DE3337331A1

DE3337331A1 - Fluessigkristall-lichtmodulator

Info

Publication number: DE3337331A1
Application number: DE19833337331
Authority: DE
Inventors: Duane A. 97106 Banks Oreg. Haven
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1982-10-18
Filing date: 1983-10-13
Publication date: 1984-04-19
Also published as: CA1204811A; GB2129606B; GB2129606A; GB8325485D0; NL8303551A

Description

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Tektronix, Inc. München, 18, Okt. 1983

Beaverton, Oregon 97077 (V.St.A.) str-zö 14 414

Flüssig kristall-Lichtmodulator

Die Erfindung betrifft Flüssigkristall-Lichtmodulatoren, insbesondere durch einen Elektronenstrahl adressierte Flüssigkristall-Lichtmodulatoren und deren Herstellung.
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Vielfach ist es erwünscht, eine in Form eines elektrischen Signales vorliegende Information durch Lichtmodulation in ein Bild zu verwandeln. Beispiele hierfür sind die Projektionen von Fernseh-Bildern oder Computer-Daten und -Graphiken auf Bildschirmen.

Projektions vorrichtung en, bei denen Lichtmodulationstechniken angewandt werden, können grundsätzlich in zwei Arten unterschieden werden:

1. Solche, bei denen der Lichtmodulator mittels eines Fotoleiters mit dem adressierenden System gekoppelt ist und

2. solche, bei denen der Lichtmodulator direkt adressiert wird, beispielsweise mittels eines Elektronenstrahles oder eines Lasers.

Ein Beispiel für die erste Art ist der Flüssigkristall-Lichtmodulator gemäß der Veröffentlichung J. Grinberg, . e.a. "Photoactivated Birefringent Liquid Crystal Light Valve for Color Symbology Display", IEEE Trans. Elec. Dev., Vol. ED-22, No. 9, S. 775 (1975) und W. Bleha, e.a., "Application of Liquid Crystal Light Valve to Real-Time Optical Data Processing", Opt. Eng., Vol. 17, No. 4, S. 371 (1978). Bei diesen Vorrichtungen wird ein Feld über eine reflektierende Flüssigkristall-Zelle mittels eines Fotoleiters gelegt,

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Ol welcher durch von einer Seite einfallendes Licht aktiviert wird, durch welches die Zelle in die Lage versetzt wird» von der anderen Seite eintretendes Licht zu modulieren und zurückzureflektieren. Bei dieser Vorrichtung ist allerdings eine sehr komplizierte Schichtstruktur und eine aufwendige Optik erforderlich. Bei praktisch verwertbaren Zeil-Stärken ist die Schaltzeit und das Kontrastverhältnis für viele Anwendungen nicht hinreichend.

Beispiele für die zweite Art von Lichtmodulatoren sind die Ölfilm-Einrichtungen gemäß der Veröffentlichung T. True, "Recent Advances in High Brightness and High Resolution Color. Light Valve Projector", 10 SID Symposium Digest,. Vol. 10, S. 20 (1979); US PS 3,626,084 und H. Dewey, e.a., "Laser-Addressed Liquid Crystal Projection Displays", SID Proceedings, Vol. 19, No. 1, S. 1 (1978) sowie M. Smith, e.a., "Ultra High Resolution Graphic Data Terminal", SPIE, Vol. 200, S. 171 (1979); R. Thomas, e.a., "The Mirror Matrix Tube: A Novel Light Valve for Projection Displays", Westinghouse Scientific Paper, 74-lG7-Mirro-Pl (ES 481), November 1974, G. Guldberg, e.a., "An Aluminum/SiCL/Silicon on Saphire Light Valve Matrix for Projection Displays", Applied Physics Letters, Vol. 26, No. 7, S. 391 (1975), L. Hornbeck, e.a., "Deformable Mirror Projection Display", 11 SID Digest, Vol. 11, S. 229 (1980) sowie die Pockels-Zelle gemäß G. Marie und J. Donjon, "Single Crystal Ferroelectrics and Their Application in Light Valve Display Devices", Proc. of the IEEE, Vol. 6, No. 7 (1973).

Die zuvor erwähnten Beispiele der Vorrichtungen zweiter Art haben eine Reihe von Nachteilen. Der. Öl-Film, der thermisch adressierte Spiegel und der Matrix-Spiegel erfordern jeweils Schlieren-Verfahren und -Optiken, welche aufwendig und optisch wenig wirksam sind. Darüber hinaus brauchen diese Vorrichtungen μηα Pockels-Zellen jeweils Reflektions-Einrichtungen. Der Öl-Film, auf den ein Bild

Ol mitteli eines Elektronenstrahles geschrieben wird, verlangt hohe Stabilität und aufwendige Verfahren aufgrund der Verschlechterung der Qualität des Öl-Filmes. Die mit Spiegel-Techniken arbeitenden Verfahren verwenden jeweils Speichermedien, welche wiederum Modulationsmedien steuern, deren Schaltgeschwindigkeiten die Anwendungsbereiche stark einschränken. Die deformographischen Einrichtungen, bei denen elastische Membranen zur Lichtmodulation eingesetzt werden, weisen bei niederen Frequenzen keinen Raumeffekt auf und erzeugen Fehlbilder aufgrund von Verschiebungen von Membranen. Die thermisch adressierten Einrichtungen weisen eine geringe Empfindlichkeit auf. Bei der Pockels-Zelle wird Licht mittels eines Kristalles moduliert, auf dem mit einem Elektronenstrahl geschrieben wird. Doch ist diese Anordnung sehr kompliziert und verlangt ein Kühl-Systern, und auch das Auflösungsvermögen ist begrenzt durch die Größe des Kristalles.

