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Verfahren und Vorrichtung zur Lichtsteuerung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lichtsteuerung, bei dem die optischen Eigenschaften eines flüssigkeitshaltigen Mediums durch ein elektrisches Feld verändert werden. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Zur Steuerung des Lichtes in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld wurde bisher vor allem der Kerr-Effekt ausgenutzt, der bekanntlich darauf beruht, dass manche Substanzen im elektrischen Feld doppelbrechend werden. Die Nachteile dieses bekannten Lichtsteuerverfahrens liegen insbesondere darin, dass hohe elektrische Spannungen erforderlich sind und die Lichtausbeute wegen der Verwendung polarisierten Lichtes stets weniger als 50 % beträgt, also ziemlich gering ist.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, das Licht, das auf eine Fläche eines festen oder flüssigen, unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes den Brechungsindex ändernden Körpers auftrifft, in der Weise zu steuern, dass durch Änderung des Grenzwinkels der Totalreflexion die reflektierten und nichtreflektierten Anteile eines divergenten, den Grenzwinkel der Totalreflexion einschliessenden Lichtbündels verändert werden. Der hiebei erzielte Aussteuerungsbereich ist jedoch sehr klein, da zum einen auch jene Lichtstrahlen, die bei Einwirkung eines hinreichend hohen elektrischen Feldes total reflektiert werden sollen, vor Wirksamwerden des Feldes bereits partiell reflektiert werden, und zum andern die erreichbaren Änderungen des Brechungsindex des reflektierenden Körpers nach dem Prinzip der elektrischen Doppelbrechung gering sind.
Des weiteren wurden auch schon elektrisch gesteuerte Lichtventile vorgeschlagen, die aus einem durchsichtigen Medium mit darin suspendierten, lichtschwächenden Teilchen bestehen. Diese Teilchen nehmen bei Nichtvorhandensein eines elektrischen Feldes beliebige Stellungen ein und erfahren bei Einwirkung des Kraftfeldes eine Orientierung, wodurch sich die Lichtdurchlässigkeit des gesamten Systems ändert. Auch hier sind grössere Lichtverluste in Kauf zu nehmen, da die ausrichtbaren Teilchen auch bei einheitlicher Orientierung noch eine lichtschwächende Wirkung ausüben.
Hier schafft die vorliegende Erfindung Abhilfe. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Lichtsteuerung, bei dem die optischen Eigenschaften eines flüssigkeitshaltigen Mediums durch ein elektrisches Feld ver- ändert werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass durch das Feld in einem Medium mit in ihm unter der Einwirkung des Feldes wandernden Komponenten an einer Grenzfläche Konzentrationsänderungen und dadurch Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche erzeugt und zur Lichtsteuerung nutzbar gemacht werden.
Vorzugsweise kann die Lichtsteuerung in der Weise erfolgen, dass durch die Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche die Voraussetzung für eine Totalreflexion des zu steuernden Lichtes an der Grenzfläche geschaffen wird. Hiebei trifft das zu steuernde Licht auf die Grenzfläche unter einem Einfallswinkel auf, der mindestens gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion ist, der dem Brechungsindex des Mediums an der Grenzfläche nach Eintritt der Konzentrationsänderung entspricht, während die Lichtsteuerung durch Änderung des Brechungsvermögens und/oder der Dicke der an der Grenzfläche unter dem Einfluss des elektrischen Feldes sich ausbildenden Schicht veränderter Konzentration des Mediums erfolgt.
In analoger Weise kann die Lichtsteuerung auch derart durchgeführt werden, dass durch Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche eine bestehende Totalreflexion des zu steuernden Lichtes an dieser Grenzfläche mindestens teilweise aufgehoben wird. Hiebei trifft das zu steuernde Licht auf die Grenzfläche unter einem Einfallswinkel auf, der kleiner ist als der Grenzwinkel
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der Totalreflexion, der dem Brechungsindex des Mediums an der Grenzfläche nach Eintritt der Konzentrationsänderung entspricht, während die Lichtsteuerung durch Änderung des Brechungsvermögens und/oder der Dicke der an der Grenzfläche unter dem Einfluss des elektrischen Feldes sich ausbildenden Schicht veränderter Konzentration des Mediums erfolgt.
Erfindungsgemäss können die Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche auch unter Ausnutzung der an sich bekannten Schlierenmethoden, des Phasenkontrastverfahrens oder der Dunkelfeldmethode zur Lichtsteuerung dienen. Es kann auch Polarisationslicht Anwendung finden, wobei die Änderungen seines Polarisationszustandes zur Lichtsteuerung ausgenutzt werden.
