DE1955915A1 - Optische Einrichtung,insbesondere Bildwandler oder -verstaerker - Google Patents

Optische Einrichtung,insbesondere Bildwandler oder -verstaerker

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DE1955915A1 DE19691955915 DE1955915A DE1955915A1 DE 1955915 A1 DE1955915 A1 DE 1955915A1 DE 19691955915 DE19691955915 DE 19691955915 DE 1955915 A DE1955915 A DE 1955915A DE 1955915 A1 DE1955915 A1 DE 1955915A1
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Description

1955945
6886-69/R/Bru
RCA 59,309
US Ser.No. 775,759
filed: November 14,1968
RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)
Optische Einrichtung, insbesondere Bildwandler oder -verstärker
Die Erfindung bezieht sich auf optische Einrichtungen, insbesondere Lichtverstärker und Bildwandler mit photoelektrischen Flüssigkristall-Einrichtungen.
Lichtverstärker und Bildwandler, wie z.B. Einrichtungen, die mit Photoleitung und Elektrolumineszenz arbeiten, sind bekannt. Diese bekannten Halbleiter-Bauelemente enthalten einen Photoleiter in Reihe mit einer elektrolumineszierenden Schicht. Im Betrieb wird eine Spannung an diese Reihenanordnung gelegt. Im unbeleuchteten Zustand nimmt der Photoleiter einen Zustand mit hoher Impedanz an und der größere Teil der angelegten Spannung fällt an ihm ab; die elektrolumineszierende Schicht bleibt dabei dann dunkel. Fällt jedoch auf eine Fläche des Photoleiters Licht, so erniedrigt sich seine Impedanz im Bereich dieser Fläche erheblich und der grössere Spannungsabfall tritt dort an der elektrolumineszierenden Schicht auf, die hierdurch zur Lichtemission angeregt wird, übersteigt das Lichtausgangssignal der elektrolumineszierenden Schicht die auf den Photoleiter einfallende Lichtmenge, so liegt eine Lichtverstärkung vor. Wird andererseits ein Photoleiter verwendet, der auf nicht sichtbares Licht anspricht, so liegt ein Bildwandler vor.
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195 £015-
Diese bekannten Lichtverstärker und Bildwandler haben verschiedene Nachteile. Einer der Nachteile besteht darin, daß sie lichtemittierende Einrichtungen sind, deren Ausgangshelligkeit und damit auch deren mögliche Lichtverstärkung durch den im speziellen verwendeten Leuchtstoff begrenzt sind. Der Wirkungsgrad und die Helligkeit solcher Bauelemente liegen niedriger als erwünscht wäre, und in einer gut beleuchteten Umgebung wird das Bild verwaschen und flau. Die bekannten Einrichtungen haben weiterhin den Nachteil, daß sie hohe Spannungen und hohe Frequenzen brauchen, um mit optischer Helligkeit zu arbeiten. Im allgemeinen werden die optimalen Helligkeitswerte bei einer Spannung von mehreren 100 Volt und einer Frequenz in j der Grössenordnung von 400 Hz bis 2 kHz erreicht. Eine weitere j Beschränkung der bekannten Einrichtungen besteht darin, daß die Farbe des Ausgangssignals auf die Farbemission des verwendeten Leuchtstoffs begrenzt iet. Als weiterer Nachteil ergibt sich j die Schwierigkeit, eine gute Impedanzanpassung zwischen dem ■ Photoleiter und dem elektrolumineszierenden Teil der Einrichtung zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtverstärker oder Bildwandler zu schaffen, der eine hohe Ausgangshelligkeit (Leuchtdichte) aufweist und der bei niedrigeren Spannungen und Frequenzen arbeiten kann, als die bekannten Einrichtungen dieser Art. Weiterhin soll eine solche Einrichtung geschaffen werden,die Bilder in einer Vielfalt von Farben und Farbtönungen erzeugen .
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch eine optische Anordnung gelöst, die eine photoelektrische Anordnung in Kombination mit einer flüssigen Kristallschicht enthält.
