DE3535391A1 - Fluessigkristall-lichtmodulationsvorrichtung - Google Patents

Description

TeDTKE - BüHLING - KlNNE - GkUPE KSSÄeÄ

. Pellmann - Grams - Stru.f

~⁶~ Dipl.-Ing. R.Kinne

;* QCQCQQI Dipl.-Ing. R Grupe

O O O D O ο I Dipl.-Ing. B. Pellmann

Dipl.-Ing. K Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 20240 8000 München 2

Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent Münchei

3. Oktober 1985 DE 5213

Canon Kabushiki Kaisha Tokio, Japan

Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtmodulationsvorrichtung, die für optische Anzeige, Lichtkoppelung, optische Aufzeichnung und Licht-Nachrichtenverbindung geeignet ist; im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung, in der das Licht dadurch moduliert wird, daß durch Ändern der Orientierung bzw. Ausrichtung des Flüssigkristalls ein Brechungsindex gesteuert wird, der auf einfallendes Licht einwirkt bzw. mit einfallendem Licht erfaßbar ist.

Bei einer bekannten Lichtmodulationsvorrichtung, bei der Flüssigkristall verwendet wird, wird das Flüssigkristall (wie z.B. nematisches Flüssigkristall mit positiver Dielektrizität) zwischen orthogonal ausgerichtete lichtdurchlässige Elektroden gefüllt und schraubenförmig bzw. in Helixstruktur ausgerichtet, um eine verdrillte nematische bzw. TN-Zelle (twisted nematic cell) zu bilden. Diese Zelle wird zwischen zwei mit ihren Polarisierrichtungen senkrecht zueinander ausgerichtete Polarisierplatten eingefügt, so daß bei einem statischen Zustand, bei dem zwischen den Elektroden kein elektrisches Feld

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Bayer. Vereinsbank (Mönchen) Kto. 506 941 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

A/25

-7- DE 5213

errichtet ist, ein Lichtstrom über die orthogonalen Polarisierplatten durchgelassen wird, während bei einem Zustand, bei dem zwischen den Elektroden ein elektrisches

Feld über einem Schwellenwert errichtet ist, das Flüssig-5

kristall in der Richtung des elektrischen Felds senkrecht zu den Ebenen der Elektroden ausgerichtet wird und der Lichtstrom von der Austritt-Polarisierplatte abgefangen und nicht durchgelassen wird. Bei einer anderen Vorrichtung werden lichtdurchlässige Substrate mit parallel ausgerichteten Elektroden derart angeordnet, daß die Elektrodenebenen einander gegenüberstehen, und es wird zwischen die Elektroden ein Flüssigkristall eingefüllt, um eine homogen ausgerichtete Vorrichtung zu bilden. Diese Vorrichtung wird üblicherweise als Lichtschalter verwendet. Durch Errichten eines elektrischen Felds wird die Ausrichtung eines Flüssigkristalls so verändert, daß ein Brechungsindex geändert wird, wobei das Licht unter einem derartigen Winkel auf die Substratebene der

Vorrichtung gerichtet wird, daß das einfallende Licht an 20

der Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall und der Elektrode total reflektiert oder vollständig durchgelassen wird.

In der japanischen Patentveröffentlichung 53-3928 ist 25

eine Lichtmodulationsvorrichtung offenbart, bei der ein Flüssigkristall verwendet wird, welches zwischen Substrate mit einem Beugungsgitter aus periodischen Unebenheiten eingefüllt ist, welches an mindestens einem der Substrate an der dem Flüssigkristall zugewandten Seite ausgebildet ist, und bei der zum Modulieren des Lichts die Ausrichtung des Flüssigkristall derart gesteuert wird, daß eine Brechungsbedingung für einfallendes Licht verändert wird. Bei dieser Vorrichtung wird die Lichtinterferenz an dem

Beugungsgitter genutzt und durch Färbungsmodulation eine 35

klare Farbe , erzielt. Durch Nutzung der Wellenlängen-

-8- DE 5213

Selektivität des Beugungsgitters können verschiedenartige Modulationen erreicht werden.

Bei den herkömmlichen Lichtmodulationsvorrichtungen mit 5

dem Flüssigkristall nach dem Stand der Technik einschließlich der in der japanischen Patentveröffentlichung 53-3928 offenbarten Lichtmodulationsvorrichtung wird jedoch das Flüssigkristall nach dem herkömmlichen Reibeverfahren oder durch schräges Aufdampfen von SiO-

oder MgF2 ausgerichtet bzw. orientiert. Daher ist der Grad der Ausrichtung des Flüssigkristalls gering, die Ansprechzeit lang und die Temperaturstabilität gering. Bei der TN-Zelle kann infolge der Dicke der Zelle die Ansprechzeit nicht verkürzt werden, wobei infolge der Verwendung der Polarisierplatten der Lichtwirkungsgrad niedrig ist und das Kontrastverhältnis gering ist. Daher ergibt die Zelle keine zufriedenstellenden Eigenschaften für eine Anzeigevorrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung zu schaffen, die schnell anspricht, einen hohen Lichtwirkungsgrad hat und stabil arbeitet.

Ferner soll mit der Erfindung eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung geschaffen werden, mit der das Licht auf verschiedenerlei Weise moduliert werden kann.

Weiterhin soll mit der Erfindung eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung geschaffen werden, die ein hohes Kontrastverhältnis hat und die frei von Störlicht ist.

-9- DE 5213

Zur Lösung der Aufgabe hat die erfindungsgemäße Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung ein Beugungsgitter, das zwischen Substrate eingesetzt oder an mindestens

einem der Substrate ausgebildet ist, von denen mindestens 5

eines lichtdurchlässig ist, ein zwischen die feinen Rillen des Beugungsgitters bzw. in die Rillen desselben eingefülltes und durch die Rillen ausgerichtetes Flüssigkristall und eine Steuereinrichtung zum Modulieren von einfallendem Licht durch Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Flüssigkristall durch die feinen Rillen des Beugungsgitters

ausgerichtet. Infolgedessen ist die Ausrichtung des 15

Flüssigkristalls regelmäßiger bzw. gleichmäßiger als die durch das herkömmliche Reibeverfahren oder das schräge Aufdampfen erzielte. Daher wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine hochwertige Ausrichtung erreicht. Durch das Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls mittels der Steuereinrichtung wird ein Brechungsindex des Flüssigkristalls für das einfallende Licht so geändert, daß die Eigenschaften des durch die Rillen und das Flüssigkristall zwischen bzw. in den Rillen gebildete

Phasen-Beugungsgitters verändert werden und das einfal-25

lende Licht auf verschiedenerlei Weise moduliert wird.

Der Aufbau und die Funktion der Vorrichtung ist durch die Form des zwischen den Substraten ausgebildeten Beugungsgitters, nämlich durch dessen rechteckige, dreieckige, 30

sinusförmige oder asymmetrische Form bzw. Querschnittsform, durch die Abmessungen des Beugungsgitters wie die Teilung des Gitters, die Tiefe der Rillen, die Breite der Rillen und die Dicke der Flüssigkristallschicht sowie

durch die Eigenschaften des Flüssigkristalls bestimmt. 35

Weiterhin sind verschiedenerlei Funktionen durch die

-10- DE 5213

* 1

Steuereinrichtung für das Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls bestimmt. Die Formen und Abmessungen des Beugungsgitters sollen so festgelegt werden, daß das

Flüssigkristall regelmäßig in die vorbestimmte Richtung 5

ausgerichtet wird und als Beugungsgitter wirkt. Als Beugungsgitter kann eines von zwei Arten gewählt werden, nämlich ein Phasen-Beugungsgitter oder ein Reflexions-Beugungsgitter.

10

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1A bis 1C zeigen jeweils die grundlegende Gestal-15

tung einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 2A bis 2D zeigen andere Gestaltungen der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvo'rrichtung. 20

Fig. 3A und 3B zeigen erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtungen.

Fig. 4A und 4B veranschaulichen das Grundprinzip der 25

Modulation mit der in Fig. 3A gezeigten

Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 5A bis 5G veranschaulichen die Herstellung der in

Fig. 3 gezeigten Lichtmodulationsvorrich-30

tung.

Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung in einer anderen Anwendung, bei der das Licht schräg aufge-35

strahlt wird, um das Intensitätsverhält-

-11- DE 5213

nis von in nullter Ordnung gebeugtem Licht zu in erster Ordnung gebeugtem Licht zu steuern.

Fig. 7 zeigt einen Bereich für eine Teilung P

eines Beugungsgitters und einen Lichteinfallwinkel Θ, die erforderlich sind, wenn aus der Lichtmodulationsvorrichtung nach Fig. 6 nur das in der nullten Ordnung und das in der ersten Ordnung gebeugte Licht abgegeben werden soll.

Fig. 8A bis 8H veranschaulichen die Herstellung der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrich-15

tung gemäß der Gestaltung nach Fig. 6 mit

gegenüber der Vorrichtung nach Fig. 5 abweichendem Elektrodenaufbau.

Fig. 9 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtmodula- *

tionsvorrichtung, bei der ein Sägezahn-Beugungsgitter verwendet ist.

Fig. 1OA bis 10C zeigen Spektraldurchlaßkennlinien für

Cyan; Magenta und Gelb bei der Verwen-25

dung der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung mit der Gestaltung nach Fig. 6 als Farbfilter.

Fig.11A bis 11F veranschaulichen die Herstellung einer

Lichtmodulationsvorrichtung mit den in Fig. 10 gezeigten Kennlinien.

Fig.12A und 12B veranschaulichen die Bedingungen für das

Formen eines Beugungsgitters in einer 35

Lichtmodulationsvorrichtung mit flacher

-12- DE 5213

Spektraldurchlaßkennlinie.

Fig.13A bis 13F veranschaulichen die Herstellung der

Lichtmodulationsvorrichtung, die die 5

flache Spektraldurchlaßkennlinie hat und die ein Dreieck-Beugungsgitter aufweist.

Fig. 14 zeigt eine Anordnung zum Messen des

spektralen Durchlaßgrades der in Fig. 13 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 15 zeigt die Abhängigkeit der Brechungs-1B

indizes des Flüssigkristalls und des

Substrats der in Fig. 13 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung von der Wellenlänge.

Fig. 16 zeigt für die in Fig. 13 gezeigte

Lichtmodulationsvorrichtung die spektrale Durchlässigkeit von in nullter Ordnung durchgelassenem Licht sowie theoretische und experimentelle Werte bei dem Durchlassen bzw. Sperren des Lichts.

Fig. 17 zeigt eine Substratmatrize für die

Massenherstellung der Lichtmodula-30

tionsvorrichtung.

Fig.18Aund 18B zeigen eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einer Lichtsperrvorrichtung

zum Sperren von in höherer Ordnung ge-35

beugtem Licht.

-13- DE 5213

Fig. 19 zeigt eine Lichtsperrvorrichtung zum

Sperren von in höherer Ordnung gebeugtem Licht mit Lichtabsorptionselementen

oder Lichtstreuelementen, δ

Fig.2OA bis 20F veranschaulichen die Herstellung einer

Lichtmodulationsvorrichtung, die gemäß Fig. 18A aufgebaut ist und die als Lichtsperrvorrichtung zum Sperren von in höherer Ordnung gebeugtem Licht Lichtwellenleiter aufweist,

Fig.21A bis 21F veranschaulichen die Herstellung einer

Lichtmodulationsvorrichtung, die gemäß 15

Fig. 18A aufgebaut ist und die als

Lichtsperrvorrichtung zum Sperren von in höherer Ordnung gebeugtem Licht . Lichtwellenleiter aufweist.

Fig. 22 zeigt eine Anordnung zum Messen der

Eigenschaften der in den Fig. 20 und 21 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung en.

Fig. 23 zeigt ein anderes, in der Lichtmodulationsvorrichtung verwendetes Sägezahn-Beugungsgitter.

Fig.24A bis 24C veranschaulichen eine andere Anwendung 30

der Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 25 zeigt die Temperaturkennlinien von gewöhnlichen Brechungsindizes und außergewöhnlichen Brechungsindizes des durch 35

das Beugungsgitter der Lichtmodulations-

ORIGiHAL INSPECTED

.353539

■ ■ -14- - DE 5213

Vorrichtung ausgerichteten Flüssigkristalls bzw. des nach einem herkömmlichen Ausrichtungsverfahren ausgerichteten

Flüssigkristalls.
5

Fig. 26 veranschaulicht die Formung der Liöht-

modulationsvorrUchtung mit der in Fig. 24 gezeigten Funktion.

Fig.27A und 27B zeigen eine als Lichtschalterzeile ausgebildete erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig.28A und 28B zeigen eine als Modulationsvorrichtung 15

mit Lichtschaltfunktion ausgebildete

erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig.29A und 29B zeigen eine gemäß Fig. 28B gestaltete,

durch ein elektrisches Feld gesteuerte Lichtmodulationsvorrichtung und deren Funktion.

Fig. 30 veranschaulicht die Formung der in 25

Fig. 29 gezeigte Lichtmodulationsvorrichtung.

Die Fig. 1 zeigt die grundlegende Gestaltung einer erfindungsgemäßen Flussigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung. Mit 1 sind lichtdurchlässige Isolatoren bezeichnet, mit 2 ist ein Flüssigkristall bezeichnet und mit 3 sind lichtdurchlässige Substrate bezeichnet. Bei der in Fig. 1A gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung sind

die lichtdurchlässigen Substrate 3 einander gegenüberge-35

setzt, während in dem Zwischenraum zwischen den Substra-

ORIGiHAL INSPECTED

353539^

-15- DE 5213

ten 3 abwechselnd die lichtdurchlässigen Isolatoren 1 und das Flüssigkristall 2 angeordnet sind, um ein Beugungsgitter zu bilden. Dies stellt den grundlegenden Aufbau

der Lichtmodulationsvorrichtung dar. Nach Fig. TB haben 5

die Isolatoren 1 Dreieckform bzw. Dreieckquerschnitt, während sie nach Fig. 1C sinusförmig sind bzw. sinusförmigen Querschnitt haben.

In den Vorrichtungen gemäß den Fig. 1A bis 1C wird das Flüssigkristall in der Richtung der Rillen des Beugungsgitters senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet und die Ausrichtung des Flüssigkristalls mittels einer (nicht gezeigten) Einrichtung zum Steuern der Ausrichtung beispielsweise durch ein elektrisches Feld, ein Magnetfeld oder Wärme verändert. Wenn das elektrische Feld benutzt wird, werden bei den in Fig. 1 gezeigten Vorrichtungen Elektrodenfilme an den lichtdurchlässigen Substraten 3 oder ein Elektrodenfilm an einem der Substrate 3

sowie ein weiterer Elektrodenfilm an den lichtdurchlässi-20

gen Isolatoren 1 angebracht und mit den Elektrodenfilmen verbundene Zuleitungsdrähte an eine Strom- bzw. Spannungsquelle angeschlossen.

In den Fig. 1 ist mit T die Dicke bzw. Höhe des in der 25

Vorrichtung ausgebildeten Beugungsgitters bezeichnet, während mit P die Teilung des Beugungsgitters bezeichnet ist. Diese Abmessungen haben die Größenordnung von pm. Das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte

Beugungsgitter muß sowohl das einfallende Licht beugen 30

als auch das Flüssigkristall ausrichten, so daß es den folgenden Bedingungen genügen sollte:

Allgemein hängt die Beugung des durch das Beugungsgitter

modulierten bzw. veränderten Lichtstrom für einen 35

vorgegebenen Einfallwinkel in starkem Ausmaß von der

ORIGINAL INSPECTED

-16- DE 5213

Wellenlänge des Lichts ab. Die beschriebene Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung ist für Licht irgendeiner beliebigen Wellenlänge anwendbar, und zwar unabhän-

_ gig davon, ob es monochromatisches Licht oder weißes ο

Licht ist. Es sei nun angenommen, daß die Vorrichtung als Anzeigevorrichtung oder Lichtschalter verwendet wird und das Licht eine Wellenlänge Λ im Bereich 350 nm < Λ Α.

"O =0 —

800 nm hat. Zur Angabe der Eigenschaften des Beugungsgitters wird ein Parameter /InT definiert, wobei Δη die Differenz zwischen einem gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex η und einem außergewöhnlichen bzw. anormalen Brechungsindex η des Flüssigkristalls ist und T die Höhe bzw. Dicke des Beugungsgitters ist. Zum

wirkungsvollen Modulieren des Lichts mit der Wellenlänge 15

in dem vorstehend genannten Bereich ist es erforderlich, daß bei dem Gitter mit dem Rechteckquerschnitt die Bedingung 0,2 ^ ΛηΤ L 1 (μπι) und bei dem Gitter mit dem Dreieckquerschnitt die Bedingung 1,3 <. ΔηT £ 7,0 (μπι) eingehalten wird. Wenn das Gitter sinusförmigen oder trapezförmigen Querschnitt hat, ergeben sich Bedingungen, die zwischen denjenigen für den Rechteckquerschnitt und den Dreieckquerschnitt liegen. Falls die Form nicht vorgeschrieben ist, ist für das Beugungsgitter die Bedingung 0,2 < AnT ^ 7,0(μπι) einzuhalten. Innerhalb dieses ""

Bereichs wird das Flüssigkristall genügend ausgerichtet.

