DE2200286A1 - Optisches Filtersystem I - Google Patents

Optisches Filtersystem I

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DE2200286A1
DE2200286A1 DE19722200286 DE2200286A DE2200286A1 DE 2200286 A1 DE2200286 A1 DE 2200286A1 DE 19722200286 DE19722200286 DE 19722200286 DE 2200286 A DE2200286 A DE 2200286A DE 2200286 A1 DE2200286 A1 DE 2200286A1
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Adams James Ewing
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    • Y10S359/90—Methods

Description

Patentanwälte Dipl. -Ing. R Weickmann, ' 4./.vl)Zob
Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Pkys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. AAVeickmann, Dipl.-Chem. ß. Huber
8 MÜNCHEN 86, DEN
POSTFACH 8bO82O
MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22
Kn
CASE: Z 761(XD/3128)-CLC
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XSROX GORPORAiDIOIi
Xerox Square, Rochester, IT.Y. 14603, Y.St.A.
"Optisches Filtersystes I !l
Me Erfindung betrifft ein optisches Filtersystem, insbesondere ein optisches Filtersystem unter Verwendung von flüssigen kristallinen Substanzen.
Flüssige kristalline Substanzen zeigen physikalische Eigenschaften, von denen einige in typischer Weise mit Flüssigkeiten verbunden sind und andere, die allein für feste Kristalle typisch sind. Der Name "flüssige Kristalle" ist für Substanzen üblich geworden, welche diese dualistischen Eigenschaften zeigen. Es ist bekannt, daß flüssige Kristalle in drei verschiedenen Formen auftreten; die smektisch^, nematische und cholesterisch^ Form. Diese Strukturformen werden manchmal als Mesophasen bezeichnet, womit angedeutet wird, daß sie Stoffzu-
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stände darstellen, die zwischen dem flüssigen und kristallinen Zustand liegen. Die drei oben genannten MesophaseM-IOrniGn flüssiger Kristalle sind durch verschiedene physikalische Strukturen charakterisiert, in denen die Moleküle der Verbindung in einer molekularen Struktur angeordnet sind, die für jede der drei mesomorphen Strukturen einzig ist. Jede dieser Strukturen ist auf dem Fachgebiet der flüssigen Kristalle gut bekannt.
Es hat sich gezeigt, daß flüssige Kristalle gegenüber Temperatur, Druck, Scherkräften, fremden chemischen Verbindungen und elektrischen und magnetischen Feldern empfindlich sind oder auf sie reagieren, wie in den britischen Patentschriften 1 235 552 und 1 235 553, der U.S.-Patentschrift 3 114 838, der französischen Patentschrift 1 484 584 und der U.S.-Patentschrift 3 409 404 beschrieben. Flüssige Kristalle haben sich auch als brauchbar in Abbildungssystemen erwiesen, vgl. hierzu die deutsche Patentanmeldung P 2o515o5· 3 und die U.S. Patentanmeldung Nr.821 565 vom 5.Mai 1969 . Optische Filter sind gut bekannte und weit verbreitete Vorrichtungen für den Durchgang von Strahlung ausgewählter Wellenlänge und gleichzeitige Abv/eisung unerwünschter Wellenlängen. Einer der üblichen optischen Filtertypen ist das Bandfilter. Ein gut bekannter Bandfiltertyp ist das sogen. Interferenzfilter, das allgemein gesagt abwechselnd Schichten aus einem dielektrischen Material mit einem relativ hohen Brechungsindex und einem dielektrischen Material mit einem relativ niedrigen Brechungsindex enthält. Stellt man die Schichten mit der richtigen Dicke her, so werden die Beflexionen bestimmter Wellenlängenbanden von den Grenzflächen zwischen den Materialien verstärkt und dadurch aus dem durchgelassenen Strahl entfernt. Die anderen Wellenlängen, die in einer Vielzahl von Anordnungen räumlich weit getrennter Banden zusammengruppiert sind, gehen durch das Material. Diese Interferenzfilter des Standes der Technik waren wegen der Probleme, die mit ihrer Herstellung verbunden sind, relativ
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teuere Vorrichtungen.
In wachsenden Gebieten der Technology, wie dem Gebiet der flüssigen Kristalle, v/erden neue Methoden, Vorrichtungen, Zusammensetzungen und Industrieerzeugnisse oft gefunden für die Anwendung der neuen Technologie in einer neuen Weise. Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues und vorteilhaftes optisches Filtersystem, das flüssige kristalline Substanzen benutzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines neuen optischen Filtersystems, eines optischen Filtersystems, das flüssige Kristallfilme mit optisch negativen Eigenschaften verwendet, eines optischen Filtersystems, das den Durchgang' einer oder mehrerer ausgewählter Wellenlängenbanden von einfallender Strahlung gestattet, während es im wesentlichen alle anderen Wellenlängen der einfallenden Strahlung zurückweist« \
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ausserdem die Schaffung eines optischen Filtersystems, das für die Verwendung in den ultravioletten, sichtbaren und infraroten Gebieten des elektromagnetischen Spektrums brauchbar ist, das als Teil eines Vorführungssystems verwendet werden kann, das zur Bereitstellung ausgewählter Lichtwellenlängen für die Verwendung in colorxer ο graphischen Reproduktionsmethoden benutzt v/erden kann, schließlich sollen die erfindungsgemäßen optischen Filter auch relativ billig sein und in relativ großen Abmessungen hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben - allgemein gesagt dadurch gelöst, daß wenigstens ein Film einer flüssigen kristallinen Substanz mit optisch negativen Eigenschaften zwischen einem linearen Polarisator und einem linearen Analysator angeordnet wird, wobei die beiden letzteren Elemente eine vorbestimmte Besiehung zwischen ihren Polarisationsachsen haben, so daß das Zusammenwirken der beiden Elemente den Durchgang
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von einfallendem plan-polarisiertem und unpolarisiertem Licht durch den linearen Analysator verhütet.
