DE2355752A1

DE2355752A1 - Elektrisch-optischer modulator

Info

Publication number: DE2355752A1
Application number: DE19732355752
Authority: DE
Inventors: Teruyuki Kakeda
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1972-11-16
Filing date: 1973-11-08
Publication date: 1974-06-06
Also published as: JPS4974551A; US3910680A; JPS536858B2

Description

14.403/4 40/ei

PATENTANWÄLTE Dr. rcr. nat. DISTER LOUIS PipL-Hiys. ClAUS PÖHLAU
©ipL-lng.f RANZ LOHRENTZ
8500 NORN BERG
I

Firma ASAHI KOGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Tokio / Japan

Elektrisch-optischer Modulator

Die Erfindung betrifft einen elektrisch-optischen Modulator mit einer Zelle mit nematischem Flüssigkeitskristall, an die ein elektrisches Feld zu legen ist und die im optischen Weg zwischen einem Polarisator und einem Analysator angeordnet ist, deren Polarisationsebenen senkrecht . zueinander stehen. '

Eine bekannte Zelle mit nematischem Flüssigkeitskristall enthält einen nematischen Flüssigkeitskristall, der eine elektrische. Dipolrichtung besitzt, die senkrecht zur Längsachse der Kristallmoleküle steht und die zwei parallele, durchsichtige Elektroden aufweist. Zwischen diese Elektro-

409823/073A

den ist der Flüssigkeitskristall so eingebracht, dass die Längsachsenrichtung der Kristallmoleküle senkrecht zu den benachbarten Flächen der Elektroden steht. Es ist bekannt, dass sich die Moleküle des Flüssigkeitskristalles drehen, wenn ein elektrisches Gleich- oder Wechselfeld an eine solche Zelle mit nematiscnem Flüssigkeitskristall gelegt wird. Bekannt ist es auch, dass ein nematischer Flüssigkeitskristall Doppelbrechungseigenschaften aufweist, die den Eigenschaften eines einachsigen Kristalles ähnlich sind und dass der nematische Flüssigkeitskristall eine optische Achse besitzt, die parallel zur Längsachsenrichtung der Flüssigkeitskristallmoleküle ist. Wird daher eine solche Zelle zwischen einen Polarisator und einen Analysator gebracht, die so angeordnet sind, dass ihre Polarisationsebenen einen rechten Winkel miteinander bilden, so kann ein Parallellichtstrahl, der auf die Zelle in ihrer optischen Achsenrichtung gerichtet ist, die Zelle nicht durchstrahlen, wenn kein elektrisches Feld an ihr anliegt. Wird ein elektrisches Feld einer gewissen Grosse an die Flüssigkeitskristallzelle gelegt, so dass alle die Flüssigkeitskristallmoleküle mit ihren Längsachsen parallel zu den Oberflächen der Elektroden ausgerichtet sind, so kann das Licht die Zelle durchstrahlen und das aus der Zelle austretende Licht besitzt eine Phasendifferenz oder Retardation S . Mmmt man an, dass die Dicke der- Flüssigkeitskristallschicht L seif und wird der Brechungsindex für den

4ÖS823/G7

ordentlichen Strahl mit n_Q und der Brechungsindex für den : ausserordentlichen Strahl mit η und die Wellenlänge des einfallenden Lichtes mit Λ bezeichnet, so erhält man dia Phasendifferenz bzw. Phasenverschiebung c aus der folgenden Beziehung: . .

¥ird die Intensität des einfallenden Lichtes mit I_Q und der Winkel zwischen der optischen Achse des Flüssigkeitskristalles und der Achse des durch den Polarisator linear polarisierten Lichtes mit Cp bezeichnet, so ist die Intensität I des die Zelle durchstrahlenden Lichtes durch folgende Gleichung gegeben:

= I₀sin² 20sin²—

Ist der Flüssigkeitskristall so angeordnet, dass ψ = 45°, dann ist die Intensität des die Zelle durchstrahlenden Lichtes gegeben durch,

I =

Unter diesen Bedingungen und unter der Voraussetzung, dass das auf die Zelle einfallende Licht monochromatisches Licht ist, erreicht die Intensität I des durchge

409823/0734 , -

lassenen Lichtes Maxima bei ü = X,3£, 5% , ... .

