине его максимального значения при включении нормального электрического поля. При амплитуде импульсов напряжения свыше 6 В каждое из времен переключения составляет менее 1 мс, а при напряжении 11 В менее 0,4 мс. Дальнейшее уменьшение времен переключения оптического отклика может быть достигнуто при увеличении амплитуды напряжения, а также за счет уменьшения вращательной вязкости γ и изменения коэффициентов упругости ЖК.Figure 5 shows an example of the experimental dependence of the switching time τ of the optical response on the amplitude of the voltage pulses at the input U. Curve 22 characterizes the rise time of the optical transmission from level 0.1 to level 0.9 with respect to its maximum value when a planar electric field is turned on. Curve 23 characterizes the decay times of the optical transmission from the level of 0.9 to the level of 0.1 with respect to its maximum value when a normal electric field is turned on. With an amplitude of voltage pulses of more than 6 V, each switching time is less than 1 ms, and with a voltage of 11 V less than 0.4 ms. A further decrease in the switching times of the optical response can be achieved by increasing the voltage amplitude, as well as by reducing the rotational viscosity γ and changing the elastic coefficients of the LC.

Пример 2.Example 2

Слой нематического ЖК 1 помещен между двумя стеклянными подложками 2 и 3 (Фиг.2в, Фиг.2г) с непрозрачными встречно-штыревыми электродами из хрома на внутренних поверхностях подложек. Электродные полосы 5 и 5а встречно-штыревой структуры на подложке 3 и электродные полосы 4 и 4а встречно-штыревой структуры на подложке 2 ориентированы перпендикулярно друг другу. Ширина полос встречно-штыревых электродов w=2 мкм, расстояние между полосами l=4 мкм. Площадь, занимаемая встречно-штыревыми электродами на каждой из подложек, представляет собой квадрат со стороной 2 мм. Исходная гомеотропная ориентация ЖК достигалась с помощью ориентанта фирмы Merck, нанесенного в виде тонких пленок (~50 нм) на поверхности с электродами. В качестве жидкокристаллического материала 1 использована нематическая смесь Merck ZLI-1957/5, для которой величина оптической анизотропия Δn=0,1213, величина низкочастотной диэлектрической анизотропии Δε=+4.5 и вращательная вязкостьγ₁=105 мПа·с. Толщина слоя жидкого кристалла 1 равнялась d=3,2 мкм. Оси пропускания скрещенных между собой поляризаторов 8 и 9 на внешних сторонах подложек 2 и 3 составляют угол 90°. При этом на входе в ячейку направление оси пропускания поляризатора перпендикулярно направлению полос встречно-штыревой электродной системы и, следовательно, параллельно направлению планарного электрического поля вблизи поверхности этой подложки.A layer of nematic LC 1 is placed between two glass substrates 2 and 3 (Fig.2c, Fig.2d) with opaque interdigitated chromium electrodes on the inner surfaces of the substrates. The electrode strips 5 and 5a of the interdigital structure on the substrate 3 and the electrode strips 4 and 4a of the interdigital structure on the substrate 2 are oriented perpendicular to each other. The width of the strips of the interdigital electrodes w = 2 μm, the distance between the strips l = 4 μm. The area occupied by the interdigital electrodes on each of the substrates is a square with a side of 2 mm. The initial homeotropic orientation of the LC was achieved using a Merck orientant deposited in the form of thin films (~ 50 nm) on the surface with electrodes. As the liquid crystal material 1, the Merck ZLI-1957/5 nematic mixture was used, for which the optical anisotropy Δn = 0.1213, the low-frequency dielectric anisotropy Δε = + 4.5, and the rotational viscosity γ ₁ = 105 mPa · s. The thickness of the layer of liquid crystal 1 was d = 3.2 μm. The transmission axes of the polarizers 8 and 9 crossed between themselves on the outer sides of the substrates 2 and 3 make an angle of 90 °. In this case, at the entrance to the cell, the direction of the transmission axis of the polarizer is perpendicular to the direction of the strips of the interdigital electrode system and, therefore, parallel to the direction of the planar electric field near the surface of this substrate.

В выключенном состоянии модулятор не пропускает свет, модулятор является "нормально темным". Когда одинаковая разность потенциалов приложена между электродами 5 и 4, а также между электродами 5а и 4а, причем потенциалы на электродах 5 и 5а, а также между электродами 4 и 4а, совпадают, между подложками 2 и 3 устанавливается нормальное электрическое поле. В этом случае устройство также не пропускает свет, так как индуцированная электрическим полем молекулярная ориентация ЖК совпадает с исходной гомеотропной ориентацией и проходящий сквозь слой ЖК свет, поляризованный линейно входным поляризатором 8, не изменяет своей поляризации и блокируется выходным поляризатором 9.In the off state, the modulator does not transmit light; the modulator is “normally dark”. When the same potential difference is applied between the electrodes 5 and 4, as well as between the electrodes 5a and 4a, and the potentials on the electrodes 5 and 5a, as well as between the electrodes 4 and 4a, coincide, a normal electric field is established between the substrates 2 and 3. In this case, the device also does not transmit light, since the molecular orientation of the LC induced by the electric field coincides with the initial homeotropic orientation and the light passing through the LC layer polarized linearly by the input polarizer 8 does not change its polarization and is blocked by the output polarizer 9.

