DE2032212B2 - Vorrichtung zur Speicherung von optischen Informationen - Google Patents

Vorrichtung zur Speicherung von optischen Informationen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Speicherung von optischen Informationen unter Verwendung von flüssigen Kristallen.
Flüssige Kristalle sind Substanzen, welche in einem bestimmten Temperaturbereich in dünner Schicht besondere Anordnungen von langgestreckten Molekülen bilden, und je nachdem gehören sie zur smektischen, cholesterischen oder nematischen Klasse.
Bei der sogenannten nematischen Struktur, die hier interessiert, ordnen sich die Moleküle parallel zueinander an. Das Medium ist daher optisch anisotrop. Darüber hinaus kann man auf die Orientierung der Moleküle und daher auf die Richtung der optischen t>o Achse durch Anwendung eines elektrischen Feldes einwirken.
Wenn die Moleküle einer dichroitischen Substanz einer nematischen Substanz hinzugefügt werden, ordnen sie sich parallel zu den Molekülen der b5 nematischen Substanz an. Das erhaltene Milieu ist so selbst dichroitisch, und dieser Dichroismus kann durch Anwendung eines elektrischen Feldes geändert werden.
Eine genau polarisierte Lichtwelle wird absorbiert. Wenn man sodann ein elektrisches Feld (in der Größenordnung von 104 V/cm für eine Schicht von einigen zehn Mikron) in der Fortpflanzungsrichtung des Lichts anwendet, ändert sich die Orientierung der Moleküle, und die Welle wird nicht mehr absorbiert. Man hat auch ein Medium mit veränderlicher Durchlässigkeit erzeugt Diese Erscheinung ist ausführlicher beschrieben in dem Artikel von G. H. H e i 1 m e i er und L A. Zanoni in Applied Physics Letters, Bd. 13, Nr. 3, 1. August 1968, Seiten 91 und 92 mit dem Titel »Guest-host interactions in nematic liquid crystals. A new electro-optic effect«.
Aufgabe der Erfindung ist die Ausnutzung dieser Erscheinung für die Herstellung einer Vorrichtung zur Speicherung, welche Informationen in optischer Form speichern und wieder löschen kann, welche auf dieselbe in dieser Form gegeben werden.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Speicherung von optischen Informationen mit einer dünnen Schicht, welche aus einer Mischung eines flüssigen Kristalls im nematischen Zustand und einer dichroitischen, wenigstens eine Absorptionslinie in geradlinig polarisiertem Licht aufweisenden Substanz besteht und zwischen zwei durchsichtigen Elektroden angeordnet ist, die zwischen sich einen Raum mit konstanter Dicke einschließen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden eine dünne Schicht eines Fotowiderstandskörpers neben der aus der Mischung bestehenden dünnen Schicht angeordnet ist, daß die Elektroden mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind, daß erste Einrichtungen zum Projizieren der zu registrierenden Informationen in optischer Form auf die Fotowiderstandsschicht vorgesehen sind und daß zweite Einrichtungen zur im wesentlichen gleichförmigen Belichtung der aus der Mischung bestehenden Schicht mit einem geradlinig polarisierten Lichtbündel vorgesehen sind, wobei das Lichtbündel wenigstens eine Lichtstrahlung mit einer der genannten Absorptionslinie entsprechenden Wellenlänge enthält.
An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen
Fig. la und Ib schema tische Darstellungen zur Erläuterung der ausgenutzten Erscheinung,
F i g. 2a und 2b der Erläuterung dieser Erscheinung dienende Kurven,
F i g. 3 schematisch ein Speicherelement,
F i g. 4 eine andere Ausführungsform des in F i g. 3 dargestellten Elements und
F i g. 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung.
Bekanntlich hängt das optische Absorptions-Spektrum einer dichroitischen Substanz bezüglich geradlinig polarisierter Lichtstrahlungen stark von der molekularen Orientierung dieser Substanz bezüglich der Polarisationsrichtung der Lichtstrahlungen ab. Wenn beispielsweise die Richtungen der molekularen Orientierung und der Lichtpolarisation parallel sind, erhält man eine oder mehrere Absorptionslinien mit gegebenen Wellenlängen im optischen Absorptions-Spektrum der Substanz, wobei diese Linien im wesentlichen verschwinden, wenn die Polarisationsrichtung des Lichts zur molekularen Orientierungsrichtung senkrecht wird. Diese Eigenschaft ist ausgenutzt worden, um eine neue elektro-optische Wirkung zu erzielen, indem man auf die Orientierung der Moleküle von dichroitischen Substanzen mit Hilfe der Moleküle von anderen Substanzen einwirkt, mit welchen die Moleküle der
dichroitischen Substanzen gemischt sind und welche sich in gesteuerter Weise unter der Wirkung eines elektrischen Feldes orientieren können, nämlich die Moleküle von flüssigen Kristallen im nematischen Zustand. Diese Erscheinung ist ausführlicher in dem obenerwähnten Artikel erläutert worden und muß hier nur kurz beschrieben werden.
