DE1487777A1

DE1487777A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen und Sichtbarmachen eines elektrischen Feldes

Info

Publication number: DE1487777A1
Application number: DE19661487777
Authority: DE
Inventors: Fergason James L
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1965-06-29
Filing date: 1966-06-29
Publication date: 1969-02-20
Also published as: GB1123117A; US3627408A

Description

rattntftovalt München, den - 9. OHt. 1968

4B Ti*, ti·? m es

Westlnghouee Electric Corporation in Käst Pittsburgh, Pa,/

V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen und Sichtbarmachen

eines elektrischen Feldes

... Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung sun» Peststellen und Sichtbarmachen einen elektrischen Feldes, die zahlreiche Anwendungen finden kann.

Es wurde gefunden, daß bestimmte organische Stoffe Ihre optischen Eigenschaften im elektrischen Feld verändern. Zu diesen Stoffen gehören die flüssigen Kristalle mit Cholesterinstruktur,

Flüssige Kristalle haben bekanntlich Eigenschaften, die zwischen denjenigen einer eigentlichen Flüssigkeit und denjenigen eines eigentlichen Kristalls liegen. Sie haben die mechanischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und die optischen Eigenschaften eines Kristalls. Manchmal wird ihr Zustand ale raesomorpher Zustand bezeichnet.

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Die flüssigen Kristalle werden im allgemeinen in drei Klassen eingeteilt. In die erste Klasse fallen die Kristalle'mit smek ti scher Struktur, bei eier die Moleküle in Schichten angeordnet sind, wobei die lange Achse der Moleküle'etwa senkrecht s&ur Schichtebene steht. In die zweite Klasse fallen die flüssigen Kristalle mit nematiseher struktur. Sie besitzen fadenförmige Moleküle, die sich in ihrer Hauptachse nahezu parallel auszurichten suchen. Bei dieser Struktur sind die Moleküle nicht in Schichten getrennt. In die dritte Klasse der flüssigen Kristalle fallen die stoffe nit Cholesterinstriiktur. Die Moleküle dieser Stoffe sind in sehr dürr»en Schichten .angeordnet, wobei öie Hauptachse der Moleküle parallel zur Fchiehtebene verläuft. Die Eichtui.g der Hauptachse der Moleküle in jeder schicht veicht etwas von der entsprechenden Richtung in den benachbarten Schichten ab. Der Ausdruck "Cholesterinstruktur" wurde deshalb gewählt, weil die betreffenden Eigensch-iften bei einer großen Anzahl von Verbindungen auftreten, die sich von Cholesterin ableiten. Cholesterin selbst hat jedoch jeeine Phase, in der es sich als flüssiger Kristall verhält. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche Stoffe, die eine flüssige Kristallphase der Cholesterinstruktur besitzen. Weitere Einzelheiten über das Verhalten der flüssigen Kristalle finden sich ifc dem Buch MOLECULAR STEUCTUEE AND THE PROPERTIES Cr LIQUID CRYSTALS von G.w.Gray, Academic Fress Inc., hev York, Key York 1962*

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Der besonders ausgeprägte r<olc3cülbau der flüssigen Kristalle mit Cholesterin struktur führt zu einer Anzahl optischer Eigenschaften, die von den j er. ig en der flüssigen Kristalle mit smektischer oder nematischer Struktur abweichen. Bs sollen besonders folgende K.'.genschaften hervorgehoben werden:

1. Die Cholesterinstruktur ist optisch negativ, während die smektische und die nematische Struktur optisch positiv sind. In eiijer optisch negativen Schicht hat das senkrecht zu den Molekül schichten, einfallende Licht ein Maximum der Geschwindigkeit.

2. I>ie Cholesterin struktur ist optisch aktiv, '/"em; linear polarisiertes ^icht senkrecht zu der. Molekül sch ich ten fortgepflanzt wird, so dreht sich die Dichtung des elektrischen Lichtvektors nach links. Die Polarisationsebene, die äurch den elektrischen Vektor in Fortpflanzungsrichtung bestimmt ist, wird also um einen Winkel nach links» gedreht, der proportional zur Schichtdicke ist. Oer Drehwinkel ist ferner eine runktion der Lichtwellenlänge.

3. Die Cholesterinstruktur zeigt eine selektive Lichtstreuung. Wenn eine solche Schicht im auffallender Licht betrachtet

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wird, so hat sie eine Färbung, die zu der Fürbung des durchfallenden Lichtes komplementär ist. Cies steht im Gegensatz zu dem Verhalten der meisten Stoffe, bei denen das auffallende und das durchfallende gestreute Licht in gleichen Frequenzband des Spektrums liegen. Der unterschied wird

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theoretisch, dahingehend erklärt, daß in gewöhnlichen Stoffen das Licht teilweise durch Wechselwirkung zwischen Elektronen und Photonen absorbiert wird, während in selektiv streuenden Stoffen sehr geringe Absorption auftritt. Die Stoffe mit Cholesterinstruktur besitzen eine Streukurve, die ein ziemrlich scharfes Maximum im Frequenzspektrum hat. Die Bandbreite im sichtbaren Spektrum beträgt etwa 200 8. Das Phänomen der selektiven Streuung flüssiger Kristalle der Cholesterinstruktur ist unabhängig davon, ob das einfallende Licht polarisiert ist oder nicht. Diese Eigenschaft gibt den betreffenden Stoffen das irisierende Aussehen bei gewöhnlicher Beleuchtung.

