DE2713718C2

DE2713718C2 - Optisches Lichtventil

Info

Publication number: DE2713718C2
Application number: DE2713718A
Authority: DE
Inventors: Gary A. Fairport N.Y. Dir; Werner E.L. Webster N.Y. Haas
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1977-03-28
Publication date: 1986-07-17
Also published as: US4037932A; DE2713718A1; GB1579663A; JPS52134454A

Description

a) Mittel zum gleichmäßigen Beleuchten der Anordnung von der anderen Seite der Photoleiterschicht (12) mit actinischer Strahlung vorgesehen sind,

b) die Photoleiterschicht (12) eine solche Dicke und einen solchen Absorptionskoeffizienten für dieaciinische Strahlung aufweist, daß nach Aktivierung durch die gleichmäßige Beleuchtung ein raumladungsbegrenzer Strom hervorgerufen wird,

c) die Intensität der gleichförmigen actinischen Strahlung die durch die Photoleiterschicht (12) hindurchtritt, nicht größer als ein Drittel der Intensität der bildmäßig gestalteten actinischen Strahlung ist, die von der anderen Seite auf die Photoleiierschicht (12) auftrifft, und

d) die Grenzfläche zwischen der Photoleiterschic!'· (12) und dem elektro-optischen Medium (13) teilweise reflektierend ausgebildet ist.

2. Lichtventii nach Arapruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro-optische Medium (13) eine Flüssigkristallzusammensetzung aufweist.

3. Lichtventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzusammensetzung ein nematischer Flüssigkristall ist.

4. Lichtventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzusammensetzung eine getwistete nematische Flüssigkristallsubstanz ist.

5. Lichtventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzusammensetzung eine Mischung einer cholesterischen und einer nematischen Flüssigkristallsubstanz ist.

6. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro-optische Medium (13) ferroelektrische Keramiksubstanzen enthält.

7. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro-optische Medium (13) ein ferroelektrischer Einkristall ist.

8. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro-optische Medium (13) ein Pockels-Kristall ist.

9. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Photoleiterschicht (12) und dem elektro-optischen Medium (13) ein elektrischer Spiegel eingeschlossen ist.

10. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoleiterschicht (12) aus Selen oder Selenlegierungen besteht.

11. Lichtventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoleiterschicht (12) aus Arsen-Triselenid besteht.

Die Erfindung betrifft ein optisches Lichtventil, mit

einer Anordnung aus einer Photoleiterschicht und einer Schicht aus einem elektro-optischen Medium zwischen Elektroden ohne dazwischenliegender optischer Sperrschicht, mit einer Spannungsqudle zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden, und mit einer Einrichtung zum bildmäßigen Belichten der Photoleiterschicht auf einer Seite derselben mit einer actinischec Strahlung.

Durch die schnellen Fortschritte auf dem Gebiet der Bildaufzeichnungsvorgänge sind verschiedene Typen optisch adressierter Lichtventile im Gebrauch. Man strebt an, daß derartige Lichtventile einfach sind, d. h. die geringstmögliche Zahl von Schichten aufweisen, und das Auslesen auch während des Einschreibzyklus er-

t3 möglichen. Die Intensität des Ausleselichtes sollte die der Einschreibintensität übersteigen, die vorzugsweise um mehrere Größenordnungen kleiner ist

Bekannte Lichtventile bestehen aus einen Photoleiter, der in Reihe geschaltet ist mit einem elektro-optisehen Medium wie etwa einem Flüssigkeitskristall, einer ferroelektrischen Substanz oder dgl. Der Photoleiter steht unter einer elektrischen Vorspannung, und in bildmäßiger Konfiguration auf ihn auftreffendes licht bewirkt, daß in den belichteten Bereichen sein Widerstand abnimmt. Dies führt zu bildmäßigen Veränderungen in dem am elektro-optischen Medium wirksamen Feld, was wiederum aufgelesen oder projiziert werden kann.

Man hat bisher angenommen, daß, damit das für das

Auslesen angewendete Licht das aufgezeichnete Bild nicht »auswächst«, das Auslesen entweder mit Licht von solchen Wellenlängen durchgeführt wird, auf die der Photoleiter nicht anspricht, oder daß zwischen das elektro-optische Medium und den Photoleiter eine elektrisch leitende, optisch oder abschirmende Schicht eingefügt wird. Für die Art Lichtventil, bei der das zum Auslesen verwendete Licht eine Wellenlänge hat, die den Photoleiter nicht beeinflußt, sei auf eine Veröffentlichung in Applied Physics Letters von 15. Juli 1970 unter dem Titel »Reversible Ultraviolet Imaging with.Liquid Crystals« hingewiesen. Der dabei verwendete Photoleiter ist Zinksulfid, das elektro-optische Medium ein Flüssigkeitskristall und der elektro-optische Effekt die dynamische Steuerung. Das Lichtventil wird mit ultra-violettem Licht adressiert, auf welches der Photoleiter empfindlich reagiert, und wird ausgelesen mit sichtbarem Licht, für das der Photoleiter unempfindlich ist.

