JPH07500931A - ねじれ強誘電性液晶光学装置及びグレースケール変調方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

発明の名称　ねじれ強誘電性液晶変調器発明の分野 本発明は、一般的に液晶装置に関する。さらに詳しくは、本発明は強誘電性液晶 変調器からなる光変調器に関する。 発明の背景 ネマチック液晶を使用した電気光学変調器は、ディスプレイ、空間光変調器、お よび他の特殊光学的要素として広範囲に使用されている。これらのほとんどは、 ねじれネマチック液晶を使用しており、これはセルの対向する側面上で垂直方向 に整列するものである。液晶分子の長袖が向く平均的方向はディレクタと呼ばれ る。故に、セルの２枚の内面でのディレクタは側面と平行であるが、互いに垂直 である。曙文の側面の間では、他の作用がない限り、ディレクタはゆっくり９０ °ねじれる。液晶は複屈折、つまりディレクタに平行で垂直な二方向の間で屈折 率の差Δｎを有する。仮に、Δｎ−ｄ＞＞λ　（１） （式中、ｄはセルの厚さ、λは光の波長を示す）であるとすると、セルを通過す る光の直線偏光は、そのねじれに従う。つまり、ねじれたネマチックは光を導波 することになる。通常の構造では、シート偏光子が配列方向に対応するような位 置、つまり垂直の配向でセルの両側に置かれる。故に、歪みのない、ゆっくりね じれたネマチック結晶は光を導波し、よって第１偏光子を通過するものは何でも 第２偏光子を通過するように光の直線偏光を回転させる。しかしセルをわたって 電圧が印加されると、液晶分子は誘電トルクのため再配向され、分子は電解と配 列するため、導波状態を起こすゆっくりしたねじれは破壊される。 これに対して、数種の強誘電性液晶装置が提案されてきた。例えば、ＰａＩｅｌ らによる［Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　１ｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｄｅ ｖｉｃｅｓ　［強誘電性液晶装置ＩＪ　、　５ＰＩＥ議事録、第６１３■A１９ ８６年、 ｐｐ、　＋３０−１３４およびｒＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃ ａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　１ｉｑ浮奄п@ｃｒｙｓｍ ｓ　［強誘電性液晶の特性と応用ＩＪ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ ｇ、第２６巻、１９８７年、ｐｐ、　３７３−３８４を参照されたい。強誘電性 液晶は液晶分子がキラルであり、スメクチック層を形成するものである。このよ うなシステムでは、層内にベクトル方向を有し、ディレクタに垂直である偏光が 発生する。 ＰａｔｅｌによるｒＥｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃ ｔｒｉｃ　１ｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓ師［強誘電性液晶の電気■wＪ」、 ５ＰＩＦ議事録、第５６７巻、１９８５年、ｐｐ、　８１−８５を参照されたい 。Ｉｓｏｇａｉらによって開示された米国特許４，５８６，７９１のように、は とんどの強誘電性液晶装置では、素材は鍬のガラスプレートにはさまれ、ディレ クタは表面上の平面にある。このような構造において、セル表面が特定方向にこ すられると、平面層が表面に対して垂直で、垂直層がこすった方向に対して平行 であるようなスメクチック層がスメクチックＡ相に生じる。この素材がスメクチ ックＣ相に冷やされると、２つの縮退状態になることが可能で、これはスメクチ ックＣ中相における傾斜角が傾斜角の非ゼロ値（垂直層に対して）を有し、正に も負にもなるからである。故に、２つの表面にわたって印加された電界がある場 合、自発分極は印加された電界と結合し、分子がセルをわたって共線となるよう に分子を再配向させる。 分子の配向け、表面の平面にあり、またこすり軸に対して傾斜角と同等の角度で 位置する。印加された電界の方向は、分子が正負どちらの傾斜角になるかを決定 する。従来の技術によるスメチックＣ−液晶が上記のように形成されるとき、低 温度傾斜角度は一般的に約±２２°であるが、その後温度と共に００の傾斜角ま で減少し、この時点でコレステリック相への転移がある。 