Wenn beispielsweise das Flüssigkristall die Differenz =0,3 hat, wird die Höhe bzw. Dicke T des Beugungsgitters so gewählt, daß die Bedingung 0,7 ί T < 22 (μπι) eingehalten wird.

Die Teilung P des Gitters, die ein weiterer Parameter für die Eigenschaften des Beugungsgitters ist, hat wie die Dicke bzw. Höhe T einen starken Einfluß auf die Ausrichtung des Flüssigkristalls. Zur vollständigen Ausrichtung 35

des Flüssigkr,istalls durch das Beugungsgitter und insbe-

-17- DE 5213

sondere durch die die Vertiefungen des Gitters bildenden Flächen gelten für die Teilung P als obere Grenze 10 μΐη und als untere Grenze die Wellenlänge, die verwendet

wird, um eine normale Beugung sicherzustellen. Daher gilt 5

für die Teilung P die Bedingung λ₀ <L P <. 10 (μΐη). Für den Wellenlängenbereich 350 nm < A_Q < 800 nm muß die Teilung P die Bedingung 0,8 μπι 4 P £. 10 μτα erfüllen.

Wenn die beschriebene Lichtmodulationsvorrichtung als Lichtschalter zum Steuern des Durchlassens oder Sperrens von Beugungslicht nullter Ordnung eingesetzt wird, ist der Winkelabstand zu dem Beugungslicht höherer Ordnung wie dem in +_ 1-ter Ordnung gebeugten Licht kritisch. Da die höchste Ordnung der durch das Beugungsgitter hervor-..

gerufenen Beugung des Lichts nur von der Wellenlänge Λ des einfallenden Lichts und von der Teilung P des Gitters abhängt, ist es möglich, für das unter einem Normalwinkel einfallenden Licht nur das in der nullten und der +_ 1-ten Ordnung gebeugte Licht oder nur das Beugungslicht nullter Ordnung dadurch zu erhalten, daß die Teilung entsprechend dem einfallenden Licht gewählt wird. Die Teilung sollte nur innerhalb des Bereichs der Bedingung für die Ausrichtung verändert werden. Wenn die beschriebene Lichtmodulationsvorrichtung als einzelner Lichtschalter eingesetzt 25

wird, wird eine Lichtabschirmung mit einer Blendenöffnung verwendet; wenn die Vorrichtung als eindimensionale Anordnung bzw. Zeile eingesetzt wird, wird eine Lichtabschirmung mit einer Schlitzöffnung verwendet; wenn die

Vorrichtung als zweidimensionale Anordnung zur Sichtan-30

zeige eingesetzt wird, wird eine Vorrichtung zum Anpassen von Eingangs/Ausgangsstufen verwendet; auf diese Weise wird das durch das Beugungslicht höherer Ordnung verursachte Problem gelöst.

-18- DE 5213

Die Gestaltung des Beugungsgitters und der beschriebenen Lichtmodulationsvorrichtung wird gemäß den vorstehend genannten Bedingungen, gemäß den bei der Herstellung entstehenden Problemen, gemäß den Solleigenschaften der Vorrichtung und gemäß einer Einrichtung bestimmt, in die die Vorrichtung eingebaut wird. Die in Fig. 1 und den folgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele stellen jeweils die unter diesen Bedingungen geformte Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung und deren jeweilige Anwendung dar.

Die Fig. 2 zeigt einen anderen grundlegenden Aufbau der erfindungsgemäßen Flussigkris tall-Lichtmodulationsvorrichtung. In Fig. 2 sind gleiche Elemente wie die in Fig.

1 gezeigten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In der in Fig. 2A gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung ist ein Beugungsgitter mit regelmäßig angeordneten Rechteckrillen, die an den einander gegenübergesetzten licht-

durchlässigen Substraten 3 ausgebildet sind, und dem in die Rillen eingefüllten Flüssigkristall 2 gebildet. Auf gleichartige Weise sind nach Fig. 2B an den Substraten 3 Dreieckrillen ausgebildet, während nach Fig. 2C an den Substraten 3 sinusförmige Rillen bzw. Rillen mit sinusförmigem Querschnitt ausgebildet sind. Nach Fig. 2D sind an einem der lichtdurchlässigen Substrate 3 Rechteckrillen ausgebildet, wobei das Flüssigkristall 2 zwischen die Substrate 3 eingefügt ist. Gemäß den Fig. 2A bis 2C sind an den Substraten 3 die Beugungsgitter mit feinen

Rillen ausgebildet, wobei das Flüssigkristall 2 regelmäßig längs der Rillen des Gitters ausgerichtet wird. Nach Fig. 2D wird das Flüssigkristall durch das Beugungsgitter an dem einen der Substrate 3 ausgerichtet.

-19- DE 5213

Zum Modulieren von einfallendem Licht wird mittels einer (nicht gezeigten) Steuereinrichtung die Ausrichtung des Flüssigkristalls verändert. Wenn gemäß der Beschreibung

im Zusammenhang mit der Fig. 1 zum Steuern der Ausrichb

tung das elektrische Feld benutzt wird, werden an den beiden lichtdurchlässigen Substraten 3 Elektrodenfilme angebracht oder es werden die lichtdurchlässigen Substrate mittels Grundplatten gehalten, um sie als lichtdurchlässige Elektroden einzusetzen. An die Elektroden werden Zuleitungsdrähte angeschlossen, die mit einer Spannungsquelle verbunden werden.

Es werden nun Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung erläutert.

Die Fig. 3 zeigt zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung. Gleiche Elemente wie die in den Fig. 1 und 2 gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Mit 4 sind lichtdurchlässige Elektroden bezeichnet, mit 5 ist eine

Stromversorgung bzw. Spannungsquelle bezeichnet, mit 1' ist ein lichtdurchlässiger Isolator eines Beugungsgitters bezeichnet und mit 4^! ist eine lichtdurchlässige Elektrode eines Beugungsgitters bezeichnet.

Bei der in Fig. 3A gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung sind an den lichtdurchlässigen Substraten 3 wie beispielsweise Glassubstraten die lichtdurchlässigen Elektroden 4 sowie einander gegenübergesetzt ein licht-

durchlässiger Isolator 1 und ein lichtdurchlässiger 30

Isolator 1' mit Beugungsgitterstruktur angebracht, wobei. zwischen die Isolatoren Flüssigkristall 2 eingefüllt ist. Bei der in Fig. 3B gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung sind an den lichtdurchlässigen Substraten 3 einander

gegenübergesetzt eine lichtdurchlässige Elektrode 4 und 35

eine lichtdurchlässige Elektrode 4' mit Beugungsgitter-

-20- DE 5213

Struktur angebracht, zwischen die das Flüssigkristall 2 eingefüllt ist. Die Elektroden 4 nach Fig. 3A bzw. die Elektrode 4 und die Elektrode 4' mit der Beugungsgitter-

Struktur nach Fig. 3B sind jeweils über Zuleitungsdrähte b

an die Spannungsquelle 5 angeschlossen.

Das in der beschriebenen Lichtmodulationsvorrichtung verwendete Flüssigkristall 2 ist vorzugsweise ein nematisches Flüssigkristall mit positiver Dielektrizität und einer großen Differenz zwischen dem außergewöhnlichen bzw. anormalen Brechungsindex η und dem gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex n_Q für das einfallende Licht, nämlich mit einer großen Brechungsindex-Differenz

<Än. Es kann jedoch auch paradielektrisches Flüssigkri-15

stall verwendet werden. Das nematische Flüssigkristall mit positiver Dielektrizität wird auf regelmäßige bzw. gleichmäßige Weise derart ausgerichtet, daß eine Längsachse des Kristalls parallel zu den Rillen des in der

Lichtmodulationsvorrichtung ausgebildeten Beugungsgitters 20

steht, während das paradielektrische Flüssigkristall unter Verdrillen in einer vorbestimmten Richtung in den Rillen des Beugungsgitters ausgerichtet wird. Bei der beschriebenen Lichtmodulationsvorrichtung werden die

Ausrichtungsvektoren des Flüssigkristalls durch das 25

Beugungsgitter mit den feinen Rillen gesteuert. Die Ausrichtung des in eine vorbestimmte Richtung und/oder einen vorbestimmten Zustand ausgerichteten Flüssigkristalls wird dadurch geändert, daß mittels der Spannungsquelle 5 zwischen den lichtdurchlässigen Elektroden 4 bzw. 4 und 4' ein elektrisches Feld errichtet wird, so daß der an dem einfallenden Licht wirkende bzw. durch das einfallende Licht erfaßbare Brechungsindex verändert wird.

-21- DE 5213

Anhand der in Fig. 3A gezeigten Vorrichtung wird das Prinzip der Modulation mit der beschriebenen Lichtmodulationsvorrichtung erläutert.

Die Fig. 4 veranschaulicht das grundlegende Prinzip der Modulation mit der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung. Mit 6 ist einfallendes Licht bezeichnet, mit 7 ist Beugungslicht höherer Ordnung bezeichnet und mit 8 ist Beugungslicht nullter Ordnung bzw. Durchlaßlicht bezeichnet. Das einfallende Licht ist senkrecht zur Zeichnungsebene linear polarisiert. Das Flüssigkristall 2 ist ein nematisches Flüssigkristall mit positiver Dielektrizität und in der Richtung der Rillen des Beugungsgitters an dem lichtdurchlässigen Isolator 1' senkrecht 15

zur Zeichnungsebene ausgerichtet.

Bei einem statischen Zustand, bei dem zwischen den Elektroden 4 kein elektrisches Feld errichtet ist, ist

das Flüssigkristall 2 in der Richtung der Beugungsgitter-20

rillen an dem lichtdurchlässigen Isolator 1' ausgerichtet, wobei die Polarisierrichtung des einfallenden Lichts 6 mit der Orientierungsrichtung des Flüssigkristalls 2 zusammenfällt und der effektive Brechungsindex des

Flüssigkristalls 2 gleich dem außergewöhnlichen bzw. 25

anormalen Brechungsindex η ist. Falls ein Brechungsindex η des Isolators 1', eine Wellenlänge /V des einfallenden Lichts 6 und eine Tiefe bzw. Höhe T der Rillen des Beugungsgitters der Gleichung

Cn_e - n_g).T = \/l (1)

genügen, wird gemäß Fig. 4A das einfallende Licht 6 zu dem Beugungslicht 7 höherer Ordnung, während kein

Durchlaßlicht 8 nullter Ordnung erzeugt wird. 35

-22- DE 5213

Wenn ein vorbestimmtes Feld zwischen den Elektroden 4 errichtet wird, wird das Flüssigkristall 2 in der Richtung des elektrischen Felds, nämlich senkrecht zur

Ebene der Elektroden 4 ausgerichtet, wobei sich der 5

effektive bzw. an dem einfallenden Licht 6 wirkende

Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 auf den gewöhnlichen bzw,
Gleichung

chen bzw. normalen Brechungsindex η ändert. Falls die

erfüllt ist, tritt das einfallende Licht 6 ohne Beugung durch, so daß es zu dem in nullter Ordnung gebeugten

Durchlaßlicht 8 wird.
15

Gemäß der Erläuterung anhand der Fig. 4 wird das Licht nullter Ordnung bei dem statischen Zustand gesperrt und bei dem Errichten des elektrischen Felds durchgelassen, jedoch kann auch das Licht nullter Ordnung bei dem statischen Zustand durchgelassen und bei dem Errichten des elektrischen Felds gesperrt werden. Die Bedingungen hierfür sind durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) gegeben:

(n_g - n₀) χ T = A_o/2 (4)

In der vorstehenden Erläuterung ist bei der Betrachtung des Beugungslichts bzw. Durchlaßlichts 8 nullter Ordnung die Steuerung des Durchlassens und Sperrens des Beugungslichts beschrieben. Durch Verändern der Höhe der angelegten Spannung in der Weise, daß die Orientierungsrichtung

des Flüssigkristalls einen Winkel in bezug auf die Ebene 35

der Elektroden 4 bzw. 4 und 4' einnimmt, kann jedoch das

-23- DE 5213

Durchlassen des Beugungslichts nullter Ordnung verändert und die Entstehung des Beugungslichts 7 höherer Ordnung gesteuert werden, so daß das einfallende Licht 6 verteilt

oder abgelenkt werden kann.
5

Die Charakteristik des Beugungslichts hängt hauptsächlich von der Teilung P der Rillen des Beugungsgitters ab. Durch Verkleinerung der Teilung P kann das erzeugte Beugungslicht 7 höherer Ordnung verringert werden oder allein das Beugungslicht 8 nullter Ordnung erzeugt werden. Üblicherweise beträgt die Teilung P der Rillen des Beugungsgitters nicht mehr als 10 μιη, wobei die Teilung entsprechend dem Anwendungsfall festgelegt wird, während

das zu nutzende Beugungslicht höherer Ordnung sowie der 15

Winkelabstand zu dem Beugungslicht nullter Ordnung berücksichtigt werden. Die Dicke bzw. Höhe T des Beugungsgitters beträgt üblicherweise 1,0 bis 2,0 μιη und wird auf geeignete Weise entsprechend dem Anwendungsfall festgelegt.

Es werden nun die Herstellung der in Fig. 3A gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung und die Bestimmung der Leistungsfähigkeit der auf diese Weise hergestellten

Vorrichtung beschrieben.
25

Die Fig. 5 veranschaulicht die Herstellung der Lichtmodulationsvorrichtung nach Fig. 3A. Die gleichen Elemente wie die in Fig. 3A gezeigten sind mit den

gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Mit 9 sind Elektroden 30

bezeichnet, mit 10 ist ein Abstandshalter bezeichnet und mit 11 ist eine Bindemittelschicht bezeichnet.

Eine Oberfläche eines Substrats 3 in Form einer Pyrex-

glasplatte (Corning Glass Co.) mit 25x25x2 mm wurde auf 35

eine Ebenheit innerhalb einiger weniger Newtonringe

-24- DE 5213

poliert, mit Ultraschall mittels Methanol, Trilen, Aceton oder reinen Wassers gewaschen, mit Stickstoffgas getrocknet und in Stickstoffatmosphäre bei 120⁰C über 20 min gebacken. Danach wurde durch Ionenplattierung ein Indiumzinnoxid- bzw. ITO-FiIm in einer Dicke von 160 nm als Elektrode 4 aufgebracht. Der Flächenwiderstand des ITO-Films 4 betrug 20 Ohm je Flächeneinheit, während der Film für He-Ne-Laserstrahlen ( λ₀ = 632,8 nm) eine Durchlässigkeit von 86S hatte. Danach wurde ein Fotolackfilm aufgebracht, eine Belichtung über eine Maske vorgenommen und der ITO-FiIm 4 zu dem in Fig. 5A gezeigten Muster geätzt sowie ein Al-Film zum Bilden der Elektrode 9 aufgebracht. Danach wurde unter Schleuderbeschichtung

Negativ-Fotolack RD-2000N (Hitachi Ltd.) auf den ITO-FiIm 15

4 aufgebracht, um einen Fotolackfilm mit einer Dicke von 1,5 μΐη zu bilden, der bei 140⁰C über 20 min vorgebrannt wurde; auf eine vorbestimmte Stelle des Fotolackfilms wurde eine Belichtungsmaske mit einem auf einer Fläche

von 5x5 mm² ausgebildeten Beugungsgitter mit einer 20

Teilung von 1,3 μπι aufgelegt und über die Maske eine Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlen über 3 Sekunden vorgenommen. Dann wurde der Fotolackfilm für 60 Sekunden in Entwicklungsflüssigkeit und Spülflüssigkeit

eingetaucht, um das Beugungsgitter mit der Teilung 1,3 μπι 25

zu formen. Dann wurde durch Elektronenstrahl-Aufdampfung auf der ganzen Fläche in einer Dicke von 1,51 pm SF6-Glas (von Kohara Optical Glass Seisakusho, mit einem Brechungsindex von 1,78 für die Wellenlänge λ= 780 nm) aufgebracht. Das Substrat wurde in auf 70⁰C erwärmten Fotolack-Entferner getaucht und mit heißem Wasser gewaschen und das SF-Glas abgehoben. Infolgedessen wurde auf dem ITO-Leiterfilm ein Rechteckquerschnitt-Beugungsgitter 1 · aus dem SF6-Glas gemäß Fig. 5D gebildet. Zum Herstellen eines Gegensubstrats wurde auf gleichartige 3

Weise eine P.yrexglasplatte (Corning Glass, 25x25x2 mm )

-25- DE 5213

derart behandelt, daß das in Fig. 5F gezeigte Substrat gebildet wurde. Die in den Fig. 5D und SF gezeigten Substrate 3 wurden gemäß Fig. 5G derart angeordnet, daß

die aufgedampften Glasflächen einander zugewandt waren, 5

wobei zwischen die Glasflächen mittels eines durch Licht härtbaren Epoxyharzes als Bindemittel 11 das Flüssigkristall dicht eingeschlossen wurde. Die Dicke der Flüssigkristallschicht wurde mittels eines Mylar-Abstandshalters 10 auf 6 μπι eingestellt. Das verwendete Flüssigkristall war das Flüssigkristall RO-TN 403 (von Roche) mit positiver Dielektrizität, das einen gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex η = 1 ,5235 und einen außergewöhnlichen bzw. anormalen Brechungsindex ⁿ _e = 1,782 hat.

