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JP2007538293A - Optical switching device using holographic polymer dispersed liquid crystal - Google Patents

Optical switching device using holographic polymer dispersed liquid crystal Download PDF

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JP2007538293A JP2007527537A JP2007527537A JP2007538293A JP 2007538293 A JP2007538293 A JP 2007538293A JP 2007527537 A JP2007527537 A JP 2007527537A JP 2007527537 A JP2007527537 A JP 2007527537A JP 2007538293 A JP2007538293 A JP 2007538293A
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Abstract

【解決手段】 液晶表示装置(800)に使用されている薄型ホログラフィ光学スイッチ(100)は、相対する透明な基板(102)と、基板(102)の間の透明な電極(104)と、電極(104)の間の回折格子(105)と、を含んでいる。回折格子(105)は、透明な高分子化フォトポリマーの領域とコレステリック液晶微小液滴の領域を含んでいる。フォトポリマーの屈折率と液晶の屈折率は、電極が同じ電位を有している場合は、実質的に同じである。ホログラフィ光学スイッチ(100)は、電極(104)間の電位差がゼロであるときは、広帯域LED光を透過させ、偏光依存性ではない。ホログラフィ光学スイッチ(100)は、電極(100)間の電位差が非ゼロである場合には、広帯域LED光を回折し、偏光依存性ではない。
【選択図】 図1
A thin holographic optical switch (100) used in a liquid crystal display device (800) includes an opposing transparent substrate (102), a transparent electrode (104) between the substrates (102), and an electrode. And (104) a diffraction grating (105). The diffraction grating (105) includes a transparent polymerized photopolymer region and a cholesteric liquid crystal microdroplet region. The refractive index of the photopolymer and the refractive index of the liquid crystal are substantially the same when the electrodes have the same potential. The holographic optical switch (100) transmits broadband LED light and is not polarization dependent when the potential difference between the electrodes (104) is zero. The holographic optical switch (100) diffracts broadband LED light when the potential difference between the electrodes (100) is non-zero and is not polarization dependent.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、概括的には、衝突光の方向を切り替えることができる光学装置に関する。より具体的には、本発明は、液晶表示装置及び他の電子機器の、ポリマー分散型液晶を内蔵したホログラフィ光学的切替装置に関する。   The present invention generally relates to an optical device capable of switching the direction of collision light. More specifically, the present invention relates to a holographic optical switching device incorporating a polymer-dispersed liquid crystal in a liquid crystal display device and other electronic devices.

液晶表示装置(LCD)は、他の種類の表示装置に勝る数多くの利点を有している。LCDは、小型で高画質、軽量である。更に、LCDは、その種類にもよるが、電力消費量が比較的少ない。以上の理由から、携帯用電子機器市場では、小型の携帯型テレビ、移動電話及び他の通信製品、映像記録装置、ノートブック型コンピュータ、及びデスクトップ型モニターなどの用途に、専らLCDが使用されている。   Liquid crystal display devices (LCDs) have a number of advantages over other types of display devices. LCDs are small, high in image quality, and lightweight. Furthermore, the LCD consumes relatively little power, depending on the type of LCD. For these reasons, LCDs are used exclusively in the portable electronic device market for applications such as small portable TVs, mobile phones and other communication products, video recording devices, notebook computers, and desktop monitors. Yes.

アクティブLCDは、使用されているLCDの中では最も普及しているLCDであり、基板と、光が通過する液晶層と、基板の1つに設けられ、液晶層に電界を供給して導光パネルを形成する画素電極と、を含んでいる。画素電極を製作するのに使用される金属は、使用されるLCDの種類によって異なる。反射型LCDでは、LCDの外側に位置する自然又は人工の光源を使用するので、画素電極に使用される材料は、金属アルミニウムの様な反射型導電性材料でなければならない。しかしながら、外部の光の強度が十分に強くない場合には、反射型LCDで表示される画像は低品質なものとなる。   The active LCD is the most popular LCD among the LCDs in use, and is provided on one of a substrate, a liquid crystal layer through which light passes, and a light guide by supplying an electric field to the liquid crystal layer. And a pixel electrode forming a panel. The metal used to fabricate the pixel electrode depends on the type of LCD used. Since a reflective LCD uses a natural or artificial light source located outside the LCD, the material used for the pixel electrode must be a reflective conductive material such as metallic aluminum. However, when the intensity of the external light is not sufficiently high, the image displayed on the reflective LCD is low quality.

上記問題を克服するために、バックライトと呼ばれる内在型光源が、導光パネルに付け加えられている。バックライトは、蛍光灯、発光ダイオード(LED)、又は電界発光ダイオード(EL)から液晶層に供給される。バックライトは、表示装置の背後に設けられるので、画素電極として使用される材料は、インジウムスズ酸化物(ITO)の様な透明な導電性材料でなければならない。しかしながら、バックライトは、LCDを大型化する(及び、重量とコストが付け加わる)ことに加えて、LCD内では電力を最も多く消費するため、常時使用するとバッテリ寿命を大幅に短縮することになる。   In order to overcome the above problem, an internal light source called a backlight is added to the light guide panel. The backlight is supplied to the liquid crystal layer from a fluorescent lamp, a light emitting diode (LED), or an electroluminescent diode (EL). Since the backlight is provided behind the display device, the material used as the pixel electrode must be a transparent conductive material such as indium tin oxide (ITO). However, in addition to increasing the size of the LCD (and adding weight and cost), the backlight consumes the most power in the LCD, which can significantly reduce battery life when used constantly. .

従って、電力消費を少なくすることが、緊急の研究課題になっており、トランスフレクティブ型LCDが開発された。トランスフレクティブ型LCDでは、画素電極は、在る箇所にはアルミニウムを配し別の箇所にITOを配した折衷型である。こうすると、外部光が良質の映像を提供できるだけの強度を有している場合は、その外部光を光源として使用し、外部光が十分な強度を有していない場合は、バックライトを光源として使用することができるようになる。しかしながら、画像が表示される領域は、トランスフレクティブ型LCDでは、透過モードと反射モードの何れにおいても狭くなる。   Therefore, reducing power consumption has become an urgent research subject, and transflective LCDs have been developed. In the transflective LCD, the pixel electrode is a foldable type in which aluminum is disposed at a certain location and ITO is disposed at another location. In this way, if the external light has enough intensity to provide a good quality image, use the external light as a light source, and if the external light does not have sufficient intensity, use the backlight as a light source. Will be able to use. However, the area where the image is displayed is narrow in both the transmissive mode and the reflective mode in the transflective LCD.

ポリマー分散型液晶(PDLC)層が、光ファイバー通信用途で切替を行うのに採用されている。使用例は少ないが、PDLC層は、トランスフレクティブ型LCDで、表示領域を広げるために使用されている。PDLCは、電圧が構造に印加されたときには、光が材料を透過できるようにし、電圧が印加されないときには、入射光を散乱させることにより構造を比較的不透明にする、光電材料である。PDLCは、モノマー又はオリゴマーと液晶分子との混合物であり、その後、ポリマー/オリゴマーを高分子化してポリマーを形成する。液晶分子は、凝集して微小な液滴となり、或る一定の条件の下でポリマーマトリクス内に分散される。PDLC層は、液晶パネルの直ぐ下の、バックライトと液晶パネルの間に配置されているので、電圧がPDLC層に印加されていない反射モードでは、外部光が散乱して、液晶表示部が発光し、電圧がPDLC層に印加される透過モードでは、PDLCは透明になって、バックライト(表面積を覆って広がる)からの光が下から直接当たって液晶層を照らすようになる。   Polymer dispersed liquid crystal (PDLC) layers are employed for switching in optical fiber communication applications. Although there are few examples of use, the PDLC layer is used in a transflective LCD to widen the display area. PDLC is a photovoltaic material that allows light to pass through the material when a voltage is applied to the structure and renders the structure relatively opaque by scattering incident light when no voltage is applied. PDLC is a mixture of monomers or oligomers and liquid crystal molecules, after which the polymer / oligomer is polymerized to form a polymer. The liquid crystal molecules aggregate into fine droplets and are dispersed within the polymer matrix under certain conditions. Since the PDLC layer is disposed between the backlight and the liquid crystal panel, directly below the liquid crystal panel, in the reflection mode in which no voltage is applied to the PDLC layer, external light is scattered and the liquid crystal display unit emits light. However, in the transmissive mode in which a voltage is applied to the PDLC layer, the PDLC becomes transparent and light from the backlight (spread over the surface area) strikes the liquid crystal layer directly from below.

他にも、バックライトが液晶パネルの直ぐ下に無いトランスフレクティブ型LCDもある。代わりに、バックライトは、液晶層の下の導光層に隣接しているものもある。導光層は、光を液晶層に誘導する。PDLC層が、上記構造と共に使用されたことはない。また、複雑さを増した技術の出現に伴い、トランスフレクティブ型LCDに光源を内蔵した使用法も新たに出てきた。分かり易い例として、追加の光源を必要とせずに、電子装置の前方の領域を照らし出す内部光源の使用がある。より具体的には、カメラ付き携帯電話の場合、バックライトは、例えば、被写体を照明して、実用性のある写真又は連続写真を撮影できるようにするために使用される。しかしながら、例えば、コスト、大きさ、重量、耐久性、及び最小電力消費量といった、小型電子機器に求められる許容範囲内で、上記の能力を提供できる構造又は光学スイッチは存在していない。   In addition, there is a transflective LCD in which the backlight is not directly below the liquid crystal panel. Alternatively, the backlight may be adjacent to the light guide layer below the liquid crystal layer. The light guide layer guides light to the liquid crystal layer. A PDLC layer has never been used with the above structure. In addition, with the advent of technology with increased complexity, a new usage of a light source built into a transflective LCD has also emerged. A straightforward example is the use of an internal light source that illuminates the area in front of the electronic device without the need for an additional light source. More specifically, in the case of a camera-equipped mobile phone, the backlight is used, for example, to illuminate a subject so that a practical photograph or continuous photograph can be taken. However, there are no structures or optical switches that can provide the above capabilities within acceptable limits required for small electronic devices such as cost, size, weight, durability, and minimum power consumption.

先ず概論として、本実施形態は、小型電子装置に使用するのが望ましく、また何処にでも使用することのできる、光学スイッチを提供している。光学スイッチは、発光ダイオード(LED)の様な広帯域光源からの光を、スイッチへの電圧の印加無しに、光源の全波長範囲に亘る実質的な減衰も無しに、透過させる。スイッチは、目に見えるほどの追加寸法無しに、例えば、カメラ付き携帯電話に装着できる程度にコンパクトであり、気付くほどの重量増加にならない程度に軽量である。スイッチは、偏光依存性が無く、S及びP偏光両方の光を、実質的な損失無しに透過させ回折する。即ち、スイッチの材料は、スイッチが、スイッチに印加された電圧に依存せずに、光源からの光のS及びP偏光の両方に実質的に同様に作用するように、様々な偏光を補償する。スイッチは、シャッターや他の要素を使用する必要が無いという限りにおいて非機械的なので、電子装置を落としたり電子装置に物理的衝撃が掛かっても、簡単にずれたり壊れたりしない頑丈な構成要素を提供することができる。   First, as an overview, the present embodiment provides an optical switch that is preferably used in small electronic devices and can be used anywhere. Optical switches transmit light from a broadband light source, such as a light emitting diode (LED), without applying a voltage to the switch and without substantial attenuation over the entire wavelength range of the light source. The switch is so compact that it can be mounted on, for example, a camera-equipped mobile phone without being visible to additional dimensions, and is light enough not to add a noticeable weight. The switch is polarization independent and transmits and diffracts both S and P polarized light without substantial loss. That is, the material of the switch compensates for the various polarizations so that the switch acts substantially similarly on both the S and P polarizations of light from the light source without depending on the voltage applied to the switch. . The switch is non-mechanical as long as it does not require the use of shutters or other elements, so it is a sturdy component that does not easily slip or break when the electronic device is dropped or subjected to a physical shock. Can be provided.

