DE3535391C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung ist z. B. für optische Anzeige, Lichtkopplung, optische Aufzeichnung und Licht-Nachrichtenverbindung geeignet.

Bei einer bekannten Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung wird der Flüssigkristall (wie z. B. ein nematischer 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 im statischen Zustand, bei dem zwischen den Elektroden kein elektrisches Feld errichtet ist, ein Lichtstrom die orthogonalen Polarisierplatten passieren kann, während dann, wenn zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld errichtet ist, der Flüssigkristall in der Richtung des elektrischen Felds senkrecht zu den Ebenen der Elektroden ausgerichtet wird und der Lichtstrom somit nicht durch die Austritt-Polarisierplatte treten kann. 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, der sich homogen ausrichtet. Diese Vorrichtung wird üblicherweise als Lichtschalter verwendet. Bei Errichten eines elektrischen Felds ändert sich die Ausrichtung des Flüssigkristalls und damit der Brechungsindex derart, daß das unter einem bestimmten Winkel auf die Substratebene der Vorrichtung einfallende Licht an der Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall und der Elektrode total reflektiert oder vollständig durchgelassen wird.

In der japanischen Patentveröffentlichung 53-3928 ist eine Lichtmodulationsvorrichtung offenbart, deren Flüssigkristall 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 Flüssigkristalls derart gesteuert wird, daß die Brechungsbedingung für einfallendes Licht verändert wird. Bei dieser Vorrichtung wird die Lichtinterferenz an dem Beugungsgitter genutzt und durch Färbungsmodulation eine klare Farbe erzielt. Durch Nutzung der Wellenlängen-Selektivität des Beugungsgitters können verschiedenartige Modulationen erreicht werden.

Bei den herkömmlichen Lichtmodulationsvorrichtungen einschließlich der in der japanischen Patentveröffentlichung 53-3928 offenbarten Lichtmodulationsvorrichtung wird der Flüssigkristall nach dem herkömmlichen Reibeverfahren oder durch schräges Aufdampfen von SiO₂ 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 Polarisationsplatten der Lichtwirkungsgrad niedrig und das Kontrastverhältnis gering ist. Daher besitzt die Zelle keine zufriedenstellenden Eigenschaften für eine Anzeigevorrichtung.

Weiterhin ist aus der DE 29 31 293 eine Flüssigkristallanzeige bekannt, auf deren beiden Substratplatten jeweils ein Elektrodenbelag sowie eine Orientierungsschicht aufgebracht sind. In diese Orientierungsschichten sind Rillen eingebracht, die eine Orientierung des Flüssigkristalls sicherstellen sollen. Die Dicke der Orientierungsschichten ist sehr gering, so daß keine Beugungseffekte auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, die schnell anspricht, hohen Lichtwirkungsgrad besitzt und stabil arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung besitzen somit der Flüssigkristallabschnitt und das Beugungsgitter im wesentlichen dieselbe Höhe, so daß sichergestellt ist, daß eine sehr gute Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle allein aufgrund des Beugungsgitters erfolgt, ohne daß zusätzliche Orientierungsbehandlungen wie etwa eine Schrägbedampfungstechnik oder ein Reibevorgang eingesetzt werden müssen. Die erfindungsgemäße Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung besitzt rasches Ansprechverhalten und einen sehr guten Wirkungsgrad bezüglich der Lichtausnutzung bei hohem Kontrastverhältnis und guter Störlichtfreiheit und ist kompakt aufgebaut.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Flüssigkristall durch die feinen Rillen des Beugungsgitters ausgerichtet. Infolgedessen ist die Ausrichtung des Flüssigkristalls sehr exakt und regelmäßiger bzw. gleichmäßiger als die durch das herkömmliche Reibeverfahren oder das schräge Aufdampfen erzielbare. Durch Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls kann der Brechungsindex des Flüssigkristalls für das einfallende Licht so geändert werden, daß die Eigenschaften des durch die Rillen und den Flüssigkristall in den Rillen gebildeten Phasen-Beugungsgitters verändert werden und das einfallende Licht somit auf unterschiedlichste Weise moduliert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Aufbau und die Funktion der Vorrichtung ist durch die Form des zwischen den Substraten ausgebildeten Beugungsgitters, nämlich durch dessen rechteckige, dreieckige, sinusförmige oder asymmetrische Form bzw. Querschnittsform, durch die Abmessungen des Beugungsgitters wie etwa die Teilung des Gitters, die Tiefe der Rillen, die Breite der Rillen und die Dicke der Flüssigkristallschicht sowie durch die Eigenschaften des Flüssigkristalls bestimmt. Die Formen und Abmessungen des Beugungsgitters sollen so festgelegt werden, daß der Flüssigkristall regelmäßig in die vorbestimmte Richtung ausgerichtet wird und als Beugungsgitter wirkt. Als Beugungsgitter kann ein Phasen-Beugungsgitter oder ein Reflexions-Beugungsgitter gewählt werden.

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

Fig. 1A bis 1C zeigen jeweils die grundlegende Gestaltung einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 2A und 2B veranschaulichen das Grundprinzip der Modulation.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung in einer anderen Anwendung, bei der das Licht schräg aufgestrahlt wird, um das Intensitätsverhältnis von in nullter Ordnung gebeugtem Licht zu in erster Ordnung gebeugtem Licht zu steuern.

Fig. 4 zeigt einen Bereich für eine Teilung P eines Beugungsgitters und einen Lichteinfallwinkel R, die erforderlich sind, wenn die Lichtmodulationsvorrichtung nach Fig. 3 nur das in der nullten Ordnung und das in der ersten Ordnung gebeugte Licht abgeben soll.

Fig. 5A bis 5H veranschaulichen die Herstellung der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung gemäß der Gestaltung nach Fig. 3.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung, bei der ein Sägezahn- Beugungsgitter verwendet ist.

Fig. 7A bis 7C zeigen Spektraldurchlaßkennlinien für Cyan, Magenta und Gelb bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung mit der Gestaltung nach Fig. 3 als Farbfilter.

Fig. 8A bis 8F veranschaulichen die Herstellung einer Lichtmodulationsvorrichtung mit den in Fig. 7 gezeigten Kennlinien.

Fig. 9A und 9B veranschaulichen die Bedingungen für das Formen eines Beugungsgitters in einer Lichtmodulationsvorrichtung mit flacher Spektraldurchlaßkennlinie.

Fig. 10A bis 10E veranschaulichen die Herstellung der Lichtmodulationsvorrichtung, die die flache Spektraldurchlaßkennlinie hat und die ein Dreieck-Beugungsgitter aufweist.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung zum Messen des spektralen Durchlaßgrades der in Fig. 10 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 12 zeigt die Abhängigkeit der Brechungsindizes des Flüssigkristalls und des Substrats der in Fig. 10 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung von der Wellenlänge.

Fig. 13 zeigt für die in Fig. 10 gezeigte Lichtmodulationsvorrichtung die spektrale Durchlässigkeit von in nullter Ordnung durchgelassenem Licht sowie theoretische und experimentelle Werte bei dem Durchlassen bzw. Sperren des Lichts.

Fig. 14 zeigt eine Substratmatrize für die Massenherstellung der Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 15A und 15B zeigen eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einer Lichtsperrvorrichtung zum Sperren von in höherer Ordnung gebeugtem Licht.

Fig. 16 zeigt eine Lichtsperrvorrichtung zum Sperren von in höherer Ordnung gebeugtem Licht mit Lichtabsorptionselementen oder Lichtstreuelementen.

Fig. 17A bis 17E veranschaulichen die Herstellung einer Lichtmodulationsvorrichtung, die gemäß Fig. 15A aufgebaut ist und die als Lichtsperrvorrichtung zum Sperren von in höherer Ordnung gebeugtem Licht Lichtwellenleiter aufweist.

Fig. 18A bis 18E veranschaulichen die Herstellung einer Lichtmodulationsvorrichtung, die gemäß Fig. 15A aufgebaut ist und die als Lichtsperrvorrichtung zum Sperren von in höherer Ordnung gebeugtem Licht Lichtwellenleiter aufweist.

Fig. 19 zeigt eine Anordnung zum Messen der Eigenschaften der in den Fig. 17 und 18 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtungen.

Fig. 20 zeigt ein anderes, in der Lichtmodulationsvorrichtung verwendetes Sägezahn- Beugungsgitter.

Fig. 21 zeigt die Temperaturkennlinien von gewöhnlichen Brechungsindizes und außergewöhnlichen Brechungsindizes des durch das Beugungsgitter der Lichtmodulationsvorrichtung ausgerichteten Flüssigkristalls bzw. des nach einem herkömmlichen Ausrichtungsverfahren ausgerichteten Flüssigkristalls.