Bei einer anderen, in der US-PS 35 92 527 beschriebenen Vorrichtung wird für den Photoleiter Poly-n-Vinylkarbazol oder Triphenylamin verwendet, während als

so elektro-optische Substanz Flüssigkristalle eingesetzt werden. Das Lichtventil wird mit ultra-violettem Licht adressiert und mit Licht, das keine ultra-vtolette Sttahlung enthält, ausgelesen. Beispiele für optische Sperrschichten, mit denen verhindert wird, daß das zum Auslesen verwendete Licht den Photoleiter erreicht, lassen sich z. B. der Literaturstelle in IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-18, Nr. 9,1971 entnehmen in einer Veröffentlichung unter dem Titel »Strain Biased Ferroelectric-Photoconductor Image Storage and Display Devices Operated in a Reflection Mode«. Darin ist von einer lichtundurchlässigen Widerstandsschicht die Rede, die eine vollständige Lichtisolierung zwischen der Einschreibseite und der Ausleseseite gewährleistet. Das Lichtventil besteht im wesentlichen aus einer ferroelektrischen Keramiksubstanz, deren optische Eigenschaften von einem bildmäßig belichteten Photoleiter gesteuert werden.
In einem jüngeren Artikel in Applied Physikais Let-

ters, 1. Februar 1973 unter dem Titel »AC Liquid-Crystal Light Valve« wird Kadmiumsulfid als Photoleiter eingesetzt, während als elektro-optisches Medium ein Flüssigkristall dient. Um die Trennung zwischen dem Einschreiblicht und dem Ausleselicht herbeizuführen, wird als optische Sperrschicht Kadmiumtellurid verwendet in Verbindung mit einem dielektrischen Spiegel.

Aus der US-PS 38 03 408 ist ein optisches Lichtventil mit einer Anordnung aus einer Photoleiterschicht und einer Schicht aus einem elektro-optischen Medium zwischen zwei lichtdurchlässigen Elektroden bekannt Ein umzuwandelndes Bild wird auf die Photoleiterschicht projiziert und es wird das elektro-optische Medium von einer Hilfslichtquelle beleuchtet Das elektro^:optische Medium besteht aus einer Flüssigkristallschicnt Bei dieser bekannten Anordnung wird eine Sperrschicht aus einer dünnen Rußschicht verwendet, die eine geringe Reflexionsfähigkeit besitzt

Aus der DE-OS 24 52 678 ist ein Abbildungsverfahren und ein Abbildungssystem zur Durchführung dieses Verfahrens mit flüssigen Kristallen bekannt Das Abbildungselement besteht aus einer Schicht aus Kimeotropisch ausgerichtetem nematischen flüssigen kristallinen Material, welches zwischen einem Zirkularpoiarisator und einer lichtreflektierenden Oberfläche angeordnet ist

Es wird quer zur Schicht aus dem flüssigen kristallinen Material ein dem Bild entspi'echendes elektrisches Feld angelegt, welches für die Ebene der Schicht normal verläuft wobei das elektrische Feld stark genug ist um das flüssige kristalline Material in einen lichtstreuenden Zustand unter Bildung eines Abbildes zu überführen. Das Bild wird dann durch den Zirkularpoiarisator mit reflektiertem Licht betrachtet Das Abbildungselement ist außerdem mit einer vorderen und einer rückwärtigen Elektrode versehen, die an entgegengesetzten Seiten der Schicht aus flüssigem kristallinen Material angeordnet sind, wobei die vordere Elektrode wenigstens im wesentlichen transparent ist und wobei das einem Bild entsprechende elektrische Feld quer zur Schicht aus flüssigem kristallinen Material mit Hilfe dieser Elektroden angelegt wird. Das Abbildungselement enthält außerdem eine optische sperrende Schicht, die zwischen der Schicht aus flüssigem kristallinen Material und einer photoleitfähigen Isolierschicht angeordnet ist. Die optische sperrende Schicht dient dazu, die Auslesebeleuchtung zu reflektieren und um zu verhindern, daß die photoleitfähige Schicht durch die Auslesebeleuchtung entladen wird. Diese reflektierende optische sperrende Schicht kann beispielsweise aus einem dielektrischen Spiegel in Kombination mit einer Schicht von Kadmiumtellurid bestehen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das optische Lichtventil der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß auf eine optische Sperrschicht vollständig verzichtet werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Absorptionseigenschaften von Photoleitern in Verbindung mit raumladungsbegrenzten Strömen ausgenutzt werden kann, wodurch optisch sperrende Schichten bei derartigen Abbildungssystemen, welche einen Photoleiter und ein elektro-optisches Abbildungsmedium enthalten, vollständig überflüssig werden.

Man hätte sich allgemein damit abgefunden, daß optisch adressierte Licht", entile, die während des Einschreibvorgangs ausgelesen werden sollen, entweder zum Auslesen ein Licht mit einer Wellenlänge benötigen, durch das der Photoleiter nicht angesprochen wird, oder daß zwischen das elektro-optische Medium und di«; steuernde Photoleiterschicht optisch sperrende Schichten eingefügt werden. Die Aufgabe der Sperrschicht besteht darin, daß das »Auswaschen« des aufgezeichneten Bildes durch das Ausleselicht verhindert wird. Mit der Erfindung gelingt es nun, ohne derartige optische Sperrschichten auszukommen, wenngleich Intensitäts-Verhältnisse zwischen Einschreiblicht und Ausleselicht von 1:10 000 und mehr gemessen wurden.

Wenn das Ausleselicht eingeschaltet wird, werden von den auftreffenden Photonen elektrische Ladungsträger erzeugt wodurch der Widerstand im Photoleiter absinkt Strom fließt und das Feld am elektro-optischen Medium anwächst. Wenn die Intensität des Ausleselichtes einen bestimmten Grenzwert übersteigt, geht der Strom in Sättigung, d. h. erhält eine begrenzte Raumladung. Eine weitere Erhöhung der Lichtintensität bringt für den Stromfluß nur noch geringen Zuwachs. Eine ins einzelne gehende Beschreibung de» raumladungsbegrenzten Stroms in Selen findet sich beispielsweise im Artikel von Weimer und Cope in RCA Review, September 1951.