スメクチックＡ相を持たない素材の場合には、かなり異なったように行動する。 この場合、素材は通常、より高い温度のコレステリック相、つまり層構造を持た ないキラルな液晶を有する。故に、高温度のコレステリ７り相を持つ素材が、特 定方向にこすられたセルに使用された場合、液晶はディレクタと並んで配列し、 コレステリック相のこすり軸に対して平行となる。さらにスメクチックＣ相まで 冷却されると、この素材のディレクタ配向は本質的には保持されるが、分子は、 こすり軸に対する傾斜角と同等の角度での垂直層を有する層構造を形成する。こ れらの素材の傾斜角は一般的に約４５ｏで、温度とほとんど無関係である。

【発明のまとめ】

本発明は、ねじれ強誘電性液晶変調器で、強誘電性液晶が液晶セルの対向する面 で垂直方向に配列するものであると要約することができる。偏光子はセルの両側 に置かれる。 セルをわたって電圧が印加されていない場合、光はねじれ液晶によって導波され る。しかし、電圧が印加されると、液晶のねじれが戻り、液晶のほとんど（表面 に非常に近いものを除く）は配列方向の１つと配列するようになり、よって導波 のねじれ機構が破壊され、光が妨げられる。しかしながら、小さな電圧が印加さ れた場合では、液晶は部分的にしかねじれを戻さない。そして部分的導波は、最 初に直線偏光された光を楕円に偏光する。よって電圧は、透過する光の量を連続 的に制御し、グレースケール変調器を提供することができる。 ｒ図面の簡単な説明】 図１は、光学変調器の発明の第１実施例の断面図。 図２および３は、図１の変調器の動作を図示した透視図。 卯は、本発明の光学変調器のグレースケール電圧依存性を図示したデータのグラ フ。 図５は、ファプリ・ベロ・フィルタの発明の第２実施例の断面図。

【発明の詳細な説明】

ねじれ強誘電性液晶変調器を断面図で図１に示した。凍のガラスプレートは、セ ル両側のアセンブリの基板ｌＯおよび１２として使用される。例えば酸化スズイ ンジウムなどからなる薄い透明な電極１４および１６は、基板１４および１６の 片面にコーティングされる。透明電極１４および１６上に形成された均性配列層 １８および２ｏは、隣接する液晶分子がセルの２つの側面において垂直配列、ま た両側に対して平行となるように配列するよう、最終的に組み立てられてたセル で見ると垂直方向にパフされている。直線偏光するシート２２および２４は、各 側のアセンブリの配列方向に平行である偏光方向で基板１ｏの外面に置がれる。 偏光軸が、それぞれのこすり軸に対して垂直である場合も、同様の効果が得られ る。偏光方向を変更すると、光学的効果も変わる。２つの側面のアセンブリは、 事前決定された数マイクロメーターの小さな間隙をはさんで平行に組み立てられ る。２つの配列層１８および２０のパフ方向は、本質的には垂直に設定されてい る。強誘電性液晶２６が、その間隙を埋め、その表面は、各表面で２つの安定し た傾斜角の１つが配列（パフ）方向に対して平行に配列されるように配列層１８ および２０と配列する。 電圧信号＃２８はセルの電極１４および１６を通って接続されている。印加電圧 がないとき、液晶は垂直にパフされた層Ｉ８と２０の間をゆっくり９０’ねじれ る。例えばセルに左から当たる光は、人力偏光子２２によって直線偏光され、こ の方向はセル間隙の左での強誘電性液晶の配列に対応する。方程式（＋）の条件 が満足されているので、直線偏光された光は次に、液晶２６のゆっくりねじれた ディレクタに沿って、右１ｆｆｌ１層２ｏの翫７１Ｊ方向と平行に、また出力偏 光子（アナライザ）２４の偏光方向に対して平行に、右配列層２ｏに当たるまで 導波される。つまり、印加電極がない場合、液晶変調器は光を透過させることに なる。 しかしながら、電圧源２８が液晶にわたって電化を印加した場合、各強誘電性液 晶分子と関連し、かつこれに対して垂直な偏光ベクトルは、分子を電界に対して 垂直に配列させる。よって、実質１全ての液晶分子は、配列層１８または２０の １つの配列方向と配列するようになる。その結果、強誘電性液晶はそれ自体のね じれを戻し、方程式（１）の条件はもはや満足されず、直線偏光された光は導波 されない。導波がない状態では、光の偏光方向は液晶をわたるときに回転するこ とはなく、光は垂直な偏光でアナライザ２４に当り、それによって吸収される。 つまり、多くの電界を印加した場合、強誘電性液晶変調器は光を妨げることにな る。 