Doppelbrechung, auch als Doppelrefraktion bezeichnet, ist ein optisches Phänomen, das für einige feste Kristalle und für die meisten flüssigen Kristallsubstanzen charakteristisch ist. Trifft ein Strahl unpolarisiertes Licht eine doppelbrechende Substanz, so wird er in zwei polarisierte Komponenten aufgespalten, deren transversale Schwingungen in rechten Winkeln zueinander stehen. Die beiden Komponenten werden in verschiedenen Winkeln durch die Substanz gebrochen und treten als polarisierte Lichtstrahlen aus. Mit dem Begriff "flüssige kristalline Substanz, die optisch negative Eigenschaften besitzt" ist hier eine Substanz gemeint, für die der außerordentliche Brechungsindex nE kleiner als der ordentliche Brechungsindex nQ ist. Eine ausführliche Beschreibung dieses Phänomens ist in Optical Crystallography, Wahlstrom, 4.Auflage, Wiley and Sons, Inc., New York, zu finden. ν
Die Moleküle in cholesterischen flüssigen Kristallen eind in Behr dünnen Schichten angeordnet, wobei die Längsachsen der Moleküle parallel zueinander und zu der Ebene der Schichten innerhalb jeder Schicht stehen. Wegen dieser Konfiguration der Moleküle ist die Richtung der Längsachsen der Moleküle in jeder Schicht geringfügig verlagert von der entsprechenden Richtung in benachbarten Schichten. Diese Verlagerung ist kumulativ über aufeinanderfolgende Schichten, so daß die Ge-8amtverlagerung einen 'schräuberiförmjgenWeg beschreibt. Eine umfassende Beschreibung der Struktur von cholesterischen flüssigen Kristallen ist in Gray, G.W., Molecular Structure and The Properties of Liquid Crystals, Academic Press, 1962, zu finden.
Cholesterisch« flüssige Kristalle haben die Eigenschaften, daß wenn die Ausbreitungsrichtung von plan-polarisiertem oder unpolarisiertera Licht entlang der Schraubenachse verläuft,d.h. wenn das Licht in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der
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Moleküle eintritt, weißes Licht im wesentlichen unangegriffen bleibt·'beim Durchgang durch dünne Filme derartiger flüssiger · Kristalle mit Ausnahme einer Wellenlängenbande, die um die Wellenlänge \Q zentriert ist, v/obei ^0 = 2np und η für den Brechungsindex der flüssigen kristallinen Substanz steht und ρ die Steigungshöhe oder den Wiederholungsabstand der Schraubenstruktur bedeutet. Die Bandenbreite Δλ dieser Wellenlängenbande, die uidL zentriert ist, ist typischer Weise in der Größenordnung von etwa
Pur Licht von einer Wellenlänge ^0 zeigt der cholesterische flüssige Kristall unter diesen Bedingungen selektive Beflexion des einfallenden Lichtes, so daß ungefähr 50 $> des Lichtes reflektiert werden und ungefähr 50 % durchgelassen werden (unter der Annahme, daß die Absorption vernachlässigbar ist, was gewöhnlich der Fall ist), wobei sowohl der reflektierte als auch der durchgelassene„Strahl annähernd zirkulär polarisiert sind. Bei Licht mit der Wellenlänge um ^0 herum aber nicht bei )Q tritt der gleiche Effekt auf aber nicht vollständig. Das transmittierte Licht ist nicht zirkular polarisiert sondern stattdessen elliptisch polarisiert. Die cholesterischen flüssigen Kristalle, die diese Eigenschaft der selektiven Reflexion von Licht in einem Gebiet zeigen, das um die Wellenlänge \Q herum zentriert ist, befinden sich - wie man sagt - in der sogen. "Grandjean" oder "gestörten" Textur. Palls A0 im sichtbaren Spektrum liegt, erscheint der flüssige kristalline Film in der Farbe, die Aq entspricht und falls ^0 ausserhalb des sichtbaren Spektrums liegt, erscheint der Film farblos.
Je nach dem inneren Drehsinn der Spiralnatur des Materiales, d.h. je nachdem ob es eine rechtsgängige oder eine linksgängige Spirale ist, ist das in Gebiet um AQ durchgelassene
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licht entweder rechtszirkular polarisiertes Licht (RHCPL) oder linkszirkular polarisiertes Licht (LHCPL). Das transmittierte Licht" ist zirkulär polarisiert im gleichen Polarisationssinne, wie er der Spiralnatur des Materials innewohnt. Gholesterische flüssige Kristalle mit einer inneren Spiralstruktur, die im Sinne einer linkugängigen Spirale ist, läßt LHCPL hindurch und eine Substanz mit einer Spiralstruktur, die rechtsgängig ist, läßt RHCPL hindurch.
Nachfolgend werden hier diese cholesterischen, flüssigen Kristallsubstanzen gemäß allgemeiner Übung durch die Art des bei \q reflektierten Lichtes identifiziert. Wird ein Film als rechtsgängig bezeichnet, so ist damit gemeint, daß er EHCPL reflektiert und wird ein Film als linksgängig bezeichnet, so ist damit gemeint, daß er LHCPL reflektiert.
