DE69430566T2

DE69430566T2 - Lichtmodulator mit dicher Flüssigkristallzelle

Info

Publication number: DE69430566T2
Application number: DE69430566T
Authority: DE
Inventors: Junichi Kita; Junya Kobayashi
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2014-12-23
Also published as: US5670978A; KR950019858A; EP0661583A3; DE69430566D1; CN1056696C; EP0661583B1; CN1116723A; TW366433B; SG47357A1; EP0661583A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator, der eine dicke Flüssigkristall-Zelle (im folgenden auch Flüssigkristall-Dickzelle genannt) verwendet, welche einen ferroelektrischen Flüssigkristall enthält. Lichtmodulatoren werden als Chopper benutzt, um Licht freizugeben und zu sperren (einschließlich sichtbares Licht und infrarotes Licht), und können in fotometrischen Einrichtungen, Gasanalysatoren, Infrarotlichtsensoren, berührungslosen Thermometern, Temperatursensoren für Küchenherde etc. Anwendung finden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es gibt verschiedene Arten von Infrarotlichtsensoren, so etwa vom pyroelektrischen Typ und vom fotoleitenden Typ, bei denen die elektrischen Signale nicht vom Infrarotlicht selbst erzeugt werden können. Zur Messung des Infrarotlichtes und zur Erzeugung der elektrischen Signale in diesen Sensoren sollte das Infrarotlicht zerhackt oder moduliert werden.
Bei den herkömmlichen Flüssigkristall-Zellen werden mehrere Typen unterschieden, zu denen Zellen vom refraktiven Typ, vom dynamisch streuenden Typ, vom lichtstreuenden Typ etc. gehören. Der refraktive Typ benutzt ein Paar Polarisationsplatten und ist vertreten durch die verdrillt nematische (TN-)Flüssigkristall-Zelle, welche einen nematischen Flüssigkristall verwendet. Der dynamisch streuende Typ verwendet ebenfalls Flüssigkristalle mit nematischer Struktur. Der lichtstreuende Typ nutzt den Phasenübergang zwischen der cholesterischen und der nematischen Phase aus.
Wenn langweiliges Licht (so etwa infrarotes Licht) durch eine Flüssigkristall- Zelle vom refraktiven Typ hindurchtritt, muss die Zelle dick sein, korrespondierend zur Wellenlänge, um die Polarität des Lichts richtig zu drehen, was zu einer sehr schlechten Ansprechempfindlichkeit auf Wechselspannungspulse führt. Beim dynamisch streuenden Typ muss die Ansteuerungsspannung vermindert werden, um die Streueffizienz zu verbessern, was ebenfalls zu einer schlechten Ansprechempfindlichkeit führt. Weiter ist beim lichtstreuenden Typ die Auflösungsgeschwindigkeit der Helixstruktur der Fliassigkristallmoleküle in der cholesterischen Phase so klein, dass die Ansprechempfindlichkeit ebenfalls niedrig ist.
Andererseits erwartet man von den ferroelektrischen Flüssigkristallen breite Anwendungsmöglichkeiten, so z. B. für Display- oder Anzeigefelder, Lichtmodulatoren etc., weil sie eine hohe Ansprechempfindlichkeit gegenüber Änderungen des elektrischen Feldes haben. Es gibt zwei Arten von Lichtmodulatoren, welche ferroelektrische Flüssigkristalle verwenden: einen dünnzelligen Typ und einen dickzelligen Typ. Bei den Flüssigkristall-Zellen vom dünnzelligen Typ liegt der Zellenspalt in der Größenordnung von einigen um. Sie weisen ein Paar Polarisationsplatten auf und nutzen die Doppelbrechung des darin enthaltenen Flüssigkristalls aus. Wegen der Transmissionsverluste in den zwei Polarisationsplatten ist die Durchlässigkeit oder der Transmissionsgrad der Flüssigkristall-Zellen vom dünnzelligen Typ unvermeidlich kleiner als 50%. Bei diesen Zellen ist ferner nachteilig, dass die Modulationseffizienz (welche definiert ist durch den Unterschied im Transmissionsgrad zwischen dem transparenten Zustand und dem lichtstreuenden oder undurchlässigen Zustand) mit kleiner werdendem Brechungsindex bei größeren Wellenlängen abnimmt (d. h. im infraroten Bereich), weil sie die Doppelbrechung nutzen, wie die TN-Zelle.
