DE2139475A1

DE2139475A1 - Elektrooptischer Modulator

Info

Publication number: DE2139475A1
Application number: DE19712139475
Authority: DE
Inventors: Georges Hareng Michel Leiba Eugene Paris Assouhne
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1970-08-07
Filing date: 1971-08-06
Publication date: 1972-02-10
Also published as: NL7110668A; JPS5538398U; FR2102551A5; GB1364274A

Description

ünssr Zeichen: Q? 1Q69

THOMSOK-CSF

101, Bä.Murat

75 Paris 16eme,' Frankreich

EIe fct ro optisch er Modulator

Die Erfindung bezieht sich auf optische Filteranordnungen, die in der Lage sind, den Farbton eine poly chromatischen Lichtbündels unter der Wirkung eines elektrischen Steuersignals zu modulieren«

Es ist bekannt, zwischen gekreuzten Polarisatoren einen doppelbrechenden Kristall anzuordnen, damit ein optisches Filter gebildet wird, das bestimmte Spektralkoraponenten des weißen Lichtes selektiv übertragen kann_a Man erzeugt dadurch die Farbempfindung durch Spektralfilterung; dieses Ergebnis kann auch mit Hilfe eines optischen Filters erhalten werden, dessen chromatische Selektivität auf der Verwendung von Farbstoffen beruht. V/enn Gins optische Eignalgebung durchgsführt werden soll, odar vie η η man die Analyse oder die Synthese von Farben bsi einem Farbfernsehsystem vornehmen will, ist es notwendig, den Farbton eines Licht bundeis schnell au ändern» Zu dieaora Zweck kann eine cioppelbrechende Piafete a^ischon £ö!creuzten Polarisatoxon verschwenkt werden, eo können mehrere umaehalt bare gefärbte Filter angeweadet werden, oder es können auch wohrere Lichtquellen verwendet viardon, dis mit gefärbten Filtern versehen sind und

Lei

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der Reihe nach eingeschaltet werden. Diese Yerfahren ergeben im allgemeinen Geräte, die eine verhältnismäßig große Ansprechzeit haben und eine nicht vernachlassigbare elektrische Steuerleistung erfordern. Bs gibt jedoch auch, elektrooptische Modulatoren mifc elektrischer Doppelbrechung, die man dazu verwenden kann, den Farbton eines Iiichtbündels schnell 211 modulieren, doch werden bei diesen Vorrichtungen doppelbrechende Materialien verwendet, die eine- Modulations span nung großen Werten erfordern.

Nach der Erfindung ist ein elektrooptischer Modulator mit zwei gekreuzten Polarisatoren, die es ermöglichen, den Farbton eines polyehrotoatischen Licht blind eis unber der Wirkung eines elektrischen Signals zu verändern, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polarisatoren zwei lichtdurchlässige Platten einander gegenüber angeordnet sind, daß zwischen den beiden Platten eine dünne Schicht aus eines nematischen Flüssigkristall angebracht ist, and daß Einrichtungen vorgesehen aind, welche den sich aus der Doppelbrechung der Schicht ergebenden Gaogunter3Chied unter der Wirkung des elektrischen Signals verändern_β

Die Erfindung wir^ an Hand der Zeichnung beicpielshalber beschrieben. Darin zeigen:

3rig.t ein Ausführungobeispiel eines elektrooptischen Modulators nach dar Erfindung,

j? ig* 2 ei ne S ch ni c 13 η 3 i ο h t ei na r er st e η A bän Ί a r n ng Ί er der Anordnung von Fig, 1,

iig. 5 äina Sohnittassichb si n=sr swsiton A'bäriderung der Anordnung von Fig.1,

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BAD ORJGlNAl.

Pig.4 eine Schnittansicht eines elektrooptischen Modulators, der mit einem Interferenzfilter ausgestattet ist und

Fig.5 eine schema tische Darstellung einer optischen Signalisationsanordnung, bei der ein Modulator nach der Erfindung verwendet wird.

Fig.1 zeigt eine polychroma tische Lichtquelle 1, die im Punkt S auf der z-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems angeordnet ist. Diese Lichtquelle kann durch eine Glühlampe gebildet sein, der eine Linse 2 zugeordnet ist, damit ein paralleles Bündel weißen Lichts geformt wird. Das aus der Linse 2 austretende Lichtbündel geht durch einen Polarisator 3» eine doppelbrechende Zelle 4, 5_f 6 und einen Analysator 7; diese drei Elemente bilden zusammen den elektrooptischen Modulator nach der Erfindung. Das aus dem Polarisator 3 austretende Licht ist in der Richtuug parallel zu der y-Achse linear polarisiert. Der Analysator 7 ist so gerichtet, daß das vom Polarisator 3 polarisierte Licht beim Fehlen der doppelbrechenden Zelle nicht zu der Linse 8 übertragen wird. Der Polarisator und der Analysator sind also auf Löschung eingestellt, und es würde genügeu , einen davon um 90° zu drehen, damit die Linse 8 die gesamte polarisierte Lichtenergie auf einen nicht dargestellten Schirm projiziert.