Die für die Durchführung des erfindungsgemässen Lichtsteuerverfahrens erforderliche Änderung des elektrischen Feldes kann auf mechanischem, elektrischem, magnetischem. elektromagnetischem oder thermoelektrischem Wege erreicht werden. Die Änderungen des elektrischen Feldes können auch durch Korpuskularstrahlen hervorgerufen werden, wobei die bei Beschuss mit derartigen Strahlen auftretenden Änderungen der elektrischen Eigenschaften eines Zwischenmediums die Änderungen des elektrischen Feldes bewirken. Die Änderung des elektrischen Feldes kann ferner durch elektromagnetische Strahlung auf Grund der bekannten photoelektrischen Effekte erfolgen. Die im elektrischen Feld auftretenden Konzentrationsänderungen können durch Ultraschall ganz oder teilweise wieder beseitigt werden.
Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens kann gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung dienen, bei welcher der Brechungsindex des Mediums in der an die Grenzfläche sich anschliessenden Grenzschicht bei einer extremen Konzentration des Mediums in dieser Grenzschicht mit dem Brechungsindex eines auf der gegenüberliegenden Seite der Grenzfläche vorhandenen Mediums annähernd übereinstimmt. Erfindungsgemäss kann die Grenzfläche, an welcher Konzentrationsänderungen des Mediums auftreten, durch eine Membran gebildet sein. Als Medium, in welchem Konzentrationsänderungen auftreten, können bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemässen Lichtsteuervorrichtung kolloide oder solubilisierte Systeme dienen.
Zweckmässigerweise sind das Medium, in dem Konzentrationsänderungen auftreten, und die die Grenzschicht bildende Membran zwischen zwei Elektroden angeordnet. Erfindungsgemäss kann einer der Elektroden eine strahlungsempfindliche Schicht, beispielsweise eine Photohalbleiterschicht, zugeordnet sein.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung sind mit dem Vorteil verbunden, dass durch das elektrische Feld in der an die Grenzfläche sich anschliessenden Grenzschicht des Mediums bei einem verhältnismässig geringen Energieaufwand eine grosse Konzentrationsänderung und somit eine grosse, bei Lichtsteuereinrichtungen bisher nicht erreichte Änderung des Brechungsvermögens des Mediums im Bereich der Grenzfläche erzielbar ist. Hiedurch wird die Lichtsteuerung erheblich vereinfacht ; sie kann mit verhältnismässig geringen Mitteln mit grosser Genauigkeit durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist darin zu erblicken, dass es die Aussteuerung des auf das Steuersystem auftreffenden Lichtes praktisch innerhalb des gesamten Bereiches zwischen 0 und 100 % zulässt und auch eine flächenhafte Bildwandlung und Bildverstärkung ermöglicht.
Weitere Einzelheiten und Vorteile sind aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsformen der erfindungsgemässen Lichtsteuervorrichtung ersichtlich. Diese Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt, u. zw. zeigt Fig. l eine Anordnung zur Lichtsteuerung in schematischer Darstellung. Fig. 2 ein Oszillogramm zur Veranschaulichung der Lichtreflexion in Abhängigkeit von der Zeit beim Gegenstand der Fig. 1, Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Lichtsteuervorrichtung.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Lichtsteuerung. bei der durch die Änderung der optischen Eigenschaften in einer Steuerschicht eine Beeinflussung der Totalreflexion des Lichtes erfolgt. Zwischen zwei Elektroden 1 und 2 befindet sich, von den Membranen 3 und 4 abgeschlossen, eine kolloide Lösung 5, deren Teilchen elektrisch geladen sind, aber nicht durch die Membranen hindurchtreten können. Zwischen den Membranen und den Elektroden befindet sich eine Elektrolytlösung 6, die die leitende Verbindung zwischen den Elektroden und der kolloiden Lösung herstellt. Die Membran 3 bildet die zur Lichtsteuerung dienende Grenzfläche der als Steuerflüssigkeit benutzten kolloiden Lösung 5.
Man kann nun die verschiedenen Stoffe so auswählen, dass die Brechungsindizes von Elektrolytlösung 6, Membran 3 und kolloider Lösung 5 einander gleich sind. Ist dies der Fall, dann geht der auf die Grenzfläche zwischen Membran 3 und kolloide Lösung 5 auftreffende Lichtstrahl 7 ungebrochen durch diese Grenzfläche hindurch.