Sine rechtsgängige, cholesterische, flüssige Kristallsubstans läßt daher LHCPL im wesentlichen vollständig bei \Q durchtreten, während die gleiche Substanz RHCPL nahezu vollständig reflektiert. Umgekehrt ist ein linksgängiger PiIm bei JL nahezu transparent für RHCPL und reflektiert LHCPL. Da plan-polarisiertes oder unpolarisiertes Licht gleiche Mengen RHCPL und LHCPL enthält, ist ein cholesterischer flüssiger Krietallfilm ungefähr 50 i» durchlässig bei ^0 für diese Lichtquellen, wenn der flüssige Kristall in seiner "Grandjean "-Textur ist.
Bringt man daher einen flüssigen Kristallfilm, der optisch negative Eigenschaften besitzt, zwischen einen linearen Polarisator und einen linearen Analysator, dessen Durchlaßachse etwa 90° zu der des Polarisators hat, in einer Weise, daß die von den Molekülen, welche die Schichten der flüssigen kristallinen Substanz bilden, beschriebene Schraubenachse parallel eur Ausbreitungsrichtung des Lichtes ist, und weißes Licht auf die Vorrichtung gerichtet ist bei normalem Einfall, besteht der auetretende Strahl, der von der Vorrichtung durchgelassen wurde, aus einer Spektralbande, die um eine Wellenlänge
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zentriert ist. Der Rest des Lichtes wird im wesentlichen vollständig durch das optische Filter gelöscht.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß eine beliebige Zahl flüssiger Kristallfilme, jeder mit einem anderen ^0, in Serien zwischen dem Polarisator und dem linearen Analysator gepackt werden kann und daß der austretende Strahl dann eine Wellenlängenbande enthält, die jedem flüssigen Kristallfilm entspricht. Es ist daher ersichtlich, daß erfindungsgemäß optische Filter aufgebaut werden können, so daß bequem ein Lichtstrahl mit jeder gewünschten Zahl von Wellenlängenbanden erzeugt werden kann. Das neue optische Filtersystem funktioniert unabhängig von dem inneren Schraubensinn der flüssigen Kristallsubstanz, d.h. gleichartige Ergebnisse erhält man, ob nun die Substanzen rechtsgängig oder linksgängig sind.
Das optische FiItersystern der vorliegenden Erfindung ist in jeder Situation anwendbar, wo eine Breitbandlichtquelle, wie eine Projektionslichtquelle, vorhanden ist und man alle ausser einer oder mehreren Wellenlängbnbanden in dem von der Lichtquelle emitierten Licht auszulöschen wünscht. Das System kann insbesondere in Instrumenten, wie Blutanalysatoren, Monochromatoren und dergleichen verwendet werden.
Die Zahl der flüssigen Kristallfilme, die in irgendeinem speziellen optischen Filter, das erfindungsgemäß aufgebaut ist, vorhanden ist, richtet sich nur nach dem speziellen Endzweck, für den der Filter benutzt werden soll. Beispielsweise könnte ein Filter mit drei flüssigen Kristallfilmen mit unterschiedlichen ^-Werten, die in das sichtbare Spektrum fallen, mit einer Weißlichtquelle verwendet werden und somit das austretende Licht auf drei diskrete Farben einschränken, die bo ausgewählt werden könnten, daß sie das sichtbare Spektrum überspannen. Drei Banden von verschieden gefärbtem Licht wären geeignet für die Verwendung in einer Colorvorführung.
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Diese optischen Filter sind ausserdem brauchbar bei der Reproduktion von Colorbildern durch Colorxercgraphie mit jeder Technik, mit der Colorreproduktionen vorgenommen werden.
In der gut bekannten polychromatischen photoelektrophoretischen Abbildungsmethode, wobei elektrisch photosensitive Pigmentpartikel in einer isolierenden Trägerflüssigkeit dispergiert sind, werden die individuellen Pigmentpartikel typischerweise so gewählt, daß sie auf Rot-,Grün-und Blau-Licht ansprechen und durch die Trägerflüssigkeit wandern, wenn sie mit einer Lichtstrahlung der passenden Wellenlänge in Berührung kommen. Eine ausführliche Diskussion der photoelektrophoretischen Abbildung ist in der TJ.S.-Patentschrift 3 384 566 zu finden. Ein optischer Filter könnte daher so aufgebaut werden, daß er für die erforderliche Wellenlänge der Strahlung für ein derartiges Color-Abbildungssystem in Verbindung mit einer Weißlichtquelle sorgt. Ein wichtiger Vorteil dieser optischen Filter ist der, daß sie relativ billig hergestellt werden können und in relativ großen Abmessungen geliefert werden können. Ausserdem können sie so angepaßt werden, daß sie im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Gebiet des elektromagnetischen Spektrums funktionieren.
Nachfolgend soll die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen und in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden:
Die Figuren 1 und 2 sind schematische Seitenansichten von Querschnitten von typischen optischen Filtern, die erfindungsgemäß aufgebaut sind.
Die Figuren 3 und 4 sind graphische Darstellungen, Vielehe die Intensität des austretenden Strahles über das Spektrum von einfallendem Licht für typische erfindungsgemäße optische Filter zeigen und
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Figur 5 ist eine graphische Darstellung, welche L. gegen eine Zusammensetzung zeigt, für Zusammensetzungen, die verschiedene Mengen der cholesterischen, flüssigen Kristallsubstanzen mit entgegengesetztem inneren Schraubensinn enthalten.
Zurück zu Figur 1, sie zeigt ein optisches Filter 10, das einen flüssigen kristallinen Film 11 enthält, der von einem gegebenenfalls schützenden äußeren Behältnis 12 umgeben wird und zwischen einem linearen Polarisator H und einem linearen Analysator 16 angeordnet ist.
