[发明专利]光学器件

说明书

本发明涉及光子学的领域。实施方案涉及使用具有近晶A特性的液晶材料的光学器件，如显示器、用于实现光的透射的板或振幅型空间光调制器。实施方案涉及一种操作这样的光学器件的方法。

实施方案涉及光学器件，其中通过SmA动态散射过程产生无序态且通过介电重取向引起清晰的(clear)均匀态。这样的光学器件可以用于提供变化量的光透射-局部地，如在“像素”中或遍及整个器件而无需光偏振镜。

液晶具有趋于自行有序而不会凝固的分子且因而获得晶体属性，即使它们仍然流动且可以填充容器。液晶的各相广义上是状态的概括序列，使得这样的分子流体可以从成为各向同性的液体一直流过，直至其凝固为固体。通常这样的分子将以强的各向异性为典型特征。此各向异性所采用的形式可以被考虑，其中分子以高的长宽比（比宽长得多，因而是“棒”或“板条”状）为典型特征，且可以具有偶极特征和各向异性可极化性。在这些情形中，分子取向的平均方向被称为“导向器（director）”。

向列相液晶以最常见的液晶材料为典型特征且通常用在液晶平面屏幕器件和平板显示器中。延伸向列相介晶的长度或其他结构变化通常使它们在低于向列相冷却且在凝固之前时显示另外的相，且在较低的温度下，典型的特征可以是“层状流体”。这样的层状液晶被称为“近晶”液晶。本文中我们将仅考虑通常称为“近晶A”（缩写为“SmA”）液晶的材料。例如，原型“5CB”（4’-戊基-4-联苯基腈），“5OCB”（是醚键合的戊基，4’-（戊氧基）-4-联苯基腈）是向列相，“8CB”（4’-辛基-4-联苯基腈）和“8OCB”（4’-（辛氧基）-4-联苯基腈），每个在较高温度的向列相之下都呈现SmA相，在缩写“mCB”和“mOCB”中，m代表整数且分别指代4-氰基-4’-正烷基联苯基和4-氰基-4’-正烷氧基联苯基中的烷基或烷氧基链上的碳原子数；例如：

8CB=4-氰基-4’-辛基联苯基；和

8OCB=4-氰基-4’-辛氧基联苯基。

形成SmA相的分子具有类似于形成向列相的那些分子的特性。它们是棒状的且通常具有正介电各向异性。为了引入负介电各向异性而引入强的横向偶极往往会使SmA相不稳定且可能会导致化学不稳定性增加。

近晶液晶在它们的转换中呈现滞后，使得介电重取向（或近晶结构的其他扰乱）在去除所施加的电场后并不弛豫。与大多数向列液晶结构不同，介电重取向的SmA液晶保持在驱动态，直至施加另外的力。

通过采用平面的片材，如玻璃并向这些片材应用透明的(transparent)导电层（通常由铟锡氧化物制成）可以形成板，导电层连接至导体，使得可以施加可变场。这两个片材可以被形成为板，如通过具有均匀直径（通常，如5-15微米，这取决于期望的晶胞厚度）的珠分隔。此板随后被用胶封边，允许一个或多个孔便于由液晶材料填充。

使用这种晶胞，SmA液晶层可以通过填充板来形成（通常在超过材料的各向同性转换的高温下）。与其中晶胞的均匀对齐是必要的向列设备不同，在本文所讨论的SmA设备中不对齐的层是所希望的。在填充这种SmA板并将这种SmA板从室温热循环到超过各向同性转换且再返回时，液晶将显示织构（texture），该织构对相来说是典型的。同时，没有表面对齐的向列可以出现在众所周知的纹影织构中，其中线背离或“穿过”散射光，由于SmA材料的层状结构，在SmA中形成“焦点圆锥曲线”织构。在折射率中存在急剧的空间变化，这导致光散射。这些织构的出现由折射率的各向异性产生，当光正交到达平均分子方向的更可极化的轴时，其是最高的。折射指数中的变化引起光散射。当在交叉的偏振镜之间观察（显微镜下）时，还可以观察到不同分子取向的区域之间的对比。

为了电寻址SmA液晶面板，通常应用交流（AC）场。在没掺杂的材料中，LC的正介电各向异性将引起最初随机对齐的多域的重排，以使介晶（mesogen）与场方向对齐（垂直于玻璃表面）。由于各向异性的分子的平均取向垂直于玻璃层，面板将显得清晰。对于大多数未掺杂的SmA材料来说，这种情况可仅仅通过加热晶胞以破坏SmA对齐而可逆。

如果合适的离子掺杂剂溶解在SmA液晶主机中，则在DC或低频（例如<200Hz）电场的影响下，两种正交力试图使近晶A导向器定向：

i)如上文所描述的电介质重取向试图在场方向中对准(align)SmA导向器(指示长分子轴的平均方向)。

ii）同时，离子通过SmA电解质的运动试图在离子发现其更易于行进的方向中对准近晶A导向器。