DE2417088A1

DE2417088A1 - Vorrichtung zur lichtsteuerung

Info

Publication number: DE2417088A1
Application number: DE2417088A
Authority: DE
Inventors: Marvin Joseph Freiser
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-05-14
Filing date: 1974-04-08
Publication date: 1974-12-12
Also published as: CA1096023A; FR2229460A1; US3857629A; JPS5011249A; IT1006477B

Description

Böblingen, den 2. April 1974 pr-fe

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 1O5O4

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 106

Vorrichtung zur Lichtsteuerung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lichtsteuerung mit einer zwischen zwei Polarisatoren mit sich kreuzenden Durchlaßrichtungen angeordneten, zwei Steuerelektroden aufweisenden und eine nematische Flüssigkeit enthaltenden Zelle.

Auf vielen Gebieten der Technik, beispielsweise auf den Gebietender Nachrichtenübertragung und Wachrichtenverarbeitung, werden Vorrichtungen zur Lichtsteuerung benötigt, mit deren Hilfe ein Lichtstrahl zeitlich moduliert werden kann. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zur übertragung von Nachrichten über größere Entfernungen mit Hilfe von Laserstrahlen, zum Einschreiben und Auslesen von optischen Speichern, oder zur Verknüpfung von durch solche optischen Signale dargegestellten Informationen benötigt. Die Steuerung des Lichtes kann mit Hilfe von relativ langsamen mechanischen Vorrichtungen oder durch sehr schnelle elektrooptische oder magnetooptische Vorrichtungen erfolgen, die zwar um Größenordnungen schneller als mechanische Vorrichtungen sind, gegenüber diesen aber den schwerwiegenden Nachteil haben, daß sie außer einem komplizierten Aufbau auch sehr hohe Steuerspannungen benötigen, die bei den bekannten Kerr-oder Pockels-ZeIlen in der Größenordnung von 3000 bis 5000 Volt liegen. Die ebenfalls zur Lichtsteuerung verwendbaren, mit nematischen Flüssigkeiten gefüllten Zellen benötigen zwar niedrigere Steuerspannungen, haben aber den Nachteil, daß die durch das An-

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legen einer Steuerspannung bewirkte Änderung des Brechungsindexes und/oder der Ausrichtung der Kristalle nach Abschalten dieser Spannung nur relativ langsam abklingt. Es wurde auch schon versucht, diese Relaxationszeit durch die Anbringung von Hilfselektroden zu verkürzen, durch die ein zum steuernden elektrischen Feld senkrecht verlaufendes Feld erzeugt wird. Abgesehen von der durch diese Elektroden bedingten Erhöhung des technischen Aufwandes hat es sich auch gezeigt, daß derartige Elektrodenanordnungen bei flachen mit nematischen Flüssigkeiten gefüllten Zellen nicht verwendet werden können.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung zur Lichtsteuerung mit einer bei Anlegung eines elektrischen Feldes ihren Brechungsindex oder ihre Ausrichtung ändernden Flüssigkeit anzugeben, bei der die oben angegebenen Kachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Lichtsteuerung mit einer zwischen zwei Polarisatoren mit sich kreuzenden Durchlaßrichtungen angeordneten, zwei Steuerelektroden aufweisenden und eine nematische Flüssigkeit enthaltenden Zelle gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine in Abhängigkeit von der Frequenz der an den Steuerelektroden anliegenden Spannung das Vorzeichen ihrer dielektrischen Anisotropie wechselnden nematischen Flüssigkeit und durch Mittel zum Erzeugen und Anlegen dieser Spannung an die Steuerelektroden.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fign. 1 und 2 die schematische Darstellung einer Vorrichtung

zur Lichtsteuerung im erregten und im unerregten Zustand

Fig. 3 Kurven zur Veranschaulichung der physikalischen

Eigenschaften einer im Zusammenhang mit der vor-

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- 3 liegenden Erfindung verwendbaren Flüssigkeit

