DE69718782T2

DE69718782T2 - Ein abstimmbarer filter

Info

Publication number: DE69718782T2
Application number: DE69718782T
Authority: DE
Inventors: Richard Simon Blacker; Loder-Defence Research Agency Lewis; Robert-Defence Research Agency Mason; Charles-Defence Research Agency Sage
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: US6271899B1; DE69718782D1; GB9822286D0; EP0895612B1; GB2326731A; WO1997040420A1; GB2326731B; EP0895612A1; GB9608636D0

Description

Die Erfindung betrifft ein abstimmbares Filter, insbesondere zur Verwendung im sichtbaren oder im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich. Das Filter kann z. B. zum Schutz vor Laserstrahlung oder als ein kontraststarkes abstimmbares Filter für Anzeigezwecke verwendet werden. Das Filter kann außerdem bei Telekommunikationsanwendungen für die Wellenlängen-Multiplexierung verwendet werden.
Bei einem herkömmlichen abstimmbaren Filter, das auf einem Fabry-Perot-Etalon basiert, kann die Hohlraumlänge verändert werden, um das Filter auf die geforderte Wellenlänge abzustimmen. Dies kann mechanisch durch Änderung der Hohlraumlänge unter Verwendung von piezoelektrischen Antrieben, die am Ende des Hohlraums am Glassubstrat angebracht sind, erfolgen. Es können außerdem Temperaturabstimmungstechniken verwendet werden, die thermooptische Effekte in dem im Hohlraum enthaltenen Material ausnutzen. Alternativ kann der Hohlraum auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt werden, indem der Winkel geändert wird, unter dem Licht auf das Filter auftrifft.
Abstimmbare Filter können besonders nützlich sein als Mittel zum Schutz gegen Laserstrahlung, insbesondere dann, wenn die genaue Laserwellenlänge unbekannt ist. Eine geeignete Schutzvorrichtung für ein optisches Darstellungssystem oder Erfassungssystem (einschließlich das menschliche Auge) muß Inband-Wellenlängen durchlassen, so daß die Sicht oder die Erfassung nicht wesentlich behindert wird, wenn sie aktiviert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein abstimmbares Filter sowie aktives Material, das im sichtbaren Bereich und im mittleren Infrarot-Bereich betrieben werden kann. Da das Filter in allen Betriebszuständen für Wellenlängen im sichtbaren Bereich und mittleren Infrarot-Bereich durchlässig ist, behindert es die Sicht nicht wesentlich und kann deshalb in bilderzeugenden Vorrichtungen und Sehhilfen, wie etwa ein Fernglas, eingesetzt werden.
Die folgenden Dokumente des Standes der Technik beschreiben den technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung: Feiling Wang und Gene H. Haertling, "Large Electrooptic Modulation Using Ferroelectric Thin Films...", Proc. of the Ninth IEEE Int. Symp. on Applications of Ferroelectrics (ISAF), University Park, Pennsylvania, 7. bis 10. August 1994, Symp. 9, S. 683 bis 686 und EP 282 963 A.
Das aktive Material im abstimmbaren Filter ist eine Form von Polymer/dispergiertem Flüssigkristallmaterial (PDLC-Material). Herkömmlich sind PDLCs Verbundmaterialien, die Flüssigkristall-Tröpfchen, die normalerweise eine Ausdehnung in der Größenordnung von wenigen Mikrometern besitzen, enthalten, die in einer durchlässigen Polymermatrix eingebettet sind. In dieser Form sind PDLCs nützliche elektrooptische Vorrichtungen, da sie elektrisch von einem lichtstreuenden "ausgeschalteten" Zustand zu einem stark durchlässigen "eingeschalteten" Zustand umgeschaltet werden können. PDLC- Vorrichtungen sind zur Verwendung als Diskretions-Bildschirme und außerdem als flexible Anzeigen vorgeschlagen worden. Für Anwendungen abstimmbarer Filter in den Bereichen der sichtbaren Wellenlänge und der mittleren Infrarot-Wellenlänge sind jedoch herkömmliche PDLC-Materialien nicht geeignet, da das Material für diese Wellenlängen im "ausgeschalteten" Zustand nicht ausreichend durchlässig ist und die Sicht oder die Erfassung abgedunkelt wird.
