專利名稱：透明的激光存入的液晶光調(diào)制元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作圖象投影光調(diào)制器的液晶器件，特別涉及一種能用激光束在其上寫入信息供連續(xù)投影用的液晶元件。該元件以透射方式工作，因此能直接通過該元件投影。
近幾十年來，利用液晶材料的器件已受到相當(dāng)大的注意。這些液晶器件中，大部分利用向列類液晶。這類器件不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，必須不斷存入或更新。不過，在所需顯示是動(dòng)態(tài)的并基本上是連續(xù)更新的情況下，這倒不算是缺點(diǎn)。
第二類液晶材料稱為蝶狀結(jié)構(gòu)液晶，其所具有的存儲(chǔ)能力在于圖象信息只需在液晶元件上寫一次，之后，所寫入信息直至清除前都保持不變。
已采用這些蝶狀結(jié)構(gòu)材料作為高分辨率投影顯示器件研制出激光存入液晶光調(diào)制器。在這些器件上的寫入機(jī)理主要是熱。用聚焦的紅外激光束把蝶狀結(jié)構(gòu)液晶材料加熱到各向同性態(tài)。然后，把液晶冷卻回復(fù)至蝶狀結(jié)構(gòu)態(tài)，形成光散射區(qū)。寫入的散射區(qū)在特定液晶材料的蝶狀結(jié)構(gòu)溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，寫入的信息便能保存下來。該元件可用數(shù)量級(jí)為105伏/厘米的電場(chǎng)或用加熱和外加電場(chǎng)的組合效應(yīng)來清除。
在元件寫入后，使可見光通過元件投影，則任何已寫入的圖象均可投影到顯示屏、光敏材料等上。這類顯示器件的各種類型已在杜威的“激光存入液晶顯示器”，光學(xué)工程23(3)，第230頁至第240頁(5-6月，1984年)(Dewey，“Laser-AddressedLiquidCrystalDisplays，”O(jiān)pticalEngineering23(3)，230-240(May/June1984)一文中討論。
現(xiàn)已研制出與紅外二極管激光器結(jié)合使用的兩種激光存入液晶光調(diào)制器件，均在杜威所著參考文獻(xiàn)中討論到。一種稱為反射式器件，它利用制備在液晶元件基片之一上的薄膜紅外吸收層。當(dāng)紅外光束通過該吸收層掃描時(shí)，輻射就轉(zhuǎn)換成熟，使在該元件內(nèi)產(chǎn)生散射區(qū)。但是，該薄膜紅外吸收層不僅不能透過紅外輻射，而且也不能透過在成象投影時(shí)所用的可見光輻射。因此，在液晶元件上已寫下來的圖象必須用把可見光輻射從該元件反射出去的方法來投影。而這就需要使用比較復(fù)雜的光學(xué)反射系統(tǒng)。
第二種器件通常稱為透射式器件。一般來說，是把在激光器波長(zhǎng)處有吸收峰值的紅外吸收染料摻入液晶材料中。當(dāng)寫入光束通過該元件掃描時(shí)，染料便吸收激光輻射并將其轉(zhuǎn)換成熟。該染料對(duì)可見光波長(zhǎng)的光沒有什么影響或根本沒影響。因此，在這種器件上寫入的圖象可只用與普通幻燈片放映機(jī)一樣的方法使投影光通過元件來投影。所以需要的投影系統(tǒng)比反射式器件簡(jiǎn)單和價(jià)廉。但這種器件用的紅外吸收染料在重復(fù)使用后會(huì)褪色，因而不適于多次使用。
鑒此，需要一種激光存入液晶光調(diào)制器克服上述透射式和反射式兩種器件的缺點(diǎn)。特別是，這種器件應(yīng)能使用比較簡(jiǎn)單的透射式器件的光學(xué)系統(tǒng)，而且該器件應(yīng)有長(zhǎng)壽命而性能不會(huì)下降。
