JP3296120B2 - Liquid crystal thick film cell type light modulator - Google Patents

Liquid crystal thick film cell type light modulator

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JP3296120B2
JP3296120B2 JP32812594A JP32812594A JP3296120B2 JP 3296120 B2 JP3296120 B2 JP 3296120B2 JP 32812594 A JP32812594 A JP 32812594A JP 32812594 A JP32812594 A JP 32812594A JP 3296120 B2 JP3296120 B2 JP 3296120B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は強誘電性液晶を用いた
液晶厚膜セル型光変調器に関し、更に詳しくは、可視光
及び/又は赤外線を遮断したり透過させたりさせるため
の可視光及び/又は赤外線のチョッパとして利用でき、
たとえば光計測装置、ガス成分分析装置、赤外線検知装
置、非接触温度計、調理器の温度センサ等の受光部に利
用することができる。特に、赤外線検出器には焦電型、
フォトコンダクティブ型等があり、これらは赤外線をそ
のまま受光しただけでは電気信号としての情報が得られ
ない。従って、赤外線を交流信号に変える必要があり、
そのための赤外線チョッパが必要である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a liquid crystal thick film cell type light modulator using a ferroelectric liquid crystal, and more particularly, to a visible light and / or an infrared light for blocking or transmitting visible light and / or infrared light. // Can be used as an infrared chopper,
For example, it can be used for a light receiving unit such as an optical measuring device, a gas component analyzing device, an infrared detecting device, a non-contact thermometer, and a temperature sensor of a cooking device. In particular, pyroelectric type infrared detectors,
There are photoconductive types and the like, and information cannot be obtained as electrical signals by simply receiving infrared rays as they are. Therefore, it is necessary to convert infrared rays into AC signals,
Therefore, an infrared chopper is required.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、液晶厚膜セル型光変調器として、
ネマチック液晶を使用したTN方式に代表される偏光子
を使用する屈折型、ネマチック液晶を使用した動的散乱
型、コレステリック相とネマチック相の間の相転移を利
用した光散乱型等が挙げられる。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a liquid crystal thick film cell type optical modulator,
Examples include a refraction type using a polarizer represented by a TN method using a nematic liquid crystal, a dynamic scattering type using a nematic liquid crystal, and a light scattering type using a phase transition between a cholesteric phase and a nematic phase.

【0003】上記屈折型は、透過光の波長が長くなるの
で、十分な旋光能を得るためにはセル厚を厚くする必要
があり、そのため応答性が非常に悪い。また、動的散乱
型は、散乱強度を上げるために駆動電圧を下げる必要が
あり、そのため応答速度が遅くなってしまうという問題
を有している。更に、光散乱型では、コレステリック相
のヘリカル構造が解けるのに要する速度が遅いので、高
速応答が困難である。
In the refraction type, since the wavelength of transmitted light is long, it is necessary to increase the cell thickness in order to obtain a sufficient optical rotation, and the response is very poor. Further, the dynamic scattering type has a problem that it is necessary to lower the driving voltage in order to increase the scattering intensity, so that the response speed is reduced. Further, in the light scattering type, since the speed required to dissolve the helical structure of the cholesteric phase is low, high-speed response is difficult.

【0004】一方、強誘電性液晶は電界応答が非常に高
速であるため近年表示パネル、光変調等応用が期待され
ている。強誘電性液晶を用いた光変調器にはその液晶を
封入しているセルギャップによって大きく分けて薄膜型
と厚膜型がある。薄膜型はセルギャップが数μmのもの
で偏光子を両端に用いて液晶の複屈折性を利用するもの
で表示パネル等への応用が考案されているが、偏光子に
よる透過損によって必然的に透過率が50%以下になる
ことと、TN方式と同様に複屈折モードを利用している
ために赤外線領域のような長波長側では屈折率の減少に
ともない変調度(透明時と散乱時の透過率の差)がさら
に低下するという欠点がある。
On the other hand, ferroelectric liquid crystals are expected to be applied to display panels, light modulation, etc. in recent years because of their extremely high electric field response. Optical modulators using ferroelectric liquid crystal are roughly classified into a thin film type and a thick film type depending on the cell gap in which the liquid crystal is sealed. The thin film type has a cell gap of several μm and uses the birefringence of liquid crystal by using polarizers at both ends, and its application to display panels and the like has been devised. Since the transmittance is reduced to 50% or less and the birefringence mode is used similarly to the TN method, the modulation degree (transparent and scattering states) increases with decreasing refractive index on the long wavelength side such as the infrared region. (Difference in transmittance).

【0005】一方厚膜型はセルギャップが50〜数10
0μmのもので主に過渡的散乱を利用した散乱特性の良
さから光変調が可能である。この過渡的散乱はスメクチ
ックC相における駆動電界の極性を反転させるときに生
じる液晶の配列の乱れ現象による一次的光の後方散乱を
利用するもの(特開昭60−195521号,同60−
254120号,同61−260227号参照)で、偏
光子を必要としない低コストで製造可能であり、大きな
変調度(透過損)が期待できるというメリットを有して
いる。また赤外線(光)に対しても同様の散乱が期待で
きることからこの赤外線変調を利用することでガス分析
装置などへの応用も考えられてきた。要するに、厚膜セ
ル型の両電極に、対称的なパルス波形の電圧を印加させ
ると、可視光と共に赤外線に対する一定の変調度を得る
ことができることが知られていたわけである。
On the other hand, the thick film type has a cell gap of 50 to several tens.
With a thickness of 0 μm, light modulation is possible mainly due to good scattering characteristics utilizing transient scattering. This transient scattering utilizes the backscattering of primary light due to the disorder of the alignment of the liquid crystal that occurs when the polarity of the driving electric field in the smectic C phase is inverted (Japanese Patent Laid-Open Nos. 60-195521 and 60-195).
254120 and 61-260227), and can be manufactured at low cost without using a polarizer, and has a merit that a large degree of modulation (transmission loss) can be expected. Since similar scattering can be expected for infrared rays (light), application to gas analyzers and the like has been considered by utilizing this infrared modulation. In short, it has been known that when a voltage having a symmetrical pulse waveform is applied to both electrodes of the thick-film cell type, a certain degree of modulation with respect to visible light and infrared light can be obtained.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来の強誘電性液晶を
用いた厚膜型の光変調器においては強誘電性液晶の透明
状態から光散乱状態に移行させるとき駆動電界(電圧)
を反転させているのでその応答速度は強誘電性液晶自体
の応答性によって非常に高速である(数十μsec)。
In a conventional thick film type optical modulator using a ferroelectric liquid crystal, a driving electric field (voltage) is required when the ferroelectric liquid crystal shifts from a transparent state to a light scattering state.
, The response speed is very high (several tens of sec) due to the response of the ferroelectric liquid crystal itself.

【0007】しかしながら、散乱状態から透明状態への
回復に非常に長い時間を必要としていた(数十〜数百m
sec)。この原因は、散乱状態が、液晶分子のある配
列を一方の規則正しい配列(透明状態)から他方の規則
正しい配列(透明状態)に移行する途中の過程で生じて
いるためであると考えられている。また、同じ透明状態
でも配列の異なる状態への移行は一般的に長時間を必要
とする。更に、散乱状態を維持する方法(前記特開昭6
0−195521号,同60−254120号,同61
−260227号参照)が報告されているが、いずれの
方法でも散乱状態から透明状態への応答速度を向上させ
ることはできなかった。
However, it takes a very long time to recover from the scattering state to the transparent state (several tens to several hundreds of meters).
sec). It is considered that the reason for this is that the scattering state occurs in the process of shifting a certain arrangement of liquid crystal molecules from one regular arrangement (transparent state) to another regular arrangement (transparent state). Even in the same transparent state, transition to a state of different arrangement generally requires a long time. Further, a method of maintaining a scattering state (see the above-mentioned JP-A-6
Nos. 0-195521, 60-254120, 61
However, none of these methods could improve the response speed from the scattering state to the transparent state.

【0008】更に、従来の対称的なパルス波形の電圧を
印加する駆動方法では、変調度が屈折型、散乱型を含め
数十Hzにも満たなかった。つまり変調に見合う高周波
数変調を受ける赤外センサーはなく実用に至らなかっ
た。
Further, in the conventional driving method in which a voltage having a symmetrical pulse waveform is applied, the degree of modulation is less than several tens Hz including refraction type and scattering type. In other words, there was no infrared sensor that received high-frequency modulation corresponding to the modulation, and it was not practical.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段及び作用】かくして、この
発明によれば、対向する1対の電極板の間に強誘電性液
晶を封入してなる厚膜セルと、この厚膜セルの両電極板
への電圧印加手段とからなり、該電圧印加手段により
正・負極に強誘電性液晶が2つの極性のうち一方に整列
する前にもとの極性に引き戻しうる非対称のデュティ比
を有する電圧波形のパルス電圧を印加して強誘電性液晶
を駆動させることからなる液晶厚膜セル型光変調器が提
供される。
Thus, according to the present invention, a thick film cell in which a ferroelectric liquid crystal is sealed between a pair of opposing electrode plates, and both electrode plates of the thick film cell. Comprising voltage applying means ,
Ferroelectric liquid crystal aligned to one of two polarities for positive and negative electrodes
Asymmetric duty ratio that can be returned to the original polarity before
And a liquid crystal thick-film optical modulator comprising driving a ferroelectric liquid crystal by applying a pulse voltage having a voltage waveform having the following .