Erst kürzlich haben verschiedene Gruppen [z. B. Sutherland u. a., Chem Mater Bd. 5 1553 (1993), Appl Phys Lett Bd. 64 1074 (1994), SPIE Bd. 2152 303 (1994), SPIE Bd. 2651 44 (1996)1 versucht, die Möglichkeit der Erzeugung von Bragg-Gittern in derartigen Materialien durch die Verwendung holographischer Belichtungstechniken zum Induzieren einer Phasentrennung zu erforschen. Es erfolgt ein anisotroper Polymerisationsprozeß, wobei die Flüssigkristallkomponenten vorzugsweise in die dunklen Bereiche diffundieren. Es werden Gruppen aus Flüssigkristalltröpfchen mit einer Periodizität erzeugt, die durch die Geometrie der während der Belichtung interferierenden Strahlen bestimmt ist. Die Bragg-Periodizität erzeugt ein Reflexionsband, dessen Intensität somit elektrisch gesteuert werden kann.
Für die Zwecke dieser Beschreibung soll der Ausdruck "Durchlaß- /Wellenlängen-Charakteristik" die Durchlaß- und Reflexions-Eigenschalten in Abhängigkeit von der Wellenlänge bedeuten.
Ein abstimmbares Filter gemäß der Erfindung ist im Anspruch 1 definiert.
Das Flüssigkristallmaterial kann ein nematisches Material sein. Bei Verwendung des Filters in einem Wellenlängenbereich, der eine Wellenlänge λ enthält, können Tröpfchen des Flüssigkristallmaterials im PDLC einen Durchmesser zwischen 0,02 λ und 0,12 λ besitzen. Die Tröpfchen des Flüssigkristallmaterials im PDLC können typischerweise einen Durchmesser von weniger als 0,1 um besitzen. Die Tröpfchen des Flüssigkristallmaterials im PDLC-Material besitzen vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 10 nm und 50 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besitzt der wenigstens eine Resonanzhohlraum im wesentlichen parallele stirnseitige Eingangs- und Ausgangssubstrate.
Die Durchlaß-/Wellenlängen-Charakteristik des Filters kann mehrere Maxima und Minima aufweisen. Bei einem abstimmbaren Filter, das im Bereich der sichtbaren Wellenlänge und der mittleren Infrarot- Wellenlänge betrieben werden kann, liegt wenigstens ein Maximum oder ein Minimum im sichtbaren und im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich.
Einige der Schichten des dielektrischen Materials können Indiumzinnoxid (ITO) sein. Die ITO-Schicht kann zweckmäßig Elektroden bilden, an die ein variables elektrisches Feld angelegt wird.
Das Filter kann außerdem auf einer Seite des polarisierbaren Materials für einen besseren spektralen Kontrast wenigstens eine weitere Schicht aus dielektrischem Material enthalten, wobei die Schicht in den stirnseitigen Substraten enthalten ist und im wesentlichen parallel zu diesen verläuft. Das Filter umfaßt vorzugsweise Schichten aus dielektrischem Material mit großem (H) und kleinem (L) Brechungsindex, die in den stirnseitigen Substraten in einer Struktur aus abwechselnden HL-Schichten enthalten sind. Das Material mit großem Brechungsindex kann z. B. Titanoxid (TiO&sub2;) sein und das Material mit kleinem Brechungsindex kann Siliciumoxid (SiO&sub2;) sein.
