專利名稱：寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學開關裝置，特別涉及一種寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥。利用一個光學自補償彎曲(Optical Compensated Bend :0CB)模式液晶盒、兩個_a波 片、兩個-C波片和兩個偏光片來實現光學開關效果。
背景技術：
液晶光閥(Liquid Crystal Light Valve)簡稱(LCLV)，是利用液晶對光的調制特 性而制作的一種具有實時功能的空間光調制器。它可以廣泛地應用于光計算、模式識別、信 息處理、顯示等現代高新技術領域，前景廣闊。由于液晶光閥寫入光和讀出光互相獨立，可 以方便地把非相干光轉換為相干光，因此在相干光實時處理系統中，液晶光閥是必不可少 的器件。同時液晶光閥還可以增大讀出光的能量，實現弱圖像的能量放大，因此它也被廣泛 地應用于大屏幕、高亮度的投影顯示中。傳統的液晶光閥大多采用扭曲向列相液晶盒，響應時間為幾十個毫秒，對比度可 以達到200左右，視角比較窄，若應用于投影顯示中，僅演示文字和黑白圖片則可以滿足需 要，但如果用來演示色彩豐富的照片和播放視頻動畫則最好選擇1000 1以上的高對度投 影機，響應時間越短越好，響應時間越短，用戶在看移動的畫面時就不會出現類似殘影或者 拖沓的痕跡，并且大多少數顯示還是要求視角越寬越好。因此，那么應用扭曲向列相液晶盒 制作的傳統的液晶光閥就不能滿足要求了。
發明內容
本發明的目的在于解決傳統液晶光閥的視角、對比度和響應時間的問題，提供一 種寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥。本發明采用具有快速響應特點的OCB模式液 晶盒，通過對OCB盒進行膜補償并優化，實現了 1.9ms的響應時間，最大對比度達到2300，視 角也很寬，20°極角范圍的各個方向上對比度可以達到1000，正負60°極角范圍水平方向 對比度達到200。本發明的技術解決方案如下一種寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥，其結構包括兩個偏光片、兩個_a 波片、兩個-C波片和液晶盒，其中兩個偏光片分別為起偏器和檢偏器；其位置關系依次為 起偏器、第一 _a波片、第一 -C波片、液晶盒、第二 -C波片、第二 波片和檢偏器，光線依次 通過起偏器、第一 _a波片、第一 -C波片、液晶盒、第二 -C波片、第二 波片和檢偏器。所述的兩個偏光片都是采用高偏振度偏光片。所述的兩個-C波片和兩個_a波片的雙折射率都是相同的，均為-0. 0092 (589nm)。 兩個_a波片的厚度都是在14 16 μ m范圍內，兩個-C波片的厚度都是40 43 μ m范圍 內。所述的液晶盒是OCB模式的液晶盒，包括玻璃基板、氧化銦錫(ITO)電極、取向 層、液晶材料、封邊框膠和球形樹脂粉；其位置關系為最外層為兩片玻璃基板，玻璃基板內表面為電極，再向里是取向層，中間為液晶材料和間隔物，不加電壓時，液晶材料沿著取 向層事先摩擦好的方向排列，即液晶分子反向平行排列，加低電壓時液晶分子為彎曲排列 結構，加高電壓時液晶分子垂直基板表面排列，該模式的液晶盒具有快速響應的特點。所述的兩玻璃基板依靠封邊框膠粘結在一起，在液晶內放置與所需液晶層厚度匹配的球形樹脂粉來控制液晶層的厚度。所述的封邊框膠在兩層玻璃基板之間，與上下兩層玻璃基板組成封閉空間。所述的液晶層的厚度是4 μ m，液晶材料參數ε // = 18. 6，ε ±= 3. 5，η0 = 1. 5， Δη = 0· 2，K11 = 12. 9pN，K33 = 17. 3ρΝ，Y1 = O. 134Pa · s，邊界強錨定，上下兩基板處液 晶的預傾角度分別為5°和175°。上面所述的高對比度和快速響應的液晶光閥的制作方法，其步驟如下步驟1，刻蝕出電極圖形；步驟2，取向層涂布及固化；步驟3，取向層摩擦；步驟4，下玻璃基板噴灑球形樹脂粉，上玻璃基板印刷封邊框膠；步驟5，上下玻璃基板貼合并將封邊框膠固化；步驟6，灌注液晶材料并封口 ；步驟7，清洗玻璃表面并貼合兩個_a波片、兩個-C波片，以及起偏器和檢偏器。