Fign. 4 und 5 Kurven zur Veranschaulichung der Funktion eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig. 1 wird eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Lichtsteuerung dargestellt. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes ändert sich die Orientierung und der Brechungsindex der Flüssigkeit in der Zelle derart, daß ein der Vorrichtung zugeführter Lichtstrahl je nach dem angelegten elektrischen Feld entweder unterbrochen oder durchgelassen wird. Die Vorrichtung besteht aus zwei mit sich kreuzenden Polarisationsrichtungen angeordneten Polarisatoren 16 und 18, zwischen denen eine aus durchsichtigen Elektroden 12 und 14 bestehende und eine nematische Flüssigkeit 10 enthaltende Zelle liegt. Die der in Form einer Schicht 10 vorliegenden nematischen Flüssigkeit zugewandten Flächen der Elektroden 12 und 14 sind so behandelt, daß die Schicht 10 eine einzige optische Achse aufweist, die parallel zu den Elektrodenflächen verläuft, wenn die angelegte Spannung V gleich 0 ist. Diese Ausrichtung kann beispielsweise durch Polieren der Oberfläche in der gewünschten Richtung, vorzugsweise nach vorherigem Schmelzen, bewirkt werden. Es ist aber auch möglich, auf die Elektrodenfläche eine dünne Schicht aufzudampfen und den Strahl unter einem großen Winkel mit der Flächennormalen auffallen zu lassen. Der unerregte Zustand wird in Fig. 1 durch eine Spannungsquelle 11 und einem mit dieser verbundenen offenen Schalter 13 veranschaulicht. Weist die die Schicht 10 bildende nematische Flüssigkeit eine positive dielektrische Anisotropie auf, dann wird bei Anlegung einer genügend großen Spannung V, beispielsweise durch Schließen des Schalters 13, wie in Fig. 2 dargestellt, die optische Achse des größten Teils der nematischen Flüssigkeit in Richtung des angelegten Feldes ausgerichtet. In diesem Zustand wird bei der Anordnung des aus den Elektroden

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12 und 14 und der Schicht 10 bestehenden Zelle zwischen den zwei mit sich kreuzenden Polarisationsrichtungen angeordneten Polarisatoren 16 und 18 ein der Vorrichtung zugeführter Lichtstrahl unterbrochen. Im nicht erregten, Zustand, in dem die optische Achse parallel zu den Eletrodenflachen verläuft, ist die Vorrichtung lichtdurchlässig. Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtung dient das Element 16 als Polarisator und das Element 18 als Analysator. Wie schon angegeben, haben derartige Vorrichtungen sehr lange Relaxationszeiten, die durch die inneren elastischen Kräfte und durch die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt werden. Eine charakteristische Relaxationszeit wird durch die Beziehung

τ = y

definiert, wobei Y eine Viskosität, k eine Elastizitätskonstante, und £ die die Dicke der Zelle ist. Typische Werte für bei Zimmertemperatur arbeitende nematische Flüssigkeiten sind γ ~ 0.5 poise, und k ~ 10~ dyn. Bei etwa 20 pmdicken Zellen beträgt daher die Relaxationszeit τ etwa 200 ms.

In Fig. 2 wird der Zustand der Vorrichtung beim Anliegen einer V übersteigenden Spannung dargestellt, wobei V die zur Ausrichtung der optischen Achse der die Schicht IO bildenden nematischen Flüssigkeit in Richtung des Feldes erforderliche Spannung ist. Wie oben beschrieben, kann die für viele Anwendungsbeispiele zu lange Relaxationszeit von τ = 200 ms durch Hilfselektroden verkürzt werden, die aber die ganze Anordnung komplizieren und ihre Anwendbarkeit stark einschränken. Gemäß der Erfindung wird daher eine die Schicht 10 bildende nematische Flüssigkeit verwendet, deren dielektrische Anisotropie ihr Vorzeichen bei einer bestimmten Frequenz f„ der Steuerspannung