これに対して、比較的小さな電圧の印加では、ねじれを部分的にしか戻さず、導 波は部分的に達成される。光は楕円的に偏光されるようになる。人力光の液晶が 垂直偏光に転換（導波）する部分はアナライザ２４によって透過され、その入力 偏光で残った部分は妨げられる。２つの部分の割合は印加電圧に依存する。故に 、観察可能な楕円偏光の電圧範囲において、吸収される光の量は印加電圧と共に 単調かつ連続的に変化し、ねじれ強誘電性液晶変調器はグレースケール変調を提 供する。２進変調は２つの強さのレベルを提供するが、グレースケール変調では ２つ以上となる。 ねじれネマチックから、およびねじれ強誘電性液晶からできた光学変調器は、全 体的に同様の構造を有し、同様の効果を提供する（使用可能なグレースケールを 除く）。しかしながら、液晶の分子レベルでの実際の物理的プロセスは大幅に異 なっている。強誘電性液晶は、層構造に配置されたキラルな分子からなる。下記 の考察は強誘電性スメクチックＣ＊液晶のみに当てはまるものであるが、同様の 効果は他の強誘電性液晶でも認められる。図２の透視図に示されたように、本構 造において、スメクチック層３０は配列層１８と２０の間に垂直に伸びている。 各スメクチック層３０の中で、液晶分子３２は垂直層に対して傾斜角と呼ばれる 角度で傾斜している。つまり、この液晶分子は右円形部分を有し、垂直層の中心 に置かれる円錐に沿って置かれる可能性がある。さらに強誘電性液晶分子３２は 、分子３２が円錐の部分３４と交わる点において、部分３４と平行に置かれた偏 光ベクトルＰを有する。 ２つの配列層１８および２０は隣接する液晶分子と強く固定されており、それら を２つの安定した傾斜角の１つと、それぞれのこすり軸３６および３８に平行に 、つまりこすり軸３６および３８の間においてげで配列するようにする。セルの 間隙において、液晶分子はゆつくりと節ねじれる。しかし強誘電性液晶では、液 晶分子はねじれるばかりではなく、それぞれの円錐３４の回りを歳差運動する。 （図示された歳差の方向は２つの縮退方向の１つである。）それにも拘わらず、 ねじれた液晶は入射直線偏光韻を導波する。 しかしながら、セル間隙を通して電界ｉを誘導するために大きな電圧が電極１４ および１６にわたって印加されたとき、図３の透視図に示したように、液晶分子 ３２と関連する誘導する１つの配列層２０に配列するようになる。他の配列層１ ８に隣接する分子３２のわずかな部分のみが、偏光エネルギーに負けない配列エ ネルギーを有する。その結果、高度にねじれているが非常に薄い層が、表面の１ つの近辺で形成される。急速なねじれにより、方程式（＋）の条件は満足されず 、よって光の直線偏光は大きく回転されず、対向するアナライザ２４によって吸 収される。 グレースケール範囲は、図２の構造のねじれを戻すことが不完全であり部分的な 導波が行なわれるような方法で、図２と３の間のような中間の電圧で起こる。 〔実施例１〕 図１のねじれ強誘電性液晶変調器を製作し、光学的にテストした。酸化スズイン ジウムをソーダ石灰ガラス基板上に蒸着し、ｌ　ｃｍ　ｘ　Ｉ　ｃｍの面積とな るようにパターン付けした。配列素材は、ポリ　（ｌ、４ブチレンテレフタレー ト）で約３０　ｎｍの厚さまでコーティングし、次に一方向にパフした。これら のセル側面のアセンブリは、お互いに垂直なパフ方向にすると共に、直径２．５ μｍの球状スペーサで間隙を決定するよう置かれた。結果的に間隙は２６□ｍと なった。この間隙は、（株）チッソがら商業的に入手可能な強誘電性液晶Ｃ５２ ｔ）０４タイプで埋められた。ＰａｔｅｌらによるｒＡｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｏｆ 　１ｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌｓ　ｗｈｉｃｈ　■■■奄ｂ奄■ ｃｈｏｌｅｓｗｒｉｃ　ｕｙ　ｓｍｅｃｔｉｃ　Ｃ”　ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓ ｉｔｉｏｎｓ　［コレステリックからスメクチックＣ中相へ■]移 を示す液晶の配列］Ｊ　、　ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｔｓ 、第５９巻、１９８６年、ｐｐ、　２３５５−２３６０に記■ の手順に従い、スメクチック層が一４５°でこｔり軸と配列するようコレステリ ックとスメクチックＣ１ｌ相の間で約６２℃の転移温度に近い上昇した温度で大 きなＡＣ電界を試料に印加した。つまり、スメクチックＣ１１液晶は、その２つ の安定した傾斜角の！っで、隣接するこすり軸に平行して配列されたことになる 。偏光表面の相互作用は、こすり軸に関して２つの可能な層配向間の縮退性状態 を壊してしまう。このような配列手順では、安定した傾斜角は４５’で、はとん ど温度に影響されない。最適な液晶素材は、こする方向に対してスメクチック層 の４５°配列で、等方相からスメクチックＣψ相へ直接転換する。ある層配向に 関しては、セル中央にある可能なディレクタ配向に対応する２つのドメイン、つ まり２つの歳差方向がときどき認められた。このような試料は、１分間５０Ｖ／ μのｍＡＣＡＣ電界科を放置することによって、単一ドメインに転換することが 可能である。実験的例では、光学顕微鏡の偏光子は偏光シートに置き換えられて いる。 実施例の光学変ｖ４器は、振幅■の５ｍｓパルスを作り出し、次に電圧なしで５ ｍｓをおいた後、反対の極性で同様のパルスを作り出すようプログラムきれた任 意波形発振器を用いてテストされた。このシーケンスにより、透過する強さにお いて徐々の変化を作り出すことが知られるＤＣｔ界の長時間使用を避けることが できた。液晶セルは室温に近い温度で正確に維持された。可視光がセルを照射し 、透過する強さはフォトダイオードで検知し、このフォトダイオードの出力パル スをオシロスコープでモニターした。図４のデータは、正および負パルス（これ らは同等）の両方の相対的強さを示している。偏光子２２および２４は、曲線４ ６のデータでは偏光方向が垂直になるよう　（図１〜３の構造）、また曲線４８ のデータでは平行になるよう配置されている。故に、相対的配向を変更すること は、コントラストの電圧依存をほとんど逆転してしまう。曲線４６と４８の間で 完全な対称になっていないことは、方程式（＋）の導波条件が完全に満足されて いないことを示している。故に、透過のグレースケールは、波長依存であり、弐 料のＰ＃１．さを選択することによって、ある波長に合わせて最適化するべきで ある。コントラストは２■以上で飽和状態となり、この時点でコントラスト比は ２５・１よりも大きい。但し、より高い電圧は、分子を表面で再配向するため、 コントラストを退縮してしまう。電気的に駆動してねじれを戻すこと、および電 気的に駆動して再びねじることの両方におけるスイッチング時間は、ｌ１ｍ分の １秒以下であるが、これは高い温度で向上する。短いスイッチング時間は、表面 の分子を再配向する必要がないため起こるようである。 厚いセル間隙を有するセルが製作されたが、複数ドメインが多いため厚さ１０μ ｍの試料では性能の劣化が認められた。ねじれた構造は、下記の範囲の厚さで安 定している。 ｄ、　＜　ｄ　＜　ｄ、　（２） （式中、下限ｄ１は、表面可干渉性長さが０よりも長いもので、ｄは試料の厚さ である。）記載した構造は、方程式（］）によってｄ１が確立される可能性が高 い。上限ｄ、は、試料セルの面において試料を不均性にするデキラル化線の開始 点に対応する。この距離は、スメクチックＣ傘らせん構造のピッチ程度である。 ねじれ強誘電性液晶はまた、調整可能なファブリ・ベロ・フィルタにも使用でき る。 図５の断面図に示したように、調整可能フィルタの構造は、配列層１８および２ ０と、関連する透明の電極１４および１６の間にある誘電干渉ミラー５０および ５２を追加している点で図１の光学変調器のものと異なる。用途にもよるが、偏 光子が必要でないこともある。強誘電性液晶ファブリ・ベロ・フィルタの単純な 実施例は、スメクチック層に対して強誘電性液晶が±４５°の傾斜角になってい ることに依存する。 液晶ファプリ・ベロ・フィルタは、Ｐａｔｅｌによる米国特許５，０６８，７４ ９．５，１１１．３２Ｌ５．１５０．２３６、および関連出版物に開示された。 米国特許４，７７９，９５９において５ａｕｎｄｅｒｓは、ねじれが１８（１’ あるいは３６０Ｙｌ液晶フアブリ・ベロ変調器、または従来技術の傾斜角２２０ を有すると思われる強誘電性液晶を使用した液晶ファブリ・ベロ変調器について 述べている。 異方性の素材が、ファブリ・ベロ空洞内で力性である場合、つまり図３の変調器 の電界の上限で、はとんどの液晶は配列層の１つと配列する場合、これは２つの 直交方向に沿って偏光された２つの共鳴波長λ１およびλ１を生成する。これら ２つの方向は、異方性素材の主軸と共線をなしている。２つの共鳴波長でランダ ムに偏光された入力光に関しては、両波長は透過するが、出力光はλ、の１方向 に沿って、またλ、の直交方向に沿って偏光される。反対の極性の電界が強誘電 性液晶をわたって印加された場合、ゆっくりした軸とで速な軸が交換され、よっ て２つの共鳴波長の出力偏光方向が交換される。これに対して、両波長の直線偏 光した入力光に関しては、一方の波長は印加電界の一方の極性で透過し、他方は 逆の極性で透過する。また、このようなフィルタを低い印加電圧で連続的に調整 することも可能である。 〔実施例２〕 ねじれ強誘電性液晶ファプリ・ベロ・フィルタを製作し、テストした。製作は実 施例１に従ったが、Ｐａｃｔの特許の開示に従って干渉ミラーを加えた。配列層 は、ＰａｔｅｌらによってＪｏｕｒｒｕｘｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ ｃｓ記載の記事に開示された手順に従って干渉層上に蒸着した。 間隙は厚さ６５μｍとした。間隙は、等方相においてＣ５２（Ｘ）４強誘電性液 晶で埋められた。 Ｐａｕｅｌらによって開示された電界処理方法で、単一ドメインを製作した。 組み立てられたセルに、発光ダイオードからの１．５μｍの光を照射した。十分 高い電圧（＋ｏｖ７□ｍより大きい）が液晶に印加され飽和状態になった（完全 にねじれを戻した）とき、合計４つの透過ピークが眩められな。１．４９１６お よび１．６３８８μｍでのピークは、モード数１２および１３の分子の長袖に沿 って偏光された固有モードに対応し、１．４８３６および１．６１４８でのピー クは、モード数１３および１４で短軸に沿って偏光された固有モードに対応する 。単一モード数に限定して考えてみると、安定した液晶状態の１つと偏光軸が配 列する偏光子が加えられる場合、一方の波長は正の印加電圧で通過し、他方の波 長は負の印加電圧で通過する。しかしながら、液晶に■バイアスを長時間使用す ると、電荷移動のため液晶が電気化学的に劣化することが指摘されている。スイ ッチング時間は、共鳴と共鳴の間で２〜４ｍｓであると測定された。但し、スイ ッチして共鳴から出るまでには４５０　ｐ　ｓ以下しか掛からなかった。スメク チック層を光の伝播方向に対して垂直すれば、このスイッチ２フ時間を向上でき る可能性もある。 本発明の液晶変調器は、電極１４および１６のそれぞれを直線に伸びる平行電極 の垂直ア１／イに分けることによって、二次元アレイで製作することも容易であ る。故に本発明は、グレースケールを容易に制御することのできる安価な液晶変 調器アレイを可能にするものである。 図１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１ねじれ強誘電液晶光学変調器で、下記のものを含むもの。 第１アセンブリと第２アセンブリで、それらが事前決定の距離で離され、その間 に間隙があるように配置されたもの；および強誘電性液晶で該間隙を埋めるもの ； 該第１アセンブリで、第１電極、および第１配列層に対して平行である第１方向 に該液晶の第１隣接部分を配列する該第１配列層を含むもの；該第２アセンブリ で、第２電極、および第２配列層に対して平行である第２方向に該液晶の第２隣 接部分を配列し、事前決定の角度で該第１方向から移動する該第２配列層を含む もので、これによって該強誘電性液晶が該第１アセンブリと該第２アセンブリの 間でねじれるもの； 該第１および第２電極で、該液晶をわたって電位を印加する能力があるもの。 請求項２請求項１記載の変調器で、該第１および第２方向が実質的に垂直である もの。 請求項３請求項２記載の変調器で、該強誘電性液晶が実質的に±４５°の安定し た傾斜角を有し、該２つの方向に対して実質的に４５°の表面を有するスメクチ ック層を形成するスメクチック液晶を含むもの。 請求項４請求項２記載の変調器で、該第１アセンブリが第１偏光方向を有する第 １直線偏光子を含み、該第２アセンブリが第２偏光方向を有する第２直線偏光子 を含むもの。 請求項５請求項４記載の変調器で、該第１および第２偏光方向が実質的に垂直で あるもの。 請求項６請求項４記載の変調器で、該第１および第２偏光方向が実質的に平行で あるもの。 請求項７請求項４記載の変調器で、少なくとも３つのレベルから選択されたレベ ルを有する電圧信号を印加する該第１および第２電極をわたって接続された信号 源をさらに含むもの。