Schließlich wurden Zuleitungsdrähte mit den Al-Elektroden 15

9 verbunden und an die Spannungsquelle 5 angeschlossen.

Auf die auf diese Weise hergestellte Lichtmodulationsvorrichtung wurden senkrecht Halbleiter-Laserstrahlen

( Λ = 780 nm) gerichtet, die linear in der Richtung der 20

Rillen des Beugungsgitters polarisiert waren. Bei dem statischen Zustand wurde das einfallende Licht unverändert durchgelassen und kein Beugungslicht höherer Ordnung erzeugt; das Verhältnis des Durchlaßlichts

nullter Ordnung zu dem einfallenden Licht war 85!. Wenn 25

mit einer Spannung von 20Vg . +-_ze_c_Ditze ^unc* ^ *"Hz ein elektrisches Wechselfeld errichtet wurde, wurde der größte Teil des einfallenden Lichts zu dem Beugungslicht höherer Ordnung, wobei das Verhältnis des Durchlaßlichts

nullter Ordnung zu dem einfallenden Licht nicht mehr als 30

0,51 war. Infolgedessen wurde ein Kontrastverhältnis von mehr als 170 erreicht.

Es werden nun die Herstellung der in Fig. 1A gezeigten

Lichtmodulationsvorrichtung und die Bestimmung der 35

Leistungsfähigkeit der auf diese Weise hergestellten

-26- DE S213

Vorrichtung erläutert. Bei der hier beschriebenen Lichtmodulationsvorrichtung werden auf die dem Flüssigkristall 2 bzw. dem Beugungsgitter zugewandten Flächen

der lichtdurchlässigen Substrate 3 der in Fig. 1A 5

gezeigten Vorrichtung lichtdurchlässige Elektrodenfilme aufgebracht.

Es wurde Corning Glas 7059 (Corning Glass Co., mit einem Brechungsindex 1,544 bei ^ = 632,8 nm) auf die Abmessun-3

gen 25x25x1 mm zugeschnitten, wonach die beiden

Oberflächen der Platte auf eine Ebenheit innerhalb einiger weniger Newtonringe poliert wurden, die Platte mit Ultraschall mittels Methanol, Triquelen (Trichlorethylen , Trilen), Aceton oder reinem Wasser gewaschen 15

wurde, mit Stickstoffgas getrocknet wurde und in Stickstoff atmosphäre bei 120 ⁰C über 20 min gebrannt wurde. Auf die Glassubstrate wurden Messingmasken zum Bilden von Streifen mit 5 mm Teilung aufgelegt und durch Ionenplat-

tierung ITO-Filme in einer Dicke von 100 nm geformt. Auf 20

die Rückflächen der ITO-Filme wurden durch Elektronenstrahl-Dampfablagerung MgF₂-Filme mit einer Dicke von 114,6 nm aufgebracht. Die ITO-Filme hatten einen Brechungsindex 1,80 bei He-Ne-Laserstrahlen ( 7< = 632,8

nm) und einen Schicht- bzw. Flächenwiderstand von 180 Ohm 25

je Flächeneinheit. Die He-Ne-Laserstrahlen wurden senkrecht auf die Ebene des MgF₂-FiImS gerichtet, wobei eine geringe Reflexion beobachtet wurde. Auf den ITO-FiIm wurde nach einem Hochfrequenz-Aufsprühverfahren eine

Schicht aus Dampfablagerungs-Glas (Schott-Glas 8329) in 30

einer Dicke von 1,7 μχη aufgebracht, wonach dann durch Schleuderbeschichtung Negativ-Fotolack RD-2000N (von Hitachi) aufgebracht und vorgebrannt wurde, um einen Fotolack-Film mit einer Dicke von 1,5 pm zu bilden. Dann

wurde mit dem Fotolackfilm eine Belichtungsmaske mit 35

einem Gittermuster mit 4 pm Teilung in Berührung gebracht

-27- DE 5213

und durch die Maske hindurch mit Ultraviolettlicht belichtet, wonach der Fotolack entwickelt und abgespült wurde, so daß auf dem aufgedampften Glasfilm ein Gitter

aus dem Fotolack RD-2000N gebildet wurde. Der aufgedampf-5

te Glasfilm wurde nach einem Ar-Ionenätzverfahren zu einem Gitter geätzt, wonach dann der Fotolackfilm in einem Fotolackentferner gelöst wurde, um in dem ITO-FiIm Glasgitterrillen zu formen.

Mit dem auf diese Weise erzeugten Glassubstrat mit den Glasgitterrillen wurde ein weiteres Glassubstrat mit einem ITO-FiIm unter Gegenübersetzung ihrer Elektrodenflächen in Berührung gebracht und in die Glasgitterrillen Flüssigkristall RO-TN 601 mit positiver Dielektrizität eingefüllt (von Roche; n_n = 1,503, n_o = 1,699). Danach wurden Zuleitungsdrähte angeschlossen und mit einer Spannungsquelle verbunden.

Auf die auf diese Weise hergestellte Lichtmodulations-20

vorrichtung wurden senkrecht He-Ne-Laserstrahlen gerichtet, die linear in der Richtung der Glasgitterrillen polarisiert waren. Der Brechungsindex des Flüssigkristalls für die Laserstrahlen war der außergewöhnliche

bzw. anormale Brechungsindex η wobei der größte Teil 25

des einfallenden Lichts, das den durch die Gleichung (1) gegebenen Bedingungen genügte, zu dem Beugungslicht 7 höherer Ordnung wurde. Dann wurde mit einer Spannung von ^{10 V}Spitze-Spitze ^{und 1 kHz ein} elektrisches Feld

errichtet. Das Flüssigkristall wurde dadurch in der 30

Richtung des elektrischen Felds ausgerichtet und der Brechungsindex des Flüssigkristalls für die Laserstrahlen wurde zu den gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex η , wobei der größte Teil des einfallenden Lichts, bei

dem die Gleichung (2) erfüllt war, zu dem Durchlaßlicht 35

bzw. Beugungslicht nullter Ordnung wurde. Das Verhältnis

-28- DE 5213

des Durchlaßlichts nullter Ordnung zu dem einfallenden Licht war im statischen Zustand geringer als 1 % und bei dem Anlegen des elektrischen Felds 901. Infolgedessen

wurden ein Nutzwirkungsgrad der Lichtstrahlen von 90S und 5

ein Kontrastverhältnis von mehr als 90 erreicht.

Es wird nun ein weiteres Beispiel für die Modulation mit der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung erläutert.
10

Nach Fig. 6 wird auf die in Fig. 1A gezeigte Vorrichtung das einfallende Licht schräg in der Weise aufgestrahlt, daß nur das Beugungslicht nullter Ordnung und das

Beugungslicht erster Ordnung entsteht, wobei das Verhält-15

nis der Lichtintensitäten des Beugungslichts veränderbar ist. In der Fig. 6 ist mit θ der Einfallwinkel des Einfallichts 6 bezeichnet, während die anderen Bezugszeichen die gleichen Elemente wie bei den vorangehend

beschriebenen Ausführungsbeispielen bezeichnen. 20

Wenn das Licht auf das Beugungsgitter unter dem Einfallwinkel θ einfällt, wird durch das Ändern des Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 der Modulationsgrad ΛηΤ des

durch das Flüssigkristall 2 und die lichtdurchlässigen 25

Isolatoren 1 gebildeten Beugungsgitters gesteuert, so daß die Lichtintensität des Beugungslichts 8 nullter Ordung eingestellt wird. Da sich auch die Lichtintensitäten des Beugungslichts 7 höherer Ordnung dementsprechend ändern,

ist es möglich, das Verhältnis der Lichtintensitäten des 30

Beugungslichts nullter Ordnung und des Beugungslichts einer vorbestimmten höheren Ordnung zu verändern. Allein das Beugungslicht nullter Ordnung und erster Ordnung kann dadurch abgegeben werden, daß auf geeignete Weise die

Parameter zur Erfüllung folgender Bedingungen gewählt 35

werden:

P >

1 + sin θ

1 + sin θ

-29-

(6)

DE 5213

λο

1 - sin θ

(7)

Dabei ergibt die Gleichung (5) die Bedingung für das Erzeugen des Beugungslichts erster Ordnung, während die Gleichung (6) die Bedingung für das Fehlen von Beugungslicht zweiter Ordnung darstellt und die Gleichung (7) die Bedingung für das Fehlen von Beugungslicht der Ordnung "-1" darstellt;
Lichts, T ist die Dicke des Beugungsgitters, P ist die Teilung des Beugungsgitters, η ist der Brechungsindex des lichtdurchlässigen Isolators 1, η ist als außergewöhnlicher bzw. anormaler Brechungsindex der obere des steuerbaren Brechungsindex des Flüssigkri-

Λ ist die Wellenlänge des einfallenden

Grenzwert
stalls 2 und
Brechungsindex der
Brechungsindex.

η ist als gewöhnlicher bzw. normaler untere Grenzwert des steuerbaren

Falls gleichzeitig die Bedingungen gemäß allen drei Gleichungen erfüllt sind, wird nur das Beugungslicht nullter Ordnung und erster Ordnung abgegeben. Die Fig. 7 zeigt einen Bereich der Teilung P sowie des Einfallwinkels Θ, bei welchen die Bedingungen erfüllt werden. Falls die Bedingungen gemäß den nachstehenden Gleichungen (8) bis (11) erfüllt werden, kann nur Beugungslicht der nullten Ordnung oder der ersten Ordnung abgegeben werden.

ORIGINAL INSPECTED

-30- DE 5213

ⁿg - ⁿo (8)

(n_e - n_g)-T = λ _o/2 (9)

ⁿg " ⁿe (10)

(n_g - η_ο)·Τ = λ_ο/₂ (ii)

Falls die Bedingungen gemäß Gleichung (8) oder (10) erfüllt sind, werden alle Teile des einfallenden Lichts durchgelassen und zu dem Beugungslicht nullter Ordnung, während bei dem Erfüllen der Bedingungen gemäß Gleichung (9) oder (11) kein Beugungslicht nullter Ordnung entsteht und alle Teile des einfallenden Lichts zu dem Beugungslicht erster Ordnung werden.

Es werden nun die Herstellung der Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung mit dem in Fig. 6 gezeigten Beugungsgitter und die Bestimmung der Leistungsfähigkeit der auf diese Weise erzeugten Vorrichtung erläutert.

Die Fig. 8 veranschaulicht die Herstellung dieser Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung. Mit 12 ist eine kammförmige lichtdurchlässige Elektrode bezeichnet,

mit 13 sind Masseelektroden bezeichnet und mit 14 sind 25

Feldelektroden für das Errichten eines elektrischen Felds bezeichnet. Die gleichen Elemente wie die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die beiden Seiten von Tempaxglas (Schottglas, 25x25x1 mm ) wurden auf eine Ebenheit innerhalb einiger weniger Newtonringe poliert, mit Ultraschall mittels Methanol, Trilen, Aceton oder reinem Wasser gewaschen, mit Stickstoffgas getrocknet und in Stickstoffatmosphäre bei 5

12O⁰C über 20 min gebrannt. Danach wurde auf die

ORIGINAL INSPECTED

-31- DE 5213

Glasplatte durch Ionenplattierung ein ITO-FiIm in einer

Dicke von 100 nm aufgebracht. Der ITO-FiIm hatte einen Schicht- bzw. Flächenwiderstand von 20 Ohm je Flächeneinheit und eine Durchlässigkeit von mehr als 801 für Licht 5

mit einer Wellenlänge im Bereich von 400 bis 900 nm. Der ITO-FiIm wurde in die Form der in Fig. 8A gezeigten Elektrode 4 geätzt. Dann wurde nach einem Elektronenstrahl-Dampfablagerungsverfahren Aufdampfungsglas 8329 (von Schott) in einer Dicke von 1,5 μΐη aufgebracht und durch Schleuderbeschichtung Negativ-Fotolack RD-2000N (von Hitachi) aufgeschichtet, um einen Fotolackfilm mit einer Dicke von 2 μπι zu bilden. Nach einem Vorbrennen bei 14O⁰C über 20 min wurde durch eine Maske hindurch mit

Ultraviolettlicht belichtet, wodurch ein reliefförmiges 15

Fotolackgitter mit einer Teilung von 1 μπι gebildet wurde.

Dann wurde nach einem Ionenfräsverfahren bzw. Ionenabtrageverfahren der Fotolack-Gitterfilm auf eine Tiefe von 1,46 μπι geätzt, wodurch das in Fig. 8C bzw. 8D gezeigte Substrat gebildet wurde.
^B

Dann wurde zum Erzeugen des Gegensubstrats auf gleichartige Weise an einer Tempax-Glasplatte die kammförmige Elektrode aus ITO-FiIm gemäß Fig. 8E geformt, wonach die

beiden Substrate derart unter Gegenübersetzung der licht-25

durchlässigen Elektrodenflächen aneinandergesetzt wurden,

daß die Richtung der Rillen des Beugungsgitters orthogonal zu der Richtung der kammförmigen Elektrode war; danach wurde Flüssigkristalle eingefüllt und dicht abgeschlossen. Das Flüssigkristall war nematisches Flüssig-30

kristall ZLH285 (von Merck) mit positiver Dielektrizität. Abschließend wurden Zuleitungsdrähte mit den durchsichtigen Elektroden verbunden und an eine Spannungsquelle angeschlossen.

-32- DE 5213

Es wird nun ein Verfahren zum Errichten eines elektrischen Felds für das Steuern der Ausrichtung des Flüssigkristall erläutert.

Normalerweise wird eine Spannung an die lichtdurchlässigen Elektroden 4 des mit dem Beugungsgitter versehenen Substrats 3 angelegt, wobei die entgegengesetzte kammförmige Elektrode 12 durch die Masseelektroden 13 und die

Feldelektroden 14 für das Errichten des elektrischen 10

Felds gebildet ist. Wenn an die Feldelektrode 14 eine Spannung angelegt wird, die mit der Spannung an der Elektrode 4 in Phase ist, wird zwischen der Feldelektrode 14 und der Grund- bzw. Masseelektrode 13 ein elektrisches

Feld erzeugt, durch das das Flüssigkristall 2 längs der 15

Rillen ausgerichtet wird. Wenn an die Feldelektrode 14 keine Spannung angelegt wird, wird ein zu der Elektrodenebene senkrechtes elektrisches Feld erzeugt, so daß das Flüssigkristall 2 in der zur Ebene des Beugungsgitters

senkrechten Richtung ausgerichtet wird.
20

Auf die Lichtmodulationsvorrichtung nach Fig. 8G wurden unter einem Einfallwinkel θ = 24° Halbleiter-Laserstrahlen ( ^₀= 820 nm) gerichtet, die linear in der Richtung

der Rillen des Beugungsgitters polarisiert waren; es 25

wurde eine Rechteck-Wechselspannung mit 30 V_g ..

Süitze ^unc* ^ k**^z angelegt. Die Ansprechzeit für das Umschalten von dem Beugungslicht nullter Ordnung auf das Beugungslicht erster Ordnung betrug 1 ms, während die

Ansprechzeit für das Umschalten von dem Beugungslicht 30

erster Ordnung auf das Beugungslicht nullter Ordnung 0,5 ms betragen hat. Der Lichtstrom-Nutzungsfaktor war höher als 80S, während das Kontrastverhältnis 100 erreicht wurde.

