DE2059427A1

DE2059427A1 - Optische Einrichtung mit mindestens zwei Fluessigkristallzellen

Info

Publication number: DE2059427A1
Application number: DE19702059427
Authority: DE
Inventors: Matthies Dennis Lee
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-12-02
Filing date: 1970-12-02
Publication date: 1971-06-09
Also published as: FR2072711A5; GB1326399A; NL7017531A; CA944051A; US3661444A

Description

7117-70/Dr.v.B/Ro. 9 Π RQ A 97

RCA 62,101 ^UO 3 4^ /

US-Ser.No. 881 41?
Piled: 2 December I969

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Optische Einrichtung mit mindestens zwei Plüssigkristallzellen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Einrichtung mit mindestens zwei PlUssigkristallzellen, deren Fähigkeit, optische Strahlung zu streuen oder durchzulassen, steuerbar ist_e

Thermotrope nematische Flüssigkristalle sind Flüssigkeiten mit langgestreckten polaren Molekülen. Bei einem Typ dieser Flüssigkristalle richten sich die Moleküle in einem elektrischen Feld normalerweise so aus, daß benachbarte Moleküle parallel zueinander verlaufen. Durch eine solche Ausrichtung ändert sich das Lichtstreuvermögen des Materials. Bei einem anderen Typ von Flüssigkristallen tritt Turbulenz auf, wenn sie zwischen zwei transparente Elektroden gebracht werden und ein elektrischer Strom durch das Material fließt, der den Ordnungszustand stört und bewirkt, daß einfallendes Licht vom Flüssigkristall gestreut wird.

Flüssigkristalle können als Lichtventile nur in einem bestimmten Temperaturbereich, der vom Material abhängt, verwendet werden. Auf jeden Fall tritt beim Anlegen eines elektrischen Feldes an ein PlUssigkristallmaterial eine Änderung der optischen Eigenschaften des Materials ein. Bei Flüssigkristallen, die mit Turbulenz arbeiten, muß außerdem ein elektrischer Strom fließen, um die optischen Eigenschaften zu ändern. Optische Einrichtungen mit FlUssigkristallen werden normalerweise mit sichtbarem Licht betrieben, sie sind jedoch nicht auf optische Strahlung des sichtbaren Spektralbereichs beschränkt. Der Begriff "Licht" ist im folgenden also im weiteren Sinne auszulegen.

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Es 1st bekannt, einen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger nit Licht zu belichten, das durch eine Anordnung von Flüssigkristallzellen moduliert worden ist. Bei einer solchen Einrich-'tung ist es wünschenswert, daß das Flüssigkristallmaterial, wenn es sich im lichtstreuenden Zustand befindet, soviel Licht streut wie möglich. Das Lichtstreuvermögen einer Flüssigkristallzelle, d.h. der erreichbare Kontrast, kann bekanntlich durch Vergrößerung der Dicke der Zelle erhöht werden, durch diese Maßnahme tritt jedoch gleichzeitig eine erhebliche Verlängerung der Zeitspanne auf, die zum Umschalten des Materials vom lichtstreuenden Zustand in den transparenten Zustand erforderlich ist, da diese Zeitspanne ungefähr dem Quadrat der Dicke der Zelle proportional ist. Bisher mußte man also bei der Bemessung der Dicke einer Flüssigkristallzelle einen Kompromiß zwischen dem Lichtstreuvermögen (Kontrast) und der Schaltgeschwindigkeit (Einschaltzeit und Ausschaltzeit) eingehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den erreichbaren Kontrast ohne Verlängerung der Schaltzeit zu erhöhen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer optischen Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens zwei gleichzeitig oder unabhängig steuerbare Flüssigkristallzellen in einem vorgegebenen Strahlengang hintereinander angeordnet sind.

Gemäß der Erfindung wird also eine Flüssigkristall-Verbundzelle geschaffen, die mindestens zwei Flüssigkristallzellen enthält, die hintereinander, also in einer Tandemanordnung, im Lichtweg so angeordnet sind, daß das Licht, das durch die eine Zelle fällt, auch alle anderen Zellen des Satzes durchsetzen muß.

