DE2434624A1

DE2434624A1 - Fluessigkristallgeraet

Info

Publication number: DE2434624A1
Application number: DE2434624A
Authority: DE
Inventors: Ian Alexander Shanks
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1973-07-18
Filing date: 1974-07-18
Publication date: 1975-02-06
Also published as: CH581841A5; FR2238200A1; NL186199B; JPS6029091B2; GB1469638A; US4232948A; FR2238200B1; CA1037151A; JPS5072645A; NL7409684A; NL186199C

Description

293-22.93²KP (22

Patentanwlfclt·
Dipi..ina. R. QSKTζ wn. · χ8. Juli 1974

DJMS K. LAMPHSCHT

Or.-Ing. R. B E K T Z Jr.
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The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty' s Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London (Großbritannien)

Flüssigkristallgerät

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkristallgerät, mit einer Flüssigkristallzelle zum Drehen plan- oder linearpolarisierten Lichts, wobei die Zelle eine Flüssigkristallschicht zwischen zwei Glasscheiben aufweist, die selektiv an ihrer Innenseite mit transparenten Elektroden beschichtet sind zum Anlegen eines elektrischen Feldes an der Flüssigkristallschicht , insbesondere ein Flüssigkristallanzeigegerät.

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293-(JX 4293/06)-Me-r (9)

δι einem Flüssigkristallgerät wird durch Einschließen einer Schicht aus einer Flüssigkristallsubstanz zwischen zwei Glasplatten eine Zelle gebildet. Eine solche Zelle ist als verdrillte nematische Zelle oder als Schadt-Helfrich-Effekt-Zelle bekannt. In der verdrillten nematischen Zelle wird plan- oder linearpolarisiertes Licht, das durch die Zelle hindurchtritt, in einem Maße gedreht, das durch die relative Winkelanordnung der Flüssigkristallmoleküle an der Grenzfläche mit dem Glas bestimmt ist. Die Ausrichtung der Moleküle wird durch Reiben der Glasoberfläche erreicht, üblicherweise ist eine verdrillte nematische Zelle so aufgebaut, daß polarisiertes Licht um 90 gedreht wird, obwohl eine Drehung um andere Winkel ebenfalls möglich ist. Das Legen einer geeigneten Spannung an die Flüssigkristallschicht zwingt die Moleküle in der Schicht, sich parallel zum angelegten Feld auszurichten, so daß polarisiertes Licht ohne Drehung hindurchtritt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Farbwechsel in einem Flüssigkristallgerät zu erreichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Polarisator, die Flüssigkristallzelle und eine doppelbrechende Schicht, wobei eine Änderung der an der Zelle angelegten Spannung die Polarisationsebene des durch die doppelbrechende Schicht tretenden Lichts ändert, so daß eine Farbänderung beobachtbar ist.

Die doppelbrechende Schicht kann aus mindestens einer Lage Zellulosefilm (z. B. "Gellophan"), Polyvinylalkoholfilm oder Polyvinylfluoridfilm bestehen. Ebenso kann die doppelbrechende Schicht eine Flüssigkristallschicht sein, deren Doppelbrechung mit der an der Schicht angelegten Spannung änderbar ist; z. B. eine Flüssigkristallzelle, die den

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Fredericksz-Effekt verwendet, mit einer nematischen Flüssigkristallsubstanz, die eine Anisotropie der Dielektrizitätskonstante besitzt, die kleiner als Null oder größer als Null ist; oder es kann eine verdrillte nematische Zelle verwendet werden, mit einer Molekülausrichtung an der Fläche der Flüssigkristallschicht unter 45 zur PoIi risationsachse des Polarisators oder eines Analysators.

Ein dünner Film aus optisch transparentem doppelbrechendem Werkstoff wie ein Zellulosefilm ("Cellophan") kann kräftige Farben hervorrufen, wenn er zwischen Polarisatoren angeordnet ist. Diese Wirkung wird gesteigert, wenn die Polarisatoren unter O oder 90 zueinander angeordnet sind und wenn die optische Achse des doppelbrechenden Films unter 45 zu einem der Polarisatoren ausgerichtet ist. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, zwei voneinander getrennte Farbtöne durch Drehen eines Polarisators um 90 zu erzeugen. Diese Farbtöne sind im allgemeinen miteinander verknüpft, z. B. blau und gelb, grün und magenta (fuchsin- oder purpurrot), rot und cyanblau. Dazwischenliegende Ausrichtungen des gedrehten Polarisators rufen einen Grauanteil der Farben und eine Durchlässigkeit für weißes Licht hervor, wenn der Polarisator bei 45 ist, d. h. parallel zur optischen Achse des doppelbrechenden Films. Unterschiedliche oder mehrlagige Dicken des doppelbrechenden Films rufen verschiedene Primär-Komplementär-Farbenzusammenstellungen hervor, vorausgesetzt, daß, wenn mehrlagige Dicken verwendet werden, die optischen Achsen aller Lagen parallel zueinander und unter 45 zu einem der Polarisatoren sind.