-33- DE 5213

Ein Substrat, bei dem die in Fig. 8 gezeigten kammförmige Elektrode durch eine plane Elektrode ersetzt war, und ein Substrat mit einem Beugungsgitter wurden zu einer

Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung zusammenge-5

baut, in die paradielektrisches Flüssigkristall eingefüllt wurde; die Vorrichtung wurde auf einer Temperatur von 60⁰C gehalten; unter einem Einfallwinkel von 24° wurden He-Ne-Laserstrahlen ( ^ 632,8 nm) aufgestrahlt, die linear in der Richtung der Rillen des ^B

Gitters polarisiert waren. Durch das Anlegen positiver und negativer Impulsspannungen über die Elektroden wurde das Umschalten zwischen dem Beugungslicht nullter Ordnung und dem Beugungslicht erster Ordnung erreicht. Der Lichtstrom-Nutzwirkungsgrad war höher als 801, das Kontrast-15

verhältnis war 100 und die Ansprechzeit bei dem Umschalten zwischen dem Beugungslicht nullter Ordnung und dem Beugungslicht erster Ordnung war 20 μΞ.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Lichtsteuereinrichtung erläutert, bei der die Änderung der Lichtintensität zwischen dem Beugungslicht nullter Ordnung und dem Beugungslicht erster Ordnung genutzt wird. Es wird nun eine Lichtsteuereinrichtung

erläutert, bei der eine Änderung der Lichtintensität 25

zwischen dem Beugungslicht nullter Ordnung und Beugungslicht zweiter oder höherer Ordnung genutzt wird.

Die Fig. 9 zeigt eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung mit einem Sägezahn- oder Rampengitter. Die 30

gleichen Elemente wie die in Fig. 8 gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Sägezahngitter kann die Energie von einfallendem Licht nur bis zu Beugungslicht einer bestimmten Ordnung durchlassen. Nach

Fig. 9 ist ein Sägezahn- bzw. Rampenwinkel oder Fußwinkel 35

tx 62,5 und. das einfallende Licht wird linear in der

-34- DE S213

Richtung der Rillen des Beugungsgitters polarisiert und senkrecht auf diese Vorrichtung gestrahlt. Die Energie des einfallenden Lichts wird in dem Beugungslicht nullter Ordnung und dem Beugungslicht dritter Ordnung konzentriert, so daß der größte Teil des abgegebenen Lichts aus diesem Beugungslicht besteht. An die lichtdurchlässigen Elektroden 4 wurde eine Rechteck-Wechselspannung mit 30 ^SDitze-SDitze ^un<* ^ ^Hz ^an&^e^^e&^· Die Ansprechzeit bei dem Umschalten von dem Beugungslicht nullter Ordnung auf das Beugungslicht dritter Ordnung betrug 1 ms, die Ansprechzeit bei dem Umschalten von dem Beugungslicht dritter Ordnung auf das Beugungslicht nullter Ordnung betrug 0,5 ms, der Lichtstrom-Nutzungswirkungsgrad war

höher als 801 und das Kontrastverhältnis war 100.
15

Die Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtungen gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind Durchlaß-Vorrichtungen, obgleich sie auch als Reflexions-Vorrichtungen eingesetzt werden können. Eine Flüssig-20

kristall-Lichtmodulationsvorrichtung kann dadurch zu

einer Reflexionsvorrichtung gestaltet werden, daß statt einer der lichtdurchlässigen Elektroden, einer der lichtdurchlässigen Isolatoren oder einem der lichtdurchlässigen Substrate ein Element mit hohem Reflexionsver-25

mögen verwendet wird oder daß ein zusätzlicher Reflexionsfilm gebildet wird. Infolgedessen können durch das Wählen der Art der Vorrichtung (Durchlaßvorrichtung oder Reflexionsvorrichtung) sowie der Formen und Abmessungen

des Beugungsgitters verschiedenerlei Lichtmodulationsvor-30

richtungen hergestellt werden, die in verschiedenerlei

Geräten beispielsweise als Lichtschalter für ein Flüssigkristall-Druckwerk, als Flüssigkristall-Sichtvorrichtung zur Direktbetrachtung oder zur Projektion oder als Lichtteilervorrichtung, Lichtablenkvorrichtung oder Licht-35

Schalter zur, Lichtnachrichtenverbindung verwendet werden

-35- DE 5213

können.

Wenn das Beugungsgitter Dreieckform hat, wird die

Gleichung (1) durch folgende Gleichung ersetzt:
5

Cn₆ - n_g).T = -λ_ο (1·)

Es wird nun die Verwendung der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung als Farbfilter erläutert..

Bei der Anzeige oder dem Aufzeichnen eines Farbbilds werden in einem einzelnen Element drei Farbfilter für

Rot R, Grün G und Blau B oder für Cyan C, Magenta M und 15

Gelb Y gebildet, wobei zur Sichtanzeige des Farbbilds selektiv in einer oder in mehreren der drei Farben beleuchtet wird bzw. zum Aufzeichnen des Farbbilds das Licht durch die drei Farbfilter aufgeteilt und das

durchgelassene Licht selektiv aufgenommen wird.
ZO

Wenn ein Farbfilterelement nach dem Stand der Technik benutzt wird, sind für ein jedes Bildelement drei Farbbildzellen erforderlich, wobei ferner drei Sätze von

Fotoaufnahmevorrichtungen, Leuchtvorrichtungen oder 25

Leuchtröhren erforderlich sind. Infolgedessen ist der Aufbau kompliziert und der Lichtstrom-Nutzungswirkungsgrad gering, wobei Einschränkungen hinsichtlich der anzeigbaren oder erhältlichen Farbinformationen bestehen.

Wenn die erfindungsgemäße Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung benutzt wird, können drei Farben wie beispielsweise Cyan C, Magenta M und Gelb Y mittels einer einzigen Vorrichtung angezeigt werden. Es wird die

Anwendung der gemäß Fig. 1A aufgebauten Lichtmodulations-35

Vorrichtung erläutert. Ein Phasen-Beugungsgitter ist nor-

-36- DE 5213

malerweise von der Wellenlänge abhängig. Diese naturgegebene Eigenschaft wird für den Aufbau des Farbfilters genutzt.

Von dem Flüssigkristall 2,oder dem lichtdurchlässigen Isolator 1 nach Fig. 1A wird die Breite desjenigen Elements mit dem höheren Brechungsindex mit 1 bezeichnet, während die Breite des Elements mit dem geringeren Brechungsindex mit S bezeichnet wird.

Sobald der Lichtstrom durch das Brechungsgitter hindurchtritt, in dem sich der Brechungsindex periodisch mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts ändert, wird kein

Beugungslicht nullter Ordnung, aber Beugungslicht höherer 15

Ordnung durch einfallendes Licht mit einer Wellenlänge hervorgerufen, die folgender Gleichung genügt:

Δη«Τ = Cm + 1/2) a ^₀ (12)

(m = 0, 1, 2, )

wobei Δη die Differenz zwischen den Brechungsindizes im Beugungsgitter, nämlich die Differenz zwischen den Brechungsindizes der beiden das Gitter bildenden Materialien ist und Pi die Wellenlänge des einfallenden Lichts

ist.

Es liegt Beugungslicht nullter Ordnung mit einer anderen Wellenlänge vor. Daher wird ein Farbfilter mit einer

Spektraldurchlaßkennlinie gebildet, bei welcher die 30

Durchlässigkeit für das Durchlaßlicht nullter Ordnung um > ₀ herum gering ist.

Die linke Seite der Gleichung (12), nämlich das Produkt

ΔηΊ aus der Differenz zwischen den Brechungsindizes in 35

dem Beugungsgitter und der Dicke ist als Gittermodula-

-37- DE 5213

tionsindex definiert. T ist konstant, während dagegen Δη dadurch veränderbar ist, daß die Ausrichtung des Flüssigkristalls geändert wird bzw. die Brechungsindizes

geändert werden. Infolgedessen ist die Spektraldurchlaß-5

kennlinie für das einfallende Licht steuerbar.

Wenn die erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung als Farbfilter eingesetzt wird, ist ein bestimmter Winkelabstand zwischen dem Durchlaßlicht nullter Ordnung und dem Beugungslicht höherer Ordnung, insbesondere erster Ordnung erforderlich, so daß daher Einschränkungen hinsichtlich der Teilung P und der Dicke bzw. Höhe T des Beugungsgitters bestehen. Gemäß der Beschreibung der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung ist die ο

Teilung P üblicherweise nicht größer als 10 μπι und die Dicke T nicht geringer als 1,5 μπι. Außer durch die Parameter in der Gleichung (1), nämlich die Brechungsindex-Differenz Δη und die Dicke T des Beugungsgitters wird die Spektralcharakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Breiten 1 und S der Materialien des Gitters beeinflußt. Das Verhältnis l/S beträgt vorzugsweise 3/7 bis 5/5, wobei 1 die Breite des Materials mit dem höheren Brechungsindex ist und S die Breite des

Materials mit dem niedrigeren Brechungsindex ist. Durch 2o

das Wählen des Verhältnisses l/S in diesem Bereich kann

'ein Farbfilter mit den in Fig. 10 gezeigten Spektraldurchlaßkennlinien gebildet werden.

Die Fig. 10 zeigt die mittels des mit der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung aufgebauten Farbfilters erzielten Spektraldurchlaßkennlinien für die drei Farben Cyan, Magenta bzw. Gelb.

Es werden nun die Herstellung und die Bestimmung der 35

Leistungsfähigkeit der Lichtmodulationsvorrichtung mit

-38- DE 5213

den in Fig. 10 gezeigten Kennlinien erläutert.

Die Fig. 11 veranschaulicht die Herstellung dieser

Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung. Die gleichen 5

Elemente wie die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die beiden Seiten einer Glasplatte aus Corning Glas 7059 3

(Corning Glass Co.; 50x50x2 mm ) wurden auf eine Ebenheit innerhalb einiger weniger Newtonringe poliert, mit Ultraschall mittels Methanol, Trilen, Aceton oder reinen Wassers gewaschen, mit Stickstoffgas getrocknet und in Stickstoffatmosphäre bei 120⁰C über 20 min gebrannt. Dann wurde nach einem Ionenplattierungsverfahren auf der Glasplatte ein ITO-FiIm in der Dicke von 100 nm gebildet. Der ITO-FiIm hatte einen Flächenwiderstand von 20 Ohm je Flächeneinheit und eine Durchlässigkeit von mehr als 80S

für Wellenlängen zwischen 380 und 780 nm. Der ITO-FiIm 20

wurde in die Form der in Fig. 11A gezeigten Elektrode 4 geätzt. Dann wurde nach einem Hochfrequenz-Aufsprühverfahren ein SiO₂-FiIm mit einer Dicke von 3 μΐη aufgebracht und durch Schleuderbeschichtung Negativ-Fotolack RD-2000N

(von Hitachi) aufgeschichtet, um einen Fotolackfilm mit 25

einer Dicke von 1,5 μΐη zu bilden. Nach einem Vorbrennen bei 140⁰C über 20 min wurde durch eine Maske hindurch mit Ultraviolettstrahlen belichtet und dann der Fotolackfilm entwickelt und gespült, wodurch ein reliefförmiges

Fotolackgitter mit einer Teilung 2,5 pm gebildet wurde. 30

Danach wurde nach einem reaktiven Ionenätzverfahren unter Verwendung eines CF. - O^-Gasgemisches der SiO₂ ^-FiIm auf eine Tiefe von 2,4 μΐη geätzt. Das auf diese Weise erzeugte Substrat ist in Fig. 11C bzw. 11D gezeigt.

-39- DE 5213

Mit dem gleichen Corningglas 7059 wurde ein Gegensubstrat hergestellt, das gemäß Fig. 11A gestaltet war. Die beiden Substrate wurden unter Gegenübersetzung der lichtdurchlässigen Elektroden 4 angeordnet, wonach das Flüssigkristall 2 dazwischengeftillt wurde und dichtend abgeschlossen wurde. Das verwendete Flüssigkristall 2 war das Flüssigkristall RO-TN200 mit positiver Dielektrizität (von Roche). Abschließend wurden Zuleitungsdrähte an die lichtdurchlässigen Elektroden 4 angeschlossen und mit der Spannungsquelle 5 verbunden, um die in Fig. 11F gezeigte Anordnung aufzubauen.

Auf die in Fig. 11F gezeigte Anordnung wurde senkrecht

weißes Licht aufgestrahlt, das in der Richtung der Rillen 15

des Gitters, nämlich senkrecht zur Zeichnungsebene polarisiert war. Bei dem statischen Zustand stürmten die Ausrichtung des Flüssigkristalls 2 und die Polarisierrichtung des weißen Lichts miteinander überein, so daß

für das weiße Licht der außergewöhnliche bzw. anormale 20

Brechungsindex η gültig war. Die Brechungsindex-Differenz η und die Dicke T des Gitters haben der Gleichung (12) bei der Wellenlänge ^₀= ⁵^O ^nm entsprochen, so daß gemäß der Darstellung durch die Kurve in

Fig. 10A die spektrale Verteilung des Durchlaßlichts 25

nullter Ordnung die Farbe Magenta ergab. Dann wurde eine Spannung mit 4 V_c .. „ _c ·.„„ und 1 kHz an die licht-

opi LZc"opIlZc

durchlässigen Elektroden angelegt. Dabei wurde die Gleichung (12) bei der Wellenlänge A_Q = 450 nm erfüllt, so daß sich die in Fig. 10B gezeigte Spektralkennlinie des Durchlaßlichts nullter Ordnung für "Gelb" ergab.

Danach wurde eine Spannung mit 8 Vg i+ze-S■'tze

Dabei war die Gleichung (12) für die Wellenlänge ^_Q 640 nm erfüllt, so daß sich die in Fig. 10C gezeigte Spektralkennlinie des Durchlaßlichts nullter Ordnung für 5

"Cyan" ergab.,

3 b 3 b 3 9

-40- DE 5213

Auf diese Weise wurde das Farbfilter mit veränderbarer Durchlässigkeit für Cyan, Magenta und Gelb erzeugt.

Ein Farbfilter für Rot, Grün und Blau kann dadurch 5

erzeugt werden, daß ein Flüssigkristall mit einer größeren Brechungsindexdifferenz zwischen dem außergewöhnlichen bzw. anormalen Brechungsindex η und dem gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex η verwendet

wird.
10

Durch das Verwenden der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung als Farbfilter kann die Vorrichtung als Farbbild-Anzeigevorrichtung sowie auch als Farbcomputerelement für eine Verarbeitung in Farbe eingesetzt werden.

Bei einem Flüssigkristall-Drucker wird üblicherweise eine Weißlichtquelle verwendet. Außer bei der Verwendung der

erfindungsgemäßen Vorrichtung als Farbfilterelement ist 20

es vorteilhaft, daß die Vorrichtung eine flach verlaufende Spektraldurchlaßkennlinie hat, wenn Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängenkomponenten moduliert wird. Es wird nun eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung

beschrieben, die eine flache Spektraldurchlaßkennlinie, 25

nämlich eine im wesentlichen von der Wellenlänge unabhängige Durchlässigkeit hat.

In der Fig. 12 sind die Bedingungen für das Formen eines

Beugungsgitters in einer Lichtmodulationsvorrichtung mit 30

flacher Spektraldurchlaßkennlinie veranschaulicht. Die Fig. 12A zeigt eine Vorrichtung, die mit einem elektrisches Feld gesteuert wird, während die Fig. 12B eine Vorrichtung zeigt, die mit Wärme gesteuert wird. Die

gleichen Elemente wie die in den vorangehenden Ausfüh-35

rungsbeispielen gezeigten sind mit den gleichen Bezugs-

ORlGINAL INSPECTED

-41- DE 5213

zeichen bezeichnet. Mit 15 ist ein lichtdurchlässiges Heizelement bezeichnet, mit P ist die Teilung der Rillen des Beugungsgitters bezeichnet und mit a, a' sowie a"

sind Projektionslängen von Schrägseiten des Gitters in 5

einer Teilung des Gitters bei der Projektion auf die Ebene des Beugungsgitters bzw. auf die Substratebene bezeichnet.