Die zwischen den beiden Polarisationsfiltern 3 und 7 angeordnete Zelle besteht aus zw"ei lichtdurchlässigen parallelen Platten A und -5 _}die durch eine Flüssigkristallschicht voneinander getrennt sind. Die Innenflächen der Platten und 5 sind mit lichtdurchlässigen leitenden Elektroden versehen, die an einen elektrischen Generator 9 angeschlossen sind.

Der Flüssigkristall . 6 ist ein lichtdurchlässiges Medium, dessen längliche Moleküle parallel zu einer Richtung S*" aus-

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gerichtet sind. Diese Moleküle besitzen ein elektrisches DipolTooment, dessen Richtung von der Richtung ^"verschieden ist, und sie können ihre Orientierung unter der Wirkung eines elektrischen Feldes E ändern. Infolge ihrer besonderen

Morphologie sind FlüssigkristaQestark doppelbrechende Substanzen mit einer neutralen Linie, die in der Richtung IT

ausgerichtet ist. Die Innenflächen der Platten 4 und 5 -legen beim Fehlen eines störenden elektrischen Felds die. Richtung B"" fest. Diese Richtung kann parallel oder senkrecht zu der Ebene der den Flüssigkristall eingeschliessenden Flächen sein. Man kann eine systematische Orientierung der Richtung !Tauch dadurch erzwingen, daß die Innenflächen der Platten 4 und 5 liniert werden; die Moleküle des Flüssigkristalls richten sich dann entsprechend don LinieruDgen der Platten 4 und .5 aus.

Wenn der Generator 9 keine elektrische Spannung an die Elektroden der Platten 4 und 5 anlegt, verhält sich der Flüssigkristall wie ein einachsiges doppelbrechendes Mediuta, dessen optische Achse parallel oder senkrecht zu der Ebene der Platten 4' und 5 steht. Dies hat zur Folge, daß die Schicht 6 in dem einfallenden Lichtbündel einen Ganginterschi ed erzeugt, der Null sein Rann, wenn die optische Achse des Flüssigkristalls mit der Richtung der z-Achse zusammenfällt. Wenn der Generator 9 eine elektrische Spannung abgibt, ändert die ,Ellipsoide der Indices des Flüssigkristails ihre Orientierung, da die DipoltDolekülc gedreht werden. Der Wart de3 Gangunterbchie<?s wird geändert, und dies h«t eine Änderung des Farbtons des aus dem Analysator 7 austretenden Lichtbündels zur Folge.

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_ 5 —

Die Tom Generator 9 abgegebene Spannung-kann eine Gleichspannung sein« Wenn man sie allmählich wachsen läßt, stellt man fest, daß der Modulator nacheinander die Farbtöne der Mewton'sehen Farbskala liefert· Von einer bestirasten SpanGangsschwelIe an, die von der Art und der Dicke der Schicht 6 abhängt, wird jedoch die Erscheinung; der dynamischen Diffusion der Flüssigkristalle in der nematischen Phase unterstützt· Diese Diffusion ergibt die Wirkung,, daß das Licht ent polarisiert wird, wodurch der Bereich der von dem Modulator rait ehrD^ matischer Polarisation gelieferten Farbtöne begrenzt wird.

Zur Vermeidung dieses Haehteiis kann aan zwischen dem Flüssigkristall 6 und der Elektrode einer der Platten und 5 eine lichtdurchlässige dielektrische Schicht einfügen. "Dadurch wird erreicht, 4$ß kein Strom im Innern der Schicht 6 fließt, u.nl die Erscheinung der dynamischen Diffusion vermieden wird. Die dielektrische Schicht verhindert Dicht das Vorhandensein des elektrischen Felds im Innern des nematische^ Flüssigkristalls, und die Änderung dos Gangunterschiede erweitert sich dann um mehrere Größenordnungen in der Newton' euhen Farbskala. Durch diene Verbesserung kann man sognr die spektrale ZusammensetzuBg erreichen, die aLs Weiß höherer Ordnung bezeichnet wird. Die ürTüssigkristal!zelle von Fig.2 ist nach diesem Prinzip gebildet. Sie bestfeht aus den Platten 4 und 5, liehtdurchlässigen leitenden Schichten 10 und 11, die an dem Generator 15 angeschlossen sind, einer lichtdurchlässigen dielektrischeπ Schicht 12, die auf die Elektrode 11 aufgebracht ist, und einem Flüssigkristall 6, der zwischen den teilen 10 und 12 angeordnet ist.