4. Äiiie weitere optische BigenAchaf c der .flüssigen Kristalle rait Cholesterinstruktur ist der zirkuläre Dichroismus. Wenn gewöhnliches Weißlicht auf einen derartigen Stoff auffällt, so wird das Licht in zwei Komponenten zerlegt, wobei der elektrische Vektor in der einen Komponente im Uhrzeigersinne und in der anderen Komponente entgegen dem Uhrzeigersinne gedreht wird· Je nach der Art des Stoffes wird die eine Komponente durchgelassen und die andere ge streut/"* Das führt zu der Erscheinung * des eirkuJären Dichroismus, d.h. der selektiven Steuung rechts oder links airkulSr polarisierten Lichtes.

3. Venn zirkulär polarisiertes Licht auf Stoffe der Cholesterinstruktur gerichtet wird, so bleibt die Polarisationsrichtung des Streulichtes gegenüber dem einfallenden Licht ungeändert.

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»ίο. Γ-ie mittlere Wellenlänge des Frequenzbandes, vorin streuung eintritt, hängt vom Einfallswinkel des dichtes ab. Ferner beeinflussen die Art des Stoffes und die Temperatur die mittlere Wellenlänge des Streubandes.

Die Molekuldrstrüktur eines flüssigen Kristalls der cholesterin· struktur kar.n leicht gestört werden. Jede kleine Störung, velche die schwachen Kräfte zwischen den Molekülen beeinflußt, ruft deutliche Aendexungen der optischen Eigenschaften vie streuung, Durchlaßvermögen, Doppelbrechung, zirkulären Dichroismus, optische Aktivität und Farbe hervor.

Besonders aufgeprägt sind die Aenderungen der opt.lsehen Eigenschaften gewisser Substanzen der Cholesterinstruktur mit der Temperatur. Obwohl die meisten Stoffe dieser />rt als Flüssigkeiten farblos sind, durchlaufen sie eine xeihe leuchten der Farben beim Abkühlen in demjenigen Bereich, in welchem sie si^h als flüssige Kristalle verhalten. Nicht alle flüssigen tristalle der Cholesterinstruktur sind in gleicher Weise gegen TemperatürSchwankungen empfindlich. Art und Reihenfolge der Farben beim Abkühlen sind verschieden. Bestimmte Stoffe aeigen auch eine sehr gerir.ge Temperaturempfindiichkeit. Nähere /ufschlüsse über die Temperatürabhängigkeit der Eigenschaften flüssiger Kristalle von Choleüterintyp befinden sich in Cer US-Patentschrift 3 114 Ö36.

Schließlich sind auch bestimmte flüssige Kristalle vom

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Cholosterinty? empfindlich gegen gewisse chemische Dämpfe. Bereits bei Zusatz außerordentlich kleiner Hengen dieser DHmpfe kann «ich die Molekularstruktur ündem, wodurch die optischer. Eigenschäften , z.B. die selektive Streuung, beeinflußt: werden.

Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Beobachtung, daß elektrische Felder die Struktur flüssioer Kristalle vom Cholesterintyp so beeinflussen kennen, laß eine oder mehrere optische Eigenschaften derselben sich ändern.

äß ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Anzeige einer elektrischen Feldverteilung dadurch re]cemiEichr;et, daß eine Cchicht eines flüssigen Kristalls der Cholesterinstrukcur zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, von denen mindestens die eine lichtdurchlässig ist und Aenderungen der optische*; Eigenschaften des flüssigen Kristalls infolge von FeldstSrkeschvankur.gcr. erkennen läßt.

Die erfindungsgetnäße Anordnung läßt sich als Indikator für bestimmte Feldstärken durch entsprechende Farbänderung©« heranziehen, sie kann auch zur Bildwiedergabe verwendet werden. In der Praxis wird nan an einfachsten die optische Eigenschaft der selektiven Streuung heranziehen, da hierbei keine Polarisation des Lichts zur Beobachtung erforderlich ist. Stattdessen ist auch die Beobachtung der Durchlaßeigenschaften des Lieh rs möglich, da die Verschiebung des Durchlaßbandes in gleicher

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ht;u;g und in gleichen Ausmaß vie die Verschiebung des L'trcfubandes erfolgt«

Die crfindurig6ge*nä£e Vorrichtung erlaubt eine Anzeige der Feldstärke bzv. eine Spannungsanzeige mit hohem inneren V.'idci^star.d, sovie eine Lichtmodulation durch elektrische Felder. Ferner ist vie gesagt eine Bildwiedergabe von Videosignalen möglich. .

Einige Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung verder» nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin sind

Fig. ι eine schematische Darstellung einer Spannungsanteigevorricjutung gem. der Erfindung;

Fig. 2 ein schnitt einer erfindungsgemäfieti Zelle*

Fig. 3 eine graphische Darstellung gewisser optischer Eigenschaften der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 4 eine graphische Darstellung einer anderen optischen Eigenschaft der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der MoleTcülanordnung in einem flüssigen Kristall vom Cholesterintyp;

Fig. 6 die Darstellung einer Bildspeicherröhrejnit einer erflnAungfigemäßen Zelle Als Bildschirm;

Fig. 7 die Darstellung einer Anwendung der Erfindung als Bildwandler; .

Fig. 8 die Darstellung eines Bildprojelctors unter Vervendung der Elfindung; .

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Fig. 9 eine graphische Darstellung gewisser optischer Eigenschaften der Anordnung nach Fig. 10; und

Fig. 10 die scheraatische Darstellung einer Anwendung der Erfir.dung im Farbfernsehen,

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Schicht 10, bestehend aus einem Gemisch flüssiger Kristalle vo* Cholesterintyp, die eine Aenderuiig ihrer optischen Pigenschäften bei Anlegung eines elektrischen Feldes an die Schicht 10 erfahren. Zu solchen Stoffen, deren optische Eigenschaften durch elektrische Felder beeinflußt verdeiis gehören Cholesterin, Chole<;tariol, Sitosterin, Cholesteryl· halogenide (?.·Β. cholesteryliodid, cholesterylchlorid und Cholesterylbronid), Cholestanylhalogenide (z.B. Cholestanyl-Chlorid« Cholestanylbromid und Choleatanyliodid) und Sitoßterylhalogenide (z.3. £itostexylchlorid, citosterylbiOraid und Sitosteryliodid) oder Gemische derselben. Diese Stoffe können im allgemeinen mit anderen S^-Obstanze« vie Sterinabltom^lingen und bis zu 2.0% Fettsäuren und Verbindungen derselben gemischt werden. Die angegebenen Gemische haben sich als verhältnismäßig unempfindlich gegen Temp era turänd er anger· erwiesen.

