DE3880046T2

DE3880046T2 - Elektronenstrahl angesteuertes fluessigkristallichtventil mit flaechenkaftem eingabeleiter.

Info

Publication number: DE3880046T2
Application number: DE8888902992T
Authority: DE
Inventors: P Bleha; Jan Grinberg; J Koda; G Ledebuhr; G Reif; S Welkowsky
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-03-03
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1993-07-15
Anticipated expiration: 2008-01-26
Also published as: DE3880046D1; CA1298646C; WO1988006746A1; EP0303686A1; US4826293A; JPH01502856A; EP0303686B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Flüssigkristall-Lichtventile und insbesondere Flüssigkristall-Lichtventile, welche einen optischen Herauslesestrahl als Antwort auf ein Elektronenstrahl-Eingangsmuster modulieren.

Beschreibung verwandter Technik

Flüssigkristall-Lichtventile (LCLV's) verwenden im allgemeinen gedrehte nematische Flüssigkristallzellen, in welchen die Flüssigkristallmoleküle angeordnet sind, so daß auf die Zellen einfallendes, in der Ebene polarisiertes Licht um 45º beim Eintreten gedreht wird und um 45º nach Reflexion und beim Austreten getrennt wird. Wenn hinreichende Spannungen an bestimmte Gebiete der Zelle gelegt werden, richten sich die Molekularachsen einiger der Flüssigkristallmoleküle in diesen Gebieten sich selbst parallel zu dem angelegten elektrischen Feld aus. In der Ebene polarisiertes Licht wird in diesen Gebieten der Zelle elliptisch polarisiert, während reflektiertes Licht in den Gebieten des Flüssigkristalls, an welches kein Feld angelegt wird, nicht verändert wird. Ein Analysator überträgt einen Teil des elliptisch polarisierten Lichts und reflektiert das nicht modulierte, in der Ebene polarisierte Licht. Optische Bilder können so durch das räumliche Spannungsmuster, welches an die Vorrichtung angelegt wird, erzeugt werden.
Frühere Implementationen von LCLV's haben Vorrichtungen enthalten, welche durch einen Laser angesteuert werden, und Vorrichtungen, welche an eine Kathodenstrahlröhre (CRT) oder eine andere Lichtquelle über einen Photoleiter gekoppelt sind. Obwohl Laser angesteuerte Systeme im allgemeinen eine hohe Auflösung bieten, verwenden sie im allgemeinen komplexe optische Systeme für sowohl Ansteuerung als auch Projektion. Photoleiter gekoppelte Vorrichtungen haben zusätzlich zu der Ansteuerungsoptik eine Vielschichtkonstruktion zum Isolieren der Projektion und Ansteuern des Lichts verwendet oder sind begrenzt hinsichtlich der Wellenlänge des Ansteuerungs/Projektionslichts.
Ein Elektronenstrahl angesteuertes LCLV bietet die Möglichkeit, frühere Probleme, welche mit Photoleitern und Licht blockierenden Schichten verbunden sind, zu eliminieren. Drüber hinaus kann eine solche Vorrichtung hinreichend schnell für Realzeitbetrieb gemacht werden. Ein Elektronenstrahlstrom angesteuertes LCLV ist eine Vorrichtung der Tektronix Corp. und wird beschrieben in einem Artikel von Duane A. Haven, "Electron-Beam Addressed Liquid-Crystal Light Valve", IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-30, Nr. 5, Mai 1983, Seiten 489-492. Dieser Artikel beschreibt eine LCLV-Vorrichtung, in welcher Elektronen von einer Schreibkanone (writing gun) auf eine Zielelektrode auftreffen und aufeinander folgend von dem Ziel durch die Einrichtung von Flutkanonen (flood guns) gelöscht werden. Die Flutkanonen entladen die Zielelektrode auf ein kontrolliertes gleichförmiges Potential. Ein mit dieser Vorrichtung verbundenes Problem ist, daß Flutkanonen nicht gleichförmig sind und eine nicht gleichförmige Verteilung von Elekronen auf der Zielelektrode erzeugen. Dies wiederum erzeugt ein Bild, welches nicht gleichförmig ist. Die Tektronix-Vorrichtung erfordert die Verwendung eines aufwendigen Übertragungs-CRT, und seine optische Übertragungsnatur begrenzt die Auswahl von Materialien, welche in Verbindung mit dem LCLV verwendet werden können. Einige Materialien, welche anders geeignet sein können, sind doppelbrechend und können Licht verzerren und sind daher nicht geeignet. Es wäre ebenso wünschenswert, die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
Eine verwandte Vorrichtung wird offenbart in einer US-Patentanmeldung des gegenwärtigen Erfinders mit der Seriennummer 927,580, angemeldet am 6. November 1986, und der entsprechenden WO 88/03664, "Elektronenstrahl angesteuerte Flüssigkristall-Lichtventil", der Hughes Aircraft Company übertragen, dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung. In der verwandten Vorrichtung wird der Elektrodenstrahl gegen eine teilweise leitende Schicht gerichtet, welche auf einer elektrischen Widerstandsmembran angebracht ist, welche wiederum mit der Flüssigkristallschicht kommuniziert. Eine leitende Matrix, vorzugsweise in der Form eines metallischen Gitters, ist auf der Elektronenstrahlseite der teilweise leitenden Schicht angeordnet und teilt sie in eine Serie von Pixeln. Eine Spannung einer Polarität wird über die entsprechende Stelle der Flüssigkristallschicht induziert, wenn der Elektronenstrahl auf ein bestimmtes Pixel in der