DE69128553T2

DE69128553T2 - Optische Modulationsvorrichtung und Anzeigegerät

Info

Publication number: DE69128553T2
Application number: DE69128553T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Mitsutake; Kazuo Yoshinaga
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-03-23
Filing date: 1991-03-22
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2011-03-23
Also published as: EP0448124B1; US5392142A; EP0448124A3; JPH03274022A; US5568283A; ATE161976T1; EP0448124A2; CA2038869C; JP2851906B2; DE69128553D1; CA2038869A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND BEMERKUNGEN ZUM STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft eine optische Modulationsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine optische Modulationsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Unter den optischen Modulationsvorrichtungen, welche einen ferroelektrischen, chiral-smektischen Flüssigkristall verwenden, werden auf eine Vorrichtungstype, in welcher eine dünne Schicht des Flüssigkristalls zwischen zwei parallelen Substraten mit einem sehr engen Spalt (z. B. 1 - 2 µm) angeordnet ist, um gemäß der Oberflächenwirkung der zwei Substrate (SSFLC: oberflächenstabilisierter, ferroelektrischer Flüssigkristall; Appl. Phys. Lett. 36 (1980), S. 899) einen bistabilen Zustand zu erzeugen, aufgrund des schnellen Ansprechvermögens, der Speichereigenschaften usw. für verschiedene Anwendungsfälle hohe Erwartungen gesetzt.
Die vorstehend erwähnte bistabile ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtung gestattet zwei stabile Zustände der Flüssigkristallmoleküle, welche einen bestimmten Winkel gegenüber einer Axialrichtung (z. B. der Schleifrichtung) auf den Ausrichtoberflächen einnehmen, welche durch die Flüssigkristallseiten der zwei Substrate ausgebildet werden, zwischen denen die dünne Schicht des Flüssigkristalls angeordnet ist. Ein halber Winkel zwischen den zwei stabilen Zuständen ist als ein Tiltwinkel (nachstehend mit θc bezeichnet) definiert. Wird eine Spannung in einer Richtung senkrecht zu der Flüssigkristallschicht der Flüssigkristallvorrichtung angelegt, erfolgt das Umschalten des ferroelektrischen Flüssigkristalls von einem stabilen Zustand in den anderen stabilen Zustand. Dieser Wechsel entspricht der Drehung einer optischen Achse eines Materials, welches eine Brechungsindexanisotropie unter einem Winkel 2θc aufweist. Wenn demgemäß polarisiertes Licht in eine ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtung der vorstehend erwähnten Type einfällt, welche eine Dicke entsprechend der Funktion einer Halbwellenplatte aufweist, zeigen die bistabilen zwei Zustände Drehfunktionen des polarisierten Lichts, welche sich mit Bezug auf das einfallende polarisierte Licht einander um 4θc unterscheiden. Wenn die vorstehend erwähnte ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtung zwischen einem Paar von Polarisatoren (Polarisationsplatten usw.) zwischengeschichtet ist, welche in gekreuzten Nicolschen Prismen oder parallelen Nicolschen Prismen angeordnet sind, wird das EIN/AUS-Verhältnis der übertragenen Lichtmengen (Übertragungsverhältnis, Kontrast) zwischen den zwei stabilen Zuständen unter folgender Bedingung maximal:
4θc = 90 Grad (d. h. θc = 22,5 ºC.
Der vorstehend erwähnte Tiltwinkel θc hängt jedoch wesentlich von dem Flüssigkristallmaterial und den Eigenschaften der Ausrichtoberfläche ab, so daß alle bisher gefertigten ferroelektrischen Flüssigkristallvorrichtungen keinen ausreichenden Tiltwinkel θc erzeugen konnten und somit nicht in der Lage waren, einen ausreichenden optischen Modulationsgrad bei der Verwendung als eine optische Modulationsvorrichtung zu erzeugen.