Bei einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Einrichtung ist eine Anordnung von Tandem-Flüssigkristallzellen vorgesehen, die mindestens zwei Gruppen von FlUssigkristallzellen enthält. Die Zellen der Gruppen sind gleichartig und paralLel zueinander angeordnet, so daß ein Lichtbündel, das durch eine Zelle in der ernten Gruppe fällt, auch durch eine und etwaige weitere Zellen In der zweiten oder¹ weiteren Gruppen fall on muß. LMe Zellen der

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Gruppen können einzeln steuerbar sein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Pig. 1 einen Querschnitt in einer Ebene 1-1 der Fig. 2 durch eine Anordnung von Tandem-Flüssigkristallzellen, die zwischen einer Lichtquelle und einem nur teilweise dargestellten lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger angeordnet ist;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht der Anordnung gemäß Fig. 1, von der die Vorderseite, die obere Seite und die rechte Seite dargestellt sind, außerdem ist schematisch eine mit den Zellengruppen verbundene Steuersignalquelle dargestellt; und

Fig. j5 eine auseinandergezogene Darstellung eines Teiles der Anordnung gemäß Fig. 2.

In der Zeichnung ist eine lineare Anordnung 10 von einzeln adressierbaren FlUssigkristall-Verbundzellen dargestellt, die zwischen einer durch Pfeile angedeuteten Lichtquelle 12 und einem lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger 14, z.B. einem elektrophotographischen oder xerographisehen Aufzeichnungsträger, wie er üblicherweise für elektrostatische Kopierverfahren verwendet wird, angeordnet ist. Die bei der Beschreibung der Anordnung 10 verwendeten Lage- und Richtungsbegriffe wie "vertikal, horizontal, vorne und hinten" gelten nur für die Darstellung des Ausführungsbeispiel, in der Praxis können die verschiedenen Elemente in anderer Orientierung verwendet werden.

Die Anordnung 10 enthält eine Anzahl paralleler Wände oder Platten, z.B. eine hintere Platte 18, eine mittlere Platte 20 und eine vordere Platte 22. Die Platten bestehen aus einem lichtdurchlässigen Material, wie Glas.oder Kunststoff und haben eine Dicke von etwa 1,5 mm, eine Höhe von etwa 25 ram und eine Breite entsprechend der Anzahl der vorhandenen FlUssigkristallzellen. Die vorliegende Flüssigkristallzellenanordnung 10 kann z.B. zur Belichtung eines Aufzeichnungsträgers dienen, dessen Breite einer normalen Schreibmaschinenseite entspricht, also etwa 21 cm beträgt .

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Auf der Vorderseite 28 der hinteren Platte 18 ist eine Anzahl von getrennten, linear ausgerichteten Elektroden 24, 25, 26 und 27 aus einem lichtdurchlässigen, elektrisch leitenden Material, wie Zinnoxid oder Indium^>xid angeordnet. Die Elektroden 24 bis 27 sind jeweils mit einer Anschlußleitung 50, J>l_t J52 bzw. 53 versehen, die am oberen Rand J4 der hinteren Platte 18 endet und zum Anlegen einer Spannung an die betreffende Elektrode dient. Di· Elektroden 24 bis 27 haben jeweils die Form eines Quadrates mit einer Seitenlänge von etwa 0,25 mn und sie sind voneinander durch einen Zwischenraum von etwa 25 /um getrennt. Diese Abmessungen sind selbstverständlich nicht wesentlich und können bei anderen Ausführungsformen anders sein.

Auf der hinteren Seite 40 der vorderen Platte 22 ist eine Anzahl von lichtdurchlässigen und elektrisch leitenden Elektroden 56, 27, 58 und 39 ähnlich den Elektroden 24 bis 27 angeordnet. Die Elektroden 36 bis 39 weisen Anschlußleitungen 41, 42, 43 bzw. 44 auf, die am unteren Rand 46 der vorderen Platte 22 enden und zum elektrischen Anschluß der betreffenden Elektroden dienen.

Auf der Vorderseite 50 der mittleren Platte 20 ist eine gemeinsame Vordtr·lektrode 48. angeordnet» Bi· gemeinsame Elektrode 48 erstreckt sich über die ganze Breite der mittleren Platte 20 und hat eine Anschluflleitung 52, die zum rechten Rand 54 der mittleren Platte 20 führt. Auf der Rückseite 58 der mittleren Platte 20 befindet sich eine gemeinsame hintere Elektrode 56 ähnlich der gemeinsamen vorderen Elektrode 48. Die gemeinsame hintere Elektrode 56 hat eine Anschlußleitung 60, die ebenfalls zum rechten Rand 54 der mittleren Platte 20 führt. An Stelle der gemeinsamen Elektroden könnten in der Anordnung 10 selbstverständlich auoh entsprechende getrennte Elektroden verwendet werden.