Jedes geeignete cholesterische, flüssige, kristalline Material, Gemisch oder eine Zusammensetzung, die cholesterische, flüssige Kristalle enthält oder eine Zusammensetzung mit cholesterischen, flüssig-kristallinen Eigenschaften kann für den flüssigen Kristallfilm 11 verwendet v/erden. Zu typischen, geeigneten, cholesterischen, flüssigen Kristallsubstanzen gehören Derivate aus Umsetzungen von Cholesterin und anorganischen Säuren, wie z.B.: * " Cholesterylchlorid, CholesteryIbromid, Cholesteryljodid, Cholesterylfluorid, CholesteryInitrat; Ester stammend aus Umsetzungen von Cholesterin und Carbonsäuren, z.B. Cholesterylcrotonatj Cholesterylnonanoat, Cholestery1-hexanoat; Cholesterylformiatj Cholesteryldocosonoat: Cholesterylchlorformiat; Cholesterylpropionat; Cholestery1-acetat; Cholesterylvaleratj CholesteryIvacconat; Cholestery1-linolat; Cholesteryllinolenat; Cholesteryloleat; Cholestery1-erucat; Cholesterylbutyrat; Cholesterylcaproat; Cholesteryllaurat, Cholesterylmyristat? Cholesterylclupanodonatj Äther von Cholesterin, wie Cholesteryl-decyläther; Cholesteryl-' lauryläther; Cholesteryl-oleyläther; Cholesteryl-dodecyläther, Carbamate und Carbonate von Cholesterin, wie Gholesteryl-decylcarbonatj Cholesteryl-oleylcarbonat; Cholestery1-methylcarbonatj Cholesteryl-äthylcarbonati Cholesterylbutylcafbonat; Choleateryl-docosonylcarbonatj Cholesterylcetylcarbonat; Cholesteryl-p-nonylplienylcarbonat; Cholestery 1-
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2-(2-äthoxyäthoxy)-äthylcarbonat; Cholesteryl-2-(2-butoxyäthoxy)~äthylcarbonat; Cholesteryl-2-(2-niethoxyäthoxy)-äthylcarbohat; Cholesteryl-geranylcarbonat; Cholesteryl-heptylcarbamat und Alky!amide und aliphatisch^ sekundäre Amine, abgeleitet von 3-β-Απιΐηο-Δ5-οηΌΐβ8ΐβη und Gemische davon, Peptide, wie Poly-jf-benzyl-^-glutamat; Derivate von ß-Sitosterin, wie Sitosterylchlorid und Amylester von Cyanobenzyliden-aminocinnamat. Die Aikylgruppen in diesen Verbindungen sind typische gesättigte oder ungesättigte Fettsäuren oder Alkohole mit weniger als etwa 25 Kohlenstoffatomen und ungesättigte Ketten von weniger als etwa 5 doppelgebundenen Olefingruppen. Arylgruppen in den obigen Verbindungen umfassen einfach-substituierte Benzolringverbindungen. Jede der obigen Verbindungen und jedes der Gemische kann brauchbar sein für cholesterische, flüssige, kristalline Materialien in dem vorteilhaften System der vorliegenden Erfindung.
Zusammensetzungen, die cholesterische, flüssige Kristalle und nematische, flüssige, kristalline Substanzen enthalten, können ebenfalls als flüssige Kristallfilme in dem optischen Filtersyetem benutzt werden; es wurde gefunden, daß derartige Zusammensetzungen bis zu 98 Gew.-$ der nematischen Komponente enthalten können und dabei noch immer erfindungsgemäß funktionieren. Nematische, flüssige, kristalline Materialien, die für den Gebrauch in Kombination mit cholesterischen, flüssigen, kristallinen Materialien im vorteilhaften System der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind z.B.: p-Azoxyanisol, p-Ozoxyanisol, p-Azoxyphenetol, p-Butoxybenzoesäure, p-Methoxy-zimtsäure, Butyl-p-anisyliden-pf-aminocinnamat, Anisyliden-p-aminophenylacetat, p-Äthoxy-benzalamino-^(-methylzimtsäure, 1,4-bis-Cp-ÄthoxybenzylidenJ-cyclohexanon, 4,4'-Dihexyloxybenzol, 4,4'-Diheptyloxybenzol, Anisal-p-aminoazobenzol, Anisaldazin, d-Benzol-azo- (anisal-a'-naphthylamin), Anisyliden-p-n-butylanilin, n,n'~Nonoxybenzoltoluidin, Gemische davon und viele andere.