Die nachfolgende Tabelle I gibt eine kiste bestimmter Gemische nach Gewichtsprozent, welche «inen guten Feldeffekt zeigen. Diese Stoffe sind bei Zimmertemperatur stabil,

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• 9 TABELLE I

Gemisch

20% choleste*ylchloriä (cc) 80% Cholesteryloleylcarbonat (occ)

Farbe bei Simme

bl'au

25%	CC . ·
75%	OCC
30%	cc
70%	OCC
20%	cc
20%	Cholest«ryl??cman;oat (
60%	OCC
25%	CC
75%	Choiesteryloleat (CO)

25% Choleatexylbronid (CD) 75% OCU grün

rot

blau

grün

30% C3 70% OCO rot

25* CC 25% OCC 25% CO 25% Ch

grün

Eclvlr.-ät iO in in dor Tabelle und 80/i besteht bei^piel£wei£c aus dem

* i5«misch» also 2OX ciioiesterylciaiorid . Ear Anteil des

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Chlorids kann zwischen 15 und 50 Gew.& betragen.

Die Schicht 10 ist zwischen zwei elektrisch leitenden Plattet 13 und 15 eingeschlossen. Die Platte« i3 uiiu 15 zit-a über Drähte 17 und 19 mit einer i-pannungsquelle 21 verbunden.

Bei Anlegung einer Spannung an der schicht 10 ergibt sich ein elektrisches Feld zwischen den Platten 13 und 15. Dieses elektrische Feld ändert die optischen Eigenschaften der Schicht 10, Dazu gehören Drehung der Polarisationsebene,' selektive Streuung und selektiver Durchlaß. Verschiedene Beobachtungsmöglichkeiten dieser optischen Eigenschaften werden anhand der nachfolgenden Aus^ührungsboispiele beschrieben.

Bei der in Fig. 2 dargestelltem Anordnung vird die selektive Streuung zun Feldnachweis verwendet. Die Schicht 10 besteht beispielsweise hier aus 45 Gev.^ Cholcsterylbrömid, 30# Cholest.eryloleat und -25% Cholesterylnonylphenylcarbonat. Wenn die Schicht 10 ait. veißem Licht beleuchtet vird, das ira ganzen Spektrum gleichmäßige Intensität besitzt, so lassen sich seine Eigen schäften am besten anhand der Eurveri der Fig. 3-und beschreiben. Weiter besteht die Zelle nach Fig. 2 aus einer Elektrode 12, beispielsweise aus Aluminium, einer Isolierschicht 14, z.B. aua Aluminiumoxyd, einen schwarzen üeberzug 23 aus geeignetem Farbstoff, der flüssigen rristallschicfct IQ, einer lichtdurchlässigen Elektrode 16, z.3, aus Zinnoxyd, und einem lichtdurchlässigen Träger ιδ für die Elektrode 16, z.B. aus Glas. Die Isolierschicht 14 dient als TrSger für die Absorptions-

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schicht 23 und soll einen elektrischen Durchschlag der Zelle verhindern. In gewissen F811ei< können die Schichten 14 und 23 weggelassen werden.

Die Herstellung der Anordnung nach Fig. 2 kann z.B. vie folgt vor sich gehen. Lin handelsübliches Aluminiumblech von etwa 1,2 ram Dicke und beliebigen Abmessungen, z.B. 7#5 cm iiurchraesser, wird in einer wässrigen Lösung vcn 3% Araiaoniunnitrat gereinigt und anodisch oxydiert, bis sich eine Aluminiurnoxydschicht 14 von etwa 1 Mikron Dicke auf beiden Oberflächen gebildet hat. Als Kathode kann hierbei eine Bleielektrode dienen. Das Blech wird dann aus dem Elektrolyt herausgenommen und in destilliertem Wasser und anschließend ir. reinem Aceton abgespült. Ar schließend wird die Aluminiumoxyd schicht auf derjeinen Seite des Blechs durch Behandlung mit einer Lauge (z.B. Natriumhydroxyd) zerstört· Danach wird das Aluminium wieder in destilliertem V/asser gespült und die Aluminiuraoxydschlcht auf der einer« Oberfläche abgehoben. Die verbleibende Aluminiumoxydschicht 14 wird dann ^it einem passenden Farbstoff behandelt, tun einen schwarten Ueberzug 23 zwecks Lichtabsorption zu erzielen.

Die andere Elektrode 16 wird durch Aufdampfen von Zinnoxyd in einer Dicke von etwa 0,1 Mikron auf ölas. Plexiglas oder dgl. mit einer Dicke von 3 mm hergestellt, sin Abstandsring 20 aus Isoliermaterial, z.B. Polyalkylenterephthalat, vird auf das Aluminiurnoxyd aufgesetzt und das die flüssigen Kristalle bildende. Material auf die Schicht 23 aufgebracht. Da es sich u» eine

Flüssigkeit handelt, kann das Material aus einem Behälter auf die Oberfläche geschüttet, mittels eir.er Tropfpipette aufgebracht, nit einem Pinsel oder in anderer Weise aufgetragen werden. Die Elektrode 16 mit dem Träger 18 wird dann auf die Schicht 10 aufgelegt und das Ganze kann mittels eines HaftmittelS₄, ζ.Β» tines Epoxyharzes, verklebt und verschlossen werden, um eine mechanische Befestigung zu erzielen.