最 后得到該寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥。本發明與現有技術相比有如下有益效果本發明設計的液晶光閥的特點是使用光學自補償彎曲(OCB)模式液晶盒，OCB模 式由于在液晶層厚度方向上液晶分子具有上下對稱的取向，所以電光學響應速度高，因此 應用在液晶光閥中可以達到響應速度的要求；另外液晶盒兩個-C波片和兩個_a波片作 為補償膜，并使用適當的參數優化該模式，使得該液晶光閥的對比度很高，最大對比度達到 2300。視角也很寬，20°極角范圍的各個方向上對比度可以達到1000，正負60°極角范圍 水平方向對比度達到200。響應時間為1. 9毫秒。
圖1是本發明寬視角、高對比度、快速響應的液晶光閥外形結構示意圖；圖2是本發明寬視角、高對比度、快速響應的液晶光閥中液晶盒結構示意圖；圖3是OCB模式液晶盒中的液晶分子分別在不加電、加低電壓和加高電壓情況下 的排列示意圖。圖4是本發明寬視角、高對比度、快速響應的液晶光閥的對比度視角圖；圖5是本發明寬視角、高對比度、快速響應的液晶光閥的響應時間圖。
具體實施例方式本發明的高對比度和快速響應的液晶光閥的制作方法，按照以下步驟制作步驟1，刻蝕出電極圖形；先在ITO導電玻璃上涂覆感光膠，再覆蓋光刻掩膜版(光刻掩膜版是在膠片上制 成與電極圖形對應的黑白圖案，曝光時使透明區光刻膠在光的作用下起反應)，然后通過紫外光進行照射，對ITO電極層進行選擇性化學腐蝕，從而在ITO導電玻璃上得到與掩膜版完 全對應的圖形。步驟2，取向層涂布及固化；在刻蝕好的ITO導電玻璃上涂布取向劑(聚酰胺酸溶液)，形成均勻的膜層。然后預烘，將取向材料溶液中的溶劑加熱使之揮發，留下固體的取向材料膜層，然后在300 350°C下固化1 2小時，脫水閉環生成聚酰亞胺膜，這樣就形成了所需要的取向膜。步驟3，取向層摩擦；在取向膜上用絨布向一個方向摩擦，液晶層中的液晶分子將按照摩擦的方向平行 排列，這樣就可以獲得一致的取向和該液晶光閥所需要的傾角，上下兩基板處液晶的預傾 角度分別為5°和175°。步驟4，下玻璃基板噴灑直徑為4 μ m的球形樹脂粉，上玻璃基板印刷封邊框膠；在下玻璃基板上用噴粉機噴灑球形樹脂粉，形成較均勻分布，來控制兩玻璃基板 之間的間距，上玻璃基板上采用絲網印刷方法來絲印邊框膠和導電點膠，用來控制所制作 液晶光閥的大小和導通上下基板之間的公共電極。步驟5，上下玻璃基板貼合并將封邊框膠固化；在對位貼合機上將上下玻璃基板進行對位貼合，使用熱固化方法在200°C左右將 邊框膠固化，形成液晶空盒。步驟6，灌注液晶材料并封口 ；將空盒放置在抽真空的液晶灌注密閉室內，盒中的氣體由封口處抽出，然后使注 入孔(密封邊框的缺口 )接觸液晶，液晶材料參數ε // = 18. 6，ε ±= 3. 5，η0 = 1.5, Δη =0. 2，K11 = 12. 9pN, K33 = 17. 3ρΝ, Y1 = O. 134Pa · s。利用毛細管現象，就可將空盒的大 部分容積注入液晶材料，再向液晶灌注室內充入經過充分干燥的氬氣和氮氣等惰性氣體， 利用惰性氣體的壓力使液晶材料完全充滿液晶盒。采用密封膠粘接封口，通過冷凍的方法， 讓封口膠恰當地收縮帶入封口內，再用紫外光照射固化。步驟7，清洗玻璃表面并貼合兩個_a波片、兩個-C波片和兩個偏光片(即起偏器 和檢偏器)。刮膠和清洗，將液晶盒表面殘留的一些封口膠、液晶和其他污物清除掉。然 后就可以貼合兩個_a波片、兩個-C波片和兩個偏光片了。_a波片、-C波片雙折射率 為-0. 0092 (589nm)，兩個_a波片的厚度都是在14 16 μ m范圍內，兩個_c波片的方位角 都是0°，厚度都是40 43μπι范圍內。偏光片采用高偏振度偏光片，Polatechno公司生 產的SKN-18243T。按照起偏器的方位角為-41°，檢偏器的方位角為49°，第一 _a波片的 方位角為45. 3°，第二 _a波片的方位角為45. 