teilweise leitenden Schicht auftrifft. Danach zerstreut sich die Ladung von dem Pixel in das umgebende Gitter bei einer Rate, welche schnell genug ist, um das Pixel während des Intervalls zwischen den Elektronenstrahlabtastungen zu entladen, jedoch langsam genug ist, um ein Bild für einen optischen Herauslesestrahl zu erzeugen. Eine geeignete Schaltung ist vorgesehen, um die Ladung von der leitenden Matrix zu zerstreuen. Die Widerstände und Kapazitäten der Flüssigkristallschicht, die Membran und die teilweise leitende Schicht sind ausgewählt, um eine wesentliche AC-Spannung über dem Flüssigkristall während der Entladung der leitenden Schicht zu erzeugen, welche jeder Elektronenstrahlabtastung folgt. Die Pixel werden so automatisch gelöscht ohne die Notwendigkeit von Flutkanonen.
Während das Lichtventil der Seriennummer 927,580 eine wesentliche Verbesserung der früheren Vorrichtungen repräsentiert, sind die gegenwärtig verfügbaren Herstellungstechniken dahingehend nicht optimal, daß das metallische Gitter durch die Einrichtung von photolithographischen Techniken erzeugt wird. Photolithographie kann schwierig sein und erfordert eine aufwendige Ausrüstung. Da die Vorrichtung ebenso entworfen ist, primär in einem reflektierenden Modus zu arbeiten, muß ein separater Spiegel vorgesehen werden, um einen Herauslesestrahl zurück zu der Flüssigkristallschicht zu reflektieren.
Hinsichtlich der mit den früheren Vorrichtungen verbundenen obigen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Elektronenstrahl angesteuertes LCLV vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß das erfundene LCLV einfach in der Konstruktion ist, eine Hochauflösungsanzeige besitzt, die Notwendigkeit eines Flutstrahls und die damit verbundene Bildverzerrung vermeidet, keine Hochdurchlässigkeitsmembran erfordert wird und daß es ohne die Verwendung von Photolithographietechniken erzeugt werden kann.
Ein anderer Zweck der Erindung ist die Bereitstellung eines solchen Elektronenstrahl adressierten LCLV, welches weniger aufwendig und dennoch empfindlicher als frühere Vorrichtungen ist.
Diese und andere Vorteile werden entsprechend der Erfindung durch ein LCLV erreicht, welches entworfen ist, primär in einem reflektierenden Modus zu arbeiten. Eine flache, elektrische Widerstandsmembran ist auf der Elektronenstrahlseite der Flüssigkristallschicht angeordnet, mit einer Schicht teilweise leitenden Materials, welches auf der Membran geragen wird und angepaßt ist, durch den Elektronenstrahl angesteuert zu werden. Eine Speicherung von elektrischer Ladung an irgendeiner Stelle in dem teilweise leitenden Material herrührend von dem auftreffenden Elektronenstrahl erzeugt eine Spannung über einer entsprechenden Stelle in dem Flüssigkristall. Die Flüssigkristallspannung steuert seine Lichtübertragungscharakteristik wie gewünscht. Eine dünne Schicht leitenden Materials, welches wenigstens teilweise für den Elektronenstrahl durchlässig ist, wird auf der teilweise leitenden Schicht gebildet, vorzugsweise als aufgedampfte Schicht. Eine Spannung einer Polarität wird über einer entsprechenden Stelle in der Flüssigkristallschicht als Antwort auf den Elektronenstrahl induziert, welcher auf ein Pixel in der teilweise leitenden Schicht auftrifft. Dann zerstreut sich Ladung von der teilweise leitenden Schicht in die leitende Schicht bei einer Rate, welche schnell genug ist, uni im wesentlichen das Pixel während der Intervalle zwischen den Elektronenstrahlabtastungen zu entladen, jedoch langsam genug ist, ein Bild für einen optischen Herauslesestrahl zu erzeugen. Eine Schaltungseinrichtung ist angeschlossen, um die Ladung, welche durch die leitende Schicht von der teilweise leitenden Schicht empfangen wird, zu zerstreuen. Die Widerstände und Kapazitäten der Flüssigkristallschicht, der Membran und der teilweise leitenden Schicht sind ausgewählt, um eine wesentliche AC-Spannung über dem Flüssigkristall während der Entladung zu erzeugen, welche jeder Elektronenstrahlabtastung folgt. Die Vorrichtung wird so automatisch ohne die Notwendigkeit von Flutkanonen gelöscht.
In der bevorzugten Ausführungsform kann ein Spiegel auf der Elektronenstrahlseite der Flüssigkristallschicht angeordnet werden, um den Herauslesestrahl zurück durch den Flüssigkristall zu reflektieren. Wenn alternativ die Membran generell transparent und nicht doppelbrechend ist, kann die leitende Schicht selbst als ein Spiegel für den Herauslesestrahl fungieren. In beiden Fällen ist eine transparente Elektrode auf der Herausleseseite des Flüssigkristalls vorgesehen und angeschlossen, um eine Spannungsreferenz für das Flüssigkristall bereitzustellen. Die leitende Schicht und die transparente Elektrode können beide geerdet werden oder durch eine Einrichtung einer AC-Leistungszufuhr verbunden werden, welche die Empfindlichkeit des Flüssigkristalls verbessert.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden der Fachwelt von der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den dazugehörenden Zeichnungen ersichtlich, in welchen:

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Elektronenstrahl angesteuerten LCLV darstellt, welches entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 2a und b Graphen der Eingangs- und Membransignale bzw. der Flüssigkristallsignale für eine bestimmte Pixelstelle darstellen;
Fig. 3 eine äquivalente Schaltung der LCLV-Elemente darstellt und
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform darstellt, welche weitere Details der Elektronenstrahl erzeugenden Vorrichtung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bezüglich Fig. 1 wird eine modifizierte Form eines LCLV gezeigt, welches eine Hochauflösungsanzeige eines Elektronenstrahlabtastmusters vorsieht. Ein CRT wird durch einen Elektronenstrahlgenerator 2 und eine paar Ablenkungsplatten 4 repräsentiert, welche den Strahl 6 dazu veranlassen, in einem Rastermuster abzutasten. Ein zusätzliches Paar von Platten würde ebenso bereitgestellt werden, um den Abtaststrahl in und aus der Seite heraus zu steuern. Der Strahlstrom liegt typischerweise in dem ungefähren Bereich von 10 Microampere bis 1 Milliampere.
Das LCLV enthält eine Schicht des Flüssigkristalls 8, welches in einer Zelle enthalten ist, welche durch isolierende Schichten 10 und 10a auf beiden Seiten gebildet sind, um elektrische und chemische Isolation vorzusehen, und Abstandshalter 12 und 12a, welche eine geeignete Lücke zwischen den isolierenden Schichten 10 und 10a aufrechterhalten und das Entweichen des Flüssigkristalls 8 verhindern.
Auf die linke Seite des LCLV wird als "Herauslese"-Seite verwiesen, da ein optischer Herauslesestrahl 14a auf das Ventil von dieser Seite gerichtet wird und als Ausgangsstrahl 14b reflektiert wird, nachdem er entsprechend dem Elektronenstrahlmuster moduliert worden ist. Eine transparente Abdeckplatte 16, welche vorzugsweise aus Glas hergestellt ist, bedeckt und schützt die linke Seite der Vorrichtung. Eine transparente Elektrode 18, vorzugsweise aus Indium-Zinn-Oxid gebildet, ist an der inneren Seite der Abdeckplatte 16 angeordnet. Diese Elektrode sorgt für eine Referenz für die Spannung, welche über dem Flüssigkristall wie unten beschrieben errichtet ist.
Ein Spiegel 20 ist auf der entgegengesetzten Seite der Flüssigkristallzelle von der Herausleseseite vorgesehen. Dieser Spiegel empfängt den Herauslesestrahl und reflektiert ihn wiederum zurück durch den Flüssigkristall. Er kann mit einem breitbandigen, dielektrischen Spiegel hoher Reflektivität implementiert werden. Dies steht im Kontrast zu vielen Lichtventilen, welche eine photoleitende Schicht verwenden; diese Konstruktion erfordert den Spiegel, um eine begrenzte Bandbreite zu haben, da der Spiegel erfordert wird, um nahezu das ganze Herausleselicht zu absorbieren, welches nicht reflektiert wird, um zu verhindern, daß die photoleitende Schicht leitend gemacht wird. Das vorliegende Lichtventil jedoch verwendet keine photoleitende Schicht, und daher kann der Spiegel breitbandig sein. Anstelle eines dielektrischen Spiegels kann ebenso ein Metallmatrixspiegel verwendet werden wie jener, welcher in der US-Patentanmeldung offenbart ist, mit der Seriennummer 759,004, "Reflective Matrix Mirror Visibible to Infrared Convertor Light Valve" von P. O. Braatz, der Hughes Aircraft Company übertragen, dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung.
Eine Tragemembran 22 ist auf der Elektronenstrahlseite des Spiegels 20 angeordnet und trägt sowohl den Spiegel als auch die Schicht des teilweise leitenden Materials 24. Die Membran sollte mit einem Widerstand behaftet sein, um einen Kurzschluß der teilweise leitenden Schicht zu verhindern, mit einem hohen spezifischen Schichtwiderstand in der Größenordnung von 10¹² Ohmzentimeter oder größer. Sie ist entweder starr oder dehnbar, so daß sie mit einer sehr flachen Oberflächenebene gebildet werden kann; ein (nicht gezeigter) äußerer Ring kann als Basis zur Dehnung der Membran vorgesehen werden. Die Membran sollte klar sein, um nicht Licht zu absorbieren, was zu einer Aufhitzung und einer physikalischen Verzerrung führen könnte oder zu einer Übertragung von Hitze auf den Flüssigkristall. Geeignete Membranmaterialien sind Kapton, Glimmer, Al&sub2;O&sub3; und Bornitrid. Um sie vor möglicher Elektronenzerstörung zu schützen, kann die Membran mit einer dünnen Schicht SiO&sub2; verbunden werden oder einem anderen Widerstandsmaterial, welches auf seiner Elektronenstrahlseite aufgedampft wird.