Die Platten 18» 20 und 22 werden durch Abstandshalter 62 und 68, .die Kammern für das Flüaeigkrietallmaterial bilden, in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander gehalten. Der Abstandshalter 68 besteht aus einer 11ohtabsorbierenden Folie, wie schwär zen Fluorkohlenstoffkunststoff (z.B. Polytetrafluoräthylen), die eine Anzahl rechteckiger öffnungen 64, 65, 66 und 67 hat. Die

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Abmessungen der öffnungen 64 bis 67 betragen jeweils etwa 0,25 und ihr Abstand beträgt etwa 25 /um, so daß die Elektroden 24 bis 27 eingerahmt oder eng umschlossen werden« wenn der Abstandshalter 62 an die Vorderseite 28 der hinteren Platte 18 angelegt wird Die Dicke des Abstandshalters 62 liegt zwisohen etwa 6 und 12 /um Der Abstandhalter 68 ist ähnlich ausgebildet wie der Abstandshalter 62 und hat eine Anzahl von linear ausgerichteten öffnungen 69, 70, 71 und 72, die die Elektroden 36 bis 39 umrahmen, wenn der aus einer Folie bestehende Abstandshalter 68 an der hinteren Seite 40 der vorderen Platte 22 anliegt. Der Abstandshalter 68 besteht ebenfalls aus einem lichtabsorbierenden Folienraaterial mit einer Dicke zwischen 6 und 12 /um.

Die öffnungen 64 bis 67 des Abstandshalters 62 und die Vorderseite 28 der hinteren Platte 18 sowie die hintere Seite 58 der mittleren Platte 20 bilden Zellen für ein Flüssigkristallraaterial, wenn der Abstandshalter 62 zwischen die hintere Platte 18 und die mittlere Platte 20 eingeklemmt 1st. Bei der Montage wird der Abstandshalter 62 auf der hinteren Seite 28 der hinteren Platte 18 so angeordnet, daß die öffnungen 64 bis 67 die Elektroden 24 bis 27 einrahmen. Der Abstandshalter 62 kann mit der Fläche 28 durch einen Klebstoff, z.B. ein Epoxyharz, verbunden werden. Die öffnungen 64 bis 67 werden nun mit dem gewünschten Flüssigkristallmaterial 74 (Flg. 1) gefüllt, auf das noch näher eingegangen wird, und die hintere Seite 58 der mittleren Platte 20 wird dann fluchtend auf den Abstandshalter 62 gelegt und mit diesen verbunden, z.B. verklebt. Die hintere Platte 18 und -die mittlere Platte 20 können gleichzeitig mit einem aus Polytetrafluoräthylen bestehenden Abstandshalter 62 verbunden werden, indem man die zusammengesetzte Sohiohtstruktur und nicht dargestellte Polyäthylen-Dichtungen zwischen dem Abstandshalter 62 und den Platten 18 und 20 auf etwa 110 ⁰C erhitzt und diese Temperatur solange aufrechterhält, bis die Polyäthylen-Dichtungen mit dem Abstandshalter 62 und den Platten 18 und 20 verschmelzen und eine bleibende Abdichtung bilden. An Stelle der Polyäthylen-Dichtungen kann auch Irgendein anderer geeigneter Kleber verwendet werden. Die duroh die öffnungen 64 bis 67 im Abstandshalter 62 zusammen mit den sich in jeder öffnung gegen-

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überliegenden Elektroden bilden jeweils eine Flüssigkristallzelle.

In entsprechender Weise wird der Abstandshalter 68 mit der Rückseite 40 der vorderen Platte 22 verklebt. Die öffnungen 69 bis 72 werden dann mit einem gewünschten Flüssigkristallmaterial 74 gefüllt und die Seite 50 der mittleren Platte 20 wird dicht mit dem Abstandshalter 68 verbunden. Die Schichtstruktur aus der vorderen Platte 22, dem Abstandshalter 68 und der mittleren Platto 20 kann auf die gleiche Weise für dauernd abgedichtet werden, wie es in Verbindung mit dem Abstandshalter 62 und den Platten 18 und 20 beschrieben worden ist. Die Zellen, die durch die öffnungen 69 bis 72 und die in der jeweiligen öffnung liegenden Elektro den gebildet werden, z.B. die Elektroden 36 und 48 in der durch die öffnung 69 gebildeten Zelle, und der Abstandshalter 68 bilden Jeweils eine FlUssigkristallzelle.