Das Filter kann abwechselnde Schichten aus ITO- und PDLC-Material enthalten, wobei die Schichten in den stirnseitigen Eingangs- und Ausgangssubstraten enthalten sind und im wesentlichen parallel zu diesen verlaufen. Das Filter kann ferner Mittel zum Anlegen einer separaten Spannung an jede einzelne ITO-Schicht umfassen.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, in denen:
Die Fig. 1(a) und 1(b) Darstellungen einer Zelle aus Polymer/dispergiertem Flüssigkristall (PDLC-Zelle), die ein PDLC-Material enthält, mit und ohne über dem PDLC-Material angelegter Spannung zeigen;
Fig. 2 den Aufbau eines geeigneten Flüssigkristallmaterials zeigt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 3 das optische Durchlaßspektrum bei verschiedenen Spannungen einer PDLC-Zelle zeigt, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, bei der Tröpfchen des Flüssigkristallmaterials im Grundpolymer einen Durchmesser zwischen 10 nm und 50 nm besitzen;
Fig. 4 die theoretische Charakteristik des Lichtdurchlasses als Funktion der Wellenlänge einer PDLC-Zelle, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, zeigt, bei der Tröpfchen des Flüssigkristallmaterials im Grundpolymer einen Durchmesser zwischen 10 nm und 50 nm besitzen;
Fig. 5 eine Darstellung eines Fabry-Perot-Etalons zeigt, das ein PDLC-Material, dielektrische Schichten und abwechselnde Schichten aus Material mit großem (H) und kleinem (L) Brechungsindex in einer Konfiguration eines mehrschichtigen Stapels umfaßt;
Fig. 6 die theoretische Charakteristik des Lichtdurchlasses als Funktion der Wellenlänge des in Fig. 5 gezeigten Aufbaus des Fabry- Perot-Etalons zeigt;
Fig. 7 wie in Fig. 5 eine Darstellung des Aufbaus des Fabry-Perot- Etalons zeigt, wobei die dielektrischen Schichten zur Außenseite des Stapels aus mehreren HL-Schichten verschoben sind;
Fig. 8 die Charakteristiken des gemessenen Verhaltens des Aufbaus des Fabry-Perot-Etalons zeigt, die angeben, daß Kontrastpegel über 50% erreicht werden; und
Fig. 9 eine Darstellung eines verteilten Bragg-Filters zeigt, das abwechselnde Schichten aus Indiumzinnoxid und PDLC-Material umfaßt.
In Fig. 1 enthält eine Polymer/dispergiertes Flüssigkristall-Zelle 1 (PDPC-Zelle) ein Material aus Polymer/dispergiertem Flüssigkristall, das zwischen zwei im wesentlichen parallelen stirnseitigen Substraten 4 angeordnet ist. Das PDLC-Material enthält Tröpfchen aus Flüssigkristallmaterial 2, die in einer Polymermatrix 3 dispergiert sind. Die Substrate 4, die gewöhnlich Glassubstrate sind, sind mit einem (nicht gezeigten) geeigneten dielektrischen Material beschichtet, um Elektroden zu bilden, damit eine Spannung 5 über die Zelle angelegt werden kann. Das dielektrische Material kann typischerweise Indiumzinnoxid (ITO) oder ein anderes durchlässiges dielektrisches Material sein.
In der herkömmlichen Form würden die Flüssigkristalltröpfchen 2 einen Durchmesser in der Größenordnung von wenigen Mikrometern oder wenigen zehn Mikrometern haben. Wenn über die Zelle 1 keine Spannung angelegt ist (wie in Fig. 1(a) gezeigt ist), ist der Flüssigkristalldipol (der durch die kleinen Linien im Tröpfchen 6 dargestellt ist) willkürlich ausgerichtet und jedes Tröpfchen besitzt einen effektiven Brechungsindex, der von dem des Grundpolymers verschieden ist. Auftreffende Strahlung 7 wird durch die Tröpfchen gestreut und die Zelle 1 erscheint deswegen dunkel.