JK

ändert. Auf diese Weise ist es möglich, mit nur zwei Steuerelektroden, beispielsweise den Elektroden 12 und 14, die Vorrichtung durch Anlegen einer Gleichspannung oder durch Anlegen

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einer Wechselspannung mit f < f_D in ihrem EIN-Zustand

oder durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz f > f_n in ihrem AUS-Zustand zu überführen. Die Wirkung auf die Relaxationszeit wird durch den Ausdruck definiert:

IAeI 4π

wobei bei einer Frequenz f > f„ den Wert von Δε = ε,, - ε_Α negativ ist. So wird beispielsweise bei |Δε| =0.5 und ^_xms ⁼ Volt =0.4 Statvolt eine Herabsetzung der Relaxationszeit von 200 ms auf 0,3 ms erfolgen. Das heißt, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem einzigen Elektrodenpaar 12, 14 die optische Achse aktiv in zwei voneinander senkrechte Richtungen überführt werden kann.

Es wurde festgestellt, daß Substanzen, bei denen sich das Vorzeichen ihrer dielektrischen Anisotropie als Funktion der Frequenz der angelegten Steuerfelder ändert, mit Vorteil als Schicht 10 verwendet werden. Derartige Substanzen werden durch die Strukturformel

CH₃

definiert, wobei R und S Alkylradikale mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen sind.

Die in Fig. 3 wiedergegebenen Kurven veranschaulichen die physikalischen Eigenschaften einiger im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbarer nematischer Flüssigkeiten. Die Kurven (1) und (2) zeigen die hauptsächlichsten Komponenten des senkrecht aufgetragenen dielektrischen Tensors als Funktion der in horizontaler"Richtung aufgetragenen Frequenz. Die Kurve (3) stellt die dielektrische Anisotropie, Δε ■ ε* - ε_χ

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als eine Funktion der Frequenz dar. Diese Kurve stellt die Δε-Charakteristik der Positiv-Negativ-Anisotropie der nematischen Substanz dar. Aus dem Verlauf der Kurve (3) ergibt sich, daß Δε zwischen den Frequenzen fL und f' negativ ist. Bei Frequenzen

κ κ

kleiner als f_R ist Δε positiv und bei einer Frequenz, die größer als f' ist, ebenfalls positiv.

Aus den in Fig.. 3 dargestellten Kurven kann geschlossen werden, daß ein Molekül, das sowohl eine positive, als auch eine negative Anisotropie aufweist, ein Dipolmoment haben muß, das mit der langen Molekülachse einen nicht zu großen Winkel einschließt, da andernfalls die Gleichstromanisotropie negativ wäre. Der erforderliche Winkel des Dipolmoments mit der langen Achse des Moleküls hängt von der Größe des Dipolmoments und der Anisotropie der Elektronenpolarisierbarkeit der Moleküle ab". Methylisierte Diestere sind Beispiele solcher Substanzen, für die f' , d.h.

ti.

die Frequenz, bei der die Zeichenumkehr nematischer Flüssigkeiten bei Zimmertemperatur stattfindet, etwa bei 1 kHz liegt.

Die in Fig. 4 dargestellten Kurven geben die Verhältnisse bei einer verwundenen nematischen Zelle (die Flächen bilden einen Winkel von 90°) wieder, die zwischen mit sich kreuzenden Durchlaßrichtungen angeordneten Polarisatoren liegt und bei der eine eine Positiv-Negativ-Anisotropie aufweisende Substanz verwendet wird. Eine derartige Vorrichtung ist im verwundenen Zustand lichtdurchlässig.

In Fig. 4 stellt die Abszisse Sekunden und die Ordinate die Intensität des durchgelassenen Lichtes dar. Das verwendete nematische Material besteht aus einer Mischung, die im Zusammenhang mit der oben angegebenen Strukturformel durch die unten aufgeführten Werte definiert ist.