為滿足上述要求，本發(fā)明提供一種激光存入液晶元件。該元件包括用來限定其外表面的第一和第二透明基片層。第一和第二電極層均由透明導(dǎo)電材料組成。第一電極層鄰接第一基片層，第二電極層鄰接第二基片層。蝶狀結(jié)構(gòu)液晶層位于兩電極層之間。液晶層和第二電極層之間是吸收紅外輻射而允許可見光輻射通過的結(jié)構(gòu)。
紅外吸收結(jié)構(gòu)是一種三層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括一輻射吸收材料層，一選擇反射紅外輻射而透射可見光輻射層以及位于上述二者之間的一個(gè)介電材料隔離層。
該液晶元件可通過第一基片層進(jìn)行激光存入，或者也可通過第二基片層進(jìn)行激光存入。
輻射吸收材料層可用金屬材料制成，最好用鎳制成。隔離層可用二氧化硅。
選擇反射層包括第一和第二種介電材料的許多交替層，第一種材料的折射率高于第二種材料。交替層的總層數(shù)為奇數(shù)，每一交替層的光學(xué)厚度為紅外輻射波長(zhǎng)的四分之一。第一種材料最好是二氧化鈦，第二種材料最好是二氧化硅。
為使本發(fā)明更易于理解，可參閱附圖

圖1是按照本發(fā)明的液晶元件一部分的截面圖;
圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例的液晶元件一部分的截面圖;
圖3是本發(fā)明又一實(shí)施例的液晶元件一部分的截面圖。
本發(fā)明提供一種液晶光調(diào)制元件，用紅外激光束存入，把數(shù)據(jù)記在元件上，記錄之后，使可見光以透射方式通過元件，把圖象投影在適當(dāng)?shù)娘@示或光敏介質(zhì)上。
用于把數(shù)據(jù)存入元件的紅外激光器最好是產(chǎn)生波長(zhǎng)為830毫微米的光束的二極管激光器。光束用適當(dāng)?shù)膾呙璺椒⊕哌^整個(gè)元件，把圖象數(shù)據(jù)寫入該元件。激光器寫入元件所用的特定方法和投射光通過元件的定向所用的特定方法對(duì)本發(fā)明并不重要。不過，這種方法的一個(gè)實(shí)例可參閱美國專利US-A-4564853。
參看圖1，該圖為按照本發(fā)明制造的液晶光調(diào)制元件的截面圖。元件10有一液晶層12?？捎萌魏蔚麪罱Y(jié)構(gòu)A類液晶材料，較好的一個(gè)例子是CBOA。
元件10用一對(duì)透明基片層14和16固定，這些層最好由玻璃制成。位于基片層14和液晶材料層12之間的是透明導(dǎo)電材料層18。該種材料的第二層20鄰接基片層16。這些透明導(dǎo)電層最好用銦-錫氧化物制成層18和20一起用作清除該液晶元件的導(dǎo)體。因此，層18和20之間可產(chǎn)生電場(chǎng)，使液晶重新調(diào)整至完全非散射態(tài)。
來自適當(dāng)光源(圖中未示)如激光二極管的紅外激光輻射一般從圖1中箭頭22所示方向投向該元件上。投射光可從兩個(gè)方向之一投射到該元件上。
位于液晶材料12和導(dǎo)體層20之間的是明顯透明的紅外吸收腔24。該種吸收腔在激光二極管波長(zhǎng)處有強(qiáng)的吸收能力，如按較好的實(shí)施例制造，在波長(zhǎng)為830毫微米時(shí)能吸收90%以上。該吸收腔在可見光譜內(nèi)也有高透射率。如按較好的實(shí)施例制造，該元件在可見光譜區(qū)的透射率約為40-50%。
當(dāng)激光輻射被吸收時(shí)，在吸收腔24便產(chǎn)生熱。該熱作用于層12內(nèi)的液晶材料，產(chǎn)生相應(yīng)于待記錄圖象信息的散射區(qū)。
透明紅外吸收腔由三疊層的介電和金屬薄膜組成。如圖1所示，吸收腔包括一介電激光鏡26，一吸收層28和位于二者之間的隔離層30。該三層一起構(gòu)成一干涉腔，當(dāng)適當(dāng)調(diào)整時(shí)，可使該腔大量吸收入射激光。