或る実施形態の光学スイッチは、相対する基板と、両基板の間に配置された電極を含んでおり、電極の間にはブラッグ格子が設けられている。ブラッグ格子は、高分子化フォトポリマーの領域と液晶が凝集した領域を含んでいる。電極が同じ電位を有している場合、フォトポリマーと液晶の屈折率は実質的に同じである。   An optical switch according to an embodiment includes an opposing substrate and an electrode disposed between the two substrates, and a Bragg grating is provided between the electrodes. The Bragg grating includes a region of polymerized photopolymer and a region where liquid crystals are aggregated. When the electrodes have the same potential, the refractive index of the photopolymer and the liquid crystal is substantially the same.

本発明の実施形態の内の1つの光学スイッチを備えている液晶表示装置は、相対する基板と、基板上の電極と、電極間の液晶層と、基板の互いに反対側に液晶層として配置されている偏光板と、偏光板の1つに配置されている導光部と、を有する液晶表示部も含んでいる。光学スイッチは、導光部と光源の間に配置されている。この光学スイッチは、相対する光学スイッチ基板と、光学スイッチ基板の間に配置された光学スイッチ電極と、電極の間に配置されたブラッグ格子を含んでいる。ブラッグ格子は、高分子化フォトポリマーの領域と液晶凝集体の領域を有しており、実質的に偏光依存性はない。   A liquid crystal display device including one optical switch according to an embodiment of the present invention is disposed as a liquid crystal layer on opposite sides of a substrate, electrodes on the substrate, a liquid crystal layer between the electrodes, and opposite sides of the substrate. And a liquid crystal display unit having a light guide unit disposed on one of the polarizing plates. The optical switch is disposed between the light guide unit and the light source. The optical switch includes an opposing optical switch substrate, an optical switch electrode disposed between the optical switch substrates, and a Bragg grating disposed between the electrodes. The Bragg grating has a region of a polymerized photopolymer and a region of a liquid crystal aggregate, and is substantially independent of polarization.

別の実施形態では、液晶装置を製造する方法は、LEDとホログラフィポリマー分散型液晶(HPDLC)を互いに隣接して配置する段階と、光源を出てHPDLCに入射した光が、HPDLCに電圧を印加すること無しに、実質的に回折されること無く、HPDLCを直接透過できるように、HPDLCを調整する段階と、の両段階を含んでいる。   In another embodiment, a method of manufacturing a liquid crystal device includes placing an LED and a holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC) adjacent to each other, and light entering the HPDLC from the light source applies a voltage to the HPDLC. And adjusting the HPDLC so that it can be directly transmitted through the HPDLC without being substantially diffracted.

別の実施形態では、ホログラフィポリマー分散型液晶(HPDLC)を製造する方法は、モノマーと液晶を配合して混合物を形成する段階と;得られた混合物を2枚の接合されたガラス基板の間の空洞に充填する段階と;接合された基板を、干渉パターンの高強度領域の高分子化を開始させ、液晶が低強度領域に拡散して、飽和し、凝集体に沈降し、液晶とポリマーの濃度による位相分離が起きるだけの十分な強度を有する交差コヒーレント放射線ビームにそれに十分な期間曝露する段階と;曝露された混合物に均一な放射線ビームを横溢照射して、液晶凝集体を硬化したポリマーマトリクスで被い、横溢照射された混合物に電圧を印加すること無く、凝集体の屈折率がマトリクスの屈折率と同じになるようにする段階と、を含んでいる。   In another embodiment, a method of making a holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC) comprises combining a monomer and liquid crystal to form a mixture; and the resulting mixture between two bonded glass substrates. Filling the cavities; starting the polymerisation of the bonded substrates in the high-intensity region of the interference pattern, the liquid crystal diffuses into the low-intensity region, saturates, settles into aggregates, and the liquid crystal and polymer Exposing it to a cross-coherent radiation beam having sufficient intensity to cause phase separation by concentration for a sufficient period of time; irradiating the exposed mixture with a uniform radiation beam to cure the liquid crystal aggregates And without causing voltage to be applied to the mixture that has been overfilled, and allowing the refractive index of the aggregate to be the same as the refractive index of the matrix.

上記要約は、概論として記載した。この章の記載には、本発明の範囲を定義する特許請求の範囲に対する限定と見なすべきものは何ら存在しない。   The above summary has been provided as an overview. Nothing in this section should be considered limiting to the claims that define the scope of the invention.

上記のように、トランスフレクティブLCDでは、光源からの光は、LCDの導光層と透明基板を通してLCDに供給される。通常、光源と液晶パネルの間に、スイッチは設けられていない。機械的スイッチを採用することもできるが、その様なスイッチは、比較的嵩張り、LCDとスイッチが収納される装置に相当な重量が加わることになる。また、LCDの寸法が大幅に増し、比較的脆くなり(即ち、装置を落としたり何らかの物理的衝撃を加えたりすると、スイッチは簡単に壊れ、外れ、又はずれてしまう)、大きな電力/電流が必要になることは、機械的スイッチの使用にとって深刻な不具合点となる。切替を行い、上記数多くの問題を緩和するため、HPDLCが装置に一体的に組み込まれている。本発明によるHPDLCは、切替の応答時間を劇的に短縮し、機械的スイッチの応答時間が通常10−20ミリ秒であるのに対し、本発明のHPDLCでは、応答時間は10μ秒から1−2ミリ秒と、1ないし3桁速くなる。HPDLCに基づく光学スイッチには可動部品が一切存在していないので、故障が起きるまでの時間も遙かに長くなる。   As described above, in the transflective LCD, light from the light source is supplied to the LCD through the light guide layer of the LCD and the transparent substrate. Usually, no switch is provided between the light source and the liquid crystal panel. Although mechanical switches can be employed, such switches are relatively bulky and add considerable weight to the LCD and the device in which the switch is housed. Also, the size of the LCD is greatly increased and becomes relatively fragile (ie, if the device is dropped or some physical shock is applied, the switch can easily be broken, disconnected, or displaced) and requires large power / current This is a serious drawback for the use of mechanical switches. In order to switch and alleviate the above problems, HPDLC is integrated into the device. The HPDLC according to the present invention dramatically shortens the switching response time and the response time of the mechanical switch is typically 10-20 milliseconds, whereas with the HPDLC of the present invention, the response time ranges from 10 μs to 1− 2 milliseconds, 1 to 3 orders of magnitude faster. Since there are no moving parts in the optical switch based on HPDLC, the time until failure occurs is much longer.

従来のHPDLCを使用する場合は、数多くの問題点が存在する。これに限るわけではないが、1つの大きな問題は、従来のHPDLCでは、内部光源からの光を全量は利用できないことである。即ち、従来のHPDLCは、偏光依存性があるので、例えば、従来のHPDLCを透過する光の量は直ちに半分になる。HPDLCを光源と導光パネルの間に配置した構成は、何れも、半分の量の光しか使用できないので、従来のHPDLCの無い場合に導光部に当たる光の量と等しくするには、より大量の電力が必要になる。   There are a number of problems when using conventional HPDLC. Although not limited to this, one major problem is that the entire amount of light from the internal light source cannot be used in the conventional HPDLC. That is, since the conventional HPDLC has polarization dependency, for example, the amount of light transmitted through the conventional HPDLC is immediately halved. In any configuration in which the HPDLC is arranged between the light source and the light guide panel, only half the amount of light can be used. Therefore, in order to make the amount equal to the amount of light hitting the light guide without the conventional HPDLC, a larger amount Power is required.

また、電子装置、特に携帯型装置の薄型化が益々必要となっているため、液晶パネルに更に多層要素を追加することはあまり望ましくない。従って、HPDLCを光源と導光部の間に配置して、液晶表示部が、液晶パネル、導光部、HPDLC、光源、及び光源からの光をHPDLCに向けて反射して戻すための光源の下の不透明な反射器、を含むようにすることはできるが、電子機器の最小化のためには他の実施形態のほうがもっと適しているかもしれない。   In addition, since it is increasingly necessary to make electronic devices, particularly portable devices, thinner, it is less desirable to add more multilayer elements to the liquid crystal panel. Therefore, the HPDLC is disposed between the light source and the light guide unit, and the liquid crystal display unit reflects the liquid crystal panel, the light guide unit, the HPDLC, the light source, and the light source for reflecting the light from the light source back toward the HPDLC. The lower opaque reflector can be included, but other embodiments may be more suitable for minimizing electronics.

ある実施形態では、HPDLCは、図4に示し以下に説明するように、導光部に隣接して配置されている。換言すると、HPDLCは、導光部の下ではなく、導光部の端部付近に横方向に配置されている。導光部の端部の配置を、これ以後、端部取付HPDLCと呼び、これに対し、導光部の下の配置を面取付HPDLCと呼ぶことにする。これによって構造の厚さが薄くなり、他の電子機器要素を同じ様式で付近に配置することによって、装置全体の寸法を(仮にあったとしても)実質的に増やすことなく、HPDLCを使用することができるようになる。この様な構造は、必要に応じて、逸れた光をどこかで利用できるようにする。   In some embodiments, the HPDLC is positioned adjacent to the light guide, as shown in FIG. 4 and described below. In other words, the HPDLC is arranged in the lateral direction near the end of the light guide, not under the light guide. The arrangement of the end portions of the light guide is hereinafter referred to as end mounting HPDLC, while the arrangement under the light guide is referred to as surface mounting HPDLC. This reduces the thickness of the structure and uses HPDLC without substantially increasing the overall device dimensions (if any) by placing other electronic components nearby in the same manner. Will be able to. Such a structure makes it possible to make use of diverted light somewhere if necessary.

しかしながら、従来のHPDLCを使用すれば、上記偏光問題がなお発生する。また、従来のHPDLCは、電圧を印加しなければ、光を光学スイッチに直接透過させることができないというのも問題である。これは、従来のHPDLCは、数ボルト以上(通常は1Vから20V)の電圧がHPDLCに印加されているときしか、光を透過させないということである。従って、端部取付型光源のPDLCでは、光学スイッチを、装置の正常な作動状態である透過状態に置くには、大量の電力が消費される。   However, if the conventional HPDLC is used, the above polarization problem still occurs. Another problem with the conventional HPDLC is that light cannot be transmitted directly to the optical switch unless a voltage is applied. This means that the conventional HPDLC transmits light only when a voltage of several volts or more (usually 1 V to 20 V) is applied to the HPDLC. Therefore, in the PDLC of the end-mounted light source, a large amount of power is consumed to place the optical switch in the transmission state, which is a normal operation state of the apparatus.

この様な従来のHPDLCの一例を図9(a)に示しているが、この例では、格子の応答は偏光に依存している。図示のように、422nmのS偏光レーザー光では、印加電圧が0Vから40Vに上がると、回折効率は約15%から5%未満に低下する。しかしながら、P偏光の光では、同一電圧範囲でも、回折効率は100%近くから殆ど0%まで低下する。換言すると、従来のHPDLCの透過効率は、S及びP偏光の光それぞれについて、85%から95%以上まで、及び0%からほぼ100%まで、それぞれ上昇するので、両方の偏光を透過させるには、比較的高い電圧を印加する必要がある。   An example of such a conventional HPDLC is shown in FIG. 9A. In this example, the response of the grating depends on the polarization. As shown in the figure, in the S-polarized laser beam of 422 nm, when the applied voltage increases from 0V to 40V, the diffraction efficiency decreases from about 15% to less than 5%. However, with P-polarized light, the diffraction efficiency drops from nearly 100% to almost 0% even in the same voltage range. In other words, the transmission efficiency of the conventional HPDLC increases from 85% to over 95% and from 0% to almost 100% for S and P polarized light, respectively. It is necessary to apply a relatively high voltage.