Die Flüssigkristall-Zellen vom dickzelligen Typ weisen einen Zellenspalt in der Größenordnung von 50 bis einigen 100 um auf und zeigen gute Streueigenschaften, weil sie das Phänomen der Übergangsstreuung ausnutzen, was ihre Verwendung in Lichtmodulatoren erlaubt. Die Übergangsstreuung der Flüssigkristall-Zellen vom dickzelligen Typ nutzt die Rückstreuung des Primärlichts infolge der Unordnung in der Flüssigkristall-Molekülanordnung in der smektischen C-Phase, wenn die Polarität der Ansteuerspannung umgekehrt wird (Offenlegungsschriften der japanischen Patentanmeldungen Nr. S60-195521, Nr. S60-254120 und S61-260227). Da keine Polarisationsplatten benötigt werden, sind niedrige Herstellungskosten und ein hoher Transmissionsgrad (geringer Transmissionsverlust) möglich. Weil diese Vorteile sowohl für infrarotes Licht wie auch für sichtbares Licht gelten, ist zu erwarten, dass Flüssigkristall-Dickzellen Anwendung finden werden zum Modulieren (oder Zerhacken) von Infrarotlicht, wie es in Gasanalysatoren notwendig ist. Es ist bereits bekannt, dass eine gewisse Modulationseffizienz sowohl für infrarotes Licht wie auch für sichtbares Licht durch Anlegen von symmetrischen Spannungspulsen (d. h. 50% Tastverhältnis) zwischen den zwei Elektroden der Flüssigkristall- Dickzelle erhalten wird.
Bei einem Lichtmodulator, der als dicke Flüssigkristall-Zelle aufgebaut ist, welche einen ferroelektrischen Flüssigkristall verwendet, wird die Richtung des ansteuernden elektrischen Feldes (oder der Ansteuerspannung) umgekehrt, um den Flüssigkristall vom transparenten Zustand in den lichtstreuenden Zustand zu überführen. Die Ansprechgeschwindigkeit für den Übergang vom transparenten Zustand in den lichtstreuenden (oder undurchlässigen) Zustand ist sehr hoch (Zehntel us), bedingt durch die hohe Ansprechempfindlichkeit des ferroelektrischen Flüssigkristalls selbst. Es bedarf aber sehr langer Zeiten, um vom lichtstreuenden Zustand wieder in den transparenten Zustand zurückzukehren (Zehntel bis Hundertstel ms). Dies wird der Tatsache zugeschrieben, dass der lichtstreuende Zustand ein Übergangszustand von einem geordneten (transparenten) Zustand der Flüssigkristall-Moleküle zum anderen geordneten (transparenten) Zustand ist. Beim Übergang des Zustandes von lichtstreuend nach transparent entwickeln sich lamellare Domänen von sich ausrichtenden Molekülen in der gesamten Unordnung und die Domänen wachsen so lange, bis der ganze Flüssigkristall in der Zelle so orientiert ist, dass sich ein klarer, transparenter Zustand einstellt.
Die EP 0 257 638 A2 offenbart eine optische Modulationsvorrichtung, umfassend einen zwischen einem Paar von Substraten angeordneten ferroelektrischen Flüssigkristall, Mittel zum Anlegen einer Wechselspannung, die hinreichend ist, um den ferroelektrischen Kristall trübe werden zu lassen, und Mittel, um der Wechselspannung eine Gleich-(DC-)Spannung zu überlagern.
In den obengenannten Offenlegungsschriften der japanischen Patentanmeldungen werden einige Verfahren zum Beibehalten des lichtstreuenden (undurchlässigen) Zustandes berichtet. Jedoch kann keines dieser Verfahren die Zeit verkürzen, die benötigt wird, um den lichtstreuenden Zustand in den transparenten Zustand zu überführen.
Bei der herkömmlichen Ansteuerungsmethode mit symmetrischen Spannungspulsen ist ferner nachteilig, dass die höchste praktikable Modulationsfrequenz bei einigen zehn Hertz liegt, und zwar unabhängig vom refraktiven und streuenden Typ. Das heißt, herkömmliche Lichtmodulatoren können nicht in Infrarotlichtsensoren verwendet werden, die ein Hochgeschwindigkeitszerhacken von Infrarotlicht benötigen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß umfasst eine Art von Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator eine dicke Zelle mit einem ferroelektrischen Flüssigkristall zwischen einem Paar paralleler Elektrodenplatten und eine Schaltung zum Anlegen einer Spannung, die so eingestellt ist, dass eine Reihe von Spannungspulsen mit einem asymmetrischen Tastverhältnis (d. h. das Tastverhältnis ist nicht 50%) zwischen dem Elektrodenplattenpaar anlegbar ist.
Ein Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst ferner eine dicke Zelle mit einem ferroelektrischen Flüssigkristall zwischen einem Paar paralleler Elektrodenplatten und eine Schaltung zum Anlegen einer Spannung, um eine Reihe von Spannungspulsen zwischen dem Elektrodenplattenpaar anzulegen, wobei den Spannungspulsen eine DC-Vorspannung hinzugefügt ist.