Die Veröffentlichung "Device physics of the soft-mode electro-optic effect" von G. Andersson et al in Journal of Applied Physics, Band 66, Nr. 10, November 1989, S. 4938- 4995, beschreibt gemäß Fig. 8 eine optische Modulationsvorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist. In dieser können die optischen Achsen der zwei elektrokinetischen Zellen im Anfangszustand parallel sein. In einem solchen Anfangszustand drehen die beiden Zellen die Polarisationsebene eines einfallenden Lichts nicht. In dem Fall, daß ein elektrisches Feld an die Zellen angelegt ist, wird der andere Zustand ausgebildet, in welchem die Polarisationsebene des einfallenden Lichts in beiden Zellen gedreht wird.
Es sind jedoch die umgekehrten Spannungen an die Zellen anzulegen, um eine optische Drehung der Polarisationsebene des Vierfachen der Änderung des elektrokinetischen Tiltwinkels hervorzurufen. Um Spannungen mit demselben Vorzeichen für beide Zellen zu verwenden, wird vorgeschlagen, eine der Zellen mit einem optischen Antipoden zu füllen.
Ferner ist in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung eine Reflexionsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 beschrieben, wobei die λ/2-Zelle als auch die λ/4-Retarderplatte verwendet werden, um zirkular polarisiertes Licht zu erzeugen, welches bei Reflexion an einem Spiegel blockiert wird. Um diese Funktion zu erreichen, weist die λ/4-Retarderplatte eine nachgehende Achse in einem Winkel von -45º mit Bezug auf die Polarisationseinrichtung auf. Diese Anordnung bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß das Wellenlängenverhalten bei minimalem Reflexionspegel im Vergleich zu der nichtreflektierenden Einrichtung mangelhaft ist.
Zusätzlich dazu beschreibt das japanische Patentdokument Nr. JP-A-62 070 407 einen Polymerflüssigkristall, welcher verwendet wird, um eine einachsig orientierte Schicht zu erzeugen. Eine optische Modulationsvorrichtung, welche eine Vielzahl von doppelbrechenden Zellen oder Schichten aufweist, ist an dieser Stelle jedoch nicht beschrieben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Modulationsvorrichtung mit einem einfachen Aufbau zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch eine optische Modulationsvorrichtung erfüllt, wie sie jeweils im Anspruch 1 und im Anspruch 5 definiert ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anzeigegeräts,
Fig. 2A und Fig. 2B zeigen schematisch perspektivische Ansichten zur Darstellung einer Funktion oder Wirkung der Erfindung,
Fig. 3 zeigt eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Modulationsvorrichtung,
Fig. 4A und Fig. 4B zeigen schematisch perspektivische Ansichten zur Darstellung einer anderen Funktion oder Wirkung der Erfindung,
Fig. 5A und Fig. 6A zeigen jeweils eine Teilschnittansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Modulationsvorrichtung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 4A und Fig. 4B zeigen schematisch perspektivische Ansichten zur Darstellung einer Funktion oder Wirkung der vorliegenden Erfindung.
Eine in Fig. 4A gezeigte Flüssigkristallvorrichtung weist die Schichten 11 und 13 eines identischen bistabilen ferroelektrischen Flüssigkristalls mit einer identischen Ausrichtachsenrichtung und einer Halbwellenplatte 12 auf, welche zwischen den Schichten 11 und 13 angeordnet ist. Die Richtungen der langen Achsen n&sub1; und n&sub3; der Flüssigkristallmoleküle (genauer ausgedrückt: die Hauptachsenrichtungen der Indexellipsoide der Flüssigkristallmoleküle) in einem stabilen Zustand (erster stabiler Zustand) der vorstehend erwähnten zwei ferroelektrischen Flüssigkristallschichten 11 und 13 und eine Richtung der Hauptachse n&sub2; des Indexellipsoids der Halbwellenplatte 12 sind alle in dieselbe Richtung orientiert. Die drei Schichten 11, 12 und 13 sind zueinander parallel, und jede von ihnen weist eine Funktion entsprechend der einer Halbwellenplatte mit Bezug auf eine vorherrschende Wellenlänge auf. Wenn eine elektromagnetische Welle mit einem schwingenden elektrischen Feld Ein parallel zu n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; auf die Flüssigkristallvorrichtung einwirkt, welche in der vorstehend beschriebenen Weise angeordnet ist, verändern die sich ergebenden magnetischen Wellen E&sub1;, E&sub2; und E&sub3; = Eout, austretende Welle), welche jeweils die Schichten 11, 12 und 13 durchlaufen haben, ihre schwingenden elektrischen Felder (Ein/E&sub1;/E&sub2;/Eout (= E&sub3;)) nicht.