ここに開示しているHPDLCを使用すれば、機械的に安定し使用電力の少ない光学スイッチを形成することができる。ホログラフィ光学スイッチは、携帯型電子機器、又は薄型で低電力のスイッチが求められる他の装置に使用するのに理想的である。例えば、この様な光学スイッチは、カメラ付き携帯電話用の追加の光源を提供するのに使用することができるので、比較的短い距離の写真を、外部電源を使うこと無く撮影することができる。中に封入されるフォトポリマーマトリクスと液晶、並びに格子寸法を適切に選択すれば、構造へ電圧を印加すること無くスイッチの透過率を最大化することができ、同時に、実質的に偏光依存性のないスイッチを提供できるようになる。これで、LEDの様な広帯域光源からの光を液晶表示部に利用することができるようになる。光は、露呈されているエッジ構造で比較的簡単に、光パネルに連結することができる。ここで露呈されている格子は、比較的薄くて、厚さが10μm未満、代表的には2μmから4μmであり、所望の印加電圧で十分な回折効率を有しながら、(例えば、最大透過率の10%で少なくとも約10μmというように、実質的に減衰すること無く光源からの光を適切に透過させるのに十分な)比較的広範な通過帯域を提供している。   By using the HPDLC disclosed herein, an optical switch that is mechanically stable and uses less power can be formed. Holographic optical switches are ideal for use in portable electronic devices or other devices where a thin, low power switch is required. For example, such an optical switch can be used to provide an additional light source for a camera phone, so that relatively short distance photographs can be taken without using an external power source. Appropriate selection of the photopolymer matrix and liquid crystal and the grid dimensions encapsulated in it can maximize the transmission of the switch without applying a voltage to the structure, while at the same time being substantially polarization dependent. You will be able to provide no switch. Thus, light from a broadband light source such as an LED can be used for the liquid crystal display unit. Light can be coupled to the light panel relatively easily with the exposed edge structure. The gratings exposed here are relatively thin and have a thickness of less than 10 μm, typically 2 μm to 4 μm, while having sufficient diffraction efficiency at the desired applied voltage (eg, maximum transmittance). Providing a relatively broad passband (sufficient to adequately transmit light from the light source, with substantially no attenuation, such as 10% of at least about 10 μm).

ホログラフィポリマー分散型液晶(HPDLC)は、ブラッグ格子(立体位相格子、ホログラム又はホログラフィ格子、又は回折格子としても知られている)をポリマー分散型液晶混合体内に記録することによって形成される光学装置である。図1に示すように、HPDLC装置100は、液晶表示部の液晶パネルの製作工程と同様に、側面が密封されている2つの平行な基板102を使って、組み合わせによって形成される空洞に、フォトポリマーと液晶材料の混合物106を充填することにより製作される。両基板102は、球形の挿入物又はプリズム状突起の様なスペーサ(図示せず)を使用して、均一な間隔に配置されている。   Holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC) is an optical device formed by recording a Bragg grating (also known as a three-dimensional phase grating, hologram or holographic grating, or diffraction grating) in a polymer dispersed liquid crystal mixture. is there. As shown in FIG. 1, the HPDLC device 100 uses a two parallel substrates 102 whose side surfaces are sealed in a cavity formed by combination in the same manner as in the manufacturing process of the liquid crystal panel of the liquid crystal display unit. Fabricated by filling a mixture 106 of polymer and liquid crystal material. Both substrates 102 are spaced evenly using spacers (not shown) such as spherical inserts or prismatic protrusions.

基板102は、約400nmから約800nmの可視波長範囲の様な特定の波長範囲に対して実質的に透明であるガラスや他の材料から作られている。基板102は、関心対象の特定の波長範囲での透過率を99%以上に改善するために、反射防止被覆を施してもよい。   The substrate 102 is made of glass or other material that is substantially transparent to a specific wavelength range, such as the visible wavelength range of about 400 nm to about 800 nm. The substrate 102 may be provided with an anti-reflective coating to improve the transmission in the specific wavelength range of interest to 99% or higher.

基板102を形成している1つ又はそれ以上のガラスの例として、BK7、FK51、LAK6を挙げることができるが、特定のガラスには、切り替えの成果に与える効果が殆ど無いものもある。ガラスに代えて又は追加して使用できる他の材料には、例えば、石英やプラスチックがある。プラスチック基板の種類としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)の様な、又はポリビニルアルコール(PVA)、ポリカーボネート(PC)又はトリアセチルセルロース(TAC)系の、ポリエステルが挙げられる。複屈折基板では、例えば、単軸伸延プラスチック膜を使用してもよい。基板は、研磨ポリイミドで被覆してもよい。複屈折基板又は研磨ポリイミドを使用すると、光学スイッチの偏光依存性が低くなる。偏光性材料を薄層106として使用すれば、高分子化後に、基板を除去してもしなくともよい。高分子化後に高分子膜から基板を除去しない場合には、等方性基板を使用してもよい。   Examples of one or more glasses forming the substrate 102 include BK7, FK51, and LAK6, although certain glasses have little effect on the outcome of switching. Other materials that can be used in place of or in addition to glass include, for example, quartz and plastic. Examples of the type of plastic substrate include polyesters such as polyethylene terephthalate (PET) or polyvinyl alcohol (PVA), polycarbonate (PC), or triacetyl cellulose (TAC). For a birefringent substrate, for example, a uniaxially stretched plastic film may be used. The substrate may be coated with abrasive polyimide. When a birefringent substrate or polishing polyimide is used, the polarization dependency of the optical switch is lowered. If a polarizing material is used as the thin layer 106, the substrate may or may not be removed after the polymerization. If the substrate is not removed from the polymer film after polymerization, an isotropic substrate may be used.

一方又は両方の基板は、透明な電極104を支持している。電極104は、インジウムスズ酸化物又はインジウム亜鉛酸化物の膜の様な多種多様な透明膜の何れで形成してもよい。電極104間に電圧を供給し、HPDLC層106間に電界をかける。   One or both substrates support a transparent electrode 104. The electrode 104 may be formed of any of a wide variety of transparent films such as indium tin oxide or indium zinc oxide films. A voltage is supplied between the electrodes 104 and an electric field is applied between the HPDLC layers 106.

格子100を製作する際は、上記のように、高分子化可能な液晶材料106を、透明な電極104を含んでいる2つの基板の間の空間に充填して、液晶材料を一様な向きに整列させる。ここで、液晶材料の向きは、形成後の固体ポリマー構造によって永久的に固定されることになる。   When the grating 100 is manufactured, as described above, the liquid crystal material 106 that can be polymerized is filled in the space between the two substrates including the transparent electrode 104 so that the liquid crystal material is uniformly oriented. To align. Here, the orientation of the liquid crystal material is permanently fixed by the solid polymer structure after formation.

高分子化可能液晶材料の高分子化は、例えば、コヒーレント放射に曝露することにより実現される。放射源としては、レーザーが一般的に使用されている。UV、可視、又はIRの波長を使用することができ、X線、ガンマ線、又は他の高エネルギー粒子、例えば、イオンや電子なども使用することができる。この様に、放射線は、フォトリソグラフィ放射、即ち、位相マスクを介しての露光を含めた標準的なフォトリソグラフィ工程に使用される放射でもよい。用途と処方にもよるが、混合物は、フォトイニシエータ、表面活性剤、及び他の成分を追加的に含んでいてもよい。フォトイニシエータがある場合、フォトイニシエータは、高分子化時の放射の波長で吸収される。例えば、UVレーザーを使用して高分子化させる場合、UV照射下で分解して高分子化反応を開始する遊離基又はイオンを生成する1つ又はそれ以上のフォトイニシエータを使用することができる。市販されているフォトイニシエータの例を挙げると、Irgacure651、Irgacure184、Darocure1173、又はDarocure4265(以上は、Ciba Geigy株式会社)又はUVI6974(Union Carbide社)がある。どのフォトイニシエータの場合も、混合物全組成量に含まれるフォトイニシエータは、約0.01重量%から約10重量%である。   Polymerization of the polymerizable liquid crystal material is realized by, for example, exposure to coherent radiation. As a radiation source, a laser is generally used. UV, visible, or IR wavelengths can be used, and X-rays, gamma rays, or other high-energy particles such as ions and electrons can also be used. Thus, the radiation may be photolithography radiation, ie, radiation used in standard photolithography processes including exposure through a phase mask. Depending on the application and formulation, the mixture may additionally contain photoinitiators, surfactants, and other ingredients. When there is a photoinitiator, the photoinitiator is absorbed at the wavelength of radiation when polymerized. For example, when polymerizing using a UV laser, one or more photoinitiators can be used that generate free radicals or ions that decompose under UV irradiation to initiate the polymerization reaction. Examples of commercially available photoinitiators include Irgacure 651, Irgacure 184, Darocure 1173, or Darocure 4265 (above Ciba Geigy) or UVI 6974 (Union Carbide). In any photoinitiator, the photoinitiator included in the total composition amount is from about 0.01% to about 10% by weight.

硬化時間は、高分子化可能材料の反応性、被覆層の厚さ、高分子化イニシエータの種類、及び放射源の強さによって異なる。硬化時間は、高スループット処理が望ましい場合にはできるだけ短い方がよい。一般には、硬化時間は長くても数分である。   The curing time depends on the reactivity of the polymerizable material, the thickness of the coating layer, the type of polymerized initiator, and the intensity of the radiation source. The curing time should be as short as possible when high throughput processing is desired. In general, the curing time is at most several minutes.

高分子化イニシエータの他にも、高分子化可能材料は、1つ又はそれ以上の他の適した成分、例えば、触媒、安定剤、連鎖移動剤、又は同時反応モノマーを含んでいてもよい。特に、安定剤の添加は、例えば、高分子化可能材料が保存中に不本意にも自然発生的に高分子化することを防止する。   In addition to the polymerizing initiator, the polymerisable material may include one or more other suitable components, such as catalysts, stabilizers, chain transfer agents, or co-reacting monomers. In particular, the addition of a stabilizer prevents, for example, the polymerizable material from unintentionally spontaneously polymerizing during storage.

安定剤としては、当業者に周知の、この目的にかなった全ての化合物が使用できる。これらの化合物は、広範囲に市販されている。安定剤の代表的な例としては、4-エトキシフェノール又はブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)がある。   As stabilizers, all compounds suitable for this purpose known to those skilled in the art can be used. These compounds are widely available commercially. Representative examples of stabilizers include 4-ethoxyphenol or butylated hydroxytoluene (BHT).

他の添加剤としては、例えば、ポリマー膜の物理的特性を改質するために、連鎖移動剤を高分子化可能材料に添加してもよい。ドデカンチオールのような単官能基チオール化合物、又はトリメチルプロパン・トリ(3−メルカプトプロピオネート)のような多官能基チオール化合物、等の様な連鎖移動剤を、高分子化可能材料に添加すると、自由ポリマー鎖の長さ及び/又は本発明のポリマー膜の2つの架橋の間のポリマー鎖の長さを制御することができる。連鎖移動剤の量を増やすと、得られるポリマー膜のポリマー鎖の長さは短くなる。   As other additives, for example, a chain transfer agent may be added to the polymerizable material in order to modify the physical properties of the polymer film. When a chain transfer agent such as a monofunctional thiol compound such as dodecanethiol or a polyfunctional thiol compound such as trimethylpropane tri (3-mercaptopropionate) is added to the polymerizable material, It is possible to control the length of the free polymer chain and / or the length of the polymer chain between two crosslinks of the polymer membrane of the invention. When the amount of the chain transfer agent is increased, the length of the polymer chain of the resulting polymer film is shortened.

図2に示すように、一般的な製作装置200は、波長が約400nmよりも短いレーザービーム201を放射するUVレーザー202を含んでいる。レーザービーム201は、レーザービーム201の存在が望ましいか否かによって開き又は閉じるシャッター204により制御される。シャッター204は、ビームが、液体材料214を含んでいる格子構造に当たる前であれば、基本的にレーザービームの経路沿いの何処に配置してもよい。レーザービーム201は、次いで偏光器206に当たり、偏光されたレーザービーム201となってビーム拡大器208に入射する。ビーム拡大器208は、レーザービーム201の半径を大きくして、拡大ビーム203を形成する。レーザービーム201を拡大することで、格子構造214の全面積を拡大ビーム203で覆えるようになり、或る実施形態では断面積が約100cm2のビーム柱となっている。広い露光面積は、露光のパワー密度をより精度よく制御できること、ひいては緩い製作許容差と高い効率の様な、別の利点をもたらす。ビームスプリッタ210は、拡大されたレーザービーム203を相互に可干渉性の2つのビームに分割し、それら分割されたビームが鏡212によって方向決めされて格子構造214に照射される。2つのビームは、同一であってもなくてもよい。高品質の前面鏡が使用されている。本発明のHPDLCの生成に使用される代表的なレーザーパワーは、波長がUV領域内の場合には、約10mWから約500mWである。本発明のHPDLC構造の場合の代表的な硬化時間は、約1秒から約300秒である。   As shown in FIG. 2, a typical fabrication apparatus 200 includes a UV laser 202 that emits a laser beam 201 having a wavelength shorter than about 400 nm. The laser beam 201 is controlled by a shutter 204 that opens or closes depending on whether the presence of the laser beam 201 is desired. The shutter 204 may be placed basically anywhere along the path of the laser beam, as long as the beam hits the grating structure containing the liquid material 214. The laser beam 201 then strikes the polarizer 206, becomes a polarized laser beam 201 and enters the beam expander 208. The beam expander 208 increases the radius of the laser beam 201 to form the expanded beam 203. By enlarging the laser beam 201, the entire area of the grating structure 214 can be covered by the expanded beam 203, which in one embodiment is a beam column with a cross-sectional area of about 100 cm2. A large exposure area provides other advantages, such as more precise control of the power density of the exposure and thus loose manufacturing tolerances and high efficiency. The beam splitter 210 divides the expanded laser beam 203 into two coherent beams, and the divided beams are directed by the mirror 212 and irradiated on the grating structure 214. The two beams may or may not be identical. High quality front mirrors are used. Typical laser power used to produce the HPDLC of the present invention is about 10 mW to about 500 mW when the wavelength is in the UV region. Typical cure times for the HPDLC structures of the present invention are from about 1 second to about 300 seconds.