3°來貼合兩個雙軸補償膜和兩個偏光片，最 后得到這種寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥。以上制作方法未述內容為公知技術，具體可以參照由北京郵電大學出版社出版、 范志新編著的《液晶器件工藝基礎》。本發明制得的液晶光閥的外形結構如圖1所示，光線依次通過起偏器1、第一 _a波 片2、第一 -C波片3、液晶盒4、第二 -C波片5、第二 -a波片6、檢偏器7。液晶盒的結構如 圖2所示，液晶盒的最外層為玻璃基板8，玻璃基板內表面為電極9，再向里是取向層10，內 部為液晶材料11沿著取向層10事先摩擦好的方向排列，兩玻璃基板8依靠封框膠12粘結在一起，在液晶內放置直徑為4μ m的球形樹脂粉13來控制液晶層的厚度。圖3是OCB模 式液晶盒中的液晶分子分別在不加電、加低電壓和加高電壓情況下的排列示意圖。不加電 壓時液晶分子反向平行排列，如圖3(a)所示；加低電壓時為彎曲結構排列，如圖3(b)所示； 加高電壓時為垂直基板表面排列，如圖3(c)所示。液晶層的厚度是4 μ m，液晶材料(Merck公司生產的MLC-2136)參數ε // = 18. 6，ε 丄=3. 5，η0 = 1. 5，Δη = 0. 2，K11 = 12. 9pN, K33 = 17. 3ρΝ, Y1 = O. 134Pa · s，邊 界強錨定，上下兩基板處液晶的預傾角度分別為5°和175°。波片、-C波片雙折射率 為-0. 0092 (589nm)，兩個_a波片的厚度都為14 16 μ m范圍內，兩個_c波片的方位角都 是0°，厚度都是40 43μπι范圍內。偏光片采用高偏振度偏光片(Polatechno公司生產 的SKN-18243T)。液晶層平面的方位角為0°，起偏器1的方位角為-41°，檢偏器7的方位 角為49°，第一 _a波片2的方位角為45. 3°，第二 _a波片6的方位角為45. 3°。先加低電壓U1 = 1. 2V，液晶分子呈彎曲結構排列，此時液晶盒是亮態的，對應的透 過率是亮態透過率。然后將低電壓U1 = 1.2V變為高電壓U2 = 14V，液晶分子逐漸垂直于 基板方向排列，此時液晶盒的透過率逐漸減小，最終液晶盒是暗態的，對應的透過率是暗態 透過率。再將高電壓U2= 14V變為低電壓U1 = 1.2V后，由于液晶層內的彈性力的作用， 液晶分子又會逐漸變回到彎曲排列狀態，此時液晶盒的透過率逐漸增大，最終液晶盒又表 現為亮態。對比度可以用亮態透過率與暗態透過率的比值來表示。該液晶光閥的對比度視 角圖可以用Mouse-IXD 2. 6軟件模擬得到，如圖4所示，圖中曲線從里向外依次表示對比 度為2000，1000, 500，200，100，50，10，5，1的區域。模擬軟件的結果顯示最大對比度可以達 到2300。從圖中也可以看出該液晶盒的視角很寬，20°極角范圍的各個方向上對比度可以 達到1000，正負60°極角范圍水平方向對比度達到200。將從透過率最大值的90%下降到 10%之間的時間定義為上升時間；從透過率最大值的10%上升到90%之間的時間定義為 下降時間。上升時間和下降時間的總和定義為響應時間。該液晶光閥的響應時間圖可以通 過模擬計算得到，如圖5所示。將低電壓U1 = 1. 2V變為高電壓U2 = 14V后，液晶盒的透過 率會逐漸降低，如曲線a所示。將高電壓U2 = 14V變為低電壓U1 = 1. 2V后，液晶盒的透過 率逐漸增大，如曲線b所示。根據響應時間的定義，從圖5可以得到上升時間約為0. Ims, 下降時間約為1.8ms，總響應時間約為1.9ms。該液晶光閥滿足寬視角、高對比度和快速響 應液晶光閥的要求。圖4和圖5是根據兩個_a波片的厚度為15 μ m，兩個_c波片的厚度是40 μ m得到的。當兩個_a波片的厚度都是在14 16 μ m范圍內，兩個-C波片的厚度都是40 43 μ m 范圍內的其它數據得到的等對比度視角圖基本不變，圖中曲線的描述對這些數據的結果也 是滿足的。響應時間也是一樣的。本發明未述及之處適用于現有技術。
權利要求