Andererseits zeigt Fig. 4B eine Anordnung derselben Vorrichtung, wenn die bistabilen ferroelektrischen Flüssigkristallschichten 11 und 13 in dem anderen stabilen Zustand orientiert sind (zweiter stabiler Zustand), wobei die langen Achsen der Flüssigkristalle in den ferroelektrischen Flüssigkristallschichten 11 und 13 von dem schwingenden elektrischen Feld Ein des einfallenden Lichts um 2θc in dieselbe Richtung gedreht werden. Demzufolge wird das elektrische Feld E&sub1; des Lichts, welches durch die erste Flüssigkristallschicht 11 hindurchgegangen ist, von Ein des einfallenden Lichts um 4θc gedreht. Dann wird das elektrische Feld E2 des Lichts, welches durch die Halbwellenpiatte 12 hindurchgegangen ist, veranlaßt, eine Richtung anzunehmen, welche um -4θc gegenüber der Hauptachse n&sub2; der Platte gedreht ist. Schließlich wird das elektrische Feld E&sub3; (= Eout) des Lichts, welches durch die zweite Flüssigkristallschicht 13 hindurchgegangen ist, die eine molekulare lange Achse n&sub3; der Flüssigkristalle aufweist, welche um 6θc (= 4θc + 2θc) gegenüber E&sub2; gedreht ist, veranlaßt, eine Richtung anzunehmen, welche um 6θc gegenüber der molekularen langen Achse n&sub3; der Flüssigkristalle gedreht ist. Folglich wird das elektrische Feld Eout des austretenden Lichts veranlaßt, eine Richtung anzunehmen, welche um 8θc (= 2θc + 6θc) mit Bezug auf das elektrische Feld Ein des eintretenden Lichts gedreht ist. Dies bedeutet, daß es möglich ist, einen Drehwinkel des polarisierten Lichts zu erzeugen, welcher das Doppelte des durch eine einzige Flüssigkristallschicht erhaltenen Drehwinkels ist. Demgemäß ist nur ein Tiltwinkel θc = 11,25 Grad (somit sind 8θc = 90 Grad) erforderlich, um ein maximales EIN/AUS-Verhältnis (Übertragungsverhältnis, Kontrast) zu erzeugen.
In diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel können die Flüssigkristallschichten 11 und 13 vorzugsweise eine Dicke d aufweisen, welche eine optische Phasendifferenz Δnd (An(=n// -n ): Brechungsindexanisotropie) von ungefähr 1/2λ (λ: Wellenlänge des Lichts), von z. B. 0,9 bis 1,1 x λ/2, ergibt, in mehr spezifischer Weise eine Dicke von z. B. 1,2 - 1,6 µm. Insbesondere dann, wenn die Flüssigkristallschichten 11 und 13 einen chiral-smektischen Flüssigkristall aufweisen und die Dicke in dem Bereich von 1,2 - 1,6 µm ist, wird die Helixstruktur des chiral-smektischen Flüssigkristalls unterdrückt, um einen die Bistabilität entwickelnden Ausrichtungszustand auszubilden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Anzeigegeräts, welches als eine Projektionstype aufgebaut ist und eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Modulationsvorrichtung einschließt. Die Funktion der optischen Modulationsvorrichtung ist in Fig. 2A und Fig. 2B gezeigt, und die Einzelheiten des Aufbaus sind in Fig. 3 als eine Teilschnittansicht gezeigt.
In Fig. 1 wird das undefiniert polarisierte Licht, welches von einer Lichtquelle 16 abgestrahlt wird, durch eine Reflexionsglocke 17 reflektiert, durch eine Kondensorlinse 18 parallel ausgerichtet und trifft auf eine Polarisationsstrahlteileinrichtung 19 auf, welche es einer P-Polarisationskomponente ermöglicht, hindurchzugehen, und eine S- Polarisationskomponente wird in die senkrechte Richtung reflektiert.
Die S-Polarisationskomponente wird veranlaßt, durch eine bistabile ferroelektrische Flüssigkristallschicht 11 hindurchzugehen, welche als eine Halbwellenplatte und eine Viertelwellenplatte 14 wirkt, wird an einer Reflexionsplatte 15 reflektiert und wieder veranlaßt, durch die Viertelwellenplatte 14 und die bistabile ferroelelektrische Flüssigkristallschicht 11 hindurchzugehen.