ブラッグ格子214は、分割された拡大レーザービーム203同士の干渉によって、ビームの交差領域に形成される。オブジェクトビームとリファレンスビームが交差領域で衝突している様子の拡大図を図3に示している。この回折格子214は、液晶内に分散したフォトポリマー内に、偏光ビーム同士の相互作用によって干渉パターンが生成された結果である。フォトポリマーがこの干渉パターンに曝されると、フォトポリマー自体が同じ様にパターン化されるので、実際に干渉パターンがセルに埋め込まれることになる。   The Bragg grating 214 is formed in the beam crossing region by the interference between the divided enlarged laser beams 203. FIG. 3 shows an enlarged view of the state in which the object beam and the reference beam collide at the intersection region. The diffraction grating 214 is a result of generating an interference pattern by the interaction of polarized beams in the photopolymer dispersed in the liquid crystal. When the photopolymer is exposed to this interference pattern, the photopolymer itself is patterned in the same way, so that the interference pattern is actually embedded in the cell.

より具体的には、液晶とモノマー及び/又はオリゴマーの均質の混合物、並びにフォトイニシエータと表面活性剤を含有しているポリマーシロップセルが、干渉領域の中心に置かれる。記録工程の間に、フォトポリマーは高分子化して、混合物は位相分離を来し、透明なポリマーの領域が点在している、液晶液滴が高密度に詰った領域ができる。即ち、電気的に切替可能な格子は、小分子液晶をマイクロ位相分離することによって、ホログラフィ的に定義された周期的パターンを持つ高分子化有機マトリクスから形成される。高分子化は、干渉パターンの高強度領域に曝露することにより開始される。液晶液滴という用語は、涙滴や球状の様な特定の形状ではなく、単に液晶の塊を指す。   More specifically, a homogeneous mixture of liquid crystals and monomers and / or oligomers, and a polymer syrup cell containing a photoinitiator and a surfactant are placed in the center of the interference region. During the recording process, the photopolymer becomes polymerized and the mixture undergoes phase separation, creating areas with densely packed liquid crystal droplets, interspersed with transparent polymer areas. That is, the electrically switchable grating is formed from a polymerized organic matrix having a periodic pattern defined by holography by microphase separation of a small molecule liquid crystal. Polymerization is initiated by exposure to high intensity regions of the interference pattern. The term liquid crystal droplet simply refers to a mass of liquid crystal, not a specific shape such as a teardrop or sphere.

媒体内の2つの平面波の干渉は、2つの電界の和として説明することができる。光学的強度(電界振幅の平方)は、高強度領域では4倍になる。これは即ち、建設的干渉が起こると強度は4I0となり、破壊的干渉が起こると強度はゼロとなる、ということである。この様に、波長の振幅が加算されると建設的干渉が起きて、高強度領域で強度は最大となり、波長の振幅が互いに打ち消し合うと破壊的干渉が起きて、低強度領域で強度は最小となる。   The interference of two plane waves in the medium can be described as the sum of two electric fields. The optical intensity (square of electric field amplitude) is quadrupled in the high intensity region. This means that when constructive interference occurs, the intensity is 4I0, and when destructive interference occurs, the intensity is zero. In this way, constructive interference occurs when the wavelength amplitude is added, and the intensity is maximum in the high intensity region, and destructive interference occurs when the wavelength amplitudes cancel each other, and the intensity is minimum in the low intensity region. It becomes.

高強度領域では、モノマーは互いに架橋し始め、ポリマー鎖を形成する。低強度領域では、高分子化は殆ど起きない。他のモノマー又はオリゴマーは、これら明るい領域へと拡散して、急速に架橋結合してポリマー鎖と成る。同時に、液晶は、低密度領域に拡散し、飽和して、液滴を沈降させ、この液滴は拡散過程が継続するにつれて大きく成長する。露光時間を遠隔的に制御するために、タイムシャッターが使用されている。拡散過程が適切な段階に到ると、混合物全体に均一的な光を横溢照射して、液晶の液滴全体を、完全に硬化したポリマーマトリクスで被い、固体格子層とする。液晶が多い領域と液晶が無くなった領域が交互に配置された構成が格子の縞面を形成する。均一光の代表的な供給源としては、レーザー又は従来のUV光が挙げられる。   In the high strength region, the monomers begin to cross each other and form polymer chains. In the low-strength region, polymerization hardly occurs. Other monomers or oligomers diffuse into these bright areas and rapidly crosslink into polymer chains. At the same time, the liquid crystal diffuses into the low density region, saturates and settles the droplets, which grow larger as the diffusion process continues. A time shutter is used to remotely control the exposure time. When the diffusion process reaches an appropriate stage, the entire mixture is flooded with uniform light, and the entire liquid crystal droplet is covered with a completely cured polymer matrix to form a solid lattice layer. A configuration in which regions having a large amount of liquid crystal and regions having no liquid crystal are alternately arranged forms a striped surface of the lattice. Typical sources of uniform light include lasers or conventional UV light.

ブラッグ格子は、非常に高い拡散効率を示し、これはHPDLC層間に印加される電界の強さによって制御される。液滴の集合体は、点在しているポリマー領域の有効屈折率(n)とは異なる有効屈折率(nLCM)を有する均質領域として「見える」。屈折率変調は、Δn=nLCM−nである。基本的なパラメータは、図4(a)と図4(b)の例に示されており、格子周期Λ(格子間隔とも称される)、屈折率変調、傾斜角Φ、及び格子ベクトルK、であるが、これらについては後で説明する。 Bragg gratings exhibit very high diffusion efficiency, which is controlled by the strength of the electric field applied between the HPDLC layers. A collection of droplets “looks” as a homogeneous region having an effective refractive index (n LCM ) that is different from the effective refractive index (n p ) of the interspersed polymer region. The refractive index modulation is Δn = n LCM −n p . The basic parameters are shown in the examples of FIGS. 4A and 4B, where the grating period Λ (also referred to as the grating spacing), refractive index modulation, tilt angle Φ, and grating vector K, However, these will be described later.

作成されたHPDLCは、透過ホログラムと反射ホログラムという2つの種類に分類され、それぞれ図5(a)と図5(b)に示されている。透過格子では、入射ビームと回折ビームは、格子の互いに反対側に位置している。反射格子では、入射ビームと回折ビームは、格子の同じ側に位置している。   The created HPDLCs are classified into two types, transmission holograms and reflection holograms, and are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), respectively. In a transmission grating, the incident beam and the diffracted beam are located on opposite sides of the grating. In a reflective grating, the incident beam and the diffracted beam are located on the same side of the grating.

従来の格子とは異なり、屈折率変調Δn=nLCM−nは、電気光学効果に基づいて変化する。換言すると、液滴内の液晶は、電極を介した外部電界の印加に応答する。外部電界を掛けると、液晶分子のディレクタは電界と整列するので、HPDLC格子は、2つの状態の間を切り替わる。液晶液滴の自然な向きは、電界が掛けられていないときの不揃いな向きから、掛けられた電界と整列した状態に変化する。一方の状態では、液滴とポリマーマトリクスは同じ屈折率(n=nLCM)を有し、組成全体が1つの屈折率を有する均一な材料のように見える。他方の状態では、液晶が多い領域とマトリクスは、Δn=nLCM−nだけ屈折率に違いがあり、組成全体は、はっきりと画定された格子を呈する。 Unlike conventional gratings, the refractive index modulation Δn = n LCM -n p changes based on the electro-optic effect. In other words, the liquid crystal in the droplet responds to the application of an external electric field through the electrode. When an external electric field is applied, the director of the liquid crystal molecules aligns with the electric field, so that the HPDLC grating switches between the two states. The natural orientation of the liquid crystal droplets changes from an uneven orientation when no electric field is applied to a state aligned with the applied electric field. In one state, the droplet and the polymer matrix have the same refractive index (n p = n LCM ) and the entire composition appears to be a uniform material with one refractive index. In the other state, the liquid crystal rich region and the matrix differ in refractive index by Δn = n LCM −n p and the entire composition exhibits a well-defined lattice.

格子は、高分子化フォトポリマーと液晶凝集体を含んでいる1つの材料層を含有するものとして示しているが、異なる材料を含んでいる多層としてもよい。その様な層は、異なる高分子化フォトポリマーと液晶凝集体の一方又は両方を含んでおり、各層は、1つ又はそれ以上の他の層とは異なる材料及び/又は組成物で形成される。   Although the grating is shown as containing one material layer containing a polymerized photopolymer and liquid crystal aggregates, it may be a multilayer containing different materials. Such layers include one or both of different polymeric photopolymers and liquid crystal aggregates, each layer being formed of a different material and / or composition than one or more other layers. .

HPDLC格子では、図6と図7に示すように、格子は、外部電界を掛けると液晶分子が整列するので、2つの状態の間を切り替わる。一方の状態では、液滴とポリマーマトリクスは同じ屈折率(n=nLCM)を有し、組成全体が1つの屈折率を有する均一な材料のように見える。他方の状態では、液晶が多い領域とマトリクスは、Δn=nLCM−nだけ屈折率に違いがあり、組成全体ははっきりと画定された格子を呈する。 In the HPDLC grating, as shown in FIGS. 6 and 7, the grating switches between two states because liquid crystal molecules align when an external electric field is applied. In one state, the droplet and the polymer matrix have the same refractive index (n p = n LCM ) and the entire composition appears to be a uniform material with one refractive index. In the other state, the region rich in liquid crystal and the matrix differ in refractive index by Δn = n LCM −n p and the entire composition exhibits a well-defined lattice.

従来のHPDLCでは、LC−ポリマー境界面に対して垂直の向きに配置された液晶液滴の屈折率は、ポリマー領域の屈折率とは異なるので、構造の屈折率に変調が起きる。電界が掛けられると、液晶液滴は一様に同じ方向に向き、それら液晶液滴とポリマー領域の屈折率は最終的に等しくなる。換言すると、ポリマー領域の屈折率と、液晶液滴の平均屈折率は、特定の非ゼロ電界が構造に掛けられたときにのみ整合する(以後、最大電圧と称する)。この様に、電極へ電圧を掛けると、縞の屈折率変調が小さくなり、ホログラム回折効率が非常に低い水準まで下がり、これを別の言い方で説明すると、最大電圧が電極間に掛けられているときは、装置に衝突した光は、図6(a)と図6(b)に示すように、基本的には完全に装置を透過する。   In the conventional HPDLC, the refractive index of the liquid crystal droplets arranged in a direction perpendicular to the LC-polymer interface is different from the refractive index of the polymer region, so that the refractive index of the structure is modulated. When an electric field is applied, the liquid crystal droplets are uniformly oriented in the same direction, and the refractive indexes of the liquid crystal droplets and the polymer region are finally equal. In other words, the refractive index of the polymer region and the average refractive index of the liquid crystal droplets match only when a specific non-zero electric field is applied to the structure (hereinafter referred to as the maximum voltage). Thus, when a voltage is applied to the electrodes, the refractive index modulation of the stripes is reduced, and the hologram diffraction efficiency is lowered to a very low level. In other words, the maximum voltage is applied between the electrodes. When the light hits the device, it basically passes completely through the device as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).