Die zwei beobachteten Farben für die beiden gegenseitigen Stellungen der Polarisatoren hängen von der Dicke der verwendeten doppel-

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brechenden Schicht und ihrer Doppelbrechung ab.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Explosionsdarstellung schematisch eine einfache Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausbildungsform der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Weiterbildung der Ausführungsform nach Fig. 2,

Fig 4 eine Weiterbildung der Ausbildungsform nach Fig. 1 für Betrieb mit reflektiertem Licht,

Fig. 5 eine Weiterbildung der Ausbildungsform gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines einfachen Farbwechselgeräts. Wie dargestellt, enthält es einen Polarisator 1 mit senkrecht (vertikal) angeordneter Polarisationsachse gemäß Pfeil 2. Hinter dem Polarisator 1 ist eine Flüssigkristallzelle 3 angeordnet mit zwei Glasplatten 4 und 5 mit einem Abstand von etwa 6-40 um und mit einer Flüssigkristallschicht 6, die den Zwischenraum ausfüllt. Die Flüssigkristallschicht 6 hat eine positive dielektrische Anisotropie und kann eine 15 % : 85 ^-Mischung aus PEBAB & MBBA oder Cyandiphenylen sein. Für die zu übertragende Wellenlänge transparente Elektroden 7 und 8 sind auf einer Seite jeder Glasplatte 4, 5 aufgetragen und legen,

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wenn sie mit einer (nicht dargestellten) Spannungsversorgung verbunden sind, eine Spannung an die Schicht 6. Hinter der Zelle 3 ist eine doppelbrechende Schicht 9, wie ein Zellulosefilm, mit ihrer optischen Achse unter 45 zum Polarisator 1 angeordnet, wie gemäß Pfeil 10. Hinter der doppelbrechenden Schicht 9 ist ein Polarisator 11 oder Analysator mit waagrechter (horizontaler) Polarisationsachse angeordnet, wie gemäß Pfeil 12. Die verschiedenen in Fig. 1 dargestellten Teile sind sich berührend angeordnet und nur zum besseren Verständnis in Explosionsdarstellung gezeigt. Wie schon bemerkt, besteht die Zelle 3 aus einer Flüssigkristallschicht 6 und zwei Glasplatten 4 und 5.

Die Platten 4, 5 werden vor dem Zusammenbau, z. B. mit einem Zellulosegewebe, an den Flächen gerieben, die die Flüssigkristallschicht 6 berühren. Beim Zusammenbau werden die beiden Platten 4, 5 so angeordnet, daß die geriebenen Flächen zueinander senkrecht sind, wie durch die Pfeile 13, 14 dargestellt. Eine in dieser Weise aufgebaute Zelle 3 dreht polarisiertes licht um 90 , wenn keine Spannung über der Flüssigkristallschicht 6 anliegt. Beim Anlegen einer geeigneten Spannung richten sich die Moleküle im Flüssigkristall allmählich parallel zum angelegten (Spannungs-)Feld aus, bis bei einer genügend hohen Spannung alle Moleküle ausgerichtet sind und die Schicht 6 1Ϊ-nearpolarisiertes licht nicht mehr dreht. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Glasplatte 4 neben dem Polarisator 1 mit parallel zur Polarisationsachse ausgerichteter geriebener Fläche angeordnet. Ähnlich ist bei der anderen Glasplatte 5 die Reibungsrichtung parallel zur Polarisationsachse des Polarisators 11.

Das Gerät nach Fig. 1 arbeitet ebensogut, wenn die Polarisations-

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achse des Polarisators oder des Analysators senkrecht zur Reibungsrichtung der benachbarten Glasplatte ist. Der Polarisator und der Analysator können (wie dargestellt) zueinander gekreuzte, aber auch parallel ausgerichtete Polarisationsachsen besitzen.

Im Betrieb wird, wenn keine Spannung an der Zeile 3 angelegt ist, weißes licht von einer Quelle durch den ersten Polarisator 1 vertikal polarisiert und tritt aus dem zweiten Polarisator 11 für einen Beobachter 15 als horizontal polarisiertes licht von überwiegend einer Farbe aus, z. B. blau. Das Legen einer geeigneten Spannung an die Zelle 3 ändert allmählich die Molekülausrichtung, so daß der Anteil des einfallenden Lichtes, das vollkommen linearpolarisiert übertragen wird) herabgesetzt wird, was im allgemeinen elliptische Polarisation ergibt. Im Grenzfall dreht die Zelle 3 die Polarisationsebene des Lichtes von dem ersten Polarisator 1 nicht mehr. In diesem Zustand hat das vom Beobachter 15 gesehene licht die Farbe gewechselt z. B. von blau nach gelb. Verschieden« Dicken der doppelbrechenden Schichten erzeugen andere zueinander, gehörige Paare von Farben, z. B. grün und magenta, rot und cyanblau. Das ist etwa ähnlich der erwähnten, durch Drehen der gekreuzten Polarisatoren erhaltenen Wirkung.

Wie anhand Fig. 1 erläutert wurde, wird eine einzige doppelbrechende Schicht verwendet. Zwei oder mehrere doppelbrechende Schichten erzeugen auch andere zusammengehörige Farbkombinationen, wobei alle Schichten vorzugsweise mit ihren optischen Achsen unter ί 45 zu einem der Polarisatoren angeordnet sind. Wenn alle Schichten ihre optischen Achsen parallel zueinander ausgerichtet haben, ist die Wirkung gleich der bei einer einzigen doppelbrechenden Schicht mit einer Dicke, die der Gesamtdicke der Schichten entspricht.