Demzufolge erbringt die vorstehend erwähnte S-Polarisationskomponente eine P-Polarisationskomponente, abhängig vom Zustand der bistabilen ferroelektrischen Flüssigkristallschicht 11, und wenn sie wieder in die Polarisationsstrahlteileinrichtung 19 eintritt, wird die S-Polarisationskomponente reflektiert, und der P-Polarisationskomponente wird gestattet, hindurchzugehen, um durch eine Projektionslinse 10 projiziert zu werden und auf einem Bildprojektionsschirm (nicht gezeigt) ein Bild zu erzeugen. In dieser Ausführungsform wirkt die Polarisationsstrahlteileinrichtung 19 als eine Polarisationseinrichtung und eine Analyseeinrichtung.
Fig. 2A und Fig. 2B zeigen vergrößerte Darstellungen der optischen Modulationsvorrichtung, welche die ferroelektrische Flüssigkristallschicht 11, die Viertelwellenplatte 14 und die Reflexionsplatte 15 aufweist. In diesen Figuren ist das einfallende Licht linear polarisiertes Licht mit einem schwingenden elektrischen Feld Ein. Wenn die lange Achse n&sub1; des ferroelektrischen Flüssigkristalls 11 in dem einen stabilen Zustand ist (erster stabiler Zustand), dargestellt durch eine strichpunktierte Linie, welche parallel zu der Brechungshauptachse n&sub4; der Halbwellenplatte und zu Ein verläuft, tritt keine Drehung des polarisierten Lichts ein.
Wenn jedoch die lange Achse n&sub1; des Flüssigkristalls 11 eine Richtung annimmt, welche in einem Winkel 2θc gegenüber Ein gedreht ist, wie in Fig. 2A und Fig. 2B gezeigt, wird das durch die Flüssigkristallschicht 11 hindurchgehende Licht veranlaßt, ein elektrisches Feld E&sub1; aufzuweisen, welches um 4θc gegenüber Ein gedreht ist, wie Fig. 2A zeigt. Dann wird das Licht, welches durch die Viertelwellenplatte 14 hindurchgegangen ist, in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt, dargestellt durch E&sub2;, welches an der Reflexionsplatte 15 reflektiert wird und wieder in die Viertelwellenplatte 14 eintritt. Hier ist das zweimalige Durchlaufen der Viertelwellenplatte identisch zum einmaligen Durchlaufen einer Halbwellenplatte, so daß das Licht, welches durch die Halbwellenplatte 14 hindurchgegangen ist und wieder in die Flüssigkristallschicht 11 eintritt, veranlaßt wird, ein elektrisches Feld E&sub3; aufzuweisen, welches um -4θc gegenüber einer Hauptachse n&sub4; der Viertelwellenplatte 14 gedreht ist. Schließlich wird das durch die Flüssigkristallschicht 11 hindurchgegangene Licht, welches eine molekulare Langachse n&sub4; aufweist, die um 6θc (= 4θc + 2θc) gegenüber E&sub3; gedreht ist, veranlaßt, ein elektrisches Feld Eout (=E&sub4;) aufzuweisen, welches um 6θc gegenüber der langen Achse n&sub1; gedreht ist und somit um 8θc (= 2θc + 6θc) gegenüber dem elektrischen Feld Eein des einfallenden Lichts gedreht ist.
Unter Verwendung einer Reflexionstypeanordnung, wie sie vorstehend beschrieben ist, kann eine einzelne optische Modulationsvorrichtung einen Polarisationsdrehwinkel erzeugen, welcher doppelt so groß ist wie der unter Verwendung der herkömmlichen optischen Modulationsvorrichtung erreichbare Polarisationsdrehwinkel.
Fig. 3 zeigt eine Teilschnittansicht einer speziellen Ausführungsform der optischen Modulationsvorrichtung, welche in Fig. 2A und Fig. 2B gezeigt ist. Die in Fig. 3 gezeigte optische Modulationsvorrichtung weist einen geschichteten Aufbau auf, mit, ausgehend von der Lichteintrittsseite:
- einem lichtdurchlässigen Glassubstrat 301 (Dicke: etwa 1 mm),
- einer lichtdurchlässigen ITO-Schicht 302 (Dicke: etwa 1500 Å [150 nm]), welche als eine Elektrode wirkt,
- einer Isolierschicht 303 (Dicke: etwa 1200 Å [120 nm]) zum Verhindern des Kurzschlusses mit einer Gegenelektrode,
- einer geschliffenen Polyimidschicht 304 (Dicke: etwa 200 Å [20 nm] zum Ausrichten des Flüssigkristalls,
- einer Flüssigkristallschicht 305, erzeugt durch Einspritzen in einen durch Abstandskügelchen (nicht gezeigt) mit einem Durchmesser von 1 - 2 µm erhaltenen Zwischenraum,
- einer Polyimidschicht 306 (Dicke: 200 Å [20 nm]) ähnlich der Polyimidschicht 304, einer dünnen, lichtdurchlässigen Schicht 307 (d. h. eine Glasplatte), welche für die Polyimidschicht 306 als ein Substrat wirkt,
- einer Polymerflüssigkristallschicht 308 (Dicke ≤ 1 µm) mit einer Brechungsindexanisotropie und einer Funktion entsprechend einer Viertelwellenplatte,
