專利名稱：采用液晶厚盒的光調制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個采用一個含有鐵電液晶的液晶厚盒的光調制器。把一個光調制器用作斬光器以通光和阻光(所說的光包括可見光和紅外線)，也可以把該光調制器用于光探測器，氣體分析儀，紅外線探測器，非接觸型探熱器，用于烹調范圍的溫度傳感器等。
有好幾種紅外線探測器，比如熱電型和光電導型，其中電信號不能由紅外線自身產生。為了在這些探測器中探測紅外線和在這些探測器中產生電信號，應該對紅外線斬光或調制。
把常規的液晶盒分為幾個種類衍射型，動態散射型，光散射型等等。衍射型的采用一對偏振片，并且以采用向列液晶的扭曲向列(TN)型液晶盒為代表。動態散射型也采用向列液晶。光散射型利用了在膽甾醇型相和向列相之間的相轉變。
當長波長光(比如紅外線)通過一個衍射型液晶盒時，該盒厚度應該對應于波長以便適當地旋轉光的極性，這將導致對于交流電壓脈沖的非常差的反應性。在動態散射型中，必須降低驅動電壓以提高散射效率，這也會導致反應性變差。還有在光散射型中，在膽甾醇型相中的液晶分子螺旋結構的分辨速度很低使得反應性也很低。
另外，可以指望鐵電液晶具有多種應用，比如顯示板，光調制器等等，這是因為它們對于電場變化有高反應性。有兩種采用鐵電液晶的光調制器厚盒型和薄盒型。薄盒型液晶盒具有幾個微米的盒間隙。它們具有一對偏振片并且利用包含在其中的液晶的雙折射。由于在兩個偏振片中的傳輸損耗，薄盒型液晶盒的透射率不可避免地小于50％。另一個缺點是調制效率(定義為在透明狀態和光散射或不透明狀態之間的透射率之差)在較長波長(即紅外區域)隨著折射率下降而變低，這是由于它們象TN型一樣采用了雙折射模式。
厚盒型液晶盒具有50至幾百微米的盒間隙，并且具有良好的散射特性，這是因為它們利用了過渡散射現象，這使得它們可應用于光調制器中。當顛倒了驅動電壓的極性時(日本已公開專利申請S60-195521，S60-254120和S61-260227)，由于在近晶C相中液晶分子陣列的紊亂，厚盒型液晶盒的過渡散射利用主光的后散射。由于它們不需要偏振片，因而制造費低且有可能獲得高透射率(低傳輸損耗)。由于這些優點可用于紅外線和可見光，該液晶厚盒可用于調制(或斬光)紅外線，紅外線在氣體分析儀中是必須的。已經知道通過在兩個液晶厚盒電極之間施加對稱的電壓脈沖(即50％負載比)可以獲得對于紅外線以及可見光的一定的調制效率。
在一個采用鐵電液晶的液晶厚盒光調制器中，顛倒驅動電場(或驅動電壓)以把液晶從透明狀態改變到光散射狀態。由于鐵電液晶的高反應性，從透明狀態到光散射(或不透明)狀態的響應速度非常快。但是從光散射狀態恢復到透明狀態的時間很長(幾十至幾百毫秒)。這歸因于這樣一個事實光散射狀態是一個從一個液晶分子的有序的(透明的)狀態向另一個有序的(透明的)狀態的過渡狀態。當散射狀態變為透明狀態時，取向分子的層狀區域在整個混亂中發展，并且該區域發展直到盒內的所有液晶取向成一個透明狀態為止。
在上面引用的已公開的日本專利申請中報導了一些保持光散射(不透明)狀態的方法。但是沒有一種方法能降低從光散射狀態到透明狀態所需的時間。
