Der Patentanspruch des Hauptpatentes bezieht sich auf eine Lichtsteuerzelle mit durch ein elektrisches Feld steuerbarem Drehvermögen, mit einem zwischen zwei Platten angeordneten flüssigen Kristall aus einer Substanz, die eine nematische Verbindung mit positiver dielektrischer Anisotropie enthält, wobei wenigstens eine der Platten lichtdurchlässig ist, in welcher Lichtsteuerzelle der flüssige Kristall in bezug auf die zu den Platten senkrechte Richtung eine schraubenförmig verwundene Molekülanordnung besitzt, ferner die Platten durch die eine Vorzugsrichtung aufweisende Struktur ihrer dem flüssigen Kristall zugewandten Oberflächen eine Richtkraft auf die Moleküle desselben ausüben, um die Moleküldipole parallel zur Oberfläche in eine bestimmte Richtung zu orientieren, und in Richtung des einfallenden Lichtes vor und hinter dem flüssigen Kristall je ein Polarisator angeordnet ist.
Es sind optische Vorrichtungen bekannt, die den Effekt der Dynamischen Streuung (D.S.) benützen (z.B. britisches Patent Nr. 1167 486). Bei diesen Vorrichtungen handelt es sich im wesentlichen um einen Kondensator mit lichtdurch lässigen Platten, dessen Dielektrikum von einer nematischen Substanz gebildet wird. In diesem Kondensator fliesst ein elektrischer Strom, dessen bewegte Ladungsträger in der nematischen Substanz Turbulenzen erzeugen. Da nematische Substanzen optisch anisotrop sind, wird durch die Turbulenzen durch die transparenten Kondensatorplatten auf den Kristall einfallendes Licht gestreut. Dadurch ändert sich die Transparenz bzw. die Reflexion der Zelle.
Optische Zellen, die den Effekt der Dynamischen Streuung benützen, können überall dort nicht verwendet werden, wo hohe Anforderungen an die optische Homogenität der Zellen gestellt werden, weil die Flüssigkeitsturbulenz in solchen Fällen stören. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch den Streuprozess Kohärenz und Polarisation des einfallenden Liches verloren gehen, so dass z. B. Laserlicht mit einer D.S.-Zelle nicht ohne Zerstörung dieser Eigenschaften moduliert werden kann. Daneben ist für viele Anwendungen, bei denen es auf geringe Abmessungen der Stromversorgungsteile ankommt, z.B. beim Batteriebetrieb, die relativ hohe Schwellenspannung von ca. 6 Volt und die ebenso relativ hohe Spannung von ca. 20 Volt, bei der die Lichtstreuung Sättigung erreicht, nachteilig.
Schliesslich wird die Lebensdauer wahrscheinlich wesentlich durch den Ionentransport durch die nematische Substanz beeinflusst (je höher der Strom durch die Zelle, desto kürzer wird ihre Lebensdauer).
Der Zweck der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile zu beseitigen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lichtsteuerzelle bereitzustellen, die optisch homogen ist und in der Kohärenz und Polarisation des einfallenden Lichtes bestehen bleiben.
Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch eine Lichtsteuerzelle der eingangs beschriebenen Art, in welcher die dem flüssigen Kristall zugewandten Oberflächen der Platten elektrisch leitende Beschichtungen aufweisen, die aus voneinander isolierten Flächen bestehen.
Die sog. Wandorientierung der Platten besteht in einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit, die auf die der Platte benachbarten Moleküle, d.h. auf die Grenzschicht des flüssigen Kristalls eine orientierende Wirkung ausübt. Die Moleküle in der Grenzschicht stellen sich parallel zur Wandorientierung.
Die Wandorientierung wird bekanntlich beispielsweise durch Reiben der Plattenoberfläche mit einem Wattebausch oder -stäbchen erzielt.
Der flüssige Kristall besteht beispielsweise aus einer nematischen Verbindung. Nematische flüssige Kristalle besitzen eine parallele Struktur, d. h. ihre Moleküle sind im unbeeinflussten Zustand im wesentlichen in einer Vorzugsrichtung parallel orientiert.
Befindet sich ein nematischer flüssiger Kristall zwischen zwei Platten mit gleichgerichteter Wandorientierung, so nimmt die Kristallstruktur eine Vorzugsrichtung parallel zu der Wandorientierung an. Werden nun die beiden Platten gegeneinander verdreht, so haften die Grenzschichten an den Plattenoberflächen. Zwischen den Grenzschichten sind die nematischen Moleküle so orientiert, dass sich ein kontinuierlicher Übergang von einer Richtung der Wandorientierung zur anderen ergibt.
Betrachtet man die Orientierung der nematischen Moleküle entlang einer beliebigen Senkrechten zu den Platten, so ergibt sich eine schraubenförmige Anordnung.
Eine Schraubenstruktur dieser Art lässt sich auch dadurch erzielen, dass dem nematischen flüssigen Kristall eine geringe Menge cholesterisch kristallinflüssige oder andere optisch aktive Substanz beigemischt wird. Cholesterische flüssige Kristalle besitzen im unbeeinflussten Zustand bereits eine Schraubenstruktur. Durch ihre Zugabe zu einem nematischen flüssigen Kristall wird die Schraubenstruktur sozusagen in diesen induziert. Durch die Wandorienierung, bzw. die durch sie bewirkte Haftung wird die Schraubenstruktur an den Plattenoberflächen fixiert.
Ein flüssiger Kristall mit schraubenförmiger Struktur ist optisch aktiv, d.h. die Polarisationsebene von durchgehendem linear polarisiertem Licht folgt der Schraubenwindung der Kristallstruktur.
Diese optische Aktivität ist durch ein elektrisches oder magnetisches Feld steuerbar. Wenn im flüssigen Kristall ein genügend starkes Feld in Richtung der Schraubenachse (d. h.
senkrecht zu den Platten) erzeugt wird, stellen sich mit Ausnahme der haftenden Grenzschicht die Moleküle parallel zum Feld ein. Dadurch wird die Schraubenstruktur zerstört und die optische Aktivität verschwindet. Nach Abschalten des Feldes stellt sich die vorher bestehende Struktur wieder ein.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden aus der nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung vorgenommenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen ersichtlich. Es zeigen
Fig. 1 ein Modell eines flüssigen Kristalls mit schraubenförmiger Struktur,
Fig. 2 eine elektro-optische Vorrichtung mit kontinuierlich steuerbarer Transmission,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Transmission der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung in Abhängigkeit von der angelegten Spannung,
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Drehwinkels einer erfindungsgemässen Zelle in Abhängigkeit von der an den Platten anliegenden Spannung.
In Fig. 1 sind die Orientierungen verschiedener Schichten eines flüssigen Kristalls mit schraubenförmiger Struktur schematisch aufgezeigt. Die bestehende Schraubenstruktur kann entweder durch die Wandorientierung zweier Platten (nicht gezeigt), zwischen denen der flüssige Kristall liegt, hervorgerufen, oder durch die Beimischung von cholesterischen Verbindungen induziert sein. Die Grenzschicht 1, ist in y-Richung orientiert, während die Grenzschicht 2 eine Orientierung in z-Richtung aufweist. In einer beliebigen, zwischen den Grenzschichten liegenden Ebene 3 herrscht eine Orientierung in Richtung eines zwischen der y- und der z-Richtung liegenden Winkels, wobei der Winkel von der Entfernung von den Grenzschichten abhängt.
Die in Fig. 2 gezeigte elektro-optische Vorrichtung zur kontinuierlichen Steuerung der Transmission besteht aus einer elektro-optischen Zelle 11, die zwischen einem Polarisator 12 und einem dazu parallelen Analysator 13 angeordnet ist. Die Zelle 11 hat die Form eines Plattenkondensators und ist demnach aus zwei im Abstand planparallel angeordneten Platten oder Elektroden 14, 15 und einem dazwischenliegenden Dielektrikum 16. aufgebaut.
Das Dielektrum 16 besteht aus einem nematischen flüssigen
Kristall mit positiver dielektrischer Anisotropie (d. h. die
Dielektrizitätskonstante entlang der Längsachse der Mole küle ist grösser als die Dielektrizitätskonstante in der dazu senkrechten Richtung e4 > ±l ).
Die beiden Elektroden 14, 15 bestehen aus Glasplatten; ihre dem flüssigenKristall zugewandtenFlächen sind mitSnO2 beschichtet. Die SnO2-Oberflächen sind so behandelt, dass sich die Moleküle des flüssigen Kristalls in der Grenzschicht mit ihren Längsachsen parallel zur Elektrodenoberfläche in einer Vorzugsrichtung orientieren.
In der zusammengesetzten Zelle 11 sind die Vorzugsrichtungen der beiden Elektroden 14, 15 gegeneinander verdreht. Die Moleküle des flüssigen Kristalls richten sich in den Grenzschichten nach den Vorzugsrichtungen der Elektroden. Dazwischen sind die nematischen Moleküle so orientiert, dass sich ein kontinuierlicher Übergang von der Vorzugsrichtung in der Grenzschicht an der Elektrode 14 zu der Vorzugsrichtung in der Grenzschicht an der Elektrode 15 ergibt. Betrachtet man die Orientierung der Moleküle des flüssigen Kristalls entlang einer beliebigen Senkrechten zu den
Elektroden, so ergibt sich eine schraubenförmige Anordnung.
Es ha sich gezeigt, dass beispielsweise durch die Elektrode 14 einfallendes und parallel zu ihrer Vorzugsrichtung linear polarisiertes Licht der Orientierung der nematischen Moleküle folgt und, wenn es die Zelle 11 durch die andere Elektrode 15 verlässt, in deren Vorzugsrichtung polarisiert ist. Wenn die Vorzugsrichtungen der beiden Elektroden 14 und 15 um 900 gegeneinander verdreht sind (gekreuzte Wandorientierung), erfolgt eine Drehung des einfallenden Lichtes um 90 .
Die Zelle 11 liegt so zwischen Polarisation 12 und Analysator 13, dass die Vorzugsrichtung der dem Polarisator 12 benachbarten Elektrode 14 zu der Polarisationsrichtung des Polarisators 12 parallel ist. Bei gekreuzter Wandorientierung in der Zelle 11 ist daher die Vorzugsrichtung der Elektrode 15 senkrecht zur Polarisationsrichtung des Analysators 13. Von einer Lichtquelle 17 durch den Polarisator 12 einfallendes Licht wird also in Richtung der gezeigten Z-Koordinate polarisiert, tritt durch die Elektrode 14 in den flüssigen Kristall 16 ein, wird auf dem Weg durch diesen kontinuierlich bis in y-Richtung gedreht, verlässt die Zelle 11 durch die Elektrode 15 und wird von dem in z-Richtung orientierten Analysator 15 nicht durchgelassen. Ein Beobachter 18 sieht somit kein Licht von der Lichtquelle 17.
Wenn dagegen der Analysator 18 gegenüber dem Polarisator 12 um 90"gedreht ist, gelangt das Licht der Lichtquelle 17 zum Beobachter 18.
Wird nun an die Elektroden 14 und 15 eine Spannung angelegt, d. h. also im flüssigen Kristall ein zu den Elektroden senkrechtes elektrisches Feld erzeugt, so greift an den nematischen Molekülen wegen Es, > ±1 ein Drehmoment an, das bestrebt ist, die Längsachsen der Moleküle in Feldrichtung zu stellen. Mi zunehmender Spannung an den Elektroden nähert sich die Orientierung mehr und mehr der Richtung des Feldvektors bis sie bei genügend hoher Spannung praktisch parallel zum Feldvektor ist. Gleichzeitig verschwindet die Schraubenstruktur und damit die optische Aktiviät des flüssigen Kristalls annähernd vollständig. Durch die Elektrode 14 einfallendes polarisiertes Licht verlässt die Zelle 11 mit unveränderter Polarisationsrichtung.
Nach Abschalten der Spannung wird infolge der Wandorientierung die Schraubenstruktur des flüssigen Kristalls wieder hergestellt.
Legt man an die Elektroden der vorstehend beschriebenen Vorrichtung der Fig. 1, in der die Polarisationsrichtungen von Polarisator 12 und Analysator 13 parallel sind, eine Spannung an, so wird je nach der Höhe der Spannung das polarisierte Licht teilweise oder ganz zum Beobachter 18 durchgelassen. In dem Fall, in dem Polarisator und Analysator gekreuzt sind, bewirkt eine genügend hohe Spannung, dass kein Lich von der Lichtquelle 17 mehr zum Beobachter 18 gelangt.
Fig. 3 zeigt die Transmission der beschriebenen Vorrichtung, bei der die Polarisationsrichtungen von Polarisator und Analysator parallel sind, in Abhängigkeit von der an den Elektroden anliegenden Spannung. Man sieht, dass die Transmission ohne Spannung annähernd 0 ist. Mit zunehmender Spannung bleibt sie zunächst ungefähr auf dieser Höhe, bis eine durch Polarisationserscheinungen bedingte Schwellenspannung erreicht ist. Oberhalb dieser Schwellenspannung zeigt die Transmission einen kontinuierlichen Anstieg und erreicht schliesslich eine Art Sättigung.
Die Steuerung der optischen Aktivität kann ebenso wie mit Gleichspannung auch mit Wechselspannung vorgenommen werden. Je nach Anwendung ist eine der beiden Betriebsweisen vorzuziehen. Wegen der Vermeidung von Polarisationserscheinungen ist beimBetrieb mitWechselspannung dieSchwellspannung besonders niedrig. Der Kurvenverlauf der Fig. 3 ist bis zu etwa 80 kHz frequenzunabhängig.
In der beschriebenen Vorrichtung wurde als flüssiger Kristall N(4'-Aethoxybenzyliden) -4-aminobenzonitril (PE BAB) verwendet. Es ist offensichtlich, dass jede andere nematische Substanz mit positiver Anisotropie, d. h. mit e11 > ±l mit im wesentlichen gleichem Ergebnis eingesetzt werden kann. Die Elektrodenflächen der beschriebenen Zelle sind etwa 4 cm2 gross. Der flüssige Kristall hat eine Dicke von 10-100 H-
Folgende mit der beschriebenen Vorrichtung erzielten
Ergebnisse zeigen deutlich die Überlegenheit einer erfindungs gemässen Zelle über eine entsprechende elektro-optische Zelle, die auf dem Effekt der Dynamischen Streuung beruht.
Die Polarisation des einfallenden Lichtes bleibt praktisch unverändert erhalten, so dass sich erfindungsgemässe Zellen z. B. auch zur Modulation von Laserlicht eignen. Die Schwellenspannung für das Auftreten des elektro-optischen Effekts beträgt für Wechselspannung ca. 1 V, für Gleichspannung ca.
2,5 V, die Sättigungsspannung für Gleich- und Wechselspannung ca. 4 V. Der Leistungsverbrauch ist bei Gleichspannungsbetrieb erheblich niedriger als bei D.S.-Zellen.
Schliesslich ist die Lebensdauer, wegen des geringen Ladungsträgertransports sehr gross.
Durch eine grosse Zahl möglicher Modifikationen sind verschiedenartige vorteilhafte Effekte zu erzielen. So kann beispielsweise bei Verwendung eines farbigen oder gefärbten flüssigen Kristalls in der Zelle 11 zusammen mit zwei Polarisatoren eine Vorrichtung hergestellt werden, die ohne Spannung für Licht undurchlässig ist und bei angelegter Spannung nur eine Farbe durchtreten lässt. Ebenso ist der umgekehrte Vorgang realisierbar. Im Übergangsbereich erhält man entsprechend Zwischentöne zwischen schwarz und der gewählten Farbe.
Die Zelle kann auch in Reflexion betrieben werden. Zu diesem Zweck wird der hinter der Zelle angeordnete Analysator 13 (z. B. in Form einer Folie) auf einen üblichen Spiegel aufgeklebt. Das einfallende Licht wird an diesem Spiegel entweder reflektiert oder absorbiert, je nachdem ob Spannung an der Zelle liegt oder nicht.
Aufgrund ihrer Eigenschaften ist die erfindungsgemässe Zelle für vielfältige Anwendungen geeignet. Eine auf der Eigenschaft der Kohärenzerhaltung beruhende Anwendung besteht im Einsatz der Zelle als Element einer Seiteneinschreibematrix zum Einschreiben in einen Hologrammspeicher.
Eine solche Matrix besteht bekanntlich aus einer grossen Zahl (z. B. 104) von Elementen, die je nach Ansteuerung kohärentes Licht sperren oder durchlassen und somit zum Einschreiben eines Bit in den Speicher dienen. Insbesondere ist eine Anordnung möglich, die eine Adressierung erlaubt. Zu diesem Zweck wird der flüssige Kristall zwischen zwei Platten gebracht, deren leitende Beschichtung in eine Anzahl voneinander isolierter Streifen aufgeteilt ist, und zwar so, dass die Streifenrichtungen der beiden Platten aufeinander senkrecht stehen. An die Streifen kann mittels geeigneter Anschlüsse eine Spannung gelegt werden, wodurch die Adressierung einzelner Segmente möglich ist.
Neben dieser speziellen Anwendung eignen sich die Zellen ganz allgemein zur Modulation der Lichtintensität, wobei besonders die niedrigen Steuerspannungen von Vorteil sind.
Da im Gegensatz zu D.S.-Zellen der Lichtstrahl ausgelöscht werden kann, ist die Herstellung von elektro-optischen Verschlüssen möglich. Die elektronische Steuerung und Modulation der Richtung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht (z. B. in der Polarimetrie) ist ebenfalls zu verwirklichen. Weitere Anwendungsbereiche sind die Fernsehtechnik und die Datenverarbeitung (Aufzeichnung von optischen und elektrischen Signalen).
Eine andere Möglichkeit besteht in der Herstellung von Brillengläsern, deren Absorption durch die Intensität des einfallenden Lichtes gesteuert wird.