Nach Fig. 12A ist in dem lichtdurchlässigen Substrat 3 ein Beugungsgitter mit sockeiförmigem Querschnitt ausgebildet, über dessen Oberfläche die lichtdurchlässige Elektrode 4' ausgebildet ist; zwischen die Elektrode 4^f und die gegenübergesetzte flache lichtdurchlässige

Elektrode 4 ist das Flüssigkristall 2 eingefüllt. Durch 15

ein zwischen den Elektroden 4 und 4^f errichtetes elektrisches Feld wird die Ausrichtung des Flüssigkristalls 2 verändert, so daß der Brechungsindex gesteuert wird. Die Fig. 12B zeigt eine Lichtmodulationsvorrichtung, bei der

der Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 durch Wärme 20

gesteuert wird. Diese Vorrichtung enthält das lichtdurchlässige Heizelement 15. Das Flüssigkristall 2 ist zwischen das Heizelement 15 und das lichtdurchlässige Substrat 3 eingefügt, das ein Sägezahn-Beugungsgitter

hat. Bei den in den Fig. 12A und 12B gezeigten Lichtmodu-25

lationsvorrichtungen erfüllt die Projektionslänge für eine Teilung der Rillen das Beugungsgitters, nämlich die Projektionslänge a + a¹ bzw. a" der Schrägseite für die Teilung P jeweils die Bedingung

(A) a + a¹ > 1 j

(B) ar >■ 1

Falls die Projektionsfläche der Schrägseiten des Beugungsgitters nicht mehr als 501 der gesamten Projek-

-42- DE 5213

tionsfläche des Beugungsgitters beträgt, wird der Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 gesteuert, wodurch das Beugungslicht unabhängig von der Wellenlänge des

einfallenden Lichts gesteuert werden kann, δ

Gemäß der vorstehenden Beschreibung bedeutet das Steuern des Beugungslichts, daß die Lichtintensität des in nullter Ordnung gebeugten Lichts durch Ändern des Brechungsindex des Materials mit dem veränderbaren Brechungsindex, durch Aufteilen des einfallenden Lichts und durch Steuern der Lichtintensitäten der Teillichtströme gesteuert wird.

Die Querschnittsform des Beugungsgitters für das 15

Erreichen der flachen spektralen Durchlaßcharakteristik ist infolge der einfachen Herstellung und der Ausrichtungsfähigkeit vorzugsweise die Dreieckform.

Es werden nun das Herstellen einer Lichtmodulationsvor-20

richtung mit einem Beugungsgitter mit Dreieckquerschnitt und die Bestimmung der spektralen Durchlässigkeit der auf diese Weise hergestellten Vorrichtung erläutert.

Die Fig. 13 veranschaulicht die Herstellung der Licht-25

modulationsvorrichtung mit dem Dreieck-Beugungsgitter.

Gleiche Elemente wie die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die beiden Seiten eines lichtdurchlässigen Substrats 3 aus ABS-Harz (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymer) wurden zu ebenen Flächen poliert, wonach auf einer Seite in einem vorbestimmten Bereich von 10x10 mm² gemäß Fig. 13A mittels einer Strichreißmaschine ein Dreieckquerschnitt-Gitter mit e,iner Teilung von 6 μπι und einer Tiefe von 6

-43- DE 5213

μπι erzeugt wurde. Danach wurde gemäß Fig. 13C bzw. 13D über dem Gitterbereich und dem anderen Bereich in Bandform ein ITO-FiIm 4^f in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Es wurde ein gleichartiges lichtdurchlässi-

ges ABS-Substrat 3 ohne das Gitter hergestellt, auf den in Form eines Bands ein ITO-FiIm 4 aufgebracht wurde; in dem Bereich außerhalb des Gitterbereichs wurden Teflon-Abstandshalter 10 mit einer Dicke von 1 μιη aufgesetzt, wonach die beiden Substrate 3 unter Gegenübersetzung der ITO-Filme 4 und 4' zusammengesetzt wurden und in den Zwischenraum das nematische Flüssigkristall 2 eingefüllt wurde, um damit die Vorrichtung gemäß Fig. 13E bzw. 13F fertigzustellen. Es werden nun das Verfahren zum

Ermitteln der spektralen Durchlässigkeit der Lichtmodula-15

tionsvorrichtung nach Fig. 13 sowie die Ermittlungsergebnisse beschrieben.

Die Fig. 14 veranschaulicht ein Verfahren zur Bestimmung

der Leistungsfähigkeit der Lichtmodulationsvorrichtung 20

gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Mit 16 ist eine Lichtquelle bezeichnet, mit 17 ist ein Spektrometer bezeichnet, mit 18 ist ein Polarisator bezeichnet, mit 19 ist die Lichtmodulationsvorrichtung

bezeichnet, mit 20 ist eine Blende bezeichnet, mit 21 ist 25

ein Fotosensor bezeichnet, mit 5 ist die Ansteuerungs-Spannungsquelle bezeichnet und mit 22 ist eine Lichtausgabe-Anzeigevorrichtung bezeichnet. Das von der Lichtquelle 16 kommende Licht wird mittels des Spektrometers 17 in Licht mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen aufgeteilt, das dann durch den Polarisator 18 in Richtung der Rillen des Beugungsgitters der Lichtmodulationsvorrichtung 19 polarisiert wird. Diese verschiedenen Lichtstrahlen werden aufeinanderfolgend auf den Beugungsgitterbereich der Lichtmodulationsvorrichtung 19 gerichtet. 35

Durch das Ein,- und Ausschalten der Spannungsquelle 5 wird

-44- DE 5213

das auf das Beugungsgitter der Lichtmodulatj-onsvorrichtung 19 fallende Licht vollständig durchgelassen oder gebeugt. Von dem aus der Lichtmodulationsvorrichtung 19 abgegebenen Beugungslicht gelangt nur das Beugungslicht nullter Ordnung durch die Blende 20 zu dem Fotosensor 21, so daß es mittels der Lichtausgabe-Anzeigevorrichtung 22 gemessen wird. Diese Messung wird für die einfallenden Lichtstrahlen mit den jeweils verschiedenen Wellenlängen wiederholt.

Bei dem statischen Zustand, bei dem zwischen den ITO-Filmen bzw. Elektroden 4 und 4' der Lichtmodulationsvorrichtung 19 kein elektrisches Feld errichtet ist, ist das

Flüssigkristall in der Richtung der Rillen des Gitters 15

ausgerichtet, so daß für das einfallende Licht der außergewöhnliche bzw. anormale Brechungsindex η des Flüssigkristalls zur Wirkung kommt. Wenn zwischen den Elektroden 4 und 4¹ ein bestimmtes elektrisches Feld errichtet wird, wird das Flüssigkristall 2 in der Richtung des elektrischen Felds ausgerichtet, nämlich senkrecht zu der Richtung der Rillen des Beugungsgitters; dadurch wird für das einfallende Licht der gewöhnliche bzw. normale Brechungsindex η des Flüssigkristalls wirksam. Ein Beugungswirkungsgrad 7? für das Beugungs-ο

licht nullter Ordnung ergibt sich zu

no = sine² (*·££!£ ) ... (13)

^λο

wobei λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, η der Brechungsindex des lichtdurchlässigen Substrats 3 mit der Beugungsgitterstruktur ist, T die Höhe des Beugungsgitters ist und Δη = In - ηJ oder Δη = Jn -

eg ο

η / gilt. Gemäß Gleichung (13) ergibt sich -η =■ 1, wenn An = 0 gilt, und *η = 0, wenn ΔηΊ = m λ gilt (m = 1, 2, 3,.. .).

-45- DE 5213

Die Fig. 15 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit der Brechungsindizes des Flüssigkristalls E7 (BDH) und des lichtdurchlässigen ABS-Substrats 3, die in der Lichtmodu-

lationsvorrichtung 19 verwendet werden. Eine Kurve 23 ο

zeigt den anormalen Brechungsindex η des Flüssigkristalls 2, eine Kurve 24 zeigt den normalen Brechungsindex n_Q des Flüssigkristalls 2 und eine Kurve 25 zeigt den Brechungsindex η des Substrats 3. Gemäß der Darstellung sind der normale Brechungsindex η des Flüssigkristalls 2 und der Brechungsindex η des Substrats 3 im wesentlichen gleich.

Die Fig. 16 zeigt Spektraldurchlaßkennlinien für das

Durchlaßlicht nullter Ordnung bei dieser Lichtmodula-15

tionsvorrichtung. Mit Kurven 261 und 262 sind theoretische Lichtdurchlaßwerte bzw. Lichtdurchlaßwerte gemäß der Messung nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren dargestellt, während mit Kurven 271 und 272 theoretische

Werte bzw. Messungen des Durchlasses bei dem Sperren des 20

Lichts dargestellt sind. Die theoretischen Werte sind aus der Gleichung (13) ermittelt, während die Messwerte mit der in Fig. 14 gezeigten optischen Anordnung erzielt wurden. Die Differenz zwischen den theoretischen Werten

und den Messwerten ist in erster Linie auf die Endrefle-25

xion bzw. Abschlußreflexion an dem lichtdurchlässigen ABS-Substrat 3 zurückzuführen. Wenn eine Entspiegelungsvorrichtung angebracht wird, kommen die Meßwerte näher an die theoretischen Werte heran. Gemäß der Darstellung in

Fig. 16 hat das beschriebene optische System keine 30

Wellenlängenabhängigkeit und für weißes Licht einen

flachen bzw. gleichmäßigen Verlauf des Kontrastes. Das summierte Kontrastverhältnis für die Wellenlängen 400 bis 700 nm ist höher als 40, wobei der Lichtstrom-Nutzungswirkungsgrad bei dem Durchlassen des Lichts höher als 801 35

ist. Wenn eine Rechteckspannung mit 15 V Effektivwert und

-46- DE 5213

1 kHz angelegt wird, beträgt die Ansprechzeit bei dem Anstieg 0,5 ms und bei dem Abfall 2 ms.

_ Es wird nun ein Ausführungsbeispiel für die Massenproo

duktion der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung beschrieben. Mittels einer Strichreißmaschine bzw. Anreißvorrichtung wird ein dem Beugungsgitter bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gleichartiges Beugungsgitter mit Dreieckquerschnitt an einer bestimmten Fläche mit 10x10 mm² einer hochglanzpolierten Al-Platte mit 50x25x5 mm ausgebildet, welche als Mater bzw. Matrize benutzt wird. Die Matrize wird dann in eine Vakuumablagerungsanlage eingelegt, in der

auf die Oberfläche der Matrize ein Ablöse- bzw. 15

Abtrennungsöl aufgedampft wird, auf welchem ein ITO-FiIm in einer Dicke von 100 nm gebildet wird. Dann werden die Matrize und eine Platte aus Corningglas 7059 (Corning glass Co.; 50x25x2 mm ) an die beiden Seiten eines

hitzehärtbaren Harzes angebracht, das Epoxyharz sowie 20

Diethyl-Aminopropylamin als Härtungsmittel enthält; dann wird dieser Stapel in Vakuum getrocknet und über eine Stunde auf 6O⁰C erwärmt, um das Harz auszuhärten. Nach dem Erwärmen wird die Matrize bei Raumtemperatur von der

Glasplatte abgenommen, um damit das Glassubstrat herzu-25

stellen, das in Fig. 17 gezeigt ist, in der mit 28 das Epoxyharz bezeichnet ist. Die Lichtmodulationsvorrichtung wird unter Verwendung des mit dem Beugungsgitter versehenen Glassubstrats gemäß Fig. 17 auf gleichartige Weise

wie diejenige gemäß dem vorangehend beschriebenen 30

Ausführungsbeispiel hergestellt.

Die vorangehend beschriebene Matrize wird zum Formen des Dreieck-Beugungsgitters verwendet. Nach dem gleichen

Verfahren können Matrizen für Beugungsgitter mit Recht-35

eckquerschnitt, sinusförmigem Querschnitt, Sockelquer-

-47- DE 5213

schnitt oder asymmetrischem Querschnitt erzeugt werden.

Es wird nun eine Anwendung der erfindungsgemäßen

Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung erläutert. 5

Bei dieser Vorrichtung wird die Ausrichtung des durch die feinen Rillen des Beugungsgitters ausgerichteten Flüssigkristalls mittels einer Ausrichtungs-Steuereinrichtung verändert, um auf diese Weise den Brechungsindex für das einfallende Licht derart zu ändern, daß sich der auf das einfallende Licht einwirkende Zustand des Beugungsgitters ändert. Diese Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung kann als Lichtschalter bzw. Verschluß eingesetzt werden, mit dem der Durchlaß und das Sperren von Licht nullter

Ordnung gesteuert wird. Falls der Winkelabstand zwischen 15

dem Licht nullter Ordnung und Beugungslicht höherer Ordnung wie insbesondere der Ordnung +_ 1 klein ist, ist das Beugungslicht höherer Ordnung verstärkt und das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis bzw. S/N-Verhältnis

verringert. Zum Bilden eines wesentlichen Abstands des 20

Beugungslichts hoher Ordnung von dem Licht nullter Ordnung oder zum Verhindern der Erzeugung des Beugungslichts hoher Ordnung kann die Teilung des Beugungsgitters verkleinert werden, jedoch wird dadurch die Herstellung

erschwert.
25

Eine nachstehend beschriebene Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung ist so ausgelegt, daß zum Verbessern des Nutzsignal/Störsignal-Verhältnisses das durch das

signalfreie Beugungslicht bzw. das Beugungslicht ohne 30

Signalinhalt verursachte Problem gelöst ist.

Die Fig. 18 zeigt eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung mit einer Beugungslicht-Sperrvorrichtung. Die

gleichen Elemente wie die in den vorangehenden Ausfüh-35

rungsbeispielen gezeigten sind mit den gleichen Bezugs-

-48- DE 5213

zeichen bezeichnet. Mit 29 ist die Beugungslicht-Sperrvorrichtung bezeichnet.

In der Lichtmodulationsvorrichtung gemäß Fig. 18A ist an der Oberfläche des in dem lichtdurchlässigen Substrat 3 ausgebildeten Beugungsgitters die lichtdurchlässige Elektrode 4¹ ausgebildet, während das Flüssigkristall 2 zwischen die Elektrode 4' und die gegenübergesetzte plane lichtdurchlässige Elektrode 4 eingefüllt ist. Die Ausrichtung des Flüssigkristalls 2 wird durch das zwischen den Elektroden 4 und 4 ' errichtete elektrische Feld so verändert, daß damit der Brechungsindex gesteuert wird. Mit dem Substrat steht die Beugungslicht-Sperrvorrichtung

29 in Berührung, während der Lichtstrom der Vorrichtung 15

über die plane lichtdurchlässige Elektrode 4 zugeführt wird.

In der in Fig. 18B gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung ist das Flüssigkristall 2, dessen Ausrichtung durch Wärme verändert wird, zwischen das in dem lichtdurchlässigen Substrat 3 ausgebildete Beugungsgitter und das lichtdurchlässige Heizelement 15 eingefüllt. Die Beugungslicht-Sperrvorrichtung 29 ist in Berührung mit dem

lichtdurchlässigen Substrat 3 gebracht, <3a_S mit dem 25

Beugungsgitter versehen ist. Die Beugungslicht-Sperrvorrichtung 29 enthält Lichtwellenleiter, Lichtabsorptionselemente oder Lichtstreuelemente. Die Lichtwellenleiter können eine Faserplatte mit einer bestimmten Aperturzahl,

eine Linse mit verteiltem Brechungsindex bzw. Brechungs-30

index-Gradienten oder verschachtelte planare Lichtwellenleiter sein, die in einem vorbestimmten Abstand von der Lichtstrom-Austrittsstirnseite der Lichtmodulationsvorrichtung oder in Berührung zu dieser angeordnet sind.

Vorzugsweise werden die Lichtwellenleiter direkt an die 35

Vorrichtung .angeschlossen, um die Abmessungen der Vor-

-49- DE· 5213 ;·

¹ !

richtung zu verringern. £

Ein Lichtstrom, der senkrecht auf den Lichtwellenleiter

auftrifft oder unter einem Einfallwinkel auftrifft, der b

kleiner als ein Akzeptanz-Halbwinkel für die Aperturzahl des Lichtwellenleiters ist, wird durch den Lichtwellenleiter hindurchgeführt und von diesem abgegeben, während ein Lichtstrom mit einem Einfallwinkel, der größer als der Akzeptanz-Halbwinkel ist, nicht hindurchgeleitet wird; vielmehr wird die Energie dieses Lichtstroms in dem Lichtwellenleiter verbraucht und kein Streulicht abgegeben. Die Lichtabsorptionselemente oder die Lichtstreuelemente können aus einem lichtundurchlässigen Material

bestehen, welches das schräg auf die Ebene des Lichtab-15

Sorptionselements oder Lichtstreuelements fallende Licht absorbieren oder streuen kann. Eine Lichtsperrvorrichtung wird durch abwechselndes Aufstapeln lichtdurchlässiger Platten aus Glas oder Kunststoff und lichtundurchlässiger Filme und durch zur Ebene senkrechtes Abschneiden des Stapels geformt; ferner können lichtundurchlässige Platten oder Bänder in konstanten Abständen angeordnet werden oder als Lichtsperrelemente Bündel von hohlen Rohren aus lichtundurchlässigem Material oder mit lichtundurchlässigen Filmen beschichteten hohlen Rohren 25

verwendet werden.

