DE663866C

DE663866C - Electrically or magnetically controlled light valve made of a transparent liquid medium

Info

Publication number: DE663866C
Application number: DEL85155D
Authority: DE
Original assignee: Polaroid Corp
Current assignee: Polaroid Corp
Priority date: 1933-01-16
Filing date: 1934-01-17
Publication date: 1938-08-16

Description

Elektrisch oder magnetisch gesteuertes, aus einem durchsichtigen flüssigen Medium bestehendes Lichtventil Die Erfindung betrifft ein Lichtventil, das aus einem durchsichtigen flüssigen Medium besteht und dessenLichtdurchlässigkeit durch elektrische oder magnetische Steuerung ge- ändert werden kann.Electrically or magnetically controlled, consisting of a transparent liquid medium light valve The invention relates to a light valve consisting of a transparent liquid medium, and the light transmittance can be changed overall by electric or magnetic control.

Es ist bekannt, solche flüssigen durchsichtigen Medien, z. B. die sogenannten flüssigen Kristalle, und auch gewisse kolloidale Lösungen dein Einfloß eines angelegten elektrischen Feldes zu unterwerfen, sie dabei zu richten und doppelt brechend zu machen. Es ist ferner bekannt, Suspensionen von doppelt brechenden Teilchen iiiit Hilfe eines Magnetfeldes auszurichten, um den Lichtdurchgang in Abhängigkeit von der Ausrichtung der das Licht polarisierenden Teilchen zu ändern. Bei diesen bekannten Verfahren wird beispielsweise unter Benutzung von Nicol s polarisiertes Licht verwendet.It is known to use such liquid transparent media, e.g. B. the so-called liquid crystals, and also certain colloidal solutions that flow into them to subject them to an applied electric field, thereby straightening them and doubling them to make breaking. It is also known to suspend birefringent particles iiiUsing a magnetic field to align the passage of light in dependence of changing the orientation of the particles polarizing the light. With these known method is polarized using, for example, Nicol s Light used.

Die Erfindung unterscheidet sich demgegenüber dadurch, daß die dort notwendigen äußeren Polarisationsmittel in Wegfall gelangen, und sie bestellt darin, ein elektrisch oder magnetisch gesteuertes, aus einem durchsichtigen flüssigen llecliuni bestehendes Lichtventil zu verwenden, bei dein in der vom natürlichen Licht durchsetzten Flüssigkeit elektrisch oder magnetisch beeinflußbare lichtschwächende Teilchen suspendiert sind, die Brownsche Bewegung zeigen und die bei Einwirkung eines Kraftfeldes eine Richtwirkung aufweisen, derart, daß die Lichtdurchlässigkeit sich ändert.The invention differs in that the there necessary external polarization means become obsolete, and they order in it, an electrically or magnetically controlled, made of a transparent liquid ilecliuni To use an existing light valve, with your in the natural light penetrated Liquid electrically or magnetically influenceable light-attenuating particles suspended which show Brownian motion and which, when exposed to a force field, are Have directivity, such that the light transmission changes.