Andererseits sind Flüssigkristalle für die Bilderzeugung sehr geeignet aufgrund der Tatsache, daß mit ihnen eine äußerst fein steuerbare Lichtmodulation möglich ist. Allerdings haben sich diese Flüssigkristalle noch nicht durchsetzen können, da noch keine zufriedenstellenden Adressierverfahren gefunden werden konnten. Es wäre äußerst wünschenswert, eine Flüssigkristall-Zelle direkt mit einem Elektronenstrahl zu adressieren, da Kathodenstrahltechniken (nachfolgend "CRT" genannt) sehr weit entwickelt sind. Ein Reflektions-Flüssigkristall-CRT-Display ist beschrieben in der Veröffentlichung J. VanRaalte, Proc. of the IEEE, Vol. 56, No. 12, S. 2U6 (1968). Dort wird der Elektronenstrahl mittels einer Vielzahl von Metallstiften mit der Flüssigkristall-Zelle gekoppelt, woraus eine Vielzahl von Problemen entsteht, beispielsweise geringes Auflösungsvermögen und Querschläge (Überschläge) von Stift zu Stift. Die Abtastung eines Flüssigkristalles mittels eines Elektronen Strahles zur Speicherung von Informationen ist beschrieben in der Veröffent-

Ol Hchung von J. Hansen und. R. Schneeberg, "Liquid Crystal Media for Electron Beam Recording", IEEE Trans, on Elec. Dev., Vol. ED-15, No. 11, S. 896 (1968), doch wird bei dieser Einrichtung ein cholesterisch.es Flüssigkristall-Material eingesetzt, dessen Ansprechzeit gering ist, wobei zum Schalten ein starkes elektrisches Feld erforderlich ist, so daß eine geringe Empfindlichkeit der Einrichtung resultiert. Die Verwendung einer Flüssigkristall-Zelle in einer mittels eines Elektronenstrahles adressierten, direkt einsehbaren Display-Anordnung ist erwähnt in der Veröffentlichung von I.

Chang und W. Pennebaker, "Bi-stable Storage Tube With AC Controlled Display", 1973 SID Symposium Digest of Technical Papers, S. 102.

Allerdings hat keine der zuvor erwähnten Einrichtungen die Eigenschaft, das sie passierende Licht mit schneller Ansprechzeit und mit zufriedenstellender Bildkraft zu modulieren, ohne daß aufwendige Optiken bei schnell wechselnden Bildfolgen, wie etwa beim Fernsehen, eingesetzt werden müßten.

Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Lichtmodulator bereitzustellen, der bei einfachem Aufbau eine Lichtmodulation mit schneller Ansprechgeschwindigkeit und guter Kontraststärke ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines Flüssigkristall-Lichtmodulators gelöst, welcher das ihn passierende Licht moduliert und welcher direkt durch den Abtast-Elektronenstrahl einer CRT adressierbar ist. Der erfindungsgemäße Lichtmodulator ist mit einem einfachen optischen Transmissionssystem ausgerüstet, um schnell wechselnde Bilder zu erzeugen. Dabei hat er ein gutes Auflösungsvermögen, gute Kontraststärke und Empfindlichkeit. Darüber hinaus ist die Arbeitszuverlässigkeit gegenüber herkömmlichen Einrichtungen dieser Art verbessert. Erfindungsgemäß wird auch die Herstellung eines Projektors unter Herstellung einer Kathodenstrahlröhre beschrieben, welche Fenster aufweist, durch die Licht zur

Ol Modulation durchgeschickt und danach auf einen Schirm projeziert wird. Erfindungsgemäß wird auch ein neues Verfahren zum Herstellen eines solchen Lichtmodulators vorgestellt.

Eine gedrehte nematische Flüssigkristall-Zelle wird aus einem geeigneten Flüssigkristall-Material gebildet, welches zwischen einer transparenten Frontplatte mit einer darauf ausgeformten transparenten Elektrode und einer transparenten Auftreffplatte angeordnet ist, wobei im mittleren Abschnitt der Zelle ein Fenster definiert ist, durch welches das zu modulierende Licht hindurch tritt. Eine Schreib-Elektronenquelle ist vorgesehen, um einen engen Elektronenstrahl auf ausgewählte Abschnitte der Auftreffplatte zu richten, so daß an diesen Orten das Potential der Oberfläche der Auftreffplatte geändert wird. Eine oder mehrere Sprühkathoden sind vorgesehen, um einen breiten, nicht gebündelten Strahl bzw. eine Wolke von Elektronen auf die Auftreff platte zu richten, so daß das Potential der Oberfläche der Auf tr eff platte auf das Potential der Sprühkathode gebracht wird. Ein Kollektor ist in der Nähe des Umfanges der Auftreffplatte angeordnet, um Sekundärelektronen aufzufangen, die von der Auftreffplatte emittiert werden sowie von der Sprühkathode stammende Elektronen, welche zurückprallen, wobei das Potential des Kollektors gerade unterhalb des ersten Kreuzungspunktes der charakteristischen Sekundäremissionskurve der Auftreffplatte /"■*■« gehalten wird, so daß mit sehr hoher Geschwindigkeit mittels der

Schreib-Elektronen quelle die Auftreffplatte zu adressieren und wieder zu regenerieren ist. Die Schreib-Elektronen quelle, die Sprühkathode und der Kollektor werden außerhalb eines vorbestimmten Sichtfeldes des Flüssigkristall-Fensters angeordnet, so daß das Licht ungehindert zur Modulation durch die Zelle zur Auftreffplatte durchtreten kann.