- einer geschliffenen Polyimidschicht 309 (Dicke: etwa 200 Å [20 nm]) zum Ausrichten des Polymerflüssigkristalls,
- einer aufgedampften Aluminiumschicht 310 (Dicke: mehrere Mikrometer) und
- einem Glassubstrat 311 (Dicke: etwa 1 mm).
Die vorstehend erwähnte optische Modulationsvorrichtung kann durch Erzeugen der erforderlichen Schichten auf den Glassubstraten 301 und 311 sowie durch Einspritzen eines Flüssigkristallmaterials in einen Raum 305, welcher zwischen den Substraten 301 und 311 ausgebildet ist, gefolgt von der Wärmebehandlung usw. erzeugt werden, um einen bistabilen ferroelektrischen Flüssigkristallzustand vorzusehen. Die optische Modulation des austretenden Lichts kann durch das Anlegen der Spannung an die Elektroden über eine Ansteuerschaltung 312 erfolgen.
Die optische Modulationsvorrichtung kann mit einer Vielzahl von Pixeln ausgestattet werden, welche unabhängig ansteuerbar und leicht auf eine Bildanzeigevorrichtung angewendet werden können. Z. B. kann jede der beiden Elektroden, die ITO-Elektrode 302 und die Aluminiumelektrode 310, in unabhängige Elektroden in Form von Streifen unterteilt werden, und sie werden angeordnet, um einander zu kreuzen, um so einen Matrixelektrodenaufbau (für die sogenannte "Einfach-Matrix-Ansteuerung") auszubilden. In einer Bildanzeigevorrichtung, welche einen solchen Matrixelektrodenaufbau verwendet, ist es notwendig, eine kleinere Pixelgröße anzuwenden, um ein Bild bestimmter Größe mit einer höheren Auflösung bereitzustellen. Z. B. kann ein kleines Flüssigkristall-Anzeigegerät mit einer kleinen Diagonale von 3 Zoll [76,2 mm], wie sie für Projektionsanzeigegeräte verwendet wird, mit einer Pixelgröße von 60 µm x 60 µm erzeugt werden, z. B. für EDTV.
In der vorstehend beschriebenen Geräteanordnung der vorliegenden Erfindung kann die Dicke der Viertelwellenplatte auf 1 µm oder weniger vermindert werden, indem ein Polymerflüssigkristall mit einer Brechungsindexanisotropie (Δn von etwa 0,2) verwendet wird, welche wesentlich größer (um eine oder zwei Größenordnungen) als jene von Quarz, Glimmer, Streckfolie usw. ist.
Ferner kann die Glasplatte 307, welche als ein Substrat für die Polyimidschicht 306 angeordnet ist, aus einer sehr dünnen Glasplatte mit einer Dicke von z. B. 10 - 100 µm, vorzugsweise von 10 - 50 µm, ausgebildet werden, da sie auf dem Glassubstrat 111 erzeugt ist, welche eine ausreichende Dicke aufweist, um die erforderliche Festigkeit der Vorrichtung zu gewährleisten. Die anderen Schichten zwischen den Pixelelektroden 302 und 310 sind ausreichend dünner als eine Pixelgröße, so daß die Verwendung einer dünnen Viertelwellenplatte aus einem Polymerflüssigkristall und einer sehr dünnen Glasplatte 307 sehr wirkungsvoll ist, um ein hohes, Pixelflächenverhältnis (wirksames Öffnungsverhältnis) auszubilden und das Nebensprechen zwischen Pixeln zu verhindern.
In der Operation der vorstehend erwähnten Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Impuls positiver Polarität oder ein Impuls negativer Polarität durch die Ansteuerschaltung zwischen einem Paar von Elektroden, ausgebildet durch die ITO-Schicht 302 und die aufgedampfte Aluminiumschicht 310, selektiv angelegt, um den ferroelektrischen Flüssigkristall in der Flüssigkristallschicht in einen ersten stabilen Zustand oder einen zweiten stabilen Zustand, entsprechend dem Impuls positiver oder negativer Polarität, auszurichten.
In einer speziellen Ausführungsform wurde die Polymerflüssigkristallschicht 308 unter Verwendung eines nematischen Polymerflüssigkristalls der folgenden Struktur erzeugt (PAfB):
mit einem Zahlenmittel des Mölekulargewichts von 12520 und einem Gewichtsmittel des Molekulargewicht von 20744 (berechnet entsprechend auf Standard-Polystyren auf der Grundlage der Gelpermeationschromatographie unter Verwendung von THF- Lösungsmittel und unter Darstellung eines Phasenübergangs wie folgt:
Eine Cyclohexanon-Lösung (10 Gew.-%) des vorstehend beschriebenen Polymerflüssigkristalls wurde auf eine 500 Å [50 nm] dicke Polyimidschicht 309 (Handelsname: "SE-100", hergestellt von Nissan Kagaku Kogyo K.K.) durch Schleuderbeschichtung aufgetragen, gefolgt von 2 - 3 Stunden Wärmebehandlung bei 100ºC, um eine gleichmäßig ausgerichtete Polymerflüssigkristallschicht mit einer Dicke von 5500 Ä [550 nm] zu erzeugen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Polarisationsachse Ein des einfallenden Lichts, die molekulare lange Achse n&sub1;, welche in einem stabilen Zustand des Flüssigkristalls ist, und eine Hauptachse n&sub4; der Viertelwellenplatte zueinander ausgerichtet, wobei mindestens ein Zustand in der Phasendifferenz abweichungsfrei ist, selbst für eine Wellenlänge anders als eine vorherrschende Wellenlänge, in einem stabilen Zustand verwirklicht wird. Wenn demgemäß die gekreuzten Nicolschen Polarisationseinrichtungen verwendet werden, ist durch Unterdrücken des Durchlaßgrads in einem Schwarzzustand ein hoher Kontrast realisierbar, und wenn parallele Nicolsche Polarisationseinrichtungen verwendet werden, kann eine Farbtonänderung in einem Weißzustand unterdrückt werden.
Prinzipiell ist die Kombination der Achsenrichtungen der drei Schicht jedoch nicht beschränkt und 0% oder 100% Modulation ist für jede Kombination möglich, zumindest mit Bezug auf eine vorherrschende Wellenlänge. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Polymerflüssigkristallschicht 308 vorzugsweise eine Dicke d in dem Bereich von 0,6 - 0,8 µm aufwei-10 sen, um so eine optische Wegdifferenz Δnd von ungefähr λ/4 zu erzeugen.
Fig. 5 zeigt eine Teilschnittansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Modulationsvorrichtung, wobei übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 bezeichnet sind. In dieser Ausführungsform sind eine geschliffene Polyimidschicht 306, eine Isolierschicht 512 aus einem Isoliermaterial, wie z. B. SiO, SiO&sub2; oder TiO&sub2;, und eine ITO-Schicht 513, welche als eine Elektrode wirkt, zwischen einer Polymerflüssigkristallschicht 308 und einer Flüssigkristallschicht 305 angeordnet. Ein Impuls positiver Polarität und ein Impuls negativer Polarität werden durch die Ansteuerschaltung 312 zwischen den ITO-Schichten 302 und 513 angelegt.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die zur optischen Modulation angelegte Spannung vermindert werden, weil ein verminderter Abstand zwischen den Elektroden besteht. Die in der Figur gezeigte aufgedampfte Aluminiumschicht 310 wirkt als eine Reflexionsschicht.
Fig. 6 zeigt eine Teuschnittansicht einer noch anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Modulationsvorrichtung, wobei übereinstimmende Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind wie in Fig. 3 und Fig. 5. In dieser Ausführungsform wird ein aktives Matrixansteuersystem unter Verwendung von Dünnschichttransistoren (TFTS) in einer Zelle angewendet. In mehr spezifischer Weise weist die optische Modulationsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform auf:
- eine lichtdurchlässige ITO-Elektrode 614,
- eine Isolierschicht 615 (z. B. aus SiO&sub2;),
- eine geschliffene Polyimidschicht 616,
- einen TFT mit einem Gate 617, welches mit einer Isolierschicht 618 aus Siliziumnitrid beschichtet ist, mit einer Source-Elektrode 619 und mit einer Drain-Elektrode 620.
Vorstehend ist die vorliegende Erfindung auf der Grundlage von Ausführungsformen erläutert worden, doch die Erfindung ist auch in der folgenden Weise anwendbar.
(1) Ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtungen werden in den vorstehenden Ausführungsformen verwendet, doch die Erfindung ist im allgemeinen auf eine Vorrichtungstype anwendbar, wobei die Doppelbrechungseigenschaft durch ein elektrisches Feld gesteuert wird.
(2) Ein Projektionsanzeigegerät ist erläutert worden, doch dieses ist nicht unbedingt so, aber die Erfindung ist ebenfalls vorteilhaft für ein Anzeigegerät zur direkten Betrachtung verwendbar.