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Wenn die optischen Achsen benachbarter doppelbrechender Schichten nicht parallel sind, kann die Drehung von entweder dem Polarisator oder dem Analysator um 180 eine sich kontinuierlich ändernde Folge von Farben ergeben. Eine Ausnahme dazu besteht nur dann, wenn bei zwei Schichten mit nichtparallelen optischen Achsen weißes Licht übertragen wird, wenn der Polarisator und der Analysator parallel oder senkrecht zur optischen Ach§e der benachbarten Lagen sind. Die Menge an übertragenem weißem Licht hängt in diesem Fall von dem Winkel zwischen den optischen Achsen der beiden Lagen ab. Farben können erhalten werden mit einer aus zwei Lagen zusammengesetzten Schicht für andere Ausrichtungen von Polarisator oder Analysator. In allen Fällen hängt die unter gegebenen Bedingungen erhaltene tatsächliche Farbe ab von den optischen Vereögerungen (Retardationen) der verschiedenen Lagen und kann durch Drehen des Polarisators oder des Analysators geändert werden. Für gewisse Einzel werte der optischen Verzögerungen und der Winkel von Polarisator und Analysator kann eine gute Annäherung an weißes Licht erhaltea werden. Alle Fälle können durch eine einfache, wenn auch langwierige Anwendung der bekannten Mathematik der anisotropen Optik berechnet v/erden.

Die theoretische Grundlage zum Berechnen der zu beobachtenden Farben ist folgende:

Wenn eine doppelbrechende Schicht verwendet wird, ist die Durchlässigkeit oder Transmission T des Geräte für unpolarisiertes Licht

T = $· CoS²C^ - £ ) - I ein 2«hv ain ? β Bin² |

mit et und /als den Winkeln zwischen der Polarisator- bzw. der Analysator-übertragungsachse und der optischen Achse der Schicht, und mitSals der optischen Verzögerung der Schicht, wobei

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mit η = η - η ,
e ο

t = Dicke

η = Brechungsindex der ordentlichen Welle η = Brechungsindex der außerordentlichen Welle.

Wenn eine zusammengesetzte Schicht mit η Lagen der optischen Verzögerung cT verwendet wird, wird die Durchlässigkeit des Gerätes im allgemeinen ein Polynom n-ter Ordnung für cos S. Deshalb ist

ⁿ r,

T = 2L ^ar ^COB

r?=o

wobei die Koeffizienten a_r von den Winkeln des Polarisators, des Analysators und der optischen Achse der η Lagen gegenüber einem Bezugspunkt abhängen. Wenn die optische Verzögerung der η Lagen nicht gleich ist, sondern Werte <Sj besitzt (i = 1, 2, 3, ...n), weist die Durchlässigkeit des Geräts eine komplexere Form auf mit Gliedern der Form cos S^ cos o\, cos ^_m ..., wobei k = 1,2... n; 1 = 1,-2 ... njm = 1, 2 ... n. Aus diesen Gleichungen kann die Anordnung der doppelbrechenden Schichten und ihre Dicke für geforderte Farben bestimmt werden.

Die an die Zelle 3 angelegte Spannung über die Flüssigkristallschicht kann entweder eine Gleichspannung oder eine Rechteck- oder Sinusspannung sein mit einer Frequenz bis etwa 100 kHz, wobei die Entdrillwirkung vom Effektivwert der Wechselspannungen über etwa 20 Hz abhängt. Die Entdrillwirkung ergibt eine Schwellenspannung (unterhalb

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der kein Entdrillen auftritt) von etwa 1 - 5 V Wechselspannung und 5 - 10 V Gleichspannung und ist im wesentlichen vollständig bei Spannungen von etwa 1-10 V über der Schwellenspannung. Der tatsächliche Wert hängt von der verwendeten Flüssigkristallsubstanz ab. Die oben beschriebene Zelle dreht polarisiertes Licht um 90 ; es ist festzustellen, daß diese Drehung willkürlich im oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgen kann.. Die Drehwirkung der Zelle ist von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes unter der Voraussetzung unabhängig, daß die Dicke der Zelle für die Wellenlänge des verwendeten Lichtes geeignet ist.

Die Zelle 3 gemäß Fig. 1 kann zum Drehen linear polarisierten Lichtes um 45 ausgelegt sein. In einem solchen Fall würden die doppelbrechende Schicht noch mit ihrer Polarisationsachse unter 45 zur Reibungsrichtung ihrer benachbarten Glasscheibe und der Analysator parallel zu dieser Reibungsrichtung angeordnet sein.

Das Anlegen einer Nullspannung oder einer Spannung über der Schwellenspannung ruft ein von einem Beobachter 15 zu sehendes farbiges bzw. weißes Licht (d. h. Durchsichtigkeit) hervor. Wenn die Polarisationsachse der doppelbrechenden Schicht 9 parallel zur Reibungsrichtung der benachbarten Glasscheibe oder -platte 5 angeordnet ist, dann erscheint das Gerät klar (durchsichtig oder transparent), wenn keine Spannung an der Zelle 3 anliegt, und farbig, wenn eine geeignete Spannung angelegt ist=

Auf diese Weise können durch Verwenden verschiedener Dicken der doppelbrechenden Schicht Geräte hergestellt t'/erden, die als Rotoder Grün- oder Blaufilter bzw. Cyanblau-Magenta- oder Gelbfilter wirken. 409886/1024

Derartige Geräte können in der Farbfotografie verwendet werden, wobei zum Erzeugen von Farbkopien ein empfindliches Papier dem Licht von einem Negativ durch drei aufeinanderfolgende farbige Filter ausgesetzt wird. Üblicherweise werden die Cyanblau-, Magenta- und Gelbfilter getrennt voneinander zwischen dem Negativ und dem Papier oder die Lichtquelle und das Negativ mittels mechanischer oder elektromechanischer Einrichtungen bewegt.

