DE2210413A1

DE2210413A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aussonderung zumindest eines Wellenlängenbandes aus einer elektromagnetischen Strahlung

Info

Publication number: DE2210413A1
Application number: DE19722210413
Authority: DE
Inventors: James Ewing Ontario; Dailey John L. Pittsford; N. Y. Adams jun. (V.St.A.). GOIm 11-02
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1971-03-05
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1972-09-14
Also published as: CA959686A; GB1381402A; JPS5228374B1; US3711181A

Description

Rochester, II.Y. 14 603
V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Aussonderung zumindest eines Wellenlängenbandes aus einer elektromagnetischen Strahlung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aussonderung zumindest eines Wellenlängenbandes aus einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung optisch negativer Flüssigkristalle.

Flüssig-kristalline Substanzen haben physikalische Eigenschaften, von denen einige den Flüssigkeiten, andere den festen Kristallen zugeordnet werden. Die Bezeichnung "Flüssigkristall" hat sich für Substanzen mit diesen beiden Eigenschaften eingebürgert. Flüssigkristalle erscheinen in drei unterschiedlichen Formen: der smektischen, der nematischen und der cholesterischen Form. Diese Strukturformen werden manchmal auch als liesophasen bezeichnet, wodurch angegeben ist, daß es sich um Zustandsphasen zwischen der flüssigen und der kristallinen Phase handelt. Die drei Hesophasen der Flüssigkristalle zeichnen sich durch unterschiedliche physikalische Strukturen aus, bei denen die Holoküle der Verbindung in einer molekularen Struktur

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angeordnet sind, die für jede dieser drei mesomorphen Strukturen besonders ausgebildet ist. Jede dieser Strukturen ist in der Technik der Flüssigkristalle bekannt.

Flüssigkristalle sind empfindlich auf Einflüsse der Temperatur, des Drucks, der Scherung, fremder chemischer Verbindungen und elektrischer und magnetischer Felder, wie es in den britischen Patentschriften 1 235 552 und 1 235 553, den US-Patentschriften 3 114 838 und 3 409 404 und der französischen Patentschrift 1 484 584 dargelegt ist. Flüssigkristalle eignen sich ferner zur Y/iedergabe von Bildern, ein entsprechendes Verfahren wurde bereits vorgeschlagen.

Flüssig-kristalline Substanzen mit optisch negativen Eigenschaften haben eine besondere optische Aktivität, die sie sehr gut für optische Filteranordnungen geeignet erscheinen läßt. Ein optisches Filtersystem, das Licht bei praktisch allen Wellenlängen der einfallenden Strahlung durchläßt und gleichzeitig die Strahlung eines einzelnen Wellenlängenbandes oder mehrerer Wellenlängenbänder innerhalb der einfallenden Strahlung sperrt, wurde gleichfalls bereits vorgeschlagen.

Ein solches Filtersystem arbeitet mit einem oder mehreren komplementär angepaßten Paaren optisch negativer Flüssigkristallfilme, um das erwünschte Ergebnis zu erzielen. Jedes komplementäre angepaßte Paar dieser Flüssigkristallfilme enthält zwei Filme, die von sich aus praktisch dieselben Wellenlängen der einfallenden Strahlung weitestgehend reflektieren, wenn der Strahlungseinfall normal ist. Auch können sie so angeordnet sein, daß die Reflexion durch Änderung des Einfallswinkels der Strahlung möglich wird, wobei jeder FiI m einen Eigendrehsinn hat, der demjenigen des anderen Films entgegengesetzt ist.

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Dieses optische Filtersystem ist im Hinblick auf das angestrebte Ergebnis eine sehr wirksame Anordnung. Das System erfordert jedoch, daß Flüssigkristalle mit entgegengesetztem Eigendrehsinn verwendet werden müssen, so daß an die verwendeten Stoffe besondere Anforderungen zu stellen sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ausfilterung eines oder mehrerer Wellenlängenbänder zu ermöglichen, wozu die vorstehend aufgezeigten besonderen Anforderungen hinsichtlich der verwendeten Stoffe vereinfacht sind. Dadurch sollen die Kosten für eine Filteranordnung gesenkt werden bzw. eine Vergrößerung der Filter möglich sein.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß die elektromagnetische Strahlung auf mindestens ein Filter gerichtet vn.ru_f mit dom sie zwischen zwei optisch negativen Flüssigkristallfilmen hinsichtlich ihrer kreisförmigen Polarisation von einem Polarisationssinn zum entgegengesetzten umgesetzt wird.

I lit einem solchen Verfahren ist eine besonders einfache Aussonderung vcn Strahlungsteilen möglich, beispielsweise können sris einem Strahlungsband des sichtbaren Bereichs ein oder mehrere Wellenlängenbänder ausgefiltert werden, v/ährend der ultraviolette und der infrarote Bereich durchgelassen werden. Hinsichtlich der verwendeten Flüssigkristalle sind keine besonders hohen Anforderungen zu stellen, so daß billige FiIteranordnungen aufgebaut werden können.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in weiterer Ausbildung des F-rfindungsgedankens derart ausgeführt, daß mindestens ein optisches Filter vorgesehen ist, das eine zwischen zwei einander angepaßten, optisch negativen Klüsoigkristallfilrnen angeordnete Vorrichtung zur

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Umsetzung des Polarisationssinns der kreisförmigen Polarisation elektromagnetischer Strahlung enthält.

Mit einer derartigen Vorrichtung können optische Filter verwirklicht werden, die beispielsweise das Vorhandensein oder Änderungen der Temperatur, chemischer Dämpfe und andere Einflüsse anzeigen. Ferner können im Hinblick auf den billigeren Aufbau größere Filteranordnungen verwirklicht werden.