Der Photoleiter Selen hat einen sehr hohen optischen AbsorpJonskoeffizienten für solche Wellenlängen, für die Selen actinisch ist, d. h. lichtempfindlich. Aufgrund dieses hohen Absorptionskoeffizienten bezüglich actinischen Lichtes kann die Erzeugung von Ladungsträgern durch das Ausleselicht lediglich nahe der Oberfläche stattfinden. So verzögert z. B. eine 1,0 μπι dicke Selenschicht grünes Licht von 5500 Ä Wellenlänge um einen Faktor von =: 3000, während nicht actinisch wirkendes rotes Licht von 7000 A Wellenlänge nur um etwa 1 % behindert wird.

Wenn das eine Abbildung erzeugende Licht auf die Oberfläche der Photoleiterschicht auf der Seite auftrifft, die der vom Ausleselicht getroffenen gegenüberliegt, dann werden zusätzliche Ladungsträger erzeugt, die zu dem raumladungsbegrenzten Strom sich addieren, wodurch das Feld am elektro-optischen Medium moduliert wird. Das Medium spricht seinerseits auf das bildmäßig modulierte Feld an und erzeugt ein sichtbares Bild.
Mehrere Bedingungen müssen erfüllt sein, damit eine gut funktionierende Einrichtung entsteht Zunächst müssen raumiadungsbegrenzte Ströme vorhanden sein, da ohne Sättigung des Stromes mit ansteigenden Lichtintensitäten keine Möglichkeit bestünde, sehr starke Ausleselichtquellen zu verwenden. Der Strom würde auf einen Wert ansteigen, wo das vergleichsweise schwache bilderzeugende Licht den Stromfluß nicht mehr wesentlich modulieren könnte. Zweitens sollten actinische Komponenten des Ausleselichtes die Oberfläche, auf die das bilderzeugende Licht fällt, nicht erreichen. Wenn actinisches Licht von der Auslisequellfe auf die andere Seite der Photoleiterschich». träfe, würden dadurch Ladungsträger genau wie vom bilderzeugenden Licht erzeugt werden. Um also merkbare gegenseitige Beeinflussun£ von Ausleselicht und bilderzeugendem Licht zu vermeiden, ist anzustreben, daß die optische Absorption der Photoleiterschicht ausreicht, um die Stärke der actinischen Komponenten des Ausleselichtes auf wenigstens '/3 und vorzugsweise etwa 10% Stärke des Einschreiblichtes zu reduzieren. Durch diese Forderungen werdti: Grenzbedingungen für den verwendeten Photoleiter und seine Dicke gesetzt, die am besten mit einem Beispiel illustriert werden. Es sei angenommen, daß das Ausleselicht 10,0 mW/cm² von actini-

sehen Komponenten enthält, und daß das Einschreiblicht oder das bilderzeugende Licht eine actinische Energiedichte von 5,0 μ W/cm² hat. Wenn ein Verhältnis von Signal zu Störsignal von 10 toleriert werden kann, dann muß die Energiedichte der actinischen Komponenten des Ausleselichtes, die die Bild bildende Seite erreichen darf, reduziert werden auf

5,0 W/cm²

10

oder 03 μW/cm². Da die Ausleselichtstärke 10,0 mW/ cm² ist, ist eine Absorption von

10,0 mW/cm²

2XlO⁴

erforderlich.

NiriiiTit man nun einen Abscrpücnskcefiizienten von 10⁴ cm-' an, dann muß die Filmdicke etwa 10,0 μπι sein. Für einen hypothetischen Absorptionskoeffizienten von angenommen 10² cm-' ergäbe sich eine Filmdicke von nur 1000 μιτι, damit das Verhältnis von Signal zu Störsignal auf 10 :1 gehalten wird. Andererseits ergäbe eine Filmdicke von nur 10,0 μπι bei einem Absorptionskoeffizienten von 10² cm-' eine Abdämpfung des Ausleselichtes nur um den Faktor von 10%, so daß eine Energiedichte von 9,0 mW/cm² vorlage, mit der das Ausleselicht auf die Bildseite durchdringen würde, so daß das einschreibende, bilderzeugende Licht mit einer Dichte von 5,0 μW/cm² vollständig überschwemmt wäre. Da drittens der raumladungsbegrenzte Strom im Vergleich zum Strom, der vom schwachen bilderzeugenden Licht hervorgebracht wird, beträchtlich hoch ist. ist die relative Modulation klein, und zur Erzeugung eines guten Bildes ist es wünschenswert, ein elektro-optisches Medium zu haben, das auf keine Unterschiede des elektrischen Feldes mit erheblichen optischen Veränderungen reagiert. Mehrere elektro-optische Effekte in Flüssigkristall und ferroelektrischen Substanzen genügen diesen Anforderungen. Diese zufriedenstellenden Effekte sind z. B. cholesterische oder nematische Phasenübergänge, dynamisches Streuen, getwistete nematische Erscheinungen und Freederick-Übergänge in Flüssigkristallen. Geeignete ferroelektrische Substanzen sind Keramikstoffe, Einkristalle und Pockels-Kristalle. Die Eigenschaften selbst sind dem Fachmann bekannt.

Die Intensität des Ausleselichtes /, die aus dem Photoleiter austritt, kann mit der Intensität des Ausleselichtes Ia. welche auf die andere Seite des Photoleiters auftrifft, durch folgende Gleichung in Beziehung gesetzt werden:

worin ac der Absorptionskoeffizient des Photoleiters und f dessen Dicke ist Wenn die gewünschten Werte von / und I₀ bekannt sind und es ein Leichtes ist, den Wert von ac für jeden beliegigen Photoleiter festzustellen, kann die benötigte Dicke berechnet werden, um die Strombegrenzung durch Raumladung zu erhalten, die für jeden beliebigen Photoleiter bei der Erfindung benötigt wird.