Sind die Teilchen der kolloiden Lösung z. B. positiv geladen, so findet bei Anlegung eines elektrischen Feldes an die Elektroden l, 2, von denen die obere Elektrode l die Anode ist, eine Abwanderung
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Kolloidteilchenlich grösser. Die maximal möglichen Feldstärken liegen in der Grössenordnung von 10 V/cm. Rechnet man mit einer Schichtdicke von l 1. so ergeben sich für die volle Aussteuerung Zeiten von 10-5 sec und weniger.
Fig. 2 zeigt ein Oszillogramm, in dem die Kurve 9 den zeitlichen Verlauf der an die Elektroden 1, 2 der Vorrichtung nach Fig. 1 angelegten Spannung (Feldstärke zirka 10 V/cm, Zeitdauer etwa 20. 10-3 sec) und die Kurve 10 den zeitlichen Verlauf der mit einer Photozelle gemessenen Intensität des von der Grenzfläche reflektierten Lichtes darstellt.
Der Brechungsindex von konzentrierten Systemen kann von dem Brechungsindex des Lösungs- bzw.
Dispersionsmittelsum/' ! n= 0, 1-0, 2 abweichen. Die bei Stromdurchgang auftretende Änderung des Bre-
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unterschied reicht zur Aussteuerung bei Phasenkontrast völlig aus.
Die für einen einmaligen Effekt notwendige elektrische Energie hängt von dem spezifischen Widerstand des Systems, der Grösse der Steuerfläche (Elektrode oder Membran) und der angelegten Spannung, bei vorgegebener Feldstärke also von dem Elektrodenabstand ab. Sie beträgt z. B. bei einer Feldstärke von 103V/cm und einem Elektrodenabstand von 10-2 cm = 0, 1 mm, d. h. 6inet Spannung von 10 V, sowie bei einem spezifischen Widerstand von 1030. cm weniger als 10-2 Wati : selmnden pro cm2 Steuerfläche.
Für die praktische Anwendung ist der Verarmungseffekt an Membranen in Itolloiden Systemen besonders günstig, weil die pro Ladungseinheit überführte Substanzmenge besonders gross ist, so dass die zur Erzielung eines bestimmten optischen Effektes notwendige elektrische Energie sehr klein ist, und der Mechanismus des Stromtranspones hier nicht immer-wie bei Elektrodenprozessen-in der Ausbildung einer Diffusionsschicht zu bestehen braucht ; die geladenen Kolloidteilchen können auch durch gleichgeladene Ionen, die durch die Membran einwandern, ersetzt werden. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Beweglichkeit der Kolloidteilchen, d. h. ihre Geschwindigkeit pro Feldstärkeeinheit, von der gleichen Grössenordnung ist wie die der Ionen und durch Zusätze zu verändern ist.
Die Grenzfläche, an der sich die für den optischen Effekt massgebenden Konzentrationsänderungen abspielen, ist von der Elektrodenfläche mit ihren u. U. störenden Elektrodenreaktionen räumlich getrennt. Bei geeigneter Wahl der Membran kann die elektroosmotische Wasserüberführung den Effekt noch vergrössern. Elektrode und Elektrolyt zusammen können bei geeigneter Wahl als Spannungsquelle benutzt werden, so dass u. U. auf eine äussere Spannungquelle verzichtet werden kann.
Es eignen sich wässerige und nichtwässerige kolloide Systeme, insbesondere auch Sole und Gele.
Statt dessen sind auch wässerige und nichtwässerige Lösungen von Elektrolyten, makromolekularen Substanzen und Farbstoffen sowie solubilisierte Systeme, beispielsweise Chlorbenzol in wässeriger Dimethylaminhydrochloridlösung, und Polystyrolemulsionen als Steuersysteme geeignet.
Wie bereits erwähnt, können die Konzentrationsänderungen und die daraus resultierenden Änderungen der optischen Eigenschaften in der Grenzschicht des zur Lichtsteuerung dienenden Systems ausser auf dem Weg der Totalreflexion des auf die Grenzfläche auftreffenden Lichtes auch durch andere, an sich bekannte Methoden sichtbar gemacht werden, beispielsweise durch Phasenkontrastverfahren, Dunkelfeldbeobach- tung oder Schlierenmethoden.