Die Fig. 19 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Beugungslicht-Sperrvorrichtung mit Lichtabsorptionselementen oder

Lichtstreuelementen. Mit 291 sind Lichtdurchlaßelemente 30

bezeichnet, mit 292 sind Lichtabsorptions- oder Lichtstreuelemente bezeichnet, mit d ist die Dicke bezeichnet, mit γ ist ein Aperturdurchmesser bezeichnet und mit θ ist ein Einfallwinkel bei dem Einfall von BeugungsÜcht in die Sperrvorrichtung in Luft bezeichnet. Das durchzulassende Beugungslicht mit der bestimmten Ordnung trifft

-50- DE 5213

auf die Sperrvorrichtung unter dem Winkel θ = 0° auf. Die Bedingungen, die für das Sperren des anderen Beugungslichts durch die Sperrvorrichtung einzuhalten sind, sind

durch folgende Gleichung gegeben:
ο

sin Q . > —=====- (14) i

* Ar+ r

wobei 9min ein minimaler Winkel zwischen dem Beugungslicht der vorbestimmten Ordnung und dem zu sperrenden anderen Beugungslicht ist und η der Brechungsindex des Lichtdurchlaßelements bzw. Lichtdurchlaßmaterials 291 ist.

Bei dem tatsächlichen Einsatz dieser Sperrvorrichtung ist das Streulicht oder Nebenlicht selbst dann sehr schwach, wenn die Bedingungen geringfügig gegenüber den durch die vorstehende Gleichung bestimmten abweichen. Die Dicke d und der Aperturdurchmesser y werden vorzugsweise so

gewählt, daß sie den Solleigenschaften der Vorrichtung 20

entsprechen.

Wenn der Lichtstrom auf die Sperrvorrichtung unter einem Einfallwinkel gerichtet wird, der größer als 9min ist,

wird das einfallende Licht von den Lichtstreuelementen 25

gestreut oder von den Lichtabsorptionselementen absorbiert, so daß der größte Teil der Energie in der Sperrvorrichtung verlorengeht bzw. abgefangen wird. Andererseits wird das unter einem Einfallwinkel von weniger als

9min einfallende Beugungslicht der vorbestimmten Ordnung 30

durch die Sperrvorrichtung durchgelassen und aus dieser abgegeben.

Die Fig. 20 veranschaulicht die Herstellung einer

Lichtmodulationsvorrichtung, die gemäß Fig. 18A aufgebaut 35

ist und die Lichtsperrvorrichtung mit den Lichtwellen-

-51- DE 5213

leitern hat. Gleiche Elemente wie die in Fig. 18A

gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Eine Faserplatte aus Fasern mit einem jeweiligen Kern-

durchmesser von 25 μΐη und einer Aperturzahl 0,3 wurde in einer zu den optischen Achsen der Fasern senkrechten Ebene geschnitten, wonach die beiden Seiten des Abschnitts poliert wurden, um ein Substrat 29 gemäß Fig. 2OA bzw. 2OB mit den Abmessungen 50x25x2 mm zu bilden. Dann wurde auf einen vorbestimmten Bereich der Platte 29 ein durch Ultraviolettstrahlen härtbares Harz aufgebracht und auf das Harz eine Gittermatrize aufgepreßt, die zuvor durch Schneiden mittels einer Teilmaschine bzw. Strichanreißmaschine hergestellt wurde; dann wurde mit Ultraviolettstrahlen belichtet und die Matrize abgenommen, so daß ein Beugungsgitter-Harzfilm 3 auf dem Substrat bzw. der Platte 29 mit den Fasern gebildet wurde. Das bei diesem Ausführungsbeispiel geformte Beugungsgitter hatte eine Rillenteilung P von 1,87 μΐη, eine Gittertiefe bzw. Höhe T von 2,26 μια und Querschnitte in Form gleichschenkeliger Dreiecke. Dann wurde auf dem Beugungsgitterbereich und einem weiteren Bereich in Form eines Bands der ITO-FiIm 4^? in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Danach wurde auf eine lichtdurchlässige 3

Glasplatte mit 50x25x1 mm als Substrat 3 bandförmig der ITO-FiIm 4 aufgedampft, wonach die beiden Substrate unter Gegeneinanderstellung der ITO-Filme 4 und 4' mittels eines als Abstandshalter dienenden Klebemittels aneinandergeklebt wurden und zwischen sie das nematische Flüssigkristall 2 mit der positiven Dielektrizität eingefüllt wurde, um die in Fig. 20 E bzw. 20 F gezeigte Vorrichtung zu bilden.

Die Fig. 21 veranschaulicht die Herstellung einer Licht-35

modulationsvoxrichtung, die gemäß der Darstellung in Fig.

DE 5213

18A aufgebaut ist und die eine Beugungslicht-Sperrvorrichtung mit Lichtabsorptionselementen hat. Gleiche Elemente wie die in Fig. 20 gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wurde eine Vielzahl von lichtdurchlässigen Kunststoffplatten mit einer jeweiligen Dicke von 0,5 mm und einem Brechungsindex 1,5 bereitgestellt, zwischen die ein das Licht absorbierendes Klebemittel eingefüllt wurde, wonach die Platten aufgestapelt und gepreßt wurden, der Stapel senkrecht zur Plattenebene auf eine Dicke von 3 mm abgeschnitten wurde und der Abschnitt poliert wurde, um daraus die in Fig. 21A bzw. 21B gezeigte Lichtsperrplatte 29 als Substrat mit den Abmessungen 50x25x3 mm zu bilden. Danach wurde auf einen vorbestimmten Bereich der Platte 29 ein durch Ultraviolettstrahlen härtbares Harz aufgebracht, auf das eine Beugungsgitter-Matrize aufgepreßt wurde, die zuvor durch Schneiden mittels einer Teilmaschine bzw. Strichanreißmaschine hergestellt wurde; dann wurde durch die Matrize hindurch mit Ultraviolettstrahlen belichtet und danach die Matrize abgenommen, so daß damit auf der Lichtsperrplatte bzw. dem Lichtführungssubstrat 29 der Beugungsgitter-Harzfilm 3 gebildet wurde. Das bei diesem Ausführungsbeispiel gebildete Beugungsgitter hatte eine Rillenteilung P von 1,87 μιη und eine Gittertiefe bzw. Höhe T von 2,26 μιη, wobei die Richtung der Rillen des Beugungsgitters mit der Richtung der gestapelten Kunststoffplatten der Lichtsperrplatte zusammenfiel. Danach wurde gemäß Fig. 21C bzw. 21D an dem Beugungsgitterbereich und einem weiteren Bereich der ITO-FiIm 4¹ bandförmig in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wurde auf gleichartige Weise auf eine andere lichtdurchlässige Glasplatte 3 mit den Abmessungen 50x25x1 mm der ITO-FiIm 4 aufgedampft, wonach diese beiden Substrate 3 unter Gegenübersetzung der ITO-Filme 4 und 4¹ mittels eines als Abstandshalter dienenden Klebemittels zusammengeklebt

-53- DE 5213

wurden und zwischen die Substrate das nematische Flüssigkristall 2 mit der positiven Dielektrizität eingefüllt wurde, um damit die in Fig. 21E bzw. 21F gezeigte

Vorrichtung zu bilden.
5

Es wird nun die Ermittlung der Eigenschaften der in den Fig. 2OE bzw. 2OF sowie 21E bzw. 21F gezeigten Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtungen erläutert.

Die Fig. 22 zeigt einen Meßaufbau für das Messen der Eigenschaften der in den Fig. 2OE bzw. 2OF und 21E bzw. 21F gezeigten Lichtmodulationsvorrichtungen. Gleiche Elemente wie die in Fig. 14 gezeigten sind mit den

gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
15

Das von der Lichtquelle 16 abgegebene Licht wird durch den Polarisator 18 in der Richtung der Rillen des Beugungsgitters der Lichtmodulationsvorrichtung 19 polarisiert, wonach das polarisierte Licht auf den Beugungsgitterbereich der Lichtmodulationsvorrichtung 19 gerichtet wird. Durch das Errichten eines elektrischen Felds an dem Flüssigkristall der Lichtmodulationsvorrichtung mittels der Ansteuerungs-Spannungsquelle 5 wird

die Abgabe des Beugungslichts nullter Ordnung gesteuert. 25

Das in Abhängigkeit von dem Vorliegen oder Fehlen des elektrischen Felds den Fotosensor 21 erreichende Licht wird mit der Lichtausgabe-Anzeigevorrichtung 22 gemessen und abgelesen.

Bei dem statischen Zustand, bei dem kein elektrisches Feld anliegt, ist das Flüssigkristall in der Richtung der Rillen des Beugungsgitters der Lichtmodulationsvorrichtung ausgerichtet, so daß an dem einfallenden Licht der außergewöhnliche bzw. anormale Brechungsindex η des ^e

Flüssigkristalls zur Wirkung kommt. Durch das Errichten

-54- DE 5213

des elektrischen Felds wird das Flüssigkristall in der Richtung des elektrischen Felds, nämlich senkrecht zu der Substratebene ausgerichtet, so daß an dem einfallenden Licht der gewöhnliche bzw. normale Brechungsindex η des Flüssigkristalls einwirkt. Der Beugungswirkungsgrad -rj für das durchgelassene Beugungslicht nullter Ordnung ist bei den in den Fig. 2OF und 21F gezeigten Beugungsgittern mit den Querschnitten in der Form gleichschenkeliger Dreiecke durch die Gleichung (13) gegeben, in welcher λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, η der Brechungsindex des mit dem Beugungsgitter versehenen lichtdurchlässigen Harzes ist und T die Tiefe bzw. Höhe des Gitters ist. Der Maximalwert von Δη ist In - η I

eg

oder jn - nj. Aus der Gleichung (13) ergibt sich bei ° 8

Δη = 0, nämlich dann, wenn der anormale Brechungsindex η des Flüssigkristalls gleich dem Brechungsindex n_ des

^e * S

lichtdurchlässigen Harzes ist, der Wirkungsgrad fj = 1, so daß das einfallende Licht vollständig als Durchlaß-

Beugungslicht nullter Ordnung abgegeben wird. Wenn AnI = 20

m-A₀ mit m = 1, 2, 3, .... gilt, ergibt sich der Wirkungsgrad Oj =0, so daß kein Durchlaß-Beugungslicht nullter Ordnung abgegeben wird und das einfallende Licht vollständig als Beugungslicht höherer Ordnung abgestrahlt

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 20 und 21 ist das Flüssigkristall das nematische Flüssigkristall RO-TN200 (Roche) mit positiver Dielektrizität und mit den Brechungsindizes η = 1,81 und η = 1,53 bei der Wellenlänge 633 nm, wobei die Lichtquelle ein He-Ne-Laser ist ( λ = 633 nm bzw. 632,8 nm). Der Brechungsindex des lichtdurchlässigen Harzes ist 1,53, so daß für die Wellenlänge 633 nm der Brechungsindex η gleich dem

Brechungsindex des Flüssigkristalls bei dem Anliegen des 35

elektrischen , Felds ist, nämlich gleich dem normalen

-55- DE 5213

Brechungsindex n_Q ist. Daher ergibt sich aus der Gleichung (13) der Wirkungsgrad η =1. Wenn kein elektrisches Feld anliegt, ergibt sich gemäß Gleichung

_ (13) bei dem Einsetzen von Δη = I n_Q - n„ I der ο e g

Wirkungsgrad ^ =0. Daher wird das Beugungslicht höherer Ordnung abgegeben, wobei das der Richtung des Lichts nullter Ordnung nahe Beugungslicht der Ordnung _+ 1 einen Austrittswinkel von 19,8° in Luft in bezug auf die Richtung des Lichts nullter Ordnung hat.

Bei der in Fig. 2OF gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung beträgt die Aperturzahl des Lichtwellenleiters bzw. der Faserplatte 0,3, so daß der Akzeptanz-Halbwinkel in Luft

17,5° ist. Daher wird von der Faserplatte das gesamte 15

Beugungslicht höherer Ordnung außer dem Licht nullter Ordnung abgefangen.

Andererseits hat die in der Lichtmodulationsvorrichtung

nach Fig. 21F verwendete Lichtsperrvorrichtung bzw. 20

Lichtführung einen Aperturdurchmesser =0,5 mm und eine Dicke d = 3 mm. Infolgedessen ergibt sich ' der Akzeptanzhalbwinkel 6min = 14,3°, so daß das gesamte Beugungslicht höherer Ordnung außer dem Licht nullter

Ordnung von den Lichtabsorptionselementen der Lichtfüh-25

rung absorbiert wird.

Die Lichtmodulationsvorrichtungen gemäß den Fig. 2OF und 21F wurden in den in Fig. 2 2 gezeigten Meßaufbau

eingesetzt, wobei eine Rechteckspannung mit der Frequenz 30

1 kHz und der effektiven Spannung 15V angelegt wurde.

Bei beiden Vorrichtungen war die Anstiegsansprechzeit 0,5 ms, die Abfallansprechzeit 2 ms, das Kontrastverhältnis größer als 100 und der Lichtstrom-Nutzungswirkungsgrad

„ für das Durchlaßlicht nullter Ordnung höher als 80S.

-56- DIi 5213

Die Fig. 23 zeigt eine Abwandlung des in der erfindungsgemäßen Fltissigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung verwendeten Beugungsgitters. Mit P ist die Teilung der

Rillen des Gitters bezeichnet, mit o< ist ein Neigungso

winkel bezeichnet und mit T ist die Höhe bzw. Tiefe des Gitters bezeichnet. Das Gitter entspricht dem in Fig. 9 gezeigten Beugungsgitter mit Sägezahnquerschnitt (Vorzugsrichtungsgitter, blazed diffraction grating), wobei P = 5,0 pm, α = 66° und T = 11,2 μια gilt.

Dieses Sägezahn-Beugungsgitter wurde in der in Fig. 20 gezeigten Vorrichtung verwendet und auf die gleiche Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel

geformt, wonach gleichartige Messungen unter Verwendung 15

einer Leuchtdioden-Lichtquelle mit der Wellenlänge 800 nm ausgeführt wurden. Im statischen Zustand wurde wenig Durchlaßlicht nullter Ordnung abgegeben, während das gesamte Beugungslicht das Beugungslicht dritter Ordnung

mit dem Austrittswinkel 28,7° in Luft in bezug auf die 20

Richtung des Lichts nullter Ordnung war. Bei errichtetem elektrischen Feld war der Brechungsindex des Gittermaterials bzw. durchsichtigen Harzes gleich dem normalen Brechungsindex des Flüssigkristalls, so daß das gesamte

abgegebene Licht das Beugungslicht nullter Ordnung war. 25

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde eine Faserplatte mit der Aperturzahl 0,35 verwendet (Akzeptanzhalbwinkel 20,5°). Daher wurde bei dem statischen Zustand das gesamte Licht dritter Ordnung abgefangen, so daß kein Streulicht den Fotosensor erreichte·. Die Messergebnisse waren im wesentlichen die gleichen wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Ferner wurde auf diese Lichtmodulationsvorrichtung ein Lichtstrom unter einem Einfallwinkel von 28,7° in Luft in bezug auf die

Flüssigkristall-Ebene gerichtet. Es wurde nur das 35

Beugungslicht dritter Ordnung abgestrahlt, während das

-57- DE 5213

Beugungslicht nullter Ordnung abgefangen wurde. Die Meßergebnisse bei der Verwendung des Beugungslichts dritter Ordnung als Modulationslicht waren denjenigen bei den vorangehend beschriebenen beiden Ausführungsbeispie-

len gleichartig.

Das vorstehend beschriebene Sägezahn-Beugungsgitter wurde bei der in Fig. 21 gezeigten Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung verwendet, die als Lichtsperrvorrichtung die Absorptionselemente hat. Es werden nun die Herstellung dieser Lichtmodulationsvorrichtung und Meßergebnisse hierfür erläutert.

Die Lichtmodulationsvorrichtung mit dem in Fig. 23 15

gezeigten Sägezahn- bzw. Rampengitter wurde folgendermaßen hergestellt: Auf einem lichtdurchlässigen Glassubstrat mit den Abmessungen 5 0x2 5x1 mm wurde auf die gleiche Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungs-

beispiel das Beugungsgitter gebildet, wonach auf den ZO

Beugungsgitterbereich und einen weiteren Bereich ein ITO-FiIm aufgedampft wurde. Auf einem weiteren lichtdurchlässigen Glassubstrat wurde gleichfalls an einem vorbestimmten Bereich ein ITO-FiIm gebildet. Die beiden

Substrate wurden unter Gegenübersetzung der als Elektro-25

den dienenden ITO-Filme miteinander verbunden, wonach zwischen die Substrate ein Flüssigkristall eingefüllt wurde. Dann wurden Kunststoffrohre mit jeweils 0,1 mm Wanddicke, 0,5 mm Durchmesser und 1,5 mm Länge und mit schwarzen bzw. geschwärzten Streu-Innenflächen zu einer

wabenförmigen Platte gebündelt, wonach die Platte mit einem lichtdurchlässigen Klebemittel an das Austritts-Glassubstrat angeklebt wurde.

