DE3688448T2 - Elimination von feldinduzierten instabilitäten in elektrooptischen modulatoren. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf die Verhinderung feldinduzierter Instabilitäten bei für den Einsatz in Lichtventilanordnungen bestimmten elektrooptischen Modulatoranordnungen.
• Elektrooptische Materialien sind solche, deren optische Eigenschaften sich in Abhängigkeit von der Stärke eines in ihnen aufgebauten elektrischen Feldes ändern. Derartige Materialien ermöglichen die Schaffung elektrisch gesteuerter elektrooptischer Modulatoranordnungen für den Einsatz in Lichtventilanordnungen.
• Ein häufig als Substrat für elektrooptische Modulatoranordnungen verwendetes bevorzugtes elektrooptisches Material ist zum Beispiel lanthandotiertes Bleizirkonat-Titanat (PLZT). Ohne die Erzeugung eines elektrischen Feldes sind einige Verbindungen von PLZT optisch isotropisch, andere weisen statische Doppelbrechung auf. In beiden Fällen verändert sich die PLZT-Kristallstruktur, wenn durch ein PLZT-Substrat hindurch ein elektrisches Feld einwirkt. Diese Änderung der Kristallstruktur führt zu einer Veränderung der Doppelbrechung. Es bildet sich eine optische Achse aus, die parallel zu den elektrischen Feldlinien verläuft.
• Die Lichtventilanordnung umfaßt eine Modulatoranordnung und einen Analysator. Die Modulatoranordnung weist häufig ein PLZT-Substrat auf, auf dessen Oberflächen eine Vielzahl von Elektroden im Abstand angeordnet sind. Wird eine Spannung parallel an ein Elektrodenpaar angelegt, wird in einem Bereich des PLZT-Substrats, dem sogenannten Pixel-Bereich, ein elektrisches Feld aufgebaut; das PLZT-Substrat wird doppelbrechend und verändert den polarisationszustand einfallenden linear polarisierten Lichts. Wird zwischen orthogonalen Polarisationen (E-Vektoren) von in das doppelbrechende Substrat eintretendem und aus ihm austretendem linear polarisiertem Licht eine Phasenverschiebung um 180º vorgenommen, bezeichnet man die angelegte Spannung als Halbwellenspannung. Wenn das einfallende Licht linear polarisiert ist und der E-Vektor bei 45º zur induzierten optischen Achse liegt, tritt aus dem Substrat linear polarisiertes Licht aus, dessen E-Vektor um 90º relativ zum E-Vektor des einfallenden Lichts gedreht ist. In diesem Fall läßt ein quer zur Polarisationsrichtung des auf das Substrat einfallenden Lichts angeordneter Analysator eine maximale Lichtmenge durch. Leider driftet die Lichtdurchlässigkeit bei Modulatoranordnungen nach dem Betätigen oftmals ab.
• Davidse und Riseman beschreiben in ihrem im IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 9, Nr. 10, März 1967, S. 1383-1384, veröffentlichten Aufsatz einen elektrooptischen Modulator. Das elektrooptische Substrat, nämlich ein KDP-Kristall, ist vollständig in Glas oder Quarz gekapselt, um eine durch Wasserdampf-Feuchtigkeit hervorgerufene Drift des Kristalls zu verhindern.
• Die im Juni 1979 veröffentlichte JP-A-5448262 beschreibt einen Wandler, der vollständig von einem Silikonöl umhüllt ist, um eine Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern. Die für den Betrieb des Geräts erforderlichen Elektroden stehen mit der elektrooptischen Kristallplatte nicht in Berührung.
• Soltoff beschreibt in "Television application of PLZT ceramics" (PLZT-Keramik in der Fernsehtechnik), veröffentlicht in International Broadcast Engineer, Bd. 7, Nr. 137-138, Juni-Juli 1976, S. 18-21, ein als elektrooptische Vorrichtung eingesetztes PLZT-Wafer. Das Feuchtigkeitsproblem wird dabei durch Umhüllung des Plättchens mit einem Elastomer gelöst.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine elektrooptische Modulatoranordnung zu schaffen, bei der die Lichtdurchlässigkeitsdrifts vermindert sind. Zur Verminderung der Drifts bei elektrooptischen Vorrichtungen war es, wie bereits erwähnt, bekannt, das elektrooptische Material mit einer undurchlässigen Schicht zu umhüllen. Ziel dieser Erfindung ist es, eine andere Möglichkeit der Verbesserung der Stabilität eines elektrooptischen Modulators anzugeben.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Endbehandlung eines elektrooptischen Modulators gemäß Anspruch 1.