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Der savor erwähnte !fachteil kann auch dadurch vermieden werden, daß die Steuergleiehspannung durch eine Wechselspannung ersetzt wird« Wenn ein Flüssigkristall der Wirkung einer Wechselspannung ausgesetzt wird, hat die Schwelle der dynamischen Diffusion einen Viert, der umso hoher ist, je größer die Frequenz der Spannung ist. Wenn die Zelle des Modulators von Fig.1 sit einer Wechselspannung gespeist wird, deren Amplitude unä Frequenz so gewählt sinäjdaß man jenseits der Schwelle der dynamischen Diffusions bleibt, kann die Kewton^f-sche Farbskala ohne Einschränkungen durchlaufen werden. In diesem Fall kann die Farbtonrnißderung dadurch erfolgen, daß die Frequenz bei konstanter ErregungsspannUDg geändert wird, oder daß die Amplitude bei konstanter Erregungsfrequenz geändert wird.

Bei den sivor beschriebenen Anordnungen beruht die Modulation des Ganguttterschieds auf der Änderung der Doppelbrechung des Flüssigkrisballs durch Änderung der Orientierung seiner Moleküle beim Vorhandensein eines elektricchen Felds. Beispielsweise kann eine do ppel brechende Zelle dadurch hergestellt warden, daß eine 5 p. dicke Schicht au3 Melhoxybenzylidenbutylanilin zwischen zwei lichtdurchlässigen Platten abordnet wird, die mit Elektroden aus Zinnoxyd versahen sind. Die Zelle wird zwischen Polarisatoren montiert, a ie auf ^Trösohuüg angeordnet sioä, und sie wird in ihrer Ebene gedreht, bis die Löschung wieder hergestellt ist. Eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 10 kHz wird von dem elektrischen Generator geliefert. Wenn diese Spannung bis auf ?Q Y _ff. erhöht wird, erreicht man die dritte Ordnung in der Newton'sehen Farbskala.

Fig.3 zeigt eine andere Ausführungsform der doppelbrechenden Seile, mit der ein Modulator mit chromatischer Polarisation nach äer Erfindung ausgestattet werden kann.

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Sie besteht aus zwei lichtüurc&ässigen Platten 4 und 5, die miteinander durch einen Träger 18 und elektromechanische Wandlerelemente 15 verbunden sind, Die Wandlerelemente 15 bestehen aus piezoelektrischen Stäben, die mit Elektroden 16 und 17 versehen sind, an welche die von einem elektrischen Generator 14 gelieferteSpannung angelegt wird. Die Flüssigkristallschicht 6 ist zwischen den Platten 4 und 5 eingeschlossen, und durch die· Wirkung der Wandler 15 wird darauf eine Kompressions-oder Scherungskraft ausgeübt, welche die Dicke der Schicht oder die Orientierung ihrer Moleküle ändert. Im Pail des Betriebs mit Änderung des Abstands der !flächen wird der Gangunterschied der doppel brechen den Zelle durch die D ic ke nand er u ng der Schicht 6 verändert. Im Fall des Betriebs mit YerSchiebung der Plächen wird die Orientierung der Moleküle geändert; da jedoch der Kristall flüssig ist, bleibt die Wirkung nicht bestehen, so daß die Anwendung dieser Betriebsart auf eine Wechselspannungsmodulation beschränkt ist«

In Pig.4 ist eine doppelbrechende Zelle 4» 5? 6 dargestellt, die mit einem Generator 13 verbunden und optische mit eiüem optischen Filter gekoppelt ist, das ein sehr schmales Band des Spektrums der polychromatischeη Lichtstrahlung E₁ durchläßt„Das dargestellte optische Filter ist ein Interferenzfilter, das zwei halbdurchlassige Sp-.iegel 19 und 20 enthält, die durch Zwischenstücke 21 voneinander getrennt sind. Wenn die Polarisatoren so auf Löschung angeordnet werden, daß der eine vor und der andere hinter der Zelle 4, 5, 6 liegt, erhält man einen elekti'ooptischen Modulator₉ der als Verschluß arbeitet« Es versteht sich von selbst, daß das Interferenzfilter überflüssig i3t_T wenn das Lichtbündel ein monochromatisches Liohtbündel ist, das beispielsweise von eiuer Lichtq.uel.le mit angeregter Emission (Laser) stammte

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Pig. 5 zeigt Sas Prinzipschema einer optischen Signalisationsanordnung, bei der ein elektrooptischer Modulator nach der Erfindung verwendet wird. Sie besteht aus einer polychromatisehen Lichtquelle 22, der eine Linse 23 zugeordnet ist, damit ein paralleles Lichtbündel erzeugt wird. Das au3 der Linse 23 austretende Lichtbündel geht durch einen elektroptischen Modulator 25 hindurch, der demjenigen von Fig.1 ähnlich ist. Das aus dem Modulator 25 austretende Licht bündel besitzt einen Farbton, der von der an den Eingang 24 des ™ Modulators angelegten Spannung abhängt. Das gefärbte