_o_ Bei dem in Fig. 23 gezeigten Sägezahn-Beugungsgitter kann

das Austritts.-Beugungslicht derart gesteuert werden, daß

-58- DE 5213

es nur das Beugungslicht nullter Ordnung und Beugungslicht einer vorbestimmten höheren Ordnung enthält. Durch das Ein- und Ausschalten des elektrischen Felds wechselt

die Energie zwischen dem Beugungslicht der beiden ο

Ordnungen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde das einfallende Licht über das Beugungsgitter aus dem lichtdurchlässigen Harz senkrecht auf das Substrat gerichtet, wobei die Messungen auf die gleiche Weise wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel nur für das Licht nullter Ordnung ausgeführt wurden. Als Lichtquelle wurde eine Leuchtdiode mit einer mittleren Wellenlänge von 800 nm verwendet. Die Brechungsindizes der Elemente und des Flüssigkristalls bei der Wellenlänge 800 nm waren im

wesentlichen die gleichen wie bei dem vorangehend be-15

schriebenen Ausführungsbeispiel.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde bei dem statischen Zustand kein Durchlaßlicht nullter Ordnung abgegeben,

während das gesamte Beugungslicht das Licht dritter 20

Ordnung war. Der Austrittswinkel in Luft war in bezug auf die Richtung des Lichts nullter Ordnung 28,7°. Bei angelegtem elektrischen Feld war der Brechungsindex des Gittermaterials bzw. lichtdurchlässigen Harzes gleich dem

normalen Brechungsindex des Flüssigkristalls, so daß das 25

gesamte austretende Licht das Beugungslicht nullter Ordnung war.

Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete wabenför-

_ mige Platte hatte die Abmessungen d = 1,5 mm und Ύ = 0,5 du ■ *

mm und damit den maximalen Akzeptanzhalbwinkel 18,4°. Infolgedessen wurde bei dem statischen Zustand das gesamte Licht dritter Ordnung abgefangen, so daß kein Streulicht den Fotosensor erreichte. Die Meßergebnisse __ waren im wesentlichen die gleichen wie bei dem vorange-

hend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Dann wurde ein

-59- DE 5213

Lichtstrom unter einem Einfallwinkel von 28,7° in Luft zur Flüssigkristall-Ebene auf diese Lichtmodulationsvorrichtung gerichtet. Dabei wurde nur das Beugungslicht

dritter Ordnung abgegeben, während das gesamte Beugungs-5

licht nullter Ordnung abgefangen wurde. Die Meßergebnisse bei der Verwendung des Beugungslichts dritter Ordnung als Modulationslicht waren gleichartig wie diejenigen bei den vorangehend beschriebenen drei Ausführungsbeispielen.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ergibt sich durch das Anbringen einer Lichtsperrvorrichtung mit Lichtwellenleitern, Lichtabsorptionselementen oder Lichtstreuelementen an der Lichtaustrittsseite eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem verbesserten Kontrastverhältnis 15

(Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis). Bei diesen Ausführungsbeispielen sind die Lichtmodulationsvorrichtung und die Lichtsperrvorrichtung zu einer Einheit zusammengebaut, obgleich dies nicht wesentlich ist. Wenn die Vorrichtun-

gen zu einer Einheit zusammengefaßt sind, können sie als 20

einzelner Bauteil hergestellt werden, welcher als Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung sehr zweckdienlich ist.

Es werden nun weitere Ausführungsbeispiele für die 25

erfindungsgemäße Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung erläutert. Die Fig. 24 zeigt eine weitere Anwendung der Lichtmodulationsvorrichtung. Mit 61 ist Reflexionslicht bezeichnet. Gleiche Elemente wie die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigten sind mit

gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Zur Vereinfachung der Erläuterung ist nur ein Hauptteil der Vorrichtung gezeigt. Bei dieser Lichtmodulationsvorrichtung sind auf den an einem Paar lichtdurchlässiger Substrate ausgebil-

__ deten gegenüberliegenden lichtdurchlässigen Elektroden 4 35

jeweils in Schichten die lichtdurchlässigen Isolatoren 1

-60- DE 5213

aufgebracht, wobei in einem der lichtdurchlässigen

Isolatoren eine Beugungsgitterstruktur ausgebildet ist und zwischen die Isolatoren das Flüssigkristall 2 eingefügt ist.
5

Wenn unter einem vorbestimmten Einfallwinkel ein Lichtstrom aufgestrahlt wird, der in der Richtung der Rillen des Beugungsgitters (senkrecht zur Zeichnungsebene)

polarisiert ist, stimmt bei dem statischen Zustand die 10

Polarisierrichtung des einfallenden Lichts 6 mit der Ausrichtung des Flüssigkristalls 2 überein, so daß für das einfallende Licht der effektive Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 der außergewöhnliche bzw. anormale Brechungsindex n_ß ist. Falls der Brechungsindex n_t der Elektroden 4, der Brechungsindex η der Isolatoren 1 und der anormale Brechungsindex η des Flüssigkristalls 2 einander gleich sind, wird gemäß Fig. 24A das einfallende Licht 6 vollständig als Durchlaßlicht 8 abgegeben. Wenn

zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld errichtet 20

wird, wird das Flüssigkristall 2 in der Richtung des elektrischen Felds ausgerichtet. Dabei ändert sich der Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 zwischen dem anormalen Brechungsindex η und dem normalen Brechungsindex n_Q, so daß gemäß Fig. 24B das einfallende Licht 6 in das Reflexionslicht 61, das Durchlaßlicht 8 und das Beugungslicht 7 höherer Ordnung aufgeteilt wird. Wenn schließlich das anliegende elektrische Feld einen vorbestimmten Wert erreicht, wird das Flüssigkristall 2 in der

Richtung des elektrischen Felds, nämlich senkrecht zu der 30

Elektrodenebene ausgerichtet, so daß der Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 für das einfallende Licht 6 zu dem normalen Brechungsindex η wird. Falls das einfallende

Licht unter einem Einfallwinkel θ^ aufgestrahlt wird und die Bedingungen gemäß der Gleichung

-61- DE 5213

sin Q₁ > n_o/n_g (15)

erfüllt sind, wird das einfallende Licht an der Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall 2 und dem lichtdurch-5

lässigen Isolator 1 total reflektiert, so daß gemäß 24C nur das Reflexionslicht 61 abgegeben wird.

Mit dem Verfahren zum Ausrichten des Flüssigkristalls durch das mit den feinen Rillen versehene Beugungsgitter kann gegenüber dem herkömmlichen Reibeverfahren oder dem herkömmlichen schrägen Aufdampfen von SiO oder MgF₂ die Brechungsindex-Differenz An des Flüssigkristalls sowie die Temperaturstabilität verbessert werden. Die Fig. 25

zeigt die Temperaturkennlinien von Brechungsindizes n" IS_- ^e

und η des mittels des Beugungsgitters ausgerichteten

Flüssigkristalls sowie der Brechungsindizes η und η des nach dem herkömmlichen Verfahren ausgerichteten Flüssigkristalls. Auf der Abszisse ist die Temperatur T aufgetragen, während auf der Ordinate der Brechungsindex η 20

aufgetragen ist. Gemäß Fig. 25 ergibt sich bei den gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindizes η und η nur eine geringe Änderung, während sich der anormale bzw. außergewöhnliche Brechungsindex η weitaus stärker als der Brechungsindex η ändert, wobei die Temperaturstabi^e

lität hervorragend ist.

Es werden nun die Herstellung einer solchen erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung sowie

die Ermittlung der Eigenschaften der Vorrichtung be-30

schrieben. Die Fig. 26 ist eine perspektivische Ansicht der Lichtmodulationsvorrichtung. Gleiche Elemente wie die in Fig. 24 gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Mit G ist ein Beugungsgitter-Bereich bezeich-

-62- DE 5213

SF4-Glas (von Kohara Optical Glass Seisakusho, mit dem Brechungsindex 1,75 für die Wellenlänge 632,8 nm) wurde zu einem in Fig. 26 gezeigten Hexaeder zugeschnitten,

dessen untere Fläche und dessen beide Seitenflächen auf 5

eine Ebenheit mit einer Ungenauigkeit von einigen wenigen Newtonringen poliert wurden und der mit Ultraschall mittels Methanol, Trilen, Aceton oder reinem Wasser gewaschen wurde. Danach wurde der Hexaeder mit Stickstoffgas getrocknet und in Stickstoffatmosphäre bei 120⁰C über 20 min gebrannt, wonach an der unteren Fläche des Hexaeders in einer Vakuumvorrichtung durch Ionenplattierung ein ITO-FiIm in einer Dicke von 100 nm aufgebracht wurde. Der ITO-FiIm hatte einen Flächenwiderstand von 18 0hm je Flächeneinheit und einen Brechungsindex von 1,80 bei der Lichtwellenlänge 632,8 nm. An den beiden Seiten wurden nach dem Elektronenstrahl-Aufdampfungsverfahren MgF2~Filme in einer Dicke von 114,6 nm ausgebildet, auf die senkrecht He-Ne-Laserstrahlen gerichtet wurden. Es trat eine geringe Reflexion auf. Danach wurde durch

Schleuderbeschichtung auf den ITO-FiIm der Positiv-Fotolack Microposit 1350 (von Shipley) aufgebracht, der über 20 min bei 90⁰C vorgebrannt wurde, um einen Fotolackfilm mit 400 nm Dicke zu erzeugen. Dann wurde an dem Fotolackfilm unter einem Winkel von 38° mit He-Cd-Laserstrahlen

(A= 325 nm) eine Interferenzbelichtung vorgenommen, so daß an der Mitte der Elektrode ein Beugungsgitter aus dem Fotolack mit einer Teilung von 0,5 μΐη gebildet wurde. Dann wurde der ITO-FiIm in einer Vakuumkammer nach einem Ionenfräsverfahren bzw. Ionenabtrageverfahren unter Verwendung von Ar-Gas in Gitterform auf eine Dicke von 20 nm geätzt, wonach der Fotolack Microposit 1350 mit Aceton gelöst wurde und damit an der Bodenfläche des Hexaeders aus Glas allein in dem Einfallbereich der He-Cd-Laserstrahlen die ITO-Filmelektrode mit dem oberflächlichen 35

Beugungsgitter ausgebildet wurde.

-63- DE Ü213

Es wurden zwei derartige Glas-Hexaeder hergestellt; die Beugungsgitter-Elektrodenflächen wurden einander gegenübergesetzt, wobei die Richtungen der Rillen der

Beugungsgitter miteinander ausgerichtet wurden; zwischen 5

die Flächen wurde Flüssigkristall RO-TN701 (Roche) mit positiver Dielektrizität eingefüllt. Der Abstand der Flächen wurde durch Mylar-Abstandshalter auf 5 μΐη eingestellt. Die Nenn-Brechungsindizes des Flüssigkristalls RO-TN701 sind der normale Brechungsindex η = 1,498 und der anormale Brechungsindex η = 1,648. Das durch das Beugungsgitter ausgerichtete Flüssigkristall zeigte die Werte η = 1,49 und η = 1,75. Infolgedessen wurde die Brechungsindex-Differenz An (= η - η ) verbessert,

wobei die Temperaturstabilität hervorragend war. 15

Um die in Fig. 26 gezeigte Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung fertigzustellen, wurden an die auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellte Vorrichtung Zuleitungsdrähte angeschlossen, die mit der Spannungsquelle verbunden wurden. Auf die Lichtmodulationsvorrichtung wurden unter einem Einfallwinkel von 60° He-Ne-Laserstrahlen gerichtet, die in der Richtung der Rillen des Beugungsgitters polarisiert waren. Im statischen

Zustand trat das einfallende Licht 6 durch die Vorrich-25

tung unverändert hindurch, so daß es als Durchlaßlicht 8 in Erscheinung getreten ist. Das Verhältnis des Durchlaßlichts 8 zu dem einfallenden Licht 6 betrug mehr als 901. Wenn ein elektrisches Wechselfeld mittels einer Spannung ^{von 10 V}Spitze-Spitze ^{und 1 kHz} errichtet wurde, wurde das einfallende Licht total reflektiert, so daß es zu dem Reflexionslicht 61 wurde. Das Verhältnis des Reflexionslichts 61 zu dem einfallenden Licht 6 war gleichfalls höher als 901.

-64- DE 5213

Zum Messen der Schaltansprechzeit wurde eine Stufenspannung von 10 V angelegt, wobei die Zeit bis zum Erreichen von 90S eines Ausgangssättigungswerts gemessen

wurde. Die Zeit war 1,0 ms. Dann wurde die Spannung 5

abgeschaltet und die Abfallzeit gemessen. Die Abfallzeit war 1,5 ms.

Die Fig. 27 zeigt eine Lichtschalterzeile, die ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung darstellt. Mit 41 sind bandförmige Elektroden bezeichnet. Es wird nun die Herstellung der in Fig. 27 gezeigten Lichtschalterzeile erläutert. Aus SF6-Glas (von Kahara Optical Glass Seisakusho,

Brechungsindex 1,80 für die Wellenlänge 632,8 nm) wurden 15

zwei Halbzylinder geformt, die auf gleichartige Weise wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen poliert und gewaschen wurden. Auf der ebenen Oberfläche des einen der Glashalbzylinder wurde nach dem Ionenplattierungsverfah-

ren ein bandförmiges ITO-Filmmuster gemäß Fig. 27A 20

gebildet, während an dem anderen Halbzylinder ein planparalleler ITO-FiIm ausgebildet wurde. Der Abstand der bandförmigen ITO-Filmelektroden 41 betrug 40 μπι, wobei die ITO-Filme 4 und 41 den Brechungsindex 1,80 und den

Flächenwiderstand 18 Ohm je Flächeneinheit hatten. Auf 25

den Rückflächen der beiden Halbzylinder wurden nach dem

Elektronenstrahl-Aufdampfungsverfahren MgF^-Filme in einer Dicke von 114,6 nm ausgebildet. Auf den MgF₂-FiIm wurde senkrecht weißes Licht aufgestrahlt, wobei an der

Fläche eine geringe Reflexion auftrat. 30

Das Beugungsgitter wurde auf der ITO-Filmelektrode gemäß Fig. 27A auf die gleiche Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die

Glashalbzylinder wurden einander unter Gegenübersetzung 35

der Beugungsgitter-Bereiche G gegenübergesetzt und mit

-65- DE ξ213

ihren Mittelachsen ausgerichtet, wonach zwischen die Halbzylinder das Flüssigkristall ZLH285 (von Merk) mit positiver Dielektrizität eingefüllt wurde. Die Dicke der

Flüssigkristallschicht wurde mit Mylar-Abstandshaltern 5

auf 5 'μΐη eingestellt. Abschließend wurden Zuleitungsdrähte mit den bandförmigen Elektroden 41 und der Gegenelektrode 4 verbunden und an die Spannungsquelle 5 angeschlossen, um damit die in Fig. 27B gezeigte Lichtschalterzeile fertigzustellen. Das Licht aus einer Halogenlampe wurde mittels einer Zylinderlinse in ein flaches Strahlenbündel geformt, welches auf die Lichtschalterzeile gerichtet wurde. Das Auflösungsvermögen, die Abgabelichtstärke, das Kontrastverhältnis und die

Ansprechzeiten, die durch Messung ermittelt wurden, waren 15

derart zufriedenstellend, daß die Lichtschalterzeile in einem Drucker eingesetzt werden kann.

Die Fig. 28 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für

die erfindungsgemäße Flüssigkristall-Lichtmodulations-20

vorrichtung, bei dem die Vorrichtung Lichtschaltfunktion hat.

In der in Fig. 28A gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung

sind an einem einzelnen lichtdurchlässigen Substrat drei 25

Dreiecke ausgebildet, während zwischen die Schrägflächen des Substrats 3 und das Heizelement 15 ein Flüssigkristall 2 eingefügt ist, dessen Ausrichtung durch Wärme steuerbar ist. Bei der in Fig. 28B gezeigten Lichtmodula-

tionsvorrichtung sind Schrägflächen beider Substrate 3 30

feiner aufgeteilt. Die beiden Substrate 3 haben eine Vielzahl von Dreieckstrukturen, auf die die lichtdurchlässigen Elektroden 4 aufgedampft sind, zwischen die das Flüssigkristall 2 eingefügt ist. Der Neigungswinkel der Dreiecke wird näherungsweise dadurch bestimmt, daß die

aus dem Snellius-Brechungsgesetz abgeleiteten Bedingungen

-66- DE 5213

für die Totalreflexion berücksichtigt werden.