Die Erfindung ist beispielsweise in den beigefiigten Zeichnungen dargestellt. Es zeit: ' Fig. i einen Querschnitt durch eine Lichtsteuerzelle gemäß der Erfindung, Fig.2 einen Querschnitt einer abgeänderten Ausführungsform einer Lichtsteuerzelle gemäß der Erfindung, bei welcher Hilfsmittel zur Einwirkung eines magnetischen Feldes auf die suspendierten Teilchen angegeben sind, Fig. 3 eine Zelle ohneWirkung eines Kraftfeldes, Fig. -. eine Zelle, die unter der Wirkung eines angelegten elektrischen Feldes steht. In den Zeichnungen, insbesondere in den Fig. i und 2, bezeichnet io eine flüssige Suspension, welche aus einem lichtdurchlässigen Suspensionsmedium ii und einer Masse von suspendierten Teilchen 12 bestellt. Die Suspension befindet sich in einem Behälter 13. Es sind ferner Hilfsmittel vorgesehen, um die suspendierten Teilchen einer Feldwirkung zu unterwerfen. Bei der in Fig. i dargestellten Ausführungsform der . Erfindung wird dies mittels der Elektroden 14 bewirkt, die zu beiden Seiten der Suspension angeordnet sind. Soll die Vorrichtung in den Weg eines Lichtstrahles eingeschaltet werden, der rechtwinklig zu dem zwischen den Elektroden erregten Feld verläuft, dann können die Elektroden aus festen Platten, beispielsweise aus Kupfer, bestehen. Soll die Vorrichtung jedoch derart in den Lichtweg eingeschaltet werden, daß: das Licht parallel zu den Kraftlinien des angelegten Feldes verläuft und mithin durch die Elektroden 1q. hindurch, dann müssen diese lichtdurchlässig sein und sollten vorzugsweise aus aufgespritzten Platinfilmen geringer Dicke bestehen: Die Elektroden können auch aus leitenden Maschen bestehen mit einer :Mehrzahl von Zwischenräumen, durch welche (las Licht hindurchtreten kann. Feinmaschiges Ttul)ferdralitnetz.kann für diese Art von Elektroden geeignet sein.The invention is illustrated, for example, in the accompanying drawings. It time: 'Fig. I shows a cross section through a light control cell according to the invention, Figure 2 is a cross section of a modified embodiment of a light control cell according to the invention, in which means for the action of a magnetic field are indicated on the suspended particles, Fig. 3 shows a cell with no effect of a Force field, Fig. -. a cell that is under the action of an applied electrical Field. In the drawings, particularly in FIGS. I and 2, io denotes a liquid suspension composed of a translucent suspension medium ii and a mass of suspended particles 12 ordered. The suspension is located in a container 13. Aids are also provided, to subject the suspended particles to a field effect. In the case of the in Fig. i illustrated embodiment of. Invention this is achieved by means of the electrodes 14 causes, which are arranged on both sides of the suspension. Should the device be turned into the path of a ray of light that is perpendicular to that between the field excited by the electrodes, then the electrodes can be made of solid plates, for example made of copper. However, if the device is to be placed in the light path in this way be switched on that: the light parallel to the lines of force of the applied Field runs and therefore through the electrodes 1q. through, then this must be translucent and should preferably be made from sprayed-on platinum films less Thickness: The electrodes can also consist of conductive mesh with a : Plurality of interspaces through which (light can pass. Fine-meshed Ttul) ferdralitnetz. Can be suitable for this type of electrodes.

In Fig: 2 sind die Hilfsmittel zur Einwirkung eines i\Iagnetfeldes auf die Suspension angedeutet. Wie ersichtlich, bestehen diese Hilfsmittel aus einem Paar von Magnetpolen i i und dem Erregerstromkreis 15. In FIG. 2, the aids for the action of an magnetic field on the suspension are indicated. As can be seen, these auxiliary means consist of a pair of magnetic poles ii and the excitation circuit 15.

Die suspendierten Teilchen i2 können entweder undurchsichtig, durchscheinend oder durchsichtig, metallisch oder nichtmetallisch sein. Sie können lichtabsorbierend, lichtreflektierend und/oder lichtpolarisierend sein. Sie müssen natürlich durch das angelegte Feld beeinflullbar sein. In einer Vorrichtung, bei welcher ein elektrisches Feld zur Einwirkung kommt, wird ein nichtleitendes Suspensionsinediurn benutzt. Wo ein Magnetfeld benützt wird, kann das Suspensionsinedium ein elektrischer Leiter sein, wobei es jedoch wesentlich ist, daß dieses Medium eine magnetische Suszeptibilität hat; die von jener der suspendierten Teilchen verschieden ist. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die suspendierten Teilchen ferromagnetisch sind.The suspended particles i2 can either be opaque or translucent or be transparent, metallic or non-metallic. They can be light absorbing, be light reflecting and / or light polarizing. You have to go through it, of course the created field can be influenced. In a device in which an electrical Field comes into play, a non-conductive suspension medium is used. Where a magnetic field is used, the suspension medium can be an electrical conductor but it is essential that this medium have a magnetic susceptibility Has; which is different from that of the suspended particles. However, it is not necessary that the suspended particles are ferromagnetic.