Es werde die im Schnitt und starker Vergrößerung in F i g. la dargestellte Vorrichtung betrachtet
Zwei durchsichtige Elektroden 1, welche mit den Klemmen 2 verbunden sind, schließen eine dünne Schicht einer Mischung von Molekülen 4 eines nematischen flüssigen Kristalls und Molekülen 3 einer dichroitischen Substanz zwischen sich ein. Die Anordnung wird durch ein Lichtbündel von geradlinig polarisiertem Licht beleuchtet, dessen durch den Vektor 5 dargestellte Polarisationsrichtung parallel zur Ebene der Elektroden 1 liegt
Bei Abwesenheit einer an die Elektroden 1 angelegten Spannung liegen die Moleküle des flüssigen Kristalls mit ihrer Längsachse zueinander parallel und im wesentlichen parallel zur Ebene der Elektroden. Unter diesen Umständen verhält sich die Kurve, welche den Absorptions-Koeffizienten A der Mischung als Funktion der Wellenlänge λ der diese Mischung durchsetzenden Strahlung darstellt, im wesentlichen wie die in Fig.2a dargestellte Kurve. Eine Absorptionslinie befindet sich bei der Wellenlänge A0 welche von der betreffenden dichroitischen Substanz abhängt. Wenn man nun (siehe Fig. Ib) eine Gleichspannungsquelle 6 zwischen den Klemmen 2 derart anordnet, daß auf die Mischung ein elektrisches Feld in der Größenordnung von einigen Kilovolt je Zentimeter einwirkt, richten sich die Moleküle des flüssigen Kristalls alle senkrecht zu den Elektroden 1 aus und führen eine ähnliche Orientierung der Moleküle 3 der dichroitischen Substanz herbei.
Unter diesen Umständen hat die Absorptionskurve im wesentlichen das in Fig.2b dargestellte Verhalten. Die Absorptionslinie bei der Wellenlänge Ac ist praktisch verschwunden und ist um so stärker ausgelöscht, je stärker das angelegte Feld ist.
Wenn man p-n-Butoxybenzoesäure als nematischen flüssigen Kristall und Methylrot als dichroitischen Farbstoff in einer Lösung von 1 Gewichtsprozent in der Säure verwendet, erhält man eine Linie Ac = 4825 A, und das Anlegen eines Feldes 40 kV/cm läßt die Farbe der Mischung von Rotorange auf Gelb umschlagen, wenn man bei Beleuchtung mit polarisiertem weißen Licht in Transmission beobachtet.
Man nützt diese Erscheinung zur Herstellung eines optischen Speicherelements aus, welches in F i g. 3 im Schnitt dargestellt ist. Zwischen zwei ebenen, parallelen und durchsichtigen Elektroden 7 sind eine dünne Schicht 8 aus einem Fotowiderstandsmaterial und eine dünne Schicht 9 aus der Mischung von flüssigem Kristall und dichroitischer Substanz angeordnet. Der Fotowiderstand kann von der Art sein, wie sie für die Vidikon-Röhren verwendet werden (Selen, Antimontrisulfid, Bleioxyd), oder auch Galliumarsenid, Bleisulfid, Indiumantimonid u. dgl., und er muß so gewählt sein, daß er für die Wellenlänge Xc der verwendeten dichroitischen Substanz empfindlich ist. Die Schicht 9 wird auf die möglichst glatte Oberfläche der Fotowiderstandsschicht 8 aufgebracht und hat eine Dicke in der Größenordnung von 10 μιτι
Die Dicke der Schicht 8 ist so gewählt, wie es weiter unten erläutert wird. Stege 10, beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen (Teflon) gewährleisten einen zweckmäßigen Abstand zwischen der Elektrode und der Schicht 8. Die Kapillarkräfte genügen, um die Schicht aus dem flüssigen Kristall und der dichroitischen Substanz unabhängig von der Orientierung der Anordnung in ihrer Lage zu halten.