Es wurde herausgefunden, daß Zellen, die einen nematischen flüssigen Kristall (also eine hochorganisierte anisotrope Flüssigkeit) enthalten, mit einer Impedanz gebaut werden können, die der Impedanz photoelektrischer Anordnungen, wie Photodioden,
Photowiderständen und Photoeleaenten gut angepasst.ist ι Wird.
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eine solche photoelektrische Anordnung mit einer schichtförmigen nematischen Flüssigkristallzelle von etwa gleicher Impedanz so kombiniert, daß der Spannungsabfall an der Flüssigkristallschicht und/oder der durch die Flüssigkristallschicht tretende Strom durch Licht gesteuert werden, das auf die photoelektrische Anordnung auftrifft, so ergibt sich aus der Kombination ein Lichtverstärker oder ein Bildwandler. Diese neue Kombination schafft eine Einrichtung, deren Verstärkungsgrad und Helligkeit im wesentlichen unbegrenzt sind. Ausserdem arbeiten diese neuen Einrichtungen mit niederfrequenten Wechselspannungen oder mit Gleichspannungen, die gewöhnlich in der Grössenordnung von etwa 6 bis 75 Volt liegen. Die Lichtverstärker und Bildwandler können mit Transmission, Absorption oder'Reflexion arbeiten. Höchste KontrastVerhältnisse wurden bei Einrichtungen, die mit-Lichtstreuung arbeiten, beobachtet, wenn diese mit Reflexion betrieben wurden. Diese Betriebsart liegt vor,wenn eine Reflektionsschicht derart in der Einrichtung angeordnet ist, daß ein Beobachter reflektiertes Licht anstelle von durchfallendem Licht sieht. Ausserdem emittieren die erfindungsgemässen Einrichtungen selbst kein Licht, die Helligkeit des erzeugten Bildes ist nur durch das von der Umgebung auf das Bauelement einfallende Licht
. begrenzt und sie ist umso grosser, je heller die Umgebung also je grOsser die Beleuchtungstärke ist. Ausserdem kann die Farbe
' des Ausgangssignals beispielsweise durch Wechsel der Farbe des auf die Einrichtung fallenden Lichts oder durch die Verwendung von Filtern vor der Bildschirm- oder Beobachtungsfläche verändert werden.
Im folgenden sollen zur Erleichterung des Verständnisses kurz Lichtventile mit nematischen flüssigen Kristallen beschrieben werden:
Lichtventile und Bildwiedergabeeinrichtungen mit neraatiseheη flüssigen Kristallen, die durch eine nematische Flüssigkristallschicht mit Lichtstreuung arbeiten, sind bekannt, z.B.
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Flüssigkristall-Lichtventile und -Bildwiedergabeeinrichtungen mit einem nematischen Flüssigkristall, der sich in einem elektrischen Feld ausrichtet. Es ist ausserdem bekannt, nematische flüssige Kristalle dieser Art in Lichtventilen mit polarisiertem Licht zu verwenden. Diese Lichtventile beruhen auf der Doppelbrechung nematischer flüssiger Kristalle und der Drehung der Ebene des polarisierten Lichts bei Ausrichten in einem Feld.
Lichtventile und Bildwiedergabeeinrichtungen mit nematischen flüssigen Kristallen können Licht auf Grund von innerhalb der flüssigen Kristallschicht erzeugter Turbulenz streuen. Diese Turbulenz kann durch Strom verursacht werden, der durch die Schicht fliesst. Diese Art von flüssigen Kristallen wird als dynamisch streuend bezeichnet.
Der Grad der Lichtstreuung oder der Drehung der Polarisationsebene kann in diesen Anordnungen durch die an die Schicht des nematischen flüssigen Kristalls angelegte Spannung gesteuert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Photoleiter als photoelektrischem Element;
Figur 2 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Photodiode als photoelektrischem Element;
Figur h eine Seitenansicht eines Filmdruckers oder eines Lesesystems, der eine erfindungsgemässe Einrichtung enthält.