【0010】更に、この発明によれば、対向する1対の
電極板の間に強誘電性液晶を封入してなる厚膜セルと、
この厚膜セルの両電極板への電圧印加手段とからなり、
該電圧印加手段により、バイアス直流電圧に矩形波電圧
が重畳され、強誘電性液晶が2つの極性のうち一方に整
列する前にもとの極性に引き戻しうる非対称のデュティ
比を有する波形の電圧を印加して強誘電性液晶を駆動さ
せることからなる液晶厚膜セル型光変調器が提供され
る。また、この発明によれば、対向する1対の電極板の
間に強誘電性液晶を封入してなる厚膜セルと、この厚膜
セルの両電極板への電圧印加手段とからなり、この厚膜
セルのセルギャップが50μm以上で、封入される強誘
電性液晶が、セルギャップの0.7〜0.95倍の長さ
のスメクチックC層でのヘリカルピッチを示すものであ
り、強誘電性液晶が2つの極性のうち一方に整列する前
にもとの極性に引き戻しうる非対称のデュティ比を有す
る波形の電圧を印加して強誘電性液晶を駆動させること
からなる液晶厚膜セル型光変調器が提供される。
Further, according to the present invention, there is provided a thick film cell in which a ferroelectric liquid crystal is sealed between a pair of opposed electrode plates,
It comprises voltage applying means to both electrode plates of this thick film cell,
A rectangular wave voltage is superimposed on the bias DC voltage by the voltage applying means, and the ferroelectric liquid crystal is adjusted to one of two polarities.
Asymmetric duty that can return to the original polarity before queuing
There is provided a liquid crystal thick-film cell type optical modulator comprising driving a ferroelectric liquid crystal by applying a voltage having a waveform having a ratio . Further, according to the present invention, a thick film cell in which a ferroelectric liquid crystal is sealed between a pair of opposing electrode plates, and voltage applying means for applying voltage to both electrode plates of the thick film cell are provided. When the cell gap of the cell is 50 μm or more, the ferroelectric liquid crystal to be enclosed exhibits a helical pitch in the smectic C layer having a length of 0.7 to 0.95 times the cell gap.
Before the ferroelectric liquid crystal aligns with one of the two polarities
Has an asymmetric duty ratio that can be pulled back to the original polarity
Driving a ferroelectric liquid crystal by applying a voltage with a different waveform
Tona Ru crystal thick cell light modulator is provided.

【0011】すなわちこの発明は、厚膜セルの両電極板
に、電圧波形が正・負極についてデュテイ比が非対称の
パルス電圧、又はバイアス直流電圧に矩形波電圧が重畳
された電圧を印加することによって、従来の対称的なパ
ルス電圧を印加する場合に比べて、可視光と共に赤外線
に高い変調度を持つと共に、応答速度を向上させて高周
波での変調を可能とすることが見出され、完成された。
なお、この発明の液晶厚膜セル型光変調器により応答速
度が向上する理由は、散乱状態から透明状態へ強誘電性
液晶を駆動させる際に、強誘電性液晶の自発分極の反転
を中断することで、素早く散乱状態に移行させることが
できるためである考えられる。また、この発明の液晶厚
膜セル型光変調器により高い変調度得られるのは、散乱
時に形成されるドメインが散乱に適した大きさに形成さ
れるからであると考えられる。
That is, the present invention provides a method of applying a pulse voltage having a positive / negative voltage waveform with an asymmetrical duty ratio or a voltage in which a rectangular wave voltage is superimposed on a bias DC voltage to both electrode plates of a thick film cell. It has been found that, compared to the case where a conventional symmetric pulse voltage is applied, a high degree of modulation is applied to infrared light as well as visible light, and the response speed is improved to enable high-frequency modulation. Was.
The reason why the response speed is improved by the liquid crystal thick film cell type optical modulator of the present invention is that when the ferroelectric liquid crystal is driven from the scattering state to the transparent state, the reversal of the spontaneous polarization of the ferroelectric liquid crystal is interrupted. It can be considered that this makes it possible to quickly shift to the scattering state. Further, it is considered that the reason why a high degree of modulation is obtained by the liquid crystal thick-film cell type optical modulator of the present invention is that domains formed at the time of scattering are formed to have a size suitable for scattering.

【0012】更に、上記変調器でも十分高い変調度及び
応答速度が得られるが、使用する厚膜セル自体は、対向
する1対の電極板の間に強誘電性液晶を封入してなる厚
膜セルと、この厚膜セルの両電極板への電圧印加手段と
からなり、この厚膜セルのセルギャップが50μm以上
で、封入される強誘電性液晶が、前記セルギャップの
0.7〜0.95倍の長さのスメクチックC相でのヘリ
カルピッチを示すものからなる構成で、更に良好な変調
度及び応答速度が得られることを見いだしている。
Further, although a sufficiently high degree of modulation and response speed can be obtained with the above modulator, the thick film cell used is the same as a thick film cell in which a ferroelectric liquid crystal is sealed between a pair of opposed electrode plates. Means for applying voltage to both electrode plates of the thick film cell, wherein the thick film cell has a cell gap of 50 μm or more and the ferroelectric liquid crystal to be enclosed is 0.7 to 0.95 of the cell gap. It has been found that with a configuration comprising a helical pitch in a double length of the smectic C phase, a better modulation degree and response speed can be obtained.

【0013】この発明においては、厚膜セルの両電極板
に、電圧波形が正・負極について対称ではなく非対称の
電圧波形のパルス電圧を印加する。非対称の程度は、例
えば1サイクル時間:100に対して正極波時間の割
合、つまりデュテイ比を好ましくは55〜75%に、よ
り好ましくは65〜75%に設定される。通常このデュ
テイ比は厚膜セルの設計条件、使用条件によって最適値
を調整するのが好ましく、具体的には電圧印加手段(電
源回路)にデュテイ比調整回路を組み込んで調整するの
が好ましい。
In the present invention, a pulse voltage having a voltage waveform that is not symmetrical with respect to the positive and negative electrodes but is asymmetrical is applied to both electrode plates of the thick film cell. The degree of asymmetry is set, for example, such that the ratio of the positive electrode wave time to one cycle time: 100, that is, the duty ratio is preferably 55 to 75%, and more preferably 65 to 75%. Usually, the duty ratio is preferably adjusted to an optimum value according to the design conditions and usage conditions of the thick film cell. Specifically, it is preferable to adjust the duty ratio by incorporating a duty ratio adjustment circuit into the voltage applying means (power supply circuit).

【0014】更にこの発明においては、厚膜セルの両電
極板に、バイアス直流電圧に矩形波電圧が重畳された電
圧が印加される。具体的にはバイアス直流電圧は、振幅
(駆動電圧)が40Vの場合、0V、10V、20Vの
ごとく変更されるのが好ましく、約10〜15Vが大き
い変調度が得られるのでより好ましい。この好ましいバ
イアス直流電圧の印加条件は、印加矩形波電圧の相当値
の約20〜50%に対応している。なお、バイアス直流
電圧は厚膜セルの設計条件、使用条件によって最適値を
調整するのが好ましく、具体的には電圧印加手段(電源
回路)にバイアス直流電圧調整回路を組み込んで調整す
るのが好ましい。
Further, in the present invention, a voltage in which a rectangular wave voltage is superimposed on a bias DC voltage is applied to both electrode plates of the thick film cell. Specifically, when the amplitude (drive voltage) is 40 V, the bias DC voltage is preferably changed as 0 V, 10 V, 20 V, and more preferably about 10 to 15 V, since a large degree of modulation is obtained. This preferable bias DC voltage application condition corresponds to about 20 to 50% of the equivalent value of the applied rectangular wave voltage. The bias DC voltage is preferably adjusted to an optimum value according to the design conditions and use conditions of the thick film cell. Specifically, it is preferable to adjust the bias DC voltage by incorporating a bias DC voltage adjustment circuit into the voltage applying means (power supply circuit). .

【0015】なお、上記非対称の電圧波形のパルス電圧
とバイアス直流電圧に矩形波電圧が重畳された電圧を重
ねて印加することもできる。その場合は、電圧印加手段
(電源回路)にデュテイ比調整回路とバイアス直流電圧
調整回路を組み込んで調整するのが好ましい。比抵抗は
0.5Ωcm以上、望ましくは2Ωcm以上とすること
が好ましい、0.5Ωcmより小さいと赤外線透過率が
低下する。この低下は長波長(10μm)付近で大きく
なる。
It is also possible to apply a voltage in which a rectangular wave voltage is superimposed on a pulse voltage having an asymmetrical voltage waveform and a bias DC voltage. In this case, it is preferable to adjust the voltage by applying a duty ratio adjustment circuit and a bias DC voltage adjustment circuit to the voltage application means (power supply circuit). The specific resistance is preferably 0.5 Ωcm or more, and more preferably 2 Ωcm or more. If it is smaller than 0.5 Ωcm, the infrared transmittance decreases. This decrease becomes large near a long wavelength (10 μm).

【0016】この発明において厚膜セルは、1対の電極
板の間に強誘電性液晶を封入して構成される。各電極板
は、通常、ガラス基板に電極として機能しうる、例えば
ITO膜(インジウムティンオキサイド膜)を蒸着して
形成するか、不純物がドープされたシリコン又はゲルマ
ニウムからなる基板自体によって構成される。これら1
対の電極板は、厚膜セルギャップ:50μm以上、好ま
しくは100〜300μmで対向させ、スペーサ〔例え
ば東レ株式会社製ルミラー(登録商標)ポリエステルシ
ート〕によって間隔保持・封止して厚膜セルとされる。
ここでセルギャップが50μm以下の場合、十分な変調
度が得られないので好ましくない。
In the present invention, the thick film cell is formed by encapsulating a ferroelectric liquid crystal between a pair of electrode plates. Each electrode plate is generally formed by depositing, for example, an ITO film (indium tin oxide film), which can function as an electrode on a glass substrate, or a substrate itself made of silicon or germanium doped with impurities. These one
The pair of electrode plates are opposed to each other with a thick film cell gap of 50 μm or more, preferably 100 to 300 μm, and are maintained and sealed with a spacer [for example, Lumirror (registered trademark) polyester sheet manufactured by Toray Industries, Inc.] to form a thick film cell. Is done.
Here, if the cell gap is 50 μm or less, it is not preferable because a sufficient degree of modulation cannot be obtained.

【0017】この厚膜セルには強誘電性液晶が封入され
る。この強誘電性液晶としては、特に限定されず、利用
できるものは、シッフ塩基系、アゾ系、アゾキシ系、安
息香酸エステル系、ビフェニル系、ターフェニル系、シ
クロヘキシルカルボ酸エステル系、フェニルシクロヘキ
サン系、ピリミジン系およびオキサン系の液晶とそれら
の混合物である多成分液晶が挙げられる。具体的な液晶
化合物は次式(化1)に示すような構造のものが例示で
きる。
A ferroelectric liquid crystal is sealed in this thick film cell. The ferroelectric liquid crystal is not particularly limited, and usable ones are Schiff base, azo, azoxy, benzoate, biphenyl, terphenyl, cyclohexylcarboxylate, phenylcyclohexane, and the like. Examples include pyrimidine-based and oxane-based liquid crystals and multi-component liquid crystals that are mixtures thereof. As a specific liquid crystal compound, one having a structure represented by the following formula (Formula 1) can be exemplified.

【0018】[0018]

【化1】 Embedded image

【0019】なお、これらの代表的な材料は、コロナ社
発行の「強誘電性液晶の構造と物性」p229 〜234 “強
誘電性液晶材料と配向制御法”に挙げられている。この
発明に使用できる市販の強誘電性液晶としては、CS−
1014、CS−1017、CS−1017(チッソ石
油社製)、ZLI−1013、ZLI−1011(メル
ク社製)等が挙げられる。
These typical materials are listed in "Structure and Properties of Ferroelectric Liquid Crystal", pp. 229 to 234, "Ferroelectric Liquid Crystal Material and Alignment Control Method", published by Corona. Commercially available ferroelectric liquid crystals usable in the present invention include CS-
1014, CS-1017, CS-1017 (manufactured by Chisso Sekiyu KK), ZLI-1013, ZLI-1011 (manufactured by Merck) and the like.

【0020】更に、上記強誘電性液晶は、スメクチック
C相においてヘリカルピッチがセルギャップの0.7〜
0.95倍、好ましくは0.8〜0.9倍の長さを有し
ていることが好ましい。また、ヘリカルピッチがセルギ
ャップの0.7倍以下の場合、液晶の配向性が劣化しド
メインが小さくなり過ぎるために明状態の透過率が悪く
なるので好ましくなく、0.95倍以上の場合、強誘電
性液晶のラセン構造が伸びるか若しくはほどけるために
光散乱状態を形成するドメインが形成されにくくなり散
乱強度が十分とれないので好ましくない。このことか
ら、変調度はセルギャップとヘリカルピッチに強く依存
しており、セルギャップを大きくする場合はヘリカルピ
ッチも長くしなければ良好な変調度が得られないことが
判る。
Further, in the ferroelectric liquid crystal, the helical pitch in the smectic C phase is 0.7 to less than the cell gap.
It preferably has a length of 0.95 times, preferably 0.8 to 0.9 times. Further, when the helical pitch is 0.7 times or less of the cell gap, the orientation of the liquid crystal is deteriorated and the domain becomes too small, so that the transmittance in the bright state deteriorates. Since the spiral structure of the ferroelectric liquid crystal is elongated or unraveled, it is difficult to form a domain that forms a light scattering state, and a sufficient scattering intensity cannot be obtained. From this, it can be seen that the degree of modulation strongly depends on the cell gap and the helical pitch, and when the cell gap is increased, a good degree of modulation cannot be obtained unless the helical pitch is also increased.

【0021】次に、上記強誘電性液晶のみで、ヘリカル
ピッチがセルギャップの0.7〜0.95倍の条件を満
たせない場合は、ヘリカルピッチを調節するために、調
節剤を添加してもよい。調節剤としては、強誘電性液晶
のヘリカルピッチの調節に使用される公知のものいずれ
も使用できる。例えば、公知のアキラル液晶材料を調節
剤に使用することも可能である。調節剤の添加割合は、
例えばヘリカルピッチが約5μmの強誘電性液晶を使用
して、約100μmのヘリカルピッチを得ようとする場
合、調節剤で強誘電性液晶を20倍希釈すれば、所望の
ヘリカルピッチを有する強誘電性液晶が得られる。
Next, when the helical pitch cannot satisfy the condition of 0.7 to 0.95 times the cell gap with only the ferroelectric liquid crystal, an adjusting agent is added to adjust the helical pitch. Is also good. As the regulator, any known regulator used for controlling the helical pitch of the ferroelectric liquid crystal can be used. For example, a known achiral liquid crystal material can be used for the regulator. The addition ratio of the regulator is
For example, when a ferroelectric liquid crystal having a helical pitch of about 5 μm is used and a helical pitch of about 100 μm is to be obtained, a ferroelectric liquid crystal having a desired helical pitch can be obtained by diluting the ferroelectric liquid crystal by 20 times with a regulator. Liquid crystal is obtained.

【0022】この発明の液晶厚膜セル型光変調器は、可
視及び赤外のいずれの領域でも使用できるが、特に赤外
線の光変調器として使用することが好ましい。赤外線と
して、近赤外(波長0.8〜3μm)或いは中赤外(波
長3〜8μm)を使用する場合は、100μm以上のセ
ルギャップであることが好ましい。また、遠赤外(波長
8〜25μm)を使用する場合は、セル厚が厚いと、使
用する強誘電性液晶の分子振動による液晶本来の赤外吸
収を避けることができないので、50〜100μmのセ
ルギャップであることが好ましい。
The liquid crystal thick film cell type light modulator of the present invention can be used in any of the visible and infrared regions, but is particularly preferably used as an infrared light modulator. When near-infrared (wavelength 0.8 to 3 μm) or mid-infrared (wavelength 3 to 8 μm) is used as the infrared ray, the cell gap is preferably 100 μm or more. When far-infrared light (wavelength: 8 to 25 μm) is used, if the cell thickness is large, the inherent infrared absorption of the liquid crystal due to the molecular vibration of the ferroelectric liquid crystal to be used cannot be avoided. Preferably, it is a cell gap.

【0023】特に、中遠赤外領域では、液晶厚膜セル型
光変調器を構成する電極板の両面に更に反射防止膜が形
成されてなり、対向面側の反射防止膜が導電性物質より
なることが径時変化がほとんどなく、動作不良を生じな
い信頼性及び安定性の高い光変調器を得ることができる
ので好ましい。これは、液晶厚膜セルに従来から赤外線
の反射防止膜に使用されていた誘電体膜を使用すると、
液晶分子が全く動作せず光変調機能を発現しないか、あ
るいは径時変化が大きいので実用に足るものが得られな
かったが、上記導電性物質よりなる反射防止膜を使用す
ることによりこのような問題を解決することができるか
らである。
In particular, in the mid-to-far infrared region, an antireflection film is further formed on both sides of the electrode plate constituting the liquid crystal thick film cell type light modulator, and the antireflection film on the opposite surface side is made of a conductive material. This is preferable because it is possible to obtain an optical modulator with little change over time and high reliability and stability that does not cause malfunction. This is because when using a dielectric film that has been used as an anti-reflection film for infrared rays in a thick liquid crystal cell,
The liquid crystal molecules do not operate at all and do not exhibit the light modulation function, or the change with time is large, so that a practically usable one cannot be obtained. This is because the problem can be solved.

【0024】ここで、反射防止膜の膜厚は、使用する波
長に応じて規定され、例えば波長が5μ帯の場合は膜厚
約1μm、10μ帯の場合は膜厚約10μm(以降、5
μ毎に膜厚約1μmが加算される)である。反射防止膜
の材質は、例えばZnS等の金属硫化物,TiO2 ,C
eO2 ,Ta2 5 ,ZrO2 ,Y2 3 ,MgO,A
2 3 等の金属酸化物,PbF2 ,CeF3 ,LaF
3 ,BaF2 ,CaF 2 ,MgF2 ,LiF,Na3
lF6 ,NaF等の金属弗化物,SiO2 ,SiO,G
e,Si等が挙げられる。反射防止膜を導電化させるに
は適量の微量金属あるいは半導体(Si等)を添加する
ことにより行うことができる。なお、導電化された反射
防止膜のシート抵抗は使用する波長に応じて規定され、
例えば波長5μ帯の場合は86000〜3300000
MΩ程度、10μ帯の場合は200〜21000MΩ程
度である。また、適量とは数重量%を意味する、これ以
上では、反射防止膜を低抵抗化することができるものの
赤外線の透過率が著しく減衰するので好ましくない。
Here, the thickness of the antireflection film depends on the wave used.
Defined according to the length, for example, when the wavelength is in the 5μ band, the film thickness
In the case of about 1 μm and 10 μ band, the film thickness is about 10 μm (hereinafter, 5 μm).
about 1 μm is added for each μ). Anti-reflective coating
Are, for example, metal sulfides such as ZnS, and TiO.Two, C
eOTwo, TaTwoOFive, ZrOTwo, YTwoOThree, MgO, A
lTwoOThreeMetal oxides such as PbFTwo, CeFThree, LaF
Three, BaFTwo, CaF Two, MgFTwo, LiF, NaThreeA
IF6Fluoride, NaF, etc., SiOTwo, SiO, G
e, Si and the like. To make the anti-reflection film conductive
Add an appropriate amount of trace metal or semiconductor (such as Si)
It can be done by doing. In addition, reflection made conductive
The sheet resistance of the protective film is defined according to the wavelength used,
For example, in the case of the wavelength 5μ band, 86000 to 3300000
About MΩ, about 200 ~ 21000MΩ for 10μ band
Degrees. Also, an appropriate amount means a few weight%.
Above, although it is possible to lower the resistance of the antireflection film,
This is not preferable because the transmittance of infrared rays is significantly attenuated.

【0025】この発明では、電圧印加手段による駆動電
圧と、ヘリカルピッチ及びセルギャップの関係を両方と
も満足させる場合が、最も好ましい液晶厚膜セル型光変
調器である。
According to the present invention, a liquid crystal thick-film cell type optical modulator is most preferable when both the driving voltage by the voltage applying means and the relationship between the helical pitch and the cell gap are satisfied.

【0026】更に、本発明者らは、上記液晶厚膜セル型
光変調器において、スメクチックC相の相法線に対する
液晶分子の傾き角(チルト角)が15°以上、好ましく
は20°以上とすることにより、光変調度を更に高くす
ることができることを見いだしている。ここで、チルト
角とは、スメクチックC相の相法線に対する液晶分子の
傾き角をいう。この発明の変調器は入射光を光散乱効果
を利用して遮断している。変調器の変調性能(変調度)
は、液晶セルの透過率と散乱強度によって決まるが、こ
れらは使用される液晶の物性に大きく依存する。上記で
は、散乱強度に影響する静的パラメータであるヘリカル
ピッチを最適に調節することにより変調度を向上させた
が、これに加えて光散乱は分子の運動により誘起される
ことから運動パラメータであるテルト角を上記値以上に
調節することより、散乱強度が更に増大し、高変調な変
調器を得ることができる。これは、チルト角が大きいも
のほど液晶層内での液晶の配列の乱れが増大し、これに
より散乱強度が高くなるためであると考えられる。
Furthermore, the present inventors have found that in the above liquid crystal thick film cell type optical modulator, the tilt angle (tilt angle) of liquid crystal molecules with respect to the phase normal of the smectic C phase is 15 ° or more, preferably 20 ° or more. By doing so, it has been found that the degree of light modulation can be further increased. Here, the tilt angle refers to the angle of inclination of the liquid crystal molecules with respect to the phase normal of the smectic C phase. The modulator of the present invention blocks incident light using the light scattering effect. Modulation performance (modulation depth)
Is determined by the transmittance and the scattering intensity of the liquid crystal cell, which greatly depend on the physical properties of the liquid crystal used. In the above, the modulation degree was improved by optimally adjusting the helical pitch, which is a static parameter affecting the scattering intensity, but in addition to this, light scattering is a motion parameter because it is induced by the motion of molecules. By adjusting the telt angle to be equal to or more than the above value, the scattering intensity is further increased, and a modulator with high modulation can be obtained. This is presumably because the larger the tilt angle, the more the disorder of the alignment of the liquid crystal in the liquid crystal layer increases, thereby increasing the scattering intensity.

【0027】所望のチルト角を得る方法は、次の方法が
挙げられる。まず、一般に強誘電性液晶のチルト角はス
メックチックC相からA相への相転移温度と密接な関係
に有り、相転移温度が高いほどチルト角が大きくなると
いう関係がある。従って、チルト角の大きい液晶を所望
する場合は、相転移温度の高い液晶を選択することで所
望の値のチルト角を得ることができる。また、チルト角
の異なった液晶を混合すると、ほとんどの液晶の場合、
加成性が成り立つので、混合割合を調節することにより
所望の値のチルト角を得ることができる。なお、所望の
チルト角を得る方法は、上記2方法に限らず、公知の調
節方法をいずれも使用することができる。
The following method can be used to obtain a desired tilt angle. First, in general, the tilt angle of a ferroelectric liquid crystal is closely related to the phase transition temperature from the smectic C phase to the A phase, and the higher the phase transition temperature, the larger the tilt angle. Therefore, when a liquid crystal having a large tilt angle is desired, a liquid crystal having a high phase transition temperature can be selected to obtain a desired tilt angle. Also, if liquid crystals with different tilt angles are mixed, most liquid crystals
Since the additivity is satisfied, a desired value of the tilt angle can be obtained by adjusting the mixing ratio. The method for obtaining the desired tilt angle is not limited to the above two methods, and any known adjustment method can be used.

【0028】以上の構成からなるこの発明の液晶厚膜セ
ル型光変調器は、可視光と赤外線(光)の両光について
高い変調度を持ち応答速度が早く高周波数での変調を可
能とするので、受光器のチョッパーとして、光計測装
置、ガス成分分析装置、赤外線検知装置、非接触温度
計、調理器の温度センサに好適に利用できる。
The liquid crystal thick film cell type optical modulator of the present invention having the above-described structure has a high degree of modulation for both visible light and infrared (light) light, has a fast response speed, and enables high-frequency modulation. Therefore, it can be suitably used as an optical measurement device, a gas component analysis device, an infrared detection device, a non-contact thermometer, and a temperature sensor of a cooking device as a chopper of a light receiver.

【0029】[0029]

【実施例】以下、図に示す実施例及びその基本構成につ
いて説明する。まず図1において液晶厚膜セル型光変調
器1は、対向する1対の電極板2・3の間に強誘電性液
晶4を封入してなる厚膜セル8と、この厚膜セルの両電
極板2・3にパルス電圧を印加する電圧印加回路7とか
らなる。なお、5・6は厚膜セルギャップを決めるスペ
ーサである。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention; First, in FIG. 1, a liquid crystal thick-film cell type optical modulator 1 comprises a thick-film cell 8 in which a ferroelectric liquid crystal 4 is sealed between a pair of opposed electrode plates 2 and 3, and both of the thick-film cell. A voltage application circuit 7 for applying a pulse voltage to the electrode plates 2 and 3. Reference numerals 5 and 6 denote spacers for determining a thick film cell gap.

【0030】さて電圧印加回路7は、両電極板2・3
に、電圧波形が正・負極について対称ではなく、非対称
のパルス電圧を印加する。非対称の程度、つまりデュテ
イ比(1サイクル時間を100とする正極波時間)は5
5〜75%である。なお、強誘電性液晶セルに直流(正
・負どちらの極性でもいい。ここでは正の状態とする)
正電場が印加されるときその液晶は単一方向(プラス
側)に整列し光学的に透明状態をつくっている。そこで
極性を瞬間的(強誘電性液晶の一般的な応答速度μse
cオーダーより急峻な立ち上がり時間であればよい)に
反転させると液晶はその電場の変化に追従できないので
バラバラに動きだし巨視的にみると乱流を生じ光散乱状
態ができあがる。この散乱芽の成長の途中段階で十分な
散乱が得られるので、その液晶がもう一方の単一方向
(マイナス側)に整列する前にもと(プラス側)に引き
戻してやれば液晶はすばやく整列することができて結果
的に散乱状態から透明状態への回復時間が速くなる。こ
れは結局変調する場合にはパルス波のデュテイ比をかえ
ることによって可能になり、それにより光散乱を誘発す
るに十分な配列の乱れを生じせしめ、かつその乱れから
の回復にも強誘電性応答によって飛躍的に時間の短縮が
可能となる。
The voltage application circuit 7 includes two electrode plates 2 and 3
Then, an asymmetrical pulse voltage whose voltage waveform is not symmetric with respect to the positive and negative electrodes is applied. The degree of asymmetry, that is, the duty ratio (positive wave time with one cycle time being 100) is 5
5 to 75%. In addition, a direct current is applied to the ferroelectric liquid crystal cell (either positive or negative polarity. In this case, a positive state is used).
When a positive electric field is applied, the liquid crystals are aligned in a single direction (positive side) and are optically transparent. Then, the polarity is changed instantaneously (the general response speed μsec of ferroelectric liquid crystal).
When the liquid crystal is inverted to a steep rise time shorter than the c order), the liquid crystal cannot follow the change in the electric field, so that the liquid crystal starts to move scatteredly, and when viewed macroscopically, a turbulent flow is generated and a light scattering state is completed. Sufficient scattering can be obtained during the growth of the scattering buds, so if the liquid crystal is pulled back (plus side) before it is aligned in the other single direction (negative side), the liquid crystal will quickly align. As a result, the recovery time from the scattering state to the transparent state is shortened. This is made possible by altering the duty ratio of the pulse wave when modulating, thereby causing an array disturbance sufficient to induce light scattering and a ferroelectric response to recovery from the disturbance. This can dramatically reduce the time.

【0031】次に、図1に示す液晶厚膜セル型光変調器
1をガス分析器に用いた例を図7に示す。ガス分析器1
1は、被測定ガスセル12とこのセルと並設された基準
ガスセル13と、これらのセル12・13に干渉フィル
ター14を介して光束を供給するハロゲンランプ15
と、両セル12・13を通過した光束を検出する検出器
16(タンタル酸リチウムからなる焦電物質を使用)
と、両セル12・13と検出器16との間に介設された
厚膜セル型変調器としての液晶チョッパ1とから主とし
て構成される。
Next, FIG. 7 shows an example in which the liquid crystal thick film cell type optical modulator 1 shown in FIG. 1 is used for a gas analyzer. Gas analyzer 1
Reference numeral 1 denotes a gas cell 12 to be measured, a reference gas cell 13 juxtaposed with this cell, and a halogen lamp 15 for supplying a luminous flux to these cells 12 and 13 via an interference filter 14.
And a detector 16 for detecting the luminous flux passing through both cells 12 and 13 (using a pyroelectric substance made of lithium tantalate)
And a liquid crystal chopper 1 as a thick film type cell modulator interposed between the cells 12 and 13 and the detector 16.

【0032】液晶チョッパ1は、被測定ガスセル12に
対応した液晶チョッパAと、基準ガスセル13に対応し
た液晶チョッパBとからなり、これらの液晶チョッパA
・Bは別々の厚膜セル型変調器より構成されているが、
一体に構成して用いることもできる。17は被測定ガス
入口、18は被測定ガス出口、19は凸レンズである。
なお、検出器16の検出部を構成する焦電物質表面の電
荷の変化は、光の照射に伴い過渡的に観察されるもので
あるから、検出器への光の照射経路の途中に照射光を通
断するチョッパを上述のごとく配し、過渡的な状態を継
続的に生じさせる必要がある。この焦電物質の最高感度
は比較的高い周波数(数百Hz)で達成でき、これはこ
の発明による液晶セルでのみ可能である。
The liquid crystal chopper 1 comprises a liquid crystal chopper A corresponding to the gas cell 12 to be measured and a liquid crystal chopper B corresponding to the reference gas cell 13.
B is composed of separate thick-film cell modulators,
It can also be used by being integrally configured. Reference numeral 17 denotes a measured gas inlet, 18 denotes a measured gas outlet, and 19 denotes a convex lens.
Since the change in the charge on the surface of the pyroelectric material constituting the detection unit of the detector 16 is observed transiently with the irradiation of light, the change of the irradiation light may occur halfway along the light irradiation path to the detector. It is necessary to arrange the choppers that pass through as described above, and to continuously generate a transient state. The highest sensitivity of this pyroelectric material can be achieved at relatively high frequencies (several hundred Hz), which is only possible with the liquid crystal cell according to the invention.

【0033】次に以上の構成からなるガス分析器11の
動作を簡単に説明する。図7において、ガス分析器11
のハロゲンランプ15から干渉フィルター14を介して
被測定ガスセル12及び基準ガスセル13に供給された
赤外光の光束は、被測定ガス(例:CO2/CO)を通
り、液晶チョッパ1を介して検出器16に至り検出され
る。ここで液晶チョッパ1(チョッパA,B)には、電
圧波形が正・負極について対象ではなく非対称のパルス
電圧を印加する。焦電物質が変調光にのみ感じるので受
光した検出器の最も簡単な信号処理は時間的に交互に
A,Bチョッパを動作させることで可能となる。また
A,Bチョッパを違う周波数でチョッピングしてやるの
で、両方の信号成分を同時にうけ、それを後段回路で各
々の周波数を抽出してやってもよい。
Next, the operation of the gas analyzer 11 having the above configuration will be briefly described. In FIG. 7, the gas analyzer 11
The luminous flux of the infrared light supplied from the halogen lamp 15 to the measured gas cell 12 and the reference gas cell 13 via the interference filter 14 passes through the gas to be measured (eg, CO 2 / CO) and passes through the liquid crystal chopper 1. Detected by the detector 16. Here, to the liquid crystal chopper 1 (choppers A and B), asymmetrical pulse voltages having positive and negative voltage waveforms are applied. Since the pyroelectric substance senses only the modulated light, the simplest signal processing of the detector that has received the light can be performed by operating the A and B choppers alternately in time. Also, since the A and B choppers are chopped at different frequencies, both signal components may be simultaneously received, and the respective components may be extracted by a subsequent circuit.

【0034】実施例1 可視光における特性評価 評価用セルにはITO膜(イオン拡散膜)を表面に形成
したガラス基板を張り合わせることにより作成した。張
り合わせ作業の前に予め綿布により表面を同一方向に擦
る作業(ラビング処理)をして張り合わせた。セルのギ
ャップ制御用にポリエステルのフィルムをスペーサとし
て用いた。実施例としてセルギャップ:100μmを採
用した。セルギャップを厚くするほど散乱強度が大きく
なるが、透明度が落ちる傾向もあるので100μmを選
んだ。セルギャップを変えても本法の効果は得ることが
できる。その後市販の強誘電性液晶材料(メルク社 Z
LI−1013,1011)を充填した。周囲をエポキ
シ接着剤で封止した後、液体状態にするため120℃に
し徐冷することでスメクチックC相をえた。
Example 1 Evaluation of Characteristics in Visible Light An evaluation cell was prepared by laminating a glass substrate having an ITO film (ion diffusion film) formed on its surface. Prior to the laminating operation, the surface was rubbed in advance with the cotton cloth in the same direction (rubbing treatment). A polyester film was used as a spacer for cell gap control. As an example, a cell gap of 100 μm was adopted. As the cell gap increases, the scattering intensity increases, but the transparency tends to decrease, so 100 μm was selected. Even if the cell gap is changed, the effect of the present method can be obtained. After that, a commercially available ferroelectric liquid crystal material (Merck Z
LI-1013, 1011). After the periphery was sealed with an epoxy adhesive, the mixture was gradually cooled to 120 ° C. in order to obtain a liquid state, thereby obtaining a smectic C phase.

【0035】図2は両端に電圧を印加し(印加電圧±4
00V)液晶セルを駆動させた時の結果である。He−
Neレーザを光源としフォトダイオードにより変調光を
検出した。パラメータとしてパルス波のデュテイ比(1
サイクル時間を100として正極波時間の割合)を変え
た。1−aは従来の方法により電圧を印加した場合であ
る(デュテイ比50%)。回復時間が遅いために500
Hzの反転にほとんど追従できないことを示している。
1−b,c,d,e,fは本法によるもので散乱状態か
らの回復応答が速くなり反転に追従していることがわか
る。特にデュテイ比(55〜75%、殊に65〜75
%))のとき変調度が最大となっている。この最適デュ
テイ条件は変調周波数によって変わるが55〜75%が
好ましく、殊に65〜75%が好ましい結果となってい
る。
FIG. 2 shows that a voltage is applied to both ends (applied voltage ± 4
00V) The result when the liquid crystal cell was driven. He-
Modulated light was detected by a photodiode using a Ne laser as a light source. The duty ratio of the pulse wave (1
The cycle time was set to 100, and the ratio of the positive electrode wave time) was changed. 1-a is a case where a voltage is applied by a conventional method (duty ratio 50%). 500 due to slow recovery time
This shows that almost no inversion of Hz can be followed.
1-b, c, d, e, and f are based on the present method, and it can be seen that the recovery response from the scattering state is faster and follows the inversion. Especially duty ratio (55-75%, especially 65-75%)
%)), The degree of modulation is maximum. Although the optimum duty condition varies depending on the modulation frequency, it is preferably 55 to 75%, and particularly preferably 65 to 75%.

【0036】図3は本法によって評価した変調器の周波
数特性を示している。従来の厚膜セルの限界周波数が格
段に向上したことをしめしている。 実施例2 赤外光における特性評価 両面鏡面研磨されたシリコン基板(8〜40Ωcm)を2
0mm角のサイズにカットしたものを張り合わせることで
シリコンセルとした。この基板自身が両電極の機能をな
す。基板の一部にリード線取り出し用のラウンドを形成
するための金蒸着がほどこされている。またセルの両外
面には5μmの赤外線を十分透過させるための無反射コ
ーティング処理がなされている。使用目的に応じていろ
いろな波長に合わせて無反射コーティング処理をほどこ
せばよくガス分析用に上記無反射コーティング処理を
し、また人体(有無)検知用または放射温度計測用とし
て10μmの赤外線で評価を行った。このシリコン基板
には無反射コーティング膜を擦る作業によりラビング処
理してある。セルギャップは100μmとなるようにス
ペーサとしてのポリエステルフィルムをセルの片面基板
上に液晶充填部分を設けるようにしてエポキシ接着剤に
て固定した。張り合わせたシリコン基板間に液晶(実施
例1と同様の成分)を充填し実施例1の特性評価と同様
の温度降下条件で作成して液晶セルとした。
FIG. 3 shows the frequency characteristics of the modulator evaluated by the present method. This indicates that the limit frequency of the conventional thick film cell has been significantly improved. Example 2 Evaluation of Characteristics in Infrared Light A silicon substrate (8 to 40 Ωcm) polished on both sides was mirror-polished.
A silicon cell was obtained by laminating pieces cut to a size of 0 mm square. The substrate itself functions as both electrodes. Gold deposition is performed on a part of the substrate to form a round for extracting lead wires. Both outer surfaces of the cell are coated with an anti-reflection coating to sufficiently transmit 5 μm infrared rays. The anti-reflection coating can be applied to various wavelengths according to the purpose of use. The anti-reflection coating is applied for gas analysis, and the infrared ray of 10 μm is used for human body (presence or absence) detection or radiation temperature measurement. Was done. The silicon substrate has been rubbed by rubbing the anti-reflection coating film. A polyester film as a spacer was fixed with an epoxy adhesive so that a liquid crystal-filled portion was provided on a single-sided substrate of the cell so that the cell gap was 100 μm. A liquid crystal (the same component as in Example 1) was filled between the bonded silicon substrates, and a liquid crystal cell was prepared under the same temperature drop condition as the characteristic evaluation in Example 1.

【0037】変調度は約70〜50%程度であった。図
4は波長5μmの赤外線を十分透過させるための無反射
コーティング処理をしたセルを用いたときの変調の様子
を示している。 実施例3 評価用セルにはITO膜(透明導電膜)を表面に形成し
たガラス基板を張り合わせることにより作成した。張り
合わせ作業の前に予め綿布により表面に同一方向に掃く
表面処理(ラビング処理)をし、同一方向に張り合わせ
た。セルギャップ制御用にポリエステルのフィルムをス
ペーサとして用いた。実施例3としてセルギャップ:1
00μmを採用した。
The degree of modulation was about 70 to 50%. FIG. 4 shows a state of modulation when a cell which has been subjected to an anti-reflection coating process for sufficiently transmitting infrared rays having a wavelength of 5 μm is used. Example 3 An evaluation cell was prepared by laminating a glass substrate having an ITO film (transparent conductive film) formed on the surface thereof. Before the laminating operation, a surface treatment (rubbing treatment) was performed on the surface with a cotton cloth in the same direction in advance, and the surfaces were laminated in the same direction. A polyester film was used as a spacer for controlling the cell gap. Cell gap as Example 3: 1
00 μm was adopted.

【0038】セルギャップを厚くするほど散乱強度が大
きくなるが、透明度が落ちる傾向もあるので100μm
を選んだ。ギャップを変えても本法の効果は得ることが
できる。その後市販の強誘電性液晶材料(メルク社ZL
I−1013、1011)を充填した。周囲をエポキシ
接着剤で封止した後、液体状態にするため120℃にし
徐冷することでスメクチックC相を得た。
Although the scattering intensity increases as the cell gap increases, the transparency tends to decrease.
I chose. The effect of this method can be obtained even if the gap is changed. Thereafter, a commercially available ferroelectric liquid crystal material (Merck ZL)
I-1013, 1011). After the periphery was sealed with an epoxy adhesive, the mixture was gradually cooled to 120 ° C. in order to obtain a liquid state, thereby obtaining a smectic C phase.

【0039】図5は電極板の両端に電圧を印加し(印加
電圧80VP−P)液晶セルを駆動させた時の効果であ
る。He−Neレーザを光源としフォトダイオードによ
り変調光を検出した。パラメータとして矩形波にかかる
バイアス電圧を変えてみた(0V、10V、20V)。
2−(a)は従来の方法により電圧を印加した場合であ
る(0V)。回復時間(応答速度)が遅いために透過状
態(図の100%ライン)までもどりきらず、ほとんど
追従せず結果的に変調度がきわめて小さくなる。2−
(b)、−(c)は本法によるもので散乱状態からの回
復応答が速くなり反転に追従していることがわかる。特
にバイアス直流電圧が10〜15Vの時変調度が最も大
きくなった。この最適バイアス電圧印加条件は印加矩形
波電圧の振幅に相当する値の20〜50%に対応してお
り、結局これが好ましい結果を得るための条件となる。
FIG. 5 shows the effect when a voltage is applied to both ends of the electrode plate (applied voltage: 80 VP-P) to drive the liquid crystal cell. Modulated light was detected by a photodiode using a He-Ne laser as a light source. The bias voltage applied to the rectangular wave was changed as a parameter (0 V, 10 V, 20 V).
2- (a) is a case where a voltage is applied by a conventional method (0 V). Since the recovery time (response speed) is slow, it does not return to the transmission state (100% line in the drawing), does not substantially follow, and consequently the degree of modulation is extremely small. 2-
(B) and-(c) are based on the present method, and it can be seen that the recovery response from the scattering state is faster and follows the inversion. In particular, when the bias DC voltage was 10 to 15 V, the degree of modulation was largest. The optimum bias voltage application condition corresponds to 20 to 50% of a value corresponding to the amplitude of the applied rectangular wave voltage, and this is eventually a condition for obtaining a preferable result.

【0040】なお、強誘電性液晶セルに直流(正・負ど
ちらの極性でもいい。ここでは正の状態とする)正電場
が印加されるときその液晶は単一方向(プラス側)に整
列し光学的に透明状態をつくっている。そこでバイアス
直流電圧の大きさを極性に対応して交互に切換えると、
液晶はその電場の変化に追従できないのでバラバラに動
きだし巨視的にみると乱流を生じ光散乱状態ができあが
る。この散乱芽の成長の途中段階で十分な散乱が得られ
るので、その液晶がもう一方の単一方向(マイナス側)
に整列する前にもと(プラス側)に引き戻してやれば液
晶はすばやく整列することができて結果的に散乱状態か
ら透明状態への回復時間が速くなるためバイアスによっ
て片側の電圧はもう一方の単一方向に整列するに足るだ
けの電界が、液晶が受けないためもと(プラス側)に引
き戻されやすくなっている。
When a direct current (either positive or negative polarity; here, a positive state) is applied to the ferroelectric liquid crystal cell, the liquid crystals are aligned in a single direction (positive side). It is optically transparent. Therefore, when the magnitude of the bias DC voltage is alternately switched according to the polarity,
Since the liquid crystal cannot follow the change in the electric field, the liquid crystal starts to move in a random manner, and when viewed macroscopically, a turbulent flow is generated and a light scattering state is completed. Sufficient scattering is obtained in the middle of the growth of the scattering buds, so that the liquid crystal is in the other single direction (minus side).
If the liquid crystal is pulled back (positive side) before it is aligned, the liquid crystal can be quickly aligned, and as a result, the recovery time from the scattering state to the transparent state becomes faster, so that the voltage on one side is biased and the voltage on the other side is increased. An electric field sufficient to align in a single direction is easily returned to the original (plus side) because the liquid crystal does not receive it.

【0041】本法によりその周波数特性の改善から従来
の厚膜セルの限界周波数を格段に向上させることが可能
となった。 実施例4 赤外光(波長5μm)における同様の特性評価を行った
ところ、図6のような良好な結果を得ることができた。
セルの作成条件は実施例1と同様である。
According to the present method, the limit frequency of the conventional thick film cell can be remarkably improved from the improvement of the frequency characteristic. Example 4 When similar characteristics were evaluated with infrared light (wavelength: 5 μm), good results as shown in FIG. 6 could be obtained.
The conditions for forming the cells are the same as in the first embodiment.

【0042】実施例5 一般にコレステリック(ネマチックカイラル)相のヘリ
カルピッチが上昇すると、それに伴いスメクチックC相
のヘリカルピッチの上昇が生じる傾向があるので、変調
度を向上さすには相乗効果を期待することができる。ま
た、一般に自発分極値が極端に小さくなると液晶は動き
にくくなる。この実施例に使用した強誘電性液晶の物性
値を表1に示した。
Example 5 In general, when the helical pitch of the cholesteric (nematic chiral) phase increases, the helical pitch of the smectic C phase tends to increase. Can be. In general, when the spontaneous polarization value becomes extremely small, the liquid crystal becomes difficult to move. Table 1 shows the physical property values of the ferroelectric liquid crystal used in this example.

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】表1の強誘電性液晶は、ヘリカルピッチの
上昇とともに、自発分極値は下降する傾向にある。この
表1の中で最も自発分極値の小さい強誘電性液晶(液晶
F)の変調度を測定したところ、良好な測定値が得られ
た。更に、表1の強誘電性液晶を使用して、波長5μm
の中赤外線に対する変調度を測定した結果を図7に示し
た。測定に使用した液晶厚膜セル型光変調器は図8に示
した。図中2及び3は比抵抗20Ωcm、厚さ400μ
mのシリコン基板からなる電極板、4は強誘電性液晶、
5及び6は厚さ100μmのスペーサ(即ち100μm
のセルギャップ)、8はリード線、9は波長5μm用の
反射防止膜をそれぞれ示している。
In the ferroelectric liquid crystal of Table 1, the spontaneous polarization value tends to decrease as the helical pitch increases. When the degree of modulation of the ferroelectric liquid crystal (liquid crystal F) having the smallest spontaneous polarization value in Table 1 was measured, a good measured value was obtained. Further, using the ferroelectric liquid crystal of Table 1, a wavelength of 5 μm
FIG. 7 shows the result of measuring the degree of modulation for mid-infrared rays. FIG. 8 shows the liquid crystal thick film cell type light modulator used for the measurement. In the figure, 2 and 3 indicate a specific resistance of 20 Ωcm and a thickness of 400 μm.
m, an electrode plate made of a silicon substrate, 4 is a ferroelectric liquid crystal,
5 and 6 are 100 μm thick spacers (ie, 100 μm
, 8 denotes a lead wire, and 9 denotes an antireflection film for a wavelength of 5 μm.

【0045】また、波長2μmの中赤外線に対する変調
度を測定した結果を図9に示した。図中、○は明状態の
透過率(%)、×は変調度、△は光散乱状態の透過率
(%)をそれぞれ示している。測定に使用した液晶厚膜
セル型光変調器は図10に示した。図中2及び3はIT
Oからなる電極板、4は強誘電性液晶、5及び6は厚さ
100μmのスペーサ、8はリード線、10は厚さ1m
mの石英基板をそれぞれ示している。
FIG. 9 shows the result of measuring the degree of modulation for mid-infrared light at a wavelength of 2 μm. In the drawing, ○ indicates the transmittance (%) in the bright state, X indicates the degree of modulation, and △ indicates the transmittance (%) in the light scattering state. FIG. 10 shows the liquid crystal thick film cell type light modulator used for the measurement. 2 and 3 are IT
An electrode plate made of O, 4 is a ferroelectric liquid crystal, 5 and 6 are spacers having a thickness of 100 μm, 8 is a lead wire, and 10 is a 1 m thickness.
m quartz substrates are shown.

【0046】なお、駆動条件は、図4の1−gに示す条
件とした。図7及び9から判るように、いずれの波長に
おいても変調度は、ヘリカルピッチとセルギャップとの
両方に強く依存していることが判った。 実施例6 図8の液晶厚膜セル型光変調器をスペーサ5及び6の厚
さを変えることによりセルギャップを変化させ、波長2
μmの近赤外線を使用した場合の変調度を測定し、その
結果を図11に示した。なお、駆動条件は、図4の1−
gに示す条件とした。
The driving conditions were the conditions shown by 1-g in FIG. As can be seen from FIGS. 7 and 9, at any wavelength, the degree of modulation strongly depends on both the helical pitch and the cell gap. Example 6 The cell gap was changed by changing the thickness of the spacers 5 and 6 in the liquid crystal thick film cell type optical modulator of FIG.
The modulation was measured when near-infrared light of μm was used, and the results are shown in FIG. Note that the driving conditions are as shown in FIG.
g.

【0047】図11から判るように、セルギャップが同
一の光変調器では、ヘリカルピッチがセルギャップの
0.7〜0.95倍のときに変調度がピークを示してい
る。また、セルギャップが100μmの時に最大の変調
度を示している。
As can be seen from FIG. 11, in the optical modulator having the same cell gap, the modulation degree shows a peak when the helical pitch is 0.7 to 0.95 times the cell gap. The maximum modulation is shown when the cell gap is 100 μm.

【0048】実施例7 この実施例では、チルト角と変調度の関係について調べ
る。この発明に使用できる強誘電性液晶の物性値を表2
に示した。
Embodiment 7 In this embodiment, the relationship between the tilt angle and the modulation is examined. Table 2 shows the physical properties of the ferroelectric liquid crystal that can be used in the present invention.
It was shown to.

【0049】[0049]

【表2】 [Table 2]

【0050】上記表2の強誘電性液晶のうち、n,q及
びtを使用して、光学バンドパスフィルタを使用するこ
とによる波長10μmの遠赤外線に対する変調度を測定
した結果を図12に示した。図中、Aはチルト角15.
2(液晶n)、Bはチルト角23.4(液晶q)、Cチ
ルト角29.5(液晶t)の場合を示している。また、
チルト角の効果を示すため他の物性値はほぼ同等のもの
を使用した。ここで、図12の縦軸は、光量測定に使用
した焦電タイプの赤外線センサーからの出力(mV)を
表している。この出力は、変調度に対応し、出力が大き
ければ変調度も高いことを意味する。なお、変調度は下
記式により計算される: 変調度(%)=(ION−IOFF )/I0 (式中、I0 は液晶セルに入射する光量を、IONは液晶
セルが開いたときに出射される光量を、IOFF は液晶セ
ルが閉じたときに出射される光量を示している。)。
FIG. 12 shows the results of measuring the modulation of far-infrared rays having a wavelength of 10 μm by using an optical band-pass filter using n, q, and t among the ferroelectric liquid crystals shown in Table 2 above. Was. In the figure, A is the tilt angle 15.
2 (liquid crystal n) and B show the case where the tilt angle is 23.4 (liquid crystal q) and the C tilt angle is 29.5 (liquid crystal t). Also,
In order to show the effect of the tilt angle, other physical properties were used. Here, the vertical axis in FIG. 12 represents the output (mV) from the pyroelectric infrared sensor used for the light quantity measurement. This output corresponds to the degree of modulation, and the higher the output, the higher the degree of modulation. The degree of modulation is calculated by the following equation: degree of modulation (%) = (I ON −I OFF ) / I 0 (where I 0 is the amount of light incident on the liquid crystal cell, and I ON is the open state of the liquid crystal cell. , And I OFF indicates the amount of light emitted when the liquid crystal cell is closed.)

【0051】上記測定において、液晶セルの駆動条件は
デューティ比63%、周波数40Hzの方形波とし、光
源には黒体炉(1000K)を使用した。測定に使用し
た液晶厚膜セル型変調器は、図8に示す如き構成で、P
タイプのシリコン基板を使用し、90μmのセルギャッ
プ、反射防止膜として波長10μm用のものを使用し
た。図12から明らかなように、チルト角が大きくなれ
ばなるほど、強い光散乱強度が得られ、変調度が著しく
増大することが判った。
In the above measurement, the driving condition of the liquid crystal cell was a square wave having a duty ratio of 63% and a frequency of 40 Hz, and a black body furnace (1000K) was used as a light source. The liquid crystal thick film cell type modulator used for the measurement has a configuration as shown in FIG.
A 90 μm cell gap and an antireflection film for a wavelength of 10 μm were used. As is clear from FIG. 12, it was found that the larger the tilt angle, the higher the light scattering intensity was obtained, and the degree of modulation was significantly increased.

【0052】実施例8 図13に示す如き液晶厚膜セルを形成した。なお、電極
板(2,3)としてP型のシリコン単結晶板を用い、外
側の反射防止膜11として屈折率1.84、膜厚680
0ÅのMgOを使用し、内側の反射防止膜12は、Mg
Oに金属を数重量%添加することにより、100KΩ/
cm2 のシート抵抗の導電性を有する反射防止膜とし
た。また、強誘電性液晶4はチッソ石油化学社製を使用
した。上記、厚膜セルの光量測定には、焦電型の赤外線
のセンサーを使用し、厚さ5μm、最大透過率66.5
%で半値幅367nmの光学バンドパスフィルターを使
用して5μmの波長帯の変調度の径時変化を測定し、結
果を図14のcに示した。なお、変調度は上記実施例7
に記載した方法で計算した。更に、比較として図13の
厚膜セルにおいて、内側の反射防止膜を外側と同じにす
ること以外は上記と同様に変調度の径時変化を測定し、
結果を図14aに示した。また、内側の反射防止膜を形
成しない厚膜セルも上記と同様に変調度の径時変化を測
定し、結果を図14bに示した。図14から明らかなよ
うに、この発明の液晶厚膜セルは、他のセルに比べて径
時変化がほとんどなく、安定度の高い光変調器であっ
た。
Example 8 A liquid crystal thick film cell as shown in FIG. 13 was formed. Note that a P-type silicon single crystal plate was used as the electrode plates (2, 3), and the outer antireflection film 11 had a refractive index of 1.84 and a film thickness of 680.
0 ° MgO is used, and the inner antireflection film 12 is made of MgO.
By adding several weight% of metal to O, 100KΩ /
An anti-reflection film having a sheet resistance of cm 2 and conductivity was used. The ferroelectric liquid crystal 4 was manufactured by Chisso Petrochemical Company. For measuring the light quantity of the thick film cell, a pyroelectric infrared sensor is used, and the thickness is 5 μm and the maximum transmittance is 66.5.
Using an optical band-pass filter having a half-value width of 367 nm in%, the change with time of the modulation degree in the wavelength band of 5 μm was measured, and the results are shown in FIG. 14C. The degree of modulation was determined according to Example 7 above.
Calculated by the method described in (1). Further, as a comparison, in the thick film cell of FIG. 13, the time-dependent change of the modulation degree was measured in the same manner as described above except that the inner antireflection film was the same as the outer one,
The results are shown in FIG. 14a. Further, the time-dependent change of the modulation degree was measured for the thick film cell in which the inner antireflection film was not formed in the same manner as described above, and the result is shown in FIG. 14B. As is clear from FIG. 14, the liquid crystal thick film cell of the present invention was an optical modulator having little change with time and a high stability as compared with other cells.

【0053】[0053]

【発明の効果】この発明によれば、両電極板に対して電
圧波形が正・負極についてデュテイ比が非対称のパルス
電圧(好ましくはデュティ比55〜75%)を印加する
ことによって、可視光と赤外線の両光で高い変調度を得
ることができると共に、高い応答速度で高周波数での変
調を可能にする。更に両電極板に対してバイアス直流電
圧に矩形波電圧が重畳された電圧(20〜50%)を印
加しても同様の効果が得られる。
According to the present invention, by applying a pulse voltage (preferably a duty ratio of 55 to 75%) having an asymmetrical duty ratio between the positive and negative electrode voltage waveforms to both electrode plates, a visible light and a negative light are applied. A high degree of modulation can be obtained with both infrared rays, and modulation at a high frequency with a high response speed is enabled. Further, the same effect can be obtained by applying a voltage (20 to 50%) in which a rectangular wave voltage is superimposed on a bias DC voltage to both electrode plates.

【0054】また、対向する1対の電極板の間に強誘電
性液晶を封入してなる厚膜セルと、この厚膜セルの両電
極板への電圧印加手段とからなり、この厚膜セルのセル
ギャップが50μm以上で、封入される強誘電性液晶
が、前記セルギャップの0.7〜0.95倍の長さのス
メクチックC相でのヘリカルピッチを示すものである液
晶厚膜セル型光変調器を使用することにより、可視光と
赤外線の両方で高い変調度を得ることができる。
The thick film cell comprises a ferroelectric liquid crystal sealed between a pair of opposing electrode plates, and means for applying voltage to both electrode plates of the thick film cell. A liquid crystal thick-film cell-type light modulation device in which a ferroelectric liquid crystal having a gap of 50 μm or more and exhibiting a helical pitch in a smectic C phase having a length of 0.7 to 0.95 times the cell gap. The use of a detector makes it possible to obtain a high degree of modulation in both visible light and infrared light.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明に係る液晶厚膜セル型光変調器の基本
構成例を示す構成説明図である。
FIG. 1 is a configuration explanatory view showing a basic configuration example of a liquid crystal thick film cell type optical modulator according to the present invention.

【図2】両電極板に印加した電圧波形と検出変調度との
関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a voltage waveform applied to both electrode plates and a detection modulation degree.

【図3】この発明の液晶厚膜セル型光変調器の駆動方法
の周波数特性を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing frequency characteristics of a driving method of the liquid crystal thick film cell type optical modulator of the present invention.

【図4】同じく変調波形を示すグラフである。FIG. 4 is a graph similarly showing a modulation waveform.

【図5】実施例3に対応して両電極に印加した電圧波形
と検出変調度との関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a voltage waveform applied to both electrodes and a detection modulation degree according to the third embodiment.

【図6】実施例4に対応した図5相当グラフである。FIG. 6 is a graph corresponding to FIG. 5 corresponding to the fourth embodiment.

【図7】この発明のヘリカルピッチと変調度の関係を示
すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a helical pitch and a modulation degree according to the present invention.

【図8】図7の測定に使用した液晶厚膜セル型光変調器
の概略断面図である。
8 is a schematic sectional view of a liquid crystal thick film cell type optical modulator used for the measurement of FIG. 7;

【図9】この発明のヘリカルピッチと、明状態の透過
率、光散乱状態の透過率及び変調度の関係を示すグラフ
である。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the helical pitch of the present invention and the transmittance in a bright state, the transmittance in a light scattering state, and the degree of modulation.

【図10】図7の測定に使用した液晶厚膜セル型光変調
器の概略断面図である。
10 is a schematic sectional view of a liquid crystal thick film cell type light modulator used for the measurement of FIG. 7;

【図11】セルギャップ及びヘリカルピッチと変調度と
の関係を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing a relationship between a cell gap, a helical pitch, and a modulation factor.

【図12】種々のチルト角における駆動電圧と変調度と
の関係を示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing a relationship between a drive voltage and a modulation factor at various tilt angles.

【図13】この発明に係る液晶厚膜セル型光変調器の構
成例を示す構成説明図である。
FIG. 13 is a configuration explanatory view showing a configuration example of a liquid crystal thick film cell type optical modulator according to the present invention.

【図14】変調度の径時変化を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing a temporal change of a modulation factor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 液晶厚膜セル型光変調器 2,3 電極板 4 強誘電性液晶 5,6 スペーサ 7 電圧印加回路 8 リード線 9 反射防止膜 10 石英基板 11 外側の反射防止膜 12 内側の反射防止膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Liquid crystal thick film cell type optical modulator 2, 3 Electrode plate 4 Ferroelectric liquid crystal 5, 6 Spacer 7 Voltage application circuit 8 Lead wire 9 Antireflection film 10 Quartz substrate 11 Outer antireflection film 12 Inner antireflection film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−135808(JP,A) 特開 昭58−173719(JP,A) 特開 昭58−179890(JP,A) 特開 昭62−28717(JP,A) 特開 昭63−301926(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/133 G02F 1/13 505 G02F 1/137 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-62-135808 (JP, A) JP-A-58-173719 (JP, A) JP-A-58-179890 (JP, A) JP-A 62-135890 28717 (JP, A) JP-A-63-301926 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G02F 1/133 G02F 1/13 505 G02F 1/137

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 対向する1対の電極板の間に強誘電性液
晶を封入してなる厚膜セルと、この厚膜セルの両電極板
への電圧印加手段とからなり、該電圧印加手段により
正・負極に強誘電性液晶が2つの極性のうち一方に整列
する前にもとの極性に引き戻しうる非対称のデュティ比
を有する電圧波形のパルス電圧を印加して強誘電性液晶
を駆動させることからなる液晶厚膜セル型光変調器。
1. A thick-film cell in which a ferroelectric liquid crystal is sealed between a pair of opposing electrode plates, and voltage applying means for applying voltage to both electrode plates of the thick-film cell .
Ferroelectric liquid crystal aligned to one of two polarities for positive and negative electrodes
Asymmetric duty ratio that can be returned to the original polarity before
A liquid crystal thick film cell type optical modulator comprising driving a ferroelectric liquid crystal by applying a pulse voltage having a voltage waveform having the following .
【請求項2】 対向する1対の電極板の間に強誘電性液
晶を封入してなる厚膜セルと、この厚膜セルの両電極板
への電圧印加手段とからなり、該電圧印加手段により、
バイアス直流電圧に矩形波電圧が重畳され、強誘電性液
晶が2つの極性のうち一方に整列する前にもとの極性に
引き戻しうる非対称のデュティ比を有する波形の電圧を
印加して強誘電性液晶を駆動させることからなる液晶厚
膜セル型光変調器。
2. A thick film cell in which a ferroelectric liquid crystal is sealed between a pair of opposing electrode plates, and voltage applying means for applying voltage to both electrode plates of the thick film cell.
A rectangular wave voltage is superimposed on the bias DC voltage, and the ferroelectric liquid
Before the crystal aligns with one of the two polarities,
A liquid crystal thick film cell type optical modulator comprising driving a ferroelectric liquid crystal by applying a voltage having a waveform having an asymmetric duty ratio that can be pulled back .
【請求項3】 対向する1対の電極板の間に強誘電性液
晶を封入してなる厚膜セルと、この厚膜セルの両電極板
への電圧印加手段とからなり、この厚膜セルのセルギャ
ップが50μm以上で、封入される強誘電性液晶が、セ
ルギャップの0.7〜0.95倍の長さのスメクチック
C層でのヘリカルピッチを示すものであり、強誘電性液
晶が2つの極性のうち一方に整列する前にもとの極性に
引き戻しうる非対称のデュティ比を有する波形の電圧を
印加して強誘電性液晶を駆動させることからなる液晶厚
膜セル型光変調器。
3. A thick-film cell comprising a ferroelectric liquid crystal sealed between a pair of opposing electrode plates, and means for applying voltage to both electrode plates of the thick-film cell. in gap 50μm or more, the ferroelectric liquid crystal to be sealed is state, and are not showing a helical pitch of at 0.7 to 0.95 times the length smectic C layer of the cell gap, a ferroelectric liquid
Before the crystal aligns with one of the two polarities,
A voltage with a waveform with an asymmetrical duty ratio that can be pulled back
The liquid crystal thick cell light modulator ing from driving the applied to the ferroelectric liquid crystal.
【請求項4】 スメクチックC層のチルト角が15°以
上である請求項3記載の液晶厚膜セル型光変調器。
4. The liquid crystal thick film cell type optical modulator according to claim 3, wherein the tilt angle of the smectic C layer is 15 ° or more.
【請求項5】 チルト角が20°以上である請求項4記
載の液晶厚膜セル型光変調器。
5. The liquid crystal thick film cell type optical modulator according to claim 4, wherein the tilt angle is 20 ° or more.
【請求項6】 電極板の両面に反射防止膜が形成されて
なり、対向面側の反射防止膜が導電性物質よりなること
を特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の液晶
厚膜セル型光変調器。
6. The electrode according to claim 1, wherein an anti-reflection film is formed on both surfaces of the electrode plate, and the anti-reflection film on the opposing surface is made of a conductive material. Liquid crystal thick film cell type light modulator.
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