Die Projektionsanordnung weist also eine Kathodenstrahlröhre mit einer Schreib-Elektronen quelle, einer Sprühkathode, einem Kollektor und einer Flüssigkristall-Zelle auf, wobei die Frontplatte der Flüssigkristall-Zelle auch die Frontplatte der Kathodenstrahlröhre

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Ol bildet. Ein Eingangsfenster ist auf der Rückseite der Kathodenstrahlröhre ausgebildet, so daß Licht in das Eingangsfenster eintreten und durch die Flüssigkristall-Zelle wieder austreten kann." Ein polarisierender Körper ist vor dem Eingangs fenster angeordnet sowie vor der Vorderplatte, so daß die Flüssigkristall-Zelle dadurch zur Modulation der Lichtintensität benutzt werden kann, daß die Polarisation des die Zelle passierenden Lichtes variiert wird. Ein Linsensystem dient dazu, Licht aus einer Lichtquelle durch die Kathodenstrahlröhre zu lenken und um das heraustretende Licht zu projizieren.

Der Lichtmodulator wird mittels eines Verfahrens hergestellt, welches eine isostatische Flüssigkristall-Zelle liefert. Die Vorderplatte wird auf einer Seite mit einer Indium-Zinn-Oxidschicht belegt, um eine transparente Elektrode zu bilden und um einen Einlaß und einen Auslaß über die Vorderplatte zu ermöglichen, wobei der Auslaß mit einer Sammelkammer verbunden ist. Die Auftreffplatte wird über die Vorderplatte gelegt und entlang ihrem Umfang mit dieser verbunden, wobei die Auftreffplatte mittels am Umfang angeordneter Abstandskörper von der Elektrode getrennt ist. Der Raum innerhalb und außerhalb der Zelle wird evakuiert, woraufhin sorgfältig entgastes Flüssigkristall-Material unter Druck durch den Einlaß gepreßt wird, bis die Zelle vollständig gefüllt ist, wonach der Einlaß abgedichtet wird. Daraufhin wird der Druck außenseitig der Auftreffplatte erhöht, bis die Auftreffplatte im wesentlichen parallel zu der Vorderplatte ausgerichtet ist, wonach der Ausgang abgedichtet wird. Es wurde festgestellt, daß nematisches Flüssigkristall-Material mit hoher Doppelbrechung, geringer dielektrischer Anisotropie und geringer Viskosität bei Raumtemperatur besonders geeignet ist.

Somit ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch darin zu sehen, daß allgemein ein neuer und verbesserter, durch einen Elektronenstrahl adressierbarer, Flüssigkristall-Lichtmodulator sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung geschaffen werden soll. Dabei

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Ol soll das Licht beim Passieren des Modulators moduliert werden, und es soll eine hohe Schreibgeschwindigkeit und Regeneriergeschwindigkeit möglich sein.

Mittels des erfindungsgemäßen Lichtmodulators ist es auch insbesondere möglich, eine Vorrichtung zur Bildprojektion zu erzeugen.

Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtmodulators anzugeben, mittels welchem eine isostatische Flüssigkristall-Zelle herstellbar ist.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators;

Fig. 2 den Funktionsverlauf der Sekundäremission, wie sie charakteristisch ist für eine im Lichtmodulator gemäß Fig. 1 verwendete Elektronenstrahl-Auftreffplatte, wobei der Zusammenhang der Potentiale der Elektronenstrahlquelle und des Kollektors mit der Sekundäremission dargestellt ist;

Fig. 3 Funktionsverläufe des Stromes der Elektronenstrahlquelle und des elektrischen Potentials, welches auf der vom Elektronenstrahl überstrichenen Stelle auf der Auftreffplatte gebildet wird;

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht des in Fig. 1 gezeigten Lichtmodulators, welcher in einer erfindungsgemäßen Projektionsanordnung Verwendung findet;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht zur Illustration des Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators.

Ol Gemäß Fig. 1 weist der durch einen Elektronenstrahl aktivierte Flüssigkristall-Lichtmodulator eine Flüssigkristall-Zelle 10 mit einer Vorderfläche 12 und einer Rückfläche 14-, eine Elektronenstrahlquelle 16 zur Erzeugung eines auf bestimmte Orte der Rückfläche der Zelle gerichteten. Elektronen Strahles, "welcher an den bestrahlten Orten das elektrische Potential ändert, eine oder mehrere Elektronen-Sprühkathoden 18 zur Erzeugung eines breiten, nicht fokussierten Strahles von Elektronen an und über die Rückfläche der Zelle und eine Kollektorelektrode 20 auf, welche in der Nähe des Umfanges der Rückfläche der Zelle angeordnet ist, um Sekundärelektronen zu sammeln, welche von der Rückfläche emittiert werden sowie von dort zurückprallende Elektronen.

Die Elektron enstrahlquelle, die Sprühkathode und der Kollektor, welche zumindest teilweise in einem evakuierten Raum im Bereich der Rückfläche der Flüssigkristall-Zelle angeordnet sein müssen, sind in bestimmten Stellungen außerhalb eines vorbestimmten Sichtfeldes eines Fensters angeordnet, welches durch die Linien 22 angedeutet ist. Hierdurch kann Licht ungehindert die Flüssigkristall-Zelle passieren, um dort moduliert zu werden, wobei es gewöhnlich von der Rückfläche 14 aus in das Zellenfenster eintritt und aus der Vorderfläche 12 der Zelle austritt.