Fig. 22 veranschaulicht die Formung einer Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 23A und 23B zeigen eine als Lichtschalterzeile ausgebildete erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 24A und 24B zeigen eine als Modulationsvorrichtung mit Lichtschaltfunktion ausgebildete erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 25A und 25B zeigen eine gemäß Fig. 24B gestaltete, durch ein elektrisches Feld gesteuerte Lichtmodulationsvorrichtung und deren Funktion.

Fig. 26 veranschaulicht die Formung der in Fig. 25 gezeigte Lichtmodulationsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt die grundlegende Gestaltung einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung. Mit 1 sind lichtdurchlässige Isolatoren, mit 2 ein Flüssigkristall und mit 3 lichtdurchlässige Substrate bezeichnet. Bei der in Fig. 1A gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung sind die lichtdurchlässigen Substrate 3 einander gegenübergesetzt, während in dem Zwischenraum zwischen den Substraten 3 abwechselnd die lichtdurchlässigen Isolatoren 1 und der Flüssigkristall 2 angeordnet sind, um ein Beugungsgitter zu bilden. Dies stellt den grundlegenden Aufbau der Lichtmodulationsvorrichtung dar. Nach Fig. 1B haben 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 der 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 lichtdurchlässigen Isolatoren 1 angebracht und mit den Elektrodenfilmen verbundene Zuleitungsdrähte an eine Strom- bzw. Spannungsquelle angeschlossen.

In Fig. 1 ist mit T die Dicke bzw. Höhe des in der Vorrichtung ausgebildeten Beugungsgitters bezeichnet, während mit P die Teilung des Beugungsgitters bezeichnet ist. Diese Abmessungen haben die Größenordnung von µm. Das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte Beugungsgitter muß sowohl das einfallende Licht beugen als auch den Flüssigkristall ausrichten, so daß es den folgenden Bedingungen genügen sollte:

Allgemein hängt die Beugung des durch das Beugungsgitter modulierten bzw. veränderten Lichtstroms für einen vorgegebenen Einfallwinkel in starkem Ausmaß von der Wellenlänge des Lichts ab. Die beschriebene Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung ist für Licht einer beliebigen Wellenlänge anwendbar, und zwar unabhängig davon, ob es monochromatisches Licht oder weißes Licht ist. Es sei nun angenommen, daß die Vorrichtung als Anzeigevorrichtung oder Lichtschalter verwendet wird und das Licht eine Wellenlänge λ₀ im Bereich 350 nm ≦ λ₀ ≦ 800 nm hat. Zur Angabe der Eigenschaften des Beugungsgitters wird ein Parameter Δ nT definiert, wobei Δ n die Differenz zwischen einem gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex n₀ und einem außergewöhnlichen bzw. anormalen Brechungsindex n _e des Flüssigkristalls und T die Höhe bzw. Dicke des Beugungsgitters bezeichnen. Zum wirkungsvollen Modulieren des Lichts mit der Wellenlänge in dem vorstehend genannten Bereich ist es erforderlich, daß bei dem Gitter mit dem Rechteckquerschnitt die Bedingung 0,2 ≦ Δ nT ≦ 1 (µm) und bei dem Gitter mit dem Dreieckquerschnitt die Bedingung 1,3 ≦ Δ nT ≦ 7,0 (µm) 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 ≦ Δ nT ≦ 7,0 (µm) einzuhalten. Innerhalb dieses Bereichs wird der Flüssigkristall genügend ausgerichtet. Wenn beispielsweise der Flüssigkristall die Differenz Δ n = 0,3 hat, wird die Höhe bzw. Dicke T des Beugungsgitters so gewählt, daß die Bedingung 0,7 ≦ T ≦ 22 (µm) 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 des Flüssigkristalls durch das Beugungsgitter und insbesondere durch die die Vertiefungen des Gitters bildenden Flächen gelten für die Teilung P als obere Grenze 10 µm und als untere Grenze die Wellenlänge, die verwendet wird, um eine normale Beugung sicherzustellen. Daher gilt für die Teilung P die Bedingung λ₀ ≦ P ≦ 10 (µm). Für den Wellenlängenbereich 350 nm < λ₀ < 800 nm muß die Teilung P die Bedingung 0,8 µm ≦ P ≦ 10 µm 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 hervorgerufenen Beugung des Lichts nur von der Wellenlänge λ₀ des einfallenden Lichts und von der Teilung P des Gitters abhängt, ist es möglich, für das unter einem Normalwinkel einfallende 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 wird, wird eine Lichtabschirmung mit einer Blendenöffnung verwendet; wenn die Vorrichtung ein eindimensionale Anordnung bzw. Zeile eingesetzt wird, wird eine Lichtabschirmung mit einer Schlitzöffnung verwendet; wenn die Vorrichtung als zweidimensionale Anordnung zur Sichtanzeige eingesetzt wird, wird eine Vorrichtung zum Anpassen von Eingangs/Ausgangsstufen verwendet; auf diese Weise wird das durch das Beugungslicht höherer Ordnung verursachte Problem gelöst.

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.

Der 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 n _e und dem gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex n₀ für das einfallende Licht, nämlich mit einer großen Brechungsindex-Differenz Δ n. Es kann jedoch auch paradielektrisches Flüssigkristall verwendet werden. Der 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 steht, während der 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 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 einer Spannungsquelle zwischen den lichtdurchlässigen Elektroden ein elektrisches Feld errichtet wird, so daß der auf das einfallende Licht wirkende Brechungsindex verändert wird.

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

Bei einem statischen Zustand, bei dem zwischen Elektroden 4 kein elektrisches Feld errichtet ist, ist der Flüssigkristall 2 in der Richtung der Beugungsgitterrillen 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. anormalen Brechungsindex n _e ist. Falls ein Brechungsindex n _g des Isolators 1′, eine Wellenlänge λ₀ des einfallenden Lichts 6 und eine Tiefe bzw. Höhe T der Rillen des Beugungsgitters der Gleichung

(n _e - n _g) · T = λ₀/2 (1)

genügen, wird gemäß Fig. 2A das einfallende Licht 6 zu dem Beugungslicht 7 höherer Ordnung, während kein Durchlaßlicht 8 nullter Ordnung erzeugt wird.

Wenn ein vorbestimmtes Feld zwischen den Elektroden 4 errichtet wird, wird der Flüssigkristall 2 in der Richtung des elektrischen Felds, nämlich senkrecht zur Ebene der Elektroden 4 ausgerichtet, wobei sich der effektive bzw. an dem einfallenden Licht 6 wirkende Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 auf den gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex n₀ ändert. Falls die Gleichung

n₀ = n _g (2)

erfüllt ist, tritt das einfallende Licht 6 ohne Beugung durch, so daß es zu dem in nullter Ordnung gebeugten Durchlaßlicht 8 wird.

Gemäß der Erläuterung anhand der Fig. 2 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 _e = n _g, (3)

(n _g - n₀) × T = λ₀/2. (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 der Elektroden 4 bzw. 4 und 4′ einnimmt, kann jedoch das 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.

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 µm, wobei die Teilung entsprechend dem Anwendungsfall festgelegt wird, während das zu nutzende Beugungslicht höherer Ordnung sowie der Winkelabstand zu dem Beugungslicht nullter Ordnung berücksichtigt werden. Die Dicke bzw. Höhe T des Beugungsgitters beträgt üblicherweise 1,0 bis 2,0 µm und wird auf geeignete Weise entsprechend dem Anwendungsfall festgelegt.

Es werden nun die Herstellung der in Fig. 1A gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung und die Bestimmung der Leistungsfähigkeit der auf diese Weise hergestellten 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 gezeigten Vorrichtung lichtdurchlässige Elektrodenfilme aufgebracht.

Es wurde Corning Glas 7059 (Corning Glass Co., mit einem Brechungsindex 1,544 bei λ = 632,8 nm) auf die Abmessungen 25 × 25 × 1 mm³ zugeschnitten, wonach die beiden Oberflächen der Platte auf eine Einheit innerhalb einiger weniger Newtonringe poliert wurden, die Platte mit Ultraschall mittels Methanol, Triquelen (Trichlorethylen, Trilen), Aceton oder reinem Wasser gewaschen wurde, mit Stickstoffgas getrocknet wurde und in Stickstoffatomosphäre bei 120°C über 20 min gebrannt wurde. Auf die Glassubstrate wurden Messingmasken zum Bilden von Streifen mit 5 mm Teilung aufgelegt und durch Ionenplattierung ITO-Filme in einer Dicke von 100 nm geformt. Auf 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 (λ₀ = 632,8 nm) und einen Schicht- bzw. Flächenwiderstand von 180 Ohm je Flächeneinheit. Die He-Ne-Laserstrahlen wurden senkrecht auf die Ebene des MgF₂-Films gerichtet, wobei eine geringe Reflexion beobachtet wurde. Auf den ITO-Film wurde nach einem Hochfrequenz-Aufsprühverfahren eine Schicht aus Dampfablagerungs-Glas (Schott-Glas 8329) in einer Dicke von 1,7 µm 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 µm zu bilden. Dann wurde mit dem Fotolackfilm eine Belichtungsmaske mit einem Gittermuster mit 4 µm Teilung in Berührung gebracht 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 aufgedampfte Glasfilm wurde nach einem Ar-Ionenätzverfahren zu einem Gitter geätzt, wonach dann der Fotolackfilm in einem Fotolackentferner gelöst wurde, um in dem ITO-Film Glasgitterrillen zu formen.