• Die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 eine perspektivische Schemazeichnung einer Lichtventilanordnung mit einer elektrooptischen Modulatoranordnung und einem Analysator;
• Fig. 2 einen seitlichen Schnitt durch einen Teil der Modulatoranordnung gemäß Fig. 1.
• In Fig. 1 ist eine Lichtventilanordnung mit einer elektrooptischen Modulatoranordnung 10 und einem Analysator 20 gemäß der Erfindung zu erkennen. Die gestrichelte Linie durch den Analysator 20 gibt die Richtung des elektrischen Vektors (E-Vektor) des durch den Analysator 20 hindurchgehenden linear polarisierten Lichts an. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, besitzt die Modulatoranordnung 10 ein Substrat 12, bestehend aus einem elektrooptischen Material, vorzugsweise einem optisch isotropischen PLZT, das seine Doppelbrechung in Abhängigkeit vom Aufbau eines elektrischen Feldes im Substrat ändert. Ein einzelner eingestrahlter Strahl monochromatischen, linear polarisierten Lichts trifft - wie dargestellt - rechtwinklig von links auf die Oberfläche des Substrats 12 auf und tritt rechts in Form mehrerer Strahlen wieder aus. Wie dargestellt, liegt der polarisations- oder E-Vektor des auftreffenden Lichtstrahls senkrecht zur Strahlrichtung des Lichtstrahls. Der eingestrahlte Lichtstrahl kann durch (nicht dargestellte) unterschiedliche, dem Fachmann wohlbekannte Mittel erzeugt werden, wie zum Beispiel einen Laser oder eine Lichtquelle mit einem Polarisator.
• Die Modulatoranordnung 10 besitzt eine Vielzahl von Pixel- Bereichen, die jeweils zwischen benachbarten Elektroden 31a und 31b ausgebildet sind. Durch einen bestimmten Pixel- Bereich der Modulatoranordnung hindurchgehendes linear polarisiertes Licht wird zu einem Lichtstrahl geformt. Die hinter dem Analysator 20 austretenden Lichtstrahlen adressieren jeweils ein Pixel in einem entsprechenden Pixel-Bereich einer (nicht dargestellten) Abbildungszone, wo das Licht fokussiert wird.
• Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, besitzt das Substrat 12 erste und zweite, im wesentlichen parallele Oberflächen 6 bzw. 8. Sämtliche Elektroden sind auf der Oberfläche 6 angeordnet. Die Linien zwischen der Elektrode 31a und der Elektrode 31b stellen elektrische Feldlinien eines Pixel-Bereichs dar. Die Elektroden können alle in das Substrat eingebaut oder, wie dargestellt, in bekannter Weise, zum Beispiel durch Vakuum- Metallbedampfung und Fotolithographie, direkt auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Die Elektroden können grundsätzlich aus jedem geeigneten Material bestehen, jedoch sind Metalle wie Chromgold, Titangold und Chromnickelgold besonders wirkungsvoll.
• Betrachtet man wieder Fig. 2, so ist zu erkennen, daß ein einzelner Pixel-Bereich durch das zwischen einem Paar benachbarter Elektroden 31a, 31b auf der ersten Oberfläche 6 des Substrats 12 angelegte elektrische Feld ausgebildet wird. Hierzu wird eine Spannung an ein Paar Elektroden 31a und 31b angelegt, die das elektrische Feld ausbildet. Vorzugsweise sind die Elektroden eines Pixel-Bereichs so angeordnet, daß diese elektrischen Feldlinien und die damit gebildeten optischen Achsen in Winkeln von 45º relativ zum E-Vektor des auftreffenden polarisierten Lichts und im wesentlichen senkrecht zur Auftreffrichtung dieses empfangenen Lichts ausgerichtet sind. Als Steuerspannung Vin wird vorzugsweise entweder null Volt oder die Halbwellenspannung angelegt.