Die drei mechanisch betriebenen Filter können durch drei erfindungsgemäße Flüssigkristallgeräte ersetzt werden, die ständig zwischen dem Negativ und dem Papier angeordnet sind. Jedes Gerät wirkt als ein getrenntes Filter, d. h. als Cyanblau- oder Magenta- oder Gelbfilter. Wenn beispielsweise ein Cyanblaufilter benötigt wi rd, um rotes licht zu entfernen, dann wird das Cyanblaugerät so unter Spannung gesetzt, daß es cyanblau aussieht, während die beiden anderen Filter so unter Spannung gesetzt sind, daß sie klar, d.h. transparent, erscheinen. Ähnlich werden die anderen Farbfilter, für magenta und gelb, getrennt betrieben zum Regeln oder Steuern der Lichtmenge des grünen und blauen Lichtes, das das Papier erreicht, so daß das Papier geregelte Belichtungen durch rotes, grünes und blaues Licht erhält. Wenn die drei Farbfilter elektrisch ohne körperliche Bewegung betrieben werden, wird die Gesamtzeit zum vollständigen Belichten eines Papiers gegenüber den herkömmlichen zu bewegenden Filtern beträchtlich vermindert. Ein ähnliches System mit Rot-, Grün- und Blaugeräten kann in einer Additiv-Kopiermaschine verwendet werden, bei der aufeinanderfolgende Belichtungen mit rotem, grünem und blauem Licht durchgeführt werden.

Eine Anordnung zum Erzeugen mehrerer beobachtbarer Farben

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ist in Fig. 2 dargestellt. Im Grunde enthält sie hintereinander einen ersten Polarisator 20, drei kontinuierliche Schichten 21, 22, 23 aus doppelbrechendem Film, zwei Flüssigkristallzellen 24, 25 (ähnlich der gemäß Fig. l) mit der gleichen Verdrillrichtung und einen zweiten Polarisator 26. Erster Polarisator 20 als auch zweiter Polarisator 26 haben zueinander ausgerichtete Polarisationsachsen. Die drei doppelbrechenden Schichten 21, 22, 23 sind so angeordnet, daß eine Schicht unter 45 zur Polarisationsachse des ersten Polarisators 20, die anderen Schichten um 20 nach beiden Seiten davon angeordnet sind, obwohl auch andere Winkel verwendet werden können. Auch eine asymmetrische Winkelanordnung kann verwendet werden. Auch mehr als drei doppelbrechende Schichten können verwendet werden.

Die beiden Flüssigkristallzellen 24, 25 sind jeweils so aufgebaut, daß sie polarisiertes licht um 90 drehen und relativ zueinander so angeordnet, daß polarisiertes licht, das durch beide Zellen 24, 25 hindurchtritt, um 180 gedreht wird, solange keine Spannung an die Flüssigkristallschicht 6 angelegt ist. Wie dargestellt, sind die transparenten Elektroden 7, 8 an den Zellen 24, 25 parallelgeschaltet, um identische Spannungen an jeder Flüssigkristallschicht 6 zu gewährleisten; die Zellen 24, 25 können ebenso in Serie geschaltet sein, jedoch könnte das zu verschiedenen Spannungen an den Schichten 6 führen, wenn die Impedanz der beiden Zellen 24, 25 nicht identisch ist.

Während des Betriebs wird weißes licht von einer (nicht dargestellten) Quelle auf den ersten Polarisator 20 gerichtet, wo es in linearpolarisiertes Licht umgesetzt wird. Das polarisierte Licht tritt durch die drei doppelbrechenden Schichten 21, 22, 23 und durch die zwei Zellen 24, 25, wo es verzögert oder gedreht wird in einem von

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der an den Zellen 24, 25 gelegten Spannung abhängigen Maß; ist keine Spannung angelegt, wird das Licht um 180 gedreht,und mit zunehmender Spannung wird diese Drehung bis auf Null verringert.

Das Licht von den Zellen 24, 25 tritt dann durch den zweiten Polarisator 26, um von einem Beobachter 27 gesehen zu werden. Der Beobachter 27 sieht das Licht als eine Farbe, die sich über das gesamte sichtbare Spektrum des Lichtes ändert, wenn die Spannung an den Zellen 24, 25 geändert wird.

