DE2542189A1 - Fluessigkristall-anzeige mit bistabiler cholesterinischer fluessigkristall- schicht - Google Patents

Fluessigkristall-anzeige mit bistabiler cholesterinischer fluessigkristall- schicht

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DE2542189A1 DE19752542189 DE2542189A DE2542189A1 DE 2542189 A1 DE2542189 A1 DE 2542189A1 DE 19752542189 DE19752542189 DE 19752542189 DE 2542189 A DE2542189 A DE 2542189A DE 2542189 A1 DE2542189 A1 DE 2542189A1
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Description

SIEMENS AKTIEFGSSELLSCHAPT J Unser Zeichen: Berlin und München VPA ψ§φ 1 1 6 O BRD
Flüssigkristallanzeige mit bistabiler cholesterinischer Flüssig-
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristall-(FK-)Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derart aufgebautes Display wird in "Berichte der Bunsen-Gesellschaft11, Heft 9, 1974, Seiten 912 bis 9H) insbesondere Abschnitt 4, beschrieben. Diese vorbekannte Ausführung ist matrixadressiert, wird von einem elektrischen Feld angesteuert und hat dementsprechend eine FK-Schicht mit einer positiv anisotropen Dielektrizitätskonstanten (DK).
Einige cholesterinische FK-Gemische zeigen unter gewissen Randbedingungen, insbesondere einer hoinöotropen Wandorientierung, einen Bistabilitätseffekt: Sie gehen oberhalb eines Schwellwertes S aus ihrer energetisch stabilen, gewöhnlich fokal-konischen Struktur in eine homöotrop-nematische Orientierung über und kehren erst unterhalb eines scharf definierten Schwellwertes E - unter kurzzeitiger Ausbildung eines planar-konischen Zwischenzustandes in ihre stabile Lage zurück. Das Verhältnis E n/E kann Y/erte bis zu 3 annehmen, unter Umständen ist es sogar möglich, den unteren Schwellwert zu Null zu machen. In diesem Sonderfall, bei dem die auf den Plattenabstand normierte Ganghöhe der charakteristischen Gholesterinischen Schraubenstruktur iait den Elastizitätskonstanten der FK-Substanz in einer bestimmten Beziehung stehen muß, sind dann im feldfreien Zustand sowohl eine homöotrop nematische als auch eine planar-konische Textur nebeneinander stabil; beide Mesophasen können hierbei ineinander überführt y^erden, wenn die Suszeptßilitätsanisotropie der FK-Substanz in Abhängigkeit von der Frequenz das Vorzeichen wechselt, beispielsweise mit wachsender Frequenz von positiven zu negativen Werten übergeht.
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Les-12 Barn/ 12.9.1975 709812/0963
Die geschilderte Zustandshysterese ist insbesondere für matrixadressierte, im Zeitmultiplexverfahren betriebene FK-Anzeigen außerordentlich wertvoll, da bei Matrixanzeigen die Information bekanntlich zeilenweise eingeschrieben und in jeder Zeile bis zum Ablauf der Bildperiode gespeichert werden muß. Dabei kann eine um so größere Informationsmenge verarbeitet werden, je größer das Verhältnis zwischen der möglichen Speicherzeit und der erforderlichen Einschreibzeit, das sogenannte "Multiplexverhältnis", ist.
Bistabile FK-Gemisehe könnten theoretisch ihre einmal erzeugte homöotrop-nematische Textur bei einem geeigneten Haltefeld nahezu unbegrenzt beibehalten, also Informationeil beliebig lange speichern. In der Praxis wird ihr Speichervermögen jedoch drastisch eingeschränkt, und zwar im wesentlichen dadurch, daß in einen mit einer Haltefeldstärke homöotrop-nematisch gehaltenen FK-Bezirk - ausgehend von Verunreinigungen sowie der stets fokal-konischen Umgebung des Bezirks - die energetisch stabile fokal-konische Mesophase allmählich hineinwächst. Die singulären Störkeime lassen sich durch eine besonders sorgfältige Reinigung der Plattenoberflächen weitgehend eliminieren. Um auch den Informationsabbau vom Rande her unterdrücken zu können, ist in der eingangs zitierten Veröffentlichung bereits angeregt worden, die Fläche zwischen den Matrixelementen durch ein besonderes Elektrodensystem auf einer festen Spannung zu halten, die den FK in diesen Flächen stets nematisch läßt. Konkrete Realisierungsmöglichkeiten für solche unzerstörbar nematischen Bezirke sind der genannten Literaturstelle allerdings nicht zu entnehmen; sie stehen bis heute noch aus.