Bei 'Verwendung lichtabsorbierender oder lichtreflektierender Teilchen müssen diese von solcher Form sein, daß sie nach ihrer Orientierung durch das angelegte Feld eine Gesamtoberfläche dem durchtretenden Lichtstrahl darbieten, welche von der Gesamtoberfläche verschieden ist, die dem Lichtstrahl von den Teilchen dargeboten wird, wenn sie keinein Feldeinfluß unterworfen und somit ungeordnet sind. Asymmetrische -Teilchen besitzen (fiese Eigenschaft ebenso wie Suspensionen, die in dein aufgedrückten Feld eine asymmetrische Form annehmen, beispielsweise Teilchen; welche agglomerieren, oder Teilchen, ,welche ihre Form ändern, wie es beispielsweise die suspendierten Flüssigkeitskügelchen in einer Emulsion tun.When using light-absorbing or light-reflecting particles these must be of such a form that they can be orientated by the applied Field present a total surface to the light beam passing through, which of the total surface area presented to the light beam by the particles is different if they are not subject to field influence and are thus disordered. Asymmetrical -Particles have (nasty property as well as suspensions that are imprinted in your Field assume an asymmetrical shape, for example particles; which agglomerate, or particles, which change their shape, such as those in suspension Do liquid globules in an emulsion.

Bei Verwendung polarisierender Teilchen werden relativ kleine dichroitische durchsichtige Kristalle benutzt, beispielsweise kleine Kriställcheii . von jodcliiizinsulfat: Bei Verwendung polarisierender Teilchen ist es nicht wesentlich, daß die Gesamtoberfläche der in den Lichtweg eingeschalteten Teilchen bei Gleichrichtung der Teilchen geändert wird. Es ist lediglich wesentlich; daß bei Einwirkung des Feldes die Polarisationsachsen der Teilchen sich gleichzurichten streben.When polarizing particles are used, relatively small dichroic particles become uses transparent crystals, for example small crystals. of iodine sulfate: When using polarizing particles it is not essential that the total surface of the particles switched into the light path changed when the particles are rectified will. It's just essential; that when the field acts, the polarization axes the particles strive to align.

Die verwendeten Teilchen, gleichgültig, ob sie polarisierend oder nichtpolarisierend sind, sollen vorzugsweise solche Abmessung und Form aufweisen, claß sie unter dem Einflut; der die Orientierung störenden Molekülstölie eine Brownsche Bewegung bei Suspension in einem lichtdurchlässigen Medium aufweisen.The particles used, regardless of whether they are polarizing or are non-polarizing, should preferably have such dimensions and shape, let her under the flood; the orientation disrupting molecular structure is a Brownian Exhibit movement when suspended in a translucent medium.

Die Suspension der Teilchen innerhalb des Mediums kann eine wahre Suspension sein öder eine nur sich langsam absetzende Stispension: Es kann aber auch eine Vorrichtung: verwendet werden, bei der eine (lauernd erheute Zufuhr von Teilchen zur Suspension innerhalb des angelegten Felles stattfindet: Ferner können bei Verwendung einer Suspension, welche sich allmählich absetzt, Hilfsmittel benutzt werden, uin die abgesetzten Teileben aufzurühren und wieder zu verteilen, z. B, kann eine schwache Strömung innerhalb des Behälters vorgesehen «-erden, um eine konstante Suspension zu sichern.The suspension of the particles within the medium can be a true one It can be a suspension or a suspension that is only slowly settling: but it can also a device: can be used in which a (lurking current supply of Particles to suspension takes place within the applied fur: Furthermore, can when using a suspension that gradually settles, use auxiliary means be to stir and redistribute the separated parts, z. B, can provide a weak flow within the container «-earth to a to ensure constant suspension.