Bei einer Weiterbildung nach Fig. 2 ist die Flüssigkristallzelle 24 zum Drehen linearpolarisierten Lichts um 45 ausgelegt und mit einer Reibungsrichtung auf der Platte, die der Platte 5 der Zelle 25 benachbart ist, die parallel oder senkrecht zur Platte 5 ist. Zusätzlich sind die Zellen 24, 25 an verschiedene Spannungsquellen angeschlossen. Deshalb kann durch getrenntes oder gemeinsames Ein- und Ausschalten der Zellen 24, 25 linearpolarisiertes Licht, das durch die beiden Zellen 24, 25 tritt, schrittweise um 0 , 45 , 90 und 135 gedreht werden, und deshalb kann eine Anzeigeeinrichtung mit vier verschiedenen Farben hergestellt werden durch geeignete Auswahl von zusammengesetzter doppelbrechender Schicht und Ausrichtung der optischen Achsen.

Fig. 3 ist eine Weiterbildung der Fig. 2, obwohl sie dieselben Bauteile verwendet, die dieselben Bezugszeichen besitzen. Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die drei doppelbrechenden Schichten 21, 22, 23 zwischen den Flüssigkristallzellen 24, 25 angeordnet; auch hat jede Zelle 24, 25 ihre eigene Spannungsregelung V , V_. Wenn jede Zelle 24, 25 linearpolarisiertes licht um 90 drehen kann (wie gemäß Fig. 2), so ermöglicht die Anordnung das Drehen einfallenden Lichtes schrittweise umO°, 90° °

Wie schon festgestellt, dreht die verdrillte nematische Zelle Licht um 90 , wenn die geriebenen Glasplatten mit ihrer Reibungsrichtung unter 90 angeordnet sind. Durch Auslegen des Winkels zwischen den Reibungsrichtungen kann eine Zelle zum Drehen von Licht um jeden eingestellten Wert bis zu 90 oder mehr aufgebaut werden, wenn keine Spannung an die Flüssigkristallschicht 6 gelegt ist. Deshalb können z. B. die Zelle 24 der Fig. 3 zum Drehen von Licht um 90 und Zelle 25 zum Drehen von licht um 60 ausgelegt werden. Mit einer derartigen Anordnung kann Licht, das durch das Gerät hindurchtritt, schrittweise um 0 , 30 , 60 und 90 durch Anlegen geeigneter Spannungen gedreht werden. Deshalb kann ein Gerät mit vier getrennten Farben hergestellt werden durch geeignete Dicke einer zusammengesetzten doppelbrechenden Schicht und Ausrichtung der optischen Achsen^

Andere Anordnungen sind möglich, und zusätzliche Flüssigkristallzellen können verwendet werden.

Beispielsweise kann eine weitere Flüssigkristallzelle dem in Fig. dargestellten Gerät hinzugefügt werden. Eine solche Zelle kann zwischen dem Polarisator 20 und der doppelbrechenden Schicht 21 angeordnet werden j wobei die Reibungsrichtung ihrer Seite neben dem Polarisator 20 parallel oder senkrecht zur Polarisationsachse des Polarisators 20 ist. Diese weitere Zelle kann zum Drehen linearpolarisierten Lichtes um 22 /2° ausgelegt sein. Wenn die Zellen 24, 25, wie beschrieben, zum Drehen linearpolarisierten Lichtes um 45 bzw. 90 ausgelegt sind und alle drei Zellen unabhängige Spannungsversorgungen besitzen, kann das Gerät linearpolarisiertes Licht in diskreten Stufen um 0 , 22 y2 , 45 , 67 V2⁰, 90°, 112 V2⁰, 135° drehen. Ein solches Gerät kann sechs ge-

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trennte Farben wiedergeben, zuzüglich weiß durch geeignete Wahl der zusammengesetzten doppelbrechenden Schichten 21, 22, 23.

Bei der obigen Beschreibung wurden die doppelbrechenden Schichten der Fig. 1, 2 und 3 als vollständige Schichten über die Breite der Zelle beschrieben. Eine oder mehrere Schichten können in Form von kleiner geformten Stücken ausgebildet sein, um eine Anzeige zu bilden. Z. B. können die Stücke als Symbole ausgebildet sein, z. B. als ein Pfeil oder als Buchstaben oder Ziffern. Die Symbole, Buchstaben oder Ziffern können durch Wechseln der Farben auf einem unterschiedlich gefärbten Hintergrund sichtbar gemacht werden.

Jede geeignete variable Spannungsquelle kann zum Regeln der beobachteten Farbe verwendet werden.

Eine in Fig. 4 dargestellte Weiterbildung der Erfindung arbeitet mit reflektiertem licht statt mit transmittiertem licht, wie in den Fig. 1, 2 und 3. Das Gerät ist ähnlich dem gemäß Fig. 1 aufgebaut, wobei gleiche Teile gleiche Bezugszeichen besitzen, und weist einen Polarisator 1 mit vertikaler Polarisationsachse auf, gemäß Pfeil 2 (wobei die Polarisationsachse auch horizontal sein kann). Hinter dem Polarisator 1 ist eine Flüssigkristallzelle 3 (oder zwei Zellen) angeordnet, um linearpolarisiertes licht um bis zu 180 zu drehen. Die Reibungsrichtung auf der Zellenwand neben dem Polarisator 1 ist vertikal, wie durch den Pfeil 13 angezeigt. Die Reibungsrichtung an der anderen Zellenwand 5 ist durch den Pfeil 14 als horizontal dargestellt; in diesem Fall dreht die Zelle 3 in ausgeschaltetem Zustand linearpolarisiertes Licht um 90 . Hinter der Zelle 3 ist doppelbrechende Schicht 9 angeordnet. Wenn die Zelle 3 linearpolarisiertes licht um bis zu 180 dre-

