DE2355752A1 - Elektrisch-optischer modulator - Google Patents
Elektrisch-optischer modulatorInfo
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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
©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-
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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
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ordentlichen Strahl mit nQ 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 IQ 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
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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-
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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-
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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.
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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
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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
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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 nQ und nQ 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
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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.
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Claims (1)
- -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
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JP11529972A JPS536858B2 (de) | 1972-11-16 | 1972-11-16 |
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Family Applications (1)
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1972
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-
1973
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Also Published As
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