жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света на основе фуллеренсодержащих пиридиновых структур для дисплейной и телевизионной техники

Формула изобретения

Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света на основе фуллеренсодержащих пиридиновых структур для дисплейной и телевизионной техники, содержащий нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей электрооптической среды, нефоточувствительный полиимид в качестве ориентирующего покрытия, отличающийся тем, что электрооптическая среда выполнена в виде тонких пленок нематического жидкого кристалла, сенсибилизированного смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда пиридиновая молекула - фуллерен.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптического приборостроения, полезно для решения задач дисплейной и телевизионной техники. Устройство представляет собой многослойную электрооптическую структуру, состоящую из пленки нематического жидкого кристалла (НЖК), сенсибилизированного фоточувствительным комплексом с переносом заряда на основе системы: фоточувствительная пиридиновая структура-фуллерен. Для ориентации молекул ЖК используется ориентирующее покрытие на основе пленок нефоточувствительного полиимида. При функционировании данного устройства предлагается использовать импульсный режим питания и постоянный режим засветки. Технический результат - улучшение времен переключения. Табл.1.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструкции электроуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС) для систем переключения потоков излучения, например для дисплейной, телевизионной, медицинской, лазерной техники.

Модулятор является ключевым элементом схем регистрации, отображения и переключения оптической информации, выполняющих операции в реальном масштабе времени [1]. В нем происходит перераспределение потоков излучения за счет изменения двулучепреломления ЖК, вызванного изменением ориентации жидкокристаллических молекул на границе раздела: твердая ориентирующая пленка - сенсибилизированный ЖК-слой при включении электрического поля. Характеристики ЖК-ПВМС определяются спектральными параметрами сенсибилизированного ЖК-слоя, согласованием показателей преломления ЖК и сенсибилизирующей компоненты, типом электрооптического эффекта в ЖК, природой ориентирующего покрытия, условиями согласования режимов питания и режимов засветки, др. аспектами.

Известна конструкция электроуправляемого нематического ЖК-ПВМС, выбранная в качестве аналога [2], содержащего электрооптическую компоненту на основе полимердиспергированного ЖК, сенсибилизированного смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура-фуллерен и нефоточувствительный полиимид в качестве ориентирующего слоя. Среди широкого класса электроуправляемых ЖК-ПВМС полимер-диспергированные жидкокристаллические (ПДЖК) модуляторы занимают особое место. Здесь важной особенностью ЖК является наличие слабых дисперсионных сил между молекулами и высокая ориентирующая способность, которая используется при создании композитных материалов. ЖК, ориентируя взвешенные в них частицы, действуют как молекулярные матрицы, легко управляемые внешним полем. Частицы становятся чувствительными к действию внешнего поля и в результате меняется ориентация самой жидкокристаллической матрицы. Внешние поля действуют как на объем ЖК, так и на ориентирующую его поверхность (а, следовательно, и на близлежащие молекулы ЖК). Таким образом, электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, или протекающий через среду электрический ток способны переориентировать молекулы ЖК. Кроме того, полимердиспергированные ЖК-ПВМС уникальны по причине возможности сочетания в одном слое параметров электрооптической ЖК-компоненты и фоточувствительности и пластичности полимерной основы [3].

Однако быстродействие нематических ПДЖК хуже, чем, например, смектических ЖК.

Недостатком известной конструкции модулятора является низкое быстродействие.

Известная разработка ПДЖК-модулятора на основе полимердиспергированного ЖК, сенсибилизированного смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура-фуллерен имеет следующее быстродействие: 5 мс при включении электрооптического отклика и 10 мс при выключении (релаксации системы в исходное состояние) при условии работы прибора в импульсном режиме питания при постоянной засветке излучением He-Ne-лазера. На том же устройстве, оптимизируя амплитуду импульса питания, авторы публикации [2] получили быстродействие 3.5 мс по включению и 4-5 мс по выключению.

Известна конструкция ПДЖК-модулятора, выбранная в качестве прототипа, содержащего в качестве электрооптического слоя полимердиспергированный нематический ЖК, сенсибилизированный смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура-фуллерен и в качестве ориентирующего слоя - нефоточувствительный полиимид [4]. Прибор работал в режиме постоянной засветки при импульсном напряжении питания и показал быстродействие: 2.5 мс - время включения и 4 мс - время выключения. Некоторое снижение времен переключения было связано с преимущественным использованием анизотропных молекул фуллеренов С ₇₀, а не С₆₀. В эксперименте авторов публикации [4] исследовались времена нарастания электрооптического отклика по первой осцилляции пропускания, четко фиксировался переход в соседнее экстремальное положение на S-кривой, что соответствовало изменению фазовой задержки на . Недостатком данной конструкции модулятора явилось недостаточное быстродействие, что затрудняет применение этого устройства в быстродействующих телевизионных, дисплейных, голографических, корреляционных лазерных системах.