Die Flüssigkristall-Zelle weist eine Vorderplatte 24 aus durchsichtigern Material auf, vorzugsweise aus Glas, wobei eine Seitenfläche der Vorderplatte die Vorderfläche 12 der Flüssigkristall-Zelle bildet. Eine durchsichtige Vorderplattenelektrode 26 ist auf der Rückfläche 28 der Vorderplatte ausgebildet. Die durchlässige Elektrode ist ein dünner Film aus Indium-Zinn-Oxyd, welcher in herkömmlicher Weise auf der Oberfläche 28 aufgetragen ist. Eine Auftreffplatte 30 aus durchsichtigem, dielektrischem Material ist parallel zur Vorderplatte in einem vorbestimmten Abstand D von der durchsichtigen Elektrode 26 angeordnet, wobei der Abstand durch den Abstandskörper 32 definiert ist und die äußere Rückfläche der 35

Ol Auftreffplatte die Rückfläche 14 der Flüssigkristall-Zelle 10 bildet. Den Zwischenraum zwischen der durchsichtigen Vorderplattenelektrode 26 und der Auf t reff platte 30 füllt eine Schicht aus nematischem Flüssigkristall-Material 34. Das Flüssigkristall-Material wird mittels einer Dichtung 35 aus einem geeigneten Klebstoff daran gehindert, den Zwischenraum zu verlassen. Die Dichtung 35 erstreckt sich um den Umfang der Zelle. Die mit der Flüssigkristall-Schicht in Berührung stehenden Oberflächen der Elektrode 26 und der Auftreffplatte 30 werden in geeigneter Weise vorbehandelt, um eine parallele (homogene) Orientierung an der Grenzschicht, zu erzielen, wobei die Orientierungen an den zwei Oberflächen in einem rechten Winkel (90 ) zueinander stehen, wodurch das nematische Flüssigkristall-Material bekanntlich um 90 gedreht ist. Die Oberflächenorientierung wird vorzugsweise dadurch bewirkt, daß im Vakuum ein durchsichtiger Film aus Silizium-Monoxid (SiO) unter einem Winkel von etwa 5 im Bezug auf die Oberfläche aufgetragen wird.

Es hat sich gezeigt, daß als Material für die Vorderplatte Flotationsglas besonders geeignet ist und daß eine feste, durchsichtige dielektrische Membrane eines Material wie beispielsweise Glimmer, Polyimid oder Glas geeignet ist als Auftreff platte > doch können auch andere Materialien zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Das Material der Auftreffplatte 30 muß (evtl. so behandelt sein, daß

25' es) einen Sekundärelektronenemissionsquotienten (o) aufweisen, der größer und vorzugsweise wesentlich größer ist als 1, wenn es von den Elektronen der Elektronenstrahlquelle getroffen wird. Der Abstandskörper 32 ist aus einem Polyester-Film oder einer Glas-Fritte geformt.

In der zusammengebauten Zelle sind die Moleküle des nematischen Flüssigkristall-Materials 34· so geordnet, daß die Zelle passierendes, linear polarisiertes Licht bei Abwesenheit eines zusätzlichen elektrischen Feldes um 90 gedreht wird. Wird eine Spannung in einem bestimmten Bereich des Materials erzeugt, so haben die Molekül-Achsen der Flüssigkristall-Moleküle das Bestreben, sich in

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Ol diesem Bereich parallel zum Feld auszurichten, wodurch der Drehwinkel des polarisierten Lichtes vermindert wird, welches diesen Bereich der Zelle passiert. Auf diese Weise moduliert das Flüssigkristall-Material das Licht, indem es dessen Polarisation verändert. Wird eine ausreichend große Spannung angelegt, so passiert das polarisierte Licht die Zelle in dem betreffenden Bereich (dem "geschalteten" Bereich) unverändert.

Ein typisches nematisches Flüssigkristall-Material, welches zur Verwendung in der Zelle 10 geeignet ist, ist beispielsweise eine Mischung aus drei Phenyl Cyclohexan Einzelkomponenten und einem Biphenyl Cyclohexan oder beispielsweise einer eutektisch en Mischung aus 4-cyano-4"-n-pentabiphenyl, 4-cyano-4"-n-pentyl-
-p-terphenyl, 4-cyano-4'-n-heptyl-biphenyl und 4-cy ano-4' -noctoxybiphenyl. Vorzugsweise hat das nematische Flüssigkristall-Material eine große Doppelbrechkraft (z.B. An ^ 0,75), eine geringe dielektrische Anisotrophie und eine geringe Viskosität bei Zimmertemerpatur. Materialien mit diesen Eigenschaften werden bevorzugt eingesetzt, da sie nur eine relativ geringe Intensität des Elektronenstrahles erfordern, mit welchem die Zelle "geschaltet" wird, wobei die Geschwindigkeiten den Anforderungen bei üblichen, einfarbigen Fernseh-Bildschirmen entsprechen. Das bevorzugte nematische Material hat z.B. einen Wert von Δη >0,l6, ein £//<13, ein £J. < 6, und eine Viskosität < 40 cp (Centipoise) bei 20 C.

Die Elektronenstrahlquelle 16 kann die üblichen für eine Kathodenstrahlröhre geeigneten Merkmale aufweisen. Diese Techniken sind wohlbekannt. Auch die Sprühkathoden 18 sind in der Display-Technik wohlbekannt.

Die Anordnung des Kollektors ist für den Lichtmodulator sehr wesentlich, da es notwendig ist, eine Elektrode zum Sammeln von Sekundärelektronen und von Sprühelektronen bereitzustellen, welche von der Rückfläche 14 emittiert werden bzw. reflektiert werden.