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Zusammensetzungen, die für den Gebrauch als flüssige, kristalline Filme des neuen optischen Filtersystems geeignet sind, können auch Gemische von cholesterischen, flüssigen Kristallen und geeigneten smektischen, flüssigen, kristallinen Substanzen sowie Gemische von cholesterischen, flüssigen Kristallen und gjeigneten nicht-flüssigen kristallinen Substanzen, die mit der cholesterischen, flüssigen Kristallkomponente verträglich sind, umfassen«, Zu typischen, ge- ■ eigneten, nicht-flüssigen, kristallinen Materialien gehören Cholesterin, Lecithin und dergleichen«, Zu typischen geeig= neten smektischen, flüssigen Kristallsubstanzen gehören n-Propyl-4' -äth.oxy-biphenyl-4-carboxylat 5 5-Chlor-6~n->hepi;yloxy-2-naphthoesäure; Medrigtemperatur-Mesophasen von Cholesteryloetanoat, Cholesterylnonanoat und andere offenkettige aliphatisch^ Ester des Gholesterins mit einer Kettenlänge von 7 oder mehr; Cholesteryloleai;? Sitosteryloleatj Cholesteryldecanoat; Gholeateryllaurat;; Cholesterylmyristat? Cholesterylpalmitatj Cliolesterylstearatj 4'-=n-=Alkoxy-3snitrobiphenyl-4-carbonsäursn? p-Asoxysimtsäureäthylester;; p-4~Äthoxybenzyliden-axQxnoziiamtsäiir3ätlxylesterι ρ·=Azoxybenzoesäureäthylester; KaliiaxDoieat? Aairnoxiitiinoleatg p=n=Ostyl° oxybenzoesäure; die Wiedrigteiaperatnij-Ifesophase τοώ 2=p=a= Alkoxy-benzylidenamino-fluorenonen mit Kettealäiigea von 7 oder mehr; die Niedrigtemperatur-Mesophase von p=(n=H8ptyl)-oxybenzoesäure; wasserfreies Hatriumstearat; KialliUE-(l)= stearat; Gemische davon und andere0
Gemische von flüssigen Kristallen lcöane'o in organischen Lo= sungsmitteln, wie Chloroforms, Petroleum 9 Äther irad anderen hergestellt werden, die gewöhnlich ύοιϊ den Geaischen abgedampft werden, wobei die flüssige, kristallite Zusamaeasetzimg zurückbleibt« Alternativ können die einzelnen Komponenten der flüssigen 3 kristallinen Mischimg direkt vereinigt werden j indem man die gemischten Komponenten über die isotropen Übergangstemperatüren erhitzt«
O 1 /Π
Die obigen Zusammenstellungen von geeigneten, flüssigen, kristallinen Abbildungsmaterialien sollen auch, beliebige Gemische der obigen Materialien einschließen. Die Zusammenstellung ist repräsentativ für geeignete Materialien und soll in keiner Weise erschöpfend oder begrenzend ausgelegt werden. · Obgleich jede flüssige, kristalline Zusammensetzung mit cholesterischen, flüssig-kristallinen Eigenschaften für den Gebrauch in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, sollte berücksichtigt werden, daß sahireiche verschiedene cholesterische, flüssige Kristallsubstanzen oder Gemische davon oder Kombinationen von cholesterischen, flüssigen Kristallsubstanzen mit anderen Substanzen, wie nematischen, flüssigen Kristallen, typischerweise die gewünschten Eigenschaften besitzen, die sie für die erfindungsgemäße Verwendung in einigen spezifischen Temperaturbereichen geeignet machen, die bei Raumtemperatur oder wesentlich über oder unterhalb Raumtemperatur liegen können. Alle verschiedenen Substanzen, Gemische oder Kombinationen davon funktionieren jedoch gemäß der Methode der vorliegenden Erfindung bei irgendeiner Temperatur. Gewöhnlich werden die optischen Filter der vorliegenden Erfindung bei oder nahe Raumtemperatur verwendet. Vorzugsweise verwendet man daher flüssige, kristalline Substanzen, die einen flüssigen Kristallzustand bei oder nahe Raumtemperatur besitzen. Allgemein ausgedrückt haben die flüssigen Kristallsubstanzen vorzugsweise einen flüssigen Kristallzustand bei der gewünschten Arbeitstemperatur.
Die flüssigen Kristallfilme, die im optischen Filtersystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden, haben im typischen Falle eine Dicke von etwa 0,5 bis etwa 20/U. Der flüssige Kristallfilm 11 ist gewöhnlich klebrig, weich, viskos, glasig oder flüssig und befindet sich daher vorzugsweise in einem schützenden äußeren Behältnis 12, um den Film vor fremden Substanzen, wie Staub, Insekten oder dergleichen zu schützen. Der Zweck des schützenden äußeren Behältnisses ist der, den flüssigen Kristallfilm 11 an Ort und Stelle und
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frei von jeder Verschmutzung zu halten. Das schützende Behältnis, kann daher irgendein geeignetes Material sein, flexi-bei oder starr, das optisch isotrop und transparent für die" einfallende Lichtstrahlung ist und das nicht mit dem flüssigen, kristallinen Film reagiert. Zu typischen, geeigneten Materialien für diesen Zweck gehören Glas, geschmolzenes Siliziumdioxyd und jedes andere Material, das die gewünschten Eigenschaften besitzt. Weiterhin zieht man es vor, Materialien zu verwenden, die etwa aen gleichen Brechungsindex besitzen, wie der des flüssigen Kristallfilmes, um die Lichtverluste auf ein Minimum, zu drücken.
Falls gewünscht, können der lineare Polarisator und der lineare Analysator selbst als die Schutzteile für den flüssigen Kristallfilm dienen. Beispielsweise kann daher die flüssige, kristalline Substanz zuerst entweder auf den linearen Polarisator oder den linearen Analysator aufgebracht werden und das andere Glied dann auf die freie Oberfläche des flüssigen Kristallfilmes gelegt werden. Allgemein gilt, daß wenn die Vorrichtung selbst von einem schützenden Material umgeben ist, das letztere irgendein geeignetes Material sein kann, das optisch transparent ist. Dem Fachmann ist jedoch klar, daß wenn irgend ein Schutzmaterial sich innerhalb der Kombination .aus linearem Polarisator, flüssigem Kristallfilm und linearem Analysator befindet, dieses Material optisch isotrop sowie optisch transparent sein muß.
Der lineare Polarisator 14 und der lineare Analysator 16 können aus vielen verschiedenen Materialien ausgewählt werden. Typische, geeignete Materialien sind im Handel erhältlich von der Plaroid Corp. unter dem Handelsnamen "Polaroid Sheet". Der lineare Polarisator und lineare Analysator können in Hintereinander-Anordnung gedreht werden^ ohne Veränderung im austretenden Strahl.