Daraus geht hervor, dass die Intensität des Lichtes, das einen Flüssigkeitskristall durchstrahlt hat, der eine gegebene Dicke besitzt, einige . Maximalwerte aufweist, wie die Figur 1 zeigt. In der Figur 1 ist die gemessene Intensität des durchgelassenen Lichtes über der angelegten Spannung aufgetragen. Bei dieser Messung war der Flüssigkristall ein Gemisch aus Methoxybenzilidenbutylanilin und Äthoxybenzilidenbutylanilin. Die Dicke der Flüssigkeitskristallschicht betrug 12 ,u» Die Lichtquelle war ein He-Ne-Laser und es wurde eine Viechs el spannung mit einer Frequenz von 1 kHz angelegt, um das .elektrische Feld zu erzeugen. Empfindlichkeitskurven der Flüssigkeitskristallzelle sind in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Die Figur 2 ist eine Empfindlichkeitskurve, die man erhält," wenn man eine Spannung von 9 V anlegt. Die Empfindlichkeitskurve zeigt, dass die Intensität des durchgelassenen Lichtes nach Anlegen eines Eingangssignals während einer gewissen Zeitspanne schwankt und dann einen konstanten Wert besitzt, bis das Eingangs.signal abgeschaltet wird. Figur 3 zeigt eine andere Empfindlichkeitskurve, die man erhält, wenn man eine Spannung anglegt, die niedrig genug ist, um die Schwankungen zu eliminieren. Hierfür ist beispielsweise eine Spannung von 5,5 V geeignet. Man sieht, dass die Kurve eine grössere Anstiegszeit ver-

409823/0734

glichen mit der in Figur 2 gezeigten Kurve besitzt.

Wird eine Zelle, die eine Charakteristik,wie sie in Figur 2 gezeigt ist, besitzt, in einem Anzeige- oder Aufzeichnungsgerät benützt, beispielsweise als Taktgeber oder als Messinstrument, so erhält man eine Änderung der Farbe oder der Lichtintensität in den Zeitpunkten, in denen das Eingangssignal ein- oder ausgeschaltet wird« Ob man eine Änderung der Farbe oder eine Änderung der Lichtintensität erhält, hängt davon ab, ob man eine Lichtquelle mit weissem Licht oder eine Lichtquelle mit monochromatischem Licht benutzt. Ein weiterer und erheblich schwerwiegenderer Nachteil einer Zelle dieses Typs ist darin zu sehen, dass sie eine Ausschaltzeit besitzt, die im Bereich zwischen einigen hundert Millisekunden und einer Sekunde liegt. Dies ist unangemessen lang für eine Anzeigevorrichtung. Andererseits kann eine Zelle, die die in Figur 3 gezeigte Charakteristik besitzt, in einem Anzeigegerät ebenfalls nicht eingesetzt werden, da sie eine zu lange An-,stiegszeit besitzt, die ungefähr einige hundert Sekunden beträgt. Es ist offensichtlich, dass Zellen mit einer Empfindlichkeitskurve, wie sie in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, zum Einsatz in Geräten zur Aufzeichnung bzw. Anzeige von lebenden Bildern nicht geeignet sind.

Für eine Lichtmodulationsvorrichtung, die die Doppelbre-

409823/0734

chungseigenschaften von nematischen Flüssigkeitskristallen benützt, wird eine Flüssigkeitskristallzelle benötigt, die eine kurze Anstiegs- oder Einschaltzeit und eine kurze Ausschaltzeit besitzt und die kein"wesentliches Schwanken in der Intensität des von der Zelle durchgelassenen Lichtes erzeugt. Es ist bekannt, dass bekannte Anzeigevorrichtungen, die .mit Flüssigkeitskristallschichten ausgerüstet sind, die eine bestimmte Dicke besitzen, im allgemeinen eine ziemlich schnelle Empfindlichkeitscharakteristik besitzen, falls eine höhere Spannung angelegt wird (Figur 2)_;und dass sie eine unverhältnismässig langsam ansteigende Charakteristik aufweisen, wenn eine kleinere Spannung angelegt ist, die klein genug ist, um Schwankungen in der Intensität des durchgelassenen Lichtes zu vermeiden (Figur 3). ·

Es besteht die Aufgabe, einen Modulator der eingangs genannten Art so auszubilden, dass er eine gute Empfindlichkeitscharakteristik besitzt und keine unkontrollierbaren Lichtintensitätsschwankungen erzeugt.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Dicke der nematischen Flüssigkeitskristallschicht so eingestellt ist, dass die maximale Phasendifferenz (Retardation), die durch das angelegte Feld erreichbar ist, ungefähr ¹Jt. beträgt.

4 09823/0734

Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird beispielhaft anhand der Figuren ΐ bis 6 näher erläutert.

Es zeigt:

Figur.1 ein Diagramm, in dem die Intensität des

Lichtes, das eine Flüssigkeitskristallschicht bestimmter Dicke durchstrahlt hat, über der angelegten Spannung aufgetragen ist;

Figur 2 ein Diagramm, das die Empfindlichkeitskurve einer Zelle mit* nematischem Flüssigkeitskristall entsprechend Figur 1 wiedergibt, wenn an die Zelle eine relativ hohe Spannung gelegt istj

Figur 3 ein Diagramm, das die Empfindlichkeitskurve einer Zelle mit nematischem Flüssigkeitskristall entsprechend Figur 1 wiedergibt, an die eine relativ niedrige Spannung gelegt ist;

Figur 4- den schematischen Querschnitt durch ein

Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Lichtmodulationsvorrichtung;

Figur 5 ein Diagramm, in dem die Intensität des 409823/0734

von der Lichtmodulationsvorrichtung nach Figur 4 'urchgelassenen Lichtes über der angelegten Spannung aufgetragen ist und

Figur 6 ein Diagramm, das die Empfindlichkeitskurve der Lichtmodulationsvorrichtung nach Figur 4 wiedergibt.