Als Beispiel für jene Art der Vorrichtung, bei welcher lichtabsorbierende Teilchen benutzt werden, sei auf eine Suspension von asymmetrischen Teilchen von Graphit in Üt, in Äthylazetat oder in Nitrobenzol hingewiesen. Ferner erwies sich eine Suspension von asvmmetrischen Glimnlerteilchen in Nitrobenzol oder in Äthylacetat als üuf:ierstbrauchbar, die jene Art der Vorrichtung verkörpert; bei welcher eine lichtreflektieren(le, aber durchsichtige Suspension verwendet wird, Sehr wirksam ist ferner als lichtreflektierende, aber undurchsichtige und metallische Suspension eine Suspension von kleinen asyniinetrischen Teilchen aus metallischem Aluminium in einem geeigneten Medium, beispielsweise Äthylacetat. Eine Suspension eines Farbstoffes, beispielsweise von Granatrnt in einem Medium, wie beispielsweise Äthylacetat, eignet sich ebenfalls zur Verweii(liin1r als Lichtventil und verkörpert jene Art der Vorrichtung, bei welcher eine teilweise lichtreflektierende und teilweise lichtabsorbierende Suspension verwendet wird.As an example of the type of device in which light absorbing Particles are used to be based on a suspension of asymmetrical particles of Graphite in Üt, in ethyl acetate or in nitrobenzene indicated. It also turned out to be a suspension of asymmetrical mica particles in nitrobenzene or in ethyl acetate as usable that embodies that type of device; at which one reflect light (le, but clear suspension is used, Very effective is also available as a light-reflecting, but opaque and metallic suspension a suspension of small asynchronous particles made of metallic aluminum in a suitable medium, for example ethyl acetate. A suspension of a dye, for example of garnet in a medium such as ethyl acetate is also available as a light valve and embodies that type of device in which a partially light-reflecting and partially light-absorbing Suspension is used.

Bei Benutzung von Kristallen aus Jodchininsulfat als Material für eine Vorrichtung, bei welcher polarisierende Teilchen benutzt werden, kann das Suspensionsmedium aus einem Celluloseester undjoder einem Acetat bestehen.In use of crystals of Jodchininsulfat as a material for an apparatus used in which p olarisierende particles, the suspension medium may consist of a Celluloseester undjoder an acetate.