Когда одинаковая разность потенциалов приложена между электродами 5 и 5а, а также между электродами 4 и 4а, причем потенциалы на электродах 4 и 5 совпадают, на поверхностях подложек 2 и 3 реализуются планарные электрические поля. При этом направления электрических полей вблизи поверхностей подложек 2 и 3 взаимно перпендикулярны. Молекулы ЖК с положительной диэлектрической анизотропией на поверхностях подложек ориентируются вдоль электрического поля, вследствие чего в объеме жидкокристаллического слоя вдоль направления распространения света устанавливается закрученная на 90° молекулярная структура (твист-ориентация). Направление поляризации проходящего сквозь слой жидкого кристалла света испытывает поворот на 90° и не блокируется выходным поляризатором 9.When the same potential difference is applied between the electrodes 5 and 5a, as well as between the electrodes 4 and 4a, and the potentials on the electrodes 4 and 5 coincide, planar electric fields are realized on the surfaces of the substrates 2 and 3. In this case, the directions of the electric fields near the surfaces of the substrates 2 and 3 are mutually perpendicular. LC molecules with positive dielectric anisotropy on the surfaces of the substrates are oriented along the electric field, as a result of which a molecular structure twisted by 90 ° (twist orientation) is established in the bulk of the liquid crystal layer along the direction of light propagation. The polarization direction of the light passing through the liquid crystal layer is rotated 90 ° and is not blocked by the output polarizer 9.

Экспериментальные осциллограммы 24-30 оптического отклика модулятора, управляемого TTL импульсами 31, в зависимости от амплитуды напряжения на входе U показаны на Фиг.6. Длительность управляющего импульса равна 3 мс при частоте следования 166 Гц. Форма напряжения на входе U (потенциал φ(t)) представлена знакопеременными прямоугольными импульсами длительностью 0,5 мс с частотой 2 кГц. Смена направления электрического поля с нормального на планарное направление происходит в момент включения высокого уровня импульсного напряжения на входе TTL. В момент включения низкого уровня напряжения на входе TTL нормальное направление электрического поля меняется на планарное. Кривая пропускания 24 соответствует напряжению 11 B, кривая 25 - 10 B, кривая 26 - 9 B, кривая 27 - 8 B, кривая 28 - 7 B, кривая 29 - 6 B и кривая 30 - 0 B.Experimental waveforms 24-30 of the optical response of the modulator, controlled by TTL pulses 31, depending on the amplitude of the voltage at the input U are shown in Fig.6. The duration of the control pulse is 3 ms at a repetition rate of 166 Hz. The voltage shape at the input U (potential φ (t)) is represented by alternating rectangular pulses with a duration of 0.5 ms and a frequency of 2 kHz. The change in the direction of the electric field from normal to planar direction occurs at the moment of switching on a high level of pulse voltage at the input of TTL. When the low voltage level at the TTL input is turned on, the normal direction of the electric field changes to planar. Transmission curve 24 corresponds to a voltage of 11 V, curve 25 to 10 V, curve 26 to 9 B, curve 27 to 8 B, curve 28 to 7 B, curve 29 to 6 B, and curve 30 to 0 B.

Фиг.7 демонстрирует экспериментальную зависимость времен переключения τ оптического отклика от амплитуды импульсов напряжения входе U. Кривая 33 показывает времена нарастания оптического пропускания от уровня 0,1 до уровня 0,9 по отношению к величине его максимального значения при включении планарного электрического поля. Кривая 34 характеризует времена спада оптического пропускания от уровня 0,9 до уровня 0,1 по отношению к величине его максимального значения при включении нормального электрического поля. При амплитуде импульсов планарного поля ~7 B и выше время переключения оптического пропускания в прозрачное состояние составляет менее 1 мс, а время переключения в темное состояние составляет менее 0,25 мс.Figure 7 shows the experimental dependence of the switching times τ of the optical response on the amplitude of the voltage pulses of the input U. Curve 33 shows the rise times of the optical transmittance from 0.1 to 0.9 with respect to its maximum value when a planar electric field is turned on. Curve 34 characterizes the decay times of optical transmission from a level of 0.9 to a level of 0.1 with respect to its maximum value when a normal electric field is turned on. When the amplitude of the planar field pulses is ~ 7 V and higher, the time for switching the optical transmission to the transparent state is less than 1 ms, and the time for switching to the dark state is less than 0.25 ms.