具体的には、電気的に切替可能な格子は、基本的には、回折特性がKogelnikモデルを使ってうまく予測できる立体位相格子である。回折特性は、屈折率変調が次の式により与えられるものとして、モデル化することができる:

Figure 2007538293
Specifically, the electrically switchable grating is basically a three-dimensional phase grating whose diffraction characteristics can be predicted well using the Kogelnik model. The diffraction properties can be modeled as the index modulation is given by the following equation:
Figure 2007538293

ここに、nは平均屈折率、Kは格子ベクトル、rは位置座標である。式()において、nは、次の式により与えられる屈折率変調振幅である:

Figure 2007538293
Here, n 0 is an average refractive index, K is a lattice vector, and r is a position coordinate. In equation ( 1 ), n 1 is the refractive index modulation amplitude given by:
Figure 2007538293

ここに、fは格子中の位相分離した液晶の体積分率、nはポリマーの屈折率、nLCMは液晶液滴の平均屈折率、αは格子周期Λに液晶液滴が占める割合である。インライン反射格子の場合、TE及びTM偏光の回折効率の式も、Kogelnikにより予測されるものと同じであり、次の式により与えられる:

Figure 2007538293
Where f c is the volume fraction of the phase separated liquid crystal in the lattice, n p is the refractive index of the polymer, n LCM is the average refractive index of the liquid crystal droplets, and α is the ratio of the liquid crystal droplets to the lattice period Λ. is there. For inline reflective gratings, the equation for diffraction efficiency for TE and TM polarization is also the same as that predicted by Kogelnik and is given by:
Figure 2007538293

ここに、Rはピーク反射、dは格子長、λはブラッグ波長、n=n+f(nLCM−n)である。 Here, R is peak reflection, d is the grating length, λ is the Bragg wavelength, and n 1 = n p + f (n LCM −n p ).

性能特性に影響を及ぼす1つのパラメータに、屈折率変調がある。屈折率変調は、高回折効率(約100%)を達成するため、通常は0.01から0.2の範囲にある。HPDLCセルの厚さ(相互作用長)は、1ミクロンから25ミクロンの範囲にある。最適化された製作工程は、拡散と高分子化の平衡が取れた割合を採用している。   One parameter that affects performance characteristics is refractive index modulation. The refractive index modulation is usually in the range of 0.01 to 0.2 in order to achieve high diffraction efficiency (about 100%). The HPDLC cell thickness (interaction length) is in the range of 1 to 25 microns. The optimized manufacturing process employs a proportion that balances diffusion and polymerisation.

用途の要件に基づき、異なる膜厚を設計して、格子記録用の対象基板上に配置する。反射格子の場合、フィルタの通過帯域幅は次の式に従って計算することができる:

Figure 2007538293
Based on the requirements of the application, different film thicknesses are designed and placed on the target substrate for lattice recording. For reflective gratings, the passband width of the filter can be calculated according to the following formula:
Figure 2007538293

ここに、λは記録用波長、γは記録用干渉測定格子の空間周波数、Tは膜厚である。従って、記録用波長と空間周波数がほぼ等しい大きさで、膜厚が約4mmの場合、通過帯域周波数は約300nmとなり、LEDからの光を実質的な減衰無しに通過させるに十分な幅である。   Here, λ is a recording wavelength, γ is a spatial frequency of the recording interference measurement grating, and T is a film thickness. Therefore, when the recording wavelength and the spatial frequency are approximately the same size and the film thickness is approximately 4 mm, the passband frequency is approximately 300 nm, which is a sufficient width to allow light from the LED to pass without substantial attenuation. .

しかしながら、従来のHPDLC格子とは異なり、本発明のHPDLC光学スイッチの格子要素を注意深く選択すれば、マトリクス間に外部電界を掛けること無く、ポリマー領域の屈折率を液晶液滴の平均屈折率と一致させることができる。従って、縞の屈折率変調とホログラム回折効率は、電極に電圧が印加されていないときに最小化し、電極間に最大電圧が印加されると最大化する。これを図7(a)と図7(b)に示す。   However, unlike conventional HPDLC gratings, if the grating elements of the HPDLC optical switch of the present invention are carefully selected, the refractive index of the polymer region matches the average refractive index of the liquid crystal droplets without applying an external electric field between the matrices. Can be made. Accordingly, fringe refractive index modulation and hologram diffraction efficiency are minimized when no voltage is applied to the electrodes and maximized when a maximum voltage is applied between the electrodes. This is shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b).

更に、格子構造と液晶液滴は両方共に偏光感受性なので、格子の幾何学形状と構造工学を調整することにより、偏光感受性は補償される。例えば、格子構造を、両方の偏光に対する回折角度が近くなるように取り、次いで材料を、補償するように選定する。或る実施形態では、液晶材料を選定する前に、比較的高い屈折率と良好に高分子化する能力を有するポリマーが選択される。ここで用いられる比較的高い屈折率のポリマーは、屈折率が約1.55より大きく、望ましくは約1.58よりも大きい。高分子化フォトポリマーの比較的高い屈折率は、電極が同じ電位を有する場合には、液晶凝集体の有効屈折率と整合するのに十分である。偏光に鈍感な屈折率の故に、ネマチック液晶ではなく、コレステリック液晶が一般に選択されている。   Furthermore, since both the grating structure and the liquid crystal droplet are polarization sensitive, polarization sensitivity is compensated by adjusting the grating geometry and structural engineering. For example, the grating structure is taken so that the diffraction angles for both polarizations are close, and then the material is chosen to compensate. In some embodiments, a polymer having a relatively high refractive index and the ability to polymerize well is selected prior to selecting the liquid crystal material. The relatively high refractive index polymers used herein have a refractive index greater than about 1.55, desirably greater than about 1.58. The relatively high refractive index of the polymerized photopolymer is sufficient to match the effective refractive index of the liquid crystal aggregate when the electrodes have the same potential. Cholesteric liquid crystal is generally selected instead of nematic liquid crystal because of its refractive index insensitive to polarized light.

具体的には、液晶の細長い形状のために、光は、細長い分子の方向に平行に伝播する場合は、細長い分子に対し垂直方向に伝播する場合に比べて、異なる速度で伝播するようになるので、分子の複屈折は、2つの屈折率がこの挙動を説明するということを意味している。横方向ではないが平行に配置され、従って一定のディレクタを有する、ネマチック液晶は、屈折率が主軸の焦点距離aeに依存するので、単独では使用できない。一方、コレステリック液晶は、(ネマチックの様に平行ではなく)互いに僅かに角度を成して配置される。連続する分子は、それぞれ隣接する分子に対して僅かに回転しているので、螺旋状に回転するディレクタを有し、屈折率を、主軸と半主軸の焦点距離の平均(2ao+ae/3)に依存するものにする。しかしながら、後に述べるように、ネマチック液晶にキラルドーパントを添加して、ネマチック液晶のディレクタを捻ることで、組み合わせが使用できるようになる。   Specifically, due to the elongated shape of the liquid crystal, light will propagate at a different speed when propagating parallel to the direction of the elongated molecule than when propagating perpendicular to the elongated molecule. So molecular birefringence means that two refractive indices explain this behavior. A nematic liquid crystal that is arranged in parallel but not in the lateral direction and thus has a constant director cannot be used alone because the refractive index depends on the focal length ae of the main axis. On the other hand, cholesteric liquid crystals are arranged slightly at an angle to each other (not parallel like nematic). Each successive molecule is slightly rotated with respect to each adjacent molecule, so it has a director that rotates in a spiral, and the refractive index depends on the average focal length of the principal and semi-major axes (2ao + ae / 3) To do. However, as will be described later, the combination can be used by adding a chiral dopant to the nematic liquid crystal and twisting the director of the nematic liquid crystal.

異なる屈折率を有するフォトポリマーは、市販されている多種多様なモノマー、オリゴマー、フォトイニシエータ、及び随意的な接着促進剤、表面活性剤などから配合した。フォト高分子化動力学は、ポリマーマトリクスからの液晶の位相分離に直接影響するので、合理的な硬化速度を有するフォトポリマー配合を使用するのが1つの考えである。これに関して、アクリレートフォトポリマーは、エポキシやビニルエーテルの様な他のフォトポリマーと比較して硬化速度が優れているので、好ましい。本発明に有用な高屈折率モノマー及び/又はオリゴマーとしては、1つ又はサルファー成分、臭素成分、又はビスフェノールA誘導体が含まれる。   Photopolymers with different refractive indices were formulated from a wide variety of commercially available monomers, oligomers, photoinitiators, and optional adhesion promoters, surfactants, and the like. Since photopolymerization kinetics directly affects the phase separation of the liquid crystal from the polymer matrix, one idea is to use a photopolymer formulation with a reasonable cure rate. In this regard, acrylate photopolymers are preferred because they have better cure speeds than other photopolymers such as epoxies and vinyl ethers. High refractive index monomers and / or oligomers useful in the present invention include one or a sulfur component, a bromine component, or a bisphenol A derivative.

フォトポリマーの例を2つ、以下に挙げる。ポリマーの各成分を挙げ、各成分の後に重量パーセントを列記する。   Two examples of photopolymers are given below. List each component of the polymer and list the weight percent after each component.

フォトポリマー1:2-エチルヘキシルアクリレート52%、エトキシル化ビスフェノールAジアクリレート2%、ポリエステルテトラアクリレート17%、フェニルチオエチルアクリレート10%、オクタフルオロペンチルアクリレート16%、ジフェニール(2,4,6-トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド1%、ダラキュア1173 1%、メタクリオイルトリメトキシシラン1%。   Photopolymer 1: 52% 2-ethylhexyl acrylate, 2% ethoxylated bisphenol A diacrylate, 17% polyester tetraacrylate, 10% phenylthioethyl acrylate, 16% octafluoropentyl acrylate, diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) ) Phosphine oxide 1%, Dalacure 1173 1%, Methacryloyl trimethoxysilane 1%.

フォトポリマー2:エトキシル化ビスフェノールAジアクリレート16.5%、フェニルチオエチルアクリレート64.5%、オクタフルオロペンチルアクリレート16%、ジフェニール(2,4,6-トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド1%、ダラキュア1173 1%、メタクリオイルトリメトキシシラン1%。   Photopolymer 2: 16.5% ethoxylated bisphenol A diacrylate, 64.5% phenylthioethyl acrylate, 16% octafluoropentyl acrylate, 1% diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide, DaraCure 1173 1 %, Methacryloyl trimethoxysilane 1%.

市販されている多種多様なコレステリック液晶が、HPDLC装置の製作に適している。Merckは、HPDLC用として広範なコレステリック液晶を提供しており、適切なフォトポリマー類と組み合わせると、本発明のHPDLC装置に使用することができる。市販されているコレステリック液晶の例としては、ニューヨーク州ホーソンのEM Industriesから市販されているMerck BL112、BL118、又はBL126がある。ネマチック液晶にキラルドーパントを添加しても、コレステリック液晶を製作することができる。キラルドーパントの例としては、Merck C15、CB15、ZLI-811、ZLI3786、ZLI-4571、ZLI-4572、MLC-6247、及びMLC-6248があり、これらもニューヨーク州ホーソンのEL Industriesから市販されている。HPDLCシロップは、フォトポリマー配合物を液晶と混ぜ合わせることにより得た。全シロップの重量パーセントとしての液晶レベルは、約35〜75%の範囲にあり、より厳密には約45〜60%の範囲にある。   A wide variety of commercially available cholesteric liquid crystals are suitable for the fabrication of HPDLC devices. Merck offers a wide range of cholesteric liquid crystals for HPDLC and can be used in the HPDLC device of the present invention when combined with suitable photopolymers. Examples of commercially available cholesteric liquid crystals include Merck BL112, BL118, or BL126, commercially available from EM Industries, Hawthorne, NY. A cholesteric liquid crystal can also be produced by adding a chiral dopant to a nematic liquid crystal. Examples of chiral dopants include Merck C15, CB15, ZLI-811, ZLI3786, ZLI-4571, ZLI-4572, MLC-6247, and MLC-6248, which are also commercially available from EL Industries, Hawthorne, NY . The HPDLC syrup was obtained by combining the photopolymer formulation with the liquid crystal. The liquid crystal level as a weight percent of the total syrup is in the range of about 35-75%, more precisely in the range of about 45-60%.