Dabei soll gleichzeitig Licht ungehindert die Flüssigkristall-Zelle

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Ol 10 passieren und ein elektrisches Potentialbild auf der Rückfläche 14 der Auftreffplatte gezeichnet werden können. Vorzugsweise wird der Kollektor aus einem Ring leiter 20 gebildet, welcher entlang des Umfanges der Flüssigkristall-Zelle ausgeformt ist, wobei sich dessen Mittelachse von der Vorderplatte 24 gemäß Fig. 1 wegerstreckt und die Auftreffplatte 30 kreisförmig gestaltet ist. Die Kollektor elektrode ist außerhalb des Sichtfeldes des durch die Linien 22 angedeuteten Zellenfensters angeordnet und erzeugt ein hinreichend gleichmäßiges elektrisches Feld entlang dem Umfang der Zelle.

Im Betrieb wird die Rückfläche 14 der Auftreffplatte 30 gewöhnlich auf demselben Potential V- wie die Sprühkathode 18 gehalten, da die Sprühkathode kontinuierlich eine Elektronenwolke auf und über die Rückfläche der Auftreffplatte sprüht. Diejenigen Bereiche der Rückfläche, welche auf dem gleichen Potential V- wie die Sprühkathode sind, stoßen die Sprühelektronen ab, während diejenigen Bereiche der Rückfläche, welche im Bezug auf V_f ein positives Potential aufweisen, die Sprühelektronen anziehen, bis auch in diesen Bereichen das Potential V- erreicht ist. Überschüssige Elektronen werden vom Kollektor 20 angezogen. Die Auftreffplatte 30 wirkt als Kondensator, ebenso wie das Flüssigkristall-Material. Dementsprechend ist die an einem bestimmten Ort des Flüssigkristall-Materials vorhandene Spannung und somit auch der Polarisations-Schalteffekt eine Funktion von V₁. sowie dem Potential V-

fg fp

der durchsichtigen Voderplattenelektrode 26 und der Kapazität der Auftreffplatte in Bezug auf das Flüssigkristall-Material in dem betreffenden Bereich. Typischerweise ist die Sprühkathode leitend mit der durchsichtigen Elektrode verbunden, so daß die durchsichtige Elektrode und die Rückfläche der Auftreffplatte auf gleichem Potential Y~ liegen, wodurch das Flüssigkristall-Material in einem ungeschalteten, nicht einbeeinflußten Zustand ist. Unter bestimmten Bedingungen kann es aber wünschenswert sein, über die Zelle eine Vorspannung anzulegen. In diesem Falle werden die Sprühkathode und die Elektrode 26 nicht miteinander leitend verbunden sein.

Ol Die Elektron en strahlquelle 16 wird mit einem sehr großen negativen Potential V in Bezug auf das Sprühkathoden-Potenticl V_ betrieben, typischerweise etwa 4,5 kV, so daß beim Auf treffen des schreibenden Elektronenstrahles die Rückfläche 14 der Auftreffplatte mehr Elektronen emitiert als absorbiert, wie der Darstellung der Sekundärelektronenemission in Fig. 2 zu entnehmen ist. Dementsprechend nimmt derjenige Bereich der Auftreffplatte, welcher durch die Elektronen beschossen worden ist, ein positives Potential an, welches kapazitiv mit dem entsprechenden Bereich des Flüssigkristalls gekoppelt ist, wodurch der bestimmte Bereich "geschaltet" wird.

Da das Material der Auftreffplatte dielektrisch ist, muß ein Kollektor in seiner Nähe angebracht sein, um einen Rückweg für die Schreibe- und Sprühelektronen zu bilden. Um diese Funktion zu erfüllen, muß der Kollektor ein positives Potential im Bezug auf die Schreibe- und Sprühkathoden aufweisen. Um der Sprühkathode i

zu ermöglichen, das Potential V- in den vom Elektronenstrahl j

getroffenen Bereichen zu regenerieren und nicht auf dem Kollektorpo- j

tential V , zu stabilisieren, muß das Kollektorpotential kleiner j

sein als das erste "Übertrittspotential" V , der Auftreffplatte, das !

ist das niedrigste Potential, das derjenigen Elektronenenergie ent- >

spricht, bei der das Sekundäremissionsverhältnis ο eins ist. Hier- j

durch ist es möglich, mit dem Lichtmodulator schnell zu schreiben, j

während er als Speicher ungeeignet ist.

Gemäß Fig. 3 steigt das Potential eines von dem Elektronenstrahl getroffenen Bereiches der Rückfläche 14 auf den Wert des Kollektorpotentials V ,, kann diesen aber nicht überschreiten. Da das Kollektorpotential kleiner ist als V ,, werden danach mehr Sprühelektronen absorbiert als emitiert, so daß das Potential in diesem Bereich auf den Wert V₄. zurückfällt, nachdem der Elektron en-Schreibstrahl in diesem Bereich zu wirken aufhört. Auf diese Weise läßt sich auf der Auftreffplatte ein aus Potentialwerten gebildetes Bild mittels des Elektrodenstrahles zeichnen, welches danach durch

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Ol die Sprühkathode "ausradiert" wird, woraufhin es durch den Elektronenstrahl wieder neu gezeichnet werden kann. Dieses "Bild" ist kapazitiv mit dem Flüssigkristall gekoppelt, welches das ihn passierende Licht entsprechend dem Bild moduliert.

Es hat sich gezeigt, daß mit dem o.g. nematischen Flüssigkristall-Material in der Zelle mit einem Abstand D von 10 M eine Anzeige erzielt werden kann, die ausreicht, um ein monochromatisches Fernseh-Bild mit einer Wellenlänge von 0,6x10" M zu projezieren.