Mit dem auf diese Weise erzeugten Glassubstrat mit den Glasgitterrillen wurde ein weiteres Glassubstrat mit einem ITO-Film unter Gegenübersetzung ihrer Elektrodenflächen in Berührung gebracht und in die Glasgitterrillen Flüssigkristall RO-TN 601 mit positiver Dielektrizität eingefüllt (von Roche; n₀ = 1,503, n _e = 1,699). Danach wurden Zuleitungsdrähte angeschlossen und mit einer Spannungsquelle verbunden.

Auf die auf diese Weise hergestellte Lichtmodulationsvorrichtung 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 n _e, wobei der größte Teil 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. Der Flüssigkristall wurde dadurch in der Richtung des elektrischen Felds ausgerichtet und der Brechungsindex des Flüssigkristalls für die Laserstrahlen zu dem gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex n₀, wobei der größte Teil des einfallenden Lichts, bei dem die Gleichung (2) erfüllt war, zu dem Durchlaßlicht bzw. Beugungslicht nullter Ordnung wurde. Das Verhältnis des Durchlaßlichts nullter Ordnung zu dem einfallenden Licht war im statischen Zustand geringer als 1% und bei dem Anlegen des elektrischen Felds 90%. Infolgedessen wurden ein Nutzungswirkungsgrad der Lichtstrahlen von 90% und ein Kontrastverhältnis von mehr als 90 erreicht.

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

Nach Fig. 3 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 Verhältnis der Lichtintensitäten des Beugungslichts veränderbar ist. In Fig. 6 ist mit R der Einfallwinkel des Einfallichts 6 bezeichnet, während die anderen Bezugszeichen die gleichen Elemente wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bezeichnen.

Wenn das Licht auf das Beugungsgitter unter dem Einfallwinkel R einfällt, wird durch das Ändern des Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 der Modulationsgrad Δ nT des durch den Flüssigkristall 2 und die lichtdurchlässigen Isolatoren 1 gebildeten Beugungsgitters gesteuert, so daß die Lichtintensität des Beugungslichts 8 nullter Ordnung eingestellt wird. Da sich auch die Lichtintensitäten des Beugungslichts 7 höherer Ordnung dementsprechend ändern, ist es möglich, das Verhältnis der Lichtintensitäten des 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 werden:

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; λ₀ ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts, T ist die Dicke des Beugungsgitters, P ist die Teilung des Beugungsgitters, n _g ist der Brechungsindex des lichtdurchlässigen Isolators 1, n _e ist als außergewöhnlicher bzw. anormaler Brechungsindex der obere Grenzwert des steuerbaren Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 und n₀ ist als gewöhnlicher bzw. normaler Brechungsindex der untere Grenzwert des steuerbaren Brechungsindex.

Falls gleichzeitig die Bedingungen gemäß allen drei Gleichungen erfüllt sind, wird nur das Beugungslicht nullter Ordnung und erster Ordnung abgegeben. Fig. 4 zeigt einen Bereich der Teilung P sowie des Einfallwinkels R, 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.

n _g = n₀, (8)

(n _e - n _g) · T = λ₀/2, (9)

n _g = n _e, (10)

(n _g - n₀) · T = λ₀/2. (11)

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. 3 gezeigten Beugungsgitter und die Bestimmung der Leistungsfähigkeit der auf diese Weise erzeugten Vorrichtung erläutert.

Die Fig. 5 veranschaulicht die Herstellung dieser Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung. Mit 12 ist eine kammförmige lichtdurchlässige Elektrode bezeichnet, mit 13 sind Masseelektroden bezeichnet und mit 14 sind 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, 25 × 25 × 1 mm³) 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 120°C über 20 min gebrannt. Danach wurde auf die Glasplatte durch Ionenplattierung ein ITO-Film in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Der ITO-Film hatte einen Schicht- bzw. Flächenwiderstand von 20 Ohm je Flächeneinheit und eine Durchlässigkeit von mehr als 80% für Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 400 bis 900 nm. Der ITO-Film 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 µm aufgebracht und durch Schleuderbeschichtung Negativ-Fotolack RD-2000N (von Hitachi) aufgeschichtet, um einen Fotolackfilm mit einer Dicke von 2 µm zu bilden. Nach einem Vorbrennen bei 140°C über 20 min wurde durch eine Maske hindurch mit Ultraviolettlicht belichtet, wodurch ein reliefförmiges Fotolackgitter mit einer Teilung von 1 µm gebildet wurde. Dann wurde nach einem Ionenfräsverfahren bzw. Ionenabtrageverfahren der Fotolack-Gitterfilm auf eine Tiefe von 1,46 µm geätzt, wodurch das in Fig. 5C bzw. 5D gezeigte Substrat gebildet wurde.

Dann wurde zum Erzeugen des Gegensubstrats auf gleichartige Weise an einer Tempax-Glasplatte die kammförmige Elektrode aus ITO-Film gemäß Fig. 5E geformt, wonach die beiden Substrate derart unter Gegenübersetzung der lichtdurchlässigen Elektrodenflächen aneinandergesetzt wurden, daß die Richtung der Rillen des Beugungsgitters orthogonal zu der Richtung der kammförmigen Elektrode war; danach wurde Flüssigkristall eingefüllt und dicht abgeschlossen. Der Flüssigkristall war nematisches Flüssigkristall ZLI1285 (von Merck) mit positiver Dielektrizität. Abschließend wurden Zuleitungsdrähte mit den durchsichtigen Elektroden verbunden und an eine Spannungsquelle angeschlossen.

Es wird nun ein Verfahren zum Errichten eines elektrischen Felds für das Steuern der Ausrichtung des Flüssigkristalls 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 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 der Flüssigkristall 2 längs der Rillen ausgerichtet wird. Wenn an die Feldelektrode 14 keine Spannung angelegt wird, wird ein zu der Elektrodenebene senkrechtes elektrisches Feld erzeugt, so daß der Flüssigkristall 2 in der zur Ebene des Beugungsgitters senkrechten Richtung ausgerichtet wird.

Auf die Lichtmodulationsvorrichtung nach Fig. 5G wurden unter einem Einfallwinkel R = 24° Halbleiter-Laserstrahlen (λ₀ = 820 nm) gerichtet, die linear in der Richtung der Rillen des Beugungsgitters polarisiert waren; es wurde eine Rechteck-Wechselspannung mit 30 V_{Spitze-Spitze} und 10 kHz 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 erster Ordnung auf das Beugungslicht nullter Ordnung 0,5 ms betragen hat. Der Lichtstrom-Nutzungsfaktor war höher als 80%, während das Kontrastverhältnis 100 erreicht wurde.

Ein Substrat, bei dem die in Fig. 5 gezeigte kammförmige Elektrode durch eine plane Elektrode ersetzt war, und ein Substrat mit einem Beugungsgitter wurden zu einer Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung zusammengebaut, in die paradielektrisches Flüssigkristall eingefüllt wurde; die Vorrichtung wurde auf einer Temperatur von 60°C gehalten; unter einem Einfallwinkel von 24° wurden He-Ne-Laserstrahlen (λ₀ = 632,8 nm) aufgestrahlt, die linear in der Richtung der Rillen des 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 80%, das Kontrastverhältnis war 100 und die Ansprechzeit bei dem Umschalten zwischen dem Beugungslicht nullter Ordnung und dem Beugungslicht erster Ordnung war 20 µs.

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

Fig. 6 zeigt eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung mit einem Sägezahn- oder Rampengitter. Die gleichen Elemente wie die in Fig. 5 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. 6 ist ein Sägezahn- bzw. Rampenwinkel oder Fußwinkel α 62,5° und das einfallende Licht wird linear in der 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 V_{Spitze-Spitze} und 10 kHz angelegt. 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 80% und das Kontrastverhältnis war 100.