Im folgenden wird die Erfindlang anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert- Es zeigt

F i g. 1 eine teils schematiscihe, eine teils in Querschnittsansicht gezeigte Ausführungsform des Lichtventils mit Merkmalen nach der Erfindung:

F i g. 2 dieselbe Darstellung bei auftreffendem bilderzeugendem Licht und Ausleselicht;

F i g. 3 die Strom-Spannungskurve der raumladungsbegrenzten Ströme in einer 4,7 μιη dicken Selenschicht ' in Abhängigkeit von der Spannung bei Bestrahlung mit weißem Ausleselicht aus einer 150-W-Xenon-Licht- ι quelle;

F i g. 4 Kurven der raumladungsbegrenzten Ströme in Abhängigkeit von der Intensität der auftreffenden Energie bei zwei angelegten Spannungen in einer Selenschicht von etwa 4,7 μπι Dicke;

F i g. 5 eine Kurve des Absorptionskoeffizienten des Selen in Abhängigkeit von der Wellenlänge in eV.
In F i g. 1 ist ein typisches reflektierendes Lichtventil 1 im Schnitt gezeigt, bei welchem ein Paar transparenter Platten 10 praktisch transparent leitfähige Beschichtun- '. gen 11 auf den Kontaktflächen haben, so daß sie ein paralleles Paar praktisch transparenter Elektroden bilden. Ein photoleilfäh'ges Element 12 grenzt an eine transparente Beschichtung 11, und ein elektrooptisches Medium 13 befindet sich dann angrenzend an das photoleitfähige Element 12, woraufhin die andere transparente Beschichtung 11 sich anschließt.
Zwischen die Elektroden wird mit Hilfe eines äußeren Schaltkreises 14, der typischerweise eine Spannungsquelle 16 enthält, die über Leitungen 17 an die beiden Elektroden angeschlossen ist, ein elektrisches Feld gelegt. I?·.? Spannungsquelle kann verschiedenster Art sein, so eine Gleichspannungsquelle, eine Wechselspannungsquelle, eine mit Gleichspannung vorgespannte Wechselspannungsquelle, eine Spannungsrechteckwel- ι Ie, Sägezahnwelle oder Kombinationen daraus.

Die Darstellung der F i g. 2 zeigt über das reflektierende Lichtventil hinaus die bilderzeugende Lichtbestrahlung 18 und das Ausleselicht 19. Es hat sich nun gezeigt, daß bei Anwendung der Erfindung auch bei sehr schwachen bilderzeugenden Lichtenergien das Bild sichtbar wird oder ausgelesen werden kann mit sehr hohen Lichtintensitäten. Dies beruht auf der Absorptionsfähigkeit des photoleitfähigen Elementes 12 und der Existenz von durch Raumladung begrenzten Strömen.

Bei den bilderzeugenden Elementen mit Flüssigkristall, wie sie in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben sind, können die Elektroden aus jedem geeigneten transparenten Leitermaterial bestehen. Es gehören dazu Glasoder Plastiksubstrate 10 mit ununterbrochenem leitfähigem Belag 11 aus einem Leiterwerkstoff wie Zinn, Indiumoxyd, Aluminium, Chrom, Zinnoxyd oder dergl. Diese praktisch leitfähigen transparenten Beschichtungen werden auf das isolierende, transparente Substrat aufgedampft NESA-Glas, ein Zinnoxyd beschichtetes Glas, das von Pittsburgh Plate Glass Company hergestellt wird, ist beispielsweise ein derartiges im Handel erhältliches Elektrodenmaterial.

Das photoleitfähige Element 12 in F i g. 1 kann von jedem reflaktierenden photoleitfähigen Film mit hoher optischer Absorption für actinisches Licht gebildet sein. Hierzu gehören z. B. Filmschichten aus Selen und anderen Stoffen aus der Selen-Arsen-Familie. Die Filme werden vorzugsweise durch Vakuumbedampfung hergestellt, da daurch die Oberfläche eine ausreichende Reflexionsfähigkeit erhalten. Auch Polieren kann in dieser Richtung Verbesserungen bringen. Die Filmdicke wird hauptsächlich durch die Absorptionseigenschaften des Films sowie die Stärken des Einschreiblichtes und des Ausleselichtes bestimmt Die Filmdicke liegt üblicherweise zwischen 1 und 1000 μπι. Das elektrooptische Me-

dium 14 kann ein Flüssigkristall sein aber auch ein ferroelektrischer Einkristall oder ferroelektrische Keramiksubstanz oder dergl. Für die Wirkungsweise der reflektierenden Lichtvenrile können zahlreiche elektrooptische Effekte der Flüssigkristalle ausgenützt werden. Dazu gehört der elektrooptische Effekt des cholesterischnematischen Phasenübergangs, wie in der US-PS 37 18 38C beschrieben. Ein streuender cholesterischer Flüssigkristallfilm wird bei Anlegen eines elektrischen Feldes von ausreichender Stärke klar und kehrt in den streuenden Zustand zurück, wenn das Feld veggenommen wird. Typische Flüssigkristallmischungen, bei denen dieser Effekt auftritt, zeigen eine Molekülanordnung in Schraubenform der cholesterischen Substanz und besitzen eine insgesamt dielektrische Anisotropie. Der optische Kontrast zwischen umgewandelten und nicht umgewandelten Bereichen reicht für die Direktbetrachtung aus, läßt sich aber durch polarisierende Optiken noch verbessern.

Ein weiterer elektrooptischer Effekt bei Flüssigkristallen, der im Rahmen der Erfindung ausnutzbar ist, ist der sog. Schraubennematikeffekt, wie er in Applied Physics Letters vom 15. Februar 1971 beschrieben ist. Dazu werden nematische Flüssigkristalle von insgesamt positiver dielektrischer Anisotropie mechanisch in eine schraubenförmige Anordnung gezwungen, welche sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes stören läßt. Die Wirkung entspricht dem choiesterisch-nematischen Phasenübergang. Wird das anliegende Feld weggenommen, so gehen die Moleküle in die schraubenförmige Anordnung zurück. Da in beiden Fällen die Zustände nichtstreuend sind, werden polarisierende Hilfsmittel benötigt, um ein sichtbares Bild zu erzeugen.