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hen kann, dann kann diese Schicht eine zusammengesetzte Schicht sein, wobei die Einzelschichten mit ihren optischen Achsen in verschiedenen Richtungen angeordnet sind, z. B. eine unter 45 , wie durch .den Keil

10 gezeigt, und die anderen symmetrisch oder asymmetrisch um den 45 -Keil 10. Hinter der doppelbrechenden Schicht 9 ist ein Analysator

11 mit horizontaler Polarisationsachse angeordnet, wie gemäß Keil 12. Hinter dem Analysator 11 ist ein Spiegel oder ein Streu- oder Diffusions-Reflektor 27 angeordnet, z. B. weißes Papier oder Aluminiumfarbe.

Im Betrieb mit einem Spiegel oder einem Streu-Metallreflektor 27 (z. B. Aluminiumfarbe) und ausgeschalteter, d. h. spannungsloser ZeI-Ie 3, tritt unpolarisiertes licht durch den Polarisator 1 und in die Zelle 3 ein, wo ihre Polarisationsebene von vertikal nach horizontal gedreht wird. Das horizontal polarisierte licht tritt durch die doppelbrechende Schicht 9 und den Analysator 11; an dem Spiegel oder dem Streu-Metallreflektor tritt farbiges horizontal, polarisiertes licht zurück durch den Analysator 11, die doppelbrechende Schicht 9, die Zelle 3 und den Polarisator 1, um von einem Beobachter 15 als ein farbiges Licht (z. B. blaues licht) gesehen zu werden. Die Farbintensität wird durch den doppelten Durchgang durch das Gerät verstärkt.

Wenn eine Spannung oberhalb der Schwellenspannung an die Zelle 3 gelegt wird, hört sie auf, linearpolarisiertes licht ai drehen. Deshalb tritt weißes vertikal polarisiertes licht von dem Polarisator 1 durch die doppelbrechende Schicht 9. Horizontal polarisiertes licht einer davon verschiedenen (z. B. gelben) Farbe wird durch den Spiegel oder den Streu-Metallreflektor 27 zurückgestrahlt durch das Gerät, um vom

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Beobachter 15 als starkes farbiges licht (z. B. als gelbes Licht) gesehen zu werden.

Wenn der Reflektor 27 ein dielektrischer Streu-Reflektor ist (z. B. weißes Papier), wird den Reflektor 27 erreichendes Licht farbig und linearpolarisiert, verliert jedoch nach der Reflexion seine Polarisation, jedoch nicht seine Farbe, so daß etwas von dem Licht beim Wiedereintritt in den Analysator 11 absorbiert wird. Die beobachteten Farben sind deshalb von verminderter Intensität gegenüber einem Gerät mit einem Reflexionsspiegel oder einem Streu-Metallreflektor 27. Im Zusammenhang mit dem obigen Gerät soll ein "Streu-Metallreflektor" ein Streu-Reflektor sein, der die Polarisation des einfallenden Lichts aufrecht erhält. Er muß nicht notwendigerweise aus Metall sein, sondern kann z. B. ein Ballotini-Glasperlen-Reflektor sein.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausbildungsform der Erfindung ähnlich der gemäß Fig. 1, wobei ähnliche Teile gleiche Bezugszeichen aufweisen. Das Gerät gemäß Fig. 5 weist auf einen Polarisator 1 mit vertikaler Polarisationsachse, gemäß Pfeil 2, eine Flüssigkristallzelle 3 mit vertikaler Reibungsrichtung auf der Platte 4, gemäß Pfeil 13, und mit einer Reibungsrichtung unter 45 auf der Platte 5, gemäß Pfeil 14, so daß die Zelle 3 linearpolarisiertes Licht um 45 dreht, eine doppelbrechende Schicht 9 mit vertikal ausgelegter optischer Achse, gemäß Pfeil 10, und einen Spiegel oder einen Streu-Reflektor 28, der die Polarisation aufrecht erhält, z.B. eine mit Aluminium bestrichene Fläche.

Im Betrieb wird bei spannungsloser Zelle 3 unpolarisiertes weißes Licht durch den Polarisator 1 vertikal polarisiert, und die Polarisations-

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ebene durch die Zelle 3 um 45 gedreht. Polarisiertes Licht von der Zelle 3 tritt durch die doppelbrechende Schicht 9 (unter 45 zu ihrer optischen Achse), wird durch den Spiegel 28 zurück durch die doppelbrechende Schicht 9, die Zelle 3 und den Polarisator 1 reflektiert, um vom Beobachter 15 als farbiges Licht gesehen zu werden. Das Anlegen einer geeigneten Spannung an die Zelle 3 ruft Wiederausrichtung der Flüssigkristallmoleküle hervor, so daß die Zelle 3 das vertikal polarisierte Licht vom Polarisator 1 nicht mehr dreht. Deshalb tritt vertikal polarisiertes Licht durch die doppelbrechende Schicht 9 parallel zu ihrer optischen Achse, um vom Spiegel 28 zum Beobachter 15 reflektiert zu werden, wo es als weißes Licht zu sehen ist.