材料配合と性能データを下表1に掲載しているが、表中、実施例1は従来のHPDLCセルで、実施例2は市販されているコレステリック液晶BL118を基材とした従来のHPDLCセルである。実施例3は、市販されているBL118を基材とした本出願のHPDLCセルである。光源は、測定用として460nmレーザーを使用した。
(表1) HPDLC試料の実施例と得られた回折特性

Figure 2007538293
The material composition and performance data are listed in Table 1 below. In the table, Example 1 is a conventional HPDLC cell, and Example 2 is a conventional HPDLC cell based on a commercially available cholesteric liquid crystal BL118. is there. Example 3 is the HPDLC cell of the present application based on the commercially available BL118. As the light source, a 460 nm laser was used for measurement.
Table 1 Examples of HPDLC samples and obtained diffraction characteristics
Figure 2007538293

表1に示すように、第3のシロップを使用すれば、材料費も製作費も増やさずに、従来のHPDLC格子から、単純なホログラフィ光学スイッチが得られる。第3のシロップは、異なる重量パーセントの2種類の液晶を含んでいるが、必要に応じて、3種類以上を使用してもよいし、重量パーセントを同じにしてもよい。ホログラフィセルは、厚さが6μmで、同一電圧では、S偏光及びP偏光の両方で実質的に均一な透過及び回折特性を示している。なお、格子の厚さが薄くなるにつれ、屈折率は上がり、結果的に使用可能波長範囲が広くなる。約2から4μm程度に厚さが薄ければ、十分な波長範囲(式4参照)を使用することができる。   As shown in Table 1, the use of the third syrup allows a simple holographic optical switch to be obtained from a conventional HPDLC grating without increasing material and manufacturing costs. The third syrup includes two kinds of liquid crystals with different weight percentages, but three or more kinds may be used as necessary, or the weight percentage may be the same. The holographic cell has a thickness of 6 μm and exhibits substantially uniform transmission and diffraction characteristics for both S-polarized light and P-polarized light at the same voltage. Note that as the grating thickness decreases, the refractive index increases, resulting in a wider usable wavelength range. If the thickness is as thin as about 2 to 4 μm, a sufficient wavelength range (see Equation 4) can be used.

実施例2(キラル剤添加)のHPDLCについて、回折効率を、印加電圧の関数として図9(b)に示している。図9(a)は、実施例1を示している。図示の様に、442nmのレーザー光のS偏光とP偏光の両方に関し、回折効率は概ね同じである。図9(a)に示す従来のHPDLCの様に、回折効率は、基本的には、電圧の上昇と共に単調減少する。実施例3のHPDLCの回折効率を図9(c)に示している。このHPDLCでは、格子の応答は、入射光の偏光に依存していない。図示の様に、422nmのS偏光及びP偏光されたレーザー光の回折効率は、実質的に同じである。図9(a)又は図9(b)に示す従来のHPDLCとは異なり、回折効率は、基本的に、0Vでの約5%から100Vでの約25%まで上昇する(即ち、透過効率は約95%から約75%まで下がる。)   For HPDLC of Example 2 (with chiral agent added), the diffraction efficiency is shown in FIG. 9 (b) as a function of applied voltage. FIG. 9A shows the first embodiment. As shown, the diffraction efficiency is generally the same for both S-polarized light and P-polarized light of 442 nm laser light. As in the conventional HPDLC shown in FIG. 9A, the diffraction efficiency basically decreases monotonously with increasing voltage. The diffraction efficiency of HPDLC in Example 3 is shown in FIG. In this HPDLC, the grating response does not depend on the polarization of the incident light. As shown, the diffraction efficiency of 422 nm S-polarized and P-polarized laser light is substantially the same. Unlike the conventional HPDLC shown in FIG. 9 (a) or FIG. 9 (b), the diffraction efficiency basically increases from about 5% at 0V to about 25% at 100V (ie, the transmission efficiency is From about 95% to about 75%.)

図8(a)と図8(b)は、或る実施形態のLCD表示装置の、光学スイッチに電圧を印加していない場合と最大電圧を印加した場合を示している。具体的には、LCD表示装置800は、光源802を含んでいる。光源802は、LED、EL、又は蛍光灯の様なLCD表示装置に使用されるどの様なバックライトであってもよい。LEDは、電力と大きさの点で効率的なので、広く使用されている。白光LEDの様な広帯域光源を使用すれば、少なくとも約400nmから約800nm、即ち可視波長範囲が網羅される。これにより、カラーLCDが使用できるようになる(カラーフィルタが含まれているが図面には示していない)と共に、必要に応じて外部的に白色光を使用できるようになる。赤、青、又は緑色LEDの様な単一LEDを使用してもよいし、それらLEDの組み合わせを使用してもよい。青色(又は緑色)LEDを使用する場合、光学スイッチの1つ又はそれ以上の面上に、又は光学スイッチの内部に、蛍光物質を設けて、光を吸収させ、黄色の様な他の色の発光させるようにしてもよい。この場合、LED光は、ポリマーマトリクスと液晶液滴を通過して、蛍光物質に衝突する前に、透過されるか又は回折されるかの何れかである。格子は、約190nmから約2μmの間で透過及び/又は回折するように設計されている。   FIG. 8A and FIG. 8B show the case where no voltage is applied to the optical switch and the case where the maximum voltage is applied, in the LCD display device of an embodiment. Specifically, the LCD display device 800 includes a light source 802. The light source 802 may be any backlight used in LCD display devices such as LEDs, EL, or fluorescent lamps. LEDs are widely used because they are efficient in terms of power and size. Using a broadband light source such as a white light LED covers at least about 400 nm to about 800 nm, ie the visible wavelength range. As a result, a color LCD can be used (a color filter is included but not shown in the drawing), and white light can be used externally as necessary. A single LED, such as a red, blue, or green LED, or a combination of these LEDs may be used. When using a blue (or green) LED, a fluorescent material is provided on one or more surfaces of the optical switch or inside the optical switch to absorb the light and other colors such as yellow You may make it light-emit. In this case, the LED light passes through the polymer matrix and liquid crystal droplets and is either transmitted or diffracted before impinging on the fluorescent material. The grating is designed to transmit and / or diffract between about 190 nm and about 2 μm.

LED802からの光は、LED802に隣接して配置されているホログラフィ光学スイッチ804に衝突する。反射器、収束レンズ、又はある種のハウジング(図示せず)がLED802を取り囲み、LED802からの光を反射又は収束して、ホログラフィ光学スイッチ804から離れ、又はホログラフィ光学スイッチ804に戻る方向に向ける。LED802からの光は、ホログラフィ光学スイッチ804の電極の間に電圧が存在していない場合(オフ状態)は、ホログラフィ光学スイッチ804を透過し、ホログラフィ光学スイッチの電極の間に電圧が印加されている場合(オン状態)は、回折される。オン状態のとき、回折された光は、LCDには衝突しない。図示していないが、回折されなかった光が存在する場合、その光は、LCDに送られて表示又は他の目的に使用される。   Light from the LED 802 impinges on a holographic optical switch 804 disposed adjacent to the LED 802. A reflector, converging lens, or some type of housing (not shown) surrounds the LED 802 and reflects or converges light from the LED 802 to direct it away from the holographic optical switch 804 or back to the holographic optical switch 804. When no voltage is present between the electrodes of the holographic optical switch 804 (off state), the light from the LED 802 is transmitted through the holographic optical switch 804 and a voltage is applied between the electrodes of the holographic optical switch. The case (on state) is diffracted. When in the on state, the diffracted light does not impinge on the LCD. Although not shown, when there is undiffracted light, it is sent to the LCD for display or other purposes.

LED802とホログラフィ光学スイッチ804は、ホログラフィ光学スイッチ804を透過した光が、導光部806に向けて送られて、その光の少なくとも一部が最終的には導光部806に衝突するように、LCDの導光部806と横方向に整列している。換言すると、LED802の少なくとも一部と、ホログラフィ光学スイッチ804と、導光部806は、互いに実質的に同一平面にある。図8に示す装置は、光をLCDへ容易に結合させる。導光部806は、プラスチック又はLCDに使用されるどの様な他の材料で形成してもよく、既知のどの様な導光部構造を使って形成してもよい。LED802とLCDは別体として示しているが、相互に取り付けて一体としてもよい。導光部806に入射する光は、導光部806の上面に接触しているLCDパネルの下側からLCDパネルに入る。図示の様に、導光部806内の光は、LCDパネルに完全に導入される前に、幾度も反射される。   The LED 802 and the holographic optical switch 804 are configured such that the light transmitted through the holographic optical switch 804 is sent toward the light guide unit 806 so that at least a part of the light finally collides with the light guide unit 806. It is aligned with the light guide 806 of the LCD in the horizontal direction. In other words, at least a part of the LED 802, the holographic optical switch 804, and the light guide 806 are substantially in the same plane. The device shown in FIG. 8 easily couples light to the LCD. The light guide 806 may be formed of any other material used for plastic or LCD, and may be formed using any known light guide structure. Although the LED 802 and the LCD are shown as separate bodies, they may be attached to each other and integrated. Light incident on the light guide unit 806 enters the LCD panel from the lower side of the LCD panel that is in contact with the upper surface of the light guide unit 806. As shown, the light in the light guide 806 is reflected several times before being fully introduced into the LCD panel.

LCDパネルは、偏光板808、液晶層810、及び図示していないが他にも多数の既知の層を含んでいる。上記の層には、限定するわけではないが、表面に偏光板808を配置し、間に液晶層810を配置する透明な一対の基板、電界を液晶層801に印加する働きをする透明で反射性のある電極、例えば、薄膜トランジスタを形成し保護する層、及びLCDの単位セルを多色(大抵は赤、緑、青、及び若しくは白)の画素に分割するカラーフィルタ層、が含まれる。   The LCD panel includes a polarizing plate 808, a liquid crystal layer 810, and many other known layers that are not shown. Although not limited to the above layers, a pair of transparent substrates in which a polarizing plate 808 is disposed on the surface and a liquid crystal layer 810 is disposed between them, a transparent and reflective layer that functions to apply an electric field to the liquid crystal layer 801. , For example, a layer for forming and protecting a thin film transistor, and a color filter layer for dividing an LCD unit cell into multicolor (usually red, green, blue, and / or white) pixels.

バッテリの様な電源装置812が、LCD表示装置800に内臓されている。電源装置812は、LED802、光学スイッチ804の電気的ドライバ(これにより、光学スイッチの電極間に電圧を供給する)、及びLCDパネルに電力を提供する。電源装置は、調整可能で、供給電圧を変え、例えば、格子間電界を変えることができる。代わりに、外部の電源供給装置によってLCD表示装置800の各種構成要素に電力を供給してもよい。LCD表示装置800又は他の携帯式電子装置は、LCD表示装置800の構成要素の中でもとりわけLED802、光学スイッチ804、及びLCDを囲い込むケーシング(又はハウジング)814も含んでいる。ケーシング814は、ユーザーがLCDを見るための視認部(図示せず)と、回折した光をケーシング814から外に出す照明部(図示せず)とを有している。これは即ち、光学スイッチからの光は、ケーシングの外側を照明するように向けられるということである。図示していないが、ケーシング814内に及び/又はケーシング814の照明部にレンズを追加して、ケーシング814内及び/又はケーシング814外側で、回折された光をコリメート又は収束してもよい。   A power supply device 812 such as a battery is built in the LCD display device 800. The power supply 812 provides power to the LED 802, the electrical driver of the optical switch 804 (which supplies voltage between the electrodes of the optical switch), and the LCD panel. The power supply is adjustable and can change the supply voltage, for example, the interstitial electric field. Instead, power may be supplied to various components of the LCD display device 800 by an external power supply device. The LCD display device 800 or other portable electronic device also includes, among other components of the LCD display device 800, an LED 802, an optical switch 804, and a casing (or housing) 814 that encloses the LCD. The casing 814 includes a visual recognition unit (not shown) for allowing the user to view the LCD, and an illumination unit (not shown) that emits diffracted light out of the casing 814. This means that the light from the optical switch is directed to illuminate the outside of the casing. Although not shown, a lens may be added in the casing 814 and / or in the illumination section of the casing 814 to collimate or focus the diffracted light within the casing 814 and / or outside the casing 814.

