ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ЗАТВОРА НА π-ЯЧЕЙКЕ
РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 535.361; 610.849.19; 618.723
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ЗАТВОРА
НА π-ЯЧЕЙКЕ
© 2013 г. Г. В. Симоненко*, доктор физ.-мат.наук, С. А. Студенцов**, В. А. Ежов***, канд. техн. наук
* ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов ** ООО НПП«Фотон», Саратов *** ФГБУН Институт общей физики им. A. M. Прохорова РАН, Москва
E-mail: simonenko@optics.sgu.ru
Методом компьютерного моделирования определены условия для оптимальной конструкции оптического затвора, использующего π-ячейку.
Ключевые слова: оптические характеристики, ЖК-затвор, моделирование.
Коды OSIC: 160.3710, 230.3720.
Поступила в редакцию 10.01.2013
Введение
Известно, что хорошими оптическими характеристиками обладает жидкокристаллический затвор, состоящий из двух одинаковых π-ячеек с взаимно перпендикулярным расположением молекул жидких кристаллов (ЖК) на смежных поверхностях и помещенный между двумя скрещенными поляризаторами [1–5]. Такая конструкция позволяет получить при электронном управлении ориентацией ЖК-молекул одинаковые времена реакции и релаксации оптического пропускания ЖК-затвора, определяемые только временами реакции ячеек, составляющих устройство.
Однако наличие воздушного промежутка (в зазоре между подложками двух ячеек) в ЖКзатворе приводит к ухудшению его оптических характеристик. Введение в зазор между ячейками иммерсионного материала или оптического клея вносит дополнительные технологические и эксплуатационные трудности. В частности, при больших размерах дисплеев для проекционных систем и телевизионных экранов в процессе неизбежных при работе температурных перепадов деформируется и разрушается либо периферический герметик ЖК-ячейки, либо используемый в иммерсионном зазоре материал. Ранее выполненные исследования оптических харак-
теристик ЖК-затвора, работающего на основе π-ячеек, таких как контраст и пропускание устройства, показали, что эти характеристики сильно зависят от его реальной конструкции [3]. В [2] воздушный промежуток между двумя ЖКячейками отсутствует благодаря использованию двухсторонней (с прозрачными электродами на обеих сторонах) подложки в качестве средней общей подложки для обеих ЖК-ячеек.
В связи с этим нами проведено теоретическое исследование оптических характеристик ЖК-затвора, работающего на основе как двойных, так и одинарных π-ячеек, с целью выявления основных причин, которые ограничивают максимально достижимые значения контраста и пропускания. При исследовании оптических характеристик ЖК-затвора мы применили метод компьютерного моделирования. Для этой цели использовался пакет прикладных программ “Электрооптика-2М” [6]. Программные средства включают в себя программы расчета распределений углов ориентации директора по толщине слоя ЖК в электрическом поле и оптических характеристик таких устройств.
Для адекватного описания характеристик ЖКзатвора с целью выбора оптимальной конструкции удобно использовать следующий набор электрооптических и оптических характеристик [7]:
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013
17
– среднее по спектру или для определенных длин волн отражение (пропускание) ЖКдисплея;
– спектральные характеристики; – средний по спектру контраст изображения или контраст для определенных длин волн; – индикатриса среднего (или на определенной длине волны) контраста изображения. В наших исследованиях в качестве основных характеристик были выбраны среднее по спектру пропускание ЖК-затвора в состоянии «выключено» (максимальное пропускание при минимуме управляющего напряжения в скрещенных поляризаторах) и средний по спектру контраст изображения. Кроме этого, для более полного исследования дополнительно рассматривались зависимости среднего по спектру пропускания от управляющего напряжения и зависимости пропускания на длинах волн 450, 550 и 650 нм от управляющего напряжения, а также угловые индикатрисы среднего по спектру контраста. В статье представлены результаты компьютерного моделирования оптических характеристик ЖК-затвора, позволяющие выяснить основные факторы, ограничивающие максимально достижимые значения контраста и пропускания.
Теоретический предел максимального контраста ЖК-затвора на основе π-ячеек
В условиях идеальной фазовой компенсации (при взаимной компенсации двух ЖК-ячеек, составляющих ЖК-затвор, или при использовании одиночной ЖК-ячейки с фазовым компенсатором) одним из главных факторов, определяющих контрастное отношение, являются характеристики используемых поляроидов [2]. Так, например, ЖК-затвор с поляризаторами NPF-F-1200DU имеет средний по спектру контраст изображения равный 16, в то время как поляроиды NPF-F-1229DU обеспечивают контраст 26. При этом максимальное пропускание для обоих поляризаторов превышает 35%.
Одним из путей повышения контрастного отношения при использовании поляризаторов с относительно невысокой степенью поляризации является применение дублированных поляроидов, которое состоит в том, что вместо одного входного поляроида и одного выходного поляроида используются два входных и два выходных. Оси наибольшего пропускания поля-
18
роидов, составляющих соответствующую пару (входную или выходную), параллельны друг другу. Максимальное контрастное отношение для случая двух дублированных поляроидов Kmax" соотносится с максимальным контрастным отношением в случае двух обычных поляроидов (Kmax) следующим образом [3]
Kmax" = 2Kmax2.