Ein noch anderer Flüssigkristalleffekt, der für die Verwirklichung der Erfindung ausgenützt wird, ist der sog. »dynamische Streueffekt« wie von Heilmeier, Zononi und Barton in Proceeding of the IEEE, Juli 1968 beschrieben. Bei der dynamischen Streuung, die bei nematischen Flüssigkristallen auftritt, erzeugt ein Stromfluß durch den dünnen Film Turbulenzeffekte, die aufhören, sobald der Strom nicht mehr fließt. Bei diesem Effekt werden keine polarisierenden Hilfsmittel benötigt. Schließlich kann mit Hilfe des sog. Freederick-Übergangs, einem weiteren Flüssigkristalleffekt, die Erfindung verwirklicht werden, bei welchem anfänglich ausgerichtete nematische Moleküle senkrecht zu dem Feld gekippt werden, wenn sie dielektrisch negativ sind, und parallel zum angelegten Feld, wenn sie dielektrisch positiv sind. Zur Sichtbarmachung dieses Effektes sind wiederum polarisierende Hilfsmittel nötig.

Ferroelektrische Keramikwerkstoffe sind ein weiteres elektrooptisches Medium, das bei der Erfindung verwendet werden kann. In einem im Mai 1969 in Proceedings of the IEEE erschienenen Artikel von Land und Thacher sind Verwendungsmöglichkeiten ferroelektrischer Substanzen in der Elektrooptik behandelt, und es werden dort mehrere elektrooptische Effekte diskutiert Die Schicht 13 kann eine ferroelektrische Keramikschicht sein. Auch läßt sich die Schicht 13 als ferroelektrischer Einkristall herstellen, wie von Cummings und Luke in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-18, September 1971 beschrieben. Ein Einkristall aus ferroelektrischem Wismut-Titanat kann als elektrooptisches Medium eingesetzt werden. Eine weitere Gruppe sind Einkristalle, die Pockels-Effekt zeigen. Sie sind als elektrooptische Medien in der Funktion der Schicht 13 verwendbar. Pockels-Kristalle können ferroelektrisch sein oder nicht, haben jedoch alle den sog. Pockels-Effekt, der eine lineare Veränderung der Doppelbrechung bei angelegtem elektrischem Feld bewirkt. Einzelheiten darüber finden sich in RCA Review, Dezember 1969.

Fig.3 zeigt eine Gegenüberstellung der Spannung gegenüber dem Strom, worin gezeigt ist, daß eine etwa quadratische Abhängigkeit der Spannung vom Strom besteht, was typisch für raumiadungsbegrenzte Ströme ist. Die Kurven der Fig.4 zeigen den Strom abhängig vom einfallenden Ausleselicht für zwei Spannungspegel,

ίο wobei diese Kurven ebenfalls charakteristisch für raumiadungsbegrenzte Ströme sind. In der F i g. 5 ist der Absorptionskoeffizient von Selen für verschiedene Wellenlängen aufgezeichnet. Selen ist ein gutes Beispiel für einen geeigneten Photoleiter für das reflektierende Lichtventil gemäß der Erfindung.

Bei einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel ist zwischen das photoleitfähige Element 12 und das elektrooptische Medium 13 ein dielektrischer Spiegel eingefügt. Die Funktion dieses dielektrischen Spiegels ist die, die Reflexionsfähigkeit der Grenzfläche zwischen elektrooptischem Medium und Photoleiter zu verbessern, so daß der Photoleiter selbst von der Anforderung nach hoher Reflexionsfähigkeit befreit wird. Der dielektrische Spiegel hat angepaßte elektrische Leitfähigkeit und weist typischerweise vier unterschiedliche Schichten auf, zwei aus Siliziumdioxyd und zwei aus Titandioxyd. Die Gesamtdicke beträgt etwa 280OA, und die Reflexionsfähigkeit bei einer Wellenlänge von 5600Ä beträgt 68%. Achtschichtige dielektrische Spiegel wurden ebenfalls mit Erfolg bei der Erfindung angewendet. Ein derartiger Spiegel hat typischerweise eine Gesamtdicke von etwa 5600Ä und dabei eine Reflexionsfähigkeit von 83%.

Ein weiterer überraschender Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, daß optische Lichtventile, bei welchen der cholesterisch-nematische Phasenübergang ausgenutzt wird, in der Lage sind. Bilder zu speichern, wenn die Spannungszufuhr piötziich unterbrochen wird. Wenn z. B. ein Bild einer Fernsehübertragung auf das Lichtventil projiziert wird, kann ein Laufbild betrachtet werden. Eine plötzliche Unterbrechung der Spannungsquelle führt nun dazu, daß das Bild gespeichert wird, so daß für mehrere Stunden das Bild bestehen bleibt. Wird das Lichtventil dann wieder in gewöhnlicher Weise gebraucht, so verschwindet das gespeicherte Bild augenblicklich. Man vermutet, daß diese überraschende Erscheinung auf die Erklärung zurückzuführen ist, die von Greubel in »Molekular Crystals and Liquid Crystals«, Oktober 1972, gegeben wurden. Darin heißt es, daß bestimmte, dielektrisch positive, cholesterische Mischungen unterschiedliche Texturen in Zellen hatten, in welchen cholesterisch, nematische Phasenübergänge stattfanden, im Vergleich zu Zellen, die unter Einfiuß geringerer Felder standen.