Das Einschalten und die Veränderungen des für den Effekt notwendigen elektrischen Feldes kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise mechanisch, elektrisch, magnetisch, elektromagnetisch oder thermoelektrisch. Es kann auch durch Korpuskularstrahlen (z. B. Elektronen, Ionen) erfolgen, entweder direkt oder über die durch Korpuskularstrahlen bewirkten Leitfähigkeitsänderungen von Halbleiterschichten, die der Vorrichtung zur Lichtsteuerung zugeordnet sein können. Ferner können auch elektromagnetische Strahlungen (Röntgenstrahlen, ultraviolettes, sichtbares oder ultrarotes Licht) über die bekannten photoelektrischen Effekte die für die Lichtsteuerung notwendigen Änderungen des elektrischen Feldes hervorrufen.
In Fig. 3 ist das Schema einer solchen Anordnung beispielsweise dargestellt. Die einfallende Strahlung 20 (z. B. Elektronen oder Licht) fällt durch eine dünne Metallschicht 11, die als Elektrode dient, auf eine Halbleiterschicht 12, die bei Bestrahlung ihren elektrischen Widerstand Snden. Über eine Elektroden- schicht 13 werden die resultierenden Stromänderungen auf ein System analog Fig. 1 übertragen, das eine Elektrolytlösung 14, eine Membran. 15, ein kolloides System 16. eine Membran 17, an der die Licht-
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steuerung erfolgt, eine Elektrolytlösung 18 und eine Elektrode 19 umfasst. Eine Spannungsquelle 23 ist an die Elektroden 11". 19 angeschlossen.
Je nach der Intensität der auffallenden Strahlung 20 wird das elektrische Feld im Bereich der Membran 17 und somit die Intensität des reflektierten Anteiles 22 des Lichtstrahles 21 wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verändert. Fällt keine Strahlung auf die Halbleiterschicht 12, so geht das Licht 21 ungebrochen durch die Membran 17 hindurch. Weist die Primärstrahlung 20 eine bildmässige Intensitätsverteilung auf, so zeigt diese bildmässige Intensitätsverteilung auch die reflektierte Sekundärstrahlung 22. Hiedurch kann eine Bildwandlung und Bildverstärkung erreicht werden.
Bei Beschuss mit Elektronenstrahlen können die Elektrode 11 bzw. 13, die Halbleiterschicht 12 und die Spannungsquelle 23 an sich fortfallen. Die Beschleunigungsspannung für die Elektronen liegt dann zwischen der Elektronenquelle (z. B. Glühkathode) und der Elektrode 19. Der fliessende Strom wird in diesem Fall direkt durch die auffallenden Elektronen 20 gebildet. Hingegen besteht bei der Anordnung gemäss Fig. 3 die Möglichkeit, den Elektronenstrom zu verstärken und den Steuerstrom, d. h. den Strom, der die Intensität des reflektierten Lichtes steuert, länger fliessen zu lassen als den primären Elektronenstrom 20. Dies bedeutet, dass man das Elektronenbild speichern kann, was zu einer weiteren effektiven Bildverstärkung führt.
Ganz analog lässt sich natürlich auch das Bild elektromagnetischer Strahlung vermittels der Halbleiterschicht 12 speichern.
Um eine einwandfreie Bildverstärkung und Bildwandlung zu erzielen, muss die Komponente des elektrischen Feldes, die parallel zur Membran 17 verläuft, in dem Raumgebiet zwischen Elektrode 11 und Membran 17 möglichst klein sein. Dies kann z. B. durch Verwendung sehr dünner Schichten 12,13, 14, 16 und durch ein gut homogenes elektrisches Feld zwischen den Elektroden 11,19 erreicht werden. Sehr vorteilhaft ist eine Unterteilung der Schichten 13,14 und 16 in Einzelzellen sehr kleiner Grösse mittels isolierender Zwischenwände (nicht dargestellt), wodurch auch bei längerem Bildstand ein Konzentrationsausgleich unter den benachbarten Volumenelementen der grenzflächennahen Steuerschicht verhindert wird. Im letzteren Falle erhält man ein Bildraster, dessen Feinheit durch die Grösse der Einzelzellen bestimmt ist.
Die Intensitätssteuerung des reflektierten Bildes kann wieder, wie oben bereits beschrieben, durch die Stromstärke oder, bei konstantem Strom, durch die Zeit erfolgen, während der der Steuerstrom, relativ zu den Dunkelpausen, fliesst.
Die Rückgängigmachung der Konzentrationsänderungen in der der Grenzfläche benachbarten Steuerschicht der Lichtsteuervorrichtung kann durch Diffusion, ein elektrisches Gegenfeld oder durch Ultraschallwellen erfolgen.