(3) Es sind nur zwei Modulationsgrade, d. h. 0% und 100%, erläutert worden, doch die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft auf- verschiedene Typen von Gradationssteuerungssystemen anwendbar, welche ein Dichteabstufungssystem unter Anwendung eines Zwischenpolarisationsdrehwinkels aufweisen, ein Flächengradationssystem, welches das Flächenverhältnis zwischen 0% und 100% Modulation steuert, sowie ein gemischtes System dieser.
(4) Eine ausgerichtete Polymerflüssigkristallschicht wird in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen als eine Viertelwellenplatte verwendet, doch Quarz, Glimmer, Streckfolie usw. können ebenfalls verwendet werden, während mindestens ein Vorteil der Verwendung einer einzelnen Flüssigkristall-Modulationsvorrichtung erhalten bleibt.
Wie vorstehend erfindungsgemäß beschrieben, werden die folgenden vorteilhaften Wirkungen speziell erzielt.
(i) Es ist möglich, eine Modulation zu bewirken, die selbst bei Verwendung eines Materials, welches einen kleinen Tiltwinkel zeigt, einen starken Kontrast erzeugt.
(ii) Ein einfacher Vorrichtungsaufbau ist durch Anwenden einer Reflexionstypeanordnung realisierbar, so daß der Fertigungsprozeß vereinfacht werden kann.
(iii) Unter Verwendung einer Polymerflüssigkristallschicht als eine Viertelwellenplatte oder eine Halbwellenplatte ist ein größeres Öffnungsverhältnis und eine Minimierung des Nebensprechens zwischen Pixeln (Verlust durch Überstrahlen von Licht in ein anderes Pixel) realisierbar. Insbesondere gilt:
(a) Ein Polymerflüssigkristall weist eine größere Brechungsindexanisotropie als ein gewöhnliches, doppelbrechendes Material (wie z. B. Quarz, Glimmer und Streckfolie) auf, so daß die Viertelwellenplatte oder die Halbwellenplatte dünner ausgebildet werden kann, um eine Verminderung des Öffnungsgrads und das Nebensprechen zwischen Pixeln abzuschwächen, und
(b) Der Polymerflüssigkristall kann bei einer hohen Temperatur ausgerichtet werden, wodurch sich eine hohe Fließfähigkeit ergibt, und in einem Temperaturbereich verwendet werden, welcher eine zuverlässige Ausrichtung gestattet, so daß eine leichtere Behandlung als bei einem Flüssigkristall mit niedrigem Molekulargewicht möglich ist, und in ähnlicher Weise eine große Brechungsindexanisotropie aufweist.
Eine optische Modulationsvorrichtung wird ausgebildet durch:
- eine Polarisationseinrichtung,
- eine erste Schicht, welche abhängig von einem auf diese einwirkenden elektrischen Feld einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand ausbildet, wobei der erste Zustand die Doppelbrechung des von der Polarisationseinrichtung polarisierten Lichts verursacht und der zweite Zustand die Doppelbrechung des von der Polarisationseinrichtung polarisierten Lichts nicht verursacht, wobei die erste Schicht eine Dicke aufweist, welche für die Funktion als eine Halbwellenplatte im ersten Zustand eingestellt ist, und
- eine zweite Schicht, welche die Doppelbrechung des durch den zweiten Zustand der ersten Schicht tretenden Lichts nicht verursacht, jedoch die Doppelbrechung des Lichts verursacht, welches durch den ersten Zustand der ersten Schicht getreten ist, wobei die zweite Schicht eine Dicke aufweist, welche für die Funktion als eine Viertelwellenplatte oder eine Halbwellenplatte eingestellt ist, wenn die erste Schicht in ihren ersten Zustand eingestellt ist. Das Licht von der zweiten Schicht wird veranlaßt, wieder in die zweite Schicht einzutreten, durch eine Reflexionseinrichtung oder eine dritte Schicht, welche selektiv einen ersten Zustand ausbildet, welcher die Doppelbrechung des Lichts verursacht, wobei das Licht, welches die Doppelbrechung erfährt und durch die zweite Schicht hindurchtritt, oder einen zweiten Zustand, welcher nicht die Doppelbrechung des Lichts veranlaßt, welches dürch die zweite Schicht getreten ist, ohne die Doppelbrechung zu verursachen. Das auf diese Weise modulierte Licht wird dann veranlaßt, in eine Analyseeinrichtung einzutreten. Demzufolge wird eine optische Modulation, welche zu einem starken Kontrast führt, unter Verwendung eines Materials für die erste Schicht oder für die dritte Schicht mit einer geringen doppelbrechenden Wirkung ausgeführt.