在三層紅外吸收腔24中，吸收層28與隔離層30一起接收進(jìn)入的紅外輻射。在吸收層28和液晶材料12之間的界面上，可反射一些光。其余的光則通過吸收層28進(jìn)入隔離層30，在激光鏡26上反射，然后折回吸收層/液晶界面與由該界面反射的光干涉。反射光的有效量可用調(diào)整隔離層30的光學(xué)厚度來減至最小。這樣，90%以上的入射紅外輻射可被吸收。
吸收層最好用極薄的金屬層制成。這種層要薄到使它的一次通過光學(xué)透射率是高的。這在投射光束通過元件時(shí)是需要的。這種層的較好厚度是5-10毫微米，最好是7.5毫微米。在一個(gè)較好的實(shí)施例中，吸收層由鎳制成，但其它一些合適的材料如鉻或錳也可采用。
隔離層30是一種透明介電層。如所指出一樣，選擇這種層的厚度是要使對(duì)紅外激光輻射的反射減至最小而吸收增至最大。這種層的較好厚度是180-220毫微米，最好是200毫微米。在一個(gè)較好的實(shí)施例中，這種層可用二氧化硅制成，也可用氟化鎂。
關(guān)于三層吸收結(jié)構(gòu)的更進(jìn)一步細(xì)述可參閱貝爾和斯龐的“光學(xué)記錄用防反射結(jié)構(gòu)”，電氣與電子工程師協(xié)會(huì)量子電子學(xué)雜志QE-14(7)，第487頁第495頁(1978年7月)(BellandSpong，“Anti-ReflectionStructuresforOptrcalRecording，”I.E.E.E.JournalofQuantumElectronicsQE-14(7)，487-495(July1978))。該文提到的器件中，反射層是不透明的，一般是金屬層，能完全反射在隔離層/反射層界面上的紅外輻射。當(dāng)然，這種方法不能用于透射式液晶光調(diào)制器，因?yàn)檫@種層不讓投影成象所需的可見光通過。
本發(fā)明中，激光鏡26的結(jié)構(gòu)為一具有一組介電層的多層結(jié)構(gòu)。這種鏡對(duì)紅外輻射有高反射率，約為95-99%，而對(duì)可見光基本上是透過的。該鏡的層由兩種不同材料制成，以交替方式疊在一起。在較好的實(shí)施例中，疊層的奇數(shù)層用折射率高的材料制成。在一個(gè)實(shí)例中，這些層的合適材料是XO2，其中X從包括鈦、鉿或鋯的族中選擇，鈦較好。偶數(shù)層則用折射率較低的材料制成。這種材料的一個(gè)較好實(shí)例是二氧化硅SiO2，也可用氟化鎂MgF2。疊層中每層的光學(xué)厚度均等于激光波長(zhǎng)的四分之一。這樣，激光鏡就專門調(diào)諧至入射輻射。
激光鏡內(nèi)介電層的總數(shù)最好至少為7。在一個(gè)實(shí)例中用了11層，所得的鏡在波長(zhǎng)為830毫微米時(shí)反射率約為99%，在可見光譜區(qū)平均透射率大于95%。
制造這種激光鏡的方法是使用的已知技術(shù)。有關(guān)這類器件的理論的進(jìn)一步細(xì)述，可參閱鮑梅斯特的“干涉和光學(xué)干涉涂層”，應(yīng)用光學(xué)和光學(xué)工程，第285頁-323頁(金斯萊克公司1965年版)(Baumeister，“Interference，andOpticalInterferenceCoatings”，AppliedOpticsandOpticalEngineering，pp.285-323(Kingslakeed，1965))。
圖1所示元件實(shí)施例的一種改型可參閱圖2。此外，圖2中的元件表示得更為詳細(xì)，激光鏡26的各層均可看出。在該實(shí)施例中，附加絕緣層32置于液晶元件12和吸收層28之間。該絕緣層32包括兩部分，一是層34，由一氧化硅材料制成，用以調(diào)整液晶分子，第二部分36由二氧化硅材料制成。層32用于直流電流的截?cái)啵x擇的厚度要不能嚴(yán)重影響吸收結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。在一個(gè)較好的實(shí)施例中，該層厚度可以是115毫微米。