Das Licht, dessen Intensität nach dem erfindungsgemässen Verfahren und mit der erfindungsgemässen Vorrichtung gesteuert wird, braucht nicht dem sichtbaren Wellenlängenbereich anzugehören. Es kann sich beispielsweise auch um ultraviolettes oder ultrarotes Licht handeln.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Lichtsteuerung sind insbesondere auf folgenden Gebieten mit Vorteil anwendbar : a) Als photographischerVerschluss für Belichtungszeiten bis 10-5 sec. Die vorgeschlagene Lichtsteuer- vorrichtung kann einen mechanischen Verschluss ersetzen, beispielsweise bei Anordnung zwischen dem Objektiv und der lichtempfindlichen Schicht einer Kamera.
Die an der Kamera für die Belichtungsregelung vorgesehene Photozelle kann hiebei die an den Elektroden einer beispielsweise gemäss Fig. l ausgebildeten Lichtsteuervorrichtung liegende Spannung und damit die Belichtung steuern. b) Zur Lichtsteuerung für Tonfilmzwecke. c) Als stroboskopische Lichtquelle grosser Helligkeit ohne mechanisch bewegte Teile, wobei jede beliebige Primärlichtquelle verwendet werden kann. d) Als Bildverstärker und/oder Bildwandler für sichtbares Licht, z. B. für Projektionszwecke. e) Als Bildwandler und Bildverstärker für ultrarotes und für ultraviolettes Licht, z. B. für die Ultraviolett-Mikroskopie. f) Als Bildwandler und Bildverstärker für Röntgenstrahlen, z.
B. für die medizinische Untersuchung oder die technische Materialprüfung. g) Als Bildwandler und Bildverstärker für Elektronenbilder, z. B. für die Elektronenmikroskopie. h) Zur Fernseh-Projektion : Das primäre Elektronenbild der Braunschen Röhre wird, wie oben beschrieben, in ein sichtbares Bild umgewandelt ; dieses kann mit beliebiger Grösse und Helligkeit projiziert werden.
Das Verfahren kann auch im normalen Fernsehempfänger angewendet werden und bringt den Vorteil mit sich, dass nicht mehr mit so hohen Spannungen wie bei bisherigen Fernsehgeräten gearbeitet zu werden braucht, die grossen evakuierten Bildröhre wegfallen und durch Lichtsteuervorrichtungen mit einer Steuerfläche geringer Grösse ersetzt werden können, eine grössere Bildhelligkeit und-grosse erzielbar ist und eine wesentliche Verbilligung in der Herstellung des Fernsehgerätes erreicht werden kann.
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i) Als Empfänger von farbigen Fernsehbildern :
mit drei nach den hier vorgeschlagenen Verfahren arbeitenden Lichtsteuervorrichtungen können die drei Farbauszüge des Fernsehbildes übereinander projiziert werden, indem drei Lichtquellen geeigneter Farbe verwendet bzw. von einer Lichtquelle über entsprechende optische Filter die Steuerflächen der drei Lichtsteuervorrichtungen beleuchtet werden. Hiedurch entfällt die Notwendigkeit einer Sonderanfertigung von Bildröhre zum Farbempfang. Trotzdem ist eine bessere Farbabstufung möglich. k) Als Bildwandler für die Strahlung radioaktiver Isotope. l) Als Bildspeicher für Kurzzeitaufnahmen. Bei Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung kann ein Bild von sehr kurzer Zeitdauer, z. B. 10-5 sec, verhältnismässig lange, z.
B. 1 sec, gespeichert werden und während der ganzen Speicherzeit photographisch wirksam sein. m) Zur Sichtbarmachung von Ultraschallwellen, z. B. für die Materialprüfung. Die Ultraschallwellen machen die Konzentrationsänderungen in der Steuerschicht der Lichtsteuervorrichtung, die im elektrischen Feld erzeugt werden, rückgängig. n) Für Zwecke der Bildtelegraphie als Lichtrelais.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Lichtsteuerung, bei dem die optischen Eigenschaften eines flüssigkeitshaitigen Mediums durch ein elektrisches Feld verändert werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Feld in einem Medium mit in ihm unter der Einwirkung des Feldes wandernden Komponenten an einer Grenzfläche Konzentrationsänderungen und dadurch Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche erzeugt und zur Lichtsteuerung nutzbar gemacht werden.