• Die Information eines Pixel-Bereichs wird durch die Steuerung von Vin moduliert. Wenn an ein Paar Elektroden 31a und 31b keine Spannung (Vin ist gleich null) angelegt wird, verändert sich die Polarisationsebene nicht, und der Analysator 20 sperrt das durch diesen Pixel-Bereich hindurchgehende polarisierte Licht. Ist die Spannung Vin jedoch die Halbwellenspannung, wird das in Fig. 2 dargestellte elektrische Feld aufgebaut. Die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls in einem derartigen Pixel-Bereich wird um 90º verändert, und das Licht passiert den Analysator 20.
• Es hat sich jedoch gezeigt, daß Lichtventilanordnungen nach der Betätigung feldinduzierten Drifts der Lichtdurchlässigkeit unterliegen, die sich von den bekannten photoinduzierten Raumladungsdrifts unterscheiden. Feldinduzierte Drifts treten selbst dann auf, wenn ein Lichtventil mit sehr geringen Lichtstärken betrieben wird. Um stabile Ausgangs-Lichtstärken zu erziehen, werden feldinduzierte Drifts dadurch kompensiert, daß die Amplitude der an die einzelnen Elektrodenpaare angelegten Spannung mit der Zeit verändert wird. Das Problem wird noch dadurch erschwert, daß sich die Durchlässigkeitsdrifts verschiedener Pixel-Bereiche der Modulatoranordnung oftmals zeitlich unterschiedlich verändern und damit noch die Uneinheitlichkeit der Lichtstärken der verschiedenen durch die Lichtventilanordnung hindurchtretenden Lichtstrahlen verstärken. Neben der Drift in der Lichtdurchlässigkeit der einzelnen Pixel-Bereiche bei einer gegebenen angelegten Spannung, erhöht sich die Lichtdurchlässigkeit der einzelnen Pixel-Bereiche auch, wenn die angelegte Spannung null ist wodurch der Lichtventilkontrast verringert wird.
• Erfindungsgemäß ist eine elektrooptische Modulatoranordnung angegeben, bei der auch nach wiederholtem Betrieb der Anordnung keine Veränderung der Amplitude der an die einzelnen Elektrodenpaare der Pixel-Bereiche der Modulatoranordnungen angelegten Spannung erforderlich ist, um die Polarisationsebene (E-Vektor) des einfallenden linear polarisierten Lichts um 90º zu verändern.
• Es wurde nämlich entdeckt, daß die Abweichung in der Veränderung des durch einen Pixel-Bereich hindurchtretenden linear polarisierten Lichts (E-Vektor) aus einem Ladungsaufbau auf einer Oberfläche des Modulatorsubstrats resultiert. Dies bewirkt die feldinduzierte Instabilität. Es wurde ferner entdeckt, daß das Auftreten der Oberflächenladung in direktem Bezug zum Vorhandensein adsorbierten Wassers auf der PLZT-Substratoberfläche steht.
• Erfindungsgemäß wurde eine wasserundurchlässige Schicht 37 auf dem Substrat 12 ausgebildet. Unter "wasserundurchlässig" ist zu verstehen, daß kein Wasser die Oberfläche 6 erreichen kann. Die Schicht wird direkt auf alle Oberflächen des Substrats 12 und auch über den Elektroden 31a und 31b aufgebracht. Die Schicht 37 isoliert die Oberflächen des Substrats 12 gegenüber der Umgebung und verhindert die Adsorption von Wasser und den Aufbau einer Ladung auf der Substratoberfläche 6.
• Wie festgestellt wurde, resultiert die feldinduzierte Instabilität aus dem Aufbau einer Ladung auf der PLZT-Substratoberfläche 6 zwischen den Elektroden 31a und 31b. Auch die anderen Substratoberflächen können eine Ladung erfahren, die eine Instabilität zur Folge haben kann. Vorzugsweise werden alle Flächen beschichtet.