Anschließend werden verschiedene Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung aufgeführt. In allen diesen Beispielen sind die transparenten Elektroden ebene quadratische Platten, die auf einer Seite mit Indiumoxyd beschichtet sind. Die Indiumoxyd-Schichten sind über elektrisch leitende Anschlüsse an die Klemmen einer entsprechenden Spannungsquelle gelegt.

Beispiel I

Das elektrooptische Lichtventil besitzt eine 4,7 um dicke, im Vakuum aufgedampfte photoieitfähige Selenschicht und eine 12,7 μΐη dicke Flüssigkristallschicht als elektrooptisches Medium. Die Zusammensetzung der

Flüssigkristallschicht ist 1 Gewichtsteil Cholesteryl-Oleyl-Karbonat und 2 Gewichtsteile p'-Pentyl-p-Cyanobiphenyl. Die eine Seite der Zelle wurde mit einem fokussierten Strahl einer 150-W-Xenon-Lampe mit einer Leistungsdichte von etwa 100 mW/cm² bestrahlt. Auf die gegenüberliegende Seite wurde das Bild eines Fernsehempfängers projiziert. Beim Anlegen einer Gleichspannung von etwa 100 V konnte ein Laufbild im elektrooptischen Medium in der Reflexion betrachtet werden. Dieses Bild wurde auf einen Schirm von etwa I χ Im projiziert. Der elektrooptische Effekt ist der cholesterisch-nematische Phasenübergang.

Beispiel II

Das optische Lichtventil hatte eine 4,7 μιη dicke, im Vakuum aufgedampfte photoleitfähige Selenschicht und eine 12,7 μπι dicke Flüssigkristallschicht als elektrocptischss Medium. Die Zusammensetzung der Flüssigkristallschicht war 1 Gewichtsanteil Cholesteryl-Oleyl-Karbonat und 2 Gewichtsteile p'-Pentyl-p-Cyanobiphenyl. Eine Seite der Zelle wurde belichtet mit einem fokussierten Strahl einer 150-W-Xenon-Lampe mit einer Leistungsdichte von etwa 100 mW/cm². Auf die gegenüberliegende Seite wurde das Bild eines Fernsehempfängers projiziert. Im elektrooptischen Medium konnte in Reflexion ein Laufbild betrachtet werden, wenn eine 10 Hz Wechselspannung mit 150 V Scheitelwert angelegt wurde. Dieses Bild wurde dann auf einen IxIm Schirm projiziert. Der elektrooptische Effekt ist der cholesterisch-nematische Phasenübergang.

Beispiel III

Der Aufbau des elektrooptischen Ventils besaß eine 4,7 μίτι dicke, im Vakuum aufgedampfte photoleitfähige Selenschicht und eine 12,7 um dicke Flüssigkristallschicht als elektrooptisches Medium. Die Zusammensetzung der Flüssigkristallschicht betrug 1 Gewichtsanteil Cholesteryl-Oleyl-Karbonat und 2 Gewichtsteile p'-Pentyl-p-Cyanobiphenyl. Auf der einen Seite wurde die Zelle mit einem fokussierten Strahl einer 150-W-Xenon-Lampe bestrahlt, wobei die Leistungsdichte etwa 150,0 mW/cm² betrug. Auf die gegenüberliegende Seite wurde das Bild von einem Fernsehempfänger projiziert. Es konnte ein bewegliches Bild im elektrooptischen Medium in Reflexion betrachtet werden, wenn eine Rechteckspannung mit etwa 80 V Scheitelwert angelegt wurde. Dieses Bild wurde auf einen 1 χ 1 m Lichtschirm projiziert Die elektro-optische Wirkung ist der cholesterisch-nematische Phasenübergang.

Beispiel IV

Das elektrooptische Ventil hatte eine 6,0 μπι dicke, im Vakuum aufgedampfte photoleitfähige Arsen-Triselenid-Schicht und eine 12,7 μπι dicke Flüssigkristallschicht als elektrooptisches Medium. Die Zusammensetzung des Flüssigkristalls betrug 1 Gewichtsteil Cholesteryl-Oleyl-Karbonat und 2 Gewichtsteile p'-Pentyl-p-Cyanobiphenyl. Die eine Seite der Zelle wurde mit einem fokussierten Strahl von einer 150-W-Xenon-Lampe erleuchtet wobei die Leistungsdichte etwa 100 mW/cm² betrug. Auf die gegenüberliegende Seite wurde das Bild von einem Fernsehempfänger projiziert. Es konnte im elektrooptischen Medium in Reflexion ein laufbild beobachtet werden, wenn eine 10-Hz-Wechselspannung mit 100 V Scheitelwert angelegt wurde. Diese Bild wurde dann auf einen 1 χ 1 m Bildschirm projiziert. Der elektrooptisch^ Effekt ist der cholesterisch-nematische Phasenübergang.

Beispiel V

Ein optisches Lichtventil wurde mit einer 6,0 μπι dikken, im Vakuum aufgedampften photoleitfähigen Arsen-Triselenid-Schicht und einer 50,8 μπι dicken Flüssigkristallschicht als elektrooptisches Medium aufgebaut. Die Zusammensetzung des Flüssigkristalls betrug 1 Gewichtsteil Cholesteryl-Oleyl-Karbonat und 2 Gewichtsteile p'-Pentyl-p-Cyanobiphenyl. Eine Seite der Zelle wurde mit einem fokussierten Strahl aus einer 150-W-Xenon-Lampe erleuchtet, die eine Leistungsdichte von etwa 100 mW/cm² hatte. Auf die gegenüberliegende Seite wurde ein Bild von einem Fernsehgerät projiziert. Ein laufendes Bild konnte in dem elektrooptischen Medium bei Anlegen einer 300-V-Gleichspannung betrachtet werden. Dieses Bild wurde wiederum auf eine 1 χ 1 m Schirm projiziert Der elektrooptische Effekt war der cholesterisch-nematische Phasenübergang.