Wenn die doppelbrechende Schicht 9 mit ihrer optischen Achse parallel oder senkrecht zur Reibungsrichtung auf den benachbarten Platten oder Scheiben 5 angeordnet ist, dann wird das Gegenteil des Obigen beobachtet, d. h. das Gerät ist weiß bei spannungsloser Zelle 3 und farbig, wenn eine geeignete Spannung an die Zelle 3 gelegt ist. Der Verdrillwinkel der Zelle kann jeden Wert bis 90 besitzen. Wenn eine zusammengesetzte Schicht verwendet wird, dann können zwei verschiedene Farben statt einer Farbe und weißes Licht erhalten werden: Die erhaltenen Farben sind festgelegt durch geeignete Wahl der zusammengesetzten Schicht und Ausrichtung des Polarisators 1.

Die Erfindung wurde unter Verwendung sichtbaren Lichts beschrieben, sie kann auch bei anderen Wellenlängen verwendet werden durch Verwenden geeigneter Abmessungen und Werkstoffe für die Zelle, die bei diesen Wellenlängen transparent sind, und durch Polarisatoren, die zum Betrieb bei diesen Wellenlängen bestimmt sind.

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Ein deutlicher Vorteil der beschriebenen Geräte ist die Einheitlichkeit der erzeugten Farben, insbesondere dann, wenn ein Mehrfarben-Umschalten durchgeführt wird. Eine Weiterbildung für die verschiedenen beschriebenen Wirkungen ist das Zufügen geringer Mengen eines optisch aktiven Dotier Stoffs, z. B. d-Menthol oder bis zu 1 % W- W. eines cholesterinischen Flüssigkristalls, zum verwendeten nematischen Flüssigkristall. Das ergibt eine verdrillte Struktur mit großer Steigung für die nematische Flüssigkeit mit dem Richtungssinn der Drehkraft des Dotierstoffs. Das ermöglicht reproduzierbare Herstellung von Zellen mit gleichgerichteter Verdrillung und führt dazu, daß vorteilhaft das Erscheinen spontan erzeugter Bereiche in-einer Zelle verhindert wird, die gegenüber dem Restanteil der Zelle entgegengesetzten Verdrillsinn haben, was zu einem Bereich mit unterschiedlicher Farbe führen kann. Weiter ermöglicht das die Herstellunq von Zellen mit Verdrillwinkeln größer als 90 .

Ein wie oben beschrieben hergestelltes Gerät kann als variables Farbfilter in z. B. alphanumerischen Anzeigen oder Matrixanzeigen verwendet werden, in denen viele unterschiedliche .Anzeigebereiche in einer Matrix angeordnet sind, um eine große Anzeige zu bilden.

Als weiteres Beispiel kann die Flüssigkristallzelle in eine große Schalttafel eingebaut werden, mit diskreten in einer Matrix angeordneten Elektrodenflächen. Das Anlegen geeigneter Spannungen ruft das Erscheinen der gewünschten Farbe in ausgewählten Bereichen hervor.

Ein weiteres Beispiel der Erfindung kann bei Schwarzweiß-Fernsehempfängern verwendet werden, die modifiziert einfarbige (mono-

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chrome) Bilder mit roter, grüner und blauer Video-Information zeitlich aufeinanderfolgend abgeben. Das Filter wird vor dem Schwarzweiß- oder Monochromgerät angeordnet und die Spannung geregelt, um rote, grüne und blaue Farben synchron mit den aufeinanderfolgenden roten, grünen und blauen Teilbildern (oder Gruppen von Teilbildern) abzugeben. Die sich ergebende Information wird dann vom Auge des Beobachters integriert, um ein Farbbild, das dem Originalbild oder -schauplatz entspricht, zu ergeben. Einfachere Zweifarbengeräte sind eben- , falls möglich.

Andere mögliche Verwendungsarten sind:

- Verwendung bei kolorimetrischen Ausrüstungen, um den Farbausgleich elektronisch zu ändern.

- Verwendung bei Fotoausrüstungen, um den Farbausgleich elektronisch zu ändern.

- Verwendung auf dem Gebiet der Filmtechnik, um Farbbildinformationen auf Schwarzweiß- oder Monochrom film aufzuzeichnen. Licht vom Originalschauplatz wird auf einen Schwarzweißfilm durch das Filter belichtet, das spannungsgeregelt ist, um rote, grüne oder blaue Information an aufeinanderfolgende Einzelbilder oder Gruppen von Einzelbildern abzugeben, und eine Kennmarke wird am Film außerhalb des Bildbereiches angebracht, um die Farbe jedes Einzelbildes zu kennzeichnen. Wenn der Film Projiziert iwrd, wird ein zweites Filter spannungsgeregelt, um die dazugehörigen, von der Kennmarke angezeigten Farben zu ergeben. Die sich ergebende Folge von roten, grünen und blauen Einzelbildern oder Gruppen von Einzelbildern wird vom.Auge

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des Beobachters integriert, um wieder die Farben des (ursprünglichen) Originalschauplatzes wieder zu erzeugen.