Die Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtungen gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind Durchlaß-Vorrichtungen, obgleich sie auch als Reflexions- Vorrichtungen eingesetzt werden können. Eine Flüssig­ 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 Reflexionsvermögen verwendet oder ein zusätzlicher Reflexionsfilm gebildet wird. Infolgedessen können durch Wahl der Art der Vorrichtung (Durchlaßvorrichtung oder Reflexionsvorrichtung) sowie der Formen und Abmessungen des Beugungsgitters verschiedene Lichtmodulationsvorrichtungen hergestellt werden, die in verschiedenen Geräten beispielsweise als Lichtschalter für ein Flüssigkristall-Druckwerk, als Flüssigkristall-Sichtvorrichtung zur Direktbetrachtung oder zur Projektion oder als Lichtteilervorrichtung, Lichtablenkvorrichtung oder Lichtschalter zur Lichtnachrichtenverbindung verwendet werden können.

Wenn das Beugungsgitter Dreieckform hat, wird die Gleichung (1) durch folgende Gleichung ersetzt:

(n _e - n _g) · T = λ₀. (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 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.

Wenn ein Farbfilterelement nach dem Stand der Technik benutzt wird, sind für jedes Bildelement drei Farbbildzellen erforderlich, wobei ferner drei Sätze von Fotoaufnahmevorrichtungen, Leuchtvorrichtungen oder 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 Lichtmodulationsvorrichtung erläutert. Ein Phasen-Beugungsgitter ist normalerweise 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 l 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 Ordnung durch einfallendes Licht mit einer Wellenlänge hervorgerufen, die folgender Gleichung genügt:

Δ n · T = (m + 1/2) × λ₀ (m = 0, 1, 2, . . .), (12)

wobei Δ n die Differenz zwischen den Brechungsindizes im Beugungsgitter, nämlich die Differenz zwischen den Brechungsindizes der beiden das Gitter bildenden Materialien ist und λ₀ 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 Durchlässigkeit für das Durchlaßlicht nullter Ordnung um λ₀ herum gering ist.

Die linke Seite der Gleichung (12), nämlich das Produkt Δ nT aus der Differenz zwischen den Brechungsindizes in dem Beugungsgitter und der Dicke ist als Gittermodulationsindex definiert. T ist konstant, während dagegen Δ n dadurch veränderbar ist, daß die Ausrichtung des Flüssigkristalls geändert wird bzw. die Brechungsindizes geändert werden. Infolgedessen ist die Spektraldurchlaßkennlinie für das einfallende Licht steuerbar.

Wenn die erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung als Farbfilter eingesetzt wird, ist ein bestimmter Winkelabstand zwischen dem Durchlaß 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 Teilung P üblicherweise nicht größer als 10 µm und die Dicke T nicht geringer als 1,5 µm. Außer durch die Parameter in der Gleichung (1), nämlich die Brechungsindex-Differenz Δ n und die Dicke T des Beugungsgitters wird die Spektralcharakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Breiten l und S der Materialien des Gitters beeinflußt. Das Verhältnis l/S beträgt vorzugsweise 3/7 bis 5/5, wobei l die Breite des Materials mit dem höheren Brechungsindex ist und S die Breite des Materials mit dem niedrigeren Brechungsindex ist. Durch das Wählen des Verhältnisses l/S in diesem Bereich kann ein Farbfilter mit den in Fig. 7 gezeigten Spektraldurchlaßkennlinien gebildet werden.

Fig. 7 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 Leistungsfähigkeit der Lichtmodulationsvorrichtung mit den in Fig. 7 gezeigten Kennlinien erläutert.

Fig. 8 veranschaulicht die Herstellung dieser Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung. Die gleichen Elemente wie die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die beiden Seiten einer Glasplatte aus Corning Glas 7059 (Corning Glass Co.; 50 × 50 × 2 mm³) 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 120°C über 20 min gebrannt. Dann wurde nach einem Ionenplattierungsverfahren auf der Glasplatte ein ITO-Film in der Dicke von 100 nm gebildet. Der ITO-Film hatte einen Flächenwiderstand von 20 Ohm je Flächeneinheit und eine Durchlässigkeit von mehr als 80% für Wellenlängen zwischen 380 und 780 nm. Der ITO-Film wurde in die Form der in Fig. 11A gezeigten Elektrode 4 geätzt. Dann wurde nach einem Hochfrequenz-Aufsprühverfahren ein SiO₂-Film mit einer Dicke von 3 µm aufgebracht und durch Schleuderbeschichtung Negativ-Fotolack RD-2000N (von Hitachi) aufgeschichtet, um einen Fotolackfilm mit einer Dicke von 1,5 µm zu bilden. Nach einem Vorbrennen bei 140°C 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 µm gebildet wurde. Danach wurde nach einem reaktiven Ionenätzverfahren unter Verwendung eines CF₄-O₂-Gasgemisches der SiO₂-Film auf eine Tiefe von 2,4 µm geätzt. Das auf diese Weise erzeugte Substrat ist in Fig. 8C bzw. 8D gezeigt.

Mit dem gleichen Corningglas 7059 wurde ein Gegensubstrat hergestellt, das gemäß Fig. 8A gestaltet war. Die beiden Substrate wurden unter Gegenübersetzung der lichtdurchlässigen Elektroden 4 angeordnet, wonach der Flüssigkristall 2 dazwischengefüllt wurde und dichtend abgeschlossen wurde. Der verwendete Flüssigkristall 2 war der 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. 8 gezeigte Anordnung aufzubauen.

Auf die in Fig. 8F gezeigte Anordnung wurde senkrecht weißes Licht aufgestrahlt, das in der Richtung der Rillen des Gitters, nämlich senkrecht zur Zeichnungsebene polarisiert war. Im statischen Zustand stimmten die Ausrichtung des Flüssigkristalls 2 und die Polarisierrichtung des weißen Lichts miteinander überein, so daß für das weiße Licht der außergewöhnliche bzw. anormale Brechungsindex n _e gültig war. Die Brechungsindex- Differenz n und die Dicke T des Gitters haben der Gleichung (12) bei der Wellenlänge λ₀ = 550 nm entsprochen, so daß gemäß der Darstellung durch die Kurve in Fig. 7A die spektrale Verteilung des Durchlaßlichts nullter Ordnung die Farbe Magenta ergab. Dann wurde eine Spannung mit 4 V_{Spitze-Spitze} und 1 kHz an die lichtdurchlässigen Elektroden angelegt. Dabei wurde die Gleichung (12) bei der Wellenlänge λ₀ = 450 nm erfüllt, so daß sich die in Fig. 7B gezeigte Spektralkennlinie des Durchlaßlichts nullter Ordnung für "Gelb" ergab. Danach wurde eine Spannung mit 8 V_{Spitze-Spitze} angelegt. Dabei war die Gleichung (12) für die Wellenlänge λ₀ = 640 nm erfüllt, so daß sich die in Fig. 7C gezeigte Spektralkennlinie des Durchlaßlichts nullter Ordnung für "Cyan" ergab.

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

Ein Farbfilter für Rot, Grün und Blau kann dadurch erzeugt werden, daß ein Flüssigkristall mit einer größeren Brechungsindexdifferenz zwischen dem außergewöhnlichen bzw. anormalen Brechungsindex n _e und dem gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindex n₀ verwendet wird.

Durch das Verwenden der erfindungsgemäßen Flüssigkri­ stall-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 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, nämlich eine im wesentlichen von der Wellenlänge unabhängige Durchlässigkeit hat.

In Fig. 9 sind die Bedingungen für das Formen eines Beugungsgitters in einer Lichtmodulationsvorrichtung mit flacher Spektraldurchlaßkennlinie veranschaulicht. Die Fig. 9A zeigt eine Vorrichtung, die mit einem elektrischen Feld gesteuert wird, während die Fig. 9B eine Vorrichtung zeigt, die mit Wärme gesteuert wird. Die gleichen Elemente wie die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen 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 einer Teilung des Gitters bei der Projektion auf die Ebene des Beugungsgitters bzw. auf die Substratebene bezeichnet.

Nach Fig. 9A ist in dem lichtdurchlässigen Substrat 3 ein Beugungsgitter mit sockelförmigem Querschnitt ausgebildet, über dessen Oberfläche die lichtdurchlässige Elektrode 4′ ausgebildet ist; zwischen die Elektrode 4′ und die gegenübergesetzte flache lichtdurchlässige Elektrode 4 ist der Flüssigkristall 2 eingefüllt. Durch ein zwischen den Elektroden 4 und 4′ errichtetes elektrisches Feld wird die Ausrichtung des Flüssigkristalls 2 verändert, so daß der Brechungsindex gesteuert wird. Fig. 9B zeigt eine Lichtmodulationsvorrichtung, bei der der Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 durch Wärme 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. 9A und 9B gezeigten Lichtmodulationsvorrichtungen erfüllt die Projektionslänge für eine Teilung der Rillen des Beugungsgitters, nämlich die Projektionslänge a + a′ bzw. a′′ der Schrägseite für die Teilung P jeweils die Bedingung

Falls die Projektionsfläche der Schrägseiten des Beugungsgitters nicht mehr als 50% der gesamten Projektionsfläche des Beugungsgitters beträgt, wird der Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 gesteuert, wodurch das Beugungslicht unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts gesteuert werden kann.