Eine Gleichspannung V wird an die mit den Elektroden 7 verbundenen Klemmen 11 angelegt. Die Schicht 9 wird durch ein Hilfslichtbündel 13 geradlinig
ίο und parallel zu den Ebenen der Elektroden 7 mit polarisiertem Licht der Wellenlänge Ac beleuchtet
Unter der Wirkung der Belichtung eines Bereiches P der Fotowiderstandssqhicht 8 durch eine Strahlung 12, für die der Fotowiderstand empfindlich ist, wird der entsprechende Bereich Pi der Schicht 9 durchsichtig, und ein Beobachter sieht diese Durchsichtigkeitsänderung, wie weiter unten ausführlich erläutert
Die Anordnung arbeitet in der folgenden Weise: Die Wellenlänge der polarisierten Strahlung 13 wird im wesentlichen gleich Xc entsprechend der Absorptionslinie der verwendeten dichroitischen Substanz gewählt (F ig. 2a).
Wenn man eine Spannung V an die Klemmen 11 anlegt und das Verhältnis der Impedanz der Schichten 8 und 9 bei einer gegebenen Belichtung der Fotowiderstandsschicht k nennt, so wird die elektrische Spannung zwischen den beiden Flächen der Schicht 9 gleich
k +
Wenn die Fotowiderstandsschicht nicht belichtet wird, hat das Verhältnis k einen Wert Jt1. Wenn der Bereich P des Fotowiderstands durch eine Strahlung 12 mit gegebener Intensität belichtet wird, wird das Verhältnis k in diesem Bereich gleich fc. Die Dicke der Fotowiderstandsschicht 8 und die Spannung V werden so gewählt, daß bei Abwesenheit einer Belichtung der Schicht 8 (Verhältnis der Impedanzen der Schichten 8 und 9 gleich k\) das an die Mischung aus flüssigem Kristall und dichroitischer Substanz angelegte Feld ausreichend gering ist, so daß die Absorptionslinie gemäß F i g. 2a vorhanden ist und daß andererseits für eine belichtete Zone P (Verhältnis der Impedanzen gleich ki) das an die Mischung angelegte Feld ausreichend stark wird, so daß die Linie im wesentlichen gelöscht wird (F ig. 2b).
Wenn unter diesen Umständen der Fotowiderstand nicht belichtet wird, wird das Bündel 13 von der
so Mischung aus flüssigem Kristall und dichroitischer Substanz absorbiert. Wenn ein Bereich P des Fotowiderstands durch die Strahlung 12 belichtet wird, wird der entsprechende Bereich Pi der Schicht 9 im wesentlichen für das Bündel 13 durchlässig. Unter dieser Voraussetzung erreicht der den Bereich Pi durchsetzende Teil des Bündels 13 die Fotowiderstandsschicht 8. Insbesondere infolge der plötzlichen Änderung des Brechungsindex zwischen den Schichten 8 und 9 wird ein Anteil dieses Teils von der metallischen Schicht 8 zum Beobachter hin reflektiert, während der andere Anteil dieses Teils vom Bereich P der Fotowiderstandsschicht 8 absorbiert wird und dazu dient, diesen Bereich (in dem k auf dem Wert ki gehalten wird) leitend zu halten, auch wenn die Belichtung 12 unterdrückt wird.
Der Bereich Pi erscheint daher leuchtend und seine Helligkeit wird durch das Lichtbündel 13 aufrechterhalten. Die vom Bündel 12 übertragene Lichtinformation wird daher gespeichert und ist dem Zugriff zugänglich,
bis man die Belichtung 13 oder die Spannung V unterbricht, was die Löschung aller eingeschriebenen Informationen ermöglicht.
Wenn man beispielsweise die obengenannte Mischung von p-n-Butoxybenzoesäure und Methylrot in einer Schicht von 12 μ Dicke verwendet, wird diese Schicht durchsichtig bei einem angelegten Feld in der Größenordnung von 40 kV/cm, d. h. einer Spannung in der Größenordnung von 48 V. Wenn man andererseits Selen als Fotowiderstand wählt, welches bei Dunkelheit einen spezifischen Widerstand in der gleichen Größenordnung (ΙΟ12 Ω · cm) wie derjenige der Mischung aus flüssigem Kristall und dichroitischem Farbstoff aufweist, verwendet man eine Schicht 8 der gleichen Dicke wie die Schicht 9. Unter diesen Umständen ist k\ annähernd gleich 1 und die Spannung V wird gleich 50 V gewählt, was bei Dunkelheit eine Spannung von 25 V an den Klemmen der Schicht 9 ergibt
Man wählt sodann die Intensität des Schreiblichtbündels 12 so, daß der spezifische Widerstand des Fotowiderstands etwa durch 25 geteilt wird, was den gewünschten Wert für das an die Schicht 9 angelegte Feld ergibt
Für bestimmte flüssige Kristalle kann sich ein Stromdurchgang zwischen den Elektroden 7 ergeben. Dies beeinträchtigt den guten Wirkungsgrad der ausgenutzten Erscheinung und infolgedessen die Qualität des gespeicherten Bildes. Um dies zu vermeiden, kann man (siehe F i g. 4) beispielsweise eine durchsichtige isolierende Schicht 70 zwischen die Schicht 9 und die entsprechende Elektrode 7 einbringen. Beispielsweise kann man eine Schicht verwenden, welche außerdem zum Aufbau der Elektrode 7 dienen kann, indem man die Außenfläche der Schicht 70 metallisiert.