Die nit den Elektroden 16 und 12 verbundenen Anschlüsse 22 und 24 verden mit einer SpannungsquelIe 26 verbunden. Eine Lichtquelle 25f z.B. eine Wolframfadeclampe, dient sur Beleuchtung der flüssigen Kristall schicht 10 durch die Schichten 16 und 18 hindurch mit weißem Licht. Die Allgeneinbeleuchtuncj kann diese Belichtung liefern oder mindestens unterstützen.

Wenn mittels der Spaimungsquelle 26 eine Spannung an die Schicht 10 angelegt vird, die in derselben ein elektrisches Feld erzeugt, so wird je nacfe der angelegten Spa5un»~g das Licht von der Lichtquelle ?.! elektiv zurückgestreut. Ist die spannung β.D. sehr gering, so verläuft die Streuungskurve gemäß der Linie 30 in Fig, 3, ergibt also eina rote Farbe der Schicht Beträgt die Feldstärke etwa 6000 V/rrn, so gilt Kurve 32 in Fig. 2, d„h. die Schicht 10 erscheint grün. Bei einer noch höheren Feldstärke von etwa 12000 V/irnn gilt kurve 34, so daß die Schicht 10 eine blaue Farbe ergibt, Die Bandbreite der Streukurve beträgt etwa 200 Ä. Fig. 4 zeigt für die Anordnung in Fig· 2 die Wellenlänge des Streuraaxircums in Abhängigkeit

von der elektrischen Feldstärke.

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Die molekulare struktur der Schicht 1O ist in Tig. 5 erläutert. Die Moleküle sind in Schichten 31 angeordnet, wobei innerhalb jeder Schicht die Moleküle im wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Die Holtijctuschichten 3t sind sehr dünn, wbei die Hauptachse der iiolckiile parallel tür Schichtebene verläuft. Wegen der besonderen Konstitution der CholesterylrriOleiciile ist die Hauptachsenrichtung in jeder Schicht 31 etvas gegen die entsprechende Sichtung in den benachbarte« Schichten gedreht· So ergibt sich insgesamt eine schrauber/för^ig'e Anordnung, vie durch die Linie 33 angedeutet ist. Iu Fig. 5 ist jede dreihundertste Schicht dargestellt. Die Linie 35 ist die optische Achse d£ü Sristalls. Es vurde gefunden, daß beim Eindringen bestxMiinter fll'ssiger Kristalle in ein elektrisches Feid# das parallel zur optischim Achse verläuft, die wellenlänge des Strejumaxinrams, d.h. die Färbe sich vöii längeren zu kürzeren Worten, d.h. von rot nach blau verschiebt. Dor Ei-fekt dürfte von substituierten Stericwolelcülea herrühren, äie polare Gruppen entfalten.

Ein anderes «geeignetes Gemisch für- die Anordnung-nach fig. S besteht aus $7% Gko2»«tte2?ylciiloriö töid 73* CMtsteryloleat, In Abvesenheit feines elektrischen Feldes erscheint bei Zimmertemperatur 28⁰C i 15⁰C dieses Material g@"ibJ:ieSi~gri3n bei norasAlcm Eia-Tall trfeiöen Lichtes, Bei zunehmender Feldstärke Ur.dert sich. die Tarb0 von geib^grun. tiber gxiin nacii blau,, BM ώίκβι· £?chicht- Cxcke voi\ 20 Mikron tritt dieier Farbumschlag r..D. zvisehen 0 -AiA »00 V auf, u,h, zwischen 0 und 5 kV/njm, Dieses Material

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hat e.^; rc cn sperif ί sehen Widerstand vor: mehr als 10 Ohm/cm, so daß auf die Elektroden eine Ladv.r.g gegeben werden kra.n_t die ein stetiges GieichfeVi aufrecht erhält. Der flüssige Kristall verhält sich v/ie das Dielektrikum eines Kondensators. Die erforderliche Sergio zur Erzielung eines naxinalen Farb-Umschlages betragt schHtzungsveise weniger als 1O~ Joule/cm für eine Schichtdicke von 20 Mikron.

ist
Die Anordnung nach Fig. syals Voltmeter bzw. Spannungsindikator brauchbar, da ihr ihneiiwider stand sehr hoch ist und über 500 Mikron betragt. .'He kann auch eine Ladung für nehrere C-ekunden speichern und £,o die angenommene Farbe entsprechend lang beibehalten. Durch Anlegung eines elektrischen WechselFeldes wurde festgestellt, daß der Farbumschlag einer Frequenz von mehr als 20 Hz folgen konnte, so daß die Trägheit jedenfalls nicht: yröfler aj.s diejenige des menschlichen Auges ist. Ferner wurde festgestellt, daß r.ur Feldrichtungen in Achsenrichtung des flüssigen Kristalls wirksam sind, so daß eine sehr hohe Auflösung möglich ist. Wenn nämlich zwei verschiede» geladene Stellen sehr nahe beieinander sind, so hat nur diejenige Feldstark enkonponente, die parallel zur optischen Achse verläuft, eine» Einfluß auf den flüssigen Kristall, so daß eine geringe Seiten wirkung eintritt und die Auflösung verbessert wird. Die Auflösung einer 20 Mikron dicken Schicht übersteigt etva 25 000 Liniai/ram. Dank dieser Eigenschaften ist die erfindungsgenäöe Vorrichtung ideal für eire A),zahl von Anwendungen geeignet» vo es auf hohe -Auflösung und Reaktionsgeschwindigkeit ankommt.

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Das Material ist an einen Elektronenstrahl sehr gut angepaßt, da beide eine sehr hohe Impedanz aufweisen.