На Фиг.8 показаны осциллограмма 35 электрооптического отклика при управлении модулятором только планарным полем (соответственно напряжение на входе U равно 11 B на временном интервале действия TTL импульса и 0 B при низком уровне напряжения на TTL входе). Кривая отклика 36 соответствует режиму двунаправленного переключения поля (амплитуда напряжения на входе U равна 11 B как для высокого, так и для низкого уровня сигнала на TTL входе). Когда темное состояние достигается благодаря свободной релаксации директора ЖК (кривая 35), время переключения составляет около 2,5 мс. Это время является близким к времени выключения твист-эффекта для данного жидкокристаллического материала и данной толщины слоя жидкого кристалла. При управлении модулятором планарным и нормальным полями (двунаправленное управление) время переключения в темное состояние сокращается более чем на порядок величины и составляет около 0,15 мс. Время переключения из темного состояния в светлое практически не зависит от режима управления и при напряжении U=11 B составляет 0,55 мс.Figure 8 shows the waveform of the electro-optical response 35 when the modulator controls only the planar field (respectively, the voltage at the input U is 11 V in the time interval of the TTL pulse and 0 V at a low voltage level at the TTL input). The response curve 36 corresponds to the bi-directional field switching mode (the voltage amplitude at the input U is 11 B for both high and low signal level at the TTL input). When the dark state is achieved due to the free relaxation of the director of the LC (curve 35), the switching time is about 2.5 ms. This time is close to the turn off time of the twist effect for a given liquid crystal material and a given liquid crystal layer thickness. When controlling the modulator with planar and normal fields (bidirectional control), the time to switch to the dark state is reduced by more than an order of magnitude and is about 0.15 ms. The switching time from dark to light is practically independent of the control mode and at a voltage of U = 11 V is 0.55 ms.

Claims

1. The method of controlling the amplitude and direction of the electric field in the liquid crystal layer, characterized in that they use a system of at least four planar interdigital electrodes located on the inner surfaces of the substrates on both sides of the liquid crystal layer, the sign of the potential being arbitrary in time form switch on the electrodes using an analog-digital device, providing at certain points in time the planar and normal direction of the electric field of a given amplitude.

2. A device for controlling the amplitude and direction of the electric field in the liquid crystal layer, containing inputs U, TTL and outputs A, B, C, D, in which the arbitrary-time potential φ (t) set at the input U is switched at outputs A, B, C, D, which are connected to the respective four electrodes of the liquid crystal cell, by changing the logical state (0 or 1) at the TTL input in accordance with the following state table:
Inputs Outputs TTL U BUT AT FROM D 0 φ (t) φ (t) -φ (t) -φ (t) φ (t) one φ (t) φ (t) φ (t) -φ (t) -φ (t)

3. A liquid crystal light modulator containing a layer of liquid crystal between substrates with planar electrode systems and orienting films on their inner surfaces and having means for distinguishing between switched states of transmitted light, characterized in that the switching of liquid crystal states is realized as a result of a change in amplitude and direction electric field in the liquid crystal layer, defined by the distribution of potentials on planar electrodes.

4. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that to control the amplitude and direction of the electric field in the liquid crystal layer, a system of at least four planar electrodes located on the inner surfaces of the substrates on both sides of the liquid crystal layer is used, wherein the sign of the potential is arbitrary in time, the forms are switched on the electrodes using an analog-digital device, providing at certain points in time the planar and normal direction of the electric field is given th amplitude.

5. The liquid crystal modulator according to claim 3, in which the device according to claim 2 is used to control the amplitude and direction of the electric field.

6. The liquid crystal modulator according to claim 3, wherein the electrodes are transparent in at least one of the substrates in the visible wavelength range.

7. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that the electrodes are opaque in at least one of the substrates in the visible wavelength range.

8. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that the electrode strips located on opposite substrates of the liquid crystal cell are oriented relative to each other at any angle from 0 ° to 90 °.

9. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that the optical circuit contains at least one phase plate.

10. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that a mirror layer is deposited on one of the substrates.

11. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that a nematic liquid crystal with positive dielectric anisotropy is used as a liquid crystal.

12. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that a nematic liquid crystal with negative dielectric anisotropy is used as a liquid crystal.

13. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that a liquid crystal in the smectic phase is used as the liquid crystal.

14. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that a liquid crystal containing at least one dichroic dye with positive or negative dichroism is used as a liquid crystal.

15. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that a liquid crystal containing at least one luminescent dichroic dye with positive or negative dichroism is used as a liquid crystal.

16. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that, at least on one of the substrates, the orientation of the liquid crystal is homeotropic.

17. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that the orientation of the liquid crystal is planar on at least one of the substrates.

18. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that the orientation of the liquid crystal on the first substrate is planar, and on the second substrate the orientation of the liquid crystal is homeotropic.

19. The liquid crystal modulator according to claim 3, characterized in that at least on one of the substrates the orientation of the liquid crystal is random.

20. A liquid crystal display, characterized in that the individual pixels of the active liquid crystal matrix are implemented as liquid crystal light modulators according to claim 3.