Wenn über die Eingangs- und Ausgangsflächen der Zelle 1 eine Spannung 5 angelegt wird (wie in Fig. 1(b) gezeigt ist), wird der Flüssigkristalldipol 6 längs der Richtung des angelegten elektrischen Felds ausgerichtet. Das PDLC-Material wird durchlässig, wenn der Brechungsindex im wesentlichen dem des Polymers entspricht. Durch die Verwendung einer geeigneten Zusammensetzung aus Polymer und Flüssigkristall kann die Zelle daher zwischen den Zuständen undurchlässig (Spannung ausgeschaltet) und durchlässig (Spannung eingeschaltet) umgeschaltet werden. Derartige PDLC- Zellen können in vielen Anzeigeanwendungen verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch der Durchmesser der Tröpfchen 2 so vermindert, daß er bedeutend kleiner als 0,1 um ist und vorzugsweise zwischen 10 nm und 50 nm liegt. Ein derartiges Material sollte als ein Nanophasen-Polymer/dispergiertes Flüssigkristall-Material (Nanophasen-PDLC-Material) bezeichnet werden. Bei Nanophasen-PDLC-Material ist der Streuungsquerschnitt der Tröpfchen 2, die nicht ausgerichtete Dipole enthalten, bei sichtbaren Wellenlängen vernachlässigbar und das Medium erscheint isotrop. Der mittlere Brechungsindex der einzelnen Tröpfchen ist jedoch derselbe wie bei dem herkömmlichen PDLC-Material mit großen Tröpfchen.
Die Tröpfchengröße wird weitestgehend durch den Wellenlängenbereich, der von Interesse ist, bestimmt. Die oben genannten Abmessungen wären für ein Filter zur Verwendung im sichtbaren Spektralbereich geeignet. Die Tröpfchengröße kann jedoch so gewählt werden, daß das Filter im infraroten Wellenlängenbereich verwendet werden kann. Der Tröpfchendurchmesser kann typischerweise zwischen 0,02 λ und 0,12 λ liegen, wobei λ die Wellenlänge ist, die von Interesse ist.
Wenn über die Zelle 1 ein elektrisches Feld angelegt wird, erfolgt eine gewisse Dipolausrichtung längs der Richtung des elektrischen Felds und deswegen ist für Licht, das senkrecht zum Substrat in die Zelle eintritt, eine Nettoverminderung des effektiven Brechungsindex der Tröpfchen 2 vorhanden. Die Nettoverminderung des effektiven Brechungsindex ist für Licht, das unter einem gewissen Winkel zur senkrechten Richtung auftrifft, kleiner.
Das Medium ist trotzdem in bezug auf die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, die von Interesse ist, isotrop und auf Grundlage von effektiven Näherungen des Mediums ist der Brechungsindex der Polymerzusammensetzung dementsprechend um einen Betrag vermindert, der sich auf den Grad der Dipoldrehung bezieht. Die Dipoldrehung wird durch den Pegel des angelegten elektrischen Felds und durch den Grad der Behinderung der Drehung des Dipols, der unter anderem von den speziell verwendeten Materialien und dem Grad der Wechselwirkung zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem Grundpolymer abhängt, bestimmt.
Die Zusammensetzung kann unter Verwendung herkömmlicher Polymerisationsprozesse mit induzierter Phasentrennung (PIPS) hergestellt werden [Doane, J. W. u. a., 1986, Appl Phys Lett 48, 269]. Ein derartiger Prozeß enthält z. B. das Mischen eines Flüssigkristalls mit einem flüssigen und durchlässigen Vorpolymer mit geringem Molekulargewicht. Es ergibt sich eine flüssige und optisch durchlässige Lösung, die durch UV-Licht, durch Zugabe eines chemischen Aushärtemittels oder durch Erwärmen gehärtet werden kann.