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

Es werden nun das Herstellen einer Lichtmodulationsvorrichtung mit einem Beugungsgitter mit Dreieckquerschnitt und die Bestimmung der spektralen Durchlässigkeit der auf diese Weise hergestellten Vorrichtung erläutert.

Fig. 10 veranschaulicht die Herstellung der Lichtmodulationsvorrichtung 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 10 × 10 mm² gemäß Fig. 13A mittels einer Strichreißmaschine ein Dreieckquerschnitt- Gitter mit einer Teilung von 6 µm und einer Tiefe von 6 µm erzeugt wurde. Danach wurde gemäß Fig. 10C bzw. 10D über dem Gitterbereich und dem anderen Bereich in Bandform ein ITO-Film 4′ in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Es wurde ein gleichartiges lichtdurchlässiges ABS-Substrat 3 ohne das Gitter hergestellt, auf den in Form eines Bands ein ITO-Film 4 aufgebracht wurde; in dem Bereich außerhalb des Gitterbereichs wurden Teflon- Abstandshalter 10 mit einer Dicke von 1 µm aufgesetzt, wonach die beiden Substrate 3 unter Gegenübersetzung der ITO-Filme 4 und 4′ zusammengesetzt wurden und in den Zwischenraum der nematische Flüssigkristall 2 eingefüllt wurde, um damit die Vorrichtung gemäß Fig. 10E fertigzustellen. Es werden nun das Verfahren zum Ermitteln der spektralen Durchlässigkeit der Lichtmodulationsvorrichtung nach Fig. 10 sowie die Ermittlungsergebnisse beschrieben.

Fig. 11 veranschaulicht ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Lichtmodulationsvorrichtung 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 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. Durch das Ein- und Ausschalten der Spannungsquelle 5 wird das auf das Beugungsgitter der Lichtmodulationsvorrichtung 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 der Flüssigkristall in der Richtung der Rillen des Gitters ausgerichtet, so daß für das einfallende Licht der außergewöhnliche bzw. anormale Brechungsindex n _e des Flüssigkristalls zur Wirkung kommt. Wenn zwischen den Elektroden 4 und 4′ ein bestimmtes elektrisches Feld errichtet wird, wird der 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 n₀ des Flüssigkristalls wirksam. Ein Beugungswirkungsgrad η₀ für das Beugungslicht nullter Ordnung ergibt sich zu

wobei λ₀ die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, n _g der Brechungsindex des lichtdurchlässigen Substrats 3 mit der Beugungsgitterstruktur ist, T die Höhe des Beugungsgitters ist und Δ n = |n _e - n _g | oder Δ n = |n₀ - n _g | gilt. Gemäß Gleichung (13) ergibt sich η₀ = 1, wenn Δ n = 0 gilt, und η₀ = 0, wenn Δ nT = m λ₀ gilt (m = 1, 2, 3, . . .).

Fig. 12 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit der Brechungsindizes des Flüssigkristalls E7 (BDH) und des lichtdurchlässigen ABS-Substrats 3, die in der Lichtmodulationsvorrichtung 19 verwendet werden. Eine Kurve 23 zeigt den anormalen Brechungsindex n _e des Flüssigkristalls 2, eine Kurve 24 zeigt den normalen Brechungsindex n₀ des Flüssigkristalls 2 und eine Kurve 25 zeigt den Brechungsindex n _g des Substrats 3. Gemäß der Darstellung sind der normale Brechungsindex n₀ des Flüssigkristalls 2 und der Brechungsindex n _g des Substrats 3 im wesentlichen gleich.

Fig. 13 zeigt Spektraldurchlaßkennlinien für das Durchlaßlicht nullter Ordnung bei dieser Lichtmodulationsvorrichtung. 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 Lichts dargestellt sind. Die theoretischen Werte sind aus der Gleichung (13) ermittelt, während die Meßwerte mit der in Fig. 11 gezeigten optischen Anordnung erzielt wurden. Die Differenz zwischen den theoretischen Werten und den Meßwerten ist in erster Linie auf die Endreflexion 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. 13 hat das beschriebene optische System keine 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 80% ist. Wenn eine Rechteckspannung mit 15 V Effektivwert und 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 Massenproduktion 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 10 × 10 mm² einer hochglanzpolierten Al-Platte mit 50 × 25 × 5 mm³ 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. Abtrennungsöl aufgedampft wird, auf welchem ein ITO-Film in einer Dicke von 100 nm gebildet wird. Dann werden die Matrize und eine Platte aus Corningglas 7059 (Corning glass Co.; 50 × 25 × 2 mm³) an die beiden Seiten eines hitzehärtbaren Harzes angebracht, das Epoxyharz sowie Diethyl-Aminopropylamin als Härtungsmittel enthält; dann wird dieser Stapel in Vakuum getrocknet und über eine Stunde auf 60°C erwärmt, um das Harz auszuhärten. Nach dem Erwärmen wird die Matrize bei Raumtemperatur von der Glasplatte abgenommen, um damit das Glassubstrat herzustellen, das in Fig. 14 gezeigt ist, in der mit 28 das Epoxyharz bezeichnet ist. Die Lichtmodulationsvorrichtung wird unter Verwendung des mit dem Beugungsgitter versehenen Glassubstrats gemäß Fig. 14 auf gleichartige Weise wie diejenige gemäß dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel hergestellt.

Die vorangehend beschriebene Matrize wird zum Formen des Dreieck-Beugungsgitters verwendet. Nach dem gleichen Verfahren können Matrizen für Beugungsgitter mit Rechteckquerschnitt, sinusförmigem Querschnitt, Sockelquerschnitt oder asymmetrischem Querschnitt erzeugt werden.

Es wird nun eine Anwendung der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung erläutert. 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 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 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.

Eine nachstehend beschriebene Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung ist so ausgelegt, daß zum Verbessern des Nutzsignal/Störsignal-Verhältnisses das durch das signalfreie Beugungslicht bzw. das Beugungslicht ohne Signalinhalt verursachte Problem gelöst ist.

Fig. 15 zeigt eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung mit einer Beugungslicht-Sperrvorrichtung. Die gleichen Elemente wie die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Mit 29 ist die Beugungslicht-Sperrvorrichtung bezeichnet.

In der Lichtmodulationsvorrichtung gemäß Fig. 15A ist an der Oberfläche des in dem lichtdurchlässigen Substrat 3 ausgebildeten Beugungsgitters die lichtdurchlässige Elektrode 4′ ausgebildet, während der 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 über die plane lichtdurchlässige Elektrode 4 zugeführt wird.

In der in Fig. 15B gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung ist der 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, das mit dem 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. Brechungsindex-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 Vorrichtung angeschlossen, um die Abmessungen der Vorrichtung zu verringern.

Ein Lichtstrom, der senkrecht auf den Lichtwellenleiter auftrifft oder unter einem Einfallwinkel auftrifft, der 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 Lichtabsorptionselements 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 verwendet werden.

Fig. 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Beugungslicht-Sperrvorrichtung mit Lichtabsorptionselementen oder Lichtstreuelementen. Mit 291 sind Lichtdurchlaßelemente bezeichnet, mit 292 sind Lichtabsorptions- oder Lichtstreuelemente bezeichnet, mit d ist die Dicke bezeichnet, mit γ ist ein Aperturdurchmesser bezeichnet und mit R ist ein Einfallwinkel bei dem Einfall von Beugungslicht in die Sperrvorrichtung in Luft bezeichnet. Das durchzulassende Beugungslicht mit der bestimmten Ordnung trifft auf die Sperrvorrichtung unter dem Winkel R = 0° auf. Die Bedingungen, die für das Sperren des anderen Beugungslichts durch die Sperrvorrichtung einzuhalten sind, sind durch folgende Gleichung gegeben:

wobei R _min ein minimaler Winkel zwischen dem Beugungslicht der vorbestimmten Ordnung und dem zu sperrenden anderen Beugungslicht ist und n _a 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 γ werden vorzugsweise so gewählt, daß sie den Solleigenschaften der Vorrichtung entsprechen.

Wenn der Lichtstrom auf die Sperrvorrichtung unter einem Einfallwinkel gerichtet wird, größer als R _min ist, wird das einfallende Licht von den Lichtstreuelementen 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 R _min einfallende Beugungslicht der vorbestimmten Ordnung durch die Sperrvorrichtung durchgelassen und aus dieser abgegeben.