• Durch Austesten, ob eine Oberflächenladung besteht, konnten wir bestätigen, daß die Instabilität eines Lichtventils auf die feldinduzierte Instabilität zurückgeführt werden kann. Hierzu wurde eine Oberfläche eines Pixel-Bereichs des Modulators 10 mit einem Material, das zur Entfernung von Oberflächenladung geeignet ist, zum Beispiel einem mit Alkohol angefeuchteten Lappen, abgewischt. Durch Vergleich des Verhaltens des Lichtventils vor und nach dem Abwischen konnte festgestellt werden, ob auf der betreffenden Oberfläche eine Ladung vorhanden war oder nicht.
• Das Auftreten einer Oberflächenladung steht in direkter Beziehung zum Vorhandensein adsorbierten Wassers auf der PLZT- Oberfläche. PLZT adsorbiert Wasser aus der Atmosphäre, was zum Aufbau einer Ladung führt. Dies kann dadurch nachgewiesen werden, daß man den Teil der Oberfläche 6 des Substrats 12 befeuchtet, der eine Aufladung erfährt. Dadurch erhöht sich die Ladungsstärke auf der Oberfläche 6. Die feldinduzierte Instabilität läßt sich einfach dadurch verhindern, daß man das adsorbierte Wasser von der PLZT-Oberfläche 6 entfernt und die Oberfläche 6 dann mit einer transparenten, wasserundurchlässigen Schicht beschichtet.
• Das adsorbierte Wasser kann in der Weise entfernt werden, daß man eine elektrooptische Modulatoranordnung in eine Kammer mit trockener Stickstoffatmosphäre einbringt und diese auf eine Temperatur über 100ºC erhitzt. Der Modulator bleibt solange in der Kammer, bis das adsorbierte Wasser entfernt ist. Anschließend wird die Beschichtung noch in dieser Stickstoffatmosphäre aufgebracht. Die Schicht 37 kann mit den unterschiedlichsten Techniken ausgebildet werden, zum Beispiel durch Tauchen, Spin-Coating oder Besprühen. Die Schicht 37 ist elektrisch isolierend, transparent, optisch isotropisch und wasserundurchlässig. Um eine Lichtbrechung zu verhindern, sollte sie gleichmäßig dick sein. Ein verwendetes wirksames Material ist zum Beispiel die Akrylbeschichtung #MS-465 der Miller-Stephenson corporation of Danbury, Connecticut, U.S.A. Dieses Material ist hoch isolierend und verhindert, daß Strom durch die Schicht 37 zwischen benachbarten Elektroden fließt.
• Der verbesserte elektrooptische Modulator, mit dem feldinduzierte Instabilitäten verhindert werden, ist mit Vorteil bei einem Lichtventil in einem Drucker einsetzbar, der elektrische Signale in sichtbare Druckbilder umwandelt. Desgleichen ist er für den Einsatz in elektronischen Kopierern und Vervielfältigungsgeräten einsetzbar. Der Modulator bietet den Vorteil, daß er durch feldinduzierte Instabilitäten verursachte Linearitätsfehler der erzeugten Bilder vermeidet.

Claims (5)

1. Verfahren zur Endbehandlung eines elektrooptischen Modulators, der aus elektrooptischem Material und einer mit dessen Oberfläche verbundenen Metallelektroden-Anordnung besteht, um zu verhindern, daß das elektrooptische Material eine feldinduzierte Instabilität hervorrufende Aufladung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Erhitzen der Baugruppe in einer kontrollierten Atmosphäre, um Feuchtigkeit von der elektrodenbestückten Oberfläche abzuführen; und

b) Beschichten von mindestens der elektrodenbestückten Oberfläche mit einer transparenten, wasserundurchlässigen und elektrisch isolierenden Schutzschicht, wobei die Beschichtung in der gleichen kontrollierten Atmosphäre erfolgt wie bei Erhitzung, so daß zwischen Erhitzen und Beschichten keine nennenswerte Feuchtigkeitsmenge auf der Oberfläche adsorbiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Erhitzung als auch die Beschichtung in trockener Stickstoffatmosphäre erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Erhitzen um eine Wärmebehandlung bei einer über 100ºC liegenden Temperatur handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserundurchlässige Schicht eine elektrisch isolierende und transparente Acrylverbindung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Acrylverbindung im wesentlichen isotropisch ist.