こうして、図示の様に、光源802、光学スイッチ804、及び液晶表示部は、光学スイッチの電極の間の電位差が実質的にゼロでないときは、光源802からの光学スイッチ内の光が液晶表示部から実質的に離れる方向に向くように配置されている。換言すると、装置を製造する際、光学スイッチの角度は、光源からの光が最大に屈折される非ゼロ電圧が光学スイッチに印加されているときには、光源から来て光学スイッチを出た光が、液晶パネルに衝突すること無く液晶パネル付近に向けられるように、調整される。   Thus, as shown in the drawing, the light source 802, the optical switch 804, and the liquid crystal display unit are configured such that, when the potential difference between the electrodes of the optical switch is not substantially zero, the light in the optical switch from the light source 802 It is arrange | positioned so that it may face in the direction which leaves | separates substantially from. In other words, when manufacturing the device, the angle of the optical switch is such that when a non-zero voltage at which light from the light source is refracted to the maximum is applied to the optical switch, the light coming from the light source and exiting the optical switch is It is adjusted so that it is directed to the vicinity of the liquid crystal panel without colliding with the liquid crystal panel.

また、光源と導光板の間に、多重格子を配置してもよい。それら格子は、完全に物理的に分離した、異なる特性を有する光学スイッチであってもよいし、又は、同じ光学スイッチ内に横並びに又は厚さ方向に一体化した多重層であってもよい。光学スイッチが分離型の場合、格子の物理的位置、及び例えば物理的傾斜角度や空間周波数を含む他の格子特性は、異なっていてもよい。HPDLC層に使用されている材料は、光学スイッチが分離型の場合には同じでも異なっていてもよく、複数の層を1つの光学スイッチに一体化している場合には異なっていてもよい。こうすると、必要に応じて、1つ又は複数の光線を異なる位置に向けて偏向させることができる。光学スイッチが分離型か一体型かに関係なく、同じ又は異なる電圧の何れをHPDLC層に印加してもよい。例えば、一体型の光学スイッチでは、1つ又はそれ以上の透明電極を、例えば電圧分割器を使用して、異なる電位で接続してもよい。   A multiple grating may be arranged between the light source and the light guide plate. The gratings may be optical switches with different properties, completely physically separated, or may be multiple layers integrated side by side or in the thickness direction within the same optical switch. If the optical switch is a separate type, the physical position of the grating, and other grating characteristics including, for example, physical tilt angle and spatial frequency may be different. The material used for the HPDLC layer may be the same or different when the optical switch is a separation type, and may be different when a plurality of layers are integrated into one optical switch. In this way, one or more light beams can be deflected to different positions as required. Regardless of whether the optical switch is a separated type or an integrated type, the same or different voltage may be applied to the HPDLC layer. For example, in an integrated optical switch, one or more transparent electrodes may be connected at different potentials, for example using a voltage divider.

更には、光源は1つしか示していないが、多数の光源を使用してもよい。これらの光源は、同じ格子又は異なる格子に衝突させてもよいし、同じ又は異なる導光部と相互作用させてもよいし、液晶表示部の同じ側又は液晶表示部の互いに反対側に互いに隣接して配置してもよい。   Furthermore, although only one light source is shown, multiple light sources may be used. These light sources may collide with the same grating or different gratings, may interact with the same or different light guides, and are adjacent to each other on the same side of the liquid crystal display or opposite sides of the liquid crystal display May be arranged.

従って、或る態様では、液晶表示装置は、液晶表示部、光源、及び光学スイッチを含んでいる。液晶表示部は、相対する基板、基板上の電極、電極の間の液晶層、基板の互いに反対側に液晶層として配置された偏光板、及び偏光板の1つに配置された導光部を有している。光学スイッチは、導光部と光源の間に配置されている。更に、光学スイッチは、相対する光学スイッチ基板、光学スイッチ基板の間に配置された光学スイッチ電極、及び電極の間に配置された回折格子を含んでいる。この回折格子は、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、電極が同一の電位を有しているときには、高分子化フォトポリマーの屈折率と実質的に同じ有効屈折率を有する液晶凝集体の領域と、を含んでいる。電源装置は、光学スイッチの電極に接続されている。格子は、実質的に偏光依存性ではない。   Accordingly, in one aspect, the liquid crystal display device includes a liquid crystal display unit, a light source, and an optical switch. The liquid crystal display unit includes an opposing substrate, electrodes on the substrate, a liquid crystal layer between the electrodes, a polarizing plate disposed as a liquid crystal layer on opposite sides of the substrate, and a light guiding unit disposed on one of the polarizing plates. Have. The optical switch is disposed between the light guide unit and the light source. The optical switch further includes opposing optical switch substrates, an optical switch electrode disposed between the optical switch substrates, and a diffraction grating disposed between the electrodes. This diffraction grating is a liquid crystal polymer having an effective refractive index that is substantially the same as the refractive index of the polymerized photopolymer when the electrode has the same potential as the polymerized photopolymer having a certain refractive index. A collection area. The power supply device is connected to the electrode of the optical switch. The grating is not substantially polarization dependent.

光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、光学スイッチの電極の間に実質的に電位差が存在していないときには、光源からの光が光学スイッチを透過して導光部に向かうように、配置されている。同様に、光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、光学スイッチの電極の間の電位差が実質的にゼロとは異なるときには、光源から来た光学スイッチ内の光は、実質的に液晶表示部から遠ざかる方向に向けられる。一般に、光源の少なくとも一部と導光部は互いに同一平面にある。   The light source, the optical switch, and the liquid crystal display unit are arranged so that light from the light source passes through the optical switch and travels to the light guide unit when there is substantially no potential difference between the electrodes of the optical switch. ing. Similarly, in the light source, the optical switch, and the liquid crystal display unit, when the potential difference between the electrodes of the optical switch is substantially different from zero, the light in the optical switch coming from the light source is substantially from the liquid crystal display unit. It is pointed away. Generally, at least a part of the light source and the light guide are in the same plane.

従って、上記詳細な説明は、限定を課すのではなく説明を目的としたものと見なされるべきであり、本発明の精神と範囲を定義することを意図しているのは、特許請求の範囲並びにその全ての等価物であると理解されたい。上記説明には、特許請求された本発明の範囲又はその等価物を否定する意図は何も無い。例えば、他の光学系又は電子インク(eインク)の様な、他の低電力光学スイッチを使用することも考えられる。   Accordingly, the above detailed description is to be regarded as illustrative rather than restrictive, and is intended to define the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and It should be understood that all of them are equivalent. The above description is not intended to deny the scope of the claimed invention or its equivalents. For example, other low power optical switches such as other optical systems or electronic ink (e-ink) may be used.

本発明の或る実施形態を示している。1 illustrates an embodiment of the present invention. 回転ステージに鏡を取り付けた、本実施形態によるHPDLCを製作するための、光学系の実験的仕組みの概略図を示している。FIG. 2 shows a schematic diagram of an experimental setup of an optical system for manufacturing the HPDLC according to the present embodiment with a mirror attached to a rotary stage. 図2の格子構造上の分割ビームの交差領域の拡大図を示している。FIG. 3 shows an enlarged view of an intersecting region of split beams on the grating structure of FIG. 2. 図4(a)と図4(b)は、詳細な格子構造と設計パラメータを示している。FIG. 4A and FIG. 4B show a detailed lattice structure and design parameters. 図5(a)と図5(b)は、それぞれ透過光学スイッチと反射光学スイッチを示している。FIG. 5A and FIG. 5B show a transmission optical switch and a reflection optical switch, respectively. 図6(a)と図6(b)は、従来の光学スイッチに異なる電圧を印加した状態を示している。FIG. 6A and FIG. 6B show a state where different voltages are applied to the conventional optical switch. 図7(a)と図7(b)は、本発明の或る実施形態による光学スイッチに異なる電圧を印加した状態を示している。FIGS. 7A and 7B show a state in which different voltages are applied to the optical switch according to an embodiment of the present invention. 図8(a)と図8(b)は、本発明の或る実施形態によるLCDに異なる電圧を印加した状態を示している。FIGS. 8A and 8B show a state in which different voltages are applied to the LCD according to an embodiment of the present invention. 図9(a)、図9(b)、図9(c)は、従来のHPDLC及び本発明の実施形態によるHPDLCの、回折効率対印加電圧を示している。9 (a), 9 (b), and 9 (c) show diffraction efficiency versus applied voltage for conventional HPDLC and HPDLC according to an embodiment of the present invention.

Claims (27)