Fig. 17 veranschaulicht die Herstellung einer Lichtmodulationsvorrichtung, die gemäß Fig. 15A aufgebaut ist und die Lichtsperrvorrichtung mit den Lichtwellenleitern hat. Gleiche Elemente wie die in Fig. 15A gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Eine Faserplatte aus Fasern mit einem jeweiligen Kerndurchmesser von 25 µm 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. 17A bzw. 17B mit den Abmessungen 50 × 25 × 2 mm³ 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; danach 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 µm, eine Gittertiefe bzw. Höhe T von 2,26 µm und Querschnitte in Form gleichschenkeliger Dreiecke. Dann wurde auf dem Beugungsgitterbereich und einem weiteren Bereich in Form eines Bands der ITO-Film 4′ in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Danach wurde auf eine lichtdurchlässige Glasplatte mit 50 × 25 × 1 mm³ als Substrat 3 bandförmig der ITO-Film 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 der nematische Flüssigkristall 2 mit der positiven Dielektrizität eingefüllt wurde, um die in Fig. 17E gezeigte Vorrichtung zu bilden.

Fig. 18 veranschaulicht die Herstellung einer Lichtmodulationsvorrichtung, die gemäß der Darstellung in Fig. 15 aufgebaut ist und die eine Beugungslicht-Sperrvorrichtung mit Lichtabsorptionselementen hat. Gleiche Elemente wie die in Fig. 17 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 und der Abschnitt poliert wurde, um daraus die in Fig. 18A bzw. 18B gezeigte Lichtsperrplatte 29 als Substrat mit den Abmessungen 50 × 25 × 3 mm³ zu bilden. Danach wurde auf einem 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 µm und eine Gittertiefe bzw. Höhe T von 2,26 µm, wobei die Richtung der Rillen des Beugungsgitters mit der Richtung der gestapelten Kunststoffplatten der Lichtsperrplatte zusammenfiel. Danach wurde gemäß Fig. 18C bzw. 18D an dem Beugungsgitterbereich und einem weiteren Bereich der ITO-Film 4′ bandförmig in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wurde auf gleichartige Weise auf eine andere lichtdurchlässige Glasplatte 3 mit den Abmessungen 50 × 25 × 1 mm³ der ITO-Film 4 aufgedampft, wonach diese beiden Substrate 3 unter Gegenübersetzung der ITO-Filme 4 und 4′ mittels eines als Abstandshalter dienenden Klebemittels zusammengeklebt wurden und zwischen die Substrate der nematische Flüssigkristall 2 mit der positiven Dielektrizität eingefüllt wurde, um damit die in Fig. 18E gezeigte Vorrichtung zu bilden.

Es wird nun die Ermittlung der Eigenschaften der in den Fig. 17E sowie 18E gezeigten Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtungen erläutert.

Fig. 19 zeigt einen Meßaufbau für das Messen der Eigenschaften der in den Fig. 17E und 18E gezeigten Lichtmodulationsvorrichtungen. Gleiche Elemente wie die in Fig. 11 gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

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. 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 der Flüssigkristall in der Richtung der Rillen des Beugungsgitters der Lichtmodulationsvorrichtung ausgerichtet, so daß an dem einfallenden Licht der außergewöhnliche bzw. anormale Brechungsindex n _e des Flüssigkristalls zur Wirkung kommt. Durch das Errichten des elektrischen Felds wird der Flüssigkristall in der Richtung des elektrischen Felds, nämlich senkrecht zu der Substratebene ausgerichtet, so daß an dem einfallenden Licht der gewöhnliche bzw. normale Brechungsindex n₀ des Flüssigkristalls einwirkt. Der Beugungswirkungsgrad η₀ für das durchgelassene Beugungslicht nullter Ordnung ist bei den Beugungsgittern mit den Querschnitten in der Form gleichschenkeliger Dreiecke durch die Gleichung (13) gegeben, in welcher λ₀ die Wellenlänge des einfallenden Lichts, n _g der Brechungsindex des mit dem Beugungsgitter versehenen lichtdurchlässigen Harzes und T die Tiefe bzw. Höhe des Gitters ist. Der Maximalwert von Δ n ist |n _e - n _g | oder |n₀ - n _g |. Aus der Gleichung (13) ergibt sich bei Δ n = 0, nämlich dann, wenn der anormale Brechungsindex n _e des Flüssigkristalls gleich dem Brechungsindex n _g des lichtdurchlässigen Harzes ist, der Wirkungsgrad η₀ = 1, so daß das einfallende Licht vollständig als Durchlaß- Beugungslicht nullter Ordnung abgegeben wird. Wenn Δ nT = m · λ₀ mit m = 1, 2, 3, . . . gilt, ergibt sich der Wirkungsgrad η₀ = 0, so daß kein Durchlaß-Beugungslicht nullter Ordnung abgegeben und das einfallende Licht vollständig als Beugungslicht höherer Ordnung abgestrahlt wird.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 17 und 18 wird der nematische Flüssigkristall RO-TN200 (Roche) mit positiver Dielektrizität und mit den Brechungsindizes n _e = 1,81 und n₀ = 1,53 bei der Wellenlänge 633 nm eingesetzt, 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 n _g gleich dem Brechungsindex des Flüssigkristalls bei anliegendem elektrischen Feld ist, nämlich gleich dem normalen Brechungsindex n₀ ist. Daher ergibt sich aus der Gleichung (13) der Wirkungsgrad η₀ = 1. Wenn kein elektrisches Feld anliegt, ergibt sich gemäß Gleichung (13) bei dem Einsetzen von Δ n = |n _e - n _g | der Wirkungsgrad η₀ = 0. Daher wird das Beugungslicht höherer Ordnung abgegeben, wobei das der Richtung des Lichts nullter Ordnung nahe Beugungslicht nullter Ordnung ± 1 einen Austrittswinkel von 19,8° in Luft in bezug auf die Richtung des Lichts nullter Ordnung hat.

Die Lichtmodulationsvorrichtungen gemäß den Fig. 17 und 18 wurden in den in Fig. 19 gezeigten Meßaufbau eingesetzt, wobei eine Rechteckspannung mit der Frequenz 1 kHz und der effektiven Spannung 15 V 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 80%.

Die Fig. 20 zeigt eine Abwandlung des in der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung verwendeten Beugungsgitters. Mit P ist die Teilung der Rillen des Gitters, mit α ein Neigungswinkel und mit T die Höhe bzw. Tiefe des Gitters bezeichnet. Das Gitter entspricht dem in Fig. 6 gezeigten Beugungsgitter mit Sägezahnquerschnitt (Vorzugsrichtungsgitter, blazed diffraction grating), wobei P = 5,0 µm, α = 66° und T = 11,2 µm gilt.

Dieses Sägezahn-Beugungsgitter wurde in der in Fig. 17 gezeigten Vorrichtung verwendet und auf die gleiche Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel geformt, wonach gleichartige Messungen unter Verwendung 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 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. 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 Beugungslicht dritter Ordnung abgestrahlt, während das Beugungslicht nullter Ordnung abgefangen wurde. Die Meßergebnisse bei der Verwendung des Beugungslichts dritter Ordnung als Modulationslicht waren denjenigen bei den vorangehend beschriebenen beiden Ausführungsbeispielen gleichartig.

Das vorstehend beschriebene Sägezahn-Beugungsgitter wurde bei der in Fig. 18 gezeigten Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung verwendet, die als Lichtsperrvorrichtung die Absorptionselemente hat. Es werden nun die Herstellung dieser Lichtmodulationsvorrichtung und die Meßergebnisse hierfür erläutert.

Die Lichtmodulationsvorrichtung mit dem in Fig. 20 gezeigten Sägezahn- bzw. Rampengitter wurde folgendermaßen hergestellt: Auf einem lichtdurchlässigen Glassubstrat mit den Abmessungen 50 × 25 × 1 mm³ wurde auf die gleiche Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das Beugungsgitter gebildet, wonach auf den Beugungsgitterbereich und einen weiteren Bereich ein ITO- Film aufgedampft wurde. Auf einem weiteren lichtdurchlässigen Glassubstrat wurde gleichfalls an einem vorbestimmten Bereich ein ITO-Film gebildet. Die beiden Substrate wurden unter Gegenübersetzung der als Elektroden 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.

Bei dem in Fig. 20 gezeigten Sägezahn-Beugungsgitter kann das Austritts-Beugungslicht derart gesteuert werden, daß es nur das Beugungslicht nullter Ordnung und Beugungslicht einer vorbestimmten höheren Ordnung enthält. Durch Ein- und Ausschalten des elektrischen Felds wechselt die Energie zwischen dem Beugungslicht der beiden 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 beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde bei dem statischen Zustand kein Durchlaßlicht nullter Ordnung abgegeben, während das gesamte Beugungslicht das Licht dritter Ordnung war. Der Austrittswinkel in Luft war in bezug auf die Richtung des Lichts nullter Ordnung 28,7°. Bei angelegtem elektrischem Feld war der Brechungsindex des Gittermaterials bzw. lichtdurchlässigen Harzes gleich dem normalen Brechungsindex des Flüssigkristalls, so daß das gesamte austretende Licht das Beugungslicht nullter Ordnung war.

Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete wabenförmige Platte hatte die Abmessungen d = 1,5 mm und γ = 0,5 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 vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Dann wurde ein 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 Beugungslicht 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 (Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis). Bei diesen Ausführungsbeispielen sind die Lichtmodulationsvorrichtung und die Lichtsperrvorrichtung zu einer Einheit zusammengebaut, obgleich dies nicht wesentlich ist. Wenn die Vorrichtungen zu einer Einheit zusammengefaßt sind, können sie als einzelner Bauteil hergestellt werden, welcher als Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung sehr zweckdienlich ist.

Es werden nun weitere Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung erläutert. Beispielsweise können auf den an den lichtdurchlässigen Substraten ausgebildeten gegenüberliegenden lichtdurchlässigen Elektroden - jeweils in Schichten die lichtdurchlässigen Isolatoren - aufgebracht werden, wobei in einem der lichtdurchlässigen Isolatoren eine Beugungsgitterstruktur ausgebildet und zwischen die Isolatoren der Flüssigkristall eingefügt ist. 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 Polarisierrichtung des einfallenden Lichts - mit der Ausrichtung des Flüssigkristalls - überein, so daß für das einfallende Licht der effektive Brechungsindex des Flüssigkristalls - der außergewöhnliche bzw. anormale Brechungsindex n _e ist. Falls der Brechungsindex n _t der Elektroden, der Brechungsindex n _g der Isolatoren und der anormale Brechungsindex n _e des Flüssigkristalls einander gleich sind, wird das einfallende Licht vollständig als Durchlaßlicht abgegeben. Wenn zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld errichtet wird, wird der Flüssigkristall in der Richtung des elektrischen Felds ausgerichtet. Dabei ändert sich der Brechungsindex des Flüssigkristalls zwischen dem anormalen Brechungsindex n _e und dem normalen Brechungsindex n₀, so daß das einfallende Licht in Reflexionslicht, Durchlaßlicht und Beugungslicht höherer Ordnung aufgeteilt wird. Wenn schließlich das anliegende elektrische Feld einen vorbestimmten Wert erreicht, wird der Flüssigkristall in der Richtung des elektrischen Felds, nämlich senkrecht zu der Elektrodenebene ausgerichtet, so daß der Brechungsindex des Flüssigkristalls für das einfallende Licht zu dem normalen Brechungsindex n₀ wird. Falls das einfallende Licht unter einem Einfallwinkel R _i aufgestrahlt wird und die Bedingungen gemäß der Gleichung

sin R _i < n₀/n _g (15)

erfüllt sind, wird das einfallende Licht an der Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall und dem lichtdurchlässigen Isolator total reflektiert, so daß gemäß nur das Reflexionslicht 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 Δ n des Flüssigkristalls sowie die Temperaturstabilität verbessert werden. Fig. 21 zeigt die Temperaturkennlinien von Brechungsindizes _e und ₀ des mittels des Beugungsgitters ausgerichteten Flüssigkristalls sowie der Brechungsindizes n _e und n₀ des nach dem herkömmlichen Verfahren ausgerichteten Flüssigkristalls. Auf der Abszisse ist die Temperatur T aufgetragen, während auf der Ordinate der Brechungsindex n aufgetragen ist. Gemäß Fig. 21 ergibt sich bei den gewöhnlichen bzw. normalen Brechungsindizes ₀ und n₀ nur eine geringe Änderung, während sich der anormale bzw. außergewöhnliche Brechungsindex _e weitaus stärker als der Brechungsindex n _e ändert, wobei die Temperaturstabilität hervorragend ist.

Es werden nun die Herstellung einer solchen erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung sowie die Ermittlung der Eigenschaften der Vorrichtung beschrieben. Fig. 22 ist eine perspektivische Ansicht der Lichtmodulationsvorrichtung. Mit G ist ein Beugungsgitter-Bereich bezeichnet.

SF4-Glas (von Kohara Optical Glass Seisakusho, mit dem Brechungsindex 1,75 für die Wellenlänge 632,8 nm) wurde zu einem in Fig. 22 gezeigten Hexaeder zugeschnitten, dessen untere Fläche und dessen beide Seitenflächen auf 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 120°C über 20 min gebrannt, wonach an der unteren Fläche des Hexaeders in einer Vakuumvorrichtung durch Ionenplattierung ein ITO-Film in einer Dicke von 100 nm aufgebracht wurde. Der ITO-Film hatte einen Flächenwiderstand von 18 Ohm 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-Film der Positiv-Fotolack Microposit 1350 (von Shipley) aufgebracht, der über 20 min bei 90°C 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 (λ = 325 nm) eine Interferenzbelichtung vorgenommen, so daß an der Mitte der Elektrode ein Beugungsgitter aus dem Fotolack mit einer Teilung von 0,5 µm gebildet wurde. Dann wurde der ITO-Film 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 Beugungsgitter ausgebildet wurde.

Es wurden zwei derartige Glas-Hexaeder hergestellt; die Beugungsgitter-Elektrodenflächen wurden einander gegenübergesetzt, wobei die Richtungen der Rillen der Beugungsgitter miteinander ausgerichtet wurden; zwischen die Flächen wurde Flüssigkristall RO-TN701 (Roche) mit positiver Dielektrizität eingefüllt. Der Abstand der Flächen wurde durch Mylar-Abstandshalter auf 5 µm eingestellt. Die Nenn-Brechungsindizes des Flüssigkristalls RO-TN701 sind der normale Brechungsindex n₀ = 1,498 und der anormale Brechungsindex n _e = 1,648. Der durch das Beugungsgitter ausgerichtete Flüssigkristall zeigte die Werte n₀ = 1,49 und n _e = 1,75. Infolgedessen wurde die Brechungsindex-Differenz Δ n (= n _e - n₀) verbessert, wobei die Temperaturstabilität hervorragend war.

Um die in Fig. 22 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 Vorrichtung 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 90%. 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 90%.

Zum Messen der Schaltansprechzeit wurde eine Stufenspannung von 10 V angelegt, wobei die Zeit bis zum Erreichen von 90% eines Ausgangssättigungswerts gemessen wurde. Die Zeit war 1,0 ms. Dann wurde die Spannung abgeschaltet und die Abfallzeit gemessen. Die Abfallzeit war 1,5 ms.

Fig. 23 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. 23 gezeigten Lichtschalterzeile erläutert. Aus SF6-Glas (von Kahara Optical Glass Seisakusho, Brechungsindex 1,80 für die Wellenlänge 632,8 nm) wurden 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 Ionenplattierungsverfahren ein bandförmiges ITO-Filmmuster gemäß Fig. 23A gebildet, während an dem anderen Halbzylinder ein planparalleler ITO-Film ausgebildet wurde. Der Abstand der bandförmigen ITO-Filmelektroden 41 betrug 40 µm, wobei die ITO-Filme 4 und 41 den Brechungsindex 1,80 und den Flächenwiderstand 18 Ohm je Flächeneinheit hatten. Auf den Rückflächen der beiden Halbzylinder wurden nach dem Elektronenstrahl-Aufdampfungsverfahren MgF₂-Filme in einer Dicke von 114,6 nm ausgebildet. Auf den MgF₂-Film wurde senkrecht weißes Licht aufgestrahlt, wobei an der Fläche eine geringe Reflexion auftrat.

Das Beugungsgitter wurde auf der ITO-Filmelektrode gemäß Fig. 23A auf die g 13255 00070 552 001000280000000200012000285911314400040 0002003535391 00004 13136leiche Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die Glashalbzylinder wurden einander unter Gegenübersetzung der Beugungsgitter-Bereiche G gegenübergesetzt und mit ihren Mittelachsen ausgerichtet, wonach zwischen die Halbzylinder der Flüssigkristall ZLI1285 (von Merk) mit positiver Dielektrizität eingefüllt wurde. Die Dicke der Flüssigkristallschicht wurde mit Mylar-Abstandshaltern auf 5 µm 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. 23B gezeigte Lichtschalterzeile fertigzustellen. Das Licht 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 derart zufriedenstellend, daß die Lichtschalterzeile in einem Drucker eingesetzt werden kann.

Fig. 24 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung, bei dem die Vorrichtung Lichtschaltfunktion hat.