Es sind ferner Kombinationen der genannten Suspensionen verwendbar, d.h. zwei oder mehr unterschiedliche Stoffe werden gleichzeitig als suspendierte Teilchen vorgesehen, lediglich unter der Voraussetzung, daß sie von jener Art sind, bei welcher die Aufdrückung eines äußeren Feldes nicht zur Folge hat, ciaß das eine Suspensionselement der Wirkung des anderen entgegengesetzt ist und diese gar aufhebt. Beispielsweise wurde gefunden, daß einige der suspendierten Teilchen bei Anlegung des Feldes an die Suspension sich mit ihren Längsachsen parallel zum Feld orientieren, w@ihrend andere mit ihren Längsachsen sich rechtwinklig zum Feld ausrichten. So könnenAluminium und Glimmer beispielsweise nicht wirksam in Kombination benutzt werden> da die Orientierung der Aluminiumteilchen die Intensität eines durch die Suspension quer zum Feld tretenden Lichtstrahles verringert, während die Orientierung der Glimmerteilchen unter denselben Bedingungen eine Aufhellung, also eine Intensitätserhöhung des durchgelassenen Lichtstrahles, bewirkt. Andererseits können viele Stoffe, welche unter denselben Bedingungen den gleichen Effekt zeigen, wirksam kombiniert werden. Diese Kombinationen können zwei oder mehrere lichtabsorbierende Substanzen, zwei oder mehrere lichtreflektierende Substanzen oder Mischun;;e=n voll -lichtabsorbierenden und lichtreflektierenden Stoffen umfassen.Combinations of the suspensions mentioned can also be used, i.e. two or more different substances are considered suspended at the same time Particles provided, provided that they are of the kind in which the pressing of an external field does not result in one thing Suspension element is opposite to the effect of the other and even cancels this. For example, it has been found that some of the suspended particles upon application of the field to the suspension are oriented with their longitudinal axes parallel to the field, while others align themselves with their longitudinal axes at right angles to the field. So For example, aluminum and mica cannot be used effectively in combination be> since the orientation of the aluminum particles the intensity of a through the Suspension of the light beam entering across the field decreased while the orientation of the mica particles under the same conditions a lightening, i.e. an increase in intensity of the transmitted light beam. On the other hand, many substances can, which show the same effect under the same conditions can be effectively combined. These combinations can be two or more light absorbing substances, two or more light-reflecting substances or mixtures ;; e = n fully light-absorbing and light reflecting fabrics.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Bei Abwesenheit eines Feldes werden die suspendierten Teilchen in der Suspension eine regellose Anordnung infolge der Molekularstöiie des Suspetlsionsmediums einnehmen. Es kann eile Ausgleichsfeld quer zu dein angelegten Feld verwendet werden, um eine rasche Desorientierung oder Unordnung der Teilchen ltcrbeizufülireii,wenn das angelegte Feld aufgehoben ist, es wurde aber gefunden, daß bei Teilchen solcher Abmessung und Gestalt, welche in der Suspension die Brownsche- Bewegung zeigen, ein Ausgleichsfeld nicht notwendig ist, da die Teilchen die ungeordnete Lage in der Suspension unmittelbar nach Aufhebung des Feldes wieder einnehmen. Wenn die Teilchen in dein ganzen Suspensionsineclitini sich in ungeordneter Lage befinden, wie es beispielsweise in Fig. 3 der Zeichnung angedeutet ist, können einige Teilchen quer zum hindurchtretenden Lichtsrahl 21 liegen, andere parallel hierzu und andere wiederum unter verschiedenen Winkeln zum Lichtstrahl. Sie. bieten so eine wirksame total reflektierende oder absorbierende Oberfliiche dar, welche kleiner ist als diejenige, welche von der Masse der mit ihren Längsachsen quer zum Lichtstrahl gleichgerichteten Teilchen geboten wird und welche größer ist als die von den mit ihren Längsachsen parallel zum Lichtstrahl orientierten Teilchen dargebotene.The mode of operation of the device is as follows: In the absence of one Field, the suspended particles in the suspension become a random arrangement as a result of the molecular disturbance of the suspension medium. It can rush to equalize Used across your laid field to avoid rapid disorientation or Disorder of the particles to be added when the applied field is canceled, but it has been found that with particles of such size and shape, which in the suspension show the Brownian motion, a compensation field is not necessary is because the particles immediately lifted the disordered position in the suspension of the field again. When the particles in your whole suspension incinclitini are in a disordered position, as for example in Fig. 3 of the drawing is indicated, some particles can be transverse to the light beam 21 passing through others parallel to it and others at different angles to the Beam of light. She. So provide an effective totally reflective or absorbent Surface which is smaller than that which is of the mass of the particles rectified in their longitudinal axes transversely to the light beam and which is larger than that of the one with its long axis parallel to the light beam oriented particles presented.

In Fig. q. sind die Teilchen 2o mit ihren Achsen parallel zu dem Lichtstrahl 2t orientiert dargestellt.In Fig. Q. are the particles 2o with their axes parallel to the light beam 2t shown oriented.

Ein Vergleich der Fig. 3 und 4 zeigt, wie die Intensität des durchgelassenen Lichtes infolge einer Orientierung der Teilchen erhöht wird, welche die wirksame lichtabsorbierende oder -reflektierende Oberfläche der suspendierten Teilchen verringert. Wie aus den Figuren ersichtlich, tritt der Lichtstrahl durch das Ventil in paralleler Richtung zu dem angelegten Feld. Es ist jedoch klar, daß, wenn der Lichtstrahl durch das Ventil in einer hierzu senkrechten Richtung, d. h. in einer zur Zeichnungsebene der Fig. 3 und .a. senkrechten Richtung hindurchtritt, die Orientierung der Teilchen gemäß Fig. q. eine Verringerung der Intensität des durchtretenden Lichtes bewirken würde, weil die Oberfläche der suspendierten Teilchen zufolge ihrer Gleichrichtung erhöht ist.A comparison of FIGS. 3 and 4 shows how the intensity of the transmitted Light is increased as a result of an orientation of the particles, which is the effective light absorbing or reflecting surface of the suspended particles is reduced. As can be seen from the figures, the light beam passes through the valve in parallel Direction to the created field. It is clear, however, that when the light beam passes through the valve in a direction perpendicular thereto, d. H. in one to the drawing plane of Fig. 3 and .a. perpendicular direction passes through, the orientation of the particles according to FIG. q. cause a reduction in the intensity of the light passing through would because the surface of the suspended particles result in their rectification is increased.