Verglichen mit den herkömmlichen Lichtmodulatoren, bei denen das Tastverhältnis der an die Elektroden gelegten Spannungspulse symmetrisch (oder 50%) ist, zeigen die erfindungsgemäßen Lichtmodulatoren eine höhere Modulationseffizienz sowohl für infrarotes Licht wie auch für sichtbares Licht und eine höhere Ansprechempfindlichkeit, wodurch eine Lichtmodulation bei höheren Frequenzen ermöglicht wird. Die Ansprechempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Lichtmodulatoren ist deshalb verbessert, weil die Drehung der spontanen Polarisation der ferroelektrischen Flüssigkristall-Moleküle nicht vollendet, sondern auf halbem Weg unterbrochen und wieder in die ursprüngliche Richtung umgesteuert wird, wenn der Flüssigkristall aus dem lichtstreuenden Zustand in den transparenten Zustand umgeschaltet wird. Ferner wird die höhere Modulationseffizienz des erfindungsgemäßen Lichtmodulators dadurch erhalten, dass die Größe der Domänen, die im lichtstreuenden Zustand entstehen, geeignet ist, das Licht zu streuen.
Ein Beispiel für das asymmetrische Tastverhältnis liegt im Bereich von 55 bis 85%, noch bevorzugter im Bereich von 58 bis 75%. Das optimale Tastverhältnis ist abhängig von Aufbau und Verwendung der dicken Zelle; bevorzugt wird eine Schaltung zum Einstellen des Tastverhältnisses in der Schaltung zum Anlegen der Spannung (Leistungsschaltung) implementiert.
Wenn die Amplitude der Spannungspulse beispielsweise ±40 V beträgt, dann erzeugt die DC-Vorspannung von 10 bis 15 V (d. h. 25 bis 40% der halben Amplitude) eine große Modulationseffizienz. Ein breiterer Bereich von 20 bis 50% der halben Amplitude ergibt immer noch eine erhebliche Modulationseffizienz gegenüber der sehr kleinen Modulationseffizienz für den Fall Null Vorspannung-50% Tastverhältnis. Für die DC-Vorspannung wird ebenfalls bevorzugt, eine Schaltung zum Einstellen der Vorspannung in die Schaltung zum Anlegen der Spannung (Leistungsschaltung) zu implementieren.
Die asymmetrischen Spannungspulse und die DC-Vorspannung können gleichzeitig auf die Elektroden einer dicken Zelle angewendet werden. In diesem Fall wird ebenfalls bevorzugt, sowohl die Schaltung zum Einstellen der Vorspannung als auch die Schaltung zum Einstellen der DC-Vorspannung in der Schaltung zum Anlegen der Spannung (Leistungsschaltung) zu implementieren.
Es empfiehlt sich, den spezifischen Widerstand der Elektroden größer als 0,5 Ω·cm zu wählen, noch bevorzugter größer als 2 Ω·cm, weil der Transmissionsgrad schlechter wird, wenn der spezifische Widerstand kleiner ist als 0,5 Ω·cm. Die Verschlechterung des Transmissionsgrades tritt speziell bei größeren Wellenlängen auf (10 um).
Die erfindungsgemäße dicke Zelle ist aufgebaut aus einem Paar paralleler Elektrodenplatten und einem zwischen den Elektrodenplatten enthaltenen ferroelektrischen Flüssigkristall. Die Elektrodenplatten können hergestellt sein aus Glasplatten mit leitfähigen Schichten auf der Oberfläche, zum Beispiel mit aufgedampften ITO-(Indium-Zinnoxid-)Schichten. Die Elektrodenplatten können hergestellt sein aus Siliciumplatten oder Germaniumplatten, dotiert mit Fremdatomen. Die Elektrodenplatten werden parallel zueinander angeordnet, mit einem Abstand oder Spalt größer als 50 um (bevorzugt werden 100 bis 300 um). Abstandshalter, z. B. Polyesterfolie Lumilar (Handelsname der Toray Corp.), sind nützlich, um den Spalt zu definieren und zu fixieren und den Raum zwischen dem Elektrodenplattenpaar abzuschließen oder zu versiegeln. Zellenspalte von weniger als 50 um führen zu einer schlechten Modulationseffizienz.
Für den zwischen den Elektrodenplatten aufgenommenen ferroelektrischen Flüssigkristall können Flüssigkristalle vom Typ Schiffsche Base, Azo-, Azoxy-, Benzoatester-, Biphenyl-, Terphenyl-, Cyclohexylcarbonsäureester-, Phenylcyclohexan-, Pyrimidin- oder Oxan-Flüssigkristalle Verwendung finden (oder beliebige Kombinationen der obigen Flüssigkristalle). Die Molekülstruktur der Flüssigkristalle zeigt Fig. 12. Diese und andere Flüssigkristalle sind beschrieben in "The Structure and Characteristics of Ferroelectric Liquid Crystal", pp. 229-234, Corona Corp. Die Flüssigkristalle sind auf dem Markt erhältlich mit den Handelsnamen CS-1014, CS-1017 (Chisso Petroleum Corp.), ZLI-1013 oder ZLI-1011 (Merck Corp.).
Die dritte Art von Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst:
eine dicke Zelle, umfassend ein Paar paralleler Elektrodenplatten mit einer Spaltlänge oder Spaltbreite zwischen den Elektrodenplatten größer als 50 um;