常規的采用對稱電壓脈沖的驅動方法的另一個缺陷是最高實用調制頻率不論衍射型還是散射型都為幾十赫茲。即常規光調制器不能用于需要對紅外線高速斬光的紅外線探測器。
根據本發明，一種類型的液晶厚盒光調制器包括一個在一對平行電極板之間包含有鐵電液晶的厚盒，和一個用于在這對電極板之間施加一系列具有非對稱的負載比(即負載比不是50％)的電壓脈沖的電壓施加電路。
根據本發明的另一種類型的液晶厚盒光調制器包括一個在一對平行電極板之間包含有鐵電液晶的一個厚盒，和一個用于在這對電極板之間施加一系列其中添加有一個直流(DC)偏置電壓的電壓脈沖的電壓施加電路。
與其中施加在電極上的電壓脈沖的負載比為對稱的(即50％)常規光調制器相比，本發明的光調制器對于紅外線以及可見光具有較高的調制效率和較高的反應性，這就使得可在較高頻率處進行光調制。因為當液晶從光散射狀態向透明狀態改變時，鐵電液晶分子的瞬時極化的旋轉不完全，而是中途停止并且恢復至初始方向，所以本發明的光調制器的反應性得以改善。另外，因為在光散射狀態中形成的區域大小適于散射光，可以得到本發明光調制器的較高的調制效率。
不對稱負載比的實例是55至85％，并且更可取的范圍是58至75％。最優負載比取決于厚盒的設計和使用，并且在電壓施加電路(電源電路)中使用一個負載比調節電路更可取。
當例如電壓脈沖的振幅是±40V時，10至15V的DC偏置電壓(即半振幅的25至40％)產生高調制效率。半振幅的20至50％的更寬范圍仍會產生與在無偏置的50％負載比情況下非常小調制效率相比非常大的調制效率。對于DC偏置電壓，在電壓施加電路(電源電路)中最好使用偏置電壓調節電路。
可以同時在一個厚盒的電極上施加不對稱電壓脈沖和DC偏置。在這種情況下，在電壓施加電路(電源電路)中使用偏置電壓調節電路和DC偏置電壓調節電路更為可取。
電極的電阻率大于0.5Ω·cm比較可取，大于2Ω·cm更為可取，這是因為電阻率小于0.5Ω·cm會使透射率變差。透射率變差尤其會發生在較長波長(10μm)處。
本發明的厚盒包括一對平行電極板和包含在電極板之間的鐵電液晶。電極板可以由其表面上帶有比如汽相沉積的ITO(氧化銦錫)膜的導電膜的玻璃板制成。電極板可以由硅板或者摻雜有雜質的鍺板制成。兩個電極板以大于50μm(最好是100至300μm)的間隙平行放置。采用比如Lumilar(Toray公司的商標名)聚酯片來確定和固定該間隙并且密封在這對電極板之間的間隔。小于50μm的盒間隙會導致調制效率變差。
對于包含在電極板之間的鐵電液晶，可以采用Schiff基，偶氮，氧化偶氮基，苯甲酸酯，聯苯，三聯苯，環己基碳酸酯，苯基環己烷，嘧啶或環氧乙烷液晶(或者上述任何液晶的組合)。液晶的分子結構如

圖12所示。“鐵電液晶的結構和特征”，第229-234頁，Corona公司，描述了這些和其它液晶。在市場上可以得到商標為CS-1014，CS-1017(Chisso Petroleum公司)，ZLI-1013或ZLI-1011(Merck公司)的液晶。
根據本發明的第三種類型的液晶厚盒光調制器包括一個包括一對平行電極板的厚盒，這對電極板的間隙長度大于50μm；包含在這對電極板中的鐵電液晶，處于近晶C相的鐵電液晶的螺旋間距為該間隙長度的0.7至0.95倍，和一個用于在這對電極板之間施加一系列電壓脈沖的電壓施加電路。
更可取的螺旋間隙范圍是0.8至0.9倍的間隙長度。小于0.7倍間隙長度的螺旋間隙會導致透明狀態下的透射率低，這是因為液晶分子的取向變得不夠充分并且區域變得如此小以致于在透明狀態下的透射率變差。大于0.95倍的螺旋間距亦不可取，因為液晶的螺旋結構擴大或消失，并且形成區域困難使得不容易實現充分的光散射。這就指示調制效率非常依賴盒間隙和螺旋間距，并且當盒間隙增加時只有用較大的螺旋間距才可得到足夠的調制效率。
當不能用鐵電液晶單獨滿足螺旋間距條件(0.7至0.95倍的間隙長度)時，可以向液晶中加入間距調節劑。可以采用任何已知的間距調節劑，也有可能采用一種非手性液晶作為間距調節劑。當使用5μm螺旋間距的鐵電液晶時，可以用間距調節劑把鐵電液晶稀釋20倍，以獲得100μm螺旋間距。
本發明的鐵電液晶盒光調制器可用于可見光以及紅外線。當使用0.8-3μm波長的近紅外線或者3-8μm波長的中紅外線時，盒間隙大于100μm較為可取。當使用8-25μm的遠紅外線時，最好采用50-100μm的盒間隙。如果在此情況下盒間隙較大，則由于鐵電液晶的分子振動會使遠紅外線被液晶吸收。
螺旋間距條件與不對稱或偏置電壓脈沖施加方法相結合當然更為可取。
圖1是一個根據本發明的鐵電液晶厚盒光調制器的剖面圖。
圖2A至2E是表示負載比與調制效率之間關系的圖表。
圖3是液晶盒的頻率特性曲線圖。
圖4A和4B是表示脈沖的振蕩頻率的效果的圖線。
圖5A至5C是表示施加偏置電壓的效果的圖示。
圖6A和6B是表示施加偏置電壓的效果的圖示。
圖7是一個調制頻率對螺旋間距的關系圖。
圖8是一個液晶厚盒的剖面圖。
圖9是一個表示調制效率和透射率對螺旋間距的曲線圖。
圖10是另一個液晶厚盒的剖面圖。
圖11是一個表示對于不同盒間隙值的調制效率對螺旋間距的曲線圖。
圖12是一個對于不同的鐵電液晶分子的結構圖表。
圖13是一個采用本發明的鐵電液晶厚盒光調制器的氣體分析儀。
液晶厚盒光調制器1(如圖1所示)由一個厚盒8和一個電壓施加電路1構成。厚盒8包括一對平行電極板2和3；用于確定在電極2、3之間間隔距離的隔板5和6；和包含在由電極板2、3及隔板5、6形成的盒中的鐵電液晶4。
電壓施加電路7在這對電極板2和3之間施加不對稱電壓脈沖。電壓脈沖的不對稱程度或負載比(即正周期的時間間隔與由正周期和負周期構成的整個循環的時間間隔的比率)是55至85％。當把具有極性的直流(DC)電場施加到鐵電液晶盒上時，液晶分子沿電場方向取向，借此液晶盒變為光學透明的。當立刻反轉電場的極性時(“立刻地”意思是反轉時間小于微秒級的鐵電液晶的正常響應時間)，由于液晶分子不能跟上電場的快速變化，液晶分子隨機運動，因而可獲得光散射狀態。由于在隨機化的早期階段可以獲得足夠的光散射能力，如果在分子完全沿相反方向重新取向之前把施加的電壓的極性恢復到初始的極性，液晶分子的極性可以在較短時間內恢復到沿初時方向取向的初始透明狀態。這就降低了將光散射狀態改變至透明狀態所需的時間。通過施加具有不對稱負載比的電壓脈沖，在中途可以使初始取向狀態變為相反的取向狀態。
如圖13所示將圖1的液晶厚盒光調制器1應用于一個氣體分析儀。該氣體分析儀至少要包括一個采樣氣室12，一個參照氣室13，一個鹵燈15，一個檢測器16和一個采用厚盒光調制器的液晶斬光器1。鹵燈15通過一個干涉濾光器14向兩個氣室12和13投射光。檢測器16采用鉭酸鋰的熱電材料。液晶斬光器1包括兩個斬光器A和B斬光器A對應于采樣室12，斬光器B對應于參照室13。這兩個斬光器可以作為一個單元。在圖13中，序號17代表采樣氣體入口，序號18代表采樣氣體出口，序號19代表一個凸透鏡。由于按照光輻照可以瞬息地觀察在檢測器16的熱電材料表面上的電荷的變化，有必要通過在檢測器16前放置斬光器1來持續此過渡狀態。在相對高的頻率(幾百赫茲)下可以得到最大的熱電材料靈敏度，這種頻率僅靠本發明的鐵電液晶厚盒即可實現。
如下來操作該氣體分析儀11。由鹵素燈15產生的紅外線通過干涉濾光器14并且進入采樣氣室12和參照氣室13。用斬光器1和檢測器16對已經穿過在室12和13中的采樣氣(例如二氧化碳和一氧化碳)的紅外線進行斬光和檢測。在液晶斬光器1(即斬光器A和B)中，在電極板上施加不對稱電壓脈沖。由于如上所述熱電材料只能探測調制的光，對由檢測器16檢測到的信號進行信號處理的最簡單的方式是交替地操作斬光器A和B。通過用不同頻率操作兩個斬光器A和B，可以在電路上把兩個氣室的信號分離開。
實例1用可見光試驗試驗室采用在表面上帶有離子擴散的ITO(氧化銦錫)膜的玻璃板。在兩個玻璃板固定在一起之前用棉布沿一個方向摩擦這兩個玻璃板的內表面。該室的間隔由聚酯膜間隔物確定和固定。鑒于通常情況下較小的間隙長度降低散射效率而較大間隙長度損害清晰度，在本試驗盒中將間隙長度定為100μm。但采用不同的室間隙長度也可以得到本發明的效果。然后將ZLI-1013，1011(Merck公司制造)的鐵電液晶填充入該間隙中，并且用環氧膠密封其周邊。在120℃下使該液晶液化，并且慢慢冷卻以獲得近晶C相。
圖2A-2D表示通過上述液晶厚盒的接收1000K黑體輻射的具有一系列不同負載比的電壓脈沖的光二極管的輸出變化。把電壓脈沖的振幅確定為±30V并且把高變速率定為70HZ。圖2A表示負載比為50％的常規情況，即在液晶上的電場的一種極性的周期與另一種極性的周期相同。由于液晶分子的緩慢運動，光二極管的輸出幾乎不隨電壓脈沖的極性變化。圖2B、2C和2D對應于本發明的負載比是60、70和80％的情況。在60％的負載比下可產生透射率的顯著變化并可得到高調制效率。如圖2E所示，對于Merck ZLI4237液晶和Chisso-103液晶來說，55至85％的負載比產生一定程度的調制效率，58至75％的負載比產生非常高的調制效率。優選的負載比可以根據調制頻率變化。
圖3是常規光調制器和本發明光調制器的相對于調制頻率的調制頻率圖。該圖清楚地表明在本發明的光調制器中在高調制頻率下調制效率大大改善。
實例2用紅外線試驗用一對20×20mm的硅板制造一個盒。由于硅板的電阻率是低如8-40Ω·cm，可以把硅板用作液晶的電極。在每個硅板的一角處形成一個金制島狀物用來把一個導線接到電極上。在硅板的兩個表面上形成非反射的涂覆層以便使5μm波長的紅外線充分通過。可以根據采用的光而改變涂覆。對于氣體分析儀可采用5μm波長，可采用10μm波長來探測人體或探測一個物體的溫度。為了有助于液晶分子的取向還對硅板的內表面進行摩擦。采用相同厚度的聚酯膜間隔物把盒間隙定為100μm。在硅板之間的間隙中充填了液晶(這里采用的液晶與實例1中采用的相同)，對液晶進行與上述實例相同的熱處理。本試驗的液晶盒的調制效率大約是70-50％。