Wenn die Reaktion fortschreitet, wird der Flüssigkristall allmählich weniger löslich in dem sich bildenden Polymer und schließlich können Tröpfchen im Sub-Mikrometerbereich gebildet werden. Am Ende des Aushärtprozesses enthält das Material nematische Tröpfchen, die in einer festen Matrix eingegossen sind. Prozesse mit thermisch induzierter Phasentrennung (TIPS) oder Prozesse mit durch Lösungsmittel induzierter Phasentrennung (SIPS) könnten außerdem verwendet werden [Wu, B. G., 1987, J Appl Phys, 62, 3925].
Das Flüssigkristallmaterial ist vorzugsweise ein nematisches Material mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau, wobei A Alkyl- oder Alkoxy- sein kann und vorzugsweise C&sub1;&submin;&sub1;&sub2; enthält, C, D oder E kann Cyclohexan oder Benzen sein kann und B ist Cyano- oder eines aus einer mit Halogen abgeschlossenen Gruppe. Beispiele geeigneter Materialien können in den folgenden Literaturhinweisen gefunden werden: die US-Patentanmeldungen WO 89 12 621 und WO 91 09 092, die hier durch Literaturhinweis eingeschlossen sind.
Das Nanophasen-PDLC-Material kann z. B. das Monomer Dipentaerithrytol-Pentahexa-Acrylat als Grundstoff enthalten, das mit 1-Vinyl- 2-Pyrrolidinon vernetzt ist. Das verwendete Flüssigkristall kann BE36 sein, das aus dem Katalog von E. Merck verfügbar ist, und wird vor dem Aushärten in dem Monomer gelöst. Darocur 4265 kann verwendet werden, um die Lösung in etwa 0,5 Sekunden auszuhärten, wobei ein schnelles Aushärten wichtig ist, um Tröpfchen-Aggregation zu vermeiden.
Das Lichtdurchlaßspektrum einer Nanophasen-PDLC-Zelle ist in Fig. 3 gezeigt. Die drei Kurven 8, 9 und 10 repräsentieren die "Durchlaß-/Wellenlängen-Charakteristik" der Zelle bei angelegten Feldern von 0,27 bzw. 55 V/um. Um Interferenzstreifen sichtbar zu machen, muß die Zelle außerdem ein Material mit einem Brechungsindex enthalten, der sich ausreichend von dem des PDLC- Materials unterscheidet. Bei diesem Beispiel besitzt das PDLC-Material eine Dicke von 11 um und ist sandwichartig zwischen Glassubstraten angeordnet, die mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichtet sind, wobei das ITO einen Brechungsindex besitzt, der sich von dem des PDLC-Materials ausreichend unterscheidet. Beim Anlegen der Spannung verschieben sich das Maximum 11 und das Minimum 12 in der "Durchlaß-/Wellenlängen-Charakteristik" zu kleineren Wellenlängen, was eine Verminderung des Brechungsindex des Materials anzeigt.
Wenn wenigstens ein Maximum oder ein Minimum der "Durchlaß- /Wellenlängen-Charakteristik" im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt, kann das abstimmbare Filter im sichtbaren Wellenlängenbereich betrieben werden. Bei diesem Beispiel liegt die Verschiebung bei einem angelegten Feld von 55 V/um in der Größenordnung von einigen Nanometern. Wenn das Feld entfernt wird, bewegen sich die Flüssigkristalldipole zurück in die Ausrichtung der ausgeschalteten Spannung und die Maxima und Minima kehren zu den Wellenlängen für den Zustand mit abgeschalteter Spannung zurück.