Следовательно, использование дублированных поляроидов позволяет резко увеличить контрастное отношение (этот вывод справедлив только для случая идеальной или почти идеальной компенсации). Одним из недостатков такого метода повышения контраста является несколько меньшее значение среднего пропускания.
Выше рассматривался идеализированный случай полной фазовой компенсации. В реальных приборах условия полной фазовой компенсации нарушаются вследствие следующих причин:
– технологического разброса толщин слоя ЖК и фазового компенсатора;
– потерь на отражение и многократного отражения.
Технологический разброс толщин ЖК-слоя и фазового компенсатора приводит к отклонению их значений от оптимальных. Как уже отмечалось, полная компенсация достигается при равенстве толщин основной и компенсирующей ячеек, а с увеличением рассогласования толщин контраст должен падать. Расчеты показывают [3], что рассогласование толщин на 30% уже приводит к резкому спаду контраста изображения. Аналогичные результаты в отношении этого фактора следует ожидать и в случае, когда в качестве компенсатора используется полимерная пленка.
Большое влияние на оптические характеристики ЖК-затвора оказывают тонкие слои ориентанта и прозрачного электрода в ЖКячейках, физические параметры которых должны быть оптимизированными [3]. В табл. 1 приведены рассчитанные значения контрастного отношения для устройства с компенсирующей ЖК-ячейкой для систем электрод–ориентант, характеризующихся разной степенью потерь на отражение. В первом случае эта система не оптимизирована: полные потери на отражение составляют около 19%. Во втором случае система электрод–ориентант оптимизирована: потери на отражение – меньше 3%. Как видно
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013
Таблица 1. Зависимость оптических характеристик ЖК-затвора на двойной π-ячейке от параметров электродного и ориентирующего слоев
Слой
1-й пассивирующий слой
Электродный слой
2-й пассивирующий слой
Ориентирующий слой
Реальное устройство с неоптимальными параметрами ориентирующего и электродного слоев
Толщина 0,11 мкм, показатель преломления 1,45
Толщина 0,06 мкм, показатель преломления 2
Толщина 0,05 мкм, показатель преломления 1,45
Толщина 0,02 мкм, показатель преломления 1,4
Гипотетическое устройство с оптимальными параметрами ориентирующего и электродного слоев
Толщина 0,11 мкм, показатель преломления 1,45
Толщина 0,02 мкм, показатель преломления 2
Толщина 0,05 мкм, показатель преломления 1,45
Толщина 0,06 мкм, показатель преломления 1,75
Δn (λ = 550 нм)
Контрастное отношение
0,05 0,1 0,2 0,05 0,1 0,2
895
235
67
146 000
37 800
10 000
из таблицы, качество системы электрод–ориентант оказывает очень сильное влияние на контрастное отношение. Контрастное отношение на несколько порядков выше для устройства с указанной оптимизированной системой.
Причина малого контраста при больших потерях на отражение – появление многократно отраженных волн, рассогласованных по фазе с основными интерферирующими волнами и не удовлетворяющих условию интерференционного минимума: двукратно отраженные волны имеют фазовый сдвиг 3γLC,, четырехкратно отраженные – 5γLC. Здесь оптическая длина пути γLC равна γLC = ΔnL; где Δn и L – оптическая анизотропия и толщина рабочей π-ячейки соответственно. Поэтому в компенсированном состоянии пропускание резко увеличивается. Эффект рассогласования может быть уменьшен путем уменьшения величины γLC. Этого можно добиться, увеличивая рабочее напряжение, уменьшая толщину слоя ЖК, используя ЖК с малой анизотропией. В табл. 1 приведены значения контрастного отношения при различных значениях анизотропии Δn ЖК-слоя (Δn=ne – no, где ne и no – показатели преломления ЖК-слоя для необыкновенного и обыкновенного лучей соответственно). Как видно из таблицы, двукратное уменьшение Δn увеличивает контрастное отношение приблизительно в 3,8 раза. Поскольку потери на отражение от системы электрод–ориентант в ЖК-ячейках невозможно устранить принципиально, то идеальная компенсация недостижима, что ограничивает максимально возможные значения контраста и пропускания. Оптимизацией физических параметров данной системы можно достичь наилучших оптиче-
ских характеристик ЖК-затвора. Важно, что в соответствии с приведенными данными вид ЖК-структуры, используемой в π-ячейке, не влияет на рассмотренное принципиальное ограничение контраста изображения.
В следующем разделе рассмотрен вопрос о выборе оптимальной ориентационной структуры ЖК-слоя и оптимальных конструктивных параметрах ЖК-затвора на основе этой структуры.