Mit einer Intensität des Elektronenstrahles von 14,7x10" Amp und einem Strahldurchmesser von etwa 110Χλ> und mit einer Glimmer-Auftreffplatte wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:

Anzeige-Schaltgeschwindigkeit: 25 msek

Kontrastverhältnis: 59:1

Auflösung: 225 Zeilen pro 2,5 cm

Schreibgeschwindigkeit: 164 cm/msek

Gemäß Fig. 4 weist eine Projektionsvorrichtung, welche den erfindungsgemäßen Lichtmodulator verwendet, eine evakuierte Kammer 36 mit einer Elektronenstrahlquelle 16, Sprühkathoden 18 und einer Kollektorelektrode 20 auf, wobei die Flüssigkristall-Zelle 10 auf der Vorderseite der Kammer derart angebracht ist, daß ihre Rückfläche 14 nach innen zeigt. Ein Eingangsfenster 38 weist eine mit durchsichtigem Material abgedeckte Blende auf und ist im rückwärtigen Abschnitt der Kammer 36 angeordnet, während die Elektronenstrahlquelle 16 außerhalb der Achse der Kammer angeordnet ist, so daß ein ungestörtes Sichtfeld durch das Eingangsfenster 38 und das durch die Flüssigkristall-Zelle 10 definierte Fenster gegeben ist. Ein erster Polarisator 40 ist hinter dem Eingangsfenster angeordnet, um das in das Fenster eintretende Licht zu polarisieren, während ein zweiter Polarisator (Analysator) 42 vor der Zelle 10 angeordnet ist, um alles Licht, das nicht eine bestimmte Polarisation aufweist, am Durchtritt zu hindern. Der Polarisator 40 und der Analysator 42 sind aus herkömmlichem Polarisationsmaterial gefertigt.

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Ol Die Intensität des den Analysator passierenden, aus einem bestimmten Bereich der FlüssigkristallZelle stammenden Lichtes hängt ab von dem Ausmaß, in welchem der Bereich durch den Elektronenstrahl "angeschaltet" wurde, da die Intensität des den Analysator passierenden Lichtes eine Funktion des Polarisationsunterschiedes zwischen Analysator und einfallendem Licht ist. Dementsprechend wird die durch die nematische Flüssigkristall-Zelle erzeugte Polarisationsmodulation mittels des Polarisators und des Analysators in eine Intensitätsmodulation umgesetzt. Ist die Polarisationsrichtung des Analysators in Übereinstimmung mit derjenigen des Polarisators, so wird die Intensität des erzeugten Bildes mit der Intensität des Elektronenstrahles anwachsen, während bei ' einer Drehung der Polarisationsebene des Analysators um 90° im Bezug auf die des Polarisators die Bildintensität mit der Intensität des Elektronen-Strahles abnehmen wird.

Eine Linse 44 dient dazu, das Licht aus einer Lichtquelle, wie beispielsweise der Lampe 46 durch das Eingangsfenster 38 und das Fenster der Flüssigkristall-Zelle 10 zu lenken. Eine andere Linse 48 fokussiert das durch die Flüssigkristall-Zelle erzeugte Bild auf einen Bildschirm 50. Es wird also auf dem Bildschirm ein Bild erzeugt, welches dem Informationsgehalt der elektrischen Signale entspricht, welche den Elektronenstrahl steuern. Die hier gezeigten Linsen 44 und 48 dienen nur der Illustration, es versteht sich, daß auch aufwendigere optische Systeme eingesetzt werden können.

Das Verfahren zum Herstellen des vorbeschriebenen Lichtmodulators wird anhand der Fig. 5 erläutert. Eine Vorderplatte 52 aus Flotationsglas oder einem anderen geeigneten, durchsichtigen Material,· wird zunächst präpariert durch Beschichtung mit einer Indium-Zinn-Oxyd-Schicht auf einer Oberfläche, welche die transparente Elektrode 54 bildet, woraufhin dann eine durchsichtige Ausricht-Schicht aus Silizium-Monoxyd (nicht gezeigt) auf der eben erwähnten Elektrode 54 erzeugt wird. Die Ausricht-Schicht kann dadurch aufgetragen werden, daß unter Vakuum Silizium-Monoxyd

Ol unter 5 aufgedampft wird. Dieses Verfahren ist von J. Janning in der Zeitschrift "Appl. Phys. Lett., Vol. 21, No. S. 173 (1972) beschrieben. Eine Eingangsöffnung 56 und eine Ausgangsöffnung 58 sind in der Vorderplatte ausgeformt und Eingangs- und Auslaßröhrchen 60 und 62 sind dicht mit den entsprechenden Öffnungen in· der Vorderplatte verbunden. Eine gläserne Vakuum-Ampulle 64 ist dicht am anderen Endabschnitt des Ausgangsröhrchens angebracht. Bei dieser Anordnung ist die Vorderplatte horizontal ausgerichtet und die Auftreffplatte 66 wird sodann oberhalb der durchsichtigen Elektrode 54 positioniert, wobei sie auf dem am Umfang angeordneten Abstandstücken 68 aufliegt und entlang ihres Umfanges mit der beschichteten Vorderplatte mittels einer Dichtung 70 aus beispielsweise einem Epoxy-Kleber dicht verbunden ist. Die Auftreffplatte 66 trägt auf ihrer Innenfläche einen durchsichtigen Silizium-Monoxyd-Film, welcher im Bezug auf den Ausricht-Film auf der Elektrode 54 um 90 gedreht ist.