Claims

1. Optische Modulationsvorrichtung, welche aufweist:

a) eine Polarisationseinrichtung (19) zum Polarisieren eingestrahlten Lichts,

b) eine erste Schicht (11) und eine dritte Schicht (13), welche eine Doppelbrechungseigenschaft aufweisen sowie einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand erzeugen, abhängig von einem darauf einwirkenden elektrischen Feld, wobei der erste Zustand eine Drehung der Polarisationsebene des polarisierten Lichts verursacht und der zweite Zustand keine Drehung der Polarisationsebene des polarisierten Lichts verursacht, wobei die erste Schicht (11) und die dritte Schicht (13) eine Dicke aufweisen, welche für die Funktion als eine Halbwellenplatte in deren erstem Zustand eingestellt ist, und

c) eine Analyseeinrichtung,

gekennzeichnet durch

d) eine zweite Schicht (12), welche zwischen der ersten Schicht (11) und der dritten Schicht (13) angeordnet ist und eine Doppelbrechungseigenschaft eines ersten Zustands aufweist, welcher keine Drehung der Polarisationsebene des durch den zweiten Zustand der ersten Schicht (11) hindurchtretenden Lichts verursacht, aber eine Drehung der Polarisationsebene des durch den ersten Zustand der ersten Schicht (11) hindurchtretenden Lichts verursacht, wobei die zweite Schicht (12) eine Dicke aufweist, welche für die Funktion als eine Halbwellenplatte eingestellt ist, wenn die erste Schicht (11) in den ersten Zustand eingestellt ist, wobei das durch die zweite Schicht (12) hindurchtretende Licht, dessen Polarisationsebene nicht gedreht ist, veranlaßt wird, durch den zweiten Zustand der dritten Schicht (13) hindurchzutreten, und das Licht, dessen Polarisationsebene während des Durchtritts durch die zweite Schicht (12) gedreht worden ist, veranlaßt wird, durch den ersten Zustand der dritten Schicht (13) hindurchzutreten, bevor es die Analyseeinrichtung durchläuft.

2. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (11) und die dritte Schicht (13) einen Flüssigkristall aufweisen.

3. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zustand und der zweite Zustand der ersten Schicht (11) jeweils zu jener der dritten Schicht (13) identisch sind.

4. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (11) und die dritte Schicht (13) eine Dicke von 1,2 - 1,6 µm aufweisen.

5. Optische Modulationsvorrichtung mit:

a) einer Polarisationseinrichtung (19) zum Polarisieren des eingestrahlten Lichts,

b) einer erste Schicht (11), welche eine Doppelbrechungseigenschaft aufweist sowie einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand ausbildet, abhängig von einem darauf einwirkenden elektrischen Feld, wobei der erste Zustand eine Drehung der Polarisationsebene des polarisierten Lichts verursacht und der zweite Zustand keine Drehung der Polarisationsebene des polarisierten Lichts verursacht, wobei die erste Schicht (11) eine Dicke aufweist, welche für die Funktion als eine Halbwellenplatte im deren ersten Zustand eingestellt ist,

c) einer zweiten Schicht (14), welche eine Doppelbrechungseigenschaft und eine Dicke aufweist, die für die Funktion als eine Viertelwellenplatte eingestellt ist,

d) einer Reflexionseinrichtung (15) zum Reflektieren des durch die zweite Schicht (14) hindurchgetretenen Lichts wieder zur zweiten Schicht (14), und

e) einer Analyseeinrichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß

f) die zweite Schicht (14) mit ihren Brechungsachsen parallel zu jenen der ersten Schicht in dem zweiten Zustand angeordnet ist, und mit der nachgehenden Achse parallel zu der Polarisationsebene der Polarisationseinrichtung, so daß die zweite Schicht (14) keine Drehung der Polarisationsebene des Lichts verursacht, welches durch den zweiten Zustand der ersten Schicht (11) hindurchgetreten ist, aber eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts verursacht, welches durch den ersten Zustand der ersten Schicht (11) hindurchgetreten ist.

6. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (11) einen Flüssigkristall aufweist.

7. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall ein chiral-smektischer Flüssigkristall ist, welcher eine Doppelbrechungseigenschaft aufweist.

8. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet&sub1; daß die zweite Schicht (12) einen Polymerflüssigkristall aufweist.

9. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Spannungsanlegeeinrichtung (312) mit einem Paar von Elektroden (302, 310), welche vorgesehen sind, um die erste Schicht (305) dazwischen anzuordnen.

10. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Spannungsanlegeeinrichtung (312) zum selektiven Anlegen eines Impulses einer Polarität und eines Impulses der anderen Polarität zwischen dem Paar von Elektroden (302, 310).

11. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode des Paars von Elektroden (513) zwischen der ersten Schicht (305) und der zweiten Schicht (308) angeordnet ist.

12. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht eine Dikke von 1,2 - 1,6 µm aufweist.

13. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht eine Dicke von 0,6 - 0,8 µm aufweist.

14. Optische Modulationsvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (11) einen bistabilen chiral-smektischen Flüssigkristall aufweist und die zweite Schicht (12) einen Polymerflüssigkristall aufweist.

15. Anzeigegerät, welches aufweist:

- eine optische Modulationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8,

- eine Lichtquelle (16) zum Abstrahlen eines undefiniert polarisierten Lichts,

- eine Polarisationsstrahlteileinrichtung (19) und

- eine Spannungsanlegeeinrichtung (312).