Fig. 6 zeiyi als Anvendungsbeispiel eine BiIdspeicherrohre mit einer erfindungsgernSnen Fltissigkristallzelle als Bildschirm. Die Speicherrohre besteht aus einem Sehirinteil 40, einem Kolberitcil 42 und einem Halsteil 44. I*n Halsteil 44 befindet sich ein Elektronenstrahlerzeuger 46. Das Videosignal kann eir.ern cteuergitter 47 des Elektronenstrahlerzeugers zugeführt werden. Eine lichtdurchlässige Elektrode 48 aus Zinno::yd oder

dgl, befindet sich auf der Imienflache der Stirnplatte 40. Eine Flüssigkristallschicht 50 aus einem Gemisch, vie es asihand der Fig. 2 bis 4 beschrieben wurde, mit einer Dicke voti etva 25 Mikron befindet sich zwischen der Elektrode 48 und einer Isolierschicht 54 mit schwarzen Ueberzug 52. Die Isolierschicht kann beispielsweise aus Glas oder Polyethylenterephthalat bestehen. Ihre Dicke beträgt etva 6 Mikron. 'Sri.sehen dem Schirm uiic! den» Elektronenstrahlerzeuger 46 befindet sich oin Drahtnet* Eine \'eiße Lichtquelle 58 ist außerhalb des Kolbens an um den Leuchtschirm zu beleuchten. Eine Spannungsquelle 60 zwischen der Elektrode 40 und dem Drahtnetz 56, während eine Cpanrungsquelle 62 zwischen Drahtnetz 56 und die Kathode des Elektronenstrahlerzeugers 46 eingeschaltet ist. Das Potential der Spannungsquelle 60 kann etwa O bis 200 V und das Potential der spannungsquelIe 62 etwa 500 V bis 15 kV betragen.

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Im Betrieb wird ein Elektronenstrahl mit mehreren hundert Volt auf die Oberflache der Isolierschicht 54 gerichtet und erzeugt dort eine Laduugsverteilung, die der aß Gitter 47 zugefChrten Information entspricht· Zur Ablenkung des Elektronenstrahls dient eine Ablenkvorrichtung 49· Die Ladungs~ verteilung kann durch Sekundäremission hervorgerufen werden, vobei die Oberfläche der Isolierschicht 54 das Potential des Drahtnetzes 56 anzunehmen sucht. Wenn die Hegativrichtung geschrieben werden soll, vird das leitende Netz 56 auf einen ausreichend negativen Potential gehalten und die von der Isolierschicht emittierten Sekundärelektror.en werden zu dieser zurückgetrieben. In dieser, Falle bestimmt der Strahl strom die Ladungsmenge. Eü ist auch möglich, die Isolierschicht bei stärkernegativem Potential als das Drahtnetz 56 zu betreiben; in diesen Falle ergibt -ich eine positive Schreibrichtung. In diesem Falle schlägt der Elektronenstrahl Eekundärelektronen heraus, die vom Drahtnetz 56 gesammelt werden. Die erfindungsgemäße Bildröhre kann eine Ladung lange Zeit speichern und das gespeicherte Ladungsbild sichtbar machen. Die Aufladung der Isolierschicht ergibt nämlich ein elektrisches Feld quer su der flüssigen tristallschicht 50, wodurch die Farbe des gestreuten Lichtes von der Lichtquelle 58 verändert wird, wie es anhand der Fig· 2 bis beschrieben wurde.

Das Ladungsbild kann gelöscht werden, indem die Spannung am Drahtnetz 56 verändert und die Isolierschicht 54 mit Elektronen aus dem Elektronenstrahlerzeuger 46 oder einem besonderen

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Elektronenstrahlerzeuger überflutet wird. Die Anordnung ergibt ^; kurze Schreibzeiten und lange Speichermöglichkeit. Der Leuchtschirm kann auch unter kraftiger Allgemeinbeleuchtung, z.B. in einem Flugzeug, betrachtet verden. Wegen der Streueigenschaft der Schicht 43 ist* die Darstellung umso heller, je starker die Beleuchtung ist. selbstverständxich können auch andere Mittel zur Erzeugung eines Ladungsbildes auf der Isolierschicht 54 verwendet verden· Hierzu gehören z.B. gekreuzte Horizontale Leiter mit zugeoi'dneten Schaltern. Ss kann auch eine einzige Farbe auf schwarzem Hintergrund erzeugt verden, wenn eine monochromatische Lichtquelle verwendet wird. Bei Verwendung raeiirerer monochromatischer Lichtquellen mit verschiedenen Farben bzv. einer weißen Lichtquelle mit Selektivfiltern können verschiedene Farben nacheinander zum Aufleuchten gebracht werden.

Wegen der außerordentlich geringen Leistung, die zur Aktivierung der flüssigen Kristalle erforderlich ist, braucht das Bild nicht unbedingt von einem Elektronenstrahl erzeugt zu werden. Ueberdies hat das Material die Eigenschaft, daß es unabhängig von der Polarität des elektrischen Feldes anspricht. So zeigt Fig. 7 einen Bildwandler. Es ist wieder ein Träger 70 aus Glas Mit einer durchsichtigen Elektrode 72 darauf vorgesehen. Auf der Elektrode 72 (z.B. fcinnoxyd) befindet sich eine Schicht 74 aus photoleitendem Material, z.B. cadmiumsulfid für sichtbares Licht. Darüber befindet sich eine Schicht 76 aus flüssigen Kristallen. Ai.schließend ist eine weitere lichtdurchlässige Elektrode 78 (z.B. aus Zinnoxyd) angeordnet, die sich auf eine«