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, Mittel und Wege zu finden, wie bei einem Display mit bistabiler cholesterinischer FK-Schicht die nematischen Bezirke ohne allzu großen Aufwand und vor allem ohne Inkaufnahme störender Nebeneffekte, insbesondere ohne optische Verschlechterungen, verwirklicht werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß drei Alternativen vorgeschlagen:
In einer ersten Ausführung bilden bei einer FK-Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Randelektroden für jedes Bildsegment eine schmale, in sich geschlossene Randzone, ergänzen sich gegebenenfalls zu einer solchen, stehen mit den zugehörigen Bildelektroden in einer elektrisch leitenden Verbindung, sind stegförmig ausgebildet und springen derart weit gegen die gegenüberliegende Trägerplatte vor, daß in der Flüssigkristall-Sehicht am Ort der Randzone eine Mindestfeldstärke größer oder gleich E und zugleich am Ort des von der Randzone umschlossenen Bildsegments eine Haltefeldstärke herrschen kann.
Alternativ hierzu ist eine FK-Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch charakterisiert, daß die Randelektroden für jedes Bildsegment eine in sich geschlossene, schmale Randzone bilden, gegebenenfalls sich zu einer solchen Randzone ergänzen, und dadurch entstanden sind, daß die Bildelektroden jeweils bis auf eine schmale Randzone mit einer dielektrischen Schicht bedeckt sind, deren Dielektrizitätskonstante kleiner ist als die DK der FK-Schicht, insbesondere kleiner ist als deren Komponente in Richtung der Längsachse der FK-Moleküle, wobei in der Flüssigkristall-Schicht am Ort der Randzone eine Mindestfeldstärke größer oder gleich E und zugleich am Ort des von der Randzone umschlossenen Bildsegments eine Haltefeldstärke herrschen kann.
In einer dritten Ausführung ist bei einer FK-Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Randelektroden für jedes Bildsegment eine in sich geschlossene, schmale Randzone bilden, gegebenenfalls sich zu einer solchen Randzone ergänzen, und dadurch entstanden sind, daß schmale Randzonen der Bildelektroden mit einer dielektrischen Schicht bedeckt sind, deren Dielektrizitätskonstante (DK) größer ist als die DK der FK-Schicht, insbesondere größer ist als deren Komponente in Richtung der Längsachse der FK-Moleküle, wobei in der Flussigkristall-
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Schicht am Ort der Randzone eine Mindestfeldstärke größer oder gleich E und zugleich am Ort des von der Eandzone umschlossenen Bildsegments eine Haltefeldstärke herrschen kann.
Abweichend von der in der erwähnten Arbeit gewiesenen Richtung gehen sämtliche hier vorgeschlagenen Display-Ausführungen gemeinsam davon aus, daß die unzerstörbar nematischen Bezirke die einzelnen Bildelektroden nur in Form schmaler Randzonen umgeben und vor allem durch Elektroden (Randelektroden) erzeugt werden, die mit den zugehörigen Bildelektroden elektrisch leitend verbunden sind und somit stets auf gleichen Potentialen liegen. Ein solches Konzept bietet vor allem den Vorteil, daß man keine Isolationsprobleme hat, ohne zusätzliche Elektrodenzuleitungen auskommt und keine Vorkehrungen zur Bereitstellung weiterer", relativ hoher Potentiale treffen muß.
Die erfindungsgemäße Display-Ausführung 1 hat darüber hinaus noch die günstige Eigenschaft, daß der ohmsche (Flächen-)Widerstand der umrandeten Bildelektroden relativ klein ist und daher besonders geringe Verlustleistungen und Spannungsabfälle erwartet werden können. Die vorgeschlagenen Ausführungen 2 und 3 zeichnen sich dadurch aus, daß bei ihnen gesonderte Randelektroden überhaupt entfallen.
Bei einer erfindungygemäßen FK-Anzeige befinden sieh die Bildschirmbereiche außerhalb der Bildsegmente stets in einem cholesterinischen (fokal-konischen) Zustand, so daß man gewöhnlich für den gesamten Bildhintergrund einschließlich der gelöschten Bildsegmente die cholesterinische und für das Bild selbst, d.h. seine einzelnen Segmente, die nematische Orientierung wählen wird. Schreibt man informationsabhängig nematisch ein, so benötigt, man wenig Ansteueraufwand, allerdings ist die Schreibspannung auf das zweifache bzw. dreifache der Haltespannung nach oben beschränkt und sind damit auch der Schreibgeschwindigkeit Grenzen gesetzt. Natürlich könnte man die Information statt durch. Nematisch-Schreiben des Bildes auch durch Cholesterinisch-Schreiben des Bilduntergrundes zur Darstellung bringen. Völlig freie Hand bei der Wahl einer bestimmten Widergabetechnik hat man vor allem dann, wenn die Schirmbezirke außerhalb der Bildsegmente so schmal sind, daß sie optisch gar nicht in Erscheinung treten.