Bei der Erfindung werden die optisch negativen Eigenschaften flüssig-kristalliner Substanzen ausgenutzt. Die sogenannte Doppelbrechung ist eine optische Erscheinung, die bei einigen festen Kristallen und bei den meisten Flüssigkristallen auftritt. Wenn ein Strahl nicht polarisierten oder planpolarisierten Lichtes eine doppelt brechende Substanz trifft, so wird er in zwei polarisierte Komponenten geteilt, deren Querschwingungen rechtwinklig zueinander liegen. Die beiden Komponenten werden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Substanz geleitet und treten als Strahlen polarisierten Lichtes aus. Durch die Bezeichnung "flüssig-kristalline Substanz mit optisch negativen Eigenschaften" sollen solche Substanzen gekennzeichnet werden, für die der, außerordentliche Brechungsindex n_ß kleiner als der ordentliche Brechungsindex n_Q ist. Cholesterische Flüssigkristalle haben diese Eigenschaft. Eine eingehende Beschreibung dieser Erscheinung findet sich In Optical Crystallography, von Wahlstrom, k. Auflage, Wiley and Sons, Inc., New York.

Die Moleküle der cholesterischen Flüssigkristalle sind in sehr dünnen Schichten angeordnet, wobei ihre Längsachsen parallel zueinander und zur Ebene der Schichten innerhalb Jeder Schicht liegen. Wegen dieser Konfiguration der Moleküle ist die Richtung der langen Achsen der Moleküle in jeder Schicht etwas gegenüber der entsprechenden Richtung der benachbarten Schichten verlagert. Diese Verlagerung tritt bei aufeinanderfolgenden

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Schichten kumulativ auf, so daß die Gesamtverlagerung einen schraubenförmigen Verlauf hat. Eine eingehende Beschreibung der Struktur cholesterischer Flüssigkristalle findet sich in "Molecular Structure and the Properties of Liquid Crystals" von G.W. Gray, Academic Press, 1962.

Cholesterische Flüssigkristalle haben die Eigenschaft, daß bei einer Ausbreitungsrichtung planpolarisierten oder nichtpolarisierten Lichtes längs der Schraubenachse, d.h. bei einem Lichteintritt in Richtung senkrecht zu den langen Achsen der HoIeküle, dieses Licht im wesentlichen bei der Leitung durch dünne Filme solcher Flüssigkristalle unbeeinflußt bleibt, mit Ausnahme eines Wellenlängenbandes, welches als mittlere Wellenlänge den Wert Ao = 2 np hat, wobei η den Brechungsindex der flüssig-kristallinen Substanz und ρ die Steigung oder den Wiederholungsabstand der Schraubenanordnung angibt. Die Bandbreite Δ A dieses Wellenlängenbandes mit dem genannten Mittelwert liegt typischerweise in der Größenordnung von ca.

I Hr ·

Für Licht einer Wellenlänge mit dem genannten mittleren Wert zeigt ein cholesterischer Flüssigkristall unter diesen Bedingungen eine selektive Reflexion des Lichtes, so daß ungefähr 50/^ des Lichtes reflektiert und 50^o durchgelassen werden, wenn eine vernachlässigbare Absorption in normalem Umfang berücksichtigt wird. Das reflektierte und das durch-gelassene Licht sind nahezu kreisförmig polarisiert.

Für Licht mit einer Wellenlänge nahe dem Wert A ο ergibt sich derselbe Effekt, jedoch nicht ganz vollständig. Das durch-gelassene Licht ist nicht kreisförmig, sondern elliptisch polarisiert. Die cholesterisch^ Flüssigkristalle mit der Eigenschaft der selektiven Reflexion von Licht in dem Bereich um die Wellenlänge A ο herum v/erden auch als in der Grandjeanodt-r der "gestörten" Textur befindlich bezeichnet. Wenn die Wellenlänge Ao im sichtbaren Spektrum liegt, erscheint der

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flüssig-kristalline Film mit einer dieser Y/ellenlänge entsprechenden Farbe bei normaler Betrachtimg und normalem Lichteinfall. Wenn diese Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, erscheint der Film farblos.

Abhängig von dem Eigendrehsinn der Schraube, d.h. dem Rechtsdrehsinn oder dem Linksdrehsinn, ist das im Bereich um die Wellenlänge Ä. ο herum durchgelassene Licht entweder kreisförmig rechtspolarisiert oder kreisförmig linkspolarisiert. Es ist mit dem-selben Drehsinn polarisiert wie ihn die genannte Schraubenanordnung hat. Ein cholesterischer Flüssigkristall mit einer Schraubenstruktur, die einen Linksdrehsinn hat, läßt linkspolarisiertes Licht durch, während ein Flüssigkristall mit einem Rechtsdrehsinn rechtspolarisiertes Licht durchläßt.

Im folgenden werden diese cholesterischen Flüssigkristalle wie üblich entsprechend der Art des Lichtes bezeichnet, das bei der Wellenlänge λ. ο reflektiert wird. Wenn ein Film als rechts-jr reflektierend bezeichnet ist, so bedeutet dies, daß er rechtspolarisiertes Licht reflektiert, entsprechendes gilt für einen linksreflektierenden Film.

Ein rechtsreflektierender cholesterischer Flüssigkristall läßt linkspolarisiertes Licht praktisch vollständig bei der Wellenlänge Λ. ο durch, während er rechtspolarisiertes Licht praktisch vollständig reflektiert. Ein linksreflektierender Film ist praktisch durchlässig für rechtspolarisiertes Licht bei der Wellenlänge Λ. ο und reflektiert linkspolarisiertes Licht. Da planpolarisiertes oder nichtpolarisiertes Licht gleiche Anteile rechtspolarisierten und linkspolarisierten Lichtes enthält, ist ein cholesterischer Flüssigkristallfilm bei der Wellenlänge λ ₀ für diese Strahlungen zu ca. 50% durchlässig, wenn er seine Grandjean-Textur hat.

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Eine weitere einzigartige optische Eigenschaft der optisch negativen Fl^ssigkristallfilme ist, daß im Gegensatz zur normalen Lichtreflexion beispielsweise an einem Spiegel, bei der der Sinn der kreisförmigen Polarisation des reflektierten Lichtes umgedreht ist, eine solche Erscheinung bei der Lichtreflexion an solchen Flüssigkristallfilmen nicht auftritt. Der Sinn der kreisförmigen Polarisation des an den Flüssigkristallen reflektierten Lichtes wird nicht gedreht, sondern bleibt entsprechend dem Zustand vor Einwirkung auf den Flüssigkristall unverändert. Wenn beispielsweise rechtspolarisiertes Licht mit einer Wellenlänge \ ο auf einen rechtsreflektierenden Film mit der Wellenlänge λο = 2 np gerichtet wird, eo wird es praktisch vollständig reflektiert und bleibt nach der Reflexion rechtspolarisiertes Licht. Wenn dasselbe Licht auf einen Spiegel gerichtet würde, so wäre es nach der Reflexion ein linkspolari- ~iertes Licht. Die Erfindung nutzt diese Eigenschaften optisch negativer Flüssigkristalle aus, um die neuartige optische Filterung zu erzielen.

Bei der Erfindung wird ein optisches Filtersystem verwendet, das zumindest ein Paar optisch negativer Flüssigkristallfilme in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Umsetzung kreisförmig polarisierten Lichtes von einem Polarisationssinn zum anderen aufweist. Jedes Paar der Flüssigkristallfilme besteht aus zwei individuellen Filmen, die übereinstimmenden Eigendrehsinn haben und im Verlauf eines einfallenden Lichtstrahls so angeordnet sind, daß sie praktisch das gesamte Wellenlängenband innerhalb der einfallenden Strahlung reflektieren, wie im folgenden noch eingehend beschrieben wird. Wenn jeder Film eines jeden Filmpaares in der jeweiligen optischen Vorrichtung auf jeweils einer Seite der Umsetzungsvorrichtung angeordnet wird, ergibt sich ein sehr gut wirksames optisches Filter.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in den Figuren dargestellter, vorzugsweise anzuwendender Ausführungsbeispiele

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beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines nach der Erfindung

aufgebauten optischen Filters und Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorgänge bei Einwirkung von Licht auf eine Anordnung der in Fig. 1 gezeigten Art.

In Fig. 1 ist ein optisches Filter 10 dargestellt, welches optisch negative Flüssigkristallfilme 12 und 14 aufweist, wobei wahlweise auch Schutzelemente 16 und 18 vorgesehen sein können. Die Filme sind auf den beiden Seiten eines Elementes 20 zur Umsetzung kreisförmig polarisierten Lichtes von einem Polarisationssinn zum anderen angeordnet. Die Flüssigkristallfilme 12 und 14 bestehen aus Substanzen, die so ausgewählt sind, daß sie übereinstimmenden Eigendrehsinn haben, d.h. sie sind beide entweder rechtsreflektierend oder linksreflektierend. Ferner reflektieren sie im wesentlichen das gesamte Wellenlängenband der einfallenden Strahlung. Jeder Film kann aus unterschiedlichen Substanzen mit übereinstimmender Wellenlänge /<- ο bestehen. Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform werden identische Substanzen für beide Filme verwendet. Optimale Ergebnisse zeigen sich dann, wenn das optische Filter 10 im Verlauf einfallender Strahlung angeordnet ist, wie sie durch die Pfeile gekennzeichnet ist, so daß es normal zur Strahlung liegt. Dem Fachmann ist jedoch geläufig, daß der Einfallswinkel der Strahlung auf das Filter auch von der normalen Richtung abweichen kann. Wenn die einfallende Strahlung nicht normal zum Filter verläuft und die Schraubenachsen der Flüssigkristalle nicht genau in Richtung der Lichtausbreitung ausgerichtet sind, hat das Filtersystem auch noch die beschriebene Wirkung, jedoch tritt eine gewisse Verschlechterung der Bandbreite des reflektierten Wellenlängenbandes auf. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der Einfallswinkel im Bereich von ca. 80 bis ca. 100 liegt. Die gesamte einfallende Strahlung wird durch das Filter

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durchgelassen, mit Ausnahme eines Wellenlängenbandes, welches auf die Wellenlänge Άό zentriert ist, wobei dieser Wellenlängenwert dem Wert Ao der Flüssigkristallfilme 12 und 14 entspricht .

Fig. 2 zeigt eine Darstellung des theoretischen Funktionsmechanismus einer Filteranordnung nach der Erfindung. Die räumlichen und die Winkelverhältnisse sind lediglich Erläuterungsbeispiele. Der einfallende Strahl ist panchromatisch und verläuft normal zur Oberfläche des Filters. Das optische Filtersystem nach der Erfindung hat sich experimentell als funktionsfähig erwiesen. Die folgende Erklärung soll nicht einschränkend, sondern lediglich erläuternd verstanden werden. In Fig. 2 sind zur Kennzeichnung der entsprechenden Elemente der Anordnung nach Fig. 1 gleichartige Bezugszeichen verwendet. Es sei vorausgesetzt, daß die Flüssigkristallfilme 12 und 14 linksreflektierend hinsichtlich ihres Eigendrehsinns sind, sie können jedoch auch beide rechtsreflektierend sein. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Wellenlängen mit einem großen Abstand zur Wellenlänge λ-ο praktisch vollständig ungedämpft bleiben. Es ist jedoch der Einfluß auf diejenigen Wellenlängen des einfallenden Lichtes zu berücksichtigen, die nahe der Wellenlänge

\ ο liegen und mit ihr übereinstimmen. Innerhalb dieses Wellenlängenbereiches wird die linkspolarisierte Komponente des einfallenden Lichtes praktisch vollständig durch den linksreflektierenden Film 12 reflektiert, die rechtspolarisierte Komponente wird praktisch vollständig durch den Film 12 durchgelassen. Wenn die rechtspolarisierte Komponente auf das Element 20 gelangt, so v/ird sie praktisch vollständig ungedämpft durchgelassen, tritt jedoch aus dem Element 20 als linkspolarisiertes Licht aus. Danach trifft das linkspolarisierte Licht auf den linksreflektierenden Flüssigkristallfilm 14 und v/ird praktisch vollständig reflektiert, wobei es linkspolarisiert bleibt. Der Lichtstrahl wird dann zurück auf das

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Element 20 geleitet, welches wiederum den Polarisationssinn des Lichtes umdreht, wahrendes das nun rechtspolarisiert werdende Licht wieder praktisch vollständig ungedämpft durchläßt. Das rechtspolarisierte Licht wird dann praktisch vollständig durch den Flüssigkristallfilm 12 durchgelassen, so daß sich die praktisch vollständige Reflexion des Lichtes im Bereich der Wellenlänge /Io ergibt.

Im folgenden wird jedes Paar optisch negativer Flüssigkristallfilme mit demselben Eigendrehsinn als angepaßtes Paar optisch negativer Flüssigkristallfilme bezeichnet, wenn jeder individuelle Film des Paars auf einer Seite einer Vorrichtung zur Umsetzung kreisförmig polarisierter elektromagnetischer Strahlung des einen Polarisationsinnes in kreisförmig polarisierte elektromagnetische Strahlung des entgegengesetzten Polarisationssinnes angeordnet ist und somit eine praktisch vollständige Reflexion eines Wellenlängenbandes innerhalb der einfallenden Strahlung erreicht wird.

Jedes geeignete cholesterische flüssig-kristalline Material, entsprechende Mischungen oder Zusammensetzungen mit cholesterisehen Flüssigkristallen oder Verbindungen mit cholesterischen, flüssig-kristallinen Eigenschaften können für die Flüssigkristallfilme 12 und 14 verwendet werden. Typische geeignete cholesterische Flüssigkristalle sind Derivate aus Reaktionen von Cholesterol und anorganischen Säuren, beispielsweise Cholesterylchlorid, Cholesterylbromid, Cholesteryljodid, Cholesterylfluorid, Cholesterylnitrat; Ester aus Reaktionen von Cholesterol und Carboxylsäuren, beispielsweise Cholesterylcrotonat, Cholesterylnonanoat, Cholesterylhexanoat; Cholesterylformat; Cholesteryldocosonoat; Cholesterylchloroformat; Cholesterylpropionat; Cholesterylacetat; Cholesterylvalerat; Cholesterylvacconat; Cholesteryllinolat; Cholesteryllinolenat; Cholesteryloleat; Cholesterylerucat; Cholesteryübutyrat; Cholesterylcaproat; Cholesteryllaurat; Cholesterylmyristatj

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Cholesterylclupanodonat; .Lclier von Cholesterol wie Cholesteroldecylätlier; Cholesteryllaurylö.ther; Cholesteryloleylätlier; Cholesteryldodecyaätherj Carbamate und Carbonate von Cholesterol wie Cholesteryldecylcarbonat; Cholesteryloleylcarbonatj Cholesterylmethylcarbonat; Cholesteryläthylcarbonat; Cholesterylbutylcarbonat; Cholesteryldocosonylcarbonat j Cholesterylcetylcarbonat j Cholesteryl-p-nonylphenylcarbonat; Cholesteryl-2-(2-äthoxyäthoxy)-äthylcarbonat; Cholesteryl-2-(2-butoxyäthoxy)-äthylcarbonat; Cholesteryl-2-(2-methoxyäthoxy)-äthylcarbonat; Cholesterylgeranylcarbonat; Cholesterylheptylcarbamat; und Alkylamide land aliphatische Secundäramine, abgeleitet von 3 β -Amino Δ ^-cholesten lind Mischungen dieser Stoffe j Peptide wie Poly- ^f -Benzyl- ^ -glutamat; Derivate von beta-Sitosterol wie oitocterylchiorid; und Amylester von Cj^anbenzylidenaminocinnarnat. Dia Alkylgruppen in diesen Verbindungen sind gesättigte oder ungesättigte Fettsäuren oder Alkohole mit weniger als ca. 25 Kohlenstoffatomen sowie ungesättigte Ketten mit weniger als ca. 5 doppelt gebundenen Olefingruppen. Arylgruppen in den vorstehenden Verbindungen enthalten typischerweise einfach substituierte Benzolringverbindiuigen, Jede der obigen Verbindungen und deren Mischungen sind geeignet zur Verwendung als cholesterische Flüssigkristalle in dem Verfahren nach dei* Erfindung.

Zusammensetzungen mit cholesterisehen und nematischen Flüssigkristallen können gleichfalls für die Flüssigkristallfilme des Filtersystems verwendet werden. Es hat sich gezeigt, daß solche Zusammensetzungen bis zu 96 Gewichtsprozent der nematischen Komponente enthalten können und dann noch die mit der Erfindung mögliche Funktion haben, nematische Flüssigkristalle, die sich zur Kombination mit cholesterischen Flüssigkristallen eignen, sind p-Azoxyanisol, p-Ozoxyanisol, P-Azoxyphenetol, p-Butoxybenzoesäure, p-Ilethoxy-cinnaminsäure, Butyl-p-anisylidenp'-aminocinnnmat, Anisylidenpara-aminc-phenylacetat, p-Äthoxy-

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benzylamino- (K -methyl-cinnamylsäure, 1,4-Bis-(p-Äthoxybenzyliden)-cyclohexanon, 4,4'-Dihexyloxybenzol, 4,4'-Diheptyloxybenzol, Anisal-p-amino-azobenzol, Anisaldazin, α -Benzolazo-(anisal- <X'-naphthylamin), Anisyliden-p-n-butylanilin, η,η¹-Nonoxybenzyl-toluidin, Mischlingen dieser Stoffe und viele andere.

Zusammensetzungen, die sich als Flüssigkristalle in einem optischen Filtersystem nach der Erfindung eignen, können auch Mischungen cholesterischer Flüssigkristalle und smektischer Flüssigkristalle sowie Mischungen cholesterischer Flüssigkristalle und nichtflüssig- kristalliner Substanzen aufweisen, die mit der cholesterischen Komponente verträglich sind. Typische nichtflüssig-kristalline Stoffe sind Cholesterol, Lecithin und ähnliche. Typische geeignete smektische Flüssigkristalle sind n-Propyl-4'-Äthoxybiphenyl-4-carboxylat; 5-Chlor-6-nheptyloxy-2-naphthoesäure; Mesophasen von Cholesteryloctanoat, Cholesterylnonanoat und anderen offenkettigen aliphatischen Estern von Cholesterol mit Kettenlängen von 7 oder mehr bei niedriger Temperatur; Cholesteryloleat; Sitosteryloleat; Cholesteryldecanoat; Cholesteryllaurat; Cholesterylmyristat; Cholesterylpalmitat; Cholesterylstearat; 4'-n-Alkoxy-3^lnitrobiphenyl-4-carboxylsäuren; Äthyl-p-azoxy-cinnamat; 3ⁱÄthyl-p-4-äthoxybenzyliden-aminocinnamat; Äthyl-pazoxybenzoat; Kaliumoleat; Ammoniumoleat; p-n-Octyloxybenzoesäure; die Hesophase von 2-p-n-Alkoxybenzylidenamino-fluorenonen bei geringer Temperatur mit Kettenlängen von 7 oder mehr; die Mesophase von p-(n-Heptyl)-oxybenzoesäure bei geringer Temperatur; wasserfreies Natriumstearat; Thallium (i) stearat sowie Mischungen dieser Stoffe und andere.

Mischungen von FlUssigkristallen können in organischen Lösungsmitteln wie Chloroform, Petroleum, Äther und anderen hergestellt werden, die aus der Mischung verdampft werden und die flüssig-kristalline Zusammensetzung zurücklassen.

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Alternativ können die individuellen Komponenten der flüssigkristallinen I-iischung auch direkt durch Erwärmung der gemischten Komponenten über die isotrope Übergangstemperatur vereinigt werden.

Die vorstehenden Aufstellungen geeigneter flüssig-kristalliner Stoffe sollen auch Mischungen solcher Stoffe umfassen. Die Aufstellung enthält einige geeignete Stoffe, sie soll in keiner Weise als vollständig angesehen werden. Es kann zwar jede flüssig-kristalline Zusammensetzung mit cholesterischen Flüssigkristalleigenschaften für das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden, es sei jedoch berücksichtigt, daß verschiedene unterschiedliche cholesterische Flüssigkristalle oder Hischlingen solcher Stoffe oder Kombinationen cholesterischer Flüssigkristalle mit anderen Substanzen wie nematischen Fl-ttesigkristallen auch die gewünschten Eigenschaften haben, die sie zur Anwendung im Zusammenhang mit der Erfindung in einem besonderen Temperaturbereich geeignet machen, beispielsweise bei Raumtemperatur oder wesentlich oberhalb oder unterhalb der Raumtemperatur. Alle diese Substanzen, Mischungen oder Kombinationen erfüllen die mit der Erfindung mögliche Funktion bei einer bestimmten Temperatur. Typischerweise werden die optischen Filter für die Erfindung bei oder nahe der Raumtemperatur verwendet. Allgemein gesprochen, hat die flüssigkristalline Substanz vorzugsweise einen flüssig-kristallinen Zustand bei der gewünschten Betriebstemperatur. Flüssigkristalline Filme mit einer Wellenlänge A ο im ultravioletten oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums können verwendet v/erden. Flüssig-kristalline Substanzen können gebildet v/erden mit Wellenlängen /Io bis zu ca. 2700 Ä bis ca. 10 Mikron. Es sei darauf hingewiesen, daß der Ausdruck "Licht" nicht nur auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist.

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Für optimale Ercebnisse haben die Flüssigkristallfilme vorzugsweise eine Dicke von ca. 0,5 bis ca. 20 Hikron. Die mit der Erfindung erzielbaren Wirkungen hängen nicht von der Filmdicke ab, mit Ausnahme der Forderung, daß die Filmdicke vorzugsweise größer als Ao sein soll, um die fvolle Intensität des reflektierten Lichtes zu erhalten. \'enn die Filme relativ dünn sind, d.h. wenn sie eine Dicke von weniger als /to haben, so reflektieren sie das Licht im Bereich von ^- ο mit einer etwas geringeren Selektivität und Wirksamkeit. Wenn die Filme eine relativ große Dicke haben, richten sich die Moleküle der flüssig-kristallinen Substanz gewöhnlich nicht richtig aus, und die zu beobachtende Erscheinung ist nicht beständig mit den optimalen Ergebnissen, die man mit diesem Filtersystem eigentlich erhalten könnte. Für Flüssigkristallfilme mit einem Wellenlängenwert λο im sichtbaren Spektrum zeigen sich optimale Ergebnisse mit einer Filmdicke von ca. 3 bis ca. 10 Mikron.

Die FlUssigkristallfilme 12 und 14 sind klebrig, weich,viskos und flüssig und daher vorzugsweise mit Schutzelementen 16 und 1b bedeckt, die sie gegen Fremdkörper wie Staub, Insekten o.a. schützen. Der Zweck der Schutzelemente besteht darin, die Flüssigkristallfilrae in einem vorgegebenen Bereich und frei von Verschmutzungen zu halten. Die Schutzelemente der in Fig. gezeigten Art können aus jedem geeigneten Material flexibler oder starrer Struktur bestehen, das optisch durchlässig für die einfallende Lichtstrahlung und nicht reaktionsfähig mit den FlUssigkristallfilmen ist. Typische für diesen Zweck geeignete Stoffe sind Glas, klare Kunststoffe wie Tedlar, Hylar, Polyäthylen, Polypropylen oder ähnliche sowie weitere Stoffe mit den gewünschten Eigenschaften. Ferner sollen vorzugsweise solche Stoffe verwendet werden, deren Brechungsindex ungefähr mit demjenigen der FlUssigkristallfilme übereinstimmt, um den Lichtverlust minimal zu halten. Die äußeren Schutzelemente sollen eine Dicke von ca. 0,006 bis ca. 0,25 mm haben.

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Es sei darauf hingewiesen, daß bei anderen Ausführungsformen der Erfindung die flüssig-kristallinen Filme vollständig durch das Schutzmaterial umgeben sein können, beispielsweise wenn die einzelnen Elemente des optischen Filters unabhängig voneinander montiert sind. In Fällen der beschriebenen Art, wenn jedes Schutzmaterial zwischen dem flüssig-kristallinen Film und der Vorrichtung zur Umsetzung der kreisförmigen Lichtpolarisation angeordnet ist, muß das Schutzmaterial optisch isotrop und optisch transparent sein und darf mit den flüssig-kristallinen Substanzen nicht reagieren. Typische geeignete Stoffe, die hierbei verwendet werden können, sind Glas, gesinterte Silica und andere Stoffe mit den gewünschten Eigenschaften.

Das zur Umsetzung des kreisförmig polarisierten Lichtes von einem Polarisationssinn zum anderen verv/endete Element 20 kann aus jedem geeigneten Material bestehen. Typische derartige Stoffe sind eine Halbwellenplatte für einen bestimmten Viert λ,ο, elektro-optische Anordnungen und ähnliche Vorrichtungen.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung stellt lediglich ein Beispiel dar, da dem Fachmann beispielsweise auch eine optische Vorrichtung geläufig ist, die mehrere optische Filter der in Fig. 1 gezeigten Art hintereinander enthält. Eins optische Vorrichtung mit mehreren individuellen optischen Filtern reflektiert mehrere Wellenlängenbänder innerhalb der einfallenden Strahlung. Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, daß jeder Flüssigkristallfilm eines Paares einander angepaßter optisch negativer Filrae denselben Eigenwert λ- ο hat, d.h. dieselbe mittlere Wellenlänge des bei normalem Lichteinfall reflektierten Wellenlängenbandes, und daß beide Flüssigkristallfilme aus derselben Substanz bestehen. Dem Fachmann ist geläufig, daß der Tfellenlängenwert λ. ο eines jeden optisch negativen Flüssigkristallfilrns geändert v/erden kann, indem der Film bezüglich dem Einfallswinkel der einfallenden Strahlung gedreht wird. Da die so bewirkte Verschiebung des Wellenlän-

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genwertes immer von größeren zu kleineren Werten hin erfolgt, kann der Wellenlängenwert Λ ο eines jeden zweier einander angepaßter Filme, die nicht denselben Eigenwert λ. ο haben, zur Koinzidenz gebracht werden, indem der Film mit dem größeren Wert gedreht und der andere Film fest gehalten wird. Wenn das an jedem Film reflektierte Wellenlängenband im wesentlichen dasselbe ist, kann man die Filme als einander angepaßt bezeichnen. Bei den beschriebenen optischen Filtern sind die einzelnen Elemente vorzugsweise so montiert, daß sie unabhängig -voneinander gedreht werden können. Wenn die Wellenlängen /Io der einzelnen Filme zur Koinzidenz gebracht sind, kann das Filter selbst gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl gedreht werden, wodurch sich eine Verschiebung des Wellenlängenbandes ergibt, welches am Filter reflektiert wird. Auf diese V/eise kann eine Vielzahl unterschiedlicher Wirkungen durch Drehung der Einzelfilme oder des Gesamtfilters erreicht werden. Wenn beispielsweise eine optische Vorrichtung mehrere optische Filter enthält, kann eines dieser Filter gedreht werden, während die anderen festgehalten werden, so daß nur eines der mit der Vorrichtung reflektierten Wellenlängenbänder verschoben wird. Auch kann die Vorrichtung selbst gedreht werden, so daß alle reflektierten Wellenlängenbänder verschoben werden. Eine eingehende Beschreibung der Technik des Drehens der Flüssigkristallfilme erfolgte im Zusammenhang mit einem bereits vorgeschlagenen Verfahren.

Es ist leicht zu erkennen, daß ein Filtersystem nach der Erfindung eine große Anzahl Vorteile bringt. Wenn beispielsweise dieselbe optisch negative, flüssig-kristalline Substanz für beide Filme eines einander angepaßten Filmpaars verwendet wird, so ist das Filter nicht nur automatisch abgestimmt, d.h. beide Filme reflektieren dasselbe Wellenlängenband, sondern die Abstimmung des Filters ist automatisch stabil gegenüber jeder Änderung der Schraubensteigung der flüssig-kristallinen Substanz durch äußere Störungen, beispielsweise durch die

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Temperatur, chemische Dämpfe usw.·, denn für beide Filme erfolgen identische Änderungen. Ferner kann ein optisches Filter so aufgebaut werden, daß es relativ unempfindlich gegenüber einer bestimmten Anregung ist, wozu eine flüssig-kristalline Substanz ausgewählt wird, deren Schraubensteigung relativ stabil gegenüber Änderungen dieser Anregung innerhalb eines vorgegebenen Bereiches von Umgebungsbedingungen ist, in denen das Filter eingesetzt werden soll. Andererseits gibt es auch gewisse Anwendungsfälle, bei denen es erwünscht ist, unterschiedliche flüssig-kristalline Substanzen mit unterschiedlichen Schraubensteigungen und Anregungskoeffizienten für die Filme eines angepaßten Filmpaars zu verwenden. Soll die Filtervorrichtung beispielsweise als Auswerteanordnung zur Anzeige von Änderungen einer vorhandenen Anregungsgröße, beispielsweise der Temperatur oder chemischer Dämpfe, verwendet werden, so kann das Filter auf einen bestimmten gewünschten Pegel eingestellt v/erden. Wenn dieser Pegelwert sich verschiebt, sprechen darauf die beiden Filme unterschiedlich an, wodurch eine Fehlanpassung erfolgt und der eingestellte Nullzustand verlassen wird. Dies ist sehr gut möglich, da die Schraubensteigung gewisser optisch negativer Flüssigkristalle extrem empfindlich für die jeweilige Anregungsgröße ist, während die Steigung anderer Substanzen weniger empfindlich für dieselbe Anregungsgröße ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bestimmter vorzugsweiser Ausführungsbeispiele beschrieben, die der weiteren Erläuterung ihrer Durchführung dienen, jedoch keinesfalls einschränkend verstanden worden sollen. Alle Teile und Prozentwerte beziehen sich auf das Gewicht, falls nicht anders angegeben.

Das Verhalten der in den folgenden Beispielen beschriebenen optischen Filter wird durch Messung des Durchlässigkeitsspektrums unter Verwendung eines Cary-Spektrometers ausgewertet. Das Reflexionsspektrum eines jeden Filters wird auf dem Durchlässigkeit ^1Srcer3r^ickt, da in jedem Falle nur eine vernachlässigbafe Absorption vorliegt.

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Beispiel I

Eine erste rechtsreflektierende, optisch negative flüssigkristalline Zusammensetzung mit ca. 50>S Cholesteryljodid und ca. 50% Cholesterylchlorid mit einer Wellenlänge λ. ο von ca. 5900 Ä wird hergestellt. Ferner wird eine zweite rechtsreflektierende, optisch negative flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 10Ji Choleoterylchlorid und ca. 90% Cholesterylbromid mit einer Wellenlänge λ. ο von ca. 5900 £ hergestellt. Ein dünner Film der ersten Zusammensetzung wird auf die eine Oberfläche einer Halbwellenplatte aufgebracht, und es wird eine Glasplatte auf die freie Oberfläche des flüssig-kristallinen Films aufgelegt. Ein dünner Film der zweiten Zusammensetzung wird dann auf die andere Oberfläche der Halbwellenplatte aufgebracht, und es wird eine Glasplatte auf die freie Oberfläche des zweiten flüssig-kristallinen Films aufgelegt. Dieses optische Filter wird in den Strahlengang einer breitbandigen Glühlampe mit sichtbarer Strahlung gebracht, so daß sie normal zum Filter einfällt. Das optische Filter läßt praktisch die gesamte einfallende Strahlung mit Ausnahme eines Wellenlängenbandes durch, das um eine Wellenlänge von ca. 5900 8 zentriert ist, welches reflektiert wird.

Das in Beispiel I beschriebene Verfahren wird wiederholt mit dem Unterschied, daß die in jedem Beispiel genannte flüssigkristalline Zusammensetzung für beide Flüssigkristallfilme des optischen Filters verwendet wird.

Beispiel II

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 25/j Cholesterylchlorid und ca. 75/j Ctolesterylnonanoat sowie einer Wellenlänge Ao von ca. 5200 Ä.

Beispiel III

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. SOJo Cholesterylchlorid und ca. 20# Cholesteryloleylcarbonat sowie einer Wellenlänge Ao von ca. 6800 Ä.

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Beispiel IV

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 20^ Cholesterylchlorid und ca. 80/ί Cholesterylbromid sowie einer Wellenlänge λο von ca. 5900 Ä.

Beispiel V

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 20,ό Anisylidenp-n-butylanilin und ca. 00$ Cholesteryloleylcarbonat sowie einer Wellenlänge /^-ο von ca. 4000 S.

Beispiel VI

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 57/j Cholesterylformat und ca. 43/β Cholesterylnonanoat sowie einer Wellenlänge λ.ο von ca. 5000 Ä.

Beispiel VII

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 20^ Cholesterol und ca. öOSj Cholesteryloleylcarbonat sowie einer Wellenlänge /Io von ca. 5500 Ά.

Beispiel VIII

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 10?6 Cholesterol und ca. 9OJ' einer Mischung gleicher Teile von Cholesteryl-2-(2-äthoxyäthoxy) äthylcarbonat und Cholesteryloleylcarbonat sowie einer Wellenlänge /Io von ce.. 7000 A.

Beispiel IX

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 20$£ Cholesteryl-2-(2-butoxyäthoxy) äthylcarbonat und ca. 80Si Cholesterylchlorid sov;ie einer Wellenlänge /\o von ca. 6000 X.

Beispiel X

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 84$o Cholesterylchlorid und ca. 16^;' einer Ilischung gleicher Teile von Cholesterylpropionat und Cholesteryldecanoat sov;ie einer V.'ollcnlängc /\.o von ca. 7400 X.

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Beispiel XI

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 7h% Cholesterylchlorid und ca. 26^ Cholesterylacetat sowie einer Wellenlänge /I ο von ca. 7700 Ä.

Beispiel XII

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 3O?6 Cholesterylchlorid und ca. 20?o Cholesterylbutyrat sowie einer Wellenlänge % ο von ca. 7300 Ä.

Beispiel XIII

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 9090 Cholesterylchlorid und ca. 10% Cholesteryllaurat sowie einer Wellenlänge Λ ο von ca. 6600 Ä.

Beispiele XIV bis XVII

Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt mit dem Unterschied, daß die in jedem Beispiel genannte flüssig-kristalline Zusammensetzung für beide Flüssigkristallfilme des optischen Filters verwendet wird und eine Quelle für Infrarotstrahlung als Lichtquelle vorgesehen ist..

Beispiel XIV

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 68Jo Choleste-

ryl-2-(2-äthoxyäthoxy) äthylcarbonat und ca. 32?j Cholesteryl-

n-propylcarbonat sowie einer Wellenlänge Ao von ca. 2 Mikron.

Beispiel XV

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. Λ0% Cholesterol und ca. 9O$o Cholesterylchlorid sowie einer Wellenlänge /i ο von ca. 4,8 Mikron.

Beispiel XVI

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 68Jo Cholesterylchlorid und ca. 32% Cholesterylvalerat sowie einer Wellenlänge Io von ca. 1,74 Mikron.

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Beispiel XVII

Eine flüssig-kristalline Zusammensetzung mit ca. 79/a Cholesterjrlchlorid und ca. 21?ό Cholesterylstearat sowie einer Wellenlänge Ao von ca. 1,5 Mikron.

Die Erfindung wurde vorstehend für verschiedene Ausführungsformen und ferner anhand bestimmter Beispiele beschrieben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern daß Abänderungen und Weiterbildungen im Rahmen des Grundgedankens der Erfindung möglich sind.

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Claims

Patentansprüche

,1/ Verfahren zur Aussonderung zumindest eines Wellenlängenbandes aus einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung optisch negativer Flüssigkristalle, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung auf mindestens ein Filter gerichtet wird, mit dem sie zwischen zwei optisch negativen Flüssigkristallfilmen hinsichtlich ihrer kreisförmigen Polarisation von einem Polarisationssinn zum entgegengesetzten umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung normal zum optischen Filter einfällt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung unter eine
zum Filter einfällt.

Strahlung unter einem Einfallswinkel von ca. 80 bis ca.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge Λ ο für jedes optische Filter im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkristallfilme von ca. 0,5 bis ca. 20 Mikron Dicke verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkristallfilme von ca. 3 bis ca. 10 Mikron Dicke verwendet werden.

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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Flüssigkristallfilm aus einem der folgenden Stoffe verv/endet. wird: cholesterische Flüssigkristalle; Mischungen cholesterischer Flüssigkristalle und nematischer Flüssigkristalle; Mischungen cholesterischer Flüssigkristalle und smektischer Flüssigkristalle; Mischungen cholesterischer Flüssigkristalle und nichtflüssigkristalliner Substanzen, die mit cholesterischen Flüssigkristallen verträglich sind; Mischungen der genannten Stoffe.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem optischen Filter Flüssigkristalle aus ein und derselben Substanz verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem optischon Filter Flüssigkristalle aus unterschiedlichen Substanzen verwendet v/erden.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren.¹? nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Filter (10) vorgesehen ist, das eine zwischen zwei einander angepaßten, optisch negativen Flüssigkeitsfilmen (12,14) angeordnete Vorrichtung (20) zur Umsetzung des Polarisationssinns der kreisförmigen Polarisation elektromagnetischer Strahlung enthält.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flüssigkristallfilm (12, 14) eine Dicke von ca. 0,5 bis ca. 20 Hikron hat.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge Λ, ο für jedes optische Filter (10) im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Strahlung.^spektrums liegt.

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13. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flüssigkristallfilm (12, 14) eines jeden optischen Filters (10) eine Dicke von ca. 3 bis ca. 10 Mikron hat.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flüssigkristallfilm (12, 14) eines jeden optischen Filters (10) aus einem der folgenden Stoffe besteht: cholesterische Flüssigkristalle; Mischungen cholesterischer Flüssigkristalle und nematischer Flüssigkristalle; Mischungen cholesterischer Flüssigkristalle und smektischer Flüssigkristalle; Mischungen cholesterischer Flüssigkristalle und nichtflüssig-kristalliner Substanzen, die mit cholesterischen Flüssigkristallen verträgliche sind; Mischungen der genannten Stoffe.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die individuellen Flüssigkristallfilme (12, 14) zumindest eines optischen Filters (10) aus ein und derselben Substanz bestehen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die individuellen Flüssigkristallfilme (12, 14) zumindest eines optischen Filters (10) aus unterschiedlichen Substanzen bestehen.

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