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.
The claim of the main patent relates to a light control cell with controllable rotation capacity by an electric field, with a liquid crystal arranged between two plates made of a substance which contains a nematic compound with positive dielectric anisotropy, at least one of the plates being transparent in which light control cell the liquid crystal has a helically twisted molecular arrangement with respect to the direction perpendicular to the plates, furthermore the plates exert a directional force on the molecules of the liquid crystal due to the structure of their surfaces facing the liquid crystal, in order to bring the molecular dipoles parallel to the surface into a certain Orientate direction, and in the direction of the incident light in front of and behind the liquid crystal a polarizer is arranged.
Optical devices are known which utilize the Dynamic Scattering (D.S.) effect (e.g. British Patent No. 1167 486). These devices are essentially a capacitor with transparent plates, the dielectric of which is formed by a nematic substance. An electric current flows in this capacitor, the moving charge carriers of which create turbulence in the nematic substance. Since nematic substances are optically anisotropic, light incident on the crystal is scattered by the turbulence through the transparent capacitor plates. This changes the transparency or the reflection of the cell.
Optical cells that use the dynamic scattering effect cannot be used wherever high demands are placed on the optical homogeneity of the cells, because the fluid turbulence interferes in such cases. Another disadvantage is that coherence and polarization of the incident light are lost due to the scattering process. B. Laser light cannot be modulated with a D.S. cell without destroying these properties. In addition, for many applications in which small dimensions of the power supply parts are important, e.g. in battery operation, the relatively high threshold voltage of approx. 6 volts and the equally relatively high voltage of approx. 20 volts, at which the light scattering reaches saturation, are disadvantageous.
Ultimately, the lifetime is likely to be significantly influenced by the ion transport through the nematic substance (the higher the current through the cell, the shorter its lifetime).
The purpose of the invention is to eliminate the drawbacks mentioned. The invention is therefore based on the object of providing a light control cell that is optically homogeneous and that maintains the coherence and polarization of the incident light.
According to the invention, this is achieved by a light control cell of the type described in the introduction, in which the surfaces of the plates facing the liquid crystal have electrically conductive coatings which consist of surfaces that are isolated from one another.
The so-called wall orientation of the plates consists of a certain surface quality that affects the molecules adjacent to the plate, i.e. has an orienting effect on the boundary layer of the liquid crystal. The molecules in the boundary layer are parallel to the wall orientation.
The wall orientation is known to be achieved, for example, by rubbing the surface of the plate with a cotton swab or swab.
The liquid crystal consists of a nematic compound, for example. Nematic liquid crystals have a parallel structure; H. In the unaffected state, their molecules are essentially oriented parallel in a preferred direction.
If there is a nematic liquid crystal between two plates with the same wall orientation, the crystal structure assumes a preferred direction parallel to the wall orientation. If the two plates are now rotated against each other, the boundary layers adhere to the plate surfaces. The nematic molecules are oriented between the boundary layers in such a way that there is a continuous transition from one direction of wall orientation to the other.
If one looks at the orientation of the nematic molecules along any normal perpendicular to the plates, a helical arrangement results.
A screw structure of this type can also be achieved by adding a small amount of cholesteric crystalline liquid or other optically active substance to the nematic liquid crystal. Cholesteric liquid crystals already have a screw structure in the unaffected state. By adding them to a nematic liquid crystal, the screw structure is induced in it, so to speak. The screw structure is fixed to the plate surfaces through the wall orientation or the adhesion caused by it.
A liquid crystal with a helical structure is optically active, i. the plane of polarization of passing linearly polarized light follows the helix of the crystal structure.
This optical activity can be controlled by an electric or magnetic field. If there is a sufficiently strong field in the direction of the screw axis (i.e.
perpendicular to the plates), with the exception of the adhesive boundary layer, the molecules align themselves parallel to the field. This destroys the screw structure and the optical activity disappears. After switching off the field, the previously existing structure is restored.
Further details of the invention will become apparent from the description of exemplary embodiments made below with reference to the accompanying drawings. Show it
1 shows a model of a liquid crystal with a helical structure,
2 shows an electro-optical device with continuously controllable transmission,
3 shows a graph of the transmission of the device shown in FIG. 2 as a function of the applied voltage,
4 shows a graph of the angle of rotation of a cell according to the invention as a function of the voltage applied to the plates.
In Fig. 1, the orientations of different layers of a liquid crystal with a helical structure are shown schematically. The existing screw structure can either be caused by the wall orientation of two plates (not shown) between which the liquid crystal lies, or induced by the admixture of cholesteric compounds. The boundary layer 1 is oriented in the y direction, while the boundary layer 2 has an orientation in the z direction. In any plane 3 lying between the boundary layers, there is an orientation in the direction of an angle lying between the y- and the z-direction, the angle depending on the distance from the boundary layers.
The electro-optical device shown in FIG. 2 for the continuous control of the transmission consists of an electro-optical cell 11 which is arranged between a polarizer 12 and an analyzer 13 parallel thereto. The cell 11 has the shape of a plate capacitor and is accordingly made up of two plates or electrodes 14, 15 arranged plane-parallel at a distance and a dielectric 16 in between.
The dielectric 16 consists of a nematic liquid
Crystal with positive dielectric anisotropy (i.e. the
The dielectric constant along the longitudinal axis of the molecules is greater than the dielectric constant in the direction perpendicular thereto e4> ± l).
The two electrodes 14, 15 consist of glass plates; their surfaces facing the liquid crystal are coated with SnO2. The SnO2 surfaces are treated in such a way that the molecules of the liquid crystal in the boundary layer are oriented with their longitudinal axes parallel to the electrode surface in a preferred direction.
In the assembled cell 11, the preferred directions of the two electrodes 14, 15 are rotated relative to one another. The molecules of the liquid crystal align themselves in the boundary layers according to the preferred directions of the electrodes. In between, the nematic molecules are oriented such that there is a continuous transition from the preferred direction in the boundary layer on the electrode 14 to the preferred direction in the boundary layer on the electrode 15. If one considers the orientation of the molecules of the liquid crystal along an arbitrary perpendicular to the
Electrodes, the result is a helical arrangement.
It has been shown that, for example, light incident through the electrode 14 and linearly polarized parallel to its preferred direction follows the orientation of the nematic molecules and, when it leaves the cell 11 through the other electrode 15, is polarized in its preferred direction. If the preferred directions of the two electrodes 14 and 15 are rotated by 900 relative to one another (crossed wall orientation), the incident light is rotated by 90.
The cell 11 lies between the polarization 12 and the analyzer 13 in such a way that the preferred direction of the electrode 14 adjacent to the polarizer 12 is parallel to the polarization direction of the polarizer 12. When the wall orientation is crossed in the cell 11, the preferred direction of the electrode 15 is therefore perpendicular to the polarization direction of the analyzer 13. Light incident from a light source 17 through the polarizer 12 is polarized in the direction of the shown Z coordinate and passes through the electrode 14 into the liquid Crystal 16 is turned on the way through this continuously up to the y-direction, leaves the cell 11 through the electrode 15 and is not let through by the analyzer 15 oriented in the z-direction. An observer 18 thus sees no light from the light source 17.
If, on the other hand, the analyzer 18 is rotated 90 ″ with respect to the polarizer 12, the light from the light source 17 reaches the observer 18.
If a voltage is now applied to electrodes 14 and 15, i. H. If an electric field perpendicular to the electrodes is generated in the liquid crystal, a torque acts on the nematic molecules because of Es,> ± 1, which tries to set the longitudinal axes of the molecules in the direction of the field. As the voltage on the electrodes increases, the orientation approaches the direction of the field vector until it is practically parallel to the field vector when the voltage is high enough. At the same time, the screw structure and thus the optical activity of the liquid crystal almost completely disappears. Polarized light incident through the electrode 14 leaves the cell 11 with the polarization direction unchanged.
After switching off the voltage, the screw structure of the liquid crystal is restored due to the wall orientation.
If a voltage is applied to the electrodes of the device of FIG. 1 described above, in which the polarization directions of polarizer 12 and analyzer 13 are parallel, then the polarized light is partially or completely transmitted to observer 18, depending on the magnitude of the voltage. In the case in which the polarizer and analyzer are crossed, a sufficiently high voltage has the effect that no more light from the light source 17 reaches the observer 18.
3 shows the transmission of the device described, in which the polarization directions of the polarizer and analyzer are parallel, as a function of the voltage applied to the electrodes. It can be seen that the transmission without voltage is approximately 0. As the voltage increases, it initially remains approximately at this level until a threshold voltage due to polarization phenomena is reached. Above this threshold voltage, the transmission shows a continuous increase and finally reaches a kind of saturation.
The control of the optical activity can be carried out with alternating voltage, just as with direct voltage. Depending on the application, one of the two operating modes is preferable. To avoid polarization phenomena, the threshold voltage is particularly low when operating with AC voltage. The curve of FIG. 3 is frequency-independent up to about 80 kHz.
In the device described, N (4'-ethoxybenzylidene) -4-aminobenzonitrile (PE BAB) was used as the liquid crystal. It is evident that any other nematic substance with positive anisotropy, i.e. H. with e11> ± l can be used with essentially the same result. The electrode areas of the cell described are about 4 cm2. The liquid crystal has a thickness of 10-100 H-
The following achieved with the device described
Results clearly show the superiority of a cell according to the invention over a corresponding electro-optical cell which is based on the effect of dynamic scattering.
The polarization of the incident light remains practically unchanged, so that cells according to the invention z. B. also suitable for modulating laser light. The threshold voltage for the occurrence of the electro-optical effect is approx. 1 V for alternating voltage and approx.
2.5 V, the saturation voltage for direct and alternating voltage approx. 4 V. The power consumption is considerably lower with direct voltage operation than with D.S. cells.
Finally, the service life is very long because of the low transport of charge carriers.
Various advantageous effects can be achieved by a large number of possible modifications. For example, when using a colored or colored liquid crystal in the cell 11 together with two polarizers, a device can be produced which is impermeable to light without voltage and only allows one color to pass through when voltage is applied. The reverse process can also be implemented. In the transition area, you get between shades between black and the chosen color.
The cell can also be operated in reflection. For this purpose, the analyzer 13 arranged behind the cell (for example in the form of a film) is glued onto a conventional mirror. The incident light is either reflected or absorbed by this mirror, depending on whether there is voltage on the cell or not.
Due to its properties, the cell according to the invention is suitable for a wide variety of applications. One application based on the property of maintaining coherence consists in using the cell as an element of a page write matrix for writing into a hologram memory.
As is known, such a matrix consists of a large number (e.g. 104) of elements which, depending on the control, block or let through coherent light and thus serve to write a bit into the memory. In particular, an arrangement is possible that allows addressing. For this purpose, the liquid crystal is placed between two plates, the conductive coating of which is divided into a number of mutually isolated strips in such a way that the strip directions of the two plates are perpendicular to each other. A voltage can be applied to the strips by means of suitable connections, whereby the addressing of individual segments is possible.
In addition to this special application, the cells are generally suitable for modulating the light intensity, the low control voltages being particularly advantageous.
Since, in contrast to D.S. cells, the light beam can be extinguished, it is possible to manufacture electro-optical shutters. The electronic control and modulation of the direction of the plane of polarization of linearly polarized light (e.g. in polarimetry) can also be implemented. Further areas of application are television technology and data processing (recording of optical and electrical signals).
Another possibility is the manufacture of spectacle lenses, the absorption of which is controlled by the intensity of the incident light.