圖3是另一個(gè)實(shí)施例。圖中所示的元件40中，透明電極層42緊挨在上玻璃基片層44的下面。紅外吸收腔46鄰接電極42，包括吸收層48，隔離層50和激光鏡52。液晶材料54緊挨在激光鏡52下面，接著是第二電極層56和下基片58。紅外激光寫入束從箭頭60所示方向投射在元件上?？梢娡渡涔饪蓮膬蓚€(gè)方向之一投射在元件上。在該實(shí)施例中，由于電極層42和吸收層48吸收紅外輻射而產(chǎn)生足夠的熱，使在液晶材料54內(nèi)形成散射區(qū)。
元件40最好由與圖1元件10中相應(yīng)層相同的材料和相同厚度的幾層組成。
權(quán)利要求
1.一種激光存入液晶元件，包括限定所述元件外表面的第一和第二透明基片層；第一和第二電極層，每層均由透明導(dǎo)電材料制成，所述第一電極層鄰接上述第一基片層，所述第二電極層鄰接上述第二基片層；在上述兩電極層間的蝶狀結(jié)構(gòu)液晶層；和置于上述液晶層和上述第二電極層之間供吸收紅外輻射而允許可見光輻射通過的結(jié)構(gòu)；其特征在于所述紅外吸收結(jié)構(gòu)包括一輻射吸收材料層，一選擇反射紅外輻射而透過可見光輻射層，和一置于上述二層之間的介電材料隔離層。
2.按照權(quán)利要求1所確定的液晶元件，其特征在于所述元件通過上述第一基片層進(jìn)行激光存入。
3.按照權(quán)利要求1所確定的液晶元件，其特征在于所述元件通過上述第二基片層進(jìn)行激光存入。
4.按照權(quán)利要求1，2或3所確定的液晶元件，其特征在于所述輻射吸收材料層用金屬材料制成。
5.按照權(quán)利要求4所確定的濃晶元件，其特征在于所述輻射吸收材料層用鎳制成。
6.按照權(quán)利要求1，2或3所確定的液晶元件，其特征在于所述隔離層用二氧化硅材料制成。
7.按照權(quán)利要求1，2或3所確定的液晶元件，其特征在于所述隔離層用氟化鎂材料制成。
8.按照權(quán)利要求1，2或3所確定的液晶元件，其特征在于所述選擇反射層是一介電反射鏡。
9.按照權(quán)利要求1，2或3所確定的液晶元件，其特征在于所述選擇反射層包括第一和第二種介電材料的許多交替層，所述第一種材料的折射率高于第二種材料的折射率。
10.按照權(quán)利要求9所確定的液晶元件，其特征在于所述的每層交替層的光學(xué)厚度均為所述紅外輻射波長(zhǎng)的四分之一。
11.按照權(quán)利要求9所確定的液晶元件，其特征在于所述第一種材料是XO2，其中X從包括鈦、鉿和鋯的族中選擇。
12.按照權(quán)利要求9所確定的液晶元件，其特征在于所述第二種材料是二氧化硅。
13.按照權(quán)利要求9所確定的液晶元件，其特征在于所述第二種材料是氟化鎂。
14.按照權(quán)利要求1所確定的液晶元件，其特征在于所述第一和第二電極層用銦-錫氧化物材料制成。
全文摘要
一種激光存入液晶元件(10)包括組成元件外表面的第一和第二透明基片層(14，16)。第一和第二電極層(18，20)均由透明導(dǎo)電材料制成，第一和第二電極層分別鄰接第一和第二基片層。蝶狀結(jié)構(gòu)液晶層(12)置于兩電極層之間。一個(gè)三層結(jié)構(gòu)(24)置于液晶層和第二電極層之間，用以吸收紅外輻射而允許可見光輻射通過。該結(jié)構(gòu)包括一輻射吸收材料層(28)，一選擇反射紅外輻射而透過可見光輻射層(26)和一位于上述二者之間的介電材料隔離層(30)。
文檔編號(hào)G02F1/133GK1031431SQ88103010
公開日1989年3月1日 申請(qǐng)日期1988年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1987年5月22日
發(fā)明者孫路, 阿荷瑞·霍奇伯姆 申請(qǐng)人:米德公司