Für optimale Ergebnisse sind der lineare Polarisator und der
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lineare Analysator mit einer vorbestimmten Winkelbeziehung zwischen ihren Polarisationsachsen von etwa 90° angeordnet, da unter dieser Bedingung das Zusammenwirken der beiden Teile den Durchlaß von einfallendem, unpolarisiertem Licht durch den linearen Analysator erfolgreich verhütet. Man sollte sich jedoch klar machen, daß diese Winkelbeziehung über einen relativ großen Bereich variiert v/erden kann, z.B. von etwa bis etwa 100 , ohne daß die durch die Verwendung des erfindungsgeraäßen optischen Filtersystews erzielten Ergebnisse wesentlich beeinträchtigt werden. Ausserdem kann das System wirksam arbeiten, auch wenn diese Winkelbeziehung ausserhaOLb des oben beschriebenen Bereiches liegt, jedoch mit entsprechend verschlechterten Ergebnissen.
Zur Erzielung optimaler Ergebnisse wird der optische Filter 10 vorzugsweise in einer Weise im Weg des Lichtstrahles angeordnet, daß die einfallende Strahlung, dargestellt durch die Pfeile 18, unter senkrechtem Einfall den Filter erreicht, wobei der flüssige Kristallfilm 11 vorzugsweise so angeordnet ist, daß die Schraubenachse der flüssigen Kristallsubstanz in der Richtung der Lichtausbreitung liegt. Sollte die einfallende Strahlung nicht senkrecht zur Filtervorrichtung einfallen, so daß die Schraubenachse der flüssigen Kristallsubstanz nicht exakt längs der Richtung der Lichtausbreitung verläuft, so wirkt der optische Filter gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch mit einer gewissen Verschlechterung in der Bandenbreite des austretenden Strahles. Die Charakteristika des austretenden Strahles, dargestellt durch Pfeil 20, zeigt Figur 3. In diesem beispielhaften Fall besteht der flüssige Kristallfilm aus einer Zusammensetzung von 20 Gew.-% Chole3terylchlorid in Cholesterylnonanoat mit einem ^.Q-Wert von etwa 6000 Ä. Der optische Filter löscht daher im wesentlichen vollständig alle Wellenlängen der Lichtstrahlung im eintretenden Lichtstrahl mit Ausnahme derjenigen, die im Bereich rund um etwa 6000 A zentriert sind.
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Fig. 2 veranschaulicht eine andere Ausführungsforin des optischen Euter sy stems der Erfindung. Der optische Filter 10' ist in gleicher Y/eise aufgebaut, wie zuvor beschrieben,, mit der Ausnahme, daß er zwei flüssige Kristallfilme 11s und 11" besitzt, die ir. Reihe zwischen dem linearen Polarisator H und dem linearen Analysator 16 angeordnet sind. Die flüssigen Kristallfilme 11' und 11" sind Zusammensetzungen aus 90 Gew.-$ Cholesterylciiorid in Cholesteryloleylcarbonat bzw« 40 Gew.-$ Cholesterylchlorid in Cholesterylnonanoat und besitzen entsprechende ,{«-Werte von etwa 5000 A und etv/a 8000 X« Die Charakteristika des austretenden Strahles 20%erzielt mit dem optischen Filter 10'} sind in Fig., 4 dargestellt.
Natürlich sollen die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen lediglich zur Yera.nscha.ulich.img dienen, da wie zuvor schon ausgeführt - jede Zahl von flüssigen Kristallfilmen in Reihe zwischen dem Polarisator "und dem linearen Analysator eingesetzt werden kanne Obgleich die /!«-Werte der veranschaulichten flüssigen Kristallfilme sich ±m sichtbaren Spektrum befanden, können die )A~Werte eines jeden einzelnen flüssigen Kristallfilmes in einem optischen ei'finchmgsgesiäßen Filter in jeder Region des Licht spektrums liegen o Es sir±ä flüssige Kristallsubstanzen bekannt oder es können Zusammensetzungen davon hergestellt werden, die ^Q«=Werte von etwa 2700 Ä bis etwa 10/U haben.
Fig. 5 zeigt graphisch die ^Q-¥erte9 die von einer Mischung von zwei cholesterisehen, flüssigen Kristallsubstanzen erhalten v/erden können«, Es wurde gefundens daß die Schraubensteigung von zwei Komponentengemischen von bestimmten cholesteri» schenj flüssigen Kristallen eise strenge Funktion der chemischen Zusammensetzung ist. Über einen weiten Materialbereich. kann die Schraubensteigung eiaer Mischung exakt durch einen Gewichtsinittelwert der Bestandteile wiedergegeben werden0 Wenn Komponenten zait entgegengesetztem innerem Schraubensinnp doh. rechtsgängige und linksgängige9 gemischt werden,, so existiert
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eine Zusammensetzung, die keiner Eigendrehung oder unendlicher Schraubensteigung entspricht. Eine ausführliche Diskussion dieses Phänomens findet man in Liquid Crystals and Ordered Fluids, J.E. Adams, V. Haas and J.J.Wysocki, Seite 4 63, Plenum Press, 1970.