Die Größe der Verschiebung hängt von mehreren Faktoren ab, z. B. von der Viskosität des tatsächlich für die Vorrichtung ausgewählten Flüssigkristallmaterials, der Zellendicke und der Anzahldichte der Tröpfchen in dem PDLC-Material. Die Größe der Verschiebung ist außerdem eine Funktion der Wechselwirkung zwischen dem Flüssigkristailmaterial und dem Grundpolymer an der Tröpfchengrenzfläche, d. h. des Grads des Dipol-Pinnings. Durch Einführung eines Tensids, z. B. Octansäure (die aus dem E. Merck-Katalog zur Verfügung steht), kann der zuletzt genannte Effekt vermindert werden, wobei kleinere Spannungen angelegt werden können, um die erforderliche Wellenlängenverschiebung zu erzeugen.
Durch Änderung der Spannung 5, die an die Zelle 1 angelegt wird, kann der Durchlaß der Zelle daher mit der Wellenlänge geändert werden und der maximale und der minimale Durchlaß kann für eine bestimmte Wellenlänge, die von Interesse ist, abgestimmt werden. Die Zelle kann daher als ein abstimmbares Filter betrieben werden.
Der theoretische Wirkungsgrad eines ähnlichen mehrschichtigen Stapels ist in Fig. 4 gezeigt, wobei der Stapel einen Aufbau Glas/ITO/PDLC/ITO/Glas besitzt (wie in Fig. 1 gezeigt ist). Bei den aufgezeichneten Daten wird eine ITO-Dicke von 100 nm angenommen und sie enthalten nicht den Beitrag infolge des Reflexionsvermögens der internen Grenzfläche Glas/Luft, wobei sich die Größe des theoretischen Durchlasses (Fig. 4) dadurch etwas vom beobachteten Durchlaß unterscheidet (Fig. 3). Die Relativverschiebungen der Interferenzstreifen sind für die beobachteten Daten ähnlich und erfolgen wegen der Verminderung des Brechungsindex von 1,65 auf 1,648 und 1,646 für angelegte Felder von 0,27 bzw. 55 V/um.
Die Kontrastpegel der Vorrichtung können durch die Hinzufügung von dielektrischen reflektierenden Schichten rund um den PDLC- Hohlraum bedeutend verbessert werden. Fig. 5 zeigt einen Resonanzhohlraum 13 mit einem mehrschichtigen Aufbau aus G/HLHLH/ITO/PDLC/ITO/HLHLH/G, wobei G (4) die stirnseitigen Eingangs und Ausgangsglassubstrate sind, ITO ist die Indiumzinnoxidschicht 14, an die eine Spannung angelegt werden kann, und H (15) und L (16) repräsentieren Viertelwellenlängenschichten aus Material mit großem bzw. kleinem Brechungsindex (wobei jeder Brechungsindex in bezug auf den jeweils anderen Brechungsindex gemessen wird). Beispiele solcher Materialien sind Titanoxid (H) und Siliciumoxid (L).
In Fig. 6 zeigen die drei Kurven die theoretischen Charakteristiken des Lichtdurchlasses als Funktion der Wellenlänge der in Fig. 5 gezeigten Etalonvorrichtung für drei verschiedene Spannungen, die über die Etalonvorrichtung 13 angelegt werden. Bei dieser Konfiguration der Vorrichtung wird der Durchlaß am Minimum 16 auf lediglich einige wenige Prozent vermindert und beträgt am Maximum mehr als 60 Prozent.
Um den Kontrastpegel des Filters weiter zu verbessern, können die ITO-Schichten 14 zur Außenseite de Stapels zwischen die Glassubstrate 4 und 5 und die HLHLH-Schichten verschoben werden, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Kontrastpegel kann außerdem verbessert werden, indem die Anzahl der H- und L-Schichten im Stapel erhöht wird.
Die gemessenen spektralen Charakteristiken einer solchen Vorrichtung sind in Fig. 8 gezeigt, die außerdem die Änderung des Verhaltens als eine Funktion der Dauer beim Anlegen eines elektrischen Felds zeigt. Ein AC-Schalten wurde bei derartigen Konfigurationen der Vorrichtung bei Frequenzen über 1 kHz gemessen.