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Träger 80 (z.B. aus Glas) befindet. Der Träger 80 und die Elektrode 78 sind durchlässig für das von einer Lichtquelle 82 ausgehende Licht (z.B. weißes Licht). Vorzugsweise''six-d die Teile 73 und 80 Tür die ^llgemeinbeleuchturig durchlässig, um die Helligkeit zu verstärken. Anschlüsse £4 und 86 sind mit den Elektroden 72 und 78 verbunden, um die nötige Spannung an der Flüssigkristallschicht 76 und der Photowiderstandsschicht 74 zu erzeugen. Der Anschluß 86 ist mit der einen Klemme einer Wechselstromquelle 88 verbunden, deren zweite Klemme zum Festkontakt 91 eines Schalters 90 führt. Die erste Klemme der Spannungsquelle 88 ist farner über eine Gleichspannungsquelle 92 mit eißera weiteren Festkontakt 95 des Schalters verbunden. Der Anschluß 84 ist mit dem beweglichen Kontaktstück 94 des Schalters 90 verbunden, das die Kontakte 91, 93 und berühren kann. Im vorliegenden Falle ist der Kontakt 93 frei·

Im Betrieb wird das Kontaktstück 94 mit dem Kontakt 91 verbunden und daa einfallende Licht (z.B. sichtbares Licht) auf den Bildwandler gerichtet. Die Photowiderstandsschicht 74 wird leitend und bildet ein Leitungsbild entsprechend der Licht« verteilung, weshalb aii den entsprechenden Stellen ein größerer Spannungsanteil von der Spannungsquelle 88 an der Flüssigkristallschicht 76 abfällt. In dieser Ausführungsform dient die Photowider stanüsschicht 74 einfach als kapazitiver Spannungsteiler, Die optischen Eigenschaften der Flüssigkristallschicht 76 ändern sich dann entsprechend der örtlichen Spannungsverteilung.

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Auch bier gibt die Lichtquelle 82 vorzugsweise weißes Licht ab. Durch entsprechende Stoffwahl für die Schicht 76 kann man beispielsweise ein blaues oder grünes Bild auf rotem Hintergrund erzeugen. Durch Vervei.dung einer monochromatischen Lichtquelle lassen sich Farbbilder auf schwarsern Hirtergrund hervorruf er.. Da die Spai.nurigsquelle CO eint» Wechselspannung abgibt, ergibt sich keine dauernde Aufladung. Wird dagegen der Kontakt 95 mit dem Kontaktstück 94 in Verbindung gebracht, so ergibt sich ein Gleichfeld an den Schichten 74 und 76. In dieses Falle wird ein Ladungsbild in der Photowiderstaridsschicht gespeichert und bleibt bestehen, bis die Wechselspannung von der SpannungsqucIIe 88 wieder angelegt wird.

Bei deli Anwendungsbeispielen nach Flg. 2, 6 und 7 wurde die

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optische Eigenschaft der Lichtstreuung zur Anzeige verwendet. Es ist aber auch möglich, die Lichtdurchlaßeigenschäften der !

flüssigen Kristalle zu verwenden. ·

So ist in Fig. 8 ein Projektionssystem unter Verwendung flüssiger Kristalle dargestellt. Die flüssigen Kristalle mit Cholesterinstruktur, die feldabhängige Eigenschaften zeigen, sind für Projektionstwecke besonders geeignet, veil sie weitgehend temperaturunabhängig sied und kaum Licht absorbieren. Infolgedessen können in einer Vorrichtung nach Fig. 8 große LidhtintensitÄten durch einen Elektronenstrahl gesteuert werden· Man erkennt in dieser Figur eine Lichtquelle 97* ein KoI lima tor syst em. 10.1, eine Steuerröhre 103 und ein Objektiv 96, um das Bild auf

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einen Betrachtungsschira 98 zu entwerfen. Die Eteuerröhre 103 besitzt einen Hauptteil 99 mit Eintrittsfenster 100 und Liehtau stritt sf en st er 102 und einen Halsteil 104. Das Lichteintrittsfenster 100 ist durchlässig für das Licht der Lichtquelle 97 und das Lichtaustrittsfenster 102 ist durchlassig für das von der Eölire durchgelassene Licht. Eine Elektronenkanone 106 befindet sich im Halsteil 104 und ist in bekannter Weise mit einer Ablenkvorrichtung für den erzeug ten Elektronenstrahl versehen. Der Elektronenstrahl tastet einen Lichtsteuerschirm 110 ab, der aus einer erfindungsgeratißen Zelle besteht. Sie besitzt eine lichtdurchlässige Elektrode 112, die auf das Lichtaustrittsfenster 102 aufgebracht ist, eine daran anschließende flüssige Kristallschicht 114 und eine lichtdurchlässige Isolierschicht 116, welche die andere Begrenzung der Zelle bildet. Die in der Schicht 114 verwendeten Stoffe können die gleichen wie bei Fig. 2 bis 4 sein. Die Isolierschicht 116 kann beispielsweise aus Glas bestehen. Der Aufbau der Zelle ist also ähr.lich wie in fig. 6, wobei jedoch der aort verwendete schwarze üeberzug 52 weggelassen ist. Ein Steuergitter 118 befindet sich vor eier Isolierschicht 116. Eine irpannungsquelle 120 ist zwischen die · Elektrode 112 und das Steuergitter 118 eingeschaltet. Eine zweite Spannungsquclle 122 befindet sich zwischen der Kathode der Elektronenkanone iC6 und dem Steuergitter 118. Diese Röhre arbeitet ähnlich wie diejenige nach Fig. 6 hinsichtlich der auf

die Isolierschicht 116 aufgebrachten elektrostatischen Ladung und der Ausbildung eines elektrischen Feldes quer zu der flüssigen. Iristallschicht 114. Die Videoinforraation wird dem Steuergitter

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124 der Elektronenkanone 106 zugeführt. Die Lichtquelle 97 ist monochromatisch (z.B. rot mit etwa 6250 ^).