In diesem Beispiel werden die Zusammensetzungen aus flholestoryl· nonanoat, einen: linksgängigen Fettester, und Cholersterylchiorid, einer rechtsgängigen flüssigen Kristallsubstana, hergestellt. Die prozentuale Zusammensetzung der beiden Komponenten der Mischung ist gegen jL· aufgetragen, dabei ist A0 = 2np. Es ist ersichtlich, daß bei einer speziellen Zusammensetzung die links- und rechtsgängigen Komponenten si el: im wesentlichen kompensieren und das Ergebnis ist eine unendliche Schraubensteigung. Bewegt man sich von diesem Punkt hinweg, so wird der Schraubensinn jeder einzelnen ijucawnen-Setzung durch die dominante Komponente bestimmt. Definiert man den Prozentsatz von Cholesterylchlorid in der Hiechung als A und den in der Zusammensetzung, die eine unendliche Schraubensteigung besitzt, als A*, so fand man, daß wenn A<A* die Filme linksgängig sind und wenn A>A* die Filme rechtsgängig sind. Es ist ersichtlich, daß es möglich ist, bequem flüseige Kristallzusammensetzungen herzustellen, die jeden gewünschten /L^-Wert besitzen, wenn man die angegebene Technik benutzt·
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf spezifische, bevorzugte Ausführungesfcrmen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die jedoch die Erfindung lediglich erläutern, aber nicht einschränken sollen. Alle angegebenen Teile und Prozentsätze stellen Gewichtsteile bzw, Gewichtsprozentsätze dar, wenn nichts anderes angegeben ist.
Das Verhalten der in den Beispielen beschriebenen optischen Filter wird überwacht, indem man die Transraissioncspektren der Filter unter Verwendung eines Cary-fcpektrometers mißt. Das
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Reflexion.sspektrum eines jeden Filters wird aus seinem Transmlssionsspektrurn entnommen, da in jedem Falle nur vernachläßigbare Absorbtion auftritt.
Beispiel
Eine Zusammensetzung, die 85 $ Anisyliden-p-n-butylanilin (ABUTA) in Cholesteryl-oleylcarbonat (COC) enthält, wird hergestellt, Diese Zusammensetzung hat einen ^„-Wert von etwa 2,0/U. Eine dünne Schicht der flüssigen, kristallinen Mischung wird auf eine Polaroid-Folie ("Polaroid Sheet") gebracht und anschließend legt man eine andere Polaroid-Folie über die flüssige Kristallschicht, so daß die Polarisationsachsen der beiden Polaroid-Folien in einer Winkelbeziehung von etwa 90° zueinander stehen. Dieser optische Filter wird dann in den Weg eines Dichtstrahles gestellt, der von einer Breitband Lichtquelle für Infrarotstrahlung emittiert wird. Der Filter wird so gestellt, daß die Strahlung senkrecht auf den Filter fällt. Der optische Filter reflektiert im wesentlichen vollständig die gesamte einfallende Strahlung, ausgenommen eine Wellenlängenbande, die bei einer Wellenlänge von etwa 2,0/U zentriert ist und durchgelassen wird.
Beispiel
Es werden Zusammensetzungen hergestellt, die 90 $> Cholesterylchlorld (CC) in Cholesteryl-oleylcarbonat (GOC) und 40 "/> Cholesterylchlorld (CC) in Cholesterylnonanoat (CiI) en thai- · ten. Eine dünne Schicht der Zusammensetzung aus CC in COC legt man auf eine Polaroid-Folie, dann wird eine dünne Glasplatte auf die freie Oberfläche der flüssigen Kristallschicht gelegt, AnschllefJend wird eine dünne Schicht der Zusammensetzung aus CC in CN auf die freie Oberfläche der Glasplatte aufgebracht und danach eine zweite Polaroid-Folie auf die freie Oberfläche der Letsteren flüssigen Kristalischicht gelegt. Die beiden Polaro Ld-Folleri sind so angaordnet, daß ihre
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entsprechenden Polarisationsachsen in einer Winkelbeziehung von etwa 900C zueinander stehen. Dieser optische Filter wird dann in den Weg eines Liehtstrahies gestellt, der von einer Breitbandglühlampe für sichtbare Strahlung emittiert wird. Der Filter ist so angeordnet, daß die Strahlung senkrecht dazu einfällt. Der Filter reflektiert im wesentlichen vollständig die gesamte sinfaLiende Strahlung, ausgenommen zwei Banden, die bei Wellenlängen von etwa 5000 λ und etwa 8000 λ zentriert sind und durchgelassen werden.
Beispiele 3 bis 22
Es wird das Verfahren des Beispiels 1 unter Benutzung der an gegebenen flüssigen kristallinen Zusammensetzungen befolgt.
BEISPIEL 3: 10 # CC in Cholesterylbromid (CB) mit einem )n-
ο v^
Wert von etwa 5900 A.
BEISPIEL 4: 30 # Cholesterylformiat (CF) in CN mit einem ^0 Wert von etv/a 4000 X.
BEISPIEL 5: 20 # Cholesterin (CHOL) in CC mit einem von etwa 5,0/U.
BEISPIEL 6: 72 # CC in gleichen Teilen Cholesterylpropionat (CP) und Cholesteryldecanoat (CD) mit einem /\0-Wert von 1, 3/U.
BEISPIEL 7: 76 96 gleiche Teile von CC und ChoLosterylbutyrat (C-BUT) in gieichen Te Lien CF und CD mit einen von etwa !,7/U.
BEISPIEL 8: 91 # CO in Cholesterylstearat (CS) mit einem ^0- Wert von etwa 6300 X.
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BEISPIEL 9: 74 $ CC in Cholesterylacetat (CA) mit einem Jn-
o u
Viert von etwa 7700 A.
BEISPIEL 10: 20 $ Cholesteryl-2-(2-butcxyäthoxyl)-äthyI-
carbonat (CBEC) in CC mit einem ^Q-Wert von etwa 6000 2.
BEISPIEL 11: 45 # Cholesteryl~2-(2-äthoxyäthoxy)-äthylcarbonat (CEEC) in CC mit einem /\~-Wert von etwa 8000 S.
BEISPIEL 12: 50 # CEEC in Cholesteryl-n-propylcarbonat (NPC) mit einem ^Q-Wert von etwa 9000 S.
BEISPIEL 13: 89 # CC in Cholesterylcaproat (C-CAP) mit einem /\~~YJert von etwa 6200 S.