einen zwischen dem Elektrodenplattenpaar enthaltenen ferroelektrischen Flüssigkristall, wobei die Helixganghöhe des ferroelektrischen Flüssigkristalls in der smektischen C-Phase das 0,7- bis 0,95fache der Spaltbreite beträgt; und eine Schaltung zum Anlegen einer Spannung, um eine Reihe von Spannungspulsen zwischen den Elektrodenplatten anzulegen.
Noch bevorzugter ist die Helixganghöhe in einem Bereich angesiedelt, der das 0,8- bis 0,9fache der Spaltbreite beträgt. Helixganghöhen von weniger als dem 0,7fachen der Spaltbreite führen dazu, dass der Transmissionsgrad im transparenten Zustand niedriger ausfällt, weil die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle unzureichend wird und die Domäne so klein wird, dass der Transmissionsgrad im klaren (transparenten) Zustand schlechter wird. Helixganghöhen größer als das 0,95fache sind ebenfalls ungünstig, weil die Flüssigkristall-Helixstrukturen sich ausdehnen oder verschwinden und die Domänenbildung erschwert wird, so dass eine geeignete Lichtstreuung kaum zustandekommt.
Dies lehrt, dass die Modulationseffizienz stark abhängig ist vom Zellenspalt und von der Helixganghöhe und dass genügend Modulationseffizienz nur mit größerer Helixganghöhe erhalten wird, wenn der Zellenspalt vergrößert wird. Wenn die Helixganghöhenbedingung (0,7- bis 0,95faches der Spaltbreite) nicht mit den ferroelektrischen Flüssigkristallen allein erfüllt werden kann, kann dem Flüssigkristall ein Mittel zum Einstellen der Ganghöhe zugesetzt werden. Es kann ein beliebiges bekanntes Mittel zum Einstellen der Ganghöhe verwendet werden, und es besteht die Möglichkeit der Verwendung eines achiralen Flüssigkristalls als Mittel zum Einstellen der Ganghöhe. Wenn ein ferroelektrischer Flüssigkristall mit 5 um Ganghöhe der Helix verwendet wird, sollte der ferroelektrische Flüssigkristall 20fach mit dem Mittel zum Einstellen der Ganghöhe verdünnt werden, um eine Helixganghöhe von 100 um zu erhalten.
Der erfindungsgemäße ferroelektrische Flüssigkristallzellen-Lichtmodulator kann sowohl für sichtbares Licht wie auch für infrarotes Licht verwendet werden. Wenn zur Verwendung für Licht im nahen Infrarotbereich mit Wellenlängen von 0,8 bis 3 um oder im mittleren Infrarotbereich mit Wellenlängen von 3 bis 8 um bestimmt, empfiehlt es sich, den Zellenspalt größer als 100 um zu wählen. Wenn zur Verwendung für Licht im fernen Infrarotbereich mit Wellenlängen von 8 bis 25 um gedacht, empfehlen sich Zellenspalte von 50 bis 100 um. Wählt man in diesem Fall den Zellenspalt größer, so wird das Infrarotlicht durch den Flüssigkristall absorbiert, infolge der Molekülschwingung des ferroelektrischen Flüssigkristalls.
Es versteht sich, dass es sich empfiehlt, die Helixganghöhenbedingung mit dem Verfahren zu kombinieren, bei dem asymmetrische Spannungspulse oder Spannungspulse mit Vorspannung angelegt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine querschnittliche Darstellung eines ferroelektrischen Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulators gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A bis sind Graphen, welche die Beziehung zwischen dem Tast- Fig. 2E verhältnis und der Modulationsfrequenz zeigen;
Fig. 3 ist ein Graph, welcher die Frequenzcharakteristika von Flüssigkristall-Zellen veranschaulicht;
Fig. 4A und sind Graphen, welchen den Effekt der Wechselfrequenz der Pulse Fig. 4B zeigen;
Fig. 5A bis sind Graphen, welche den Effekt der Vorspannungsanwendung Fig. 5C zeigen;
Fig. 6A und sind Graphen, welche den Effekt der Vorspannungsanwendung Fig. 6B veranschaulichen;
Fig. 7 ist ein Graph, in dem die Modulationseffizienz gegen die Helixganghöhe aufgetragen ist;
Fig. 8 ist eine querschnittliche Darstellung einer Flüssigkristall-Dickzelle;
Fig. 9 ist ein Graph, in dem die Modulationseffizienz und der Transmissionsgrad gegen die Helixganghöhe aufgetragen sind;
Fig. 10 ist eine querschnittliche Darstellung einer weiteren Flüssigkristall-Dickzelle;
Fig. 11 ist ein Graph, in dem die Modulationseffizienz gegen die Helixganghöhe für verschiedene Zellenspaltwerte aufgetragen ist;
Fig. 12 zeigt die Struktur verschiedener Moleküle mit ferroelektrischen Flüssigkristalleigenschaften;
Fig. 13 ist eine querschnittliche Darstellung eines Gasanalysators mit einem erfindungsgemäßen ferroelektrischen Flüssigkristall- Dickzellen-Lichtmodulator.

DETAILBESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Der in Fig. 1 gezeigte Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator 1 von Fig. 1 ist hergestellt aus einer dicken Zelle 8 und einer Schaltung 7 zum Anlegen einer Spannung. Die dicke Zelle 8 setzt sich zusammen aus einem Paar paralleler Elektrodenplatten 2 und 3; Abstandshaltern 5 und 6 zum Definieren der Spaltbreite zwischen den Elektrodenplatten 2, 3 und einem ferroelektrischen Flüssigkristall 4, welcher in der von den Elektrodenplatten 2, 3 und den Abstandshaltern 5, 6 gebildeten Zelle aufgenommen ist.
Die Schaltung 7 zum Anlegen einer Spannung legt asymmetrische Spannungspulse zwischen dem Paar von Elektrodenplatten 2 und 3 an. Der Asymmetriegrad der Spannungspulse oder das Tastverhältnis (d. h. das Verhältnis aus der Dauer einer Plus-Periode zur Dauer eines ganzen Zyklus, bestehend aus einer Plus-Periode und einer Minus-Periode) beträgt 55 bis 85%. Wenn ein elektrisches Gleichstrom-(DC-)Feld mit einer Polarität über die ferroelektrische Flüssigkristall-Zelle gelegt wird, richten sich die Moleküle des Flüssigkristalls entlang der Richtung des elektrischen Feldes aus, wodurch die Flüssigkristall- Zelle optisch transparent wird. Bei einer instantanen Umkehrung der Polarität des elektrischen Feldes ("instantan" bedeutet, dass die Umkehrzeit kürzer ist als die normale Ansprechzeit des ferroelektrischen Flüssigkristalls im us-Bereich) ergibt sich eine regellose Bewegung der Flüssigkristallmoleküle, da diese der schnellen Änderung des elektrischen Feldes nicht folgen können, wodurch der lichtstreuende Zustand erreicht wird. Weil man schon im frühen Stadium der Erzeugung von Regellosigkeit oder Randomisierung ausreichend Lichtstreuvermögen erhält, können die Flüssigkristallmoleküle den klaren Ausgangszustand, ausgerichtet in der Ausgangsorientierung, in kürzerer Zeit wieder einnehmen, wenn die Polarität der angelegten Spannung wieder in die Ausgangspolarität umgekehrt wird, bevor die Moleküle sich vollständig in die entgegengesetzt gerichtete Orientierung umgelagert haben. Dies reduziert die Zeit, die benötigt wird, um vom lichtstreuenden Zustand in den transparenten Zustand zu wechseln. Die Rückkehr in den ausgerichteten ursprünglichen Zustand auf halbem Wege zum ausgerichteten entgegengesetzten Zustand wird durch Anlegen von Spannungspulsen mit asymmetrischem Tastverhältnis erzielt.
Eine Anwendung des Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulators 1 von Fig. 1 auf einen Gasanalysator ist in Fig. 13 veranschaulicht. Der Gasanalysator besteht in der Hauptsache aus einer Probegaszelle 12, einer Referenzgaszelle 13, einer Halogenlampe 15, einem Detektor 16 und einem Flüssigkristall-Chopper 1, welcher den Dickzellen-Lichtmodulator verwendet. Die Halogenlampe 15 wirft Licht durch ein Interferenzfilter 14 auf die beiden Gaszellen 12 und 13. Der Detektor 16 benutzt pyroelektrisches Material aus Lithiumtantalsäure. Der Flüssigkristall-Chopper 1 setzt sich aus zwei Choppern A und B zusammen: Chopper A ist der Probenzelle 12 zugeordnet, und Chopper B ist der Referenzzelle 13 zugeordnet. Die zwei Chopper können als eine Einheit hergestellt werden. In Fig. 13 bezeichnet die Ziffer 17 einen Probegaseinlass, die Ziffer 18 bezeichnet einen Probegasauslass, und die Ziffer 19 steht für eine konvexe Linse. Weil eine Änderung in der elektrischen Ladung auf der Oberfläche des pyroelektrischen Materials des Detektors 16 übergangsmäßig entsprechend der einfallenden Lichtstrahlung beobachtet wird, ist es notwendig, den Übergangszustand fortzusetzen, indem der Licht-Chopper 1 vor den Detektor 16 platziert wird. Die maximale Empfindlichkeit des pyroelektrischen Materials wird bei verhältnismäßig hoher Frequenz (einigen Hundert Hertz) erhalten, realisiert allein durch die erfindungsgemäße ferroelektrische Flüssigkristall- Dickzelle.
Die Funktionsweise des Gasanalysators 11 ist wie folgt. Das von der Halogenlampe 15 erzeugte Infrarotlicht passiert das Interferenzfilter 14 und tritt in die Probegaszelle 12 und Referenzgaszelle 13 ein. Das Infrarotlicht, welches durch das Probegas (z. B. CO&sub2;/CO) in den Zellen 12 und 13 hindurchgetreten ist, wird von dem Chopper 1 zerhackt und von dem Detektor 16 detektiert. Bei dem Flüssigkristall-Chopper 1 (d. h. den Choppern A und B) werden asymmetrische Spannungspulse an die Elektrodenplatten gelegt. Da das pyroelektrische Material, wie oben beschrieben, nur moduliertes Licht erfassen kann, besteht der einfachste Weg zur Signalverarbeitung der von dem Detektor 16 detektierten Signale darin, die Licht-Chopper A und B alternierend zu betreiben. Durch Betreiben der zwei Chopper A und B mit verschiedenen Frequenzen können die Signale der zwei Gaszellen in der elektrischen Schaltung voneinander getrennt werden.

