Жидкие кристаллы. Их технологическое применение

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

3.1 Жидкие кристаллы сегодня и завтра

Многие оптиче­ские эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказы­валось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем из­вестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу­ются для производства наручных часов, в которые встро­ен калькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как на­звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных при­менений жидких кристаллов еще более удивительны. По­этому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.

3.2 Оптический микрофон

В системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих воз­действий в оптический сигнал жидкокристаллические ус­тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер­спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, одна­ко подавляющее большинство этих методов связано сна­чала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двусту­пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко­номичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не­посредственно переводить в оптический сигнал, что уст­раняет промежуточное звено в цепи воздействие—све­товой сигнал, а значит, вносит принципиальное упроще­ние в управление световым потоком. Другое достоинст­во ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с уз­лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о прин­ципе работы «оптического микрофона» на ЖК—устрой­ства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик­рофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые колебания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК показали, что по своим параметрам он не уступает су­ществующим образцам и может быть использован в оп­тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред­ственное преобразование звуковых сигналов в оптиче­ские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практически не изменяются

3.3 Как сделать стереотелевизор

В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, что представляется особен­но заманчивым, такая система «стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой очень простой модификации передающей телекамеры и до­полнением обычных телевизионных приемников специ­альными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими  фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкра­не формируется построчно, причем так, что сначала вы­свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по­мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег­ко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел толь­ко четные строчки, а левый — нечетные. Для этого доста­точно синхронизировать включение и выключение жидко­кристаллических фильтров, т. е. возможность восприни­мать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечет­ных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю­щей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. На­до, чтобы передающая телекамера была стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствую­щими восприятию объекта левым и правым глазом чело­века, четные строчки на экране формировались с по­мощью правого, а нечетные—с помощью левого объ­ектива передающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтра­ми—затворами, синхронизированными с работой телеви­зора, может оказаться непрактичной для массового при­менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока­жется стереосистема, в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол оч­ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поля­ризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко­кристаллической пленки, нанесенной на экран телевизо­ра и пропускающей от четных строк свет одной линей­ной поляризации, а от нечетных—другой линейной по­ляризации, перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализована или выживет совсем другая система, покажет  будущее.

3.4 Очки для космонавтов

Знакомясь ранее с маской для электросварщика, а теперь с очками для стереотелевидения, бы заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем сущест­вуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть от­дельные участки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрез­вычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотеле­видения позволяют решить управляемые жидкокристаллические  фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонав­там, но и людям других профессий, работа которых мо­жет быть связана не только с ярким нерассеянным осве­щением, но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромное количество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно. Поэтому использо­вание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, мо­жет быть полезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать его внимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлека­ющее влияние не нужной в этот момент информации.

Подобные очки будут очень полезны также в биоме­дицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной инфор­мации. В результате таких исследований можно выявить скорость реакции оператора на зрительные сигналы, оп­ределить наиболее трудные и утомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной организации его работы. Последнее значит определить на­илучший способ расположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различ­ной степени важности.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позво­ляют исключить из аппаратуры детали, совершающие механические движения. А как известно, механические системы часто оказываются наиболее громоздкими и не­надежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это прежде всего диафрагмы, фильт­ры — ослабители светового потока, наконец, прерывате­ли светового потока в киносъемочной камере, синхрони­зованные с перемещением фотопленки и обеспечиваю­щие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-ос­лабителей естественно использовать ЖК-ячейки, в кото­рых под действием электрического сигнала изменяется пропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей—системы ячеек в виде кон­центрических колец, которых могут под действием элек­трического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует также отметить, что сло­истые структуры, содержащие жидкий кристалл и фото­полупроводник, т. е. элементы типа управляемых оп­тических транспарантов, могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и для автоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств их широкое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, их работы в широком температурном интервале, на­конец, конкуренции с традиционными и устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем — это только вопрос времени, и скоро, на­верное, трудно будет себе представить совершенный фо­тоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное.

Недавно открыты и интенсивно исследуются жидкокристаллические полимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики, идет активное исследование гибкоцепных элементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике, информатике, голографии и т. п.).

Приложение 1

Рис.1

Первое ЖК-соединение — холестерилбензоат и диаграмма, иллюстрирующая температурную область существования ЖК-фазы.

Приложение 2

Рис.1а

Типичные примеры химических соединений, образующих ЖК-фазу.

Приложение 3

Рис. 2. Основные типы расположения стержне-образных (а-в) и дискообразных (г) молекул в жидких кристаллах: а - смектическая фаза, б - нематическая, в - холестерическая, г - дискотическая (n- директор).

Приложение 4

Рис. 3 Типичные текстуры нематических(а), смектических(б) и холестерических (в) жидких кристаллов: а — шлирен, б — веерная, в — конфокальная текстуры.

Приложение 5

Рис. 4. Некоторые типы лиотропных жидкокристаллических структур, образованные амфифильными молекулами в водных растворах: а - цилиндрическая мицелла, б - гексагональная упаковка цилиндрических мицелл, в - ламеллярный смектический жидкий кристалл; г - строение мембраны, состоящей из фосфолипидного двойного слоя ( 1 ) и молекул белков (2).