一種寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥，其特征為包括兩個偏光片、兩個-a波片、兩個-c波片和液晶盒，其中兩個偏光片分別為起偏器和檢偏器；其位置關系依次為起偏器、第一-a波片、第一-c波片、液晶盒、第二-c波片、第二-a波片和檢偏器，光線依次通過起偏器、第一-a波片、第一-c波片、液晶盒、第二-c波片、第二-a波片和檢偏器。
2.如權利要求1所述寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥，其特征為所述的兩個 偏光片都是采用 高偏振度偏光片。
3.如權利要求1所述寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥，其特征為所述的兩 個-C波片和兩個_a波片的雙折射率都是相同的，均為-0. 0092(589nm)。兩個_a波片的厚 度都是在14 16 μ m范圍內，兩個-C波片的厚度都是40 43 μ m范圍內。
4.如權利要求1所述寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥，其特征為所述的液晶 盒是OCB模式的液晶盒，包括玻璃基板、氧化銦錫(ITO)電極、取向層、液晶材料、封邊框膠 和球形樹脂粉；其位置關系為最外層為兩片玻璃基板，玻璃基板內表面為電極，再向里是 取向層，中間為液晶材料和間隔物。
5.如權利要求1所述寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥，其特征為所述的兩玻 璃基板依靠封邊框膠粘結在一起，在液晶內放置與所需液晶層厚度匹配的球形樹脂粉來控 制液晶層的厚度。
6.如權利要求1所述寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥，其特征為所述的封邊 框膠在兩層玻璃基板之間，與上下兩層玻璃基板組成封閉空間。
7.如權利要求1所述寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥，其特征為所述的液 晶層的厚度是4 μ m，液晶材料參數ε " = 18.6，ε丄=3. 5，η。= 1. 5，Δη = 0.2, K11 = 12. 9pN, K33 = 17. 3ρΝ, Y1 = O. 134Pa · s，邊界強錨定，上下兩基板處液晶的預傾角度分別 為 5° 和 175°。
8.如權利要求1所述高對比度和快速響應的液晶光閥的制作方法，其特征為步驟如下步驟1，刻蝕出電極圖形；步驟2，取向層涂布及固化；步驟3，取向層摩擦；步驟4，下玻璃基板噴灑球形樹脂粉，上玻璃基板印刷封邊框膠；步驟5，上下玻璃基板貼合并將封邊框膠固化；步驟6，灌注液晶材料并封口 ；步驟7，清洗玻璃表面并貼合兩個-a波片、兩個-C波片，以及起偏器和檢偏器，最后得 到該寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥。
全文摘要
本發明屬于光學開關裝置，具體為一種寬視角、高對比度和快速響應的液晶光閥。其結構包括兩個偏光片、兩個-a波片、兩個-c波片和液晶盒，其中兩個偏光片分別為起偏器和檢偏器；其位置關系依次為起偏器、第一-a波片、第一-c波片、液晶盒、第二-c波片、第二-a波片和檢偏器，光線依次通過起偏器、第一-a波片、第一-c波片、液晶盒、第二-c波片、第二-a波片和檢偏器。本發明的液晶光閥使用光學自補償彎曲(OCB)模式液晶盒，在液晶層厚度方向上液晶分子具有上下對稱的取向，液晶盒兩個-c波片和兩個-a波片作為補償膜，最大對比度達到2300。視角也很寬，20°極角范圍的各個方向上對比度可以達到1000，正負60°極角范圍水平方向對比度達到200。響應時間為1.9毫秒。
文檔編號G02F1/1335GK101840107SQ20101016499
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者單艾嫻, 孫玉寶 申請人:河北工業大學