Влияние конструктивных параметров ЖК-затвора на его оптические характеристики
Как известно [8], существует большое число конструктивно-технологических параметров ЖК-затвора, которые определяют его электрооптические и оптические характеристики. Мы рассмотрели влияние конструктивных (угла закрутки структуры ЖК (ΦТ), толщины слоя ЖК, отношения L/p, где p – шаг спирали закрученной структуры ЖК) и физических (оптической анизотропии ∆n ЖК-слоя) параметров ЖКзатвора на его оптические характеристики.
В связи с этим рассмотрены следующие варианты конструкции ЖК-затвора:
– одинарная π-ячейка с малым углом закрутки; –двойная π-ячейка с малым углом закрутки при перпендикулярном расположении ЖКячеек; – π-ячейка с большим углом закрутки; – двойная π-ячейка с большим углом закрутки при перпендикулярном расположении ЖКячеек.
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013
19
Таблица 2. Оптические характеристики ЖК-затвора различных конструкций
Характеристика
Максимальное среднее по спектру пропускание, % Средний по спектру контраст изображения
Одинарная π-ячейка без
закрутки
32
50
Тип ячейки
Двойная
π-ячейка без закрутки
Одинарная
π-ячейка с углом закрутки
структуры 180°
35 34,5
320 285
Двойная π-ячейка с углом закрутки структуры 180°
35
306
При моделировании электрооптических характеристик ЖК-затвора использовались данные для ЖК-вещества типа ЖКМ ZLI 4792 фирмы Merck, Германия (K11 = 10,5×10–6 дин, K22 = 6,9×10–6 дин, K33 = 16,8×10–6 дин, ε = 4,88, ε|| = 13.54, Δn (436 нм) = 0,104, Δn (546 нм) = 0,1, Δn (633 нм) = 0,096). Во всех расчетах эти физические параметры оставались постоянными, а в качестве поляризатора использовалась пленка NPF-F 1205 DU. Что касается остальных параметров ЖК-дисплея (показателей преломления и толщин ориентирующих, электродных и пассивирующих слоев), то при расчетах использовались их реальные значения (см. табл. 1).
Следует обратить внимание, что управляющие напряжения очень сильно зависят от типа ЖК и должны подбираться для каждого ЖК отдельно. Тем не менее, в качестве основного рабочего напряжения было выбрано напряжение 15 В, и расчет показал, что для данного ЖК увеличение рабочего напряжения до 20–30 В оказывает очень слабое влияние на его теорети-
ческие электрооптические характеристики. При исследовании влияния оптической анизотропии на электрооптические характеристики ЖКзатвора дисперсия была оставлена такой же, как у ZLI 4792, и пропорционально изменялось только значение оптической анизотропии.
В табл. 2 представлены оптические характеристики четырех типов ЖК-затворов. Сравнение характеристик этих конструкций показывает, что, с технологической точки зрения, оптимальной является конструкция ЖК-затвора на основе одинарной π-ячейки с большим углом закрутки структуры, так как для этого затвора средний по спектру контраст и максимальное пропускание близки к конструкции на основе двойных ЖК-ячеек. Понять этот факт поможет рис. 1, на котором показаны углы ориентации директора ЖК для двух рабочих состояний: «включено» и «выключено». Состояние «включено» – состояние ЖК, которое соответствует управляющему напряжению, обеспечивающему фазовый набег в ЖК, равный π. Состояние «выключено» соот-
(а) (б)
Рис. 1. Распределение углов ориентации директора ЖК (φ) по толщине слоя L в электрическом поле для незакрученной структуры (а) и для структуры с углом закрутки структуры 180° (б). 1 – для состояния «выключено», 2 – для состояния «включено» 20 “Оптический журнал”, 80, 9, 2013
Рис. 2. Зависимость контраста изображения и максимального пропускания в одинарной
π-ячейке с большим углом закрутки структуры от толщины ЖК-слоя.
Рис. 3. Зависимость контраста изображения и максимального пропускания в одинарной
π-ячейке с ΦТ = 180° от оптической анизотропии ЖК-слоя при толщине слоя L = 6 мкм.
ветствует нулевому управляющему напряжению на ЖК-ячейке. В состоянии «выключено» ориентация директора ЖК (на рисунке эти состояния помечены цифрой 1) является невозмущенной и характеризуется линейными зависимостями от толщины как угла закрутки структуры, так и угла наклона молекул ЖК. В этом состоянии структуры ЖК с ΦТ = 180° и с ΦТ = 0° (после формирования π-структуры, без напряжения) идентичны и при одинаковой толщине имеют одинаковый фазовый набег. В состоянии «включено» (на рисунке эти состояния помечены цифрой 2) структура ЖК-ячейки с ΦТ = 0° аналогична структуре двух ЖК-ячеек с толщиной в 2 раза меньше исходной, находящихся в сильно возмущенном состоянии и расположенных последовательно друг за другом. В то же время структура с ΦТ = 180° также аналогична структуре двух ЖКячеек с толщиной в 2 раза меньше исходной, находящихся в сильно возмущенном состоянии и расположенных последовательно друг за другом, но ориентированных своими оптическими осями взаимно перпендикулярно в центре слоя ЖК. Таким образом, такая одинарная π-ячейка с ΦТ = 180° в состоянии «включено» обладает эффектом самокомпенсации, в отличие от π-ячеек с другими углами закрутки ЖК-структуры.