BEISPIEL 14: 88 ^ CC in Oholesterylcaprylat (C-CYL) mit einem
t von etwa 64OO S.
BEISPIEL 15: 84 1° CC in Cholesterylvalerat (CV) mit einem
t von etwa 7100 S.
BEISPIEL 16: 86 # CC in Cholesterylheptanoat (C-IIEP) mit einem ^Q-V/ert von etwa 7100 S.
BEISPIEL 17: 90 $ CC in Cholesteryilaiarat (CL) mit einem Wert von etwa 66OO S.
BEISPIEL 18: 85 # CC in Cholesterylmyristat (CM) mit einem
von etwa 9600 S.
BEISPIEL 19: 93 # CC in Cholesterylpalmitat (CP) mit einem
von etwa 5900 S.
BEISPIEL 20: 20 $ CHOL in gleichen Teilen CC und COC mit
einem ^10-Viert von etwa 9500 S.
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BEISPIEL 21: 80 # CBEC in NPC mit einem ^0-Wert von etwa 1,25/U.
BEISPIEL 22: 20 ?6 CHOL in COC mit einem ^Q-Wert von etwa 5500 Ä.
In der Praxis der vorliegenden Erfindung können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden. Beispielsweise kann der optische Filter in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl geneigt werden, so daß das einfallende Licht nicht senkrecht zum Filter einfällt. Auf diese Weise wird der j\Q-Wert eines flüssigen Kristallfilmes im Filter verschoben. Eine ausführliche Beschreibung dieses Verfahrens ist in der US. Patentanmeldung Nr. 1o4 368 vom 6.Januar 1971 mit dem Titel "Tuning Method for Optical Devices" enthalten.
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Claims (15)

  1. PAiEENTANSP RÜCHE :
    Optischer Filter, der einfallende Strahlung bei gewünschten Wellenlängen des einfallenden lichtes durchläßt, gekennzeichnet durch einen linearen Polarisator, linearen Analysator und mehrere flüssige, kristalline Filme mit optisch negativen Eigenschaften, die zwischen dem linearen Polarisator und dem linearen Analysator angebracht sind, wobei jeder der flüssigen, kristallinen Filme einen anderen ^Q-Wert besitzt.
  2. 2. Optischer Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsachsen des linearen Polarisators und des linearen Analysators in einer Winkelbeziehung von etwa 80 bis etwa 100° zueinander stehen.
  3. 3. Optischer Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsachsen des linearen Polarisators und des linearen Analysators in einer Winkelbeziehung von etwa 90° zueinander stehen.
  4. 4. Optischer Filter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei flüssige Kristallfilme verwendet werden, wobei jeder Film einen ^O-Wert im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums besitzt.
  5. 5. Optischer Filter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der flüssigen, kristallinen Filme eine Substanz enthält, die ausgewählt wird unter den
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    cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen; Gemischen von cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen und nematischen, flüssigen, kristallinen Substanzen; Gemischen von cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen und smektischen, flüssigen, kristallinen Substanzen; Gemischen von cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen und nicht-flüssigen, kristallinen Substanzen, die mit den cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen verträglich sind und Gemischen davon.
  6. 6. Optischer Filter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der flüssigen, kristallinen Filme etv/a 0,5 bis etwa 20/U dick ist.
  7. 7. Optischer Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der flüssigen, kristallinen Filme etwa 3 bis etwa 10/U dick ist.
  8. 8. Verfahren, um gewünschte Wellenlängen einfallender Strahlung durchzulassen, während alle anderen Wellenlängen der einfallenden Strahlung im wesentlichen vollständig zurückgewiesen werden, dadurch gekennzeichnet, daß
    (a) eine Lichtquelle genommen wird;
    (b) ein optischer Filter eingesetzt wird, der einen linearen Polarisator, einen linearen Analysator und wenigstens einen flüssigen Kristallfilm mit optisch negativen Eigenschaften, der zwischen dem linearen Polarisator und dem linearen Analysator angeordnet ist, wobei jeder flüssige Kristallfilai einen anderen Lj-Wert besitzt, umfaßt und
    (c) ein von der Lichtquelle kommender Strahl auf den optisch. Filter gerichtet wird, worauf der austretende Lichtstrahl eine Bande enthält, die für jeden flüssigen Xristallfiiiu
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    um die Wellenlänge ^0 herum zentriert ist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polarisationsachsen des linearen Polarisators und des linearen Analysators eine Winkelbeziehung von etwa 80 bis etwa 100° besteht.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polarisationsachsen des linearen Polarisators und des linearen Analysators eine Winkelbeziehung von etwa 90° besteht.
  11. 11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Filter drei flüssige Kristallfilme besitzt, die zwischen dem linearen Polarisator und dem linearen Analysator angeordnet sind und jeder der Filme einen /L-Wert im sichtbaren Spektrum besitzt.
  12. 12. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Strahl senkrecht auf den optischen Filter gerichtet wird.
  13. 13. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder flüssige Kristallfilm eine Substanz enthält, die ausgewählt wird unter cholesterischen flüssigen kristallinen Substanzen; Gemischen von cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen und nematischen, flüssigen kristallinen Substanzen; Gemischen von cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen und smektischen, flüssigen, kristallinen Substanzen; Gemischen von cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen und nicht-flüssigen, kristallinen Substanzen, die mit den cholesterischen, flüssigen, kristallinen Substanzen verträglich sind und Gemischen davon.
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  14. 14. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch ge-, kennzeichnet, daß der flüssige Kristallfilm etwa 0,5 bis etwa 20 /u dick ist.
  15. 15. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 14» dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Kristallfilm etwa 3 bis etwa 10/U dick ist.
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