液晶表示装置において、
相対する基板と、前記基板上の電極と、前記電極の間の液晶層と、前記基板の互いに反対側に前記液晶層として配置された偏光板と、前記偏光板の1つに配置された導光部と、を有している液晶表示部と、
光源と、
前記導光部と前記光源の間に配置されている光学スイッチであって、相対する光学スイッチ基板と、前記光学スイッチ基板の間に配置されている光学スイッチ電極と、前記電極の間に配置されている回折格子と、を含んでおり、前記回折格子は、高分子化フォトポリマーと液晶凝集体の領域を有しており、前記格子は実質的に偏光依存性ではない、光学スイッチと、を備えている液晶表示装置。
In liquid crystal display devices,
An opposing substrate, an electrode on the substrate, a liquid crystal layer between the electrodes, a polarizing plate disposed as the liquid crystal layer on opposite sides of the substrate, and a conductive material disposed on one of the polarizing plates. A liquid crystal display section having a light section;
A light source;
An optical switch disposed between the light guide unit and the light source, the optical switch substrate facing each other, an optical switch electrode disposed between the optical switch substrate, and the electrode. An optical switch having a region of a polymerized photopolymer and a liquid crystal aggregate, wherein the grating is substantially non-polarization dependent. A liquid crystal display device provided.
液晶表示装置において、
相対する基板と、前記基板上の電極と、前記電極の間の液晶層と、前記基板の互いに反対側に前記液晶層として配置された偏光板と、前記偏光板の1つに配置された導光部と、を有している液晶表示部と、
光源と、
前記導光部と前記光源の間に配置されている光学スイッチであって、相対する光学スイッチ基板と、前記光学スイッチ基板の間に配置されている光学スイッチ電極と、前記電極の間に配置されている回折格子と、を含んでおり、前記回折格子は、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、前記電極が同じ電位を有している場合には前記高分子化フォトポリマーの屈折率と実質的に同じ有効屈折率を有する液晶凝集体の領域とを含んでいる、光学スイッチと、を備えている液晶表示装置。
In liquid crystal display devices,
An opposing substrate, an electrode on the substrate, a liquid crystal layer between the electrodes, a polarizing plate disposed as the liquid crystal layer on opposite sides of the substrate, and a conductive material disposed on one of the polarizing plates. A liquid crystal display section having a light section;
A light source;
An optical switch disposed between the light guide unit and the light source, the optical switch substrate facing each other, an optical switch electrode disposed between the optical switch substrate, and the electrode. A diffraction grating, wherein the diffraction grating has a refractive index of the polymerized photopolymer having a certain refractive index and the polymerized photopolymer when the electrodes have the same potential. And a liquid crystal aggregate region having an effective refractive index substantially the same as the refractive index.
液晶表示装置において、
相対する基板と、前記基板上の電極と、前記電極の間の液晶層と、前記基板の互いに反対側に前記液晶層として配置された偏光板と、前記偏光板の1つに配置された導光部と、を有している液晶表示部と、
光源と、
前記光源と前記液晶表示部の間に配置されている光学スイッチであって、相対する光学スイッチ基板と、前記光学スイッチ基板の間に配置されている光学スイッチ電極と、前記電極の間に配置されている回折格子と、を含んでおり、前記回折格子は、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、前記電極が同じ電位を有している場合には前記高分子化フォトポリマーの屈折率と実質的に同じ有効屈折率を有している液晶凝集体の領域とを含んでおり、前記格子は、実質的に偏光依存性ではない、光学スイッチと、を備えている液晶表示装置。
In liquid crystal display devices,
An opposing substrate, an electrode on the substrate, a liquid crystal layer between the electrodes, a polarizing plate disposed as the liquid crystal layer on opposite sides of the substrate, and a conductive material disposed on one of the polarizing plates. A liquid crystal display section having a light section;
A light source;
An optical switch disposed between the light source and the liquid crystal display unit, the optical switch substrate facing each other, an optical switch electrode disposed between the optical switch substrate, and the electrode. A diffraction grating, wherein the diffraction grating has a refractive index of the polymerized photopolymer having a certain refractive index and the polymerized photopolymer when the electrodes have the same potential. A liquid crystal aggregate region having substantially the same effective refractive index as the refractive index, wherein the grating is substantially non-polarization dependent, and an optical switch.
光学スイッチにおいて、
相対する基板と、
前記基板の間に配置されている電極と、
前記電極間に配置されている回折格子であって、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、前記電極が同じ電位を有している場合には前記フォトポリマーの屈折率と実質的に等しい有効屈折率を有している液晶凝集体の領域とを含んでいる、回折格子と、を備えている光学スイッチ。
In optical switch,
An opposing substrate;
Electrodes disposed between the substrates;
A diffraction grating disposed between the electrodes, wherein the polymerized photopolymer having a certain refractive index and substantially the refractive index of the photopolymer when the electrodes have the same potential And a diffraction grating comprising a region of liquid crystal aggregates having equal effective refractive index.
光学スイッチにおいて、
相対する基板と、
前記基板の間に配置されている電極と、
前記電極の間に配置されている回折格子であって、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、前記電極が同じ電位を有している場合には前記フォトポリマーの屈折率と実質的に等しい有効屈折率を有する液晶凝集体の領域とを含んでおり、前記液晶凝集体の屈折率変調は、前記回折格子に衝突する光のP偏光及びS偏光の両方に対して実質的に同じである、回折格子と、を備えている光学スイッチ。
In optical switch,
An opposing substrate;
Electrodes disposed between the substrates;
A diffraction grating disposed between the electrodes, wherein the polymerized photopolymer having a certain refractive index and substantially the refractive index of the photopolymer when the electrodes have the same potential A region of the liquid crystal aggregate having an effective refractive index equal to, and the refractive index modulation of the liquid crystal aggregate is substantially the same for both P-polarized light and S-polarized light impinging on the diffraction grating An optical switch comprising a diffraction grating.
前記光学スイッチの1つ又はそれ以上の面上に、又は前記光学スイッチの内側に配置されている蛍光物質であって、衝突してくる光を吸収して少なくとも1つの他の色の光を放出する、蛍光物質を更に備えている、請求項1から5の何れかに記載の液晶表示装置。   A fluorescent material disposed on or inside one or more surfaces of the optical switch, which absorbs impinging light and emits at least one other color light The liquid crystal display device according to claim 1, further comprising a fluorescent material. 前記光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、前記光学スイッチの前記電極の間に、実質的に電位差が存在していない場合は、前記光源からの光が前記光学スイッチを透過して前記導光部に向かうように配置されている、請求項1から3の何れかに記載の液晶表示装置。   In the light source, the optical switch, and the liquid crystal display unit, when there is substantially no potential difference between the electrodes of the optical switch, light from the light source passes through the optical switch and guides the light. The liquid crystal display device according to claim 1, wherein the liquid crystal display device is disposed so as to face the portion. 前記光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、前記光学スイッチの前記電極の間の電位差が実質的にゼロではない場合は、前記光源から来た前記光学スイッチ内の光が、前記液晶表示部から実質的に離れる方向に向けられるように配置されている、請求項1から3の何れかに記載の液晶表示装置。   When the potential difference between the electrodes of the optical switch is not substantially zero, the light source, the optical switch, and the liquid crystal display unit emit light from the light source from the liquid crystal display unit. The liquid crystal display device according to claim 1, wherein the liquid crystal display device is disposed so as to be directed in a substantially separated direction. 前記光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、前記光学スイッチの前記電極の間の電位差が実質的にゼロではない場合は、前記光源から来た前記光学スイッチ内のS光及びP光の両方が、前記液晶表示部から実質的に離れる方向に向けられるように配置されている、請求項1から3の何れかに記載の液晶表示装置。   When the potential difference between the electrodes of the optical switch is not substantially zero, the light source, the optical switch, and the liquid crystal display unit have both S light and P light in the optical switch coming from the light source. The liquid crystal display device according to claim 1, wherein the liquid crystal display device is arranged so as to be directed in a direction substantially away from the liquid crystal display unit. 前記格子は実質的に偏光依存性ではない、請求項1から9の何れかに記載の光学スイッチ。   The optical switch according to claim 1, wherein the grating is not substantially polarization dependent. 前記高分子化フォトポリマーは、前記電極が同じ電位を有している場合は、前記液晶凝集体の前記有効屈折率と整合できるだけの比較的高い屈折率を有している、請求項1から10の何れかに記載の光学スイッチ。   11. The polymerized photopolymer has a relatively high refractive index sufficient to match the effective refractive index of the liquid crystal aggregate when the electrodes have the same potential. An optical switch according to any one of the above. 前記液晶凝集体の屈折率変調は、前記回折格子に衝突する光のP偏光及びS偏光の両方に対して、実質的に同じである、請求項1から11の何れかに記載の光学スイッチ。   The optical switch according to claim 1, wherein the refractive index modulation of the liquid crystal aggregate is substantially the same for both P-polarized light and S-polarized light impinging on the diffraction grating. 前記高分子化フォトポリマーと液晶凝集体を含有している1つ又はそれ以上の層が、前記格子中に存在している、請求項1から12の何れかに記載の光学スイッチ。   13. An optical switch according to any preceding claim, wherein one or more layers containing the polymerized photopolymer and liquid crystal aggregate are present in the lattice. 前記液晶凝集体は、異なる重量パーセントの少なくとも2つの異なるコレステリック液晶から形成されている、請求項13に記載の光学スイッチ。   14. The optical switch of claim 13, wherein the liquid crystal aggregate is formed from at least two different cholesteric liquid crystals with different weight percentages. 液晶装置を製造する方法において、
広帯域光源と、ホログラフィポリマー分散型液晶(HPDLC)とを、互いに隣接して配置する段階と、
前記光源から来て前記HPDLCに入る光が、前記HPDLCに電圧を印加すること無しに実質的に屈折されること無く前記HPDLCを直接透過するように、前記HPDLCを調整する段階と、から成る方法。
In a method of manufacturing a liquid crystal device,
Disposing a broadband light source and a holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC) adjacent to each other;
Adjusting the HPDLC such that light coming from the light source and entering the HPDLC is directly transmitted through the HPDLC without being refracted without applying a voltage to the HPDLC. .
導光部を前記光源に横方向に隣接させて配置する段階と、
前記HPDLCに電圧を印加すること無く、前記光源から来て前記HPDLCを出て行く光が、前記導光部に衝突するように、前記導光部と前記HPDLCとを整列させる段階と、を更に含んでいる、請求項15に記載の方法。
Disposing a light guide portion laterally adjacent to the light source;
Aligning the light guide and the HPDLC such that light coming from the light source and exiting the HPDLC without applying a voltage to the HPDLC collides with the light guide. 16. The method of claim 15, comprising.
前記導光部に衝突する光が実質的に前記液晶パネルに向けられるように、前記導光部と液晶パネルを整列させる段階を更に含んでおり、前記導光部と前記液晶パネルが液晶表示部を形成している、請求項16に記載の方法。   The method further includes aligning the light guide unit and the liquid crystal panel so that light impinging on the light guide unit is substantially directed to the liquid crystal panel, wherein the light guide unit and the liquid crystal panel are liquid crystal display units. The method of claim 16, wherein: 前記光源からの光を最大限に回折させる非ゼロ電圧が前記HPDLCに印加されているときには、前記光源から来て前記HPDLCを出た光が、前記液晶パネルに衝突すること無く、前記液晶パネルに隣接する方向に向けられるように、前記HPDLCの角度を調整する段階を更に含んでいる、請求項17に記載の方法。   When a non-zero voltage that diffracts the light from the light source to the maximum is applied to the HPDLC, the light coming from the light source and exiting the HPDLC does not collide with the liquid crystal panel. The method of claim 17, further comprising adjusting an angle of the HPDLC to be directed in an adjacent direction. 前記液晶表示部、光源、及びHPDLCを、携帯式電子装置のハウジング内に入れ込む段階を更に含んでいる、請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, further comprising encasing the liquid crystal display, the light source, and the HPDLC in a housing of a portable electronic device. 前記HPDLCからの光を、前記ケーシングの外側を照明する方向に向ける段階を更に含んでいる、請求項19に記載の方法。   The method of claim 19, further comprising directing light from the HPDLC in a direction to illuminate the exterior of the casing. 前記HPDLCが、前記光源からの光のS偏光とP偏光の両方に対して、前記HPDLCに印加される電圧に依存しない実質的に同じ方式で影響を及ぼすように、異なる電位を補償する材料を前記HPDLC内に使用する段階を更に含んでいる、請求項16に記載の方法。   A material that compensates for different potentials so that the HPDLC affects both S-polarized and P-polarized light from the light source in substantially the same manner independent of the voltage applied to the HPDLC; The method of claim 16, further comprising using in the HPDLC. ホログラフィポリマー分散型液晶(HPDLC)を使用する光学的切替装置を製造する方法において、
液晶とフォトポリマーを混ぜ合わせて混合物を形成する段階と、
基板によって形成された空洞に前記混合物を充填する段階と、
前記混合物から、液晶凝集体と高分子化フォトポリマーとが周期的に交互に配置されている領域であって、前記高分子化フォトポリマーと液晶凝集体に電圧が印加されていないときは、前記液晶凝集体の有効屈折率が前記マトリクスの屈折率と実質的に等しい領域を形成する段階と、から成る方法。
In a method of manufacturing an optical switching device using holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC),
Mixing liquid crystal and photopolymer to form a mixture;
Filling the mixture formed by a substrate with the mixture;
From the mixture, the liquid crystal aggregates and the polymerized photopolymer are periodically arranged alternately, and when no voltage is applied to the polymerized photopolymer and the liquid crystal aggregate, Forming a region where the effective refractive index of the liquid crystal aggregate is substantially equal to the refractive index of the matrix.
前記形成する段階は、前記周期的に交互に配置されている領域を形成した後に、前記充填された空洞を均一的な放射に曝露して前記ポリマーを硬化させる段階を更に含んでいる、請求項22に記載の方法。   The forming step further comprises the step of exposing the filled cavities to uniform radiation to cure the polymer after forming the periodically interleaved regions. 23. The method according to 22. 前記形成する段階は、前記充填された空洞をコヒーレントレーザービームの干渉パターンに曝露する段階を含んでいる、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein the forming comprises exposing the filled cavity to an interference pattern of a coherent laser beam. 光源を用いて、前記光源からの光が、前記HPDLCに電圧が印加されていないときに、前記HPDLCを透過するか否かを判定し、前記HPDLCによって最大量の光が回折される電圧を求めることにより、前記HPDLCを試験する段階を更に含んでいる、請求項22に記載の方法。   Using a light source, it is determined whether or not light from the light source passes through the HPDLC when no voltage is applied to the HPDLC, and a voltage at which the maximum amount of light is diffracted by the HPDLC is obtained. 23. The method of claim 22, further comprising: testing the HPDLC. 前記HPDLCに入射する光のS偏光とP偏光が、前記HPDLCに印加される電圧に依存せず実質的に同じ方式で影響を及ぼす、前記液晶凝集体と高分子化フォトポリマーを含有しているマトリクスを形成する段階を更に含んでいる、請求項22に記載の方法。   Contains the liquid crystal aggregates and polymerized photopolymer, in which the S-polarized light and P-polarized light of the light incident on the HPDLC influences in substantially the same manner without depending on the voltage applied to the HPDLC 23. The method of claim 22, further comprising forming a matrix. 前記光学スイッチの1つ又はそれ以上の面上に又は前記光学スイッチの内側に、衝突して来る光を吸収して少なくとも1つの他の色の光を放出する蛍光物質を配置する段階を更に含んでいる、請求項22に記載の方法。   Further comprising disposing a fluorescent material on one or more surfaces of the optical switch or inside the optical switch that absorbs the impinging light and emits at least one other color light. 23. The method of claim 22, wherein
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