Verschiedene Kombination aus H- und L-Schichten können im Etalon enthalten sein und die Anordnung muß nicht auf symmetrische Kombinationen auf jeder Seite des PDLC-Materials beschränkt sein. Bei bestimmten Anwendungen kann es z. B. vorteilhaft sein, daß ein Metallreflektor auf einer Seite des PDLC-Materials vorhanden ist, während sich auf der anderen Seite eine oder mehrere H- oder L- Schichten befinden.
Da das Nanophasen-PDLC-Material das Flüssigkristallmaterial vollständig enthält, kann es als ein freistehendes Plattenmaterial hergestellt werden. In dieser Form kann das Material mit einem dielektrischen Material beschichtet werden, z. B. ITO, in Abschnitte geschnitten werden und gebondet oder heißgepreßt werden, um einen Stapel mit dem allgemeinen Aufbau (ITO/PDLC)n, wobei n die Anzahl der ITO/PDLC-Schichten ist, zu bilden. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 9 gezeigt. Die Vorrichtung besitzt einen optisch unsymmetrischen Aufbau und der Großteil des Filters enthält PDLC- Material.
Ein PDLC-Material ist zur Verwendung als ein abstimmbares Filter zweckmäßig, da es als ein Plattenmaterial hergestellt und für die spezielle Anwendung in gewünschte Abschnitte geschnitten werden kann. Für Anzeigezwecke kann das Material in flexiblen Konfigurationen und Verbundkonfigurationen verwendet werden.
Unter der Voraussetzung, daß die einzelnen PDLC-Schichten bei der Montage phasenangepaßt sein können, kann die Struktur als ein nützliches abstimmbares Filter verwendet werden. Der Vorteil der Verwendung von ITO für die Schicht mit großem Brechungsindex besteht darin, daß eine variable Spannung 5 über jede PDLC-Schicht angelegt werden kann, wobei jede Spannung individuell gesteuert wird. Das ermöglicht eine Feinabstimmung der einzelnen Spannungen, um eine optimale Phasenanpassung in der Struktur zu erreichen. Bei der Verwendung bei sichtbaren Wellenlängen beträgt die Dicke jeder PDLC-Schicht typischerweise 11 um bei einer ITO-Dicke von etwa 70 nm. Weitere Dünnschichten können neben den ITO- Schichten enthalten sein, um den Kontrast des Brechungsindex zu verbessern.
Das abstimmbare Filter kann als eine elektrooptische Schutzvorrichtung von besonderer Wichtigkeit sein. Da die Vorrichtung sowohl bei eingeschalteter Spannung als auch bei ausgeschalteter Spannung durchlässig ist, verdunkelt sie die Sicht nicht wesentlich und kann deswegen in Bilderzeugungsausrüstungen oder Sehhilfen enthalten sein. Die Vorrichtung kann z. B. vor Ferngläsern oder Schutzgläsern als ein Schutz gegen Laserstrahlung verwendet werden. Das Filter kann durch einen Operator manuell abgestimmt werden oder kann so beschaffen sein, daß es automatisch betätigt wird. Die Spannung, die an das Filter angelegt wird, kann z. B. durch eine Rückkopplung von einem Laserstrahlungsdetektor gesteuert werden, so daß die maximale Dämpfung der Strahlung erreicht wird.
Das Filter kann außerdem bei kontrastreichen Anzeigen verwendet werden, bei denen es verwendet wird, um die gesendeten Intensitäten der Primärfarben, die zum Aufbau von Bildern verwendet werden, zu modulieren. Es sind entweder Projektions- oder Durchlichtformate möglich. Der Grad des Kontrasts ist abhängig von der Notwendigkeit eines Polarisators und ist durch den Aufbau des optischen Hohlraums, der im Filterstapel verwendet wird, definiert. Das Filter kann außerdem bei infraroten Wellenlängen für die Wellenlängen-Multiplexierung in Kommunikationsanwendungen verwendet werden.