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_ *7 ·■

	etwa 21%	TAFEL	S
	etwa 14%		Pentyl
Menge in	etwa 26%	R	Heptyl
Gewicht %	etwa 22%	Hexyl	Pentyl
1.	etwa 17%	Pentyl	Pentyl
2.	HeptyI	Pentyl
3.	Butyl
4.	Hexyl
5.

Der linke Teil der Kurven zeigt die Verhältnisse bei einer angelegten Gleichspannung (30 V Gleichspannung), durch die die Moleküle des nematischen Materials senkrecht zu den Ebenen der Elektroden ausgerichtet werden, d h., einen Zustand, in dem die Vorrichtung lichtundurchlässig ist. Der weitere Verlauf der Kurve zeigt die bei Wegnahme der Gleichspannung und Anlegen einer Wechselspannung (beispielsweise 120 V bei 10 kHz) entstehenden Verhältnisse. Im letztgenannten Fall tritt eine durch die Wechselspannung bewirkte Relaxation auf, durch die die Zelle in einen verwundenen Zustand überführt wird. In diesem Fall liegen alle Moleküle des nematischen Materials parallel zur Ebene der Elektroden, wobei sie jedoch eine spiralförmige Verwindung aufweisen.

Im weiteren Verlauf der Kurve werden die Verhältnisse dargestellt, die bei Wegnahme der Wechselspannung und bei Anlegen einer Gleichspannung von 30 Volt auftreten. Auch hier nehmen die Moleküle wieder Lagen ein, die senkrecht zu den Ebenen der Elektroden liegen, so daß kein Licht durchgelassen wird. Aus dem weiteren Verlauf der Kurve ist zu ersehen, daß die Gleichspannung zwar abgeschaltet, aber keine Wechselspannung angelegt wird. In diesem Zustand tritt eine freie Relaxation der Zelle ein, wobei eine Ausrichtung gemäß der Orientierung der Wände erfolgt.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß durch Verwendung eines YO 9 72 106

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Materials mit einer Positiv-Negativ-Anisotropie die Zeiten um etwa einem Faktor von 10 herabgesetzt werden können. Was die ursprüngliche Relaxationsgeschwindigkeit betrifft, wie sie durch die oben beschriebenen mathematischen Formeln definiert wird, ist zu ersehen, daß der Reduktionsfaktor in guter Übereinstimmung mit der Theorie etwa bei 400 liegt. Bei einer Ausführung mit parallelen Ebenen liegt die Gesamtzeit näher an den theoretischen Werten als bei Ausführungen mit verwundenen Ebenen.

In Fig. 5 v/erden die Verläufe der an die Zelle gelegten Spannungen wiedergegeben, mit denen die in Fig. 4 dargestellten Verhältnisse erreicht werden.

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Claims

TAWSP rüche

Vorrichtung zur Lichtsteuerung mit einer zwischen zwei Polarisatoren mit sich kreuzenden Polarisationsrichtunggen angeordneten', zwei Steuerelektroden aufweisenden und eine nematische Flüssigkeit enthaltenden Zelle, gekennzeichnet durch eine in Abhängigkeit von der Frequenz der an den Steuerelektroden (12, 14) anliegenden Spannung das Vorzeichen ihrer dielektrischen Anisotropie wechselnden nematischen Flüssigkeit (10) und durch Mittel zum Erzeugen und Anlegen dieser Spannung an die Steuerelektroden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nematische Substanz (10) aus Molekülen mit einem Dipolmoment besteht, das einen eine Funktion seiner Größe und der Anisotropie der Elektronenpolarisierbarkeit der Moleküle darstellenden Winkel mit der langen Achse einschließt.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nematische Substanz aus einer Verbindung und Mischungen von Verbindungen gemäß der Strukturformel

besteht, wobei R und S Alkylradikale mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Komponenten der Strukturformel:

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Menge in SR ' S Gewicht % Hexyl Pentyl etwa 21% Pentyl Heptyl etwa 14% Heptyl Pentyl etwa 26% Butyl Pentyl etwa 22% Hexyl Pentyl etwa 17%

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