Так как оптические характеристики двойной π-ячейки с нулевым углом закрутки структуры хорошо исследованы, а двойная π-ячейка с ΦТ = 180° имеет характеристики, близкие по своему значению к характеристикам одинарной ЖК-ячейки с таким же углом закрутки, то дальнейшие исследования касаются только
Рис. 4. Зависимость контраста изображения в одинарной π-ячейке (L = 6 мкм, Δn = 0,1) от угла закрутки ЖК-слоя при оптимальной для каждого угла закрутки толщине ЖК-слоя.
одинарной π-ячейки с большим углом закрутки структуры.
На рис. 2–4 представлены результаты компьютерного моделирования для одинарной π-ячейки с большим углом закрутки структуры в зависимости от толщины ЖК-слоя, угла закрутки структуры и оптической анизотропии ЖК Δn. Как видно из этих рисунков, существует оптимальный набор конструктивных и физических параметров, при которых одинарная π-ячейка с большим углом закрутки структуры имеет высокие значения контраста изображения и максимального пропускания. Отметим, что отношение L/p слабо влияет на оптические характеристики устройства, но малые значения,
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013
21
Выводы
Рис. 5. Индикатриса среднего по спектру контраста изображения (30 : 1) одинарной π-ячейки с ΦТ = 180° и оптимальным набором конструктивных параметров.
соответствующие левой границе зоны Гранжана, обеспечивают несколько более высокие значения контраста. Влияние оптической анизотропии ЖК на оптические характеристики устройства также имеет вид кривой с максимумом при ΔnL ≈ 0,55 мкм. Спектральные характеристики устройства для оптимального набора параметров таковы, что эти устройства можно использовать как базовые для полноцветных дисплеев. Угловые характеристики в пределах ± 20° во всех азимутальных направлениях представляют собой окружность с контрастом не хуже чем 30:1 (рис. 5).
На основе проведенных расчетов можно сделать следующий вывод. Конструкция ЖКзатвора на одинарной π-ячейке с углом закрутки структуры 180° приближается по своим оптическим характеристикам к конструкции ЖК-затвора на двойной планарной (без закрутки) π-ячейке и поэтому технологически более выгодна. При этом одинарными π-ячейками с наилучшими оптическими характеристиками являются ячейки с углом закрутки структуры 180°, L/p = 0,3 и ΔnL ≈ 0,55 мкм. Такая конструкция обеспечивает уровень среднего по спектру контраста не менее 230:1, хорошую степень ахроматичности и приемлемые угловые индикатрисы среднего по спектру контраста. Однако, с точки зрения ахроматичности, оптимальной является ЖК-ячейка с ΔnL ≈ 0,5 мкм при незначительном ухудшении контраста и пропускания.
Работа выполнена в рамках НИР «Разработка оптических методов и средств контроля параметров микро- и макроструктуры биологических сред» государственного задания Министерства образования и науки (2011–2014 гг.), регистрационный № 01201253718, и в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ-1177.2012.2 «Исследование оптических свойств биологических тканей и крови, направленное на создание фундаментальных основ оптической медицинской диагностики и лазерной терапии».
*****
Литература
1. Bos P.J., Koehler/Beran K.R. The π-cell: A fast liquid-crystal optical-switching device // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1984. V. 113. P. 329–339.
2. Ezhov V., Studentsov S., Belyaev S., Chigrinov V., Malimonenko N., Miroshin A. 3D Vision based on fast nematic liquid-crystal shutters // Digest of Society for Information Displays (SID Digest). 1996. P.1, 2.
3. Sevostianov V.P., Simonenko G.V., Brezhnev V.A., Studentsov S.A., Yakovlev D.A. Experimental and theoretical study of optical characteristics of LC shutter on π-cells // Photonics and Optoelectronics. 1997. V. 4. № 4. Р. 139–146.
4. Ежов В.А., Студенцов С.А. Стереоскопический дисплей с квазинепрерывным спектром ракурсов // Патент РФ № 2306678. 2006.
5. Студенцов С.А, Брежнев В.А., Горфинкель Б.И. Жидкокристаллический затвор // Патент РФ № 2449333. 2010.
6. Chigrinov V.G.,Yakovlev D.A., Simonenko G.V., Tsoi V.I., Khokhlov N.A., Podyachev Yu. B. LCD-design: universal system for computer simulation and optimization of electrooptical devices on the base of liquid crystal // Proc. SPIE 2002. V. 4705. Р.255–263.
7. Финкель А.Г., Цой В.И., Симоненко Г.В., Яковлев Д.А. Проектирование ЖК-устройств отображения информации // Электронная промышленность. 2000. № 2. С. 11–16.