Ein Lichtverstärker und Bildwandler 10 gemäss Figur 1 enthält eine Schichtstruktur die in der folgenden Reihenfolge eine vordere Trägerglasplatte 11, auf dieser eine transparente
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leitende Schicht 12, eine Schicht 13 aus einer nematischen flüssigen Kristallzusammensetzung, eine hintere Trägerglasplatte Ik mit einer Mehrzahl leitender Durchtrittsstellen 15, die sich von der inneren Hauptfläche 16 zur äußeren Hauptfläche 17 der hinteren Trägerglasplatte Ik erstrecken, und eine photoleitende Schicht 18 umfasst. Um die äußeren Ränder und zwischen der vorderen und der hinteren Trägerglasplatte ist ein inertes Abstandstück 19, beispielsweise ein Streifen aus Polytetrafluoräthylen, angeordnet. Die Anordnung enthält weiterhin eine Mehrzahl voneinander getrennter, reflektierender metallener Inseln 20, die zweckmässig in Form aufgedampfter Aluminiumschichten an der inneren Hauptfläche 16 der hinteren Trägerglasplatte 14 angeordnet sind. Jede Insel 20 macht für sich Kontakt mit einer der leitenden Durchtrittsstellen 15· In Reihe mit der photo-j leitenden Schicht 18, der Schicht 13 aus dem flüssigen Kristall und der leitenden Schicht 12 ist eine Spannungsquelle 21 geschaltet.
Fällt Licht 22 auf die vordere Trägerglasplatte 11 der Anordnung 10, so wird ein auf der Anordnung 10 auf Grund des optischen Effekts der Flüssigkristallschicht 13 erzeugtes Bild zu einem Beobachter 23 reflektiert, der sich vor der Stirnseite der Anordnung 10 befindet. ,
Fällt andererseits im Betrieb keine Strahlung auf die l photoleitende Schicht 18, so wird das auf die Flüssigkristallschicht 13 durch die Stirnseite oder die Seiten der Anordnung 10 einfallende Licht 22 von der Anordnung so reflektiert, daß diese Schicht für den Beobachter 23 gleichmässig dunkel erscheint und kein Bild zu sehen ist. Wird nun durch eine Bildstrahlung 2k ein ! Bild auf die photoleitende Schicht 18 projiziert,so ändern sich die optischen Eigenschaften der Flüssigkristallschicht 13 und infolgedessen wird das Bild beim Betrachten des von der Stirnseite der Anordnung reflektierten Lichts reproduziert. Die Helligkeit und die Farbe des Bildes, wie es auf der Anordnung ge- j sehen wird, und somit auch der Verstärkungsgrad sind von der
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Helligkeit und der Farbe des auf die vordere Trägerglasplatte 11 der Anordnung 10 auftreffenden Lichts 22 abhängig.
Die Arbeitsweise der Anordnung hängt teilweise von der Art des verwendeten Plüssigkristallmaterials ab. Wenn die Schicht aus dem flüssigen Kristall aus einer Zusammensetzung wie etwa einer Mischung aus ρ,η-Äthoxybenzliden-p'-aminobenzonitril, ρ,n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und ρ,n-Octoxybenzylidenp'-aminobenzonitril besteht, hängen die optischen Eigenschaften der Anordnung nur von der Grosse des elektrischen Feld in der Flüssigkristallschicht ab und sie beruhen auf der Ausrichtung der Plussigkristallzusammensetzung wie etwa einer Mischung zu gleichen Gewichtsteilen von ρ,η-Aminoanisyliden-p'-phenylacetat, ρ,η-Anissyliden-p'-aminophenylbutyrat und p,n-Butoxybenzylidenp'-aminophenylproprionat; die optischen Eigenschaften dieser Anordnung hängen von der Bildung von Ladungsträgern in der Flüssigkristallschicht in der Weise ab, daß diese von einem Strom durchflossen wird, der in den aktivierten Bereichen der Flüssigkristallschicht TurVnrlür^ ei/zeugt. Diese Turbulenz verursacht in ihrem Bereich dit.- Streuung des Lichts.
Bei der beschriebenen Anordnung kann die durchsichtige Trägerplatte zum Beispiel aus Glas oder aus Quarz bestehen. Die transparente leitende dünne Schicht kann beispielsweise aus leitendem Zinnoxid bestehen. Die hintere Trägerplatte kann beispielsweise aus Glasfaserbündeln bestehen, in die leitende Drähte eingebettet sind, oder aus Glas oder anderem Material, durch das Löcher geätzt sind, die dann mit einem leitenden Material gefüllt worden sind. Die photo-leitende Schicht kann aus irgendeinem der üblichen Photoleiter bestehen, z.B. aus Cadmiumsulfid, Gadmiumselenid, Bleisulfid oder dgl., je nach dem erwünschten Bereich der Strahlungsempfindlichkeit. Der Photoleiter kann von beliebiger Form sein, er kann beispielsweise eine gesinterte Schicht oder ein aufgedampfter dünner Film sein.
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Es ist zu beachten, daß ein Photoleiter oder andere photoelektrische Mittel verwendet werden, die in der Impedanz mit der Schicht des flüssigen Kristalls der Einrichtung zusammenpassen. In der Technik der Halbleiter-Bildverstärker ist es jedoch bekannt, die Impedanz, sofern notwendig, anzupassen. Entsprechende Maßnahmen sind auch bei der Erfindung anwendbar. Beispielsweise kann eine Widerstandsschicht parallel zu einem der Elemente eingefügt werden, um dessen effektive Impedanz
zu ändern. !
Vorzugsweise sind die leitenden Durchtrittsstellen oder · andere Kontaktstellen mit dem Photoleiter aus einem Material, das einen guten ohmschen Kontakt mit dem Photoleiter ergibt, ; so daß die Elektronen leicht vom Photoleiter zur Flüssigkristallschicht fliessen können. Dies ist besonders dann wichtig, wenn die Flüssigkristallschicht aus einem Material besteht, das : dynamisches Streuen oder Turbulenz ieigt.
Ausserdem ist zu beachten, daß die Anordnung bei einer Temperatur betrieben wird, bei der sich die Flüssigkristall-Zu- i iMBBensetzung in ihrem flüssigkristallinen (anisotropen) oder raesomorphen Zustand befindet.
Die beschriebene Photoleiter-Flüssigkristall-Einrichtung verwendet Glas-Durchführungen. Es ist jedoch auch möglich, den Photoleiter als aufgedampfte Schicht auf einem transparenten Glasträger zu verwenden, die direkt an die Flüssigkristallschicht angrenzt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Ist der Photoleiter für Infrarotstrahlung empfindlich, so kann die Anordnung als Bildwandler verwendet werden.
Eine Anordnung 30 gemäss Figur 2 kann als strahlungsgesteuerter Lichtschalter oder als Einzelelement in einer x-y-Matrixanordnung verwendet werden. Bei dieser Anordnung sieht ein Beobachter das Bild auf Grund der Streuung oder Polarisation des
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Lichts, das durch die Anordnung 30 fällt. Bei Ausnützung des, Effekts der Drehung des polarisierten Lichts enthält die Anordnung gekreuzte Polarisationsfilter 31 und 32. Der flüssige Kristall wirkt durch Ausrichtung seiner Moleküle bzw. Molekülschwärme. Die Anordnung hat zwischen den gekreuzten Polarisationsfiltern 31 und 32 einen sandwichartigen Aufbau, der in der folgenden Reihenfolge eine vordere transparente Trägerplatte 33» einen auf diese aufgebrachten transparenten leitenden überzug 31J5 eine nematische Flüssigkristallschicht 35 und einen zweiten transparenten leitenden überzug 36 auf einer hinteren transparenten Trägerplatte 37 aufweist. Ein Photoleiter 38 ist über die transparenten leitenden überzüge 34 und 36 elektrisch geschaltet.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der als photoelektrische Vorrichtung eine Silicium-Photodiode verwendet wird. Die gezeigte Anordnung umfasst , wie bei Figur 1 in der folgenden Reihenfolge die vordere Trägerplatte 11, die transparente leitende Schicht 12 aus Zinnoxid, dieSchicht 13 aus einer Flüssigkristall-Zusammensetzung des dynamisch streuenden Typs und schließ lieh eine Anordnung oder Matrix 41 aus Silicium-Photodioden.
Die Silicium-Photodiodenanordnung umfasst eine Mehrzahl von p-i-n- oder p-n-Dioden, die aus einer zusammenhängenden und elektrisch gemeinsamen p-leitenden Zone 42, einer daran angrenzenden, zusammenhängenden und elektrisch gemeinsamen eigenleitenden Zone 43 und einer Mehrzahl von voneinander getrennten, n-leitenden Zone gebildet sind, bestehen. Eine Siliciumdioxid-Schicht 45 bedeckt das ganze freiliegende eigenleitende Material der Zone 43 und erstreckt sich so weit, daß es die Ränder der n-leitenden Zonen 44 geringfügig überlappt. Eine leitende Schicht 46 aus Aluminium bedeckt die freiliegenden Flächen der n-leitenden Zonen 44. Die Schicht 46 aus Aluminium ist unzusammenhängend und bildet getrennte reflektierende Inseln.
Jede Insel steht mit einer η-leitenden Zone in Kontakt. Aluminium ist bevorzugt, da es einen guten ohmschen Kontakt mit
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n-leitendem Silicium und mit der Plüssigkristallschicht bildet und zusätzlich Licht gut reflektiert. Diese Fläche der Photodioden-Anordnung 4l steht in Kontakt mit der Flüssigkristallschicht 13· Im Betrieb ist jede Photodiode beispielsweise mittels einer Batterie 47s deren negative Klemme an die p-leitende Zone 42 der Photodiode und deren positive Klemme an die transparente leitende Zinnoxidschicht 12 angeschlossen ist, in Sperrichtung vorgespannt.
Im Betrieb erzeugt das Licht, das auf die p-leitende Oberfläche der Photodiode fällt, Ladungsträger, die in den ' Sperrschichtbereich wandern und dadur die Impedanz der Anordnung erniedrigen, so daß ein Strom durch die Flüssigkristallschicht 13 fliesst und infolgedessen eine Lichtstreuung aufgrund der Turbulenz in dieser Schicht auftritt.
Figur 4 zeigt ein als Filmdrucker oder -lesegerät verwend-l bares System, das eine mit Reflexion arbeitende erfindungsgemäße Anordnung enthält. Bei diesem System tritt Licht von einer Lichtquelle 52 zuerst durch einen ein Bild tragenden Film 53» bei-
spielsweise einen Mikrofilm. Das Licht fällt dann durch eine j Limse 54 oder ein sonstiges optisches System, das das Bild vom Mikrofilm auf den Photoelektrischen oder lichtempfindlichen Bauteil der Anordnung wirft. Dieser Bauteil kann beispielsweise mit demjenigen gemäss Figur 1 übereinstimmen. Ein Betrachter befindet sich auf derjenigen Seite der Anordnung, die dem photoelektrischen Teil gegenüberliegt. Wenn helles Umgebungslicht 55 auf die Stirnseite der Anordnung fällt, wird das Licht von der Flüssigkristallschicht entsprechend dem Bild gestreut.und mit Hilfe des reflektierenden Überzugs in der Anordnung in Richtung zum Betrachter reflektiert. Dieser beobachtet also ein vergrössertes und verstärktes Bild des ursprünglichen Bilds vom Mikrofilm Das System gemäss 4 kann auch zur Herstellung von Papiervergrösserungen des Mikrofilmbildes verwendet werden.
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Claims (1)

  1. -ίο- ·
    Patentansprüchen
    fly Optische Einrichtung, gekennzeichnet durch die Kombination einer photoelektrischen Anordnung (18; 38; 42,43,44) mit einer damit gekoppelten flüssigen Kristallschicht (13,35).
    2. Einrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß die photoelektrische Anordnung ein Photowiderstand oder Photoleiter (18,38), eine Photodiode (42,43,44) oder ein Photoelement ist und daß die flüssige Kristallschicht (13,35) eine nematische Flüssigkristall-Zusammensetzung enthält.
    3. Einrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekenn.zeichnet , daß die photoelektrische Anordnung (18; 19,38; 42, 43,44) und die flüssig·- Kristallschicht (13,35) elektrisch miteinander in P.s-Mie geschaltet sind und daß diese Reihenschaltung an eint Spannungsquelle (21, 39,47) anschließbar ist.
    4. Einrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß sie in Form aufeinanderliegender Schichten ausgebildet ist und in der folgenden Reihenfolge eine transparente Trägerplatte (11) einen auf dieser angeordneten transparenten leitenden überzug (12) , eine Schicht (13) aus einem nematischen flüssigen Kristall und eine photoelektrische Anordnung (18) , die mit der Schicht aus dem flüssigen Kristall elektrisch Kontakt macht, angeordnet ist, umfasst.
    5. Einrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (13) aus dem flüssigen Kristall eine nematische Flüssigkristall-Zusammensetzung des dynamisch streuenden Typs enthält und daß die Anordnung Reflektoren (20,46) enthält, die durch die transparente Trägerplatte (11) in die Anordnung einfallendes und in die Schicht (13) aus dem flüssigen Kristall eintretendes Licht reflektieren.
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    BAD ORiGINAL
    -αι-
    6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (35) aus dem flüssigen Kristall eine nematische Flüssigkristall-Zusammensetzung des ausrichtenden Typs enthält und daß die Einrichtung zwischen gekreuzten Polarisatoren (31»32) angeordnet ist.
    7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die photoelektrische Anordnung einen in seiner Impedanz der Impedanz der Schicht (13) des flüssigen Kristalls im wesentlichen angepassten PhotoMter (18) umfasst und daß lichtreflektierende (20) und leitende Teile (15) vorgesehen sind, die einen ohmschen Kontakt sowohl mit dem Photoleiter als aich mit dpr Schicht des flüssigen Kristalls machen.
    8. Einrichtung nach Anspruch 1, die als Lichtverstärker oder als Bildwandler verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß sie in Kombination einen Photoleiter (18) oder eine Photodiode (42, 13, 44) in Reihe mit einer nematischen Flüssigkristall-Zusammensetzung (13) der dynamischen
    streuenden Art enthält und daß eine Spannung an diese Reihenkombination anlegbar ist.
    I
    ; 9· Einrichtung nach Anspruch 8,gekennzeich-η e t durch elektrisch mit dem Photoleiter (18) oder der Photodiode (42, 43,M) verbundene Lichtreflektoren (20,46), die einen ohmschen^ Kontakt mit dem Photoleiter oder der Photodiode für einen Elektronenfluß in die Flüssigkristall-Zusammensetzung schaffen.
    10. Einrichtung nach Anspruch 9,dadurch gekennzeichnet , daß die Reflektoren (46) jeweils aus «it einer Siliciumdiode (42, 43, 44) verbundenen dünnen ' Aluminiumschichten bestehen.
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    11* Einrichtung nach Anspruch 1 zur Wiedergabe photographischer Bilder, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (32), deren abgestrahltes Licht durch das Wiederzugebende photographische Bild hindurchtritt, durch eine optische Anordnung (51O int Lichtweg zum Projizieren des durch das photographische Bild getretenen Lichts auf die photoelektrisehe Anordnung eines optischen Bauteils » der die photoelektri-•che Anordnung in elektrischer Verbindung mit einer nematischen Flüssigkristallschicht der dynamisch streuenden Art sowie weiterhin zwischen der photoelektrischen Anordnung und der Flüssigkristallschicht ein elektrisch leitendes und reflektierendes Material enthält, das in ohmschen'Kontakt mit der photoelektri-Schen Anordnung steht und einen Weg für den Elektronenfluss ▼on der photoelektrischen Anordnung zur Flüssigkristallschicht ! schafft, und weiterhin durch Anschlüsse zum Anlegen einer Spannung über die Zusammenschaltung der photoelektrischen Anordnung j und der nematischen Flüssigkristallschicht (Fig. 4).
    009825/1241
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