Eine dünne Schicht leitenden Materials 26 wird auf der Elektronenstrahlseite des teilweise leitenden Materials gebildet und erstreckt sich vorzugsweise kontinuierlich über die Schicht. Die leitende Schicht wird vorzugsweise als Schicht durch einen Aufdampfprozess aufgetragen. Sie wird ganz dünn gehalten, im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 200 bis 1000 Angström, um keine wesentliche Barriere für den Elektronenstrahl darzustellen. Das meiste des Strahls durchdringt die leitende Schicht und dringt in die teilweise leitende Schicht ein. Sowohl ein Metall als auch ein hoch dotierter Halbleiter kann für die leitende Schicht verwendet werden, jedoch besitzen Halbleiter keine genügende Breitband-Reflektivität, um ebenso als Spiegel zu fungieren. Aluminium wird bevorzugt, da es leicht bearbeitet werden kann, ziemlich träge und ein guter Breitbandreflektor ist. Andere geeignete Metalle enthalten Silber, Chrom und Nickel.
Die leitende Schicht 26 und die Elektrode 18 werden zusammen an Masse angeschlossen oder es kann in einer anderen Ausführungsform eine AC-Spannungsquelle 30 zwischen diesen Elementen wie unten beschrieben angeschlossen werden. Die Dimensionen der leitenden Schicht und der darunterliegenden teilweise leitenden Schicht und die Leitfähigkeit der teilweise leitenden Schicht werden ausgewählt, so das Elektronen, welche innerhalb jedes Pixels der teilweise leitenden Schicht während einer bestimmten Abtastung absorbiert wurden, in die leitende Schicht während der Zeit austreten, in welcher der Elektronenstrahl einen Abtastzyklus beendet hat und zu dem Pixel zurückgekehrt ist. Für eine Fernsehabtastrate von 30 bis 60 Hz sollte die Streurate schnell genug sein, um das Pixel in etwa 17 bis 30 Millisekunden zwischen den Abtastungen zu zerstreuen. Jedoch sollte die Zerstreuung durch die teilweise leitende Schicht langsam genug sein, um dem Herauslesestrahl 14a zu gestatten, das Bild zu lesen, bevor es zerstreut ist. Der spezifische Widerstand des Grundmaterials der teilweise leitenden Schicht liegt vorzugsweise innerhalb des Bereiches von etwa 10&sup9; bis 10¹¹ Ohmzentimeter, und seine Dicke liegt vorzugsweise bei etwa 2 bis 10 Mikrometer. Geeignete teilweise leitenden Materialien enthalten Siliziumdioxid, Amorphes Silizium und Kryolith; Kadmiumtellurid kann in einigen Anwendungen akzeptabel sein, jedoch für andere kann es zu leitend sein. Für dotiertes SiO&sub2; mit einer dielektrischen Konstante von etwa 4,5 10&supmin;¹³ wird ein spezifischer Widerstand von etwa 2 10¹&sup0; Ohmzentimeter eine Ladungszerstreuungszeitkonstante von etwa 10 Millisekunden bei einer Zyklusrate (frame rate) von 30 Millisekunden erzeugen.
Das teilweise leitende Material kann einen spezifischen Widerstand besitzen, welcher erheblich größer ist als der, welcher für entsprechendes Material in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 927, 580 verwendet wird. Dies liegt daran, dar die Elektronen in dem Strahl, welcher in das teilweise leitende Material eindringt, im allgemeinen eine weit größere Distanz hat, um zu dem leitenden Gitter in der betreffenden Anwendung zurück herauszufließen. Während die Elektronen im allgemeinen in die teilweise leitende Schicht nur etwa 1 bis 2 Mikrometer implantiert werden, können die Gitteröffnungen in einer Größenordnung von etwa 100 Mikrometer auf jeder Seite liegen. Mit der leitenden Schicht der vorliegenden Erfindung müssen die Elektronen so nur etwa 1 bis 2 Mikrometer zufließen, um die Schicht zu erreichen, während Elektronen, welche das teilweise leitende Material in der Mitte einer Gitteröffnung treffen, etwa 50 Mikrometer seitlich zusätzlich zu den 1 bis 2 Mikrometer zurückfließen müssen, um das Gitter zu erreichen.
Ein widriges Ergebnis dieses Phänomens für die vorliegende Erfindung ist, daß der Effekt der implantierten Elektronen auf den Flüssigkristall für die dieselbe Implantierungsenergie reduziert wird. Dies liegt daran, daß, wenn jede Schicht von Material einmal angenommen parallele Seiten hat und eine gleichförmige dielektrische Konstante, der Effekt auf das Flüssigkristall eines bestimmten Implantierungselektrons variieren wird mit der Tiefe der Impantation über die Rückseitenelektrode 26 hinaus, relativ zu der effektiven Distanz zwischen den Rückseiten- und Frontelektroden 26 und 18. Da die Durchschnittsdistanz zwischen den implantierten Elektronen und der Rückseitenelektrode mit einem leitenden Gitter viel größer ist als die durchschnittliche Elektronenimplantationstiefe relativ zu einer leitenden Schicht, wird der Effekt der Elektronenimplantation auf den Flüssigkristall entsprechend reduziert werden, wenn die Rückseitenelektrode eine leitende Schicht 26 ist. Um dies zu kompensieren, wird sowohl eine höhere Elektronenimplantationsspannung als auch eine Stromdichte bei der vorliegenden Erfindung erfordert, um die geringere effektive Implantationstiefe zu kompensieren. In der Praxis ist es normalerweise leichter, sowohl die Spannung als auch die Stromdichte irgendwie zu erhöhen, als eher das eine oder das andere zu erhöhen.