8. Chigrinov V.G. Liquid crystal devices. Physics and applications // Boston-London: Artech House, 1999. 359 p.
22 “Оптический журнал”, 80, 9, 2013
УДК 535.361; 610.849.19; 618.723
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ЗАТВОРА
НА π-ЯЧЕЙКЕ
© 2013 г. Г. В. Симоненко*, доктор физ.-мат.наук, С. А. Студенцов**, В. А. Ежов***, канд. техн. наук
* ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов ** ООО НПП«Фотон», Саратов *** ФГБУН Институт общей физики им. A. M. Прохорова РАН, Москва
E-mail: simonenko@optics.sgu.ru
Методом компьютерного моделирования определены условия для оптимальной конструкции оптического затвора, использующего π-ячейку.
Ключевые слова: оптические характеристики, ЖК-затвор, моделирование.
Коды OSIC: 160.3710, 230.3720.
Поступила в редакцию 10.01.2013
Введение
Известно, что хорошими оптическими характеристиками обладает жидкокристаллический затвор, состоящий из двух одинаковых π-ячеек с взаимно перпендикулярным расположением молекул жидких кристаллов (ЖК) на смежных поверхностях и помещенный между двумя скрещенными поляризаторами [1–5]. Такая конструкция позволяет получить при электронном управлении ориентацией ЖК-молекул одинаковые времена реакции и релаксации оптического пропускания ЖК-затвора, определяемые только временами реакции ячеек, составляющих устройство.
Однако наличие воздушного промежутка (в зазоре между подложками двух ячеек) в ЖКзатворе приводит к ухудшению его оптических характеристик. Введение в зазор между ячейками иммерсионного материала или оптического клея вносит дополнительные технологические и эксплуатационные трудности. В частности, при больших размерах дисплеев для проекционных систем и телевизионных экранов в процессе неизбежных при работе температурных перепадов деформируется и разрушается либо периферический герметик ЖК-ячейки, либо используемый в иммерсионном зазоре материал. Ранее выполненные исследования оптических харак-
теристик ЖК-затвора, работающего на основе π-ячеек, таких как контраст и пропускание устройства, показали, что эти характеристики сильно зависят от его реальной конструкции [3]. В [2] воздушный промежуток между двумя ЖКячейками отсутствует благодаря использованию двухсторонней (с прозрачными электродами на обеих сторонах) подложки в качестве средней общей подложки для обеих ЖК-ячеек.
В связи с этим нами проведено теоретическое исследование оптических характеристик ЖК-затвора, работающего на основе как двойных, так и одинарных π-ячеек, с целью выявления основных причин, которые ограничивают максимально достижимые значения контраста и пропускания. При исследовании оптических характеристик ЖК-затвора мы применили метод компьютерного моделирования. Для этой цели использовался пакет прикладных программ “Электрооптика-2М” [6]. Программные средства включают в себя программы расчета распределений углов ориентации директора по толщине слоя ЖК в электрическом поле и оптических характеристик таких устройств.
Для адекватного описания характеристик ЖКзатвора с целью выбора оптимальной конструкции удобно использовать следующий набор электрооптических и оптических характеристик [7]:
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013
17
– среднее по спектру или для определенных длин волн отражение (пропускание) ЖКдисплея;
– спектральные характеристики; – средний по спектру контраст изображения или контраст для определенных длин волн; – индикатриса среднего (или на определенной длине волны) контраста изображения. В наших исследованиях в качестве основных характеристик были выбраны среднее по спектру пропускание ЖК-затвора в состоянии «выключено» (максимальное пропускание при минимуме управляющего напряжения в скрещенных поляризаторах) и средний по спектру контраст изображения. Кроме этого, для более полного исследования дополнительно рассматривались зависимости среднего по спектру пропускания от управляющего напряжения и зависимости пропускания на длинах волн 450, 550 и 650 нм от управляющего напряжения, а также угловые индикатрисы среднего по спектру контраста. В статье представлены результаты компьютерного моделирования оптических характеристик ЖК-затвора, позволяющие выяснить основные факторы, ограничивающие максимально достижимые значения контраста и пропускания.
Теоретический предел максимального контраста ЖК-затвора на основе π-ячеек
В условиях идеальной фазовой компенсации (при взаимной компенсации двух ЖК-ячеек, составляющих ЖК-затвор, или при использовании одиночной ЖК-ячейки с фазовым компенсатором) одним из главных факторов, определяющих контрастное отношение, являются характеристики используемых поляроидов [2]. Так, например, ЖК-затвор с поляризаторами NPF-F-1200DU имеет средний по спектру контраст изображения равный 16, в то время как поляроиды NPF-F-1229DU обеспечивают контраст 26. При этом максимальное пропускание для обоих поляризаторов превышает 35%.
Одним из путей повышения контрастного отношения при использовании поляризаторов с относительно невысокой степенью поляризации является применение дублированных поляроидов, которое состоит в том, что вместо одного входного поляроида и одного выходного поляроида используются два входных и два выходных. Оси наибольшего пропускания поля-
18
роидов, составляющих соответствующую пару (входную или выходную), параллельны друг другу. Максимальное контрастное отношение для случая двух дублированных поляроидов Kmax" соотносится с максимальным контрастным отношением в случае двух обычных поляроидов (Kmax) следующим образом [3]
Kmax" = 2Kmax2.