Beispiel 1: Test mit sichtbarem Licht

Die Testzelle verwendet Glasplatten mit einer durch Ionendiffusion aufgebrachten ITO-(Indium-Zinnoxid-)Schicht auf der Oberfläche. Die inneren Oberflächen der Glasplatten werden mit einem Baumwolltuch in einer Richtung gerieben, bevor sie zusammengefügt werden. Der Spalt der Zelle wird durch Abstandshalter aus Polyesterfolie definiert und fixiert. Im Hinblick darauf, dass im Allgemeinen eine kleinere Spaltbreite die Streueffizienz vermindert und eine größere Spaltbreite die Klarheit verschlechtert, wird bei der vorliegenden Testzelle die Spaltbreite auf 100 um eingestellt. Der Effekt der vorliegenden Erfindung kann aber auch mit anderen Zellenspaltbreiten erhalten werden. Sodann wird ein ferroelektrischer Flüssigkristall, nämlich ZLI-1013, 1011 (Merck Corp.), in den Spalt gefüllt, und die Peripherie wird mit Epoxid-Klebstoff versiegelt. Der Flüssigkristall wird bei 120ºC verflüssigt und dann langsam abgekühlt, um die smektische C-Phase zu erhalten.
Die Fig. 2A bis 2D zeigen die Änderung in der Ausgabe einer Fotodiode, welche Licht von 1000 K Schwarzkörperstrahlung über die obige Flüssigkristall- Dickzelle empfängt, mit einer Reihe von Spannungspulsen bei verschiedenen Tastverhältnissen. Die Amplitude der Spannungspulse ist auf ±30 V festgelegt, und die Wechselgeschwindigkeit ist auf 70 Hz festgelegt. Fig. 2A stellt den herkömmlichen Fall dar, wo das Tastverhältnis 50% beträgt, d. h. die Dauer einer Polarität und die Dauer der anderen Polarität des elektrischen Feldes über dem Flüssigkristall sind gleich. Wegen der langsamen Bewegung der Flüssigkristallmoleküle verändert sich die Ausgabe der Fotodiode kaum, ungeachtet der Polarität der Spannungspulse. Die Fig. 2B, 2C und 2D stehen für erfindungsgemäße Beispiele, mit Tastverhältnissen von 60, 70 und 80%. Bei 60% Tastverhältnis wird eine erhebliche Änderung im Transmissionsgrad erzeugt und eine hohe Modulationseffizienz erhalten. Wie in Fig. 2E veranschaulicht, erzeugt das Tastverhältnis im Bereich von 55 bis 85% einen gewissen Grad an Modulationseffizienz und 58 bis 75% erzeugen deutlich hohe Modulationseffizienz sowohl für den Flüssigkristall ZLI4237 von Merck wie für den Flüssigkristall ISC-103 von Chisso. Das optimale Tastverhältnis kann je nach Modulationsfrequenz variieren.
Fig. 3 ist ein Graph, welcher die Modulationseffizienz eines herkömmlichen Lichtmodulators und diejenige des erfindungsgemäßen Lichtmodulators in Bezug auf die Modulationsfrequenz veranschaulicht. Es ist deutlich zu ersehen, dass der erfindungsgemäße Lichtmodulator eine stark verbesserte Modulationseffizienz bei hoher Modulationsfrequenz aufweist.

Beispiel 2: Test mit Infrarotlicht

Eine Zelle wird aus einem paar Siliciumplatten mit den Abmessungen 20 · 20 mm hergestellt. Da der spezifische Widerstand der Siliciumplatte nur 8 bis 40 Ω·cm beträgt, werden die Siliciumplatten selbst als Elektroden für den Flüssigkristall verwendet. In einer Ecke jeder Siliciumplatte wird eine Goldinsel gebildet, um eine Anschlußleitung mit der Elektrode zu verbinden. Auf beiden Oberflächen der Siliciumplatten werden nicht-reflektive Überzugsschichten gebildet, um infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von 5 um geeignet durchzulassen. Die Beschichtung kann entsprechend dem verwendeten Licht variieren. Die Wellenlänge von 5 um wird für die Gasanalysatoren eingesetzt; Wellenlängen von 10 um können für Messungen am menschlichen Körper oder für Temperaturmessungen an Objekten verwendet werden. Die inneren Oberflächen der Siliciumplatten werden ebenfalls gerieben, um die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu unterstützen. Der Zellenspalt wird auf 100 um eingestellt, wobei ein Abstandshalter aus Polyesterfolie von dieser Dicke verwendet wird. Nachdem der Flüssigkristall (wobei in diesem Fall der gleiche Flüssigkristall verwendet wird wie in Beispiel 1) in den Spalt zwischen den Siliciumplatten gefüllt wurde, wird der Flüssigkristall der gleichen Wärmebehandlung unterworfen wie im vorangegangenen Beispiel beschrieben. Die Modulationseffizienz der Flüssigkristall-Zelle in diesem Test beträgt etwa 70 bis 50%.
Die Fig. 4A und 4B sind Graphen, welche die Modulationseffizienz mit einer nicht-reflektiven Beschichtung für Infrarotlicht der Wellenlänge 5 um veranschaulichen. Diese Graphen zeigen, dass mit der ferroelektrischen Flüssigkristall-Dickzelle gemäß dem vorliegenden Beispiel eine beträchtliche Modulationseffizienz bei Modulationsfrequenzen von 200 bis 1200 Hz erzielt wird. Es empfiehlt sich, die Amplitude der Spannungspulse entsprechend der Erhöhung der Modulationsfrequenz zu erhöhen.