Die Elektronenladung, welche in irgendeinen bestimmten Pixel der teilweise leitenden Schicht 24 als Ergebnis der Elektronenstrahlabtastung absorbiert worden ist, erzeugt eine Spannung über einer entsprechenden Stelle des Flüssigkristalls. Da die verschiedenen Elemente des Lichtventils einen hohen Widerstand hinsichtlich seitlicher Ausbreitung besitzen, kann im wesentlichen eine 1:1-Korrespondenz zwischen den individuellen Pixelgebieten der teilweise leitenden Schicht erzielt werden, welche die Elektronenladungen empfängt, und den entsprechenden Gebieten des Flüssigkristalls, welche eine Spannung tragen, die durch die absorbierte Ladung bestimmt ist. Um einen übermäßigen Spannungsabfall über die Membran auf Kosten der Flüssigkristallspannung zu vermeiden, sollte die Membran ganz dünn gemacht werden in der Größenordnung von etwa 4 bis 12 Mikrometer.
Mit einer geeigneten Auswahl der Widerstände und Kapazitäten der Flüssigkristallschicht, der Membran und der teilweise leitenden Schicht, können die Pixelspannungen, welche über den Flüssigkristall von einer Elektronenstrahlabtastung errichtet worden sind, eher im AC-Betrieb als im DC-Betrieb gemacht werden. Ein AC-Betrieb hat einen bestimmten Vorteil, da das Flüssigkristall dazu neigt, unter getragenem DC-Betrieb sich zu zersetzen. Die Flüssigkristall-Polarisationsverschiebung spricht auf den RMS-Spannungspegel an, so daß eine AC-Spannung verwendet werden kann, die Polarisationsverschiebung ohne die Zersetzungseffekte des DC-Betriebs zu errichten.
Die berechnete Eingangsspannung 32, welche aus der Elektronenstrahlabtastung einer bestimmten Pixelstelle resultiert, und die Spannung 34 über der Membran werden in Fig. 2a gezeigt, während die Spannung 36 des stabilen Zustands über dem Flüssigkristall nach einer anfänglich vorübergehenden Periode in Fig. 2b gezeigt wird. Der Strahl tastet den Flüssigkristall in einer sehr kurzen Zeitperiode ab, und lagert schnell Elektronen ab, welche Spannungsspitzen 38 über dem Flüssigkristall erzeugen. Der Elektronenstrahl wird typischerweise Ladung auf einem Pixel über eine Zeitperiode in der Größenordnung von etwa 90 Nanosekunden ablagern. Nachdem der Strahl vorübergegangen ist, werden die Elektronen, welche in dem Pixel absorbiert wurden, beginnen, zurück heraus nach rechts zu der leitenden Schicht 26 hin zu fließen, von wo sie zur Masse zerstreut werden. Alternativ kann die AC- Leistungszufuhr 30 verwendet werden, um den Flüssigkristall auf eine Spannung nahe seiner Schwellenwertspannung vorzuspannen, um seine Empfindlichkeit zu verbessern. Nachdem der Elektronenstrahl an einem gegebenen Pixel vorübergegangen ist und eine maximale Spannung über dem Flüssigkristall erzeugt worden ist, klingt die Flüssigkristallspannung allmählich entlang Linie 40 auf ihren ursprünglichen Wert ab.
Wenn geeignete Entwurfsparameter folgen, wird das Gebiet unter dem negativen Teil der Flüssigkristallspannungskurve im allgemeinen gleich sein dem Gebiet unter dem positiven Teil der Kurve, was zu einer AC-Flüssigkristall-Spannungscharakteristik über dem Lauf der wiederholten Strahlabtastungen führt. Dies vermeidet das Problem der Verschlechterung, welches mit dem DC-Betrieb wie oben erwähnt verbunden ist. Andererseits ist der Spannungsabfall langsam genug, so daß der Flüssigkristall genug Zeit hat, zu antworten und das gewünschte Bild zu erzeugen.
Das Abklingen des Flüssigkristall-Spannungsfeldes wird durch die Membranzeitkonstante RMCM gesteuert, wobei RM und CM der jeweilige Widerstand und die Kapazität der Membran sind. Wie von Fig. 2a und 2b gesehen werden kann, gibt es nahezu eine 4:1-Teilung zwischen den Spannungen über der Membran und dem Flüssigkristall. Dies kann einen Strahlstrom in der Größenordnung von 30 Mikroampere erfordern, um eine angemessene Flüssigkristallmodulation zu erlangen.