Следовательно, использование дублированных поляроидов позволяет резко увеличить контрастное отношение (этот вывод справедлив только для случая идеальной или почти идеальной компенсации). Одним из недостатков такого метода повышения контраста является несколько меньшее значение среднего пропускания.
Выше рассматривался идеализированный случай полной фазовой компенсации. В реальных приборах условия полной фазовой компенсации нарушаются вследствие следующих причин:
– технологического разброса толщин слоя ЖК и фазового компенсатора;
– потерь на отражение и многократного отражения.
Технологический разброс толщин ЖК-слоя и фазового компенсатора приводит к отклонению их значений от оптимальных. Как уже отмечалось, полная компенсация достигается при равенстве толщин основной и компенсирующей ячеек, а с увеличением рассогласования толщин контраст должен падать. Расчеты показывают [3], что рассогласование толщин на 30% уже приводит к резкому спаду контраста изображения. Аналогичные результаты в отношении этого фактора следует ожидать и в случае, когда в качестве компенсатора используется полимерная пленка.
Большое влияние на оптические характеристики ЖК-затвора оказывают тонкие слои ориентанта и прозрачного электрода в ЖКячейках, физические параметры которых должны быть оптимизированными [3]. В табл. 1 приведены рассчитанные значения контрастного отношения для устройства с компенсирующей ЖК-ячейкой для систем электрод–ориентант, характеризующихся разной степенью потерь на отражение. В первом случае эта система не оптимизирована: полные потери на отражение составляют около 19%. Во втором случае система электрод–ориентант оптимизирована: потери на отражение – меньше 3%. Как видно
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013
Таблица 1. Зависимость оптических характеристик ЖК-затвора на двойной π-ячейке от параметров электродного и ориентирующего слоев
Слой
1-й пассивирующий слой
Электродный слой
2-й пассивирующий слой
Ориентирующий слой
Реальное устройство с неоптимальными параметрами ориентирующего и электродного слоев
Толщина 0,11 мкм, показатель преломления 1,45
Толщина 0,06 мкм, показатель преломления 2
Толщина 0,05 мкм, показатель преломления 1,45
Толщина 0,02 мкм, показатель преломления 1,4
Гипотетическое устройство с оптимальными параметрами ориентирующего и электродного слоев
Толщина 0,11 мкм, показатель преломления 1,45
Толщина 0,02 мкм, показатель преломления 2
Толщина 0,05 мкм, показатель преломления 1,45
Толщина 0,06 мкм, показатель преломления 1,75
Δn (λ = 550 нм)
Контрастное отношение
0,05 0,1 0,2 0,05 0,1 0,2
895
235
67
146 000
37 800
10 000
из таблицы, качество системы электрод–ориентант оказывает очень сильное влияние на контрастное отношение. Контрастное отношение на несколько порядков выше для устройства с указанной оптимизированной системой.
Причина малого контраста при больших потерях на отражение – появление многократно отраженных волн, рассогласованных по фазе с основными интерферирующими волнами и не удовлетворяющих условию интерференционного минимума: двукратно отраженные волны имеют фазовый сдвиг 3γLC,, четырехкратно отраженные – 5γLC. Здесь оптическая длина пути γLC равна γLC = ΔnL; где Δn и L – оптическая анизотропия и толщина рабочей π-ячейки соответственно. Поэтому в компенсированном состоянии пропускание резко увеличивается. Эффект рассогласования может быть уменьшен путем уменьшения величины γLC. Этого можно добиться, увеличивая рабочее напряжение, уменьшая толщину слоя ЖК, используя ЖК с малой анизотропией. В табл. 1 приведены значения контрастного отношения при различных значениях анизотропии Δn ЖК-слоя (Δn=ne – no, где ne и no – показатели преломления ЖК-слоя для необыкновенного и обыкновенного лучей соответственно). Как видно из таблицы, двукратное уменьшение Δn увеличивает контрастное отношение приблизительно в 3,8 раза. Поскольку потери на отражение от системы электрод–ориентант в ЖК-ячейках невозможно устранить принципиально, то идеальная компенсация недостижима, что ограничивает максимально возможные значения контраста и пропускания. Оптимизацией физических параметров данной системы можно достичь наилучших оптиче-
ских характеристик ЖК-затвора. Важно, что в соответствии с приведенными данными вид ЖК-структуры, используемой в π-ячейке, не влияет на рассмотренное принципиальное ограничение контраста изображения.
В следующем разделе рассмотрен вопрос о выборе оптимальной ориентационной структуры ЖК-слоя и оптимальных конструктивных параметрах ЖК-затвора на основе этой структуры.