Beispiel 3

Die Testzelle wird aus Glasplatten mit ITO-(Indium-Zinnoxid-)Beschichtungen auf den Oberflächen als transparente Elektroden aufgebaut. Die Glasplatten werden zwecks Ausrichtung des Flüssigkristalls mit einem Baumwolltuch in einer Richtung gerieben; sodann werden die Gläser mit einem Zellenspalt von 100 um unter Verwendung von Abstandshaltern aus Polyesterfolie gefügt.
Mit zunehmender Breite des Zellenspaltes wird das Licht stärker gestreut, aber andererseits verschlechtert sich die Klarheit im transparenten Zustand. Unter Berücksichtigung dieser beiden Faktoren wird der Zellenspalt auf 100 um festgelegt. Es versteht sich, dass auch andere Zellenspaltbreiten benutzt werden können, ohne dass der Effekt der vorliegenden Erfindung verlorenginge. In den Spalt der Zelle wird Flüssigkristall ZLI-1013, 1011 der Fa. Merck Corp. gefüllt. Die Zelle wird auf 120ºC erhitzt, um den Flüssigkristall zu verflüssigen, und langsam abgekühlt, um die smektische C-Phase zu erhalten.
Licht (sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 638 nm) von einem He-Ne- Laser wird durch die Flüssigkristallzelle hindurchtreten gelassen, und das durch die Flüssigkristallzelle mit 80 V Spitze-Spitze-Spannungspulsen modulierte Licht wird von einer Fotodiode detektiert. In dem vorliegenden Test wird den Spannungspulsen eine DC-Vorspannung von 0 V (keine Vorspannung), 10 V oder 20 V hinzugefügt, und das Tastverhältnis wird auf 50% (d. h. symmetrisch) eingestellt. Fig. 5A ist ein Graph, der die Ausgabe der Fotodiode und die angelegten Spannungspulse ohne Vorspannung (0 V) zeigt. In diesem Fall ist die Modulationseffizienz klein, weil die Bewegung der Moleküle so langsam ist, dass sie der vollen Änderung des elektrischen Feldes nicht folgen können. Wenn eine DC-Vorspannung von 10 V oder 20 V hinzugefügt wird, wie in den Fig. 5B und 5C, wird die Rückkehr aus dem lichtstreuenden Zustand beschleunigt, und die Ausgabe der Fotodiode folgt der Änderung der Spannungspulse dicht. Eine Vorspannung von 10 bis 15 V oder 25 bis 40% der Amplitude der Spannungspulse ergibt die größte Modulationseffizienz, und 20 bis 50 % der Amplitude erzeugen eine beträchtliche Modulationseffizienz im Vergleich zu der kaum beobachtbaren Modulationseffizienz bei Betrieb ohne Vorspannung.
Wenn ein elektrisches Gleichstrom-(DC-)Feld mit einer Polarität über die ferroelektrische Flüssigkristall-Zelle gelegt wird, richten sich die Moleküle des Flüssigkristalls entlang der Richtung des elektrischen Feldes aus, wodurch die Flüssigkristall-Zelle optisch transparent wird. Bei einer instantanen Umkehrung der · Polarität des elektrischen Feldes ("instantan" bedeutet, dass die Umkehrzeit kürzer ist als die normale Ansprechzeit des ferroelektrischen Flüssigkristalls, Größenordnung us) ergibt sich eine regellose Bewegung der Flüssigkristallmoleküle, da diese der schnellen Änderung des elektrischen Feldes nicht folgen können, wodurch der lichtstreuende Zustand hergestellt wird. Weil man schon im frühen Stadium der Randomisierung ausreichend Lichtstreufähigkeit erhält, können die Flüssigkristallmoleküle den klaren Ausgangszustand, ausgerichtet in der Ausgangsorientierung, in kürzerer Zeit wieder einnehmen, wenn die Polarität der angelegten Spannung wieder in die Ausgangspolarität umgekehrt wird, bevor die Moleküle sich vollständig in die entgegengesetzt gerichtete Orientierung umgelagert haben. Dies reduziert die Zeit, die benötigt wird, um vom lichtstreuenden Zustand in den transparenten Zustand zu wechseln. Die Rückkehr in den ausgerichteten ursprünglichen Zustand auf halbem Wege zum ausgerichteten entgegengesetzten Zustand wird durch Hinzunahme einer DC- Vorspannung zu den Spannungspulsen erzielt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Hinzunahme einer DC-Vorspannung werden die Frequenzcharakteristika der Flüssigkristall-Dickzelle stark verbessert.

Beispiel 4

Es wird Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 5 um zur Auswertung der gleichen Flüssigkristallzelle wie in Beispiel 1 verwendet. Das Ergebnis veranschaulicht Fig. 6A, die eine ähnlich günstige Modulationseffizienz in Infrarotlicht zeigt. Die Zellstruktur ist die gleiche wie in Beispiel 1. Fig. 6B zeigt den deutlich sichtbaren Effekt, den die Hinzunahme der DC-Vorspannung zu den Spannungspulsen bei der Verbesserung der Modulationseffizienz einbringt.

Beispiel 5

Allgemein nimmt mit steigender Helixganghöhe der cholesterischen (nematisch chiralen) Phase auch die Helixganghöhe der smektischen C-Phase zu. Das Phänomen wird deshalb bei der Erhöhung der Modulationseffizienz erwartet. Flüssigkristallmoleküle zeigen die Neigung, unbeweglich zu werden, wenn die spontane Polarisation extrem klein wird. Tabelle 1 zeigt den in diesem Test verwendeten ferroelektrischen Flüssigkristall. Tabelle 1 - Eingesetzte Flüssigkristalle
(Ph.-Umw.-Temp. = Phasenumwandlungstemperatur)
(Spont. Pol. = Spontane Polarisation)
Die spontane Polarisation von ferroelektrischen Flüssigkristallen nach Tabelle 1 vermindert sich im Allgemeinen mit steigender Helixganghöhe. Wenn der Flüssigkristall F nach Tabelle 1 (der den kleinsten Wert für die spontane Polarisation aufweist) verwendet wird, wird eine günstige Modulationseffizienz erhalten.
Die Modulationseffizienz der ferroelektrischen Flüssigkristalle nach Tabelle 1 für Licht im mittleren Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 5 um zeigt Fig. 7. Die Flüssigkristalle sind in der in Fig. 8 gezeigten dicken Zelle aufgenommen, worin die Ziffern 2 und 3 Silicium-Elektrodenplatten mit einem spezifischen Widerstand von 20 Q cm und einer Dicke von 400 um bezeichnen, worin die Ziffer 4 für den ferroelektrischen Flüssigkristall steht, worin die Ziffern 5 und 6 Abstandshalter mit einer Dicke von 100 um sind, worin die Ziffer 8 für Anschlussleitungen steht und worin die Ziffer 9 eine nicht-reflektierende Beschichtung für die 5 um Wellenlänge bezeichnet.
Die Modulationseffizienz in Bezug auf die Helixganghöhe des Flüssigkristalls wird für Licht im mittleren Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 2 um gemessen. Das Resultat ist in Fig. 9 dargestellt, worin "o" für den Transmissionsgrad (%) im transparenten Zustand steht, worin "x" die Modulationseffizienz bezeichnet und worin in den Transmissionsgrad (%) im lichtstreuenden Zustand bedeutet. Der Flüssigkristall ist in der Zelle von Fig. 10 aufgenommen, worin die Ziffern 2 und 3 ITO-Elektroden darstellen, die Ziffer 4 für den ferroelektrischen Flüssigkristall steht, die Ziffern 5 und 6 Abstandshalter von 100 um Dicke bezeichnen, die Ziffer 8 für Anschlussleitungen steht und die Ziffer 10 für Quarzplatten mit 1 mm Dicke steht. Die an die Elektroden gelegten Spannungspulse sind in Fig. 4A dargestellt. Wie aus den Graphen von Fig. 7 und Fig. 9 zu sehen, ist die Modulationseffizienz stark abhängig sowohl von der Helixganghöhe wie auch vom Zellenspalt.

Beispiel 6

Die Breite des Zellenspaltes wird verändert, indem Abstandshalter anderer Dicke in dem Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator von Fig. 8 verwendet werden, und es wird die Modulationseffizienz der Flüssigkristallzelle für Licht im nahen Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 2 um gemessen. In Fig. 4A sind die an die Elektroden angelegten Spannungspulse gezeigt. Das Resultat ist in Fig. 11 dargestellt. Wie aus Fig. 11 zu ersehen, wird die Modulationseffizienz ein Maximum, wenn die Helixganghöhe das 0,7- bis 0,95fache der Breite des Zellenspaltes beträgt, bezogen auf die Lichtmodulatoren mit gleichem Zellenspalt. Das absolute Maximum der Modulationseffizienz wird mit dem Zellenspalt von über 100 um erhalten.

Claims

1. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator, umfassend:

eine dicke Zelle (8) mit einem ferroelektrischen Flüssigkristall (4) zwischen einem Paar paralleler Elektrodenplatten (2, 3); und

eine Schaltung (7) zum Anlegen einer Spannung, um zwischen dem Paar von Elektrodenplatten (2, 3) eine Reihe von Spannungspulsen anzulegen, wobei durch Umkehrung der Polarität der Ansteuerungsspannung eine Unordnung in der Flüssigkristallmolekülanordnung erzeugt wird, die eine Lichtmodulation unter Nutzung von transienter Streuung erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (7) zum Anlegen einer Spannung so eingestellt ist, dass eine Reihe von Spannungspulsen mit einem asymmetrischen Tastverhältnis erzeugt wird.

2. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Spannungspulsen eine DC-Vorspannung hinzugefügt ist.

3. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Tastverhältnis 55 bis 85% beträgt.

4. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator nach Anspruch 3, wobei das Tastverhältnis 58 bis 75% beträgt.

5. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die DC-Vorspannung 20 bis 50% der halben Amplitude der Spannungspulse beträgt.

6. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator nach Anspruch 5, wobei die DC- Vorspannung 25 bis 40% der halben Amplitude der Spannungspulse beträgt.

7. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Spaltbreite zwischen den Elektrodenplatten (2, 3) größer ist als 50 um.

8. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator nach Anspruch 7, wobei eine Helixganghöhe des ferroelektrischen Flüssigkristalls in der smektischen C-Phase das 0,7- bis 0,95fache der Spaltbreite beträgt.

9. Flüssigkristall-Dickzellen-Lichtmodulator nach Anspruch 8, wobei die Helixganghöhe des ferroelektrischen Flüssigkristalls in der smektischen C-Phase das 0,8- bis 0,9fache der Spaltbreite beträgt.