Eine äquivalente Schaltung für die Ladungszerstreuung von der teilweise leitenden Schicht wird in Fig. 3 illustriert. E repräsentiert die Spannung, welche aus der Ladungsabscheidung in einem betimmten Pixel durch den Elektronenstrahl resultiert, RPC und CPC sind jeweils der Widerstand und die Kapazität der teilweise leitenden Schicht, RLC und CLC sind jeweils der Widerstand und die Kapazität des Flüssigkristalls, IB ist der Strahlstrom und t ist die Zeit für ein Pixelelement. Die Kapazitäten der Membran und der teilweise leitenden Schicht sind im allgemeinen von der gleichen Größenordnung, wohingegen der spezifische Widerstand der Membranschicht im allgemeinen viel größer als jener der teilweise leitenden Schicht ist. Die Ladungsabscheidung durch den Elektronenstrahl kann aus der leitenden Schicht 26 entweder direkt durch die teilweise leitenden Schicht herausfließen oder durch einen parallelen Pfad, welcher aus dem Grundmaterial der Membran und dem Flüssigkristall zu der Elektrode 18 besteht. Eine AC-Spannungskurve wie in Fig. 2b gezeigt wird aus dem folgenden Satz von Werten resultieren, unter anderem:
RLC = 6.2x10¹² Ohm
RM = 1.1x10¹&sup7; Ohm
RPC = 3.1x10¹¹ Ohm
CLC = 7.8x10&supmin;¹&sup5; Farad
CM = 2x10&supmin;¹&sup5; Farad
CPC = 7.1x10&supmin;¹&sup5; Farad
IBEAM = 10 Mikroampere
Pixel-Flache = 6.4x10&supmin;&sup6; cm²
Ein wichtiges Merkmal dieser Anordnung ist, daß beginnend mit einem Elektronenstrahl von im wesentlichen einziger Polarität eine AC-Spannung über dem Flüssigkristall erzeugt wird. Ein anderer Vorteil ist das Erreichen einer sehr hohen Auflösung. Mit einem Elektronenstrahldurchmesser von 0,025 mm und einem 5 cm Lichtventil kann ein 2000-Leitungssystem erzielt werden. Die Vorrichtung hat eine sehr schnelle Ansprechzeit, welche prinzipiell nur durch den Flüssigkristall begrenzt wird. Es hat ebenso eine sehr einfache Struktur, welche die Notwendigkeit von faseroptischen, koppelnden Platten oder Eingangsbildlinsen eliminieren, welche bei früheren Vorrichtungen verwendet wurden. Ein Bild wird mit einem hohen Grad von Gleichförmigkeit erzeugt, da jedes Pixel der teilweise leitenden Schicht sich direkt in das benachbarte leitende Gitter entlädt. Es ist ebenso erheblich empfindlicher als die früheren Tektronix- oder ähnliche Vorrichtungen, da das vorliegende Lichtventil eher reflektierend als durchlässig ist, der Herauslesestrahl das Flüssigkristall zweimal passiert, sowohl bevor als auch nach der Reflektion. Dies wird eine dünnere Flüssigkristallschicht erlauben, welche bei derselben Empfindlichkeit verwendet werden kann, oder wird umgekehrt eine größere Empfindlichkeit bei derselben Flüssigkristalldicke erzeugen. Da die Flüssigkristallantwortzeit mit dem Quadrat seiner Dicke variiert, wird eine Reduzierung in der Dicke einen sehr positiven Effekt auf das Ansprechen haben.
Bei der Erzeugung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird der Spiegel 20 auf die Membran 22 in einem Abscheidungsablauf abgeschieden, und die teilweise leitende Schicht wird auf die Membran in einem getrennten Abscheidungslauf abgeschieden. Es wäre ebenso möglich, die Positionen der Membran und des Spiegels zu vertauschen, so daß der Spiegel zwischen die Membran und die teilweise leitende Schicht auf der Elektronenstrahlseite der Membran genommen wird. Dies könnte die Herstellung dieser Elemente in einem einzigen Abscheidungslauf ermöglichen. Die Membran müßte jedoch transparent sein, um das Hindurchtreten des Herauslesestrahls zu dem Spiegel zu erlauben.
Eine andere Variation der grundlegenden Erfindung wird in Fig. 4 erläutert. Diese Figur zeigt das Lichtventil in einem CRT integriert. Das Lichtventil ist ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten, wobei dieselben Bezugszeichen für gemeinsame Elemente verwendet werden. Der prinzipielle Unterschied besteht darin, daß anstelle eines separaten Spiegels die leitende Schicht 26 selbst als Spiegel dient. Zu diesem Zwecke ist sie vorzugsweise aus Aluminium mit einer Dicke von etwa 500 Angström gebildet. Die Membran 22 sollte im allgemeinen transparent und nicht doppelbrechend in dieser Anwendung sein, wie die teilweise leitende Schicht 24 sein sollte. Ein Herauslesestrahl wird an das Lichtventil von der rechten Seite angelegt und durchdringt den Weg zu der leitenden Schicht 26, wo er zurück durch die Flüssigkristallschicht und aus dem Ventil heraus reflektiert wird. Eine Anzahl anderer Variationen und veränderte Ausführungsformen werden der Fachwelt einfallen. Dementsprechend ist es beabsichtigt, die Erfindung lediglich im Sinne der beigefügten Ansprüche zu begrenzen.