Daraufhin wird der Freiraum zwischen der Auftreffplatte 66 und der durchsichtigen Elektrode 54 mit einem Flüssigkristall-Material gefüllt. Dies wird dadurch erreicht, daß zunächst der die Vorderplatte, die Auftreffplatte, das Einlaßröhrchen, das Auslaßröhrchen und die Ampulle unmittelbar umgebende Raum sowie das Innere evakuiert werden. Sodann wird das freie Ende des Einlaßröhrchens 60 in sorgfältig entgastes Flüssigkristall-Material gesteckt und der auf dem Flüssigkristall-Material ruhende Druck erhöht, woraufhin sich die Zelle über das Einlaßröhrchen 60 auffüllt, also der Freiraum zwischen der Vorderplatte 52 und der Auftreffplatte 66 angefüllt wird und sodann Material über das Auslaßröhrchen 62 in die Ampulle 64 fließen wird. Nachdem der Raum zwischen der Vorderplatte und der Auftreff platte vollständig gefüllt ist, wird das Einlaßröhrchen 60 an der dafür vorgesehenen Stelle 72 abgekniffen und der Druck auf der Außenfläche der Auftreffplatte 66 erhöht, bis die Auftreffplatte fest auf den am Umfang angeordneten Abstandsstücken 68 ruht und im wesentlichen parallel zu der Vorderplatte ausgerichtet ist. Danach wird das Ausgangsröhrchen

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62 an der dafür vorgesehenen Stelle 74 abgekniffen, um das Flüssigkristall-Material in der Zelle abzudichten. Durch dieses Verfahren . wird mit sorgfältig entgastem Flüssigkristall-Material eine isostatische Flüssigkristall-Zelle erzeugt, wobei ein gleichmäßiger Plattenabstand und eine stabile Struktur im Hochvakuum gewährleistet ist.

In Fig. 5 ist auch eine Einrichtung 76 zum Eindrücken von Flüssigkristall-Material in die Zelle gezeigt. Das Einlaßröhrchen 60 ist dicht an dem oberen Abschnitt 77 der Einrichtung mittels einer Gewindekappe 78, eines Zwischenlegscheibchens 80 und eines elastischen O-Ringes 82 befestigt. Das Einlaßröhrchen erstreckt sich j nach unten durch die obere Kammer 84 und die untere Kammer 86 [ des oberen Abschnittes der Einrichtung 76. j

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Ist die Zelle und der umgebende Raum evakuiert, so wird der den j

Behälter 90 mit Flüssigkristall-Material 92 tragende untere Ab- j

schnitt 88 der Einrichtung 76 nach oben in die untere Kammer 86 !

des oberen Abschnittes der Einrichtung 76 geschraubt, bis die Eingänge 94 abgedeckt sind, welche dazu dienen, das Innere der Einrichtung 76 zu evakuieren, und sodann gegen den Anschlag 96 gedrückt, wobei ein O-Ring 98 eine Dichtung bewirkt und das Einlaßröhrchen in das Flüssigkristall-Material dringt. Der Druck auf dem Flüssigkristall-Material 92 wird erhöht, um es durch das Einlaßröhrchen 60 zu drücken. Dazu wird Gas durch den Einlaß 100 in die obere Kammer 84 gelassen. Vorzugsweise handelt es sich um ein Edelgas, welches eine geringe Löslichkeit in dem Flüssigkristall-Material aufweist. Argon hat sie hierfür als geeignet erwiesen, doch können auch andere Gase eingesetzt werden.

Die anfängliche Evakuierung der Zelle und des umgebenden Raumes kann dadurch erreicht werden, daß die Anordnung in einer Glocke

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Ol angeordnet wird, welche daraufhin evakuiert wird. Ist die Zelle einmal vollständig mit Flüssigkristall-Material gefüllt, so wird der Druck in der Glocke erhöht, um den Druck auf der Außenfläche der Auftreffplatte 66 in der oben beschriebenen Weise zu erhöhen.

Die so hergestellte Flüssigkristall-Zelle kann an einer entsprechenden Anordnung mit einer Elektronenstrahlquelle, einer Sprühkathode und einer Kollektorelektrode angebracht werden, um mit entsprechendem Vakuum als Lichtmodulator zu dienen.

Wird die Zelle andererseits als Vorderplatte einer Kathodenstrahlröhre verwendet, so wird sie am Trichter 102 der Kathodenstrahlröhre angebracht, bevor sie in der Vakuum-Glocke plaziert wird. In diesem Falle wird der Druck auf der Außenseite der Auftreffplatte 66 erhöht, indem der Druck innerhalb der Kathodenstrahlröhre erhöht wird, vorzugsweise mittels eines Edelgases wie Argon. Die Kathodenstrahlröhre wird in herkömmlicher Weise hitzebehandelt, um Gase, insbesondere Wasserdampf, vor dem Abdichten zu entfernen. Die Zelle wird am Trichter 102 mittels eines Epoxy-Klebers oder eines anderen Mittels befestigt.

Die gedrehte, nematische Flüssigkristall-Zelle, welche in dem erfindungsgemäßen Lichtmodulator verwendet wird, ist nicht auf den zuvor beschriebenen Typ beschränkt. Andere gedrehte nematische Zellen, welche hier Verwendung finden können, sind die sogenannten "Strömungszellen", wie sie z. B. durch R. Hubbard und D. Bos in der Druckschrift "Optical-Bounce Removal and Turnoff-Time Reduction in Twisted-Nematic Displays." IEEE Trans. Elec. Dev., Vol. ED-28, No. 6, S. 723 (1981) beschrieben sind. Auch sind mit zwei Frequenzen adressierbare gedrehte nematische Zellen einsetzbar, welche das Flüssigkristall-Material verwenden, das in der Druckschrift von R. Hubbard e.a. "Development of Dual-Frequency Addressable Liquid Crystals" beschrieben ist, welches auf der Konferenz "Fourth Annual Symposium on Liquid Crystals and ordered Fluids" am 1. April 1982 in Las Vegas, Nevada, vorgetragen wurde.