Die Fig. 29 zeigt eine durch ein elektrisches Feld _ steuerbare Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung

und deren Funktion. Der grundlegende Aufbau ist demjenigen der Vorrichtung nach Fig. 28B gleichartig, jedoch ist auf der lichtdurchlässigen Elektrode 4 zusätzlich der lichtdurchlässige Isolator 1 ausgebildet, wobei das verwendete Flüssigkristall 2 positive Dielektrizität hat. Die lichtdurchlässige Elektrode 4 kann aus Indiumzinnoxid (ITO), SnO₂ oder In₂O₃ bestehen, der lichtdurchlässige Isolator 1 kann aus Glas, SiO₂, SiO, MgF₂, &^l2^O3 ^oder TiO₂ bestehen und das lichtdurchlässige Substrat 3 kann

aus optischem Glas oder optischem Kunststoff bestehen. 15

Diese Materialien für die Elektrode, den Isolator und das Substrat sind auch bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendbar.

Es wird nun die Lichtschalterfunktion der in Fig. 29 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung erläutert. Mit 6 ist das einfallende Licht bezeichnet, mit 7 ist Reflexionslicht bezeichnet, mit 8 ist Durchlaßlicht bezeichnet

und mit 5 ist die Spannungsquelle bezeichnet. Die in Fig. 25

29 gezeigte Sägezahn- bzw. Dreieckfläche wird durch ein Reibeverfahren oder schräges Aufdampfen bearbeitet, so daß das Flüssigkristall 2 stark in der Richtung der Rillen ausgerichtet wird.

Wenn ein in der Richtung der Rillen der Sägezahn- bzw. Dreieckfläche senkrecht zur Zeichnungsebene polarisierter Lichtstrom senkrecht auf die Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung gerichtet wird, fällt bei dem statischen

Zustand die Polarisierrichtung des einfallenden Lichts 6 35

mit der Ausrichtung des Flüssigkristalls 2, nämlich der

-67- DE 5213

Richtung der Rillen der Dreieckfläche zusammen, so daß der für das einfallende Licht wirksame Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 der anormale Brechungsindex η_Ω ist.

Falls die Brechungsindizes des Substrats 3, der Elektro-5

de 4 und des Isolators 1 gleich dem anormalen Brechungsindex η des Flüssigkristalls 2 sind, wird das einfallende Licht 6 vollständig als Durchlaßlicht 8 abgegeben. Wenn zwischen den Elektroden 4 das elektrische Feld errichtet wird, wird das Flüssigkristall 2 zu der Richtung des elektrischen Felds hin ausgerichtet; wenn das elektrische Feld einen vorbestimmten Wert erreicht, wird das Flüssigkristall 2 in der Richtung des elektrischen Felds parallel zu der Einfallsebene ausgerichtet,

wobei der für das einfallende Licht 6 wirksame Brechungs-15

index des Flüssigkristalls 2 zu dem normalen Brechungsindex n_Q wird. Das einfallende Licht 6 trifft auf das Flüssigkristall 2 unter einem Winkel, der gleich einem Neigungswinkel θ der schrägen Flächen ist. Falls die Bedingungen der Gleichung

sin θ > n_o/n (16)

erfüllt sind, wird gemäß Fig. 29B das einfallende Licht 6

an der Grenzfläche zwischen dem Isolator 1 und dem 25

Flüssigkristall 2 total reflektiert, so daß es zu dem Reflexionslicht 7 wird. Die Brechungsindizes des Isolators 1, der Elektrode 4 und des Substrats 3 sind gleich η . Falls die Dicken der Elektrode 4 und des Isolators 1

ausreichend geringer als die Wellenlänge des einfallenden 30

Lichts 6 sind, können die Brechungsindizes der Elektrode

4 und des Isolators 1 vernachlässigt werden. In diesem Fall sind die Bedingungen für den totalen Durchlaß und die totale Reflexion hauptsächlich durch die Brechungsindizes des Substrats 3 und des Flüssigkristalls 2 sowie 35

durch den Neigungswinkel der Schrägflächen bestimmt.

-ί)Η- I)Ii 5213

Durch ein gesteuertes Anlegen des elektrischen Felds kann die Intensität des Durchlaßlichts gesteuert werden. Auf die Eintrittsflächen und die Austrittsflächen des Substrats 3 wird vorzugsweise ein Entspiegelungsfilm aufge-

bracht, um den Lichtnutzungswirkungsgrad zu verbessern und Geisterlichter zu vermeiden.

Nachstehend werden die Herstellung der in Fig. 29 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung sowie die Ermittlung der Eigenschaften der Vorrichtung beschrieben. Die Fig. 30 ist eine perspektivische Ansicht der Lichtmodulationsvorrichtung.

Die beiden Seiten einer Platte aus LaSFO,-Glas (Kohara 3

Optical Glass Seisakusho, 20x30x2 mm , Brechungsindex 1,80 für λ = 632,8 nm) wurden auf eine Ebenheit innerhalb einiger weniger Newtonringe poliert, mit Ultraschall mittels Methanol, Trilen, Aceton oder reinem

Wasser gewaschen, mit Stickstoffgas getrocknet und in 20

Stickstoffatmosphäre bei 120 C über 20 min gebrannt. An einer der Seiten wurde mittels einer Teilmaschine bzw. Strichanreißmaschine auf einer Lichteinfallfläche (10x10 mm²) eine Fläche aus Sägezahn- bzw. Dreieckprofilen mit einem

jeweiligen Scheitelwinkel von 60° und einer Teilung von 25

0,5 mm ausgebildet, wonach durch Ionenplattierung ein ITO-FiIm in einer Dicke von 200 nm aufgebracht wurde. Der ITO-film hatte einen Flächenwiderstand von 16 Ohm je Flächeneinheit und einen Brechungsindex 1,80 für das Licht mit der Wellenlänge 632,8 nm. Der ITO-FiIm wurde zu einem Elektrodenmuster geätzt, wonach außer an einem Elektrodenabnahmebereich durch Schrägaufdampfung nach dem Elektronenstrahl-Aufdampfungsverfahren ein Al-O^-Film in einer Tiefe von 100 nm aufgebracht wurde, um den ITO-FiIm

von der Gegenelektrode zu isolieren und das Flüssigkri-35

stall auszurichten. An dem Elektrodenabnahmebereich wurde

ORIGINAL INSPECTED

-69- DE 5213

eine Al-Elektrode mit einer Dicke von 500 nm ausgebildet, während an der Rückseite des lichtdurchlässigen Substrats ein Entspiegelungsfilm aus MgF- in einer Dicke von 114,6 nm angebracht wurde. Dann wurde aus dem LaSFO,-Glas ein j

weiteres Substrat mit gleichartiger Sägezahn- bzw. Dreieckquerschnittfläche hergestellt. Zum Zusammensetzen der beiden in Fig. 29 gezeigten Substrate wurde die Dreiecksfläche des einen Substrats konkav und die Dreiecksfläche des anderen Substrats konvex ausgebildet. Um die Dreiecksfläche des einen Substrats herum wurde ein SiCL-FiIm mit einer Dicke von 7 μη ausgebildet, der als Abstandshalter diente.

Die beiden Substrate wurden einander unter Gegenüber-15

setzung der Sägezahn- bzw. Dreiecksflächenbereiche

(Gitterbereiche) G gegenübergestellt, wonach zwischen die Substrate Flüssigkristall eingefüllt wurde, das dicht eingeschlossen wurde. Das verwendete Flüssigkristall war . das Flüssigkristall RO-TN200 mit positiver Dielektrizität (von Roche;; η = 1,53 und η = 1,80 für λ = 632,8 nm).

; O 6

Abschließend wurden Zuleitungsdrähte mit den Elektroden 4 verbunden und an die Spannungsquelle 5 angeschlossen, um damit die in Fig. 30 gezeigte Flüssigkristall-Lichtmodu-

lationsvorrichtung fertigzustellen. 25

Auf das Substrat 3 der Lichtmodulationsvorrichtung wurden senkrecht He-Ne-Laserstrahlen ( Λ= 632,8 nm) gerichtet, die in der Richtung der Rillen der Dreieckquerschnittflächen polarisiert waren. Im statischen Zustand wurde das einfallende Licht 6 unverändert durch die Vorrichtung durchgelassen, so daß es als Durchlaßlicht 8 in Erscheinung trat. Das Verhältnis des Durchlaßlichts zu dem einfallenden Licht war höher als 95$. Wenn ein elektrisches Feld mit einer Rechteck-Wechsel spannung von 10 ^S ' tze-S it e ^unc* ¹ ^Hz ^erricntet· wurde, wurde das ein-

ORIGINAL INSPECTED

-70- DE 5213

fallende Licht total reflektiert, wobei das Verhältnis des Durchlaßlichts zu dem einfallenden Licht geringer als 0,5S war. Hinsichtlich der Lichtquelle besteht keine

Einschränkung auf eine Laserquelle, vielmehr kann die 5

Lichtquelle eine Leuchtdiode, eine Halogenlampe oder eine

Fluoreszenzlampe sein, i

Gemäß der vorangehenden Beschreibung wird bei der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung das Flüssigkristall durch das Beugungsgitter mit den feinen und regelmäßig angeordneten Rillen gleichmäßig in eine vorbestimmte Orientierung ausgerichtet, die durch ein elektrisches Feld, durch Wärme oder durch ein Magnetfeld verändert wird, um verschiedenerlei Lichtmodulatio-15

nen zu erreichen. Durch das Ausrichtungsverfahren bei der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtujng werden die Eigenschaften des Flüssigkristalls im Vergleich zu den herkömmlichen Ausrichtungsverfahren verbessert. Es werden

das Ausmaß der gleichmäßigen Ausrichtung des Flüssigkri-20

stalls sowie die Differenz Δη zwischen dem anormalen und dem normalen Brechungsindex verbessert, wobei die Ansprechgeschwindigkeit bei der Steuerung der Ausrichtung durch das elektrische Feld verbessert wird.

Da bei der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung keine Polarisatorplatte erforderlich ist, ist der Lichtnutzungswirkungsgrad verbessert. Im Vergleich zu der TN-Zelle werden die Blickwinkel-Eigen-

schäften bei einer Sichtanzeigevorrichtung verbessert. 30

Der Aufbau ist einfach, wobei das Kontrastverhältnis sehr hoch ist.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele können verschiedenerlei Funktionen dadurch erreicht werden, daß die Formen und Dimensionen des

-71- DE 5213

Beugungsgitters verändert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl als Reflexionsvorrichtung als auch als Durchlaßvorrichtung eingesetzt werden, während

_ das verwendete Licht in Abhängigkeit von den Anwendungs-5

zwecken in dem breiten Bereich von monochromatischem Licht bis zu weißem Licht liegen kann.

In der vorstehenden Beschreibung sind lediglich besondere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung angeführt, welche hinsichtlich ihrer Funktionen und Gestaltungen in Abhängigkeit von den Anwendungszwecken abgewandelt werden können.

Eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung enthält ein Paar Substrate, von denen mindestens eines lichtdurchlässig ist, ein zwischen den Substraten oder an mindestens einem der Substrate ausgebildetes Beugungs-

gitter, ein in feine Rillen des Beugungsgitters einge-20

fügtes Flüssigkristall und eine Steuereinrichtung für das Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls, das durch die Rillen des Beugungsgitters in einen vorbestimmten Zustand ausgerichtet wurde.

Claims (23)

Patentansprüche

1. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung, gekennzeichnet durch zwei Substrate (3), von denen mindestens eines lichtdurchlässig ist, ein zwischen den Substraten oder an mindestens einem der Substrate ausgebildetes Beugungsgitter, ein in die feinen Rillen des Beugungsgitters eingefügtes Flüssigkristall (2), das durch die Rillen in einen vorbestimmten Zustand ausgerichtet ist, und eine Steuereinrichtung (4, 5; 15) zum Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls.

2. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter Rechteckquerschnitt hat (Fig. IA; Fig. 2A).

3. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter Dreieckoder Sägezahnquerschnitt hat (Fig. IB; Fig. 2B; Fig. 9).

4. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter sinusförmigen Querschnitt hat (Fig. IC; Fig. 2C).

-2- DE 5213

5. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter ein asymmetrisches Beugungsgitter ist.

6. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (4, 5) zwei Elektroden (4, 4') aufweist, zwischen die das Flüssigkristall (2) eingefügt ist, um dessen Ausrichtung durch ein elektrisches Feld zu steuern.

10

7. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristall (2) ein nematisches Flüssigkristall mit positiver Dielektrizität ist.

15

8. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristall (2) ein paradielektrisches Flüssigkristall ist.

9. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung mindestens ein Heizelement (15) zum Steuern der Ausrichtung des Flüssigkristalls (2) durch Wärme aufweist.

__

10. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprü-25

ehe 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter aus einem lichtdurchlässigen Isolator (1; I¹) gebildet ist.

11. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter eine lichtdurchlässige Elektrode (4¹) aufweist.

35

12. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgit-

-3-ter eine Reflexionsfläche aufweist.

DE 5213

13. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung, gekennzeichnet durch zwei lichtdurchlässige Substrate (3), ein zwischen den Substraten oder an mindestens einem der Substrate ausgebildetes Beugungsgitter, ein in die feinen Rillen des Beugungsgitters eingefügtes Flüssigkristall (2) und eine Steuereinrichtung (4, 5; 15) zum Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls, wobei eine Höhe T (in um) und eine Teilung P (in um) des Beugungsgitters sowie die Differenz η zwischen einem außergewöhnlichen Brechungsindex η_θ und einem gewöhnlichen Brechungsindex Uq des Flüssigkristalls den folgenden Bedingungen für eine Wellenlänge zwischen 350 nm und 800 nm genügen:

0,2 e^n # T =c 7,0

0,8 * P

10

14. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (4, 5) zwei lichtdurchlässige Elektroden (4) aufweist, zwischen die das Flüssigkristall (2) eingefügt ist, um die Ausrichtung desselben durch ein elektrisches Feld zu steuern.

15. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter Rechteckquerschnitt hat und daß im wesentlichen folgende Bedingung eingehalten ist:

0,2 =4η·Τ «= 1,0

16. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter Dreieckquerschnitt hat und daß im wesentlichen folgende Bedingung eingehalten ist:

1,3 ^Δη Τ α 7,0

<ί -4- DE 5213

,'* ι

17. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung, gekennzeichnet durch zwei lichtdurchlässige Substrate (3), ein zwischen den Substraten oder an mindestens einem der Substrate ausgebildetes Beugungsgitter, das eine Vielzahl von in einer vorbestimmten Teilung (P) angeordneten geneigten Flächen hat, deren Projektionsfläche bei der Projektion des Beugungsgitters auf das Substrat mindestens 50% der gesamten Projektionsfläche einnimmt, ein in die feinen Rillen des Beugungsgitters eingefügtes Flüssigkristall (2) und zwei lichtdurchlässige Elektroden (4), zwischen die das Flüssigkristall eingeschichtet ist (Fig.

^! 12).

18. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristall (2) ein nematisches Flüssigkristall mit positiver Dielektrizität ist.

19. Flüssigkristal l-Liehtmodulationsvorrichtung, ge-

kennzeichnet durch zwei lichtdurchlässige Substrate (3), ein zwischen den Substraten oder an mindestens einem der Substrate ausgebildetes Beugungsgitter, ein in die feinen Rillen des Beugungsgitters eingefügtes Flüssigkristall (2), das durch die Rillen in einen vorbestimmten Zustand ausgerichtet ist, eine Steuereinrichtung (4, 5; 15) zum Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls und eine Lichtsperrvorrichtung (29) zum Durchlassen von Signallicht und Sperren von Licht ohne Signalinhalt, die in Berührung mit oder nahe an dem Substrat an der Lichtaustrittsseite angeordnet ist.

30

35

20. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (4, 5) zwei lichtdurchlässige Elektroden (4) aufweist, zwischen die das Flüssigkristall (2) eingeschichtet ist.

-5- DE 5213 >

21. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsperrvorrichtung (29) eine Vielzahl von Lichtwellenleitern aufweist, die mit ihrer Längsrichtung in der Richtung der Abgabe des

,- Signallichts angeordnet sind (Fig. 18).

22. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsperrvorrichtung (29) eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten Lichtdurchlaßelementen (291) und Lichtabsorptionselementen (292) aufweist (Fig. 19).

23. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsperrvorrichtung

(29) eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten Licht-X ο

durchlaßelementen (291) und Lichtstreuelementen (292)

aufweist (Fig. 19). ^