Beispiel Vl

Ein optisches Lichtventil wurde rnit einer 4,7 μιη dikken, im Vakuum aufgedampften photoleitfähigen Selenschicht und einer 12,7 μπι dicken Flüssigkristallschicht als elektrooptisches Medium aufgebaut. Die Zusammensetzung des Flüssigkristalls war Methoxybenzyliden-Butylanilin (MBBA). Eine Seite der Zelle wurde mit einem fokussierten Strahl aus einer 150-W-Xenon-Lampe erhellt, die eine Leistungsdichte von etwa 100 mW/ cm² hatte. Auf die andere Seite wurde ein Bild von einem Fernsehgerät projiziert. Es konnte im elektrooptischen Medium in Reflexion ein laufendes Bild beobachtet werden, wenn eine Gleichspannung von 20 V angelegt wurde. Dieses Bild wurde¹ wiederum auf einen 1 χ 1 m Schirm projiziert. Der elektrooptische Effekt war eine dynamische Streuung.

Beispiel VlI

Ein optisches Lichtventil wurde mit einer 4,7 μπι dikken, im Vakuum aufgedampften photoleitfähigen Selenschicht und einer Flüssigkristallschicht von 12,7 μπι Dikke als elektrooptisches Medium aufgebaut Als Flüssigkristallschicht wurde die Zusammensetzung mit Methoxybenzyliden-Butylanilin (MBBA) verwendet Eine Seite der Zelle wurde mit einem fokussierten Strahl einer 150-W-Xenon-Lampe beleuchtet, die eine Leistungsdichte von etwa 100 mW/cm² ergab. Auf die gegenüberliegende Seite wurde ein Bild von einem Testzielobjekt projiziert. Das Bild konnte in dem elektrooptischen Medium in Reflexion nach Anlegen einer 20-V-Gleichspannung gesehen werden. Dieses Bild wurde dann auf einen 1 χ 1 m Schirm projiziert Der elektrooptische Effekt war die dynamische Streuung.

Beispiel VIII

Es wurde ein optisches Lichtventil mit einer 4,7 μιη dicken, im Vakuum aufgedampften photoleitfähigen Selenschicht und einer 12,7 μπί dicken Flüssigkristall- ■\5 schicht als elektrooptisches Medium hergestellt Die Zusammensetzung der Flüssigkristallschicht betrug 1 Gewichtsteil Cholesteryl-Oleyl-Karbonat und 2 Gewichtsteile p'-Pentyl-p-Cyanobiphenyl. Eine Seite der Zelle

wurde mit einem fokussierten Strahl von einer 150-W-Xenon-Lampe beleuchtet, die eine Leistungsdichte von etwa 100 mW/cm² ergab. Auf die gegenüberliegende leite wurde das Bild eines Fernsehgerätes projiziert. Es konnte im elektrooptischen Medium im Durchlaß ein bewegtes Bild beobachtet werden nach Anlegen einer 100-V-Gleichspannung. Dieses Bild wurde dann auf einen 1 χ 1 m Schirm projiziert. Der elektrooptische Effekt war der cholesterisch-nematische Phasenübergang.

Beispiel IX

Ein optisches Lichtventil wurde mit einer 6,0 μηι dikken, im Vakuum aufgedampften photoleitfähigen Arsen-Triselenid-£chicht und einem vierschichtigen dielektrischen Spiegel zwischen dem Photoleiter und dem elektrooptischen Flüssigkristallfilm aufgebaut. Der Flüssigkristallfilm hatte die Dicke von 12,7 μιτι und eine Zusammensetzung von 1 Gewichtsanteil Oleyl-Cholesteryl-Karbonst und 2 Gewichtsteilen p'-Pentyl-p-Cyanobiphenyl. Tine Seite der Zelle wurde mit einem fokussierten Strahl einer 150-W-Xenon-Lampe mit einer Leistungsdichte von etwa 100 mW/cm² ausgeleuchtet. Auf die gegenüberliegende Seite wurde von einem Fernsehgerät ein Bild projiziert. Es konnte im elektrooptischen Medium nach Anlegen einer 12-Hz-Wechselspannung mit 85 V Scheitelwert ein laufendes Bild beobachtet werden. Dieses Bild wurde dann auf einen 1 χ 1 m Schirm projiziert

Beispiel X

Es wurde ein optisches Lichtventil mit einer 6,0 μΐη dicken, im Vakuum aufgedampften photoleitfähigen Arsen-Triselenid-Schicht und einer 12,7 μιτι dicken Flüssigkristallschicht als elektrooptisches Medium aufgebaut Die Zusammensetzung der Flüssigkristallschicht war 1 Gewichtsteil Cholesteryl-Oleyi-Karbonat und 3 Gewichtsteile p'-Pentyl-p-Cyanobiphenyl. Eine Seite der Zelle wurde mit einem fokussierten Strahl aus einer 150-W-Xenon-Lampe erhellt, die eine Leistungsdichte von etwa 100 mW/cm² hatte. Auf die gegenüberliegende Seite wurde ein Bild von einem Fernsehgerät projiziert. Es konnte ein laufendes Bild im elektro-optischen Medium erkannt werden, wenn eine 85-V-Gleichspannung angelegt wurde. Diese Bild wurde dann auf einen 1 χ 1 m Schirm projiziert Es wurde die Spannung dann plötzlich weggenommen, was zur Folge hatte, daß das Bild gespeichert blieb.