Bei der beschriebenen Anordnung enthalten die Abstandshalter 62 und 68 für jedes Paar gegenüberliegender Elektroden eine eigene öffnung. Man kann jedoch auch Abstandshalter verwenden, bei denen eine oder mehrere öffnung mehr als ein Paar gegenüberliegender Elektroden enthält, ohne den Rahmen der Erfindung zu über-

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schreiten, In diesem Falle ist/dann zweckmäßig, die Oberfläche der Platten um die Elektroden herum mit einem lichtabsorbierenden Material, z.B. schwarzer Farbe zu überziehen. Wenn die Abstandshalter 62 und 68 nicht von vorneherein aus einem lichtabsorbierenden Material bestehen, können sie durch einen lichtabsorbierenden Anstrich oder Kleber lichtundurchlässig gemacht werden. Unabhängig von der Anzahl der öffnungen im Abstandshalter bilden Jeweils zwei gegenüberliegende Elektroden in einer Kammer eine Flüssigkristallzelle.

Als Flüsslgkristallmaterial Jk kann z.B. eine homogene organische thermotrope nematische Verbindung, z.B. p-Anisal-p¹-

Aminophenylacetat (CH

CHQ-

.OCCH,),

oder

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-CH=N-

oder auch eine Mi

schung verschiedener Plüssigkristallverbindungen, z.B. eine Mischung aus gleichen Gewichtsteilen der drei oben erwähnten Verbindungen verwendet werden. Eine aus gleichen Gewichtsteilen bestehende Mischung der oben genannten drei Verbindungen hat den Vorteil, daß die Schmelztemperatur mit 25 °C niedrig ist und daß der Arbeitstemperaturbereich (25 °C bis 105°C) in dem die Mesophase stabil ist, groß ist. Andere für die vorliegende Anordnung 10 geeignete Flüssigkristallmaterialien sind z.B. in der US-PS 3 322 485 und der DT-iS 1 764 084 beschrieben.

In Fig. 2 ist schematisch eine Schaltungsanordnung für den Betrieb der vorliegenden Verbund-PlUssigkristallzellenanordnung dargestellt. Mit der Anordnung 10 ist eine Signalquelle 80, z.B. der Ausgang eines Computers oder eines Paksimilesystems verbunden, die die Flüssigkristallzellen jedes Satzes also jeder Verbundzellenanordnung gleichzeitig zu erregen gestattet. Um einen Satz Zellen zu erregen, ist z.B. eine Ausgangsklemrae 82 der Signalquelle 80 sowohl mit der vorderen als auch der hinteren gemeinsamen Elektrode 48 und 56 über die Anschlußleitungen 52 bzw. 60 verbunden während eine andere Auegangskleaee 84 der Signalquelle 80 gleichzeitig mit den Leitungen 41 und 30 der Elektroden 36 bzw. 24 auf den Platten 22 bzw. 18 verbunden let. Zur Steuerung des nächsten Satzes der Flüsslgkristallzellen ist eine andere Auegangsklemme 86 der Signalfuelle 80 parallel mit den Leitungen 42 und 3I der Elektroden 37 bzw. 25 auf den Platten 22 bzw. 18 verbunden. In entsprechender Weise sind auch die übrigen Sätze der Tandem-Zellen angeschlossen, so daß beide Flüssigkristallzellen jedes Satzes gleichzeitig er- oder entregt werden können.

Es sind Vorkehrungen getroffen, um Lieht zu absorbieren, das die gegenüberliegenden Elektroden eines Satzes hintereinander geschalteter Plüseigkrietalleellen nicht direkt durchsetzt. Hierfür ist auf der Vorderseite 78 der vorderen Platte 22 eine Maske 88 angeordnet, die zwei im Abstand voneinander verlaufende, parallele Streifen aus einem lichtabsorbierenden Material, z.B. schwarzer Farbe, enthält, die durch einen Schlitz 90 getrennt

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sind, durch den die Lichtstrahlen treten können, die durch die Anordnung 10 gefallen sind.

Im Betrieb wird die Anordnung 10 durch die Lichtquelle 10 so beleuchtet, daß die Lichtstrahlen z.B. senkrecht durch die hintere Seite 76 (Fig. 1) der hinteren Platte 18 eintreten. Wenn sich beide FlUssigkristallzellen eines Satzes im transparenten Zustand befinden, geht das Licht von der Lichtquelle 12 direkt durch sie hindurch, wie in Fig. 1 dargestellt ist, und trifft auf den lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger 14 auf, der sich praktisch in Berührung mit der Vorderseite 78 der vorderen Platte 22 befindet. Wenn sich andererseits die beiden FlUssigkristallzellen eines Satzes im lichtstreuenden Zustand befinden, was der Fall ist, wenn die beiden gegenüberliegenden Elektroden jeder der hintereinander geschalteten Flüssigkristallzellen durch die Signalquelle 80 erregt sind, wird das von der Lichtquelle 12 eintretende Licht gestreut und das austretende Licht wird so stark gestreut, daß es nicht mehr zur Belichtung des Aufzeichnungsträgers 14 ausreicht.