Die Durchlaßeigenschaften der Schicht 114 bei verschiedenen. Spannungen sind für die gleiche Zusammensetzung wie bei Fig.3 in Fig. 9 dargestellt. Die Kurven 230, 232 und 234 sind also korapisnentär zu denjenigen von Fig. 3. Durch Aenderung der Spannung an der flüssigen Kristallschicht 114 kann der Anteil des von der Lichtquelle 97 ausgehenden roten Lichtes, der durch die Schicht 114 und das Austrittsfenster 102 hindurchgeht, gesteuert werden. Wie Fig. 9 zeigt, wird ohne Anlegung einer Spannung das Licht von der Lichtquelle 97 weitgehend gestreut und nur 5OX des Lichtes werden durchgelassen. Bei zunehmender Spannung an der Schicht 114 läßt die Schicht mehr rotes Licht durch. Ist die Lichtquelle 97 zirkulär polarisiert, so werden 100% des Lichtes bei 6250 St reflektiert.

Offenbar können auch andere monochromatische Lichtquellen (z.B. grün oder blau) verwendet werden, um die Minima der Kurven 232 und 234 auszunutzen. Es ist deshalb möglich, ein Farbfernseh;"-"Projektionssystem zu bauen, wobei für jede der drei Grundfarben-rot, gxVn und blau eine eigene Vorrichtung gem. Fig. vorgeseheil ist. Die drei getrennten Farbbilder können dann in bekannter Weise optisch superpor.iert werden. Die Bilder können gleichzeitig.oder nacheinander auf den Projektionsschirm geworfen werden* Selbstverständlich werden die drei Vorrichtung©; mit Videosignalen gespeist, die den drei Farbauszügen entsprechen.

Es ist au..*x möglich, die Drehung der Polarisationsebene durch die flüssigen Kristalle au benutzen. Hierzu muß nur ein Polarisator zwischen der Lichtquelle 97 und der Steuerrchre 103 und ein Analysator zwischen der Steuerrühre 103 und. dem Schirm 98 vorgesehen werden.

Fig.. 1Ö zeigt eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung eines Mehrfarbenbildes unter Verwendung der Lichtstreuungseigenschaften der flüssigen Kristalle. Bei dieser Anordnung wird mit Leuchtfleckabtastung gearbeitet. Der Leuchtfleck wird von einer normalen Kathodenstrahlröhre 130 mit Elektronenkanone und Leuchtschirm 132 geliefert. Der Leuchtschirm kann in diesem Falle ultraviolettes Lieh: bei Elektronenbeschuß emittieren. Die Abtastvorrichtungen sind nicht dargestellt. Das in einem Kaster von der Kathodenstrahlröhre 130 erzeugte Licht wird über eine Optik 136 auf eine Zelle 140 mit flüssigen Kristallen geworfen. Die Zelle 140 besitzt eine Glasplatte 142, die für das von der Kathodenstrahlröhre 130 ausgehende Licht durchlassig ist, eine darauf niedergeschlagene lichtdurchlässige Elektrode 144 und eine auf dieser befindliche Photowiderstandsschicht 146, die bei ultravioletter Erregung leitend wird. Ein passendes Material hierfür ist Selen. An die Photowiderctandsschicht 146 schließt sich ein: flüssige Kristallschicht 148 an, die wieder aus den gleichen Stoffen wie in Pig. 2 bestehen kann, Dann folgt eine lichtdurchlässige Elektrode 150,die von einer Glasplatte 152 getragen wird. Die Teile 150 und 152 sind durchlässig

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das von einer Lampe 154 ausgehende Licht. Die Lampe 154 erzeugt weißes Licht. Zwischen der» beiden Elektroden 144 und 150 liegt eine WechselspannungsquelIe 156 in Keihe mit einer Gleichspannungsquelle 158.

Im Betrieb erzeugt die Kathodenstrahlröhre 130 einen Lichtstrahlraster, der* durch die Schicht 142 und 144 hindurchgeht und die Photovriderstandsschicht 146 erregt. An den betreffenden Stellen kann die äußere Wechselspannung voll an der flüssigen Kristallschicht 148 wirksam werden und durch Amplitudenänderung der Wechselspannung läßt sich die Färbung des Schirms an der betreffenden stelle ändern. Dei Verwendung von Stoffen, die einen Lichtwechsel von mindestens 75 Hz zulassen, können-drei Teilbilder projiziert werden, die je /25 Sekunde dauern, wobei jeweils eine verschiedene Grundfarbe durch die Vorspannung der

Gleichspannungsquelle 15d eingestellt wird. Die Videoinformation wird von d_er spaiinungsquelle 156 geliefert, um die Intensität der jeweiligen Grundfarbe zu modulieren. PUr dies*; spezielle Anwendung empfiehlt es sich, eine Lichtquelle 1Ή zu verwenden, deren maximale Intensitäten in den drei Grundfarben rot, grün und blau mit einer Bandbreite von jeweils etwa 200 % erreicht werden, oder entsprechende Filter bei einer weißen Lichtquelle Anzuwenden, damit der Hintergrund schwarz erscheint.

wenn die Videoinformation gleich die.Vorspannung mitliefert, um die selektive streuung der flüssigen Krista11schicht ι48 in den roten, grünen oder blauen Bereich zu verlegen, so künnen die Farben auch ggf. von Zeile zu Zeile oder von Punkt zu Punkt

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BAD ORiGiHAL

gewechselt verden. Es kann auch nur die farbbestirainende Vorspannung an die Zelle mit den flüssigen Kristallen angelegt und die Videoinfornation auf die Kathodenstrahlröhre 130 gegeben verden, um die Leitfähigkeit der Photoviderstandsschicht entsprechend der jeveiligen Intensität der betreffenden Farbe zu modulieren.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen AusfUirungsbeispiele beschränkt, sondern kann zahlreiche im Belieben des Fachmannes liegende Abänderungen und Ausgestaltungen erfahren. Beispielsweise kann auch eine piezoelektrische Schicht, z.B. aus Bariumtitanat, verwendet verden, um das elektrische Feld zu erzeujen, das die flüssige Kristallschicht aktivieren soll. Auf diese Weise können Schallfelder oder"andere mechanische Energieformen festgestellt und sichtbar gemacht verden.

