DE2112961A1

DE2112961A1 - Elektro-optischer Fluessigkristall-Modulator

Info

Publication number: DE2112961A1
Application number: DE19712112961
Authority: DE
Inventors: Georges Assouline; Michel Hareng; Eugene Leiba
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1970-03-17
Filing date: 1971-03-17
Publication date: 1971-10-07
Also published as: GB1350627A; CH522234A; DE2112961C2; FR2082477A5; NL7103402A; US3718381A; CA929612A

Description

Uti3er Zeichen: T 1002

I¹HOMSON-GSi¹

101 Bd.Murat, Paris 16eme, Frankreich

. Elektro-optischer Flüssigkristall-Modulator

Die Erfindung bezieht sich auf elektro-optische Vorrichtungen, die eine Flüssigkristallzelle enthalten, deren Moleküle in der Lage sind, ein Lichtbündel optisch zu modulieren, wenn an die Zelle eine elektrische Spannung zur Störung der Ausrichtung der Moleküle angelegt wird. Vorrichtungen dieser Art werden insbesondere als optische Diffusoren oder auch als optische Anzeigeelemente für eine elektrische Größe verwendet.

Die von eine Flüssigkristallzelle entlang dem normalen Lichtweg übertragene Lichtoienge fällt merklich ab, wenn man an diese Zelle eine Gleichspannung oder Wechselspannung anlegt, deren Amplitude eine bestimmte Spannungsqelle überschreitet. Wenn man diese Spannung zu Null macht, stellt man fest, daß die Zelle ihren Zustand der Transparenz oder Spiegelreflexion verhältnismäßig langsam wieder gewinnt. Diese Erscheinung einer langsamen Erholung ist unangenehm, denn sie verhindert eine schnelle Modulation des optischen Tran3misaionsv3?mögens einer Flüssigkristallzelle.

Zur Verminderung dieses Nachteils ist es bekannt, den Flüssigkristall dauernd der Wirkung eines kontinuierlichen

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elektrischen oder magnsbischen Felds auszusetzen, damit die Moleküle des Flüssigkristalls sich schneller wieder ausrichten, sobald die Steuerspannung unter die Spannungsschwelle fällt, bei der die Störung derAuarichtung eintritt. Diese Lösungen sind aber verhältnismäßig kompliziert, 'denn es ist erforderlich, die Flüssigkristallzelle mit zusätzlichen Elektroden zu versehen oder mit einem starken Magnet zu umgeben.

Nach der Erfindung ist ein elektro-optischer Flüssigkristall-Modulator mit zwei leitenden, lichtdurchlässigen Elektroden, die zur Bildung einer Modulatorzelle durch eine Schicht des Flüssigkristalle voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulatorzelle eine Generatoranordnung zugeordnet ist, die zu ^;d-en Elektroden eine Wechselspannung liefert, deren Amplitude die GIeichspannungsschellß übersteigt, welche die Störung der molekularen Ausrichtung des Flüssigkristalls verursacht, daß eine elektrische Anordnung vorgesehen ist, welche die Störung der molekularen Ausrichtung unter der Wirkung eines an die Steuerklemmen des Modulators angelegten elektrischen Signals hervorruft, und daß die Frequenz der Wechselspannung über der Frequenzschwelle liegt, bei welcher die Amplitude die Störung der molekularen Ausrichtung bei Fehlen des Signals noch hervorrufen kann.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben ..Darin zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines elektro-optischen Diffusionsmodulators nach der Erfindung,

Fig.2 eine Abänderung der Ausführungaform von Fig.1 ,

Fig.3 eine zweite Änderung der Ausführungsform von Fig.1 und

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Pig.4 eine Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Fig.1 zeigt das Schema eines elektro-optis ehe η!DIffu3ioBS-modulators nach der Erfindung. Eine Lichtquelle 1 beleuchtet eine streuende Zelle, die durch zwei lichtdurchlässige Platten 2 und 3 gebildet ist, die an einem Träger 4 befestigt sind. Die Innenflächen der Platten 2 und 3 sind leicht metallisiert, damit sie leitend sind, aber dennoch eine gute !Lichtdurchlässigkeit aufweisen. Sie bilden die Elektroden 5 und 7, die in Kontakt mit dem Flüssigkristall 5 stehen, der das Innere der Zelle erfüllt. Der Flüssigkristall 5 befindet sich in der nematischen Phase. Die Elektrode 6 ist an eine elektrische Spannungsquelle 7 angeschlossen, welche das Steuersignal für den Modulator liefert. Die Elektrode 7 *

ist mit einem Wechselspannungsgenerator 13 verbunden. Ein Entkopplungsglied 12 kann zur Entkopplung der Eingangsklemmen de3 Modulators gegenüber dem Generator 13 vorgesehen sein.

Wenn an den Klemmen 6 und 7 keine Spannung vorhanden ist, können sich die Moleküle des Flüssigkristalls 5 in Bezug auf die Innenflächen der Platten 2 und 3 so ausrichten, daß sie das von der Quelle 1 kommende Licht nicht streuen. Wenn man zwischen diesen Elektroden 6 und 7 eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung anlegt, stellt man fest, daß von einer bestimmten Spannungsschwelle an die molekulare λ

Ausrichtung merklich gestört wird, wa3 zur Folge hat, daß das empfangene Licht von der Zelle gestreut wird.

Die Erfahrung zeigt, daß die Spannungsschwelle, von der an die elektrische Erregung die DiffusionsErscheinung entstehen lassen kann, von der Art der angelegten Spannung abhängt. Die niedrigste Schwelle entspricht dem Anlegen einer Gleichspannung. Wenn eine Wechselspannung angelegt wird, erhöht sich die Schwelle, und zwar umso mehr, je höher die Frequenz der Wechselspannung ist. Das Gesetz

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dar Änderung eier Spannungschwelte Y als Funktion der Frequenz f 1st üuroh die in Pig.4 wiedergegebene Kurve skizziert» Diese teilt den Quadrant YOf in zwei Zonen«

Der Bereich, in welchem die Zelle streut, entspricht der oberen Zone, weil jeder Punkt dieses Bereichs eine Spannungsaaplifcuöe definiert, welche die durch die Kurve festgelegte Schwelle überschreitet. Die zwischen der Kurve und der f-Aehae liegende Zone entspricht dem streuungslosen Zustand der Zelle.

Erfindungsgemaß legt der Generator 13 an die Flüssigkristallzelle eine Wechselspannung an, deren Amplitude größer als die Gleichspannungsschwelle OM von Fig.4 ist, doch ist die Frequenz des Generators so bemessen, daß keine Störung der Ausrichtung der Moleküle des Flüssigkristalls verursacht wird. Wenn die elektrische Spannungsquelle 11 ein Steuersignal liefert, wird die molekulare Ausrichtung gestört, doch sobald dieses Signal unterbrochen wird, erfolgt unter der Wirkung der von Generator 13 gelief orten Wechselspannung eine schnelle Wiederausrichtung.

Wenn der Generator 13 nicht vorhanden ist, erfordert die molekulare Wiederausrichtung sehr viel mehr Zeit. Beispielsweise wird bei einer Flüssigkristallzelle in der neraatischeo Phase, bei der die Wiederausrichtung spontan in 250 Millisekunden erfolgen kann, diese Dauer auf 10 Millisekunden verringert, wenn ihr ein Generator 13 aigeordnet wird, der eine Wechselspannung von 140 Volt Effektivwert bei 5 kHz liefert.

Bei der Schaltung von Fig.1 wird das Steuersignal einfach der vom Generator 13 gelieferten Wechselspannung überlagert. Man kann an den Klemmen der Quelle 11 ein Sperrfilter 12 vorsehen, das auf die Frequenz der Wechselspannung abgestimmt ist,

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UiB zu verhindern, daß ein Störwechelstrom über den Steuerirreis £ ließt, Natürlich kann der Generator 13 mehrere Flüssigeristall zelleη speisen.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung si.nd die Amp tit: de und die Frequenz der vom Generator 13 abgegebenen Wechselspannung so bemessen, daß der. diesen Koordinaten entsprechende Punkt in Fig.4 unter die Kurve der Schwellenspannung fällt, bei der die molekulare Ausrichtung gestört wird.

In Fig.2 ist das Schema einer anderen Ausführungsform des elektro-optischen Modulators nach der Erfindung gezeigt, |

Die Steuersignalquelle 11 ist mit einem amplitudenmadulierbaren Generator 13 verbunden, der eine Wechselspannung fester Frequenz zu den Klemmen 6 und 7 der Flüssigkristall zelle 14 liefert. Der Generator 13 ist so eingestellt, daß dann, wenn die Quelle 11 kein Signal abgibt, der Arbeitspunkt B , dessen Koordinaten der Frequenz und der Amplitude der abgegebenen Wechselspannung entsprechen, unterhalb der Sohwellenspannungskurve von Fig.4 liegt. Das Steuersignal wirkt auf den Generator 13 so ein, daß die Wechselspannungsamplitude derart erhöht wird, daß der Arbeitspunkt bei A in Fig.4 liegt. Man erhält dadurch die Störung der molekularen Ausrichtung und die sich daraus ergebende optische Streuung. Sobald das Steuersignal zu Null wird, nimmt die Wechsel- " Spannungsamplitude wieder ihren Ruhewert an, und die molekulare Wiederausrichtung erfolgt sehr schnell.

In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform des elektrooptischen Modulators nach der Erfindung dargestellt. Die Elektroden 6 und 7 der Fltissiglcristallzelle 21 sind an die Ausgangsklemmen eines Oszillators 18 klassischer Art angeschlossen. Der Schwingkreis des Oszillators 18 enthält eine Induktivität 20 und einen Kondensator 19» die so bemes^n sind, daß die Frequenz der an die Zelle 21 angelegten Wechselspannung ausreichend groß ist, um eine Störung der moleknlac. α

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Ai>S7:£c4iiazog des I'iüssigfcristalls su verhindern. Die

der vom Oszillator 18 gelieferten Wechselhat einen konstanten Wert, der eine schnelle Wieäerausriohtung der Moleküle des Flüssigkristalls ermöglicht» Die Steuersignalquelle 11 ist über einen Widerstand 15 an eine Diode 16 angeschlossen." Beim Fehlea äes Signals ist die Diode 16 gesperrt, während sie leitend wird, sobald eine Steuerspannung von der Quelle 11 geliefert wird. Der Kondensator 17 liegt parallel zum Kondensator 19, wenn die Diode 16 leitend ist, «as zur Folge hat, daß die Schwingungsfrequenz unter die Frequenzschwelle gesenkt wird, bei welcher die Amplitude der Wechselspannung den Übergang von der einen schraffierte iß Zone in die andere schraffierte Zone von Fig.4 ermöglicht.

Weo.ti kein Steuersignal vorhandeo ist, liefert der Ossillatea· 18 zu der Flüssigkristallzelle 21 eine Wechselspannung, deren Amplitude und Frequenz den Koordinaten des Punktes D in Eig_e4 entsprechen. Wenn ein Steuersignal vorhanden ist, behält der Oszillator 18 die gleiche SchwingungsaiEplituäs bei, aber die Schwingungsfrequenz wird verringerte In Fig· liegt der die neue Wechselspannung darstellende Punkt bei C₉ d.li. in der Zone, in welcher der Flüssigkristall da3 Licht streute

Natürlich ist es auch möglich, einen Generator vorzusehen, der zu der Flüssigkristallzelle eine Spannung liefert, Sie beim Fehlen eines Steuersignals Auplituden- und Frequenz-= koordinaten hat, die dem Punkt E von Fig.4 entsprechen, währenä diese Koordinaten beim Vorhandensein eines Steuersignals dem Punkt F entsprechen, der auf der anderen Seite der Sofewellenspannungskurve liegt. In diesem Fall ist der Wechae!spannungsgenerator gleichzeitig amplituden- und frequenzmoduliert. Hinsichtlich der elektrischen Steuerung sines

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'P.'" -"igkrjstalls mit verringerter Ansprechzeit ist die r'.'fiadung nicht auf den Fall beschränkt, daß der elektro*- o?tis she Effekt ein dynamischer Streuimgseffekt ist, wie -■-' auftritt, wenn sich eier Flüs3igkristall in der usrnstiach^a Vhase befindet. Wenn sich der Flüssigkristall in der stnektischen oder cholesterischen Phase befindet, bewirkt der Wechselspanrmgsgenerator gleichfalls eine Verringerung der Erholungs- »eit.

Patentansprüche

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Claims

8 - 211?9h1

a t ejtanajL^r ü c h e

1_e Blektro-optischer Fiussigkristal!-Modulator mit zwei leitenden, lichtdurchlässigen Elektroden, die zur Bildung einer Modulatorze'lle durch eine Schicht des Flüssigkristalls voneinander getrennt■3ind, dadurch gekennzeichnet, daß isr Modulatorzalle eine Generatoranordnung zugeordnet ist, die su den Elektroden eine Wechselspannung liefert, dereo Amplitude die Gleichspannungsschwelle übersteigt, welche flie Störung der molekularen Ausrichtung dea Flüssigkristalle verursacht, daß eine elektrische Anordnung vorgesehen ist, welche die Störung der molekularen Ausrichtung unter der Wirkung eines an die Steuerkleramen des Modulators angelegten elektrischen Signals hervorruft, und daß die Frequenz der Wechselspannung über der Frequensschwelle liegt, bei welcher die Amplitude die Störung der molekularen Ausrichtung beim Fehlen des Signals noch hervorrufen kann.
2. Elektro-optischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Flüssigkristall in der nematischen Phase befindet.
3« Elektro-optischer Modulator nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische A_nordnung

so ausgebildet ist, daß sie das elektrische Signal der

Wechselspannung überlagert, und daß die Wechselspannung

eine konstante Amplitude und eine konstante Frequenz hat.
4. Elektrc-optischer Modulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entkopplungsanordnung an die Steuerklemmen angeschlossen ist.
5. Elektro-optischer Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoranordnung einen modulierten Wechselspannungsgenerator enthält, der einen

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9- 21129t

Modulation-3ei ng?n<* hat, der an die Steuerklemmen fbe die elektrische Anordnung angeschlossen ist.
6. Elektro-optisoher Modulator nach Anspruch. 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung durch das elektrische Signal derart amplitudenmoduliert wirü, uaß beim Vorhandensein de3 elektrischen Signals die Aiapl:.tu > der Wechselspannung die Schwellenspannung überschreitet, welche die Störung der Ausrichtung bei der Frequenz verursacht.
7. Elektro-optischer Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung durch das | elektrische Signal derart frequenzmoduliert wird, daß beim Vorhandensein des Signals die Frequenz unter der Frequenzschwelle liegt.
8. Elektro-optischer Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator durch das elektrische Signal derart amplituden- und frequenzmoduliert ist, daß beim Vorhandensein des Signals die Amplitude und die Frequenz der Wechselspannung Werte annehmen, bei denen die Störung der molekularen Ausrichtung eintritt.

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