Влияние конструктивных параметров ЖК-затвора на его оптические характеристики
Как известно [8], существует большое число конструктивно-технологических параметров ЖК-затвора, которые определяют его электрооптические и оптические характеристики. Мы рассмотрели влияние конструктивных (угла закрутки структуры ЖК (ΦТ), толщины слоя ЖК, отношения L/p, где p – шаг спирали закрученной структуры ЖК) и физических (оптической анизотропии ∆n ЖК-слоя) параметров ЖКзатвора на его оптические характеристики.
В связи с этим рассмотрены следующие варианты конструкции ЖК-затвора:
– одинарная π-ячейка с малым углом закрутки; –двойная π-ячейка с малым углом закрутки при перпендикулярном расположении ЖКячеек; – π-ячейка с большим углом закрутки; – двойная π-ячейка с большим углом закрутки при перпендикулярном расположении ЖКячеек.
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013
19
Таблица 2. Оптические характеристики ЖК-затвора различных конструкций
Характеристика
Максимальное среднее по спектру пропускание, % Средний по спектру контраст изображения
Одинарная π-ячейка без
закрутки
32
50
Тип ячейки
Двойная
π-ячейка без закрутки
Одинарная
π-ячейка с углом закрутки
структуры 180°
35 34,5
320 285
Двойная π-ячейка с углом закрутки структуры 180°
35
306
При моделировании электрооптических характеристик ЖК-затвора использовались данные для ЖК-вещества типа ЖКМ ZLI 4792 фирмы Merck, Германия (K11 = 10,5×10–6 дин, K22 = 6,9×10–6 дин, K33 = 16,8×10–6 дин, ε = 4,88, ε|| = 13.54, Δn (436 нм) = 0,104, Δn (546 нм) = 0,1, Δn (633 нм) = 0,096). Во всех расчетах эти физические параметры оставались постоянными, а в качестве поляризатора использовалась пленка NPF-F 1205 DU. Что касается остальных параметров ЖК-дисплея (показателей преломления и толщин ориентирующих, электродных и пассивирующих слоев), то при расчетах использовались их реальные значения (см. табл. 1).
Следует обратить внимание, что управляющие напряжения очень сильно зависят от типа ЖК и должны подбираться для каждого ЖК отдельно. Тем не менее, в качестве основного рабочего напряжения было выбрано напряжение 15 В, и расчет показал, что для данного ЖК увеличение рабочего напряжения до 20–30 В оказывает очень слабое влияние на его теорети-
ческие электрооптические характеристики. При исследовании влияния оптической анизотропии на электрооптические характеристики ЖКзатвора дисперсия была оставлена такой же, как у ZLI 4792, и пропорционально изменялось только значение оптической анизотропии.
В табл. 2 представлены оптические характеристики четырех типов ЖК-затворов. Сравнение характеристик этих конструкций показывает, что, с технологической точки зрения, оптимальной является конструкция ЖК-затвора на основе одинарной π-ячейки с большим углом закрутки структуры, так как для этого затвора средний по спектру контраст и максимальное пропускание близки к конструкции на основе двойных ЖК-ячеек. Понять этот факт поможет рис. 1, на котором показаны углы ориентации директора ЖК для двух рабочих состояний: «включено» и «выключено». Состояние «включено» – состояние ЖК, которое соответствует управляющему напряжению, обеспечивающему фазовый набег в ЖК, равный π. Состояние «выключено» соот-
(а) (б)
Рис. 1. Распределение углов ориентации директора ЖК (φ) по толщине слоя L в электрическом поле для незакрученной структуры (а) и для структуры с углом закрутки структуры 180° (б). 1 – для состояния «выключено», 2 – для состояния «включено» 20 “Оптический журнал”, 80, 9, 2013
Рис. 2. Зависимость контраста изображения и максимального пропускания в одинарной
π-ячейке с большим углом закрутки структуры от толщины ЖК-слоя.
Рис. 3. Зависимость контраста изображения и максимального пропускания в одинарной
π-ячейке с ΦТ = 180° от оптической анизотропии ЖК-слоя при толщине слоя L = 6 мкм.
ветствует нулевому управляющему напряжению на ЖК-ячейке. В состоянии «выключено» ориентация директора ЖК (на рисунке эти состояния помечены цифрой 1) является невозмущенной и характеризуется линейными зависимостями от толщины как угла закрутки структуры, так и угла наклона молекул ЖК. В этом состоянии структуры ЖК с ΦТ = 180° и с ΦТ = 0° (после формирования π-структуры, без напряжения) идентичны и при одинаковой толщине имеют одинаковый фазовый набег. В состоянии «включено» (на рисунке эти состояния помечены цифрой 2) структура ЖК-ячейки с ΦТ = 0° аналогична структуре двух ЖК-ячеек с толщиной в 2 раза меньше исходной, находящихся в сильно возмущенном состоянии и расположенных последовательно друг за другом. В то же время структура с ΦТ = 180° также аналогична структуре двух ЖКячеек с толщиной в 2 раза меньше исходной, находящихся в сильно возмущенном состоянии и расположенных последовательно друг за другом, но ориентированных своими оптическими осями взаимно перпендикулярно в центре слоя ЖК. Таким образом, такая одинарная π-ячейка с ΦТ = 180° в состоянии «включено» обладает эффектом самокомпенсации, в отличие от π-ячеек с другими углами закрутки ЖК-структуры.