Claims

1. Ein Flüssigkristallichtventil (LCLV), welches angepaßt ist, auf einer Seite durch einen abtastenden Elektronenstrahl (6) angesteuert zu werden und auf einer anderen Seite durch einen optischen Herauslesestrahl (14a, b) mit:

einer Flüssigkristallschicht (8), welche angepaßt ist, durch den optischen Herauslesestrahl (14a, b) angesteuert zu werden, und

einer elektrischen Widerstandsmembran (22), welche in der Nähe der Flüssigkristallschicht (8) auf der Elektronenstrahlseite davon getragen wird,

gekennzeichnet durch

eine Schicht teilweise leitenden Materials (24), welches von der Membran (22) getragen wird und angepaßt ist, durch den Elektronenstrahl (6) angesteuert zu werden, die Speicherung von elektrischer Ladung in der teilweise leitenden Schicht (24) von der Abtastung des Elektronenstrahls (6), welche eine Spannung über dem Flüssigkristall (8) erzeugt,

eine leitende, Elektronenstrahl durchlässige Schicht (26), welche auf der Elektronenstrahlseite der teilweise leitenden Schicht (24) angeordnet ist, wobei die Schicht (26) angepaßt ist, wenigstens teilweise einen angelegten Elektronenstrahl (6) auf die teilweise leitende Schicht (24) zu übertragen und Ladung zu sammeln, welche durch die teilweise leitende Schicht (24) empfangen wird, als ein Ergebnis des Abtastens der Schicht von dem Elektronenstrahl (6), und eine Schaltungseinrichtung zum Zerstreuen von Ladung, welche durch die leitende Schicht (26) empfangen wird, von der teilweise leitenden Schicht (24).