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Claims

P Ik 87 777.1 ^t· 196S

—————- W 461 Dr.Hk-W/Gr

Patentansprüche

/ 1J Verfahren zum Feststellen und Sichtbarmachen eines elektrischen FeIdes, darin bestehend, daß eine filmartige Schicht flüssiger Kristalle mit Cholesterinstruktur, die bekannte optische Merkmale aufweist, der Einwirkung eines elektrischen Feldes unterworfen und die hierbei eintretende Änderung der optischen Merkmale der filmartigen Kristallschicht beobachtet wird,

2· Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine filmartige Schicht (10) flüssiger Kristalle mit Cholesterinstruktur, deren optische Merkmale du^ch Einwirkung eines elektrischen Feldes verändert werden, zwischen zwei Elektroden (12,16) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angeordnet ist, von denen mindestens eine Elektrode zur Sichtbarmachung der Änderung der optischen Eigenschaften der filmartigen Kristallschicht lichtdurchlässig ist,

3, Vorrichtung nach Anspruch Z₉ dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (12,16) als zusammenhängende Schichten ausgebildet Bind, τοπ denen mindestens eine in unmittelbarer Berührung mit der flüssigen Kristalleohicht steht,

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Elektrode (16) mit der Kristalleohloht in Berührung steht und daß sich zwischen der anderen Elektrode (12) und der flüssigen Kristallsohlent ein sohwarser Überzug (23) und eine Isolierschicht (14) befinden.

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5, Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb eine vorlinderbare Spannung, beispielsweise eine Wechselspannung, an die niöVtrcdeii angelegt verden kann. '

6. Vorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im netrieb dio flüssige Kristallschicht elektromagnetisch bestrahlt, ζ. B. mit weißem Licht beleuchtet wird.

7.'. Vorrichtung nach Anspruch 2 * dadurch gekennzeichnet, daß sich zxsrischen der flüssigen Kristall schicht (76) und der einen Elektrode (72) eine Photowiderstandsschicht (74) befindet, während die andere Elektrode (70) licht durchlässig ist und in Berührung mit der flüssigen Kristallschiekt stellt.

8, Vorrichtung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß im Betriob die Photoviderstandsschicht eine elektromagnetische Strahlung empfängt, die eine punktweise Schwankung dor Querlei tfühigkeit der Fhotoviderstandsschiciit hervorruft, daß die flüssige Kristall schicht von der anderen soite her beleuchtet wird und daß die Elektroden an einer konstanten oder einer veränderbaren spannung liegen,

9. Vorrichtung nach Anspruch B₉- dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb auf der Photovidorstandsschicht (146) ein von einer

■ Kathodenstrahlröhre (130) ß|ⁱfceugte3 Bild entworfen vird und daß . , 909808/Q642 bad ORtQi^

die Elektroden (144# 13"0 mit dor !Reihenschaltung einer Wechsel spannungsfrei le (15G) und einer veränderbaren Gleichspannungsquelle (133) verbunden sind.

ΙΟ.- Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Verwendung als Schirra eiror Kathodenstrahlröhreι dadurch gekennzeichnet» daß dio eine Elektrode (43) als lichtdurchlässige zusammenhängende Schicht ausgebildet ist, dio der Betrachtunnsroite des Leuchtschirms 2n.gov/andt ist und in unmittelbarer Berührung rdt der flüssigen Kristallschicht (3^) steht, daö die andere coite der flüssigen Kristall schicht in berührung rait einea sclwarssen Ubersug (52) steht, der seinerseits in rserUhrunrr mit einer Isoxierschicht (54) steht, und daß die andere elektrode als leitendes Drahtnetz (56) ausgebildet ist, das der freien Oberflüche flor Isolierschicht (54) benachbart ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb eine Spannung «vischen den Elektroden liegt, öafl ein nit einen Videosignal modulierter Abtastelektronenstrahl auf die freie Oberfläche der Isolierschicht gerichtet trird und daß die flüssige Kristall schicht von der JJetrachtungsseite der KathodenstrahlJf^Jhro mit Licht bestrahlt wird.

12, vorrichtung nach Anspruch 2 sur Verwendung in einer Kathoden* Strahlrohre, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode

. als zusammenfindende lichtdurchlässige Schicht (112) in un- . nittelbarer Berührung mit der flüssigen Kristallschicht (114)

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ausgebildet ist, daß die andere Seite der flüssigen Kristallschicht in Berührung mit einer Isolierschicht (116) steht und daD die andere Elektrode als leitendes Drahtneta (110) ausgebildet ist, das der .Freien oberfläche der Isolierschicht (116) benachbart ist.

13. vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb eine Spannung an den Elektroden liegt, daß ein mit
einem videosignal modulierter Abtaotelektronenstrahl aiii? die freie oberflache der Isolierschicht gerichtet \7±rd, daß die
•flüssige Kristallschicht von derjenigen Seite her, an reicher die Isolierschicht angeordnet ist» nit Licht bostraELt vird,
und daß das von der flüssigen Kristall schicht und der durchsichtigen Elektrode (112) durchgölassone tiicht auf einen
Projektionsschirm (98) geworfen wird.

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