Wenn ein Feld zur Einwirkung auf die Suspension der ungeordneten Teilchen gelangt, werden sich die Teilchen orientieren. Ihre total wirksame, reflektierende oder absorbierende Oberfläche wird daher vergrößert oder verkleinert, je nachdem sie sich quer oder parallel zum Lichtstrahl ausrichten. Diese Änderung in der wirksamen absorbierenden oder reflektierenden Oberfläche der Masse suspendierter Teilchen bewirkt eine entsprechende Änderung in der Intensität des durchtretenden Lichtes.When a field to act on the suspension of the disordered particles the particles will orientate themselves. Your totally effective, reflective or absorbent surface is therefore increased or decreased as the case may be they align themselves across or parallel to the light beam. This change in the effective absorbent or reflective surface of the mass of suspended particles causes a corresponding change in the intensity of the light passing through.

Sobald das angelegte Feld aufgehoben oder seine Intensität verringert wird, kehren die Teilchen wiederum in ihre ungeordnete Lage zurück, oder ihre Orientierung wird in jedem Falle durch die Molekularstöße des Suspensionsinediums beeinträchtigt, mit dem Ergebnis, daß die Intensität des durchtretenden Lichtes entsprechend geändert wird. Bei Verwendung polarisierender Teilchen bewirkt eine ungeordnete Verteilung derselben, wie sie beispielsweise in Fig. 3 angedeutet ist, eine Verringerung der Intensität des durchtretenden Lichtes, da die ungeordneten Teilchen die Suspension weniger durchsichtig oder völlig undurchsichtig machen. Gelangt auf die Suspension ein Feld zur Einwirkung, dann suchen sich die Teilchen mit ihren Polarisationsachsen parallel zu richten. Diese Orientierung verursacht eine Aufhellung oder Zunahme der Durchsichtigkeit der Suspension und bewirkt daher eine, Änderung der Intensität des durchgelassenen Lichtes. Bei allen oben beschriebenen Arten von Lichtventilen sind die suspendierten Teilchen klein, jedoch etwas größer als die Wellenlängen des Lichtes, mit welchen die Vorrichtung betrieben werden soll.As soon as the applied field is canceled or its intensity is reduced the particles return to their disordered position, or their orientation is in any case affected by the molecular impact of the suspension medium, with the result that the intensity of the light passing through changed accordingly will. The use of polarizing particles results in a disordered distribution the same, as indicated for example in Fig. 3, a reduction in Intensity of the light passing through because the disordered particles make the suspension make it less transparent or completely opaque. Get on the suspension a field to act on, then the particles look for each other with their polarization axes to be aligned in parallel. This orientation causes a lightening or an increase the transparency of the suspension and therefore causes a change in intensity of the transmitted light. With all types described above from light valves the suspended particles are small but slightly larger than the wavelengths of the light with which the device is to be operated.

Das beschriebene Lichtventil kann z. B. für die Zwecke des Fernsehens benutzt werden, da es auch bei hohen Frequenzen noch gut arbeitet.The light valve described can, for. B. for television purposes can be used as it works well even at high frequencies.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Electrically or magnetically controlled, from one transparent liquid medium existing light valve, characterized; characterized, that in the liquid permeated by natural light electrically or magnetically light-attenuating parts that can be influenced are suspended, the Brownian motion show and have a directional effect when exposed to a force field, such as that the light transmission changes. z. Light valve according to claim r, characterized characterized in that the suspended particles are made of light absorbing or light reflecting Substance exist in colloidal form. 3: Light valve according to claim i, characterized in that that the suspended particles of colloidal, polarizing light, in particular dichroic particles exist.