Beispiel XI

Ein optisches Lichtventil wurde mit einer 6,0 μπι dikken, im Vakuum aufgedampften photoleitfähigen Arsen-Triselenid-Schicht und einer 12,7 μπι dicken Flüssigkristallschicht als elektrooptisches Medium aufgebaut Der Flüssigkristall war mit iOGewichtsteiten TN-100 (Hoffmann LaRoche) und 4 Gewichtsteilen Cholesteryl-Oleyl-Karbonat zusammengesetzt Von einer 150-W-Xenon-Lampe wurde die eine Seite der Zelle dann mit einem fokussierten Strahl mit einer Leistungsdichte von etwa 100 mW/cm² belichtet Auf die gegenüberliegende Seite wurde das Bild eines Fernsehgerätes projiziert Es konnte im elektrooptischen Medium nach Anlegen einer Spannung von etwa 150 V ein laufendes Bild beobachtet werden. Dieses Bild wurde auf einen 1 χ 1 m Schirm projiziert. Der elektrooptische Effekt war der cholesterisch-nematische Phasenübergang. Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß die Grundprinzipien, die angewendet werden, mit jedem Photoleiter durchgeführt werden können bei Verwendung eines Einschreib- und AusJeselichtes, das dür den Photoleiter actinisch ist. Zu den typischen photoleitfähigen Werkstoffen zäl.ien photoleitfähige anorganische Substanzen und photoleitfähige organische Substanzen. Zu den organischen Substanzen gehören wiederum empfindlich gemachtes Zinkoxyd, ίο das z. B. durch Beigabe von Rodamine Dye, erhältlich von der Firma Dupont, empfindlich gemacht ist, Selen, Selenverbindungen mit Arsen wie ζ B. Arsen-Triselenid, Tellur, Antimon oder Wismut, Kadmiumsulfid, Kadmium-Sulfoselenid und viele andere bekannte anorganisehe photoleitfähige Substanzen, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften 31 21 006 und 32 88 603 aufgeführt sind. Geeignete organische photoleitfähige Materialien sind z. B. Kombinationen aus 2,5-bi(p-Aminophenyl) -1,3,4-Oxadiazol, das von der Firma Kalle unter der Handelsbezeichnung TO 1920 erhältlich ist, mit Vinylit VYNS, einen Copolymer aus Vinyl-Chlorid und Vinyl-Azetat, erhältlich von Carbide and Carbon Chemicals Company; außerdem eine Kombination von 2,4, 7-Trinitro-9-Fluorenon mit Polyvinylkarbazol, was unter der Handelsbezeichnung Luvican 170 von der Firma Winter, Wolf and Company, New York erhältlich ist. Die Dicke der Photoleiterschicht ist bei der Verwirklichung der Erfindung nicht kritisch, wenn nur darauf geachtet wird, daß die Dicke ausreicht, um die erforderliehe Beziehung zwischen / und /_o entsprechend obigen Darlegungen gewährleistet ist

Zu den bevorzugten photoleitfähigen Substanzen gehören Selenverbindungen. Sie genießen wegen ihres hohen Absorptionskoeffizienten bezüglich actinischer Strahlung den Vorzug, wodurch stärkeres Ausleselicht zugelassen werden kann, was bessere Bilder ergibt. Typische Selen- und Selen-Legierungsverbindungen sind für diesen Zweck kristallines Seien, amorphes Seien, amorphe Selenlegierungen mit Arsen, Tellur, Antimon, Wismut, usw. amorphes Seien oder seine Legierungen, die mit Halogenen dotiert sind, und eine oder mehrere kristalline Formen des Selen einschließlich monocliner und hexagonaler Formen.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung ist der, daß Realzeitabbildungen und Projektionen einfach erzielbär sind. Mit den aufgezählten Ausführungsbeispielen, mit denen Fernsehbilder projiziert wurden, ließ sich dies leicht durch Einfügen eines Linsensystems 21 erreichen, wodurch optisch das Bild vom Fernsehempfänger 20 auf das Lichtventil 1 fokussiert wurde. Ein starkes Ausleselicht 19 /₀ wurde vom Lichtventil reflektiert und durch eine weitere Linsenoptik 23 auf den Schirm 22 projiziert.

Dem Fachmann bieten sich weitere Anwendungsformen der Erfindung an. So läßt sich die Erfindung über die Bildprojektion hinaus als Lichtverstärker verwenden, um ein Originalbild zu intensivieren und damit auf xerographischen Platten, photographischen Filmen und dergl. eine Abbildung zu erzeugen. Auch kann die Erfindung als Bildwandler eingesetzt werden, um ultraviolette Bilder in sichtbare Bilder, Röntgenbilder in sichtbare Bilder oder Bilder mit incoherentem Licht in solche mit coherentem Licht zu verwandeln und dergl.

Auch kann mit dem Bilderzeugungssystem eine Vielzahl von Bildquellen der Originalvorlage verwendet werden, wie etwa Mikrofilm-Positive mit kontinuierlichem Tonübergang, Raster-Positive, Negative und dergl. neben Realzeiteingängen.

Es wird mit der Erfindung ein optisch adressiertes Lichtventil geschaffen, das bei sehr hoheo Lichtstärken während des Einschreibens ausgelesen werden kann, ohne daß eine optische Sperrschicht vorgesehen werden muß. Das System basiert auf der Kombination eines 5 reflektierenden Photoleiters und eines elektrooptisch aktiven Mediums und nützt die Eigenschaft von durch Raumladung begrenzten Strömen in Photoleitern von starker optischer Absorptionsfähigkeit bei actinischen Wellenlängen aus. 10

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Lichtventil, mit einer Anordnung aus einer Photoleiterschicht und einer Schicht aus einem elektro-optischen Medium zwischen Elektroden ohne dazwischenliegender optischer Sperrschicht, mit einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden, und mit einer Einrichtung zum bildmäßigen Belichten der Photoleiterschicht auf einer Seite derselben mit einer actinischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß