[发明专利]采用液晶厚盒的光调制器

说明书

本发明涉及一个采用一个含有铁电液晶的液晶厚盒的光调制器。把一个光调制器用作斩光器以通光和阻光(所说的光包括可见光和红外线)，也可以把该光调制器用于光探测器，气体分析仪，红外线探测器，非接触型探热器，用于烹调范围的温度传感器等。

有好几种红外线探测器，比如热电型和光电导型，其中电信号不能由红外线自身产生。为了在这些探测器中探测红外线和在这些探测器中产生电信号，应该对红外线斩光或调制。

把常规的液晶盒分为几个种类：衍射型，动态散射型，光散射型等等。衍射型的采用一对偏振片，并且以采用向列液晶的扭曲向列(TN)型液晶盒为代表。动态散射型也采用向列液晶。光散射型利用了在胆甾醇型相和向列相之间的相转变。

当长波长光(比如红外线)通过一个衍射型液晶盒时，该盒厚度应该对应于波长以便适当地旋转光的极性，这将导致对于交流电压脉冲的非常差的反应性。在动态散射型中，必须降低驱动电压以提高散射效率，这也会导致反应性变差。还有在光散射型中，在胆甾醇型相中的液晶分子螺旋结构的分辨速度很低使得反应性也很低。

另外，可以指望铁电液晶具有多种应用，比如显示板，光调制器等等，这是因为它们对于电场变化有高反应性。有两种采用铁电液晶的光调制器：厚盒型和薄盒型。薄盒型液晶盒具有几个微米的盒间隙。它们具有一对偏振片并且利用包含在其中的液晶的双折射。由于在两个偏振片中的传输损耗，薄盒型液晶盒的透射率不可避免地小于50％。另一个缺点是调制效率(定义为在透明状态和光散射或不透明状态之间的透射率之差)在较长波长(即红外区域)随着折射率下降而变低，这是由于它们象TN型一样采用了双折射模式。

厚盒型液晶盒具有50至几百微米的盒间隙，并且具有良好的散射特性，这是因为它们利用了过渡散射现象，这使得它们可应用于光调制器中。当颠倒了驱动电压的极性时(日本已公开专利申请S60-195521，S60-254120和S61-260227)，由于在近晶C相中液晶分子阵列的紊乱，厚盒型液晶盒的过渡散射利用主光的后散射。由于它们不需要偏振片，因而制造费低且有可能获得高透射率(低传输损耗)。由于这些优点可用于红外线和可见光，该液晶厚盒可用于调制(或斩光)红外线，红外线在气体分析仪中是必须的。已经知道通过在两个液晶厚盒电极之间施加对称的电压脉冲(即50％负载比)可以获得对于红外线以及可见光的一定的调制效率。

在一个采用铁电液晶的液晶厚盒光调制器中，颠倒驱动电场(或驱动电压)以把液晶从透明状态改变到光散射状态。由于铁电液晶的高反应性，从透明状态到光散射(或不透明)状态的响应速度非常快。但是从光散射状态恢复到透明状态的时间很长(几十至几百毫秒)。这归因于这样一个事实：光散射状态是一个从一个液晶分子的有序的(透明的)状态向另一个有序的(透明的)状态的过渡状态。当散射状态变为透明状态时，取向分子的层状区域在整个混乱中发展，并且该区域发展直到盒内的所有液晶取向成一个透明状态为止。

在上面引用的已公开的日本专利申请中报导了一些保持光散射(不透明)状态的方法。但是没有一种方法能降低从光散射状态到透明状态所需的时间。

常规的采用对称电压脉冲的驱动方法的另一个缺陷是最高实用调制频率不论衍射型还是散射型都为几十赫兹。即常规光调制器不能用于需要对红外线高速斩光的红外线探测器。

根据本发明，一种类型的液晶厚盒光调制器包括一个在一对平行电极板之间包含有铁电液晶的厚盒，和一个用于在这对电极板之间施加一系列具有非对称的负载比(即负载比不是50％)的电压脉冲的电压施加电路。

根据本发明的另一种类型的液晶厚盒光调制器包括一个在一对平行电极板之间包含有铁电液晶的一个厚盒，和一个用于在这对电极板之间施加一系列其中添加有一个直流(DC)偏置电压的电压脉冲的电压施加电路。

与其中施加在电极上的电压脉冲的负载比为对称的(即50％)常规光调制器相比，本发明的光调制器对于红外线以及可见光具有较高的调制效率和较高的反应性，这就使得可在较高频率处进行光调制。因为当液晶从光散射状态向透明状态改变时，铁电液晶分子的瞬时极化的旋转不完全，而是中途停止并且恢复至初始方向，所以本发明的光调制器的反应性得以改善。另外，因为在光散射状态中形成的区域大小适于散射光，可以得到本发明光调制器的较高的调制效率。

不对称负载比的实例是55至85％，并且更可取的范围是58至75％。最优负载比取决于厚盒的设计和使用，并且在电压施加电路(电源电路)中使用一个负载比调节电路更可取。