2. Das (LCLV) nach Anspruch 1, worin die Dimensionen und Materialien für die verschiedenen Elemente relativ zu der Elektronenstrahl-Abtastrate ausgewählt werden, um eine Elektronenflußrate von der teilweise leitenden Schicht (24) in die leitende Schicht (26) zu erzeugen, welche schnell genug ist, um im wesentlichen Elektronen zu zerstreuen, welche während einer Elektronenstrahl-Abtastung (6) vor der nächsten Abtastung zu der teilweise leitenden Schicht (24) übertragen worden sind, jedoch langsam genug für den Flüssigkristall (8) ist, um für den Herauslesestrahl (14a, b) ein Bild zu erzeugen.

3. Das LCLV nach Anspruch 1 oder 2, worin der Widerstand wenigstens einer der LCLV-Schichten hoch genug ist, um eine wesentliche Wechselstromspannung über das Flüssigkristall (8) jeder Elektronenstrahlabtastung (6) folgend zu erzeugen.

4. Das LCLV von wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, worin eine transparente Elektrode (18) auf der Herausleseseite der Flüssigkristallschicht (8) zur Bereitstellung einer Spannungsreferenz für die Flüssigkristallschicht (8) vorgesehen ist.

5. Das LCLV nach Anspruch 4, wobei die Schaltungseinrichtung eine wechselseitige Verbindung zwischen der leitenden Schicht (26) und der transparenten Elektrode (18) aufweist.

6. Das LCLV nach Anspruch 5, worin die leitende Schicht (16) und die transparente Elektrode (18) geerdet sind.

7. Das LCLV nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Schaltungseinrichtung eine Wechselstromleistungszufuhr (30) aufweist, welche zwischen der leitenden Schicht (26) und der transparenten Elektrode (18) angeschlossen ist.

8. Das LCLV nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, welches des weiteren einen Spiegel (20) aufweist, welcher auf der Elektronenstrahlseite der Flüssigkristallschicht (8) angeordnet ist und angepaßt ist, einen Herauslesestrahl (14a, b), welcher von der Flüssigkristallschicht (8) empfangen wird, zurück durch die Schicht zu reflektieren.

9. Das LCLV nach Anspruch 8, worin der Spiegel (20) zwischen der Flüssigkristallschicht (8) und der Membran (22) angeordnet ist.

10. Das LCLV nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die teilweise leitende Schicht (24) und die Membran (22) im allgemeinen transparent sind und nicht doppelbrechend, und die leitende Schicht (26) auf der Herauslesestrahlseite reflektierend ist, um einen empfangenen Herauslesestrahl (14a, b) zurück durch die Flüssigkristallschicht (8) zu reflektieren.

11. Das LCLV nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die leitende Schicht (26) im wesentlichen über die teilweise leitende Schicht (24) zusammenhängend ist.

12. Das LCLV nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, worin die leitende Schicht (26) ein Metall aufweist.

13. Das LCLV nach Anspruch 12, worin die leitende Schicht (26) von einer der Gruppe gebildet ist, welche Aluminium, Silber, Chrom und Nickel umfaßt.

14. Das LCLV nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, worin die leitende Schicht (26) eine Dicke innerhalb des Bereiches von etwa 200 bis etwa 1000 Å besitzt.

15. Das LCLV nach Anspruch 14, worin die leitende Schicht (26) eine dünne Aufdampfschicht auf der teilweise leitenden Schicht (24) aufweist.

16. Das LCLV nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, worin die teilweise leitende Schicht (24) einen Materialwiderstand in der Größenordnung von etwa 10&sup9; bis 10¹¹ Ohm Zentimeter besitzt.

17. Das LCLV nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, worin die Membrandicke in dem ungefähren Bereich von 4 bis 12 Mikrometer, die Dicke der teilweise leitenden Schicht (24) in dem ungefähren Bereich von 2 bis 6 Mikrometer und die Dicke der Flüssigkristallschicht (8) in dem ungefähren Bereich von 1 bis 25 Mikrometer liegt.