Dadurch daß man die Anordnung 10 mit einer Anzahl von Sätzen von Flüssigkristallzellen versieht, wird ein direkter Lichtstrahl, der durch einen der Sätze fällt, nicht nur durch die hintere Zelle des betreffenden Satzes sondern auch durch die mit ihr optisch in Reihe geschaltete vordere Flüssigkristallzelle des Satzes gestreut. Der Kontrast zwischen dem Licht, das von der Anordnung 10 . ^durchgelassen und im Licht das von ihr gestreut wird, ist daher wesentlich größer als bei den bekannten Anordnungen, die nur einfache Zellen enthalten, während gleichzeitig weder die Schreib- oder Schaltgeschwindigkeit abnehmen, noch die für die Erregung einer Flüssigkristallzelle erforderliche Spannung vergrößert werden muß.

Bei dem dargestellten Ausführungebeispiel enthalten die einzeln adressierbaren Verbund-FlUssigkristallzellen Jeweils einen Satz von zwei Flüssigkristallzellen; selbstverständlich kann Je*er Satz auch mehr als zwei hintereinander geschaltete Flüssigkristallzellen enthalten und die Flüssigkristallzellen eines Satzes können auch einzeln erregbar sein. Wenn jede Flüssig·

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kristallzelle eines Satzes einzeln erregbar ist, kann das Lichtstreuvermögen des Satzes zwischen mehr als zwei Werten umgeschaltet werden, so daß eine mehrstufige Modulation des Lichtes möglich ist und eine Grauskala dargestellt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

l.)Joptische Einrichtung mit mindestens zwei Flüssigkristallzellen, deren Fähigkeit, optische Strahlung zu streuen oder durchzulassen, steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gleichzeitig oder unabhängig steuerbare Flüssigkristallzellen in einem vorgegebenen Strahlengang hintereinander angeordnet sind, (Fig. l).
2.) Optische Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich net durch lichtdurchlässige Platten (18, 20, 22), die durch Abstandshalter (62, 68) getrennt sind, welche Öffnungen (64-67, 69-72) aufweisen, die in Bezug aufeinander ausgerichtet sind und mit den Platten sowie lichtdurchlässigen Elektrodenanordnungen (24-27, 36-39, 48, 56) Kammern für die Flüssigkristallzellen oder eine Anordnung von Gruppen von mindestens zwei solcher Zellen in Tandem-Anordnung bilden.
3.) Optische Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrodenanordnung mindestens vier fluchtende Elektrodenbereiche (z.B. 24, 36, 48, 56) aufweist und daß die fluchtenden Bereiche durch lichtabsorbierendes Material der Abstandshalter (62, 68) umgeben sind.
4.) Optische Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (62, 68) durchbrochene und lichtabsorbierende Folien mit einer Dicke zwischen etwa 6 und I3 /um enthalten und daß die vier Elektroden mit Zuleitungen (z.B. 30, 41, 52, 60) versehen sind, die über die Abstandshalter hinaus zum äußeren der betreffenden Zellen führen und an eine Anordnung (80) zum gleichzeitigen oder wahlweisen Erregen der hintereinander angeordneten Zellen ermöglichen.
5.) Optische Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die FlUssigkristal zellen in einer Anordnung von Zellen angeordnet sind, wobei jeweils mindestens zwei Flüssigkristallzellen eine Tandem-Anordnung bilden und die Tandem-Anordnungen alle im wesentlichen parallel sind.

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6.) Optische Einrichtung nach Anspruch 2 und 5* dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässigen Platten allen Zellensätzen der Anordnung gemeinsam sind.
7.) Optische Einrichtung nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils zwei benachbarten Platten (18, 20; 20, 22) eine alt einer Anzahl von öffnungen (64-67, 69-72) versehene, lichtabsorbierende Abstandshalterfolie (62, 68) angeordnet ist, und daß entsprechende öffnungen (z.B. 67, 72) die zu den optisch hintereinander angeordneten Zellen und demselben Strahlengang gehören, ebenso fluchten wie die transparenten Elektroden jeder Zelle auf den Platten.
8.) Optische Einrichtung nach eines der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung (8O-86) zum Anlegen einer Spannung und/oder Zuführen eines Stromes an jeden der Sätze aus mindestens zwei im selben Strahlengang liegenden Zellen, wobei die Spannungen entweder gleichzeitig oder zur Darstellung einer Grauskala selektiv an die Zellen eines Satzes anlegbar sind und daß die Zellen eine annähernd ebene Anordnung bilden, wobei jeder Anordnung vorzugsweise eine Elektrode (48 oder 56) gemeinsam ist.

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