In der in Fig. 24A gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung sind an einem einzelnen lichtdurchlässigen Substrat drei 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. 24B gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung sind Schrägflächen beider Substrate 3 feiner aufgeteilt. Die beiden Substrate 3 haben eine Vielzahl von Dreieckstrukturen, auf die die lichtdurchlässigen Elektroden 4 aufgedampft sind, zwischen die der Flüssigkristall 2 eingefügt ist. Der Neigungswinkel der Dreiecke wird näherungsweise dadurch bestimmt, daß die aus dem Snellius-Brechungsgesetz abgeleiteten Bedingungen für die Totalreflexion berücksichtigt werden.

Fig. 25 zeigt eine durch ein elektrisches Feld steuerbare Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung und deren Funktion. Der grundlegende Aufbau ist demjenigen der Vorrichtung nach Fig. 24B gleichartig, jedoch ist auf der lichtdurchlässigen Elektrode 4 zusätzlich der lichtdurchlässige Isolator 1 ausgebildet, wobei der 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, Al₂O₃ oder TiO₂ bestehen und das lichtdurchlässige Substrat 3 kann aus optischem Glas oder optischem Kunststoff bestehen.

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. 25 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. 29 gezeigte Sägezahn- bzw. Dreieckfläche wird durch ein Reibeverfahren oder schräges Aufdampfen bearbeitet, so daß der 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 mit der Ausrichtung des Flüssigkristalls 2, nämlich der Richtung der Rillen der Dreieckfläche zusammen, so daß der für das einfallende Licht wirksame Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 der anormale Brechungsindex n _e ist. Falls die Brechungsindizes des Substrats 3, der Elektrode 4 und des Isolators 1 gleich dem anormalen Brechungsindex n _e 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 der Flüssigkristall 2 zu der Richtung des elektrischen Felds hin ausgerichtet; wenn das elektrische Feld einen vorbestimmten Wert erreicht, wird der Flüssigkristall 2 in der Richtung des elektrischen Felds parallel zu der Einfallsebene ausgerichtet, wobei der für das einfallende Licht 6 wirksame Brechungsindex des Flüssigkristalls 2 zu dem normalen Brechungsindex n₀ wird. Das einfallende Licht 6 trifft auf den Flüssigkristall 2 unter einem Winkel, der gleich einem Neigungswinkel R der schrägen Flächen ist. Falls die Bedingungen der Gleichung

sin R < n₀/n _g (16)

erfüllt sind, wird gemäß Fig. 25B das einfallende Licht 6 an der Grenzfläche zwischen dem Isolator 1 und dem 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 n _g. Falls die Dicken der Elektrode 4 und des Isolators 1 ausreichend geringer als die Wellenlänge des einfallenden 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 durch den Neigungswinkel der Schrägflächen bestimmt.

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

Nachstehend werden die Herstellung der in Fig. 25 gezeigten Lichtmodulationsvorrichtung sowie die Ermittlung der Eigenschaften der Vorrichtung beschrieben. Fig. 26 ist eine perspektivische Ansicht der Lichtmodulationsvorrichtung.

Die beiden Seiten einer Platte aus LaSFO₃-Glas (Kohara Optical Glass Seisakusho, 20 × 30 × 2 mm³, 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 Stickstoffatmosphäre bei 120°C über 20 min gebrannt. An einer der Seiten wurde mittels einer Teilmaschine bzw. Strichanreißmaschine auf einer Lichteinfallfläche (10 × 10 mm²) eine Fläche aus Sägezahn- bzw. Dreieckprofilen mit einem jeweiligen Scheitelwinkel von 60° und einer Teilung von 0,5 mm ausgebildet, wonach durch Ionenplattierung ein ITO-Film 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-Film wurde zu einem Elektrodenmuster geätzt, wonach außer an einem Elektrodenabnahmebereich durch Schrägaufdampfung nach dem Elektronenstrahl-Aufdampfungsverfahren ein Al₂O₃-Film in einer Tiefe von 100 nm aufgebracht wurde, um den ITO-Film von der Gegenelektrode zu isolieren und den Flüssigkristall auszurichten. An dem Elektrodenabnahmebereich wurde eine Al-Elektrode mit einer Dicke von 500 nm ausgebildet, während an der Rückseite des lichtdurchlässigen Substrats ein Entspiegelungsfilm aus MgF₂ in einer Dicke von 114,6 nm angebracht wurde. Dann wurde aus dem LaSFO₃-Glas ein weiteres Substrat mit gleichartiger Sägezahn- bzw. Dreieckquerschnittfläche hergestellt. Zum Zusammensetzen der beiden in Fig. 25 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 SiO₂-Film mit einer Dicke von 7 µm ausgebildet, der als Abstandshalter diente.

Die beiden Substrate wurden einander unter Gegenübersetzung der Sägezahn- bzw. Dreiecksflächenbereiche (Gitterbereiche) G gegenübergestellt, wonach zwischen die Substrate Flüssigkristall eingefüllt wurde, das dicht eingeschlossen wurde. Der verwendete Flüssigkristall war der Flüssigkristall RO-TN200 mit positiver Dielektrizität (von Roche); n₀ = 1,53 und n _e = 1,80 für λ = 632,8 nm). Abschließend wurden Zuleitungsdrähte mit den Elektroden 4 verbunden und an die Spannungsquelle 5 angeschlossen, um damit die in Fig. 26 gezeigte Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung fertigzustellen.

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-Wechselspannung von 10 V_{Spitze-Spitze} und 1 kHz errichtet wurde, wurde das einfallende Licht total reflektiert, wobei das Verhältnis des Durchlaßlichts zu dem einfallenden Licht geringer als 0,5% war. Hinsichtlich der Lichtquelle besteht keine Einschränkung auf einer Laserquelle, vielmehr kann die Lichtquelle eine Leuchtdiode, eine Halogenlampe oder eine Fluoreszenzlampe sein.

Gemäß der vorangehenden Beschreibung wird bei der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung der 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 Lichtmodulationen zu erreichen. Durch das Ausrichtungsverfahren bei der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung werden die Eigenschaften des Flüssigkristalls im Vergleich zu den herkömmlichen Ausrichtungsverfahren verbessert. Es werden das Ausmaß der gleichmäßigen Ausrichtung des Flüssigkristalls sowie die Differenz Δ n 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-Eigenschaften bei einer Sichtanzeigevorrichtung verbessert. Der Aufbau ist einfach, wobei das Kontrastverhältnis sehr hoch ist.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele können verschiedene Funktionen dadurch erreicht werden, daß die Formen und Dimensionen des Beugungsgitters verändert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl als Reflexionsvorrichtung als auch als Durchlaßvorrichtung eingesetzt werden, während das verwendete Licht in Abhängigkeit von den Anwendungszwecken 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.

Die Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung enthält ein Paar Substrate, von denen mindestens eines lichtdurchlässig ist, ein zwischen den Substraten oder an mindestens einem der Substrate ausgebildetes Beugungsgitter, einen in feine Rillen des Beugungsgitters eingefügten Flüssigkristall und eine Steuereinrichtung für das Ändern der Ausrichtung des Flüssigkristalls, der durch die Rillen des Beugungsgitters in einen vorbestimmten Zustand ausgerichtet wurde.

Claims (7)

1. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung mit zwei Substraten, einem auf zumindest einem der Substrate ausgebildeten Beugungsgitter mit abwechselnd angeordneten feinen Rillenabschnitten und vorspringenden Abschnitten, einem in die Rillenabschnitte des Beugungsgitters eingefüllten Flüssigkristallbetrieb und einer Steuereinrichtung zum Steuern des Orientierungszustands der Flüssigkristallmoleküle, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Flüssigkristallbereichs bezüglich des Beugungsgitters derart festgelegt ist, daß sich der Flüssigkristallbereich im wesentlichen nicht über die vorspringenden Abschnitte des Beugungsgitters hinaus erstreckt.

2. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Querschnittsform des Beugungsgitters trapezförmig ist.

3. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate auf ihrem dem Flüssigkristallbereich zugewandten Seiten transparente Elektroden tragen, wobei zur Veränderung des Orientierungszustands der Flüssigkristallmoleküle des Flüssigkristallbereichs ein elektrisches Feld durch Anlegen von Spannung zwischen die Substrate erzeugbar ist.

4. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristallbereich einem nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie enthält.

5. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lichtführungseinrichtung zum selektiven Übertragen des Beugungslicht nullter Ordnung aus den das Beugungsgitter passierenden Lichtanteilen.

6. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Flüssigkristallbereichs und der Brechungsindex des Beugungsgitters gleich groß sind, wenn die Orientierungsrichtung des Flüssigkristallbereichs im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche gerichtet ist.

7. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungsrichtung des Flüssigkristallbereichs im wesentlichen mit der Erstreckungsrichtung einer Rille der Rillenabschnitte übereinstimmt.