- Verwendung in der Flüssigkristalltechnologie, um Bereiche umgekehrter Verdrillung bei den beschriebenen Zellenarten festzustellen. Es kann manchmal geschehen, daß eine Zelle mit vorherrschend einer Drehrichtung Bereiche haben kann, die Drehung in die entgegengesetzte Richtung zeigen. Wenn solch eine Zelle anstelle der zwei Zellen gemäß Fig. 1 verwendet wird, dann nehmen bei Anlegen einer Spannung über dem Schwellenwert die Bereiche der umgekehrten Verdrillung andere Farben gegenüber den Restbereichen der Zelle an, da die bei der Drehung um + O und -θ (θ < θ < 90 ) erzeugten Farben verschieden sind -

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit in der Flüssigkristalltechnologie ist die Feststellung von Wechsel der Molekularausrichtung.

Eine weitere Ausbildung der beschriebenen Geräte ist das Ersetzen des nematischen Flüssigkristalls durch einen cholesterinischen Flüssigkristall, dessen Molekularaufbau eine Steigung hat, die wesentlich länger oder wesentlich kürzer ist als die angelegten Wellenlängen, z. B. sichtbares Licht. In diesem Fall ist das cholesterinische Flüssigkristall eingeschlossen zum Annehmen der Grandjean-Flächentextur, z. B. durch Ausüben einer Scherung oder eines Schubs auf die Flüssigkeit zwischen den Zellwänden durch Bewegen einer Wand gegenüber der anderen. Gemäß dem Verfahren von Fergason (vgl. z. B. GB-PS 1 123 117) ruft das Anlegen einer Spannung an die cholesterinische Schicht das Ändern ihrer optischen Aktivität hervor, was eine span-

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nungsabhängige Drehung des linearpolarisierten Lichtes ergibt, ähnlich der des verdrillten nematischen Effektes, jedoch über einen Winkel, der mehrere Hunderte Grad betragen kann.

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Claims

Patentansprüche

1. Flüssigkristallgerät, mit einer Flüssigkristallzelle zum Drehen plan- oder linearpolarisierten · Lichts, wobei die Zelle eine Flüssigkristallschicht zwischen zwei Glasscheiben aufweist, die selektiv an ihrer Innenseite mit transparenten Elektroden beschichtet sind zum Anlegen eines elektrischen Feldes an der Flüssigkristallschicht,

gekennzeichnet durch

einen Polarisator (21, 11, 26), die Flüssigkristallzelle (3, 24, 25) und eine doppelbrechende Schicht (9, 21, 22, 23), wobei eine Änderung der an der Zelle (3, 24, 25) angelegten Spannung die· Polarisationsebene des durch die doppelbrechende Schicht tretenden Lichts ändert, so daß eine Farbänderung beobachtbar ist.

2. Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Schicht (9, 21, 22, 23) mindestens zwei Lagen aufweist, wobei jeweils die optische Achse unter einem Winkel zur optischen Achse der benachbarten Lage angeordnet ist.

3. Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mehrere Flüssigkristallzellen (3, 24, 25), die jeweils linearpolarisiertes Licht um unterschiedliche Winkel drehen, wobei das Gerät durchsetzendes linearpolarisiertes licht um eine bestimmte Anzahl von Winkeln drehbar ist, so daß eine bestimmte Anzahl von Farben beobachtbar ist.

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4. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Reflektor (27, 28) zum Beobachten von Farbänderungen durch Reflexion von licht durch das Gerät.

5. Flüssigkristallgerät nach-einem der Ansprüche Ibis 4, gekennzeichnet durch einen ersten Polarisator (l, 20) und einen zweiten Polarisator oder Analysator (ll, 26).

6. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in einer Matrix angeordnet sind, um ausgewählte Bereiche des Gerätes zur Wiedergabe von Farbwechseln zu veranlassen.

7. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als ein Farbfilter ausgebildet ist, bei dem die Zelle (3, 24, 25) zum Drehen linearpolarisierten Lichtes zwischen 0 und 45 , abhängig von der an der Zelle (3, 24, 25) anciclerjten Spannung ausgelegt ist zum Wechseln der beobachtbaren Farbe zwischen einem weißen licht und einem farbigen licht.

8. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (3, 24, 25) ausgelegt ist zum Drehen linearpolarisierten Lichtes um 90 , wobei die optische Achse der doppelbrechenden Schicht (9) unter 45 zur Polarisationsebene des in die doppelbrechende Schicht (9) eintretenden lichtes ist, um durch Anlegen einer Spannung an die Zelle (3, 24, 25) den Wechsel der beobachtbaren Farbe zwischen zwei zusammengehörigen Farben hervorzurufen.

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9. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der doppelbrechenden Schicht (9, 21, 22, 23) zueinander unterschiedliche Form aufweisen.

10. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (3, 24, 25) eine verdrillte nematische Zelle ist.

11. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall (6) eine nematische Substanz mit einem geringen Zusatz cholesterinischen Flüssigkristalls ist.

12. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall (6) eine cholesterinische Flüssigkristallsubstanz mit einem Molekularaufbau ist, der eine Steigung aufweist, die viel größer oder viel kleiner als sichtbares Licht ist.

13. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Schicht (9, 21, 22, 23) eine Flüssigkristallschicht in einer Flüssigkristallzelle ist, deren Doppelbrechung durch Anlegen eines elektrischen Feldes änderbar ist,

14. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Schicht (9, 21, 22, 23)

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ein Zellulosefilm ist.

15. Flüssigkristallgerät nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Schicht (9, 21, 22, 23) ein Polyvinylalkoholfilm ist.

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