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Mit besonderem Vorteil ist eine erfindungsgemäße PK-Anzeige als Matrixanzeige ausgebildet und findet insbesondere in Datensichtgeräten Verwendung.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung mit weiteren Merkmalen und Einzelheiten näher erläutert werden. Einander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen FK-
Matrixanzeige, in einem Seitenschnitt; Figur 2 vom Ausführungsbeispiel der Figur 1 die linke Trägerplatte
in einer Draufsicht von rechts;
Figur 3 von einem zweiten Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt im
Seitenschnitt;
Figur 4 von einem dritten Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt im
Seitenschnitt;
Figur 5 vom Ausführungsbeispiel der Figur 4 die untere Trägerplatte
in einer Draufsicht von oben; und Figur 6 von einem vierten Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt im Seitenschnitt.
Alle dargestellten Display-Ausführungen werden in Transmission betrieben und unterscheiden sich konstruktiv lediglich in der Beschichtung der Platteninnenflächen.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 1 enthält im einzelnen zwei Trägerplatten 1,2, die auf ihren einander zugewandten Innenflächen jeweils einen Elektrodenbelag tragen. Jeder der beiden Elektrodenbeläge umfaßt zueinander parallele, etwa 100 /um voneinander beabstandete Bildstreifenleiter (Bildzeilenleiter 3, Bildspaltenleiter 4); die Leiterscharen beider Trägerplatten stehen senkrecht zueinander, so daß sich insgesamt eine aus einzelnen Bildpunkten aufgebaute Matrix (Bildmatrix) ergibt. Im vorliegenden Fall sind
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die Bildstreifenleiter der Trägerplatte 1 (Bildzeilenleiter 3) jeweils noch mit einer leitenden Schicht 5 versehen, aus der die Bildpunkte ausgespart sind und die dadurch die Form einer Leiter enthält. Diese Leiterelektrode ist in Figur 2 deutlicher zu erkennen und dort der Übersicht halber schraffiert eingezeichnet. Beide Platten 1,2 sind an ihren Rändern über einen Glaslotrahmen in einer Distanz von etwa 15 /um miteinander verbunden und bilden dadurch eine Kammer. In dieser Kammer befindet sich eine FK-Schicht 7, die durch eine (nicht dargestellte) Füllöffnung im Glaslotrahraen eingegeben und durch Verschließen der Füllöffnung hermetisch von der Umwelt abgeschlossen ist.
Die Display-Teile bestehen aus folgenden Materialien: Die beiden Trägerplatten sind aus Glas, die Elektrodenbeläge beispielsweise aus SnO2 oder Sn^O,, der GlasIotrahmen aus einem Glaslot mit niedrigem Schmelzpunkt, die FK-Schicht aus einer nematischen Azoxy-Verbindung mit 7-20 ^Cholesteryl-Chlorid (ZLI 319 der Firma Merck) oder einer Schiffschen Base (RO-TN 200 der Fa. Hoffmann - La Roche) mit einem geeigneten cholesterinischen Zusatz. Der FK-Substanz könnte zur Kontrastverbesserung und/oder zur Schaffung einer farbigen Darstellung zusätzlich noch ein . dichroitischer Farbstoff beigemischt sein.