In F i g. 5 ist eine vollständige Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Speichervorrichtung dargestellt.
Für die gleichen Teile sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in F i g. 3.
Eine Spannungsquelle 15 ist an die Klemmen 7 angeschlossen. Diese Spannungsquelle kann entweder eine Gleichspannung oder eine Rechteckspannung liefern, wenn man in regelmäßigen Intervallen zu löschen wünscht.
Eine Lichtquelle 16, eine Linse 17 und ein Polarisator 18, welcher das Licht senkrecht zur Zeichenebene geradlinig polarisiert, liefern das Lichtbündel mit der gewünschten Wellenlänge λα welches die Schicht 9 beleuchtet. Der Polarisator 18 kann auch anliegend an die rechte Elektrode 7 angeordnet werden, wobei seine
ίο Orientierung indifferent ist.
Die zu speichernden und in der Zone 21 in optische
Form gebrachten Informationen werden durch das Objektiv 22 auf die Fotowiderstandsschicht 8 projiziert.
So gibt ein leuchtender Punkt M ein Bild bei M\ auf der Schicht 8. Der entsprechende Punkt Mi der Schicht 9 erscheint daher als leuchtender Punkt. Auch wenn das von M ausgehende Lichtbündel unterbrochen wird, hält das von der Quelle 16 ausgehende Bündel den Fotowiderstand im Punkt M\ weiterhin in seinem
2ü leitenden Zustand.
Da der verwendete flüssige Kristall sich in seinem nematischen Zustand befinden muß, ist es erforderlich, ihn in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten in welchem er sich in diesem Zustand befindet Dazu isi gegebenenfalls eine Temperaturregelanlage 23 vorgesehen, welche hier sehr schematisch durch eine Strahlungsheizvorrichtung dargestellt ist. Im übrigen ist ersichtlich, daß jede andere Heizvorrichtung ebenfalls verwendet werden kann.
jo Natürlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum punktweisen Einschreiben von binären Informationen und deren Speicherung verwendet werden odei man kann dieselbe auch für direkte Beobachtung als Speicherschirm anstelle einer Speicherröhre verwen den. Das eingeschriebene Bild kann dann dasjenige einer kleinen Kathodenstrahlröhre sein, deren Schirn bei 21 angeordnet ist, und dieses Bild kann im übriger auf einmal oder in zeitlich getrennter Weise (beispiels weise wie bei einem Sonar) eingeschrieben werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Speicherung von optischen Informationen mit einer dünnen Schicht, welche aus % einer Mischung eines flüssigen Kristalls im nematischen Zustand und einer dichroitischen, wenigstens eine Absorptionslinie in geradlinig polarisiertem Licht aufweisenden Substanz besteht und zwischen zwei durchsichtigen Elektroden angeordnet ist, die ι ο zwischen sich einen Raum mit konstanter Dicke einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden eine dünne Schicht eines Fotowiderstandskörpers neben der aus der Mischung bestehenden dünnen Schicht angeordnet ist, daß die Elektroden mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind, daß erste Einrichtungen zum Projizieren der zu registrierenden Informationen in optischer Form auf die Fotowiderstandsschicht vorgesehen sind und daß zweite Einrichtengen zur im wesentlichen gleichförmigen Belichtung der aus der Mischung bestehenden Schicht mit einem geradlinig polarisierten Lichtbündel vorgesehen sind, wobei das Lichtbündel wenigstens eine Lichtstrahlung mit einer der genannten Absorptionslinie entsprechenden Wellenlänge enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine durchsichtige isolierende Schicht zwischen den Elektroden angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Einrichtungen eine im wesentlichen monochromatische Lichtquelle, welche ein Lichtbündel mit einer der Absorptionslinie entsprechenden Wellenlänge liefert, sowie einen Polarisator aufweisen, welcher dem Lichtbündel eine geradlinige Polarisierung in einer Richtung parallel zu den Elektroden erteilt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Temperaturregeleinrichtung für die aus der Mischung bestehende Schicht aufweist, um den flüssigen Kristall in seinem nematischen Zustand zu halten.
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