Техническим результатом изобретения является дальнейшее повышение быстродействия ПДЖК-модулятора.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве, конструкция которого включает в качестве электрооптического слоя полимердиспергированный нематический ЖК слой, сенсибилизированный смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура-фуллерен и в качестве ориентирующего слоя - нефоточувствительный полиимид, используют полимердиспергированный нематический ЖК слой, сенсибилизированный смесью: пиридиновая структура-фуллерен. Замена трехкомпонентной сенсибилизирующей фуллеренсодержащей добавки к ЖК-слою на двухкомпонентный фуллеренсодержащий сенсибилизирующий состав создает условия для ускоренного процесса комплексообразования между донорной частью пиридиновой молекулы и фуллереном, энергия сродства к электрону которого, 2.65 эВ, в 4 раза превышает энергию сродства к электрону внутримолекулярного акцепторного фрагмента пиридиновой молекулы, дипольный момент образующегося комплекса с переносом заряда в 2 раза выше, чем у отдельно взятых компонент [5], а локальная поляризация единицы объема фуллеренсодержащей среды на порядок превосходит таковую для чистого НЖК [6]. Эти факторы позволяют более эффективно проводить переориентацию молекул ЖК при включении электрического поля, существенно увеличивая быстродействие (см. таблицу). При работе предлагаемой конструкции ПДЖК использовалось импульсное напряжение питания и непрерывный режим засветки.

Таблица 1
Модулятор	Амплитуда импульса питания, В	Длительность импульса питания, мс	Частота следования импульса питания, Гц	Разрешающая способность, лин/мм	Время включения, мс	Время выключения, мс
Прототип	50-55	30	0.5	100	2.5	4
Предлагаемое устройство	50-55	30	0.5	100	0.1	0.3-0.5

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ПДЖК-модулятор отличается тем, что для повышения быстродействия электрооптического слоя используется электрооптический слой другого состава: НЖК, сенсибилизированный смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда пиридиновая молекула-фуллерен. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены конструкция модулятора (фиг.1а, б), и схемой измерения временных характеристик (фиг.2).

Предлагаемый ПДЖК-модулятор (фиг.1) представляет собой многослойную систему (фиг.1а), состоящую из слоя полимердиспергированного нематического жидкого кристалла (1) толщиной 10 мкм и ориентирующего полиимидного слоя (2) толщиной 1 мкм. Толщина ЖК слоя задавалась тефлоновыми прокладками (5). Структура заключалась между двумя стеклянными подложками (3) диаметром 35 мм с прозрачньми проводящими покрытиями (4), полученными методом вакуумного напыления окиси индия с добавкой окиси олова. Начальная ориентация ЖК - планарная, использовался S-эффект.

Измерения временных характеристик ПДЖК-модулятора проводилось по схеме, показанной на фиг.2, где представлен He-Ne-лазер (L), поляризатор (Р), делительная пластина (LD) колода с фильтрами (LF) для варьирования мощностью излучения, для отвода излучения на фотодиоды (РМ1 и РМ2), анализатора (А), ПДЖК (LC).

ПДЖК модулятор работал следующим образом.

Непрерывное излучение He-Ne-лазера попадало в спектральную область функционирования нематического ЖК с введенным комплексом с переносом заряда: пиридиновая молекула-фуллерен. Сдвиг в сторону красных длин волн, включая длину волны He-Ne-лазера, 633 нм, в спектрах поглощения пиридиновой системы при введении фуллеренов был впервые изучен и показан в публикации [7]. Диаметр пятна на ПДЖК-модуляторе составлял 3 мм, что существенно превосходило размер неоднородностей в ПДЖК-слое (размер последних составлял около 200 нм). Максимальная мощность облучения составляла 10 мВт. Модулятор работал в режиме «на просвет». Для питания модулятора использовалось импульсное напряжение питания с параметрами импульса: амплитуда (А) 10-60 В, длительностью ( _пит) от 5 до 90 мс и частотой следования (1/Т) от 0.5 до 2000 Гц.

Электрооптический отклик регистрировался после анализатора, стоящего за ПДЖК-модулятором, с помощью фотодиода (РМ2) и записывался на осциллографе С8-17 в ждущем режиме. Время включения определялось как время нарастания электрооптического отклика от уровня 0.1 до уровня 0.9 его максимального значения. Время выключения определялось как время затухания электрооптического отклика от его максимального значения до уровня 0.1.

Использование в качестве электрооптического слоя НЖК, сенсибилизированного смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда пиридиновая молекула-фуллерен, позволило на порядок увеличить быстродействие модулятора. Улучшенное быстродействие устройства, являющееся необходимым условием его применения в скоростных дисплейных и телевизионных системах, а также в лазерной технике, позволили сократить времена включения и выключения с 2.5 и 4 мс [4] до 0.1 и 0.3-0.5 мс, то есть, более чем в 10 раз. Указанное функциональное совершенствование прибора позволит расширить область применения электрооптических ПДЖК-модуляторов света.

Источники информации

1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света, - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.

2. Каманина Н.В., Капорский Л.Н. Влияние фуллеренов на динамические характеристики жидкокристаллических систем. Письма в ЖТФ, т.26, №19, с.30-38, 2000.

3. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО "Наука", 1994. 214 с.

4. Каманина Н.В., Ракчеева Л.П. Перспективы использования фуллеренов для ориентации жидкокристаллических композиций, Письма в ЖТФ, т.28, №11, с.28-36, 2002.

5. Каманина Н.В., Шека Е.Ф. Ограничители лазерного излучения и дифракционные элементы на основе системы COANP-фуллерен: нелинейно-оптические свойства и квантово-химическое моделирование. Оптика и спектроскопия, т.96, №4, с.659-673, 2004.

6. Каманина Н.В. Фуллеренсодержащие диспергированные нематические жидкокристаллические структуры: динамические характеристики и процессы самоорганизации, Успехи физических наук, т.175, №4, с.445-454, 2005.

7. N.Kamanina N., Barrientos A., Leyderman A., Cui Y., Vikhnin V. and Vlasse M., "Effect of fullerene doping on the absorption edge shift in COANP", Molecular Materials, v.13, №.1-4, p.275-280, 2000.