Bei dem in Figur 4 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen- Lichtmadulators wird, die Doppelbrechnungseigenschäft einer Zelle mit nematlschem Flüssigkeitskristall ausgenützt und es wird verglichen mit bekannten Modulatoren eine bessere Empfindlichkeitskurve erhalten. In der Figur 4 sind mit 1 ein Polarisator, mit 2 und 3 durchsichtige Platten, die parallel zueinander angeordnet sind, mit 4 und 5 durchsichtige und elektrisch leitende Elektroden, die mit einer Steuer- und Spannungserzeugungsstufe 8 verbunden sind, mit 6 Abstandshalter, mit 7 ein Flüssigkeitskristall und mit 9 ein Analysator bezeichnet. Die Elektrode 4 befindet sich auf der Innenfläche der durchsichtigen Scheibe 2 und die Elektrode 5 auf der Innenfläche der durchsichtigen Platte 3. Der Polarisator 1 und der Analysator 9 sind so angeordnet, dass ihre Pol risationsebenen einen rechten Winkel miteinander bilden. Daher kann ein Parallellichtstrahl, der aus der Richtung auf die Zelle gerichtet ist, die parallel zur optischen Achse der Zelle

409823/0734

verläuft, die Zelle nicht durchdringen, falls nicht ein elektrisches Feld an den Flüssigkeitskristall gelegt ist. Die Dicke L der Abstandshalter 6 ist so eingestellt, dass der ¥ert <5 , der sich aus der oben angegebenen Formel ergibt, gleich % wird. Dies gilt natürlich für eine bestimmte, benützte Wellenlänge λ und für die speziellen Brechungsindizes n_Q und n_Q des benützten Flüssigkristalles. Die Dicke der Abstandshalter 6 kann beispielsweise mittels einer der hinreichend bekannten Beschichtungstechniken eingestellt werden.

Die Lichtmodulationsvorrichtung, die in Figur 4 gezeigt ist, besitzt die Charakteristiken, die in Figur 5 und 6 wiedergegeben sind. In Figur 5 ist die gemessene Intensität des durchgelassenen Lichtes bezüglich des elektri*- schen Feldes aufgetragen, das an die Zelle gelegt ist. Bei dieser Messung bestand der Flüssigkeitskristall wieder aus einer Mischung von Methoxybenzilidenbutylanilin mit Athoxybenzilidenbutylanilin. Als Lichtquelle wurde ein He-JNe-Laser benutzt. Das angelegte elektrische- Feld war ein Wechselfeld mit einer Frequenz von. 1 kHz. Die Dicke der Flüssigkeitskristallschicht betrug 0,94 /U. Dieser Wert wurde aufgrund der Wellenlänge des Lichtes der Lichtquelle und der Brechungsindizes des benützten Flüssigkeitskristalls ausgewählt. Bei einer Zelle, die die in Figur 5 gezeigte Charakteristik besitzt, treten

409823/0734

Schwankungen in der Intensität des durchgelassenen Lichtes nicht auf und man erhält einen ungestörten Betrieb bzw. eine ungestörte Wirkungsweise sogar dann, wenn man eine grössere Spannung anlegt, um die Ansprechgeschwindigkeit zu vergrössern, wie es in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben wurde. Figur 6 zeigt die Empfindlichkeitskurve einer solchen Zelle, an die eine Spannung von 8 V angelegt ist.

Vergleicht man die in Figur 5 und 6 gezeigten Empfindlichkeitskurven der erfindungsgemässen Flüssigkeitskristallzelle mit den Empfindlichkeitskurven von im Handel erhältlichen, herkömmlichen Flüssigkeitskristallzellen, die in Figur 2 und 3 gezeigt sind, so ist es offensichtlich, dass mit der Erfindung die Empfindlichkeitscharakteristik einer Flüssigkristallzelle sehr wirkungsvoll verbessert wurde.

Es zeigt sich, dass ein nematischer Flüssigkeitskristall, der einen elektrischen Dipol aufweist, der parallel (und nicht senkrecht wie bisher vorausgesetzt) zu der Längsachsenrichtung der Kristallmoleküle ist, sich mit der gleichen Wirkung in einem erfindungsgemässen Modulator benützen lässt.

409823/0734

Claims

-Ί1 -

Patent-(Schutz-)Anspruch:

Elektrisch-optischer Modulator mit einer Zelle mit nematischem Flüssigkeitskristall, an die ein elektrisches
Feld zu legen ist und -die im optischen Weg zwischen einem Polarisator und einem Analysator angeordnet ist, deren Polarisationsebenefn senkrecht zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass' die Dicke der nematisehen
Flüssigkeitskristallschicht (7) so eingestellt ist, dass die maximale Phasendifferenz (<S ), die.durch das angelegte Feld erreichbar ist, ungefähr It beträgt.

A 0 9 82-3 / Ö 7 3 A