Так как оптические характеристики двойной π-ячейки с нулевым углом закрутки структуры хорошо исследованы, а двойная π-ячейка с ΦТ = 180° имеет характеристики, близкие по своему значению к характеристикам одинарной ЖК-ячейки с таким же углом закрутки, то дальнейшие исследования касаются только
Рис. 4. Зависимость контраста изображения в одинарной π-ячейке (L = 6 мкм, Δn = 0,1) от угла закрутки ЖК-слоя при оптимальной для каждого угла закрутки толщине ЖК-слоя.
одинарной π-ячейки с большим углом закрутки структуры.
На рис. 2–4 представлены результаты компьютерного моделирования для одинарной π-ячейки с большим углом закрутки структуры в зависимости от толщины ЖК-слоя, угла закрутки структуры и оптической анизотропии ЖК Δn. Как видно из этих рисунков, существует оптимальный набор конструктивных и физических параметров, при которых одинарная π-ячейка с большим углом закрутки структуры имеет высокие значения контраста изображения и максимального пропускания. Отметим, что отношение L/p слабо влияет на оптические характеристики устройства, но малые значения,
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013
21
Выводы
Рис. 5. Индикатриса среднего по спектру контраста изображения (30 : 1) одинарной π-ячейки с ΦТ = 180° и оптимальным набором конструктивных параметров.
соответствующие левой границе зоны Гранжана, обеспечивают несколько более высокие значения контраста. Влияние оптической анизотропии ЖК на оптические характеристики устройства также имеет вид кривой с максимумом при ΔnL ≈ 0,55 мкм. Спектральные характеристики устройства для оптимального набора параметров таковы, что эти устройства можно использовать как базовые для полноцветных дисплеев. Угловые характеристики в пределах ± 20° во всех азимутальных направлениях представляют собой окружность с контрастом не хуже чем 30:1 (рис. 5).
На основе проведенных расчетов можно сделать следующий вывод. Конструкция ЖКзатвора на одинарной π-ячейке с углом закрутки структуры 180° приближается по своим оптическим характеристикам к конструкции ЖК-затвора на двойной планарной (без закрутки) π-ячейке и поэтому технологически более выгодна. При этом одинарными π-ячейками с наилучшими оптическими характеристиками являются ячейки с углом закрутки структуры 180°, L/p = 0,3 и ΔnL ≈ 0,55 мкм. Такая конструкция обеспечивает уровень среднего по спектру контраста не менее 230:1, хорошую степень ахроматичности и приемлемые угловые индикатрисы среднего по спектру контраста. Однако, с точки зрения ахроматичности, оптимальной является ЖК-ячейка с ΔnL ≈ 0,5 мкм при незначительном ухудшении контраста и пропускания.
Работа выполнена в рамках НИР «Разработка оптических методов и средств контроля параметров микро- и макроструктуры биологических сред» государственного задания Министерства образования и науки (2011–2014 гг.), регистрационный № 01201253718, и в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ-1177.2012.2 «Исследование оптических свойств биологических тканей и крови, направленное на создание фундаментальных основ оптической медицинской диагностики и лазерной терапии».
*****
Литература
1. Bos P.J., Koehler/Beran K.R. The π-cell: A fast liquid-crystal optical-switching device // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1984. V. 113. P. 329–339.
2. Ezhov V., Studentsov S., Belyaev S., Chigrinov V., Malimonenko N., Miroshin A. 3D Vision based on fast nematic liquid-crystal shutters // Digest of Society for Information Displays (SID Digest). 1996. P.1, 2.
3. Sevostianov V.P., Simonenko G.V., Brezhnev V.A., Studentsov S.A., Yakovlev D.A. Experimental and theoretical study of optical characteristics of LC shutter on π-cells // Photonics and Optoelectronics. 1997. V. 4. № 4. Р. 139–146.
4. Ежов В.А., Студенцов С.А. Стереоскопический дисплей с квазинепрерывным спектром ракурсов // Патент РФ № 2306678. 2006.
5. Студенцов С.А, Брежнев В.А., Горфинкель Б.И. Жидкокристаллический затвор // Патент РФ № 2449333. 2010.
6. Chigrinov V.G.,Yakovlev D.A., Simonenko G.V., Tsoi V.I., Khokhlov N.A., Podyachev Yu. B. LCD-design: universal system for computer simulation and optimization of electrooptical devices on the base of liquid crystal // Proc. SPIE 2002. V. 4705. Р.255–263.
7. Финкель А.Г., Цой В.И., Симоненко Г.В., Яковлев Д.А. Проектирование ЖК-устройств отображения информации // Электронная промышленность. 2000. № 2. С. 11–16.
8. Chigrinov V.G. Liquid crystal devices. Physics and applications // Boston-London: Artech House, 1999. 359 p.
22 “Оптический журнал”, 80, 9, 2013