Die Matrixanzeige kann auf verschiedene Weise betrieben werden: Die Information wird zeilenweise eingeschrieben. Dabei steht an allen Bildpunkten der Matrix das Haltefeld E, ; nur an den Bildpunkten der selektierten Zeile steht informationsabhängig entweder das Feld E = ο oder 2xE,. Nach dem Einschreiben der letzten Zeile beginnt der Durchlauf wieder mit der ersten Zeile. Die Feldstärke E, liegt im Bereich zwischen 0,6 und 1,2 V//um. Die Zeilenauswahlzeit hängt von der Schaltzeit für den Übergang cholesterinisch-nematisch ab und beträgt etwa 100 bis 200 ms (Beispiel 1). In einer abweichenden Ansteuerung wird die genannte Matrix vor dem Bildaufbau in den fokal-konischen Zustand gebracht (E=O). An-
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schließend steht an allen Matrixbildpunkten wieder das Haltefeld E, . Die Information wird zeilenweise eingeschrieben, derart, daß an diejenigen Bildpunkte, die nematisch werden sollen, das Feld 3xE, gelegt wird. Diese Ansteuerung hat gegenüber der zuerst beschriebenen den Vorteil, daß die Zeilenauswahlzeit auf 30 bis 50 ms reduziert ist (Beispiel 2). In einem weiteren Ansteuerverfahren wird die gesamte Matrix vor dem Bildaufbau mit einem Spannungsimpuls nematisch gemacht. Anschließend steht an allen Matrixbildpunkten E, . Die Information wird zeilenweise eingeschrieben und zwar wie im ersten Betriebsbeispiel. Die Zeilenauswahlzeit beträgt 20 bis 30 ms, bestimmt durch die Schaltzeit vom nematischen in den cholesterinischen Zustand (Beispiel 3)· Für weitere Betriebs- und Herstellungseinzelheiten sei auf die DT-OS 23 61 421 verwiesen.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 3 weicht von der ersten Ausführung darin ab, daß die Bildstreifenleiter beider Trägerplatten mit einer leitenden Schicht versehen sind und daß diese leitende Schicht jeweils die Randzonen der Bildstreifenleiter in Form- von Längsstegen 8,9 bedecken. Diese Modifikation ermöglicht eine rationellere Plattenherstellung, verlangt allerdings eine präzise Plattendistanzierung und zeigt auf den einzelnen Bildpunktrandzonen eine nicht ganz homogene Feldverteilung (Feldspitzen in den vier Eckpunkten der Randzone).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Figur 4 und 5) sind die Bildstreifenleiter einer der beiden Trägerplatten (Bildstreifenleiter 3) jeweils am Ort ihrer Kreuzungspunkte mit Inseln 10 aus dielektrischem Material, im vorliegenden Fall SiOp, beschichtet, die voneinander sowie zu den Streifenleiterrändern einen bestimmten Abstand einhalten. Dicke und Dielektrizitätskonstante dieser Inseln sind so bemessen, daß bei Anlegen eines bestimmten Potentials an die Bildstreifenleiter in der FK-Schicht am Ort der Bildpunkte ein Haltefeld < E und am Ort der die Bildpunkte einschließenden Randzonen zugleich Feldstärken >E herrschen.
CXx
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In Abwandlung der zuletzt beschriebenen Ausführung kann man die Bildstreifenleiter beider Platten jeweils mit einem dielektrischen Kittelsteg 11,12 überziehen. Diese Variante ist besonders bevorzugt, da sie - wie die Ausführung der Figuren 4 und 5 - kurzschlußsicher und frei von Isolationsproblemen ist und dabei besonders einfach aufgebracht werden kann. Die Mittelstege müssen lediglich so beschaffen sein, daß in den Kreuzungspunkten zweier Mittelstege ein Haltefeld und in dem Teil des Bildpunktrandes, in dem sich der Rand des Bildstreifenleiters und ein Mittelsteg gegenüberstehen, d.h. auf dem gesamten Bildpunktrand mit Ausnahme seiner vier Eckpunkte, eine Feldstärke >/ E erzeugt werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So braucht man nicht unbedingt ein matrixadressiertes Display zugrundezulegen, sondern es kommen allgemein FK-Anzeigen infrage, bei denen Information durch Anlegen eines Haltefeldes oder auch im feldfreien Zustand gespeichert werden soll, beispielsweise Anzeigen alphanumerischer Ziffern mit einem segmentierten Elektrodenbelag auf der einen und einer Rückelektrode auf der anderen Trägerplatte oder auch graphische Displays. In der Regel wird man die Anzeige mit einem elektrischen Feld ansteuern, grundsätzlich ist aber auch der Betrieb mit einem Magnetfeld und dementsprechend einer FK-Schicht mit einer zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich positiv anisotropen magnetischen Suszeptibilität möglich.