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Ol Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung zum Ausdruck kommenden Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

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Claims

STRASS1B « STICTFFRBΟΒΛ* Patentanwälte · European Patent Attorneys Dipl.-Ing. Joachim Strasse, Münohen . Dlpl.-Phye. Dr. Hans-Herbert Stoffregen, Hanau Zwelbrüokenstraße IS . D-8000 Münohen 2 (Gegenüber dem Patentamt) ■ Telefon (089) 22 25 96 · Telex 6 22 054 Dl Tektronix, Inc. München, 18. Okt. 1983 Beaverton, Oregon 97077 (V.St.A.) str-zö IA AlA Flüssigkristall-Lichtmodulator Patentansprüche

1. Ein durch einen Elektronenstrahl adressierter Flüssigkristall-Lichtmodulator für durchgehendes Licht,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine Flüssigkristall-Zelle (10) mit einer durchsichtigen Vorderplatte (2A), deren Oberfläche mit einer durchsichtigen Elektrode (26) versehen ist, eine durchsichtige Auftreffplatte (30), welche auf der gleichen Seite der Vorderplatte (2A) angeordnet ist wie die durchsichtige Elektrode (26) und welche unter einem vorbestimmten Abstand von der durchsichtigen Elektrode (26) im wesentlichen parallel zu dieser verläuft, wobei die Auftreffplatte (30) auf der der durchsichtigen Elektrode (26) gegenüberliegenden Seite eine Auftreffoberfläche (IA) aufweist und Flüssigkristall-Material (3A) zwischen der Auftreffplatte (30) und der durchsichtigen Elektrode (26) angeordnet ist sowie eine Dichtung (35) zum Einschließen des Flüssigkristall-Materials (3A) zwischen der Auftreffplatte (30) und der durchsichtigen Elektrode (26) vorgesehen ist, wobei ein Abschnitt der Zelle (10) ein Fenster (22) durch die Vorderplatte (2A), die transparente Elektrode (26) und die Auftreffplatte (30) bildet;

■

Ol b) eine Elektronenstrahlquelle (16), mittels welcher das elektrische Potential an bestimmten Orten der Auftreffoberfläche (30) veränderbar ist;

c) eine Sprühkathode (18) zur Regenerierung des elektrischen Potentials auf der Auftreffoberfläche (14) auf einen vorbestimmten Wert, wobei eine Elektronen wolke auf die Auftreffoberf lache (14) gerichtet wird; und

d) einen am Umfang der Auftreffplatte (30) angeordneten Kollektor (20) zum Sammeln von Elektronen, welche von der Auftreffoberfläche (14) emittiert oder von ihr reflektiert werden, wobei die Sprühkathode (18) die Elektronenstrahlquelle (16) und der Kollektor (20) außerhalb eines vorbestimmten Sichtfeldes durch das Zellenfenster (22) angeordnet sind.

2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, ■
dadurch gekennzeichnet,
daß das Flüssigkristall-Material (34) nematisch ist.

3. Lichtmodulator nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß das nematische Flüssigkristall-Material eine hohe Doppelbrechkraft, geringe dielektrische Anisotropie und eine geringe Viskosität bei Zimmertemperatur aufweisen.

4· Lichtmodulator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Flüssigkristall-Material die Polarisation von passierendem Licht moduliert in Ansprache auf ein an ihm angelegtes elektrisches Feld, wobei weiterhin ein Polarisator (40) zum Polarisieren von in das Fenster der Zelle (10) eintretendem

Ol Licht und ein Analysator (42) in Strahlungsrichtung hinter der

Zelle angeordnet sind und der Analysator (42) das Licht mit einer Intensität durchläßt, die von der Polarisation des empfangenden Lichtes abhängt.

5. Lichtmodulator nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine Optik (44) zum Bündeln von Licht aus einer Lichtquelle (46) vorgesehen ist, welche das Licht durch den Polarisator (40) leitet sowie durch das Fenster der Zelle (10) und durch den Analysator (42), woraufhin das den Analysator (42) passierende Licht projiziert wird.

6. Lichtmodulator nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Ausricht-Schicht auf der durchsichtigen Elektrode (26) angeordnet ist und daß eine zweite Ausricht-Schicht auf der Auf treffplatte (30) angeordnet ist, wobei beide Schichten mit dem Flüssigkristall-Material in Kontakt stehen, um dessen Moleküle zu orientieren und wobei die erste und die zweite Ausricht-Schicht relativ zueinander eine vorbestimmte Orientierung aufweisen.

7. Lichtmodulator nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,
daß eine evakuierte Kammer (36) mit der Flüssigkristall-Zelle (10) verbunden ist, wobei die Auftreffoberfläche (14) der Auftreffplatte nach innen in die Kammer (36) weist, die Sprühkathode (18) und die Elektronenstrahlquelle (16) in der Kammer (36) Elektronen erzeugen, der Kollektor (20) am Umfang der Zelle (10) angeordnet ist und die Kammer (36) ein Eingangsfenster (38) zur Aufnahme von Licht von außen in. die Kammer aufweist, welches auf die Auftreff oberfläche (14) trifft.

8. Lichtmodulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche dem Kollektor (20) ein positives Potential im Bezug auf die Sprühkathode (18) erteilen, wobei dieses Potential kleiner ist als dasjenige Potential der charakteristischen Sekundärelektronen-Emissionskurve der Auftreffplatte (30), bei dem das Sekundär-Emissions-Verhältnis größer als 1 wird.

9· Lichtmodulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffplatte (30) eine feste, dielektrische Membran aufweist.

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