Claims

1. Abstimmbares Filter (1, 13, 13b) mit einer Durchlaß- /Wellenlängen-Charakteristik, die wenigstens ein Maximum (17) oder ein Minimum (16) besitzt, das umfaßt:

zwei im wesentlichen parallele, einander zugewandte Substrate (4), die einen Resonanzhohlraum bilden und mit einem dielektrischen Material beschichtet sind, um Elektroden (14) zu bilden, die ermöglichen, daß über den Hohlraum eine Spannung (5) angelegt werden kann,

eine Schicht aus Nanophasenmaterial (2, 3) aus Polymer und dispergiertem Flüssigkristall, das nachfolgend als PDLC-Material bezeichnet wird und in dem Resonanzhohlraum enthalten ist, wobei das PDLC-Material (2, 3) mit Hilfe eines angelegten elektrischen Felds polarisiert werden kann, und

wobei das dielektrische Material einen Brechungsindex besitzt, der sich von jenem des PDLC-Materials (2, 3) unterscheidet,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Resonanzhohlraum mehrere Schichten aus PDLC-Material (2, 3) und mehrere Schichten aus dielektrischem Material umfaßt, wobei die Schichten so beschaffen sind, daß wenigstens eine Schicht aus dielektrischem Material auf jeder Seite jeder Schicht aus PDLC- Material angeordnet ist, und

die Schichten des Resonanzhohlraums so ausgebildet sind, daß eine Änderung der angelegten Spannung (5) eine Änderung der Wellenlängen bewirkt, bei denen das Maximum (17) oder das Minimum (16) in der Durchlaß-/Wellenlängen-Charakteristik auftritt.

2. Filter nach Anspruch 1, bei dem das Flüssigkristallmaterial ein nematisches Material ist.

3. Filter nach Anspruch 2 für die Verwendung in einem Wellenlängenbereich mit einer Wellenlänge λ, wobei Tröpfchen (2) des Flüssigkristallmaterials im PDLC einen Durchmesser zwischen 0,02 λ und 0,12 λ besitzen.

4. Filter nach Anspruch 3, bei dem Tröpfchen (2) des Flüssigkristallmaterials im PDLC-Material einen Durchmesser besitzen, der kleiner als 0,1 um ist.

5. Filter nach Anspruch 4, bei dem Tröpfchen (2) des Flüssigkristallmaterials im PDLC-Material einen Durchmesser zwischen 10 nm und 50 nm besitzen.

6. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Resonanzhohlraum im wesentlichen parallele einander zugewandte Eingangs- und Ausgangssubstrate besitzt.

7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Durchlaß-/Wellenlängen-Charakteristik mehrere Maxima (17) und Minima (18) enthält.

8. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Maximum oder ein Minimum in der Durchlaß- /Wellenlängen-Charakteristik im Bereich der sichtbaren Wellenlängen oder der mittleren Infrarot-Wellenlängen liegt.

9. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das dielektrische Material Indiumzinnoxid ist, das eine Elektrode (14) bildet, an die das variable elektrische Feld angelegt werden kann.

10. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem wenigstens eine Schicht (15, 16) aus einem Material mit großem (H) oder kleinem (L) Brechungsindex enthält.

11. Filter nach Anspruch 10, bei dem Schichten aus Material mit großem und kleinem Brechungsindex in einer Struktur aus abwechselnden HL-Schichten angeordnet sind.

12. Filter nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das Material mit großem Brechungsindex (15) Titanoxid und das Material mit Meinem Brechungsindex (16) Siliciumoxid ist.

13. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Filter abwechselnde Schichten (14) aus Indiumzinnoxid und PDLC-Material (2, 3) enthält, die im wesentlichen zueinander parallel verlaufen.

14. Filter nach Anspruch 13, das ferner Mittel (5) zum Anlegen einer unabhängigen Spannung an jede einzelne Indiumzinnoxidschicht (14) umfaßt.