7 Patentansprüche
6 Figuren
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Leerseite

Claims (7)

  1. Flüssigkristall-Anzeige zur Darstellung von Bildern, mit zwei Trägerplatten, die zwischen sich eine cholesterinische Flüssigkristall-Schicht mit einer horaöotropen Wandorientierung hermetisch dicht einschließen und auf ihren Innenflächen jeweils einen Elektrodenbelag tragen, wobei die Flüssigkristall-Schicht zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich eine positiv anisotrope Suszeptibilität hat und bei Feldstärken größer oder gleich einem ersten Schwellwert (E ) eine homöotrop nematische Textur annimmt, in der sie in einem endlichen Feldstärkebereich (Bereich der Haltefeldstärken E^) mit einem unteren Schwellwert (E , Eo. E^<E ) verbleibt, wobei ferner zum Aufbau des darzustellenden Bildes aus einzelnen Bildsegmenten die Elektrodenbeläge mindestens eine getrennt ansteuerbare Bildelektrode, vorzugsweise streifenförmige Bildelektroden (Bildzeilenleiter bzw. Bildspaltenleiter einer Bildmatrix),aufweisen und wobei schließlich zur Langzeitspeicherung der homö'otrop nematischen Textur der Elektrodenbelag zumindest einer der beiden Trägerplatten neben seiner Bildelektrode zusätzliche Elektroden (Randelektroden) enthält, die im Betrieb der Flüssigkristall-Anzeige zwischen sich und ihren jeweiligen Gegenelektroden in der Flüssigkristall-Schicht eine Mindestfeldstärke (E ) größer oder gleich E erzeugen, dadurch ge kennzeichnet , daß die Randelektroden (5) für jedes Bildsegment eine schmale, in sich geschlossene Randzone bilden, gegebenenfalls sich zu einer solchen ergänzen, daß die Randelektroden mit den zugehörigen Bildelektroden (3,4) in einer elektrisch leitenden Verbindung stehen und daß die Randelektroden stegförmig ausgebildet sind und derart weit gegen die gegenüberliegende Trägerplatte (1,2) vorspringen, daß in der Flüssigkristall-Schicht (7) am Ort der Randzone eine
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    Mindestfeldstärke (E ) größer oder gleich Enri und zugleich am Ort des von der Randzone umschlossenen Bildsegments eine. Haltefeldstärke (E, ) herrschen kann.
  2. 2. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 1, mit einer Bildmatrix, dadurch gekennzeichnet , daß die Randelektroden den Bildstreifenleitern (3) einer der beiden Trägerplatten (1,2) jeweils als eine Schicht (Leiterelektrode 5) aufgetragen sind, aus der die Kreuzungspunkte mit den Bildstreifenleitern (4) der anderen Trägerplatte (1) ausgespart sind.
  3. 3. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 1, mit einer Bildmatrix, dadurch gekennzeichnet , daß die Randelektroden den Bildstreifenleitern beider Trägerplatten als Längsstege (8,9) aufgetragen sind, wobei die Längsstege jeweils die beiden Randzonen des Bildstreifenleiters (3,4) bedecken.
  4. 4. Flüssigkristall-Anzeige nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Randelektroden für jedes Bildsegment eine in sich geschlossene, schmale Randzone bilden, gegebenenfalls sich zu einer solchen Randzone ergänzen, und dadurch entstanden sind, daß die Bildelektroden (3,4) jeweils bis auf eine schmale Randzone mit einer dielektrischen Schicht bedeckt sind, deren Dielektrizitätskonstante (DK) kleiner ist als die DK der FK-Schicht, insbesondere kleiner ist als deren Komponente in Richtung der Längsachse der FK-Moleküle, wobei in der Flüssigkristall-Schicht (7) am Ort der Randzone eine Mindestfeldstärke (S ) größer oder gleich E und zugleich am Ort des von der Randzone umschlossenen Bildsegments eine Haltefeldstärke (E,) herrschen kann.
  5. 5. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 4, mit einer Bildmatrix, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Schicht den Bildstreifenleitern (3) einer der beiden
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    Trägerplatten (1,2) jeweils an deren Kreuzungspunkten mit den Bildstreifenleitern (4) der anderen Trägerplatte (2,1)in Form einer Insel (10) aufgebracht ist, wobei die einzelnen Inseln . voneinander und von dem Streifenleiterränd beabstandet sind.
  6. 6. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 4, mit einer Bildmatrix, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Schicht die Bildstreifenleiter (3,4) beider Trägerplatten (1,2) jeweils in Form eines Mittelstreifens (11,12) bedeckt.
  7. 7. Flüssigkristall-Anzeige nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Randelektroden für jedes Bildsegment eine in sich geschlossene, schmale Randzone bilden, gegebenenfalls sich zu einer solchen Randzone ergänzen, und dadurch entstanden sind, daß schmale Randzonen der Bildelektroden (3,4) mit einer dielektrischenScMcht bedeckt sind, deren Dielektrizitätskonstante (DK) größer ist als die DK der FK-Schicht, insbesondere größer ist als deren Komponente in Richtung der Längsachse der FK-Moleküle, wobei in der Flüssigkristall-Schicht (7) am Ort der Randzone eine Mindestfeldstärke (E ) größer oder gleich E und zugleich am Ort des von
    JL Ks LL·
    der Randzone umschlossenen Bildsegments eine Haltefeldstärke (E, ) herrschen kann.
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