圖4A和4B是用非反射涂層對5μm波長紅外線的調制效率的曲線圖。這些曲線圖表明本實例的鐵電液晶厚盒在200至1200HZ的調制頻率下具有相當大的調制效率。電壓脈沖的振幅最好隨著調制頻率的增加而增加。
實例3用在表面上具有ITO(氧化銦錫)膜以作為透明電極的玻璃板來制作試，驗盒。為使液晶取向用棉布沿一個方向研磨玻璃板，然后采用聚酯膜間隔物以100μm的盒間隙來固定兩個玻璃板。
當盒間隙長度增加時，光散射更強烈，但另一方面，在透明狀態下的清晰度變差。然而考慮這兩個因素，把盒間隙選定為100μm。在不損害本發明的效果的情況下當然也可以采用不同的盒間隙。在盒的間隙中充填Merck公司的液晶ZLI-1013，1011。把該盒加熱到120℃以液化該液晶，并且慢慢冷卻以獲得近晶C相。
來自一個氦氖激光器的光(638nm波長的可見光)通過該液晶盒，并且用一個光二極管來檢測具有80V峰間電壓脈沖的由液晶盒調制的光。在本試驗中，向電壓脈沖中加一個OV(無偏置)、10V或20V的偏置DC電壓，并且把負載比定為50％(即對稱的)。圖5A是光二極管輸出和施加的不帶偏置電壓(OV)的電壓脈沖的曲線圖。在這種情況下因為分子的移動這么慢以致于它們不能跟上電場的全部變化，所以調制效率低。當把10V或20V的DC偏置電壓加入(如在圖5B和5C)時，加快了從光散射狀態的恢復。并且光二極管的輸出緊跟上了電壓脈沖的變化。10-15V的偏置電壓或者25-40％的電壓脈沖的振幅產生最大的調制效率，并且20至50％的振幅與在無偏置電壓情況下的勉強可觀察到的調制效率相比可產生很高的調制效率。
當在鐵電液晶盒上施加一個極性的直流(DC)電場時，液晶分子沿電場方向取向，這樣液晶呈光學透明狀態。當立刻顛倒電場的極性時(“立刻”是指顛倒極性的時間小于微秒級的鐵電液晶的正常響應時間)，由于液晶分子不能跟上電場的快速變化，它們隨機地移動，因而產生了光散射狀態。由于在隨機化的早期階段可以獲得足夠的光散射能力，如果在分子完全沿相反方向重新取向之前把施加的電壓極性恢復到初始的極性，液晶分子可以在較短時間內恢復到沿初始方向取向的初始透明狀態。這就降低了從光散射狀態改變到透明狀態所需要的時間。通過向電壓脈沖施加一個DC偏置，在中途可以使初始取向狀態變為相反的取向狀態。通過本發明施加DC偏置的方法，使液晶厚盒的頻率特性有了很大改進。
實例4象實例1一樣，采用5μm波長的紅外線來估價相同的液晶盒。圖6A給出的結果表現出對紅外線的相近的可取的調制效率。該盒結構與實例1相同。圖6B表示在改善調制效率方面向電壓脈沖中加DC偏置電壓的顯著效果。
實例5當膽甾型的(向列手性的)相的螺旋間距增加時，近晶型C相的螺旋間距通常也增加。因此可指望用此現象來增加調制效率。當自發極化變得極其小時，液晶分子趨于不移動。用于本試驗中的鐵電液晶如表1所示。
表1-所采用的液晶AB C D E FPh.Tr.Temp.
N*-ISO81 68 85 92.294.698.1Sl-N*69 64 72 75.677 78.5Sc-Sl54 55 60 64.466 67.6cl-Sc* -21 -20-11 -15 -16 -4Spont.Pol.(25℃)(nC/cm2)-5.4 -9.3 -34.7 18.511.75.9傾斜角(度)22 26 25 24.723.923.3間距長度CrorN*相 32 27 14 16.222.525(μm) (71℃) (66℃) (72℃) (77℃) (78℃) (80℃)Sc相 527 14 21 28 42(μm) (25℃) (25℃) (25℃) (25℃) (25℃) (25℃)響應時間(μsec) 232 18456 75 91.5126(Ph.Tr.Temp.＝相變溫度)(Spont.Pol.＝自發極化)在表1中的鐵電液晶的自發極化通常隨螺旋間距的增加而降低。當采用在表1中的液晶F(具有最小的自發極化值)時，可獲得最好的調制效率。
表1中的鐵電液晶對5μm波長紅外線的調制效率如圖7所示。液晶裝在如圖8所示的厚盒中，其中序號2和3代表具有20Ω·cm和400μm厚度的電阻率的硅電極板，序號4代表鐵電液晶，序號5和6代表100μm厚度的間隔物，序號8代表引線，序號9代表對于5μm波長的非反射涂膜。
測量對于2μm中紅外線的相對于液晶的螺旋間距的調制效率。結果如圖9所示，其中O代表在透明狀態下的透射態(％)，X代表調制效率，△代表在光散射狀態下的透射率(％)。液晶裝在圖10的盒中，其中序號2和3是ITO電極，序號4是鐵電液晶，序號5和6是100μm的間隔物，序號8是導線和序號10代表1mm厚的間隔物。如圖4A所示在電極上施加電壓脈沖。如圖7和9所示，調制效率非常依賴于螺旋間距和盒間隙。
實例6采用在圖8的液晶厚盒光調制器中的不同厚度的間隔物來改變盒間隙的長度，并且測量液晶盒對于2μm波長的近紅外線的調制效率。施加于電極上的電壓脈沖如圖4A所示。其結果見圖11。如圖11所示，當螺旋間隙為盒間隙長度的0.7到0.95倍時，在相同盒間隙的光調制器中調制效率變為最大。在超過100μm的盒間隙下可以獲得絕對最大的調制效率。
權利要求
1.一個液晶厚盒光調制器包括一個在一對平行電極板之間含有鐵電液晶的厚盒；和一個用于把一系列具有不對稱負載比的電壓脈沖施加到該對電極板之間的電壓施加電路。
2.根據權利要求1的液晶厚盒光調制器，其特征在于負載比是55-85％。
3.根據權利要求1的液晶厚盒光調制器，其特征在于負載比是58-75％。
4.一個液晶厚盒光調制器包括一個在一對平行電極板之間含有鐵電液晶的厚盒；和一個用于在該對電極板之間施加一系列其中加有一個DC偏置電壓的電壓脈沖的電壓施加電路。
5.根據權利要求4的液晶厚盒光調制器，其特征在于該DC偏置電壓是電壓脈沖的半振幅的20至50％。
6.根據權利要求4的液晶厚盒光調制器，其特征在于該DC偏置電壓是電壓脈沖的半振幅的25至40％。
7.一個液晶厚盒光調制器包括一個包括一對平行電極板的厚盒，電極板之間的間隙長度大于50μm；在這對電極板之間的鐵電液晶，該處于近晶C相的鐵電液晶的螺旋間距是間隙長度的0.7至0.95倍；和一個用于在這對電極板之間施加一系列電壓脈沖的電壓施加電路。
8.根據權利要求7的液晶厚盒光調制器，其特征在于處于近晶C相的鐵電液晶的螺旋間距是間隙長度的0.8至0.9倍。
全文摘要
在一個采用鐵電液晶的液晶厚盒光調制器中，在包含有鐵電液晶的一對電極板之間施加一系列具有不對稱負載比(即55-85％的負載比)的電壓脈沖。在另一個采用鐵電液晶的液晶厚盒光調制器中，在電壓脈沖中加入一個DC偏置電壓，其中DC偏置電壓的大小是電壓脈沖半振幅的20-50％。在又一個液晶厚盒光調制器中，電極板之間的間隙長度大于50μm，并且鐵電液晶的近晶C相中的螺旋間距是0.7至0.95倍的間隙長度。
文檔編號G02F1/137GK1116723SQ9412048
公開日1996年2月14日 申請日期1994年12月28日 優先權日1993年12月28日
發明者小林潤也, 喜多純一 申請人:株式會社島津制作所