Licht wird von einer durchbrochenen Maske 26 aufgefangen, deren Ausschnitte beispielsweise ein graphisches Symbol darstellen. "Das aus der Maske 26 austretende parallele Licht wird von einer Linse 27 aufgefangen, die das Bild der Maske 26 auf einen Schirm projiziert. Wenn der Projektionsschirm v»eiß ist, kann man die Änderung des Farbtons beobachten, die das Bild des grafischen Symbols zeigt. Wenn der Schirm für einen bestimmten Farbton absorbierend ist, verschwindet das Bild des graphischen Symbols, wenn dieser Farbton von dem Modulator abgegeben wird.

In der vorstehenden Beschreibung ist angenommen worden, daß die lichtdurchlässigen Elektroden die Platten 4 und 5 der doppelbrechenden Zelle vollständig bedecken. Diese Maßnahme erfordert die Verwendung einer durchbrochenen Maske zur Bildung eines graphischen Symbol3.

li;rfin«ittngsgecäß ist ea auch vorgesehen, die lichtdurchlässigen Elektroden dadurch zu bilden, daß auf einer der Platten 4 und 5 leitende Bereiche angebracht werden, welche an die Form der graphischen Symbole augepaßt sind, die sichtbar gemacht werden rolieu. Es können mehrere getrennte elektrische Generatoren in Verbindung

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rait diesen Bereichen vorgesehen werden, damit deren Farbtöne getrennt gesteuert werden können. Es ist auch möglich, die Platten 4 and 5 mit gekreuzten Gitternden leitenden Streifen zu versehen; wenn eine veränderliche Spannung zwischen zwei sich kreuzenden Streifen angelegt wird, kann dadurch der Farbton am Kreuzungspunkt gesteuert werden.

Bei der Anordnung von Fig.1 dient die Linee 8 zur Projektion des vom Analysator 7 kommenden Lichtbündeis, doch versteht e3 sich von selbst, daß man die Änderungen des Farbtons ohne Zuhilfenahme einer Projektionsoptik auch direkt beobachten kann.

Bate nt ans priie he 109887/1410

Claims

P atentansprüche

1. lElektrooptiseher Modulator mit zwei gekreuzten Polari- ^-"satoren, die es ermöglichen, den Farbton eines polyehromatischen Lichtbündsls unter der Wirkung eines elektrischen Signals su verändern, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polarisatoren zwei lichtdurchlässige Platten einander gegenüber angeordnet aind, daß zwischen den beiden Platten eine dünne Schicht aus eines nematischen Flüssigkristall angebracht ist, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche den sich aus der Doppelbrechung der Schicht ergebendes Gangunterschied unter der Wirkung des elektrischen Signals verändern.

2. Elekt ro optischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Innenflächen der beiden Platten jeweils eine lichtdurchlässige lätende Elektrode angebracht ist, und daß ei& Generator zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden vorgesehen ist.

3- Elefctrooptischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden mit einer lichtdurchlässigen dielektrischen Schicht bedeckt ist.

4. EIe ktru opt is eher Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekent1z3icb.net, daß die Spannung eine veränderliche Gleichspannung ist, deren Wert .von dem elektrischen Signal abhängt«

5. ElektiTOoptischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung eine Wechselspannung iet.

6. Elekt ro optischer Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Wechselspannung von dem elektrischen Signal abhängt.

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7. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erequenz der Wechselspannung von den elektrischen Signal abhängt.

8. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektromechanische Wandlereinrichtungen vorgesehen sind, die durch das Signal erregt werden und in der lage sind, die Platten gegenseitig zu verschieben.

9** Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtungen den Abstand der Platten verändern.

10. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten von den Wandlereinrichtungen unter Aufrechterhaltung eines konstanten Abslands verschoben werden.

11. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Monochromatoreinrichtung im Weg des Lichtbündels.

12. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Monochronsatoreinrichtung durch ein optisches Interferenzfilter gebildet ist.

13. EIe kt ro optischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden an die Form eines graphischen Symbols angepaßt ist.

14. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch zwei gekreuzte Gitter aus lichtdurchlässigen leitenden Streifen gebildet sind, die auf den Innenflächen der Platten augebracht sind.

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15. Optische SichtbarmaChungsvorrichtung mit einem elektro- , optischen Modulator nach Anspruch Ί, gekennzeichnet durch eine poly chroma tische Lichtquelle » eine erste linse zur Bildung eines auf die Eintrittsfläche des Modulators gerichteten parallelen Licht bundeis u&ä eine zweite Linse, die das aus der Austrittsfläche des Modulators austretende Licht empfängt.

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